地理信息系统原理——第三章 空间数据模型与数据结构

为了解决应用性问题，目前多是将多种模型进行集成（面模型与 体模型及体模型与体模型），从而更好地为实现显示与分析功能服 务。
25
类别 比较
数学模型
高程特征 属性特征 构模模式 典型实例
2D
F=f(x，y)
无高程信息 平面抽象
2D矢量或栅格 电子地图
2.5D
Pseudo-3D
Real-3D
F=f(x，y) Z=f(x，y)
河流 杨树林
杨树林
松树林
位置
x1, y1
x1, y1
x1, y1；x2, y2；…；xn, yn
x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
2.栅格数据模型 点
面 线
Mixed model
TIN-CSG TIN-Octree Wire frame-
Block Octree-TEN
规 则 体 元 模 型
28
非 规 则 体 元 模 型
29
三维TIN
30
TEN模型
体类
面类
线类
点类
属于
属于
体要素 3-Complex
面要素 2-Complex
部分
四面体 3-simplex
➢线状实体一般采用矢量数据模型表达，同时将线所经过位置以栅格 单元进行充填；
➢点实体则同时描述其空间坐标以及栅格单元位置，这样则将矢量数 据模型和栅格数据模型的特点有机地结合在一起。
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4.镶嵌数据模型
➢镶嵌（Tessellation）数据模型采用规则或不规则的小面块集合来 逼近自然界不规则的地理单元，适合于用场模型抽象的地理现象；
第三章 空间数据模型与数据结构
1
简要回顾
• GIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模 型三个有机联系的层次组成。
• 概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集 • 逻辑数据模型是表达概念数据模型中数据实体（或记录）及其间关系 • 物理数据模型是描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结
25类别比较2d25dpseudo3dreal3d数学模型ffxyffxyzfxyfxyzifxyzi高程特征无高程信息高程作为点的属性性一对xy的z有有多值一对xy的z有有多值属性特征平面抽象表面抽象无体内属性有体内属性构模模式2d矢量或栅格2d矢量或栅格面元构模3d矢量体元构模模典型实例电子地图demdtm3d城市模型地下tengtp模型263d空间数据模型分类facialmodelvolumetricmodelmixedmodelregularirregulartincsgtentincsggridvoxelpyramidtinoctreebrepoctreetpwireframeblockwireframeneedlegeocellularoctreetenseriessectionsblockblocksectiontinmixedsoliddems3dvoronoigtp规规则则体体元元模模型型28非规则体元模型非规则体元模型29三维tintin数据组织方法点表记录点号xyz边表记录边号起点终点左面右面三角形记录三角形边1边2边3tin数据组织方法点表记录点号xyz边表记录边号起点终点左面右面三角形记录三角形边1边2边330ten模型体类面类线类点类体要素3complex面要素2complex线要素1complex点要素0complex三角形2simplex线段1simplex节点0simplex属于属于属于属于四面体3simplex部分部分部分部分四面体13simplex1四面体23simplex2弧11simplex1弧21simplex2弧31simplex3节点10simplex1节点20simplex2xyz31三维对象的拓扑数据模型体体状对象边lineidedgeidfaceid结点pointidnodeidelementidxzy点状对象面状对象线状对象surfaceidbodyid面n1111nn114561341232体对象class面对象class线对象class点对象class体3complex面2complex线1complex点0complex三角形2simplex线段1simplex节点0simplex属性属性属性属性三维复杂实体的逻辑模型33空间地物复杂地物柱状地物体状地物数字立体模型体元断面面状地物数字表面模型影像像元线状地物弧段位置坐标结点点状地地物复杂三维二维一维零
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栅格数据模型：单元值确定
C
A
B
重 要 性
A
连续分布地理要素
C
具有特殊意义 的较小地物
A
分类较细、 地物斑块较小
AB
11
3.矢量——栅格一体化数据模型 ➢在矢量－栅格数据模型中，对地理空间实体同时按矢量数
据模型和栅格数据模型来表述
➢面状实体的边界采用矢量数据模型描述，而其内部采用栅格数据模 型表达；
15
16
5.面向对象数据模型
面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系，特别适合 于采用对象模型抽象和建模的空间实体的表达。 ➢ 地理空间的实体或现象可看作对象或其实例； ➢ 一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组 成的：
✓ 例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的变迁则表达了它的行为。
Wire frame Series sections
Section TIN mixed DEMs
Volumetric model
regular
irregular
CSG
TEN
Voxel
Pyramid
Octree
TP
Needle Block
Geo-cellular Block
Solid
3D Voronoi GTP
TIN和Voronoi多边形数据模型
Delaunay三角形是由 与相邻voronoi多边形 共享一条边的相关点 连接而成的三角形。 其外接圆圆心是与三 角形相关的voronoi多 边形的一个顶点； Delaunay三角形是 voronoi图的偶图。 Delaunay准则：任一 三角形的外接圆不能 包含其他任何点。
5
空间对象的栅格数据模型
6
2.栅格数据模型 • 栅格数据模型中，点实体是一个栅格单元（cell）或像元， 线实体由一串彼此相连的栅格构成，面实体则由一系列相 邻的栅格构成；每个栅格对应于一个或一组表示该实体的 类型、等级等特征; • 栅格单元的形状通常是正方形，有时也采用矩形。栅格的 行列信息和原点的地理位置被记录在每一层中; • 栅格的空间分辨率确定了描述空间现象的精细程度 ； • 若需要描述统一地理空间的不同属性，则按不同的属性将 数据分层，每层描述一种属性。
表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新, 不足之 处是空间分析难以进行。 （2）体模型(Volume model)
侧重于三维空间体的表示, 如水体, 建筑物等, 通过对体的描述 实现三维空间目标表示。其优点是适于空间操作和分析, 但存储空 间占用较大, 计算速度也较慢。 （3）混合模型（(Hybrid Model)
CREATE TYPE sdo_geometry AS OBJECT(
SDO_GTYPE NUMBER, / 表示空间实体的类型
SDO_SRID NUMBER, /用来标识与空间实体关联的坐标系
SDO_POINT SDO_POINT_TYPE, /用于表示几何类型为点的几何对 象
SDO_ELEM_INFO MDSYS.SDO_ELEM_INFO_ARRAY, /使 用 变 长 NUMBER 型 数 组 来 表 示 。 该 属 性 将 告 知 如 何 解 释
三维
三
维
体元
对
断面
面状地物
影像
象
的
二维
逻
数字表面模型
像元
辑
线状地物
模
弧段
一维
型
零维
结点—点状地地物
位置坐标
面向对象方法对三维目标的抽象描述
数据
抽象特征
几何
属性
抽象 几何
抽象 属性
节点
三角形
颜色
纹理
线段
……
方法
抽象特征
点 线
体 面
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7.时空数据模型（扩展）
• 二维空间＋一维时间 • 三维空间＋一维时间
SDO_ORDINATES 里边的坐标值。
SDO_ORDINATES MDSYS.SDO_ORDINATE_ARRAY) / SD_ORDINATES 使用一个变长的 NUMBER 型数组来定义，存储坐 标值，形成空间对象的边界。};
6.三维空间数据模型（扩展）
（1）面模型(Surface model) 侧重于三维空间表面的表示, 如地形表面, 地质层面等, 通过表面
强有力的抽象工具 。
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几何抽象类
地理空间参考系
点
- -1 -1
-
曲线 线串类
直线段
线性环
表面
多边形
1 --
-
几何集合
表面集合
曲线集合
多边形集合
1-
线串集合
1
点集合
1-
Open GIS面向对象空间实体模型
表示“is a”概括关系
表示“has a”聚集关系
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对象1
对象ID 对象1 对象2
坐标几何 …… ……
• 在面向对象程序设计语言（OOPL）的基础上增加数据库功能，采用一种 OOPL 的 类型系统及编程模式，使数据成为持久和可共享的，并使其程序原子化执行，使 OOPL 成为支持持久对象的程序设计语言。
• 数据库与面向对象技术结合的 OODBMS 是一种理想的方式，但有关 OODBMS 的 数据模型、查询方式、查询语言、系统结构以及用户界面等都没有统一的定义， 因而涉及到了很多问题。
• 另外，还有三维空间数据模型、时空数据模型等
3
1.矢量数据模型
矢量数据模型起源于“Spaghetti模型 ”——一种计算机制图模型
6575000
5 1
4
河流
6555000 5610000
杨树林
2 3
松树林 6
电力塔
5810000
实体类型 点 点 线
多边形
多边形
多边形
实体ID 5 6 4 1
2
3
类别 电力塔 电力塔
四面体1 3-simplex1
四面体2 3-simplex2
部分
三角形 2-simplex
弧1 1-simplex1
弧2 1-simplex2
弧3 1-simplex3
属于
线要素 1-Complex
部分
线段 1-simplex
节点1 0-simplex1
节点2 0-simplex2
属于
点要素 0-Complex
• 对关系数据库系统的扩充，主要思想是在 DBMS 之上扩充面向对象特征，可以增 加对象管理层（如过程作为数据类型）来支持方法与继承，负责对象与 RDBMS 中关系、元组之间的转换，开放 RDBMS 的类型，支持用户定义的抽象数据类型 等等。（这是常用的方法）
对象-关系模型综合了面向对象模型和关系模型的优点, 扩展了关系模 型，具有面向对象的更加丰富的类型系统，允许用户定义结构类型的 复杂字段类型。比面向对象模型更易实现和实用化，同时又具有比关 系模型更强的表达能力。目前主流的数据库厂商如Oracle，Informix， IBM 都推出了自己的对象关系数据库管理系统，主要是管理空间数据 的专用模块，由标准数据类型描述点、线、面等地理实体的属性，由 函数描述其方法，从而形成对象，任一地理实体即可通过对象的实例 来存储。所定义的操纵点、线、面等空间对象的 API 函数，主要解决 空间数据的变长记录，效率比二进制块的管理高得多。因此采用对象 关系模型为基础进行空间数据建模的系统实现也具有更强的生命力。
对象2
属性 …… ……
方法 …… ……
面向对象数据模型
交通线
水系
人工交通线
自然交通线
河流
池塘
高速公路
运河
可航行河流
不可航行河流
5. 对象-关系数据模型
将对象技术结合到数据库的方式有如下几种
• 对于不同领域的需求，通过提供 DBMS 核心及工具包的方式对 DBMS 进行各个层 次上的扩充。这些需求可能包括不同的查询语言、存取方法、存储组织和不同的 事务机制。
构
2
3.1 空间数据逻辑模型
• 空间数据逻辑模型作为概念模型向物理模型转换的桥梁，根据概念模 型确定的空间信息内容，以计算机能理解和处理的形式具体地表达空 间实体及其关系。
• 针对对象模型和场模型两类概念模型，一般采用：
• 矢量数据模型 • 栅格数据模型 • 矢量——栅格一体化数据模型 • 镶嵌数据模型 • 面向对象数据模型 • 对象-关系数据模型
➢通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性特征的变化 来建立空间数据的逻辑模型；
➢小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间； ➢根据面块的形状，镶嵌数据模型可分为
➢ 规则镶嵌数据模型 ➢ 不规则镶嵌数据模型
13
规则镶嵌数据模型
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不规则镶嵌数据模型
Voronoi图是由 一组连接两相 邻点直线的垂 直平分线组成 的连续多边形。 n个在平面上 有区别的点按 照最邻近原则 划分平面每个 点与它的最邻 近区域相关联。
高程作为点的属 性
F=(x，y，zi)
一对(x，y)的z有
多值
F=(x，y，zi)
一对(x，y)的z有
多值
表面抽象
无体内属性
有体内属性
2D矢量或栅格 面元构模
DEM，DTM
3D城市模型
3D矢量、体元构 模
地下TEN、GTP 模型
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3D空间数据模型分类
Facial model
TIN Grid
B-rep
7
栅格数据模型：数据分层
建筑物 Z
森林 土壤 地貌
Y
X
8
栅格数据模型：栅格单元的定义
一个完整的栅格模型需要以下几个参数：
➢栅格形状；
➢栅格单元尺寸大小/分辨率；
➢栅格原点 ； ➢栅格的倾角；
X 栅格形状
格网分辨率
西南角格网坐标 （XWS，YWS）
列
行
Y
9
栅格数据模型：栅格单元大小
L
L1 S 2
面对象 Class
属性
属性
体 3-Complex
面 2-Complex
线对象 Class
属性
线 1-Complex
点对象 Class
属性
点 0-Complex
三角形 2-simplex
线段 1-simplex
节点 0-simplex
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空间地物
复杂地物
13 类空间对象
复杂
柱状地物
体状地物
数字立体模型
部分
节点 0-simplex
X,Y,Z
31
三维对象的拓扑数据模型
体状对象
面状对象
线状对象
点状对象
1 BodyID
1 SurfaceID
1
LineID
1 Poiቤተ መጻሕፍቲ ባይዱtID
N
体1
N
4
5
面
1
6