GIS空间数据模型(基于对象的矢量数据模型与栅格数据模型)

第三章空间数据模型,第一节地理关系矢量数据模型（传统）第二节栅格数据模型第三节基于对象的矢量数据模型第四节复合要素的数据模型第五节空间数据的分层组织（补充）,矢量模式,栅格模式,真实世界,地理关系数据模型是用图形文件存储空间数据，用关系数据库存储属性数据来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式；一般用要素的标号或标识码链接。地理关系数据模型分为简单矢量数据模型、拓扑矢量数据模型（coverage数据结构）；,第一节地理关系数据模型,一简单矢量数据模型1）只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。用点、线和面等几何对象表示简单的空间要素。2）存储：独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成,标识码,属性码,空间对象编码唯一连接几何和属性数据,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,存储方法,1简单矢量数据模型点实体编码,线实体编码,2简单矢量数据模型线实体编码,由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成,对所有边界点数字化，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,形成完整的拓扑结构,3简单矢量数据模型面实体编码,多边形环路法,P1x1，y1；x2，y2；x3，y3；x4，y4；x5，y5；x6，y6；,P2x7，y7；x8，y8；x9，y9；x10，y10；x11，y11；x5，y5；x6，y6,P3x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15,4简单矢量数据模型特征数据结构简单，直观，主要用于显示、输出及一般查询；便于系统的维护和更新。公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性。处理嵌套多边形比较麻烦,5Arcgis软件Shape文件数据模型,Shape文件将空间要素的图形及属性信息以非拓扑的形式存储在数据集中。要素的几何形状数据存储成为具有矢量坐标的图形。Shape文件数据模型是非拓扑的数据库模型。因此，在数据显示速度上比较快，数据的编辑也比较容易实现。通过编程的方式很容易实现对Shape文件的存取操作。这一特性是其优点，也是缺点。,5Shape文件数据模型,特点：基于其非拓扑性，可以使文件迅速显示出来。简单要素类型：点、线、面分别存储。一个Shape文件中只能存储一种类型的要素。,Shape文件的构成,一个Shape文件至少包括一个主文件、一个索引文件及一个dBASE数据表文件Shape文件示例：.SHP主文件Mainfile:counties.shp贮存地理要素的几何数据.SHX索引文件Indexfile:counties.shx，贮存图形要素索引信息，用于查询.DBFdBASE数据表文件:counties.dbf，贮存要素属性信息的dBASE文件.PRJ投影参数文件:counties.prj,.shp文件，用于存储地理要素的图形数据,.Shape数据模型，实现了地理空间数据的存储,.dbf文件，用于存储地理要素的属性数据,1拓扑关系的关联表达:显式表示,(a)多边形、弧段、结点（自上到下）,多边形弧段弧段结点P1a4a5a6a1N1N2P2a1a8a5a2N2N4P3a3a6a7a3N4N5P4a2a7a8a4N1N5a5N1N3a6N3N5a7N3N4a8N2N3,（b）结点、弧段、多边形,结点弧段N1a1a4a5N2a1a2a8N3a5a6a7a8N4a2a3a7N5a3a4a6,弧段左多边形右多边形a10P2a20p4a30p3a4p10a5p2p1a6p3p1a7p4p3a8p4p2,二拓扑矢量数据模型,弧段起结点终结点左多边形右多边形坐标a1N1N20P2a2N2N40p4a3N4N50p3a4N1N5p10a5N1N3p2p1a6N3N6p3p1a7N3N4p4p3a8N2N3p4p2。,二拓扑矢量数据模型,2半显式表示,3GIS中建立拓扑关系的优缺点优点：数据结构紧密、拓扑关系明确，便于空间数据的拓扑查询和拓扑分析如网络分析；更能确保数据质量和强化GIS分析。缺点：数据结构复杂，不便于系统的维护和更新，对单个实体的操作效率不高，如增加、删除、修改一个实体时涉及一系列的文件和数据库表格；,4拓扑编辑过程总步骤,1）以弧为基本单元进行数字化，记录其坐标值，形成坐标数据；2）由坐标数据提取弧和结点数据；3）由结点、弧及坐标数据产生表达面实体拓扑关系的数据。,4拓扑具体编辑过程,由坐标数据提取弧和结点数据；a）分离出每条弧，并对各条弧线赋予内编号；b）确定出每条弧上首尾端点在坐标数据中的地址；c）确定出连接弧的结点，并对其进行统一编号。,4拓扑具体编辑过程,多边形拓扑产生：从结点、弧、坐标数据搜索出地图上多边形与弧之间关系的过程，找出每个多边形由哪些弧所组成。1）引出弧/引入弧；一条“引入弧”进入一个结点时，其余的弧都与“引入弧”构成一个夹角，可以选择与“引入弧”构成的最大顺时针夹角所相应的弧作为“引出弧”。,如果在组成一个多边形时，一条弧是从首结点到尾结点，则定义为该多边形是在这条弧的右边；如果这条弧是从尾结点到首结点，则定义该多边形在这条弧的左边。,4拓扑具体编辑过程确定左右多边形,栅格数据模型是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。特点：属性明显，定位隐含。表示连续现象获取方法：(1)手工网格法；(2)扫描数字化法；(3)分类影像输入法；(4)数据结构转换法。,第二节栅格数据模型,一栅格数据模型要素,点：表示为单个像元。线：在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。面：由聚集在一起的相邻像元的集合。,四方向相邻和八方向相邻,一栅格数据模型要素,像元值整型/浮点型。整型用于类别数据并通过数值属性可读取、查询和显示。像元大小栅格数据模型的分辨率（见下页）栅格波段空间参照,一、栅格数据模型要素,X：列,Y：行,西南角格网坐标（XWS，YWS）,像元大小,格网方向,2混合像元大小处理,方案一,方案二：缩小栅格单元的面积,4空间参照假设当前栅格单元行列号为(i,j),一个栅格单元所代表的空间区域大小为dlt_x,dlt_y,栅格区域的原点坐标为(x0,y0)，那么，当前栅格单元的平面坐标(x,y)为：x=x0+j*dlt_xy=y0-i*dlt_y如果栅格区域的原点在左下角，那么，平面坐标的计算公式为：x=x0+j*dlt_xy=y0+I*dlt_y,二栅格数据类型,卫星影像USGS的数字高程模型（DEM）非USGS的数字高程模型全球数字高程模型数字正射影像二值扫描文件数字栅格图图形文件特定GIS软件的栅格数据（grid）,三栅格数据结构,逐个像元编码（完全栅格编码）游程编码(Run_lengthEncoding)链状编码(chainEncoding)块状编码四叉树编码(quarter_treeEncoding),压缩编码,1逐个像元编码（完全栅格编码）,将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,0，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。,2、链码,0,0,1,0,7,6,7,0,1,1,0,0,链码编码：2，2，6，7，6，0，6，5,链码编码示例,3、游程长度编码,(1)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；,沿行方向进行编码：(0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,3、游程长度编码,（2）逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。,沿列方向进行编码：(1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。,4、块码,采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。,（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。,5、四叉树编码,是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2n的栅格阵列。n为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,000,03330333,33530022,23222202,22252555,33,355,西南,东南,西北,东北,栅格数据压缩编码总括,起点行列号，单位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3,链式编码,游程长度编码,逐行编码数据结构:行号,属性,重复次数1,A,4,R,1,A,4,块状编码,正方形区域为记录单元数据结构:初始位置,半径,属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),四叉树编码,逐个栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。,矢量结构,栅格结构,矢量与栅格数据结构的比较,矢量+栅格（1）,矢量+栅格（2）,基于对象数据模型GeoDatabase数据模型,第三节基于对象的矢量数据模型,一基于对象数据模型,基于对象数据模型把空间要素的空间数据和属性数据都储存于同一个系统中允许一个空间要素与一系列属性和方法相联系。类：相似属性的对象。共性和特殊性原则来归并和区分对象。类间关系：联合、合成、聚合、类继承和实例化,二GeoDatabase数据模型,GeoDatabase是geographicdatabase的简写，是一种采用标准关系数据库技术来表现地理信息的数据模型。是ArcGIS软件中最主要的数据库模型。Geodatabase支持在标准的数据库管理系统（DBMS）表中存储和管理地理信息。,Geodatabase支持多种DBMS结构和多用户访问，且大小可伸缩。从基于MicrosoftJetEngine的小型单用户数据库，到工作组，部门和企业级的多用户数据库，Geodatabase都支持。目前有两种geodatabase结构：个人Geodatabase和多用户Geodatabase(multiusergeodatabase)。,GeoDatabase有两种实现形式一种是基于Access数据库文件的实现形式另一种是通过ArcSDE空间数据库引擎，在Oracle、SQLServer等RDBS中实现的可支持分布式处理的形式,在Geodatabase数据库模型中，可以将图形数据和属性数据同时存储在一个数据表中，每一个图层对应这样一个数据表。Geodatabase可以表达复杂的地理要素（如，河流网络、电线杆等）。比如：水系可以同时表示线状和面状的水系。,ArcCatalog的Geodatabase中所提供的创建拓扑规则，主要是用于进行拓扑错误的检查，其中部分规则可以在所设容差内对数据进行一些修改调整。建立好拓扑规则后，就可以在ArcMap中打开由拓扑规则所产生的文件，根据错误提示对SHAPE图层进行修改。,三拓扑规则,（一）Geodatabase中如何创建拓扑规则,对ArcGIS的Geodatabase而言，能为包含在要素集中的一个或多个要素类定义拓扑。它可以为多点、线和多边形要素类定义拓扑。拓扑作为一系列用于空间关系的完整性规则，有一些重要的属性：一个群组容限（clustertolerance，容差），要素类等级（rank，对坐标精度而言），错误（error，违规）和你所定义的规则（rules）的任何异常情况。,（一）Geodatabase中如何创建拓扑规则,在9.0版中，ArcCatalog包含了一个拓扑向导来选择参与拓扑的要素类，并定义它们的属性。创建拓扑规则具体步骤如下：创建一个新的geodatabase（个人数据集）在其下创建一个featuredataset(要素集)，并为该要素集定制坐标系统创建featureclass(要素类)或将其它数据作为要素类导入到该要素集下进入到该要素集下，在窗口右边空白处单击右键，在弹出的右键菜单中有new-topolopy按所给提示操作，设定合适容差，添加一些所需拓扑规则，若导入的要素类为多个图层，还需为图层划分等级，接着就可完成拓扑规则的检查最后在ArcMap中打开由拓扑规则产生的文件，利用topolopy工具条中给出的错误记录信息进行修改,执行拓扑规则产生的文件,（二）geodatabase的拓扑规则,具体规则包括：线topology1.mustnothavedangle：线，不能有悬挂节点2.mustnothavepseudo-node：线，不能有伪节点3.mustnotoverlay：线，不能有线重合（不同要素间）4.mustnotselfoverlay：线，一个要素不能自覆盖5.mustnotintersect：线，不能有线交叉（不同要素间）6.mustnotselfintersect：线，不能有线自交叉7.mustnotintersectortouchinterrior：线，不能有相交和重叠8.mustbesinglepart：线，一个线要素只能由一个path组成9.mustnotcoveredwith：线线，两层线不能重叠10.mustbecoveredbyfeatureclassof：线线，两层线完全重叠11.endpointmustbecoveredby：线点，线层中的终点必须和点层的部分（或全部）点重合12.mustbecoveredbyboundaryof：线多边形，线被多边形边界重叠13.mustbecoveredbyendpointof：点线，点被线终点完全重合14.pointmustbecoveredbyline：点线，点都在线上,（二）geodatabase的拓扑规则,(2)多边形topology1.mustnotoverlay：单要素类，多边形要素相互不能重叠2.mustnothavegaps：单要素类，连续连接的多边形区域中间不能有空白区（非数据区）3.containspoint：多边形点，多边形要素类的每个要素的边界以内必须包含点层中至少一个点4.boundarymustbecoveredby：多边形线，多边形层的边界与线层重叠（线层可以有非重叠的更多要素）5.mustbecoveredbyfeatureclassof：多边形多边形，第一个多边形层必须被第二个完全覆盖（省与全国的关系）6.mustbecoveredby：多边形多边形，第一个多边形层必须把第二个完全覆盖（全国与省的关系）7.mustnotoverlaywith：多边形多边形，两个多边形层的多边形不能存在一对相互覆盖的要素8.mustcovereachother：多边形多边形，两个多边形的要素必须完全重叠9.areaboundarymustbecoveredbyboundaryof：多边形多边形，第一个多边形的各要素必须为第二个的一个或几个多边形完全覆盖10.mustbeproperlyinsidepolygons：点多边形，点层的要素必须全部在多边形内11.mustbecoveredbyboundaryof：点多边形，点必须在多边形的边界上,利用拓扑查错,Geodatabase里建立的拓扑用来捕捉要素的几何形体，检查结点是否在群组容限内，以及是否有违规。拓扑首先是捕捉要素的结点，这些结点在考虑等级的要素类的群组容限范围以内。如果要素的结点在这个范围外，则视为违规，都会在验证过程中被发现并标记为错误。完整的错误列表可以在ArcCatalog和ArcMap的拓扑属性中看到。在ArcMap中拓扑中的错误和异常可以在图上显示出来，也可以在错误探测器中列出。然后用户可根据错误提示对图层要素进行修改。,三Geodatabase数据模型的优点,具有面向对象技术；提供一个存储和管理不同GIS数据的便利框架。更多的地图图层非常多的图层能存放在一个单一的数据库中。改善的数据完整性你可以为数据指定合适的拓扑规则。更多的数据建模机会大量可能的空间约束可以应用到你的数据上。避免了空间和属性要素间协同的复杂性，减少了数据处理的工作量。,1Voronoi数据结构；2TIN数据结构。,第四节复合要素的数据模型,一、不规则三角网(TriangulatedIrregularNetworkTIN）模型,1、模型的表示点文件三角形