第5章GIS数据库-空间数据模型课件.ppt

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1、第5章 空间数据模型,序,空间数据表达：用矢量数据、栅格数据表达地理空间中的离散对象和连续场。无论矢量数据还是栅格数据，都体现了数据内部的逻辑关系，把这种对数据进行逻辑描述、组织和编排的方式称为“数据结构”。包括：矢量数据结构、栅格数据结构、矢栅一体化数据结构等。空间数据模型：把现实世界抽象为地理空间，把现象抽象为要素（实体），抽象的结果称为“空间数据模型”。根据抽象的层次，分为：概念模型、逻辑模型、物理模型。概念模型用E-R图或类图表示，逻辑模型用二维表表示，物理模型用户只需要做一些设置即可。,内容：,5.1 空间数据表达5.2 空间数据结构5.3 空间数据模型,5.1 空间数据的表达,1

2、空间数据基本特征2 地理实体描述3 地理实体间的空间关系,1.空间数据基本特征,空间特征用以描述事物或现象的地理位置以及空间位置相互关系。一般以坐标数据表现。空间特征数据又可再分为拓扑特征和几何特征（定位特征）。属性特征 非定位数据。用以描述事物或现象的特性。时间特征用以描述事物或现象随时间的变化。,Jack Dangermond1984空间数据的基本特征,表达1,表达2,空间数据,2.地理实体,表达什么？一棵树的表达：沙漠地区、平原地区一个城市的表达：大比例尺、小比例尺如何表达？离散对象和连续对象是空间表达的两种基本方式。离散对象：点、线、面、体连续场：污染变化，降雨量离散对象和连接场解决了

3、地理现象的概念表达问题，但是没有解决计算机的数据化表达问题。矢量和栅格是两种用于地理现象简化编码的方法。,1)矢量数据,在地理空间世界中，空间对象一般按地形维数进行归类划分，地理现象被抽象为点、线、面、体。抽象后的地理现象称为地理实体（空间实体）。1、点（0维）2、线（1维）3、面（2维）4、体（3维）矢量数据中的点没有大小，线没有宽度。,4）角点、节点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。,1）实体点：用来代表一个实体。,2）注记点：用于定位注记。,3）内点：用于记录多边形的属性与位置，存在于多边形内。,点实体,有位置，无宽度和长度,线实体,1）实体长度：从起点到终点的总长2）弯曲度：用于

4、表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游下游，公路，单、双向之分。,线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。,有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多,面状实体有如下特征：1）面积范围 2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。,面实体,具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形,空间对象：体,有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿

5、体等三维目标,体状实体一般具有以下一些空间特征：1）体积，如工程开控和填充的土方量。2）每个二维平面的面积。3）周长4）厚度5）高度,抽象成地理实体的空间现象,实体类型组合,现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：如：线面、面面、点面、点线,（1）线面组合,1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。2、线通过区域：公路上否通过某县。3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。4、线与区域分离：距离。,（2）面面组合,

6、1、包含：岛,某省的湖泊分布。2、相交：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。3、相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。4、分离：计算距离。,2）栅格数据,若将地理空间分成许多单元格（称为像元），所有的地理变量由这些单元格所赋予的属性值来表达，称为栅格表示。像元格的大小决定数据精度。,3.地理实体间的空间关系,空间关系是地理实体之间由实体的几何特性（位置、形状）所决定的关系。地理实体间的空间关系实际是研究实体间的拓扑关系。,1)拓扑关系的定义,Topology一词来自希腊文，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保持不变的几何属性拓扑属性。地理实体不仅

7、具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联、包含等空间相互关系特征，由于描述这种关系时不需要考虑空间坐标和距离因素，所以又称为拓扑关系。是明确定义空间关系的一种数学方法。在GIS中，用来描述并确定空间的点线面之间的关系及属性，并可实现相关的查询和检索。,2)对拓扑关系的理解,指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。,几何形状不同的图形，结点和面的拓扑关系可以是相同的。拓扑关系反映了空间实体之间的逻辑关系，它不需要坐标、距离信息，不受比例尺限制，也不随投影关系变化。,3)拓扑属性和非拓扑属性,4)拓扑元素,点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点线：两结点之间

8、的有序弧段，包括链、弧段和线段面：若干弧段组成的多边形,点:,面:,弧:,拓扑元素,5)拓扑关系分类,拓扑邻接：同类元素之间的拓扑关系。拓扑关联：不同类元素之间的拓扑关系。拓扑包含：同类不同级元素之间的拓扑关系。,拓扑邻接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：N1/1、3、6；P1/1、5、6 拓扑包含：P3与P4,6)研究拓扑关系的意义,对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义：1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。2）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

9、问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。3）根据拓扑关系可重建地理实体。,总结,栅格数据和矢量数据都可以表示拓扑关系。对于矢量图形的拓扑关系描述，主要有基于网络的拓扑模型 和基于点集理论的拓扑模型。,内容：,5.1 空间数据表达5.2 空间数据结构5.3 空间数据模型,5.2 空间数据结构,空间数据结构是指适合于计算机系统存储、管理和处理的空间图形的逻辑结构，是地理实的空间排列方式和相互关系的抽象描述。主要有：一.栅格数据结构二.矢量数据结构 三.矢栅一体化的数据结构四.曲面数据结构五.三维数据结构,一.栅格数据结构,1.基本概念2.栅格

10、数据属性取值3.栅格数据编码4 栅格数据来源5.栅格数据组织,1.基本概念,1)栅格结构定义：栅格结构将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个像元阵列，其最小单元称为像元或像素。每个像元的位置由行列号确定，其属性则以唯一属性值形式表示。,列：Y,行：X,像元,2)像元阵列：反映某一空间分布的像元队列，网格的基本单位通常为正方形。,3)像元属性：栅格单元值 通常用代码或数值表示，用来表现地理要素的属性特征（反射率、颜色、土地利用类型、降雨量、人口、高程等等）,4)像元栅格单元 网格基本单元的大小，对栅格图像的分辨率和计算精度起关键作用。,遥感影像：影像分辨率一个像元代表的实地面积,打印机：150

11、DPI、300DPI、600DPI,计算机屏幕分辨率：800600 1024768 12801024,i,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。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,X,Y,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。,2.栅格数据属性取值,问题：每个像元属性只能取一个值，实际上一个栅格可能对应几种不同属性值，如何取值？,1、中心点法取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。2、面积

12、占优法栅格单元属性值为面积最大者。3、重要性法取重要的属性值为栅格属性值。用于具有特殊意义的较小地物。4、长度占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。,3.栅格数据编码,1、直接编码2、游程长度编码3、块式编码4、链式编码5、四叉树编码,1）直接编码,无压缩编码。将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码。特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。,5,5A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,A,数据压缩栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。所以，出

13、现了各种栅格数据压缩方法。数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为：无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息-信息 保持编码。有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。-信息不保持编码。,2）游程长度编码,游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法。游程长度的记录方式有两种:记录每个游程始末列号 记录每个游程象元数,游程长度编码,逐行记录每个游程的末点列号,5，5A，2，B，5A，1，C，4，A，5D，1，C，3，A，5D，2，C，3，A，5D，2，A，5

14、,游程长度编码,记录每个游程象元数目,5，5A，2，B，3A，1，C，3，A，1D，1，C，2，A，2D，2，C，1，A，2D，2，A，3,游程长度编码的特点在各行数据代码发生变化时候记录代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩压缩方法有效便捷。压缩比和图的复杂程度成反比。变化多的部分游程数多，变化少的部分游程数少。因此，图越简单，压缩效率越高。,3）块式编码,将游程编码扩大到二维的情况。把多边形范围划分成若干具有同一属性值的正方形，然后对各个正方形进行编码。采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。,数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）依次扫描，编过的不重复。,如：

15、（1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),块式编码例：,（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，

16、5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。,块状编码的特点：一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块式编码的效果就越好；当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低。利于计算面积、合并插入等操作。,4）链式编码码,又称为弗里曼（Freeman）链码、边界链。它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。,将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录。步骤如下：（1）首先定义一个3x3窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这8种可能0-7进行编码。（2）记下地物属性码和起点行、

17、列后，进行追踪，得到矢量链.,a,a,a,a,a,a,b,链式编码表,链式编码的特点：对于线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力。具有一定的运算功能，计算周长和面积。探测边界急促弯曲和凹进部分比较容易。缺点是效率较低；局部改动对整体影响大；由于以区域为单位存储边界，相邻区域边界容易被重复存储产生冗余。,a,a,a,a,a,a,b,5）四叉树编码,基本思想：把一幅图像或一幅栅格地图等分成4部分，逐块检查其栅格值，若每个子区都含有相同值，则该子区不再往下分割，否则将该区域再分割4个子区域，如此递归分割直到每个子块都含有相同的属性为止。,0,1,2,3,10 11 12 13,120,用四叉树表示

18、一个多边形,四叉树这种逐级一分为四的方法，一直分到预定的最高分辨率为止。,四叉树的树形表示：用一倒立树表示这种分割和分割结果。根：整个区域高：深度、分几级，几次分割叶：不能再分割的块树叉：还需分割的块 每个树叉均有4个分叉，叫四叉树。,树杈结点,叶子结点,1 2 3 4 5 6 7 8,1 2 3 4 5 6 7 8,四叉树编码方法,（0）,（1）,（2）,（3）,0层,1层,2层,3层,记录每个叶子结点的地址和属性,0,1,2,3,20,21,22,23,200,201,202,203,230,231,232,233,四叉树编码的优点：高效、可变的分辨率，适应不同分辨率的数据管理。有效减少栅

19、格数据的存储量。缺点复杂，难于修改和更新。不存储拓扑关系。如果数据种类不同，处理效率低。,各种编码方式的特点,直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型；行程编码：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，十分适合于地理信息系统采用；链式编码：压缩效率较高，最为接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；块式编码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，是很常用的编码方法。,4.栅格数据的获取,获取方式1、目读法2、从扫描仪获取3、从摄像机获取4、从遥感中获取5、从矢量数据转换,1、目读法将一张透明格网纸叠置于

20、某图件上，根据某种占优法，直接用人工方法获取相应的栅格数据属性。当区域范围较大，或要求栅格单元尺寸比较小时，工作量大到使人很难忍受适用于所选区域范围小，栅格单元尺寸大的情况。,2、从扫描仪获取是获取栅格数据的主要设备。高精度，快速度，数据格式标准化。,3、从摄像机获取用摄像机可以获取各种景物的视频数据。从摄像机数字化输入的栅格元素数是相对固定的，例如512512，10241024等。,4、从遥感获取遥感是利用航空，航天技术获取地球资源和环境信息的重要途径。能周期性，动态的获取丰富的信息，并可直接以数字方式记录和传送。,5.栅格数据的组织,总结：,将栅格数据存储在数据库中，一个栅格单元就可以有多

21、个属性。栅格数据通常难以精确测量，且数据量大，不适合大量运算。但是其优点十分明显，数据结构简单，另外，卫星数据可以原封不动转入GIS栅格数据，还是，叠加运算十分容。,二.矢量数据结构,1.基本概念2.实体型矢量数据结构3.拓扑型矢量数据结构4.矢量数据组织5.栅格、矢量数据 结构比较,i,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。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。,矢量数据结构,X,Y,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,矢量结构,栅格结构,矢量数据结构,定义：用一系列有序的x、y坐标对

22、来表示点、线、面等地理实体的空间位置。特点：属性隐含，定位明显坐标空间假定为连续空间，能比栅格模型更精确地定义位置、长度和大小。,矢量数据,1.基本概念,矢量数据结构编码的基本内容,矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；,按矢量数据是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为两大类：实体型拓扑型,2.矢量数据分类,(X1,Y1),(X2,Y2),(X3,Y3),(X4,Y4),(X5,Y5),线 L,点 P,(X5,Y5),(X1,Y1),(X2,Y2),(X4,Y4),(X3,Y3),多边形

23、A,(X,Y),P（x,y)L(x1,y1)(x5,y5),实体是指地图的基本元素：点、线、面,1）实体型矢量数据结构,A(x1,y1)(x1,y1),（1）Spaghtetti模型,多边形 数据项A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)B(x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),(x16,y16),(x15,y15),(x14,y14),(x13,y13),(x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C(x24,y24

24、),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30),(x31,y31),(x24,y24)D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19)E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5),仅记录空间对象位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。优点：编码容易，数字化简单，显示速度快。缺点：数据冗余，可能出现重

25、叠或者裂缝，引起数据不一致。缺少拓扑关系，空间分析困难。arcGIS View 3.1 shapefile即采用这件数据结构。,（2）点位字典法,记录空间对象每个点坐标。建立点、线、多边形的边界表。消除裂隙和存储冗余。但仍然没有拓扑关系。,2,3,4,5,6,线 L,点 P,7,8,9,10,多边形 A,1,实体型数据结构的优点 结构简单、直观，编码容易实体型数据结构的缺点 数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧；实体互相独立，缺乏联系；岛弧处理比较困难,实体型数据结构的优缺点,空间信息,属性信息,各自位置,相互关系,拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法。在地理数据库中，它不但用于空间数据

26、的组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。表达拓扑的总思想是：点是独立的，点连成线，线连成面，线有起点、终点，并与左、右多边形邻接。构成多边形的线又称为弧段，弧段有交点。,地理数据库中存储的地理信息包括,2）拓扑型矢量数据结构,记录空间对象每个点坐标。建立点与边（线）、线与多边形的索引文件。用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。表达拓扑关系繁琐。,1、点文件：,索引文件：,3、面文件：,2、弧段文件:,（1）索引法,索引式,线与多边形之间的树状索引,点与多边形之间的树状索引,索引式拓扑结构的典型应用：,在ArcView中，每

27、个图形文件包括三个数据文件：1、.shp文件：存储各地图要素的坐标数据和几何数据；2、.shx文件：存储地图要素间的隶属关系；3、.dbf文件：存储地图要素的属性数据。,（2）链状双重独立式编码,简称DIME(Dual Independent Map Encoding，又称对偶独立地图编码法)，是美国人口统计系统1980年开始采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。以弧段为单位记录。DIME文件提供了关于城市街道，住址范围以及与人口普查局的列表统计数据相关的地理统计代码的纲要图,以弧段为单位记录。记录（1）弧段坐标文件、（2）弧段文件：链面，链结点关系、（3）面文件、（4）点拓扑文件：结点链关

28、系 表达拓扑关系明确。被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件。,拓扑结构的基本元素：,拓扑弧段（arc）,结点(node）,多边形（poly）,拓扑链、拓扑线段,拓扑弧段的两个端点，分别为首结点、尾结点,由数条拓扑弧段连接而成,结点编码：,弧段编码：1 2 3 4 5 6 7 8 9,多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5),(2),(3),(5),(4),(1),1,2,4,5,6,7,8,9,3,拓扑关系表的建立,表1：弧段坐标表,弧段,坐标对,(x3,y3)(x1,y1),(x1,y1)(x2,y2),1,2,4,5,6,7,8,9,3,1,2,3,表2：弧段多边形关系表,

29、弧段,左多边形,1,(1)(2),2,(1)(3),3,右多边形,(2),(3),(5),(4),1,2,4,5,6,7,8,9,3,(1),弧段,首结点,尾结点,表3：弧段结点关系表,1,2,3,1,2,4,5,6,7,8,9,3,(2),(3),(5),(4),1,2,4,5,6,7,8,9,3,表4：多边形弧段关系表,多边形,弧段,(1),(2),(3),1,2,3,1,4,7,9,(1),a4,a4,a1,a2,a2,a3,N1,N2,N3,N6,N4,N5,a5,a7,a7,拓扑型数据结构的特点,优点：数据结构紧凑，数据冗余小；拓扑关系明晰使得空间查询、空间分析效率高 缺点：对单个地

30、理实体操作的效率低；难以表达复杂的地理实体；局部更新困难,实体型与拓扑型数据结构比较,两者都是目前最常用的数据结构结构 实体型代表软件为MapInfo 拓扑型代表软件为ARC/INFO,易于编辑会产生数据冗余和歧异,消除了数据的冗余和歧异操作复杂，甚至会产生新的数据冗余,实体型,拓扑型,拓扑关系建立的技术,1 拓扑关系的交互式生成（通过人机交互方式实现结点、弧段、多边形拓扑关系的建立）主要步骤：1).利用鼠标按顺序得到构成封闭多边形的弧段，最终建立多边形的拓扑结构；2).利用鼠标确定某一弧段两侧的左右多边形，以建立弧段的拓扑结构。3).利用鼠标确定包围结点的多边形，得到结点的拓扑结构。2 拓扑

31、关系的自动生成,3.矢量数据组织,矢量数据表示时应考虑以下问题：矢量数据自身的存贮和处理。属性数据及几何数据与属性数据的联系。矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。,连接,识别符,4.矢量数据结构中的属性表达,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。,属性表达,1)由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。2)由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3)跟踪数字化

32、 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。,矢量数据获取方法,三.矢栅一体化数据结构,栅格和矢量数据模型的比较,矢量数据结构的特点,用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含。用拓扑关系描述空间对象之间的关系。面向目标操作，精度高，数据冗余度小。与遥感等图象数据难以结合。输出图形质量好，精度高。,栅格数据结构的特点,用离散的栅格描述空间对象与特征，属性明显，定位隐含。叠置分析和地理现象模拟较易。难以建立拓扑关系。数据结构简单，与遥感等图象数据容易结合。输出图形质量低，数据量大。,矢栅一体化数据结构,根据矢量数据模型与栅格数据模型的特点，在现实应用中，常结合二者，使用矢栅一体化数据结

33、构。如记录土地利用变化时，用栅格数据分析，得到图斑，再转化为矢量图层，生成土地利用变化专题图。而道路、电力网络分析中常用矢量数据进行网格分析。arcGIS 8.0推出的arcSDE 实现了矢栅数据一体化管理。例如，在矢量化一个线状实体时，除了记录端点外，还记录经过的栅格。,四.其它数据结构,曲面数据结构 Voronoi数据结构 TIN Grid数据结构 等高线三维数据结构,内容：,5.1 空间数据表达5.2 空间数据结构5.3 空间数据模型,5.3 空间数据模型,1.基本概念2.常用空间数据模型3.OGC的 Geometry对象模型4.Oracle 定义的栅格数据模型5.arcGIS数据模型分

34、类,1.基本概念,通过对客观世界进行抽象，建立模型，是认识世界的基本方法。根据抽象层次，分为：概念模型、逻辑模型、物理模型。,现实世界,信息世界（概念数据模型）,计算机世界（逻辑数据模型）,概念化,形式化,计算机世界（物理数据模型）,物理化,1）概念模型,面向用户的数据模型，与计算机无关。工具：E-R图，UML图,概念模型的建模方法,E-R图：,例：UML图,UML图：类、属性、方法、封装、继承 关联、聚合/组成、泛化、依赖,2）逻辑模型,逻辑模型要考虑如何用计算机表达概念模型中所含的信息。包含三方面意思：数据结构、定义在逻辑模型上的基本操作，和完整性约束。其中，数据结构表达了实体及其关系的内

35、容。“关系模型”是经典的逻辑模型。在地理信息领域，对象-关系模型被广泛应用。对象-关系模型支持扩展类型，如可以定义数组、向量、矩阵、集合等数据类型；支持复杂对象 和继承的概念,例：,在Oracle产品中，可以定义“学生”类型：Create type student as object(public sNo Integer,public Name Varchar)Not null;创建学生表：Create Table Stu(Alias char(10)GenInfo Student,);,3）物理模型,物理模型描述了数据在存储介质上的组织结构、存取方法等。例如，是顺序存储还是哈希表，不同的存储

36、结构，其查找方法不同。另外，还有建立什么样的索引的问题，是四叉树还是R树，等等。说明：物理模型中的很多问题通常是系统设计人员考虑的问题，不需要应用系统开发者考虑，但是需要数据库创建者做一些基本设置，如文件位置，大小限制，建立索引等。,2.常用的空间数据模型,现有的空间数据库和GIS软件 对空间数据的处理 均是基于某种数据模型的。,空间数据模型,矢量模型,栅格模型,几何模型（关注地物形状）,网络模型（关注地物连通）,要素模型（无拓扑关系）,拓扑模型,1)要素模型,对象模型，也称要素模型，是将连续地理空间中的地理现象或事件抽象成不连续的、可被观测的、具有地理参考的空间要素（Feature）或空间实

37、体（Entity，即点、线、面、体），也可将这些基本对象组成复杂对象。对象之间保持特定的关系，如拓扑关系、度量关系，简单对象和复杂对象之间的组成关系、继承关系等。,2）栅格模型,栅格模型，又称场模型 或域（Field）模型，是把地理空间中的现象作为连续分布的空间信息的集合，如地形高度，土壤类型等。在实现时，要考虑样点精度。具体有下面6种模型：规则分布的点、不规则分布的点、规则矩形区、不规则多边形区、不规则三角网、等值线。,3）网络模型,网络模型，是把地理现象抽象为结点、链，同时表达对象间的连通关系。网络模型可以认为是对象模型的一个特例。,说明：,1。数据结构强调数据的关联关系，数据模型强调数据

38、的整体布局，和数据的组织方式。在数据库时代，逻辑模型均用“二维表格”存储。2。在数据库时代，每一种模型在二维表中可以是基于“关系”型的，也可以是基于“对象-关系”型的，或者是“面向对象”的。,3.OGC的Simple Feature Acess即SFA中的几何要素类关系图,两种逻辑模型之一：基于预定义的数据类型的实现,系统表,预定义之一：,预定义之二：,物理实现细节,两种逻辑模型之二：基于扩展Geometry数据类型的实现,arcINFO中的几何对象模型,其它矢量模型,网络模型与 拓扑矢量模型 在OGC SFA规范中也有类似的 概念模型、逻辑模型 和物理模型表述,4.Oracle 定义的栅格数

39、据模型,栅格数据的分块和分级,4,GeoRaster 数据模型,GeoRaster使用一个基于组件的、逻辑分层并且多维的通用栅格数据模型。栅格中的核心数据是由栅格单元(或象素)组成的多维矩阵,并且这些核心的栅格数据集可以进行分块,用于优化存储、检索和处理。,GeoRaster数据模型,核心数据集,逻辑上分层,遥感影像,多波段多时相,波段（band）和图层（layer）是两个不同的概念。波段指的是多维栅格数据图像中的一个物理维度,一个波段对应一个频带。也就是说它是坐标空间中的一个坐标轴，这个坐标空间可以有行维、列维和坐标维。若最大的层数是n,则波段和层的对应关系可以表示为:层号=波段号+1,元数

40、据,对象信息,如描述和版本信息,栅格数据本身是一种无头无尾的数据,存储的时候一般是按照栅格单元的排列顺序以二进制流的形式写入存储介质的。只有通过读取栅格元数据信息(例如数据范围、数据类型以及数据压缩格式和数据长度等),才能对它进行正确的读取与解释。,这些元数据是根据发布的XML schema被存储为XML文档,可以通过访问SDO-GORASTER类型的METADATA属性得到所有的元数据信息。,坐标系统及其地理参照,GeoRaster数据模型中,描述地理栅格数据既可以采用单元坐标系(也称像素坐标系)来描述栅格矩阵中的像素的位置,也可以采用模式坐标系(也称大地坐标系)来描述与像素对应的地球上的实

41、际地理位置,即点的地理坐标。模式坐标系并不唯一,可能是经纬度,也可能是其它能与Oracle SR ID值相对应的某种逻辑坐标系。目前,GeoRaster只支持带有行、列和波段3个维度的单元坐标系,而对于模式坐标系,则只支持二维的。,栅格数据的分块和分级,数据分块。分块的策略是将原始栅格数据分割成若干大小一定的规则块状数据,使系统可以逐块地处理数据。每个分块都具有自己的元数据,存储在数据库中。分块之后不仅解决了单个BLOB字段的容量局限性,而且也提高了数据处理和网络的传输的速度及减少了内存消耗。,栅格数据的分块和分级,2)栅格金字塔 栅格金字塔策略就是对原始栅格数据按照某种方法进行重新采样,以得

42、到多种不同分辨率的栅格图像数据。不同分辨率的栅格数据被分别组织在不同的层面内,最底层的数据是原始数据集。上层数据量仅是相邻下层数据量的1/4,从而随着层数的增加,分辨率逐渐降低。,GeoRaster数据类型及相关表,GeoRaster DataBase,SDO GEORASTERSDO_GEORASTER类型主要用于存储栅格数据集的元数据,并且含有一个SDO_GEOMETRY类型的空间扩展属性SpatialExtent,用于建立空间索引以提高查询的速度。包含一个或多个SDO_GEORASTER类型列的表称为栅格表(Geo-Raster Table)。,SDO-RASTER而SDO_RASTER

43、类型利用一个BLOB类型的RASTERBLOCK分量来存储栅格对象的一个栅格块数据。由SDO_RASTER类型生成的对象表称为栅格数据表(Raster Data Table,RDT)。RDT用于存储一个栅格图像中的所有栅格数据,每条记录存储这个图像中的一个分块及这个分块的相关信息。,GeoRaster数据类型及相关表,RASTER,GEORASTER,金字塔式存储结构,相关描述字段,相关元数据,唯一标识RDT,GeoRaster中的金字塔式存储结构,包含一个或多个SDO_GEORASTER类型列的表,基于Oracle GeoRaster的遥感影像金字塔式存储的实现,提供了功能强大的数据存储管理机制,并且具有非常灵活的数据查询、获取机制,对于海量遥感影像信息的存储和管理提供了有力的支持。,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,