空间数据模型与数据结构

地理信息系统原理北京师范大学资源学院岳建伟手机:[phone]办公电话:[phone]电子邮箱:[e-mail]2•地理信息系统概念•地理信息系统组成•地理信息系统功能•常用的GIS软件课堂回顾34教学要求地理数据是地理信息系统的基础，对不同的地理数据类型有一个比较清晰、明确认识。教学重点掌握矢量、栅格和面向对象的数据结构，主要包括常规矢量模型、拓扑和TIN，栅格数据模型。教学目标5我们生活的世界6我们生活的世界7我们生活的世界8我们生活的世界910主要内容一、数据模型（地理空间的认知与表达）二、GIS数据结构–矢量数据结构–栅格数据结构三、ArcGIS数据模型1112我们生活的世界矢量结构、栅格结构抽象1314815P1P2P3P4P5P6P7P9P8816P1P2P3P4P5P6P7P9P8a1a2a3a4a5a6a7a9a10a11a8a12a13a15a16a17a18a14a19a20a21a22a23a24817P1P2P3P4P5P6P7P9P8a1a2a3a4a5a6a7a9a10a11a8a12a13a15a16a17a18a14a19a20a21a22a23a24N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13模型：是对现实世界的简化表达。数据模型：是一个描述数据、数据联系、数据语义以及一致性约束的概念工具的集合一、数据模型（一）概念（二）数据模型的层次现实世界到信息世界的过程：客观世界数据模型计算机管理的数据信息世界抽象数据模型的抽象分为三个层次：概念结构计算机上存储概念数据模型逻辑数据模型物理数据模型空间数据模型是GIS抽象的中间层，即GIS的逻辑数据模型空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，建立在对地理空间的充分认识与完整抽象的地理空间认知模型（概念模型）的基础上，并用计算机能够识别和处理的形式化语言来定义和描述现实世界地理实体、地理现象及其相互关系，是现实世界到计算机世界的直接映射。（三）空间数据模型空间数据模型是GIS的基础，要将现实世界抽象到GIS，也需要三个层次：空间概念数据模型空间逻辑数据模型空间物理数据模型（四）数据模型的类型•基于记录的数据模型：是把数据库定义为多种固定格式的记录型，每个记录型由固定数量的域或属性构成，每个域或属性具有固定的长度。包括：层次模型、网络模型、关系模型•基于对象的数据模型：用于在概念和视图抽象级别上的数据描述，具有相当灵活的结构和较强的表达能力，允许明确地定义完整性约束。包括：实体—联系模型、语义数据模型、函数数据模型、面向对象的数据模型（五）三种基于记录的传统数据模型层次模型是数据处理中发展较早、技术上也比较成熟的一种数据结构。层次模型是将数据组织成有序、有向的树结构，由处于不同层次的各个结点组成，除根结点外，其余各结点有且仅有一个上一层结点作为其“双亲”，而位于其下的较低一层的若干个结点作为其“子女”。结构中结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系（一对多的关系）。1、层次模型•层次模型（树状结构）•优点：层次分明、组织有序；•缺点：数据独立性较差，难以表达多对多的关系，导致数据冗余。2、网络模型•网络模型是数据模型的另一种重要结构，它反映了现实世界中实体间更为复杂的联系，它的结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与多个结点建立联系。•网络模型用连接指令或指针来确定数据间的连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式，它将数据组织成有向图结构，结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。网状模型•优点：能描述多对多关系；•缺点：结构复杂，限制了它在空间数据表达中的应用。3、关系模型关系模型的理论基础是关系理论，它通过关系运算操作数据。从用户角度看，关系模型的逻辑结构是一张二维表，由行、列组成，每一行为一个元组，每一列为一个属性，也就是说，关系模型是用二维表结构来表示实体和实体之间联系的模型。关系模型多边形和弧段的关系多边形号弧段号P1a1a2a3P2a2a5a7P3a3a6a4P4a6a7a8弧段和结点的关系弧段号起点终点a1N1N2a2N3N2a3N1N3a4N4N1a5N2N5a6N4N3a7N3N5a8N5N4结点坐标结点号坐标N1x1，y1N2x2，y2N3x3，y3N4x4，y4N5x5，y5•优点：结构简单灵活，易查询，维护方便。•缺点：不适合表示非结构化数据，难以表达目标，尤其是复杂目标，效率较低。二、空间数据模型•基于对象（要素）的数据模型•基于场（域）的数据模型（一）空间数据模型分为两类：1、对象模型•基于对象的模型：是把空间存在的信息作为连续的、可被观测的、具有地理参照的实体来处理，强调对象的个体现象，以独立的方式或以与其他现象之间的关系的方式来处理。•空间对象必须符合三个条件：可被识别、重要或必要、可被描述。•可描述对象的特征有：静态属性、行为特征、结构特征。•基于对象的模型把信息空间看作是许多对象的集合，而这些对象又具有自己的属性。•基于对象的模型中的实体可采用多种维度来定义属性，包括空间维、时间维、图形维、文本、数字维。地学对象时间文本/数字空间图形2、场（域）模型•基于场（域）的模型：是把空间存在的信息看作连续分布的空间信息的集合来处理，每个这样的分布可以表示为一个空间结构到属性域的数学函数。•根据应用的不同，场（域）可以表现为二维或三维。•遥感图像数据一般表现为场模型。•对于空间数据建模来说，基于场的方法和基于对象的方法并不相互排斥，两者在许多情况下可以共存、共用，以发挥各自的长处。•在GIS的数据结构设计中，经常要采用这两种模型的集成。（二）基本的空间数据模型•栅格模型----基于场的数据模型•不规则三角网模型----基于场的模型•矢量模型----基于对象的数据模型1、栅格数据模型•栅格数据模型比较适宜于表示连续铺盖的空间对象；•栅格可以用数字矩阵来表示，数字文件按顺序含有像元的直接地址；•栅格模型中，点是一个像元，线由一串彼此相连的像元组成；•栅格模型中每一个栅格像元记录着不同的属性（灰度），像元的大小是一致的；•像元的形状通常是正方形，有时也有等边三角形、矩形或六边形；•栅格的行列信息和原点的地理位置记录在每一层中；•栅格的空间分辨率是指一个像元在地面所代表的实际面积大小；•栅格数据模型的一个优点是对不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要进行复杂的几何运算。像元的形状2、矢量数据模型•矢量数据模型适合表达图形对象特征和进行高精度制图；•在矢量数据模型中，空间实体现象由点、线、面等原型实体及其集合来表示。空间对象的矢量模型表示3、不规则三角网模型（TIN）•TIN模型采用不规则三角形拟合地表或其他不规则表面，是建立数字地面模型或数字高程模型的主要方法之一。•构成TIN的三角形应尽可能接近等边三角形，三角形大小随点的密度变化而自动变化。•梯森（泰森）多边形与Delaunay三角形。梯森多边形与Delaunay三角形41421、面向对象空间数据模型•面向对象空间数据模型是目前GIS软件采用的最新数据模型。•面向对象空间数据模型：是对各种地理空间实体用对象来表示，而不是将复杂对象分解为单一的对象实体（如点、线、面、体）表示，是在关系型数据库管理系统的基础上，增加了面向对象的封装、继承、聚集、信息传播等功能而形成的数据模型。•（三）空间数据模型的趋势2、3D数据模型•地理空间是一个三维空间，建成的GIS系统应该是三维GIS系统，但由于理论和技术上的局限，目前的GIS均为二维GIS，即将地球椭球面上的信息投影到二维平面（如，高斯投影面）上，然后对空间数据进行处理、分析、显示、输出等。•三维空间数据模型比二维空间数据模型复杂得多。•目前研究的较多的3D数据模型有：三维体元充填模型、结构实体几何模型、边界表示模型、面向对象模型、拓扑数据模型等。3、时空数据模型•时空数据模型是TGIS研究的核心问题，是还处于研究阶段的问题。•目前提出的时空数据模型有四种：将时间作为属性的附加项将时间作为新的维数面向对象建模基于状态和变化的统一建模4647二、GIS数据结构（一）矢量数据结构（二）栅格数据结构（三）矢栅转换（一）矢量数据结构•矢量数据结构：是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、面（多边形）等地理实体。1.矢量数据结构编码的基本内容•点实体•线实体•面实体1）点实体•点实体包括由一对（x,y）坐标定位的一切地理或制图实体。•点实体可以为：地物点、文本位置点、线段网络的结点•点实体的矢量数据结构2）线实体•线实体主要用来表示线状地物、符号线和多边形边界，有时也称为弧、链、串等。•线实体矢量编码的内容3）面实体•多边形数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。•多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征。53•XY坐标编码表特征码坐标位置点10X,y线12x1,y1x2,y2x3,y3x4,y4x5,y5x6,y6面35x1,y1x2,y2x3,y3x4,y4x5,y5x6,y6….x1,y1矢量数据结构编码的基本内容标识码属性码空间对象编码唯一连接空间和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1),(x2,y2),…,(x1,y1)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号XY1112223344………n5566存储方法55简单矢量数据结构56拓扑矢量数据结构57拓扑矢量数据结构58邻接相交相离包含重合点-点线-线面-面点-线点-面线-面空间对象拓扑关系3.矢量数据结构编码的方法•实体式•索引式•双重独立式•链状双重独立式1）实体式•实体式数据结构：是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。•实体式数据结构中，边界坐标数据和多边形单元一一对应，各个多边形边界都单独编码和数字化。多边形数据项A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)B(x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),(x16,y16),(x15,y15),(x14,y14),(x13,y13),(x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30),(x31,y31),(x24,y24)D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19)E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)实体式编码的优缺点•优点：编码容易、数字化操作简单、数据编排直观•缺点：相邻多边形的公共边界数字化两次；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系；岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。2）索引式•索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。•优点：•缺点：消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致。处理麻烦，工作量大。3）双重独立式•双重独立式数据结构最早由美国人口统计局研制，用来进行人口普查分析和制图，简称DIME（DualIndependentMapEncoding）系统或双重独立式的地图编码法。•DIME的特点是采用了拓扑编码结构。•双重独立式数据结构是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来定义。线号左多边形右多边形起点终点线号左多边形右多边形起点终点a0A18h0C87b0A21iCA89c0