3---空间数据模型
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
(xn,yn) (x(1x,ny,1y)n) (x1,y1)
(a) (xn,yn)
(b)
(xn,yn)
A
KI
H
J
BC
G
FE
D
(c)
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
一维矢量具有方向、长度
方向：即有起始结点和终止结点
长度：可以用以下方式表达：
引入欧氏空间的距离概念：
n
长度 [(xi xi1)2 ( yi yi1)2 ]1/2 i2
一．基本概念 二．关系数据模型和关系表 三．矢量数据模型（ Spaghetti Model ） 四．矢量数据模型（拓扑数据模型）
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
一、基本概念
• 现实世界和矢量表达 • 位置和边界被清楚地记录 • 对象可以被识别 • 属性值与对象相联系 • 空间关系可以清晰表达
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
(1) 地理要素被当成单个对象对待
空间边界可以被清晰的编码
(2)对象之间没有关系
要素间的空间拓扑不被记录
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
矢量表达法
• 不同的空间特征具有不同的矢量维数
– 0维矢量-点：即空间中的一个点，没有大小、 方向，二维和三维欧氏空间中为：（x,y),(x,y,z)
– 一维矢量-线：空间中的线划要素或空间对象间 的边界，也称为弧段、链
用的概念，是三维空间中曲面法向矢量的 另外一种描述方法
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
空间曲面
• 矢量实现方法多样 • 常用等值线法、剖面法
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
三维矢量-体
• 指三维空间中的实体
地理信息系统 第三章地理空间数据模型
同种属性表为一个层
按专题分层
每个图层对应一个专题，包含某一种 或某一类数据。如地貌层、水系层、道 路层、居民地层等。。
现实世界
获取
地形信息
+
水系信息
+
道路信息
+
植被信息等
存储
空间 数据库
按时间序列分层
即把不同 时间或不同时 期的数据分别 构成各个数据 层
图层i 图层j
点文件i 线文件i
代码有数字、字母、数字和字母混合三类表示形式。
数字型代码
用一个或若干个阿拉伯数字表示对象的代码。特点是结构 简单、使用方便、易于排序，但对对象的特征描述不直观。
字母型代码
用一个或若干个字母表示对象的代码。特点是比同样位数 的数字型代码容量大，还可提供便于识别的信息，易于记 忆，但比同样位数的数字型代码占用更多的计算机空间。
空间数据的分层和分区
地理信息本身具有层次性。分层和分区 是空间数据组织的高级形式，为管理和 使用提供了便利 分层依据地理实体性质 分区依据平面范围
分层
按专题
地貌、水系、植被、交通、居民地等
按时间
不同时间的数据成为不同层，便于对比、处理、表 现。如每年建的住宅用不同的颜色表现
按实体的几何类型
一般按点、线、面、注记
格网型空间索引
将区域用横竖线条划分大小相等和不等 的格网，记录每一个格网所包含的空间 实体。进行空间查询时，首先计算出查 询对象所在格网，然后再在该网格中快 速查询所选空间实体。
一条河流、一个湖泊和一条省界，它们的关键字分别为5，11和 23。河流穿过的栅格为2，34，35，67，68；湖泊覆盖的栅格为 68，69，100，101；省界所通过的栅格为5，37，36，35，67， 99，98，97。
空间数据模型与数据结构ppt课件
•篮球比赛 是根据 运动队 在规定 的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
关系模型
多边形和弧段的关系
多边形号 弧段号
弧段和结点的关系
P1
a1 a2 a3
弧段号 起点 终点
P2
a2 a5 a7
P3
a3 a6 a4
a1
N1
N2
a2
N3
我们生活的世界
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•篮球比赛 是根据 运动队 在规定 的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
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•篮球比赛 是根据 运动队 在规定 的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
P1 a2 a5
a4
8 a6
P2
a8
a3
a13 P5
P4
a15 a12
a16 a14
a20
P8
a22
P6
a18
a23 a21
16
a9 a7
P3 a11
a10
P7 a17
a19
P9
a24
•篮球比赛 是根据 运动队 在规定 的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 于记录的数据模型：是把数据库定义为多种固 定格式的记录型，每个记录型由固定数量的域或 属性构成，每个域或属性具有固定的长度。
包括：层次模型、网络模型、关系模型
• 基于对象的数据模型：用于在概念和视图抽象级 别上的数据描述，具有相当灵活的结构和较强的 表达能力，允许明确地定义完整性约束。
地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构
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
33
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 PointID
N
体1
N
4
5
面
1
6
N
3 4
边
1
1
2 结点
ElementID
FaceID
EdgeID
NodeID
X
Y
Z
32
三维复杂实体的逻辑模型
体对象 Class
• 模型：
• 时间作为属性（time stamp）
• 序列快照模型( Sequent Snap shots) • 基态修正模型(Base State with Amendments) • 时空复合模型( Space - time Composite) • 时空立方体模型( Space - time Cube)
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)
空间数据模型
对三角网，表达各三角形的顶点位置和属性、顶点与三 角形的连接关系、三角形的连接关系，就可得到TIN的 逻辑数据模型。
3.4.5 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。 面向对象技术的核心是对象（object）和类（class）。
对象是指地理空间的实体或现象，是系统的基本单位。 如多边形地图上的一个结点或一条弧段是对象，一条河流 或一个宗地也是一个对象。 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。每个对象都有一个惟一的标识号 （Object－ID）作为识别标志。
主要优点在于
二、不规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据结构是指用来进行镶嵌的小面块具 有不规则的形状或边界。 最典型的不规则镶嵌数据模型有Voronoi图（也称作 Thiessen多边形）和不规则三角网（Triangular Irregular Network，简称TIN）模型。 当用有限离散的观测 样点来表示某地理现 象的空间分布规律时， 适合于采用不规则镶 嵌数据模型。
逻辑数据模型 Logical Data Model
中间层 数据结构对数据进行组织
物理数据模型 Physical Data Model
最底层
空间数据库
物理数据模型是概念 数据模型在计算机内 部具体的存储形式和 操作机制，即在物理 磁盘上如何存放和存
数据模型与数据结构
信息系统中：
数据模型：对客观实体及其关系的认识和数学描述。 目的是揭示客观实体的本质特征，并对它进行抽象化表达，使 之转化为计算机能够接受、处理的数据。 空间数据模型：对地理空间实体及其关系的描述。 即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数 据逻辑结构形式。 对空间数据而言，则是地理实体的空间排列方式和相互关系的 抽象描述。
空间数据模型
空间数据模型：场模型，要素模型，网络模型
场模型：表示在二维或者三维空间里被看做连续变化的数据。
例如可以表示地表温度，大气污染物集中程度，土壤的湿度水平等。
其中最常见的是栅格数据模型。
要素模型：强调了离散对象，根据它们界线以及组成它们或者与它们相关的其他对象，可以详细的描述离散对象。
网络模型：表示特殊对象的交互，例如水、交通。
栅格数据
矢量数据和栅格数据
常见的栅格数据类型是正方形，也有三角形和六边形等。
栅格模型中每一个网格是一个象元，每个象元有一个对应的数值，每
一个数值代表一种属性，如环境污染程度、植被覆盖类型、土地利用等空间地理现象。
网格单元的大小对地图的分辨率和计算精度起关键的作用，与计算机存储量和分辨率成反比。
网格越大，信息量越模糊（存储量小），分辨率越低。
网格越小，则反之。
要素模型：
三个地物要素对对象：点对象，线对象，多边形对象。
地理要素间的空间关系（拓扑关系）
矢量数据
影像投影运用到拓扑关系。
网络模型
网络模型将数据组织成有向结构。
结点代表数据记录，连线描述不同节点数据间的关系。
常用来表示航线、海上路线、燃气管道、交通等。
网络模型示意图。
第3章 空间数据模型
＊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
规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据模型
TIN和Voronoi多边形数据模型
Voronoi 图又称为Dirichlet ( tessellation) ,其概念由 Dirichlet 于1850 年首先提出; 1907 后俄国数学家 Voronoi 对此作了进一步阐述,并提出高次方程化简; 1911 年荷兰气候学Thiessen为提高大面积气象预报 的准确度,应用Voronoi 图对气象观测站进行了有效 区域划分。因此在二维空间中,Voronoi 图也称为泰 森多边形。
2 作为两个面域之间的一个边界。
3 作为一个面域特征，精确表达河流的堤岸、辫 状河道以及河流上的运河。
4 作为一条曲线以构成表面模型上的沟槽。根据 地表上河流的路径，可以算出其横截面、落差度、 排水流域以及在预测降雨下的洪水爆发可能性。
针对真实的世界，每一个人都在创建他 自己的主观模型。GIS的观点是为真实世 界建立一个通用的模型。
泰森（Thiessen)多边形的特点： 1 组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直； 2 多边形内的任意位置总是离该多边形内样点的距 离最近，离相邻多边形内样点距离远； 3 每个多边形内包含且仅包含一个样点。
（五）面向对象数据模型
为了有效地描述复杂的事物或现象，需要 在更高层次上综合利用和管理多种数据结构 和数据模型，并用面向对象的方法进行统一 的抽象。
空间逻辑数据模型作为概念模型向 物理模型转换的桥梁，是根据概念模型 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。
第七章空间数据分析模型
第七章空间数据分析模型空间数据分析模型是一种用于处理和分析空间数据的数学模型。
它通过对空间数据进行建模和分析，可以帮助我们理解和解释空间现象，揭示空间数据背后的内在规律和关联性。
空间数据分析模型首先需要对空间数据进行建模。
建模是将现实世界的空间特征和属性抽象成数学模型的过程。
在空间数据分析中，常用的建模方法包括GIS（地理信息系统）数据模型、栅格模型和矢量模型等。
这些模型可以帮助我们对空间数据进行描述、存储和处理。
空间数据分析模型的核心是空间数据分析算法。
空间数据分析算法是一种通过对空间数据进行处理和计算，实现对空间数据特征和空间关系的挖掘和分析的方法。
常用的空间数据分析算法包括空间插值算法、空间聚类算法、空间关联算法等。
这些算法可以帮助我们发现空间数据的分布规律、异常情况和空间关联性。
空间数据分析模型还需要考虑空间数据的不确定性。
空间数据的不确定性是指空间数据中存在的不确定和随机性。
空间数据的不确定性可能来自数据收集过程中的误差、测量精度的限制和现实世界的复杂性等因素。
在空间数据分析中，我们需要对空间数据的不确定性进行建模和处理，以准确地描述和分析空间现象。
除了建模和算法，空间数据分析模型还需要考虑数据可视化和结果呈现。
数据可视化是将分析结果以可视化的方式展现出来，帮助用户直观地理解和解释空间数据分析结果。
常用的数据可视化方法包括地图展示、图表展示和三维可视化等。
通过数据可视化，我们可以更好地对空间数据的分析结果进行解释和解读。
综上所述，空间数据分析模型是一种用于处理和分析空间数据的数学模型。
它通过对空间数据进行建模、应用算法和可视化结果，可以帮助我们理解和解释空间现象。
空间数据分析模型在许多领域都有应用，如城市规划、环境保护、交通规划等。
在今后的发展中，空间数据分析模型将继续发挥重要作用，为解决空间问题提供有效的分析方法和工具。
空间数据模型
空间数据模型空间数据模型可以分为三种：场模型：用于描述空间中连续分布的现象；要素模型：用于描述各种空间地物；网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络；在各种模型中，又介绍了相关的概念，如空间划分，空间关系，以及拓扑关系的形式化描述——9交模型等。
最后讲述了普通的二维数据模型在空间上和时间上的扩展，时间数据模型和三维数据模型。
值得注意的是，本章谈到的场模型和要素模型类同于后面提及的栅格数据和矢量数据，但是前者是概念模型；后者是指其在信息系统中的实现。
1．空间数据模型的基本问题人类生活和生产所在的现实世界是由事物或实体组成的，有着错综复杂的组成结构。
从系统的角度来看，空间事物或实体的运动状态（在特定时空中的性状和态势）和运动方式（运动状态随时空变化而改变的式样和规律）不断发生变化，系统的诸多组成要素（实体）之间又存在着相互作用、相互制约的依存关系，表现为人口、物质、能量、信息、价值的流动和作用，反映出不同的空间现象和问题。
为了控制和调节空间系统的物质流、能量流和人流等，使之转移到期望的状态和方式，实现动态平衡和持续发展，人们开始考虑对其中诸组成要素的空间状态、相互依存关系、变化过程、相互作用规律、反馈原理、调制机理等进行数字模拟和动态分析，这在客观上为地理信息系统提供了良好的应用环境和重要发展动力。
1．1概念地理数据也可以称为空间数据（Spatial Data）。
地理空间是指物质、能量、信息的存在形式在形态、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。
地理信息系统中的地理空间分为绝对空间和相对空间两种形式。
绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成。
在地理信息系统应用中，空间概念贯穿于整个工作对象、工作过程、工作结果等各个部分。
空间数据就是以不同的方式和来源获得的数据，如地图、各种专题图、图像、统计数据等，这些数据都具有能够确定空间位置的特点。
空间数据模型名词解释
空间数据模型名词解释
空间数据模型是地理信息系统（GIS）中的核心组成部分，理解它对于要深入
理解GIS的工作原理至关重要。
它们是对现实世界中的几何图形以及这些图形之
间的空间关系的抽象和整理。
根据对空间数据的编码方法的不同，空间数据模型通常可以分为矢量数据模型和栅格数据模型两大类。
矢量数据模型用点、线、面来表示空间信息。
点，例如地理位置、纪念碑，被视为0D，即没有长度和宽度；线，例如公路、河流，被视为1D，即有长度但没有宽度；面，例如湖泊、城市，被视为2D，即既有长度又有宽度。
矢量数据模型的
优点在于其准确性高且能很好地维持空间信息的拓扑结构，但其处理步骤复杂且
需要更多的计算量。
栅格数据模型则将空间分成许多规则的网格，每个网格单元存储一些特定的信息。
比如气候数据、土壤类型数据、人口分布数据等等。
栅格数据模型的特点是
处理速度快，但存储空间大，并且精度受到栅格大小的限制。
另外，现还有一种TIN（Triangulated Irregular Network）数据模型，它是矢量
数据模型的一种，是通过非规则三角网来表达三维地理形状的。
可以将区域分割为许多三角形，每个三角形的三个顶点都有一个Z值（高程）。
由于它们可以为不
规则形状的地面提供良好的表达，因此在解决地貌问题中尤为有效。
以上就是空间数据模型的基本概念，以及其中主要的几种模型类型和他们的特点。
在实际应用中，不同的数据模型类型会根据具体的需求和数据特性进行选择。
空间数据模型
常用数据模型：层次、网状、关系
7
1、层次模型与树结构 （1）概念 层次模型：用树形结构来表示实体间联系的模型。
它的特点是将数据组织成有向有序的树结构； 可同时用于逻辑和物理数据的描述。
37
4、地理要素空间关系模型 在空间数据库中，表达地理对象之间的空间关系是
极为重要的。 4.1 网络关系类 4.2 多边形关系类 4.3 相同物体连接关系类 4.4 相关地理要素连接关系
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5、空间数据多尺度模型 地理空间尺度、空间范围、时间尺度、时间范围均
是与具体研究的地理区域系统的地学问题有关。不同的 地学问题有不同的地理空间和地理时间。
它采用一种混合数据模型统一定义空间数据库模型和 管理空间数据，支持实体的矢量表示和栅格表示。
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（1）地理相关模型 以Coverage作为矢量数据的基本存储单位。每个
Coverage一般只描述一种类型的地理要素。 地理要素模型强调空间要素的拓扑关系。
空间数据库
RDBMS
地理相关模型
几何空间数据 存储子系统
①一对一联系
A
B
3
（3）实体之间的联系 ②一对多联系
A
B
4
（3）实体之间的联系 ③多对多联系
A
B
5
（4）实体模型图 实体模型图直观地表示模式的内部联系。
名称
宽度
路面质量
等级
道路 居民地
名称
人口
交通状况
等级
道路信息实体模型图
6
二、数据模型
数据模型是关系数据和联系的逻辑组织形式的表 示，以抽象的形式描述系统的运行与信息流程，是计 算机数据处理中一种较高层的数据描述。
地理信息系统原理第三章 空间数据模型与数据结构3.2
第1行第N列亮度值 波段n 波段1 第2行第1列亮度值 波段n
BSQ结构
BIP结构
BIL结构
星蓝海学习网13
以行为记录单位按行存储 地理数据。属性明显，位 置隐含。 缺点：存在大量冗余，精 度提高有限制。
星蓝海学习网14
0 0 0 0 0 4 4 4 记录1 0 0 0 0 0 4 4 4
星蓝海学习网
• 优点：
• 栅格加密时，数据量不会明显 增加，压缩效率高，最大限度 保留原始栅格结构，
• 编码解码运算简单，且易于检 索、叠加、合并等操作，得到 广泛应用。
• 缺点：
• 不适合于类型连续变化或类型 区域分散的数据。
星蓝海学习网
(2)压缩栅格数据结构
块码（二维游程编码）（行，列，半径，属性值）
弧段ID a b c d e
起始点 5 7 1 13 7
终结点 1 1 13 7 5
… … … 左多边形 Q A Q D D
右多边形 A B B B A
f
13
5
Qห้องสมุดไป่ตู้
D
点号 1 2
…… 25
坐标 （x1，y1） （x2，y2）
…… （x25，y25）
g
25
弧段ID
点号
a
5,4,3,2,1
b
7,8,1
c
1,9,10,11,12,13
• 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，数据结构由初始位置(行、 列号)和半径，再加上记录单元代码组成。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，块状编码的效率就越好。
• 块状编码对大而简单的多边形更为有效，而对那些碎部较多的复杂多边形效果并不好。
第3讲-空间数据模型和空间数据结构
空间现象 客观世界的现象划分为5类：
可精密观测的自然对象（如建筑物边界） 受采样限制的自然对象（如河流的边界） 受定义限制的自然对象（如植被覆盖率大小和范围） 不规则的人为对象（如行政区、TIN、Voronoi多边形） 规则的人为对象（栅格、立方体元）
空间实体
➢ 对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同 类对象，就是地理空间实体，简称空间实体。
➢ 空间实体具有4个基本特征：
➢ 空间位置特征 ➢ 属性特征 ➢ 时间特征 ➢ 空间关系
观察和认知
现实世界
概念世界
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抽还 象原 世世 界界
信息
数据世界 （计算机）
空间事物或现象
选择、综合、简化和抽象
程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域
的流速和方向等;
根据不同的应用，场可以表现为二维或三维; 一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，
都有一个表现某现象的属性值，即 A＝f(x，y)
一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对 应一个属性值，即 A＝f(x，y，z)
可被标识 在观察中的重要程度 有明确的特征且可被描述
传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例。
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
分类
子类 超类
几何坐标 子部分 超部分
非空间属性
对象模型对空间要素的描述
场/域（field）模型
把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染
三维空间数据模型与数据结构-精选文档
2.1三维空间数据模型的分类
从总体分 [1] 面模型 [2] 体模型
与二维空间数据模型类比分： [1] 基于镶嵌的数据模型 [2] 基于矢量的数据模型 [3] 分析型数据模型 [4] 混合数据模型
四面体格网法 (TEN)
基于镶嵌的 数据模型
单纯形剖分模型
三维格网等平面
空间枚举法 单元分解法
八叉树可分为常规八叉树、线性八叉树和三维行程 编码八叉树(3DRD)[按照存储结构分]。
某个子立方体被八等分
如图所示的空间物体，其八叉树的逻辑结构可按下图表示。 小圆圈表示该立方体未被某目标填满，或者说它含有多个目标在 其中，需要继续划分; 有阴影线的小矩形表示该立方体被某个目标填满; 空白的小矩形表示该立方体中没有目标，这两种情况都不需继续 划分。
(1)四面体格网模型(TEN)
四面体格网（Tetrahedral Network—TEN）是 一种特殊形式的栅格模型，该模型以四面体作 为描述空间实体的基本几何元素，将任意一个 三维空间实体划分为一系列邻接但不重叠的不 规则四面体。四面体格网由点、线、面和体四 类基本元素组合而成。每个四面体包含4个三 角形，每个三角形包括3条边，每条边与两个 点相关联。
其实质是2D TIN结构在3D空间上的扩展。
用四面体格网表示三维空间物体的例 子及其数据结构
(2)八叉树模型
八叉树数据结构是三维栅格数据的压缩形式，是二 维栅格数据中的四叉树在三维空间的推广，该数据 结构是将所要表示的三维空间V按X、Y、Z三个方 向从中间进行分割，把V分割成八个立方体，然后 根据每个立方体中所含的目标来决定是否对各立方 体继续进行八等分的划分，一直划分到每个立方体 被一个目标所充满，或没有目标，或其大小已成为 预先定义的不可再分的体素为止。
空间数据模型
Equals(anotherGeometry)
Disjoint(anotherGeometry ) Intersects(anotherGeometry ) Touches(anotherGeometry ) 空间 Crosses(anotherGeometry) 关系 Within(anotherGeometry) 运算
3.2.2 网状数据模型
在网状数据模型中，虽然每个结点可以有多个 父结点，但是每个双亲记录和子女记录之间的 联系只能是1：N的联系，对于M：N的联系， 必须人为地增加记录类型， 把M：N的联系分 解为M个1：N的二元联系。
学生/选课/课程的网状模型
3.2.2 网状数据模型
网状模型在具体实现时，把整个模型划
OGC的SFS中定义的空间操作算子包括基本操作、 空间关系运算和空间分析操作。
操作 方法名称
类别 Dimension ( ) GeometryType ( ) SRID ( )
基本 Envelope( ) AsText( )
操作 AsBinary( ) IsEmpty( ) IsSimple( ) Boundary( )
3.3 面向对象模型
类（class）：是属性集和方法集相同的所有 对象的组合。
类允许嵌套结构。
可以在现在类的基础上通过继承来构造新的 类。现在的类称为超类，新子类是从现有类 中派生出来的，称派生类。子类继承超类上 定义的全部属性和方法，实现了软件的可重 用性。同时，子类还可以包含其他的属性和 方法。
通过继承构造类，采用多态性为每个类指定 其表现行为。
3.3 面向对象模型
面向对象模型是采用面向对象的观点来描述现实世
界中实体及其联系的模型，现实世界中的实体都被
第3章 空间数据模型
空间数据概念模型
• 网络是由一系列节点和环链组成的，与对象模型 没有本质的区别 • 网络模型可以看成对象模型的一个特例，它是由 点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的 • 空间数据概念模型归结为对象模型（或称要素模 型）和场模型（或称域模型）两类
空间数据概念模型
• 不规则多边形区。将平面区域划分为简单连通的多边形区 域，每个多边形区域的边界由一组点所定义；每个多边形 区域对应一个属性常量值，而忽略区域内部属性的细节变 化 • 不规则三角形区。将平面区域划分为简单连通三角形区域， 三角形的顶点由样点定义，且每个顶点对应一个属性值； 三角形区域内部任意位置的属性值通过线性内插函数得到 • 等值线。用一组等值线C1，C2，…，Cn，将平面区域划 分成若干个区域。每条等值线对应一个属性值，两条等值 线中间区域任意位置的属性是这两条等值线的连续插值
（a） 规则分布的点
（ b ） 不规则分布的 点
（c）规则矩形区
（d） 不规则多边形区
（e） 不规则三角形区
（f） 等值线
空间数据概念模型
• 网络模型
– 网络模型与对象模型类似，都是描述不连续的地理现 象，不同之处在于它需要考虑通过路径相互连接多个 地理现象之间的连通情况 – 网络是由欧式空间R2中的若干点及它们之间相互连接 的线（段）构成
地理空间与空间实体
• 属性特征
– 也称为非空间特征或专题特征，是与空间实体相联系 的、表征空间实体本身性质的数据或数量，如实体的 类型语义定义、量值等 – 类型
• 定性属性，如名称、类型、特性等 • 定量属性，如数量、等级等
第三章空间数据模型第2节栅格数据模型
5
7
D
5
8
C
5
8
Full Raster Encoding (100 Values)
Rows
Columns 0123456789 0 AAAAAAAAAA 1 AAAAAAAAAA 2 AAAABBBBBB 3 AAAABBBBBB 4 DDDDBBBBBB 5 DDDDDBBBBB 6 DDDDDCCCCC 7 DDDDDCCCCC 8 DDDDDCCCCC 9 DDDDCCCCCC
(88 bytes)
4、四杈树编码－概念
四 叉 树 分 割
四杈树编码－数据表达
三、计算机中的栅格数据
• DEM示例
地形表达
地形表达 DEM
地形表达
等值线表示
污染浓度表示
等高线的栅格表示
四、栅格数据总结
1. 面积被表达为栅格矩阵
栅格是基本元素（像元）
2. 空间描述的详细程度依赖于栅格的大小 3. 存储要求高，需要压缩
第三章 空间数据模型
主要内容
第一节 关系数据模型 第二节 栅格数据模型 第三节 矢量数据模型 第四节 矢量数据模型TIN 第五节 空间数据模型比较 第六节 属性数据与空间数据的连接 第七节 数据模型发展趋势
第二节 栅格数据模型
一．栅格表达 二．栅格数据压缩技术 三．计算机中的栅格数据 四．栅格数据总结
1 2 34 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
作业：分别用块状编码和标准游程长度编码对此图像进行编码
栅格表达的 精度-分辨率 的大小，依 赖于栅格的 大小
存储量和精 度的矛盾
分辨率与存储单元示意图
思考题
1. 感知世界的二分法是什么？地理信息的空间变化在 这种二分法下是如何被感知的？
三维空间数据模型与数据结构简版
三维空间数据模型与数据结构三维空间数据模型与数据结构1. 引言三维空间数据模型是用来描述物理空间中的对象、关系和属性的数学模型。
在计算机图形学、地理信息系统和计算机辅助设计等领域，对三维空间数据的建模与处理是至关重要的。
本文将介绍三维空间数据模型的概念以及常用的数据结构。
2. 三维空间数据模型三维空间数据模型是对物理空间中的对象和关系进行抽象和建模的数学模型。
它定义了一组与空间相关的基本元素、操作和约束。
常见的三维空间数据模型有：2.1. 矢量数据模型矢量数据模型使用点、线和多边形等基本几何要素来表示空间对象。
每个空间对象由一组坐标点构成，这些坐标点描述了对象的形状和位置信息。
矢量数据模型适合表示简单的几何要素，例如建筑物、道路和河流等。
2.2. 栅格数据模型栅格数据模型将空间对象划分为规则的网格单元，每个单元表示一个空间位置。
每个网格单元可以包含一个属性值，用于表示该位置的特征信息。
栅格数据模型适合表示连续变化的空间数据，例如高程数据和遥感图像等。
2.3. TIN数据模型TIN（三角不规则网格）数据模型使用无结构的三角形网格来表示空间对象。
每个三角形由三个顶点和三条边构成，可以表示任意形状的空间对象。
TIN数据模型在地形建模和计算机图形学中广泛应用。
3. 三维空间数据结构为了有效地存储和操作三维空间数据，需要采用适合的数据结构。
常用的三维空间数据结构有：3.1. 空间索引结构空间索引结构是一种用于加速空间查询的数据结构。
它通过将空间数据分割成多个单元，并为单元建立索引，以实现高效的空间查询。
常见的空间索引结构有四叉树、R树和KD树等。
3.2. 三角网格数据结构三角网格数据结构用于存储和管理三角不规则网格。
它可以表示复杂的空间对象，并提供快速的点定位和拓扑操作。
常见的三角网格数据结构有Delaunay三角剖分和Voronoi图等。
3.3. 多重分辨率数据结构多重分辨率数据结构将空间数据按照不同的精度进行分层存储。
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§6-5空间数据 模型
地 理 信• 息 系 统 原 理
GIS
传统的地理数据模型 1 层次模型 树数据结构 描述了各类客体及客体之间的联系。 然而，层次模型限制每个客体类最多只能有 一个双亲客体类，而一个双亲客体则可有多 个子女客体类。 双亲和子女客体类之间即形成了所谓的层次 关系。
地 理 信 息 系 统 原 理
空间特征：地理 位置和空间关系
识别码（名称） 实体的角色、功 能、行为、实体 的衍生信息
属性特征—名称、 等级、类别等 属性数据—各种 属性特征和时间 时间特征
RDBMS属性表---采用MIS较成熟
时间
测量方法、编码 方法、空间参考 系等
元数据
空间元数据
同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉 返回 及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述
GIS
· 一旦有新类型的数据加入，将会导致数据库结构的 变化，在这种情况下，通常应用程序需要重写。
地 3 关系模型 表数据结构 理 80年代后主导数据库是基于关系模型。关系模型的 信 理论基础是关系理论，它通过关系运算操作数据。 息 系 优点：概念简单，结构灵活，易理解，易维护；有标 统 准的关系查询语言SQL支持。 原 理 缺点：不适合描述非结构特征数据
§6-5空间数据模型
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
4、传统模型存储空间数据的局限：
(1)、层次模型用于GIS地理数据库的局限性
层次模型反映了实体之间的层次关系，简单、直观，易于理解，并在一定程度 上支持数据的重构。
用于GIS地理数据库存在的主要问题是：
1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存 储上的冗余； 2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询 效率很低，很难进行反向查询； 3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂， 父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除； 4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操 纵命令中显式地给出数据的存取路径； 5）基本不具备演绎功能和操作代数基础。
§6-4空间数据的空间索引
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
•
•
由于空间数据量比较大，建立空间索引可以实现空间数据的快速查询 检索，便于海量空间数据的管理。 1、无缝图层： 物理无缝图层：将分幅地图进行接边处理，将地图文件进行合并， 得到一个在空间上连续的图层。比较常用。 逻辑无缝图层：不改变分幅图层的存储位置，而是建立跨图幅地 物索引，实现对地物的跨图幅操作。 a2 物理 接边
GIS
e
图3—2 实体E及其空间要素
图3—3 层次模型
优点：层次分明，组织有序； 缺点：数据独立性较差；难以表达多 对多的关系；导致数据冗余
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
2 网络模型ຫໍສະໝຸດ 图数据结构优点：能描述多对多关系 缺点：结构复杂，限制它在空间数据表达中的应用
用户区
A N1 A B C B a1 a1 N1 a2 N2 a3 a4 N3 a5 a6 N4 N2 a5
空间数据模型 数字高程数据模型
栅格数据模型
矢量数据模型
规则格网 无拓扑关系 返回 有拓扑关系
不规则三 角网
§6-1 地理空间数据模型
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
一、地理空间数据模型的概念 空间数据模型与空间数据结构的关系：地理空间数据结构是地 理空间数据模型的物理描述，也称为地理空间物理模型。地理 空间数据模型是定义地理空间数据结构的基础，地理空间数据 结构是地理空间数据模型的具体实现。就某一建模角度来讲， 地理空间数据模型是相对独立存在的，而地理空间数据结构则 随定义它的空间数据库及数据库管理系统的改变而改变。
a1
a
id a1
图1
指针 a
id a2
指针 a
图2 图幅逻辑接边
指针 a
总目标
id a1、a2
2、工作区索引
§6-4空间数据的空间索引
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
• 由于空间数据的海量特征，不便于数据操作，建立工程与工作 区之间的空间索引，它是通过建立每个工作区范围的空间坐标 的空间索引文件来实现的。 3、目标索引 • 1）窗坐标索引：记录每个空间对象的坐标，同时记录对象的最 大最小窗坐标。检索地物时可根据最大最小窗坐标，检查其是 否落到检索范围内，是部分落入或全部落入。--并没建立真正的 索引文件，检索过程主要依靠空间计算完成。 • 2）格网索引：将工作区划分为规定的格网，记录每一格网包含 的对象。 • 3）BSP索引:实为二叉树索引。缺点：深度较大，不利于空间操 作。 • 4）KDB树索引: BSP索引向多维空间的扩展。 • 5）R树和R+树索引。 R树索引：将空间对象包含在设计的虚拟 矩形框内，矩形框包含空间指针，矩形框可以嵌套，尽可能不 重叠。其数据结构为：Rect（Rectangle-ID,type,min-x,min-y,maxx,max-y） • R+树索引允许矩形框重叠，允许一个对象被多个矩形框包围。 • 6）CELL树索引：借鉴BSP 和R树索引机制，采用多边形划分区 域，子空间不允许重叠。---可根据图幅对象分布和复杂情况自 由选择多边形，访问次数较少。
GIS
一、地理空间数据模型的概念
数据结构：是指数据的组织形式，计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。
数据模型：是描述数据库的概念集合，包括精确描述数据、数据关系、数据语 义及完整性约束条件等概念 。 数据模型决定了GIS中数据的组织、存储、处理和分析的方式与方法。
根据GIS中存在的数据类型，空间数据模型分为：
GIS
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
A B C
a3 a4 a6 a1 a3 a5 a2 a5 a6
N1 a3 B a1
A
N4 a5 N2 a4
N3
C a6 a2
a1 a2 a3 a4 a5 a6
N1 N2 N2 N3 N1 N4 N1 N3 N2 N4 N3 N4
关系完整性：即指关系的正确性、相容性和有效性。它是给 定的关系模型中数据及其联系的所有制约和依存规则，用 以限定数据库状态及状态变化，从而保证数据的正确、相 GIS 容和有效。 关系模型的完整性有三类：实体的完整性、参照完整性和用 户定义的完整性
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
• •
• •
§6-3空间数据分类编码和数据分层 一、空间数据分类和编码 分类是对地理实体的有序组织，编码是 将分类结果用代码的形式表示出来。如： 土地利用现状分类与编码，行政区分类 及编码。分类的基本原则是： 科学性、系统性、可扩性、实用性、兼 容性、 稳定性、不受比例尺限制、灵活性
分类、编码
点、线、面 特征码、坐标
信息世界
§6-3空间数据分类编码和数据分层
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
二、空间数据分层与分区
• 1、分层：地理空间数据按某种属性特征形成一个数据层，即为图 层。分层方法： 1）按专题分层：如地貌层、水系层、道路、 居民地层，城市地下管线层、学校层、医院层等。 2）按时间序列分层，即不同时间不同时期的数据 分别构层。 3）按实体几何类型分层，一般按点、线、面类型 存储，如MAPGIS的WT、WL、WP分别表示点、线、 面文件。 4）按实体属性结构分层，如宽是1米的道路为一层。 • 2、分区 • 将若干幅地图组成的区域当成一个工作单元，成为工作区。工作 区是按数据范围来定义的，一幅图也可成为工作区，一个工作区 可包含多个工作层和逻辑层。
数据库模型是数据特征的抽象，它不是描述个别数据，而是描 述数据的共性。严格地说，一个数据库的数据模型应能描述数 据的以下特征： （1）静态特性。包括实体和实体具有的特性、 实体间的联系等，通过构造基本数据结构类型来实现。
（2）动态特性。即现实世界中的实体及实体间的不断发展变化， 通过对数据库的检索、插入、删除和修改等操作来实现。 （3） 数据间的相互制约与依存关系。通过一组完整性规则来实现。
§6-5空间数据模型
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
(2)、网状模型用于GIS地理数据库的局限性
网状模型反映地理世界中常见的多对多关系，支持数据重构，具有一定的数据独立和 数据共享特性，且运行效率较高。
a3
N4
a4
N3
C a6 a2
• 层次数据模型和网状数据模型的区别：
地 层次模型中从子女到双亲的联系是唯一的，而网状模型则可 理 以不唯一； 信 层次模型不允许有复合链，而网状模型则允许； 息 系 • 层次数据模型和网状数据模型的缺陷： 统 · 要求应用程序员必须熟悉面向磁盘的优化技术和数 原 据库的物理组织，对于每次特定的数据查询，必须 理 编出十分复杂的查询应用程序。
地 理 信 息 系 统 原 理
• 关系模型中的有关概念
关系：关系是一个二维表，表的每行对应一个元组，表的每 一列对应一个域。 关键字：关系中的某一属性组，若它的值唯一地标识了一个 元组，则称该属性组为候选关键字。若一个关系中有多个 候选关键字，则选定一个为主关键字。
关系数据库：一系列关系的集合构成一个关系数据库。关系 数据库有型、值之分。
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§6-2 地理空间数据的基本特征和描述
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
空间数据基本特征、描述的内容
1、描述的内容 2、基本特征 3、数据类型
几何数据（空间 数据、图形数据） 关系数据—实体 间的邻接、关联 包含等相互关系
4、数据结构
矢量、栅格、 TIN（专用于地 表或特殊造型）
位置、形状、尺 寸 、
地 理 信 息 系 统 原 理