第二章空間數(shù)據(jù)結構

第二章GIS的空間數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)庫§2-1空間數(shù)據(jù)結構§2-2GIS數(shù)據(jù)模型§2-3空間數(shù)據(jù)庫的設計§2-1空間數(shù)據(jù)結構一、地理實體（空間實體）---GIS處理對象

1、定義指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)濟事件中不能再分割的單元，它是一個具有概括性，復雜性，相對性的概念。地理實體類別及實體內(nèi)容的確定是從具體需要出發(fā)的，例如，在全國地圖上由于比例尺很小，淮南就是一個點，這個點不能再分割，可以把淮南定為一個地理實體；在大比例尺的淮南市交通圖上，淮南的許多房屋，街道都要表達出來，所以淮南必須再分割，不能作為一個地理實體，應將房屋，街道等作為研究的地理實體，由此可見，GIS中的空間實體是一個概括，復雜，相對的概念。2、理解3、地理實體的特征地理實體的特征——三個基本特征屬性特征——用以描述事物或現(xiàn)象的特性，即用來說明“是什么”，如事物或現(xiàn)象的類別、等級、數(shù)量、名稱等空間特征——用以描述事物或現(xiàn)象的地理位置以及空間相互關系，故又稱幾何特征和拓撲特征，如中國與印度之間邊界界樁的經(jīng)緯度，中國與印度之間的鄰接關系時間特征——用以描述事物或現(xiàn)象隨時間的變化，如人口數(shù)的逐年變化。二、地理實體數(shù)據(jù)的類型根據(jù)地理實體的特征，可以把它的數(shù)據(jù)歸納為三類：屬性數(shù)據(jù)——描述空間對象的屬性特征的數(shù)據(jù)，也稱非幾何數(shù)據(jù)。即說明“是什么”，如類型、等級、名稱、狀態(tài)等，描述時間特征的數(shù)據(jù)也可以歸為這一類。幾何數(shù)據(jù)——描述空間對象的空間特征的數(shù)據(jù)，也稱位置數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)。即說明“在哪里”，一般用經(jīng)緯度或X、Y坐標來表示。關系數(shù)據(jù)——描述空間對象之間的空間關系的數(shù)據(jù)，一般通過拓撲關系表達。如空間數(shù)據(jù)的相鄰、包含等，主要是指拓撲關系。拓撲關系是一種對空間關系進行明確定義的數(shù)學方法三、地理實體的類型

（一）空間特征類型（二）實體類型組合1、點狀實體2、線狀實體3、面狀實體4、體狀實體1、點狀實體3）內(nèi)點：用于負載多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)。4）角點、節(jié)點：表示線段和弧段上的連接點。2）注記點：用于定位注記。1）實體點：用來代表一個實體。返回2、線狀實體特性：1）實體長度：從起點到終點的總長。2）彎曲度：用于表示像道路拐彎時彎曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游—下游，公路，單、雙向之分。線：具有相同屬性的點的軌跡，線或折線，由一系列的有序坐標表示。線狀實體包括：線段，邊界、鏈、弧段等。返回3、面狀實體（多邊形）面狀實體的如下特征：1）面積與范圍

2）周長3）獨立性或與其它地物相鄰如中國及其周邊國家4）內(nèi)島嶼或鋸齒狀外形：如島嶼的海岸線封閉所圍成的區(qū)域。5）重疊性與非重疊性：如學校的分區(qū)，菜市場的服務范圍等都有可能出現(xiàn)交叉重疊現(xiàn)象，而一個城市的各個城區(qū)一般說來不會出現(xiàn)重疊。面：對湖泊、島嶼、地塊等一類現(xiàn)象的描述。由封閉曲線加內(nèi)點來表示。返回4、體狀實體體：用于描述三維空間中的現(xiàn)象與物體，它具有長度、寬度及高度等屬性返回（二）實體類型組合

現(xiàn)實世界的各種現(xiàn)象比較復雜，往往由不同的空間單元組合而成，例如根據(jù)某些空間單元或幾種空間單元的組合將空間問題表達出來，復雜實體由簡單實體組合表達。

鄰接相交重合相離包含點—點點—線點—面線—面面—面線—線點、線、面兩兩之間組合表達復雜的空間問題?？臻g關系是GIS數(shù)據(jù)描述和表達的重要內(nèi)容，一方面它為GIS數(shù)據(jù)庫的有效建立，空間查詢，空間分析，輔助決策等提供了最基本的關系，另一方面有助于形成標準的SQL空間查詢語言，便于空間特征的存儲，提取，查詢，更新等。

空間數(shù)據(jù)結構：是指空間數(shù)據(jù)適合于計算機存儲、管理、處理的邏輯結構，也就是指空間數(shù)據(jù)以什么形式在計算機中存儲和處理空間數(shù)據(jù)結構分為基于矢量的數(shù)據(jù)結構和基于柵格的數(shù)據(jù)結構兩種基本類型123221232332333233323332四、空間數(shù)據(jù)結構1、矢量數(shù)據(jù)結構：通過記錄空間對象的坐標及其空間關系來表達地理實體的一種數(shù)據(jù)結構。

A.點：記錄點坐標和屬性代碼；B.線：記錄兩個或一系列采樣點的坐標，并加屬性代碼；C.面：記錄邊界上一系列采樣點的坐標，由于多邊形封閉，邊界為閉合環(huán)，加面域?qū)傩源a。

10636423特性數(shù)據(jù)(屬性代碼)位置

點10x,y

線23x1,y1x2,y2…xn,yn串面63x1,y1

x2,y2…xn,yn閉合環(huán)

64x1,y1x2,y2…xn,yn閉合環(huán)10636423一、矢量數(shù)據(jù)結構

2、矢量數(shù)據(jù)獲取方式1）通過外業(yè)測量獲得，利用測量儀器（全站儀、GPS、常規(guī)測量等）記錄測量結果，然后轉(zhuǎn)到地理數(shù)據(jù)庫中2）跟蹤數(shù)字化，用跟蹤數(shù)字化的方式把地圖變成離散的矢量數(shù)據(jù)3）間接獲取柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換空間分析（疊置、緩沖等操作產(chǎn)生的新的矢量數(shù)據(jù)）矢量數(shù)據(jù)自身的存儲和管理幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系空間對象的空間關系（拓撲關系）4、矢量數(shù)據(jù)表達

簡單數(shù)據(jù)結構拓撲數(shù)據(jù)結構

3、矢量數(shù)據(jù)表達需要考慮的內(nèi)容簡單數(shù)據(jù)結構：是指只記錄空間對象的位置坐標和屬性信息，不記錄拓撲關系的一種矢量數(shù)據(jù)結構，又稱面條結構。存儲：獨立存儲：空間對象位置直接跟隨空間對象。點位字典：點坐標獨立存儲，線、面由點號組成。特征：優(yōu)點：數(shù)據(jù)按照點、線或多邊形為單元進行組織，結構簡單、直觀、易實現(xiàn)以實體為單位的運算和顯示。缺點：A.獨立存儲方式造成相鄰多邊形的公共邊界被數(shù)字化并存儲兩次，出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余和碎屑多邊形，導致數(shù)據(jù)不一致；點位字典存儲可保證公共邊的唯一性。

B.自成體系，缺少多邊形的鄰接信息，鄰域處理復雜，需追蹤出公共邊。

C.處理島或洞等嵌套問題較麻煩，需要計算多邊形的包含等。適用范圍：制圖及一般查詢，不適合復雜的空間分析。簡單數(shù)據(jù)結構標識碼屬性碼空間對象編碼唯一連接幾何和屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫獨立編碼點:(x,y)線:(x1

,y1

),(x2,y2

),…,(xn

,yn

)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)點位字典點:點號文件線:點號串面:點號串存儲方法點號XY1112223344………n5566拓撲關系：是一種對空間結構關系進行明確定義的方法，指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關系不變的性質(zhì)。非拓撲屬性(幾何)拓撲屬性(沒發(fā)生變化的屬性)兩點間距離一點指向另一點的方向弧段長度、區(qū)域周長、面積

等

一個點在一條弧段的端點

一條弧是一簡單弧段(自身不相交)

一個點在一個區(qū)域的邊界上一個點在一個區(qū)域的內(nèi)部/外部一個點在一個環(huán)的內(nèi)/外部一個面是一個簡單面;一個面的連通性

建立拓撲關系是對一種空間結構關系進行明確定義的數(shù)學方法。具有某些拓撲關系的矢量數(shù)據(jù)結構就是拓撲數(shù)據(jù)結構，拓撲數(shù)據(jù)結構是GIS的分析和應用功能所必需的。拓撲數(shù)據(jù)結構的表示方式?jīng)]有固定的格式，也還沒有形成標準，但基本原理是相同的。

拓撲變換(橡皮變換)拓撲數(shù)據(jù)結構點：孤立點、線的端點、面的首尾點、鏈的連接點線：兩結點之間的有序弧段，包括鏈、弧段和線段面：若干弧段組成的閉合多邊形起點終點中間點弧段1弧段3弧段2弧段4點:面:弧:拓撲元素最基本拓撲關系拓撲關聯(lián)：指存在于空間圖形中的不同拓撲元素之間的關系。結點與弧段：如結b與弧3,2,5。多邊形與弧段：面C與弧4,5,3。拓撲鄰接：指存在于空間圖形中的相同拓撲元素之間的關系。多邊形之間,結點之間鄰接矩陣,1——鄰結；0——不鄰結其它拓撲關系拓撲包含：指存在于空間圖形中的面與其它元素之間的關系,如面狀實體包含哪些點、線狀實體層次關系：指存在于空間圖形中的相同拓撲元素之間的等級關系，如淮南市各個區(qū)拓撲連通：拓撲元素之間的通達關系，與鄰接性相類似，指對弧段連接的判別，如用于網(wǎng)絡分析中確定路徑、街道是否相通。

ec41325ABC76Dada:結點號A:多邊形號1:弧段號弧段數(shù)字化方向ABCDA--110B1--11C11--0D010--b

拓撲關系的表達——關系表

eb表中數(shù)字前負號為相反方向dc41325ABC76Daa:結點號A:多邊形號1:弧段號弧段數(shù)字化方向弧-面拓撲弧段左面右面1AO2AB3CA4OC5CD6BD7BO結點-弧拓撲結點弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6面-弧拓撲面號弧數(shù)弧號A3-1,-2,3B42,-7,5C3-3,-5,4D16弧-結點拓撲弧段起點終點1ca2bc3ba4da5db6ee7dc空間數(shù)據(jù)的拓撲關系對GIS的數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要意義

A.拓撲關系能清楚地反映實體之間的邏輯結構關系不需要利用坐標或距離就可以確定一個地理實體相對于另一個地理實體的空間位置關系，并且這種拓撲數(shù)據(jù)較之幾何數(shù)據(jù)具有更大的穩(wěn)定性，即它不隨地圖投影而變化

B.有助于空間要素的查詢，利用拓撲關系可以解決許多實際問題如供水管網(wǎng)系統(tǒng)中某段水管破裂找關閉它的閥門，就需要查詢該線(管道)與哪些點(閥門)關聯(lián)。

C.根據(jù)拓撲關系可重建地理實體如根據(jù)弧段構建多邊形，實現(xiàn)面域的選?。桓鶕?jù)弧段與結點的關聯(lián)關系重建道路網(wǎng)絡，進行最佳路徑選擇等。

拓撲關系的意義1、柵格數(shù)據(jù)結構：是指將地表區(qū)域劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個網(wǎng)格作為一個象元或象素由行、列定義，并包含一個代碼表示該象素的屬性類型或量值。也即柵格數(shù)據(jù)結構就是像元陣列，用每個像元的行列號確定位置，用每個像元的值表示實體的類型、等級等屬性。

A.點實體：由單個像元來表達

B.線實體：由在一定方向上連接成串的相鄰像元的集合來表達。

C.面實體：由聚集在一起的相鄰像元的集合來表達。

123221232332333233323332二、柵格數(shù)據(jù)結構2、柵格數(shù)據(jù)獲取的途徑

手工獲取掃描儀掃描由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來遙感影像數(shù)據(jù)格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)

3、柵格代碼(屬性值)的確定

1、中心點法：取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。

2、面積占優(yōu)法：柵格單元屬性值為面積最大者。

3、重要性法：取重要的屬性值為柵格屬性值。

4、長度占優(yōu)法：每個柵格單元的值由該柵格中線段最長的實體的屬性來確定。4、柵格數(shù)據(jù)結構的表示將柵格數(shù)據(jù)看成一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）記錄代碼，可以每行都從左到右記錄，也可以奇數(shù)行從左到右，偶數(shù)行從右到左。記錄柵格數(shù)據(jù)的文件稱為柵格文件，且常在文件頭中存有該柵格數(shù)據(jù)的長和寬(行數(shù)和列數(shù))9999000099900000099077000000770000007777000077770000777700007777行號柵格值199990000299900000309907700400007700500007777600007777700007777800007777特點：最直觀、最基本的柵格存貯結構，沒有進行任何壓縮數(shù)據(jù)處理;

但許多記錄重復記錄同一屬性值,數(shù)據(jù)存在大量冗余,并且當柵格越小,

冗余越嚴重5、柵格數(shù)據(jù)結構的特點用離散的量化柵格值表示空間對象(通常是規(guī)則格網(wǎng))位置隱含，屬性明顯數(shù)據(jù)結構簡單，易與遙感數(shù)據(jù)結合，但數(shù)據(jù)量大存在幾何和屬性偏差面向位置的數(shù)據(jù)結構，難以建立空間對象之間的關系比例尺大小為柵格(像元)的大小與地表相應單元的大小之比。像元較大時，對地物的面積、長度等的量測有較大影響abc345abc面積:7(6)幾何偏差屬性偏差6、矢量和柵格數(shù)據(jù)結構的比較

優(yōu)點缺點矢量便于面向現(xiàn)象(土壤類型等)的數(shù)據(jù)表示，不僅能表達屬性，而且能方便的記錄每個目標的具體屬性信息數(shù)據(jù)結構緊湊，冗余度低有利于網(wǎng)絡、檢索分析圖形顯示質(zhì)量好，位置精度高能完整地描述空間關系

數(shù)據(jù)結構復雜

多邊形疊置分析及模擬比較困難

不能做增強處理

軟硬件技術要求高柵格數(shù)據(jù)結構簡單，易數(shù)據(jù)交換空間分析和地理現(xiàn)象模擬比較容易有利于與RS數(shù)據(jù)的匹配應用和分析輸出方法快速，成本比較低廉

現(xiàn)象識別效果不如矢量方法

圖形數(shù)據(jù)量大

投影轉(zhuǎn)換困難

圖形質(zhì)量低7、數(shù)據(jù)結構選擇的一般原則

要素還是位置可獲取的數(shù)據(jù)定位要素的必要精度需要什么類型的要素需要什么類型的拓撲關系所需空間分析類型生產(chǎn)地圖類型柵格結構：大范圍小比例尺的自然資源、環(huán)境、農(nóng)林業(yè)等區(qū)域問題的研究矢量結構：城市分區(qū)或詳細規(guī)劃、土地管理、公用事業(yè)管理等方面的應用矢柵一體化:將矢量面向目標的方法和柵格象元充填的方法結合起來，采用填滿線狀目標路徑和充填面狀目標空間的方法作為一體化數(shù)據(jù)結構的基礎，每個線狀目標除了記錄原始采樣點外，還記錄路徑所通過的柵格；每個面狀地物除記錄它的多邊形周邊以外，還包括中間的面域柵格.點、線、面狀地物均采用面向目標的描述方法，因此它保持了矢量的特性，而象元空間充填表達建立了位置與地物的聯(lián)系，使之具有柵格的性質(zhì)。從原理上說，這是一種以矢量的方式來組織柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構。三、矢數(shù)柵格一體化數(shù)據(jù)結構三個約定和細分格網(wǎng)法1.三個約定a.點狀地物僅有空間位置，沒有形狀和面積，在計算機內(nèi)部僅有一個位置數(shù)據(jù)。b.線狀地物有形狀但沒有面積，在計算機內(nèi)部需要用一組象元填滿整個路徑。c.面狀地物具有形狀和面積，在平面上的投影是由邊界包圍的空間和一組填滿路徑的象元表達的邊界組成。

一體化數(shù)據(jù)結構是基于柵格的，表達目標的精度受柵格尺寸的限制，可利用細分格網(wǎng)法提高數(shù)據(jù)的表達精度2.細分格網(wǎng)法為提高柵格表示精度，采用細分格網(wǎng)法：將一對X，Y坐標用兩個Morton碼代替：M1表示該點所在基本格網(wǎng)的地址碼；M2表示該點對應的細分格網(wǎng)的Morton碼。這種方法可將柵格數(shù)據(jù)的表達精度提高16倍或256倍

線性四叉樹(Morton)是基本數(shù)據(jù)格式，三個約定是設計點、線、面數(shù)據(jù)結構的基本依據(jù)，細分格網(wǎng)法保證足夠精度。1）、點狀地物和結點的數(shù)據(jù)結構根據(jù)基本約定，不必將點狀地物作為一個覆蓋層分解為四叉樹，只要將點的坐標轉(zhuǎn)化為地址碼M1和M2,而不管整個構形是否為四叉樹。該結構簡單靈活，便于點的插入和刪除，能處理一個柵格內(nèi)包含多個點狀目標的情況。所有的點狀地物以及弧段之間的結點數(shù)據(jù)用一個文件表示，其結構見表。

點標識號M1M2屬性……………………10025434084432100261057725463……………………這種結構幾乎與矢量結構完全一致。3.矢柵一體化數(shù)據(jù)結構設計這種數(shù)據(jù)結構比單純的矢量結構增加了一定的存儲量，但它解決了線狀地物的四叉樹表達問題，使它與點狀、面狀地物一起建立統(tǒng)一的基于線性四叉樹編碼的數(shù)據(jù)結構體系。這對于點狀地物與線狀地物相交，線狀地物之間的相交，以及線狀地物與面狀地物相交的查詢問題變得相當簡便和快速。弧段的數(shù)據(jù)結構：弧標識號起結點終結點中間點串（M1，M2，Z）……………………20078100251002658，7749，435，92，4377，439，…20079100261003290，432，502，112，4412，496，………………………線狀地物的數(shù)據(jù)結構：線標識號弧段標識號…………3003120078，200793003220092，20098，20099…………

2)、線狀地物數(shù)據(jù)結構

根據(jù)對面狀地物的約定，一個面狀地物應記錄邊界和邊界所包圍的整個面域。其中邊界由弧段組成，它同樣引用弧段表中的信息，面域信息則由線性四叉樹或二維行程編碼表示。

00044444004444440000444400004484000888880088888800888888000888880145161720212367181922238912132425282910111415262730313233363748495253343538395051545540414445565760614243464758596263二維行程編碼二維行程M碼屬性值0054801643083143203784004484604783)、面狀地物數(shù)據(jù)結構為了建立面向地物的數(shù)據(jù)結構，做這樣的修改：二維行程編碼中的屬性值可以是葉結點的屬性值，也可以是指向該地物的下一個子塊的循環(huán)指針。即用循環(huán)指針將同屬于一個目標的葉結點鏈接起來，形成面向地物的結構00044444004444440000444400004484000888880088888800888888000888880145161720212367181922238912132425282910111415262730313233363748495253343538395051545540414445565760614243464758596263帶指針的二維行程編碼二維行程M碼循環(huán)指針屬性值0851683216313037314(屬性值)3240374440464447460(屬性值)478(屬性值)即用循環(huán)指針將同屬于一個目標的葉結點鏈接起來，形成面向地物的結構。

0004444400444444000044440000448400088888008888880088888800088888

048帶指針的二維行程編碼二維行程M碼循環(huán)指針屬性值0851683216313037314(屬性值)3240374440464447460(屬性值)478(屬性值)由幾個或幾種點、線、面狀簡單地物組成的地物稱為復雜地物例如將一條公路上的中心線、交通燈、立交橋等組合為一個復雜地物，用一個標識號表示。復雜地物的數(shù)據(jù)結構復雜地物標識號簡單地物表識號…………5000810025，30005，300255000930006，30007，40032…………4、復雜地物數(shù)據(jù)結構§2-2GIS數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)管理大體經(jīng)歷了三個階段：人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數(shù)據(jù)庫階段。數(shù)據(jù)庫：為了一定的目的，在計算機系統(tǒng)中以特定的結構組織、存儲和應用的相關聯(lián)的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫有數(shù)據(jù)集、物理存儲介質(zhì)和數(shù)據(jù)庫軟件三個基本部分組成。數(shù)據(jù)庫的主要特征：1）數(shù)據(jù)集中控制2）數(shù)據(jù)獨立3）數(shù)據(jù)共享4）減少數(shù)據(jù)冗余5）數(shù)據(jù)結構化6）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)保護功能數(shù)據(jù)庫的主要特征數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結構一般分為三個層次：概念模式、外模式和內(nèi)模式。概念模式（模式）：是數(shù)據(jù)庫的總框架，是對數(shù)據(jù)庫中關于目標存儲的邏輯結構和特性、基本操作和目標—目標及目標—操作的關系和依賴性的描述，以及對數(shù)據(jù)的安全性、完整性等方面的定義。外模式（子模式）：是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖。它屬于概念模式的一部分，描述用戶數(shù)據(jù)的結構、類型、長度等。內(nèi)模式（存儲模式）：是對數(shù)據(jù)庫在物理存儲器上具體實現(xiàn)的描述。它規(guī)定數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上的物理組織方式、記錄尋址技術，定義物理存儲塊的大小、溢出處理方法等。數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是對數(shù)據(jù)的邏輯組織形式的描述，是對現(xiàn)實世界部分現(xiàn)象的抽象，是描述數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的工具。

數(shù)據(jù)庫設計的核心問題之一就是設計一個好的數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型的三要素：數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)的約束條件。數(shù)據(jù)模型中常用的一些概念實體:指現(xiàn)實世界中客觀存在的，并可相互區(qū)別的事物。屬性：實體所具有的某一特性。碼：唯一標識實體的屬性集。域：屬性的取值范圍。實體型：相同屬性的實體具有共同的特征和性質(zhì)，用實體名和屬性名集合表示。實體集：同型實體的集合。聯(lián)系：一是實體內(nèi)部的聯(lián)系；二時實體型之間的聯(lián)系（1:1,1：n，m：n）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）是處理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存取和各種管理控制的軟件。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，應用程序?qū)?shù)據(jù)庫的操作全部通過DBMS來進行。

DBMS通常具有以下功能:（1）數(shù)據(jù)庫定義功能。（2）數(shù)據(jù)庫管理功能。（3）數(shù)據(jù)庫維護功能。（4）通訊功能。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型層次網(wǎng)狀關系用樹型結構來表示實體間聯(lián)系的模型，它將數(shù)據(jù)組織成1對多關系的結構用網(wǎng)結構來表示實體及其聯(lián)系的模型，在模型中，各記錄類型間可具有任意個連接關系：一個子節(jié)點可有多個父節(jié)點；可以有一個以上節(jié)點無父節(jié)點。它將數(shù)據(jù)組織成1對多、多對1和多對多的關系用二維表表示實體及其聯(lián)系。二維表中的每一列對應實體的一個屬性，并給出相應的屬性值，每一行由多個屬性組成與一個特定的實體相對應。1）層次模型表示

層次模型反映了實體之間的層次關系，簡單、直觀，易于理解，優(yōu)點是層次和關系清楚，檢索路線明確。用于GIS地理數(shù)據(jù)庫存在的主要問題是：1）不能表示多對多的關系，很難描述復雜的地理實體之間的聯(lián)系，描述多對多的關系時導致物理存儲上的冗余；2）對任何對象的查詢都必須從層次結構的根結點開始，低層次對象的查詢效率很低，很難進行反向查詢；3）數(shù)據(jù)獨立性較差，數(shù)據(jù)更新涉及許多指針，插入和刪除操作比較復雜，父結點的刪除意味著其下層所有子結點均被刪除。ⅠⅡabcdef12354MMⅠⅡabcdcef122334413435542）網(wǎng)狀模型表示網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見的多對多關系，支持數(shù)據(jù)重構，特別適用于數(shù)據(jù)間相互關系非常復雜的情況，具有一定的數(shù)據(jù)獨立和數(shù)據(jù)共享特性，且運行效率較高。用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的主要問題如下：1）由于網(wǎng)狀結構的復雜性，增加了用戶查詢的定位困難，要求用戶熟悉數(shù)據(jù)的邏輯結構，知道自己所處的位置；2）指針的存在使數(shù)據(jù)量大大增加，尤其是當數(shù)據(jù)間關系復雜時；3）修改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，指針也必須隨著變換。ⅠⅡabcdef12354MMⅠⅡabcdef123453）關系模型表示多邊形編號產(chǎn)權人面積地物特征Ⅰ張三125.2林地Ⅱ李四43.5麥地

關系數(shù)據(jù)庫結構最大的優(yōu)點就是結構特別靈活，可滿足所有用布爾邏輯運算和數(shù)學運算規(guī)則形成的詢問要求；關系數(shù)據(jù)還能搜索、組合和比較不同類型的數(shù)據(jù)，加入和刪除數(shù)據(jù)都非常方便。ⅠⅡabcdef12354M多邊形關系表邊界關系表多邊形編號邊號邊長Ⅰa30Ⅰb22Ⅰc16Ⅰd25Ⅱc16Ⅱe14Ⅱc17邊界－結點關系表結點坐標表邊號結點a1，2b2，3c2，4結點坐標1x1，y12x2，y23x3，y3對屬性數(shù)據(jù)用通用RDBMS可以很好管理，但對于空間數(shù)據(jù)一般DBMS卻有局限，表現(xiàn)為：1）空間數(shù)據(jù)通常是變長的，而一般RDBMS只允許記錄的長度設定為固定長度，此外，通用DBMS難于存儲和維護空間數(shù)據(jù)的拓撲關系。

2）一般RDBMS都難以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的關聯(lián)、連通、包含、疊加等基本操作。

3）一般DBMS不能支持GIS需要的一些復雜圖形功能。

4）一般RDBMS難以支持復雜的地理信息，因為單個地理實體的表達需要多個文件、多條記錄，包括大地網(wǎng)、特征坐標、拓撲關系、屬性數(shù)據(jù)和非空間專題屬性等方面信息。5）GIS管理的是具有高度內(nèi)部聯(lián)系的數(shù)據(jù)，為了保證地理數(shù)據(jù)庫的完整性，需要復雜的安全維護系統(tǒng)，而這些完整性約束條件必須與空間數(shù)據(jù)一起存儲，由地理數(shù)據(jù)庫來維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。否則，一條記錄的改變會導致錯誤、相互矛盾的數(shù)據(jù)存在，而一般RDBMS難以實現(xiàn)這一功能。面向?qū)ο竽Ｐ?/p>

（一）基本概念

1、對象：含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊，可以認為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。如一個城市、一棵樹均可作為地理對象?！ぞ哂幸粋€唯一的標識，以表明其存在的獨立性；·具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)；

·具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)。對象的劃分：根據(jù)對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質(zhì)相聯(lián)系，不同的目的就會有不同劃分。劃分原則：找共同點，所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對象。2、類：

共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構成類。如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。3、實例被抽象的對象，類的一個具體對象，稱為實例，如長江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下層關系。4、消息對對象之間的請求和協(xié)作。5、方法對對象的所有操作，如對對象的數(shù)據(jù)進行操作的函數(shù)、指令、例程等。類實例1實例2（二）面向?qū)ο蟮奶匦?、抽象：是對現(xiàn)實世界的簡明表示。形成對象的關鍵是抽象，對象是抽象思維的結果。2、封裝：一般講，包起來，將方法與數(shù)據(jù)放于一對象中，以使對數(shù)據(jù)的操作只可通過該對象本身的方法來進行。在這，指把對象的狀態(tài)及其操作集成化，使之不受外界影響。3、多態(tài)：是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。同一消息，對不同對象，功能不同。現(xiàn)實世界抽象對象1對象n對象2（三）四種核心技術1、分類分類是把一組具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的過程。如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、文化區(qū)等若干個類。2、概括將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次、更具一般性的超類的過程。子類是超類的一個特例。一個類可能是超類的子類，也可是幾個子類的超類。所以，概括可能有任意多層次。概括技術避免了說明和存儲上的大量冗余。這需要一種能自動地從超類的屬性和操作中獲取子類對象的屬性和操作的機制，即繼承機制。3、聚集聚集是把幾個不同性質(zhì)類的對象組合成一個更高級的復合對象的過程。4、聯(lián)合相似對象抽象組合為集合對象。其操作是成員對象的操作集合。

（四）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的核心工具

1、繼承一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅可以把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。

它服務于概括。繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。2、傳播傳播與繼承是一對。復雜對象的某些屬性值不單獨存于數(shù)據(jù)庫中，而由子對象派生或提取，將子（成員）對象的屬性信息強制地傳播給綜合復雜對象。成員對象的屬性只存儲一次，保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如武漢市總人口，由存儲在各成員對象中的各區(qū)人口總和。3、繼承與傳播（區(qū)別）1）繼承服務于概括，傳播作用于聯(lián)合和聚集；2）繼承是從上層到下層，應用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對象；3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；4）繼承是一種信息隱含機制，只要說明子類與父類的關系，則父類的特征一般能自動傳給它的子類，而傳播是一種強制性工具，需要在復合對象中顯式定義它的每個成員對象，并說明它需要傳播哪些屬性值。（五）GIS中面向?qū)ο竽Ｐ?）面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)模型

從幾何方面劃分，GIS的各種地物對象為點、線、面狀地物以及由它們混合組成的復雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構成?？臻g地物復雜地物簡單地物面域弧段節(jié)點面狀地物線狀地物點狀地物

一個面狀地物是由邊界弧段和中間面域組成，弧段又涉及到節(jié)點和中間點坐標?；蛘哒f，節(jié)點的坐標傳播給弧段，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物聚集或聯(lián)合組成復雜地物。2）拓撲關系與面向?qū)ο竽Ｐ?/p>

將每條弧段的兩個端點（通過它們與另外的弧段公用）抽象出來，建立單獨的節(jié)點對象類型，而在弧段的數(shù)據(jù)文件中，設立兩個節(jié)點子對象標識號，即用“傳播”的工具提取節(jié)點文件的信息。面標識弧段標識……弧段標識起節(jié)點終節(jié)點中間點串…………節(jié)點標識XYZ…………面域文件弧段文件節(jié)點文件這一模型既解決了數(shù)據(jù)共享問題，又建立了弧段與節(jié)點的拓撲關系。同樣，面狀地物對弧段的聚集方式與數(shù)據(jù)共享和幾何拓撲關系的建立也達到一致。§2-3空間數(shù)據(jù)庫的設計

空間數(shù)據(jù)庫的設計是指在現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎上建立空間數(shù)據(jù)庫的整個過程。主要包括需求分析、結構設計和數(shù)據(jù)層設計三部分。現(xiàn)實世界地理實體數(shù)據(jù)層設計結構設計需求分析一、需求分析需求分析是整個空間數(shù)據(jù)庫設計與建立的基礎，主要進行以下工作：1、調(diào)查用戶需求：了解用戶特點和要求，取得設計者與用戶對需求的一致看法。2、需求數(shù)據(jù)的收集和分析：包括信息需求(信息內(nèi)容、特征、需要存儲的數(shù)據(jù))、信息加工處理要求(如響應時間)、完整性與安全性要求等。3、編制用戶需求說明書：包括需求分析的目標、任務、具體需求說明、系統(tǒng)功能與性能、運行環(huán)境等，是需求分析的最終成果。

二、結構設計

指空間數(shù)據(jù)結構設計，結果是得到一個合理的空間數(shù)據(jù)模型，是空間數(shù)據(jù)庫設計的關鍵。主要任務包括概念設計和邏輯設計兩個方面?？臻g數(shù)據(jù)庫設計的實質(zhì)是將地理空間實體以一定的組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達的過程，也就是地理信息系統(tǒng)中空間實體的模型化問題。1、概念模型是通過對錯綜復雜的現(xiàn)實世界的認識與抽象，最終形成空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應用系統(tǒng)所需的模型。表示概念模型最有力的工具是E—R模型，即實體—聯(lián)系模型，包括實體、聯(lián)系和屬性三個基本成分。用它來描述現(xiàn)實地理世界，不必考慮信息的存儲結構、存取路徑及存取效率等與計算機有關的問題，比一般的數(shù)據(jù)模型更接近于現(xiàn)實地理世界，具有直觀、自然、語義較豐富等特點，在地理數(shù)據(jù)庫設計中得到了廣泛應用。市區(qū)要素空間實體空間實體屬性空間實體關系邊線走向街道路面質(zhì)量所屬路段所屬街道組成長度等m1模型E_R2、邏輯模型

邏輯模型的設計是將概念模型結構轉(zhuǎn)換為具體DBMS可處理的地理數(shù)據(jù)庫的邏輯結構(或外模式)，包括確定數(shù)據(jù)項、記錄及記錄間的聯(lián)系、安全性、完整性和一致性約束等。

從E—R模型向關系模型轉(zhuǎn)換的主要過程為：①確定各實體的主關鍵字；②確定并寫出實體內(nèi)部屬性之間的數(shù)據(jù)關系表達式（函數(shù)依賴關系），即某一數(shù)據(jù)項決定另外的數(shù)據(jù)項；③把經(jīng)過消冗處理（規(guī)范化處理）的數(shù)據(jù)關系表達式中的實體作為相應的主關鍵字；④根據(jù)②、③形成新的關系；⑤完成轉(zhuǎn)換后，進行分析、評價和優(yōu)化。

（三）物理設計主要內(nèi)容包括確定記錄存儲格式，選擇文件存儲結構，決定存取路徑，分配存儲空間。物理設計的好壞將對地理數(shù)據(jù)庫的性能影響很大，一個好的物理存儲結構必須滿足兩個條件：一是地理數(shù)據(jù)占有較小的存儲空間；二是對數(shù)據(jù)庫的操作具有盡可能高的處理速度。在完成物理設計后，要進行性能分析和測試。

是指有效地將空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結構在物理存儲器上實現(xiàn)，確定數(shù)據(jù)在介質(zhì)上的物理存儲結構，其結果是導出地理數(shù)據(jù)庫的存儲模式(內(nèi)模式)。物理設計在很大程度上與選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有關。設計中應根據(jù)需要，選用系統(tǒng)所提供的功能。（四）數(shù)據(jù)層設計GIS的數(shù)據(jù)可以按照空間數(shù)據(jù)的邏輯關系或?qū)I(yè)屬性分為各種邏輯數(shù)據(jù)層或?qū)I(yè)數(shù)據(jù)層，原理上類似于圖片的疊置。例如，地形圖數(shù)據(jù)可分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民地等諸層分別存貯。將各層疊加起來就合成了地形圖的數(shù)據(jù)。在進行空間分析、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示時，往往只需要若干相應圖層的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層的設計一般是按照數(shù)據(jù)的專業(yè)內(nèi)容和類型進行的。數(shù)據(jù)的專業(yè)內(nèi)容的類型通常是數(shù)據(jù)分層的主要依據(jù)，同時也要考慮數(shù)據(jù)之間的關系。如需考慮兩類物體共享邊界(道路與行政邊界重合、河流與地塊邊界的重合)等，這些數(shù)據(jù)間的關系在數(shù)據(jù)分層設計時應體現(xiàn)出來。不同類型的數(shù)據(jù)由于其應用功能相同，在分析和應用時往往會同時用到，因此在設計時應反映出這樣的需求，即可將這些數(shù)據(jù)作為一層。（如道路、加油站、停車場—交通層）。最后得出各層數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，各層數(shù)據(jù)的屬性內(nèi)容和屬性表之間的關系等?？臻g數(shù)據(jù)庫的建立與維護1、建立空間數(shù)據(jù)庫結構利用DBMS提供的數(shù)據(jù)描述語言描述邏輯設計和物理設計的結果，得到概念模式和外模式，編寫功能軟件，經(jīng)編譯、運行后形成目標模