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第三章 空间数据模型汇总

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第三章空间数据模型第3节矢量数据模型

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
p03第三章 空间数据模型

p03第三章 空间数据模型


一、空间实体的描述
空间实体是指地理空间中客观存在的具体事物 ① 空间位置：主要指位置信息，也包括位置信息的扩展，
如形态及实体的组成（复合对象）等；位置用笛卡尔坐 标系中X,Y坐标表示； ② 空间关系：主要指空间对象的拓扑关系； ③ 非几何属性：表示空间特征的非几何属性； ④ 实体的行为、功能及时态特征：实体的行为，功能特征 以及实体属性随时间的变化。如岛屿的侵蚀、水体污染 的扩散、建筑的变形等； ⑤ 实体的衍生信息：如一个实体有许多个名称。
坐标序列法的缺点
1) 对于交叉点或相连的线，交叉点要重复输入和存储；对 于多边形其公共边也要重复输入和存储，从而产生数据 冗余和分析处理不便的问题；
2) 对于复杂多边形，不能解决多边形中“岛”、“洞”之 类的镶套问题，“岛”或“洞”只能作为单个的多边形 来构造，没有和周围的多边形建立关系；
3) 很难检查多边形的边界正确与否，即多边形的完整性； 4) 每个多边形自成体系，缺少有关邻域的信息，使拓扑关
第二节 矢量数据模型
一、矢量和矢量数据模型的概念 二、矢量数据的编码方法 三、矢量数据结构的优点和缺点 四、矢量数据表示面类型数据的方法
用于表示地理实体的数据模型
GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。 也可划分为矢量模型、栅格模型和三角网数据模型。
一、矢量和矢量数据模型的概念
①面积范围； ②周长； ③内岛或锯齿状外形； ④重叠性与非重叠性。 ⑤独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国
家；
面状实体类型
4、立体状实体度、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；
第3章空间数据模型资料

第3章空间数据模型资料

• 与地理空间位置有关，具有一定的几何形态，分布状况以及彼此之 间的相互关系 • 空间位置特征 • 属性特征 • 时间特征 • 空间关系
地理空间与空间实体
• 空间位置特征
– 表示空间实体在一定坐标系中的空间位置或几何定位， 通常采用地理坐标的经纬度、空间直角坐标、平面直 角坐标和极坐标等来表示 – 也称为几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状 和分布状况等
“松树”，0≤x≤7；4≤y≤7 f (x,y)= “冷杉”，0≤x≤3；0≤y≤4 “槐树”，3≤x≤7；0≤y≤4 (c) 按场模型的林分建模
(b) 按对象模型的林分建模
概念模型的选择
• 对于现状不定的现象，如火灾、洪水和危险物泄 漏，采用边界不固定的场模型进行建模 • 场模型通常用于具有连续空间变化趋势的现象， 如海拔、温度、土壤变化等 • 在遥感领域，主要利用卫星和飞机上的传感器收 集地表数据，此时场模型是占主导地位的
结点与弧段的拓扑关系
结点 N1 弧段 A1，A2，A3
N2
N3 N4 N5
A1，A6，A7
A2，A5，A7 A4 A3，A5，A6
A5
A6 A7
N3
N5 N3
N5
N2 N2
（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
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
第三章 空间数据模型

第三章 空间数据模型

• 地理系统是个开放的复杂系统，所谓开放就是与 其它系统有关联，所谓复杂就是子系统种类非常 多
• 地理系统主要涉及地球内部系统、地球表层空间、 天体系统
• GIS涉及范围主要在地球表层空间，即岩石圈、 水圈、生物圈、大气圈
• 地理系统：自然环境系统和社会经济环境系统， 系统中各种要素特征都与地理空间位置有关
拓扑点n 拓扑链n 拓扑Biblioteka n拓扑点n 拓扑链n 拓扑面n
拓扑点n 拓扑链n 拓扑面n
拓扑关系－－隐式表达
拓扑链 始拓扑点 终拓扑点 左拓扑面 右拓扑面
1 .能够派生出所有的以显示表达的拓扑关系 2 .避免数据存储冗余
3 .拓扑数据能以定长关系表格形式存储
4.空间对象的矢量表达
• 矢量模型最小单元与它表达的真实世界空 间实体有直接的对应关系
第三章 空间数据模型
邹逸江
目录
• 地理系统与地理现象 • 空间对象及其定义 • 空间对象描述 • 空间对象关系 • 空间对象的矢量表达 • 空间对象的栅格表达 • 矢量与栅格数据结构比较 • 混合数据结构与一体化数据结构 • 空间对象的地面高程模型表达 • 空间对象的编码体系
1.地理系统与地理现象－－地理系统
• 相离关系：面与面相互隔离（与水库相隔5公里的 湖泊）
• 包含关系：一个面完全落入另一个面内（省级行 政边界内包含了县级行政边界）
• 重合关系：不存在
3.空间对象关系－－空间拓扑关系
• 空间对象关系：相邻、相离、相交、包含、重合 • 相离、相交、重合空间对象关系：不适合用固定
的表达式（数学计算）事先表达出来
• 将地理现象进行抽象得到空间对象 • 空间对象分为0、1、2、3维简单和复杂对
象，其中复杂对象由0、1、2、3维对象组 合而成 • 0维空间对象的定义 • 1维空间对象的定义 • 2维空间对象的定义 • 3维空间对象的定义
空间数据模型

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。
3 空间数据模型

3 空间数据模型


00090770
06907777
09007770
09007770
90000000
（a）点、线、面数据
（b）栅格表示
点、线、面数据的栅格结构表示
• 栅格数据类型
– 常用的栅格数据类型包括卫星影像、数字高程 数据、数字正射影像、数字扫描地图和数字栅 格图形。
• 栅格数据编码
– 直接栅格编码、链式编码、游程长度编码、四 叉树编码
– “橡皮板几何学”：可以设想一块高质量的橡皮板， 它的表面是欧式平面，这块橡皮可以任意弯曲、拉伸 、压缩，但不能扭转和折叠，表面上有点、线、多边 形等组成的几何图形。
• 拓扑元素：
– 点：
• 孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点
– 线：
• 两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段
– 面：
• 若干弧段组成的多边形
➢ 特征 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性 和一致性 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦
➢ 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
3.4.2.2 拓扑数据结构
• 不仅表达几何位置和属性，还表示空间关 系
– 拓扑关系：描述空间对象的邻接、关联、连通和包含 等
– 空间方位关系：描述空间对象在空间上的排列次序， 如前后、左右、东、西、南、北等。
– 空间度量关系：描述空间对象之间的距离等。
• 拓扑关系
– 拓扑(Topology)一词来自于希腊文，意思是形状的研究 。
– 拓扑学是几何学的一个分支，研究在拓扑变换下能够 保持不变的几何属性—拓扑属性。
• 属性特征
– 属性特征也称为专题特征或功能特征，通过属性数据 表达空间实体内在的性质和相关关系。
p03第三章 空间数据模型-第六-八节1

p03第三章 空间数据模型-第六-八节1


第六节、 ArcGIS介绍
1. 厂家：ARCGIS是美国环境系统研究所（Environmental System Research Institute, Co.，简称ESRI）于20世纪80年 代初推出的一个通用GIS软件 。
2. 运行平台：uninx－NT(96年）（2000）－pc
Ar析
2、ArcCatalog
• 空间数据管理：
– ESRI coverage、 shape file
– CADData – 遥感图像 – 栅格 – TINS – Geodatabase – 属性表格
• 察看空间数据、源 数据等
3、ArcToolbox
• 超过140个工具，用 于进行geoprocessing 处理；
六、ARCGIS的开发环境
在Windows环境下以可编程控件(OCX)的形式为用户提 供在其应用中增加制图和GIS功能的可能性(MapObjects)；
在ArcView和MapObjects中提供Internet网上的GIS和制图 功能；
ArcObject和ArcEngineer面向组件的开发技术。 Arcsever开发工具
三、ArcGIS Workstation 的功能模块（1）
1. ARC是ARCGIS Workstartion的其他功能模块的运行环境；
① ARC主要完成对工作空间和数据单元的操作和管理； ② 进行空间数据操作； ③ 建立拓扑关系，进行数据格式和投影转换； ④ 进行某些基于矢量的空间分析。
2. INFO是一个完整的关系型数据库管理系统，用于完成对属 性数据库的管理和维护;
第三章 空间数据模型
空间数据模型是GIS的基础；
空间数据模型：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。
第3章+空间数据模型与数据结构

第3章+空间数据模型与数据结构


地形图的黑白扫描图像
照片等 ESRI Grid 以栅格数据存放的ASCII 码文件

数字高程模型（DEM）
–
图形文件
–
特定GIS软件的栅格数据
–
–
ASCII码文件
–

数字正射影像（DOQ）
–

数字栅格图（DRG）
–
补充：“4D”产品包括DEM，DOM， DRG， DLG
栅格数据类型
Air Photos
矢量数据模型— 明确的空间位置和边界
矢量数据模型——绝对位置表示



表示地理要素的“绝对位置” 点：0维 – 单个(x，y)坐标表示 – 没有面积 – 如井、控制点等 线：1维 – 两个以上(x，y)坐标点链接 而成 – 如道路、河流等 面：2维 – 三个以上坐标点，有序链接， 且第一个和最后一个坐标点 相同 – 围成一个区域 – 如宗地、湖泊等
位置由小块的 行列数码决定； 形状由栅格中 相同的一组点 构成；识别由 其编码（颜色、 符号、数字、 灰度值）实现。
栅格数据结构--Raster Data Structure
河流 居民地 沼泽 湖 空地 森林
位置和形状由 一组坐标对来 确定；识别由 附带属性实现
矢量数据结构--Vector Data Structure
GIS采用“图形”方式

–
用途：空间分析、导航等
3、矢量－栅格一体化数据模型

矢量数据模型和栅格数据模型在描述和表达空间实体时各有优缺 点。将两种数据模型的优点结合起来，构造矢量－栅格一体化数 据模型，将有利于地理空间现象的统一表达。 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 和栅格数据模型来表述。
第3章 空间数据模型

第3章 空间数据模型


19
点实体：有特定的位置，维数为0的实体
•如城镇、乡村居民地、交通枢纽、车站、工厂、学校、 医院、机关、火山口、震中、山峰、隘口、基地等等 •从较大的空间规模上来观测这些地物，就能把它们都归 结为呈点状分布的地理现象。
20
点实体
1）实体点：用来代表一个实体。 2）注记点：用于定位注记。 3）内点：用于负载多边形的属性， 存在于多边形内。 4）角点、节点Vertex： 表示线段和弧段上的连接点。
7
空间实体基本特征
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 空间特征
8
空间实体基本特征
• 1）属性特征：
非定位数据，表示现象或特征； • 2）空间特征：地理位置和空间关系
• 定位数据，表示现象的空间位置； • 空间关系，拓扑关系
• 3）时间特征：
指现象或物体随时间的变化。
9
21
3.2 空间数据概念模型 线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以下
特征： 实体长度：从起点到终点的总长； 弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度； 方向性：如水流从上游到下游，公路则有单双向之 分； •如河流、海岸、铁路、公路、地下管网、街道、行政边 界等
22
多边形实体：维数为2的实体，，有以下特征： 面积范围； 周长； 独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市； 内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线； 重叠性与非重叠性。
第3章 空间数据模型
地理信息系统
为了能够利用地理信 息系统工具解决现实世界 中的问题，首先必需将复 杂的地理事物和现象简化 和抽象到计算机中进行表 示、处理和分析。这就需 要对现实世界进行抽象建 模，其结果就是空间数据 模型。
第三章 空间数据模型

第三章 空间数据模型


3.1 矢量数据基本类型-线
线是对线状地物或地物运动轨迹的全部或部分的描述，可以定义为由直
线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对以上的坐标定义。最简单的线 实体只存储它的起止点坐标、属性、显示符等有关数据。
➢ 线有方向，两个结点之间的线又叫弧段（arc）。弧段特征可用来定位 和描述两点之间连线的地理信息。
3.3 空间数据和空间关系
Coordinate system
Scale
Time 1
Time 2
Spatially related
• Can be assigned coordinates or any spatial reference.
• On the surface of the earth. • Involves location and
三、地理空间数据的类型
1. 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。 2. 面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元 3. 网络数据：道路交叉点、街道和街区等。 4. 样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。 5. 曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。 6. 文本数据：如地名、河流名和区域名称。 7. 符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。
Point
(X,Y)
(X2,Y2)
(X4,Y4)
(X3,Y3) (X,Y)
Line
(X5,Y5)
Polygon
(X5,Y5)
(X,Y) (X4,Y4)
(X2,Y2) (X3,Y3)
矢量数据结构特点与获取方法
特点：定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。
第三章 空间数据模型
邬伦_第3章 空间数据模型

邬伦_第3章 空间数据模型


4．基于要素的空间关系分析
4.1 4.2 4.3 4.4 空间关系的基本概念 拓扑空间关系分析 方向空间关系分析 度量空间关系分析
4.1
空间关系的基本概念
• 空间关系包含三种基本类型，即拓扑关系、方向 关系、度量关系。 • 它为地理信息系统数据库的有效建立、空间查询、 空间分析、辅助决策等提供了最基本的关系； • 将空间关系理论应用于地理信息系统查询语言， 形成一个标准的SQL空间查询语言，可以通过API （Application Program Interface，应用程序接 口）进行空间特征的存储、提取、查询、更新
非拓扑属性 两点之间的距离 一个点指向另一个点的方向 弧段的长度 一个区域的周长 一个区域的面积
拓扑空间关系的形式化表达
4.2.2
拓扑描述的数学基础——点集拓扑学
• C(A)=～I(～A)=I(A)∪B(A) • I(A)=～C(～A)=C(A)～B(A) • B(A)=C(A)∩C(～A)=～(I(A)∪I(～A))=B(～A)
场模型 T(z) E(t) H(x,y) 定义域维数 1 1 2 值域维数 1 3 1 自变量 空间坐标（高程） 时间坐标 空间坐标 因变量 高度z处的气温 某时刻的静电力 地表高程
P(x,y,z)
v(λ ,φ ,z) σ(x,y,z)
3
3 3
1
3 9
空间坐标
空间坐标（λ ,φ 经 纬度，z高度） 空间坐标
4种扩展的方向关系
• East(Pi，Qj)=North_East(Pi，Qj) Or Restricted_East(Pi，
Qj) Or South_East(Pi，Qj)
• South(Pi，Qj)=South_West(Pi，Qj) Or

第3章 空间数据模型


第三节 要素模型
1、欧氏平面上的空间对象类型
图3-8表示了在连续的二维欧氏平面上的一种可能的对象继承等级图。
空间对象
零维对象点
延伸对象
一维对象
二维对象
弧
环
面对象
简单弧
简单环
面域对象
域单位对象
图3-8：连续空间对象类型的继承等级
第三节 要素模型
图3-8：连续空间对象类型的继承等级
第三节 要素模型
第二节 场模型
二、场的特征
1、空间分辨率和属性域 2、连续和分段连续
3、各向同性和各向异性：各种性质是否随方向的变化而变化是空间场的一
个重要特征。如果一个场中的所有性质都与方向无关，则称为各向同性场 (Isotropic Field)。反之与方位有关的场称为各向异性场（Anisotropic Field）。 4、空间自相关：空间自相关是空间场中的数值聚集程度的一种量度,距离近 的事物之间的联系性强于距离远的事物之间的联系性。一个空间场中类似的 数值有聚集的倾向，则空间场表现出很强的正空间自相关；如类似属性值在
第三节 要素模型
第三节 要素模型
第三节 要素模型
第三节 要素模型
第三节 要素模型
第三节 要素模型
“空间对象”具有最高抽象层次，它派生为零维的点对象和延伸对象，延伸
对象又可以派生一维和二维对象类。一维对象的两个子类：弧和环（Loop），如
果没有相交，则称为简单弧（Simple Arc）和简单环（Simple Loop）。二维空 间对象类中连通的面对象称为面域对象，没有“洞”的简单面域对象称为域单位 对象。 2、离散欧氏平面上的空间对象 欧氏空间的平面因连续而不可计算，必须离散化才适合于计算。图3-8中所 有连续类型的离散形式都存在。图3-9表示了部分离散一维对象继承等级关系。

第三次、第四次：空间数据模型及数据结构


空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
空间数据结构—栅格数据
• 将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格 阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、
列定义，并包含一个代码表示该象素的属性
类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的 指针。 • 栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和 近似离散的数据。每一个单元格对应一个相
3、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： （2） 链--结点关系： 面 构成面的弧段 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
4、拓扑关系的意义：
对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：
1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关 系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。
三角形、方格和六角形划分
栅格数据模型
矢量数据模型
空间数据模型
2. 要素模型
基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以 独立的方式或者以与其他现象之间的关系的方式来研 究。 基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象 或实体。一个实体必须符合三个条件： 可被识别
重要（与问题相关）
可被描述（有特征） 对于基于要素的模型，采用面向对象的描述是 合适的。
进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 3、由矢量数据转换而来。
4、遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不
同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。 5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM 内插得到。

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。

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

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


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拓扑关系描述——线/线拓扑关系(Egenhofer, 1991)
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拓扑关系描述——面/面拓扑关系(Egenhofer, 1991)
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线与面 间有效 的拓扑 关系共 有19个
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则称 A为 X的拓扑。如果 A为集合 X的拓扑，则称偶对 (X，A)为拓扑空间。

定义 4： A为拓扑空间 X的子集,如果点 x属于 X的每一 邻域 U 中都有 A 中异于 x 的点，即 U∩(A ～｛ x ｝ )≠Φ ， 则称 x为 A的聚点或极限点。 A的聚点可以属于 A也可 以不属于A
3 地理对象之间关系
地理关系数据模型地理关系数据模型拓扑数据结构dime双重独立坐标地图编码dualindependentmapencoding编码系统通过有向编码建立了多边形边界节点之间的拓扑关系地理关系数据模型地理关系数据模型拓扑数据结构dime双重独立坐标地图编码dualindependentmapencoding编码系统弧段或链段是数据组织的基本对象弧段文件由弧段记录组成每个弧段记录包括弧段标识码fntnlp和rp结点文件由结点记录组成包括每个结点的结点号结点坐标与该结点连接的弧段标识码等多边形文件由多边形记录组成包括多边形标识码组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等地理关系数据模型地理关系数据模型地理关系数据模型地理关系数据模型每个coverage图层对应一个文件夹和info文件夹同一目录下面的多个coverage图层对应一个info文件夹图层对应的文件下面有很adf文件基于对象的数据模型基于对象的数据模型地理数据库geodatabase对象类objectclasses要素类featureclasses要素数据集featuredatasetes关系类relationshipclasses要素类featureclasses几何网络geometricnetwork关系类relationshapclasses要素feature网络要素networkfeature关系relationship表格table要素feature关系relationship基于对象的数据模型基于对象的数据模型personalgeodatabasefilegeodatabase平台支援windowswindowsunixlinux存储方式msaccess的mdb数据库文档一个文件夹方式储存存储限制2gb数据库无限制每个表限制为1tb1000gb储存空间减少5070效能可快20到10倍数据压缩不支持数据压缩支持一种新的数据压缩格式在查询与显示方面均与未压缩格式相同压缩比率可从2
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可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。空间关 系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效 建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一 方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提 取，查询，更新等。
线—面
1 、区域包含线：计算 区域内线的密度，某省 的水系分布情况。 2 、线通过区域：公路 上否通过某县。 3 、线环绕区域：区域 边界，搜索左右区域名 称，中国与哪些国家接 壤。
结点
岛
x 图3.6 空间数据的抽象表示
1、点状实体
点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。
1）实体点：用来代表一个实体。 2）注记点：用于定位注记。 3）内点：用于负载多边形的 属性，存在于多边形内。
4）角点、节点Vertex： 表示线段和弧段上的连接点。
2、线状实体
具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的 有序坐标表示，并有如下特性：
返回
面—面
1、 包含：岛,某省的湖泊分布。 2、 相合：重叠，学校服务范围与菜场 服务范围重叠区。
3、 相邻：计算相邻边界性质和长度， 公共连接边界。
4、分离：计算距离。
学校
菜场
返回
关系
点－点 点－线 点－面 线－线 线－面 面－面
邻接
相交
相离
包含
重合
不同类型空间实体间的空间关系
3.3 基于对象模型的空间关系分析
3.1 地理空间与空间抽象
二、空间认知和抽象 概念模型 逻辑数据模型 物理数据模型
外模式 1 据模型
逻辑数据模型
物理数据模型
3.2 数据概念模型
概念模型：概念模型是地理空间中地理事物与现象的抽象 概念集，是地理数据的语义解释，是系统抽象的最高层。 目前地理空间数据的概念模型大体上分为三类，即对象模 型、网络模型和场模型。
f (x,y)=
“松树”，0≤x≤4；4≤y≤7 “冷杉”，0≤x≤3；0≤y≤4 “槐树”，3≤x≤7；0≤y≤4
3.3 基于对象模型的空间关系分析
一、欧氏（Euclidean）空间中地物要素 在对象模型中，所有的地理实体可以抽象成三类地物 要素对象，即点对象、线对象和多边形对象。
y
面 实体点 弧段 面标识点
1）实体长度： 从起点到终点的总长。 2）弯曲度： 用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。 3）方向性： 如：水流方向，上游—下游， 公路，单、双向之分。
线状实体包括： 线段，边界、链、弧段、网络等。
3、面状实体（多边形）
是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。
在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。
面状实体的如下特征： 1）面积范围 2）周长
对象模型
网络模型
场模型
3.2 数据概念模型
一、对象模型 对象模型：也称作要素模型，将研究的整个地理空间看成 一个空域，地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该 空域中。按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本对 象。适于对具有明确边界的地理现象建模。（单个地理现 象） 子类/超类
分类 空间关系 等效
地理现象既可以采用对象模型也可以采用场模型建模，其选择主要 取决于应用要求和习惯。场模型：连续空间变化趋势的现象；对象模型 ：单个的地理现象。
y
（0,7）
松树 （0,4） 冷杉 （0,0） （3,0） 槐树 （7,0）
x
多种林分的森林
区域ID FS1 FS2 FS3 主要林分 松树 冷杉 槐树 区域/边界 (0,4),(7,4),(7,7),(0,7) (0,0),(3,0),(3,4),(0,4) (3,0),(7,0),(7,4),(3,4) (c) 按场模型的林分建模 按对象模型的林分建模 森林的两类模型对比
3）独立性或与其它地物相邻 如中国及其周边国家
4）内岛屿或锯齿状外形：
如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。 叠。
4、实体类型组合
现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的 空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种 空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由 简单实体组合表达。点、线、面按一定的地理意义 组成区域。 点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题： 如：线--面 面--面
（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
场模型的6种表示
3.2 数据概念模型
三、网络模型 网络模型：从本质上看与对象模型没有本质的区别，因此 网络模型也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。
四、 概念模型的选择
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
拓扑变换 （橡皮变换）
定义
非拓扑属性（几何） 两点间距离 拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点
一点指向另一点的方向 一条弧是一简单弧段（自身不相交） 弧段长度、区域周长、 一个点在一个区域的边界上 面积 等 一个点在一个区域的内部/外部 一个点在一个环的内/外部 一个面是一个简单面 一个面的连通性 面内任两点从一点 可在面的内部走向另一点
第三章 空间数据模型
主讲：刘瑞娟
3.1 地理空间与空间抽象
一、地理空间与空间实体 地理空间（geographic space）：指地球表面及近地表空 间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和智慧圈交 互作用的区域。 地理空间实体：对复杂地理事物和现象进行简化和抽象得 到的结果。
空间位置特征 属性特征 时间特征 空间关系特征：拓扑关系、顺序关系、度量关系
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 对象模型对空间要素的描述
3.2 数据概念模型
二、场模型 场模型：也称作域（field）模型，是把地理空间中的现象 作为连续的变量或体来看待。如大气污染程度、地表温度 二维场 A＝f(x，y) 三维场 A＝f(x，y，z)
（a） 规则分布的点
三、空间关系 拓扑空间关系：用来描述实体间的相邻、连通、包含和相 交等关系； 方向空间关系：用于描述实体在地理空间上的排列顺序， 如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位关系 ； 度量空间关系：用于描述空间实体之间的距离远近等关系 。
北
a b
3.3 基于对象模型的空间关系分析
1、拓扑关系 定义：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性 质。