空間數(shù)據(jù)的存儲課件

1、第二講空間數(shù)據(jù)的存儲(1) 地理信息系統(tǒng)概論地理空間的表達 一般說來，地理空間被定義為絕對空間和相對空間兩種形式絕對空間是具有屬性描述的空間位置的集合，它由一系列的空間坐標值組成相對空間是具有空間屬性特征的實體的集合，它是由不同實體之間的空間關系構成地理空間的表達是地理數(shù)據(jù)組織、存儲、運算、分析的理論基礎地理空間的表達 矢量表達法 矢量表達法主要表現(xiàn)了空間實體的形狀特征 0維矢量：0維矢量為空間中的一個點（point）。點在二維、三維歐氏空間中分別用(x,y)和(x,y,z)來表示。在數(shù)學上，點沒有大小、方向。地理空間的表達 矢量表達法 點包括如下幾類實體：實體點（Entity point）：

2、代表一個實體。如鉆孔點、高程點、建筑物和公共設施。注記點（Text point）:用于定位注記。內點（Label point）:存在于多邊形內，用于標識多邊形的屬性。結點（Node）:表示弧段的起點和終點。角點(Vertex)或中間點:表示線段或弧段的內部點。地理空間的表達 一維矢量一維矢量表示空間中的線劃要素，它包括線段、邊界、弧段、網(wǎng)絡等。在二維、三維歐氏空間中用有序的坐標對表示：地理空間的表達 一維矢量弧段不能與自身相交。如果相交，需以交點為界把弧段分為幾個一維矢量 地理空間的表達 一維矢量一維矢量具有如下特征 ：長度：從起點到終點的總長。彎曲度：表示像道路拐彎時彎曲的程度。方向性：開始

3、于首結點，結束于末結點。如河流中的水流方向，高速公路允許的車流方向等等。 地理空間的表達 二維矢量在三維歐氏空間中二維矢量為空間曲面。目前通過二維矢量對空間曲面的表達主要有等高線和剖面法兩種。一種通過設置等間距，把具有相同高程值的點連接起來形成等高線（一維矢量），這些等高線就可完成對空間曲面的描述。另一種是按一定的間距和剖面方向切割空間曲面，切割而成的多組剖面就完成了對空間曲面的描述 地理空間的表達 二維矢量地理空間的表達 二維矢量的主要參數(shù)如下：面積：指封閉多邊形的面積。對于三維歐式空間中的空間曲面而言，還包括其在水平面上的投影面積。周長：如果形成多邊形的弧段為折線，那么，周長為各折線段長度

4、之和凹凸性：用于二維矢量的形態(tài)描述。凸多邊形是指多邊形內所有邊之間的夾角小于180。反之，則為凹多邊形。走向、傾角和傾向：在描述地形、地層的特征要素時常使用這些參數(shù) 地理空間的表達 柵格表示法柵格表達法主要描述空間實體的級別分布特征及其位置 地理空間的表達 柵格表示法柵格類似于矩陣。在柵格表達中，對空間實體的最小表達單位為一個單元或象素(Cell或Pixel)，依行列構成的單元矩陣叫柵格(Grid),每個單元通過一定的數(shù)值表達方式（如顏色、灰度級）表達諸如環(huán)境污染程度、植被覆蓋類型等空間地理現(xiàn)象 地理空間的表達 柵格表示法柵格表示法的精度與分辨率有關。在圖(a)、(b)、(c)中，柵格的分辨率

5、分別為7*5，15*11，24*13。分辨率的大小與下面兩個問題有關： 地理空間的表達 不規(guī)則三角網(wǎng)的表達方法 與柵格表達方法一樣，不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network,簡稱TIN）屬于鑲嵌模型（Tessellation model）中的一種類型。利用Delauney三角剖分準則就可完成對TIN的自動生成。單個三角形的頂點就是原始數(shù)據(jù)點或其它空間信息的控制點 地理空間的表達 不規(guī)則三角網(wǎng)的表達方法 TIN的表達方法主要有以下特點 能夠表達不連續(xù)的空間變量。柵格方法很難處理逆斷層、懸崖峭壁等特殊空間對象，而TIN的處理則相當容易。由于三角形頂點(Vertex

6、)就是實際的控制點，所以，它對空間對象的表達精度較高。能夠精確表達河流、山脊、山谷等線性地形特征地理空間的表達 面向對象的表達方法 矢量表達方法中的點、線、面也是對象（Object），但它們是簡單對象。面向對象（Object-Oriented，簡稱00）的表達方法是近年來發(fā)展起來的一種新的程序設計方法。地理空間的表達 面向對象的表達方法 00方法的基本含義就是無論多么復雜的空間實體，都可以用一個對象來準確表示，而無需把復雜對象分解為單一的對象實體（如點、線、面、體），然后利用矢量表達方法加以表示 結合程序設計方法，通過分類、概括、聯(lián)合、聚集四種數(shù)據(jù)處理技術就可以實現(xiàn)OO的各種表達方法 空間數(shù)據(jù)

7、特征及其表示方法 主要包括空間數(shù)據(jù)的基本特征、空間數(shù)據(jù)的類型和表示方法，空間數(shù)據(jù)的拓撲關系及其表示等內容 空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的基本特征 時間特征數(shù)據(jù)：指現(xiàn)象或物體隨時間的變化，其變化的周期有超短期的、短期的、中期的、長期的、超長期的?？臻g特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)常常呈相互獨立的變化，即在不同的時間，空間位置不變，但屬性數(shù)據(jù)可能發(fā)生變化，或者相反。對于現(xiàn)有的大量GIS系統(tǒng)，由于它們并非是時態(tài)（temporal） GIS系統(tǒng)，所以，把專題屬性和時間特征數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為屬性數(shù)據(jù)。 空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的類型和表示方法 分類或分級數(shù)據(jù)：如環(huán)境污染類型、土地類型數(shù)據(jù)，測量、地質、水

8、文、城市規(guī)劃等的分類數(shù)據(jù)等；面域數(shù)據(jù)：如多邊形的中心點，行政區(qū)域界線及行政單元等；網(wǎng)絡數(shù)據(jù)：如道路交點、街道和街區(qū)等；樣本數(shù)據(jù)：如氣象站，環(huán)境污染監(jiān)測點，用于航空、航天影象校正的野外控制數(shù)據(jù)等；空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系及其表示 “拓撲”（Topology）一詞來源于希臘文，它的愿意是“形狀的研究”。拓撲學是幾何學的一個重要分支，它研究在拓撲變換下能夠保持不變的幾何屬性-拓撲屬性。 空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系及其表示 空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系及其表示 假設一塊高質量的橡皮，它的表面為歐氏平面，而且表面上有由結點、弧段、多邊形組成的任意圖形

9、。如果我們只對橡皮進行拉伸、壓縮，而不進行扭轉和折疊，那么，在橡皮形狀變化的過程中，圖形的一些屬性將繼續(xù)存在，而一些屬性則將發(fā)生變化。例如，如果多邊形中有一點A，那么，點A和多邊形邊界間的空間位置關系不會改變，但多邊形的面積會發(fā)生變化。這時，我們稱多邊形內的點具有拓撲屬性，而面積則不具有拓撲屬性，拉伸和壓縮這樣的變換稱為拓撲變換 空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系 在地理信息系統(tǒng)中，為了真實地描述空間實體，不僅需要反映實體的大小、形狀及屬性，而且還要反映出實體之間的相互關系。一般說來，通過結點、弧段、多邊形就可以表達任意復雜程度的地理空間實體。所以，結點、弧段、多邊形之間的拓撲關系就

10、顯得十分重要 空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系 歸納起來，結點、弧段、多邊形間的拓撲關系主要有如下三種：拓撲鄰接：指存在于空間圖形的同類圖形實體之間的拓撲關系。如結點間的鄰接關系和多邊形間的鄰接關系。在圖，結點N1與結點N2、N3相鄰，多邊形P1與P2、P3相鄰。N1N2N3N4P1P2P3A1A2A3A4A5A6N5A7P4空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系 拓撲關聯(lián)：指存在于空間圖形實體中的不同類圖形實體之間的拓撲關系。如弧段在結點處的聯(lián)結關系和多邊形與弧段的關聯(lián)關系。在圖中，N1結點與弧段A1、A5、A3相關聯(lián)，多邊形P2與弧段A3、A5、A6相關聯(lián) N1N2N3N

11、4P1P2P3A1A2A3A4A5A6N5A7P4空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系 拓撲包含：指不同級別或不同層次的多邊形圖形實體之間的拓撲關系。圖 中(a)、(b)、(c)分別有2、3、4個層次 （a）(b)(c)空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間數(shù)據(jù)的拓撲關系 同一層次的含義是：在同一有限的空間范圍內（如同一外接多邊形），那些具有鄰接和關聯(lián)拓撲關系或完全不具備鄰接和關聯(lián)拓撲關系的多邊形處于同一級別或同一層次。實際上，屬于二維矢量的多邊形與0維矢量間也存在拓撲包含，只是0維矢量空間范圍內（假設0維矢量占據(jù)有限的空間）不可能存在其它多邊形或點狀圖形實體了 空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法 空間

12、數(shù)據(jù)拓撲關系的作用 根據(jù)拓撲關系，不需要利用坐標和距離就可以確定一種空間實體相對于另一種空間實體的空間位置關系。因為拓撲數(shù)據(jù)已經(jīng)清楚地反映出空間實體間的邏輯結構關系，而且這種關系較之幾何數(shù)據(jù)有更大的穩(wěn)定性，即它不隨地圖投影而變化 利用拓撲數(shù)據(jù)有利于空間數(shù)據(jù)的查詢。例如判別某區(qū)域與那些區(qū)域鄰接；某條河流能為那些居民區(qū)提供水源，某行政區(qū)域包括那些土地利用類型等等利用拓撲數(shù)據(jù)進行道路的選取，進行最佳路徑的計算等 空間數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)模型是地理信息系統(tǒng)的基礎，它不僅決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的有效性，而且是系統(tǒng)靈活性的關鍵空間數(shù)據(jù)模型是在實體概念的基礎上發(fā)展起來的，它包含兩個基本內容，即實體和它們之間的相關

13、關系實體和相關關系可以通過性質和屬性來說明。空間數(shù)據(jù)模型可以被定義為一組由相關關系聯(lián)系在一起的實體集空間數(shù)據(jù)模型 就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，很難用一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來表達復雜多變的地理空間實體。例如，某些空間數(shù)據(jù)模型可能很適合于繪圖，但它們對于空間分析來說效率確十分低；有些數(shù)據(jù)模型有利于空間分析，但對圖形的處理則不理想目前，與GIS設計有關的空間數(shù)據(jù)模型主要有矢量模型，柵格模型，數(shù)字高程模型，面向對象模型，矢量和柵格的混合數(shù)據(jù)模型等。 空間數(shù)據(jù)模型 就目前的應用現(xiàn)狀而言，矢量模型、柵格模型、數(shù)字高程模型相當成熟（目前成熟的商業(yè)化GIS主要采用這三類模型），而其它模型，特別是混合模型則處于大力發(fā)展之

14、中 空間數(shù)據(jù)模型 矢量模型(vector model) 矢量模型是利用邊界或表面來表達空間目標對象的面或體要素，通過記錄目標的邊界，同時采用標識符(Identifier)表達它的屬性來描述空間對象實體。矢量模型能夠方便地進行比例尺變換、投影變換以及圖形的輸入和輸出。矢量模型處理的空間圖形實體是點（point）、線(line)、面(area) 空間數(shù)據(jù)模型 矢量模型(vector model) 在GIS的拓撲數(shù)據(jù)模型中，與點、線、面相對應的空間圖形實體主要有結點（node）、弧段(arc)、多邊形（polygon）,多邊形的邊界被分割成一系列的弧和結點，結點、弧、多邊形間的空間關系在數(shù)據(jù)結構或屬

15、性表中加以定義 空間數(shù)據(jù)模型 矢量模型(vector model) GIS的矢量數(shù)據(jù)模型具有如下特點： 通過對結點、弧、多邊形拓撲關系的描述，相鄰弧段的公用結點，相鄰多邊形的公用弧段在計算機中只需記錄一次空間圖形實體的拓撲關系，如拓撲鄰接、拓撲關聯(lián)、拓撲包含不會隨著諸如移動、縮放、旋轉等變換而變化，而空間坐標及一些幾何屬性（如面積、周長、方向等）會受到影響。 空間數(shù)據(jù)模型 矢量模型(vector model) 一般情況下，通過矢量模型所表達的空間圖形實體數(shù)據(jù)文件占用的存儲空間比柵格模型?。荒軌蚓_地表達圖形目標，精確地計算空間目標的參數(shù)（如周長、面積） 空間數(shù)據(jù)模型 柵格模型(vector m

16、odel) 柵格模型直接采用面域或空域枚舉來直接描述空間目標對象。空間數(shù)據(jù)模型 柵格模型(vector model) 在柵格模型中，點(點狀符號)是由一個或多個像元，線是由一串彼此相連的像元構成。在柵格模型中，每一像元的大小是一致的（一般是正方形），而且每一個柵格像元層記錄著不同的屬性（如植被類型等）。像元的位置由縱橫坐標（行列）決定。所以，每個像元的空間坐標不一定要直接記錄，因為像元記錄的順序已經(jīng)隱含了空間坐標 空間數(shù)據(jù)模型 柵格模型(vector model) 柵格的空間分辨率指一個像元在地面所代表的實際面積大?。ㄒ粋€正方形的面積）； 對于同一幅圖形或圖象來說，隨著分辨率的增大，存儲空間也

17、隨之增大。例如，如果每一像元占用一個字節(jié)，而且分辨率為100m，那么，一個面積為10km*10km=100km的區(qū)域就有1000*1000=1000000個像元，所占存儲空間為1000000個字節(jié)；如果分辨率為10m，那么，同樣面積的區(qū)域就有10000*10000=1億個像元，所占存儲空間近100MB；空間數(shù)據(jù)模型 柵格模型(raster model) 表達空間目標、計算空間實體相關參數(shù)的精度與分辨率密切相關，分辨率越高，精度越高；非常適合進行空間分析。例如，同一地區(qū)多幅遙感圖象的疊加操作等；不適合進行比例尺變化，投影變換等 空間數(shù)據(jù)模型 數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevatio

18、n Model) 數(shù)字高程模型是采用規(guī)則或不規(guī)則多邊形擬合面狀空間對象的表面，主要是對數(shù)字高程表面的描述。根據(jù)多邊形的形狀，我們可以把數(shù)字高程模型分為兩種，即格網(wǎng)模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型 空間數(shù)據(jù)模型 數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model) 格網(wǎng)模型(Grid model)與柵格模型相似，同樣是直接采用面域或空域枚舉來描述空間目標對象。一般情況下，柵格模型的每一像元或像元的中心點代表一定面積范圍內空間對象或實體的各種空間幾何特征和屬性幾何特征 空間數(shù)據(jù)模型 數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model) 而格網(wǎng)模型通常以行列的交點特征值代表

19、交點附近空間對象或實體的各種空間幾何特征和屬性幾何特征 柵格模型主要用于圖象分析和處理，而格網(wǎng)模型主要進行等值線的自動生成，坡度、坡向的分析等柵格模型處理的數(shù)據(jù)主要來源于航空、航天攝影以及視頻圖象等，而格網(wǎng)模型則主要來源于原始空間數(shù)據(jù)的插值。 空間數(shù)據(jù)模型 數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model) TIN模型是利用不規(guī)則三角形來描述數(shù)字高程表面。在TIN模型中，同樣可以建立三角形頂點（數(shù)據(jù)點）、三角形邊、三角形個體間的拓撲關系 空間數(shù)據(jù)模型 數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model) 如果建立了TIN模型圖形實體（三角形頂點、三角形邊、

20、三角形）的拓撲關系，將大大加快處理三角形的速度 歸納起來，數(shù)字高程模型的主要優(yōu)點是能夠方便地進行空間分析和計算，如對地表坡度、坡向的計算等 空間數(shù)據(jù)結構空間數(shù)據(jù)結構是對空間數(shù)據(jù)進行合理的組織，以便于計算機的處理。數(shù)據(jù)結構是數(shù)據(jù)模型和文件格式之間的中間媒介，是數(shù)據(jù)模型的具體實現(xiàn)。到目前為止，矢量結構主要應用于具有強大制圖功能的GIS系統(tǒng)，而柵格結構則廣泛應用于圖象處理系統(tǒng)和柵格地理信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)結構的選擇主要取決于數(shù)據(jù)的性質和使用的方式。 空間數(shù)據(jù)結構 矢量數(shù)據(jù)結構 在數(shù)據(jù)結構中，如果不包含圖形實體的局部空間位置，那么，隨著圖形數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量的增大，對圖形實體的操作速度將降低。因為，在此情況下，所有的圖形實體都將參與所有的計算和