空间数据库实验报告.doc

完整word版)空间数据库实验报告
==大学==学院

《空间数据库》
课程设计报告

专 业：08地理信息系统01
姓 名：**
学 号：

二零一一 年 一 月

实验一 拓扑规则
实验题目：拓扑规则
实验准备：相关概念解释
1、 拓扑关系：是指图形要素之间几何上的相互关系，图形在保持连续状态下即使变形，相互之间的关系依然不变。
2、 Geodatabase的拓扑规则包括点拓扑规则、线拓扑规则、多边形拓扑规则。
3、 拓扑结构:即反映拓扑关系的结构，利用拓扑关系的空间数据结构，不仅要记录要素的空间位置（坐标），而且记录不同要素在空间上的相互关系。
4、 Geodatabase 用一系列的拓扑规则（Rule ,Topology Rule）,在空间要素之间建立起相互关系，即拓扑结构。
5、 悬结点(Dangle)：仅和一个线要素相连，孤立的结点
6、 伪结点（Pseudo）：两个线要素相连、共享一个结点
7、 普通结点：三个或者三个以上的线要素交汇、共享一个结点
8、 线簇容差（Cluster Tolerance）：不相连的要素拐点之间的最小距离
9、 问题区（Dirty Area）：建立拓扑关系后，又被编辑过的空间范围，该范围很可能存在不符合拓扑规则的要素。
10、 差错（Error）：不符合拓扑规则的地方，用红点、方块、线表示。
实验内容：
1、拓扑规则用于同一图层内数据质量检验。
2、拓扑规则用于不同一图层内数据质量检验。
实验过程：
1、拓扑规则用于同一层内数据质量检验
1.1 建立线要素拓扑规则
启动ArcCatalog ,将路径定位到c:\gis_ex09\ex22.mxd,利用拓扑规则Must Not Have Dangles(不能出现悬节点)为Geo_DB22\dataset1\lotlines建立拓扑关系Dataset1_Topology，建立后，成果如图1-1，意思是有三个悬节点，不符合预定义的拓扑规则
图1-1

1.2 修改拓扑错误
关闭ArcCatalog，启动ArcMap，打开ex22.mxd，激活Data frame1,除了已经存在的lotlines以外，加入Dataset1_Topology,可以看出有三处拓扑错误——线过长、线过短、线多余，调动Editor,打开Topology拓扑工具条和Advanced Editing高级编辑工具条，Start Editing开始编辑辑，
此处例举线过短时的编辑情况，选中参考边界，在Advanced Editing高级编辑工具条中选择Extention工具，点击需要延长的线，如图1-2，过短的线就延伸到参照线—— 图1-2

当将当前窗口的拓扑关系错误一一修改后，需要验证刚才编辑过的地方是否还有错误，则需勾取Dataset1_Topology图层中Properties中Symbology Dirty Areas（问题区）,则地图上刚刚编辑过的地方有三个蓝色区域，如图1-3
图1-3

则只需再对Dirty Areas进行拓扑关系验证，即利用Vilidate Topology In Specified Area工具进行质量验证，无拓扑错误后，如图1-4——（如若有错，仍需进一步修改）
图1-4

1.3 生成地块多边形
启动ArcCatalog，右击Geo_DB22\dataset1，选用New\Polygon Feature From Lines（从线要素产生多边形），生成一个新的多边形要素类lotspolygons ,预览如图1-5 图1-5

2、 拓扑规则用于不同图层之间数据检测
2.1 建立不同要素之间的拓扑关系
在ArcCatalog中Geo_DB22\dataset2下为Road、Parcel建立拓扑关系Topology2
2.2 修改拓扑错误
在ArcMap中利用Topology2对Road、Parcel进行拓扑查错并修改，此处的拓扑关系主要是多边形共同边界的错误和线多余的错误，正确修改后结果如图1-6 图1-6

实验小结：
1、 Geodatabase可以有多种线、点、多边形规则，用于控制要素类之间的特定空间关系。
2、 拓扑关系在ArcCatalog中建立，靠规则来控制，可以控制同一要素类内各要素间的关系，也可以控制同一个数据集中不同要素类之间的关系。
3、 本实验中使用了常用的线拓扑Must Not Have Dangles(不允许有悬节点)。
4、 按许多拓扑规则，悬结点、伪结点被当做查错。相比之下，数据输入（数字化）时悬结点对数据质量影响更大
5、 线过长、过短、多余均表现为悬结点
6、 线要素要存在悬结点，如果要构造多边形，很容易产生不正确的多边形
7、 建立拓扑关系时，如果两个拐点之间的建立小于Cluster Tolerance（线簇容差），这两个拐点就自动被捕捉到一起，变成一个拐点。
8、 多个要素类参与拓扑关系需要一个Rank（等级值），在验证拓扑的过程中，有自动捕捉的过程，要素会移动，Rank值小的要素会相对不动，Rank值大的要素的拐点向等级高的要素拐点移动，实现捕捉。
9、 Dirty Area用一个矩形框把编辑过的地方围起来，验证拓扑规则的时候，只在这些矩形框范围内验证，速度也不慢，这是因为数据量很小，体验不出差别，如果实际应用中空间要素非常多，处理时间的长短会有很大差别。
10、 某些可以接受的查错Error，如某位置的道路和地块边界确实不一致，被 称为例外（Exception）

实验二 通过转换建立数据库
实验题目：通过转换建立数据库
实验内容：
1、新建Geodatabase
2、转换生成多边形
3、转换生成线要素，再生成网络
实验过程：
1、新建Geodatabase
在c:\gis_ex09\ex23 Geo_DB23\下新建Geodatabase——Parcel_Polyline ,如图（2—1图）

2—1 图
2、转换生成多边形
2.1、AutoCAD的线实体转换成线要素
将Parcel_Polyline利用Import\Feature Class(single)转换为多边形Parcsel_end，结果如（2—2图）

2—2 图
2.2、DWG的文字实体转化成点要素
用同样的方法建立要素类Parcel Label，如图（2—3图含属性查询）

2—3 图
2.3、利用拓扑关系检查数据质量
建立拓扑关系D1_Topology1，设置线簇容差值为0.01meter，可以看出四处错误。
2.4、修正几何差错，重建拓扑
利用D1_Topology1修改Parcel_Polyline的错误，修改完毕后如（2—4图）

2—4 图
2.5、线要素生成多边形
生成多边形Parcel_Polyline，并带有Parcel_Label的字段，如（2—5图），也可以对字段进行编辑，在Parcel_Polyline属性列表中进行。

2—5 图
2.6、连接外部表
用连接（Join）外部表的方法，给地块多边形增加其他属性，在ArcMap中选择Parcel_Polyline\Joins and Relates\Join中连接plandata,则可以看到多边形增加了其他属性，如（2—6图）

2—6 图
3、转换生成线要素，再生成网格
3.1、用AutoCAD的线实体转换成线要素
3.2、拓扑查错
为Road建立拓扑关系D1_TopologY2,其中此关系规定数据不能有悬结点、伪结点、线要素不能重合，系统统计生成的拓扑错误，如（2—7图），共计11个悬结点、11个伪结点、1处线重合

2—7 图
3.3、标记例外
在ArcMap中利用D1_TopologY2的属性中将悬结点设置为例外（Exception）。
3.4、修正悬结点错误
利用编辑工具中Sketch Tool输入一段线要素，修改完毕后，经拓扑验证，仍然显示两个拓扑结点错误，因为修改后，两个悬结点变成了两个伪结点。
3.5、修正伪结点、重复线、打断交叉线
框选Road图层上所有线要素，合并，选择，解开多段要素，则拓扑关系已经正确，如（2—8图）

2—8 图
3.6、建立网络
在ArcCatolog中建立数据集(Network Dataset)Road_ND,并加载到ArcMap中显示出来，如（2—9成果图）

2—9 图
实验小结：
1、 CAD在工程设计行业应用广泛，CAD和GIS数据之间双向数据转换，是常用的数据获取、交换途径。
2、 ArcGIS 可以转换CAD的DWG、DXF文件。
3、 ArcGIS 转换DWG文件，并不是按照图层读取，而是按照实体类型(点、线、多边形、文字注记)读取，每一类DGW实体可以被转换为一个要素类，转换时，可以选择是否将原有的图层、颜色、高程等特征值也转换到要素属性表中。
4、 DGW图形数据转换进入Geodatabase,一般是直接使用原来的X,Y坐标，但是空间参照的有关参数需要事先设定。
5、 在CAD中，闭合的Polyline 可以直接转换为多边形要素类，但是，在CAD中生成闭合的Polyline并不方便，尤其是边界较为复杂、带有弧段，难以保证闭合的Polyline的数据质量。
6、 本实验的DWG文件不要求在CAD中闭合，而是先将多边形的边界转换为线要素，利用拓扑查错、改错，再由线要素生成多边形，这一方法保证了数据质量，也减少了CAD中数据输入的工作量。
7、 在CAD中，多边形的编号往往用Text实体注记，将Text实体转换为点要素后再进入多边形的属性表也是一种实用的途径。
DWG文件中的线实体转换为Geodatabase的线要素类，再建立网格。
实验三 投影变换、坐标校正
实验题目：投影变换、坐标校正
实验内容：
1、坐标系与投影变换
2、坐标转换
3、坐标拉伸
4、接边
5、影像配准
实验过程：
1、坐标系投影变换
1.1 全球经纬格网显示
在ArcMap中显示ex24.mxd中Data Frame1,将图层坐标GCS_WGS_1984改为Utm/Wgs1984/WGS1984UTM Zone 12N,结果如图3-1

图3-1
1.2 全国分省地图坐标定义、显示
在ArcCatalog中为数据项CN_prv采用北京1954地理坐标系，将此数据项加载到ArcMap Data Frame1里，随光标闪动观察状态栏里坐标变换情况，随后改变坐标显示方式再进行观察；再进入Data Frame2的Prosperities中，按标签Grids，为地图添加打印用的格网；完成后，选择View/Layout,地图文档中出现六个数据框架，此为地理坐标系，如图3-2；
进行投影变换，完成后，观察随光标变换的坐标位置，如图3-3；

图3—2地理坐标系

图3—3投影坐标系
2、坐标变换
2.1 选择校正对象
激活Data Frame3，加载Spatial Adjustment,利用Spatial Adjustment/Set Adjust Data…对Design图层所有要素进行校正。
2.2 设置移位连接
选择移位连接工具（New Displacement Link），先确定Design图层上一特征点，在roadcenter、plan层上找到正确位置的对应点，建立一条位移连接线Displacement Link；重复以上步骤，设置位移连接，通过查看属性表，删去残差较大的位移连接线，结果如图3-4

图3-4
2.3 Transform的方式
选择Spatial Adjustment/ Adjustment Methods /Transform/Affine（仿射变换）,可以先预览效果，符合预期效果后，点击Spatial Adjustment/ Adjust就完成了Transform，Design图层转移到预期的坐标位置上，如图图3-5

图3-5
3、坐标拉伸
3.1 选择校正对象
激活Data Frame4, 选择pipeline图层进行校正。
3.2 设定位移连接
3.3 选择正确的校正方式
采用橡皮拉伸（Rubber Sheeting），校正结果如图3-6

图3-6
4、接边
4.1 选择校正对象
激活Data Frame5，对road2进行校正
4.2 选择接边的方式
Spatial Adjustment/ Adjustment Methods /Edge Snap（边校正方式），
4.3 接边处理
设置自动捕捉距离，选用工具Edge Match，确定选择框，自动生成位移连线，结果如图3-7

图3-7
5、影像配准
激活Data Frame6，调用Georeferencing工具条，将“遥感影像”图层上的特征点匹配到“公路”“界限”图层上，配准后结果如图3-8

图3-8
实验总结：
1、 空间参照和空间坐标系：ArcGIS有多种地图坐标系，多种投影方式、相关参数可以选择、调整，利用ArcGIS还可以在不同坐标系之间相互转换。
2、 坐标转换：坐标转换是对要素进行平移、旋转、缩放、倾斜等处理，在ArcGIS中共有三种方式——
Affine（仿射变换）：考虑四种变换因素对坐标变换的影响——非等比例缩放、倾斜、旋转、平移；
Similarity（相似变换）：考虑四种变换因素对坐标变换的影响——缩放、旋转、平移；
Projective（投影变换）：至少要设置四个移位连接线。
3、 坐标拉伸（Rubber Sheeting）：又称橡皮拉伸，适用于校正数字化过程中各个方向上的不均匀伸缩、变形。
4、 接边（Edge Match：处理相邻地图之间的拼接误差。
5、 影像配准（Image Adjust ）：Transform、Rubber Sheeting、Edge Match主要针对矢量型空间数据，影像配准的操作过程与这些处理相似，但使用的方法是专门针对栅格空间数据的。
6、 地理坐标系：用经纬度表示事物、现象的空间位置。
7、 投影坐标系：用二维平面直接坐标表示事物、现象的空间位置。
8、 有三种情况需要转换或者重新定义坐标系——临时变换、永久转换、修改坐标系的定义。

实验四 数据源和元数据
实验题目：数据源和元数据
实验内容：
1、基本数据源
2、ArcCatalog的基本操作
3、新建Geodatabase
4、空间数据输入、校正综合练习
5、数据项的搜索
6、元数据的维护
实验过程：
1、基本数据源
认识数据源模型，空间、属性数据主要存储格式，空间参照，针对应用的辅助性数据，数据源
2、ArcCatalog的基本操作
认识ArcCatalog，左侧窗口称目录表Catalog或者目录树Catalog Tree，窗口显示到数据项（Item），有预览功能，可以预览数据项及其属性表等等，如图4-1和图4-2，也可以对文件夹进行复制、粘贴、删除、重命名等等

图4-1

图4-2
3、新建Geodatabase
在ex25\temp下建立Geodatabase，命名为Data_ex ,再在其下建立数据集Dataset1，将其坐标系设置为Beijing 1954 3 Degree GK CM 108E,在数据集Dataset1下建立数据项Country、Road、Town,并且自定义其属性表中的字段，结果如图4-3

图4-3
4、空间数据输入、校正综合练习
在Data_ex下再建立个数据集h1,在其下建立一个线要素h1，在ArcMap中打开ex25.mxd，新建一个Data Frame1，加载线要素类h1，对照扫描图，跟踪多边形的边界，矢量化结果如图4-4

图4-4
在ArcCatalog中，针对刚刚建立的线要素类，建立新的拓扑关系h1_Topology，检查有无悬结点、伪结点、重复线，拓扑查错结果如图4-5，

图4-5
之所以有如此多错误，是由于刚刚在ArcMap中利用ArcScan矢量化时，用的是将栅格数据直接矢量，则有许多孤立的点，在ArcMap中修正拓扑错误，结果如图4-6

图4-6
在ArcCatalog中，将刚刚生成的线要素类h1生成多边形h_polygon，结果如图4-7

图4-7
在ArcMap中，继续用拓扑关系检查生成的多边形有无错误，此时，无错误。
用影像校正方法，校正扫描图的坐标，此处不用校正。
为多边形属性表添加编码字段，结果如图4-8

图4-8
检查属性记录和多边形之间的要素的一一对应性，地块编码的准确性。
5、数据项检索
5.1 按数据项名称、类型、路径搜索
在ArcCatalog中，点击Search搜索，不按地理位置搜索，搜索ex25下任何类型的数据，结果如图4-9

图4-9
5.2 按地里位置搜索
搜索如图4-10

图4-10
5.3 按元数据（Metadata）内容搜索
搜索结果如图4-11

图4-11
6、元数据的维护
学习元数据的建立、显示，修改，标准。
实验小结：
1、 ArcCatalog是空间、属性数据库的管理工具，除类似Windows资源管理器的简单操作，还有针对不同数据项的特征值设置和维护工具，其中空间参照是重要内容。
2、 本实验所涉及的ArcGIS所涉及的可以直接处理的空间数据库按数据模型分可以分为矢量、栅格、不规则三角网三大类，属性数据是关系模型。
3、 空间、属性数据主要存储格式：矢量型Shapefile和对应的要素属性表；矢量为主的空间数据库（Geodatabase）; ArcInfo的传统矢量型Coverage和栅格型Grid,都有各自对应的要素属性表；基于关系模型的属性表；不规则三角网（TIN）；一般网络（Network）;图像、影像；矢量型CAD图形文件。
4、 空间参照，主要有投影类型、坐标系、相关参数。
5、 针对应用的辅助性数据：图形由元数组成，常用在地图布局、地图注记、统计图、剖面图，只用于表达，不能对自身做查询、分析
6、 应用中的定义性、描述性数据，主要有地图文档，地图布局模板，图层定义文件。
7、 元数据是对数据源的说明、描述、解释。
8、 数据源是ArcGIS直接处理的空间、属性数据的统称，包括空间参照数据，不包括针对应用的辅助性数据。
9、 元数据的管理、维护、搜索是ArcCatalog的一项重要功能，如果数据项很多、保存数据时间很长，有了元数据，便于查找、搜索，促进数据源的共享、利用、管理。

==大学空间数据库设计
——设计方案
设计题目：==大学空间数据库设计
设计目的：
通过本次设计，理解运用数据库设计的基本思想方法，能够独立编写小型的数据库设计方案，以便于在计算机上应用相关软件实现数据库程序。
通过数据库系统应用课题的实践，进一步提高分析问题解决问题的能力。
设计方案：
1、需求分析：
为了方便于对==大学的土地利用现状、道路网、建筑物的认识、管理与维护，需要建立一独立的数据库。
需要收集的空间数据主要包括土地利用现状图、道路格网图、建筑物轮廓图以及与之相关的属性数据信息。
==大学的基本实体：道路、教学楼、宿舍楼、文具店、图书馆、游泳馆、体育馆、操场、标志性建筑、树、花坛、草坪、大门、停车厂、超市、餐饮店、其它
2、概念设计：
主要是“实体—联系模型”的设计，即E-R模型，包括实体、联系、属性，大体分为两种类型——
①局部E-R模型：
道路网：道路——起点、名称、编号、类型、长度、道路中心线、终点、其它
建筑物：教学楼、宿舍楼、小卖部、报亭、图书馆、游泳馆、体育馆、标志性建筑物——类型、位置、编号、面积、容人量、层数、功能、其它
绿化物：树、花坛、草坪、灌木——类型、名称、位置、面积、、其它
②全局的E-R模型：
==大学——道路网、建筑物、绿化物——类型、位置、面积、功能、其它，如图
==大学E-R模型路段
道路中心线
类型
功能
位置
面积
名称
其它
餐饮店
超市
文具店
大门
停车场
其它
组
成
类型
位置
功能
编号
面积
容人量
其它
学院办公楼
实验楼
教学用教学楼
游泳馆
图书馆
体育馆
社区办公楼
其它
组
成
女生
男生
规格
面积
位置
编号
容人量
教师
组
成
重庆
交通大学
绿化物
建筑物
道路网
其它
宿舍楼
教学楼
道路
类型
编号
名称
长度
起点
终点
编号
名称
其它
树
其它
灌木
草坪
花坛
数量
面积
编号
名称
类型
位置
其它
组成
组成
组成
连接
组成

3、逻辑设计
关系模型的建立。
确定E-R模型中各类实体之间的联系类型，如——
①M：N——将两个实体建立独立的关系模式，按照“实体—关系”的方式建立，例如：“教室—属性”（类型、位置、编号、面积、容人量、层数、功能、其它），确立实体的唯一识别符，此处编号最为恰当；将实体间联系也转换为相应的关系模式，按照“关系—属性”的模式，该类属性包括该联系的所有属性，例如，确定路段—道路之间的“组成”关系，规定其关系的属性，建立“组成关系—属性”。
②1：N——将两个实体建立独立的关系模式，并在联系的N端的实体对应的关系模式中加入属性，特别的，将联系作为一个属性加入其中，例如，“道路—道路类型”。
③1:1——将联系的两个实体建立独立的关系模式，在这个关系模式中的任何一个之中加入属性：另一个关系模式的键，以及联系的非主码的属性。
3、物理设计
物理数据模型的建立，基于Geodatabase的数据库设计。
①在ArcCatalog中建立Geodatabase数据库，姑且命名为Geo_CQJT，在其下建立数据集D_CQJT，在其下建立数据项，主要有线要素、点要素，将已知数据转换为各类要素，如，线要素Polyline、点要素Point；
②根据已建立的线要素Polyline，建立拓扑关系Topology，根据已建立的拓扑关系，在ArcMap中对线要素Polyline进行拓扑查错、修改、验证；
③在ArcCatalog中将已经拓扑查错完毕的Polyline转换为多边形，并在ArcMap中为多边形增加属性字段，若有外部关系表需要连接，则建立外部连接；
④在ArcMap中将多类局部要素如Point、road、Polyline或者Polylgons联系起来，并对各类要素进行补充；
⑤保存数据，输出地图等等。

空间数据库实习总结
经过对空间数据库的课堂教学的学习，我们对空间数据库的建立有了理论上的基础，于十八周进行了空间数据库的课程设计实习。
此次实习主要在计算机上实现，在ArcCatalog和ArcGIS软件平台上进行。旨在让学生在已基本掌握各种空间数据库的存贮和管理技术的基础上，进行空间数据维护和管理的训练，在GIS原理、空间数据库理论、常用软件功能和相关专业知识之间建立起联系，培养学生具有编写实习报告的能力。
本实习可加深学生对各种空间数据库的原理和方法的理解，为后续的GIS软件设计课程及GIS科学研究打下良好的基础。
在独立完成《地理信息系统实习教程》第八篇“空间数据维护与管理”的所有练习后，我们基本上对拓扑规则有一定了解，对建立拓扑关系和应用拓扑关系对数据质量的检验的操作方法也有一定了解；对建立Geodatabase数据库，将CAD的DWG文件转换成可以被ArcGIS接受的线要素等，进而转换成多边形，再生成网格；具体操作了投影变换、坐标变换的练习，进行了坐标转换、左边拉伸、接边、影像配准等等操作；还进行了对数据源和元数据的学习……在此基础上我们可以建立基本的数据库Geodatabase。
最后，进行了 “==大学空间数据库” 设计，由于缺乏基本数据，所以此次“==大学空间数据库”的设计只有基本的思路设计，即需求分析，概念设计（概念模型的建立，即“实体—关系”模型即E-R模型的建立），逻辑设计（逻辑数据模型即关系模型的建立），物理设计（物理数据模型的建立）。
在此次实习过程中，我们获益匪浅。