3-2dgis空间数据模型

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1、第三章 2DGIS空间数据模型 遥感与地理信息系 2011年5月 主要内容主要内容 平面数据模型 空间索引机制 栅格结构编码 矢量结构编码* 矢栅结构本质* 1、 平面数据模型 ?球面属于流形空间，各向异性 ?平面属于欧式空间，各向同性 地面 地下 地上 矢量数据结构 空间实体是由点、线 和面等原型实体及其 集合来表示；用不同 的尺度影响原型的种 类。 意义：是通过记录坐 标的方式尽可能精确 地表示点、线、面等 地理实体 空间目标的表示方法 点实体: 唯一标识码, 一对(X,Y) 坐标, 地物编码,制图符号 等。 线实体: 唯一标识码,起始节点,终止节点,中间拐点, 地物编码, 制图符号等。

2、面实体: 唯一标识码,组成面的点或者线,地物编码,制图符号 等。 一、定义 栅格结构（又称网格结构/像元结构)是将地球 表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个 网格作为一个像元或者像素，有行、列号定义， 并包含一个代码，表示该网格的属性值或者量 值，或者仅仅包含指向其他属性记录的指针。 栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元行列 确定它的位置。 由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位 置很容易隐含在文件的存储结构中，且行列坐标可以很 容易的转位其它坐标系下的坐标。在文件中每个代码本 身明确的代表了实体的属性或属性的编码。 栅格数据结构 3.2 空间索引机制 空间索引(也称为空间访

3、问方法(Spatial access Method Sam), 就是指依据空间对象的位子和形状或空间对象之间的某种 空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构,其中包含空间 对象之间的概要信息,如对象的标识、外接矩形及指向空间 对象实体的指针。 作为一种辅助性的空间数据结构,空间索引介于空间操作算 法和空间对象之间,它通过筛选作用,大量与特定空间操作无 关的空间对象被排除,从而提高空间操作的速度和效率。 空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息系 统的整体性能,它是空间数据库和地理信息系统的一项关键 技术。 常见的空间索引一般是自顶向下逐级划分空间的各种数 据结构空间索引,比较有代表性的包

4、括BSP树、K-D-P树, R 树、R+树和CELL树、四叉树等。此外,结构较为简单的索 引文件、格网型空间索引有着广泛的应用。 3.2 空间索引机制 空间访问方法需要同时顾及空间索引及聚类技 术： 没有空间索引，就需要对数据库中的每一个对象进行检 查； 对象聚类意味着现实中相邻对象是一起被存储在内存块 中，其策略主要来自“空间充填曲线”的一些思想。 索引文件索引文件 格网索引格网索引 其它索引其它索引 空间检索空间检索 3.2 空间索引机制 1、索引文件、索引文件 除记录本身的主文件外，还利用索引法列出一 个键值K与其对应的记录RK的磁盘地址A(RK) 的索 引表，即索引是由关键字和指针组成

5、的索引相构 成。 索引非顺序文件 定义 索引表中顺序列出所有可能的键值(稠密索引),利用二 分查找法查找所需键值,得到所需记录地址。该方法存取快, 且无需记录顺序排列。 建立方法 记录按输入的顺序放入的数据区,同时软件在索引区建 立索引表,待全部数据输入完后,软件自动将索引表排序。 ?维护 删除 删除索引项,数据区保留, 重新组织文件时消除之. 删除数据,索引保留,重新组织文件时清除之. 增加 数据放在文件末尾,增加索引项,并排序, 修改 查找相应位置,修改记录内容. （修改前后内容大小不一致时,涉及到删除增加操作) ?便于删除记录 排序费时; 文件大时索引数度较慢。 解决方法建立多极索引 索

6、引顺序文件 定义 是一种按照逻辑键值排列 的索引文件,是用嵌入索引的手 法把顺序文件予以扩充,以加速 查找,记录的物理顺序与索引中 健值的顺序是一致的。(采用 稀疏索引) 建立方法 数据按顺序分块存放(快间 相邻), 记录每块的最后记录键 值及快的首地址形成索引表。 索引顺序文件 ?维护 删除 物理删除 逻辑删除 增加 避免移动过多文件,将之暂放于溢出区(重新组织文件时 归位) 修改 查找相应位置,修改记录内容。 ?索引紧凑,查找速度快。 ?不足:增删较麻烦，多次增删后，文件的空间利用率、存 储效率均降低，需要从新组织文件。 2、格网索引2、格网索引 ?思路: 是将研究区域用横竖线条划分为大小

7、相等或不等的格 网,记录每一个格网所包含的空间实体. 当用户进行空间查 询时,首先计算出用户查询对象所在格网,然后再在该格网 中快速查询所选空间实体,这样一来就大大地加速了空间索 引的查询速度。 ?步骤: ?划分行列(MXN); ?计算格网大小及每个格网的矩形范; ?开辟目标空间(记录目标穿过的网格)和格网空间(记录格网内的目 标): ?注册点线 面 注记等目标,并记录之; ?提取窗口所覆盖的目标关键字(采用数据方位法,以降低排序时间,及 避免数据的绘制顺序等) ?提取目标所涉及的网格。 四叉树 3、其他空间索引3、其他空间索引 BSP树 KDB树 KDB树是BSP树向多维空间的一种发展。 R

8、树 R+树 CELL树 4、空间检索4、空间检索 基于属性特征查询 关系数据库+ 条件查询 基于空间关系和属性特征的查询 空间扩展SQL查询语言 SELECT.FROM.WHERE ?空间实体间的关系检索 面与面 线与线 点与点 线与点 面与线 面与点 3.3 栅格数据编码 直接栅格编码 压缩编码方法 链码(chain Encoding) 游程长度编码(Run-length Encoding) 块状编码(Block Encoding)四叉树编码 (Quadtree Encoding) 操作计算 最简单最直观而又非常重要的一种栅格结构编码方 法.直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵,逐 行或逐

9、列逐个记录代码。 直接栅格编码 直接栅格编码 数据量 50*60cm的图幅?19.6*23.6英寸 300dpi, 256色,数据量19.6*23.6*300*300 41630400字节 42兆 300pdi,真彩色,数据量19.6*23.6*300*300*3 41630400*3 字节 125兆 优点编码简单,信息无压缩、 无丢失。 缺点 数据量大. 又称Freeman编码或边界编码.主要记录线装地物或 面状地物的边界.它把线状地物或面状地物的边界 表示为:由某一起始点开始并按某些基本方向确定 的单位矢量链.前两个数字表示起点的行列号,从第 三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向。 优

10、点:很强的数据压缩能力,并具有一定的运算功能, 如面积,周长等的计算,类似于矢量数据结构,比较适 合于存储图形数据。 缺点:叠置运算,如组合,相交等很难实施,对局部的改 动涉及到整体结构,而且相邻区域的边界重复存 储。 链码(Chain Codes) 2.3 栅格数据结构 ?栅格数据结压缩的重要编码方法. 它的基本思路是:对于一个 栅格图形,常常有行(列)方向上相邻的若干栅格单元具有相同的 属性代码,因而可采用取某种方法压缩那些重复的内容. 编码方 案为:只是在各行(列) 栅格单元的代码发生变化时以此记录该 代码重复的个数或者记录代码及变化的位置(列数)。 游程长度编码游程长度编码 游程长度编

11、码 特点: 属性的变化愈少，行程愈长，压缩比例愈大，即压缩比 的大小与图的复杂程度成反比。 优点: 压缩效率高(保证原始信息不丢失)；易于检索、叠加、 合并操作。 缺点: 只顾及单行单列,没有考虑到其他方向的代码值是否相 同.压缩受到一定限制。 是将游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形 区域作为记录单元,每个记录单元包含相邻的若干 栅格，数据结构有初始位置和半径，在加上记录 单元的代码组成。 块状编码: 四叉树编码: 基本思想是将一幅栅格图像等分为四部分。逐块 检查其格网属性值。如果某一子区的所有栅格属 性值相同，则这个子区域不再继续分割，否则还 要把这个子区再分割为四个子区.这样依此地分割

12、, 直到每个字区都有相同的属性值。 2.3 栅格数据结构 距离的计算 面积的计算 操作计算 叠置分析 优点: 在栅格数据结构中，点实体表示为一个像元；线实体则表示 为在一定方向上连接成串的相邻像元集合；面实体由聚集在 一起的相邻像元集合表示.这种数据结构很适合计算机处理, 因为行列像元阵列非常容易存储、维护和显示。 在栅格数据结构中，点实体表示为一个像元；线实体则表示 为在一定方向上连接成串的相邻像元集合；面实体由聚集在 一起的相邻像元集合表示.这种数据结构很适合计算机处理, 因为行列像元阵列非常容易存储、维护和显示。 缺点： 用栅格数据表示的地表是不连续的,是量化和近似离散的数 据,使地表一

13、定面积内(像元地面分辨率范围内)地理数据的近 似性,如平均值主成分值或按某种规则在像元范围内提取的 值等;另一方面,栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应 单元大小之比.像元大小相对于所表示的面积较大时,对长度, 面积等的度量有较大影响. 用栅格数据表示的地表是不连续的,是量化和近似离散的数 据,使地表一定面积内(像元地面分辨率范围内)地理数据的近 似性,如平均值主成分值或按某种规则在像元范围内提取的 值等;另一方面,栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应 单元大小之比.像元大小相对于所表示的面积较大时,对长度, 面积等的度量有较大影响. 编码方法简介 无拓扑关系的编码方法:仅记录空间目标的位

14、置和 属性信息,而不记录拓扑关系. Spaghetti模型(独立实体法) 点位字典法 拓扑关系的编码方法:不仅记录空间目标的位子和 属性信息,而且记录拓扑关系. 网络模型(Network Model) 拓扑模型(Topological Model) 3.4 矢量数据编码 1、编码方法-OpenGIS Geometry Object Model 1、编码方法-OpenGIS Geometry Object Model (1) a simple LineString, (2) a non-simple LineString, (3) a simple closed LineString (aLin

15、earRing), (4) a non-simple closed LineString 1、编码方法-OpenGIS Geometry Object Model (1) a simple MultiLineString, (2) a non-simple MultiLineString with 2 element, (3) a simple， closed multiLineString with 2 element, 1、编码方法-OpenGIS Geometry Object Model 1、编码方法-OpenGIS Geometry Object Model 1、编码方法-OpenG

16、IS Feature 2、无拓扑结构-Spaghetti模型 spaghetti 模型: 每个点,线 面目标都直接跟随它的空间坐标,即 点目标: 唯一标识码,地物编码,(，) 线目标: 唯一标识码,地物编码,(1,1.Xn, Yn) 面目标: 唯一标识码,地物编码,(1,1.Xn, Yn,X1,Y1) 优点: 编码容易,数字化操作简单,数据编码直观,显示速度快 缺点: 相邻多变形的公共表数字化两次,造成数据冗余 (Redundancy), 可能出现重叠或者裂缝,引起数据不一致 (inconsistency);缺少拓扑关系(topological Relationship), 空 间分析非常空难。 2、无拓扑结构-点位字典法 点位字典: 点坐标作为一个文件,点 线和多变形有点号组成,即 点位字典: 点号 (X,Y) 点目标: 唯一标识码,地物编码,点号 线目标: 唯一标识码,地物编码,(点号1.点号n) 面目标: 唯一标识码,地物编码,(点号1.点号n,点号1) 优点: 编码比较容易,数字化操作比较简单, 数据编码比较直