空间数据模型与数据结构

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1、地理信息系统原理 北京师范大学 资源学院 岳建伟 手 机 :13693258471 办公电话 :010子邮箱 : 地理信息系统概念 地理信息系统组成 地理信息系统功能 常用的 课堂回顾 3 4 教学 要求 地理数据是地理信息系统的基础 ， 对不同的地理数据类型有一个比较清晰 、 明确认识 。 教学 重点 掌握矢量、栅格和面向对象的数据结构，主要包括常规矢量模型、拓扑和 格数据模型。 教学目标 5 我们生活的世界 6 我们生活的世界 7 我们生活的世界 8 我们生活的世界 9 10 主要内容 一、数据模型（地理空间的认知与表达） 二、 矢量数据结构 栅格数据结构 三、 11 12 我们生活的世界

2、 矢量结构、栅格结构 抽象 13 14 8 15 2 4 6 9 16 2 4 6 9 P8 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a9 a8 17 2 4 6 9 P8 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a9 a8 1 3 5 7 9 11 13 模型：是对现实世界的简化表达。 数据模型：是一个描述数据、数据联系、数据 语义以及一致性约束的概念工具的集合 一、数据模型 （一）概念 （二）数据模型的层次 现实世界到信息世界的过程： 客观世界 数据模型 计算机管理的数据 信息世界 抽象 数据模型的抽象分为三个层次： 概念 结构 计算机上存储 概念数据模型 逻辑数据模型 物理数据模型

3、空间数据模型是 空间数据模型： 是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，建立在对地理空间的充分认识与完整抽象的地理空间认知模型（概念模型）的基础上，并用计算机能够识别和处理的形式化语言来定义和描述现实世界地理实体、地理现象及其相互关系，是现实世界到计算机世界的直接映射。 （三）空间数据模型 空间数据模型是 将现实世界 抽象到 需要三个层次： 空间概念数据模型 空间逻辑数据模型 空间物理数据模型 （四）数据模型的类型 基于记录的数据模型 ：是把数据库定义为多种固定格式的记录型，每个记录型由固定数量的域或属性构成，每个域或属性具有固定的长度。 包括：层次模型、网络模型、关系模型 基于对象的数

4、据模型 ：用于在概念和视图抽象级别上的数据描述，具有相当灵活的结构和较强的表达能力，允许明确地定义完整性约束。 包括：实体 联系模型、语义数据模型、函数数据模型、面向对象的数据模型 （五）三种基于记录的传统数据模型 层次模型是数据处理中发展较早、技术上也比较成熟的一种数据结构。 层次模型是将数据组织成有序、有向的树结构，由处于不同层次的各个结点组成，除根结点外，其余各结点有且仅有一个上一层结点作为其“ 双亲 ”，而位于其下的较低一层的若干个结点作为其“ 子女 ”。 结构中结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系（一对多的关系） 。 1、层次模型 层次模型（树状结构） 优点 ：层次

5、分明、组织有序； 缺点 ：数据独立性较差，难以表达多对多的关系，导致数据冗余。 2、网络模型 网络模型是数据模型的另一种重要结构，它反映了现实世界中实体间更为复杂的联系，它的结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与多个结点建立联系。 网络模型用连接指令或指针来确定数据间的连接关系，是具有 多对多类型 的数据组织方式，它将数据组织成有向图结构， 结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系 。 网状模型 优点 ：能描述多对多关系； 缺点 ： 结构复杂，限制了它在空间数据表达中的应用。 3、关系模型 关系模型的理论基础是关系理论，它通过关 系运算操作数据。从用户角度看，关系模型 的逻辑结构是一

6、张 二维表 ，由行、列组成， 每一行为一个元组 ， 每一列为一个属性 ，也 就是说，关系模型是用二维表结构来表示实 体和实体之间联系的模型。 关系模型 多边形和弧段的关系 多边形号 弧段号 P1 2 3 4 段和结点的关系 弧段号 起点 终点 1 N2 3 N2 1 N3 4 N1 2 N5 4 N3 3 N5 5 点坐标 结点号 坐标 N1 2 3 4 5 优点 ：结构简单灵活，易查询，维护方便。 缺点 ：不适合表示非结构化数据，难以表达目标，尤其是复杂目标，效率较低 。 二、空间数据模型 基于对象（要素）的数据模型 基于场（域）的数据模型 （一）空间数据模型分为两类： 1、对象模型 基于对

7、象的模型：是把空间存在的信息作为连续的、可被观测的、具有地理参照的实体来处理，强调对象的个体现象，以独立的方式或以与其他现象之间的关系的方式来处理。 空间对象必须符合三个条件：可被识别、重要或必要、可被描述。 可描述对象的特征有：静态属性、行为特征、结构特征。 基于对象的模型把信息空间看作是 许多对象的集合 ，而这些对象又具有自己的属性。 基于对象的模型中的实体可采用 多种维度 来定义属性，包括空间维、时间维、图形维、文本、数字维。 地学对象 时间 文本 /数字 空间 图形 2、场（域）模型 基于场（域）的模型：是把空间存在的信息看作连续分布的空间信息的集合来处理，每个这样的分布可以表示为一个

8、空间结构到属性域的数学函数。 根据应用的不同，场（域）可以表现为二维或三维。 遥感图像数据一般表现为场模型。 对于空间数据建模来说，基于场的方法和基于对象的方法并不相互排斥，两者在许多情况下可以共存、共用，以发挥各自的长处。 在 常要采用这两种模型的集成 。 （二）基本的空间数据模型 栅格模型 不规则三角网模型 矢量模型 象 的数据模型 1、栅格数据模型 栅格数据模型比较适宜于表示连续铺盖的空间对象； 栅格可以用数字矩阵来表示，数字文件按顺序含有像元的直接地址； 栅格模型中，点是一个像元，线由一串彼此相连的像元组成； 栅格模型中每一个栅格像元记录着不同的属性（灰度），像元的大小是一致的； 像元

9、的形状通常是正方形，有时也有等边三角形、矩形或六边形； 栅格的行列信息和原点的地理位置记录在每一层中； 栅格的空间分辨率是指一个像元在地面所代表的实际面积大小； 栅格数据模型的一个优点是对不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要进行复杂的几何运算。 像元的形状 2、矢量数据模型 矢量数据模型适合表达图形对象特征和进行高精度制图； 在矢量数据模型中，空间实体现象由点、线、面等原型实体及其集合来表示。 空间对象的矢量模型表示 3、不规则三角网模型（ 建立数字地面模型或数字高程模型的主要方法之一。 构成 角形大小随点的密度变化而自动变化。 梯森（泰森）多边形与 梯森多边形与 41 42 1、面向

10、对象空间数据模型 面向对象空间数据模型是 目前 面向对象空间数据模型： 是对各种地理空间实体用 对象 来表示 ，而不是将复杂对象分解为单一的对象实体（如点、线、面、体）表示，是在关系型数据库管理系统的基础上，增加了面向对象的封装、继承、聚集、信息传播等功能而形成的数据模型。 （三）空间数据模型的趋势 2、 3 地理空间是一个三维空间，建成的 由于理论和技术上的局限，目前的 将地球椭球面上的信息投影到二维平面（如，高斯投影面）上，然后对空间数据进行处理、分析、显示、输出等。 三维空间数据模型比二维空间数据模型复杂得多。 目前研究的较多的 3维体元充填模型、结构实体几何模型、边界表示模型、面向对象

11、模型、拓扑数据模型等。 3、时空数据模型 时空数据模型是 还处于研究阶段的问题。 目前提出的时空数据模型有四种： 将时间作为属性的附加项 将时间作为新的维数 面向对象建模 基于状态和变化的统一建模 46 47 二、 （一）矢量数据结构 （二）栅格数据结构 （三）矢栅转换 （一）矢量数据结构 矢量数据结构 ：是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、面（多边形）等地理实体。 1. 矢量数据结构编码的基本内容 点实体 线实体 面实体 1）点实体 点实体包括由一对（ x,y）坐标定位的一切地理或制图实体。 点实体可以为 ：地物点、文本位置点、线段网络的结点 点实体的矢量数据结构 2）线实体 线实体主要用来表示线状地物、符号线和多边形边界，有时也称为弧、链、串等。 线实体矢量编码的内容 3）面实体 多边形数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。 多边形矢量编码，不但要表示 位置 和 属性 ，更重要的是能表达区域的 拓扑 特征。 53 特征码 坐标位置 点 10 X,y 线 12 x1,y1 x2,y2 x3,y3 x4,y4 x5,x6, 35 x1,y1 x2,y2 x3,y3 x4,y4 x5,x6,. x1,矢量数据结构编码的基本内容 标识码 属性码 空间对象编码