第4讲-空间数据模型-逻辑模型与数据结构
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常见的空间数据逻辑模型
空间数据逻辑模型是地理信息系统（GIS）中的核心部分，它描述了空间实体及其之间的关系。
选择适当的逻辑模型对于有效地组织、存储、管理和查询空间数据至关重要。
以下是几种常见的空间数据逻辑模型：矢量模型：点、线和多边形：这是最基本的矢量数据模型，其中点代表位置，线由一系列的点组成，而多边形则是由闭合的线形成。
这种模型非常适合表示离散的空间特征，如建筑物、道路和行政区划。
拓扑关系：在更复杂的矢量模型中，除了几何形状外，还会考虑空间对象之间的拓扑关系，如相邻、相交和包含等。
这种拓扑信息可以增强空间分析的能力。
栅格模型：像元/网格：栅格模型将空间划分为规则的网格或像元，每个像元都有一个与之关联的值，如高程、温度或土壤类型。
这种模型特别适合于表示连续的空间现象，如地形、气候和某些类型的遥感数据。
面向对象模型：对象和类：面向对象模型将现实世界中的实体表示为对象，这些对象具有属性（如颜色、形状）和方法（如计算面积、查找相邻对象）。
相关的对象可以被组织成类，从而形成一个分类体系。
继承和封装：通过使用面向对象编程的概念，如继承和封装，这种模型可以更有效地组织和管理复杂的空间数据。
网络模型：节点和边：网络模型主要用于表示和分析由节点（如交叉口、城市）和边（如道路、输电线路）组成的网络结构。
这种模型在交通规划、公共设施布局和物流分析等领域非常有用。
时空模型：时间维度：时空模型在传统的空间数据模型上增加了一个时间维度，用于表示和分析空间现象随时间的变化。
这对于环境监测、城市规划和历史研究等应用非常重要。
三维模型：立体表达：三维模型使用X、Y和Z三个坐标来定义空间对象的位置和形状，从而能够更真实地表示现实世界中的三维结构，如建筑物、地形和地下设施。
混合模型：综合应用：混合模型结合了上述两种或多种模型的优点，以适应特定的应用需求。
例如，一个系统可能同时使用矢量和栅格数据来表示不同类型的空间信息。
随着技术的进步和应用需求的增加，未来可能会出现更多创新的空间数据逻辑模型。
空间数据结构与数据库数据模型
三、空间数据结构与GIS数据模型地理信息系统所处理的数据与一般事务性信息系统如银行管理系统、图书检索系统不同。
GIS的数据处理不仅包括所研究对象的属性关系，还包括研究对象的空间位臵以及空间拓扑关系等信息，数据量大，结构复杂。
因此，人们对GIS中的数据结构和数据模型进行了大量的研究，并发展了一整套空间数据处理的算法。
一、空间数据结构的概念数据结构是指数据的组织形式，可以分为抽象数据结构(或称逻辑结构)和数据存贮结构(或称物理结构)来进行研究。
所谓抽象数据结构是指人们仅从概念上描绘数据之间的排列和联系，而并不涉及数据和具体程序管理细节。
数据存贮结构则是为实现某一抽象数据结构而具体设计的数据存贮管理方式.是依照任务的不同，软件系统和设计者的不同而改变的，具有一定的特殊性，是前者的一个具体实现。
地理空间数据在GIS中的流向可以认为经历了四个阶段。
用户认知的数据结构输入GIS系统后转换成为GIS空间数据结构，然后，为有效地进行数据管理，将其转化为数据库结构，最后按某种特定程式以硬件结构写入存贮介质。
上述流程即为数据的输入过程。
地理空间实体可以抽象为点、线、面三种基本地形要素来表示它的位臵、形状、大小、高低等。
---点(零维)：又称为元素或像元，是一个数据点，具有一对(x，y)坐标相至少—个属性，逻辑上不能再分。
这里所谓逻辑上不能再分是指抽象的点而不是几何点，因为事实上抽象的点可以是实体线段或面块，对某个比例尺或图像分辨率而言，它们可以被抽象为以一对坐标表示的数据点。
---线：是由一个(x,y)坐标对序列表示的具有相同属性的点的轨迹。
线的形状决定坐标对序列的排列顺序，线上每个点有不多于二个邻点。
地理实体，如河流、道路、地形线、公共设施走廊、区域边界、地质界线等均属线状地物，其特点是线上各点有相同的公共属性并至少存在一个属性。
---面：是以(x,y)坐标对的集合表示的具有相同属性的点的轨迹。
面的形状不受各点坐标对排列顺序的影响。
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。
空间逻辑数据模型特点
空间逻辑数据模型特点空间逻辑数据模型是一种用于表示和处理空间数据的逻辑模型。
它结合了逻辑推理和空间关系，提供了一种有效的方式来描述和查询空间数据。
1. 空间数据表示：空间逻辑数据模型可以有效地表示各种类型的空间数据，包括点、线、面以及更复杂的几何对象。
它可以捕捉空间对象之间的拓扑关系、方向关系、邻近关系等。
2. 空间关系的表达：空间逻辑数据模型提供了一套丰富的逻辑表达式和关系操作符，用于描述和查询空间关系。
例如，可以使用"相邻"、"包含"、"重叠"等关系来描述空间对象之间的关系。
3. 空间拓扑关系：空间逻辑数据模型支持拓扑关系的描述和查询。
拓扑关系描述了空间对象之间的连接和相对位置关系。
通过拓扑关系，可以表示例如相邻、相交、包含等关系，用于解决空间数据的拓扑查询问题。
4. 空间方向关系：空间逻辑数据模型也支持方向关系的描述和查询。
方向关系描述了空间对象之间的方向和朝向。
通过方向关系，可以表示例如正北、东南、左侧等方向关系，用于解决空间导航和路径规划问题。
5. 空间逻辑推理：空间逻辑数据模型允许进行逻辑推理，以从已知的空间关系中推导出新的关系。
这种推理可以用于发现隐藏的关系、解决模糊的空间查询以及推断缺失的空间信息。
6. 空间数据一致性：空间逻辑数据模型支持保持空间数据的一致性。
例如，通过拓扑规则可以确保空间对象之间的连续性和完整性。
这有助于避免数据中的错误和冲突，并提供高质量的空间数据。
7. 空间数据查询：空间逻辑数据模型提供了一种灵活的查询语言，用于检索和分析空间数据。
查询可以基于空间关系、拓扑关系、方向关系以及其他属性进行过滤和组合，以满足不同的空间分析需求。
8. 空间数据集成：空间逻辑数据模型可以与其他数据模型进行集成，例如关系数据库、地理信息系统等。
这样可以将空间数据与非空间数据进行关联和分析，提供更全面的数据视图和分析能力。
总的来说，空间逻辑数据模型提供了一种强大的工具来表示、查询和分析空间数据。
第二章 空间数据模型和空间数据结构
地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和
高程控制网组成； GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系 中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一。
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6
中国的大地控制网
由平面控制网和高程控制网组成，控制点遍布全国各地。
平面控制网 :
按统一规范，由精确测定地理坐标的地面点组成，由 三角测量或导线测量完成，依精度不同，分为四等。
5 f 6
c
4
d
g
点 1 x1 2 x2 3 x3 4 x4 5 x5 6 x6
地图MAP及多边形实体I和II
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2.3.2.3 空间物理数据模型
• 解决如何把设计的空间逻辑数据模型在计 算机上实现，同时考虑效率。常常涉及到 索引文件的构建。
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30
2.3.3 时空数据模型
1）单重继承、多重继承；全部继承、部分继承；取 代继承、包含继承
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39
（四）面向对象数据模型的核心工具
公有域 私有域 保护域：
2）状态继承（数据）
数据 父类 函数 子类
实例
子类继承父类的数据结构，子类还可定义自己 新的数据结构。 子类任意使用父类的数据结构，有可能破坏封 装，若只能通过发送消息来使用父类的域，又可 能失去有效性，具体办法： 公有域：类可操作，实例也可操作。 私有域：只有类本身使用，用户不得访问。 保护域：子类可使用，继承使用，实例不能使用。
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7
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陕西省泾阳县永乐镇北洪流村为 “1980西安坐标系” 大地坐标的 起算点——大地原点。
8
高程控制网
第四章空间数据结构
基本概念
• 弧段：构成多边形的线称为弧段，每个弧段可以有许 多中间点。
• 节点：两条以上弧段相交的点称为节点 • 岛：由一条弧段组成的多边形称为岛或洞。 • 简单多边形：多边形图中不含岛的多边形称为简单多
边形。 • 复合多边形：含岛的多边形称为复合多边形，包括为
边界和内边界，岛可以看做复合多边形的内边界。
C1,C5,C4
P3
C6,C7,C8
P4
C5,C7,C10,C2
….
节点 N1 N2 N3 N4 ….
C4
N4 N1
C1 P2 C6
C8
P1 C3
P3 N2 C5 N5
C2
C7
N7
C9 P5 P4
N3
N6
C10
点拓扑
坐标
X1,y1
X2,y2
X3,y3
X4,y4
线
C1,C4,C3 C1,C5,C2 C2,C3,C10 C4,C6,C8
线与多边形之间的树状索引
点与多边形之间的树状索引
树状索引编码消除了相邻多边形边界的数据冗 余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合并 相邻多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信 息可以通过对多边形文件的线索引处理得到，但是比 较繁琐，因而给相邻函数运算，消除无用边，处理岛 状信息以及检查拓扑关系带来一定的困难，而且两个 编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错 。
矢量数据结构
矢量数据结构是对矢量数据模型进行数据的 组织，通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、 线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允 许任意位置、长度和面积的精确定义。
其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字 长的限制。
矢量数据
空间数据库
空间数据库模型
•基于纯关系数据库的管理方式
•第一种方式：
•关系数据模型组织
•GIS软件商在标准DBMS顶层开发一 个能容纳、管理空间数据的系统功 能
GIS应用 开发与维护 扩展DBMS以容纳 空间数据
GIS开发人员
空间数据库模型
•基于纯关系数据库的管理方式
•第一种方式：
E
多边形编号 P1 P1 P1 P1 边号 a b c d 边长
返回
空间数据库的概念
•空间数据库系统 空间数据库、空间数据库管 理系统以及其它们的软、硬件 系统的总称。
空间数据库模型
•传统数据库模型 数据结构：是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的 数据逻辑结构 数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库 建立的逻辑模型 层次模型 网络模型
N
边号 起结点号 1 2 终结点号 7 1
P1
P2
a b …
C
结点号 1 2 … x .. … y … …
空间数据库模型
•基于纯关系数据库的管理方式
•第二种方式：
•将图形数据的变长部分处理成 Binary Block字段 •由GIS开发人员完成
GIS应用 开发与维护 关系数据库
GIS开发人员
空间数据库模型
•对象数据模型的含义
•
地理信息系统原理
聂俊堂 昆明冶金高等专科学校测绘学院
第四讲 空间数据库模型
1. 空间数据库的概念 2. 空间数据库模型
空间数据库的概念
•空间数据库 是地理信息系统在计算机物理存储 介质上存储和应用的相关地理空间数 据的总合 空间数据、属性数据以及时间数据 •空间数据库系统 空间数据库、空间数据库管理系统 以及其它们的软、硬件系统的总称。
空间分析4空间分析的数据模型
空间分析数据模型的重要性
数据模型是空间分析的基础，它为空 间数据的处理、分析和应用提供了统 一的标准和规范。
数据模型的重要性在于它能够简化复 杂空间数据的组织和处理过程，提高 空间数据的可理解性和可操作性。
空间分析数据模型的分类
01
根据数据组织方式的不同，空间分析数据模型可以分为矢 量模型和栅格模型。
02
矢量模型以几何对象（点、线、面）为基本单元，表达空间要 素的几何特征和属性特征；栅格模型则以网格为单位，表达空
间要素的连续分分析数据模型可以分为概 念模型、逻辑模型和物理模型。
02
空间分析的数据模型
栅格数据模型
总结词
栅格数据模型是一种将地理空间分解成一系列均匀大小的网 格，每个网格的值表示该位置的属性或现象的描述。
数据模型的智能化技术
机器学习
利用机器学习算法对空间数据进行自动分类、聚 类和预测，提高空间分析的效率和准确性。
人工智能
结合人工智能技术，实现空间数据的自动识别、 理解和推理，为空间决策提供支持。
数据挖掘
通过数据挖掘技术，发现隐藏在空间数据中的模 式和规律，为决策提供依据。
数据模型的云计算技术
01
详细描述
栅格数据模型以像素为单位，每个像素代表一定地理区域内的 属性值。常见的栅格数据格式包括数字高程模型（DEM）、卫 星遥感影像等。栅格数据模型适用于表示连续的空间现象，如 地形高度、地表温度等。
矢量数据模型
总结词
矢量数据模型是一种基于点、线、面要素表示地理现象的方法。
详细描述
矢量数据模型通过坐标点表示地理实体，如点（如建筑物、道路交叉口）、线（如道路、河流）和面 （如湖泊、森林区域）。矢量数据模型适用于表示离散的空间现象，如交通网络、地形边界等。
空间数据结构
20
2）双重独立编码结构/DIME（Dual Independent Map Encoding）码
9i
1j
10 线号 左多边形
a
I
h
7
f
Ⅲ5
ed
a
2Ⅰ
k
b c d
I I II
6
b
3
Ⅱ
c
e
II
f
II
g
0
8 g 4 l 11
h i
0 0
j
0
k
0
l
0
线文件
右多边形
II II II III III III II II II II II II
相同； 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： ①索引式 ②双重独立编码结构 ③链状双重独立编码结构等。
1）索引式拓扑空间数据结构
11
15
c 10
12 14
16
A
B
C
D
9
B
d 13
桥梁
空间数据结构是数据逻辑模型与数据文件格式间的桥梁
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
一、空间数据结构要描述的内容
数据结构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。是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描 述。
② 岛只作为一个单图形，没有建立与外界多边形的联系。 ③ 每个多边形自成体系，缺少多边形的邻域信息和图形
的拓扑关系； ④ 难以检查多边形边界的拓扑关系正确与否，如是否存
2）双重独立编码结构/DIME（Dual Independent Map Encoding）码
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10 线号 左多边形
a
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Ⅲ5
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I I II
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线文件
右多边形
II II II III III III II II II II II II
相同； 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： ①索引式 ②双重独立编码结构 ③链状双重独立编码结构等。
1）索引式拓扑空间数据结构
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A
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C
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B
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桥梁
空间数据结构是数据逻辑模型与数据文件格式间的桥梁
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
一、空间数据结构要描述的内容
数据结构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。是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描 述。
② 岛只作为一个单图形，没有建立与外界多边形的联系。 ③ 每个多边形自成体系，缺少多边形的邻域信息和图形
的拓扑关系； ④ 难以检查多边形边界的拓扑关系正确与否，如是否存
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2 第1行第1列亮度值
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
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• 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。
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(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
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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。
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0 0 0 0 0 4 4 4 记录1 0 0 0 0 0 4 4 4
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• 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。
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(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。
空间数据模型
1.4 联合（association） 将同一类对象中的几个具有相同属性值的对象组合起
来，设立一个更高水平的对象表示那些相同的属性值。 1.5 聚集（aggregation）
将几个不同特征的简单对象组合成一个复杂的对象
2、面向对象数据模型 2.1 对象表示
一个对象的任何定义都是它的逻辑表示，其目的 是用来存储和管理对象实例的状态。 2.2 类的层次
网络模型是数据模型的另一种重要结构，它反映 着现实世界中实体间更为复杂的联系，其基本特征表 现在结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与 其他多个结点建立联系。
网络模型实例
（2）网络模型的物理实现
多用指针建立记录间联系。可分为简单网络结 构和复杂网络结构两类。
①单网状结构的物理实现
物理邻接加指针、顺序文件加指针、目录和位图
（3）层次模型的优缺点 优点： ① 将数据组织成有向有序的树结构
② 反映了现实世界中实体之间的层次关系 ③ 层次分明、结构清晰，较容易实现 缺点： ① 不能表示多对多的关系 ② 难以顾及实体之间的拓扑关系 ③ 导致数据冗余
2、网络模型与图结构
（1）概念
用网络数据结构表示实体与实体间联系的模型称 网络模型。
类的继承性提供了代码的重用。通过类的层次性和 继承属性，子类可以指定它们自己的操作方法，而把继 承的操作方法作为自己操作方法的一部分。
可变性。
2.3 集合类型 集合提供了组织对象以及处理他们之间关系的途
径。一般意义上的超类集合支持基数、空集、排序等 特性，并且允许有重复值。
类集是一个无序的集合，不允许重复的元素存 在；而包允许有重复的值。
3、地理空间分块模型
将连续地现实世界中地理实体及相互关系进行离散
第三章 空间数据模型
分类 空间关系 非空间关系 时间关系 非空间属性 地理空间 空间要素
子类 超类 子部分 超部分
几何坐标
对象模型对空间要素的描述
场模型 • 也称域（field）模型，是把地理空间中的现象看作连续 也称域（ ）模型，是把地理空间中的现象看作连续 的变量或体，如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、 变量或体 如大气污染程度、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。 地形高度以及大面积空气和水域的流速和方向等。 • 场可分为二维或三维。二维场是在二维空间 2中任意给 在二维空间R 场可分 二维或三维。 场是在二维空间 定的一个空间位置上，都有一个表现某现象的属性值， 定的一个空间位置上，都有一个表现某现象的属性值， 场是在三维空间R 即A＝f(x，y)。三维场是在三维空间 3中任意给定一个 ＝ ， 。三维场是在三维空间 空间位置上，都对应一个属性值， 空间位置上，都对应一个属性值，即A＝f(x，y，z)。 ＝ ， ， 。
• 由于地理空间事物和现象的复杂性和人们 认识地理空间在观念和方法上的不同， 认识地理空间在观念和方法上的不同，墓 地里信息系统对空间实体的抽象方式也存 在一定的差别，或者说不同的学科或部门 在一定的差别， 可能对地理空间按照各自的认识和思维方 式来构造不同的模型。 式来构造不同的模型。
地理空间认知概念模式（ 地理空间认知概念模式（国际标准化组织地理信息 标准化委员会） 标准化委员会）
机器世界
用数据模型描述现实世界中的事物及其联系。 用数据模型描述现实世界中的事物及其联系。
1) 字段（field）或数据项（data item）： 字段（ ）或数据项（ ）： 标记实体属性的命名单位，是数据库中的最小信息单位。 标记实体属性的命名单位，是数据库中的最小信息单位。 2) 记录（record）：字段值的有序集合。 记录（ ）：字段值的有序集合 ）：字段值的有序集合。 3) 记录型 ： 字段名的有序集合。 字段名的有序集合。 4) 文件 ： 同类记录的集合。对应于实体集。 同类记录的集合。对应于实体集。
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
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几何抽象类
地理空间参考系
点
曲线
表面
- -1 -1
-
线串类
直线段
线性环
多边形
1 --
-
几何集合
表面集合
曲线集合
点集合
多边形集合
1-
线串集合
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
对象ID 对象1 对象2
土壤、山脉、丘壑等
1
2
3
类别
位置
电力塔 电力塔 河流
x1, y1
x1, y1
x1, y1；x2, y2；…；xn, yn
杨树林 x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
杨树林 x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
松树林 x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
1 3
24
1
31
3
2
4
Hale Waihona Puke 2413
1
3
2
4
2
4
最大空圆准则
Delaunay三角网
方案一 方案二
Voronoi多边形 数据模型
组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直 多边形内的任何位置总是离该多边形内样点的距离近， 离相邻多边形内样点的距离远，且每个多边形内包含 仅且包含一个样点
5、面向对象数据模型
3. 栅格的空间分辨率确定了描述空间现象的精细程度; 4. 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。
栅格数据模型：栅格单元大小
L
L1 S 2
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
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
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
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
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 格的行列信息和原点的地理位置被记录在每一层中;
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 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
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 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
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
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 ；
坐标几何 …… ……
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)
地上实体 地球表面
基础设施 房屋建筑 自然地物 地形特征
地貌特征 地质体
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
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； 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。
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；
地理信息系统原理
第四讲 空间数据模型与数据结构
2020/4/4
1
本讲内容
1. 空间数据逻辑模型 2. 空间数据结构
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 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
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。
2、栅格数据模型 点
面 线
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
栅格数据基本操作
空 间 对 象 的 栅 格 数 据 模 型
植被类型（栅格）
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
2. 不规则镶嵌数据模型
规则镶嵌数据模型
Dutton, 2000
David, 2002
不规则镶嵌数据模型
TIN