矢量数据模型专题培训课件.ppt

矢量数据矢量数据模型模型按照数据结构矢量数据栅格数据按照数据特征空间数据非空间属性数据按照几何特征点线面、曲面体按照数据发布形式数字线画图数字栅格图数字高程模型数字正射影像图GISGIS空空间数据的分数据的分类1、基本特征空间特征属性特征时间特征2、基本信息定位信息属性信息拓扑信息二、地理空间的表达二、地理空间的表达1 地图对地理空间的描述地图对地理空间的描述 地图是地理空间实体的地图是地理空间实体的图形模型图形模型。它是按照一定。它是按照一定的比例、一定的投影原则，有选择地将复杂的三维的比例、一定的投影原则，有选择地将复杂的三维地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上，地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上，并用符号将这些内容要素表现出来。地图上各种要并用符号将这些内容要素表现出来。地图上各种要素之间的关系，是按照地图投影建立的数学规则，素之间的关系，是按照地图投影建立的数学规则，使地表各点和地图平面上的相应各点保持一定的函使地表各点和地图平面上的相应各点保持一定的函数关系，从而在地图上准确表达空间各要素的关系数关系，从而在地图上准确表达空间各要素的关系和分布规律，反映它们之间的方向、距离和面积。和分布规律，反映它们之间的方向、距离和面积。在地图学上，把地理空间实体分为点、线、面三种地理要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。符号化表示的地形图 2、影像对地理空间的描述影像对地理空间的描述 影像是记录了地理实体分布的写照模型。写影像是记录了地理实体分布的写照模型。写真的程度受真的程度受摄影比例尺摄影比例尺的影响，或的影响，或空间分辨空间分辨率率的影响。的影响。3、地理信息的数字化描述地理信息的数字化描述 在在GIS中，地理信息是以数字化的形式中，地理信息是以数字化的形式存在的。表达地理信息的地理数据的几何空存在的。表达地理信息的地理数据的几何空间数据主要有四种数据类型，即间数据主要有四种数据类型，即矢量数据矢量数据、栅格数据栅格数据、属性数据属性数据和和数字高程模型数据数字高程模型数据。DEMTIN,GRID矢量数据栅格数据数字高程三、空间实体的表达1 1、实体、实体地理系统：地理系统是一个地理系统：地理系统是一个开放开放的复杂的复杂巨系统巨系统。地理实体：将地理系统中复杂的地理现象进行抽地理实体：将地理系统中复杂的地理现象进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空间目标，简称实体（间目标，简称实体（EntityEntity）。实体是现实世界）。实体是现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。抽象程度中客观存在的，并可相互区别的事物。抽象程度与研究区域的大小、规模不同而有所不同。实体与研究区域的大小、规模不同而有所不同。实体是一个具有概括性、复杂性、相对意义的概念。是一个具有概括性、复杂性、相对意义的概念。2、实体的描述及存储描述内容描述内容位置、形状、尺位置、形状、尺寸寸识别码（名称）、识别码（名称）、实体的角色、功实体的角色、功能、行为、实体能、行为、实体的衍生信息的衍生信息时间时间测量方法、编码测量方法、编码方法、空间参考方法、空间参考系等系等实体基本特征实体基本特征属性特征：名属性特征：名称、等级、类称、等级、类别等别等空间特征：地空间特征：地理位置和空间理位置和空间关系关系时间特征时间特征空间数据类型空间数据类型几何数据（空间数几何数据（空间数据、图形数据）据、图形数据）关系数据：实体间关系数据：实体间的邻接、关联包含的邻接、关联包含等相互关系等相互关系属性数据：各种属属性数据：各种属性特征和时间性特征和时间元数据元数据空间数据结构空间数据结构矢量、栅格、矢量、栅格、TINTIN（专用于地表（专用于地表或特殊造型）或特殊造型）RDBMSRDBMS属性表：采属性表：采用用MISMIS较成熟较成熟空间元数据空间元数据2014.3.5一、矢量数据结构o矢量数据的表示类型矢量数据的表示类型 从前面的内容知道，表示地理现象的空间矢量数据可以表示为点、线、面三类。但按其表示的内容，又可进一步分为七种不同的类型。它们表示的内容如下：类型数据，如考古地点，道路线、土壤类型等；面域数据，如多边形的中心点，行政区界线、行政单元等；网络数据，地下管线的设施、管线网、供水区域等；样本数据，气象站、航线、实验区等；曲面数据，高程点、等高线、等值区域等；文本数据，地名、河流名称和区域名称等；符号数据，点状符号、线状符号和面状符号等。1、实体数据结构（简单数据结构、无拓扑关系的矢量数据结构）无拓扑关系的矢量数据结构是对Spaghetti数据模型的具体定义和描述。它仅记录空间对象的位置坐标和属性数据，而不记录空间关系。它有两种方式，一种是每个点、线、面目标分别记录其坐标，称为多边形环路法，另一种方式是一个文件记录点坐标对，其他一些文件记录点与线、点与面的关系，称为点位字典法。不含有拓扑关系的信息不含有拓扑关系的信息ArcView GIS，*.shpMapInfo,*.tab特点：特点：直接将地图翻译描述，只记录空间对象的位置结构，不记录相互关系每条记录都有首末坐标，每条记录都是单独的实体没有共享公共边，矢量型多边形公共边界需重复输入存储重复、冗余，难以确保独立性和一致性无法表示边界和多边形之间的关系不适合复杂的空间分析，在不以分析为目的的CAD系统中应用广泛。矢量数据的简单数据结构分别是按照点线面三种基本形式来描述的。点：线面标识码标识码X X，y y坐标对坐标对标识码标识码坐标对数坐标对数N NX X，Y Y坐标坐标标识码标识码 链数链数N N链标识码集链标识码集点线面1 1、实体数据结构、实体数据结构 矢量数据是用坐标对、坐标串和封闭的坐标串表示实体点、线、面的位置及其空间关系的一种数据格式。1 1、实体数据结构、实体数据结构多边形环路法的缺点是，除了多边形轮廓外，其它公共边均存储了两次，因而会产生数据在结点处不重合、边界处易产生裂缝和重叠。点位字典法避免了这些情况，但仍没有存储必需的拓扑关系。矢量本身是数学上的概念，运用到GIS中，则不同的空间特征具有不同的矢量维数。（1）零维矢量表示空间中的一个点，点在二维欧氏空间中用唯一的实数对（x,y）来表示，在三维空间中用唯一的实数组（x,y,z）来表示。在数学上，点没有大小和方向。在GIS中，点的类型包括实体点、标记点、面标识点、结点和节点等（2）一维矢量表示空间中的一个线状要素，或者空间实体对象之间的边界，包括线段、弦列、拓扑连线、弧段、链、环等。线段是两个结点之间的连线。一维矢量可以闭合，即弧段首尾相接，存在x1=xn,y1=yn,或z1=zn。但弧段不能自身相交。如果相交，则应以交点为界，将该一维矢量分成几个一维矢量。(3)二维矢量表示地理空间的一个面状要素，在二维欧氏平面上是指由一组闭合弧段包围的空间区域。由于面状要素是由闭合分弧段决定的，故二维矢量又称为多边形。面状要素包括内面、G-多边形、GT-多边形、广义多边形、虚多边形等。虚多边形定义了二维拓扑面的一部分，它以其它的GT-多边形为界，其它方面与广义多边形相同 矢量数据除几何特征外，还具有属性特征。空间属性特征分为两种，一种是类别特征，即它是什么；第二种是具体的说明信息，或者统计信息，以解决两个同类目标的不同特征问题，如道路的宽度、等级、路面质量等。第一类特征一般用类型编码来表达，第二类特征用属性表格来说明。属性数据表格的一行称为一个记录，描述一个地理实体特征的属性，用空间数据对象的联接则通过特征的标识码找到对应关系。在拓扑数据结构中，点是相互独立存储的，它们相互连接构成线，线始于起结点，止于终结点。面由线（线段、弧段、链、环等）构成。一个多边形可以由一个外环和领个内环或多个内环组成，简单多边形没有内环，复杂多边形由一个或多个内环组成。这些内环所包围的区域称为“岛”或“洞”。前者有实体意义，后者无实体意义。在大多数的GIS软件中，仅存储部分的拓扑关系，主要是关联关系（不同类元素之间的关系），其他关系可以从这些关系导出，或通过空间运算得到。拓扑关系可以有两种表达方式，全显式和半隐含表达。空间关系空间关系 空间关系是指地理实体之间存在的与空间特性有关的关系，如度量关系、顺序关系和拓扑关系等。是刻画数据组织、查询、分析和推理的基础。空间关系的描述和表达，是GIS区别于CAD等计算机图形处理系统的主要标志。空间关系的研究，直接影响GIS的设计、开发与应用。2 2、拓扑数据结构、拓扑数据结构o(1)拓扑空间关系拓扑空间关系 拓扑空间关系是GIS中重点描述的空间关系。“拓扑”（Topology）一词来源于希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性，即拓扑属性。理解拓扑变换和拓扑变换属性时，可以设想一块高质量的橡皮，它的表面时欧氏平面，这块橡皮可以任意拉伸、压缩，但不能扭转和折叠，表面上有点、线、面等组成的几何图形。在变换中，图形的有些属性会消失，有的属性则保持不变。前者称为非拓扑属性，后者称为拓扑属性。象拉伸、压缩这样的变换，称为拓扑变换。2 2、拓扑数据结构、拓扑数据结构(2)拓扑元素点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点；点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点；线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段；线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段；面：若干弧段组成的多边形。面：若干弧段组成的多边形。2 2、拓扑数据、拓扑数据结构构线:点:面:起点起点终点终点中间点中间点弧段弧段1弧段弧段3弧段弧段2弧段弧段4线:面:弧段弧段1弧段弧段3弧段弧段2弧段弧段4(3)拓扑关系类型关联：不同拓扑元素之间的关系；关联：不同拓扑元素之间的关系；邻接：相同拓扑元素之间的关系；邻接：相同拓扑元素之间的关系；包含：面与其他元素之间的关系；包含：面与其他元素之间的关系；连通：拓扑元素之间的通达关系；连通：拓扑元素之间的通达关系；层次：相同拓扑元素之间的层次关系；层次：相同拓扑元素之间的层次关系；(3)拓扑关系类型邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线在有向图中建立节点和弧段的邻接和关联关系。一条弧段连接两个节点，则称这两个节点的弧段呈邻接和关联邻接矩阵：节点和节点做矩阵，用1表示邻接，用0表示非邻接关联矩阵：弧段和节点做矩阵，用1表示关联自，用-1表示关联至，用0表示不关联。TIGER编码是美国人口调查局在1990年前后发布了与人口数据相关联的全国地理编码系统：Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing System拓扑统一地理编码参考系统美国人口调查局的数据调查类似我国的人口普查，但更加全面。不仅包含年龄、性别、种族等基本信息，还综合了年龄结构、家庭收入、住房水平等更多的相关信息，做到了信息的多指标化，还与空间位置及街道、学校等周围环境数据发生联系，有效做到了人口数据的空间定位。（1）连接性：弧段间通过节点连接；（2）面定义：由一系列相连的弧段定义面（3）邻接性：弧段有方向性，且有左右多边形点的coverage数据结构点的清单线的coverage数据结构弧段-节点清单 弧段坐标清单多边形的coverage数据结构左/右多边形清单 多边形-弧段清单 弧段坐标清单拓扑关系的表示拓扑关系的表示面面 域域弧弧 段段P1a,b,c,-gP2b,d,fP3c,f,eP4g结结 点点弧弧 段段Aa,c,eBa,d,bCd,e,fDb,f,cEg 弧弧 段段左左 邻邻 面面右右 邻邻 面面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1弧弧 段段结结 点点aA,BbB,DcD,AdB,CeC,AfC,DgE,E1 1、拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比、拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比集合关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。集合关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。2 2、有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实、有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县（面面相邻问题）。又如供水际问题。如某县的邻接县（面面相邻问题）。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线与哪些点关联。该线与哪些点关联。3 3、根据拓扑关系可以重建地理实体。例如根据弧段构建多、根据拓扑关系可以重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现面域的选取；根据弧段与结点的关联关系重边形，实现面域的选取；根据弧段与结点的关联关系重建道路网络，进行最佳路径选择等。建道路网络，进行最佳路径选择等。总的来说，总的来说，有两个目的：保证数据质量，保证空间对象表达的合理性和正确性、一致性。二是提高空间分析的效率。o当对地理空间实体进行建模时，有时需要考虑实体间存在的关系或规则。如相邻的两个省（两个多边形对象），之间不能有间隙，存在公共边界，但不能有重叠。两条街道总是在交叉口处相交，但从来不会出现共享某一段的问题，公共汽车的站总是位于道路上等关系或规则。这些关系或规则的定义和维护是由拓扑关系来建立的。o从历史的观点来看拓扑关系的使用，过去拓扑关系主要用于数据结构的创建，以保证具有相关联的地理对象能够形成一致的、清晰拓扑的数据结构。但随着面向对象的概念和数据模型建模技术的发展，这个概念的使用开始产生了一些变化。拓扑关系作为数据结构的一部分开始弱化。主要是约束空间对象的行为，以及定义一些描述表达规则。图斑不能相互压盖用地多边形的边界必须与用地红线完全重合用地红线不能有悬挂结点道路与公共汽车线路必须重合ShapeShape文件将空间要素的图形及属性信息以非拓扑文件将空间要素的图形及属性信息以非拓扑的形式存储在数据集中。要素的几何形状数据存储的形式存储在数据集中。要素的几何形状数据存储成为具有矢量坐标的图形。成为具有矢量坐标的图形。ShapeShape文件数据模型是非拓扑的数据库模型。因此，文件数据模型是非拓扑的数据库模型。因此，在数据显示速度上比较快，数据的编辑也比较容易在数据显示速度上比较快，数据的编辑也比较容易实现。通过编程的方式很容易实现对实现。通过编程的方式很容易实现对ShapeShape文件的文件的存取操作。这一特性是其优点，也是缺点。存取操作。这一特性是其优点，也是缺点。ShapefileShapefile数据特点：数据特点：基于其非拓扑性，可以使文件迅速显示出来。基于其非拓扑性，可以使文件迅速显示出来。简单要素类型：点、线、面分别存储。简单要素类型：点、线、面分别存储。一个一个ShapeShape文件中只能存储一种类型的要素。文件中只能存储一种类型的要素。一个一个ShapeShape文件至少包括一个主文件、一个索引文文件至少包括一个主文件、一个索引文件及一个件及一个 dBASE dBASE 数据表文件数据表文件 ShapeShape文件示例：文件示例：.SHPSHP主文件主文件Main file:Main file:counties.shpcounties.shp贮存地贮存地理要素的几何数据理要素的几何数据.SHXSHX 索引文件索引文件Index file:Index file:counties.shxcounties.shx，贮存图形要素索引信息，用于查询贮存图形要素索引信息，用于查询.DBFDBF dBASE dBASE 数据表文件数据表文件:counties.dbf:counties.dbf，贮，贮存要素属性信息的存要素属性信息的dBASEdBASE文件文件.PRJ PRJ 投影参数文件投影参数文件:counties.prj:counties.prj.shp shp 文件，用于文件，用于存储地理要素存储地理要素的图形数据的图形数据.Shape数据模型，实现了地理空间数据的存储.dbf 文件，用于存储地理要素的属性数据 复合要素：指以点、线和面合成而更好表示的空间复合要素：指以点、线和面合成而更好表示的空间要素要素TIN TIN（Triangulated Irregular NetworkTriangulated Irregular Network）模型）模型分区分区路径路径用一系列不重叠的三角形来近似的表示地形把地表近似描绘成一组互不重合的三角面每个三角面都有恒定的倾斜度。由x、y、z可计算三角形的坡度和坡向。基本要素：点、线、面。T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 N1N6N2N8N7N 3N4N5 点文件 三角形文件 点号 坐标点 三角形号 顶点 邻接三角形 N1 X 1 Y1 Z1 T1 N1 N5 N6 T2 T5 /N2 X 2 Y2 Z1 T2 N1 N4 N3 T1 T3 T6 N3 X 3 Y3 Z1 T3 N1 N2 N4 /T4 T2 N4 X 4 Y4 Z4 T4 N2 N3 N4 T3 /T8 N5 X 5 Y5 Z5 T5 N8 N5 N6 T1 /T6 N6 X 6 Y6 Z6 T6 N4 N5 N8 T2 T5 T7 N7 X 7 Y7 Z7 T7 N4 N7 N8 T6 T8 /N8 X 8 Y8 Z8 T8 N3 N4 N7 T4 T7 /区域支持对地理要素之间的复杂关系建模（表示为面）。在 coverage 中，面的基本结构单元为弧线，而区域的基本结果单元为面。因此，区域可表示为一组面。将地理对象表示为面需要满足两个基本前提：面之间不出现重叠，并且完全覆盖表示的区域（即不存在空区域）。而对于区域，则不存在这些限制。在区域中，表示地理要素的面可以单独存在，也可以重叠，而且不需要占满整个区域。例如，在森林火灾区域中，可以通过指示火灾面积和时间的面来表示灾情。面需满足的另一个前提是每个地理要素只能由一个面表示。对于区域，这点可得到扩展，因此单个地理要素可以由多个面表示。例如，组成夏威夷州的各个岛屿即是一个由多个面构成的区域。与点、线和面相同，会为每个区域指定唯一标识符。与面相同，每个区域的面积和周长都保持不变。利用面来构建区域类似于利用弧线来构建面。正如面是一系列弧线一样，区域只是一系列面。两者之间只有一个重要差别：面的顺序没有意义。构建重叠区域类似于构建面。只是各面在相遇处共享一条弧线，而各区域在重叠处共享一个面。区域可以显著改善数据管理，因为它可将大量不同类型的地理要素集成到一个视图，同时还能保留原始地理要素的特性。执行复杂分析时，对数据模型中地理要素间的关系进行管理尤为重要。下图表明了 coverage 数据集中要素类之间的关系。复合要素类在基本要素类的基础上构建，路线和弧段在弧线的基础上构建，而区域则在弧线和面的基础上构建。通过这种数据结构可以将基本要素类型合并到集成的 coverage 中。（弧线有起始终止结点，弧段是在弧线的基础上构建）区域中可含有一个或多个不重叠的外部环，或多组弧线及零个或多个不重叠的内部环。下图介绍了如何通过弧线的外部环和内部环定义区域边界。区域 1 包含两个外部环，而区域 2 包含一个外部环和两个内部环。面由一条或多条弧线构成，而且不同的面可能会共享同一条弧线（即公共边界）。同样，区域由一个或多个面构成，而且多个区域可能会共享同一个面。可将一个面分配给多个区域，而无需复制拓扑。只会针对面进行拓扑存储。各区域将其共享的相同几何作为基础面（尽管区域中可能不包含外多边形）。通过这种共享几何方法，区域将不再独立存在，而是变成一个或多个基础面的复合体。下图演示了如何使两个区域位于面拓扑上方。区域 1 由面 2 和面 3 构成，区域 2 由面 3 和面 4 构成。两个区域中都包含面 3。具有通用测量系统的路线集合称为路线系统。路线系统通常定义具有相似属性的线状要素。例如，某县所有公交车路线的集合就是一个路线系统。一个 coverage 中可以存在许多路线系统。例如，城市 coverage 中可能存在校车、卡车和救护车路线系统。路线系统使用弧线、路线和弧段来构建，并且可以精确地模拟线状要素而无需修改基本弧结点拓扑。下图所示的路线使用四条弧线进行定义。请注意路线的端点是如何沿弧线放置的。路线不必以结点开始和结束。如下所示，弧段是用于定义每条路线的弧线或弧线部分。它们构成路线系统的基础。下图显示了包含距离测量值（例如，里程标志数或地址）的属性示例，这可用来定位诸如事故点或路面质量等事件。路线系统的路线和弧段存储在两个 INFO 数据文件中，一个是用来定义路线要素类的路线属性表(RAT)，另一个是用来定义弧段要素类的弧段表(SEC)。这两个要素类一起用来定义路线系统。路线要素类和弧段要素类通常被称为路线子类和弧段子类，因为一个 coverage 中可能存在许多这样的要素类，而每个要素类与是否存在弧线要素类相关。RAT 和 SEC 是以 INFO 数据文件形式存储的要素属性表。RAT 和 SEC 共同组成一个路线系统。路线系统必须始终具有一个名称。例如，名为 ROADS 的 coverage 可能具有一个包含校车路线的名为 BUS 的路线系统。相应的 INFO 数据文件名为 ROADS.RATBUS 和 ROADS.SECBUS。同样地，名为 HAZARD 的路线系统具有名为 ROADS.RATHAZARD 和 ROADS.SECHAZARD 的 INFO 文件。此弧段表说明了如何编码名为 BUS 的路线系统的各个弧段。此表包含从属于一条路线的三个弧段。弧线 7 的 40%到 100%之间的弧段被定义为弧段 1。整条弧线 8 被定义为弧段 2。弧线 9 的 0 到 30%之间的弧段被定义为弧段 3。