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1、2023/10/17,1,地理信息系统原理,第四讲 空间数据模型与数据结构,本讲内容空间数据逻辑模型空间数据结构,三大基本特征：空间、时间、专题属性,SAGA-System forAutomatedGeoscientificAnalyses,3.4 空间数据逻辑模型,空间数据逻辑模型作为概念模型向物理模型转换的桥梁，根据概念模型确定的空间信息内容，以计算机能理解和处理的形式具体地表达空间实体及其关系。,3.4 空间数据逻辑模型,针对对象模型和场模型两类概念模型，一般采用：矢量数据模型栅格数据模型镶嵌数据模型面向对象数据模型另外，还有三维空间数据模型、时空数据模型等,空间对象（实体）类型,空间对
2、象一般按地形维数进行归类划分点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的,道路的维数与尺度,道路的维数与尺度,1、矢量数据模型 矢量数据模型起源于“Spaghetti模型”一种计算机制图模型,电力塔,5610000,5810000,杨树林,6575000,6555000,松树林,2,3,1,4,河流,5,6,矢量表达法,矢量拓扑型数据结构,以上图为例，列出拓扑数据的弧段文件格式,2、栅格数据模型,点,面,线,栅格数据模型：栅格单元的定义一个完整的栅格模型需要以下几个参数：栅格形状；栅格单元尺寸大小/分辨率；栅格原点；栅格
3、的倾角；,列,行,西南角格网坐标（XWS，YWS）,格网分辨率,X,栅格形状,Y,空间对象的栅格数据模型,栅格数据模型：数据分层,土壤,地貌,森林,建筑物,Z,Y,X,栅格数据模型中，点实体是一个栅格单元（cell）或像元，线实体由一串彼此相连的栅格构成，面实体则由一系列相邻的栅格构成；每个栅格对应于一个或一组表示该实体的类型、等级等特征;栅格单元的形状通常是正方形，有时也采用矩形。栅格的行列信息和原点的地理位置被记录在每一层中;栅格的空间分辨率确定了描述空间现象的精细程度;若需要描述统一地理空间的不同属性，则按不同的属性将数据分层，每层描述一种属性。,例图：,土地类型（栅格）,栅格数据模型：
4、栅格单元大小,栅格数据模型：单元值确定 P41,面积占优,重要性,A连续分布地理要素,C具有特殊意义的较小地物,A分类较细、地物斑块较小,中心点,气温?针叶林、阔叶林?矿产?,如何避免混合像元?缩小栅格面积?增加栅格总数?,4、镶嵌数据模型镶嵌（Tessellation）数据模型采用规则或不规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元，适合于用场模型抽象的地理现象；通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性特征的变化来建立空间数据的逻辑模型；小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间；根据面块的形状，镶嵌数据模型可分为规则镶嵌数据模型不规则镶嵌数据模型,规则镶嵌数据模型,David,2002
5、,Dutton,2000,TIN,不规则镶嵌数据模型,方案一,方案二,Delaunay三角网,TIN和Voronoi多边形数据模型,5、面向对象数据模型 面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系，特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间实体的表达。地理空间的实体或现象可看作对象或其实例；一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成的：例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的变迁则表达了它的行为。面向对象技术将对象的属性和方法进行封装（encapsulation），另外还有分类（classification）、概括（generalization
6、）、聚集（aggregation）、联合（association）等对象抽象技术以及继承（inheritance）和传播（propagation）等强有力的抽象工具；,面向对象的要素描述,编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行表识，是唯一的。位置：坐标形式给出空间对象的空间位置类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成行为：空间对象所具备的行为和功能属性：空间对象所对应的非几何信息说明：实体数据来源、精度等关系：与其他实体之间的关系,Open GIS面向对象空间实体模型,表示“is a”概括关系,表示“has a”聚集关系,Arc
7、GIS面向对象空间实体模型,对象2,对象1,面向对象数据模型,6、三维空间数据模型,地理空间目标的分类(据吴立新教授),（1）表面模型(Surface model)侧重于三维空间表面的表示,如地形表面,地质层面等,通过表面表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新,不足之处是空间分析难以进行。（2）体模型(Volume model)侧重于三维空间体的表示,如水体,建筑物等,通过对体的描述实现三维空间目标表示。其优点是适于空间操作和分析,但存储空间占用较大,计算速度也较慢。（3）混合模型（(HybridModel)为了解决应用性问题，目前多是将多种模型进行集成（面模型与体模型及体模型与
8、体模型），从而更好地为实现显示与分析功能服务。,3D空间数据模型分类,规则体元模型,非规则体元模型,三维TIN,空间数据结构是指对空间数据逻辑模型描述的数据组织关系和编排方式，对地理信息系统中数据存储、查询检索和应用分析等操作处理的效率有着至关重要的影响。同一空间数据逻辑模型往往采用多种空间数据结构，例如游程长度编码结构、四叉树结构都是栅格数据模型的具体实现。,4.1 矢量空间数据结构,空间数据结构是数据逻辑模型与数据文件格式间的桥梁,4.1 矢量空间数据结构,矢量数据结构对矢量数据模型进行数据的组织。它直接以几何空间坐标为基础，记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，
9、允许任意位置、长度和面积的精确定义。,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,1、实体数据结构/spaghetti数据结构,多边形数据文件,点数据文件,多边形文件,2、拓扑空间数据结构拓扑空间数据结构没有固定的格式，还没有形成标准，但基本原理相同；拓扑空间数据结构的共同的特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面；每条线始于起始结点，止于终止结点，并与左右多边形相邻接。拓扑空间数据结构主要有：
10、索引式双重独立编码结构链状双重独立编码结构等。,索引式拓扑空间数据结构,索引式拓扑空间数据结构,点文件,边文件,多边形文件,双重独立编码结构/DIME（Dual Independent Map Encoding）码,线文件,O,O,链状双重独立编码结构（之一）,链状双重独立编码结构（之二）,弧段坐标文件,弧段拓扑文件,多边形拓扑文件,4.2 栅格空间数据结构,1、完全栅格数据结构,层2属性值,层N属性值,数据文件,栅格1,x坐标,y坐标,层1属性值,栅格2,栅格N,栅格N,基于面域方式,基于层方式,基于栅格方式,2、多通道/多波段影像完全数据结构,BIP结构,BIL结构,3、压缩栅格数据结构
11、游程长度编码结构（之一）,(0,5),(4,3)(0,3),(4,5)(0,2),(4,4),(8,2)(0,2),(4,3),(8,3)(2,2),(4,2),(8,4)(2,3),(4,1),(8,4)(2,4),(8,4)(2,4),(8,4),（si，li）,游程长度编码结构（之二）,(0,5),(4,8)(0,3),(4,8)(0,2),(4,6),(8,8)(0,2),(4,5),(8,8)(2,2),(4,4),(8,8)(2,3),(4,4),(8,8)(2,4),(8,8)(2,4),(8,8),（si，posi）,四叉树结构 栅格单元数满足2n2n，递归分割，直到每一区间相
12、同或不可再分割。常规四叉树主要在数据索引和图幅索引等方面应用,链码结构 链码数据结构首先采用弗里曼（Freeman）码对栅格中的线或多边形边界进行编码，然后再组织为链码结构。,起始点,4,5,5,6,7,0,1,2,2,2,起始点,链码结构文件,其他结构,2、TIN数据结构（以三角形为基本对象）,1,3,4,5,6,2,1,2,6,8,5,4,3,7,9,12,7,11,TIN网图,三角形拓扑文件,点文件,2、TIN数据结构（以结点为基本对象）,1,3,4,5,6,2,1,2,6,8,5,4,3,7,9,12,7,11,TIN网图,连接点文件,点文件,矢量与栅格数据的比较,思考与作业：,1.复习链式编码、游程长度编码、四叉树编码方法，掌握编码方法及其应用。2.复习实体编码、索引编码、双重独立编码，掌握编码方法及其应用。3.分析栅格与矢量两种数据结构方式在存储效率方面的优劣。,
