地理信息系統(tǒng)3 矢量數(shù)據(jù)模型

1、 原始數(shù)據(jù)（Primary data） 次生數(shù)據(jù) (Secondary data) 原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GISs和RSIPS（遙感影像處理系統(tǒng)）處理后都可以轉(zhuǎn)化為次生數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)主要包括各種地圖數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。對(duì)于大多數(shù)地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它們常用的是各種類型的次生數(shù)據(jù)。 原始地球物理、地球化學(xué)和其它有關(guān)地球的技術(shù)數(shù)據(jù)，都是通過(guò)數(shù)字記錄儀器來(lái)采集的。這些數(shù)據(jù)的樣點(diǎn)觀測(cè)方式，或者是在自然地理位置上的測(cè)量或者是在實(shí)驗(yàn)室對(duì)于采集樣本的測(cè)量。在許多情況下，采樣點(diǎn)的地理位置是根據(jù)地形圖來(lái)確定的，而地形圖上各點(diǎn)的位置坐標(biāo)則能夠以數(shù)字化表格的形式記錄，或者直接利用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)行測(cè)量。

2、 當(dāng)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解釋、編輯和處理后，它們將轉(zhuǎn)化為次生數(shù)據(jù)。常用的次生地球科學(xué)數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為諸如地圖、表格以及空間信息的地學(xué)編碼等形式。 地理空間的表達(dá)是地理數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析的基礎(chǔ)。地理空間的表達(dá)方法包括矢量、柵格、三角形不規(guī)則網(wǎng)、Voronoi等幾類。以此為基礎(chǔ)，可以構(gòu)造地理空間各種不同的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。)22() 1(),),.(,(),() 12() 1(),(),.,(),(2221112211nzyxzyxzyxnyxyxyxnnnnn (1)(1)坐標(biāo)序列中的坐標(biāo)序列中的（x1，y1）和）和（xn，yn）統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為首結(jié)點(diǎn)和末結(jié)點(diǎn)）。位于首尾結(jié)點(diǎn)首結(jié)點(diǎn)和末結(jié)點(diǎn)）。位于首

3、尾結(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)（間的點(diǎn)（x1，y1），（），（x2，y2），），（，（xn-1，yn-1）為拐點(diǎn)或中間點(diǎn)或角點(diǎn)（見(jiàn)圖為拐點(diǎn)或中間點(diǎn)或角點(diǎn)（見(jiàn)圖(a)）；）； (2)首尾結(jié)點(diǎn)可以重合，即弧段首尾相接。相應(yīng)首尾結(jié)點(diǎn)可以重合，即弧段首尾相接。相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為的數(shù)學(xué)表達(dá)式為(圖圖(b)： x1 = xn，y1= yn （3）弧段不能與自身相交?；《尾荒芘c自身相交。如果相交，需以交如果相交，需以交點(diǎn)為界把弧段分為點(diǎn)為界把弧段分為幾個(gè)一維矢量（見(jiàn)圖幾個(gè)一維矢量（見(jiàn)圖(c)(c)）。）。在圖在圖 (c)(c)中，弧段數(shù)為中，弧段數(shù)為3 3，而不是，而不是1 1。三個(gè)弧段分。三個(gè)弧段分別為別為AK,KBCDE

4、FGHK,KIJAK,KBCDEFGHK,KIJ。長(zhǎng)度：從起點(diǎn)到終點(diǎn)的總長(zhǎng)。長(zhǎng)度：從起點(diǎn)到終點(diǎn)的總長(zhǎng)。彎曲度：表示像道路拐彎時(shí)彎曲的程度彎曲度：表示像道路拐彎時(shí)彎曲的程度。方向性：開(kāi)始于首結(jié)點(diǎn)，結(jié)束于末結(jié)點(diǎn)。方向性：開(kāi)始于首結(jié)點(diǎn)，結(jié)束于末結(jié)點(diǎn)。如河流中的水流方向，高速公路允許的車如河流中的水流方向，高速公路允許的車流方向等等。流方向等等。 弧段在結(jié)點(diǎn)處的相互聯(lián)接關(guān)系。每個(gè)弧段都有一個(gè)起始端弧段在結(jié)點(diǎn)處的相互聯(lián)接關(guān)系。每個(gè)弧段都有一個(gè)起始端點(diǎn)和一個(gè)終止端點(diǎn)，從起始端點(diǎn)到終止端點(diǎn)表示了弧段的方向，點(diǎn)和一個(gè)終止端點(diǎn)，從起始端點(diǎn)到終止端點(diǎn)表示了弧段的方向，而所有弧段的端點(diǎn)序列則定義了弧段與結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)

5、系，空間而所有弧段的端點(diǎn)序列則定義了弧段與結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系，空間拓?fù)潢P(guān)系分析就是通過(guò)在端點(diǎn)序列中尋找弧段之間的共同結(jié)點(diǎn)拓?fù)潢P(guān)系分析就是通過(guò)在端點(diǎn)序列中尋找弧段之間的共同結(jié)點(diǎn)來(lái)判斷弧段與弧段之間是否存在連接性。來(lái)判斷弧段與弧段之間是否存在連接性。 地理空間實(shí)體對(duì)象空間實(shí)體對(duì)象之間的空間相互作用關(guān)系空間相互作用關(guān)系?？臻g關(guān)系分為三大類：拓?fù)淇臻g關(guān)系拓?fù)淇臻g關(guān)系（Topological Spatial Relationship）：描述空間實(shí)體之間的相鄰、包含和相交等空間關(guān)系。 度量空間關(guān)系度量空間關(guān)系(Metric Spatial Relationship)：描述空間實(shí)體的距離或遠(yuǎn)近等關(guān)系。距離是定量

6、描述，而遠(yuǎn)近則是定性描述。順序空間關(guān)系順序空間關(guān)系（Order Spatial Relationship）：描述空間實(shí)體之間在空間上的排列次序，如實(shí)體之間的前后、左右和東南西北等方位關(guān)系。 目前對(duì)前兩者的研究較成熟，算法也較簡(jiǎn)單；后者的判別方法較復(fù)雜，尤其在三維歐氏空間中。 。 面面- -點(diǎn)空間關(guān)系的形式化表達(dá)：點(diǎn)空間關(guān)系的形式化表達(dá)： 例如，表示地表高程的空間數(shù)據(jù)可以：例如，表示地表高程的空間數(shù)據(jù)可以：選用進(jìn)行組織，柵格模型選用游程編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，處理后的數(shù)據(jù)則以諸如后綴名為.COT的文件進(jìn)行存儲(chǔ)；可用來(lái)組織，即以等高線來(lái)表示，數(shù)據(jù)以POLYVRT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行安排，以DLG(Digi

7、tal Line Graph)文件格式存儲(chǔ)；模型也能很好地表達(dá)高程數(shù)據(jù)。 三維矢量示意圖 不規(guī)則三角網(wǎng)的表達(dá)方法鑲嵌模型示意圖 TINTIN模型模型 數(shù)據(jù)點(diǎn)三角形邊三角形圖 TIN模型 圖A 不規(guī)則三角網(wǎng) 圖B 與TIN有關(guān)的特殊空間對(duì)象 1）Spaghetti結(jié)構(gòu) (a)多邊形、弧段、結(jié)點(diǎn)（自上到下）多邊形、弧段、結(jié)點(diǎn)（自上到下） 多邊形多邊形 弧段弧段 弧段弧段 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn) P1 a4 a5 a6 a1 N1 N2 P2 a1 a8 a5 a2 N2 N4 P3 a3 a6 a7 a3 N4 N5 P4 a2 a7 a8 a4 N1 N5 a5 N1 N3 a6 N3 N5 a7 N3 N4

8、 a8 N2 N3（b）結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形）結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn) 弧段弧段N1 a1 a4 a5N2 a1 a2 a8N3 a5 a6 a7 a8N4 a2 a3 a7N5 a3 a4 a6 弧段弧段 左多邊形左多邊形 右多邊形右多邊形 a1 0 P2 a2 0 p4 a3 0 p3 a4 p1 0 a5 p2 p1 a6 p3 p1 a7 p4 p3 a8 p4 p2 弧段弧段 起結(jié)點(diǎn)起結(jié)點(diǎn) 終結(jié)點(diǎn)終結(jié)點(diǎn) 左多邊形左多邊形 右多邊形右多邊形 坐標(biāo)坐標(biāo) a1 N1 N2 0 P2 a2 N2 N4 0 p4 a3 N4 N5 0 p3 a4 N1 N5 p1 0 a5 N1 N3 p2

9、p1 a6 N3 N6 p3 p1 a7 N3 N4 p4 p3 a8 N2 N3 p4 p2。 依據(jù)地理實(shí)體之間不同特征（如因公路和鐵路的建造依據(jù)地理實(shí)體之間不同特征（如因公路和鐵路的建造方式不同而將它們視為不同的類）、相似特征（如因公路方式不同而將它們視為不同的類）、相似特征（如因公路和鐵路都具有運(yùn)輸功能而將它們視為一類）以及不同地理和鐵路都具有運(yùn)輸功能而將它們視為一類）以及不同地理實(shí)體的組合特征（如飛機(jī)跑道、出租車道、建筑樓群和停實(shí)體的組合特征（如飛機(jī)跑道、出租車道、建筑樓群和停車場(chǎng)共同組成飛機(jī)場(chǎng)）來(lái)對(duì)地理特征進(jìn)行分類，以實(shí)現(xiàn)空車場(chǎng)共同組成飛機(jī)場(chǎng)）來(lái)對(duì)地理特征進(jìn)行分類，以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的組

10、織。間數(shù)據(jù)的組織。 上表中每一條道路都有一組屬性對(duì)其進(jìn)行描述，這樣上表中每一條道路都有一組屬性對(duì)其進(jìn)行描述，這樣的表被稱為屬性表。屬性表中每一行都是一個(gè)記錄，它的表被稱為屬性表。屬性表中每一行都是一個(gè)記錄，它包含了針對(duì)某個(gè)空間實(shí)體的描述信息；表中每一列稱為包含了針對(duì)某個(gè)空間實(shí)體的描述信息；表中每一列稱為信息描述的一個(gè)項(xiàng)。信息描述的一個(gè)項(xiàng)。 空間特征數(shù)據(jù)的表達(dá)方式包括各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)為點(diǎn)、空間特征數(shù)據(jù)的表達(dá)方式包括各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)為點(diǎn)、線、面等各種圖形符號(hào)信息；屬性特征數(shù)據(jù)的表達(dá)方式包括基線、面等各種圖形符號(hào)信息；屬性特征數(shù)據(jù)的表達(dá)方式包括基于地理特征（包括空間特征和屬性特征）的多種分類

11、關(guān)系的表于地理特征（包括空間特征和屬性特征）的多種分類關(guān)系的表格。格。 GISs正是通過(guò)建立空間特征數(shù)據(jù)的圖形符號(hào)表達(dá)與屬性正是通過(guò)建立空間特征數(shù)據(jù)的圖形符號(hào)表達(dá)與屬性特征數(shù)據(jù)的表格表達(dá)之間的聯(lián)系，才具備了強(qiáng)大的空間分析能特征數(shù)據(jù)的表格表達(dá)之間的聯(lián)系，才具備了強(qiáng)大的空間分析能力。力。多邊形拓?fù)潢P(guān)系表與多邊形屬性表之間的聯(lián)系一個(gè)空間特征可以具有多個(gè)屬性特征描述 GISs中對(duì)實(shí)體（對(duì)象）的描述一般包括三種基本中對(duì)實(shí)體（對(duì)象）的描述一般包括三種基本信息：語(yǔ)義信息、量度信息和關(guān)系結(jié)構(gòu)信息。語(yǔ)義信息信息：語(yǔ)義信息、量度信息和關(guān)系結(jié)構(gòu)信息。語(yǔ)義信息表明實(shí)體的類型，量度信息用于描述實(shí)體的形狀和位置表明實(shí)體的

12、類型，量度信息用于描述實(shí)體的形狀和位置等幾何屬性，關(guān)系結(jié)構(gòu)信息用于描述一個(gè)實(shí)體與其它實(shí)等幾何屬性，關(guān)系結(jié)構(gòu)信息用于描述一個(gè)實(shí)體與其它實(shí)體的聯(lián)系。體的聯(lián)系。 空間數(shù)據(jù)的編碼則主要是指語(yǔ)義信息的數(shù)據(jù)化，它空間數(shù)據(jù)的編碼則主要是指語(yǔ)義信息的數(shù)據(jù)化，它是建立在地理特征的分類及其等級(jí)組織基礎(chǔ)之上的空間是建立在地理特征的分類及其等級(jí)組織基礎(chǔ)之上的空間信息數(shù)據(jù)編碼，用于表明實(shí)體元素在數(shù)據(jù)分類分級(jí)中的信息數(shù)據(jù)編碼，用于表明實(shí)體元素在數(shù)據(jù)分類分級(jí)中的隸屬關(guān)系和屬性性質(zhì)。隸屬關(guān)系和屬性性質(zhì)。 編碼方式：主碼編碼方式：主碼+子碼。其中，主碼表示實(shí)體元素子碼。其中，主碼表示實(shí)體元素類別，子碼則是對(duì)實(shí)體元素的標(biāo)識(shí)和描述

13、。類別，子碼則是對(duì)實(shí)體元素的標(biāo)識(shí)和描述。 ESRI矢量數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)介矢量數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)介1. Coverage 基于拓?fù)涞氖噶炕谕負(fù)涞氖噶繑?shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式Coverage是ArcInfo workstation的原生數(shù)據(jù)格式。稱之為“基于文件夾的存儲(chǔ)”。所有信息都以文件夾的形式來(lái)存儲(chǔ)。空間信息以二進(jìn)制文件的形式存儲(chǔ)在獨(dú)立的文件夾中，文件夾名稱即為該coverage名稱，屬性信息和拓?fù)鋽?shù)據(jù)則以INFO表的形式存儲(chǔ)。Coverage將空間信息與屬性信息結(jié)合起來(lái)，并存儲(chǔ)要素間的拓?fù)潢P(guān)系。 coverage二進(jìn)制文件與存儲(chǔ)屬性信息的 INFO 文件夾中的 INFO表聯(lián)合表達(dá)為 coverage，當(dāng)使用 A

14、rcCatalog 對(duì) coverage 進(jìn)行創(chuàng)建、移動(dòng)、刪除或重命名等操作時(shí)，ArcCatalog 將自動(dòng)維護(hù)他們的完整性，將 coverage和 INFO文件夾中的內(nèi)容同步改變。所以對(duì) coverage進(jìn)行操作，一定要在 ArcCatalog 中進(jìn)行。Coverage是一個(gè)集合，它可以包含一個(gè)或多個(gè)要素類。圖3中簡(jiǎn)要介紹了一下常見(jiàn)的coverage類型及其要素類。 2. Shapefile非拓?fù)涫噶糠峭負(fù)涫噶繑?shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)格式Shapefile是ArcView GIS 3.x 的原生數(shù)據(jù)格式，屬于簡(jiǎn)單要素類，用點(diǎn)、線、多邊形存儲(chǔ)要素的形狀，卻不能存儲(chǔ)拓?fù)潢P(guān)系，具有簡(jiǎn)單、快速顯示的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)

15、shapefile是由若干個(gè)文件組成的，空間信息和屬性信息分離存儲(chǔ)，所以稱之為“基于文件”。在 windows 資源管理器下，可以看見(jiàn)這個(gè)名為 actc 的 shapefile 是由 actc.shp、actc.shx、 actc.dbf三個(gè)文件組成。shapefile的三個(gè)基本文件，每個(gè) shapefile，都至少有這三個(gè)文件組成，其中：*.shp：存儲(chǔ)的是幾何要素的的空間信息，也就是 XY坐標(biāo)*.shx：存儲(chǔ)的是有關(guān)*.shp 存儲(chǔ)的索引信息。它記錄了在*.shp 中，空間數(shù)據(jù)是如何存儲(chǔ)的，XY 坐標(biāo)的輸入點(diǎn)在哪里，有多少XY坐標(biāo)對(duì)等信息*.dbf：存儲(chǔ)地理數(shù)據(jù)的屬性信息的 dBase 表

16、 這三個(gè)文件是一個(gè) shapefile 的基本文件。shapefile還可以有其他一些文件，但所有這些文件都與該 shapefile 同名，并且存儲(chǔ)在同一路徑下。下面簡(jiǎn)要介紹一下其他一些較為常見(jiàn)文件：*.prj：如果 shapefile 定義了坐標(biāo)系統(tǒng)，那么它的空間參考信息將會(huì)存儲(chǔ)在*.prj 文件中；*.shp.xml：這是對(duì) shapefile 進(jìn)行元數(shù)據(jù)瀏覽后生成的 xml 元數(shù)據(jù)文件*.sbn 和*.sbx：這兩個(gè)存儲(chǔ)的是 shapefile 的空間索引，它能加速空間數(shù)據(jù)的讀取。這兩個(gè)文件是在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作、瀏覽或連接后才產(chǎn)生的，也可以通過(guò) ArcToolbox Data Manage

17、ment Tools Indexes Add spatial Index 工具生成。當(dāng)使用ArcCatalog對(duì)shapefile進(jìn)行創(chuàng)建、移動(dòng)、刪除或重命名等操作，或使用ArcMap對(duì)shapefile進(jìn)行編輯時(shí)，ArcCatalog將自動(dòng)維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性，將所有文件同步改變。所以需要使用ArcCatalog管理shapefile。 雖然Shapefile無(wú)法存儲(chǔ)拓?fù)潢P(guān)系，但它并不是普通用于顯示的圖形文件，作為地理數(shù)據(jù)，它自身有拓?fù)涞?。比如一個(gè)多邊形要素類，shapefile會(huì)按順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樗乃许旤c(diǎn)排序，然后按頂點(diǎn)順序兩兩連接成的邊線向量，在向量右側(cè)的為多邊形的內(nèi)部，在向量左側(cè)的是多邊形

18、的外部。 3.Geodatabase 基于對(duì)象的矢量數(shù)據(jù)格式基于對(duì)象的矢量數(shù)據(jù)格式Geodatabase體現(xiàn)了很多第三代地理數(shù)據(jù)模型的優(yōu)勢(shì)。帶有空間信息的地理數(shù)據(jù)也利用成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行管理。ESRI推出了geodatabase數(shù)據(jù)模型，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)高效安全地管理地理數(shù)據(jù)。 像shapefile一樣，Geodatabase使用點(diǎn)、線和多邊形表示基于矢量的空間要素。點(diǎn)要素可以是單一的一個(gè)點(diǎn)，也可以由多個(gè)點(diǎn)組成；聚合線由一系列線組成，線段之間可以相互連接或者不連接；多邊形要素由一個(gè)或多個(gè)環(huán)組成。Geodatabase將矢量數(shù)據(jù)組織成要素類和要素?cái)?shù)據(jù)集。要素類存儲(chǔ)具有相同幾何類型的空間要素；要素

19、數(shù)據(jù)集存儲(chǔ)具有相同坐標(biāo)系和區(qū)域范圍的要素類。如果一個(gè)要素類屬于Geodatabase，但不是要素集的一部分，稱為獨(dú)立要素類。此外，Geodatabase還能存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)、不規(guī)則三角網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、屬性表格等。Geodatabase可以分為三種：一是基于 Microsoft Access的personal geodatabase，稱為單用戶數(shù)據(jù)庫(kù)，以mdb為擴(kuò)展名。受到access存儲(chǔ)能力的限制，單個(gè)文件不能大于2GB。二是文件Geodatabase，以許多小文件的形式存儲(chǔ)在文件夾中，以gdb為擴(kuò)展名。沒(méi)有數(shù)據(jù)庫(kù)大小的限制，可以跨平臺(tái)作業(yè)。多用戶或者ArcSDE Geodatabase，在數(shù)據(jù)庫(kù)管

20、理系統(tǒng)如 Oracle、SQL Server、Informix 或者DB2 中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它需要中間件 ArcSDE 進(jìn)行連接，也被稱為 enterprise geodatabase。雖然底層使用的數(shù)據(jù)庫(kù)各不相同，但是 geodatabase 給用戶提供的是一個(gè)一致的操作環(huán)境。Geodatabase將拓?fù)涠x為關(guān)系規(guī)則，在要素?cái)?shù)據(jù)集中執(zhí)行。三種矢量數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)：Coverage： 基于拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于數(shù)據(jù)文件的組織，減少數(shù)據(jù)冗余。（如：相鄰的多邊形共享邊界只存儲(chǔ)一次，減少冗余，便于修改、維護(hù)）Shapefile：1 ）非拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能更快速地顯示；2 ）非拓?fù)鋽?shù)據(jù)具有非

21、專業(yè)性和互操作性，使其可以在不同軟件間通用。Geodatabase：1）Geodatabase的等級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)于數(shù)據(jù)組織和管理十分有利；2）Geodatabase是ArcObjects的一部分，具有面向?qū)ο蟮膬?yōu)勢(shì)；3 ） Geodatabase提供了即時(shí)拓?fù)?，適用于要素類內(nèi)的要素或者兩個(gè)、多個(gè)要素共同參與（如數(shù)據(jù)編輯、要素間關(guān)系等）；4）在ArcObjects中有許多對(duì)象、屬性、方法可供GIS用戶定制應(yīng)用，減少大量工作的重復(fù)性（如數(shù)據(jù)集的投影等）；5 ） ArcObjects提供了一個(gè)可以按照各行各業(yè)需要定制對(duì)象的模型?？梢詫@示世界中各個(gè)對(duì)象的不同屬性、行為定制到數(shù)據(jù)模型中（如交通對(duì)象等）。 2003年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(iso)制定和批準(zhǔn)了ISO19115“地理信息-元數(shù)據(jù)”強(qiáng)制性因素：數(shù)據(jù)集標(biāo)題、數(shù)據(jù)集參考日期、數(shù)據(jù)集語(yǔ)言、數(shù)據(jù)集主題分類、摘要、元數(shù)據(jù)聯(lián)系方式和元數(shù)據(jù)日戳。條件性因素：數(shù)據(jù)集責(zé)任方、地理位置坐標(biāo)、數(shù)據(jù)集特征集、空間分辨率、分布格式、空間表達(dá)類型、參照系統(tǒng)、譜系聲明、在線資源、元數(shù)據(jù)文件識(shí)別、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)名稱、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)版本、元數(shù)據(jù)語(yǔ)