GIS空间数据模型全解
GIS的空间数据结构
GIS的空间数据结构GIS（地理信息系统）中的空间数据结构是指用来存储、组织和管理地理空间数据的方式和方法。
它们是构建GIS系统的基础，对于实现空间数据的高效查询、分析和可视化表示具有重要意义。
本文将介绍常见的空间数据结构，包括矢量数据结构、栅格数据结构和层次数据结构。
一、矢量数据结构（Vector Data Structure）是用点、线和面等几何要素来表示地理现象的空间数据结构。
常见的矢量数据结构包括点、线和面三种类型：1. 点（Point）是空间数据最基本的要素，它由一个坐标对(x, y)表示，常用于表示一个具体的地理位置或地物。
2. 线（Line）是由若干个连接起来的点所组成的线条，它可以用来表示道路、河流等线状地物。
3. 面（Polygon）是由若干个边界相连的线所围成的封闭区域，它可以用来表示国家、城市等面状地物。
矢量数据结构是一种拓扑结构，在存储空间数据时，常采用点-线-面的层次结构，以及节点、弧段和拓扑关系等数据结构来存储和组织地理空间数据。
二、栅格数据结构（Raster Data Structure）将地理空间数据划分为一系列均匀的像素或单元格，用像素值或单元格值来表示地物属性。
栅格数据结构适用于连续分布的地理现象，如温度、降雨等。
常见的栅格数据结构包括：1. 栅格图像（Raster Image）是将地理空间数据以图像的方式呈现，每个像素的灰度值或颜色代表了地物属性的强度或类型。
栅格图像可以通过数字遥感技术获取，并被广泛应用于地貌分析、图像处理等领域。
2. 数值地形模型（Digital Elevation Model，DEM）是一种栅格数据结构，用于表达地球表面的海拔高度。
DEM常用于地形分析、洪水模拟等应用中。
栅格数据结构的主要优点是简单、易于操作和处理，但由于其离散性，对于空间数据的存储和处理需求较大。
三、层次数据结构（Hierarchical Data Structure）是一种将地理空间数据按层次结构进行组织和管理的数据结构。
第二章 空间数据模型
2.2栅格数据模型-离散化的方法 栅格数据模型规则的格网(常用三角形,方格,六角形) 规则的格网(常用三角形,方格,六角形)，三角形 是最基本的不可再分的单元，根据角度和边长的 不同，可以取不同的形状，方格、三角形和六角 形可完整地铺满一个平面。 不规则的格网，可当做拓扑多边形处理，如按街 不规则的格网 区划分,社会经济分区等。 。
空间数据模型
本章描述的是整个GIS理论中最为核心的内容。 理论中最为核心的内容。 本章描述的是整个 理论中最为核心的内容 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界， 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并 解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。 解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。对 于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。 空间数据模型可以分为三种： 空间数据模型可以分为三种： 场模型：用于描述空间中连续分布的现象； 场模型：用于描述空间中连续分布的现象； 要素模型：用于描述各种空间地物； 要素模型：用于描述各种空间地物； 网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络； 网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络；
(一)空间结构特征和属性域 一 空间结构特征和属性域 空间” “空间”经常是指可以进行长度和角度 测量的欧几里德空间。 测量的欧几里德空间。空间结构可以是规 则的或不规则的。 则的或不规则的。 属性域的数值可以包含以下几种类型： 属性域的数值可以包含以下几种类型： 名称、序数、间隔和比率。 名称、序数、间隔和比率。属性域的另一 个特征是支持空值， 个特征是支持空值，如果值未知或不确定 则赋予空值。 则赋予空值。
2011-4-6
25
2.2栅格数据模型 2.2栅格数据模型
栅格模型把空间看作像 元的划分， 元的划分，每个像元都 记录了所在位置的某种 现象，用像元值表示。 现象，用像元值表示。 该值可以表示一个确定 的现象，也可以是一种 模糊的现象。但一个像 元应该只赋一个单一的 值。
地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构
面对象 Class
属性
属性
体 3-Complex
面 2-Complex
线对象 Class
属性
线 1-Complex
点对象 Class
属性
点 0-Complex
三角形 2-simplex
线段 1-simplex
节点 0-simplex
33
空间地物
复杂地物
13 类空间对象
复杂
柱状地物
体状地物
数字立体模型
部分
节点 0-simplex
X,Y,Z
31
三维对象的拓扑数据模型
体状对象
面状对象
线状对象
点状对象
1 BodyID
1 SurfaceID
1
LineID
1 PointID
N
体1
N
4
5
面
1
6
N
3 4
边
1
1
2 结点
ElementID
FaceID
EdgeID
NodeID
X
Y
Z
32
三维复杂实体的逻辑模型
体对象 Class
• 模型：
• 时间作为属性（time stamp）
• 序列快照模型( Sequent Snap shots) • 基态修正模型(Base State with Amendments) • 时空复合模型( Space - time Composite) • 时空立方体模型( Space - time Cube)
表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新, 不足之 处是空间分析难以进行。 （2）体模型(Volume model)
GIS地理信息系统空间数据结构
网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通 流。
要素（对象）模型
基于要素的空间模型强调了个体现象， 该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的 关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都 可以被确定为一个对象（Object），假设它可 以从概念上与其邻域现象相分离。一个实体必 须符合三个条件： 可被识别； 重要（与问题相关）； 可被描述（有特征）。
场模型可以表示为如下的数学公式：
z : s z ( s ) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因
此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个 值域的映射。
空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较
对象模型和场模型的比较
现实世界
对象模型 选择实体 它在哪里 数据
场模型 选择一个位置
指图形保持连续状态下变形，但图形关系
不变的性质。
拓扑变换
（橡皮变换）
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
非拓扑属性（几何） 两点间距离
拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点
一点指向另一点的方向 一条弧是一简单弧段（自身不相交）
弧段长度、区域周长、 一个点在一个区域的边界上
面积 等
一个点在一个区域的内部/外部
(x8,y8), (x17,y17), (x16,y16),
22 (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13),
21
(x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
6
20
C
3
5
18
19
4
(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26), (x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30)
第3章 空间数据模型
＊通过描述小面块的几何形态、相邻关系及面块内属性 特征的变化来建立空间数据的逻辑模型；
＊小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间； ＊根据面块的形状，镶嵌数据模型可分为 规则镶嵌数据模型 不规则镶嵌数据模型
规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据模型
TIN和Voronoi多边形数据模型
Voronoi 图又称为Dirichlet ( tessellation) ,其概念由 Dirichlet 于1850 年首先提出; 1907 后俄国数学家 Voronoi 对此作了进一步阐述,并提出高次方程化简; 1911 年荷兰气候学Thiessen为提高大面积气象预报 的准确度,应用Voronoi 图对气象观测站进行了有效 区域划分。因此在二维空间中,Voronoi 图也称为泰 森多边形。
2 作为两个面域之间的一个边界。
3 作为一个面域特征，精确表达河流的堤岸、辫 状河道以及河流上的运河。
4 作为一条曲线以构成表面模型上的沟槽。根据 地表上河流的路径，可以算出其横截面、落差度、 排水流域以及在预测降雨下的洪水爆发可能性。
针对真实的世界，每一个人都在创建他 自己的主观模型。GIS的观点是为真实世 界建立一个通用的模型。
泰森（Thiessen)多边形的特点： 1 组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直； 2 多边形内的任意位置总是离该多边形内样点的距 离最近，离相邻多边形内样点距离远； 3 每个多边形内包含且仅包含一个样点。
（五）面向对象数据模型
为了有效地描述复杂的事物或现象，需要 在更高层次上综合利用和管理多种数据结构 和数据模型，并用面向对象的方法进行统一 的抽象。
空间逻辑数据模型作为概念模型向 物理模型转换的桥梁，是根据概念模型 确定的空间信息内容，以计算机能理解 和处理的形式，具体地表达空间实体及 其关系。
GIS空间数据结构课件
椭球体与基准面之间的关系是一对多的关 系，也就是基准面是在椭球体基础上建立 的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭 球体能定义不同的基准面，如前苏联的 Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基 准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们 的基准面显然是不同的。
我国3个椭球体参数如下
3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；
4）对数据转换方法的描述；
5）对数据库的更新《G、IS空集间数据成结构等》PP的T课件说明。
3、元数据的主要作用
1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、 建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退 时，也不会失去对数据情况的了解；
2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、 数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售 等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；
《GIS空间数据结构》PPT课件
2、1980年中国国家大地坐标系，具体参数 为：
赤道半径（a）＝6378140.0000000000m 极半径（b）＝6356755.2881575287m 地球扁率（f）＝（a－b）/a＝1/298.257 1980年中国国家大地坐标系的大地原点，
设在陕西省泾阳县永乐镇，称西安原点。
《GIS空间数据结构》PPT课件
二、矢量数据的特点
➢ 可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 例如建立封闭多《G边IS空形间数据，结构实》P现PT课道件 路的选取，进行 最佳路径的计算等等。
2．3 空间数据的计算机表示
以ARC/INFO矢量数据模型的系统为例 ➢ 首先，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层 。
《GIS空间数据结构》PPT课件
其次，将一个专题层的地理要素或实体分解 为点、线或面状目标 。每个目标的数据由 定位数据、属性数据和拓扑数据组成。具 有相同的分类码的同类目标组成类型，— 类或相近的若干类构成数据层，若干数据 层构成图幅，全部数据组成数据库。
空间数据模型名词解释
空间数据模型名词解释
空间数据模型是地理信息系统（GIS）中的核心组成部分，理解它对于要深入
理解GIS的工作原理至关重要。
它们是对现实世界中的几何图形以及这些图形之
间的空间关系的抽象和整理。
根据对空间数据的编码方法的不同，空间数据模型通常可以分为矢量数据模型和栅格数据模型两大类。
矢量数据模型用点、线、面来表示空间信息。
点，例如地理位置、纪念碑，被视为0D，即没有长度和宽度；线，例如公路、河流，被视为1D，即有长度但没有宽度；面，例如湖泊、城市，被视为2D，即既有长度又有宽度。
矢量数据模型的
优点在于其准确性高且能很好地维持空间信息的拓扑结构，但其处理步骤复杂且
需要更多的计算量。
栅格数据模型则将空间分成许多规则的网格，每个网格单元存储一些特定的信息。
比如气候数据、土壤类型数据、人口分布数据等等。
栅格数据模型的特点是
处理速度快，但存储空间大，并且精度受到栅格大小的限制。
另外，现还有一种TIN（Triangulated Irregular Network）数据模型，它是矢量
数据模型的一种，是通过非规则三角网来表达三维地理形状的。
可以将区域分割为许多三角形，每个三角形的三个顶点都有一个Z值（高程）。
由于它们可以为不
规则形状的地面提供良好的表达，因此在解决地貌问题中尤为有效。
以上就是空间数据模型的基本概念，以及其中主要的几种模型类型和他们的特点。
在实际应用中，不同的数据模型类型会根据具体的需求和数据特性进行选择。
gis数据模型基本概念
gis数据模型基本概念Title: Basic Concepts of GIS Data Models正文：地理信息系统（GIS）数据模型是用于表示和组织地理空间数据的框架或结构。
它定量地描述了地理现象和空间关系的属性和特征，并提供了一种方法来存储、查询和分析地理数据。
GIS数据模型主要分为两种类型：矢量数据模型和栅格数据模型。
矢量数据模型使用点、线和多边形等几何形状来表示地理实体，如河流、建筑物和国界线等。
矢量数据模型在表示几何形状的同时，还可以包含属性数据，比如地名、人口数据等。
这种数据模型适合存储有界面积的地理对象。
与矢量数据模型不同，栅格数据模型使用像素网格来表示地理空间数据。
每个像素代表一个特定的地理区域，因此栅格数据模型适用于连续性地理现象的表示，如高程数据和气候模型。
栅格数据模型还可以表示定量数据，如土地利用类型和遥感影像。
另一种常见的GIS数据模型是网络数据模型，它用于表示网络结构和连接性关系。
网络数据模型常用于交通规划、电力网络和供水系统等领域。
通过使用网络数据模型，可以进行路径分析、行进成本计算和设施定位等操作。
GIS数据模型还根据数据的拓扑关系进行分类，有点（点要素之间没有拓扑关系）、线（线要素之间有拓扑关系）和面（面要素之间有拓扑关系）数据模型。
拓扑关系是指要素之间的相对位置和连接性，它可以帮助我们在地理数据中进行一些特定的空间分析，比如缓冲区分析和交集分析。
除了以上提到的数据模型，还有一些辅助的数据模型用于解决特定的空间分析问题，例如TIN （三角网数据模型）和DEM（数字高程模型）等。
GIS数据模型是地理信息系统的重要基础，它们提供了一种结构化和一致的方式来组织和处理地理空间数据。
理解和应用不同类型的数据模型对于有效地使用GIS来进行空间分析和决策支持具有重要意义。
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2.5 GIS空间数据模型
二、传统数据模型存储空间数据的局限性
2.网状数据模型用于GIS地理数据库的局限性
1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据 的逻辑结构，知道自己所处的位置；
2）网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题 3）不直接支持对于层次结构的表达 4）基本不具备演绎功能和操作代数基础。
3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性
对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限， 表现为：
4）一般RDBMS难于存储和维护变长的空间数据及其拓扑关系 5）一般RDBMS难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加基本操作。 6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能 7）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息 8）一般RDBMS难以维护系统数据的完整性。
数据模型的三要素：数据结构、数据操作和数据的约束条件 数据结构：指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构 数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑 模型。 两者之间的关系：混合的交叉关系，并不一一对应。
2.5 GIS空间数据模型
二、传统的数据模型
1.层次数据模型
二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应表中的一行，在关系中称为元组，相 当于通常的一个记录； 表中的列表示属性，称为域，相当于通常的记录中的数据项。满足一定条件的规范化关系 的集合，就构成了关系模型。
? 使用SQL语言对其进行操作。
2.5 GIS空间数据模型
二、传统的数据模型
3.关系数据模型
2.5 GIS空间数据模型
三、面向对象模型
1.面向对象的基本思想
通过对问题领域进行自然的分割， 用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型， 并进行结构模拟和行为模拟， 从而使设计出的软件能尽可能地直接表现出问题的求解过程。
2.5 GIS 空间数据模型
三、面向对象模型
2.基本概念
地理 对象
属性 — 数据 行为—方法
2.5 GIS空间数据模型
二、传统数据模型存储空间数据的局限性
3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性
在GIS分析中，需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据，要求GIS数据库
能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理。
找离火车站 最近的汽车
站？
距离最近 的汽车站
GIS分析
属性为火 车站的点
检索
二、传统的数据模型
2.网状数据模型
优点：可以描述现实世界中极为常 见的多对多的关系
缺点：结构的复杂性限制了它在空 间数据库的使用
2.5 GIS空间数据模型
二、传统的数据模型
3.关系数据模型
? 在关系数据模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的二维表，表具有固定的
列数和任意行数，在数学Байду номын сангаас称为“关系”。
?对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。 对于一个对象，应具有如下特征：
2.5 GIS空间数据模型
二、传统的数据模型
1.层次数据模型
由树的定义知，一棵树有且仅有一个无双亲结点 的称为根的结点；其余结点有且仅有一个双亲结点
优点：将数据组织成有向有序结构 反映了现实世界中实体之间 的层次关系
缺点：不能表示多对多的关系难以 顾及实体之间的拓扑关系导 致数据冗余
2.5 GIS空间数据模型
1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理 存储上的冗余
2）对任何对象的查询都必须从根结点开始，低层次对象的查询效率很低， 很难进行反向查询
3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂， 父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除；
4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据 操纵命令中显式地给出数据的存取路径；
二、传统的数据模型
2.网状数据模型
? 网状模型将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线描述不同
结点数据间的联系。
? 基本特征是，结点数据之间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点
建立联系，即结点之间的联系是任意的，任何两个结点之间都能发生联系，可 表示多对多的关系。
2.5 GIS空间数据模型
? 层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数
据之间的隶属关系。
? 层次模型是数据库技术中发展最早、技术上比较成熟的一种数据模型。
? 层次模型的特点是地理数据组织成有向有序的树结构(又称树形结构)。结构中
的结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系(一对多的关系)
2.5 GIS 空间数据模型
一、数据模型概述
数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间 的关系和在数据上的各种操作。 是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示， 以抽象的形式描述和反映地理实体构成及其相互关系。
选择与建立数据模型的目的是用最佳的方式表达实体对象及其相互关系，并能以 最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口
复杂地理对象的能力较弱 2）描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分
解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理 3）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系
统开销较大的联接操作，运行效率不够高。
2.5 GIS 空间数据模型
二、传统数据模型存储空间数据的局限性
优点：结构简单灵活； 容易维护和理解，表现在数据的修改和更新方便； 有些系统甚至采用关系数据库系统管理几何图形数据。
缺点：效率不高； 难以表达对象，尤其是复杂对象。
2.5 GIS空间数据模型
二、传统的数据模型
4.传统数据模型的比较
2.5 GIS空间数据模型
二、传统数据模型存储空间数据的局限性
1.层次数据模型用于GIS地理数据库的局限性
空
间
计
算
所有属性为
汽车站的点
检索
空间 数据库
2.5 GIS 空间数据模型
二、传统数据模型存储空间数据的局限性
3.关系数据模型用于GIS地理数据库的局限性
对属性数据用通用RDBMS可以很好管理，但对于空间数据一般DBMS却有局限， 表现为： 1）无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作