第4讲-空间数据模型-逻辑模型与数据结构

面：二维
体：三维 时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时 间属性。
空间对象的维数与比例尺是相关的
道路的维数与尺度
道路的维数与尺度
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
杨树林
5 1 3 4
河流 电力塔
2
实体类型 点
实体ID 5 6 4 1 2 3
24 D
f
17
C
25
a
2 3
b
e
4 5
a
18
b
e
b
c
d
g
d
e
f
A
多边形与线之间索引
19
原始多边形数据
a b c d e f g
1
2
3
4
5
1
8
7
1 9 10 11 12 13
13
7
5 6 7 13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25
点与线之间的树状索引
索引式拓扑空间数据结构 点文件
c
9 1
10
12
多边形ID
16 23 24 D 18
类别码 A102 B203 A178 C523
14
B
7
d
13 6
22
21 20
g
f
17
A B C D
a
2 3
b
8
C
25
A
4
e
5
19
原始多边形数据 点数据文件 点号
1 2 3 4 …… 25
坐标
x1，y1 x2，y2 x3，y3 x4，y4 …… x25，y25
列
Y
空 间 对 象 的 栅 格 数 据 模 型
栅格数据模型：数据分层
建筑物
Z
森林
土壤 地貌
Y
X
1.
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;
2.
栅格单元的形状通常是正方形，有时也采用矩形。栅
理的形式具体地表达空间实体及其关系。
3.4 空间数据逻辑模型
1.
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 镶嵌数据模型 面向对象数据模型
2.
另外，还有三维空间数据模型、时空数据模型等
空间对象（实体）类型
空间对象一般按地形维数进行归类划分

点：零维 线：一维
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。
几何抽象类
地理空间参考系
点 -
曲线
表面
几何集合
1
-
1
线串类 多边形 表面集合 曲线集合 点集合
1
直线段 线性环 -
-
多边形集合 线串集合 1
-
1
-
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
ArcGIS面向对象空间实体模型
对象1
对象2 坐标几何
拓扑空间数据结构的共同的特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面；
每条线始于起始结点，止于终止结点，并与左右多边形相邻接。 拓扑空间数据结构主要有：
索引式 双重独立编码结构 链状双重独立编码结构等。
索引式拓扑空间数据结构
11 15
c
9 1
10
12
14
16
A
B
C
D
B
8
7
d 13
6
22
21 20
g
23
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)
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。
…… ……
对象ID
对象1 对象2
属性
…… ……
方法
…… ……
面向对象数据模型
6、三维空间数据模型
地理空间目标的分类(据吴立新教授)
基础设施
地上实体
坝体、边坡、桥梁、管线、输电线塔等 村庄民房、城市公寓、高楼大厦、会馆厂房、文物古塔、 雕塑等 古树、景观树、雪花、云雾、泥石流、熔岩流等
土壤、山脉、丘壑等 河流湖泊、各类道路、植被耕地等 岩层、矿体、油气藏、断层、褶曲等 暗河、岩溶洞等 城市地下沟、地铁、防空洞，矿山井巷，隧道硐室，军事 掩体等
O 9
i
7 f
1
j a
2Ⅰ
10
线号
a b
左多边形
I I
右多边形
II II
起点
1 2
终点
2 3
hቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ⅲ 5
c
I
II II
II
III III
3
5 6
4
6 7
e
Ⅱ 8 6
d
k
d e
3
b
11
f
g h
II
0 0
III
II II
7
4 8
5
8 9
c l
g
O
4
i
j k l
0
0 0 0
II
II II II
9
1 10 11
房屋建筑
自然地物 地形特征
地球表面
地貌特征 地质体 地下自然空间 地下人工空间
地下实体
（1）表面模型(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)
Y
22 44 „ 66
1 2 „ n
空间对象编码 唯一 连接几何和属性数据
1、实体数据结构/spaghetti数据结构
11 15
多边形数据文件 坐标
（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），（x4， y4），（x5，y5），（x6，y6），（x7，y7）， （x8，y8），（x1，y1） （x1，y1），（x8，y8），（x7，y7），（x13， y13），（x12，y12），（x11，y11），（x10， y10），（x9，y9），（x1，y1） （x20，y20），（x25，y25），（x24，y24）， （x23，y23），（x22，y22），（x21，y21）， （x20，y20） （x5，y5），（x19，y19），（x18，y18），（x17， y17），（x16，y16），（x15，y15），（x14， y14），（x7，y7），（x6，y6），（x5，y5）
多边形文件 多边形ID 点号串 类别码
A
B C
1,2,3,4,5,6,7,8,1
7,8,1,9,10,11,12,13,7 20,21,22,23,24,25,20
A102
B203 A178
D
7,13,15,16,17,18,19,5,6,7
C523
2、拓扑空间数据结构
拓扑空间数据结构没有固定的格式，还没有形成标准，但基本原理相同；
选择一种数据逻辑模型 对空间数据进行描述
一种数据结构 对该模型进行表达
一种适合记录该结构的 文件格式
4.1 矢量空间数据结构
矢量数据结构对矢量数据模型进行数据的组织。它直接以几何空间坐标为基础， 记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，允许 任意位置、长度和面积的精确定义。
格的行列信息和原点的地理位置被记录在每一层中;
3. 4.
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。
例图：
土地类型（栅格）
栅格数据模型：栅格单元大小
L
1 L S 2
栅格数据模型：单元值确定 P41
C A B 重 要 性
针体(Needle) 规则块体
TIN-Octree 混合 WireFrame-Block 混 合
Octree-TEN 混合
三棱柱(TP)
地质细胞 非规则块体 实体(Solid)
多层DEMs
3D Voronoi 图
广义三棱柱(GTP)
规 则 体 元 模 型
非 规 则 体 元 模 型
三维TIN
4.1 矢量空间数据结构
6555000 5610000
5810000
矢量表达法
矢量拓扑型数据结构
以上图为例，列出拓扑数据的弧段文件格式
2、栅格数据模型
面 线 点
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 ；
栅格形状 X
栅格的倾角；
格网分辨率
行
西南角格网坐标 （XWS，YWS）
1
10 11 4
链状双重独立编码结构（之一）
11 15
多边形ID
A
弧段号
a,b,e
属性
…
c
9 1
面向对象技术将对象的属性和方法进行封装（encapsulation），另外还有分类 （classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、联 合（association）等对象抽象技术以及继承（inheritance）和传播
（propagation）等强有力的抽象工具 ；
3D空间数据模型分类
面模型 不规则三角网 (TIN)
体模型
规则体元 结构实体几何 (CSG) 非规则体元 四面体格网 (TEN) 金字塔 (Pyramid)
混合模型 TIN-CSG混合
格网(Grid) 边界表示模型
线框(或相连切片) 断面(Section) 断面-三角网混合
体素(Voxel) 八叉树 (Octree)
•
空间数据结构是指对空间数据逻辑模型描述的数据组织 关系和编排方式，对地理信息系统中数据存储、查询检索
和应用分析等操作处理的效率有着至关重要的影响。
•
同一空间数据逻辑模型往往采用多种空间数据结构，例如 游程长度编码结构、四叉树结构都是栅格数据模型的具体 实现。
空间数据结构是数据逻辑模型与数据文件格式间的桥梁
气温? 如何避免混合像元? 针叶林、阔叶林? 缩小栅格面积? 矿产? 增加栅格总数? …… ……
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
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； 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
1.
规则镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型
2.
规则镶嵌数据模型
Dutton, 2000
David, 2002
不规则镶嵌数据模型
TIN
1
3
1
3
方案一
1 3 2 4
2
1
4 3
2 1
4
3
方案二
2
4
2 4
最大空圆准则
Delaunay三角网
TIN和Voronoi多边形数据模型
地理信息系统原理
第四讲 空间数据模型与数据结构
2015/8/31
1
本讲内容
1.
空间数据逻辑模型 空间数据结构
2.
三大基本特征：空间、时间、专题属性
SAGA - System for Automated Geoscientific Analyses
3.4 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
11
15
点ID
16
坐标 x1,y1 …… 边文件 组成的点ID 1,2,3,4,5 ……
c
9 1
10
12
14
1
f
B
8
7
d 13
6
22
21 20
g
23 24
……
17
C
25
a
2
3
b
e
4 5
D
18
边ID a
A
19
原始多边形数据
…… 多边形文件
多边形ID
A
组成的边ID
a,b,c
……
……
双重独立编码结构/DIME（Dual Independent Map Encoding）码 线文件
类别 电力塔 电力塔 河流 杨树林 杨树林 松树林 x1, y1 x1, y1
位置
松树林 6
点 线 多边形 多边形 多边形
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
面向对象的要素描述
1. 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象 进行表识，是唯一的。 2. 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置 3. 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成
4. 行为：空间对象所具备的行为和功能
5. 属性：空间对象所对应的非几何信息 6. 说明：实体数据来源、精度等 7. 关系：与其他实体之间的关系
数据库
独立编码
点: ( x ,y ) 线 : ( x 1 , y 1 ) , (x 2 , y 2 ) , „ , ( x n , y n ) 面 : ( x 1 , y 1 ) , (x 2 , y 2 ) , … , ( x 1 , y 1 )
点号 X
11 33 „ 55
标识码
属性
几何 位置
点: 点号文件 点位字典 线: 点号串 面: 点号串