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1、地理信息系统基础,Geographical Information System,矢量数据模型,序,矢量数据模型定义：用欧几里得（Euclid）几何学中的点、线、面及其组合体来表示实体空间分布，通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置的数据结构。,矢量数据模型,1 矢量结构概述 2 实体数据结构 3 点位字典数据结构 4 空间实体间关系 5 拓扑数据模型 6典型的拓扑数据结构 7 不规则三角网 8 动态分段模型,1矢量数据模型概述,点：位置：（x，y）属性：符号,线：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)属性：符号形状、颜色、尺寸,面：位置：(x1,y1),(x2,y
2、2),(xi,yi),(xn,yn)属性：符号变化 等值线,(1).矢量数据模型,2.几何对象点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；,几何对象类型,点：空间的一个坐标点线：多个点组成的弧段面：多个弧段组成的封闭多边形,点,美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置,抽象的点,有位置，无宽度和长度；,线,有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离,香港城市道路网分布,面,具有长和宽的目标,通常用来表示自然或人工的封闭多边形,一般分为连续面和不连续面,中国土地利用分布图（不连续面）,体,有长、宽、高的目
3、标,通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标,矢量数据模型定义,定义利用欧里几得（Euclid）几何学中的点、线、面及其组合体来表示实体空间分布的一种数据组织方式通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。将如此表示的几何对象组织成化数据文件。,矢量数据模型组成,矢量数据模型组成：空间数据+属性数据,矢量数据模型组成,分离系统空间数据+属性数据空间数据和属性数据需要链接,矢量数据模型类型,矢量数据模型分类按其是否明确表达实体间拓扑关系可以分为：实体型：不明确，代表软件为MapInfo的TAB，ARCVIEW的shapefile。拓扑型：明确，软件为ARC/INFO，S
4、upermap地理相关（关系）数据模型（Georelational data model）Arc/Info:coveragesArcView:shapefiles基于对象数据模型（Object-based data model）ArcGIS:geodatabase,2 实体数据结构,实体数据结构以基本的空间实体（点、线、多边形）为单位进行组织只记录空间对象的位置坐标和属性信息不记录拓扑关系的矢量数据模型。（又称面条结构）。,实体数据结构存储方式,独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成,标识码,属性,空间对象编码唯一连接几何和属性数据,数据库,独立编码,
5、点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)面:(x1,y1),(x2,y2),(x1,y1),点位字典,点:点号文件,线:点号串,面:点号串,实体数据结构存储方式,几何 位置,3 实体数据结构,优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。缺点：1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形数据不一致。2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理。3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。,实体数据结构实例ESRI Shapefile,ESRI Shapefi
6、le（shp）美国ESRI公司开发的空间数据开放格式。该文件格式已经成为了地理信息软件界的一个开放标准 ESRI shapefile基本文件*.shp:图形文件，保存元素的几何实体，坐标文件*.dbf：属性文件，保存关于元素的属性信息*.shx：索引文件，保存几何实体索引 ESRI的其它文件，用于优化访问数据库的性能.sbn 和.sbx-保存实体的空间索引。.fbn 和.fbx-保存只读实体的空间索引。.ain 和.aih-保存列表中活动字段的属性索引。.prj-保存坐标系统信息。.shp.xml-保存shapefile的元数据。,ESRI Shapefile,Shp主文件是一个直接存取，变长
7、度记录的文件，其中每个记录描述构成一个地理实体（Feature）的所有vertices坐标值。索引文件每条记录包含对应主文件记录距离主文件头开始的偏移量dBASE表包含SHP文件中每一个Feature的特征属性，表中几何记录和属性数据之间的一一对应关系是基于记录数目的ID。在dBASE文件中的属性记录必须和主文件中的记录顺序是相同的。图形数据和属性数据通过索引号建立一一对应的关系。,shp文件,shp文件组成固定长度的文件头变长度空间数据记录,Byte Order,All the contents in a shapefile can be divided into two categorie
8、s:Data related Main file record contents Main file headers data description fields(Shape Type,Bounding Box,etc.)File management related File and record lengths Record offsets,and so on,Main File Header,固定长度的文件头文件头由100字节的说明信息组成的，主要说明文件的长度、Shape类型、整个Shape图层的范围等等，这些信息构成了空间数据的元数据。,shp文件实体类型（Shape Type）,
9、Value Shape Type0 Null Shape1 Point3 PolyLine5 Polygon8 MultiPoint11 PointZ13 PolyLineZ15 PolygonZ18 MultiPointZ21 PointM23 PolyLineM25 PolygonM28 MultiPointM31 MultiPatch,shp文件记录组成,变长度空间数据有多条记录组成记录组成固定长度的记录头变长度记录内容（空间坐标对）,shp文件记录头的内容,记录头的内容记录号（Record Number），从1开始坐标记录长度（Content Length），16位字记录内容目标的几何
10、类型（ShapeType）具体的坐标记录（X，Y），主要包括空Shape记录，点记录，线记录和多边形记录。,实体数据结构实例,MapInfo 的Tab文件*.tab：头文件，软件版本号、存储坐标投影、地图边界、属性项名等，是ASCII码文件。*.map：图形文件，存储所有GIS图形。*.id：索引文件，存储图形与属性的关联关系。*.dat：属性文件，存储所有属性项值。Supermap的文本文件,Supermap平面坐标系2D数据示例,文本文件 IDdbLong XdbDouble YdbDouble NAMEdbText/201 804.751 1032.665 CHANGAN2 1083.8
11、9 907.944 BEIJING#3 1394.209 1305.865 WUZHOU 4 1199.703 1519.673 CANGWU#5 855.234 1342.9843 XIAN 6 874.536 1775.056 TANGSHAN#7 498.886 1729.027 WULUMUQI 8 544.915 1464.736 HUHEHAOTE#9 164.811 1384.558 FANGCAOHU 10 345.954 962.88 MEIZHOU#,Supermap2D数据实验演示,保存数据打开Supermap菜单：工具-文本转换为sdb打开sdb,Supermap平面坐
12、标系2D数据示例,4 点位字典（索引式）数据结构,点位字典:对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建边与点号、多边形与点号的索引文件。索引式编码,1、点文件：,3、面文件：,2、弧段文件:,标识码,属性,空间对象编码唯一连接几何和属性数据,数据库,独立编码,点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)面:(x1,y1),(x2,y2),(x1,y1),点位字典,点:点号文件,线:点号串,面:点号串,几何 位置,例：,独立编码,点位字典,4 点位字典数据结构,索引式结构,5空间实体间关系,1.关系类型2.识别与描述3.拓扑关系4.GIS中引入拓扑关系的优缺点5.拓扑结构采用原则,
13、4空间实体间关系,1 关系类型拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。2 识别与描述地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的。在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。空间关系的描述多种多样。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述。,3.拓扑关系,(1)拓扑关系定义：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。,3.拓扑关系,(2)拓扑元素：点、线、面(3)基本拓扑关系：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连通性：弧段连接方向性：区域定义：多边形
14、由一组封闭的线来定义包含：面与其他元素之间的关系层次：相同拓扑元素之间的层次关系,1)关联性,关联性：不同类要素之间关系结点与弧段如V9与L5,L6,L3多边形与弧段如P2与L3,L5,L2,2)邻接性,邻接性：同类元素之间关系多边形之间、结点之间。邻接矩阵：重叠：-邻接：1 不邻接：0,3)连通性,连通性：指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。,4)包含性,线段A,多边形B,点A,多边形A,5）方向性一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。6）区域定义多边形由一组封闭的线来定义。7）层次关系相同元素之间的等级关系，武
15、汉市有各个区组成。主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。主要在矢量数据模型中定义拓扑关系。,其他基本拓扑关系,4.GIS中引入拓扑关系的优缺点,优点描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体的坐标位置。空间关系信息丰富、简洁，数据冗余小。方便多边形和多边形的叠合。便于检查数据输入过程中的错误。缺点拓扑关系建立过程比较复杂数据结构本身复杂,5拓扑结构采用原则,应用目的 制图或一般查询，可不要拓扑结构 空间分析，则应建立拓扑关系 服务对象和系统数据结构 面状目标：面-弧、弧-面 网络目标：点-弧、弧-点,5 拓扑数据模型,拓扑数据模型定义：不仅表达几何位置和属性，还表示空间拓扑关系的矢量数据
16、模型。拓扑关系具体可由4个关系表来表示：（1）结点弧段关系（2）弧段结点关系（3）弧段多边形关系（4）多边形弧段关系,结点-弧,弧段,弧-点,弧-面,空间拓扑关系表达：面与弧,包含关系-岛的描述-复合多边形,全显式表达,全显式表达,7 拓扑数据模型,典型的拓扑数据模型TIGER（Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing，拓扑统一地理编码格式），最早，美国人口调查局。DLGs，数字化线状图形，美国地质调查局。DIME（对偶独立地图编码）美国人口调查局。POLYVRT（多边型转换器）（美国计算机图形及空间分析实验室），
17、ArcInfo。链状双重独立式编码。,对偶独立地图编码,DIME(Dual Independent Map Encoding)对偶（双重）独立地图编码结构对图上网状或面状要素的任何一条线段，用顺序的两点定义以及相邻多边形来予以定义。最早是由美国人口统计系统采用的一种编码方式，它是以城市街道为主体，它的特点是采用了拓扑结构，这种结构最适合于城市信息系统。尤其适用于城市地籍宗地的管理，在宗地管理中，界址点对应于点、界址边对应于线段，面对应于多边形，各种要素都有惟一的标识符。,双重独立地图编码,双重独立地图编码,1、点文件,2、线文件:线文件是以线段为记录单位一条边用直线两端点的序号及相邻的多边形来
18、表示,3、面文件,关联,邻接,关联,邻,在双重独立地图数据结构中，结点与结点或者多边形与多边形之间为邻接关系；结点与线段或者多边形与线段之间为关联关系。,双重独立地图编码：线文件结构,双重独立地图编码,通过线文件生成面文件需要点文件,自动生成的多边形A的线及结点,链状双重独立式编码,弧段：在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的多边形来表示。链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段点文件、点坐标文件。多边形文件：主要由多边形记录组成，包括多边形号、组成多边形的弧段号以及周长、面积、中心点坐标及有关“洞”的信息等
19、，多边形文件也可以通过软件自动检索各有关弧段生成，并同时计算出多边形的周长和面积以及中心点的坐标，当多边形中含有“洞”时则此“洞”的面积为负，并在总面积中减去，其组成的弧段号前也冠以负号；,链状双重独立式编码,弧段文件：主要有弧记录组成，存储弧段的起止结点号和弧段左右多边形号；弧段坐标文件由一系列点的位置坐标组成，一般从数字化过程获取，数字化的顺序确定了这条链段的方向。结点文件：由结点记录组成，存储每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段。结点文件：一般通过软件自动生成，因为在数字化的过程中，由于数字化操作的误差，各弧段在同一结点处的坐标不可能完全一致，需要进行匹配处理。当其偏差在允许范
20、围内时，可取同名结点的坐标平均值。如果偏差过大，则弧段需要重新数字化。,链状双重独立式编码,4、点坐标文件：,1、多边形文件:,2、弧段文件:,3、弧段点文件:,链状双重独立式编码-实例,链状双重独立式编码-多边形文件,链状双重独立式编码-弧段文件,链状双重独立式编码-弧段点文件,链状双重独立式编码-点坐标文件,特点：拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。国际著名GIS软件平台开发商美国ESRI公司的ARCGIS产品中的COVERAGE数据模型,就是采用链状双重独立编码数据结构的。,链状双重独立式编码,拓扑数据模型优点,拓扑关系与数据共享：维护数据的一致性,拓扑
21、:移动结点,无拓扑:移动结点,8 不规则三角网,用一系列不重叠的三角形近似表示地形,不规则三角网,TIN,9 动态分段模型,在不改变要素位置描述（坐标）的前提下，建立线性要素上任意路段与多重属性信息之间关联的技术。区段、路径、事件不必要对路线事先进行分解。网络分析,路径,线状要素测量系统交通机构和公司,The data structure of a route subclass.,总结-本章知识点,空间数据模型类型矢量结构模型栅格结构模型矢量结构模型实体数据模型拓扑数据模型实体数据模型独立编码点位字典索引式数据结构拓扑数据模型DIME链状双重独立式编码TIGER,作业,1.DIME 结构采用什么文件存储数据？2.实体数据结构与拓扑数据结构的主要区别？,本讲结束 谢谢！,
