第二章空间数据结构

第二章GIS的空间数据结构和数据库§2-1空间数据结构§2-2GIS数据模型§2-3空间数据库的设计§2-1空间数据结构一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象

1、定义指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具有概括性，复杂性，相对性的概念。地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，淮南就是一个点，这个点不能再分割，可以把淮南定为一个地理实体；在大比例尺的淮南市交通图上，淮南的许多房屋，街道都要表达出来，所以淮南必须再分割，不能作为一个地理实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。2、理解3、地理实体的特征地理实体的特征——三个基本特征属性特征——用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等空间特征——用以描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑特征，如中国与印度之间边界界桩的经纬度，中国与印度之间的邻接关系时间特征——用以描述事物或现象随时间的变化，如人口数的逐年变化。二、地理实体数据的类型根据地理实体的特征，可以把它的数据归纳为三类：属性数据——描述空间对象的属性特征的数据，也称非几何数据。即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等，描述时间特征的数据也可以归为这一类。几何数据——描述空间对象的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。即说明“在哪里”，一般用经纬度或X、Y坐标来表示。关系数据——描述空间对象之间的空间关系的数据，一般通过拓扑关系表达。如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法三、地理实体的类型

（一）空间特征类型（二）实体类型组合1、点状实体2、线状实体3、面状实体4、体状实体1、点状实体3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。4）角点、节点：表示线段和弧段上的连接点。2）注记点：用于定位注记。1）实体点：用来代表一个实体。返回2、线状实体特性：1）实体长度：从起点到终点的总长。2）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游—下游，公路，单、双向之分。线：具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示。线状实体包括：线段，边界、链、弧段等。返回3、面状实体（多边形）面状实体的如下特征：1）面积与范围

2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。面：对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。由封闭曲线加内点来表示。返回4、体状实体体：用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性返回（二）实体类型组合

现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。

邻接相交重合相离包含点—点点—线点—面线—面面—面线—线点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题。空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。

空间数据结构：是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构，也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理空间数据结构分为基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构两种基本类型123221232332333233323332四、空间数据结构1、矢量数据结构：通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构。

A.点：记录点坐标和属性代码；B.线：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码；C.面：记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。

10636423特性数据(属性代码)位置

点10x,y

线23x1,y1x2,y2…xn,yn串面63x1,y1

x2,y2…xn,yn闭合环

64x1,y1x2,y2…xn,yn闭合环10636423一、矢量数据结构

2、矢量数据获取方式1）通过外业测量获得，利用测量仪器（全站仪、GPS、常规测量等）记录测量结果，然后转到地理数据库中2）跟踪数字化，用跟踪数字化的方式把地图变成离散的矢量数据3）间接获取栅格数据转换空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）4、矢量数据表达

简单数据结构拓扑数据结构

3、矢量数据表达需要考虑的内容简单数据结构：是指只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系的一种矢量数据结构，又称面条结构。存储：独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象。点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成。特征：优点：数据按照点、线或多边形为单元进行组织，结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。缺点：A.独立存储方式造成相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，出现数据冗余和碎屑多边形，导致数据不一致；点位字典存储可保证公共边的唯一性。

B.自成体系，缺少多边形的邻接信息，邻域处理复杂，需追踪出公共边。

C.处理岛或洞等嵌套问题较麻烦，需要计算多边形的包含等。适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析。简单数据结构标识码属性码空间对象编码唯一连接几何和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1

,y1

),(x2,y2

),…,(xn

,yn

)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串存储方法点号XY1112223344………n5566拓扑关系：是一种对空间结构关系进行明确定义的方法，指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。非拓扑属性(几何)拓扑属性(没发生变化的属性)两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、面积

等

一个点在一条弧段的端点

一条弧是一简单弧段(自身不相交)

一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面;一个面的连通性

建立拓扑关系是对一种空间结构关系进行明确定义的数学方法。具有某些拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构，拓扑数据结构是GIS的分析和应用功能所必需的。拓扑数据结构的表示方式没有固定的格式，也还没有形成标准，但基本原理是相同的。

拓扑变换(橡皮变换)拓扑数据结构点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段面：若干弧段组成的闭合多边形起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:拓扑元素最基本拓扑关系拓扑关联：指存在于空间图形中的不同拓扑元素之间的关系。结点与弧段：如结b与弧3,2,5。多边形与弧段：面C与弧4,5,3。拓扑邻接：指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的关系。多边形之间,结点之间邻接矩阵,1——邻结；0——不邻结其它拓扑关系拓扑包含：指存在于空间图形中的面与其它元素之间的关系,如面状实体包含哪些点、线状实体层次关系：指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的等级关系，如淮南市各个区拓扑连通：拓扑元素之间的通达关系，与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。

ec41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向ABCDA--110B1--11C11--0D010--b

拓扑关系的表达——关系表

eb表中数字前负号为相反方向dc41325ABC76Daa:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向弧-面拓扑弧段左面右面1AO2AB3CA4OC5CD6BD7BO结点-弧拓扑结点弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6面-弧拓扑面号弧数弧号A3-1,-2,3B42,-7,5C3-3,-5,4D16弧-结点拓扑弧段起点终点1ca2bc3ba4da5db6ee7dc空间数据的拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析具有重要意义

A.拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系不需要利用坐标或距离就可以确定一个地理实体相对于另一个地理实体的空间位置关系，并且这种拓扑数据较之几何数据具有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化

B.有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线(管道)与哪些点(阀门)关联。

C.根据拓扑关系可重建地理实体如根据弧段构建多边形，实现面域的选取；根据弧段与结点的关联关系重建道路网络，进行最佳路径选择等。

拓扑关系的意义1、栅格数据结构：是指将地表区域划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值。也即栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元的行列号确定位置，用每个像元的值表示实体的类型、等级等属性。

A.点实体：由单个像元来表达

B.线实体：由在一定方向上连接成串的相邻像元的集合来表达。

C.面实体：由聚集在一起的相邻像元的集合来表达。

123221232332333233323332二、栅格数据结构2、栅格数据获取的途径

手工获取扫描仪扫描由矢量数据转换而来遥感影像数据格网DEM数据

3、栅格代码(属性值)的确定

1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。

2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者。

3、重要性法：取重要的属性值为栅格属性值。

4、长度占优法：每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。4、栅格数据结构的表示将栅格数据看成一个数据矩阵，逐行（或逐列）记录代码，可以每行都从左到右记录，也可以奇数行从左到右，偶数行从右到左。记录栅格数据的文件称为栅格文件，且常在文件头中存有该栅格数据的长和宽(行数和列数)9999000099900000099077000000770000007777000077770000777700007777行号栅格值199990000299900000309907700400007700500007777600007777700007777800007777特点：最直观、最基本的栅格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理;

但许多记录重复记录同一属性值,数据存在大量冗余,并且当栅格越小,

冗余越严重5、栅格数据结构的特点用离散的量化栅格值表示空间对象(通常是规则格网)位置隐含，属性明显数据结构简单，易与遥感数据结合，但数据量大存在几何和属性偏差面向位置的数据结构，难以建立空间对象之间的关系比例尺大小为栅格(像元)的大小与地表相应单元的大小之比。像元较大时，对地物的面积、长度等的量测有较大影响abc345abc面积:7(6)几何偏差属性偏差6、矢量和栅格数据结构的比较

优点缺点矢量便于面向现象(土壤类型等)的数据表示，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息数据结构紧凑，冗余度低有利于网络、检索分析图形显示质量好，位置精度高能完整地描述空间关系

数据结构复杂

多边形叠置分析及模拟比较困难

不能做增强处理

软硬件技术要求高栅格数据结构简单，易数据交换空间分析和地理现象模拟比较容易有利于与RS数据的匹配应用和分析输出方法快速，成本比较低廉

现象识别效果不如矢量方法

图形数据量大

投影转换困难

图形质量低7、数据结构选择的一般原则

要素还是位置可获取的数据定位要素的必要精度需要什么类型的要素需要什么类型的拓扑关系所需空间分析类型生产地图类型栅格结构：大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用矢栅一体化:将矢量面向目标的方法和栅格象元充填的方法结合起来，采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础，每个线状目标除了记录原始采样点外，还记录路径所通过的栅格；每个面状地物除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格.点、线、面状地物均采用面向目标的描述方法，因此它保持了矢量的特性，而象元空间充填表达建立了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质。从原理上说，这是一种以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构。三、矢数栅格一体化数据结构三个约定和细分格网法1.三个约定a.点状地物仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。b.线状地物有形状但没有面积，在计算机内部需要用一组象元填满整个路径。c.面状地物具有形状和面积，在平面上的投影是由边界包围的空间和一组填满路径的象元表达的边界组成。

一体化数据结构是基于栅格的，表达目标的精度受栅格尺寸的限制，可利用细分格网法提高数据的表达精度2.细分格网法为提高栅格表示精度，采用细分格网法：将一对X，Y坐标用两个Morton码代替：M1表示该点所在基本格网的地址码；M2表示该点对应的细分格网的Morton码。这种方法可将栅格数据的表达精度提高16倍或256倍

线性四叉树(Morton)是基本数据格式，三个约定是设计点、线、面数据结构的基本依据，细分格网法保证足够精度。1）、点状地物和结点的数据结构根据基本约定，不必将点状地物作为一个覆盖层分解为四叉树，只要将点的坐标转化为地址码M1和M2,而不管整个构形是否为四叉树。该结构简单灵活，便于点的插入和删除，能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。所有的点状地物以及弧段之间的结点数据用一个文件表示，其结构见表。

点标识号M1M2属性……………………10025434084432100261057725463……………………这种结构几乎与矢量结构完全一致。3.矢栅一体化数据结构设计这种数据结构比单纯的矢量结构增加了一定的存储量，但它解决了线状地物的四叉树表达问题，使它与点状、面状地物一起建立统一的基于线性四叉树编码的数据结构体系。这对于点状地物与线状地物相交，线状地物之间的相交，以及线状地物与面状地物相交的查询问题变得相当简便和快速。弧段的数据结构：弧标识号起结点终结点中间点串（M1，M2，Z）……………………20078100251002658，7749，435，92，4377，439，…20079100261003290，432，502，112，4412，496，………………………线状地物的数据结构：线标识号弧段标识号…………3003120078，200793003220092，20098，20099…………

2)、线状地物数据结构

根据对面状地物的约定，一个面状地物应记录边界和边界所包围的整个面域。其中边界由弧段组成，它同样引用弧段表中的信息，面域信息则由线性四叉树或二维行程编码表示。

00044444004444440000444400004484000888880088888800888888000888880145161720212367181922238912132425282910111415262730313233363748495253343538395051545540414445565760614243464758596263二维行程编码二维行程M码属性值0054801643083143203784004484604783)、面状地物数据结构为了建立面向地物的数据结构，做这样的修改：二维行程编码中的属性值可以是叶结点的属性值，也可以是指向该地物的下一个子块的循环指针。即用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来，形成面向地物的结构00044444004444440000444400004484000888880088888800888888000888880145161720212367181922238912132425282910111415262730313233363748495253343538395051545540414445565760614243464758596263带指针的二维行程编码二维行程M码循环指针属性值0851683216313037314(属性值)3240374440464447460(属性值)478(属性值)即用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来，形成面向地物的结构。

0004444400444444000044440000448400088888008888880088888800088888

048带指针的二维行程编码二维行程M码循环指针属性值0851683216313037314(属性值)3240374440464447460(属性值)478(属性值)由几个或几种点、线、面状简单地物组成的地物称为复杂地物例如将一条公路上的中心线、交通灯、立交桥等组合为一个复杂地物，用一个标识号表示。复杂地物的数据结构复杂地物标识号简单地物表识号…………5000810025，30005，300255000930006，30007，40032…………4、复杂地物数据结构§2-2GIS数据模型数据管理大体经历了三个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段和数据库阶段。数据库：为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。数据库有数据集、物理存储介质和数据库软件三个基本部分组成。数据库的主要特征：1）数据集中控制2）数据独立3）数据共享4）减少数据冗余5）数据结构化6）统一的数据保护功能数据库的主要特征数据库系统结构一般分为三个层次：概念模式、外模式和内模式。概念模式（模式）：是数据库的总框架，是对数据库中关于目标存储的逻辑结构和特性、基本操作和目标—目标及目标—操作的关系和依赖性的描述，以及对数据的安全性、完整性等方面的定义。外模式（子模式）：是数据库用户的数据视图。它属于概念模式的一部分，描述用户数据的结构、类型、长度等。内模式（存储模式）：是对数据库在物理存储器上具体实现的描述。它规定数据在存储介质上的物理组织方式、记录寻址技术，定义物理存储块的大小、溢出处理方法等。数据库的系统结构数据模型数据模型是对数据的逻辑组织形式的描述，是对现实世界部分现象的抽象，是描述数据内容和数据之间联系的工具。

数据库设计的核心问题之一就是设计一个好的数据模型。数据模型的三要素：数据结构、数据操作和数据的约束条件。数据模型中常用的一些概念实体:指现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。属性：实体所具有的某一特性。码：唯一标识实体的属性集。域：属性的取值范围。实体型：相同属性的实体具有共同的特征和性质，用实体名和属性名集合表示。实体集：同型实体的集合。联系：一是实体内部的联系；二时实体型之间的联系（1:1,1：n，m：n）数据库管理系统数据库管理系统（DBMS）是处理数据库数据存取和各种管理控制的软件。它是数据库系统的核心，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS来进行。

DBMS通常具有以下功能:（1）数据库定义功能。（2）数据库管理功能。（3）数据库维护功能。（4）通讯功能。传统数据模型层次网状关系用树型结构来表示实体间联系的模型，它将数据组织成1对多关系的结构用网结构来表示实体及其联系的模型，在模型中，各记录类型间可具有任意个连接关系：一个子节点可有多个父节点；可以有一个以上节点无父节点。它将数据组织成1对多、多对1和多对多的关系用二维表表示实体及其联系。二维表中的每一列对应实体的一个属性，并给出相应的属性值，每一行由多个属性组成与一个特定的实体相对应。1）层次模型表示

层次模型反映了实体之间的层次关系，简单、直观，易于理解，优点是层次和关系清楚，检索路线明确。用于GIS地理数据库存在的主要问题是：1）不能表示多对多的关系，很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除。ⅠⅡabcdef12354MMⅠⅡabcdcef122334413435542）网状模型表示网状模型反映地理世界中常见的多对多关系，支持数据重构，特别适用于数据间相互关系非常复杂的情况，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。用于GIS地理数据库的主要问题如下：1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置；2）指针的存在使数据量大大增加，尤其是当数据间关系复杂时；3）修改数据库中的数据，指针也必须随着变换。ⅠⅡabcdef12354MMⅠⅡabcdef123453）关系模型表示多边形编号产权人面积地物特征Ⅰ张三125.2林地Ⅱ李四43.5麦地

关系数据库结构最大的优点就是结构特别灵活，可满足所有用布尔逻辑运算和数学运算规则形成的询问要求；关系数据还能搜索、组合和比较不同类型的数据，加入和删除数据都非常方便。ⅠⅡabcdef12354M多边形关系表边界关系表多边形编号边号边长Ⅰa30Ⅰb22Ⅰc16Ⅰd25Ⅱc16Ⅱe14Ⅱc17边界－结点关系表结点坐标表边号结点a1，2b2，3c2，4结点坐标1x1，y12x2，y23x3，y3对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限，表现为：1）空间数据通常是变长的，而一般RDBMS只允许记录的长度设定为固定长度，此外，通用DBMS难于存储和维护空间数据的拓扑关系。

2）一般RDBMS都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。

3）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能。

4）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息。5）GIS管理的是具有高度内部联系的数据，为了保证地理数据库的完整性，需要复杂的安全维护系统，而这些完整性约束条件必须与空间数据一起存储，由地理数据库来维护系统数据的完整性。否则，一条记录的改变会导致错误、相互矛盾的数据存在，而一般RDBMS难以实现这一功能。面向对象模型

（一）基本概念

1、对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。如一个城市、一棵树均可作为地理对象。·具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；·具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态；

·具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。对象的划分：根据对象的共性，及对它的研究目的来划分，与具体的目的、性质相联系，不同的目的就会有不同划分。划分原则：找共同点，所有具有共性的系统成份就可为一种对象。2、类：

共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类。如河流均具有共性，如名称、长度、流域面积等，以及相同的操作方法，如查询、计算长度、求流域面积等，因而可抽象为河流类。3、实例被抽象的对象，类的一个具体对象，称为实例，如长江、黄河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。类是抽象的对象，是实例的组合，类、实例是相对的，类和实例的关系为上下层关系。4、消息对对象之间的请求和协作。5、方法对对象的所有操作，如对对象的数据进行操作的函数、指令、例程等。类实例1实例2（二）面向对象的特性1、抽象：是对现实世界的简明表示。形成对象的关键是抽象，对象是抽象思维的结果。2、封装：一般讲，包起来，将方法与数据放于一对象中，以使对数据的操作只可通过该对象本身的方法来进行。在这，指把对象的状态及其操作集成化，使之不受外界影响。3、多态：是指同一消息被不同对象接收时，可解释为不同的含义。同一消息，对不同对象，功能不同。现实世界抽象对象1对象n对象2（三）四种核心技术1、分类分类是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。如城镇建筑可分为行政区、商业区、住宅区、文化区等若干个类。2、概括将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程。子类是超类的一个特例。一个类可能是超类的子类，也可是几个子类的超类。所以，概括可能有任意多层次。概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。这需要一种能自动地从超类的属性和操作中获取子类对象的属性和操作的机制，即继承机制。3、聚集聚集是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。4、联合相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的操作集合。

（四）面向对象数据模型的核心工具

1、继承一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅可以把父类的特征传给中间子类，还可以向下传给中间子类的子类。

它服务于概括。继承机制减少代码冗余，减少相互间的接口和界面。2、传播传播与继承是一对。复杂对象的某些属性值不单独存于数据库中，而由子对象派生或提取，将子（成员）对象的属性信息强制地传播给综合复杂对象。成员对象的属性只存储一次，保证数据一致性和减少冗余。如武汉市总人口，由存储在各成员对象中的各区人口总和。3、继承与传播（区别）1）继承服务于概括，传播作用于联合和聚集；2）继承是从上层到下层，应用于类，而传播是自下而上，直接作用于对象；3）继承包括属性和操作，而传播一般仅涉及属性；4）继承是一种信息隐含机制，只要说明子类与父类的关系，则父类的特征一般能自动传给它的子类，而传播是一种强制性工具，需要在复合对象中显式定义它的每个成员对象，并说明它需要传播哪些属性值。（五）GIS中面向对象模型1）面向对象的几何数据模型

从几何方面划分，GIS的各种地物对象为点、线、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物。每一种几何地物又可能由一些更简单的几何图形元素构成。空间地物复杂地物简单地物面域弧段节点面状地物线状地物点状地物

一个面状地物是由边界弧段和中间面域组成，弧段又涉及到节点和中间点坐标。或者说，节点的坐标传播给弧段，弧段聚集成线状地物或面状地物，简单地物聚集或联合组成复杂地物。2）拓扑关系与面向对象模型

将每条弧段的两个端点（通过它们与另外的弧段公用）抽象出来，建立单独的节点对象类型，而在弧段的数据文件中，设立两个节点子对象标识号，即用“传播”的工具提取节点文件的信息。面标识弧段标识……弧段标识起节点终节点中间点串…………节点标识XYZ…………面域文件弧段文件节点文件这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与节点的拓扑关系。同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也达到一致。§2-3空间数据库的设计

空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。主要包括需求分析、结构设计和数据层设计三部分。现实世界地理实体数据层设计结构设计需求分析一、需求分析需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，主要进行以下工作：1、调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。2、需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等。3、编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果。

二、结构设计

指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。主要任务包括概念设计和逻辑设计两个方面。空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。1、概念模型是通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需的模型。表示概念模型最有力的工具是E—R模型，即实体—联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。用它来描述现实地理世界，不必考虑信息的存储结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问题，比一般的数据模型更接近于现实地理世界，具有直观、自然、语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广泛应用。市区要素空间实体空间实体属性空间实体关系边线走向街道路面质量所属路段所属街道组成长度等m1模型E_R2、逻辑模型

逻辑模型的设计是将概念模型结构转换为具体DBMS可处理的地理数据库的逻辑结构(或外模式)，包括确定数据项、记录及记录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。

从E—R模型向关系模型转换的主要过程为：①确定各实体的主关键字；②确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达式（函数依赖关系），即某一数据项决定另外的数据项；③把经过消冗处理（规范化处理）的数据关系表达式中的实体作为相应的主关键字；④根据②、③形成新的关系；⑤完成转换后，进行分析、评价和优化。

（三）物理设计主要内容包括确定记录存储格式，选择文件存储结构，决定存取路径，分配存储空间。物理设计的好坏将对地理数据库的性能影响很大，一个好的物理存储结构必须满足两个条件：一是地理数据占有较小的存储空间；二是对数据库的操作具有尽可能高的处理速度。在完成物理设计后，要进行性能分析和测试。

是指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现，确定数据在介质上的物理存储结构，其结果是导出地理数据库的存储模式(内模式)。物理设计在很大程度上与选用的数据库管理系统有关。设计中应根据需要，选用系统所提供的功能。（四）数据层设计GIS的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于图片的叠置。例如，地形图数据可分为地貌、水系、道路、植被、控制点、居民地等诸层分别存贮。将各层叠加起来就合成了地形图的数据。在进行空间分析、数据处理、图形显示时，往往只需要若干相应图层的数据。数据层的设计一般是按照数据的专业内容和类型进行的。数据的专业内容的类型通常是数据分层的主要依据，同时也要考虑数据之间的关系。如需考虑两类物体共享边界(道路与行政边界重合、河流与地块边界的重合)等，这些数据间的关系在数据分层设计时应体现出来。不同类型的数据由于其应用功能相同，在分析和应用时往往会同时用到，因此在设计时应反映出这样的需求，即可将这些数据作为一层。（如道路、加油站、停车场—交通层）。最后得出各层数据的表现形式，各层数据的属性内容和属性表之间的关系等。空间数据库的建立与维护1、建立空间数据库结构利用DBMS提供的数据描述语言描述逻辑设计和物理设计的结果，得到概念模式和外模式，编写功能软件，经编译、运行后形成目标模