3 空間數(shù)據(jù)模型.ppt

第三章空間數(shù)據(jù)模型 徐敬海南京工業(yè)大學(xué) 本章內(nèi)容 現(xiàn)實(shí)世界的抽象空間實(shí)體空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型時(shí)空數(shù)據(jù)模型 2 1現(xiàn)實(shí)世界的抽象 空間數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)抽象 它通過使用一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象集合來支持對(duì)空間信息的顯示 查詢 編輯和分析 OGC地理信息的九層抽象模型 地理信息對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象過程 在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的觀察過程中 除了會(huì)對(duì)事物進(jìn)行選擇 還會(huì)進(jìn)行抽象和綜合 通過抽象便于事物在GIS中進(jìn)行建模 分析和應(yīng)用 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界在GIS中的表達(dá) 3 2空間實(shí)體 地理實(shí)體 3 2 1空間實(shí)體的概念 定義 空間實(shí)體是存在于自然世界中地理實(shí)體 與地理空間位置或特征相關(guān)聯(lián) 在空間數(shù)據(jù)中不可再分的最小單元現(xiàn)象稱為空間實(shí)體 理解 空間實(shí)體類別及實(shí)體內(nèi)容的確定是從具體需要出發(fā)的 GIS中的空間實(shí)體是一個(gè)概括 復(fù)雜 相對(duì)的概念 空間實(shí)體類型空間實(shí)體一般按地形維數(shù)進(jìn)行歸類劃分 點(diǎn) 零維線 一維面 二維體 三維 有位置 無寬度和長(zhǎng)度 抽象的點(diǎn) 2015年全國(guó)地震分布圖 空間實(shí)體類型 點(diǎn)實(shí)體 空間實(shí)體類型 線實(shí)體 有長(zhǎng)度 但無寬度和高度用來描述線狀實(shí)體 通常在網(wǎng)絡(luò)分析中使用較多有一定范圍的點(diǎn)元素集合 表示相同專題點(diǎn)的連續(xù)軌跡 香港城市道路網(wǎng)分布 空間實(shí)體類型 面實(shí)體 具有長(zhǎng)和寬的目標(biāo)表示平面區(qū)域大范圍連續(xù)分布的特征有些面狀目標(biāo)有確切的邊界 有些面狀目標(biāo)在實(shí)地上沒有明顯的邊界 中國(guó)土地利用分布圖 空間實(shí)體類型 體實(shí)體 具有長(zhǎng) 寬 高的目標(biāo) 通常用來表示人工或自然的三維目標(biāo) 如建筑 礦體等三維目標(biāo) 大學(xué)校園建筑 3 2 2空間實(shí)體的特征 空間特征空間特征表達(dá)了地理事物和現(xiàn)象的客觀存在性 幾何形態(tài)的多樣性和空間相關(guān)性 相應(yīng)的空間特征又包括空間位置特征 空間幾何特征 空間關(guān)系特征等 屬性特征屬性特征也稱為專題特征或功能特征 通過屬性數(shù)據(jù)表達(dá)空間實(shí)體內(nèi)在的性質(zhì)和相關(guān)關(guān)系 時(shí)間特征時(shí)間特征指空間實(shí)體隨著時(shí)間變化而動(dòng)態(tài)變化的過程 3 2 3空間關(guān)系 空間關(guān)系 指地理空間特征或?qū)ο笾g存在的與空間特征有關(guān)的關(guān)系 絕對(duì)關(guān)系 坐標(biāo) 角度 方位 距離等 相對(duì)關(guān)系 鄰接 關(guān)聯(lián) 包含等 相對(duì)關(guān)系類型拓?fù)潢P(guān)系 描述空間對(duì)象的鄰接 關(guān)聯(lián) 連通和包含等空間方位關(guān)系 描述空間對(duì)象在空間上的排列次序 如前后 左右 東 西 南 北等 空間度量關(guān)系 描述空間對(duì)象之間的距離等 拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)?Topology 一詞來自于希臘文 意思是形狀的研究 拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支 研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性 拓?fù)鋵傩?橡皮板幾何學(xué) 可以設(shè)想一塊高質(zhì)量的橡皮板 它的表面是歐式平面 這塊橡皮可以任意彎曲 拉伸 壓縮 但不能扭轉(zhuǎn)和折疊 表面上有點(diǎn) 線 多邊形等組成的幾何圖形 拓?fù)湓?點(diǎn) 孤立點(diǎn) 線的端點(diǎn) 面的首尾點(diǎn) 鏈的連接點(diǎn)線 兩結(jié)點(diǎn)之間的有序弧段 包括鏈 弧段和線段面 若干弧段組成的多邊形 點(diǎn) 弧 面的表現(xiàn)形式 歐氏平面上實(shí)體對(duì)象所具有的拓?fù)浜头峭負(fù)鋵傩?拓?fù)鋵傩允敲枋龅膬蓚€(gè)對(duì)象之間的關(guān)系 故又稱拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)潢P(guān)系就是描述幾何特征元素的非幾何圖形元素之間的邏輯關(guān)系 即拓?fù)潢P(guān)系只關(guān)心幾何圖形元素之間的關(guān)系 而忽略幾何圖形元素的形狀 大小 距離和長(zhǎng)度等幾何特征信息 基本拓?fù)潢P(guān)系關(guān)聯(lián) 不同類圖形之間的拓?fù)潢P(guān)系鄰接 同類圖形元素之間的拓?fù)潢P(guān)系連通 由節(jié)點(diǎn)和弧段構(gòu)成的有向圖網(wǎng)絡(luò)圖形中 節(jié)點(diǎn)之間是否存在通達(dá)的路徑 即是否具有連接性 是一種隱含于網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)系包含 多邊形內(nèi)是否包含了其他弧段或多邊形拓?fù)潢P(guān)系涉及的術(shù)語有 鄰接 相交 相離 包含 重合等 點(diǎn) 線 面之間的拓?fù)潢P(guān)系 2020 3 21 19 3 3地理實(shí)體的描述 空間數(shù)據(jù) 1 描述的內(nèi)容 3 數(shù)據(jù)類型 4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 幾何數(shù)據(jù) 空間數(shù)據(jù) 圖形數(shù)據(jù) 關(guān)系數(shù)據(jù) 實(shí)體間的鄰接 關(guān)聯(lián)包含等相互關(guān)系屬性數(shù)據(jù) 各種屬性特征和時(shí)間元數(shù)據(jù) 矢量 柵格 TIN 專用于地表或特殊造型 RDBMS屬性表 采用MIS較成熟 空間元數(shù)據(jù) 位置 形狀 尺寸識(shí)別碼 名稱 實(shí)體的角色 功能 行為 實(shí)體的衍生信息時(shí)間測(cè)量方法 編碼方法 空間參考系等 空間特征 地理位置和空間關(guān)系屬性特征 名稱 等級(jí) 類別等時(shí)間特征 2 基本特征 幾何數(shù)據(jù)根據(jù)空間實(shí)體的幾何特征 空間對(duì)象可分為點(diǎn)對(duì)象 線對(duì)象 面對(duì)象和體對(duì)象 點(diǎn)定義為因太小不能描述為線狀或面狀的地理特征要素的離散位置 線定義為因太細(xì)不能描述為面狀的地理特征要素的形狀和位置多邊形定義為封閉的區(qū)域面 多邊圖形用于描述均勻特征的位置和形狀 離散地理特征要素的點(diǎn) 線和多邊形表達(dá) 根據(jù)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)形式不同 空間數(shù)據(jù)的幾何數(shù)據(jù)分為矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù) 矢量數(shù)據(jù)是用坐標(biāo)對(duì) 坐標(biāo)串和封閉的坐標(biāo)串來表示點(diǎn) 線 多邊形的位置及其空間關(guān)系的一種數(shù)據(jù)格式 矢量數(shù)據(jù)表達(dá) 柵格數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表達(dá)中 柵格由一系列的柵格坐標(biāo)或像元所處柵格矩陣的行列號(hào) I J 定義其位置 每個(gè)像元獨(dú)立編碼 并載有屬性 柵格數(shù)據(jù)表達(dá) 柵格單元的大小代表空間分辨率 表示其表達(dá)的精度 柵格單元的值可能是代表柵格中心的取值 也可能是代表整個(gè)單元的取值 中心取值單元取值 柵格單元的值 通常柵格單元值采用以下幾種方法確定 中心點(diǎn)法面積占優(yōu)法重要性法百分比法 柵格單元代碼的確定 屬性數(shù)據(jù)空間實(shí)體的屬性特征用屬性數(shù)據(jù)表達(dá) 通常屬性是按照一系列簡(jiǎn)單的 基本的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)概念的數(shù)據(jù)表來組織 描述屬性數(shù)據(jù)被組織成數(shù)據(jù)表 表包含若干行組成 表中所有的行具有相同的列 即字段 屬性字段的數(shù)值類型可以是名義值 序數(shù)值 區(qū)間值和比率值的一種 3 4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3 4 1空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)模型地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是地理空間數(shù)據(jù)模型的物理描述 也稱為地理空間物理模型 地理空間數(shù)據(jù)模型是定義地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是地理空間數(shù)據(jù)模型的具體實(shí)現(xiàn) 空間數(shù)據(jù)模型和空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系 地理空間認(rèn)知模型 概念模型 地理空間數(shù)據(jù)模型 邏輯模型 地理空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 物理模型 構(gòu)成了對(duì)地理實(shí)體 現(xiàn)象及其關(guān)系 從地理現(xiàn)實(shí)世界到計(jì)算機(jī)世界 數(shù)據(jù)世界 的三個(gè)表達(dá)層次 抽象過程的三個(gè)層次關(guān)系 3 4 2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 定義 矢量數(shù)據(jù)是通過記錄空間對(duì)象的坐標(biāo)及空間關(guān)系來表達(dá)空間對(duì)象的位置 點(diǎn) 空間的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn) 線 多個(gè)點(diǎn)組成的弧段 面 多個(gè)弧段組成的封閉多邊形 矢量形式是一種最適應(yīng)于空間對(duì)象的計(jì)算機(jī)表達(dá) 實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 也稱面條數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 只記錄空間對(duì)象的位置坐標(biāo)和屬性信息 不記錄拓?fù)潢P(guān)系 又稱面條結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)方法 獨(dú)立編碼 空間對(duì)象位置直接跟隨空間對(duì)象 點(diǎn)位字典 點(diǎn)坐標(biāo)獨(dú)立存儲(chǔ) 線 面由點(diǎn)號(hào)組成特征無拓?fù)潢P(guān)系 主要用于顯示 輸出及一般查詢公共邊重復(fù)存儲(chǔ) 存在數(shù)據(jù)冗余 難以保證數(shù)據(jù)獨(dú)立性和一致性多邊形分解和合并不易進(jìn)行 鄰域處理較復(fù)雜 處理嵌套多邊形比較麻煩適用范圍 制圖及一般查詢 不適合復(fù)雜的空間分析 3 4 2 1實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 面條結(jié)構(gòu) 不僅表達(dá)幾何位置和屬性 還表示空間關(guān)系表達(dá)對(duì)象的鄰接 關(guān)聯(lián) 包含等關(guān)系表達(dá)方式全顯式表達(dá) 對(duì)結(jié)點(diǎn) 弧段 面塊相互之間的所有關(guān)聯(lián)關(guān)系都進(jìn)行顯式存儲(chǔ)半隱含式表達(dá) 3 4 2 2拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 全顯式表達(dá) 面與弧段的關(guān)系表 結(jié)點(diǎn)與弧段的關(guān)系表 弧段與面的關(guān)系表 弧段與結(jié)點(diǎn)的關(guān)系表 2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 半隱含式表達(dá) 用上述部分表格表示空間目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系面 弧段 弧段 節(jié)點(diǎn)弧段 節(jié)點(diǎn) 弧段 面 3 4 3柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 定義以規(guī)則像元陣列表示空間對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 陣列中每個(gè)數(shù)據(jù)表示空間對(duì)象的屬性特征 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是像元陣列 每個(gè)像元的行列號(hào)確定位置 用像元值表示空間對(duì)象的類型 等級(jí)等特征 每個(gè)柵格單元只能存在一個(gè)值 對(duì)于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點(diǎn) 為一個(gè)像元線 在一定方向上連接成串的相鄰像元集合 面 聚集在一起的相鄰像元集合 點(diǎn) 面 線 柵格數(shù)據(jù)類型常用的柵格數(shù)據(jù)類型包括衛(wèi)星影像 數(shù)字高程數(shù)據(jù) 數(shù)字正射影像 數(shù)字掃描地圖和數(shù)字柵格圖形 柵格數(shù)據(jù)編碼直接?xùn)鸥窬幋a 鏈?zhǔn)骄幋a 游程長(zhǎng)度編碼 四叉樹編碼 直接?xùn)鸥窬幋a 鏈?zhǔn)骄幋a 鏈?zhǔn)骄幋a示意圖 游程長(zhǎng)度編碼可沿行方向進(jìn)行如下游程長(zhǎng)度編碼 9 4 0 4 9 3 0 5 0 1 9 2 0 1 7 2 0 2 0 4 7 2 0 2 0 4 7 4 0 4 7 4 0 4 7 4 0 4 7 4 塊狀編碼所示圖像可以用12個(gè)單位正方形 5個(gè)4單位的正方形和2個(gè)16單位的正方形就能完整表示 具體編碼如下 1 1 2 9 1 3 1 9 1 4 1 9 1 5 2 0 1 7 2 0 2 3 1 9 2 4 1 0 3 1 1 0 3 2 1 9 3 3 1 9 3 4 1 0 3 5 2 7 3 7 2 0 4 4 1 0 4 2 1 0 4 3 1 0 4 4 1 0 5 1 4 0 5 5 4 7 四叉樹編碼四又樹結(jié)構(gòu)的基本思想是將一幅柵格地圖或圖像等分為四部分 逐塊檢查其格網(wǎng)屬性值 或灰度 四叉樹編碼 1 常規(guī)四叉樹每個(gè)結(jié)點(diǎn)記錄6個(gè)指針變量 1 父結(jié)點(diǎn)指針2 四個(gè)子結(jié)點(diǎn)的指針3 本結(jié)點(diǎn)的屬性值 指針不僅增加了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量 還增加了操作的復(fù)雜性 所以 常規(guī)四叉樹并不廣泛用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 其價(jià)值在于建立索引文件 進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索 2 線性四叉樹用地址碼 定位碼 Morton碼 記錄葉結(jié)點(diǎn)的位置 深度 幾次分割 和屬性 優(yōu)點(diǎn) 1 存貯量小 只對(duì)葉結(jié)點(diǎn)編碼 節(jié)省了大量中間結(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ) 地址碼隱含著結(jié)點(diǎn)的分割路徑和分割次數(shù) 2 線性四叉樹可直接尋址 通過其坐標(biāo)值直接計(jì)算其Morton碼 而不用建立四叉樹 3 定位碼容易存儲(chǔ)和執(zhí)行實(shí)現(xiàn)集合相加等組合操作 四進(jìn)制的Morton碼方法1 四叉樹從上而下 形成 從整體開始 由葉結(jié)點(diǎn)找Morton碼 A 分割一次 增加一位數(shù)字 大分割在前 小分割在后 所以 碼的位數(shù)表示分割的次數(shù) B 每一個(gè)位均是不大于3的四進(jìn)制數(shù) 表達(dá)位置 由Morton找出四叉樹葉結(jié)點(diǎn)的具體位置 03 B A 方法2 四叉樹自下而上合并的方法1 計(jì)算每個(gè)柵格對(duì)應(yīng)的MQMQ 2 Ib JbI J化為二進(jìn)制Ib Jb看最大的I J 不足在前補(bǔ)零 其始行列號(hào)從0計(jì) 2 按碼的升序排成線性表 放在連續(xù)的內(nèi)存塊中 3 依次檢查每四個(gè)相鄰的MQ對(duì)應(yīng)的屬性值 相同合并 不同碼位去掉 不同則存盤 直到?jīng)]能夠合并的子塊為止 3 十進(jìn)制的Morton碼 MD四進(jìn)制Morton碼直觀上切合四叉樹分割 但許多語言不支持四進(jìn)制變量 需用十進(jìn)制表示Morton碼 一種按位操作的方法 如行為5 列為7的柵格的MD步驟 1 行 列號(hào)為二進(jìn)制Ib 0101Jb 0111 2 I行J列交叉 3 再化為十進(jìn)制 在一個(gè)2n 2n的圖像中 每個(gè)像元點(diǎn)都給出一個(gè)Morton碼 當(dāng)n 3時(shí)即為表所示 把一幅2n 2n的圖像壓縮成線性四叉樹的過程1 按Morton碼把圖象讀入一維數(shù)組 2 相鄰的四個(gè)象元比較 一致的合并 只記錄第一個(gè)象元的Morton碼 循環(huán)比較所形成的大塊 相同的再合并 直到不能合并為止 3 進(jìn)一步用游程長(zhǎng)度編碼壓縮 壓縮時(shí)只記錄第一個(gè)象元的Morton碼 3 4 4表面模型 定義如果將上述高程替換為人口密度 降水量或大氣壓梯度等 依然可以得到相應(yīng)的空間曲面 這些反映不同主題的曲面具有一致的表示形式 GIS將它們歸納為表面模型 DEM中每個(gè)點(diǎn)對(duì)于一個(gè)高程值 用數(shù)學(xué)語義表達(dá)即是區(qū)域D上的三維向量有限序列 其數(shù)學(xué)函數(shù)模型如下 Vi Xi Yi Zi i 1 2 n DEM數(shù)據(jù)的組織方法和表達(dá)方式主要有規(guī)則格網(wǎng) 不規(guī)則三角網(wǎng)和等高 值 線法三種 3 4 4 1TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) TIN triangulatedirregularnetwork 稱為不規(guī)則三角網(wǎng) 是基于離散高程點(diǎn)連接成多個(gè)相互鄰接的三角形面模擬地形起伏變化 三角形拓?fù)潢P(guān)系文件 3 4 4 2狄洛尼 Delaunay 三角網(wǎng) 根據(jù)狄洛尼三角剖分的定義 一個(gè)三角網(wǎng)成為狄洛尼三角網(wǎng)需符合兩個(gè)重要的準(zhǔn)則 1 空?qǐng)A特性 狄洛尼三角網(wǎng)是唯一的 任意四點(diǎn)不能共圓 在狄洛尼三角形網(wǎng)中任一三角形的外接圓范圍內(nèi)不會(huì)有其它點(diǎn)存在 2 最大化最小角特性 在散點(diǎn)集可能形成的三角剖分中 狄洛尼三角剖分所形成的三角形的最小角最大 從這個(gè)意義上講 狄洛尼三角網(wǎng)是 最接近于規(guī)則化的 的三角網(wǎng) 具體的說是指在兩個(gè)相鄰的三角形構(gòu)成凸四邊形的對(duì)角線 在相互交換后 六個(gè)內(nèi)角的最小角不再增大 總體上狄洛尼三角網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為 最接近唯一性最優(yōu)性最規(guī)則區(qū)域性具有凸多邊形的外殼 3 4 4 3格網(wǎng) Gird 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Grid模型是考慮到采樣密度和分布的非均勻性 經(jīng)內(nèi)插處理后形成規(guī)則的平面分割網(wǎng)格 3 4 4 4等高 值 線 等高線也是一種重要的地面高程模型 它是地面上高程相等的相鄰點(diǎn)連成的閉合曲線 矢量柵格數(shù)據(jù)比較 3 5面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型 3 5 1類與對(duì)象現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)真實(shí)的世界 不論在何處 人們所見到的東西都可以看成是對(duì)象 當(dāng)用面向?qū)ο蟮哪Ｐ兔枋鰰r(shí) 相同類的對(duì)象具有相同的屬性和行為 它把對(duì)象分為兩個(gè)部分 數(shù)據(jù) 相當(dāng)于屬性 和對(duì)數(shù)據(jù)的操作 相當(dāng)于行為 在ArcGIS中要使用數(shù)以千計(jì)的類 面向?qū)ο蠹夹g(shù)還允許建立類與類之間的關(guān)系 如關(guān)聯(lián) 依賴 聚合 組合和泛化 繼承 等 關(guān)聯(lián)是指兩個(gè)類之間存在某種特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系 依賴指的是類之間的調(diào)用關(guān)系 聚合是整體與部分之間的關(guān)系 組合中的類也是整體與部分的關(guān)系 與聚合不同的而是 其中的類不能對(duì)立出來 聚合還是組合需要結(jié)合實(shí)際的業(yè)務(wù)環(huán)境來區(qū)分 泛化就是兩個(gè)類之間具有繼承關(guān)系 3 5 2Geodatabase模型Geodatabase是ArcInfo8引入的一種全新的面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型 是建立在DBMS之上的統(tǒng)一的 智能的空間數(shù)據(jù)模型 Geodatabase的基本體系結(jié)構(gòu)包括要素?cái)?shù)據(jù)集 柵格數(shù)據(jù)集 TIN數(shù)據(jù)集 獨(dú)立的對(duì)象類 獨(dú)立的要素類 獨(dú)立的關(guān)系類和屬性域 其中 要素?cái)?shù)據(jù)集又由對(duì)象類 要素類 關(guān)系類 幾何網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 Geodatabase的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案可分成三種PersonalGeodatabase 個(gè)人空間數(shù)據(jù)庫(kù) FileGeodatabase 基于文件格式的數(shù)據(jù)庫(kù) ArcSDEGeodatabase 企業(yè)級(jí)空間數(shù)據(jù)庫(kù) 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