地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件

1、地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件3、矢量數(shù)據(jù)模型看地圖可知（1）地圖要素（2）及其空間相互關(guān)系。后頁是一幅參考地圖，顯示愛達(dá)荷州與蒙大拿州、懷俄明州、猶他州、內(nèi)華達(dá)州、俄勒岡州、華盛頓州和加拿大的邊界，且包括印第安人保留地地圖通過其符號和文字傳遞信息，容易獲知地圖要素及其空間關(guān)系但如何才能使計算機(jī)分辨這些位置及其空間關(guān)系?這便是本章關(guān)于矢量數(shù)據(jù)模型所要討論的基本問題（性質(zhì)：放大圖形不變；便于幾何計算）3、矢量數(shù)據(jù)模型看地圖可知（1）地圖要素（2）及其空間相互關(guān)地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件本章內(nèi)容本章共分成5節(jié):簡單要素的表示 實例如點

2、、線和面拓?fù)涞乩黻P(guān)系數(shù)據(jù)模型 和非拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)基于（面向）對象數(shù)據(jù)模型復(fù)合要素的表示（TIN、分區(qū)、路徑）本章內(nèi)容本章共分成5節(jié):矢量數(shù)據(jù)的表示矢量數(shù)據(jù)模型用點、線和面等表示空間要素點的維數(shù)為零，且只有位置性質(zhì)。在GIS中，點通常也區(qū)分稱節(jié)點(node)、折點( vertex)或0-像元(0-cell)。點（point）要素由一個點或一系列獨立點組成。水井、水準(zhǔn)點或采石場為例。線（polyline，。）是一維的，且有長度特性。線的形態(tài)可以是平滑曲線或者是折線（相連的直線線段）。平滑曲線一般可用數(shù)學(xué)方程擬合如樣條函數(shù)。如溝渠或街道或可用曲線擬合。線也區(qū)分稱為輪廓(edge)、鏈路(link)、鏈

3、(chain)或1-像元(1-cell)。線要素由線組成。道路、河流和等高線等為例矢量數(shù)據(jù)的表示面（polygon，。）是二維的且有面積和周長性質(zhì)。面由閉合的線組成，面要素可以是單獨的或與其他面共享邊界。（要描述此類幾何關(guān)系就用的拓?fù)洌┟嬉乜梢栽谄渌嬉貎?nèi)形成島，例加國家森林內(nèi)包括私人地塊。面要素的邊界把區(qū)域分成了內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。面又區(qū)分稱為多邊形( polygon)、區(qū)域(face)、分區(qū)(zone)或2-像元(2-cell)面（polygon，。）是二維的且有面積和周長性質(zhì)地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件點及其坐標(biāo)是矢量數(shù)據(jù)模型的基本單元線要素由點構(gòu)成。

4、線是由兩個端點之間一系列標(biāo)記線形態(tài)的點所構(gòu)成，可能是平滑曲線或者是折線(相連的直線線段)。平滑曲線一般可用數(shù)學(xué)方程擬合。直線線段可表示要素或曲線的近似值。線要素可以與其他線相交或相連，并形成網(wǎng)絡(luò)點及其坐標(biāo)是矢量數(shù)據(jù)模型的基本單元用點、線和面表示矢量數(shù)據(jù)不總是直截了當(dāng)?shù)模驗樗€取決于地圖比例尺，應(yīng)表示為點、線或面則取決于比例尺和應(yīng)用地圖比例尺是指地圖上距離與地面距離的比率。例如，在一幅比例尺為1:25000的地圖上，圖上1cm相當(dāng)于實際距離25000cm或250m。一幅比例尺為1:25000的地圖所表示一個較小區(qū)域，但比一幅比例尺為1:1000000的地圖包含更多的細(xì)節(jié)。在1:1000000比

5、例尺的地圖上，一座城市可能表示為一個點，而同一城市在1:25000比例尺地圖上卻表示為一個面。河流的上游能被表示為單線，但是其下游卻可能被表示為一個面，河流的寬度決定了它在地圖上的表現(xiàn)形成用點、線和面表示矢量數(shù)據(jù)不總是直截了當(dāng)?shù)?，因為它還取決于地圖拓?fù)潢P(guān)系需要表達(dá)要素之間關(guān)系的應(yīng)用，使用到拓?fù)涓拍?。建立矢量?shù)據(jù)模型第一步是表述點、線和面等要素，下一步建立拓?fù)潢P(guān)系以明確地檢驗和表達(dá)要素之間的空間關(guān)系對矢量數(shù)據(jù)模型重要的是有向圖，包括點和有向線線（又稱弧段）。在有向圖中可以建立點、線對象之間的鄰接和關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)學(xué)意義上，拓?fù)涫茄芯繋缀螌ο笤趶澢蚶斓茸儞Q下仍保持不變的性質(zhì)。拓?fù)溆脠D表或圖形研究幾何

6、對象排列及其相互關(guān)系拓?fù)潢P(guān)系需要表達(dá)要素之間關(guān)系的應(yīng)用，使用到拓?fù)涓拍睢＝⑹噶縂IS中的拓?fù)涓拍钆c數(shù)學(xué)上的拓?fù)涓拍钣泻艽蟮牟煌?GIS中，拓?fù)潢P(guān)系是通過設(shè)立拓?fù)湟?guī)則建立的。理解拓?fù)湟?guī)則，也就領(lǐng)會了什么是拓?fù)潢P(guān)系。GIS中，拓?fù)潢P(guān)系通常包括三種：連接性（connectivity）、鄰接性（adjacency）和包容性（containment）幾何對象的上述排列和相互關(guān)系也具有在彎曲或拉伸變換下保持不變的性質(zhì)GIS中的拓?fù)涓拍钆c數(shù)學(xué)上的拓?fù)涓拍钣泻艽蟮牟煌?GIS中ESRI規(guī)定ARC/INFO的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)格式為圖層(coverage)，并以點、線和面對圖層歸類。圖層支持以下三種基于拓?fù)?/p>

7、關(guān)系：1)連接性：弧段間通過節(jié)點彼此相接2)面定義:由一系列相連的弧段定義面3)鄰接性:弧段有方向性，且有左多邊形和右多邊形ArcView的Shapefile數(shù)據(jù)格式不支持拓?fù)銭SRI規(guī)定ARC/INFO的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)格式為圖層(c其中的多邊形規(guī)則包括：Must not overlap確認(rèn)同一要素類（或子類）之間多邊形不能互相重疊；Must not have gaps確認(rèn)要素類（或子類）中的所有多邊形能夠構(gòu)成一個連續(xù)的沒有空隙的表面；Contains point在多邊形要素類（或子類）中，保證每個多邊形中都包含其它點要素類中的至少一個點要素；Boundary must be covered

8、 by保證多邊形的邊線必須與其它要素類（或子類）的線段重合的時候；Muts be covered by feature class of polygon確認(rèn)要素類（或子類）中的每個多邊形要素都被其它要素類（或子類）的多邊形所覆蓋的時候；Must be covered by確認(rèn)某要素類中的多邊形被其它要素類中的單個多邊形或多邊形的某部分所覆蓋；Must not overlap with確認(rèn)兩個要素類之間的要素是互不重疊；Must cover each other確認(rèn)兩個要素類（或其子類）之間所覆蓋的區(qū)域相同的時候；Area boundary must be covered by boundary

9、 of確認(rèn)某個多邊形要素類（或子類）的邊線包含在其它多邊形要素類（或子類）的邊線之中。其中的多邊形規(guī)則包括：線拓?fù)湟?guī)則包括：共有12 條可用的線規(guī)則。Must not have dangles確認(rèn)線要素類（子類）中的每一條線段都與本身或者本要素類（子類）中其它要素相接觸；Must not have pseudo-nodes線要素的端點僅和其它一條線要素接觸（這時候線段上的節(jié)點相當(dāng)于多余的，將線要素進(jìn)行了不正確的分段）的時候，提示：線段的端點可以接觸線段本身，即可呈環(huán)狀；Must not overlap確認(rèn)同一要素類（子類）中的要素不重疊；Must not self overlap確認(rèn)要素類中的

10、要素不能自重疊Must not intersect確認(rèn)要素不被同一要素類中的其它要素相交和重疊；Must not self intersect確認(rèn)要素類中的要素不能自相交；Must not intersect or touch interior線要素只能夠在端點處接觸；Must be single part確認(rèn)要素的形體是由單個部件構(gòu)成； Must not overlap with確認(rèn)兩個要素類之間的要素不能在空間重疊：Must be covered by feature class of lines確認(rèn)某個要素類的要素一定要被另一要素類的要素所覆蓋；Endpoint must be cove

11、red by確認(rèn)線要素類的端點被點要素所覆蓋；Must be covered by boundary of（line）確認(rèn)線要素的必定被多邊形要素的邊線所覆蓋。線拓?fù)湟?guī)則包括：點規(guī)則共有4 條，均為與面或線的關(guān)系，點與點之間的拓?fù)潢P(guān)系總是分離的，見下表：Must be properly inside polygons確認(rèn)某個點要素類的要素全部落在另一面要素中（邊界上不算）；Must be covered by boundary of（point）確認(rèn)點要素類的要素都恰好被多邊形要素的邊線所覆蓋；Must be covered by endpoint of確認(rèn)某個點要素類的要素被線要素的端點所覆

12、蓋；Point must be covered by line確認(rèn)點要素類落在線要素上。點規(guī)則共有4 條，均為與面或線的關(guān)系，點與點之間的拓?fù)潢P(guān)系總地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件如果一條線連接兩個點，稱這兩個點與線鄰接和關(guān)聯(lián)。鄰接和關(guān)聯(lián)關(guān)系可用矩陣明確地表達(dá)。圖3.3顯示一個有向圖的鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣。鄰接矩陣的行和列對應(yīng)于節(jié)點號，弧段的方向決定了應(yīng)賦予1或0。 關(guān)聯(lián)矩陣中的1是指弧段關(guān)聯(lián)自一個節(jié)點，-1意為弧段關(guān)聯(lián)至一個節(jié)點，0意為弧段與節(jié)點均不關(guān)聯(lián)。以弧段1為例，它從節(jié)點13出射（關(guān)聯(lián)自），入射到（關(guān)聯(lián)至）節(jié)點11，與其他節(jié)點不關(guān)聯(lián)如果一條線連接兩個點，稱這兩個點與線鄰接和關(guān)聯(lián)。鄰接和關(guān)聯(lián)

13、關(guān)為什么用到拓?fù)潢P(guān)系換個說法，你是否需要用支持拓?fù)涞臄?shù)據(jù)模型？支持拓?fù)涞臄?shù)據(jù)模型：數(shù)據(jù)量大、運(yùn)行慢。但有如下特點。使用拓?fù)洌偷扔趶?qiáng)制地理要素之間的空間關(guān)系滿足預(yù)先設(shè)定的拓?fù)湟?guī)則，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。能夠更好的表達(dá)地理信息，用以提供空間分析能力。比如用于導(dǎo)航的路網(wǎng)，必須保證一條路中，各路段是連接的，而不是視覺上的相連，數(shù)學(xué)意義上的分離。為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，就可以訂立線拓?fù)湟?guī)則，查找不符合點，改正或清除。為什么用到拓?fù)潢P(guān)系換個說法，你是否需要用支持拓?fù)涞臄?shù)據(jù)模型？設(shè)定容差檢驗節(jié)點的連結(jié)性或連接錯誤設(shè)定容差檢驗節(jié)點的連結(jié)性或連接錯誤Coverage拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Coverage模型將拓?fù)潢P(guān)系與要素數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)

14、合。點的Coverage包含要素標(biāo)識碼(IDs)和成對的x和y坐標(biāo)。線的Coverage的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?；《喂?jié)點表，列出了弧段節(jié)點的關(guān)系。例如，弧段2是以節(jié)點12為起始節(jié)點，以節(jié)點13為到節(jié)點?；《巫鴺?biāo)表顯示組成每條弧段的起始節(jié)點、到節(jié)點和其他點（端點）的x、y坐標(biāo)。Coverage拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Coverage模型將拓?fù)潢P(guān)系與點要素，可用標(biāo)識號碼ID和（x,y）坐標(biāo)來編碼。拓?fù)潢P(guān)系不適用于點，點與點的拓?fù)潢P(guān)系總是相離的左圖表示點要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點要素，可用標(biāo)識號碼ID和（x,y）坐標(biāo)來編碼。拓?fù)潢P(guān)系不適在ARC/INFO術(shù)語中，一條線段叫做一條弧段（arc），它與稱為節(jié)點的兩個端點連接。開始點叫做始

15、節(jié)點(from-node)，結(jié)束點叫做到節(jié)點(to- node)弧段-節(jié)點表列出了弧段-節(jié)點的關(guān)系。例如，弧段2是以節(jié)點12為始節(jié)點，以節(jié)點13為到節(jié)點。弧段-坐標(biāo)清單顯示組成每條弧段的坐標(biāo)。例如，弧段3是經(jīng)由點(2,6)，和點(4,4)連接的三條線段組成在ARC/INFO術(shù)語中，一條線段叫做一條弧段（arc），它左圖顯示面要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，多邊形/弧段清單顯示多邊形和弧段之間的關(guān)系例如，弧段1、4和6連接構(gòu)成多邊形101多邊形104與其他多邊形不同之處在于其被多邊形102所環(huán)繞弧段清單中多邊形102含有一個0以區(qū)分其外邊界和內(nèi)邊界，來顯示多邊形104是多邊形102內(nèi)的一個島。多邊形104是一個

16、獨立的多邊形，由唯一的弧段7和一個既表示始節(jié)點又表示到節(jié)點的節(jié)點門15構(gòu)成地圖區(qū)域外面的多邊形100，通常稱為外多邊形或全域多邊形左圖顯示面要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，多邊形/弧段清單顯示多邊形和弧段之在上圖中，左/右多邊形清單顯示弧段及其左多邊形和右多邊形之間的關(guān)系。例如，弧段1有一條從節(jié)點13到節(jié)點11的有向線，多邊形100是其左多邊形，多邊形101是其右多邊形。每個多邊形都賦予標(biāo)識點把多邊形與其屬性數(shù)據(jù)相鏈接。基于拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于數(shù)據(jù)文件的組織，并可能減少數(shù)據(jù)冗余。兩個多邊形之間的共享邊界在弧段-坐標(biāo)清單中只列一次，而不是兩次。而且，共享邊界定義兩個多邊形，所以更新多邊形就變得相對容易。在上

17、圖中，左/右多邊形清單顯示弧段及其左多邊形和右多邊形之間過去20年中，矢量數(shù)據(jù)模型是GIS中變化最大的方面。例如，ESRI公司所開發(fā)每種(代)新軟件都對應(yīng)一種新的矢量數(shù)據(jù)模型，Arc/lnfo對應(yīng)Coverage，ArcView對應(yīng)Shapefile，ArcGIS對應(yīng)Geodatabase。Coverage和Shapefile是地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型的例子，而Geodatabase是基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型過去20年中，矢量數(shù)據(jù)模型是GIS中變化最大的方面。Arclnfo Coverage基于地理關(guān)系的數(shù)據(jù)模 型，由兩部分組成：圖形文件存儲空間數(shù) 據(jù)，INFO文件存儲屬性數(shù)據(jù)，兩者間以要 素ID相連接A

18、rclnfo Coverage基于地理關(guān)系的數(shù)據(jù)模 地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型已在GIS中使用了20多年，但近年來它受到基于對象數(shù)據(jù)模型的挑戰(zhàn)。雖然前景未明，但地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型目前仍是主流矢量數(shù)據(jù)模型在同一個系統(tǒng)（數(shù)據(jù)組）中同時存儲空間和屬性數(shù)據(jù)成為可能，這樣就避免了獨立系統(tǒng)間數(shù)據(jù)同步（關(guān)聯(lián)）的問題。（概念可類比：面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計）地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型已在GIS中使用了20多年，但近年來它受到基地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型地理參照數(shù)據(jù)由空間和屬性兩部分組成。空間數(shù)據(jù)描述位置，而屬性數(shù)據(jù)描述特征。地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型用兩組分立的文件分別存儲空間和屬性數(shù)據(jù)：用圖形文件存儲空間數(shù)據(jù)（“地理”），用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲屬性數(shù)據(jù)，兩者有

19、關(guān)聯(lián)（“關(guān)系”，如同名文件）。地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型一般用要素的標(biāo)號(label)或標(biāo)識碼(ID)對兩者進(jìn)行鏈接。空間和屬性兩部分必須同步（關(guān)聯(lián)）才能進(jìn)行查詢、分析和數(shù)據(jù)顯示地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型地理參照數(shù)據(jù)由空間和屬性兩部分組成?？臻g數(shù)據(jù)非拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)在ArcView中采用的標(biāo)準(zhǔn)的非拓?fù)鋽?shù)據(jù)格式叫做shapefile盡管在shapefile中，點是用一對坐標(biāo)，線是用一系列的點，多邊形用一系列的線來存儲，但是沒有描述幾何對象空間關(guān)系的文件，shapefile多邊形對于共享邊界實際上有重復(fù)弧段且可能彼此重疊。不同于ARC/INFO的圖層（coverage）所用的多個文件， shapefile的幾何學(xué)性質(zhì)存儲

20、于兩個基本文件:以*shp為擴(kuò)展名的文件存儲要素幾何學(xué)特征，而以*.shx為擴(kuò)展名的文件保留要素的索引Shapefile可轉(zhuǎn)換為圖層，反之亦然。從shapefile轉(zhuǎn)換到圖層需要建立拓?fù)潢P(guān)系并去除重復(fù)的弧段。從圖層轉(zhuǎn)換到shapefile比較簡單。但是如果圖層存在拓?fù)溴e誤，諸如線之間沒有完全連接，會導(dǎo)致在shapefile轉(zhuǎn)換為圖層中出現(xiàn)要素丟失問題。非拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)在ArcView中采用的標(biāo)準(zhǔn)的非拓?fù)鋽?shù)據(jù)格式叫不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)據(jù)(Triangulated Irregular Network或 TIN)適合于表示表面或表面的分析，如坡度分析等。不規(guī)則三角網(wǎng)有一系列互不重疊的

21、德羅尼（Delaunay）三角形組成。德羅尼（Delaunay）三角網(wǎng)：為相互鄰接且互不重疊的三角形集合，每一三角形的外接圓中不包含其它的點TINs are an efficient way to store and analyze surfaces.不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)表示數(shù)據(jù)(Triangula地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件分區(qū)分區(qū)指具有相似特征的地域范圍。分區(qū)的概念在地理學(xué)、生態(tài)學(xué)和林學(xué)等學(xué)科中應(yīng)用較廣。均一的分區(qū)可用于多種自然和人文現(xiàn)象，如地貌、自然植被、森林火災(zāi)等分區(qū)分區(qū)指具有相似特征的地域范圍。分區(qū)的概念在地理學(xué)、生態(tài)學(xué)分區(qū)數(shù)據(jù)模型應(yīng)能處理好兩個空間特征：第一，分區(qū)可以

22、在空間上相連和分離；第二，分區(qū)可重疊或涵蓋相同區(qū)域。分區(qū)在多邊形Coverage中以亞類來組織，通過附加數(shù)據(jù)文件，每個分區(qū)與其上的多邊形和弧段建立聯(lián)系分區(qū)數(shù)據(jù)模型應(yīng)能處理好兩個空間特征：路徑路徑為線性Coverage亞類。路徑亞類是區(qū)段( section)的集合。區(qū)段指線（或弧段）和沿線的位置。路徑是諸如高速公路、白行車道或河流等線要素。交通運(yùn)輸部門常用線性測量來定位事故、橋梁和沿路的路況，線性測量從已知點起算如公路起點、里程碑或道路交叉點。路徑路徑為線性Coverage亞類。路徑亞類是區(qū)自然資源部門也用線性測量來記錄沿河的水質(zhì)數(shù)據(jù)、漁業(yè)情況。這些線性屬性，稱為事件（event）。事件必須與路

23、徑相聯(lián)系，使得它們可以與其他空間要素一起被顯示和分析自然資源部門也用線性測量來記錄沿河的水質(zhì)數(shù)據(jù)、漁業(yè)情況。這些地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論-03分解課件路徑ID路段ID弧段ID始測值（如km等）到測值始位置（%）到位置（%）路徑ID路段ID弧段ID始測值到測值始位置（%）到位置（%）重要概念和術(shù)語不規(guī)則三角網(wǎng)：用一組互不重疊的三角形來近似表示地形的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。德羅尼（Delaunay）三角網(wǎng)：為相互鄰接且互不重疊的三角形集合，每一三角形的外接圓中不包含其它的點 重要概念和術(shù)語不規(guī)則三角網(wǎng)：用一組互不重疊的三角形來近似表示弧段(Arc)：有兩個端點的線段。面( Area)：由一系列線段構(gòu)成的且具有大小和周長等幾何特性的空間要素，也稱為多邊形、區(qū)域(face)或地帶(zone)。面定義( Area definition)：用于ESRI的Coverage模型中的拓?fù)潢P(guān)系，保證一個面由一系列連接弧段所定義。連接性（Connectivity）：在ESRI的Covera