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1、GIS原理与应用原理与应用|河海大学测绘科学与工程系河海大学测绘科学与工程系南京南京 江苏江苏第第4讲讲 矢量数据模型矢量数据模型葛葛 莹莹第第1周周 第第12周周内容提要内容提要从从GIS数据模型的分类着手数据模型的分类着手GIS数据模型数据模型矢量数据模型矢量数据模型-组织方式组织方式-表示方法表示方法地理关系模型地理关系模型Coverage模型模型地理对象关系模型地理对象关系模型Geodatabase模型模型GIS数据模型数据模型地理信息（地理信息（GI）分为两个部分）分为两个部分-空间数据（空间数据（spatial data）-表示地理要素的几何特征表示地理要素的几何特征-如，位置、形

2、状、面积、长度等如，位置、形状、面积、长度等-属性数据（属性数据（attribute data）-表示地理要素的非几何特征表示地理要素的非几何特征-如，河流名称、土地利用类型等如，河流名称、土地利用类型等ObjectIDPark_typePark_type_description10City park21Reservoir32Sports ComplexObjectIDShapeNameTypeAddress1PointChance Town Center0216 Manatee Ave2PointGold Valley11955 Iris Street3PointRiley Fields23

3、5453 Chestnut DrGIS数据模型数据模型GIS数据模型的组织方式数据模型的组织方式-矢量数据模型（矢量数据模型（vector）-非拓扑模型（非拓扑模型（Non-topological），如），如 shapefile-拓扑模型（拓扑模型（Topological）-简单模型（简单模型（Simple），如），如 coverage-高级模型（高级模型（High-level），如），如 TIN、分区、路径、分区、路径、geodatabase-栅格数据模型（栅格数据模型（raster）-如，如，ESRI Grid、Tiff、JPEG等等-属性数据模型属性数据模型-低层次，如低层次，如 dBa

4、se-中等层次，如中等层次，如 Access-高层次，如高层次，如 Oracle空间数据组织空间数据组织 GIS数据模型数据模型基本的空间数据模型基本的空间数据模型-矢量数据模型矢量数据模型(Vector)-栅格数据模型栅格数据模型(Raster)Real worldVectorRasterRaster data 连续的地理要素连续的地理要素ElevationImageryVegetationGIS数据模型全貌数据模型全貌AccessDBaseShapefileCoverageGeoDataBaseGISpatial DataAttribute DataAccessDBaseOther DBs

5、GridRasterIDRISIVectorTopologicalNon-TopologicalShapefileHigh levelData ModelsSimple DataTINObject OrientedCoverageRegionsDynamicsegmentationGeoDataBaseAccessDBaseShapefileCoverageGeoDataBaseGISpatial DataAttribute DataAccessDBaseOther DBsGridRasterIDRISIVectorTopologicalNon-TopologicalShapefileHigh

6、 levelData ModelsSimple DataTINObject OrientedCoverageRegionsDynamicsegmentationGeoDataBasePCWorkstationThe two flavors of coverages矢量数据模型矢量数据模型适用范围适用范围-现实世界中，离散的空间要素，如控制点、道路、湖泊等现实世界中，离散的空间要素，如控制点、道路、湖泊等 X,Y 坐标表示地理要素坐标表示地理要素 矢量数据特征矢量数据特征-经度和纬度经度和纬度-投影后投影后 X,Y 坐标坐标X0Y0X0X0Y0X0Y0(0,0)YX矢量数据模型矢量数据模型 明确

7、的空间位置和边界明确的空间位置和边界矢量数据模型矢量数据模型绝对位置表示绝对位置表示表示地理要素的表示地理要素的“绝对位置绝对位置”点：点：0维维-单个单个(x，y)坐标表示坐标表示-没有面积没有面积-如井、控制点等如井、控制点等线：线：1维维-两个以上两个以上(x，y)坐标点链接而成坐标点链接而成-如道路、河流等如道路、河流等面：面：2维维-三个以上坐标点，有序链接，且第一个三个以上坐标点，有序链接，且第一个和最后一个坐标点相同和最后一个坐标点相同-围成一个区域围成一个区域-如宗地、湖泊等如宗地、湖泊等矢量数据模型矢量数据模型相对位置表示相对位置表示表示地理要素之间的表示地理要素之间的“相对

8、位置相对位置”-空间关系空间关系-如，南师在河海对面，向前直走，左转，右转等如，南师在河海对面，向前直走，左转，右转等-现实生活中，比绝对位置更广泛现实生活中，比绝对位置更广泛采用采用“拓扑拓扑”表示表示-拓扑：研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质拓扑：研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质-以以“图论图论”为数学基础为数学基础-用用“图表图表”或或“图形图形”来描述几何对象排列及其相互关系来描述几何对象排列及其相互关系-GIS采用采用“图形图形”方式方式-用途：空间分析、导航等用途：空间分析、导航等矢量数据模型矢量数据模型拓扑元素拓扑元素拓扑元素拓扑元素4个基本的几何对

9、象个基本的几何对象-点（点（point）：表示点状地物要素）：表示点状地物要素-弧段（弧段（arc）：一个起点、一个终点及一系列中间点组成的一段）：一个起点、一个终点及一系列中间点组成的一段有向线有向线-节点（节点（node）：两条或多条弧段的连接点，或者一条弧段的一个端点）：两条或多条弧段的连接点，或者一条弧段的一个端点-多边形（多边形（polygon）：面状地物）：面状地物节点弧段点多边形矢量数据模型矢量数据模型拓扑关系拓扑关系拓扑关系拓扑关系几何对象间的几何对象间的3条相互关系条相互关系-连接性（连接性（connectivity）-弧段（弧段（arc）间通过节点（）间通过节点（node）

10、彼此连接在一起）彼此连接在一起-面定义面定义-由一系列彼此连接的弧段组成面由一系列彼此连接的弧段组成面-邻接性（邻接性（contiguity）-弧段有方向性，且有左多边形、右多边形弧段有方向性，且有左多边形、右多边形拓扑性质：连接性（拓扑性质：连接性（connectivity）Arc-node间的关系间的关系-2条以上的弧段通过条以上的弧段通过1个节点连接，如个节点连接，如 arc 3、4、5 通过通过 node 13-1条弧段连接条弧段连接2个节点，如个节点，如 arc 2连接连接node 11,12（说明方向）（说明方向）-如，节点如，节点13河海河海1号门，弧段号门，弧段3西康路，弧段西

11、康路，弧段5汉口西路，汉口西路，弧段弧段4虎踞路虎踞路汉口西路汉口西路西西康康路路虎虎踞踞路路拓扑性质：面定义拓扑性质：面定义Polygon-arc间的关系间的关系连接性连接性-1个个polygon由一系列连接的由一系列连接的arc组成，如组成，如 polygon c 由弧段由弧段2,4,9,6-如，河海校园可以用如，河海校园可以用 polygon F 表示表示-如，如，河海操场可以用河海操场可以用 polygon E 表示表示A=A=外围多边形外围多边形拓扑性质：邻接性（拓扑性质：邻接性（contiguity）Arc-polygon间的关系间的关系-2个多边形分享个多边形分享1个弧段，如多边

12、形个弧段，如多边形B和和F-Arc有方向，多边形分左、右有方向，多边形分左、右-如，西康路，由北向南，在河海如，西康路，由北向南，在河海1号门，左多边形号门，左多边形南师，南师，右多边形右多边形河海河海A=A=外围多边形外围多边形矢量数据模型矢量数据模型拓扑关系拓扑关系拓扑的好处拓扑的好处-保证地理数据的质量和完整性保证地理数据的质量和完整性-面定义面定义保证湖泊正确表示，否则湖泊决堤了保证湖泊正确表示，否则湖泊决堤了-连接性连接性保证道路正确表示，否则道路死胡同保证道路正确表示，否则道路死胡同-邻接性邻接性保证道路方向正确表示，否则单行线违规，罚款保证道路方向正确表示，否则单行线违规，罚款-

13、强化强化GIS空间分析空间分析-连接性、邻接性连接性、邻接性保证找到最短路径寻找保证找到最短路径寻找-导航导航-建立在拓扑关系基础上建立在拓扑关系基础上矢量数据模型矢量数据模型如何表示？如何表示？矢量数据模型变化最大，发展至今已经有三代矢量数据模型变化最大，发展至今已经有三代第一代：第一代：CAD模型模型-采用图形文件，组织地理信息采用图形文件，组织地理信息第二代：地理关系模型第二代：地理关系模型-采用关系模型，组织地理信息采用关系模型，组织地理信息-如，如，Coverage模型模型第三代：地理对象关系模型第三代：地理对象关系模型-采用对象关系模型，组织地理信息采用对象关系模型，组织地理信息-

14、如，如，Geodatabase模型模型矢量数据模型矢量数据模型CAD模型模型第一代：第一代：CAD模型模型-强调强调地理要素的几何特征（位置、地理要素的几何特征（位置、形状等）形状等）-用点、线、面表示地理要素，为用点、线、面表示地理要素，为了计算机存储了计算机存储-地图语言加工：注记、符号和色地图语言加工：注记、符号和色彩，为了图形可视化彩，为了图形可视化-按图层组织，方便计算机操作按图层组织，方便计算机操作-忽视忽视地理要素的非几何特征地理要素的非几何特征-没有数据库的支持没有数据库的支持-无法与地理要素的属性关联无法与地理要素的属性关联矢量数据模型矢量数据模型地理关系模型地理关系模型第二

15、代：地理关系模型第二代：地理关系模型-建模原因建模原因-源于关系数据库的出现，能表示任何事源于关系数据库的出现，能表示任何事物的特征，如土地属性物的特征，如土地属性-不再满足于只表现地理要素的几何特征不再满足于只表现地理要素的几何特征-建模三部曲建模三部曲-保留保留图形文件图形文件，存储地理要素的几何特，存储地理要素的几何特征征-引入引入关系数据库关系数据库，存储地理要素的非几，存储地理要素的非几何特征何特征-增加图形文件和关系数据库的增加图形文件和关系数据库的联动联动地理关系模型地理关系模型Coverage它脱胎于它脱胎于TIGER 数据模型数据模型TIGER-全称：全称：Topologic

16、ally Integrated Geographic Encoding and Referencing system-美国人口调查局推出美国人口调查局推出-规定：点（住址）、线（道路）规定：点（住址）、线（道路）和面（街区）的组织和面（街区）的组织重新用重新用“关系数据库关系数据库”组织数据组织数据门牌号码：左边门牌号码：左边600、700；右边；右边601、701街区号：左街区号：左58202，右，右58201Coverage模型模型点点LAB file：存储点的图形文件：存储点的图形文件WELL.PAT：存储属性的关系数据库：存储属性的关系数据库WELL#“链接链接”LAB file和和W

17、ELL.PATCoverage模型模型线线ARC file：线的几何数据组织：线的几何数据组织STREET.AAT：线的非几何数据组织：线的非几何数据组织STREET#“链接链接”ARC file和和STREET.AAT起始点终结点左多边形 右多边形北京西路北京西路Coverage模型模型节点节点STREET.NAT：节点的数据组织：节点的数据组织-RECNO#、STREET#：节点号，如节点：节点号，如节点2-ARC#：弧段号，如弧段：弧段号，如弧段4-STREET_ID：内部编码：内部编码-NUM_ARCS：节点上连接的弧段数，如节点：节点上连接的弧段数，如节点5上有上有3根弧段根弧段Co

18、verage模型模型面面LANDUSE.PAT-面的数据组织，如多边形面的数据组织，如多边形 3-面积、周长等基本属性面积、周长等基本属性-LU_CODE等非几何特征，如等非几何特征，如 AGR农业用地农业用地矢量数据模型矢量数据模型地理对象关系模型地理对象关系模型第三代：地理对象关系模型第三代：地理对象关系模型-建模原因建模原因-关系数据库表示复合要素时的缺关系数据库表示复合要素时的缺陷陷-源于对象关系数据库的出现，如源于对象关系数据库的出现，如一个记录表示一个记录表示建模方法建模方法-用户层：以面向对象思想来组织用户层：以面向对象思想来组织数据数据-计算机层：以关系数据库来组织计算机层：以

19、关系数据库来组织数据数据-中间层：增加一个转换机制，将中间层：增加一个转换机制，将用户语言用户语言“翻译翻译”成计算机语言成计算机语言北京西路北京西路查询查询“北京西路北京西路”-列出列出“弧段弧段1”、“弧段弧段5”、“弧弧段段6”、“弧段弧段7”地理对象关系模型地理对象关系模型与人的思维方式更接近与人的思维方式更接近-用用“对象对象”说明一个地理要素，如一条道路说明一个地理要素，如一条道路北京西路北京西路-按按“类类”组织，如组织，如Animals、Mammals、Fish；有层次；有层次类：具有相似属性的对象类：具有相似属性的对象AnimalsA head and a body,feed

20、 MammalsA head and a body,feedFour legs,sitFishA head and a body,feedFins,swim地理对象关系模型地理对象关系模型地理对象的组织地理对象的组织-几何性质的表示几何性质的表示Geometry类，类，Point类、类、Line类、类、Polygon类类-Point类、类、Line类、类、Polygon类类“继承继承”于于Geometry类类地理对象关系模型地理对象关系模型模型的特点模型的特点-空间数据和属性数据存储在一起，用空间数据和属性数据存储在一起，用BLOB表示空间数据，如表示空间数据，如Polygon BLOB，与属

21、性，与属性Category-一个空间要素与一系列一个空间要素与一系列“属性属性”和和“方法方法”相联系，如相联系，如Polygon1有属性有属性Category5等等地理对象关系模型地理对象关系模型类之间的关系类之间的关系-联合（联合（association）-聚合（聚合（aggregation）-合成（合成（composition）-类继承（类继承（type inheritance）-实例化（实例化（instantiation）地理对象关系模型地理对象关系模型联合联合-两个类之间的对应关系两个类之间的对应关系-如，如，1条道路有至少条道路有至少1个以上路灯个以上路灯地理对象关系模型地理对象关

22、系模型聚合聚合-整体和部分之间的关系整体和部分之间的关系-如，一件衣服有领子、袖子、前片、后片等组成如，一件衣服有领子、袖子、前片、后片等组成合成合成-整体和部分之间的关系，部分依附于整体，没有整体，就没整体和部分之间的关系，部分依附于整体，没有整体，就没有部分有部分-如，中国共产党和共产党员之间的关系如，中国共产党和共产党员之间的关系地理对象关系模型地理对象关系模型类继承类继承-父类与子类间的关系父类与子类间的关系-如建成区分为居民区、商业区、工业区如建成区分为居民区、商业区、工业区地理对象关系模型地理对象关系模型实例化实例化-一个类的对象由另一个类的对象创建一个类的对象由另一个类的对象创建

23、-如，高密度住宅区对象可以有住宅区对象生成如，高密度住宅区对象可以有住宅区对象生成地理对象关系模型地理对象关系模型GeodatabasePersonal Geodatabase-Single user editing-Stored in MS Access-Size limit of 2 GBFile Geodatabase-1 TB per table-Cross platformEnterprise Geodatabase-Stored in an enterprise DBMS-Supports multi-user editing via versioning-Extremely la

24、rge datasetsPersonal GeodatabaseEnterpriseGeodatabaseOracleSQL ServerDB2InformixPostgreSQLArcGISFile Geodatabase地理对象关系模型地理对象关系模型GeodatabasePersonal GDBFile GDBEnterprise gdb(3 Types)Cool GraphicStorage FormatMicrosoftAccessFolder ofbinary filesDBMSStorage capacity2 GB1 TBper table*Depends oneditionS

25、upported OS platformWindowsAny platformDepends oneditionNumber of usersSingle editorMultiple readersSingle editorMultiple readersMultiple editors&readers*By default;option to have 256 TB per table地理对象关系模型地理对象关系模型GeodatabasePersonal GDBFile GDBEnterprise gdb(3 Types)Cool GraphicStorage FormatMicrosof

26、tAccessFolder ofbinary filesDBMSStorage capacity2 GB1 TBper table*Depends oneditionSupported OS platformWindowsAny platformDepends oneditionNumber of usersSingle editorMultiple readersSingle editorMultiple readersMultiple editors&readers地理对象关系模型地理对象关系模型GeodatabasePersonal GDBFile GDBEnterprise gdb(3

27、 Types)Cool GraphicStorage FormatMicrosoftAccessFolder ofbinary filesDBMSStorage capacity2 GB1 TBper table*Depends oneditionSupported OS platformWindowsAny platformDepends oneditionNumber of usersSingle editorMultiple readersSingle editorMultiple readersMultiple editors&readers地理对象关系模型地理对象关系模型Geodat

28、abasePersonal GDBFile GDBEnterprise gdb(3 Types)Cool GraphicStorage FormatMicrosoftAccessFolder ofbinary filesDBMSStorage capacity2 GB1 TBper table*Depends oneditionSupported OS platformWindowsAny platformDepends oneditionNumber of usersSingle editorMultiple readersSingle editorMultiple readersMulti

29、ple editors&readers*By default;option to have 256 TB per tableGeodatabase数据结构数据结构 分为分为 feature class 和和 feature dataset 一种要素类仅存储相同的几何一种要素类仅存储相同的几何要素要素 一个要素集存储的要素类，它一个要素集存储的要素类，它们具有相同的坐标系统和地理们具有相同的坐标系统和地理范围范围 要素类可以不在要素数据集中要素类可以不在要素数据集中 独立要素类 Geodatabase 数据结构数据结构Feature ClassesFeature datasetSpatial r

30、eferenceRelationship classesTopologyGeometric networks Polygon Route Line Dimension Point Annotation Raster DatasetsNetwork datasetsTablesGeodatabaseFeature Dataset存放地理对象的容器存放地理对象的容器-相同的空间参照相同的空间参照类似于类似于 coverage-限制更少限制更少包含几何网络、拓扑、地形等包含几何网络、拓扑、地形等-关系类可选关系类可选Features and Feature Classes建立关系模型建立关系模型一个

31、要素是一个地理对象一个要素是一个地理对象一个要素是地理要素集的实例一个要素是地理要素集的实例扩展的关系模型扩展的关系模型-几何属性类型几何属性类型A feature class is a table of rows,where each row has a geographic columnObjects and Object Classes Tables属性表按照对象和对象类组织属性表按照对象和对象类组织-对象是具有属性和表现的实体对象是具有属性和表现的实体-一个对象是对象类的实例一个对象是对象类的实例-对象类的所有对象具有相同的属性和表现对象类的所有对象具有相同的属性和表现Geodatab

32、ase特点特点Point,lines,polygons-Single and multipart featuresText and surfacesFlexible coordinates-XY,Z,MOne record in feature class tableFeature with many partsRaster and Imagery支持多种数据格式支持多种数据格式-Tiff,bmp,GRID,among others表的属性域表的属性域Mosaic dataset-管理栅格数据管理栅格数据-Stored as a catalog,viewed as a mosaic-Advan

33、ced querying and processing拓扑规则拓扑规则Geodatabase的拓扑规则特点的拓扑规则特点-关系规则，存放在要素数据集关系规则，存放在要素数据集-即时拓扑即时拓扑使用时再建立，不再与地理要素捆绑使用时再建立，不再与地理要素捆绑定义了定义了25条拓扑规则，见下表条拓扑规则，见下表Topology rules in the geodatabase data modelFeature TypeRulePolygonmust not overlap,must not have gaps,must not overlap with,must be covered by fe

34、ature class of,must cover each other,must be covered by,boundary must be covered by,area boundary must be covered by boundary of,and contains pointLinemust not overlap,must not intersect,must not have dangles,must not have pseudo-nodes,must not intersect or touch interior,must not overlap with,must

35、be covered by feature class of,must be covered by boundary of,endpoint must be covered by,must not self overlap,must not self intersect,and must be single partPointmust be covered by boundary of,must be properly inside polygons,must be covered by endpoint of,and must be covered by lineGeodatabase优点优

36、点层级结构层级结构-数据按要素数据集、要素类、属性类组织数据按要素数据集、要素类、属性类组织-有些操作直接定义在类上，如道路网络直接定义在道路层有些操作直接定义在类上，如道路网络直接定义在道路层按面向对象组织按面向对象组织-拓宽对象的表示，从属性到操作，如，删除、增加操作拓宽对象的表示，从属性到操作，如，删除、增加操作即时拓扑即时拓扑-符合人的工作流程，将地理要素的符合人的工作流程，将地理要素的“绝对位置绝对位置”和和“相对位相对位置置”区位处理区位处理按不同的应用定制数据模型按不同的应用定制数据模型复合要素复合要素以点、线、面复合的方式表示地理要素以点、线、面复合的方式表示地理要素类型类型-

37、不规则三角网（不规则三角网（TIN）-分区（分区（regions）不规则三角网（不规则三角网（TIN）英文名称：英文名称：Triangulated irregular network特点特点-用一系列不叠置三角形近似表示用一系列不叠置三角形近似表示地形地形-不规则采样的高程数据不规则采样的高程数据-采用方法：德老内三角测量法采用方法：德老内三角测量法-辅助信息：加上道路、河流、湖辅助信息：加上道路、河流、湖泊等泊等分区（分区（Region）具有类似特征的地理范围，如行政区具有类似特征的地理范围，如行政区层级组织结构层级组织结构-省、市、县等省、市、县等可叠置或不连续可叠置或不连续Geodatabase能用能用路径（路径（Route）特点特点-线状要素线状要素-带有测量系统带有测量系统应用在交通部门应用在交通部门-如，事故的地点如，事故的地点