第三章矢量数据模型

1、根据数据的来源不同分根据数据的来源不同分 为为 几何图形数据几何图形数据 影像数据影像数据 属性数据属性数据 地形数据地形数据 地图数据地图数据 影像数据影像数据 文本数据文本数据 根据表示对象的不同根据表示对象的不同 分为：分为： 类型数据类型数据 区域数据区域数据 网络数据网络数据 样本数据样本数据 曲面数据曲面数据 文本数据文本数据 符号数据符号数据 按照数据结构 矢量数据 栅格数据 按照数据特征 空间数据 非空间属性数据 按照几何特征 点 线 面、曲面 体 按照数据发布形式 数字线画图 数字栅格图 数字高程模型 数字正射影像图 1、基本特征 空间特征 属性特征 时间特征 2、基本信息

2、定位信息 属性信息 拓扑信息 二、地理空间的表达二、地理空间的表达 1 地图对地理空间的描述地图对地理空间的描述 地图是地理空间实体的地图是地理空间实体的图形模型图形模型。它是按照一定。它是按照一定 的比例、一定的投影原则，有选择地将复杂的三维的比例、一定的投影原则，有选择地将复杂的三维 地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上，地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上， 并用符号将这些内容要素表现出来。地图上各种要并用符号将这些内容要素表现出来。地图上各种要 素之间的关系，是按照地图投影建立的数学规则，素之间的关系，是按照地图投影建立的数学规则， 使地表各点和地图平面上的相应各点保持一定

3、的函使地表各点和地图平面上的相应各点保持一定的函 数关系，从而在地图上准确表达空间各要素的关系数关系，从而在地图上准确表达空间各要素的关系 和分布规律，反映它们之间的方向、距离和面积。和分布规律，反映它们之间的方向、距离和面积。 在地图学上，把地理空 间实体分为点、线、 面三种地理要素，分 别用点状、线状、面 状符号来表示。 符号化表示的地形图 2、影像对地理空间的描述影像对地理空间的描述 影像是记录了地理实体分布的写照模型。写影像是记录了地理实体分布的写照模型。写 真的程度受真的程度受摄影比例尺摄影比例尺的影响，或的影响，或空间分辨空间分辨 率率的影响。的影响。 3、地理信息的数字化描述地理

4、信息的数字化描述 在在GIS中，地理信息是以数字化的形式中，地理信息是以数字化的形式 存在的。表达地理信息的地理数据的几何空存在的。表达地理信息的地理数据的几何空 间数据主要有四种数据类型，即间数据主要有四种数据类型，即矢量数据矢量数据、 栅格数据栅格数据、属性数据属性数据和和数字高程模型数据数字高程模型数据。 DEM TIN, GRID 矢量数据 栅格数据 数字高程 三、空间实体的表达 1 1、实体、实体 地理系统：地理系统是一个地理系统：地理系统是一个开放开放的复杂的复杂巨系统巨系统。 地理实体：将地理系统中复杂的地理现象进行抽地理实体：将地理系统中复杂的地理现象进行抽 象得到的地理对象称

5、为地理实体或空间实体、空象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空 间目标，简称实体（间目标，简称实体（EntityEntity）。实体是现实世界）。实体是现实世界 中客观存在的，并可相互区别的事物。抽象程度中客观存在的，并可相互区别的事物。抽象程度 与研究区域的大小、规模不同而有所不同。实体与研究区域的大小、规模不同而有所不同。实体 是一个具有概括性、复杂性、相对意义的概念。是一个具有概括性、复杂性、相对意义的概念。 2、实体的描述及存储 描述内容描述内容 位置、形状、尺位置、形状、尺 寸寸 识别码（名称）识别码（名称） 、实体的角色、实体的角色、 功能、行为、实功能、行为、实 体的衍生信息

6、体的衍生信息 时间时间 测量方法、编码测量方法、编码 方法、空间参考方法、空间参考 系等系等 实体基本特征实体基本特征 属性特征：名属性特征：名 称、等级、类称、等级、类 别等别等 空间特征：地空间特征：地 理位置和空间理位置和空间 关系关系 时间特征时间特征 空间数据类型空间数据类型 几何数据（空间数几何数据（空间数 据、图形数据）据、图形数据） 关系数据：实体间关系数据：实体间 的邻接、关联包含的邻接、关联包含 等相互关系等相互关系 属性数据：各种属属性数据：各种属 性特征和时间性特征和时间 元数据元数据 空间数据结构空间数据结构 矢量、栅格、矢量、栅格、TINTIN （专用于地表或特（专

7、用于地表或特 殊造型）殊造型） RDBMSRDBMS属性表：采属性表：采 用用MISMIS较成熟较成熟 空间元数据空间元数据 2014.3.5 一、矢量数据结构 o矢量数据的表示类型矢量数据的表示类型 从前面的内容知道，表示地理现象的空间矢量数据可以表示为 点、线、面三类。但按其表示的内容，又可进一步分为七种不 同的类型。它们表示的内容如下： 类型数据，如考古地点，道路线、土壤类型等； 面域数据，如多边形的中心点，行政区界线、行政单元等； 网络数据，地下管线的设施、管线网、供水区域等； 样本数据，气象站、航线、实验区等； 曲面数据，高程点、等高线、等值区域等； 文本数据，地名、河流名称和区域名

8、称等； 符号数据，点状符号、线状符号和面状符号等。 1、实体数据结构（简单数据结构、无拓扑关系的矢 量数据结构） 无拓扑关系的矢量数据结构是对Spaghetti数据模型 的具体定义和描述。它仅记录空间对象的位置坐标和 属性数据，而不记录空间关系。它有两种方式，一种 是每个点、线、面目标分别记录其坐标，称为多边形 环路法，另一种方式是一个文件记录点坐标对，其他 一些文件记录点与线、点与面的关系，称为点位字典 法。 不含有拓扑关系的信息不含有拓扑关系的信息 ArcView GIS，*.shp MapInfo, *.tab 特点：特点： 直接将地图翻译描述，只记录空间对象的位置结构，不 记录相互关系

9、 每条记录都有首末坐标，每条记录都是单独的实体 没有共享公共边，矢量型多边形公共边界需重复输入 存储重复、冗余，难以确保独立性和一致性 无法表示边界和多边形之间的关系 不适合复杂的空间分析，在不以分析为目的的CAD系 统中应用广泛。 矢量数据的简单数据结构分别是按照点线面三种基 本形式来描述的。 点： 线 面 标识码标识码X X，y y坐标对坐标对 标识码标识码坐标对数坐标对数N NX X，Y Y坐标坐标 标识码标识码 链数链数N N链标识码集链标识码集 点 线 面 矢量数据是用坐标对 、坐标串和封闭的坐 标串表示实体点、线 、面的位置及其空间 关系的一种数据格式 。 多边形环路法的缺点是，除

10、了多边形轮廓外，其它 公共边均存储了两次，因而会产生数据在结点处不 重合、边界处易产生裂缝和重叠。点位字典法避免 了这些情况，但仍没有存储必需的拓扑关系。 矢量本身是数学上的概念，运用到GIS中， 则不同的空间特征具有不同的矢量维数。 （1）零维矢量表示空间中的一个点，点在二 维欧氏空间中用唯一的实数对（x, y）来表 示，在三维空间中用唯一的实数组（x, y, z ）来表示。在数学上，点没有大小和方向。 在GIS中，点的类型包括实体点、标记点、 面标识点、结点和节点等 （2）一维矢量表示空间中的一个线状要素， 或者空间实体对象之间的边界，包括线段、 弦列、拓扑连线、弧段、链、环等。 线段是两

11、个结点之间的连线 。 一维矢量可以闭合，即弧段首尾相接， 存在x1=xn ,y1=yn ,或z1=zn。但弧 段不能自身相交。如果相交，则应以交 点为界，将该一维矢量分成几个一维矢 量。 (3)二维矢量表示地理空间的一个面状要素 ，在二维欧氏平面上是指由一组闭合弧段包 围的空间区域。由于面状要素是由闭合分弧 段决定的，故二维矢量又称为多边形。面状 要素包括内面、G-多边形、GT-多边形、广 义多边形、虚多边形等。 虚多边形定义了二维拓扑面的一部分，它以 其它的GT-多边形为界，其它方面与广义多 边形相同 矢量数据除几何特征外，还具有属性特征。 空间属性特征分为两种，一种是类别特征， 即它是什么

12、；第二种是具体的说明信息，或 者统计信息，以解决两个同类目标的不同特 征问题，如道路的宽度、等级、路面质量等 。第一类特征一般用类型编码来表达，第二 类特征用属性表格来说明。属性数据表格的 一行称为一个记录，描述一个地理实体特征 的属性，用空间数据对象的联接则通过特征 的标识码找到对应关系。 在拓扑数据结构中，点是相互独立存储的，它们相 互连接构成线，线始于起结点，止于终结点。面由 线（线段、弧段、链、环等）构成。一个多边形可 以由一个外环和领个内环或多个内环组成，简单多 边形没有内环，复杂多边形由一个或多个内环组成。 这些内环所包围的区域称为“岛”或“洞”。前者 有实体意义，后者无实体意义。

13、 在大多数的GIS软件中，仅存储部分的拓扑关系，主 要是关联关系（不同类元素之间的关系），其他关 系可以从这些关系导出，或通过空间运算得到。拓 扑关系可以有两种表达方式，全显式和半隐含表达。 空间关系空间关系 空间关系是指地理实体之间存在的与空间特 性有关的关系，如度量关系、顺序关系和拓 扑关系等。是刻画数据组织、查询、分析和 推理的基础。空间关系的描述和表达，是 GIS区别于CAD等计算机图形处理系统的主 要标志。空间关系的研究，直接影响GIS的 设计、开发与应用。 o (1)拓扑空间关系拓扑空间关系 拓扑空间关系是GIS中重点描述的空间关系。“拓 扑”（Topology）一词来源于希腊文，

14、它的原意是 “形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研 究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性，即拓扑 属性。理解拓扑变换和拓扑变换属性时，可以设想 一块高质量的橡皮，它的表面时欧氏平面，这块橡 皮可以任意拉伸、压缩，但不能扭转和折叠，表面 上有点、线、面等组成的几何图形。在变换中，图 形的有些属性会消失，有的属性则保持不变。前者 称为非拓扑属性，后者称为拓扑属性。象拉伸、压 缩这样的变换，称为拓扑变换。 (2)拓扑元素 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点；点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点； 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段；线：两结点之间的有序弧段，包括链

15、、弧段和线段； 面：若干弧段组成的多边形。面：若干弧段组成的多边形。 线 : 点 : 面 : 起点起点 终点终点 中间点中间点 弧段弧段 1 弧段弧段 3 弧段弧段 2 弧段弧段 4 线 : 面 : 弧段弧段 1 弧段弧段 3 弧段弧段 2 弧段弧段 4 (3)拓扑关系类型 关联：不同拓扑元素之间的关系；关联：不同拓扑元素之间的关系； 邻接：相同拓扑元素之间的关系；邻接：相同拓扑元素之间的关系； 包含：面与其他元素之间的关系；包含：面与其他元素之间的关系； 连通：拓扑元素之间的通达关系；连通：拓扑元素之间的通达关系； 层次：相同拓扑元素之间的层次关系；层次：相同拓扑元素之间的层次关系； (3)

16、拓扑关系类型 邻接相交重合相离包含 点点 点线 点面 线面 面面 线线 在有向图中建立节点和弧段的邻接和关联关系。 一条弧段连接两个节点，则称这两个节点的弧段呈 邻接和关联 邻接矩阵：节点和节点做矩阵，用1表示邻接，用0 表示非邻接 关联矩阵：弧段和节点做矩阵，用1表示关联自， 用-1表示关联至，用0表示不关联。 TIGER编码是美国人口调查局在1990年前后发布了 与人口数据相关联的全国地理编码系统： Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing System拓扑统一地理编码参考 系统 美国人口调查局的数据调查类似我

17、国的人口普查， 但更加全面。不仅包含年龄、性别、种族等基本信 息，还综合了年龄结构、家庭收入、住房水平等更 多的相关信息，做到了信息的多指标化，还与空间 位置及街道、学校等周围环境数据发生联系，有效 做到了人口数据的空间定位。 （1）连接性：弧段间通过节点连接； （2）面定义：由一系列相连的弧段定义面 （3）邻接性：弧段有方向性，且有左右多边形 点的coverage数据结构 点的清单 线的coverage数据结构 弧段-节点清单 弧段坐标清单 多边形的coverage数据结构 左/右多边形清单 多边形-弧段清单 弧段坐标清单 拓扑关系的表示拓扑关系的表示 面面 域域弧弧 段段 P1a, b,

18、c, -g P2b, d, f P3c, f, e P4g 结结 点点弧弧 段段 Aa, c, e Ba, d, b Cd, e, f Db, f, c Eg 弧弧 段段左左 邻邻 面面右右 邻邻 面面 aP0P1 bP2P1 cP3P1 dP0P2 eP0P3 fP3P2 gP1 a b c d e f g A C B D E P4 P0 P1 P2 P3 弧弧 段段结结 点点 aA , B bB , D cD , A dB , C eC , A fC , D gE , E 1 1、拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它、拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它 比集合关系具有

19、更大的稳定性，不随地图投影而变化。比集合关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。 2 2、有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多、有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多 实际问题。如某县的邻接县（面面相邻问题）。又如供水实际问题。如某县的邻接县（面面相邻问题）。又如供水 管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该 线与哪些点关联。线与哪些点关联。 3 3、根据拓扑关系可以重建地理实体。例如根据弧段构建、根据拓扑关系可以重建地理实体。例如根据弧段构建 多边形，实现面域的选取；根据弧段与结点的关联关系重多边形，实现面域的选

20、取；根据弧段与结点的关联关系重 建道路网络，进行最佳路径选择等。建道路网络，进行最佳路径选择等。 总的来说，总的来说，有两个目的：保证数据质量，保证空间对象表 达的合理性和正确性、一致性。二是提高空间分析的效率 。 o 当对地理空间实体进行建模时，有时需要考 虑实体间存在的关系或规则。如相邻的两个 省（两个多边形对象），之间不能有间隙， 存在公共边界，但不能有重叠。两条街道总 是在交叉口处相交，但从来不会出现共享某 一段的问题，公共汽车的站总是位于道路上 等关系或规则。这些关系或规则的定义和维 护是由拓扑关系来建立的。 o 从历史的观点来看拓扑关系的使用，过去拓 扑关系主要用于数据结构的创建，

21、以保证具 有相关联的地理对象能够形成一致的、清晰 拓扑的数据结构。但随着面向对象的概念和 数据模型建模技术的发展，这个概念的使用 开始产生了一些变化。拓扑关系作为数据结 构的一部分开始弱化。主要是约束空间对象 的行为，以及定义一些描述表达规则。 图斑不能相互压盖 用地多边形的边界必须与用地红线完全重合 用地红线不能有悬挂结点 道路与公共汽车线路必须重合 ShapeShape文件将空间要素的图形及属性信息以非拓扑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。成为具有矢量坐标的图形。 Sha

22、peShape文件数据模型是非拓扑的数据库模型。因此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，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易实现。通过编程的方式很容易实现对ShapeShape文件文件 的存取操作。这一特性是其优点，也是缺点。的存取操作。这一特性是其优点，也是缺点。 ShapefileShapefile数据特点：数据特点： 基于其非拓扑性，可以使文件迅速显示出来。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。简单要素类型：点、线、面分别存储。 一个一个ShapeShape

23、文件中只能存储一种类型的要素。文件中只能存储一种类型的要素。 一个一个ShapeShape文件至少包括一个主文件、一个索引文件至少包括一个主文件、一个索引 文件及一个文件及一个 dBASE dBASE 数据表文件数据表文件 ShapeShape文件示例：文件示例： . .SHPSHP主文件主文件Main file:Main file:counties.shpcounties.shp贮存地贮存地 理要素的几何数据理要素的几何数据 . .SHXSHX 索引文件索引文件Index file:Index file:counties.shxcounties.shx， 贮存图形要素索引信息，用于查询贮存图

24、形要素索引信息，用于查询 . .DBFDBF dBASE dBASE 数据表文件数据表文件: counties.dbf : counties.dbf ，贮，贮 存要素属性信息的存要素属性信息的dBASEdBASE文件文件 . .PRJ PRJ 投影参数文件投影参数文件: counties.prj: counties.prj .shp shp 文件，用于文件，用于 存储地理要素存储地理要素 的图形数据的图形数据 . 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 复合要素：指以点、线和面合成而更好表示的空间复合要素：指以点、线和面合成而更好表示的

25、空间 要素要素 TIN TIN （Triangulated Irregular NetworkTriangulated Irregular Network）模型）模型 分区分区 路径路径 用一系列不重叠的三角形来近似的表示地形 把地表近似描绘成一组互不重合的三角面 每个三角面都有恒定 的倾斜度。由x、y、z 可计算三角形的坡度 和坡向。 基本要素：点、线、面。 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 N1 N6 N2 N8N7 N 3 N4N5 点文件 三角形文件 点号 坐标点 三角形号 顶点 邻接三角形 N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 / N2 X 2

26、Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6 N3 X 3 Y3 Z1 T3 N1 N2 N4 / T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 / T8 N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 / T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7 N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 / N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 / 区域支持对地理要素之间的复杂关系建模（表示 为面）。在 coverage 中，面的基本结构单元为 弧线，而区域的基本结果单元为面。因此，区域 可表示

27、为一组面。 将地理对象表示为面需要满足两个基本前提：面 之间不出现重叠，并且完全覆盖表示的区域（即 不存在空区域）。而对于区域，则不存在这些限 制。在区域中，表示地理要素的面可以单独存在 ，也可以重叠，而且不需要占满整个区域。例如 ，在森林火灾区域中，可以通过指示火灾面积和 时间的面来表示灾情。 面需满足的另一个前提是每个地理要素只能由一个 面表示。对于区域，这点可得到扩展，因此单个地 理要素可以由多个面表示。例如，组成夏威夷州的 各个岛屿即是一个由多个面构成的区域。 与点、线和面相同，会为每个区域指定唯一标识符。 与面相同，每个区域的面积和周长都保持不变。 利用面来构建区域类似于利用弧线来构

28、建面。正如面是一系列弧线一样， 区域只是一系列面。两者之间只有一个重要差别：面的顺序没有意义。 构建重叠区域类似于构建面。只是各面在相遇处共享一条弧线，而各区域 在重叠处共享一个面。 区域可以显著改善数据管理，因为它可将大量不同类型的地理要素集成到 一个视图，同时还能保留原始地理要素的特性。执行复杂分析时，对数据 模型中地理要素间的关系进行管理尤为重要。 下图表明了 coverage 数据集中要素类之间的关系。复 合要素类在基本要素类的基础上构建，路线和弧段在弧 线的基础上构建，而区域则在弧线和面的基础上构建。 通过这种数据结构可以将基本要素类型合并到集成的 coverage 中。（弧线有起始终止结点，弧段是在弧线 的基础上构建） 区域中可含有一个或多个不重叠的外部环，或多组 弧线及零个或多个不重叠的内部环。 下图介绍了如何通过弧线的外部环和内部环定义区 域边界。区域 1 包含两个外部环，而区域 2 包含 一个外部环和两个内部环。 面由一条或多条弧线构成，而且不同的面可能会共享同一条弧线（即公共边界）。 同样，区域由一个或多个面构成，而且多个区域可能会共享同一个面。 可将一个面分配给多个区域，而无需复制拓扑。只会针对面进行拓扑存储。 各区域将其共享的相同几何作为基础面（尽管区域中可能不包含外多边形）