06 第三章 空间数据模型 4- 7节 TIN模型及模型比较
合集下载
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
空间数据模型 ppt课件
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
属性数据—各 种属性特征和 时间
元数据
4、数据结构
矢量、栅格 、TIN（专用 于地表或特 殊造型）
RDBMS属性表 ----采用MIS 较成熟
空间元数据
• 几何数据
– 根据空间实体的几何特征，空间对象可分为点 对象、线对象、面对象和体对象。
空间实体类型 :线实体
• 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 •有一定范围的点元素集合，表示相同专题点的连 续轨迹
香港城市道路网分布
空间实体类型 :面实体
• 具有长和宽的目标 •表示平面区域大范围连续分布的特征 •有些面状目标有确切的边界，有些面状目标 在实地上没有明显的边界
– 关联：不同类图形之间的拓扑关系 – 邻接：同类图形元素之间的拓扑关系 – 连通：由节点和弧段构成的有向图网络图形中，节点之间是否存
在通达的路径，即是否具有连接性，是一种隐含于网络中的关系 – 包含：多边形内是否包含了其他弧段或多边形
• 拓扑关系涉及的术语有：
– 邻接、相交、相离、包含、重合等
点—点 点—线 点—面 线—线 线—面 面—面
第三章 空间数据模型
徐敬海 南京工业大学
本章内容
• 现实世界的抽象 • 空间实体 • 空间数据 • 空间数据结构 • 面向对象的空间数据模型 • 时空数据模型
2.1 现实世界的抽象
空间Байду номын сангаас据模型是现实世界的一个抽象，它通过使用一个
数据对象集合来支持对空间信息的显示、查询、编辑和分析
。
编码
测量
第三章4-空间分析2013
2
2
X Z01 Z11 Z00 Z10
tan
Y
2
2
Y
tan X
PO RO
PO QO QO RO
tan sin 1
tan Y
PO SO
PO QO QO SO
tan
sin 2
tan
cos1
tan 2 X tan 2 Y tan 2
⑵不规则三角网(TIN)表示法，能根据区域的有限个点集将区域划分为三角面网络， 数字高程由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的密度和 位置，能够避免地形平坦时的数据冗余，同时还能按地形特征点如山脊、山谷及其它重 要地形特征获得DEM数据。但其结构复杂。
DEM数据网格化 插值计算
1、DEM的数据源采集方法：
（1）航空或航天遥感图像为数据源。 （2）以地形图为数据源。 （3）以地面实测记录为数据源。 （4）其它数据源。
2、数字地面模型的表示方法
主要有规则格网（GRID）表示法和不规则三角网(TIN)表示法，此外还有离散点表示 法和数学分块曲面表示法。
⑴规则格网（GRID）表示法结构简单、计算方便，但： a.地形简单的地区存在大量冗余数据； b.如不改变格网大小，则无法适用于起伏程度不同的地区； c.对于某些特殊计算如视线计算时，格网的轴线方向被夸大； d.由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征。
第四节 GIS空间分析
空间分析是GIS系统的重要功能之一,是基于地理对象的位置和形态特 征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。
空间分析是GIS系统区别于计算机辅助绘图系统的重要方面，空间分 析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括空间坐标和专业 属性两部分。
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。
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。
tin模型名词解释
tin模型名词解释
TIN（Triangulated Irregular Network）模型是一种地形表面建模方法，它使用由不规则三角形组成的网络来描述地形表面。
这
种模型通常用于地理信息系统（GIS）、地形分析和地球科学领域。
TIN模型的基本原理是通过将地形表面上的离散点连接成不规
则三角形网格来近似地描述地形。
每个三角形都由三个不同的点组成，这些点通常是地形表面上的采样点或测量点。
通过连接这些点，可以创建一个近似地形表面的三角形网络。
这种方法的优点是可以
灵活地适应地形的复杂性，因为每个三角形的形状和大小可以根据
地形的实际情况来调整。
TIN模型在地形分析中具有广泛的应用，例如地形剖面分析、
坡度和坡向计算、水流方向分析等。
它还可以用于创建地形模型、
三维可视化和地形表面的插值。
与其他地形建模方法相比，TIN模
型在处理不规则地形和不规则分布的采样点时具有一定的优势。
总的来说，TIN模型是一种用于描述地形表面的灵活且有效的
方法，它通过不规则三角形网格近似地形，为地理信息系统和地形
分析提供了重要的工具和技术支持。
p03第三章 空间数据模型-第六-八节2
要素的特点
① 要素具有形状 ② 要素具有空间参考 ③ 要素具有属性 ④ 要素具有子类 ⑤ 要素具有关联 ⑥ 要素属性可以被限制 ⑦ 要素能用规则来验证 ⑧ 要素具有拓扑关系 ⑨ 要素具有复杂的行为
1）要素具有形状
要素的形状是以 Geometry （shape）这么一个特殊字段存储在要素类 表中的。要素可以用以下这些几何类型表达： 点或多点（一组点） 线（一组相连或不相连的线段） 多边形（不相邻或嵌套的环）。环是由一组连接的、闭合的、不 相交的线段组成的
• 属性关联：也可以定义非空间对象的关联，如房屋与 其主人的关系。
6）要素属性可以被限制
• 为加强数据录入的准确性，还可以制定属性域对要素的属性 进行限定。属性域，表现为一个数值范围或合法值的列表， 也可以在要素创建之时为其属性自动分配一个缺省值。可以 在要素类中为不同的子类设置不同的属性域和缺省值。
要素集中可以存储对象（Objects）、要素（features）及关联 类（Relationship class）和拓扑、几何网络。
对象、要素和关联类直接存储在 Geodatabase 中，不需要非得 存放在要素集中。
二、对象类
• 对象类是Geodatabase中的一个表，保存与地理对 象相关联的描述性信息；
7）要素能用规则来验证
• 现实世界中的对象存在或改变都是必须遵循一定规则 的。可以用这样的规则来限制几何网络中元素的制约 规则，或者定义这些元素关联的对应基数。
8）要素可具有拓扑关系
各类型要素之间具有的精确的空间位置关系就叫做拓扑。 例如，宗地 的二级小分块必须是彼此严格毗邻的，不允许有缝隙和重叠。这种二 维关系称为平面拓扑。
第八节、面向对象的空间数据模型介绍
地理信息系统中常用的空间数据模型有哪些？
地理信息系统中常⽤的空间数据模型有哪些？之前在百度知道上看到了这个问题——“地理信息系统中常⽤的空间数据模型有哪些？”今天就针对这个问题做了⼀些整理，看看能不能帮到⼤家。
空间数据模型是指利⽤特定的数据结构来表达空间对象的空间位置、空间关系和属性信息；是对空间对象的数据描述。
空间数据模型是地理信息系统的基础，它不仅决定了系统数据管理的有效性，⽽且是系统灵活性的关键。
⽬前，与GIS设计有关的空间数据模型主要有⽮量模型，栅格模型，数字⾼程模型，⾯向对象模型，⽮量和栅格的混合数据模型等。
前⾯四种模型属于定向性模型，在模型设计时只包括与应⽤⽬标有关的实体及其相互关系，⽽混合模型的设计则包括所有能够指出的实体及其相互关系。
就⽬前的应⽤现状⽽⾔，⽮量模型、栅格模型、数字⾼程模型相当成熟（⽬前成熟的商业化GIS主要采⽤这三类模型），⽽其它模型，特别是混合模型则处于⼤⼒发展之中。
⼀、⽮量模型（vector model）⽮量模型是利⽤边界或表⾯来表达空间⽬标对象的⾯或体要素，通过记录⽬标的边界，同时采⽤标识符(Identifier)表达它的属性来描述空间对象实体。
⽮量模型能够⽅便地进⾏⽐例尺变换、投影变换以及图形的输⼊和输出。
⽮量模型处理的空间图形实体是点（point）、线（line）、⾯（area）。
⽮量模型的基本类型起源于“Spaghetti”模型。
在Spaghetti模型中，点⽤空间坐标对表⽰，线由⼀串坐标对表⽰，⾯是由线形成的闭合多边形。
CAD等绘图系统⼤多采⽤Spaghetti模型。
GIS的⽮量数据模型与Spaghetti模型的主要区别是，前者通过拓扑结构数据来描述空间⽬标之间的空间关系，⽽后者则没有。
在⽮量模型中，拓扑关系是进⾏空间分析的关键。
在GIS的拓扑数据模型中，与点、线、⾯相对应的空间图形实体主要有结点（node）、弧段（arc）、多边形（polygon），多边形的边界被分割成⼀系列的弧和结点，结点、弧、多边形间的空间关系在数据结构或属性表中加以定义。
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
– 现实世界许多地理事物和现象可以构成网络，如公路、 铁路、通讯线路、管道、自然界中的物质流、物量流 和信息流等
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
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
第三空间数据模型【实用资料】
• 一个点在一个区域的边界上 方向关系又称为方位关系、延伸关系，它定义了地物对象之间的方位，如“河北省在河南省北部”就描述了方向关系。
栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；
• 一个点在一个区域的内部 一个点的位置可以二维或者三维中的坐标的单一集合来描述
2．2栅格数据模型
• 栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将
连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆 盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和 不规则的
• 基于栅格的空间模型把空间看作像元（
Pixel）的划分（Tessellation），每个像元 都与分类或者标识所包含的现象的一个记 录有关
3．要素模型 3．1要素模型的基本概念
3．2矢量数据ห้องสมุดไป่ตู้型
• 矢量方法强调了离散现象的存在，由边界
线（点、线、面）来确定边界，因此可以 看成是基于要素的。
• 矢量数据模型将现象看作原形实体的集合
，且组成空间实体。在二维模型内，原型 实体是点、线和面；而在三维中，原型也 包括表面和体
• 矢量模型的表达源于原型空间实体本身，
通常以坐标来定义。一个点的位置可以二 维或者三维中的坐标的单一集合来描述
4．1．2拓扑空间关系描述——9交 模型
• 设有现实世界中的两个简单实体A、B，
B(A)、B(B)表示A、B的边界，I(A)、I(B)表 示A、B的内部，E(A)、E(B)表示A、B余。 Egenhofer[1993]构造出一个由边界、内部 、余的点集组成的9-交空间关系模型(9Intersection Model,9-IM)如下：
• 一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以 重要（与问题相关）；
拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。
栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；
• 一个点在一个区域的内部 一个点的位置可以二维或者三维中的坐标的单一集合来描述
2．2栅格数据模型
• 栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将
连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆 盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和 不规则的
• 基于栅格的空间模型把空间看作像元（
Pixel）的划分（Tessellation），每个像元 都与分类或者标识所包含的现象的一个记 录有关
3．要素模型 3．1要素模型的基本概念
3．2矢量数据ห้องสมุดไป่ตู้型
• 矢量方法强调了离散现象的存在，由边界
线（点、线、面）来确定边界，因此可以 看成是基于要素的。
• 矢量数据模型将现象看作原形实体的集合
，且组成空间实体。在二维模型内，原型 实体是点、线和面；而在三维中，原型也 包括表面和体
• 矢量模型的表达源于原型空间实体本身，
通常以坐标来定义。一个点的位置可以二 维或者三维中的坐标的单一集合来描述
4．1．2拓扑空间关系描述——9交 模型
• 设有现实世界中的两个简单实体A、B，
B(A)、B(B)表示A、B的边界，I(A)、I(B)表 示A、B的内部，E(A)、E(B)表示A、B余。 Egenhofer[1993]构造出一个由边界、内部 、余的点集组成的9-交空间关系模型(9Intersection Model,9-IM)如下：
• 一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以 重要（与问题相关）；
拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。
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？
第三章-空间数据模型
多 边 形 与 弧 段 ： P2 与 L3,L5,L2
2）邻接性： (同类元素之 间)
多边形之间、结点之间。
邻接矩阵
重叠：-- 邻接：1 不邻接： 0
P1 P2 P3 P4 P1 -- 1 1 1 P2 1 -- 1 0 P3 1 1 -- 0 P4 1 0 0 --
3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络 分析中确定路径、街道是否相通。
连通矩阵： 重叠：-- 连通：1 不连通：0
V1 V2 V3 …
V1 -- 1 0 V2 1 -- 1 V3 0 1 --
4）拓扑包含：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。
主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。
P2
P1
P2
P3 P2
P1 P1
P2
拓扑关系的表达 拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1） 面--链关系： 面 构成面的弧段 （2） 链--结点关系： 链 链两端的结点 （3） 结点--链关系： 结点 通过该结点的链 （4） 链—面关系： 链 左面 右面
2 杨树 x1, y1；x2, y2；…； 林 xn, yn; x1, y1
3 松树 x1, y1；x2, y2；…； 林 xn, yn; x1, y1
空间对象的矢量数据模型
3.4 空间逻辑数据模型
二、栅格数据模型
在栅格数据模型中，点实体是一 个栅格单元（cell）或像元，线实体 由一串彼此相连的像元构成，面实 体则由一系列相邻的像元构成，像 元的大小是一致的。
象）
分类
子类/超类 等效
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
几何坐标
子部分 超部分
非空间属性
2）邻接性： (同类元素之 间)
多边形之间、结点之间。
邻接矩阵
重叠：-- 邻接：1 不邻接： 0
P1 P2 P3 P4 P1 -- 1 1 1 P2 1 -- 1 0 P3 1 1 -- 0 P4 1 0 0 --
3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络 分析中确定路径、街道是否相通。
连通矩阵： 重叠：-- 连通：1 不连通：0
V1 V2 V3 …
V1 -- 1 0 V2 1 -- 1 V3 0 1 --
4）拓扑包含：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。
主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。
P2
P1
P2
P3 P2
P1 P1
P2
拓扑关系的表达 拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1） 面--链关系： 面 构成面的弧段 （2） 链--结点关系： 链 链两端的结点 （3） 结点--链关系： 结点 通过该结点的链 （4） 链—面关系： 链 左面 右面
2 杨树 x1, y1；x2, y2；…； 林 xn, yn; x1, y1
3 松树 x1, y1；x2, y2；…； 林 xn, yn; x1, y1
空间对象的矢量数据模型
3.4 空间逻辑数据模型
二、栅格数据模型
在栅格数据模型中，点实体是一 个栅格单元（cell）或像元，线实体 由一串彼此相连的像元构成，面实 体则由一系列相邻的像元构成，像 元的大小是一致的。
象）
分类
子类/超类 等效
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
几何坐标
子部分 超部分
非空间属性
地理信息系统 第三章地理空间数据模型概要
代码的功能
鉴别——代码代表对象的名称，是鉴别对象的 唯一标识。 分类——当按对象的属性分类，并分别赋予不 同的类别代码时，代码又可作为区分分类对象 类别的标识。 排序——当按对象产生的时间、所占的空间或 其它方面的顺序关系排列，并分别赋予不同的 代码时，代码又可作为区别对象排序的标识。
编码的基本原则
字母型代码
数字、字母混合型代码
编码方法举例
行政区划代码(GB—2260—91)
这是一种识别码，用6位数字代码按层次分别表示 省(自治区、直辖市)、地区(市、州、盟)、县(区、 市、旗)的名称。其第一、二位表示省(自治区、直 辖市)；第三、四位表示省直辖市(地区、州、盟)， 其中01～20，51～70表示省直辖市，21～50表示 地区、州、盟；第五、六位表示县(市辖市、地辖市、 县级市、旗)，其中01～18表示市辖区或地辖市， 21～80表示县、旗，81～99表示县级市。
第二部分
第三章 地理空间数据模型
概念 基本特征和描述 分类和分层 空间数据索引 空间数据模型
3.1 地理空间数据模型概念
空间数据组织 栅格 无拓扑关系 矢量 有拓扑关系 规则格网 高级数据 区域 动态分段 DEM TIN
简单数据
3.2 基本特征和描述
空间位置特征：对地理实体或现象的分 布位置、几何特征和空间关系的定义。 空间属性特征：对地理实体或现象的属 性定义和说明信息。 时间特征：地理实体或现象的时间尺度， 随时间变化的特征。
线分类法：（层次分类法）
土地利用类型 7
耕地 71
园地 72
林地 73
牧草地 居民点及公矿用地交通用地 74 75 75
水域 76
未利用地 77
第三章空间数据模型(栅格数据模型)
2）游程长度编码 (Run—length CodeS)
游程指相邻同值网格的数量。 游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并， 并记录合并后网格的值及合并网格的长度， 其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗 余。
游程长度编码方式
有两种方案：
一种编码方案是，只在各行(或列)数据的代码 发生变化时依次记录该代码以及相同的代码 重复的个数，从而实现数据的压缩。
注意： 在地理信息系统中多采用信息无损编码，而对原始遥 感影像进行压缩编码时，有时也采取有损压缩编码方 法。
(2) 压缩编码方法
目前有一系列栅格数据压缩编码方法：
如链码、游程长度编码、块码和四叉树编码 等。
1)链码(Chain Codes)
链码又称为弗里曼链码(F‘reeman)或边界链码， 链码可以有效地压缩栅格数据。
3.栅格数据表示地理现象的方式
在栅格数据模型中：
线段——由一串有序的相互连接的单元网 格表示，各个网格的值比较一致，但与 邻域的值差异较大。
3.栅格数据表示地理现象的方式
多边形——由聚集在一起的相互连接的单 元网格组成，区域内部的网格值相同或 差异较小，但与邻域网格的值差异较大。
4.栅格的形式
2决定栅格单元代码的方式
——百分比法 根据矩形区域内各地理要素所占面积的百 分比数确定栅格单元的代码。
(三)栅格数据结构、压缩和文 件管理
1.栅格编码
(1) 直接栅格编码
直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵， 逐行(或逐列)逐个记录代码。
——可以每行都从左到右逐个像元记录，也可 以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录。 为了特定目的还可采用其他特殊的顺序。 最简单直观
2决定栅格单元代码的方式
TIN数据结构
Theory of Spatial Database
TIN结构 结构( §3.5 TIN结构(Triangulated Irregular Networks Structure)
在地理信息系统中，DEM(Digital Elevation Model)最主要的三种表示 模型是：
规则格网模型( 规则格网模型(GRID) 等高线模型( 等高线模型(Contour) 不规则三角网模型( 不规则三角网模型(TIN)
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮 空间数据库原理】
Theory of Spatial Database
一、不规则三角网（TIN）模型 不规则三角网（ ）
不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字 高程模型的方法[Peuker等，1978]，它既减少规则格网方法带来的数据冗 余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。 TIN是一个三维空间的分段线性模型
邻接三 角形 2 5 X 1 3 6 X 4 2 3 X 8 1 X 6 2 5 7 6 8 X 4 7 X
1 3
2 1 2 4 4 6 7 8 7 8 3 3 4 5 6 7 8 2
顶点
1 6 5
5
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8
Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 Y 8
三维分析
通视性分析 淹没分析 地形剖面分析 坡度坡向分析 土石方计算
三角网内插 等高线追踪 内插等高线
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮 空间数据库原理】
Theory of Spatial Database
TIN结构 结构( §3.5 TIN结构(Triangulated Irregular Networks Structure)
在地理信息系统中，DEM(Digital Elevation Model)最主要的三种表示 模型是：
规则格网模型( 规则格网模型(GRID) 等高线模型( 等高线模型(Contour) 不规则三角网模型( 不规则三角网模型(TIN)
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮 空间数据库原理】
Theory of Spatial Database
一、不规则三角网（TIN）模型 不规则三角网（ ）
不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字 高程模型的方法[Peuker等，1978]，它既减少规则格网方法带来的数据冗 余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。 TIN是一个三维空间的分段线性模型
邻接三 角形 2 5 X 1 3 6 X 4 2 3 X 8 1 X 6 2 5 7 6 8 X 4 7 X
1 3
2 1 2 4 4 6 7 8 7 8 3 3 4 5 6 7 8 2
顶点
1 6 5
5
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8
Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 Y 8
三维分析
通视性分析 淹没分析 地形剖面分析 坡度坡向分析 土石方计算
三角网内插 等高线追踪 内插等高线
【空间数据库原理】 武汉大学资源与环境科学学院 地理信息科学系 蔡忠亮 空间数据库原理】
Theory of Spatial Database
空间数据模型
坐标表和属性表之间共享同一识别码
通过坐标表和属性表之间共享同一识别码来使属性信息和位置信 息相结合
4、多类信息的表示 、
空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性 或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信 息层(见下图)；
用于表示地理实体的数据模型
①面积； ②周长； ③内岛 ④形状（锯齿状、凸凹性等）； ⑤重叠性与非重叠性。 ⑥独立性或与其它的地物相邻，如中国 及其周边国家；
4、立体状实体 、
Volume：立体状实体用于描述三维空间中 的现象与物体，它具有长度、宽度及高度 等属性。 ① 体积：如工程开掘和填充的土方量； ② 每个二维平面的面积； ③ 每个二维平面的周长； ④ 断面图与剖面图。 ⑤ 内岛或锯齿状外形； ⑥ 含有孤立块或相邻块；
三种最主要的拓扑关系
空间数据的拓扑关系是空间对象空间关系的一种，但却是最 重要的空间关系，在GIS中最主要的拓扑关系包括。 相邻性(Adjacency) (Adjacency)： 表示两个多边形是否相邻（ ① 相邻性 (Adjacency) ： 表示两个多边形是否相邻 （ 同 类元素间的相邻关系） 类元素间的相邻关系）； 包含性(Containment) (Containment)： ② 包含性 (Containment) ： 表示一个图元要素是否包含于 某个多边形中。 同类不同级别对象之间的包含关系） 某个多边形中。（同类不同级别对象之间的包含关系） 连通性(Connectivity) 表示两条线段是否相连。 (Connectivity)： ③ 连通性(Connectivity)：表示两条线段是否相连。
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。
空间数据模型
TIN数据结构
【空间数据库原理】
TIN的应用(3)
【空间数据库原理】
TIN的应用(4)
【空间数据库原理】
∮
∮
P3
P2
V3
P1
V1
V2
V4
P8
P7
V5
V6
V8
V7 P5
P6 ∮
∮
∮ P4
∮
三、TIN的局部优化 （LOP）
局部优化过程LOP
Lawson [1977]提出了一个局部优 化过程LOP（Local Optimization Procedure）方法。先求出包含新 插入点p的外接圆的三角形，这种 三角形称为影响三角形（Influence Triangulation）。删除影响三角形 的公共边（图b中粗线），将p与 全部影响三角形的顶点连接，完 成p点在原Delaunay三角形中的插 入。
TIN数据组织
存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及 邻接三角形等关系。
TIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需要定
义“岛”和“洞”的拓扑关系。
(X1,Y1,Z1)
x21 x2 x1; y21 y2 y1;
x31 x3 x1 y31 y3 y1
规则格网 等高线
不规则三角网
规则格网的缺陷：
在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象； 在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。
【空间数据库原理】
一、不规则三角网（TIN）模型
不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字 高程模型的方法[Peuker等，1978]，它既减少规则格网方法带来的数据冗
TIN的应用(3)
【空间数据库原理】
TIN的应用(4)
【空间数据库原理】
∮
∮
P3
P2
V3
P1
V1
V2
V4
P8
P7
V5
V6
V8
V7 P5
P6 ∮
∮
∮ P4
∮
三、TIN的局部优化 （LOP）
局部优化过程LOP
Lawson [1977]提出了一个局部优 化过程LOP（Local Optimization Procedure）方法。先求出包含新 插入点p的外接圆的三角形，这种 三角形称为影响三角形（Influence Triangulation）。删除影响三角形 的公共边（图b中粗线），将p与 全部影响三角形的顶点连接，完 成p点在原Delaunay三角形中的插 入。
TIN数据组织
存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及 邻接三角形等关系。
TIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需要定
义“岛”和“洞”的拓扑关系。
(X1,Y1,Z1)
x21 x2 x1; y21 y2 y1;
x31 x3 x1 y31 y3 y1
规则格网 等高线
不规则三角网
规则格网的缺陷：
在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象； 在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。
【空间数据库原理】
一、不规则三角网（TIN）模型
不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示数字 高程模型的方法[Peuker等，1978]，它既减少规则格网方法带来的数据冗
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4
B C D E F
G K P
12
H
10
J M
9
11
G H I J ...
N
13 14
O
Q
S
15
Node Attribute Table
Node 1 2 3 X x1 x2 x3 Y y1 y2 y3 Z z1 z2 z3
...
...
...
...
三、TIN的生成
1. 如何选择点（How to pick points）？
一、模型的比较
1. 理解和感知的差异 2. 模型特性的差异
理解和感知的差异
现实世界
完全定义或可定义 的实体(如地籍)
概念模型
连续但可定义的对象 (如高程表面)
平滑和连续的空间变化 (如温度)
数据模型 及其表达
边界轮廓 (点、线、多边形)
矢量
表面 (三角形表面) TIN
镶嵌 (正方形, 像元)
栅格
3 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3 1 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 3 3 3 1 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 3 3 1 7 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 3 1 7 7 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 3 1 7 7 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 3 3 1 7 7 7 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 1 7 7 7 7 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 3 1 7 7 7 7 3 3 3 3 3 3 3 3 2 3 1 7 7 7 7 7 3 3 3 3 3 3 3 3 2 1 7 7 7 7 7 7 3 3 3 3 3 3 3 3 2 1 7 7 7 7 7 7 3 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 4 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 7 7 4 4 4 4 6 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 6 2 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 6 6 2 7 7 7 7 4 4 4 4 4 6 6 6 6 6 6 2 7 7 7 7
– 空间数据 – 属性表
Land Ownership Map Smith Taylor Weber Smith Clark
Owner Smith Taylor Weber Clark Population 10 2 3 5 PPD Cow Wheat Corn Bean Income $500,000 $100,000 $20,000 $230,000
Shape Point Directory
SID S1 S2 S3 S4 S5 S6 X Y
xs1 xs2 xs3 xs4 xs5 xs6
ys1 ys2 ys3 ys4 ys5 ys6
2、空间查询
A. 查询 Smith的农场 B. 找出土地与Bow River毗邻的农场主
A. 查询 Smith的农场
Node Tables
Node Topology Table
NID N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 X Y
xn1 xn2 xn3 xn4 xn5 xn6 xn7
yn1 yn2 yn3 yn4 yn5 yn6 yn7
Node Attribute Tables
Bridge Table NID N6 WIDTH 5 TYPE contrete NAME Smith Bridge
矢量数据结构
• Spaghetti 结构（直接记录）：坐标表是与每一个 基本的空间对象相联系的，不用拓扑属性，对查 询不便，且数据的冗余大 • 拓扑数据结构：点是相互独立的，点互相连接构 成线，线由一系列点相连而成，始于起始结点， 止于终止结点，链是一个或多个多边形上的一条 线，又称为弧或边，多边形内部可以有“岛”或 “洞” • 表面格网数据结构：对不规则的空间数据进行内 插，并反映到规则的格网上
Bow River: Width 15 meters, minimal pollution Hwy 10: Undivided, 1 lane, Speed limit 55 mi/h Smith Bridge: Width 5m, Concrete type
Topology Needed
Arc
Node
第六节 空间数据与属性数据的联接
一．矢量方法 二．栅格方法 三．TIN方法
一、矢量方法
1. 表达: 矢量中的联接 2. 空间查询
A 查询 Smith的农场 B 找出土地与Bow River毗邻的农场主
3. 实践 如果你是计算机，请计算Bow River沿岸农 场主的家庭平均收入
1、表达
• 矢量中的联接
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 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
第四节 空间数据模型－TIN模型
一．什么是 TIN？ 二．TIN 的表达 三．TIN的生成 四．TIN 表达的评价 TIN
Polygon Tables
Polygon Topology Table
PID P1 P2 P3 P4 P5 LABEL X LABEL Y
xp1 xp2 xp3 xp4 xp5
yp1 yp2 yp3 yp4 yp5
Polygon Attribute Tables
Measurement Table PID P1 P2 P3 P4 P5 AREA Perimeter OWNER Smith Taylor Weber Clark Smith
TIN
最常用于存储 高程数据，不 用于进行数据 分析
二、数据模型间的转换
1. 数据质量－通常很低
– 精度 – 空间可变性
2. 拓扑关系
三、空间数据模型的选择
1. 空间可变性 2. 拓扑性质的需求 3. 项目性质 (预算，精度)
思考题
1. 给一个TIN 图，构造三角形-结点表 （TriangleNode table），每个结点的高程数据和 x-y 坐标数 据如何存储？ 2. 为什么说TIN用于表达地形表面并可以抓住地形 TIN 表面的结构特征？ 3. 对照并比较用栅格数据结构表达的数字高程模型 （DEM-Digital Elevation Data）和TIN模型。 4. 对照并比较三种基本的空间数据模型 （raster, vector and TIN）。
矢量
栅格
1. 数据结构简单 2. 技术实现成本低 3. 由于所有数据层由像元组成 （简单和规则的形状）所以数学 建模和空间叠加容易实现 4. 通过增加空间分辨率可以适应 不同空间变化 1. 压缩数据结构 2. 能够反映空间变化 3. 坐标变换容易 4. 拓扑关系以三角形表面形式反 映出
具有连续空间 变化的专题， 如高程、温度、 降雨量等
ap1 ap2 ap3 ap4 ap5
Owner Table
pp1 pp2 pp3 pp4 pp5
OWNER Smith Taylor Weber Clark
POPULATION 10 2 3 5
PPD Cow Wheat Corn Bean
INCOME $500,000 $100,000 $20,000 $230,000
实线和虚线
构造 Thiessen 多边形或 Voronoi 网
构造 Thiessen 多边形或 Voronoi 网
Thiessen 多边形或 Voronoi 网
从Thiessen 多边形生成TIN
带有TIN 痕迹的数字高程模型
四、TIN 表达的评价
• 优点：
– A 压缩，无冗余 – B 促进表面属性计算的发展
– 断点和断线（break points and break lines） – 实线和虚线
2. 如何将点联接成三角形
– 用实线将区域分割成子区 – 对于每个子区
• 尽可能用相等的边线生成三角形 • 常用的一种方法为Delaunay Triangulation，也称为泰森多边形
3. 如何模拟表面
– 采用平面（线性） – 采用曲面
• 查询所需要的空间信息
– Arc、polygon、node表 – River、 owner信息 – shape 点目录
• 地籍图（Land Ownership Map）
B. 找出土地与Bow River毗邻的农场主
• 查询所需要的空间信息
– Arc、polygon、node表 – River、 owner信息 – shape 点目录
• 地籍图（Land Ownership Map）
3、实践
• 如果你是计算机，请计算Bow River沿岸农 场主的家庭平均收入
二、栅格方法
• 栅格表达 • 每种属性用一个栅格层表达
– One raster layer for one attribute type
所有者栅格表达 Smith Taylor Weber Smith Clark
Arc
Arc Attribute Tables
Road Table AID A4 A7 A10 TYPE Undvd Undvd Undvd #LANE 1 1 1 RiverTable AID A6 A9 WIDTH 15 15 POLLUTION Minimal Minimal NAME Bow River Bow River SPEED LIMIT 55 55 55 NAME Hwy 10 Hwy 10 Hwy 10