矢量和栅格数据模型介绍

Shapefile、Coverage、Geodatabase矢量数据模型简介李攀内容•三种数据模型的发展史•Shapefile数据模型•Coverage数据模型•Geodatabase数据模型•三种数据模型之间的转化在过去20年中，矢量数据模型是GIS中变化最大的方面。例如，ESRI公司所开发每种新软件包都对应一种新的矢量数据模型，ArcView对应Shapefile；Arc/Info对应Coverage；ArcGIS对应Geodatabase。由于1990年代地理信息的迅速发展以及ArcViewGIS3.x软件在世界范围内的推广，shapefile格式的数据使用非常广泛，数据来源也较多。Coverage数据模型源于1981年ESRI公司推出的第一个商业GIS软件——ArcInfo。此模型比Shapefile数据模型有了较大的改进。发展史随着IT技术的发展，普通的事务型数据的管理模式，早已从传统的基于文件的管理转向利用基于工业标准建立的关系型数据库进行管理，这种基于数据库的管理方式的优点是不言而喻的。那么带有空间信息的地理数据是否也可以利用这种非常成熟的数据库技术进行管理呢？于是ESRI推出了Geodatabase数据模型，利用数据库技术高效安全地管理我们的地理数据。发展史Shapefile数据模型-非拓扑•Shapfile图形文件是ESRI(EnvironmentalSystemsResearchInstitute)公司提供的一种矢量数据格式，Shapefile图形文件存储了空间地理要素的非拓扑几何信息以及属性信息，其中几何信息由一系列矢量坐标组成。•Shapefile可以支持点，线，面等图形要素的存储。Shapefile数据模型简介Shapefile数据模型简介•由于Shapefile没有拓扑数据结构，因此在绘制速度和可编辑功能上明显的优于其它数据格式，而且该数据数据格式一般只需要较少的硬盘空间，且更容易读写处理。•一个shapefile是由若干个文件组成的，空间信息和属性信息分离存储，所以称之为“基本文件”。其中必要的基本文件包括主文件(.shp)、索引文件(.shx)和属性文件(.dbf)3个文件。•shp存储几何要素的空间信息，即XY坐标，是一个直接存取，变量记录长度文件，其中每个记录描述一个由一系列坐标点组成的图形。•shx存储了有关.shp存储的索引信息，即shp中空间数据的存储方式，主要包含坐标文件的索引信息，文件中每个记录包含对应的坐标文件记录距离坐标文件的文件头的偏移量。通过索引文件可以很方便地在坐标文件中定位到指定目标的坐标信息。（XY坐标的输入点在哪里，有多少XY坐标对等信息）•dbf存储地理数据的属性信息的dBase表，表中每条记录包含了一个单要素的信息。•prj存储了文件的空间参考信息，如坐标系统等。•shp.xml这是对shapefile进行元数据浏览后生成的xml元数据文件。•sbn和sbx存储对shapefile的空间索引，加速空间数据的读取。Shapefile数据Shapefile主文件实体信息的内容(1)点目标(2)线目标(3)面目标•几种常见的shapefile文件当使用ArcCatalog对shapefile进行创建、移动、删除或重命名等操作，或使用ArcMap对shapefile进行编辑时，ArcCatalog将自动维护数据的完整性，将所有文件同步改变。所以需要使用ArcCatalog管理shapefile。Shapefile文件管理Coverage数据模型-拓扑•Coverage数据模型是第二代地理数据模型，也被称为地理相关模型（GeorelationalDataModel）。它采用的是一种混合数据模型定义和管理地理数据。Coverage也是ArcGIS中主要的矢量文件格式之一，用其来表示矢量数据在实际应用中非常广泛。•Coverage是ArcInfoworkstation的原生数据格式。之所以称之为“基于文件夹的存储”，是因为在windows资源管理器下，它的空间信息和属性信息是分别存放在两个文件夹里，所有信息都以文件夹的形式来存储。•空间信息以二进制文件的形式存储在独立的文件夹中，文件夹名称即为该coverage名称，属性信息和拓扑数据则以INFO表的形式存储。Coverage将空间信息与属性信息结合起来，并存储要素间的拓扑关系。Coverage数据模型简介Coverage数据Coverage有三种主要的拓扑关系是连通性、面状地物定义和邻接性。它包含主要的结构和次要的要素类型，Coverage要素的主要类型是点、弧、多边形和节点，具有拓扑关联。次要类型是控制点、连接和注释。Coverage数据模型的优势•空间数据与属性数据关联。空间数据放在建立了索引的二进制文件中，属性数据则放在DBMS表（TABLES）里面，二者以公共的标识编码关联。•矢量数据间的拓扑关系得以保存。由此拓扑关系信息，我们可以得知多边形是哪些弧段（线）组成、弧段（线）由哪些点组成、两条弧段（线）是否相连以及一条弧段（线）的左或右多边形是谁？Coverage数据模型的特点除结点外,每个空间对象都是由更基本的对象组成;只有结点的坐标是被实际存储的,其它复杂对象的坐标实际上是逻辑构成的,任一复杂对象能分解为一组结点及其拓扑关系的定义;点、弧段、多边形坐标信息存储具有依赖关系。该模型的主要优点是：数据结构紧凑、拓扑关系明晰、系统中预先存储的拓扑关系可以有效地提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率。缺点：对单个地理实体的操作效率不高;难以表达复杂的地理实体;难以实现快速查询和复杂的空间分析;局部更新困难,系统难以维护与扩充。Coverage文件管理通过ArcCatalog，我们能将存储空间信息的文件夹中的coverage二进制文件与存储属性信息的INFO文件夹中的INFO表联合表达为coverage，当使用ArcCatalog对coverage进行创建、移动、删除或重命名等操作时，ArcCatalog将自动维护他们的完整性，将coverage和INFO文件夹中的内容同步改变。所以对coverage进行操作，一定要在ArcCatalog中进行。Geodatabase数据模型-面向对象Geodatabase数据模型简介•ArcGIS推出新的面向对象的数据模型Geodatabase是将空间对象的属性和行为结合起来的智能化地理数据模型。GIS数据集中的属性可以被赋予自然行为，属性间的任何类型的关系都可以在Geodatabase中定义。•地理数据库(Geodatabase)是为了更好的管理和使用地理要素数据而按照一定的模型和规则组合起来的存储空间数据和属性数据的容器。地理数据库是按照层次性的数据对象来组织地理数据的，这些数据对象包括对象类(Objectclasses)，要素类(Featureclasses)和要素数据集(featuredataset)。在该模型中，实体表示为具有属性、行为和关系的对象;支持内建于系统中的各种不同的地理对象类型。这些对象类型包括简单对象、地理要素、网络要素、注记要素以及其他更专业的要素类型。该模型还允许用户定义对象间的关系，并通过规则来维护对象间的参照和拓扑完整性。Geodatabase的分类•Geodatabase可以分为三种，一种是基于MicrosoftAccess的personalgeodatabase，另一种是filegeodatabase,最后一种是基于Oracle、SQLServer、Informix或者DB2的enterprisegeodatabase，由于它需要中间件ArcSDE进行连接，所以enterprisegeodatabase又称为ArcSDEgeodatabase。PersonalAccessFileArcGISDesktopCapacityArcGISServerFilePersonal-AccessNumberofusersEnterpriseWorkgroupEnterprisePersonalGeodatabase的分类PersonalGDBFileGDBArcSDEGDB(3级)存储格式MSAccess二进制文件的文件夹关系型数据库存储容量2GB没有限制(1TB/表)依赖于服务器支持操作系统平台Windows跨平台(Windows,Linux,andSolaris)Windows,Linux,andSolarisPlus用户数单个编辑用户多个读用户单个编辑用户多个读用户多个读、写用户版本支持无（仅支持检入/检出方式的复制）无（仅支持检入/检出方式的复制）版本、复制、归档Geodatabase数据以personalgeodatabase为例Objects和ObjectClasses•Objects属性和行为的结合体。•一个object是objectclass的一个实例。•objectclass里的所有object对象拥有相同的属性和行为。•一个object可以通过relationships和另一个object对象关联。•建立在关系模型上•一个feature是一个空间对象•一个feature是一个featureclass的实例•使用下列字段类型扩展关系模型–几何属性类型Features和FeatureClasses字段类型•geodatabase支持八种字段类型2-25关系类•对源类和目标类之间进行连接–通过关键字段建立关联•提供了:–读/写通路–内容参考–关系规则–支持版本源目标Geodatabase数据对象Geodatabase拓扑关系处理的优势•一直以来,基于Coverage数据模型的拓扑关系处理是Arc/Info“标签式”的著名功能,ArcGIS8.3版在Geodatabase中引入了全新的拓扑关系管理机制,新的机制除了能够完全覆盖原有的功能以外,在如下几个方面具有明显的优势:1)用户可自行定义哪些要素类将受拓扑关系规则约束。2)多个点、线、面要素类(层)可以同时受同一组拓扑关系规则约束。3)提供了大量的拓扑关系规则(ArcGIS9.0版提供27个,以后将提供更多)。4)用户为自己的数据可以自行指定必要的拓扑关系规则。5)拓扑关系及规则在工业标准的DBMS中进行管理,可支持多用户并发处理。6)用户可以局部建立或检查拓扑关系以提高效率。Geodatabase数据模型的优点(1)关系型数据库功能强大，性能稳定，具有完备的工业标准，可以将GIS看成是数据库技术的扩展，能够存储、管理和更新空间信息。(2)统一的地理数据存储。所有地理数据均可集中存储和管理，并独立于关系型数据库的底层。(3)Geodatabase允许多用户通过使用版本管理和长事务处理访问数据库。多个用户可以读写同一个、共享的数据库。(4)数据对象更加直观。包含与用户数据模型相应的数据对象，而不是普通的点、线、面。(5)支持智能化的要素、规则和关系。空间数据库数据模型支持对象(数据库表中的行)和要素(有几何形状的对象)集合。空间数据库还支持高级功能，例如几何和逻辑网络，真实曲线，复杂多边形和用户定义要素。矢量数据现在可以有2维，3维或4维(x，y，z，m)。用户能定义拓扑、关系和规则。所有这些都可以用菜单驱动的GUI做到，无需编程。三种数据模型之间的转化•Shapefile转换为Coverage有2种常用方法，一是采用Arctoolbox中ShapefileToCoverage工具实现;二是直在Arccatalog中，选中文件右键级联菜单中ExporttoCoverage功能完成。也可以采用Arcworkstation中的Shapearc命令，但是该方法的缺点是只能将文件转换为线图层。•通过实验发现以上方法只适用于数据量较小的文件，数据量较大时可以采用中间数据格式Geodatabase，即利用ArcGIS工具箱Arctoolbox中的ShapefileToGeodatabase工具，首先将文件从Shapefile格式转换为Geodatabase格式，然后在Arccatalog中，实现Geo