第二章 数据结构和数据管理05-06(2)

2020年1月21日3时56分1第二章数据结构和数据管理（2）同济大学城市规划系钮心毅22020年1月21日3时56分矢量空间数据模型32020年1月21日3时56分矢量数据模型（Vectormodel）采用平面解析几何的方法来描述空间对象。矢量数据模型核心是坐标点。点:只有位置没有大小。线：一系列坐标点组成，曲线用短直线拟合。多边形（面）：线首尾相接，围成的闭合多边形。42020年1月21日3时56分点：（x，y）线：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)52020年1月21日3时56分62020年1月21日3时56分301学校编号名称班级性质301405279125城中小学上群中学中心小学实验中学24142228普通小学初中重点小学高中4052791251012031877778598746324519219320179............路段编号类型路面材料宽度101203187...主干道次干道支路沥青水泥沥青402416.........地块编号土地使用建筑密度容积率77798746...住宅商业办公工业...0.40.80.70.3...1.52.13.00.8...属性数据与空间数据关联使用关系型数据库DBMS一个空间要素对应数据库的一条记录使用多个字段表达多重属性。72020年1月21日3时56分简单矢量数据表示法：环状数据结构(spaghetti结构)直接将地图翻译描述，只记录空间对象的位置坐标。不记录相互之间的关系。每条记录都有首末坐标，每条记录都是单独的实体没有共享的公共边。矢量型多边形公共边界需重复输入。重复存储，存在数据冗余，难以确保数据独立性和一致性。结构简单，但无法表达边界和多边形之间的关系。不适合复杂的空间分析，在不以分析为目的CAD系统中广泛使用。ArcGIS的Shape文件：非拓扑的点、线、面。显示速度快，但是编辑不便。82020年1月21日3时56分简单矢量数据表示法92020年1月21日3时56分拓扑型数据结构TopologicalDataStructure最广泛使用的矢量数据模型，借用了拓扑学（Topology）的原理来描述空间事物。通过拓扑关系，识别地图中的空间数据关系。不仅记录空间位置和几何特性，还记录空间关系自身邻接相交相离包含重合点-点√√点-线√√√点-面√√√线-线√√√√√√线-面√√√√√面-面√√√√√√空间对象相互关系102020年1月21日3时56分拓扑结构：维护数据的一致性112020年1月21日3时56分拓扑数据结构122020年1月21日3时56分链——节点的拓扑数据结构(chain-nodetopologicaldatastructure）线──节点式拓扑结构的四原则：方向性（线必定从起结点开始到终结点结束）连接性（线和线的连接处必定是结点）围合性（面必定是由线围合而成）相邻性（线必定有左多边形、右多边形）132020年1月21日3时56分起点中间点弧段3弧段2终点弧段1点面线点、线、面之间的拓扑关系点：孤立点、线的节点node、中间点Vertex线：两节点之间的有序弧段面：若干弧段组成的多边形142020年1月21日3时56分ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向链拓扑表链右面左面起点终点1A—ca2BAbc3CAba4—Cda5BCdb6BDee7—Bdc多边形拓扑表（面-链关系）多边形链数链A3-1,-2,3B42,-7,5,0,-6C3-3,-5,4D16节点拓扑表（点和链的关系）结点链a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6152020年1月21日3时56分网络的拓扑结构线段号起结点终结点1AD2BF3CD4DE5EF6FG7EJ8FJ9HI10IJ11DI12IK13JL结点号线段号A1B2C3D1,3,4,1,1E4,5,7F2,5,6,8G6H9I9,10,11,12K12L13ABCDEFGHIJKL12345678910111213162020年1月21日3时56分拓扑数据结构的优缺点拓扑数据结构特点：空间关系明确，不完全依赖于具体的坐标位置。多边形的公共边界、网络的结点表达简单，便于分析、查询，尤其是点、线、面之间的相邻关系的查询和分析。优缺点：图形的修改方便，可由软件检查数据输入的错误，容易保证数据质量便于叠合分析、网络分析等数据结构复杂，软件复杂建立拓扑关系需花计算时间（当地图覆盖范围很大，数据量很大时）172020年1月21日3时56分矢量型数据结构的比较简单（环状）数据结构链——结点式拓扑数据结构数据结构简单复杂简单查询快慢多边形的相邻、嵌套关系表达难表达易网络线段与结点的关系没有有数据编辑、更新公共边界、网络结点靠人工处理公共边界、网络结点由软件自动产生分析功能有限，或者先临时产生拓扑结构再作分析多重叠合、网络分析容易182020年1月21日3时56分ArcGIS的GeodatabaseArcGIS的Geodatabase具有隐含、多种、随时的拓扑结构拓扑规则：ArcGIS提供了12种拓扑规则192020年1月21日3时56分表示连续表面的矢量数据模型202020年1月21日3时56分连续表面的表达连续表面（surface）：表示一种连续的空间分布，例如地形变化、也可以描述其他的分布（人口、温度….）栅格本身就可以表达连续的表面。111111111111111111111111111113333333333333333333333322222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222矢量数据的连续表面表达？？212020年1月21日3时56分不规则三角网模型（TIN,TriangulatedIrregularNetwork）不规则三角网：特殊的矢量（拓扑）网络模型。原始数据是矢量样本点，将样本点用直线相互连接，形成不规则的三角形网络，网络的结点就是样本点，如果每个样本点有自己的高程值，每个三角形就相当于三维空间中的一个斜面，#####################################################################################################################################################222020年1月21日3时56分不规则三角网TIN模型原理划分三角形的原理：通常使用Delaunay三角网，最小角最大，最大限度地保证网中三角形满足近似等边（角）性，避免过于狭长和尖锐的三角形的出现TIN模型最常用的对象是地形，也可以用在某些自然环境、社会经济领域。232020年1月21日3时56分242020年1月21日3时56分252020年1月21日3时56分262020年1月21日3时56分矢量模型和栅格模型的比较矢量模型栅格模型数据量小大位置精度高低数据结构复杂简单点、线、面相互关系丰富缺乏多重属性方便成组分类数据输入手工数字化、野外实测、扫描后处理、栅格转换扫描、遥感、矢量转换、空间插值数据更新局部的成片的分析功能点、线、面相互关系、网络、叠合边界模糊的连续表面的分析、多层叠合、地图代数投影变换容易复杂绘图输出精细、丰富概括的、简化的、反映连续表面的适用对象几何形态明确、边界确切几何形态不明确、边界模糊272020年1月21日3时56分GIS的数据组织和管理——如何组织，整合数据282020年1月21日3时56分“分层”的方法与“图层”的概念采用“层”的概念来组成空间信息，每一层存放一种信息。以ArcGIS为例，每一个layer就是一个图层。292020年1月21日3时56分“图层”302020年1月21日3时56分GIS的数据库管理1、最初GIS的管理方法，没有集中的数据库管理（栅格的GIS多用）2、利用一般的数据库管理属性数据，专门的软件管理空间数据。传统的方法，使用最多的方法。ArcInfo、ArcView、Mapinfo312020年1月21日3时56分属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效。商业化的DBMS图形实体（空间数据用专用系统管理）。图形文件（坐标等）存放为独立文件。几何数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性方面，比商用数据库要逊色得多空间、属性数据分开存储，两者通过一系列的ID码相互连接。数据的完整性有可能遭到破坏几何数据属性数据ID数据文件数据库图形用户界面图形处理DBMS属性用户界面图形文件库属性数据库GIS用户界面图形处理DBMS图形文件库属性数据库322020年1月21日3时56分GIS的数据库管理3、用通用的DBMS进行扩展，能够同时管理空间数据和属性数据。是近年来开始流行的方法。如：ArcGIS4、特殊的DBMS集中管理空间数据和属性数据。极少使用。代表性GIS软件有SYSTEM9，SMALLWORLD332020年1月21日3时56分属性数据、几何数据同时采用关系式数据库（商业化DBMS）进行管理空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快GIS界面属性数据（定长记录）空间数据（变长记录）DBMS空间与属性数据库关系表二进制块342020年1月21日3时56分本章小结属性数据空间数据对现实世界的抽象属性、数据项、字段地图（点、线、面、栅格）数据模型关系模型栅格模型、矢量模型（分层、连续）数据结构表状结构简单、游程长度、四分树、环状、拓扑文件结构数据库软件决定，用户可适当定义软件系统本身决定，用户修改余地小物理储存方式操作系统、硬件操作系统、硬件数据存储的五个层次352020年1月21日3时56分本章小结GIS数据：空间数据、属性数据属性数据：一般使用关系型数据库。关系型数据库的三种基本查询空间数据：矢量数据模型、栅格数据模型栅格数据模型：分辨率、压缩编码矢量数据模型：简单环状结构、拓扑结构栅格数据与矢量数据的比较连续表面的矢量表达：TINGIS数据库的管理和组织：４种方式