空間數(shù)據(jù)模型邏輯模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PPT課件

1、 本講內(nèi)容本講內(nèi)容1.空間數(shù)據(jù)邏輯模型2.空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 第1頁/共67頁三大基本特征：空間、時間、專題屬性三大基本特征：空間、時間、專題屬性第2頁/共67頁SAGA-SystemforAutomatedGeoscientificAnalyses第3頁/共67頁3.4 空間數(shù)據(jù)邏輯模型 空間數(shù)據(jù)邏輯模型作為概念模型向物理模型轉(zhuǎn)換的橋梁，根據(jù)概念模型確定的空間信息內(nèi)容，以計算機能理解和處理的形式具體地表達空間實體及其關(guān)系。第4頁/共67頁3.4 空間數(shù)據(jù)邏輯模型 1.針對對象模型和場模型兩類概念模型，一般采用： 矢量數(shù)據(jù)模型 柵格數(shù)據(jù)模型 鑲嵌數(shù)據(jù)模型 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型2.另外，還有三維空間數(shù)據(jù)模

2、型、時空數(shù)據(jù)模型等第5頁/共67頁空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)進行歸類劃分0點：零維0線：一維0面：二維0體：三維0時間：通常以第四維表達，但目前GIS還很難處理時間屬性?？臻g對象的維數(shù)與比例尺是相關(guān)的第6頁/共67頁道路的維數(shù)與尺度第7頁/共67頁道路的維數(shù)與尺度第8頁/共67頁1、矢量數(shù)據(jù)模型 矢量數(shù)據(jù)模型起源于“Spaghetti模型 ”一種計算機制圖模型電力塔電力塔56100005810000楊樹林楊樹林65750006555000松樹林松樹林2314河流河流56實體類型實體類型實體實體ID類別類別位置位置點點5電力塔電力塔x1, y1點點6電力塔電力塔x1, y1線線4

3、河流河流x1, y1；x2, y2；xn, yn多邊形多邊形1楊樹林楊樹林x1, y1；x2, y2；xn, yn; x1, y1多邊形多邊形2楊樹林楊樹林x1, y1；x2, y2；xn, yn; x1, y1多邊形多邊形3松樹林松樹林x1, y1；x2, y2；xn, yn; x1, y1第9頁/共67頁矢量表達法第10頁/共67頁矢量拓撲型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第11頁/共67頁以上圖為例，列出拓撲數(shù)據(jù)的弧段文件格式以上圖為例，列出拓撲數(shù)據(jù)的弧段文件格式第12頁/共67頁 2、柵格數(shù)據(jù)模型點點面面線線第13頁/共67頁 柵格數(shù)據(jù)模型：柵格單元的定義 一個完整的柵格模型需要以下幾個參數(shù)：柵格形狀；柵格單

4、元尺寸大小/分辨率；柵格原點 ；柵格的傾角； 列列行行西南角格網(wǎng)坐標(biāo)西南角格網(wǎng)坐標(biāo)（XWS，YWS）格網(wǎng)分辨率格網(wǎng)分辨率X柵格形狀柵格形狀Y第14頁/共67頁空空間間對對象象的的柵柵格格數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)模模型型第15頁/共67頁柵格數(shù)據(jù)模型：數(shù)據(jù)分層土壤地貌森林建筑物ZYX第16頁/共67頁1.柵格數(shù)據(jù)模型中，點實體是一個柵格單元（cell）或像元，線實體由一串彼此相連的柵格構(gòu)成，面實體則由一系列相鄰的柵格構(gòu)成；每個柵格對應(yīng)于一個或一組表示該實體的類型、等級等特征;2.柵格單元的形狀通常是正方形，有時也采用矩形。柵格的行列信息和原點的地理位置被記錄在每一層中;3.柵格的空間分辨率確定了描述空間現(xiàn)象的精

5、細程度;4.若需要描述統(tǒng)一地理空間的不同屬性，則按不同的屬性將數(shù)據(jù)分層，每層描述一種屬性。第17頁/共67頁例圖：第18頁/共67頁土地類型（柵格）第19頁/共67頁 柵格數(shù)據(jù)模型：柵格單元大小SL21L第20頁/共67頁柵格數(shù)據(jù)模型：單元值確定 P41CAB面積占優(yōu)重要性A連續(xù)分布地理要素C具有特殊意義的較小地物A分類較細、地物斑塊較小中心點v氣溫?v針葉林、闊葉林?v礦產(chǎn)?vv如何避免混合像元?v縮小柵格面積?v增加?xùn)鸥窨倲?shù)?v第21頁/共67頁 4、鑲嵌數(shù)據(jù)模型 鑲嵌（Tessellation）數(shù)據(jù)模型采用規(guī)則或不規(guī)則的小面塊集合來逼近自然界不規(guī)則的地理單元，適合于用場模型抽象的地理現(xiàn)象

6、； 通過描述小面塊的幾何形態(tài)、相鄰關(guān)系及面塊內(nèi)屬性特征的變化來建立空間數(shù)據(jù)的邏輯模型； 小面塊之間不重疊且能完整鋪滿整個地理空間； 根據(jù)面塊的形狀，鑲嵌數(shù)據(jù)模型可分為1.規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型2.不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型第22頁/共67頁 規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型第23頁/共67頁David,2002Dutton,2000第24頁/共67頁TIN不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型第25頁/共67頁第26頁/共67頁12341234123412341234最大空圓準(zhǔn)則方案一方案二Delaunay三角網(wǎng)第27頁/共67頁TIN和和Voronoi多邊形數(shù)據(jù)模型多邊形數(shù)據(jù)模型第28頁/共67頁第29頁/共67頁 5、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 面

7、向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型應(yīng)用面向?qū)ο蠓椒枋隹臻g實體及其相互關(guān)系，特別適合于采用對象模型抽象和建模的空間實體的表達。 地理空間的實體或現(xiàn)象可看作對象或其實例； 一個對象是由描述該對象狀態(tài)的一組數(shù)據(jù)和表達它的行為的一組操作（方法）組成的：例如，河流的坐標(biāo)數(shù)據(jù)描述了它的位置和形狀，而河流的變遷則表達了它的行為。 面向?qū)ο蠹夹g(shù)將對象的屬性和方法進行封裝（encapsulation），另外還有分類（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、聯(lián)合（association）等對象抽象技術(shù)以及繼承（inheritance）和傳播（propagation）等強

8、有力的抽象工具 ；第30頁/共67頁第31頁/共67頁面向?qū)ο蟮囊孛枋?. 編碼：區(qū)別不同的實體，包括分類碼和識別碼。分類 碼 表識空間對象的類別，而識別碼對每個空間對象進行表識，是唯一的。2. 位置：坐標(biāo)形式給出空間對象的空間位置3. 類型：空間對象所屬的實體類型，或有那些實體組成4. 行為：空間對象所具備的行為和功能5. 屬性：空間對象所對應(yīng)的非幾何信息6. 說明：實體數(shù)據(jù)來源、精度等7. 關(guān)系：與其他實體之間的關(guān)系第32頁/共67頁第33頁/共67頁第34頁/共67頁第35頁/共67頁幾何抽象類幾何抽象類點點曲線曲線表面表面地理空間參考系地理空間參考系幾何集合幾何集合線串類線串類直線段

9、直線段線性環(huán)線性環(huán)-1-多邊形多邊形多邊形集合多邊形集合曲線集合曲線集合表面集合表面集合點集合點集合-1-1-線串集合線串集合-1-1-1Open GIS面向?qū)ο罂臻g實體模型面向?qū)ο罂臻g實體模型表示“is a”概括關(guān)系表示“has a”聚集關(guān)系第36頁/共67頁ArcGIS面向?qū)ο罂臻g實體模型面向?qū)ο罂臻g實體模型第37頁/共67頁對象對象2 2對象對象1 1面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型對象對象ID坐標(biāo)幾何坐標(biāo)幾何屬性屬性方法方法對象對象1對象對象2第38頁/共67頁6、三維空間數(shù)據(jù)模型第39頁/共67頁地理空間目標(biāo)的分類(據(jù)吳立新教授) 地上實體基礎(chǔ)設(shè)施壩體、邊坡、橋梁、管線、輸電線塔等房

10、屋建筑村莊民房、城市公寓、高樓大廈、會館廠房、文物古塔、雕塑等自然地物古樹、景觀樹、雪花、云霧、泥石流、熔巖流等地球表面地形特征土壤、山脈、丘壑等地貌特征河流湖泊、各類道路、植被耕地等 地下實體地質(zhì)體巖層、礦體、油氣藏、斷層、褶曲等地下自然空間暗河、巖溶洞等地下人工空間城市地下溝、地鐵、防空洞，礦山井巷，隧道硐室，軍事掩體等第40頁/共67頁（1）表面模型）表面模型(Surface model) 側(cè)重于三維空間表面的表示,如地形表面,地質(zhì)層面等,通過表面表示形成三維空間目標(biāo)表示,其優(yōu)點是便于顯示和數(shù)據(jù)更新,不足之處是空間分析難以進行。 （2）體模型）體模型(Volume model)側(cè)重于三維

11、空間體的表示,如水體,建筑物等,通過對體的描述實現(xiàn)三維空間目標(biāo)表示。其優(yōu)點是適于空間操作和分析,但存儲空間占用較大,計算速度也較慢。（3）混合模型（）混合模型（(Hybrid Model) 為了解決應(yīng)用性問題，目前多是將多種模型進行集成（面模型與體模型及體模型與體模型），從而更好地為實現(xiàn)顯示與分析功能服務(wù)。第41頁/共67頁第42頁/共67頁面模型面模型體模型體模型混合模型混合模型規(guī)則體元規(guī)則體元非規(guī)則體元非規(guī)則體元不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)結(jié)構(gòu)實體幾何(CSG)四面體格網(wǎng)(TEN)TIN-CSG混合格網(wǎng)(Grid)體素(Voxel)金字塔(Pyramid)TIN-Octree 混合邊界表示模型八

12、叉樹(Octree)三棱柱(TP)WireFrame-Block 混合線框(或相連切片)針體(Needle)地質(zhì)細胞Octree-TEN 混合斷面(Section)規(guī)則塊體非規(guī)則塊體斷面-三角網(wǎng)混合實體(Solid)多層DEMs3D Voronoi 圖廣義三棱柱(GTP)3D3D空間數(shù)據(jù)模型分類空間數(shù)據(jù)模型分類第43頁/共67頁規(guī)規(guī)則則體體元元模模型型第44頁/共67頁非規(guī)則體元模型非規(guī)則體元模型第45頁/共67頁三維TIN第46頁/共67頁 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指對空間數(shù)據(jù)邏輯模型描述的數(shù)據(jù)組織關(guān)系和編排方式，對地理信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲、查詢檢索和應(yīng)用分析等操作處理的效率有著至關(guān)重要的影響。 同一空

13、間數(shù)據(jù)邏輯模型往往采用多種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如游程長度編碼結(jié)構(gòu)、四叉樹結(jié)構(gòu)都是柵格數(shù)據(jù)模型的具體實現(xiàn)。4.1 矢量空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第47頁/共67頁空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)邏輯模型與數(shù)據(jù)文件格式間的橋梁選擇一種數(shù)據(jù)邏輯模型對空間數(shù)據(jù)進行描述一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對該模型進行表達一種適合記錄該結(jié)構(gòu)的文件格式第48頁/共67頁4.1 矢量空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對矢量數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)的組織。它直接以幾何空間坐標(biāo)為基礎(chǔ)，記錄實體坐標(biāo)及其關(guān)系，盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體，允許任意位置、長度和面積的精確定義。標(biāo)識碼標(biāo)識碼屬性屬性空間對象編碼唯一連接幾何和屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫獨立編碼點點: ( x ,y )線線: (

14、 x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn )面面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 )點位字典點點: 點號文件線線: 點號串面面: 點號串點號XY1112223344n5566幾何幾何 位置位置第49頁/共67頁1、實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)/spaghetti數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 多邊形多邊形ID坐標(biāo)坐標(biāo)類別碼類別碼A（x1，y1），（），（x2，y2），（），（x3，y3），（），（x4，y4），（），（x5，y5），（），（x6，y6），（），（x7，y7），），（x8，y8），（），（x1，y1）A102B（x1，y1），（），（x

15、8，y8），（），（x7，y7），（），（x13，y13），（），（x12，y12），（），（x11，y11），（），（x10，y10），（），（x9，y9），（），（x1，y1）B203C（x20，y20），（），（x25，y25），（），（x24，y24），），（x23，y23），（），（x22，y22），（），（x21，y21），），（x20，y20）A178D（x5，y5），（），（x19，y19），（），（x18，y18），（），（x17，y17），（），（x16，y16），（），（x15，y15），（），（x14，y14），（），（x7，y7），（），（x6，y6），（），（x5，

16、y5）C523點號點號坐標(biāo)坐標(biāo)1x1，y12x2，y23x3，y34x4，y425x25，y25多邊形多邊形ID點號串點號串類別碼類別碼A1,2,3,4,5,6,7,8,1A102B7,8,1,9,10,11,12,13,7B203C20,21,22,23,24,25,20A178D7,13,15,16,17,18,19,5,6,7C523多邊形數(shù)據(jù)文件多邊形數(shù)據(jù)文件點數(shù)據(jù)文件點數(shù)據(jù)文件多邊形文件多邊形文件原始多邊形數(shù)據(jù)原始多邊形數(shù)據(jù)1285431817161514131211109720D1925242221623CBAcfgabde第50頁/共67頁 2、拓撲空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 拓撲空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

17、沒有固定的格式，還沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，但基本原理相同； 拓撲空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的共同的特點是：點是相互獨立的，點連成線，線構(gòu)成面；每條線始于起始結(jié)點，止于終止結(jié)點，并與左右多邊形相鄰接。 拓撲空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有：索引式雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)鏈狀雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)等。 第51頁/共67頁索引式拓撲空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)原始多邊形數(shù)據(jù)原始多邊形數(shù)據(jù)1285431817161514131211109720D1925242221623CBAcfgabdefedgdcbebaDCBA多邊形與線之間索引多邊形與線之間索引20 21 22 23 24 2513 14 15 16 17 18 1956713719 10 11 12 131

18、2345abcdefg187點與線之間的樹狀索引點與線之間的樹狀索引第52頁/共67頁索引式拓撲空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點點ID坐標(biāo)坐標(biāo)1x1,y1原始多邊形數(shù)據(jù)原始多邊形數(shù)據(jù)1285431817161514131211109720D1925242221623CBAcfgabde邊邊ID組成的點組成的點IDa1,2,3,4,5多邊形多邊形ID組成的邊組成的邊IDAa,b,c點文件點文件邊文件邊文件多邊形文件多邊形文件第53頁/共67頁雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)/DIME（Dual Independent Map Encoding）碼 a1cbdef234567891011kijhgl線號線號左多邊形左多邊形右多邊形

19、右多邊形起點起點終點終點aIII12bIII23cIII34dIIIII56eIIIII67fIIIII75g0II48h0II89i0II91j0II110k0II1011l0II114線文件線文件OO第54頁/共67頁鏈狀雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)（之一）多邊形ID弧段號屬性Aa,b,eBc,d,bCgDf,e,d,-g原始多邊形數(shù)據(jù)原始多邊形數(shù)據(jù)1285431817161514131211109720D1925242221623CBAcfgabde弧段ID起始點終結(jié)點左多邊形右多邊形a51QAb71ABc113QBd137DBe75DAf135QDg2525DC弧段ID點號弧段ID點號a5,4,3

20、,2,1e7,6,5b7,8,1f13,14,15,16,17,18,19,5c1,9,10,11,12,13g25,20,21,22,23,24,25d13,7點號坐標(biāo)1（x1，y1）2（x2，y2）25（x25，y25）第55頁/共67頁鏈狀雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)（之二）多邊形ID弧段號屬性Aa,b,eBc,d,bCgDf,e,d,-g原始多邊形數(shù)據(jù)原始多邊形數(shù)據(jù)1285431817161514131211109720D1925242221623CBAcfgabde弧段ID起始點終結(jié)點左多邊形右多邊形a51QAb71ABc113QBd137DBe75DAf135QDg2525DC弧段ID坐標(biāo)串弧

21、段ID坐標(biāo)串a(chǎn)ebfcgd弧段坐標(biāo)文件弧段坐標(biāo)文件弧段拓撲文件弧段拓撲文件多邊形拓撲文件多邊形拓撲文件第56頁/共67頁4.2 柵格空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1、完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層層2屬性值屬性值層層N屬性值屬性值數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件柵格柵格1x坐標(biāo)坐標(biāo)y坐標(biāo)坐標(biāo)層層1屬性值屬性值柵格柵格2柵格柵格N柵格柵格N數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件層層1層層2層層N柵格柵格1柵格柵格2x坐標(biāo)坐標(biāo)y坐標(biāo)坐標(biāo)屬性值屬性值數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件層層1層層2層層N多邊形多邊形1多邊形多邊形2多邊形多邊形N屬性值屬性值柵格柵格1坐標(biāo)坐標(biāo)柵格柵格2坐標(biāo)坐標(biāo)柵格柵格N坐標(biāo)坐標(biāo)基于面域方式基于面域方式基于層方式基于層方式基于柵格方式基于柵格方式第57頁

22、/共67頁 2、多通道/多波段影像完全數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BIP結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)BIL結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)影像文件影像文件頭頭第第1行第行第1列像元列像元波段波段1亮度值亮度值波段波段2亮度值亮度值波段波段n亮度值亮度值第第1行第行第N列像元列像元第第1行第行第2列像元列像元第第M行第行第N列像元列像元BSQ結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)影像文件影像文件頭頭第第2行第行第1列亮度值列亮度值波段波段2波段波段1第第1行第行第1列亮度值列亮度值第第1行第行第2列亮度值列亮度值第第1行第行第N列亮度值列亮度值第第2行第行第N列亮度值列亮度值第第M行第行第1列亮度值列亮度值第第M行第行第N列亮度值列亮度值波段波段n影像文件頭影像文件頭第第1行第行第1列亮

23、度值列亮度值波段波段n波段波段1第第1行第行第1列亮度值列亮度值第第1行第行第2列亮度值列亮度值第第1行第行第N列亮度值列亮度值第第2行第行第1列亮度值列亮度值第第1行第行第N列亮度值列亮度值波段波段2波段波段1波段波段n第58頁/共67頁3、壓縮柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 游程長度編碼結(jié)構(gòu)（之一）0000044400044444004444880044488822448888222488882222888822228888(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） 第59頁/共67頁游程長度編碼結(jié)構(gòu)（之二）0000044400044444004444880044488822448888222488882222888822228888(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)