空间数据模型与数据结构
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结构化逻辑数据模型
➢ 层次数据模型：按树型结构组织数据记录，以反映数据之间的隶 属或层次关系。
➢ 网络数据模型
面向操作的逻辑数据模型
➢ 关系数据模型 ：用二维表格表达数据实体之间的关系，用关系操 作提取或查询数据实体之间的关系
对象数据模型
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物理数据模型
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1.2 基于场的栅格模型
场模型用于模拟一定空间内连续变化的地 理现象。
例如，空气中污染物的集中程度、地表的 温度、土壤的湿度水平以及空气与水的流 动速度和方向。
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栅格数据模型是场模型的典型代表，它是将连续空间离散 化，即用栅格单元划分整个连续空间；栅格单元可以分为 规则的和不规则的；
网络模型将线性系统抽象为边线（Edges）和交汇 点（Junctions）的集合；边线和边线之间通过交汇 点相连，流（flow）（如汽车流、电流和水流）可 以从一条边线传输到另一条边线。
边线如街道、传输线路、管道以及河段等； 交汇点如街道交叉点、保险丝、开关、服务中心以
及河流的汇合点等。
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物理数据模型
图3-1-1 空间数据模型的三个层次
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概念数据模型
由于职业、专业等的不同，人们所关心的问题、研究对象、 期望的结果等方面存在着差异，因而对现实世界的描述和 抽象也是不同的，形成了不同的用户视图，称之为外模式。 GIS空间数据模型的概念模型是考虑用户需求的共性，用 统一的语言描述和综合、集成各用户视图。
模型是对现实世界的简化表达。 空间数据模型是关于现实世界中空间实体及
其相互间联系的概念，它为描述空间数据的 组织和设计空间数据库模式提供基本方法。
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1.1 概述
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。
逻辑数据模型并不涉及最底层的物理实现细节，但计算机 处理的是二进制数据，必须将逻辑数据模型转换为物理数 据模型，即要设计空间数据的物理组织、空间存取方法、 数据库总体存储结构等。
物理表示与组织：物理组织主要是考虑如何在外存储器上 以最优的形式存放数据，通常要考虑操作效率、响应时间、 空间利用和总的开销。
➢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构
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现实空间世界
外模式 1
外模式 2
外模式 3
空间概念数据模型
逻辑数据模型
矢量数据模型已经历了CAD模型、地理相关 数据模型（Coverage模型）和面向对象的数 据模型（Geodatabase模型）三个发展阶段。
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矢 量 模 型
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1.4 网络模型
网络模型用于描述现实世界中的线性系统，如道路 交通网络、给排水系统、电力网络等。
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Geodatabase 对线性网络系统有两种描述模型：几何 网络模型（ geometric network）和逻辑网络模型 （logical network）。
➢ 几何网络模型是组成线性网络系统的要素的集合，是由 边线和交汇点相连组成的系统 。一条边线有两个交汇点， 而一个交汇点可以与任何数量的边线相连。几何网络模 型是从要素集合的视角来看网络模型。
栅格单元的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。 在边数从3到N的规则栅格单元中，方格、三角形和六角形
是空间数据处理中最常用的。
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栅格模型的分层表达
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1.3 基于要素的矢量模型
基于要素的矢量模型将现实世界抽象为各类 要素的集合，要素的空间位置用一系列特征 点的X、Y（、Z）坐标来表达，要素之间的 空间关系主要通过拓扑关系来表达。
概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集。 ➢ 场模型--栅格数据模型 ➢ 要素模型--矢量数据模型 ➢ 网络模型 ➢ ……
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空间逻辑数据模型
逻辑数据模型是根据概念数据模型确定的空间数据库信息 内容（空间实体及相互关系），具体地表达数据项、记录 等之间的关系，可以有若干不同的实现方法。
因此，一种空间数据建模可能有几种可选的数据结构，而 每一种数据结构又可能有多种文件格式进行存储。
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地理信息系统中最常用的数据组织方式为矢 量模型和栅格模型。在矢量模型中，用点、 线、面表达世界，在栅格模型中用空间单元 （Cell）或像元（Pixel）来表达。
➢ 层次逻辑数据模型的物理表示方法主要有物理邻接法、表结构法、 目录法。
➢ 网络数据模型的物理表示方法主要有变长指针表、位图法、目录 法等。
➢ 关系数源自文库模型的物理表示是用关系表进行的。
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数据建模过程
数据建模过程分为三步：
➢ 选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织； ➢ 选择一种数据结构来表达该数据模型； ➢ 选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。
例如，表示地表高程的空间数据可以选用
➢ 栅格模型进行组织，栅格模型选用游程编码这一数据结构进行表 达，处理后的数据则以文件形式进行存储。
➢ 地表也可用矢量模型来组织，即以等高线来表示地表，数据以拓 扑结构进行安排并且以 DLG文件格式存储。
➢ 不规则三角网（TIN）模型，是另一种能很好地表达高程数据的数 据模型。
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第三部分 空间数据模型与数据结构
目标要求：了解、掌握GIS空间数据模型的 概念；了解、掌握常用的矢量数据结构和栅 格数据结构。
➢ 空间数据模型 ➢ 栅格数据结构 ➢ 矢量数据结构 ➢ 两种数据结构的比较与转换
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§1 空间数据模型
➢ 层次数据模型：按树型结构组织数据记录，以反映数据之间的隶 属或层次关系。
➢ 网络数据模型
面向操作的逻辑数据模型
➢ 关系数据模型 ：用二维表格表达数据实体之间的关系，用关系操 作提取或查询数据实体之间的关系
对象数据模型
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物理数据模型
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1.2 基于场的栅格模型
场模型用于模拟一定空间内连续变化的地 理现象。
例如，空气中污染物的集中程度、地表的 温度、土壤的湿度水平以及空气与水的流 动速度和方向。
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栅格数据模型是场模型的典型代表，它是将连续空间离散 化，即用栅格单元划分整个连续空间；栅格单元可以分为 规则的和不规则的；
网络模型将线性系统抽象为边线（Edges）和交汇 点（Junctions）的集合；边线和边线之间通过交汇 点相连，流（flow）（如汽车流、电流和水流）可 以从一条边线传输到另一条边线。
边线如街道、传输线路、管道以及河段等； 交汇点如街道交叉点、保险丝、开关、服务中心以
及河流的汇合点等。
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图3-1-1 空间数据模型的三个层次
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概念数据模型
由于职业、专业等的不同，人们所关心的问题、研究对象、 期望的结果等方面存在着差异，因而对现实世界的描述和 抽象也是不同的，形成了不同的用户视图，称之为外模式。 GIS空间数据模型的概念模型是考虑用户需求的共性，用 统一的语言描述和综合、集成各用户视图。
模型是对现实世界的简化表达。 空间数据模型是关于现实世界中空间实体及
其相互间联系的概念，它为描述空间数据的 组织和设计空间数据库模式提供基本方法。
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1.1 概述
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。
逻辑数据模型并不涉及最底层的物理实现细节，但计算机 处理的是二进制数据，必须将逻辑数据模型转换为物理数 据模型，即要设计空间数据的物理组织、空间存取方法、 数据库总体存储结构等。
物理表示与组织：物理组织主要是考虑如何在外存储器上 以最优的形式存放数据，通常要考虑操作效率、响应时间、 空间利用和总的开销。
➢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构
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现实空间世界
外模式 1
外模式 2
外模式 3
空间概念数据模型
逻辑数据模型
矢量数据模型已经历了CAD模型、地理相关 数据模型（Coverage模型）和面向对象的数 据模型（Geodatabase模型）三个发展阶段。
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矢 量 模 型
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1.4 网络模型
网络模型用于描述现实世界中的线性系统，如道路 交通网络、给排水系统、电力网络等。
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Geodatabase 对线性网络系统有两种描述模型：几何 网络模型（ geometric network）和逻辑网络模型 （logical network）。
➢ 几何网络模型是组成线性网络系统的要素的集合，是由 边线和交汇点相连组成的系统 。一条边线有两个交汇点， 而一个交汇点可以与任何数量的边线相连。几何网络模 型是从要素集合的视角来看网络模型。
栅格单元的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。 在边数从3到N的规则栅格单元中，方格、三角形和六角形
是空间数据处理中最常用的。
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栅格模型的分层表达
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1.3 基于要素的矢量模型
基于要素的矢量模型将现实世界抽象为各类 要素的集合，要素的空间位置用一系列特征 点的X、Y（、Z）坐标来表达，要素之间的 空间关系主要通过拓扑关系来表达。
概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集。 ➢ 场模型--栅格数据模型 ➢ 要素模型--矢量数据模型 ➢ 网络模型 ➢ ……
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空间逻辑数据模型
逻辑数据模型是根据概念数据模型确定的空间数据库信息 内容（空间实体及相互关系），具体地表达数据项、记录 等之间的关系，可以有若干不同的实现方法。
因此，一种空间数据建模可能有几种可选的数据结构，而 每一种数据结构又可能有多种文件格式进行存储。
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地理信息系统中最常用的数据组织方式为矢 量模型和栅格模型。在矢量模型中，用点、 线、面表达世界，在栅格模型中用空间单元 （Cell）或像元（Pixel）来表达。
➢ 层次逻辑数据模型的物理表示方法主要有物理邻接法、表结构法、 目录法。
➢ 网络数据模型的物理表示方法主要有变长指针表、位图法、目录 法等。
➢ 关系数源自文库模型的物理表示是用关系表进行的。
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数据建模过程
数据建模过程分为三步：
➢ 选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织； ➢ 选择一种数据结构来表达该数据模型； ➢ 选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。
例如，表示地表高程的空间数据可以选用
➢ 栅格模型进行组织，栅格模型选用游程编码这一数据结构进行表 达，处理后的数据则以文件形式进行存储。
➢ 地表也可用矢量模型来组织，即以等高线来表示地表，数据以拓 扑结构进行安排并且以 DLG文件格式存储。
➢ 不规则三角网（TIN）模型，是另一种能很好地表达高程数据的数 据模型。
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第三部分 空间数据模型与数据结构
目标要求：了解、掌握GIS空间数据模型的 概念；了解、掌握常用的矢量数据结构和栅 格数据结构。
➢ 空间数据模型 ➢ 栅格数据结构 ➢ 矢量数据结构 ➢ 两种数据结构的比较与转换
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