第3章 GIS空间数据模型(基于对象的矢量数据模型与栅格数据模型).ppt

1、第三章 空间数据模型,第一节 地理关系矢量数据模型（传统） 第二节 栅格数据模型 第三节 基于对象的矢量数据模型 第四节 复合要素的数据模型 第五节 空间数据的分层组织（补充）,矢量模式,栅格模式,真实世界, 地理关系数据模型是用图形文件存储空间数据，用关系数据库存储属性数据来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式；一般用要素的标号或标识码链接。 地理关系数据模型分为简单矢量数据模型、拓扑矢量数据模型（coverage数据结构）；,第一节 地理关系数据模型,一 简单矢量数据模型 1）只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。用点、线和面等几何对象表示简单的空间要素。 2）存储： 独立

2、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,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,1 简单矢量数据模型点实体编码,线实体编码,2 简单矢量数据模型线实体编码,由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成,对所有边界点数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界

3、线号相联系，以线索引与各多边形相联系,形成完整的拓扑结构,3 简单矢量数据模型面实体编码,多边形环路法,P1 x1，y1；x2，y2；x3，y3；x4，y4；x5，y5；x6，y6；,P2 x7，y7；x8，y8；x9，y9；x10，y10；x11，y11；x5，y5；x6，y6,P3 x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15,4 简单矢量数据模型特征 数据结构简单，直观，主要用于显示、输出及一般查询 ；便于系统的维护和更新。 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性。 处理嵌套多边形比较麻烦,5 Arcgis软件Shape文件数据模型,Shape文件将空

4、间要素的图形及属性信息以非拓扑的形式存储在数据集中。要素的几何形状数据存储成为具有矢量坐标的图形。 Shape文件数据模型是非拓扑的数据库模型。因此，在数据显示速度上比较快，数据的编辑也比较容易实现。通过编程的方式很容易实现对Shape文件的存取操作。这一特性是其优点，也是缺点。,5 Shape 文件数据模型,特点： 基于其非拓扑性，可以使文件迅速显示出来。 简单要素类型：点、线、面分别存储。 一个Shape文件中只能存储一种类型的要素。,Shape文件的构成,一个Shape文件至少包括一个主文件、一个索引文件及一个 dBASE 数据表文件 Shape文件示例： .SHP主文件Main fil

5、e: counties.shp贮存地理要素的几何数据 .SHX 索引文件Index file: counties.shx，贮存图形要素索引信息，用于查询 .DBF dBASE 数据表文件: counties.dbf ，贮存要素属性信息的dBASE文件 .PRJ 投影参数文件: counties.prj,.shp 文件，用于存储地理要素的图形数据,. Shape数据模型，实现了地理空间数据的存储,.dbf 文件，用于存储地理要素的属性数据,1 拓扑关系的关联表达:显式表示,(a)多边形、弧段、结点（自上到下）,多边形 弧段 弧段 结点P1 a4 a5 a6 a1 N1 N2 P2 a1 a8 a

6、5 a2 N2 N4P3 a3 a6 a7 a3 N4 N5P4 a2 a7 a8 a4 N1 N5a5 N1 N3a6 N3 N5a7 N3 N4a8 N2 N3,（b）结点、弧段、多边形,结点 弧段 N1 a1 a4 a5 N2 a1 a2 a8 N3 a5 a6 a7 a8 N4 a2 a3 a7 N5 a3 a4 a6,弧段 左多边形 右多边形a1 0 P2a2 0 p4a3 0 p3a4 p1 0a5 p2 p1a6 p3 p1 a7 p4 p3a8 p4 p2,二 拓扑矢量数据模型,弧段 起结点 终结点 左多边形 右多边形 坐标a1 N1 N2 0 P2a2 N2 N4 0 p4a

7、3 N4 N5 0 p3a4 N1 N5 p1 0a5 N1 N3 p2 p1a6 N3 N6 p3 p1 a7 N3 N4 p4 p3a8 N2 N3 p4 p2 。,二 拓扑矢量数据模型,2 半显式表示,3 GIS中建立拓扑关系的优缺点 优点：数据结构紧密、拓扑关系明确，便于空间数据的拓扑查询和拓扑分析如网络分析；更能确保数据质量和强化GIS分析。 缺点 ：数据结构复杂，不便于系统的维护和更新，对单个实体的操作效率不高，如增加、删除、修改一个实体时涉及一系列的文件和数据库表格；,4 拓扑编辑过程总步骤,1 ）以弧为基本单元进行数字化，记录其坐标值，形成坐标数据； 2 ）由坐标数据提取弧和结

8、点数据； 3 ）由结点、弧及坐标数据产生表达面实体拓扑关系的数据。,4 拓扑具体编辑过程,由坐标数据提取弧和结点数据；a）分离出每条弧，并对各条弧线赋予内编号；b）确定出每条弧上首尾端点在坐标数据中的地址；c）确定出连接弧的结点，并对其进行统一编号。,4 拓扑具体编辑过程,多边形拓扑产生：从结点、弧、坐标数据搜索出地图上多边形与弧之间关系的过程，找出每个多边形由哪些弧所组成。 1）引出弧/引入弧； 一条“引入弧”进入一个结点时，其余的弧都与“引入弧”构成一个夹角，可以选择与“引入弧”构成的最大顺时针夹角所相应的弧作为“引出弧”。,如果在组成一个多边形时，一条弧是从首结点到尾结点，则定义为该多边

9、形是在这条弧的右边； 如果这条弧是从尾结点到首结点，则定义该多边形在这条弧的左边。,4 拓扑具体编辑过程确定左右多边形,栅格数据模型是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。特点：属性明显，定位隐含。表示连续现象获取方法：(1) 手工网格法；(2) 扫描数字化法；(3) 分类影像输入法；(4) 数据结构转换法。,第二节 栅格数据模型,一 栅格数据模型要素,点：表示为单个像元。 线：在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。 面：由聚集在一起的相邻像元的集合。,四方向相邻和八方向相邻,一 栅格数据模型要素,像元值整型/浮点型。整型用于类别数据并通

10、过数值属性可读取、查询和显示。 像元大小栅格数据模型的分辨率（见下页） 栅格波段 空间参照,一、栅格数据模型要素,X：列,Y：行,西南角格网坐标 （XWS，YWS）,像元大小,格网方向,2 混合像元大小处理,方案一,方案二：缩小栅格单元的面积,4 空间参照 假设当前栅格单元行列号为(i,j),一个栅格单元所代表的空间区域大小为dlt_x,dlt_y,栅格区域的原点坐标为(x0,y0)，那么，当前栅格单元的平面坐标(x,y)为：x=x0+j*dlt_xy=y0-i*dlt_y 如果栅格区域的原点在左下角，那么，平面坐标的计算公式为：x=x0+j*dlt_xy=y0+I*dlt_y,二 栅格数据类

11、型,卫星影像 USGS的数字高程模型（DEM） 非USGS的数字高程模型 全球数字高程模型 数字正射影像 二值扫描文件 数字栅格图 图形文件 特定GIS软件的栅格数据（grid）,三 栅格数据结构,逐个像元编码（完全栅格编码） 游程编码(Run_length Encoding) 链状编码(chain Encoding) 块状编码 四叉树编码(quarter_tree Encoding),压缩编码,1 逐个像元编码（完全栅格编码）,将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,0

12、，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。,2、链码,0,0,1,0,7,6,7,0,1,1,0,0,链码编码：2，2 ，6 ，7，6，0，6，5,链码编码示例,3、游程长度编码,(1

13、)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；,沿行方向进行编码：( 0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,3、游程长度编码,（2）逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。,沿列方向进行编码：( 1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0

14、）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。,4、块码,采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。,（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3

15、），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。,5、四叉树编码,是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左

16、到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度, ,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,0 0 0,0 3 3 3 0 3 3 3,3 3 5 3 0 0 2 2,2 3 2 2 2 2 0 2,2 2 2 5 2 5 5 5,3 3,3 5 5,西南,东南,西北,东北,栅格数据压缩编码总括,起点行列号，单位矢量 R: (1

17、,5),3,2,2,3,3,2,3,链式编码,游程长度编码,逐行编码 数据结构: 行号, 属性, 重复次数 1, A, 4, R, 1, A, 4,块状编码,正方形区域为记录单元 数据结构: 初始位置, 半径, 属性 (1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),四叉树编码,逐个栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）； 链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难； 游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用； 块码和四叉树编码：具有区域性质，又

18、具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。,矢量结构,栅格结构,矢量与栅格数据结构的比较,矢量+栅格（1）,矢量+栅格（2）,基于对象数据模型 GeoDatabase数据模型,第三节 基于对象的矢量数据模型,一 基于对象数据模型,基于对象数据模型把空间要素的空间数据和属性数据都储存于同一个系统中 允许一个空间要素与一系列属性和方法相联系。 类：相似属性的对象。共性和特殊性原则来归并和区分对象。 类间关系：联合、合成、聚合、类继承和实例化,二 GeoDatabase数据模型,GeoDatabase是geographic datab

19、ase 的简写，是一种采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型。是ArcGIS软件中最主要的数据库模型。 Geodatabase 支持在标准的数据库管理系统（DBMS）表中存储和管理地理信息。,Geodatabase 支持多种 DBMS 结构和多用户访问，且大小可伸缩。从基于 Microsoft Jet Engine 的小型单用户数据库，到工作组，部门和企业级的多用户数据库，Geodatabase 都 支 持。目前 有两 种 geodatabase 结构： 个人 Geodatabase 和多用户 Geodatabase(multiuser geodatabase)。,GeoDatabas

20、e有两种实现形式 一种是基于Access数据库文件的实现形式 另一种是通过ArcSDE空间数据库引擎，在Oracle、SQL Server等RDBS中实现的可支持分布式处理的形式,在Geodatabase数据库模型中，可以将图形数据和属性数据同时存储在一个数据表中，每一个图层对应这样一个数据表。 Geodatabase可以表达复杂的地理要素（如，河流网络、电线杆等）。比如：水系可以同时表示线状和面状的水系。,ArcCatalog的Geodatabase中所提供的创建拓扑规则，主要是用于进行拓扑错误的检查，其中部分规则可以在所设容差内对数据进行一些修改调整。建立好拓扑规则后，就可以在ArcMap

21、中打开由拓扑规则所产生的文件，根据错误提示对SHAPE图层进行修改。,三 拓扑规则,（一）Geodatabase中如何创建拓扑规则,对ArcGIS的Geodatabase而言，能为包含在要素集中的一个或多个要素类定义拓扑。它可以为多点、线和多边形要素类定义拓扑。 拓扑作为一系列用于空间关系的完整性规则，有一些重要的属性：一个群组容限（cluster tolerance，容差），要素类等级（rank，对坐标精度而言），错误（error，违规）和你所定义的规则（rules）的任何异常情况。,（一）Geodatabase中如何创建拓扑规则,在9.0版中，ArcCatalog包含了一个拓扑向导来选择参

22、与拓扑的要素类，并定义它们的属性。创建拓扑规则具体步骤如下： 创建一个新的geodatabase（个人数据集） 在其下创建一个feature dataset(要素集)，并为该要素集定制坐标系统 创建feature class(要素类)或将其它数据作为要素类导入到该要素集下 进入到该要素集下，在窗口右边空白处单击右键，在弹出的右键菜单中有new-topolopy 按所给提示操作，设定合适容差，添加一些所需拓扑规则，若导入的要素类为多个图层，还需为图层划分等级，接着就可完成拓扑规则的检查 最后在ArcMap中打开由拓扑规则产生的文件，利用topolopy工具条中给出的错误记录信息进行修改,执行拓扑

23、规则产生的文件,（二）geodatabase的拓扑规则,具体规则包括： 线topology 1.must not have dangle：线，不能有悬挂节点 2.must not have pseudo-node：线，不能有伪节点 3.must not overlay：线，不能有线重合（不同要素间） 4.must not self overlay：线，一个要素不能自覆盖 5.must not intersect：线，不能有线交叉（不同要素间） 6.must not self intersect：线，不能有线自交叉 7.must not intersect or touch interrior：

24、线，不能有相交和重叠 8.must be single part：线，一个线要素只能由一个path组成 9.must not covered with：线线，两层线不能重叠 10.must be covered by feature class of：线线，两层线完全重叠 11.endpoint must be covered by：线点，线层中的终点必须和点层的部分（或全部）点重合 12.must be covered by boundary of：线多边形，线被多边形边界重叠 13.must be covered by endpoint of：点线，点被线终点完全重合 14.point m

25、ust be covered by line：点线，点都在线上,（二）geodatabase的拓扑规则,(2) 多边形topology 1.must not overlay：单要素类，多边形要素相互不能重叠 2.must not have gaps：单要素类，连续连接的多边形区域中间不能有空白区（非数据区） 3.contains point：多边形点，多边形要素类的每个要素的边界以内必须包含点层中至少一个点 4.boundary must be covered by：多边形线，多边形层的边界与线层重叠（线层可以有非重叠的更多要素） 5.must be covered by feature cl

26、ass of：多边形多边形，第一个多边形层必须被第二个完全覆盖（省与全国的关系） 6.must be covered by：多边形多边形，第一个多边形层必须把第二个完全覆盖（全国与省的关系） 7.must not overlay with：多边形多边形，两个多边形层的多边形不能存在一对相互覆盖的要素 8.must cover each other：多边形多边形，两个多边形的要素必须完全重叠 9.area boundary must be covered by boundary of：多边形多边形，第一个多边形的各要素必须为第二个的一个或几个多边形完全覆盖 10.must be properly

27、 inside polygons：点多边形，点层的要素必须全部在多边形内 11.must be covered by boundary of：点多边形，点必须在多边形的边界上,利用拓扑查错,Geodatabase里建立的拓扑用来捕捉要素的几何形体，检查结点是否在群组容限内，以及是否有违规。 拓扑首先是捕捉要素的结点，这些结点在考虑等级的要素类的群组容限范围以内。如果要素的结点在这个范围外，则视为违规，都会在验证过程中被发现并标记为错误。完整的错误列表可以在ArcCatalog和ArcMap的拓扑属性中看到。 在ArcMap中拓扑中的错误和异常可以在图上显示出来，也可以在错误探测器中列出。然后用

28、户可根据错误提示对图层要素进行修改。,三 Geodatabase数据模型的优点,具有面向对象技术； 提供一个存储和管理不同GIS数据的便利框架。更多的地图图层非常多的图层能存放在一个单一的数据库中。 改善的数据完整性你可以为数据指定合适的拓扑规则。 更多的数据建模机会大量可能的空间约束可以应用到你的数据上。 避免了空间和属性要素间协同的复杂性，减少了数据处理的工作量。,1 Voronoi数据结构； 2 TIN数据结构。,第四节 复合要素的数据模型,一、不规则三角网 (Triangulated Irregular Network TIN）模型,1、模型的表示点文件 三角形文件 点号 坐标点 三角

29、形号 顶点 邻接三角形N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 /N2 X 2 Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6N3 X 3 Y3 Z1 T3 N1 N2 N4 / T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 / T8N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 / T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7 N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 /N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 /,T1 T2 T3 T4,T5 T6 T7 T8,N1,

30、N6,N2,N8,N7,N 3,N4,N5,2、不规则三角网规则格网模型的优缺点,不规则三角网 模型的优点： 1）克服栅格数据中的数据允余问题 2）可充分表示复杂的地形特征，它能适应起伏不同的地形，用大量三角形地面形态效率高，数据精度高。 不规则三角网 模型的缺点： 1）算法实现复杂，由于形成三角网 方法不同有不同算法 2）对特殊的地形线要调整,二 分区,定义：将某些具有相似特征的地域范围分为一类。,三 路径,补充：第五节 空间数据的分层组织,层的概念同时适合于栅格数据和矢量数据。 所谓层是指地理特征及其属性在逻辑上的集合。 在栅格数据结构中，每种属性可形成一个独立的层，而新的属性就意味着在数

31、据库中新加一层。 在矢量数据结构中，层是用来区分空间实体的主要类型，目的是为了制图与显示。因独立地物点与多边形标示符不能区分，因而点和多边形不能在同一层。,一 数据分层的原则,1、特征类型：点线面分别处于不同层。 2、特征的逻辑分组：相关的地物位于同一层。 3、应使处理更加方便。,二 数据分层的方法,1、按专题分层 2、按时间序列分层 3、以地面垂直高度分层,低于地面,第一层,第二层,居民地： 包括单栋房屋、楼房和街区,分层：居民地,露天体育场、球场：居民地旁边的文娱活动场地,分层：露天体育场、球场,分层：铁路等相关要素,铁路：广州市内的铁路线路,分层：道路中心线,道路中心线：高速路、城市道路和对外交通道路的中心线 （一般用于相关信息的查询及检索）,苗圃,分层：绿地及绿地注记,绿地： 风景名胜、城市公园、居住区公园、小游园等绿地注记： 绿地的名称标注,各层叠加后图像,