1、上海海洋大學上海海洋大學(Shanghai Ocean University)(Shanghai Ocean University)劉劉 爽爽: Tel: : Tel: 空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型(Remote Sensing and Geographic Information System)矢量數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型主要內(nèi)容主要內(nèi)容2022-5-92現(xiàn)實世界現(xiàn)實世界- -概念模型概念模型- -數(shù)字模型數(shù)字模型n空間數(shù)據(jù)n表示地理要素的幾何特征n如，位置、形狀、面積、長度等n屬性數(shù)據(jù)n表示地理要素的非幾何特征n如，河流名稱、土地利用類型等地理信息數(shù)據(jù)地理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建矢量數(shù)據(jù)模型構(gòu)建矢量數(shù)據(jù)模型矢

2、量數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建一般包括兩個過程用點及其X,Y坐標表達空間要素如點、線、面將幾何對象及其空間關(guān)系組織成數(shù)字化數(shù)據(jù)文件，使計算機可以訪問，編譯和處理矢量數(shù)據(jù)模型矢量數(shù)據(jù)模型用幾何要素的點、線、面來表示空間要素，通過記錄空間實體坐標及其關(guān)系，盡可能精確地表示地理實體；地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型Coverage數(shù)據(jù)模型Shapefile數(shù)據(jù)模型基于對象的數(shù)據(jù)模型Geodatabase數(shù)據(jù)模型簡單要素的表示簡單要素的表示點：由一個點或者一系列點組成特點：維度為0，只有位置性質(zhì)，如水井、路燈矢量數(shù)據(jù)模型用點、線、面等幾何對象表示簡單的空間要素，其主要區(qū)別在于維度和性質(zhì)簡單要素的表示簡單要素的表示線：由兩個端點及其

3、之間一系列具有標記線形態(tài)的點組成特點：維度為1，具有位置和長度特性，如河流、道路等；簡單要素的表示簡單要素的表示面：由連接的、閉合的和不相交的線段組成特點：維度為2，除了位置性質(zhì)，還有面積和周長信息；隨著空間比例尺的變化，空間要素的點、線、面表達形式之間可以相互轉(zhuǎn)化空間關(guān)系及拓撲空間關(guān)系及拓撲空間關(guān)系指地理空間實體之間相互作用的關(guān)系,有:拓撲空間關(guān)系順序空間關(guān)系度量空間關(guān)系空間關(guān)系及拓撲空間關(guān)系及拓撲拓撲是指幾何對象在保持連續(xù)狀態(tài)的變形（縮放、旋轉(zhuǎn)和拉伸等）時圖形關(guān)系保持不變的性質(zhì)；地圖上的各種圖形的形狀、大小會隨圖形的變形而改變，但圖形要素間的鄰接關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系、包含關(guān)系和連通關(guān)系保持不變；

4、拓撲對于GIS的重要性：確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性、強化GIS的空間分析能力空間關(guān)系及拓撲空間關(guān)系及拓撲l 通常用圖論中的圖表或圖形研究幾何對象排列及其相互關(guān)系的拓撲結(jié)構(gòu)，對于矢量數(shù)據(jù)模型而言，拓撲主要通過通過有向圖表達，包括點和有向線；l 有向線又稱做弧段，弧段會聚或相交處的點成為節(jié)點，如果一條弧段連接兩個節(jié)點，則這兩個節(jié)點和弧段呈鄰接和關(guān)聯(lián)。矢量數(shù)據(jù)模型矢量數(shù)據(jù)模型用幾何要素的點、線、面來表示空間要素，通過記錄空間實體坐標及其關(guān)系，盡可能精確地表示地理實體；地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型Coverage數(shù)據(jù)模型Shapefile數(shù)據(jù)模型基于對象的數(shù)據(jù)模型Geodatabase數(shù)據(jù)模型地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型地理關(guān)系數(shù)

5、據(jù)模型n 用圖形文件存儲空間數(shù)據(jù)，用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲屬性數(shù)據(jù)，兩者之間一般用要素標識碼進行鏈接，保證空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的同步。n 典型的地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型：coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和shapefile數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n 地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型：分別用兩個獨立的系統(tǒng)分別存儲空間和屬性數(shù)據(jù)。Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)lCoverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持連接性、面定義和鄰接性三種基本的拓撲關(guān)系；l采用基于文件的數(shù)據(jù)存儲方式，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開存儲；Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是20世紀80年代ESRI為了把GIS從CAD中分離出來引入的內(nèi)置拓撲的數(shù)據(jù)模型。點的點的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Coverage數(shù)據(jù)結(jié)

6、構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線的線的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面的面的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Shapefile數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)l shapefile是ESRI的標準的非拓撲數(shù)據(jù)格式，能存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，不存儲拓撲關(guān)系。l shapefile由若干個文件組成的，空間信息和屬性信息分離存儲，采用基于文件的存儲方式 *.shp：空間信息 *.shx：空間索引信息 *.dbf：屬性信息 *.prj：空間參考信息 *.shp.xml：元數(shù)據(jù)文件 *.sbn、*.sbx：存儲的空間索引，加速空間數(shù)據(jù)的讀取。基于對象數(shù)據(jù)模型基于對象數(shù)據(jù)模型l 對象是地理空間中的實體或現(xiàn)象

7、，一個對象時由描述該對象狀態(tài)的一組數(shù)據(jù)和表達它的行為的一組方法組成。l 屬性描述對象的性質(zhì)或者特征，方法執(zhí)行特定的操作；如河流的坐標數(shù)據(jù)表達了其位置和形狀，河流的變遷表達了其行為。l 類是具有部分系統(tǒng)屬性和方法的一組對象的集合，是對象的共性抽象，對象時類的實例；l 接口代表類或者對象的一系列外部可視化操作?；趯ο蠹夹g(shù)是使用所謂的封裝性將對象的屬性和方法隱藏起來，只能通過預(yù)定義的接口訪問對象的技術(shù)將地理空間數(shù)據(jù)作為對象；一個對象可以表示空間要素，也可以表示一個圖層與地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型的區(qū)別：把空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在一個系統(tǒng)中允許一個空間要素（對象）與一系列的屬性和方法相聯(lián)系；對象ID Obje

8、ctid形狀 （shape）土地利用-ID（Landuse-ID）類型 （Category）形狀-長度 （shape-length）形狀-面積 （shape-area）1多邊形1514607.759598002多邊形2815702.7159798003多邊形3412113.4359598004多邊形4514456.59598005多邊形5816231.759800基于對象數(shù)據(jù)模型基于對象數(shù)據(jù)模型Geodatabase數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)lGeodatabase是ESRI公司開發(fā)的基于對象的矢量數(shù)據(jù)模型；lGeodatabase將矢量數(shù)據(jù)集組織成要素類和要素數(shù)據(jù)集。要素類是存儲具有相同幾何類型的空間

9、要素，要素數(shù)據(jù)集是存儲具有相同坐標系和區(qū)域范圍的要素類；l除了要素類，Geodatabase還能夠存儲柵格數(shù)據(jù)、不規(guī)則三角網(wǎng)、位置數(shù)據(jù)和屬性表等。lGeodatabase可以分為兩種，一種是基于 Microsoft Access的personal Geodatabase，另一種是基于 oracle、SQL Server、Informix 或者DB2 的file Geodatabase，由于 Microsoft Access自身容量的限制，personal Geodatabase的容量上限為2GB，而file Geodatabase數(shù)據(jù)庫的大小沒有限制，而且可以跨平臺作業(yè)；lGeodatabas

10、e 不僅可以存儲簡單要素類還可以存儲要素集，并且支持一系列的行為規(guī)則對其空間信息和屬性信息進行驗證表格、關(guān)聯(lián)類、柵格、注記和尺寸都可以作為 Geodatabase 對象存儲；Geodatabase數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Geodatabase模型優(yōu)點模型優(yōu)點lGeodatabase的等級結(jié)構(gòu)有利用數(shù)據(jù)的組織和管理lGeodetabase是ArcObject的一部分，具有面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)勢；lGeodatabase是提供即時拓撲lArcObject有許多對象、屬性和方法可以供GIS用戶定制應(yīng)用，減少重復(fù)工作，加速工作流程；lArcObject提供了一個可以按照各行業(yè)的需求定制對象的模型；復(fù)合要素的表示復(fù)

11、合要素的表示l復(fù)合要素是指以點、線和面合成應(yīng)用而更好表示的空間要素，如不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），分區(qū)和路徑lTIN把地表近似描繪成一組互不重疊的三角面，其基本構(gòu)成元素包括點、線、面，通常用于地形制圖何分析，特別是3-D表達。第三講第三講 空間數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)模型矢量數(shù)據(jù)模型矢量數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型主要內(nèi)容主要內(nèi)容2022-5-926l 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標的方式，盡可能 地將點、線、面地理實體表現(xiàn)得精確無誤；對于有確定位置與形狀的離散要素表達的比較理想，對于連續(xù)變化的空間現(xiàn)象則欠缺l 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是像元陣列，每個像元的行列號確定位置，用像元值表示空間對象的類型、等級等特征，像

12、元值的變化反應(yīng)了現(xiàn)象的空間變異。柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型nAerial photographs 航片nSatellite imagery from many sensors 衛(wèi)星影像nDEM and scanned maps DEM和掃描圖nAnalytical data 分析數(shù)據(jù)，如 ph值柵格數(shù)據(jù)來源柵格數(shù)據(jù)來源柵格數(shù)據(jù)模型要素柵格數(shù)據(jù)模型要素l 柵格也稱作格網(wǎng)或者影像，表示連續(xù)的表面，但是當進行數(shù)據(jù)存儲時，柵格由行、列像元組成；l 列x坐標，行y坐標，行、列由網(wǎng)格左上角起始，像元值由行、列位置唯一決定；柵格數(shù)據(jù)用單個像元代表點，用一系列像元代表線，用連續(xù)像元的幾何表達面；柵格數(shù)據(jù)模型柵格

13、數(shù)據(jù)模型表示表示柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型像元值像元值n每個像元有一個值，如DEM是高程n像元值類型n整型：表示類別數(shù)據(jù)，例如：土地覆蓋類型n浮點型：表示連續(xù)數(shù)據(jù)，例如：降雨量nNo datan浮點型比整型占計算機存儲資源cornwheatfruitcloverfruitoats012345678901234567891111144555111114455511111445551111144555111114455522222223332222222333222222233322442223332244222333n 中心歸屬法：每個柵格單元的值由該柵格的中心點所在的面域的屬性來確定。n 長度占

14、優(yōu)法：每個柵格單元的值由該柵格中線段最長的實體的屬性來確定。n 面積占優(yōu)法：每個柵格單元的值由該柵格中單元面積最大的實體的屬性來確定。n 重要性法：根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重要性，選取最重要的地物的類型作為柵格單元的屬性值。這種方法適用于具有特殊意義而面積較小的實體要素。柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型像元值像元值柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型像元大小像元大小n分辨率：網(wǎng)格像元的大小，30m的網(wǎng)格像元表示實際面積900m2n像元越小，分辨率和精度越高 (表現(xiàn)的地物越細) n存貯和處理成本隨分辨率增加而上升柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型柵格波段柵格波段nComprehensiven1 or N Bandsn1-64 b

15、its per bandncompressed or pressedn80+ formats supportednpyramids (rrd, ovr, internal)柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型空間參照空間參照n原始柵格數(shù)據(jù)沒有空間參照信息，但如果使用柵格數(shù)據(jù)，需要地理坐標位置，所以需要給柵格數(shù)據(jù)配置地理坐標n如何匹配？432499,3877103432619,3877223NAD83 UTM 11N左下角右上角柵格數(shù)據(jù)類型柵格數(shù)據(jù)類型n衛(wèi)星影像：從地球表面反射或發(fā)射的光能n數(shù)字高程模型：由等間隔海拔數(shù)據(jù)的排列組成，以點為基礎(chǔ)的，可轉(zhuǎn)換到柵格n數(shù)字正射影像：消除照相機鏡頭和地形起伏引起位移n

16、數(shù)字柵格圖：地形圖的彩色掃描圖像n二值掃描文件：地形圖的黑白掃描圖像 n圖形文件：照片等n特定GIS軟件的柵格數(shù)據(jù)：ESRI GridnASCII碼文件：以柵格數(shù)據(jù)存放的ASCII碼文件補充：補充：“4D”“4D”產(chǎn)品包括產(chǎn)品包括DEMDEM，DOQDOQ，DRGDRG，DLGDLG柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型n優(yōu)點：高精度，文件大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單n需要解決問題：有效存儲、處理更快、容易檢索、多個客戶同時操作n上述問題都與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)壓縮有關(guān)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)逐個像元編碼游程編碼四叉樹編碼逐個像元編碼逐個像元編碼n存儲格式：按矩陣逐個像元存放，像元值寫成一個行列式文件n適

17、用單元值連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，例如，數(shù)字高程模型、衛(wèi)星影像n優(yōu)點：最簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n缺點：存在重復(fù)像元值時，存儲冗余 （行號，列號，像元值）（行號，列號，像元值） (1,1,1), (1,2,1), (1,3,1), (1,1,1), (1,2,1), (1,3,1), (1,4,1), (1,5,2), (1,4,1), (1,5,2), (1,6,2),(1,7,3), (1,7,3)(1,6,2),(1,7,3), (1,7,3)游程編碼游程編碼n解決“逐個像元編碼”的單行冗余n存儲格式：合并相鄰?fù)稻W(wǎng)格，以行、單元個數(shù)、單元值記錄n優(yōu)點：節(jié)約部分存儲空間n缺點：還有跨行冗余（行號：相同像元個數(shù)

18、）（行號：相同像元個數(shù)）行行1: 4“1”1: 4“1”，2“2”2“2”，2“3”2“3”行行2: 5“1”2: 5“1”，2“2”2“2”，1“3”1“3”。四叉樹編碼四叉樹編碼 n解決“游程編碼”的跨行冗余n存儲格式：將空間區(qū)域按照四個象限進行遞歸分割，直到子象限的數(shù)值相同為止n優(yōu)點：存儲面狀數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)壓縮柵格數(shù)據(jù)壓縮n做法：減少柵格文件的數(shù)據(jù)量n目的：有利于數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)制圖n壓縮方法n無損壓縮：精確還原原始圖像，如游程編碼格式、TIFF格式，數(shù)據(jù)量超大n有損壓縮：無法精確還原原始圖像，如JPEG格式，可以減少數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與綜合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與綜合n柵格化柵格化n矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)n自動方式，且操作簡單，大部分自動方式，且操作簡單，大部分 GIS GIS軟件都提供軟件都提供n轉(zhuǎn)換步驟轉(zhuǎn)換步驟n指定柵格文件的范圍，指定柵格數(shù)據(jù)的分辨率，像元賦指定柵格文件的范圍，指定柵格數(shù)據(jù)的分辨率，像元賦初值初值0 0；n改變對應(yīng)點的像元值，點賦值改變對應(yīng)點的像元值，點賦值1 1，線賦線值，面賦值，線賦線值，面賦值n多邊形內(nèi)填充多邊形值多邊形內(nèi)填充多邊形值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與綜合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與綜合n矢量化n柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)n自動提取目前做不到，依賴手工提取，操作復(fù)雜，耗時長n基本步驟:線的細化、線的提取、拓撲關(guān)系的重建數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與綜合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)