1、,空间数据库技术,1,李瑞改,地理空间及其表达地理空间空间实体空间实体的描述空间实体的表达方式空间数据结构的类型矢量结构栅格结构TIN数据模型,2,第二章地理空间现象的计算机表达,地理现象的表达,3,现实世界,地图空间数据,遥感影像,特征 关系 行为,观察,选择 抽象 综合,测量：位置 编码：属性 建立关系：表达,第一节 地理空间及其表达,4,地理空间是指物质、能量、信息的 形式与形态、结构过程、功能关系上 的分布方式和格局及其在时间上的延 续。建立在地理空间坐标系基础上地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。,地理空间坐标系,5,地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。通过P
2、点作椭球面的垂线，称之为过P点的法线。法线与赤道面的交角，叫做P点的纬度（Latitude）。过P点的子午面与通过英 国格林尼治天文台的子 午面所夹的二面角，叫 做P点的经度（Longitude）。,地图坐标系,6,地图坐标系由大地基准面和地图投影确 定。大地基准面是利用特定椭球体对特定地 区地球表面的逼近，因此每个国家或地 区均有各自的大地基准面，我们通常称 谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际 上指的是我国的两个大地基准面。,国家高程基准,7,56年黄海高程基准系以青岛验潮站19501956 年验潮资料算得的平均海面为零的高程系统。原点设在青岛市观象山。该原点以“1956年黄 海高程系”
3、计算的高程为72289米。85国家高程基准是指以青岛水准原点和青岛验 潮站1952年到1979年的验潮数据确定的黄海平 均海水面所定义的高程基准，其水准点起算高 程为72.260米。,地图投影：投影实质,8,投影面,地球,地图投影,9,我国的基本比例尺地形图(p 千，1:1万，1:2.5 万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万)中：大于等于50万的均采用高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger)，这是一个等角横切椭圆柱 投影，又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)；小于50万的地形图采用等角正轴割园锥投影，又叫兰勃特投影(Lambert Conf
4、ormal Conic)；海上小于50万的地形图多用等角正轴圆柱投 影，又叫墨卡托投影(Mercator)。,地图坐标系,10,我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标 系。1978年采用国际大地测量协会推荐的IAG 75地 球椭球体建立了我国新的大地坐标系-西安80 坐标系。目前GPS定位所得出的结果都属于WGS84坐标 系统，WGS84基准面采用WGS84椭球体，它 是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心的 坐标系。,11,我国的大地坐标系,1954北京坐标系大地原点在原苏联的普尔科沃采用克拉索夫斯基椭球高程基准为 1956年青岛验
5、潮站求出的黄海平均海水面54坐标系统普遍低于我国的大地水准面，平均误差为 29米左右。1980年国家大地坐标系选用1975年国际大地测量协会推荐的国际椭球赤道半径=6 378 140.000 000 000 0 m极半径=6 356 755.288 157 528 7 m地球扁率=1/298.257国家原点设在陕西省泾阳县高程基准：1985国家高程基WGS8坐4 标系统（地心坐标系）美国国防部在1984年建立了世界大地测量坐标系 统（World Geodetic System，WGS-84），目前GPS定位,所得出的结果都属于WGS-84坐标系统。,高斯-克吕格投影,12,由德国数学家、物理学
6、家、天文学家高 斯于19 世纪20 年代拟定，后经德国大地 测量学家克吕格于1912 年对投影公式加 以补充，故称为高斯-克吕格投影,高斯-克吕格投影,13,高斯-克吕格投影是按分带方法各自进行投影，故各带 坐标成独立系统。以中央经线投影为纵轴(x),赤道投影为横轴(y),两轴交 点即为各带的坐标原点。纵坐标以赤道为零起算，赤道以北为正，以南为负。我国位于北半球，纵坐标均为正值。横坐标如以中央 经线为零起算，中央经线以东为正，以西为负，横坐 标出现负值，使用不便，故规定将坐标纵轴西移500公 里当作起始轴，凡是带内的横坐标值均加 500公里。由于高斯-克吕格投影每一个投影带的坐标都是对本带 坐
7、标原点的相对值，所以各带的坐标完全相同，为了 区别某一坐标系统属于哪一带，在横轴坐标前加上带 号，如(4231898m,21655933m)，其中21即为带号。,高斯-克吕格投影,14,高斯投影分带,15,22带投影参数,16,地图投影名称：Transverse Mercator单位：meters椭球体：Krasovsky_1940中央经线变形比：1.0中央经线：129.0投影起始纬度：0.0东偏移量：22500000北偏移量：0,地形图分幅编号,17,1:100万地形图的分幅和编号是国际上统 一规定的，从赤道起向两极纬差每4 为 1列，将南北半球分别分成22列依次以字 母A、B、C、D、V表
8、示；由经度 180起，从西向东，每经差6 为一行，将全球分成60行，依次用数字1、2、3、4、60表示，采用“横列号行号”编 号表示。列在前行在后，用“”连接。,第二节 地理空间实体,18,一、空间实体（spatial entity）含义空间实体指具有确定的位置和形态特征 并具有地 理意义的地理空间物体。是地理信息系 统中不可再分的最小单元现象属性是空间实体已定义的特征空间实体：是指现实世界中地理实体 的最小抽 象单位,主要包括点、线和面三种类型.空间检索的目的是对给定的空间坐标,能够以尽 快的速度搜索到坐标范围内的空间对象,进而 对空间对象进行拓扑关系 的分析处理。,第二节 地理空间实体及地
9、图表示,19,一、空间实体（spatial entity）含义空间实体：在空间数据 中不可再分的最 小单元被称为空间实体.空间实体是对存 在于自然界中的地理实体 进 行抽象,主要 包括点、线、面和实体等基本类型空间实体：地理信息系统将不可再分的最小单元称 为空间实体,如:一条断裂、一 个湖泊、一个高程点 等,它 们在GIS中是用矢量数据 点、线、面表述的。,第二节 地理空间实体及地图表示,20,一、空间实体（spatial entity）含义地理实体：地理实体是指在地球表层系统中与人类活动有关的物质实体如城市、资源中心、企业等它们的显著特点就是 具有内在的结构、独 占的地理位置和相 对高的密度
10、呈离散分布状态。地理实体是指现实中的地理物体和地理现象 它表现在地图上称为地图元素.从图 形学的角度看 地理实体可看作基本的图 原地图则是图原按地理位置组成的复合 图形。,二、空间实体,21,空间实体指具有确定的位置和形态特征并具有地理意义 的地理空间物体，空间实体具有确定的形态（可以不可见），空间实体的空间属性和非空间属性。空间实体的空间属性以空间实体为定义域，随空间实体的延展而变化的地理现象（变 量）成为空间属性，例如河流深度、水流速度、水面宽度、土壤类 型等。空间实体的非空间属性不随空间实体的延展而变化的地理现象（变量）成为非空间属性，例如河流名字、城市人口等。,第二节地理空间实体,22
11、,三、实体的维数和延展度1、维数维度（又称维数）是数学 中独立参数的数目。在物理学和哲学的领域内，指独立的时空坐标的 数目。与分析空间相关！三维空间：四维时空（三维空间+时间维）：多维空间2、延展度空间物体的延展度反映了空间实体的空间延 展特性。,23,第三节 空间实体的数据描述,一、空间实体的数据抽象现实世界经过抽象形成概念世界，然后形成数据世 界。把现实世界的地理事物表示成各种数字和字符 形式，并记录在计算机中，形成数据世界。,现实世界,概念（数据）模型,信息世界,（逻辑）数据模型,机器世界,认识抽象转换,信息的抽象过程实际上涉及到信息的三种不同世 界：现实世界、信息世界和机器世界。按照不
12、同的应 用层次可以把数据模型划分为概念（数据）模型和（逻辑）数据模型。,第三节 空间实体的数据描述,24,二、实体对象的描述空间数据的概念模型分为三类：（根据GIS数据组织和处理方式来进行划分）基于实体对象的描述对象模型基于场的描述场模型基于网络的描述网络模型,（1）对象模型,25,对象模型，也称作要素模型，将研究的整个地 理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作 为独立的对象分布在该空域中。按照其空间特征分为点、线、面、体四种基本 对象，对象也可能由其他对象构成复杂对象，并且与其他分离的对象保持特定的关系。对象模型一般适合于对具有明确边界的地理现 象进行抽象建模，如建筑物、道路等现象，因 为
13、这些现象可被看作是离散的单个地理现象。对象模型把地理现象当作空间要素（Feature）或空间实体（Entity）。,（2）场模型,26,场模型，也称作域（field）模型，是把地理空 间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度 以及大面积空气和水域的流速和方向等。根据不同的应用，场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的 一个空间位置上，都有一个表现某现象的属 性值，即Af(x，y)。一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个 空间位置上，都对应一个属性值，即Af(x，y，z)。由于连续变化的空间现象难以观察，在研究实 际问题中，往往在
14、有限时空范围内获取足够高 精度的样点观测值来表征场的变化。,（3）网络模型,27,网络模型与对象模型的某些方面相同，都是描述不连 续的地理现象，不同之处在于它需要考虑通过路径相 互连接多个地理现象之间的连通情况。现实世界许多地理事物和现象可以构成网络，如公路、铁路、通讯线路、管道等，都可以表示成相应的点之 间的连线，由此构成现实世界中多种多样的地理网络。网络是由一系列节点和环链组成的，从本质上看与对 象模型没有本质的区别。按照基于对象的观点，网络 模型也可以看成对象模型的一个特例，它是由点对象 和线对象之间的拓扑空间关系构成的。因此可将空间 数据概念模型归结为对象模型（或称要素模型）和场 模型
15、（或称域模型）两类。,28,第三节 空间实体的数据描述,三、基于实体对象的描述实体对象的概念：实体对象（entity object）：被定义了特定编号 的实体称为实体对象。实体具备的三个基本条件：被识别；重要（与问题相关）可被描述（有特征）点状：气象站、山峰、企事业单位等线状：河流、海岸线、铁路、行政边界等面状：土地利用模式、湖泊等,体状：楼体、凉亭,29,第三节 空间实体的数据描述,三、基于实体对象的描述2、主要的实体对象（1）点对象点是有特定的位置、维数为零的实体，包括以下5类。点实体(point entity)：用 来代表一个实体。注记点:用于定位注记。内点(label point)：用
16、于记录多边形的属性，存在于多边形 内。结点(node)：表示线的终点 和起点。特征点(vertex)：表示线段 和弧段的内部点。,30,点（point）实体,有位置，无宽度和长度；抽象的点数据描述方式：(x,y),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,31,实体长度：从起点到终点的总长。弯曲度：用于表示弯曲的程度，如道路拐弯时。方向性：水流方向是从上游到下 游，公路则有单向与双向之分。线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等。,第三节 空间实体的数据描述,三、基于实体对象的描述2、主要的实体对象（2）线对象线对象是维度为1的空间实 体，由一系列坐标表示，并有如 下
17、特征。,32,线(line)实体,有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离数据描述方式：(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)(x4,y4),香港城市道路网分布,33,1)面积范围;2)周长;3)独立性或与其他的地物相邻，如中国及其周边国家;内岛，如岛屿的海岸线封闭所 围成的区域等。重叠与非重叠现象,第三节 空间实体的数据描述,三、基于实体对象的描述2、主要的三类实体对象（3）多边形对象面状实体也称为多边形，是 对湖泊、岛屿、地块等一类现象 的描述。通常由一封闭曲线加内 点来表示。,34,面(polygon)实体,中国土地利用分布图（不连续面）,具有长和
18、宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形一般分为连续面和不连续面数据描述方式：(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)(x4,y4)(x1,y1),空间对象：面(surface),35,不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面 的内部是同质的。连续变化曲面：如地形起 伏，整个曲面在空间上曲 率变化连续。,空间对象：体(Solid),36,香港理工大 学校园建筑,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、矿体等三维目标数据描述方式：(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3)(x4,y4,z4),第三节 空间实体的数据描述,
19、37,四、基于场的描述把地理空间的事物和现象作为连续的变量看待。主要作用：模拟具有一定空间内连续分布特点的现象。二维场模型、三维场模型。类型：图斑模型（用数学函数表示某一属性的变化）；等值线模型（等高、等温）；选样模型（离散点、断面线、不规则三角网、规则网格）,38,个高阶函数，用以提高表示的精确性。,第三节 空间实体的数据描述,四、基于场的描述1、图斑模型图斑模型将一个地理空间划分成一些简单的连通域，每个区域 用一个简单的数学函数表示一种主要属性的变化。根据表示地理现 象的不同，可以对应不同类型的属性函数。（1）常量最简单每个区域中的属性函数值保持一个常数。图斑模型 常常被用于 描述土壤类型
20、、土地利用现状、植被以及 生物的空间分布。除了单 一属性值，还有多属性值的 情况。（2）线性函数对平面上划分的每个区域，对应的属性函数值的 变化不是常 量，而是一个线性函数。如：地表模拟（3）高阶函数有些情况下，在一个区域内，要求属性函数为一,第三节 空间实体的数据描述,39,四、基于场的描述2、等值线模型 等值线的特点：（1）场经常被视为由一系列等值线组成；（2）一条等值线就是地面上所有具有相同 属性值的点的有序 集合；（3）用一组等值线将地理空间划分成一些 区域，每个区域中 的属性值的变化是相邻的 两条等值线的连续插值；（4）每条线唯一值；（5）两条等值线不相交；例如：地形等高线；海底地形
21、等深线,第三节 空间实体的数据描述,40,四、基于场的描述3、选样模型地理空间上的属性值是通过采集有限个点 的属性值来确定的。（1）离散点X、Y：绝对坐标值；Z由周围高程值插值计算（2）断面线记录的内容包括：DEM起始点坐标X0、Y0，断面线间隔DX或DY（3）不规则三角网（TIN）（4）规则网格 全覆盖、不重叠,41,42,43,第三节 空间实体的数据描述,44,五、场模型与实体对象模型的对比场模型与实体对象模型的共存！思维方式的差异,第三节 空间实体的数据描述,45,五、场模型与实体对象模型的对比场模型栅格数据表示实体对象模型矢量数据表示,第四节空间数据结构的类型,46,矢量数据结构（隐式
22、表示）基于坐标的栅格数据结构（显式表示）基于格点的,常用的空间数据结构,47,X,Y,i,j,x1 y1x2 y2,xn ynxi yi,一、矢量数据结构,48,概念：矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面 等地理实体。特点：定位明显、属性隐含能最好地逼近地理实体的空间分布特征数据精度高数据存储冗余度低便于进行地理实体的网络分析对多层空间数据的叠合分析比较困难,49,它是一种非拓朴矢量数据结构，地物用一 系列坐标串来表示，是较简便的矢量数据,1.Spaghetti矢量数据结构,P1,(79,72),R1,(37,32),结构。(44,95),(64,95),(6,0)P2,P3,(44,
23、70),F1,P1,(79,72)R1,(6,0),(37,32)F1,(44,95),(64,95),(64,70),(44,70),(44,95),(64,70),1.Spaghetti矢量数据结构(1)实体的表示方法：点要素：唯一标识码，（X，Y）线要素：唯一标识码，（X1，Y1），,（Xn,Yn）多边形要素：唯一标识码，(X1,Y1)，（Xn,Yn）,(X1,Y1),50,（2）Spaghetti结构的特点地理要素被当成单个对象来进行组织不能表示对象之间的关系结构简单，易于实现重复存储，造成数据冗余和不一致数据间无拓扑关联岛是单个图形，与外界多边形无联系不易进行多边形分解和合并，邻域处
24、理较 复杂,51,1.Spaghetti矢量数据结构,2.索引数据结构-树状索引结构索引数据结构的主要特点是：可以直接反映点、线、面之间的结构组成关系减少存储的存储空间,52,一、矢量数据结构,结点,折点,线段多边形,53,F1,F2,F3,L1,L2,L3,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P9 L4,P10,P11 P8,结点,折点,线段,多边形,2.索引数据结构,F1,F2,F3,L4,L2,L3,L1,P3 P9 P10 P11 P3 P1 P6 P5 P4 P2 P2 P7 P8 P1,P1 P2,54,B,C,D,E,a,b,c,f,g,h,e,f,ib,c,i,j,线 与
25、 多 边形 之间 的 树状 索 引,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,2221,23,24,25,26,2827,29,30,31,55,55,点 与 线 之间 的树 状 索 引,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,2221,23,24,25,26,2827,29,30,31,3.拓扑矢量数据结构,56,结点,折点,弧段,多边形,点、弧 段和多 边形的 拓扑关 系,(1)拓扑矢量数据组织,3.拓扑矢量数据结构拓扑矢量数据组织基本对象：点、弧段、链段特点：点是相互
26、独立的，点连成线，线构成面拓扑编辑：自动查错编辑和自动生成多边形边界便于进行数据组织和数据分析,57,F1,58,F2,F3,L1,L2,L3,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P9 L4,P10,P11 P8,结点,折点,弧段,多边形,三、拓扑矢量数据结构,3.拓扑矢量数据结构,59,(2)拓扑关系的表示结点拓扑关系线拓扑关系链-结点关系链-面关系多边形拓扑关系,F1,60,F2,F3,L1,L2,L3,L4,P1,2,P3,3.拓扑矢量数据结构(2)拓扑关系的表示结点拓扑关系,结点P1 P2 P3,弧段-L1,L2,-L3L1,-L2,L3 L4,L2,61,P1,3.拓扑矢量数据
27、结构,(2)拓扑关系的表示,线拓扑关系P3,F1,62,F2,F3,L1,L2,L3,L4,P1,P2,三、拓扑矢量数据结构,(2)拓扑关系的表示,多边形拓扑关系P3,链,面F1,F2 F3,L4L2，L3，-L4 L1，-L3,点号 N1 N2,63,点文件 弧段号C3 C1 N4-C1-C2 C5,C8,C6,P3,C7,N6,C10,N3,C3,C4N4N1,P1,C2,N2,C1P2,C5,N5,P4,P5,C9,N7,64,拓扑数据结构,C6,C7,N6,C10,N3,C3,C4N4N1,P1,C2,N2,C1P2,C5,N5,P4,P5,C9,N7,C6,N4,N5,P3,P2,C
28、,7,N,5,N,6,P,3,P,4,C8C9,N4N7,N6N7,P4,P3P5,C10,N3,N6,P4,弧段文件,多边形号P1 P2,65,多边形文件 弧段号C1,-C2,-C3C6,-C5,-C1,C4,P3 P4 P5,C8,-C7,-C6-C10,C2,C5,C7,-C9 C9,C8,C6,P3,C7,N6,C10,N3,C3,C4N4N1,P1,C2,N2,C1P2,C5,N5,P4,P5,C9,N7,拓扑数据结构,66,C4,N4,C8,C6,P3,C7,N6,C10,N3,C3,N1,P1,C2,N2,C1P2,C5,N5,P4,P5,C9,N7,弧段号起结点终结点,左多边右
29、多边 形形,P1P4,P2P1P1,C1C2C3 C4 C5 C6,N1N3N1 N1 N2 N4,N2N2N3 N4 N5 N5,P2P3,P2P4 P2,C,7,N,5,N,6,P,3,P,4,C8C9 C10,N4N7 N3,N6N7 N6,P4P4,P3P5,弧段文件,矢量数据结构的属性数据表达,67,点状 对象,目标标识,目标标识,地物编码,控制点等级,坐标关联的线目标精度测量年限测量单位,制图颜色,几何类型,制图符号编码,属性表明,地物类型特征与制图属性地物编码地物名称,矢量数据（1）,68,矢量数据（2）,69,二、栅格数据结构,70,1.概念：指将空间分割成 各个规则的网格单元
30、，然后在各个格网单元内 赋以空间对象相应的属 性值的一种数据组织方 式。,i,j,二、栅格数据结构,71,栅格单元的值中心取值和区域取值,72,2.特点：地理要素表达直观；容易实现多元数据的叠合操作等空间分析；有利于与遥感图像及扫描数据相匹配建库和使用；输出方法快速，成本比较低廉；不适于进行比例尺变化和投影变换；图形数据量大；精度取决于网格的边长；,网络分析和建立网络连接关系比较困难。,二、栅格数据结构,二、栅格数据结构,73,3.实体表示,表示点,74,点使用离散分布的单个单元格来表示，单元格的值表示某 个地理现象的属性，不同的值表示不同的地理对象或同一 地理现象的不同属性。,表示线,75,
31、单条线通过一系列有序相连的具有相同值单元格来表示，不同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性。,表示多边形,76,单个面表示为一簇具有相同值的单元格，不同的值 表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性,4.栅 格 数 据 显 示,77,5.栅格数据单元值确定,78,CAB,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,ABC,79,6.栅格数据结构：坐标系与描述参数,Y：列,X：行,西南角格网坐标（XWS，YWS）,格网分辨率,栅格数据（1）,80,栅格数据（2）,81,栅格数据（3）,82,上海东方明珠电视塔,83,故宫,栅格数
32、据（4）,栅格数据（5）,84,85,7.栅格数据结构分为：,栅格矩阵结构 游程编码结构四叉树数据结构八叉树数据结构 十六叉树数据结构,二、栅格数据结构,（1）直接栅格编码直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐 列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行 从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他 特殊的顺序。,86,（2）链码,87,5,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给 出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之 一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码 分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度 默认为一个栅格单元。2314
33、0,7,6,00107 6 7011,00,链码编码：2，2，6，7，6，0，6，5,88,1,2,3,4,5,0,7,6,链码编码示例,（3）游程长度编码,89,只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录 该代码以及相同代码重复的个数；沿行方向进行编码：(0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,（4）块码,90,采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列 号加上半径，再加上记录单元的代码组成。（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，
