地理信息系统矢量数据结构课件.ppt

1、1矢量数据模型l 1 矢量结构概述l 2 实体数据结构l 3 点位字典数据结构l 4 空间实体间关系l 5 拓扑数据模型l 6典型的拓扑数据结构l 7 不规则三角网l 8 动态分段模型2 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,y2),(xi,yi),(xn,yn)属性：符号变化 等值线 (1).矢量数据模型3 2.几何对象q点：空间的一个坐标点；q线：多个点组成的弧段；q面：多个弧段组成的封闭多边形；4几何对象类型l点：空间的一个坐标点l线：多个点组成的弧段l面：多个弧

2、段组成的封闭多边形5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；6线l有长度，但无宽度和高度l 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多l 度量实体距离香港城市道路网分布7面l 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,l 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）8体有长、宽、高的目标,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9矢量数据模型定义l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

3、如此表示的几何对象组织成化数据文件。10矢量数据模型组成l矢量数据模型组成：空间数据+属性数据11点点：坐标对（：坐标对（x,y）+识别符识别符线：坐标对系列线：坐标对系列(x1,y1).(xn,yn)及及有关属性、其它属性有关属性、其它属性面：首尾相同的坐标串面：首尾相同的坐标串属性表属性表几何位置坐标文件几何位置坐标文件连连接接矢量数据模型组成l分离系统l空间数据+属性数据l空间数据和属性数据需要链接12矢量数据模型类型l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/

4、INFO，Supermapl地理相关（关系）数据模型（Georelational data model）Arc/Info:coveragesArcView:shapefilesl基于对象数据模型（Object-based data model）ArcGIS:geodatabase13 2 实体数据结构l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）。14实体数据结构存储方式l独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象l点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成15标识码标识码属性属性空间对象编码唯一连接几

5、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:点号串实体数据结构存储方式点号XY1112223344n5566几何几何 位置位置1234567AB多边形编码坐标At1231，23，4Bt1245,6点号坐标123451，23，45，67，8多边形编码点号串ABT123t1241,2,3,4,7,6,11,6,7,4,5,117 3 实体数据结构l优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。l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

6、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。18实体数据结构实例ESRI ShapefilelESRI Shapefile（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 lESRI 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 lESRI的其它文件，用于优化访问数据库的性能.sbn

7、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。19ESRI ShapefilelShp主文件是一个直接存取，变长度记录的文件，其中每个记录描述构成一个地理实体（Feature）的所有vertices坐标值。l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ldBASE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。l在dBASE文件中的属性记录必须和主文件中的记

8、录顺序是相同的。l图形数据和属性数据通过索引号建立一一对应的关系。20shp文件lshp文件组成固定长度的文件头变长度空间数据记录21Byte OrderlAll the contents in a shapefile can be divided into two categories:Data relatedl Main file record contentsl Main file headers data description fields(Shape Type,Bounding Box,etc.)File management relatedl File and record le

9、ngthsl Record offsets,and so on22Main File HeaderMain File Headerl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。23shpshp文件实体类型（文件实体类型（Shape TypeShape Type）lValue Shape Typel0 Null Shapel1 Pointl3 PolyLinel5 Polygonl8 MultiPointl11 PointZl13 PolyLineZl15 PolygonZl18 Multi

10、PointZl21 PointMl23 PolyLineMl25 PolygonMl28 MultiPointMl31 MultiPatch24shp文件记录组成l变长度空间数据有多条记录组成l记录组成固定长度的记录头变长度记录内容（空间坐标对）25shp文件记录头的内容l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l记录内容目标的几何类型（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。26实体数据结构实例lMapInfo 的Tab文件*.tab：头文件，软件版本号、存储坐

11、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。l Supermap的文本文件 27Supermap平面坐标系2D数据示例文本文件 IDdbLong XdbDouble YdbDouble NAMEdbText/201 804.751 1032.665 CHANGAN2 1083.89 907.944 BEIJING#3 1394.209 1305.865 WUZHOU 4 1199.703 1519.673 CANGWU#5 855.234 1342.9843 X

12、IAN 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#28Supermap2D数据实验演示l保存数据l打开Supermapl菜单：工具-文本转换为sdbl打开sdb29Supermap平面坐标系2D数据示例304 点位字典（索引式）数据结构l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。l索引式编码1、点文件：点号点号坐标坐标1x

13、1,y1面号面号点号点号P11，3，5,13、面文件：2、弧段文件:弧段号弧段号点号点号A7,8,9,1031标识码标识码属性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:点号串点号XY1112223344n5566几何几何 位置位置32例：1234567AB多边形编码坐标At1231，23，4Bt1245,6点号坐标123451，23，45，67，8多边形编码点号串ABT123t1241,2,3,4,7,6,11,6,7,4,5,1独立编码

14、点位字典334 点位字典数据结构34索引式结构355空间实体间关系l1.关系类型l2.识别与描述l3.拓扑关系l4.GIS中引入拓扑关系的优缺点l5.拓扑结构采用原则364空间实体间关系l1 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。l2 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。373.拓扑关系l(1)拓扑关系定义：指图形保持连续状态下变形，但图形

15、关系不变的性质。拓扑变换（橡皮变换）非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发生变化的属性）两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、面积 等一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面一个面的连通性383.拓扑关系l(2)拓扑元素：点、线、面l(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391)关联性l关联性：不同类要素之间关系结点与弧段如

16、V9与L5,L6,L3多边形与弧段如P2与L3,L5,L2402)邻接性l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：0PP2P3P4P1-111P21-10P311-0P4100-413)连通性l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。424)包含性线段线段A多边形多边形B点点A多边形多边形A43l5）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。l6）区域定义多边形由一组封闭的线来定义。l7）层次关系相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。l主要的拓扑关系：拓扑邻接

17、、拓扑关联、拓扑包含。l主要在矢量数据模型中定义拓扑关系。其他基本拓扑关系444.GIS中引入拓扑关系的优缺点l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。l缺点拓扑关系建立过程比较复杂数据结构本身复杂455拓扑结构采用原则q应用目的l 制图或一般查询，可不要拓扑结构l 空间分析，则应建立拓扑关系q 服务对象和系统数据结构l 面状目标：面-弧、弧-面l 网络目标：点-弧、弧-点46 5 拓扑数据模型l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模型。l拓扑关系具体可

18、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47结点-弧ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向表中数字前负号为相反方向结点-弧拓扑结点弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e648ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向表中数字前负号为相反方向弧段弧-结点拓扑弧段FROMTO1ca2bc3ba4da5db6ee7dc弧-点49弧-面ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向表中数字前负号为相反方向弧-多边形拓扑弧段左

19、面右面1A2AB3CA4C5CD6BD7B50空间拓扑关系表达：面与弧ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向表中数字前负号为相反方向多边形-弧拓扑面号弧号A-1,-2,3B2,-7,5,0,-6C-3,-5,4D651包含关系-岛的描述-复合多边形多边形-弧拓扑(无向弧)面号弧号A1,2,3B2,7,5,-6(2,7,5,0,6)C3,5,4D6多边形-弧拓扑(有向弧)面号弧号A-1,-2,3B2,-7,5,0,-6C-3,-5,4D652全显式表达N1B2N2N4N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A

20、5A6A7N1N2N3N4N5M面弧点面-弧拓扑面弧段弧-点拓扑弧起点弧-面拓扑弧左面点-弧拓扑点弧段终点右面53全显式表达54 7 拓扑数据模型l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），ArcInfo。链状双重独立式编码。55对偶独立地图编码lDIME(Dual Independent

21、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。l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。56双重独立地图编码57双重独立地图编码1、点文件点号点号坐标坐标1x1,y12、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表示线号线号起点起点终点终点左多边形左多边形右多边形右多边形a16QA

22、3、面文件面号面号线号线号Aa,b,c,d,e,f关联关联邻接邻接关联关联邻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。58双重独立地图编码：线文件结构线号起点终点左多边形右多边形a16QAb21QAc32QAd43BAe54CAf65CAg67QCh78QCi89QCj94BCk910QBl103QBm1113ADn1312ADo1211AD59双重独立地图编码l通过线文件生成面文件l需要点文件 自动生成的多边形A的线及结点线号起点终点左多边形 右多边形a16QAb21QAc32QAd43BA60链状双重独立式编码l弧段：

23、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。l四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段点文件、点坐标文件。l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，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；61链状双重独立式编码l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

24、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。l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。l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。62链状双重独立式编码4、点坐标文件：弧段号弧段号点号点号1、多边形文件:弧段号弧段号 左多边形左多边形 右多边形右多边形 起点起点终点终点2、弧段文件:面号面号弧段号弧段号 属性（如周长、面积等）属性（如周长

25、、面积等）3、弧段点文件:点号点号 坐标坐标1（x1，y1）63链状双重独立式编码-实例64链状双重独立式编码-多边形文件 多边形ID弧段号属性（如周长、面积等）Aa,b,eBc,d,bCgDf,e,d,-g65链状双重独立式编码-弧段文件 弧段ID起始点终结点左多边形右多边形a51QAb71ABc113QBd137DBe75DAf135QDg2525DC66链状双重独立式编码-弧段点文件 弧段ID点号弧段ID点号a5,4,3,2,1e7,6,5b7,8,1f13,14,15,16,17,18,19,5c1,9,10,11,12,13g25,20,21,22,23,24,25d13,767链状

26、双重独立式编码-点坐标文件 点号坐标点号坐标1（x1，y1）14（x14，y14）2（x2，y2）15（x15，y15）12（x12，y12）25（x25，y25）13（x13，y13）68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69拓扑数据模型优点l拓扑关系与数据共享：维护数据的一致性拓扑:移动结点无拓扑:移动结点70 8 不规则三角网l用一系列不重叠的三角形近似表示地形71不规则三角网72TINX-Y Coor

27、dinatesnode#coordinates12311.x1,y1x2,y2x3,y3.x11,y11Z Coordinatesnode#z_value12311.z1.z2z3z117374 9 动态分段模型l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。l区段、路径、事件l不必要对路线事先进行分解。l网络分析75路径l线状要素l测量系统l交通机构和公司76The data structure of a route subclass.77总结-本章知识点l空间数据模型类型矢量结构模型栅格结构模型l矢量结构模型实体数据模型拓扑数据模型l实体数据模型独立编码点位字典索引式数据结构l拓扑数据模型DIME链状双重独立式编码TIGER78作业l1.DIME 结构采用什么文件存储数据？l2.实体数据结构与拓扑数据结构的主要区别？79