空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

第二講空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)(1)

地理信息系統(tǒng)概論地理空間的表達(dá)

一般說(shuō)來(lái)，地理空間被定義為絕對(duì)空間和相對(duì)空間兩種形式絕對(duì)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(biāo)值組成相對(duì)空間是具有空間屬性特征的實(shí)體的集合，它是由不同實(shí)體之間的空間關(guān)系構(gòu)成地理空間的表達(dá)是地理數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析的理論基礎(chǔ)地理空間的表達(dá)

矢量表達(dá)法

矢量表達(dá)法主要表現(xiàn)了空間實(shí)體的形狀特征0維矢量：0維矢量為空間中的一個(gè)點(diǎn)（point）。點(diǎn)在二維、三維歐氏空間中分別用(x,y)和(x,y,z)來(lái)表示。在數(shù)學(xué)上，點(diǎn)沒(méi)有大小、方向。地理空間的表達(dá)

矢量表達(dá)法

點(diǎn)包括如下幾類(lèi)實(shí)體：實(shí)體點(diǎn)（Entitypoint）：代表一個(gè)實(shí)體。如鉆孔點(diǎn)、高程點(diǎn)、建筑物和公共設(shè)施。注記點(diǎn)（Textpoint）:用于定位注記。內(nèi)點(diǎn)（Labelpoint）:存在于多邊形內(nèi)，用于標(biāo)識(shí)多邊形的屬性。結(jié)點(diǎn)（Node）:表示弧段的起點(diǎn)和終點(diǎn)。角點(diǎn)(Vertex)或中間點(diǎn):表示線(xiàn)段或弧段的內(nèi)部點(diǎn)。地理空間的表達(dá)

一維矢量一維矢量表示空間中的線(xiàn)劃要素，它包括線(xiàn)段、邊界、弧段、網(wǎng)絡(luò)等。在二維、三維歐氏空間中用有序的坐標(biāo)對(duì)表示：地理空間的表達(dá)

一維矢量一維矢量自身的空間關(guān)系主要有如下幾種坐標(biāo)序列中的首點(diǎn)和末點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)，且分別為首結(jié)點(diǎn)和末結(jié)點(diǎn)。位于首尾結(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)為拐點(diǎn)或中間點(diǎn)或角點(diǎn)首尾結(jié)點(diǎn)可以重合，即弧段首尾相接地理空間的表達(dá)

一維矢量弧段不能與自身相交。如果相交，需以交點(diǎn)為界把弧段分為幾個(gè)一維矢量地理空間的表達(dá)

一維矢量一維矢量具有如下特征：長(zhǎng)度：從起點(diǎn)到終點(diǎn)的總長(zhǎng)。彎曲度：表示像道路拐彎時(shí)彎曲的程度。方向性：開(kāi)始于首結(jié)點(diǎn)，結(jié)束于末結(jié)點(diǎn)。如河流中的水流方向，高速公路允許的車(chē)流方向等等。地理空間的表達(dá)

二維矢量二維矢量表示空間的一個(gè)面狀要素，在二維歐氏平面上是指由一組閉合弧段所包圍的空間區(qū)域。所以，二維矢量又稱(chēng)多邊形，是對(duì)島、湖泊、地塊、儲(chǔ)量塊段、行政區(qū)域等現(xiàn)象的描述地理空間的表達(dá)

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(guò)二維矢量對(duì)空間曲面的表達(dá)主要有等高線(xiàn)和剖面法兩種。一種通過(guò)設(shè)置等間距，把具有相同高程值的點(diǎn)連接起來(lái)形成等高線(xiàn)（一維矢量），這些等高線(xiàn)就可完成對(duì)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(duì)空間曲面的描述地理空間的表達(dá)

二維矢量地理空間的表達(dá)

二維矢量的主要參數(shù)如下：面積：指封閉多邊形的面積。對(duì)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(zhǎng)：如果形成多邊形的弧段為折線(xiàn)，那么，周長(zhǎng)為各折線(xiàn)段長(zhǎng)度之和凹凸性：用于二維矢量的形態(tài)描述。凸多邊形是指多邊形內(nèi)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(shí)常使用這些參數(shù)地理空間的表達(dá)

三維矢量三維矢量用于表達(dá)三維空間中的現(xiàn)象和物體，是由一組或多組空間曲面所包圍的空間對(duì)象，它具有體積、長(zhǎng)度、寬度、高度、空間曲面的面積、空間曲面的周長(zhǎng)等屬性地理空間的表達(dá)

柵格表示法柵格表達(dá)法主要描述空間實(shí)體的級(jí)別分布特征及其位置

地理空間的表達(dá)

柵格表示法柵格類(lèi)似于矩陣。在柵格表達(dá)中，對(duì)空間實(shí)體的最小表達(dá)單位為一個(gè)單元或象素(Cell或Pixel)，依行列構(gòu)成的單元矩陣叫柵格(Grid),每個(gè)單元通過(guò)一定的數(shù)值表達(dá)方式（如顏色、灰度級(jí)）表達(dá)諸如環(huán)境污染程度、植被覆蓋類(lèi)型等空間地理現(xiàn)象地理空間的表達(dá)

柵格表示法除了航空、航天技術(shù)獲取的影象資料可以直接通過(guò)柵格加以表達(dá)外，通過(guò)矢量到柵格的轉(zhuǎn)換算法，柵格表達(dá)法同樣可以表達(dá)0維、一維、二維等矢量圖形或地理現(xiàn)象。此時(shí)、0維矢量就是表現(xiàn)為具有一定數(shù)值的柵格單元，一維矢量就表現(xiàn)為按線(xiàn)性特征相連接的一組相鄰單元，二維矢量則表現(xiàn)為按二維形狀特征連續(xù)分布的一組單元地理空間的表達(dá)

柵格表示法柵格表示法的精度與分辨率有關(guān)。在圖(a)、(b)、(c)中，柵格的分辨率分別為7*5，15*11，24*13。分辨率的大小與下面兩個(gè)問(wèn)題有關(guān)：地理空間的表達(dá)

不規(guī)則三角網(wǎng)的表達(dá)方法

與柵格表達(dá)方法一樣，不規(guī)則三角網(wǎng)（TriangulatedIrregularNetwork,簡(jiǎn)稱(chēng)TIN）屬于鑲嵌模型（Tessellationmodel）中的一種類(lèi)型。利用Delauney三角剖分準(zhǔn)則就可完成對(duì)TIN的自動(dòng)生成。單個(gè)三角形的頂點(diǎn)就是原始數(shù)據(jù)點(diǎn)或其它空間信息的控制點(diǎn)地理空間的表達(dá)

不規(guī)則三角網(wǎng)的表達(dá)方法

TIN的表達(dá)方法主要有以下特點(diǎn)能夠表達(dá)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(duì)象，而TIN的處理則相當(dāng)容易。由于三角形頂點(diǎn)(Vertex)就是實(shí)際的控制點(diǎn)，所以，它對(duì)空間對(duì)象的表達(dá)精度較高。能夠精確表達(dá)河流、山脊、山谷等線(xiàn)性地形特征地理空間的表達(dá)

面向?qū)ο蟮谋磉_(dá)方法

矢量表達(dá)方法中的點(diǎn)、線(xiàn)、面也是對(duì)象（Object），但它們是簡(jiǎn)單對(duì)象。面向?qū)ο螅∣bject-Oriented，簡(jiǎn)稱(chēng)00）的表達(dá)方法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的程序設(shè)計(jì)方法。地理空間的表達(dá)

面向?qū)ο蟮谋磉_(dá)方法

00方法的基本含義就是無(wú)論多么復(fù)雜的空間實(shí)體，都可以用一個(gè)對(duì)象來(lái)準(zhǔn)確表示，而無(wú)需把復(fù)雜對(duì)象分解為單一的對(duì)象實(shí)體（如點(diǎn)、線(xiàn)、面、體），然后利用矢量表達(dá)方法加以表示結(jié)合程序設(shè)計(jì)方法，通過(guò)分類(lèi)、概括、聯(lián)合、聚集四種數(shù)據(jù)處理技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)OO的各種表達(dá)方法空間數(shù)據(jù)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(lèi)型和表示方法，空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系及其表示等內(nèi)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

空間特征數(shù)據(jù)：表示空間實(shí)體的位置或現(xiàn)在所處的地理位置以及拓?fù)潢P(guān)系和幾何特征。幾何特征又稱(chēng)為定位特征，一般以坐標(biāo)加以表示。屬性特征數(shù)據(jù)：這里主要指的是專(zhuān)題屬性，也是非定位數(shù)據(jù)。專(zhuān)題屬性是指實(shí)體所具有的各種性質(zhì)，如房屋的結(jié)構(gòu)、高度、層數(shù)、使用的主要建筑材料、功能等。專(zhuān)題屬性通常以數(shù)字、符號(hào)、文本和圖象等方式表達(dá)。專(zhuān)題屬性的表達(dá)方式主要有兩種：表格和圖象空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)的基本特征

時(shí)間特征數(shù)據(jù)：指現(xiàn)象或物體隨時(shí)間的變化，其變化的周期有超短期的、短期的、中期的、長(zhǎng)期的、超長(zhǎng)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(dú)立的變化，即在不同的時(shí)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(duì)于現(xiàn)有的大量GIS系統(tǒng)，由于它們并非是時(shí)態(tài)（temporal）GIS系統(tǒng)，所以，把專(zhuān)題屬性和時(shí)間特征數(shù)據(jù)統(tǒng)稱(chēng)為屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)的類(lèi)型和表示方法

分類(lèi)或分級(jí)數(shù)據(jù)：如環(huán)境污染類(lèi)型、土地類(lèi)型數(shù)據(jù)，測(cè)量、地質(zhì)、水文、城市規(guī)劃等的分類(lèi)數(shù)據(jù)等；面域數(shù)據(jù)：如多邊形的中心點(diǎn)，行政區(qū)域界線(xiàn)及行政單元等；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)：如道路交點(diǎn)、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(cè)點(diǎn)，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)的類(lèi)型和表示方法曲面數(shù)據(jù)：如高程點(diǎn)，等高線(xiàn)或等值線(xiàn)區(qū)域；文本數(shù)據(jù)：如地名、河流名稱(chēng)和區(qū)域名稱(chēng)；符號(hào)數(shù)據(jù)：如點(diǎn)狀符號(hào)、線(xiàn)狀符號(hào)和面狀符號(hào)（暈線(xiàn)）等；音頻數(shù)據(jù)：如電話(huà)錄音、運(yùn)動(dòng)中的汽車(chē)產(chǎn)生的噪音視頻數(shù)據(jù)：交通路口的違章攝影、工礦企業(yè)大量使用的工業(yè)電視；圖象數(shù)據(jù)：航空、航天圖象，野外攝影照片等?？臻g數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系及其表示

“拓?fù)洹保═opology）一詞來(lái)源于希臘文，它的愿意是“形狀的研究”。拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性----拓?fù)鋵傩??？臻g數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)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?fù)潢P(guān)系及其表示

假設(shè)一塊高質(zhì)量的橡皮，它的表面為歐氏平面，而且表面上有由結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形組成的任意圖形。如果我們只對(duì)橡皮進(jìn)行拉伸、壓縮，而不進(jìn)行扭轉(zhuǎn)和折疊，那么，在橡皮形狀變化的過(guò)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(diǎn)A，那么，點(diǎn)A和多邊形邊界間的空間位置關(guān)系不會(huì)改變，但多邊形的面積會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)，我們稱(chēng)多邊形內(nèi)的點(diǎn)具有拓?fù)鋵傩?，而面積則不具有拓?fù)鋵傩?，拉伸和壓縮這樣的變換稱(chēng)為拓?fù)渥儞Q

空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系在地理信息系統(tǒng)中，為了真實(shí)地描述空間實(shí)體，不僅需要反映實(shí)體的大小、形狀及屬性，而且還要反映出實(shí)體之間的相互關(guān)系。一般說(shuō)來(lái)，通過(guò)結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形就可以表達(dá)任意復(fù)雜程度的地理空間實(shí)體。所以，結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形之間的拓?fù)潢P(guān)系就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?fù)潢P(guān)系歸納起來(lái)，結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形間的拓?fù)潢P(guān)系主要有如下三種：拓?fù)溧徑樱褐复嬖谟诳臻g圖形的同類(lèi)圖形實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。如結(jié)點(diǎn)間的鄰接關(guān)系和多邊形間的鄰接關(guān)系。在圖，結(jié)點(diǎn)N1與結(jié)點(diǎn)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?fù)潢P(guān)系拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：指存在于空間圖形實(shí)體中的不同類(lèi)圖形實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。如弧段在結(jié)點(diǎn)處的聯(lián)結(jié)關(guān)系和多邊形與弧段的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在圖中，N1結(jié)點(diǎn)與弧段A1、A5、A3相關(guān)聯(lián)，多邊形P2與弧段A3、A5、A6相關(guān)聯(lián)N1N2N3N4P1P2P3A1A2A3A4A5A6N5A7P4空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)浒褐覆煌?jí)別或不同層次的多邊形圖形實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。圖中(a)、(b)、(c)分別有2、、3、4個(gè)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?fù)潢P(guān)系同一層次的含義是：在同一有限的空間范圍內(nèi)（如同一外接多邊形），那些具有鄰接和關(guān)聯(lián)拓?fù)潢P(guān)系或完全不具備鄰接和關(guān)聯(lián)拓?fù)潢P(guān)系的多邊形處于同一級(jí)別或同一層次。實(shí)際上，屬于二維矢量的多邊形與0維矢量間也存在拓?fù)浒?，只?維矢量空間范圍內(nèi)（假設(shè)0維矢量占據(jù)有限的空間）不可能存在其它多邊形或點(diǎn)狀圖形實(shí)體了

空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系的作用根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)和距離就可以確定一種空間實(shí)體相對(duì)于另一種空間實(shí)體的空間位置關(guān)系。因?yàn)橥負(fù)鋽?shù)據(jù)已經(jīng)清楚地反映出空間實(shí)體間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，而且這種關(guān)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?fù)鋽?shù)據(jù)有利于空間數(shù)據(jù)的查詢(xún)。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(lèi)型等等利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行道路的選取，進(jìn)行最佳路徑的計(jì)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(chǔ)，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(guān)鍵空間數(shù)據(jù)模型是在實(shí)體概念的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它包含兩個(gè)基本內(nèi)容，即實(shí)體和它們之間的相關(guān)關(guān)系實(shí)體和相關(guān)關(guān)系可以通過(guò)性質(zhì)和屬性來(lái)說(shuō)明。空間數(shù)據(jù)模型可以被定義為一組由相關(guān)關(guān)系聯(lián)系在一起的實(shí)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(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)復(fù)雜多變的地理空間實(shí)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(duì)于空間分析來(lái)說(shuō)效率確十分低；有些數(shù)據(jù)模型有利于空間分析，但對(duì)圖形的處理則不理想目前，與GIS設(shè)計(jì)有關(guān)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?qū)ο竽Ｐ?，矢量和柵格的混合?shù)據(jù)模型等。

空間數(shù)據(jù)模型

就目前的應(yīng)用現(xiàn)狀而言，矢量模型、柵格模型、數(shù)字高程模型相當(dāng)成熟（目前成熟的商業(yè)化GIS主要采用這三類(lèi)模型），而其它模型，特別是混合模型則處于大力發(fā)展之中空間數(shù)據(jù)模型

矢量模型(vectormodel)

矢量模型是利用邊界或表面來(lái)表達(dá)空間目標(biāo)對(duì)象的面或體要素，通過(guò)記錄目標(biāo)的邊界，同