第二章 DEM数据组织与管理,2.1概述,● 数字高程模型是地形曲面的数字化表达，也就是说，DEM是在计算机存储介质上科学、真实地描述、表达和模拟地形曲面实体，因此它的建立实际上是一种地形数据的建模过程 ● DEM的建立首先要对地形曲面进行抽象、总结和提炼，形成高度概括的地形曲面数据模型，然后在此数据模型基础上，将观测数据按照一定的结构组织在一起，形成对数据模型的表述，最后借助计算机实现数据管理和地形重建 ● 按一定结构组织在一起的地形数据，一般通过数据库进行管理和调度（当然小范围的数据也可采用文件形式进行管理）GIS的空间数据模型 从认知角度讲：基于对象的模型、基于网络的模型和基于场的模型； 从表达上：矢量数据模型、镶嵌数据模型（栅格数据模型）和组合数据模型 数字高程模型主要刻画具有连续变化的空间对象，因此属于基于场的镶嵌数据模型2.2.1镶嵌数据模型 ●镶嵌数据模型（Tessellation model）源于这样的思想：空间对象可用相互连接在一起的网络来覆盖和逼近，或者说用在二维区域上的网络划分来覆盖整个研究区域2.2 DEM数据模型,,● 镶嵌数据模型特别适合于对三维离散空间数据的表达，以及对具有连续变化的空间对象的模拟。
网络的特征参数包括网格尺寸、形状、方位等，对同一地理现象可以由若干不同的尺度、不同的聚分性网络来覆盖 ● 镶嵌数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型，镶嵌模型的典型应用是地形曲面模拟，即数字高程模型，其中基于正方形网络的镶嵌数据模型为栅格DEM，而基于不规则镶嵌数据模型为不规则三角网DEM2.2.2规则镶嵌数据模型 ● 所谓规则镶嵌数据模型，就是用规则的小面块集合来逼近不规则分布的地形曲面 在二维空间中可以有多种可能的规则格网划分方法，如图1● 构造规则镶嵌模型的方法： 用数学手段将研究区域进行网格划分，把连续的地理空间离散为互不覆盖的网格，然后对网格单元附加相应的属性信息，例如对规则格网的DEM而言，一般通过曲面拟合方法求得栅格单元的高程值● 优点： 通常的二维矩阵结构，每个网格单元表示二维空间的一个位置，均能方便地利用简单的数学公式访问任何位置的格网单元； 处理这种结构的算法比较多而且成熟，大多数计算机程序语言都有矩阵处理功能 具有隐式坐标，即格网单元的平面坐标隐含在矩阵的行列号之中，从而不需要进行坐标数字化 ● 缺点： 不管地形变化复杂还是简单，均采用相同的结构，导致数据冗余而给数据管理带来不便。
2.2.3不规则镶嵌数据模型 ● 不规则镶嵌数据模型是指用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状和边界按照小面块的几何形状，不规则镶嵌模型有基于三角形、四边形、六边形、多边形等（如图2）● 在DEM中，基于三角形的不规则镶嵌模型又称为不规则三角网（Triangulated Irregular Network，简称TIN），是DEM的又一主要表达形式 TIN模型是三维空间上的分段线性模型，整个区域内连续但不可微 由连续的三角面组成，三角形的形状、大小取决于不规则分布的点的位置和密度 ● 特点：TIN模型不需要维护模型的结构规则性，不但能灵活地随地形的复杂程度而改变格网单元大小，避免平坦地形的数据冗余，而且又能按地形特征点线如山脊点、山谷线、地形变化线等表示地形特征2.3 DEM数据结构,2.3.1规则格网DEM数据结构 1）简单矩阵结构 规则格网DEM的数据在水平方向和垂直方向的间隔相等，格网点的平面坐标隐含在行列号中，故适宜用矩阵形式进行存储，即按行（或列）逐一纪录每一个格网单元的高程值同时为了实现行列号和平面位置坐标之间的转换，还需要记录格网西南角的坐标值、格网间距等 规则格网DEM的数据文件一般包含用来进行DEM数据说明的数据头和DEM数据体两部分。
数据头：定义DEM西南角起点坐标、坐标类型、格网间距、行列数、最低高程以及高程放大系数等内容； 数据体：按行或列分布记录的高程数字阵列；,ArcView DEM 文本文件格式,,,2）行程编码结构 对于一幅DEM，常常在行（或）列方向上相邻的若干点具有相同的高程值，因而从第一列开始，在格网单元数值发生变化时一次纪录该值以及重复的个数，应用时利用重复个数恢复DEM矩阵对DEM每一行均按上述结构组织，则实现DEM行程编码方案 行程编码实际上是一种栅格数据的压缩方案，能有效地减少数据存储量，特别在平坦地区22，3）,（24，1）,（25，2）,（26，2）,结构：行号i行,DEM：第i行,,,,,3）块状编码结构 行程编码方案从一维扩展到二维的情况，它采用方形区域作为纪录单元，每个纪录单元包括相邻的若干栅格 数据结构是由纪录单元的初始位置（行列号）、格网单元高程值和方形区域半径（正方形区域的边长，采用格网间距倍数表示）所组成的单元组整个DEM数据文件由该单元组组成，根据初始位置和区域半径可恢复高程矩阵块状编码，各个单元组为： (1,1,11,3),(1,4,12,3),(1,7,13,3), (4,1,12,6),(4,7,13,3),(7,7,14,3),,4）四叉树数据结构 四叉树编码又称为四分树、四元树编码。
它是一种更有效地压编数据的方法它将n×n像元阵列连续进行4等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下图），而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码2.3.2不规则三角网DEM数据结构 由于三角形的不规则型，三角形定义及其与相邻三角形的关系要显式地表达出来，即TIN模型不但要存储每个顶点的高程，还要存储三角形顶点的平面坐标、顶点之间的连接关系和邻接三角形等拓扑关系 在TIN模型中，基本的结构元素有三角形顶点、边、面它们之间存在着点与线、点与面、线与面、面与面等拓扑关系 通过组成三角形的三顶点可完整地表达三角形的构成以及三角形顶点、三角形边、三角形之间的拓扑关系这种结构只需要两个文件：三角形顶点坐标文件和组成三角形三顶点（用点在坐标文件中的序号表示）文件 特点：结构简单但拓扑关系是隐含的，不利于TIN模型的检索与应用ＴＩＮ模型基本链表结构,TIN 坐标表 三角形表,,1.TIN的面结构：面结构在基本链表结构基础上增加了用来描述三角形之间拓扑关系的数据，即使用坐标表、三角形顶点表以及邻接三角形表构成坐标表,顶点表 邻接三角形表,,TIN模型面结构的特点： 检索网点拓扑关系效率高（由于存储了三角形之间的邻接关系，TIN内插、检索、等高线提取、显示以及局部分析都比较方便）； 存储量大，不便于编辑（在TIN的编辑中要随时维护这种关系）。
2.TIN的点结构： 该结构由坐标文件和三角形顶点的邻接指针链组成 三角形顶点的邻接点是指共用该顶点的所有三角形其余两顶点的不重复顶点的集合，可按顺时针或逆时针方向顺序组成 特点：（1）存储量小，编辑方便； （2）三角形及其邻接关系需实时再生成，计算量较大，不利于快速检索和显示坐标表,邻接指针链,,,,,,,,,,,,,,3.TIN的点面结构： 在点结构基础上，增加组成该三角形三顶点的数表（如图） 特点： （1）这种结构存储量与面结构大致相当，编辑、显示比较方便 （2）由于三角形之间的关系是隐式的，检索与内插的效率低坐标表,邻接指针链,三角形表,,4.TIN的边结构： 从组成整个TIN模型的所有三角形中，抽取其不重复边集组成，其数据结构由边的两个顶点以及与之关联的两条边表达 关联边要满足如下条件：分布在当前边的两侧；关联边与当前边的夹角最小；关联边顶点不重复 特点： （1）这种结构的存储量比较小，适合等高线的提取； （2）编辑、内插、检索不方便TIN的边存储结构,,５.TIN的边面结构： 边面结构主要刻画三角形边和三角形面之间的拓扑关系，一般由边表和邻接三角形表组成 在边表中定义该边的起点、终点和左右相邻三角形，邻接三角形表中则记录三角形之间的拓扑关系。
特点： 边面结构的存储量是最大的，在检索、等高线提取等方面比较方便，但不利于动态更新和维护三角形表,,边表,,2.3.3TIN与格网DEM的对比 选择格网DEM和TIN数据模型考虑的因素： 数据的可获取性； 地形曲面特定以及是否考虑特征点； 目的和应用； 原始数据的比例尺和分辨率规则格网DEM和不规则三角网TIN的对比,2.4 DEM数据库管理,小范围低分辨率的DEM数据量小—可以通过数据文件对其进行管理； 覆盖范围大时，数据量巨大—存储、检索、操作、与处理非常低效，普通微机也无法运行 发展趋势：DEM已成为GIS的核心数据库和地学分析的基础数据，与影像、矢量数据及多媒体数据进行广泛的融合因此，DEM从单一的文件结构向复杂的信息系统发展已成为一种必然的趋势DEM数据库不同发展层次,DEM数据库的内容包括：数据库结构设计、数据组织方法、元数据、数据库功能等1） DEM数据库的实现 实现方式： 一是基于文件系统和空间索引的方式； 二是基于关系型数据库的方式 关系型数据库对大数据量DEM的访问比文件系统经过更多的步骤，在同样条件下，基于文件系统的数据库效率要高，但在多事务处理、多用户访问、网络安全等方面的能力有限。
由于DEM数据库的规则性较强，一般采用文件系统和空间索引的方式进行管理一些特殊数据（地形特征数据），如地形断裂线、特殊边界线、山脊线等，在DEM数据库予以保留三角形 标识符 三维坐标范围 拓扑属性 关联点 关联边 邻接三角形 其他属性,特征线 标识符 三维坐标范围 坐标对数 坐标串 其他属性,,,,,2） DEM数据库的数据组织 DEM数据库组织指DEM数据的管理和调度方式：一般在水平方向上将同一尺度的DEM数据划分为一系列的块，在垂直方向上将不同尺度DEM分层组织（不同分辨率） “工程—工作区—图幅”的层次结构索引模式是当前GIS空间数据库数据组织的一种常用方法 工程指一个区域内的全部DEM数据； 图幅是按照一定规则对研究区域进行的二维划分，是DEM数据采集、建立、操作和调度的基本单位，每个图幅由若干行、列格网单元组成； 工作区是当前感兴趣的研究区，一般工作区就是图幅，多个图幅也可合并为一个工作区3）DEM元数据 （1）基本标识信息：关于数据最基本的信息，如标题、地理覆盖范围、现势性、获取或使用规则等 （2）质量信息：数据体的质量评价，如位置和属性精度、完整性、一致性、信息源、生产方式等 （3）数据组织信息：数据集中用来表示空间信息的机制，如空间位置是用栅格、矢量还是街道地址编码或邮政编码来表示的 （4）空间参考信息：坐标系统包括投影方式、投影采用的参数、平面基准、高程基准、单位等 （5）实体和属性信息 （5）发行信息：关于得到数据集的信息，如发行人、发行人地址与联系方式、可得到的数据格式、数据获取方式、价格等 （6）元数据参考信息：关于元数据本身的现势性、负责人、发行版本等描述信息,,4） DEM数据库系统功能 数据库关系系统是为访问数据库提供的软件系统，负责维护所有数据必须的特性。
数据库管理系统的基本服务功能有： 1）数据库管理：包括控制整个数据库系统的运行，控制用户的并发性访问，执行对数据库的安全、保密、完整性检验、实施对数据的录入、编辑、检索等操作 2）数据库维护：包括数据库的初始录入/建立，运行时工作日志，监视数据库性能，在性能低下时重新组织数据库，发生故障时恢复数据库等 3）数据通信：负责处理数据的流动和调度DEM数据库管理系统一般包括DEM数据库、元数据库矢量数据库（地形特征数据：断裂线、特殊边界线、山脊线、山谷线等） 数据库管理系统的逻辑结构,DEM 数据库,元数据 数据库,矢量 数据库,数据库服务器,web服务器,,,,,数据 获取,数据 入库,信息 查询,数据 管理,数据 加工,数据 提供,权限 管理,数据 更新,系统 维护,,其他功能： 数据显示。