地理空間實體及其表達現實世界城市高山河流道路建筑沼澤我們如何對現實世界進行抽象、表達？空間數據結構一、地理空間地理空間描述：一般包括地理空間定位框架及其所聯結的空間實體。一、地理空間地理空間定位框架即大地測量控制網。2000國家大地坐標系國家水準原點空間實體:具有形狀、屬性和時序特征的空間對象或地理實體，包括點、線、面，它們構成地理空間復雜的地理綜合體，也是GIS表示和建庫的主要對象。一、地理空間燈塔紀念碑路燈氣象站點狀實體河流公路鐵路河流線狀實體面狀實體湖泊二、地理空間實體的表達現實世界空間實體或現象選擇、綜合、簡化和抽象概念世界概念模型編碼、表達、建立空間關系數據世界（計算機）邏輯數據模型物理數據模型空間數據庫數據結構對數據進行組織例如用一條線描述河流空間數據的拓撲關系空間關系拓撲空間關系順序空間關系度量空間關系知識點拓撲關系的定義拓撲要素種類拓撲關系種類及表示拓撲關系的意義一、拓撲關系的定義拓撲變換拓撲屬性一個點在一個弧段的端點一個弧段是一個簡單弧段（弧段自身不相交）一個點在一個區域的邊界上一個點在一個區域的內部一個點在一個區域的外部一個點在一個環的內部一個面是一個簡單面（面上沒有“島”）一個面的連續性非拓撲屬性兩點之間的距離一個點指向另一個點的方向弧段的長度一個區域的周長一個區域的面積拓撲屬性描述了兩個對象之間的關系，因此又稱為拓撲關系。在歐氏平面中的對象的拓撲屬性和非拓撲屬性。二、拓撲元素的種類及表示點(結點)、線(鏈、弧段、邊)、面(多邊形)三種要素是拓撲元素。空地沼澤森林居民地河流湖結點鏈（弧段）面（多邊形）（1）結點：地圖平面上反映一定意義的零維圖形。（2）鏈（弧段）：兩結點間的有序線段。（3）面：一條或若干條鏈構成的閉合區域。二、拓撲元素的種類及表示三、拓撲關系種類和表示1、拓撲關系的種類N5拓撲鄰接拓撲關聯拓撲包含（1）拓撲鄰接:拓撲鄰接指存在于空間圖形的同類元素之間的拓撲關系。N5三、拓撲關系種類和表示1、拓撲關系的種類（2）拓撲關聯拓撲關聯指存在于空間圖形的不同類元素之間的拓撲關系。三、拓撲關系種類和表示1、拓撲關系的種類N5（3）拓撲包含拓撲包含指存在于空間圖形的同類但不同級的元素之間的拓撲關系，三、拓撲關系種類和表示1、拓撲關系的種類N52、拓撲關系的表示

面構成面的鏈鏈鏈兩端的結點結點通過該結點的鏈鏈左面右面面——鏈關系結點——鏈關系鏈——面關系鏈——結點關系三、拓撲關系種類和表示面——鏈關系面號構成面的鏈號P1C1，—C6，C5P2—C5，—C4，C2P3C3，C4，C6P4C7鏈號鏈兩端的結點C1N2，N1C2N3，N2C3N1，N3C4N3，N4C5N4，N2C6N4，N1C7N5三、拓撲關系種類和表示2、拓撲關系的表示鏈——結點關系N50結點——鏈關系結點號通過該結點的鏈號N1C1，C3，C6N2C1，C5，C2N3C2，C3，C4N4C5，C6，C7N5C7鏈號左面右面C10P1C20P2C30P3C4P2P3C5P2P1C6P1P3C7P4P2三、拓撲關系種類和表示2、拓撲關系的表示鏈——面關系

N50

四、拓撲關系的意義1)反映實體之間的邏輯結構關系。2)有助于空間要素的查詢。3)根據拓撲關系可重建地理實體。矢量數據結構矢量也叫向量，數學上稱“具有大小和方向的量”為向量。在計算機圖形學中，相鄰兩結點間的弧段長度表示大小，弧段兩端點的順序表示方向，因此弧段也是一個直觀的矢量。大小方向元素屬性位置結點1(x1，y1)鏈a(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),

(x4,y4),

(x5,y6)面A(x1,y1),(x2,y2),…….,(x9,y9),

(x1,y1)矢量數據結構：基于矢量模型的計算機存儲、組織數據的方式。二、矢量數據結構的類型簡單數據結構拓撲數據結構以空間對象（點、線、面）為單元進行單獨組織；不含拓撲關系。點是相互獨立的，點連成線，線構成面。1.簡單數據結構簡單數據結構可以采用兩種形式：第一種是，每個點、線、面實體直接跟隨它的空間坐標；第二種是點坐標作為一個文件，點、線、面實體由點號組成。以點、線、面等地理實體為組織單元，記錄其屬性信息和坐標信息。簡單數據結構不含拓撲關系，主要用于矢量數據的顯示、輸出以及一般的查詢和檢索。點實體：【實體標識，地物編碼，（x,y）】線實體：【實體標識，地物編碼，（x1,y1），（x2,y2），……，（xn,yn）】面實體：【實體標識，地物編碼，（x1,y1），（x2,y2），……，（xn,yn），（x1,y1）】第一種形式：這種形式的矢量數據結構，除了外輪廓線以外，多邊形的公共邊界線數據都獲取或存儲兩次，這就會產生裂隙或重疊，并產生數據冗余。1.簡單數據結構多邊形文件多邊形ID編號坐標AT30215146……1514BT30214……建立公用點位字典，包含地圖上所有點的坐標，然后建立點、線、面的邊界表，它們由點位序號構成。第二種形式：1.簡單數據結構這種方法，可以消除多邊形邊界的裂隙和坐標數據的重復存儲。點位字典點號坐標15,14217,14314,6410,1…………多邊形文件多邊形ID編碼點號串AT302123891BT30419……簡單數據結構的主要特點缺點：①第一種形式中，每個多邊形都以閉合線段存儲，多邊形的公共邊界被數據化兩次和存儲兩次，造成數據冗余和不一致。②點、線和多邊形有各自的坐標數據，但沒有拓撲數據，兩者之間不關聯。③島只作為一個單個圖形，沒有與外界多邊形的聯系。優點：數據編碼容易，編排直觀，數字化操作簡單。因此，簡單數據結構只適用于簡單的系統，如計算機地圖制圖系統。2.拓撲數據結構拓撲數據結構具有拓撲關系的矢量數據結構。拓撲數據結構的可以簡單的表示為“屬性信息+位置信息+拓撲關系”，該矢量數據結構是GIS的分析和應用功能所必需的。二、矢量數據結構的類型索引式雙重獨立編碼結構鏈狀雙重獨立編碼結構弧段文件由弧記錄組成，存儲弧段的起止結點號和弧段左右多邊形號多邊形文件由多邊形記錄組成，包括多邊形號、組成多邊形的弧段號以及周長、面積、中心點坐標及有關“洞”的信息等弧段坐標文件由一系列點的坐標組成；結點文件由結點記錄組成，存儲每個結點的結點號、結點坐標、與該結點關聯的弧段，結點文件一般通過軟件自動生成鏈狀雙重獨立編碼結構索引式雙重獨立編碼結構鏈狀雙重獨立編碼結構鏈狀雙重獨立編碼結構弧段文件多邊形文件弧段坐標文件節點文件鏈狀雙重獨立編碼結構表

弧段文件弧段號起始點終結點左多邊形右多邊形a51OAb85EAc168EBd195OEe1519ODf1516DBg115OBh81ABi1619DEj3131BC表

弧段坐標文件弧段號點號a5,4,3,2,1b8,7,6,5c16,17,8d19,18,5e15,23,22,21,20,19f15,16,g1,10,11,12,13,14,15h8,9,1i16,19j31,30,29,28,27,26,25,24,31表多邊形文件多邊形號弧段號周長面積中心點坐標ah,b,abg,f,c,h,-jcjde,i,fec,i,d,b表結點文件結點號結點坐標1（x1,y1）2（x2,y2）3（x3,y3）4（x4,y4）5（x5,y5）6（x6,y6）…………矢量數據結構的主要特點是：（1）多邊形與多邊形之間沒有空間坐標的重復，消除了重復線，數據結構緊湊，消除了冗余。（2）能夠反映要素間的相互關系，拓撲信息與空間坐標分別存貯，拓撲關系明晰，使得拓撲查詢、拓撲分析效率高。（3）數據結構復雜，前期工作量較大。（4）對單個地理實體的操作效率低、難以表達復雜的地理實體、查詢效率低、局部更新困難。（5）用于各類大型GIS。如：ArcGIS。柵格數據結構知識點柵格數據結構表示方法柵格尺寸的確定柵格代碼的確定柵格結構將地理空間劃分割成有規則的網格，在每個網格上給出相應的屬性值來表示地理實體。每個網格稱為一個像元或像素，每個像元的位置由行列號確定，其屬性則以代碼表示。一、柵格數據結構表示方法二、柵格單元的尺寸的確定柵格單元尺寸確定的原則是能有效地逼近空間對象的分布特征，又能減少數據的冗余度。一般可采用保證最小多邊形的精度標準來確定格網尺寸。hh-柵格單元邊長；i=1,2,……,n(區域多邊形數)；Ai為區域所有多邊形的面積。BABBHAAAABBBBBH/2AAA三、

柵格代碼（屬性值）的確定（1）中心點法（2）面積占優法

（3）重要性法（4）長度占優法三、

柵格代碼（屬性值）的確定ABCaAb

bB連續分布中心點法A分類較細圖斑較小面積占優法C特殊意義的地物重要性法b線狀地物長度占優法中心點法面積占優法長度占優法柵格數據編碼方式柵格數據結構的編碼柵格數據結構編碼方法直接編碼壓縮編碼1.直接柵格編碼直接柵格編碼0,4，4，7，7，7，7，7，4，4，4，4，4，7，7，7，4，4，4，4，8，8，7，7，0，0，4，8，8，8，7，7，0，0，8，8，8，8，7，8，0，0，0，8，8，8，8，8，0，0，0，0，8，8，8，8，0，0，0，0，0，8，8，8，0478屬性值：2.壓縮編碼壓縮編碼方法鏈式數據編碼游程壓縮編碼分塊壓縮編碼四叉樹編碼（1）鏈式編碼（ChainCodes）鏈式編碼是將柵格數據（線狀地物面域邊界）表示為矢量鏈。NW（3）N（2）NE（1）W（4）（i,j）E(0)SW(5)S(6)SE(7)圖基本方向屬性碼起點行起點列鏈碼a14665565b3764556701022224NW（3）N（2）NE（1）W（4）（i,j）E(0)SW(5)S(6)SE(7)圖基本方向（2）游程長度編碼對于一幅柵格圖像，行（或列）方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，可以采用游程長度編碼。有兩種方案：第一種編碼方案：屬性碼，長度（游程）。第二種編碼方案：屬性碼，位置。游程長度編碼實例行編碼方案一行編碼方案二1（0,1)(4,2)(7,5)1(0,1)(4,3)(7,8)2(4,5)(7,3)2(4,5)(7,8)3(4,4)(8,2)(7,2)3(4,4)(8,6)(7,8)4(0,2)(4,1)(8,3)(7,2)4(0,2)(4,3)(8,6)(7,8)5(0,2)(8,4)(7,1)(8,1)5(0,2)(8,6)(7,7)(8,8)6(0,3)(8,5)6(0,3)(8,8)7(0,4)(8,4)7(0,4)(8,8)8(0,5)(8,3)8(0,5)(8,8)——0——7——4——8屬性碼，長度（游程）屬性碼，位置（3）塊碼相鄰的若干柵格，數據結構由初始位置（行、列號）和半徑，再加上記錄單位的代碼組成。具體編碼方式為：行號，列號，半徑，代碼。0（

1，1，1，0）（4）四叉樹編碼（quarter_treeEncoding）四叉樹編碼的方法（美國馬里蘭大學）22位6位4位0000…0000（22位）110011（6位）0100（4位）數據庫的基礎知識冰箱食物數據數據庫數據庫存儲數據的地方姓名學號性別年齡張一201811001男18李文201811002女19劉東201811003男19方方201811004女18王強201811005男19定義：一個長期存儲在計算機內的、有組織的、有共享的、統一管理的數據集合。一、數據庫（DataBase，DB）數據庫管理系統（databasemanagementsystem,DMMS），是一種操縱和管理數據庫的大型軟件，用于建立、使用和維護數據庫。二、數據庫管理系統（databasemanagementsystem,DMMS）數據庫數據庫管理系統（DBMS）數據庫應用系統1數據庫應用系統n……存儲數據使用數據管理數據主要功能：數據定義管理維護等三、數據模型（DataModel）數據模型對數據特征的抽象。例如：學校里的學生，有學號、姓名、性別等特征，通過抽象、模擬，存儲在計算機中，方便管理。現實世界信息世界（概念模型）計算機世界（邏輯模型）抽象抽象將客觀事物抽象為數據模型，是一個逐步轉化的過程：現實世界是指客觀存在的事物及其相互間的聯系。課程（抽象的事物):課程名稱、授課老師、類別、學生對象、課程簡介等特征。學生（具體的事物），學號、姓名、班級、成績等特征。信息世界基于現實世界、把事物的特征和聯系通過符號記錄下來，并用規范化的語言來描述的抽象世界。概念模型是描述現實世界的概念化結構，與數據庫管理系統無關。實體—聯系模型（ER模型）邏輯數據模型：將信息世界的內容數據化，形成便于計算機處理的數據形式，它是具體的DBMS所支持的數據模型。邏輯數據模型層次模型網狀模型關系模型最流行計算機世界實體多邊形MⅠMⅡ表1實體-多邊形關系表2多邊形-弧段關系表3弧段-結點關系多邊形弧段弧段弧段ⅠabeⅡecd弧段結點結點a12b23c34d41e13實體M關系模型（RelationshipDiagram）定義：用二維表的形式表示實體和實體間聯系的數據模型。關系名稱“多邊形”屬性值的集合“Ⅰ”多邊形記錄的值學號姓名性別年齡201811001張一文女19201811003劉東男19201811004方方強男19表與表之間的聯系通過關鍵字來實現。學號英語數學體育201811001788385201811002868676201811003756782201811004687675201811005928884關系模型的優點：簡單、結構獨立性強，設計、實現、維護和使用方便，具有靈活和強大的查詢能力。關系模型的缺點：無法存儲變長屬性，無法表示嵌套表，模擬和操縱復雜對象能力較弱等。采用面向對象的方法來設計數據庫，它是以對象為單位進行存儲，每個對象包含對象的屬性和方法，具有類和繼承等特點。面向對象模型1）對象：含有數據和操作方法的獨立模塊，是具有特定屬性和行為的統一體。基本概念1）對象：含有數據和操作方法的獨立模塊，是具有特定屬性和行為的統一體。基本概念對象具有如下特征：①具有一個唯一的標識；②具有一組描述特征的屬性；③具有一組表示行為的操作方法。2）類共享同一屬性和方法集的所有對象的集合。例如：所有河流都具有名稱、長度、流域面積等共性，以及相同的操作方法，像查詢、計算長度、求流域面積等，因此可以抽象為河流類。3）消息對對象進行操作的請求，是連接對象與外部世界的唯一通道。4）方法對對象的所有操作，如對對象的數據進行操作的函數、指令、例程等。1)抽象性:任何一個對象都是通過抽象和概括形成的。現實世界中的城市地理信息系統中城市對象抽象面向對象的方法特性2）封裝性每一個對象都是其屬性和方法的封裝，是一個封裝好的獨立模塊。用戶只能見到對象封裝界面上的信息，對象內部對用戶是隱蔽的。面向對象的方法特性3）多態性面向對象的方法特性不同類的對象對同一消息作出不同的響應就叫做多態。適合處理多種數據類型；結合了面向對象程序設計與數據庫技術，提供了一個集成應用開發系統。繼承、多態、動態綁定等特性，提高開發效率；面向對象數據模型的優點沒有準確的定義；面向對象數據模型的缺點維護困難；不適合所有的應用。空間數據庫的概念和特點空間特征數據屬性特征數據三維模型數據影像數據空間關系某一區域內關于一定地理要素特征的數據集合，一般以一系列特定結構的文件的形式組織在存儲介質上。空間數據庫空間數據一、空間數據庫定義（1）數據量龐大。空間數據庫面向的是地學及相關對象，涉及的往往是地球表面信息、地質信息、大氣信息等極其復雜的現象和信息，描述這些信息的數據容量很大。二、空間數據庫的特點（2）具有高可訪問性。二、空間數據庫的特點（3）空間數據模型復雜。空間特征數據屬性特征數據空間關系二、空間數據庫的特點（4）能夠實現空間數據和屬性數據的統一管理。二、空間數據庫的特點（5）數據應用范圍廣泛。地理研究環境保護土地利用與規劃資源管理二、空間數據庫的特點空間數據管理模式空間數據庫如何對空間數據進行管理？全文件數據模式文件-數據庫混合模式全關系型數據庫模式面向對象數據庫模式對象-關系數據庫模式空間數據管理模式發展將屬性數據和空間數據都放在文件系統中進行管理。一、全文件數據管理模式圖形數據和屬性數據是通過一定格式的文件進行組織，圖形要素與屬性記錄之間通過關聯字段進行關聯。各個GIS應用程序對應各自的空間數據文件和屬性數據文件，當兩個GIS應用程序需要的數據有相同部分時，可以將其數據的交集提取出來作為公共數據文件。一、全文件數據管理模式文件管理數據的優點：文件管理的缺點：靈活，即每個軟件廠商可以任意定義自己的文件格式，管理各種數據。由于地理信息系統數據龐大，數據管理效率和信息利用效率受到限制，更新也很困難；不利于多用戶協同工作。一、全文件數據管理模式用文件系統管理幾何圖形數據，商用DBMS管理屬性數據，它們之間的聯系通過標識碼進行連接，兩者獨立組織、管理和檢索。目標標識碼二、文件-數據庫混合管理模式優點：GIS可以在圖形環境下可以直接操縱、查詢、顯示屬性數據，實現圖形與屬性數據完全在一個界面下進行管理與維護。二、文件-數據庫混合管理模式缺點：（1）屬性數據和圖形數據通過標識符ID聯系，使查詢運算、模型操作運算速度慢；（2）屬性數據和圖形數據分開存儲，數據的安全性、一致性、完整性、并發控制及數據損壞后的恢復方面缺少基本的功能；（3）空間對象及其關系的表達能力不足。二、文件-數據庫混合管理模式圖形數據與屬性數據都采用現有的關系型數據庫存儲。三、全關系型數據庫管理模式地理信息系統利用這種功能，通常把坐標數據當做一個二進制塊,用RDBMS進行存儲和管理。一個地物對應于數據表中的一條記錄，這樣可以避免對“連接關系”的查找。三、全關系型數據庫管理模式這種管理模式不僅支持變長記錄，而且支持對象的嵌套信息的繼承與聚集。四、面向對象數據庫管理模式這種管理模式允許用戶定義對象和對象的數據結構及它的操作。根據地理信息系統的需要，可以將空間對象定義出合適的數據結構和一組操作；空間數據結構可以是不帶拓撲關系的面狀數據結構，也可以是拓撲數據結構，當采用拓撲數據結構時往往涉及對象的嵌套、對象的連接及對象與信息聚集。缺點：不支持SQL語言,在通用性上受局限；還不夠成熟；價格昂貴。優點：支持變長記錄；支持對象的嵌套、信息的繼承和聚集；允許定義合適的數據結構和數據操作。四、面向對