第2章-地理空间现象的计算机表达

空间数据库技术

李瑞改

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空间数据库课程组织

m地理空间现象的计算机表达胃I地理空间现象的计算机表达

d空间数据如何组织■驾空间数据模型

关系数据库是如何组织关系数据的司关系数据库

H空间数据库体系结构是什么4空间数据库体系结构

关系数据库能否用于存储空间数据■关系数据库接口与SDE

目前的空间数据库系统0空间数据库系统的建设、

开发及互操作等

第二章地理空间现象的计算机表达

■地理空间及其表达

♦地理空间

♦空间实体

—♦空间实体的描述

■地理空间数据及其特征

■空间数据结构的类型

♦矢量结构

♦栅格结构

测量：位置

编码：属性

建立关系：

表达

地理现象的表达

矢量数据

点：位置：（*,夕）

属性：符号

线：位置：（历,"）,（%2/2）,…，（右外）

属性：符号一形状、颜色、尺

■Eucalypts面：位置：

PineForest

（//1）,（%2，四）,…，（%方）,••

•11属性：符号变化

House

6555000

561000581000

地理现象的表达

第一节地理空间及其表达二

一、地理空间：

物质、能量、信息的形式与形态、

结构过程、功能关系上的分布方式

和格局及其在时间上的延续◎

♦建立在地理空间坐标系基础上

♦地理坐标（经度、纬度）是描述地理空

间信息最直接的方法。

地理空间坐标系

地理坐标系是以地理极

(北极、南极)为极点。

通过P点作椭球面的垂

线，称之为过P点的法线。

法线与赤道面的交角，

叫做P点的纬度a

(Latitude)。

过P点的子午面与通过英

国格林尼治天文台的子

午面所夹的二面角，叫

做P点的经度入

(Longitude)。

坐标参考系统一平面系统

建立在平面上的直角坐标系统，用

(*,J)表达地理对象位置

我国的大地坐标系

我国现有三种大地坐标系并存:

♦她？'I也才，

♦1.980

♦选用1975年国际大地测量协会推荐的国际椭球

♦赤道半径=6378140.0000000000m

♦极半径=6356755.2881575287m

♦地球扁率=1/298.257

♦原点：陕西省泾阳县永乐镇---西安原点

地图投影：投影实质

Pointof

二、空间实体

空间实体指具有确定的位置和形态特征并具有地理意义

的地理空间物体，空间实体具有确定的形态（可以不可

见），空间实体的空间属性和非空间属性。

,空间实体的空间属性

以空间实体为定义域，随空间实体的延展而变化的地理现象（变

量）成为空间属性，例如河流深度、水流速度、水面宽度、土壤类型

等。

♦空间实体的非空间属性

不随空间实体的延展而变化的地理现象（变量）成为非空间属

性，例如河流名字、城市人口等。

二、空间实体

空间数据的组成部分:

♦关于空间实体形态和位域的几何数据

/关于空间实体主体的属性数据

/关于空间实体位域上的空间变量的统计数据或

模型参数

堂

棠东

公园

天河区人民政府

⑥

广东的境即，

赛

黄洲工业t

JL州化学纤维厂

圾封支凝一

广州

・广州南

三、空间实体的描述

现实世界经过抽象形成概念世界，然后形成数据世界。

把现实世界的地理事物表示成各种数字和字符形式，并记

I录在计算机中，形成数据世界。

空间数据在数据世界的描述方式有两种:

■基于实体对象的描述

■基于场的描述

三、空间实体的描述

■基于实体对象的描述

把信息空间分解为对象（Object）或实体（Entity）淇

特征如下

（1）被识别；

（2）重要（与问题相关）

（3）可被描述（有特征）

♦点状：气象站、山峰、企事业单位等

♦线状：河流、海岸线、铁路、行政边界等

♦面状：土地利用模式、湖泊等

点（point）实体

有位置，无宽度和长度;

数据描述方式：（*,y）

Pointnumberx,ycoordinates

(2,8)

(3,3)

(A7)

(9刈

美国佛罗里达洲地震」

该洲可能的50（H

线(line)实体

三有长度，但无宽度和高度三

•用来描述线状实体，通常在网络分析中使用校多

•度量实体距离

面(polygon)实体

s具有长和宽的目标

•通常用来轲白然或人工的封闭多边形

,一般分为连续面和不连续面

［据描述方式：(xl,yl)(x2,y2)(x3,y3)(x4,y4)L„(xl,yl)

Polygonnumberx,ycoordinates

(Z5),(3r8M…(Z5)

2g41(8,4),…g4)

面(surface)

=

不连续变化曲面，如土壤、

森林、草原二土地利用等,

属性变化发生在边界上，面

的内部是同质的。

连续变化曲面：如地形起

伏，整个曲面在空间上曲

率变化连续。

空间对象：体(Solid)

量有长、宽、高的目标=

•通常用来表然的三解I**建

筑、矿体等三维目：!示

［据描述方式：(xl,yl/1)(x2,y2^2)(x3,y3,z3)(x4,y4,z4)...

香港理工大

学校园建筑

三、空间实体的描述

■基于场的描述

把地理空间的事物和现象作为连续的变量看待

(1)图斑模型(用数学函数表示某一属性的变化)；

(2)等值线模型(等高、等温)；

(3)选样模型(离散点、断面线、不规则三角网、规

则网格)

CanbeusedtorepresentDigitalTerrainModel(DTM)

■表达方式:

♦矢量表示法（矢量数据模型）

光用没有先小的点和出7

元素

L栅格表示法（栅格数据模型）

系'

21I河流

212道路

213333湖泊

2133335居民地

2133333

21333

21

2

12

122

155522222

1155522

111

空间对象（实体）的矢量表达

点：位置：（*,y）

属性：符号

线：位置：（*1m）式均6）广・，（*nJn）

属性：符号一形状、颜色、尺寸

面：位置：（*1必）,（%仍）,…,3叫），…，（玄弘）

属性：符号变化

等值线

空间对象（实体）的栅格表达

栅格数据模型矢量数据模型

第二节地理空间数据及其特征

空间对象的基本特征：

・空间特恁「

一♦绝对定位--某一坐标系的位置信息

♦相对定位实体相互关系的拓扑信息

/属性特征

描述空间对象的特性,即是什

么，如实体特征的名称，等级和数量

等。

■拓扑的概念：

明确定义空间结构关系的一种数学方法。

■拓扑元素：

I点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点

I线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段

I面：若干弧段组成的多边形

■拓扑关系：

邻接：相同拓扑元素之间的关系

一关联：不同拓扑元素之间的关系

包含：不同级的元素之间的关系

拓扑邻接：NJN2,Nr/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3

拓扑关联:NJei、e3.e6;PJe】、e5、e6

拓扑包含：「3与巴

e

2N、

2

N、

针

坐标

第一个到达弧段

elxl,yl

e2x2,y2

x3,y3

e

1

集

合4

4

e2

1>

!»,

4

右多

3左多

r

-

边

边

形

I形

2

P1P0

3IN1IP2P0

1IN2IP3P0

4IN3IP2P3

IN3I

多边指针

属性

形名顺时针第一弧段逆时针第一弧段

POto

Pleltl

P2e2e5t2

P3e3e4t3

多

空间拓扑关系表达一关系表

■表2・3弧段与结点

的拓扑关系

表2・1面域与弧段弧段结点

的拓扑关系aA,B

域

面bB,D

-gcD,A

P1c,f

P2dB,C

3P3

P4eC,A

fC,D

表2・2结点与弧段

的拓扑关系表2・4弧段与面域

结点弧段的拓扑关系

Aa,c,e弧段左邻面右邻面

Ba,d,baPoPi

b

Cd,e,fP2Pi

cPPi

Db,f,3

dPoP

Eg2

ePoP3

fP3P2

gPi

空间数据的拓扑关系在GIS中的意义

・确定地理实体间的相对空间位置，无需

坐标和距离

.利于空间要素查询

・重建地理实体

GIS中引入拓扑关系的优缺点

■优点

C描述点、线、面的空间关系不完全依赖于

具体的坐标位置。

C空间关系信息丰富、简洁，数据冗余小。

C方便多边形和多边形的叠合。

C便于检查数据输入过程中的错误。

■缺点

C拓扑关系建立过程比较复杂

C数据结构本身复杂

第三节空间数据结构的类型

■矢量数据结构（隐式表示）鼻总干坐标的

■栅格数据结构（显式表示）一基于格煮的

常用的空间数据结构

显式表示（栅格）

C

rc

就是栅格卡的一系列像元,1ccc

1cccc

ccwe

（点）,为槌计算机认识这些ccc*

cac

彳象元描述的是某一物体而■

cc•e

C€cccc

不是其它物体。C：CYccc4;

CCtcccc

-

>

注：“C”不一定用C的形式，CCecV

Cce•

而可以用颜色、符号、数Ccc

Cc.c

字、灰度值来显示。c

*c

则得到椅子的简单数据结构1任

Lk1

为：

才“子的属性---符号/

颜色---，像元X46

隐式表示（矢量）

隐式］最示：

由一系列定义了始点和终点的

线及某种连接关系来描述，

线的始点和终点坐标定义为

一条表示椅子形式的矢量，

线之间的指示字，告诉计算

I机怎样把这些矢量连接在一

起形成椅子，隐式表示的数

据为：

椅「仙扃性----、系

列矢量——连接关系

I47

一、矢量数据结构

■概念:

矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地

理实体。

■特点：

♦定位明显、属性隐含

f能最好地逼近地理实体的空间分布特征

数据精度高

♦数据存储冗余度低

♦便于进行地理实体的网络分析

♦对多层空间数据的叠合分析比较困难

■获取方法

♦手工数字化法；

♦手扶跟踪数字化法;

♦数据结构转换法。

-一、矢量数据结构〜

■简单数据结构一面条结构

♦数据编排直观，数字化操作简单

♦重复存储，造成数据冗余和不一致

♦数据间无拓扑关联

♦岛是单个图形，与外界多边形无联系

I♦不易进行多边形分解和合并，邻域处理较复

I杂

I/适用范围：

♦制图及一般查询，不适合复杂的空间分析

简单数据结构一面条结构

E(x5,y5),(x18,y18),(Xi9,yi9)Xxi65yi6)

(再7，17)式题*),(必•)(X5J5)

面条结构特点及适用范围

，特点：

♦数据编排直观，数字化操作简单

♦重复存储，造成数据冗余和不一致

♦数据间无拓扑关联

♦岛是单个图形，与外界多边形无联系

♦不易进行多边形分解和合并，邻域处理较

复杂

＞适用范围：

♦制图及一般查询，不适合复杂的空间分析

索引结构

BD

线

与

多

边

形

之I

f

间

的

树

3oQ

状2

J

2o

o1r

索BcXo

引27

2r23

2rop

hovn

c2

一D

Qo

Jo

.1

AE121

2o

n

bd

a-

OL

1819

而之间的结府组成

♦阚少存储的存储空间

拓扑数据结构

❖内容

♦DIME（双独立地图编码法）

.POLYVRT（多边形转换器）

k♦TIGER（地理编码和参照系统的拓扑集成）

弧段、链段

❖特点二

.：.点是相互独立的，点连成线，线构成面

拓扑编辑：自动查错编辑和自动生成多边形边界

t.便于进行数据组织和数据分析

拓扑数据结构

—瓠段号起结点终结点左三艺/三边

一

C4

N4

C1

C6C8

C5

N2

C7

N7

C9

N3N6

C10

弧段文件

弧段号起始点终结点左多边形右多边形

a510A

b85EA

c168EB

d1950E

e15190D

r13ibL)

g1150B

h81AB

i1619DE

j3131BC

弧段坐标文件

弧段号点号

a5,4,3,2,1

b8,7,6,5

c16,17,8

d19,18,5

e15,23,22,21,20,19

Bg,f,c,h,-jf15,16,

g1,10,11,12,13,14,15

Cjh8,9,1

i16,19

De,i,fj31,30,29,28,27,26,25,24,31

Ee,i,d,b

Arc-Node数据模型

File1.Coordinatesofnodesandvertexforallthearcs

ARCF_nodeVertexT_node

13.2,5.21,5.2______

21.31.8,2.62.8,33.3,43.2,5.2

3倬3.5,24.2,2,752,2.7

File2!.Arcsto|oology

ARCF_nodeT_nodeRjjolyL_poly

112ExternalA

221AExternal

334ExternalExternal

File3.PolygonstopologyFile4.Nodestopology

PolygonArcsNodeArcs

41.211.2

21.2

3|3

4|4

*

55

矢量数据结构的属性数据表达

■属性特征类型

♦类别特征：是什么

♦说明信息：同类目标的不同特征

■属性特征表达

♦类别特征：类型编码

♦说明信息：属性数据结构和表格

■属性表的内容取决于用户

■图形数据和属性数据的连接通过目标识

别符或内部记录号实现。

■是狗岛3=

指将数据分类的结果，用一种易于被计算

机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码

的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。

我国基础地理信息数据的分类代码由六位数

字组成，其代码结构如下所示：

XX"X

大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺

序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。

国土基砒倍息剧据今类与代妈举例

1:测量控制点

_/

/------------------------------------------------------------------\

—11:平面控制点

(---------------------------------------------------------------\

-1101：三角点

X__________________________________________/

T-oil：一等

T11012：二等

T11013：三等

1—11014：四等

I

Z------------------------------------------------------------------\

1—1102：导线点

Z"\

—12：高程控制点

H13：其他控制点

GAZ01-2004《城市警用地理信息系统标准体系》d

《城市警用地理信息系统建设规范》~

■GAT493-2004

GAT491-2004《城市警用地理信息分类与代码》~

GAT492-2004《城市警用地理信息图形符号》P

GAT529-2005《城市警用地理信息属性数据结构》一

GAT530-2005《城市警用地理信息数据组织及数据库命名规则》

GAT531-2005《城市警用地理信息专题图与地图版式》~

GAT532-2005《城市警用地理信息数据分层及命名规则》"

GAT629-2006《警用电子地图坐标系与比例尺》一

矢量数据结构的属性数据表达

点状目标标识地物编，

对象目标标识控制点等级精度测量年限测量单位

空

目标标识地物编码

间线状

对象

目标标识等级路面材料宽度修建时间管养单位

对

象

面状目标标识地物编边界目标号

对象

目标标识所有者建筑日期建筑单位建筑面积结构

地物类型特征与制图属性

地物编码地物名称几何类型制图颜色制图符号编码属性表明

/***MapinfoProfessional-[AGENCY,SGLOBJ,ROADLBL，…,MAPFRM地图]-同x|

星文件［:£］编辑国工具［口对象叵I查询9］表因选项旧地图［:⑷窗口［迎］帮助出］-IdIX

口I渐图|昼名|电||国|四|国i|四|国|团|、|用图l&l®lele回1|步|朝I)|应|固|工|南

"1111IIIII口1T父|7|・田|一

在建

西

汉

博

■南

双

球

・

物

越

井

工

馆

街

王

・

小

墓

学

由百木n树■名

视野：980m

矢量数据（2）

・广州

二、栅格数据结构

□概念：i

指将空间分割成q~~p

各个规则的网格单元，二二二

然后在各个格网单元内二二二

赋以空间对象相应的属二二二

性值的一种数据组织方-----

式。ZZB

栅格数据

栅格单元的值一中心取值和区域取值

给栅格像元中心点赋值

对于特定类型的数据，栅格像元的值表示的是

位于栅格像元中心点的值具有高程值的栅格

是其中的一个例子。

给整个区域的栅格像元赋值

对于大多数数据,栅格像元的值表示的是某一

现象的一个样本,这个值假设代表的是这个栅

格像元区域的值。

二、栅格数据结构-

■特点：

♦地理要素表达直观；

♦容易实现多元数据的叠合操作等空间分析；

♦有利于与遥感图像及扫描数据相匹配建库和

一使用；

♦输出方法快速，成本比较低廉；

♦不适于进行比例尺变化和投影变换；

♦图形数据量大；

♦精度取决于网格的边长；

♦网络分析和建工网络连接关系比较.困难。

点使用离散分布的单个单元格来表示，单元格的值表示某

个地理现象的属性，不同的值表示不同的地理对象或同一

地理现象的不同属性。

表示线

单条线通过一系列有序相连的具有相同值单元格来表示，不

同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性。

表示多边形

单个面表示为一簇具有相同值的单元格，不同的值

表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性

栅格数据的显示

栅格数据可以有一个或多个波段珊格像元的值可以用多种方式

显示,以下是棚格像元值的一些表达方式.

单波段栅格数据的显示

栅单波段珊格像元的值可用以下三种方式进行显示

格黑白影像

局S影像中.卷个橱格像元

数描述影像融色的一种方法是具有色

的值是零或一它们通常被用于

彩缺射表的图象喘格像元值被媛

的值范围为。到255.它10通

由前单线组成的办描地图,如