空間數(shù)據(jù)庫的第三章講稿課件

經(jīng)典空間數(shù)據(jù)模型按照空間屬性的組織形式及空間數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)方式不同，矢量模型可分為地圖分層模型、超圖模型、面向?qū)ο竽Ｐ秃突诩s束的模型等四大類：經(jīng)典空間數(shù)據(jù)模型以“結(jié)點(diǎn)-弧段-多邊形”拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型，面向整個(gè)空間區(qū)域，以基本幾何元素點(diǎn)、線、多邊形為數(shù)據(jù)組織單元，以點(diǎn)、線、多邊形的拓?fù)潢P(guān)系為中心來組織和存儲(chǔ)幾何數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系，沒有重視具有完整地理含義和獨(dú)立意義的地理實(shí)體作為個(gè)體存在的事實(shí)。經(jīng)典空間數(shù)據(jù)模型

Back一、地理實(shí)體模型

（空間目標(biāo)模型、實(shí)體幾何模型）二、專題地圖矢量模型

（路徑拓?fù)淠Ｐ汀?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀ODE模型、網(wǎng)絡(luò)模型）三、矢/柵混合數(shù)據(jù)模型

（蘇森古特二叉樹、

矢/柵一體化模型）四、變焦數(shù)據(jù)模型

五、基于現(xiàn)象的超圖數(shù)據(jù)模型

（概念、模型、

基本實(shí)體表示、復(fù)合實(shí)體表示）地理實(shí)體模型（空間目標(biāo)模型2）表達(dá)一個(gè)空間目標(biāo)的形狀與大小、數(shù)量與質(zhì)量特征的信息結(jié)構(gòu)稱為空間目標(biāo)模型，也稱微觀模型，用目標(biāo)頭來定義。Back地理實(shí)體模型（實(shí)體集合模型1）二、實(shí)體集合模型描述地理空間的宏觀結(jié)構(gòu)，表達(dá)地理實(shí)體或空間目標(biāo)之間的分類關(guān)系、定位關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系。（一）分類關(guān)系地理實(shí)體之間的一種類別層次關(guān)系。按地理分類體系對(duì)實(shí)體進(jìn)行分類，為每個(gè)類別分配一個(gè)分類編碼，這種分類編碼構(gòu)成一個(gè)分類層次樹，反映地理實(shí)體的類別和等級(jí)歸屬關(guān)系。通常按照國家基本地形圖圖示規(guī)定的分類標(biāo)準(zhǔn)+專業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，地理實(shí)體的分類關(guān)系是一種層次模型。如果不同的地理實(shí)體在空間上發(fā)生部分共位現(xiàn)象，則將地理實(shí)體劃分為多個(gè)空間目標(biāo)，空間目標(biāo)間的分類關(guān)系是一種網(wǎng)狀模型。

地理實(shí)體模型（實(shí)體集合模型2）（二）定位關(guān)系描述地理實(shí)體或空間目標(biāo)的空間位置分布。采用一種面向位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用近似方法表示地理實(shí)體或空間目標(biāo)間的接近度，目的是實(shí)現(xiàn)定位檢索。首先用一定的方法（如正方形方格網(wǎng)）劃分空間，建立空間索引，每個(gè)索引單元中記錄位于或穿過該單元的地理實(shí)體的關(guān)鍵字，用一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如變長指針或位圖法）組織索引單元。（三）拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)潢P(guān)系通常存儲(chǔ)在幾何數(shù)據(jù)模型之中。Back專題地圖矢量模型（路徑拓?fù)?）一、面條模型（SpaghettiModel）無拓?fù)潢P(guān)系的、冗余的矢量邏輯模型。圖3-16為圖3-15中多邊形網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的面條模型，各多邊形的邊界以坐標(biāo)串方式記錄，坐標(biāo)串和多邊形間不必相互對(duì)應(yīng)，所有拓?fù)潢P(guān)系都根據(jù)需要來計(jì)算，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多邊形的操作。這種模型可以毫無限制的將異類對(duì)象點(diǎn)、線、面混合存儲(chǔ)，且容許多條折線在平面中相交，數(shù)據(jù)庫中不顯式存儲(chǔ)各折線的交點(diǎn)。

專題地圖矢量模型（路徑拓?fù)?）二、多邊形模型（PolygonModel）多邊形模型也叫“多邊形環(huán)路法”，“面域邊界法”或“獨(dú)立實(shí)體法”。將多邊形的邊界點(diǎn)坐標(biāo)以多邊形為單位獨(dú)立記錄，每個(gè)多邊形的編碼與存貯毫不顧及相鄰的多邊形，圖3-17為圖3-15中多邊形網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的多邊形模型。每個(gè)多邊形很容易被識(shí)別和提取，但兩個(gè)相鄰多邊形的共用邊界均獲取與存貯兩次，增加了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，會(huì)產(chǎn)生裂隙或重疊。沒有建立各個(gè)多邊形實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。

專題地圖矢量模型（路徑拓?fù)?）三、點(diǎn)/字典模型（PointDictionaryModel）點(diǎn)/字典模型是對(duì)多邊形模型的一種改進(jìn)，它記錄多邊形邊界上各點(diǎn)的編碼，以數(shù)據(jù)字典形式記錄各點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過字典可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)編碼到點(diǎn)坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換，圖3-18為圖3-15中多邊形網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)/字典模型。由于相同點(diǎn)坐標(biāo)的唯一性，不會(huì)產(chǎn)生“裂片”，但公共邊界上點(diǎn)的編碼仍被記錄兩次。克服了多邊形之間可能出現(xiàn)的裂隙與重疊，但仍沒建立多邊形間必要的拓?fù)潢P(guān)系。專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?）對(duì)路徑拓?fù)淠Ｐ偷母倪M(jìn)與完善，強(qiáng)調(diào)多邊形之間關(guān)系的描述。一、DIME數(shù)據(jù)模型GBF／DIME(GeographicBaseIndePendentMapEncode地理基礎(chǔ)文件/雙獨(dú)立坐標(biāo)地圖編碼系統(tǒng))是美國人口調(diào)查局在人口調(diào)查基礎(chǔ)上發(fā)展的地理信息系統(tǒng)，形成于1969年，對(duì)空間數(shù)據(jù)模型和結(jié)構(gòu)發(fā)展有很重要的貢獻(xiàn)，具有典型性。專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?）DIME文件的概念基礎(chǔ)是圖論，DIME模型通過直線段序列顯式存儲(chǔ)拓?fù)潢P(guān)系，基本元素是由兩個(gè)頂點(diǎn)定義的直線線段。復(fù)雜曲線由一系列逼近曲線的直線線段表示，對(duì)每條直線段、每個(gè)頂點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)都唯一標(biāo)識(shí)。直線的各端點(diǎn)有坐標(biāo)，每條直線段有起點(diǎn)與終點(diǎn)，直線段兩側(cè)有左右多邊形。專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?）二、POLYVRT數(shù)據(jù)模型(Po1ygonConvertor)

多邊形轉(zhuǎn)換器(Po1ygonConvertor)由哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形及空間分析實(shí)驗(yàn)室（LaboratoryforComputerGraphicsandSpatialAnalysis)研制和發(fā)展。是一種改進(jìn)的簡單拓?fù)淠Ｐ?，在?shù)據(jù)處理等方面比DIME模型效率高。POLYVRT模型的基本元素是“鏈段”，鏈段由任意多個(gè)頂點(diǎn)（形狀特征點(diǎn)）構(gòu)成，這些頂點(diǎn)的序列表示了鏈段的幾何形狀。鏈段兩端為結(jié)點(diǎn)，鏈段兩側(cè)有兩個(gè)多邊形區(qū)域。專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?）三、TIGER模型TIGER（TopologicallyIntegratedGeographicEncodingandReferencingSystem）系統(tǒng)是美國人口調(diào)查局將GIS技術(shù)應(yīng)用于人口調(diào)查的典范。美國人口調(diào)查從早期借助地圖的人工走訪（1950年以前），經(jīng)地理信息支撐初步自動(dòng)化的DIME階段（1980年前后），到地理信息支撐高度自動(dòng)化的TIGER系統(tǒng)。其中DIME文件是由數(shù)百人單獨(dú)完成的，彼此之間缺乏一致性檢測，而TIGER系統(tǒng)能確保人口調(diào)查數(shù)據(jù)的精確性和一致性。一、TIGER的詳細(xì)含義T（拓?fù)銽opologically）：用科學(xué)的方法描述地圖上點(diǎn)和線的相關(guān)性。I（集成Integrated）：TIGER是一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將地圖信息、GBF/DIME文件和地理區(qū)域聯(lián)系文件集成在一起，防止不同文件間的不一致和錯(cuò)誤。G（地理Geographic）：表達(dá)了TIGER的空間定位含義。TIGER文件是用來表示地球表面上的地理要素或區(qū)域的技術(shù)方法，TIGER系統(tǒng)的主要目的是確保這些要素或區(qū)域既不重復(fù)也不遺漏。E（編碼Encoding）：把地理信息存貯到TIGER系統(tǒng)中，以數(shù)據(jù)形式存在。R（參考Referencing）：TIGER系統(tǒng)確保對(duì)地球表面上的要素能自動(dòng)地存取協(xié)調(diào)一致的信息，TIGER模型是世界上最大的集成數(shù)字地理數(shù)據(jù)庫。

專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?）(二)TIGER模型的整體結(jié)構(gòu)地理實(shí)體或空間目標(biāo)分為0維元素點(diǎn)、1維元素鏈與2維元素多邊形。0維元素：兩個(gè)或更多1維元素的交點(diǎn)或端點(diǎn)，不是中間點(diǎn)（頂點(diǎn)）。1維元素：指連結(jié)兩個(gè)0維元素的鏈，它不表達(dá)線段形狀。2維元素：由一組聯(lián)接起來的1維元素所形成的最小多邊形區(qū)域。TIGER模型的整體結(jié)構(gòu)包含0維元素表、1維元素表與2維元素表，及為0維元素和2維元素表分別建立的索引目錄（1維元素表不含目錄）。目錄表與相應(yīng)數(shù)據(jù)表中的記錄1-1對(duì)應(yīng)，目錄表存儲(chǔ)為B樹結(jié)構(gòu)。專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?）(三)0維元素結(jié)構(gòu)專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?）專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?0）五、1維元素結(jié)構(gòu)圖3-24(d)表示了TIGER文件中1維元素的結(jié)構(gòu)及各種聯(lián)系，1維元素表示線狀要素，是TIGER模型的中心元素。1維元素表中含有指向0維元素表、2維元素表、1維元素形狀表、1維元素描述符表、甚至1維元素表內(nèi)部其它記錄的指針，往返和穿行于1維元素表的指針把TIGER模型的各部分集成在一起。1維元素表包含要素屬性或指向?qū)傩晕募闹羔?，常用的屬性存貯在元素表中，其它屬性存儲(chǔ)在1維元素描述符表中。1維元素記錄還設(shè)置最小外接矩形字段，用于建立空間索引，以加快空間查詢。專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?1）Back專題地圖矢量模型（網(wǎng)絡(luò)模型）2、折線Polyline（1維）：幾何類型為“線類型”，表示網(wǎng)絡(luò)弧段和區(qū)域邊界。呈線狀分布、有確定長度，面積不重要的空間現(xiàn)象抽象為線，線的形狀用其中心線上拐點(diǎn)構(gòu)成的坐標(biāo)串序列來表示。兩相鄰拐點(diǎn)間用直線連接叫線段或邊，用曲線連接叫弧線，線段或弧線的端點(diǎn)叫頂點(diǎn)，頂點(diǎn)表示線的形狀。有限條線段或邊連接成折線（Polyline），有限條折線和弧線連接成鏈。折線或鏈的端點(diǎn)（始點(diǎn)、終點(diǎn)）和交點(diǎn)均稱為結(jié)點(diǎn)，折線或鏈由始點(diǎn)和終點(diǎn)來界定，多條折線或鏈通過結(jié)點(diǎn)相連?？臻g數(shù)據(jù)庫中線類型可表示如下幾何特征：（1）線段或邊：兩頂點(diǎn)間的直線。（2）簡單折線：多條線段相連接，以結(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)。折線內(nèi)無分支、任一對(duì)線段不相交。（3）閉合折線：始點(diǎn)和終點(diǎn)重合的折線。（4）單調(diào)折線：以結(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)（始點(diǎn)、終點(diǎn)）的折線。畫一條與折線不相交的直線L，過折線上每個(gè)頂點(diǎn)作L的垂線，如果每條垂線與折線只有一個(gè)交點(diǎn)，則該折線是單調(diào)折線。（5）?。盒纬梢粭l曲線的點(diǎn)軌跡，可用數(shù)學(xué)函數(shù)定義。以結(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)。包括：圓、圓弧、橢圓、橢圓弧、bezier樣條曲線、張力樣條曲線等。Back矢/柵混合數(shù)據(jù)模型

（一）一、蘇森古特二叉樹蘇森古特（Sussenguth）二叉樹表示的混合式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意如下：

用一個(gè)邊長越來越小的多層嵌套的正方形網(wǎng)格覆蓋在圖幅上（圖3-27），然后把這種層次結(jié)構(gòu)映射為一個(gè)蘇森古特二叉樹（圖3-28)。其葉子包含位于（穿過或部分覆蓋）相應(yīng)正方形的每個(gè)點(diǎn)狀、線狀和面狀要素的存貯區(qū)地址，在存貯區(qū)中這些要素用矢量形式表示。正方形和二叉樹繼續(xù)細(xì)分，直至每個(gè)網(wǎng)格（或每個(gè)樹枝）只含有一個(gè)要素或已達(dá)到預(yù)先規(guī)定的最低層次，只有最低層次的葉子才可以包含多于一個(gè)的要素地址。變焦數(shù)據(jù)模型（二）一、物體細(xì)節(jié)分層存貯圖形曲線綜合算法把線段分為樹形結(jié)構(gòu)，下一層反映更多的細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)的坐標(biāo)是樹中更高層內(nèi)容的中間點(diǎn)（圖3-31）。為了在多種比例尺范圍內(nèi)能快速檢索圖形數(shù)據(jù)，把圖形數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)，每層包含更高層的中間點(diǎn)，如果一個(gè)數(shù)據(jù)庫按這種方式劃分曲線，則只需按圖形輸出的比例尺來確定相應(yīng)的存取級(jí)別。變焦數(shù)據(jù)模型（三）圖3-32所示的樹結(jié)構(gòu)表示圖3-31中海岸線綜合的三個(gè)層次，結(jié)點(diǎn)旁的數(shù)值表示要從下一層中向該結(jié)點(diǎn)的左邊和右邊插入的點(diǎn)數(shù)，第二層中內(nèi)含“+”的結(jié)點(diǎn)是為保持樹的連通性而增加的插入點(diǎn)。

變焦數(shù)據(jù)模型（四）二、多級(jí)變焦為了給不同應(yīng)用提供不同詳細(xì)程度的空間數(shù)據(jù)，要在存貯最詳細(xì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上建立二維參考索引，索引中存放各專題要素不同綜合級(jí)別的數(shù)據(jù)地址，對(duì)該矩陣的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有一個(gè)數(shù)據(jù)指針（圖3-33）。該方法把線性數(shù)據(jù)以坐標(biāo)樹的形式存貯，所檢索曲線的詳細(xì)程度或綜合程度是可變的，取決于穿越樹的深度。樹的各層以不同的記錄分離存貯，按線段的屬性碼檢索時(shí)，只需根據(jù)所選比例尺，存取足以表示該曲線的那些坐標(biāo)點(diǎn)。樹結(jié)構(gòu)線性存貯與數(shù)據(jù)的網(wǎng)格劃分能加快數(shù)據(jù)庫檢索速度。Back超圖模型的概念（一）超圖模型的概念（二）超圖模型的概念（三）Back超圖數(shù)據(jù)模型（一）一、超圖數(shù)據(jù)模型的基本單元

1、類別：同類要素的集合，超圖中用環(huán)繞集合中元素的一條邊和一個(gè)代表類別名字的特殊頂點(diǎn)來表示，如圖3-36所示的公路類。2、類別的屬性：類別的性質(zhì)，由特殊頂點(diǎn)表示，圖3-37是公路類的屬性。3、要素：類別的元素，如某一條具體公路。類別中的要素個(gè)數(shù)不受限制。4、要素的屬性：類別中要素的屬性，是類別屬性的具體取值。如：雁塔路的等級(jí)、路面質(zhì)量和具體寬度。圖3-36類別的表示圖3-37類別的屬性超圖數(shù)據(jù)模型（二）5、類別間的聯(lián)系與要素間的聯(lián)系兩個(gè)類別間可有多種聯(lián)系，每一種聯(lián)系表示不同性質(zhì)的聯(lián)系，通過超圖類別間的弧線來表示。要素間的聯(lián)系表示要素之間實(shí)際存在的聯(lián)系，用以描述特定的現(xiàn)象。兩類聯(lián)系均可以是層次性或非層次性的。（1）類別間的層次聯(lián)系：一個(gè)類別可有一個(gè)雙親類別和一個(gè)或多個(gè)子女類別（或空），形成一種樹結(jié)構(gòu)。類別間的層次聯(lián)系是一種概念上的聯(lián)系，是一種聯(lián)系模式。超圖數(shù)據(jù)模型（三）（2）要素間的層次聯(lián)系：是類別間層次聯(lián)系的具體體現(xiàn)。如：每條公路是“公路”集合的元素，是“公路”類別中的要素，而每條公路又由路段構(gòu)成，“路段”是“公路”的下屬類別。（3）橫向聯(lián)系或非層次聯(lián)系：類別間或要素間不僅有豎向聯(lián)系，而且也有橫向聯(lián)系或非層次聯(lián)系。如：“公路”類別與“城鎮(zhèn)”類別間沒有隸屬關(guān)系，但有對(duì)等的“連接”與“被連接”關(guān)系，圖3-40描述了“公路”和“城鎮(zhèn)”兩個(gè)類別間的非層次聯(lián)系。圖3-39要素間的層次聯(lián)系圖3-40類別間的非層次聯(lián)系超圖數(shù)據(jù)模型（四）圖3-41描述了要素間的非層次聯(lián)系，表示三個(gè)城鎮(zhèn)A，B，C與五條公路T，U，V，X，Y之間的非層次聯(lián)系。圖3-41中僅繪出了要素間的聯(lián)系而沒有區(qū)分不同的方向。圖3-42的局部圖中，以城鎮(zhèn)C和公路U為例來區(qū)分要素間不同方向的聯(lián)系。

超圖數(shù)據(jù)模型能區(qū)別信息的層次和非層次兩種基本結(jié)構(gòu)，任何一種復(fù)雜的信息結(jié)構(gòu)都可以采用這兩種信息結(jié)構(gòu)來表示。Back圖3-41要素間的非層次聯(lián)系圖3-42要素間的有向聯(lián)系基本地理實(shí)體的超圖模型基本地理實(shí)體的表