第三章空間數(shù)據(jù)模型_2(1)

1、第三章：矢量數(shù)據(jù)模型第三章：矢量數(shù)據(jù)模型主講教師：張龍其 Email:數(shù)據(jù)模型概述1 簡(jiǎn)單要素表示2對(duì)象之間關(guān)系3地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型4基于對(duì)象數(shù)據(jù)模型5復(fù)合要素的表示6 磁場(chǎng)、電場(chǎng)、空氣中污染物的集中程度v地理信息 指與空間地理分布有關(guān)的信息，用來表示地表物體（空間實(shí)體）和環(huán)境固有的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、聯(lián)系和規(guī)律v空間實(shí)體信息 空間信息 位置 幾何形態(tài) 屬性信息 時(shí)間信息 關(guān)系信息 空間關(guān)系 非空間關(guān)系480585.5, 3769234483194.1, 3768432485285.8, 3768391484327.3, 3768565483874.7, 3769823 Coordinates

2、Paper mapsDigital dataGPSGIS Datav空間數(shù)據(jù)模型：v數(shù)據(jù)模型建立： 概念模型概念模型: :實(shí)體及實(shí)體間聯(lián)系的抽象概念集 邏輯模型邏輯模型:用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型來描述實(shí)體及實(shí)體關(guān)系 物理模型:數(shù)據(jù)物理組織、存取方法等 概念模型邏輯模型物理模型數(shù)據(jù)庫(kù)觀察與認(rèn)知觀察與認(rèn)知數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)世界現(xiàn)實(shí)世界概念世界概念世界數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 世世 界界（計(jì)算機(jī)）（計(jì)算機(jī)）v 應(yīng)用建模 選擇需要建模的空間實(shí)體 對(duì)所有需要建模的實(shí)體，選擇基本的實(shí)體類型，設(shè)計(jì)屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的操作功能 為每類基本空間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相關(guān)操作 研發(fā)軟件包實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理、分析及表達(dá)等功能 采集數(shù)據(jù)，建

3、立具體的空間數(shù)據(jù)庫(kù)v當(dāng)前的GIS軟件實(shí)現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型來組織地理信息v本章重點(diǎn)闡述矢量數(shù)據(jù)模型如何模擬空間實(shí)體及實(shí)體關(guān)系的v通過記錄坐標(biāo)的方式表示空間實(shí)體的空間特征 點(diǎn)實(shí)體 線實(shí)體 多邊形實(shí)體 場(chǎng)和地面 點(diǎn)實(shí)體：以二維或者三維中的坐標(biāo)來描述 線實(shí)體：由一個(gè)坐標(biāo)序列來描述,坐標(biāo)之間認(rèn)為是以直線段相連 用一系列足夠短的直線首尾相接表示一條曲線，只記錄這些小線段的端點(diǎn)坐標(biāo) 多邊形實(shí)體： 指一個(gè)任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域 其邊界將整個(gè)空間劃分為兩個(gè)部分：包含無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)的部分稱為外部，另一部分稱為多邊形內(nèi)部 由形成一個(gè)封閉的環(huán)狀的一條或多條線所來 如果區(qū)域有個(gè)洞在其中，那么可以采用多個(gè)

4、環(huán)以描述它v原型種類的選擇原型種類的選擇 觀察的尺度或者概括的程度，決定了使用原型的種類 在一個(gè)小比例尺表現(xiàn)中，諸如城鎮(zhèn)這一現(xiàn)象可以由個(gè)別的點(diǎn)所組成，而路和河流由線來表示 當(dāng)表現(xiàn)的比例尺增大時(shí)，必然要考慮到現(xiàn)象的尺度；在一個(gè)中等比例尺上，一個(gè)城鎮(zhèn)可以由特定的原型，如線，來表示用以記錄其邊界。 在較大的比例尺中，城鎮(zhèn)將被表現(xiàn)為特定的原型的復(fù)雜的集合，包括建筑物的邊界、道路、公園以及所包含的其它的自然與管理現(xiàn)象v空間關(guān)系 拓?fù)潢P(guān)系 方位關(guān)系 度量關(guān)系 v拓?fù)淇臻g關(guān)系 拓?fù)湟辉~來自于希臘文，意思是“形狀的研究” 拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，它研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性拓?fù)鋵傩浴?v拓?fù)湓?/p>

5、拓?fù)湓兀?鏈段鏈段或弧段弧段 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn) 多邊形：簡(jiǎn)單多邊形、復(fù)合多邊形v拓?fù)潢P(guān)系的種類 關(guān)聯(lián)：不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系,如結(jié)點(diǎn)與鏈，鏈與多邊形等 鄰接：相同拓?fù)湓刂g的關(guān)系,如結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)，鏈與鏈，面與面等 包含：面與其它拓?fù)湓刂g的關(guān)系,如點(diǎn)、線、面在該面內(nèi)，則稱為被該面包含v拓?fù)淇臻g關(guān)系意義： 能清楚地反映實(shí)體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更穩(wěn)定，不隨地圖投影而變化 正確應(yīng)用可確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性 強(qiáng)化空間分析，有助于空間要素的查詢 根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可重建地理實(shí)體 例如根據(jù)弧段構(gòu)建多邊形，實(shí)現(xiàn)面域的選取；根據(jù)弧段與結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系重建道路網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行最佳路徑選擇等。v拓?fù)涿枋龅臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)點(diǎn)集

6、拓?fù)鋵W(xué) 定義定義1 1：X為一非空集合，:XXR為一映射，如果對(duì)于任意的x，y，zX，有:(1)(x，y)0，并且(x，y)=0當(dāng)且僅當(dāng)x=y；(2)(x，y)=(y，x)；(3)(x，z)(x，y)+(y，z) (三角不等式)； 則稱為X的度量，偶對(duì)(X，)稱為度量空間 定義定義2 2：A為度量空間X的子集，如果A的每一點(diǎn)都有一個(gè)球形鄰域包含于A，則稱A為的開集v定義定義3 3：X為非空集合，A為X的子集族，如果滿足下列條件：X和空集屬于A； 若A1，A2屬于A，則A1與A2的交集屬于A；A中任意兩個(gè)元素的并仍為A中的元素；則稱A為X的拓?fù)洹Ｈ绻鸄為集合X的拓?fù)?，則稱偶對(duì)(X，A)為拓?fù)淇臻g

7、。v定義定義4 4：A為拓?fù)淇臻gX的子集,如果點(diǎn)x屬于X的每一鄰域U中都有A中異于x的點(diǎn)，即U(Ax)，則稱x為A的聚點(diǎn)或極限點(diǎn)。A的聚點(diǎn)可以屬于A也可以不屬于A定義定義5 5：A為拓?fù)淇臻gX的子集，集合A的所有聚點(diǎn)構(gòu)成的集合稱為A的導(dǎo)集，記作dX(A)或d(A)定義定義6 6：A為拓?fù)淇臻gX的子集，如果A的每一聚點(diǎn)都屬于A，即d(A)為A的子集，則稱A為閉集定義定義7 7：X為拓?fù)淇臻g，X的子集A與A的導(dǎo)集d(A)的并集Ad(A)稱為A的閉包，記作C(A)定義定義8 8： A為拓?fù)淇臻gX的子集，如果A是點(diǎn)x屬于X的鄰域，即存在X的開集U使得x屬于U，U為A的子集，則稱點(diǎn)x為集合A的內(nèi)點(diǎn)。集合

8、A的所有內(nèi)點(diǎn)構(gòu)成的集合，稱為A的內(nèi)部，記作I(A)v定義定義9 9：A為拓?fù)淇臻gX的子集，對(duì)于點(diǎn)x屬于X，如果在x的任一鄰域U中既有A的點(diǎn)又有A的點(diǎn)，即：UA并且U(A)，則稱x為集合A的邊界點(diǎn)。集合A的所有邊界點(diǎn)的集合稱為集合A的邊界，記作B(A)v定理定理1 1：A為拓?fù)淇臻gX的任意子集，則:C(A)=I(A)=I(A)B(A)I(A)=C(A)=C(A)B(A)B(A)=C(A)C(A)=(I(A)I(A)=B(A)v 拓?fù)淇臻g關(guān)系描述9交模型 設(shè)有現(xiàn)實(shí)世界中的兩個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)體A、B， B(A)、B(B)表示A、B的邊界， I(A)、I(B)表示A、B的內(nèi)部 E(A)、E(B)表示A、B余。

9、 Egenhofer1993構(gòu)造出一個(gè)由邊界、內(nèi)部、余的點(diǎn)集組成的9-交空間關(guān)系模型(9-Intersection Model,9-IM)如下： 對(duì)于該矩陣中的每一元素，都有“空”與“非空”兩種取值，9個(gè)元素總共可產(chǎn)生29=512種情形I(A)B(B)I(A)I(B)I(A)E(B)B(A)B(B)B(A)I(B)B(A)E(B)E(A)B(B)E(A)I(B)E(A)E(B)11110010010111010011111010010011110011110110010111110011111110010011010110010011110011011110011110110010111110

10、0111111111101101101111101111111101101101111111101111101111111線與面線與面間有效間有效的拓?fù)涞耐負(fù)潢P(guān)系共關(guān)系共有有19個(gè)個(gè)111100100111100101101100110111100110100100111101100111111100111111001100111001001111001101101001110111001110101001111111001111111101100111101101101101110111101110101101111111101111101010100線與線線與線間有效間有效的拓?fù)涞耐負(fù)潢P(guān)系

11、共關(guān)系共有有33個(gè)，個(gè)，這里只這里只給出了給出了21個(gè)個(gè)111100100111111111100100111100010001111011001111001001100110111111110100面與面面與面間有效間有效的拓?fù)涞耐負(fù)潢P(guān)系共關(guān)系共有有8個(gè)個(gè)v方向空間關(guān)系分析 方向關(guān)系又稱為方位關(guān)系、延伸關(guān)系，它定義了地物對(duì)象之間的方位 方向關(guān)系的定義采用垂直于坐標(biāo)軸的直線為參考 Restricted_East(Pi，Qj)= X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)=Y(Qj) Restricted_South(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) Restri

12、cted_West(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)=Y(Qj) Restricted_North(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) North_West(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) North_East(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) South_West(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) South_East(Pi，Qj)=X(Pi)X(Qj) And Y(Pi)Y(Qj) v方向空間關(guān)系分析 空間關(guān)系的識(shí)別 可判斷目標(biāo)之間的MBR

13、是否具有該關(guān)系 再利用點(diǎn)/點(diǎn)關(guān)系進(jìn)一步進(jìn)行關(guān)系判斷，確定具體的關(guān)系 MBR（Minimum Bounding Rectangle ）：空間目標(biāo)的外切矩形 v該模型用空間數(shù)據(jù)文件記錄空間實(shí)體的空間信息，用屬性數(shù)據(jù)表記錄屬性數(shù)據(jù)；本質(zhì)是用關(guān)系表的行數(shù)據(jù)表示空間實(shí)體記錄，關(guān)系表表示相互之間的關(guān)系vESRI公司設(shè)計(jì)了Shapefile 和Coverage兩種矢量數(shù)據(jù)文件分別實(shí)現(xiàn)了Spaghetti和拓?fù)鋬煞N結(jié)構(gòu)的矢量數(shù)據(jù)模型vSpaghetti 又稱實(shí)體型、坐標(biāo)序列及簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù) 按點(diǎn)、線或多邊形為基本單元組織數(shù)據(jù)，點(diǎn)、線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù) 點(diǎn)：以二維或者三維中的坐標(biāo)來描述 線：由一個(gè)坐標(biāo)序列來

14、描述 多邊形：每個(gè)多邊形都以閉合線段存儲(chǔ) 沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)拓?fù)鋽?shù)據(jù)，互相之間不關(guān)聯(lián),島只作為一個(gè)圖形，沒有與外界多邊形的聯(lián)系vSpaghetti 空間數(shù)據(jù)和屬性分開存儲(chǔ),通過標(biāo)識(shí)碼實(shí)現(xiàn)二者的連接 標(biāo)識(shí)碼通常按一定的原則編碼,標(biāo)識(shí)碼具有唯一性 屬性數(shù)據(jù)一般采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理321CODE4標(biāo)識(shí)碼vSpaghetti點(diǎn)實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Spaghetti編碼線實(shí)體型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：唯一標(biāo)識(shí)碼，用來建立系統(tǒng)的排列序號(hào)；線標(biāo)識(shí)碼，用來確定該線的類型；起、終點(diǎn)，可以用點(diǎn)號(hào)或坐標(biāo)表示；坐標(biāo)對(duì)序列，確定線的形狀，在一定距離內(nèi)坐標(biāo)對(duì)越多，則每個(gè)小線段越短，且與實(shí)體曲線越逼近顯示信息，顯示時(shí)采用的文體或符號(hào)，如線的虛實(shí)，粗細(xì)等

15、；其他非幾何屬性 Spaghetti面實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由多邊形邊界的x、y坐標(biāo)對(duì)集合及說明信息組成 Spaghetti 特點(diǎn)文件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)以多邊形為單位的運(yùn)算和顯示多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲(chǔ)兩次，造成數(shù)據(jù)冗余和不一致每個(gè)多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進(jìn)行鄰域處理，如消除某兩個(gè)多邊形之間的共同邊界島只作為一個(gè)單個(gè)的圖形建造，沒有與外包多邊形的聯(lián)系不易檢查拓?fù)溴e(cuò)誤點(diǎn)、線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)，互相之間不關(guān)聯(lián) vSHP文件物理結(jié)構(gòu) SHP文件 Shx文件 Dbf文件 Prj文件v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 基本概念基本概念 構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段鏈段或弧段；弧

16、段； 兩條以上的弧段相交的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)；結(jié)點(diǎn)； 多邊形中不含島和洞的多邊形稱為簡(jiǎn)單多邊形，表示單連通區(qū)域；含島和洞區(qū)的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表示復(fù)連通區(qū)域；復(fù)連通區(qū)域；在復(fù)連通區(qū)域中，包括由外邊界和內(nèi)邊界，島區(qū)多邊形看作是復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界，復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界多邊形對(duì)應(yīng)的區(qū)域含有平面上的無(wú)窮個(gè)點(diǎn) 矢量數(shù)據(jù)可抽象為點(diǎn)(結(jié)點(diǎn))、線(鏈、弧段、邊)、面(多邊形)三種要素，即稱為拓?fù)湓赝負(fù)湓豽拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 要徹底解決鄰域和島狀信息處理問題必須建立一個(gè)完整的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu) 拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是拓?fù)潢P(guān)系的表示拓?fù)潢P(guān)系的表示，而幾何數(shù)據(jù)的表示可參照矢量數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 目前的GIS表示基本的拓

17、撲關(guān)系，完整的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)構(gòu)應(yīng)包括以下內(nèi)容：唯一標(biāo)識(shí)，多邊形標(biāo)識(shí)，外包多邊形指針，鄰接多邊形指針，邊界鏈接，范圍 矢量編碼最重要的是信息的完整性和運(yùn)算的靈活性，包括：DIME（對(duì)偶獨(dú)立地圖編碼法），POLYVRT(多邊形轉(zhuǎn)換器)，TIGER（地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)浼桑┑葀拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 基本概念 構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段或弧段； 兩條以上的弧段相交的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)； 多邊形中不含島和洞的多邊形稱為簡(jiǎn)單多邊形，表示單連通區(qū)域；含島和洞區(qū)的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表示復(fù)連通區(qū)域復(fù)連通區(qū)域。 在復(fù)連通區(qū)域中，包括由外邊界和內(nèi)邊界，島區(qū)多邊形看作是復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界，復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界多邊形對(duì)應(yīng)的區(qū)域含

18、有平面上的無(wú)窮個(gè)點(diǎn)。v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) DIME(DIME(雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，Dual Independent Map Dual Independent Map Encoding)Encoding)編碼系統(tǒng)編碼系統(tǒng) 是美國(guó)人口調(diào)查局在人口調(diào)查的基礎(chǔ)上發(fā)展起來 通過有向編碼建立了多邊形、邊界、節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系 其它拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) v拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) DIME(DIME(雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，雙重獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼，Dual Independent Map Dual Independent Map Encoding)Encoding)編碼系統(tǒng)編碼系統(tǒng) 弧段或鏈段是數(shù)據(jù)組織的基本對(duì)象，弧段文件由弧段記錄組成，每個(gè)弧段記錄包括弧段標(biāo)識(shí)碼、FN、TN、LP和RP 結(jié)點(diǎn)文件由結(jié)點(diǎn)記錄組成，包括每個(gè)結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)號(hào)，結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與該結(jié)點(diǎn)連接的弧段標(biāo)識(shí)碼等 多邊形文件由多邊形記錄組成，包括多邊形標(biāo)識(shí)碼，組成該多邊形的弧段標(biāo)識(shí)碼以及相關(guān)屬性等v每個(gè)coverage圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)文件夾和INFO文件夾v同一目錄下面的多個(gè)coverage圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)INFO文件夾v圖層對(duì)應(yīng)的文件下面有很ADF文件 地理數(shù)據(jù)庫(kù) Geodatabase對(duì)象類O