地理信息系统-第三章地理空间数据模型.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,地理空间数据组织与管理,第二部分,第三章 地理空间数据模型,概念,基本特征和描述,分类和分层,空间数据索引,空间数据模型,3.1,地理空间数据模型,概念,空间数据组织,栅格,矢量,DEM,无拓扑关系,有拓扑关系,规则格网,TIN,简单数据,高级数据,区域,动态分段,3.2 基本特征和描述,空间位置特征,：对地理实体或现象的分布位置、几何特征和空间关系的定义。,空间属性特征,：对地理实体或现象的属性定义和说明信息。,时间特征,：地理实体或现象的时间尺度，随时间变化的特征。,空间数据描述的内容,编码,用于区别不同的实体，有时同一个实体在不同的时间具有不同的编码，如上行和下行的火车。,编码通常包括分类码和识别码。分类码标识实体所属的类别，识别码对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。,位置,通常用坐标值的形式,(,或其它方式,),给出实体的空间位置。,类型,指明该地理实体属于哪一种实体类型，或由哪些实体类型组成。,行为,指明该地理实体可以具有哪些行为和功能。,属性,指明该地理实体所对应的非空间信息，如道路的宽度、路面质量、车流量、交通规则等。,说明,用于说明实体数据的来源、质量等相关的信息。,关系,与其它实体的关系信息。,3.3 分类编码和数据分层,空间数据的分类、分层和空间索引是GIS空间数据组织的重要方式和内容,分类是编码之依据,分层是分类的结果,空间索引建立了空间实体坐标系和屏幕间关系，是快速选取空间实体的基础,分类和分级,分类将具有共同的,属性,或特征的事物或现象归并在一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过程。分类是人类思维所固有的一种活动，是认识事物的一种方法。,分级是对事物或现象的,数量,或,特征,进行等级的划分，主要包括确定分级数和分级界线。,线分类法,：（层次分类法）,耕地,71,园地,72,林地,73,牧草地,74,居民点及公矿用地,75,交通用地,75,水域,76,未利用地,77,土地利用类型,7,有林地,731,灌木地,732,疏林地,733,迹地,735,针叶树疏林地,7331,阔叶树疏林地,7332,未成林林地,734,确定分级数的基本原则,分级数应符合数值估计精度的要求。分级数多，数值估计的精度就高。,分级数应顾及可视化的效果。等级的划分在GIS中要以图形的方式表示出来，根据人对符号等级的感受，分级数应在47级。,分级数应符合数据的分布特征。对于呈明显聚群分布的数据，应以数据的聚群数作为分级数。,在满足精度的前提下，应尽可能选择较少的分级数。,确定分级界线的基本原则,保持数据的分布特征。使级内差异尽可能小，各级代表值之间的差异应尽可能大。,在任何一个等级内都必须有数据，任何数据都必须落在某一个等级内。,尽可能采用有规则变化的分级界线。,分级界线应当凑整。,空间数据的编码,空间数据的编码是指确定属性数据的代码的方法和过程。代码是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号，是计算机鉴别和查找信息的主要依据和手段。编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。,分类是一种信息结构，编码是一种数据结构。,代码的功能,鉴别,代码代表对象的名称，是鉴别对象的唯一标识。,分类,当按对象的属性分类，并分别赋予不同的类别代码时，代码又可作为区分分类对象类别的标识。,排序,当按对象产生的时间、所占的空间或其它方面的顺序关系排列，并分别赋予不同的代码时，代码又可作为区别对象排序的标识。,编码的基本原则,唯一性,一个代码只唯一地表示一类对象。,合理性,代码结构要与分类体系相适应。,可扩性,必须留有足够的备用代码，以适应扩充的需要。,简单性,结构应尽量简单，长度应尽量短。,适用性,代码应尽可能反映对象的特点，以助记忆。,规范性,代码的结构、类型、编写格式必须统一。,代码的类型,代码有数字、字母、数字和字母混合三类表示形式。,数字型代码,用一个或若干个阿拉伯数字表示对象的代码。特点是结构简单、使用方便、易于排序，但对对象的特征描述不直观。,字母型代码,用一个或若干个字母表示对象的代码。特点是比同样位数的数字型代码容量大，还可提供便于识别的信息，易于记忆，但比同样位数的数字型代码占用更多的计算机空间。,数字、字母混合型代码,是由数字、字母、专用符组成的代码。兼有数字型和字母型的优点，结构严密，直观性好，但组成形式复杂，处理麻烦。,编码方法举例,行政区划代码,(GB,2260,91),这是一种识别码，用,6,位数字代码按层次分别表示省,(,自治区、直辖市,),、地区,(,市、州、盟,),、县,(,区、市、旗,),的名称。其第一、二位表示省,(,自治区、直辖市,),；第三、四位表示省直辖市,(,地区、州、盟,),，其中,01,20,，,51,70,表示省直辖市，,21,50,表示地区、州、盟；第五、六位表示县,(,市辖市、地辖市、县级市、旗,),，其中,01,18,表示市辖区或地辖市，,21,80,表示县、旗，,81,99,表示县级市。,例如、郑州市的代码为,410100,加拿大数字地形要素分类编码系统,这是一种分类码，且是一种数字字母混合型代码。采用树型结构将地形要素分为四级，其代码结构为：,四级代码，三位数字,三级代码，三位数字,二级代码，两位数字,一级代码，一位数字,空间数据的分层和分区,地理信息本身具有层次性。分层和分区是空间数据组织的高级形式，为管理和使用提供了便利,分层依据地理实体性质,分区依据平面范围,分层,按专题,地貌、水系、植被、交通、居民地等,按时间,不同时间的数据成为不同层，便于对比、处理、表现。如每年建的住宅用不同的颜色表现,按实体的几何类型,一般按点、线、面、注记,按实体的属性结构,同种属性表为一个层,按专题分层,每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。,现实世界,获取,水系信息,地形信息,道路信息,植被信息等,+,+,+,空间,数据库,存储,按时间序列分层,即把不同时间或不同时期的数据分别构成各个数据层,图层i,图层j,点文件i,线文件i,面文件i,点文件j,线文件j,面文件j,Shape文件,公路GIS的图层,分区,按图幅、自然区域、行政区域划分,外业测量按河流、街道划分可大大减少接边的工作,工作区（Workspace）,图幅或数据范围，含多个工作层和逻辑层,Coverage是工作层也是逻辑层，用层的方式严格将点线面分开,后期的工作层可同时包含点线面,地物类,由相同的地物组合而成,一个工作层含多个地物类,工作层和逻辑层,SuperMap 的层数据集,在SuperMap中，层称为数据集,数据集的特点,表达同种地理实体,具有同样的数据表,具有相同的符号,数据集的位置,工作空间数据源数据集符号,GIS数据的组织管理结构,GIS工程,工作区1,工作区2,工作区m,工作层1,图幅2,图幅n,图幅1,工作层2,工作层p,地物类2,地物类1,地物类q,地物1,地物2,地物r,.,.,.,.,.,3.4 空间数据索引,空间索引的层次结构,无缝图层,工作区索引,目标索引,窗坐标、BSP、KDB树、R树和R,+,树、CELL树,空间数据索引的必要性,在GIS中需要根据空间位置进行查询，例如，“找出通过某个区域的所有公路”，“检索在某个区域内的所有湖泊”等等。,为了处理这类空间查询，数据库需要检查每一个可能满足条件的空间要素的记录，看它是否与查询区域相交或是在查询区域内，这种空间相交运算需要先读出空间要素几何形状的边界坐标，然后再与空间区域进行空间关系运算。,由于传统数据库的这种穷尽式搜索方法花费的磁盘访问时间和空间运算时间都很长，往往达到令人无法忍受的程度，故必须建立空间数据索引机制。,空间索引的层次,工程,工程区索引,工作区1,工作区2,工作区3,工作层1,工作层2,工作层3,地物空间索引,地物层,无缝图层,现实世界的地区、城市均是连续的。,对较小的区域可以将数据物理连接，生成物理无缝图层。,对无法生成物理无缝图层的地区，可以建立逻辑无缝图层。,逻辑无缝图层建立了地物的连接描述,工作区索引,对海量数据而言，必须建立多个工作区，将数据按工作区存放于存储器。,建立索引文件,在开窗操作时，系统根据窗口坐标，按索引文件迅速调入所涉及的工作区,目标索引,窗坐标索引机制,格网型空间索引,BSP索引机制,KDB树,R树和R,+,树,CELL树,窗坐标索引机制,建立每个实体的最小包容矩形，记录其对角坐标。单点检索可判断是否在包容矩形内；范围检索可判断每个实体的最小包容矩形和范围的关系：内、外、相交。,对所有空间实体的外接矩形最大最小坐标进行落入判别，其中空间实体B、C完全落入查询窗，从空间数据库中提取B和C的相应数据。,A,查询窗口,B,C,E,F,D,格网型空间索引,将区域用横竖线条划分大小相等和不等的格网，记录每一个格网所包含的空间实体。进行空间查询时，首先计算出查询对象所在格网，然后再在该网格中快速查询所选空间实体。,一条河流、一个湖泊和一条省界，它们的关键字分别为5，11和23。河流穿过的栅格为2，34，35，67，68；湖泊覆盖的栅格为68，69，100，101；省界所通过的栅格为5，37，36，35，67，99，98，97。,BSP索引机制,是一种二叉树，它将空间逐级进行一分为二的划分。BSP树能很好地与空间数据库中空间对象的分布情况相适应，但对一般情况而言，BSP树深度较大，对各种操作均有不利影响。,6.5 空间数据模型,三种传统模型,层次、网络、关系,面向对象模型,二维矢量模型,栅格数据模型,三维空间模型,矢量、栅格,三种传统模型,层次,网络,关系,层次模型,层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。,一棵树有且仅有一个无双亲结点的称为根的结点；其余结点有且仅有一个双亲结点。,层次模型描述矢量数据,特点是将数据组织成一对多关系的结构。,层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。,层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织,1,2,3,4,5,6,a,b,c,d,e,f,g,M,M,a,b,c,d,e,f,g,1,2,2,3,3,4,4,1,3,4,3,5,5,6,6,4,c,层次数据的特点,优点,：,存取方便且速度快,结构清晰，容易理解,数据修改和数据库扩展容易实现,检索关键属性十分方便,缺陷,：,结构呆板，缺乏灵活性,同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）,不适合于拓扑空间数据的组织,空间对象的层次分类编码,分类对象的从属和层次关系,有明确的分类对象类别和严格的隶属关系,高压,711,电线架,715,管线,:,7,地下电力线,与电缆,72,电力线,71,地下检修井,74,管线,73,低压,712,电杆,713,电塔,714,不依比例,7142,依比例,7141,网状模型,基本特征：结点数据之间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系，即结点之间的联系是任意的，任何两个结点之间都能发生联系，可表示多对多的关系。,用网络数据模型描述复杂关系,网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。,系名,土木系,教师数,学生数,研究生,系名,管理系,教师数,49,学生数,257,研究生,71,学校名称,工程学院,系名,测绘系,教师数,52,学生数,300,研究生,70,系名,教师数,学生数,研究生,系名,教师数,学生数,学号,002312,姓名,杨乐,年级,3,籍贯,广东,系名,教师数,学生数,研究生,系名,教师数,学生数,教师号,12,姓名,梁欣,年龄,职称,助教,系名,教师数,学生数,研究生,系名,教师数,学生数,课程号,A01,课程名,GIS,周学时,4,学分,5,系名,教师数,系名,学号,002312,课程号,A01,网络数据模型特点,优点：,能明确而方便地表示数据间的复杂关系,数据冗余小,缺陷：,网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。,需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大,数据的修改不方便（指针必须修改,）,关系数据模型,关系模型的数据结构为满足一定条件的二维表，表具有固定的列数和任意的行数，在数学上称为“关系”；,二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应于表中的一行，在关系中称为元组，通常称为一条记录；,表中的列表示属性，称为域，相当于通常记录中的一个数据项。若二维表中有n个域，则每一行叫做一个n元组，这样的关系称为n度(元)关系；,表的行对应于对象的实例，各个表的行列交点就用来存贮简单值。满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。,基于关系模型的数据库关系型数据库,目前的GIS中一般都是采用关系型数据库存储、管理属性数据,以表为基础：,行（Record，记录）,列（Field，属性、数据项、字段、关键字段）,字段类型：（数值型、字符型、日期型、逻辑型）,CODE,LANDUSE,FAR,DENSITY,GREEN,HEIGHT,A3-1,G12,0.00,0.00,0.00,0.00,A3-2,C25,0.80,25.00,30.00,15.00,A3-3,C25,0.80,25.00,30.00,15.00,A3-4,C41,0.00,0.00,0.00,12.00,A3-5,C25,0.80,25.00,30.00,15.00,房屋表和道路表,房号,性质,楼层数,结构,建筑年代,20,私房,7,砖,1986,29,公房,12,砼,2001,编号,等级,路面材料,宽度,车道数,建筑年代,302,1,水泥,12,4,1986,201,2,沥青,16,6,2001,1,2,3,4,5,6,a,b,c,d,e,f,g,M,用关系模型表示地理实体,地理实体多边形关系：,M(,，,),多边形边关系：,(a,b,c,d),(e,f,g,c),边结点关系：,a(V,，,V,2,)、b(V,2,，,V,3,)、c(V,3,，,V,4,)、,d(V,，,V,4,)、e(V,，,V,5,)、f(V,5,，,V,6,)、g(V,6,，,V,4,),a,b,c,d,e,f,g,c,a,1,2,b,2,3,c,3,4,d,1,4,e,3,5,f,5,6,g,6,4,M,M,关系模型的进一步发展,RDBMS,的现状是理论和技术都非常完善和成熟，基本上占据了全部传统应用领域和,90%,以上的非传统应用领域,非结构化大型对象的引进,多媒体如文本数据、图象数据、静止的视频片断、全动感的视频信息、声音波形等等，需要用关系数据库存储和管理这类非结构化数据,DEC,公司于,1981,年就引进能存贮变长字符串和二进制数据的概念，目前一些大型的,RDBMS,（如,Oracle,等）中，增加了大型对象这种数据类型。,数据从等长转为变长,分布式数据库,70,年代以来计算机网络迅速发展，在地理上分散的公司、团体和组织对于数据库更为广泛的应用，产生了分布式数据库系统,分布式数据库系统是数据库和网络两者有机结合的结果。,比如，全省各院校可以把招生的情况存放在各自的招生办，省招生办可以通过网络随时查询统计各校数据。,对象特性的融入,为了迎接面向对象数据库在非传统应用领域对关系数据库提出的挑战，确保关系数据库在数据库领域的霸主地位，关系数据库巨头,Oracle,、,Sybase,、,DB2,、,Informix,都在积极努力，使自己的关系型产品增加一些面向对象的成分。,面向对象模型,面向对象的基本概念是在上世纪70年代萌发，它的基本做法是把系统工程中的某个模块和构件视为问题空间的一个或一类对象。,80年代，面向对象的方法得到很快发展，在系统工程、计算机、人工智能等领域获得了广泛应用。,90年代，人们在更高级的层次上和更广泛的领域内对面向对象的方法进行研究,面向对象的概念,基本思想,基本概念,对象:,含有数据和操作方法的独立模块,类:,共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类。,消息:,对对象进行操作的请求,方法:,对对象的所有操作,地理对象,属性数据,行为方法,类,实例1,实例2,对,象,1,对,象,2,请求和协作,消息,面向对象的特性和,核心技术,面向对象方法的特性,抽象性、封装性、多态性,面向对象方法的核心技术,分类、概括、聚集、联合,现实世界,抽象,对,象,1,对,象,n,对,象,2,面向对象数据模型的核心工具,继承,为面向对象方法所独有，服务于概括。在继承体系中，子类的属性和方法依赖父类的属性和方法。,传播,是一种作用于聚集和联合的工具，用于描述复合对象或集合对象对成员对象的依赖性并获得成员对象的属性的过程。它通过一种强制性的手段将成员对象的属性信息传播给复合对象,单重继承,单重继承可以构成树形层次,多重继承,允许子类有多于一个的直接父类的继承。严格的层次结构是一种理想的模型，对现实的地理数据常常不适用。多重继承允许几个父类的属性和操作传给一个子类，这就不是层次结构。,面向对象的几何抽象类型,GIS中的各种地物，在几何性质方面不外乎表现为四种类型，即点状地物、线状处物、面状地物以及由它们混合组成的复杂地物，因而这四种类型可以作为GIS中各种地物类型的超类。,空间地物,点状地物,线状地物,面状地物,复杂地物,电视塔,桥,梁,车,站,道,路,水,管,电力线,建筑物,湖,公,园,矿,山,大,学,县,二维矢量模型,矢量方法强调了离散现象的存在，由边界线（点、线、面）来确定边界，因此可以看成是基于要素的。,然而，在一些基于矢量的GIS中，表现表面的便利，带给它模拟二维场的可能性，最常见的例子就是地表高程。,二维矢量数据表示,栅格数据模型,栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理，如社会经济分区、城市街区；铺盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。,对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性（Aggregation or Subdivisions）的铺盖。,在边数从3到N的规则铺盖（Regular Tesselations）中，方格、三角形和六角形是空间数据处理中最常用的。三角形是最基本的不可再分的单元，根据角度和边长的不同，可以取不同的形状，方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面,栅格单元的形态,栅格数据表示的地表,三维空间模型,三维矢量模型,三维边界,用顶点、边、面和体三个表来表示,体元形式的三维数据,线性八叉树编码,