三维GIS空间数据模型

第三章空间数据模型空间数据模型：指利用特定的数据结构来表达空间对象的空间位置、空间关系和属性信息；是对空间对象的数据描述。内容第一节空间实体的描述和分类和数据组织第二节矢量数据模型第三节栅格数据模型第四节三角网数据模型(TIN)第五节属性信息第八节面向对象的空间数据模型第一节空间实体的描述、分类和表示一．空间实体的描述二．空间实体的几何分类三．空间实体在地理信息系统中的表达一、空间实体的描述空间实体是指地理空间中客观存在的具体事物①空间位置：主要指位置信息，也包括位置信息的扩展，如形态及实体的组成（复合对象）等；位置用笛卡尔坐标系中X,Y坐标表示；②空间关系：主要指空间对象的拓扑关系；③非几何属性：表示空间特征的非几何属性；④实体的行为、功能及时态特征：实体的行为，功能特征以及实体属性随时间的变化。如岛屿的侵蚀、水体污染的扩散、建筑的变形等；⑤实体的衍生信息：如一个实体有多个名称。三种最主要的拓扑关系①相邻性(Adjacency)：表示两个多边形是否相邻（同类元素间的相邻关系）；②包含性(Containment)：表示一个图元要素是否包含于某个多边形中。（同类不同级别对象之间的包含关系）③连通性(Connectivity)：表示两条线段是否相连。空间数据的拓扑关系是空间对象空间关系的一种，但却是最重要的空间关系，在GIS中最主要的拓扑关系包括。拓扑数据举例C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1N1N2P2P1C2N3N2P1P4C3N1N3P1ØC4N1N4ØP2C5N2N5P2P4C6N4N5P3P2二、空间实体的几何分类1.点(Point)2.线(Line)3.面(Area)4.体(Volume)根据（1）实体本身的特征、（2）所用地图的比例尺（3）项目中使用这类实体空间数据的目的，将地理形象抽象为：空间现象•离散•连续Point：有特定位置，延展度为0的物体。（1）表示本身无长度、无面积的地理现象，如井位，山顶；（2）或者表示现实世界中长度和面积太小，在特定空间尺度下，不能表示为线或面的地理现象；（3）或者用于组成实体线或用于标别实体面等。1、点状实体2、线状实体Line：在现实世界中有长度、无面积的地理实体；或者在某个空间尺度下太窄不能用区域表示。如河流、街道中线等。由一列有序坐标表示，有如下特性：①长度：从起点到终点的总长；②方向性：长流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。③形状和弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；④连通性：线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等3、面状实体Area：面状实体也称为多边形，有明确的闭合边界，而且其针对某个属性专题其内部特征是均一的。在空间数据模型中可由一封闭曲线来表示。面状实体有如下空间特性：①面积；②周长；③内岛④形状（锯齿状、凸凹性等）；⑤重叠性与非重叠性。⑥独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家；Volume：立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性。①体积：如工程开掘和填充的土方量；②每个二维平面的面积；③每个二维平面的周长；④断面图与剖面图。⑤内岛或锯齿状外形；⑥含有孤立块或相邻块；4、立体状实体立体实体的特例：表面Surface表面Surface：每个点都有值的连续变化的地理现象，如降水量、地形。空间实体实际上是点、线、面、体多种要素的复杂组合，即空间实体常常被认为由一些基本的空间单元（指那些基本的、实际存在的、不可再分的元素）组合生成；这种组合既表示了不同类型的空间关系，也同时组合成不同的实体类型：①复杂实体有可能由不同延展度和类型的空间单元组合而成；②某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合实例；③某一类型的空间实体可以转换为另一类型；④某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组合而成。5、实体类型组合实体类型组合图例三、空间实体在地理信息系统中的表示1、单一实体2、多种特征的实体3、带有属性的空间实体的表示4、多层属性信息的表示（3，3）可用于表示一个点的位置。（1，7），（3，5），（5，5），（5，3），（6，1），可用于表示一条线。（3，10），（6，9），（7，10），（10，7），（9，5），（4，6），（3，8），（3，10）可用于表示一个多边形。注意第一个坐标和最后一个坐标相同，因为多边形总是封闭的。1、单一实体点实体用一组x、y坐标表示线实体用一组有序的x、y坐标表示面实体用一组首尾相同的坐标表示。2、多种实体的表示如果具有多种实体，就需要对每一实体给定一个识别码。对每一实体用其识别码和相应的坐标列表有关的序号来描述。表示道路的一组线特征的属性包括：道路类型：1=分隔行驶的公路2=干线公路3=主要公路4=住宅区街道5=未铺完的公路路面材料：混凝土、柏油、砾石路面宽度：以米计量道路名称：在GIS系统中可有如下的描述，并通过属性表的方式来表示：道路类型长度路面材料宽度道路名称22715.5混凝土52八一路3、带有属性的空间实体的表示用属性表表示属性信息坐标表和属性表之间共享同一识别码通过坐标表和属性表之间共享同一识别码来使属性信息和位置信息相结合4、多类信息的表示空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层(见下图)；用于表示地理实体的数据模型GIS的数据模型分为两大类：矢量数据模型和栅格数据模型。空间数据模型Spatialdatamodel第二节矢量数据模型1.矢量数据的编码方法2.矢量数据结构的优点和缺点3.矢量数据表示面类型数据的方法二、矢量数据的编码方法1.坐标序列法2.拓扑结构法(Arc-node数据结构)1、坐标序列法简单数据结构（也称面条数据结构）将地理实体抽象成点、线或区域，其位置信息用xy坐标表示。这样点表示为单个的xy坐标，线表示为一组有序的xy坐标，而区域表示为一组有序的xy坐标，但其起点的坐标和终点的坐标相同，即区域是闭合的多边形。为了区别不同实体，每个实体都赋予一个唯一的标识符。空间数据模型2、Shapefiele的要素类别在Catalog中，所有这些组成Shapefile的文件都显示为一个要素类空间数据模型2、Shapefile文件格式概述ArcView存储空间数据的内部缺省文件格式至少有三个文件组成：＊.shp——储存地理要素的几何关系的文件，主文件＊.shx——储存图形要素的几何索引的文件，索引文件＊.dbf——储存要素属性信息的dBase文件，属性文件还会出现的文件：＊.shn——当执行类似“主题之主题”选择，“空间连接”，或者对一个主题（属性表）的shape字段创建过一个索引，就会出现这个文件＊.ain和.aih——储存地理要素主体属性表或其他表格的活动字段的属性索引信息的文件。当之行过“表格链接（link）操作，这两个文件就会出现。空间数据模型主文件结构(.shp)主文件由一个定长头section和一个变长的记录section组成变长的记录文件由一个定长的记录文件头部和一个变长的记录文件内容组成主文件的文件头是一个长度固定(100bytes)的记录段，一共有9个int型和8个double型数据Fileheader（100字节）Recordheader（8字节，存储记录数和记录内容的长度）RecordcontentsRecordheaderRecordcontents……RecordheaderRecordcontents空间数据模型shapefiles头文件表起始位置名称数值类型位序0FileCode9994Integerbig4Unused0Integerbig8Unused0Integerbig12Unused0Integerbig16Unused0Integerbig20Unused0Integerbig24文件长度文件的实际长度Integerbig28版本号1000IntegerLittle32几何类型表示这个Shapefile文件所记录的空间数据的几何类型IntegerLittle36Xmin空间数据所占空间范围的X方向最小值DoubleLittle44Ymin空间数据所占空间范围的Y方向最小值DoubleLittle52Xmax空间数据所占空间范围的X方向最大值DoubleLittle60Ymax空间数据所占空间范围的Y方向最大值DoubleLittle68*Zmin空间数据所占空间范围的Z方向最小值DoubleLittle76*Zmax空间数据所占空间范围的Z方向最大值DoubleLittle84*Mmin最小Measure值DoubleLittle92*Mmax最大Measure值DoubleLittle空间数据模型记录的内容实体信息负责记录坐标信息，它以记录段为基本单位，每一个记录段记录一个地理实体目标的坐标信息，每个记录段分为记录头和记录内容两部分。记录头的内容包括记录号（RecordNumber）和坐标记录长度(ContentLength)两个记录项，都是int型，并且shapefile文件中的记录号都是从1开始的。记录内容包括目标的几何类型（ShapeType）和具体的坐标记录(X、Y)，记录内容因要素几何类型的不同其具体的内容及格式都有所不同。空间数据模型Shapefile文件支持的几何类（ShapeType）编号几何类型0NullShape（表示这个Shapefile文件不含坐标）1Point（表示Shapefile文件记录的是点状目标，但不是多点）3PolyLine（表示Shapefile文件记录的是线状目标）5Polygon（表示Shapefile文件记录的是面状目标）8MultiPoint（表示Shapefile文件记录的是多点，即点集合）11PointZ（表示Shapefile文件记录的是三维点状目标）13PolyLineZ（表示Shapefile文件记录的是三维线状目标）15PolygonZ（表示Shapefile文件记录的是三维面状目标）18MultiPointZ（表示Shapefile文件记录的是三维点集合目标）21PointM（表示含有Measure值的点状目标）23PolyLineM（表示含有Measure值的线状目标）25PolygonM（表示含有Measure值的面状目标）28MultiPointM（表示含有Measure值的多点目标）31MultiPatch（表示复合目标）空间数据模型点状目标shapefile中的点状目标由一对X、Y坐标构成，坐标值为双精度型（double）记录项数值数据类型长度个数位序几何类型（ShapeType）1（表示点状目标）int型41LittleX方向坐标X方向坐标值double型81LittleY方向坐标Y方向坐标值double型81Little空间数据模型线状目标shapefile中的线状目标是由一系列点坐标串构成，一个线目标可能包括多个子线段，子线段之间可以是相离的，同时子线段之间也可以相交。记录项数值数据类型长度个数位序几何类型（ShapeType）3（表示线状目标）int型41Little坐标范围（Box）表示当前线目标的坐标范围double型324Little子线段个数（NumParts）表示构成当前线目标的子线段的个数int型41Little坐标点数（NumPoints）表示构成当前线目标所包含的坐标点个数int型41LittleParts数组记录了每个子线段的坐标在Points数组中的起始位置int型4×NumPartsNumPartsLittlePoints数组记录了所有的坐标信息Point型根据点个数来确定NumPointsLittle空间数据模型面状目标shapefile中的面状目标是由多个子环构成，每个子环是由至少四个顶点构成的封闭的、无自相交现象的环。对于含有岛的多边形，构成它的环有内外环之分，每个环的顶点的排