空間數(shù)據(jù)的存儲

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(guān)系構(gòu)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(chǔ)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（Entitypoint）：代表一個實體。如鉆孔點、高程點、建筑物和公共設(shè)施。注記點（Textpoint）:用于定位注記。內(nèi)點（Labelpoint）:存在于多邊形內(nèi)，用于標識多邊形的屬性。結(jié)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(nèi)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

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

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：開始于首結(jié)點，結(jié)束于末結(jié)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

二維矢量二維矢量表示空間的一個面狀要素，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，二維矢量又稱多邊形，是對島、湖泊、地塊、儲量塊段、行政區(qū)域等現(xiàn)象的描述地理空間的表達

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(shè)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、地層的特征要素時常使用這些參數(shù)地理空間的表達

三維矢量三維矢量用于表達三維空間中的現(xiàn)象和物體，是由一組或多組空間曲面所包圍的空間對象，它具有體積、長度、寬度、高度、空間曲面的面積、空間曲面的周長等屬性地理空間的表達

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(gòu)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

柵格表示法除了航空、航天技術(shù)獲取的影象資料可以直接通過柵格加以表達外，通過矢量到柵格的轉(zhuǎn)換算法，柵格表達法同樣可以表達0維、一維、二維等矢量圖形或地理現(xiàn)象。此時、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

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問題有關(guān)：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)（TriangulatedIrregularNetwork,簡稱TIN）屬于鑲嵌模型（Tessellationmodel）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)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?qū)ο蟮谋磉_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?qū)ο螅∣bject-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(shè)計方法。地理空間的表達

面向?qū)ο蟮谋磉_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(jié)合程序設(shè)計方法，通過分類、概括、聯(lián)合、聚集四種數(shù)據(jù)處理技術(shù)就可以實現(xiàn)OO的各種表達方法空間數(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)的類型和表示方法，空間數(shù)據(jù)的拓撲關(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)：表示空間實體的位置或現(xiàn)在所處的地理位置以及拓撲關(guān)系和幾何特征。幾何特征又稱為定位特征，一般以坐標加以表示。屬性特征數(shù)據(jù)：這里主要指的是專題屬性，也是非定位數(shù)據(jù)。專題屬性是指實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。專題屬性通常以數(shù)字、符號、文本和圖象等方式表達。專題屬性的表達方式主要有兩種：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。空間特征數(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(zhì)、水文、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)的類型和表示方法曲面數(shù)據(jù)：如高程點，等高線或等值線區(qū)域；文本數(shù)據(jù)：如地名、河流名稱和區(qū)域名稱；符號數(shù)據(jù)：如點狀符號、線狀符號和面狀符號（暈線）等；音頻數(shù)據(jù)：如電話錄音、運動中的汽車產(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)的拓撲關(guān)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?？臻g數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)的拓撲關(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)的拓撲關(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、弧段、多邊形組成的任意圖形。如果我們只對橡皮進行拉伸、壓縮，而不進行扭轉(zhuǎn)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(guān)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(nèi)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(guān)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(guān)系。一般說來，通過結(jié)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(jié)點、弧段、多邊形之間的拓撲關(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)的拓撲關(guān)系歸納起來，結(jié)點、弧段、多邊形間的拓撲關(guān)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(guān)系。如結(jié)點間的鄰接關(guān)系和多邊形間的鄰接關(guān)系。在圖，結(jié)點N1與結(jié)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(guān)系拓撲關(guān)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(guān)系。如弧段在結(jié)點處的聯(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)的拓撲關(guān)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(guān)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(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)拓撲關(guān)系或完全不具備鄰接和關(guān)聯(lián)拓撲關(guān)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(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狀圖形實體了

空間數(shù)據(jù)特征及其表示方法

空間數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系的作用根據(jù)拓撲關(guān)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(guān)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(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(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)模型是在實體概念的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它包含兩個基本內(nèi)容，即實體和它們之間的相關(guān)關(guān)系實體和相關(guān)關(guān)系可以通過性質(zhì)和屬性來說明?？臻g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(shè)計有關(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表達空間目標對象的面或體要素，通過記錄目標的邊界，同