第三讲空间数据模型

1、上海海洋大学上海海洋大学(Shanghai Ocean University)(Shanghai Ocean University)刘刘 爽爽: Tel: : Tel: 空间数据模型空间数据模型(Remote Sensing and Geographic Information System)矢量数据模型栅格数据模型主要内容主要内容2022-5-92现实世界现实世界- -概念模型概念模型- -数字模型数字模型n空间数据n表示地理要素的几何特征n如，位置、形状、面积、长度等n属性数据n表示地理要素的非几何特征n如，河流名称、土地利用类型等地理信息数据地理信息数据构建矢量数据模型构建矢量数据模型矢

2、量数据模型的构建一般包括两个过程用点及其X,Y坐标表达空间要素如点、线、面将几何对象及其空间关系组织成数字化数据文件，使计算机可以访问，编译和处理矢量数据模型矢量数据模型用几何要素的点、线、面来表示空间要素，通过记录空间实体坐标及其关系，尽可能精确地表示地理实体；地理关系数据模型Coverage数据模型Shapefile数据模型基于对象的数据模型Geodatabase数据模型简单要素的表示简单要素的表示点：由一个点或者一系列点组成特点：维度为0，只有位置性质，如水井、路灯矢量数据模型用点、线、面等几何对象表示简单的空间要素，其主要区别在于维度和性质简单要素的表示简单要素的表示线：由两个端点及其

3、之间一系列具有标记线形态的点组成特点：维度为1，具有位置和长度特性，如河流、道路等；简单要素的表示简单要素的表示面：由连接的、闭合的和不相交的线段组成特点：维度为2，除了位置性质，还有面积和周长信息；随着空间比例尺的变化，空间要素的点、线、面表达形式之间可以相互转化空间关系及拓扑空间关系及拓扑空间关系指地理空间实体之间相互作用的关系,有:拓扑空间关系顺序空间关系度量空间关系空间关系及拓扑空间关系及拓扑拓扑是指几何对象在保持连续状态的变形（缩放、旋转和拉伸等）时图形关系保持不变的性质；地图上的各种图形的形状、大小会随图形的变形而改变，但图形要素间的邻接关系、关联关系、包含关系和连通关系保持不变；

4、拓扑对于GIS的重要性：确保数据质量和完整性、强化GIS的空间分析能力空间关系及拓扑空间关系及拓扑l 通常用图论中的图表或图形研究几何对象排列及其相互关系的拓扑结构，对于矢量数据模型而言，拓扑主要通过通过有向图表达，包括点和有向线；l 有向线又称做弧段，弧段会聚或相交处的点成为节点，如果一条弧段连接两个节点，则这两个节点和弧段呈邻接和关联。矢量数据模型矢量数据模型用几何要素的点、线、面来表示空间要素，通过记录空间实体坐标及其关系，尽可能精确地表示地理实体；地理关系数据模型Coverage数据模型Shapefile数据模型基于对象的数据模型Geodatabase数据模型地理关系数据模型地理关系数

5、据模型n 用图形文件存储空间数据，用关系数据库存储属性数据，两者之间一般用要素标识码进行链接，保证空间数据和属性数据的同步。n 典型的地理关系数据模型：coverage数据结构和shapefile数据结构n 地理关系数据模型：分别用两个独立的系统分别存储空间和属性数据。Coverage数据结构数据结构lCoverage数据结构支持连接性、面定义和邻接性三种基本的拓扑关系；l采用基于文件的数据存储方式，空间数据和属性数据分开存储；Coverage数据结构是20世纪80年代ESRI为了把GIS从CAD中分离出来引入的内置拓扑的数据模型。点的点的Coverage数据结构数据结构Coverage数据结

6、构数据结构线的线的Coverage数据结构数据结构Coverage数据结构数据结构面的面的Coverage数据结构数据结构Shapefile数据结构数据结构l shapefile是ESRI的标准的非拓扑数据格式，能存储空间数据和属性数据，不存储拓扑关系。l shapefile由若干个文件组成的，空间信息和属性信息分离存储，采用基于文件的存储方式 *.shp：空间信息 *.shx：空间索引信息 *.dbf：属性信息 *.prj：空间参考信息 *.shp.xml：元数据文件 *.sbn、*.sbx：存储的空间索引，加速空间数据的读取。基于对象数据模型基于对象数据模型l 对象是地理空间中的实体或现象

7、，一个对象时由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组方法组成。l 属性描述对象的性质或者特征，方法执行特定的操作；如河流的坐标数据表达了其位置和形状，河流的变迁表达了其行为。l 类是具有部分系统属性和方法的一组对象的集合，是对象的共性抽象，对象时类的实例；l 接口代表类或者对象的一系列外部可视化操作。基于对象技术是使用所谓的封装性将对象的属性和方法隐藏起来，只能通过预定义的接口访问对象的技术将地理空间数据作为对象；一个对象可以表示空间要素，也可以表示一个图层与地理关系数据模型的区别：把空间数据和属性数据存储在一个系统中允许一个空间要素（对象）与一系列的属性和方法相联系；对象ID Obje

8、ctid形状 （shape）土地利用-ID（Landuse-ID）类型 （Category）形状-长度 （shape-length）形状-面积 （shape-area）1多边形1514607.759598002多边形2815702.7159798003多边形3412113.4359598004多边形4514456.59598005多边形5816231.759800基于对象数据模型基于对象数据模型Geodatabase数据结构数据结构lGeodatabase是ESRI公司开发的基于对象的矢量数据模型；lGeodatabase将矢量数据集组织成要素类和要素数据集。要素类是存储具有相同几何类型的空间

9、要素，要素数据集是存储具有相同坐标系和区域范围的要素类；l除了要素类，Geodatabase还能够存储栅格数据、不规则三角网、位置数据和属性表等。lGeodatabase可以分为两种，一种是基于 Microsoft Access的personal Geodatabase，另一种是基于 oracle、SQL Server、Informix 或者DB2 的file Geodatabase，由于 Microsoft Access自身容量的限制，personal Geodatabase的容量上限为2GB，而file Geodatabase数据库的大小没有限制，而且可以跨平台作业；lGeodatabas

10、e 不仅可以存储简单要素类还可以存储要素集，并且支持一系列的行为规则对其空间信息和属性信息进行验证表格、关联类、栅格、注记和尺寸都可以作为 Geodatabase 对象存储；Geodatabase数据结构数据结构Geodatabase模型优点模型优点lGeodatabase的等级结构有利用数据的组织和管理lGeodetabase是ArcObject的一部分，具有面向对象技术的优势；lGeodatabase是提供即时拓扑lArcObject有许多对象、属性和方法可以供GIS用户定制应用，减少重复工作，加速工作流程；lArcObject提供了一个可以按照各行业的需求定制对象的模型；复合要素的表示复

11、合要素的表示l复合要素是指以点、线和面合成应用而更好表示的空间要素，如不规则三角网（TIN），分区和路径lTIN把地表近似描绘成一组互不重叠的三角面，其基本构成元素包括点、线、面，通常用于地形制图何分析，特别是3-D表达。第三讲第三讲 空间数据模型空间数据模型矢量数据模型矢量数据模型栅格数据模型栅格数据模型主要内容主要内容2022-5-926l 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、面地理实体表现得精确无误；对于有确定位置与形状的离散要素表达的比较理想，对于连续变化的空间现象则欠缺l 栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征，像

12、元值的变化反应了现象的空间变异。栅格数据模型栅格数据模型nAerial photographs 航片nSatellite imagery from many sensors 卫星影像nDEM and scanned maps DEM和扫描图nAnalytical data 分析数据，如 ph值栅格数据来源栅格数据来源栅格数据模型要素栅格数据模型要素l 栅格也称作格网或者影像，表示连续的表面，但是当进行数据存储时，栅格由行、列像元组成；l 列x坐标，行y坐标，行、列由网格左上角起始，像元值由行、列位置唯一决定；栅格数据用单个像元代表点，用一系列像元代表线，用连续像元的几何表达面；栅格数据模型栅格

13、数据模型表示表示栅格数据模型栅格数据模型像元值像元值n每个像元有一个值，如DEM是高程n像元值类型n整型：表示类别数据，例如：土地覆盖类型n浮点型：表示连续数据，例如：降雨量nNo datan浮点型比整型占计算机存储资源cornwheatfruitcloverfruitoats012345678901234567891111144555111114455511111445551111144555111114455522222223332222222333222222233322442223332244222333n 中心归属法：每个栅格单元的值由该栅格的中心点所在的面域的属性来确定。n 长度占

14、优法：每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。n 面积占优法：每个栅格单元的值由该栅格中单元面积最大的实体的属性来确定。n 重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物的类型作为栅格单元的属性值。这种方法适用于具有特殊意义而面积较小的实体要素。栅格数据模型栅格数据模型像元值像元值栅格数据模型栅格数据模型像元大小像元大小n分辨率：网格像元的大小，30m的网格像元表示实际面积900m2n像元越小，分辨率和精度越高 (表现的地物越细) n存贮和处理成本随分辨率增加而上升栅格数据模型栅格数据模型栅格波段栅格波段nComprehensiven1 or N Bandsn1-64 b

15、its per bandncompressed or pressedn80+ formats supportednpyramids (rrd, ovr, internal)栅格数据模型栅格数据模型空间参照空间参照n原始栅格数据没有空间参照信息，但如果使用栅格数据，需要地理坐标位置，所以需要给栅格数据配置地理坐标n如何匹配？432499,3877103432619,3877223NAD83 UTM 11N左下角右上角栅格数据类型栅格数据类型n卫星影像：从地球表面反射或发射的光能n数字高程模型：由等间隔海拔数据的排列组成，以点为基础的，可转换到栅格n数字正射影像：消除照相机镜头和地形起伏引起位移n

16、数字栅格图：地形图的彩色扫描图像n二值扫描文件：地形图的黑白扫描图像 n图形文件：照片等n特定GIS软件的栅格数据：ESRI GridnASCII码文件：以栅格数据存放的ASCII码文件补充：补充：“4D”“4D”产品包括产品包括DEMDEM，DOQDOQ，DRGDRG，DLGDLG栅格数据模型栅格数据模型n优点：高精度，文件大，数据结构简单n需要解决问题：有效存储、处理更快、容易检索、多个客户同时操作n上述问题都与数据结构、数据压缩有关栅格数据结构栅格数据结构栅格数据常用数据结构逐个像元编码游程编码四叉树编码逐个像元编码逐个像元编码n存储格式：按矩阵逐个像元存放，像元值写成一个行列式文件n适

17、用单元值连续变化的数据，例如，数字高程模型、卫星影像n优点：最简单数据结构n缺点：存在重复像元值时，存储冗余 （行号，列号，像元值）（行号，列号，像元值） (1,1,1), (1,2,1), (1,3,1), (1,1,1), (1,2,1), (1,3,1), (1,4,1), (1,5,2), (1,4,1), (1,5,2), (1,6,2),(1,7,3), (1,7,3)(1,6,2),(1,7,3), (1,7,3)游程编码游程编码n解决“逐个像元编码”的单行冗余n存储格式：合并相邻同值网格，以行、单元个数、单元值记录n优点：节约部分存储空间n缺点：还有跨行冗余（行号：相同像元个数

18、）（行号：相同像元个数）行行1: 4“1”1: 4“1”，2“2”2“2”，2“3”2“3”行行2: 5“1”2: 5“1”，2“2”2“2”，1“3”1“3”。四叉树编码四叉树编码 n解决“游程编码”的跨行冗余n存储格式：将空间区域按照四个象限进行递归分割，直到子象限的数值相同为止n优点：存储面状数据栅格数据压缩栅格数据压缩n做法：减少栅格文件的数据量n目的：有利于数据传输和网络制图n压缩方法n无损压缩：精确还原原始图像，如游程编码格式、TIFF格式，数据量超大n有损压缩：无法精确还原原始图像，如JPEG格式，可以减少数据量数据转换与综合数据转换与综合n栅格化栅格化n矢量数据转换为栅格数据矢量数据转换为栅格数据n自动方式，且操作简单，大部分自动方式，且操作简单，大部分 GIS GIS软件都提供软件都提供n转换步骤转换步骤n指定栅格文件的范围，指定栅格数据的分辨率，像元赋指定栅格文件的范围，指定栅格数据的分辨率，像元赋初值初值0 0；n改变对应点的像元值，点赋值改变对应点的像元值，点赋值1 1，线赋线值，面赋值，线赋线值，面赋值n多边形内填充多边形值多边形内填充多边形值数据转换与综合数据转换与综合n矢量化n栅格数据转换为矢量数据n自动提取目前做不到，依赖手工提取，操作复杂，耗时长n基本步骤:线的细化、线的提取、拓扑关系的重建数据转换与综合数据转