第三章：空間數(shù)據(jù)模型

1、2021/8/61第三章：矢量數(shù)據(jù)模型第三章：矢量數(shù)據(jù)模型主講教師：張龍其 Email:2021/8/62數(shù)據(jù)模型概述1 簡單要素表示2對象之間關(guān)系3地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型4基于對象數(shù)據(jù)模型5復(fù)合要素的表示62021/8/63 磁場、電場、空氣中污染物的集中程度v地理信息 指與空間地理分布有關(guān)的信息，用來表示地表物體（空間實體）和環(huán)境固有的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、聯(lián)系和規(guī)律2021/8/64v空間實體信息 空間信息 位置 幾何形態(tài) 屬性信息 時間信息 關(guān)系信息 空間關(guān)系 非空間關(guān)系2021/8/65480585.5, 3769234483194.1, 3768432485285.8, 37683914

2、84327.3, 3768565483874.7, 3769823 CoordinatesPaper mapsDigital dataGPSGIS Datav空間數(shù)據(jù)模型：2021/8/66v數(shù)據(jù)模型建立： 概念模型概念模型: :實體及實體間聯(lián)系的抽象概念集 邏輯模型邏輯模型:用計算機(jī)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型來描述實體及實體關(guān)系 物理模型:數(shù)據(jù)物理組織、存取方法等 概念模型邏輯模型物理模型數(shù)據(jù)庫觀察與認(rèn)知觀察與認(rèn)知數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)現(xiàn)實世界現(xiàn)實世界概念世界概念世界數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 世世 界界（計算機(jī)）（計算機(jī)）2021/8/67v 應(yīng)用建模選擇需要建模的空間實體對所有需要建模的實體，選擇基本的實體類型，設(shè)計屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3、，并設(shè)計相應(yīng)的操作功能為每類基本空間設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)操作研發(fā)軟件包實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理、分析及表達(dá)等功能 采集數(shù)據(jù)，建立具體的空間數(shù)據(jù)庫2021/8/68v當(dāng)前的GIS軟件實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型來組織地理信息v本章重點(diǎn)闡述矢量數(shù)據(jù)模型如何模擬空間實體及實體關(guān)系的2021/8/69v通過記錄坐標(biāo)的方式表示空間實體的空間特征 點(diǎn)實體 線實體 多邊形實體 場和地面2021/8/610 點(diǎn)實體：以二維或者三維中的坐標(biāo)來描述 線實體：由一個坐標(biāo)序列來描述,坐標(biāo)之間認(rèn)為是以直線段相連 用一系列足夠短的直線首尾相接表示一條曲線，只記錄這些小線段的端點(diǎn)坐標(biāo)2021/8/611 多邊形實體： 指一個任

4、意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域 其邊界將整個空間劃分為兩個部分：包含無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的部分稱為外部，另一部分稱為多邊形內(nèi)部 由形成一個封閉的環(huán)狀的一條或多條線所來 如果區(qū)域有個洞在其中，那么可以采用多個環(huán)以描述它2021/8/612v原型種類的選擇原型種類的選擇 觀察的尺度或者概括的程度，決定了使用原型的種類 在一個小比例尺表現(xiàn)中，諸如城鎮(zhèn)這一現(xiàn)象可以由個別的點(diǎn)所組成，而路和河流由線來表示 當(dāng)表現(xiàn)的比例尺增大時，必然要考慮到現(xiàn)象的尺度；在一個中等比例尺上，一個城鎮(zhèn)可以由特定的原型，如線，來表示用以記錄其邊界。 在較大的比例尺中，城鎮(zhèn)將被表現(xiàn)為特定的原型的復(fù)雜的集合，包括建筑物的邊界、道路、公園以及所包

5、含的其它的自然與管理現(xiàn)象2021/8/613v空間關(guān)系 拓?fù)潢P(guān)系 方位關(guān)系 度量關(guān)系 2021/8/614v拓?fù)淇臻g關(guān)系 拓?fù)湟辉~來自于希臘文，意思是“形狀的研究” 拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個分支，它研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性拓?fù)鋵傩浴?2021/8/615v拓?fù)湓赝負(fù)湓兀?鏈段鏈段或弧段弧段 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn) 多邊形：簡單多邊形、復(fù)合多邊形2021/8/6162021/8/617v拓?fù)潢P(guān)系的種類 關(guān)聯(lián)：不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系,如結(jié)點(diǎn)與鏈，鏈與多邊形等 鄰接：相同拓?fù)湓刂g的關(guān)系,如結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)，鏈與鏈，面與面等 包含：面與其它拓?fù)湓刂g的關(guān)系,如點(diǎn)、線、面在該面內(nèi)，則稱為被該面包含202

6、1/8/618v拓?fù)淇臻g關(guān)系意義： 能清楚地反映實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更穩(wěn)定，不隨地圖投影而變化 正確應(yīng)用可確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性 強(qiáng)化空間分析，有助于空間要素的查詢 根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可重建地理實體 例如根據(jù)弧段構(gòu)建多邊形，實現(xiàn)面域的選?。桓鶕?jù)弧段與結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系重建道路網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行最佳路徑選擇等。2021/8/619v拓?fù)涿枋龅臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué) 定義定義1 1：X為一非空集合，:XXR為一映射，如果對于任意的x，y，zX，有:(1)(x，y)0，并且(x，y)=0當(dāng)且僅當(dāng)x=y；(2)(x，y)=(y，x)；(3)(x，z)(x，y)+(y，z) (三角不等式)； 則稱為X的度量

7、，偶對(X，)稱為度量空間 定義定義2 2：A為度量空間X的子集，如果A的每一點(diǎn)都有一個球形鄰域包含于A，則稱A為的開集2021/8/620v定義定義3 3：X為非空集合，A為X的子集族，如果滿足下列條件：X和空集屬于A； 若A1，A2屬于A，則A1與A2的交集屬于A；A中任意兩個元素的并仍為A中的元素；則稱A為X的拓?fù)洹Ｈ绻鸄為集合X的拓?fù)?，則稱偶對(X，A)為拓?fù)淇臻g。v定義定義4 4：A為拓?fù)淇臻gX的子集,如果點(diǎn)x屬于X的每一鄰域U中都有A中異于x的點(diǎn)，即U(Ax)，則稱x為A的聚點(diǎn)或極限點(diǎn)。A的聚點(diǎn)可以屬于A也可以不屬于A2021/8/621定義定義5 5：A為拓?fù)淇臻gX的子集，集合A

8、的所有聚點(diǎn)構(gòu)成的集合稱為A的導(dǎo)集，記作dX(A)或d(A)定義定義6 6：A為拓?fù)淇臻gX的子集，如果A的每一聚點(diǎn)都屬于A，即d(A)為A的子集，則稱A為閉集定義定義7 7：X為拓?fù)淇臻g，X的子集A與A的導(dǎo)集d(A)的并集Ad(A)稱為A的閉包，記作C(A)定義定義8 8： A為拓?fù)淇臻gX的子集，如果A是點(diǎn)x屬于X的鄰域，即存在X的開集U使得x屬于U，U為A的子集，則稱點(diǎn)x為集合A的內(nèi)點(diǎn)。集合A的所有內(nèi)點(diǎn)構(gòu)成的集合，稱為A的內(nèi)部，記作I(A)2021/8/622v定義定義9 9：A為拓?fù)淇臻gX的子集，對于點(diǎn)x屬于X，如果在x的任一鄰域U中既有A的點(diǎn)又有A的點(diǎn)，即：UA并且U(A)，則稱x為集合A

9、的邊界點(diǎn)。集合A的所有邊界點(diǎn)的集合稱為集合A的邊界，記作B(A)v定理定理1 1：A為拓?fù)淇臻gX的任意子集，則:C(A)=I(A)=I(A)B(A)I(A)=C(A)=C(A)B(A)B(A)=C(A)C(A)=(I(A)I(A)=B(A)2021/8/623v 拓?fù)淇臻g關(guān)系描述9交模型 設(shè)有現(xiàn)實世界中的兩個簡單實體A、B， B(A)、B(B)表示A、B的邊界， I(A)、I(B)表示A、B的內(nèi)部 E(A)、E(B)表示A、B余。 Egenhofer1993構(gòu)造出一個由邊界、內(nèi)部、余的點(diǎn)集組成的9-交空間關(guān)系模型(9-Intersection Model,9-IM)如下： 對于該矩陣中的每一元

10、素，都有“空”與“非空”兩種取值，9個元素總共可產(chǎn)生29=512種情形I(A)B(B)I(A)I(B)I(A)E(B)B(A)B(B)B(A)I(B)B(A)E(B)E(A)B(B)E(A)I(B)E(A)E(B)2021/8/624111100100101110100111110100100111100111101100101111100111111100100110101100100111100110111100111101100101111100111111111101101101111101111111101101101111111101111101111111線與面線與面間有效間有效

11、的拓?fù)涞耐負(fù)潢P(guān)系共關(guān)系共有有19個個2021/8/625111100100111100101101100110111100110100100111101100111111100111111001100111001001111001101101001110111001110101001111111001111111101100111101101101101110111101110101101111111101111101010100線與線線與線間有效間有效的拓?fù)涞耐負(fù)潢P(guān)系共關(guān)系共有有33個，個，這里只這里只給出了給出了21個個2021/8/6261111001001111111111001001

12、11100010001111011001111001001100110111111110100面與面面與面間有效間有效的拓?fù)涞耐負(fù)潢P(guān)系共關(guān)系共有有8個個2021/8/627v方向空間關(guān)系分析 方向關(guān)系又稱為方位關(guān)系、延伸關(guān)系，它定義了地物對象之間的方位 方向關(guān)系的定義采用垂直于坐標(biāo)軸的直線為參考 Restricted_East(Pi，Qj)= X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)=Y(Qj) Restricted_South(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) Restricted_West(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)=Y(Qj)

13、 Restricted_North(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) North_West(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) North_East(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) South_West(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) South_East(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) 2021/8/628v方向空間關(guān)系分析 空間關(guān)系的識別 可判斷目標(biāo)之間的MBR是否具有該關(guān)系 再利用點(diǎn)/點(diǎn)關(guān)系進(jìn)一步進(jìn)行關(guān)系判斷，確定具體的關(guān)系

14、 MBR（Minimum Bounding Rectangle ）：空間目標(biāo)的外切矩形 2021/8/629v該模型用空間數(shù)據(jù)文件記錄空間實體的空間信息，用屬性數(shù)據(jù)表記錄屬性數(shù)據(jù)；本質(zhì)是用關(guān)系表的行數(shù)據(jù)表示空間實體記錄，關(guān)系表表示相互之間的關(guān)系vESRI公司設(shè)計了Shapefile 和Coverage兩種矢量數(shù)據(jù)文件分別實現(xiàn)了Spaghetti和拓?fù)鋬煞N結(jié)構(gòu)的矢量數(shù)據(jù)模型2021/8/630vSpaghetti 又稱實體型、坐標(biāo)序列及簡單矢量數(shù)據(jù) 按點(diǎn)、線或多邊形為基本單元組織數(shù)據(jù)，點(diǎn)、線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù) 點(diǎn)：以二維或者三維中的坐標(biāo)來描述 線：由一個坐標(biāo)序列來描述 多邊形：每個多邊形都

15、以閉合線段存儲 沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)拓?fù)鋽?shù)據(jù)，互相之間不關(guān)聯(lián),島只作為一個圖形，沒有與外界多邊形的聯(lián)系2021/8/631vSpaghetti 空間數(shù)據(jù)和屬性分開存儲,通過標(biāo)識碼實現(xiàn)二者的連接 標(biāo)識碼通常按一定的原則編碼,標(biāo)識碼具有唯一性 屬性數(shù)據(jù)一般采用數(shù)據(jù)庫存儲管理321CODE4標(biāo)識碼2021/8/632vSpaghetti點(diǎn)實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2021/8/633Spaghetti編碼線實體型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：唯一標(biāo)識碼，用來建立系統(tǒng)的排列序號；線標(biāo)識碼，用來確定該線的類型；起、終點(diǎn)，可以用點(diǎn)號或坐標(biāo)表示；坐標(biāo)對序列，確定線的形狀，在一定距離內(nèi)坐標(biāo)對越多，則每個小線段越短，且與實體曲線越逼近顯示信息，顯示時采

16、用的文體或符號，如線的虛實，粗細(xì)等；其他非幾何屬性2021/8/634 Spaghetti面實體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面實體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由多邊形邊界的x、y坐標(biāo)對集合及說明信息組成2021/8/6352021/8/636 Spaghetti 特點(diǎn)文件結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)以多邊形為單位的運(yùn)算和顯示多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲兩次，造成數(shù)據(jù)冗余和不一致每個多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進(jìn)行鄰域處理，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界島只作為一個單個的圖形建造，沒有與外包多邊形的聯(lián)系不易檢查拓?fù)溴e誤點(diǎn)、線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)，互相之間不關(guān)聯(lián) 2021/8/637vSHP文件物理結(jié)構(gòu) SH

17、P文件 Shx文件 Dbf文件 Prj文件2021/8/638v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 基本概念基本概念 構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段鏈段或弧段；弧段； 兩條以上的弧段相交的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)；結(jié)點(diǎn)； 多邊形中不含島和洞的多邊形稱為簡單多邊形，表示單連通區(qū)域；含島和洞區(qū)的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表示復(fù)連通區(qū)域；復(fù)連通區(qū)域；在復(fù)連通區(qū)域中，包括由外邊界和內(nèi)邊界，島區(qū)多邊形看作是復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界，復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界多邊形對應(yīng)的區(qū)域含有平面上的無窮個點(diǎn) 矢量數(shù)據(jù)可抽象為點(diǎn)(結(jié)點(diǎn))、線(鏈、弧段、邊)、面(多邊形)三種要素，即稱為拓?fù)湓赝負(fù)湓?021/8/639v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 關(guān)鍵是拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)潢P(guān)系的表示的表示，而幾何

18、數(shù)據(jù)的表示可參照矢量數(shù)據(jù)的簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 目前的GIS表示基本的拓?fù)潢P(guān)系，完整的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)應(yīng)包括以下內(nèi)容：唯一標(biāo)識，多邊形標(biāo)識，外包多邊形指針，鄰接多邊形指針，邊界鏈接，范圍 矢量編碼最重要的是信息的完整性和運(yùn)算的靈活性，包括：DIME（對偶獨(dú)立地圖編碼法），POLYVRT(多邊形轉(zhuǎn)換器)，TIGER（地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)浼桑┑?021/8/640v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 基本概念 構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段或弧段； 兩條以上的弧段相交的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)； 多邊形中不含島和洞的多邊形稱為簡單多邊形，表示單連通區(qū)域；含島和洞區(qū)的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表示復(fù)連通區(qū)域復(fù)連通區(qū)域。 在復(fù)連通區(qū)域中

19、，包括由外邊界和內(nèi)邊界，島區(qū)多邊形看作是復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界，復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界多邊形對應(yīng)的區(qū)域含有平面上的無窮個點(diǎn)。2021/8/641v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) DIME(DIME(雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，Dual Independent Map Dual Independent Map Encoding)Encoding)編碼系統(tǒng)編碼系統(tǒng) 是美國人口調(diào)查局在人口調(diào)查的基礎(chǔ)上發(fā)展起來 通過有向編碼建立了多邊形、邊界、節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系 其它拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 2021/8/642v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) DIME(DIME(雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，Dual Independ

20、ent Map Dual Independent Map Encoding)Encoding)編碼系統(tǒng)編碼系統(tǒng) 弧段或鏈段是數(shù)據(jù)組織的基本對象，弧段文件由弧段記錄組成，每個弧段記錄包括弧段標(biāo)識碼、FN、TN、LP和RP 結(jié)點(diǎn)文件由結(jié)點(diǎn)記錄組成，包括每個結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)號，結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與該結(jié)點(diǎn)連接的弧段標(biāo)識碼等 多邊形文件由多邊形記錄組成，包括多邊形標(biāo)識碼，組成該多邊形的弧段標(biāo)識碼以及相關(guān)屬性等2021/8/6432021/8/644v每個coverage圖層對應(yīng)一個文件夾和INFO文件夾v同一目錄下面的多個coverage圖層對應(yīng)一個INFO文件夾v圖層對應(yīng)的文件下面有很ADF文件2021/8/645

21、地理數(shù)據(jù)庫 Geodatabase對象類Object Classes要素類Feature Classes要素數(shù)據(jù)集Feature Datasetes關(guān)系類Relationship Classes要素類Feature Classes幾何網(wǎng)絡(luò)Geometric Network關(guān)系類Relationshap Classes要素 Feature 網(wǎng)絡(luò)要素 Network Feature關(guān)系 Relationship 表格 Table 要素 Feature 關(guān)系 Relationship2021/8/646Personal GeodatabaseFile Geodatabase平臺支援平臺支援 Wind

22、owsWindows、UNIX、linux存儲方式存儲方式 MS-Access的mdb數(shù)據(jù)庫文檔一個文件夾方式儲存存儲限制存儲限制 2GB數(shù)據(jù)庫無限制，每個表限制為1TB(1000GB)儲存空間儲存空間減少50-70%效能效能可快20%到10倍數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮 不支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮支持一種新的數(shù)據(jù)壓縮格式，在查詢與顯示方面均與未壓縮格式相同，壓縮比率可從2:1到25:1 2021/8/647vArcSDE 是ArcGIS與關(guān)系數(shù)據(jù)庫之間的GIS通道，在多種數(shù)據(jù)庫平臺上，如：Oracle，Oracle with Spatial/Locator，Microsoft SQL Server, IBM DB2

23、和Informix管理地理信息 采用客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，多用戶并發(fā)共用2021/8/648v網(wǎng)絡(luò)vTIN（將在地形制圖里面講）v分區(qū)（自學(xué)）v路徑（自學(xué)）2021/8/649一、網(wǎng)絡(luò)概述 所謂網(wǎng)絡(luò)是指線狀要素相互連接所形成的一個線狀模式，是真實世界中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抽象表示。 網(wǎng)絡(luò)模型典型的例子就是研究交通，包括陸上、海上及航空線路，以及通過管線與隧道分析水、汽油及電力的流動。2021/8/650一、網(wǎng)絡(luò)概述 對地理網(wǎng)絡(luò)（如交通網(wǎng)絡(luò)）、城市基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（如各種網(wǎng)線、電力線、電話線、供排水管線等）抽象和模擬 網(wǎng)絡(luò)模型 將線性系統(tǒng)抽象為邊線（Edges）和交匯點(diǎn)（Junctions）的集合 邊線和邊線

24、之間通過交匯點(diǎn)相連 流（flow）（如汽車流、電流和水流）可以從一條邊線傳輸?shù)搅硪粭l邊線 從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)可以被看作圖，可以應(yīng)用圖論的研究成果來解決網(wǎng)絡(luò)分析的眾多問題（圖論中的“網(wǎng)絡(luò)”指的是加權(quán)有向圖）2021/8/651一、概述v幾何網(wǎng)絡(luò)模型（ geometric network） 組成線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要素的集合，是由邊線和交匯點(diǎn)相連組成的系統(tǒng) 一條邊線有兩個交匯點(diǎn)，而一個交匯點(diǎn)可以與任何數(shù)量的邊線相連 是從要素集合的視角來看網(wǎng)絡(luò)模型v邏輯網(wǎng)絡(luò)模型（logical network） 是一個由邊線元素和交匯點(diǎn)元素組成的網(wǎng)絡(luò)圖表v兩者的區(qū)別和聯(lián)系 邏輯網(wǎng)絡(luò)沒有坐標(biāo)值,它的主要目標(biāo)是用特定的屬性表存儲網(wǎng)絡(luò)的連通性信息。既然邏輯網(wǎng)絡(luò)中的邊線和交匯點(diǎn)沒有幾何屬性，因此它們不是要素，而是元素（elements）。 一個幾何網(wǎng)絡(luò)總是與一個邏輯網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系，在編輯幾何網(wǎng)絡(luò)要素的時候，相應(yīng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)元素會自動更新 2021/8/652v基于網(wǎng)絡(luò)的空間模型與基于要素的模型 共同點(diǎn)：經(jīng)常處理離散的地物 不同點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)需要多個要素之間的影響和交互，通常沿著與它們相連接的通道；相關(guān)現(xiàn)象的精確形狀并不是非