地理信息系統3 矢量數據模型

1、 原始數據（Primary data） 次生數據 (Secondary data) 原始數據經過GISs和RSIPS（遙感影像處理系統）處理后都可以轉化為次生數據。原始數據主要包括各種地圖數據、表格數據和影像數據。對于大多數地理信息系統的應用來說，它們常用的是各種類型的次生數據。 原始地球物理、地球化學和其它有關地球的技術數據，都是通過數字記錄儀器來采集的。這些數據的樣點觀測方式，或者是在自然地理位置上的測量或者是在實驗室對于采集樣本的測量。在許多情況下，采樣點的地理位置是根據地形圖來確定的，而地形圖上各點的位置坐標則能夠以數字化表格的形式記錄，或者直接利用衛(wèi)星全球定位系統（GPS）進行測量。

2、 當原始數據經過解釋、編輯和處理后，它們將轉化為次生數據。常用的次生地球科學數據主要表現為諸如地圖、表格以及空間信息的地學編碼等形式。 地理空間的表達是地理數據組織、存儲、運算、分析的基礎。地理空間的表達方法包括矢量、柵格、三角形不規(guī)則網、Voronoi等幾類。以此為基礎，可以構造地理空間各種不同的數據模型和數據結構。)22() 1(),),.(,(),() 12() 1(),(),.,(),(2221112211nzyxzyxzyxnyxyxyxnnnnn (1)(1)坐標序列中的坐標序列中的（x1，y1）和）和（xn，yn）統稱為統稱為首結點和末結點）。位于首尾結點首結點和末結點）。位于首

3、尾結點間的點（間的點（x1，y1），（），（x2，y2），），（，（xn-1，yn-1）為拐點或中間點或角點（見圖為拐點或中間點或角點（見圖(a)）；）； (2)首尾結點可以重合，即弧段首尾相接。相應首尾結點可以重合，即弧段首尾相接。相應的數學表達式為的數學表達式為(圖圖(b)： x1 = xn，y1= yn （3）弧段不能與自身相交?；《尾荒芘c自身相交。如果相交，需以交如果相交，需以交點為界把弧段分為點為界把弧段分為幾個一維矢量（見圖幾個一維矢量（見圖(c)(c)）。）。在圖在圖 (c)(c)中，弧段數為中，弧段數為3 3，而不是，而不是1 1。三個弧段分。三個弧段分別為別為AK,KBCDE

4、FGHK,KIJAK,KBCDEFGHK,KIJ。長度：從起點到終點的總長。長度：從起點到終點的總長。彎曲度：表示像道路拐彎時彎曲的程度彎曲度：表示像道路拐彎時彎曲的程度。方向性：開始于首結點，結束于末結點。方向性：開始于首結點，結束于末結點。如河流中的水流方向，高速公路允許的車如河流中的水流方向，高速公路允許的車流方向等等。流方向等等。 弧段在結點處的相互聯接關系。每個弧段都有一個起始端弧段在結點處的相互聯接關系。每個弧段都有一個起始端點和一個終止端點，從起始端點到終止端點表示了弧段的方向，點和一個終止端點，從起始端點到終止端點表示了弧段的方向，而所有弧段的端點序列則定義了弧段與結點的拓撲關

5、系，空間而所有弧段的端點序列則定義了弧段與結點的拓撲關系，空間拓撲關系分析就是通過在端點序列中尋找弧段之間的共同結點拓撲關系分析就是通過在端點序列中尋找弧段之間的共同結點來判斷弧段與弧段之間是否存在連接性。來判斷弧段與弧段之間是否存在連接性。 地理空間實體對象空間實體對象之間的空間相互作用關系空間相互作用關系?？臻g關系分為三大類：拓撲空間關系拓撲空間關系（Topological Spatial Relationship）：描述空間實體之間的相鄰、包含和相交等空間關系。 度量空間關系度量空間關系(Metric Spatial Relationship)：描述空間實體的距離或遠近等關系。距離是定量

6、描述，而遠近則是定性描述。順序空間關系順序空間關系（Order Spatial Relationship）：描述空間實體之間在空間上的排列次序，如實體之間的前后、左右和東南西北等方位關系。 目前對前兩者的研究較成熟，算法也較簡單；后者的判別方法較復雜，尤其在三維歐氏空間中。 。 面面- -點空間關系的形式化表達：點空間關系的形式化表達： 例如，表示地表高程的空間數據可以：例如，表示地表高程的空間數據可以：選用進行組織，柵格模型選用游程編碼數據結構進行表達，處理后的數據則以諸如后綴名為.COT的文件進行存儲；可用來組織，即以等高線來表示，數據以POLYVRT的拓撲結構進行安排，以DLG(Digi

7、tal Line Graph)文件格式存儲；模型也能很好地表達高程數據。 三維矢量示意圖 不規(guī)則三角網的表達方法鑲嵌模型示意圖 TINTIN模型模型 數據點三角形邊三角形圖 TIN模型 圖A 不規(guī)則三角網 圖B 與TIN有關的特殊空間對象 1）Spaghetti結構 (a)多邊形、弧段、結點（自上到下）多邊形、弧段、結點（自上到下） 多邊形多邊形 弧段弧段 弧段弧段 結點結點 P1 a4 a5 a6 a1 N1 N2 P2 a1 a8 a5 a2 N2 N4 P3 a3 a6 a7 a3 N4 N5 P4 a2 a7 a8 a4 N1 N5 a5 N1 N3 a6 N3 N5 a7 N3 N4

8、 a8 N2 N3（b）結點、弧段、多邊形）結點、弧段、多邊形結點結點 弧段弧段N1 a1 a4 a5N2 a1 a2 a8N3 a5 a6 a7 a8N4 a2 a3 a7N5 a3 a4 a6 弧段弧段 左多邊形左多邊形 右多邊形右多邊形 a1 0 P2 a2 0 p4 a3 0 p3 a4 p1 0 a5 p2 p1 a6 p3 p1 a7 p4 p3 a8 p4 p2 弧段弧段 起結點起結點 終結點終結點 左多邊形左多邊形 右多邊形右多邊形 坐標坐標 a1 N1 N2 0 P2 a2 N2 N4 0 p4 a3 N4 N5 0 p3 a4 N1 N5 p1 0 a5 N1 N3 p2

9、p1 a6 N3 N6 p3 p1 a7 N3 N4 p4 p3 a8 N2 N3 p4 p2。 依據地理實體之間不同特征（如因公路和鐵路的建造依據地理實體之間不同特征（如因公路和鐵路的建造方式不同而將它們視為不同的類）、相似特征（如因公路方式不同而將它們視為不同的類）、相似特征（如因公路和鐵路都具有運輸功能而將它們視為一類）以及不同地理和鐵路都具有運輸功能而將它們視為一類）以及不同地理實體的組合特征（如飛機跑道、出租車道、建筑樓群和停實體的組合特征（如飛機跑道、出租車道、建筑樓群和停車場共同組成飛機場）來對地理特征進行分類，以實現空車場共同組成飛機場）來對地理特征進行分類，以實現空間數據的組

10、織。間數據的組織。 上表中每一條道路都有一組屬性對其進行描述，這樣上表中每一條道路都有一組屬性對其進行描述，這樣的表被稱為屬性表。屬性表中每一行都是一個記錄，它的表被稱為屬性表。屬性表中每一行都是一個記錄，它包含了針對某個空間實體的描述信息；表中每一列稱為包含了針對某個空間實體的描述信息；表中每一列稱為信息描述的一個項。信息描述的一個項。 空間特征數據的表達方式包括各種數據結構，并表現為點、空間特征數據的表達方式包括各種數據結構，并表現為點、線、面等各種圖形符號信息；屬性特征數據的表達方式包括基線、面等各種圖形符號信息；屬性特征數據的表達方式包括基于地理特征（包括空間特征和屬性特征）的多種分類

11、關系的表于地理特征（包括空間特征和屬性特征）的多種分類關系的表格。格。 GISs正是通過建立空間特征數據的圖形符號表達與屬性正是通過建立空間特征數據的圖形符號表達與屬性特征數據的表格表達之間的聯系，才具備了強大的空間分析能特征數據的表格表達之間的聯系，才具備了強大的空間分析能力。力。多邊形拓撲關系表與多邊形屬性表之間的聯系一個空間特征可以具有多個屬性特征描述 GISs中對實體（對象）的描述一般包括三種基本中對實體（對象）的描述一般包括三種基本信息：語義信息、量度信息和關系結構信息。語義信息信息：語義信息、量度信息和關系結構信息。語義信息表明實體的類型，量度信息用于描述實體的形狀和位置表明實體的

12、類型，量度信息用于描述實體的形狀和位置等幾何屬性，關系結構信息用于描述一個實體與其它實等幾何屬性，關系結構信息用于描述一個實體與其它實體的聯系。體的聯系。 空間數據的編碼則主要是指語義信息的數據化，它空間數據的編碼則主要是指語義信息的數據化，它是建立在地理特征的分類及其等級組織基礎之上的空間是建立在地理特征的分類及其等級組織基礎之上的空間信息數據編碼，用于表明實體元素在數據分類分級中的信息數據編碼，用于表明實體元素在數據分類分級中的隸屬關系和屬性性質。隸屬關系和屬性性質。 編碼方式：主碼編碼方式：主碼+子碼。其中，主碼表示實體元素子碼。其中，主碼表示實體元素類別，子碼則是對實體元素的標識和描述

13、。類別，子碼則是對實體元素的標識和描述。 ESRI矢量數據格式簡介矢量數據格式簡介1. Coverage 基于拓撲的矢量基于拓撲的矢量數據格式數據格式Coverage是ArcInfo workstation的原生數據格式。稱之為“基于文件夾的存儲”。所有信息都以文件夾的形式來存儲。空間信息以二進制文件的形式存儲在獨立的文件夾中，文件夾名稱即為該coverage名稱，屬性信息和拓撲數據則以INFO表的形式存儲。Coverage將空間信息與屬性信息結合起來，并存儲要素間的拓撲關系。 coverage二進制文件與存儲屬性信息的 INFO 文件夾中的 INFO表聯合表達為 coverage，當使用 A

14、rcCatalog 對 coverage 進行創(chuàng)建、移動、刪除或重命名等操作時，ArcCatalog 將自動維護他們的完整性，將 coverage和 INFO文件夾中的內容同步改變。所以對 coverage進行操作，一定要在 ArcCatalog 中進行。Coverage是一個集合，它可以包含一個或多個要素類。圖3中簡要介紹了一下常見的coverage類型及其要素類。 2. Shapefile非拓撲矢量非拓撲矢量數據格式數據格式Shapefile是ArcView GIS 3.x 的原生數據格式，屬于簡單要素類，用點、線、多邊形存儲要素的形狀，卻不能存儲拓撲關系，具有簡單、快速顯示的優(yōu)點。一個

15、shapefile是由若干個文件組成的，空間信息和屬性信息分離存儲，所以稱之為“基于文件”。在 windows 資源管理器下，可以看見這個名為 actc 的 shapefile 是由 actc.shp、actc.shx、 actc.dbf三個文件組成。shapefile的三個基本文件，每個 shapefile，都至少有這三個文件組成，其中：*.shp：存儲的是幾何要素的的空間信息，也就是 XY坐標*.shx：存儲的是有關*.shp 存儲的索引信息。它記錄了在*.shp 中，空間數據是如何存儲的，XY 坐標的輸入點在哪里，有多少XY坐標對等信息*.dbf：存儲地理數據的屬性信息的 dBase 表

16、 這三個文件是一個 shapefile 的基本文件。shapefile還可以有其他一些文件，但所有這些文件都與該 shapefile 同名，并且存儲在同一路徑下。下面簡要介紹一下其他一些較為常見文件：*.prj：如果 shapefile 定義了坐標系統，那么它的空間參考信息將會存儲在*.prj 文件中；*.shp.xml：這是對 shapefile 進行元數據瀏覽后生成的 xml 元數據文件*.sbn 和*.sbx：這兩個存儲的是 shapefile 的空間索引，它能加速空間數據的讀取。這兩個文件是在對數據進行操作、瀏覽或連接后才產生的，也可以通過 ArcToolbox Data Manage

17、ment Tools Indexes Add spatial Index 工具生成。當使用ArcCatalog對shapefile進行創(chuàng)建、移動、刪除或重命名等操作，或使用ArcMap對shapefile進行編輯時，ArcCatalog將自動維護數據的完整性，將所有文件同步改變。所以需要使用ArcCatalog管理shapefile。 雖然Shapefile無法存儲拓撲關系，但它并不是普通用于顯示的圖形文件，作為地理數據，它自身有拓撲的。比如一個多邊形要素類，shapefile會按順時針方向為它的所有頂點排序，然后按頂點順序兩兩連接成的邊線向量，在向量右側的為多邊形的內部，在向量左側的是多邊形

18、的外部。 3.Geodatabase 基于對象的矢量數據格式基于對象的矢量數據格式Geodatabase體現了很多第三代地理數據模型的優(yōu)勢。帶有空間信息的地理數據也利用成熟的數據庫技術進行管理。ESRI推出了geodatabase數據模型，利用數據庫技術高效安全地管理地理數據。 像shapefile一樣，Geodatabase使用點、線和多邊形表示基于矢量的空間要素。點要素可以是單一的一個點，也可以由多個點組成；聚合線由一系列線組成，線段之間可以相互連接或者不連接；多邊形要素由一個或多個環(huán)組成。Geodatabase將矢量數據組織成要素類和要素數據集。要素類存儲具有相同幾何類型的空間要素；要素

19、數據集存儲具有相同坐標系和區(qū)域范圍的要素類。如果一個要素類屬于Geodatabase，但不是要素集的一部分，稱為獨立要素類。此外，Geodatabase還能存儲柵格數據、不規(guī)則三角網、網絡數據、屬性表格等。Geodatabase可以分為三種：一是基于 Microsoft Access的personal geodatabase，稱為單用戶數據庫，以mdb為擴展名。受到access存儲能力的限制，單個文件不能大于2GB。二是文件Geodatabase，以許多小文件的形式存儲在文件夾中，以gdb為擴展名。沒有數據庫大小的限制，可以跨平臺作業(yè)。多用戶或者ArcSDE Geodatabase，在數據庫管

20、理系統如 Oracle、SQL Server、Informix 或者DB2 中存儲數據。它需要中間件 ArcSDE 進行連接，也被稱為 enterprise geodatabase。雖然底層使用的數據庫各不相同，但是 geodatabase 給用戶提供的是一個一致的操作環(huán)境。Geodatabase將拓撲定義為關系規(guī)則，在要素數據集中執(zhí)行。三種矢量數據模型的優(yōu)點：Coverage： 基于拓撲關系的數據結構，有利于數據文件的組織，減少數據冗余。（如：相鄰的多邊形共享邊界只存儲一次，減少冗余，便于修改、維護）Shapefile：1 ）非拓撲數據結構比拓撲數據結構能更快速地顯示；2 ）非拓撲數據具有非

21、專業(yè)性和互操作性，使其可以在不同軟件間通用。Geodatabase：1）Geodatabase的等級結構對于數據組織和管理十分有利；2）Geodatabase是ArcObjects的一部分，具有面向對象的優(yōu)勢；3 ） Geodatabase提供了即時拓撲，適用于要素類內的要素或者兩個、多個要素共同參與（如數據編輯、要素間關系等）；4）在ArcObjects中有許多對象、屬性、方法可供GIS用戶定制應用，減少大量工作的重復性（如數據集的投影等）；5 ） ArcObjects提供了一個可以按照各行各業(yè)需要定制對象的模型?？梢詫@示世界中各個對象的不同屬性、行為定制到數據模型中（如交通對象等）。 2003年國際標準化組織(iso)制定和批準了ISO19115“地理信息-元數據”強制性因素：數據集標題、數據集參考日期、數據集語言、數據集主題分類、摘要、元數據聯系方式和元數據日戳。條件性因素：數據集責任方、地理位置坐標、數據集特征集、空間分辨率、分布格式、空間表達類型、參照系統、譜系聲明、在線資源、元數據文件識別、元數據標準名稱、元數據標準版本、元數據語