空间数据库的第三章讲稿

1、空间数据库的第三章讲稿第1页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五经典空间数据模型 以“结点-弧段-多边形”拓扑关系为基础的数据模型，面向整个空间区域，以基本几何元素点、线、多边形为数据组织单元，以点、线、多边形的拓扑关系为中心来组织和存储几何数据。存储复杂的拓扑关系，没有重视具有完整地理含义和独立意义的地理实体作为个体存在的事实第2页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五经典空间数据模型 Back一、地理实体模型 （空间目标模型、实体几何模型）二、专题地图矢量模型 （路径拓扑模型、 网络拓扑模型、NODE模型、网络模型）三、矢/栅混合数据模型 （苏森古特二

2、叉树、 矢/柵一体化模型）四、变焦数据模型 五、基于现象的超图数据模型 （概念、模型、 基本实体表示、复合实体表示）第3页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五地理实体模型（空间目标模型1）一、空间目标模型空间目标是表达空间记录的逻辑数据单位，主要特征是均质性。空间目标可能是一个具有完整地理含义的地理实体，也可能是一个地理实体的组成部分，还可能既是一个地理实体又是另一个地理实体的组成部分。一个空间目标主要表达的信息： 1、标识：区分一个实体与另一个实体。2、分类信息：分类体系和分类码，定义、区分实体，描述类别或含义。3、几何信息：描述地理实体的位置、形状和大小等。4、几何类型

3、：说明地理实体的形状属于哪种几何类型。5、地名信息：地理实体的命名字符串及参考定位点等，具有标识作用。6、组成关系：复合对象与成分对象的组成关系。7、数量/质量特征：地理实体的各种主题属性。8、文字描述信息：地理实体的文字描述信息。 第4页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五地理实体模型（空间目标模型2）表达一个空间目标的形状与大小、数量与质量特征的信息结构称为空间目标模型，也称微观模型，用目标头来定义。Back第5页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五地理实体模型（实体集合模型1）二、实体集合模型描述地理空间的宏观结构，表达地理实体或空间目标之间的分类

4、关系、定位关系、拓扑关系。 （一）分类关系地理实体之间的一种类别层次关系。按地理分类体系对实体进行分类，为每个类别分配一个分类编码，这种分类编码构成一个分类层次树，反映地理实体的类别和等级归属关系。通常按照国家基本地形图图示规定的分类标准+专业分类标准进行分类，地理实体的分类关系是一种层次模型。如果不同的地理实体在空间上发生部分共位现象，则将地理实体划分为多个空间目标，空间目标间的分类关系是一种网状模型。 第6页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五地理实体模型（实体集合模型2）（二）定位关系描述地理实体或空间目标的空间位置分布。采用一种面向位置的数据结构，用近似方法表示地理

5、实体或空间目标间的接近度，目的是实现定位检索。首先用一定的方法（如正方形方格网）划分空间，建立空间索引，每个索引单元中记录位于或穿过该单元的地理实体的关键字，用一定的数据结构（如变长指针或位图法）组织索引单元。（三）拓扑关系拓扑关系通常存储在几何数据模型之中。Back第7页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（路径拓扑1）路径拓扑模型的主要特点是将二维空间要素（多边形）的边界作为独立的一维要素（边）来单独处理，将一维要素看作一条路经，只考虑一维要素内部点和线的连接关系（路径拓扑），不考虑二维要素之间的相邻关系（网络拓扑）。 第8页，共40页，2022年，5月

6、20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（路径拓扑2） 一、面条模型（Spaghetti Model）无拓扑关系的、冗余的矢量逻辑模型。图3-16为图3-15中多边形网络对应的面条模型，各多边形的边界以坐标串方式记录，坐标串和多边形间不必相互对应，所有拓扑关系都根据需要来计算，难以实现对多边形的操作。这种模型可以毫无限制的将异类对象点、线、面混合存储，且容许多条折线在平面中相交，数据库中不显式存储各折线的交点。 第9页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（路径拓扑3）二、多边形模型（Polygon Model）多边形模型也叫“多边形环路法”，“面域边界法

7、”或“独立实体法”。将多边形的边界点坐标以多边形为单位独立记录，每个多边形的编码与存贮毫不顾及相邻的多边形，图3-17为图3-15中多边形网络对应的多边形模型。每个多边形很容易被识别和提取，但两个相邻多边形的共用边界均获取与存贮两次，增加了数据的存储量，会产生裂隙或重叠。没有建立各个多边形实体之间的拓扑关系。 第10页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（路径拓扑4）三、点/字典模型（Point Dictionary Model）点/字典模型是对多边形模型的一种改进，它记录多边形边界上各点的编码，以数据字典形式记录各点的坐标值，通过字典可实现点编码到点坐标间

8、的转换，图3-18为图3-15中多边形网络对应的点/字典模型。由于相同点坐标的唯一性，不会产生“裂片”，但公共边界上点的编码仍被记录两次。克服了多边形之间可能出现的裂隙与重叠，但仍没建立多边形间必要的拓扑关系。 第11页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（路径拓扑5）四、链点字典模型 (Chain/Point Dictionary Model）链点字典模型（3-19）记录构成每个多边形的链、构成每条链的点及每个点的坐标值。点字典实现所有点编码到点坐标的转换，每条公共边作为一个独立边由一个点号序列来定义，每个多边形由边序列来定义。 Back第12页，共40页

9、，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑1）对路径拓扑模型的改进与完善，强调多边形之间关系的描述。一、DIME数据模型 GBFDIME(Geographic Base FileDual IndePendent Map Encode 地理基础文件/双独立坐标地图编码系统)是美国人口调查局在人口调查基础上发展的地理信息系统，形成于1969年，对空间数据模型和结构发展有很重要的贡献，具有典型性。第13页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑2） DIME文件的概念基础是图论，DIME模型通过直线段序列显式存储拓扑关系，基本元

10、素是由两个顶点定义的直线线段。复杂曲线由一系列逼近曲线的直线线段表示，对每条直线段、每个顶点和结点都唯一标识。直线的各端点有坐标，每条直线段有起点与终点，直线段两侧有左右多边形。 第14页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑3）二、POLYVRT数据模型(Po1ygon Convertor) 多边形转换器(Po1ygon Convertor)由哈佛大学计算机图形及空间分析实验室（Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis) 研制和发展。是一种改进的简单拓扑模型，在数据处理等方面比DIM

11、E模型效率高。POLYVRT模型的基本元素是“链段”，链段由任意多个顶点（形状特征点）构成，这些顶点的序列表示了链段的几何形状。链段两端为结点，链段两侧有两个多边形区域。第15页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑4）POLYVRT由链段和结点文件构成，链段中不仅存贮了描述多边形形状的几何信息，还存贮了构成多边形的各元素（面域、链段和结点）之间的拓扑关系，另外，还为每个多边形建立了一个环绕其边界的链段目录表。以链段为基础的POLYVRT系统是当今各种图形数据结构的基本骨架。 第16页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢

12、量模型（网络拓扑5）三、TIGER模型TIGER（Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing System）系统是美国人口调查局将GIS技术应用于人口调查的典范。美国人口调查从早期借助地图的人工走访（1950年以前），经地理信息支撑初步自动化的DIME阶段（1980年前后），到地理信息支撑高度自动化的TIGER系统。其中DIME文件是由数百人单独完成的，彼此之间缺乏一致性检测，而TIGER系统能确保人口调查数据的精确性和一致性。一、TIGER的详细含义T（拓扑Topologically）：用科学的方法描述地图上点和线

13、的相关性。I（集成 Integrated）：TIGER是一个数据库系统，将地图信息、GBF/DIME文件和地理区域联系文件集成在一起，防止不同文件间的不一致和错误。G（地理 Geographic）：表达了TIGER的空间定位含义。TIGER文件是用来表示地球表面上的地理要素或区域的技术方法，TIGER系统的主要目的是确保这些要素或区域既不重复也不遗漏。E（编码 Encoding）：把地理信息存贮到TIGER系统中，以数据形式存在。R（参考Referencing）：TIGER系统确保对地球表面上的要素能自动地存取协调一致的信息，TIGER模型是世界上最大的集成数字地理数据库。 第17页，共40页

14、，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑6）(二)TIGER模型的整体结构地理实体或空间目标分为 0 维元素点、1 维元素链与 2 维元素多边形。0 维元素：两个或更多 1 维元素的交点或端点，不是中间点（顶点）。1 维元素：指连结两个 0 维元素的链，它不表达线段形状。2 维元素：由一组联接起来的 1 维元素所形成的最小多边形区域。TIGER模型的整体结构包含 0 维元素表、1 维元素表与 2 维元素表，及为0 维元素和 2 维元素表分别建立的索引目录（1 维元素表不含目录）。目录表与相应数据表中的记录1-1对应，目录表存储为 B树结构。 第18页，共40页，

15、2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑7）(三) 0 维元素结构 第19页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑8）图3-24(b)表示了TIGER模型中 0 维元素的结构及各种联系。0 维元素有 0 维目录和 0 维元素表两文件，两文件中的纪录 1-1 对应，可从 0 维元素目录进入 0 维元素表。0 维元素表通过指针与其属性表相连，0 维元素表具有指向1维元素的指针。1维元素表中通过始点和终点字段，建立了0元素与1维元素之间的拓扑关系。四、2 维元素结构图3-24(c)表示了TIGER模型中 2 维元素的结构及各种

16、联系。2 维元素有 2 维目录和 2 维元素表两文件，两个文件中的纪录 1-1 对应，可从 2 维元素目录进入 2 维元素表。2 维元素表中的记录包含一些数据字段和指针，其中一个指针指向 1 维元素表中以该 2 维元素为左侧或右侧多边形的第一个1 维元素记录，用以遍历那些环绕该 2 维元素的其它 1 维元素。如果 2 维元素表中需要存储的属性太多，可建立2 维元素描述符表和其他属性表，存储不经常存取的属性，诸如形心、周长、面积或人口数等属性。图3-13(c) 表示了TIGER文件中 2 维元素的各种联系。 Back第20页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型

17、（网络拓扑9）第21页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑10）五、1维元素结构图3-24(d) 表示了TIGER文件中 1 维元素的结构及各种联系，1 维元素表示线状要素，是TIGER模型的中心元素。1 维元素表中含有指向 0 维元素表、2 维元素表、1 维元素形状表、1 维元素描述符表、甚至1维元素表内部其它记录的指针，往返和穿行于1维元素表的指针把TIGER模型的各部分集成在一起。1 维元素表包含要素属性或指向属性文件的指针，常用的属性存贮在元素表中，其它属性存储在 1 维元素描述符表中。1 维元素记录还设置最小外接矩形字段，用于建立空间索引

18、，以加快空间查询。 第22页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络拓扑11）Back第23页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（NODE模型）NODE模型用结点结构来组织点、线、多边形之间的网络拓扑关系。任何一个结点有且仅有三个相邻结点，如果存在四个以上的相邻结点，则补入一个具有相同位置的虚拟结点，原结点与虚拟结点间的长度为0，以保证每个结点具有三个相邻结点的特性。每个结点都具有且仅有三条相关链和与这三条相关链相关的右多边形（按右手法则确定）。拓扑文件中记录各结点的三个相邻结点、三条相关链和三个右多边形。图3-25为

19、NODE模型的一般形式。Back第24页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五专题地图矢量模型（网络模型）2、折线Polyline（1维）：几何类型为“线类型”，表示网络弧段和区域边界。呈线状分布、有确定长度，面积不重要的空间现象抽象为线，线的形状用其中心线上拐点构成的坐标串序列来表示。两相邻拐点间用直线连接叫线段或边，用曲线连接叫弧线，线段或弧线的端点叫顶点，顶点表示线的形状。有限条线段或边连接成折线（Polyline），有限条折线和弧线连接成链。折线或链的端点（始点、终点）和交点均称为结点，折线或链由始点和终点来界定，多条折线或链通过结点相连。空间数据库中线类型可表示如下

20、几何特征：（1）线段或边：两顶点间的直线。（2）简单折线：多条线段相连接，以结点为端点。折线内无分支、任一对线段不相交。（3）闭合折线：始点和终点重合的折线。（4）单调折线：以结点为端点（始点、终点）的折线。画一条与折线不相交的直线L，过折线上每个顶点作L的垂线，如果每条垂线与折线只有一个交点，则该折线是单调折线。（5）弧：形成一条曲线的点轨迹，可用数学函数定义。以结点为端点。包括：圆、圆弧、椭圆、椭圆弧、bezier样条曲线、张力样条曲线等。Back第25页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五矢/栅混合数据模型 （一）一、苏森古特二叉树苏森古特（Sussenguth）二叉

21、树表示的混合式数据结构示意如下： 用一个边长越来越小的多层嵌套的正方形网格覆盖在图幅上（图3-27），然后把这种层次结构映射为一个苏森古特二叉树（图3-28)。其叶子包含位于（穿过或部分覆盖）相应正方形的每个点状、线状和面状要素的存贮区地址，在存贮区中这些要素用矢量形式表示。正方形和二叉树继续细分，直至每个网格（或每个树枝）只含有一个要素或已达到预先规定的最低层次，只有最低层次的叶子才可以包含多于一个的要素地址。 第26页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五矢/栅混合数据模型 （二）二、矢/栅一体化模型矢/栅一体化模型是兼有矢量与栅格结构特点的另一种混合数据结构，如图3-2

22、9所示，这种数据结构的基本逻辑单元是条带。当数据按栅格方式组织时，将栅格划分成在Y方向有固定宽度的条带，两条带之间有一组邻接线划。每个条带既含有栅格成份，也含有矢量成份，采用同样的栅格分辨率记录。每个条带的前沿（最小Y值）纪录为栅格格式的单个扫描行，作为条带的索引记录，其中包含每根线条的标识和交点的X坐标。 。 Back第27页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五变焦数据模型（一）变焦数据模型反应了多尺度观测时空间数据的结构。变焦模型中，图形比例尺的变化不是简单的图形尺寸缩放，它伴随着各个物体的细节和数量的增减（图3-30），变焦模型的核心问题是建立多层存储结构。 第28页

23、，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五变焦数据模型（二）一、物体细节分层存贮图形曲线综合算法把线段分为树形结构，下一层反映更多的细节，这些细节的坐标是树中更高层内容的中间点（图3-31）。为了在多种比例尺范围内能快速检索图形数据，把图形数据分层存储，每层包含更高层的中间点，如果一个数据库按这种方式划分曲线，则只需按图形输出的比例尺来确定相应的存取级别。 第29页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五变焦数据模型（三）图3-32所示的树结构表示图3-31中海岸线综合的三个层次，结点旁的数值表示要从下一层中向该结点的左边和右边插入的点数，第二层中内含“+”的结点

24、是为保持树的连通性而增加的插入点。 第30页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五变焦数据模型（四）二、多级变焦为了给不同应用提供不同详细程度的空间数据，要在存贮最详细内容的基础上建立二维参考索引，索引中存放各专题要素不同综合级别的数据地址，对该矩阵的每个结点都有一个数据指针（图3-33）。该方法把线性数据以坐标树的形式存贮，所检索曲线的详细程度或综合程度是可变的，取决于穿越树的深度。树的各层以不同的记录分离存贮，按线段的属性码检索时，只需根据所选比例尺，存取足以表示该曲线的那些坐标点。树结构线性存贮与数据的网格划分能加快数据库检索速度。 Back第31页，共40页，2022

25、年，5月20日，12点29分，星期五超图模型的概念（一）第32页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五超图模型的概念（二）第33页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五超图模型的概念（三）Back第34页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五超图数据模型（一）一、超图数据模型的基本单元 1、类别：同类要素的集合，超图中用环绕集合中元素的一条边和一个代表类别名字的特殊顶点来表示，如图3-36所示的公路类。 2、类别的属性：类别的性质，由特殊顶点表示，图3-37是公路类的属性。3、要素：类别的元素，如某一条具体公路。类别中的要素个数不受限制。4

26、、要素的属性：类别中要素的属性，是类别属性的具体取值。如：雁塔路的等级、路面质量和具体宽度。图3-36 类别的表示图3-37 类别的属性 第35页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五超图数据模型（二）5、类别间的联系与要素间的联系两个类别间可有多种联系，每一种联系表示不同性质的联系，通过超图类别间的弧线来表示。要素间的联系表示要素之间实际存在的联系，用以描述特定的现象。两类联系均可以是层次性或非层次性的。 （1）类别间的层次联系：一个类别可有一个双亲类别和一个或多个子女类别（或空），形成一种树结构。类别间的层次联系是一种概念上的联系，是一种联系模式。第36页，共40页，20

27、22年，5月20日，12点29分，星期五超图数据模型（三）（2）要素间的层次联系：是类别间层次联系的具体体现。如：每条公路是 “公路”集合的元素，是“公路”类别中的要素，而每条公路又由路段构成，“路段”是“公路”的下属类别。（3）横向联系或非层次联系：类别间或要素间不仅有竖向联系，而且也有横向联系或非层次联系。如：“公路”类别与“城镇”类别间没有隶属关系，但有对等的“连接”与“被连接”关系，图3-40描述了“公路”和“城镇”两个类别间的非层次联系。 图3-39要素间的层次联系图3-40 类别间的非层次联系第37页，共40页，2022年，5月20日，12点29分，星期五超图数据模型（四）图3-41描述了要素间的非