《地图数据模型》PPT课件.ppt

地图数据库原理与技术,2,第四章,地图数据模型,3,空间数据模型：不同的模型下有不同的空间要素认知、抽象和表达方式以及不同的空间关系定义。空间数据结构：不同空间数据模型在计算机内的存储和表达方式。空间数据组织：大量计算机化的空间数据的统一管理方式。,4,主要内容:,模型概念数据模型数据库技术与面向对象技术的结合地图数据基本表示方法空间数据模型地图数据结构设计地图数据库的数据组织与管理,5,4.1模型概念,一、数据抽象二、模型三、模型分类四、地图模型,6,一、数据抽象数据库系统是面向计算机的，而应用是面向现实世界的，两个世界存在着很大差异，要直接将现实世界中的语义映射到计算机世界是十分困难的，因此引入一个信息世界作为现实世界通向计算机实现的桥梁。一方面，信息世界是对现实世界的抽象，从纷繁的现实世界中抽取出能反映现实本质的概念和基本关系;另一方面，信息世界中的概念和关系，要以一定的方式映射到计算机世界中去，在计算机系统上最终实现。信息世界起到了承上启下的作用。,4.1模型概念,7,4.1模型概念,8,4.1模型概念,二、模型1.定义模型是对现实世界的表达或描述，是现实世界的本质反映或科学抽象，可反映事物的固有特征及其相互联系的运动规律。2.模型特点,用能理解的东西表示希望了解的东西模型不等于被描述的对象是一种普遍采用的科学研究的方法,9,模型举例：,4.1模型概念,10,模型举例：,4.1模型概念,11,4.1模型概念,三、模型分类1.模拟模型模拟模型以连续的方式表示对象。,二维的,12,4.1模型概念,2.数字模型用离散的、数学的方法表示原型。数学模型用数学的形式语言来描述对象。数据模型是关于数据和联系的逻辑组织形式的表示，是计算机数据处理中较教高层次的数据描述，它独立于任何的DBMS。,13,。,4.1模型概念,14,概念数据模型按用户的观点来对数据和信息建模。用于组织信息世界的概念，表现从现实世界中抽象出来的事物以及它们之间的联系。这类模型强调其语义表达能力，概念简单、清晰，易于用户理解。它是现实世界到信息世界的抽象，是用户与数据库设计人员之间进行交流的语言。如E-R模型。,4.1模型概念,15,结构数据模型从计算机实现的观点来对数据建模。是信息世界中的概念和联系在计算机世界中的表示方法。一般有严格的形式化定义，以便于在计算机上实现。如层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型。,4.1模型概念,16,4.1模型概念,每一个具体的数据库都由一个相应的数据模型来定义，数据模型最终成为一组被命名的逻辑数据单位以及它们之间的逻辑联系所组成的全体；每一种模型以不同的数据抽象与表示能力来反映客观事物，有其不同的处理数据联系的方式；建模的目的是以最佳的方式反映本部门的业务对象及信息流程，或以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口。,17,4.1模型概念,四、地图模型地图模型是建立在严格数学基础之上的现实世界表象的模拟模型，具有物质模型和概念模型两个方面的特点。物质模型地图与它所反映的客观世界在结构上存在着极大的相似性，人们可以利用这个模型来分析、观察和认识客观世界及其联系，还可进行分析、量算。,18,4.1模型概念,概念模型地图是客观世界的一种科学抽象，地图上的内容是经过制图者思维加工的，有一定的主观因素，用途的不同，观察的角度不同，同一客观存在会有不同的概念模型。数字地图是一种数据模型，是用各种不同的数据结构来描述客观世界的。组织地图数据的方式是多种多样的，因而地图的数据模型有不同的形式。建立合适的地图数据模型，是地图数据库必须解决的重要问题。,19,4.1模型概念,地图数据模型的设计，实质是确定地图数据和表示方法，确定数据结构形式及数据文件的组织方式。,20,4.2数据模型,一、概念数据模型二、结构数据模型三、结构数据模型示例四、关系数据库,21,一、概念数据模型1976年，P.P.S.Chen提出-模型（Entity-RelationshipModel），用-图来描述概念模型。观点：世界是由一组称作实体的基本对象和这些对象之间的联系构成的。,4.2数据模型,22,实体(Entity)：客观存在并可相互区分的事物叫实体。如学生张三、工人李四、计算机系、数据库概论。属性(Attribute)：实体所具有的某一特性。一个实体可以由若干个属性来刻画。例如，学生可由学号、姓名、年龄、系、年级等组成。域(Domain)：属性的取值范围。例如，性别的域为（男、女），月份的域为到的整数。,4.2数据模型,23,实体型(EntityType)：实体名与其属性名集合共同构成实体型。例，学生（学号、姓名、年龄、性别、系、年级）。注意实体型与实体（值）之间的区别，后者是前者的一个特例。如(9808100，王平，21，男，计算机系，2)是一个实体。实体集(EntitySet)：同型实体的集合称为实体集。如全体学生。,4.2数据模型,24,码(Key)：能唯一标识实体的属性或属性组称作超码。超码的任意超集也是超码。其任意真子集都不能成为超码的最小超码称为候选码。从所有候选码中选定一个用来区别同一实体集中的不同实体，称作主码。一个实体集中任意两个实体在主码上的取值不能相同。如学号是学生实体的码。通讯录（姓名，邮编，地址，电话，Email，BP）,4.2数据模型,25,联系(Relationship)：实体之间的相互关联。如学生与老师间的授课关系，学生与学生间有班长关系。联系也可以有属性，如学生与课程之间有选课联系，每个选课联系都有一个成绩作为其属性。同类联系的集合称为联系集。联系的种类实体之间的联系的数量，即一个实体通过一个联系集能与另一实体集相关联的实体的数目。可以有一对一的（1:1），一对多的（1:m），多对多的（m:n）几种情况。,4.2数据模型,26,设有两个实体集E1，E2一对一：E1中的一个实体与E2中至多一个实体相联系，并且E2中的一个实体与E1中至多一个实体相联系。如“职工”与“部门”之间的“管理”联系（假定每个部门只有一个经理，一个职工不能兼任两个部门经理。一对多：E1中的一个实体与E2中n（n0）个实体相联系，并且E2中的一个实体与E1中至多一个实体相联系。如“教师”和“学生”之间的“班主任”联系。多对多：E1中的一个实体与E2中n（n0）个实体相联系，并且E2中的一个实体与E1中m（m0）一个实体相联系。如“学生”和“课程”之间的“选修”联系。,4.2数据模型,27,学生,课程,选修,学号,姓名,系别,课程名,先修课,主讲老师,成绩,矩形表示实体集，在框内写上实体名,椭圆表示实体的属性,无向边把实体与其属性连接起来,菱形表示实体间的联系,将参与联系的实体用线段连接,学生选修课程,m,n,联系的数量,4.2数据模型,28,二、结构数据模型结构数据模型的三要素：,4.2数据模型,数据结构数据操作数据的约束条件,29,1.数据结构描述系统的静态特性，即组成数据库的对象类型。包括：数据本身：类型、内容、性质。如网状模型中的数据项、记录，关系模型中的域、属性，关系等。数据之间的联系：例如网状模型中的系型（SetType）在数据库系统中一般按数据结构的类型来命名数据模型。,4.2数据模型,30,描述系统的动态特性，即对数据库中对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。一般有检索、更新（插入、删除、修改）操作。数据模型要定义操作含义、操作符号、操作规则，以及实现操作的语言。,4.2数据模型,2.数据操作,3.数据的约束条件,数据的约束条件是完整性规则的集合，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确、有效、相容。,31,三、结构数据模型示例,4.2数据模型,层次模型网状模型关系模型,32,用树结构表示实体之间联系的模型叫层次模型。树由节点和连线组成，节点代表实体型，连线表示两实体型间的一对多联系。树有以下特性：每棵树有且仅有一个节点无父节点，此节点称为树的根（Root）。树中的其它节点都有且仅有一个父节点。,4.2数据模型,1.层次模型,33,4.2数据模型,34,优点：结构简单，易于实现。缺点：支持的联系种类太少，只支持二元一对多联系。数据操纵不方便，子结点的存取只能通过父结点来进行。代表产品：IBM的IMS数据库，1969年研制成功。,4.2数据模型,35,是一个满足下列条件的有向图：可以有一个以上的节点无父节点。至少有一个节点有多于一个的父节点（排除树结构）。,4.2数据模型,2.网状模型,36,特点：表达的联系种类丰富。结构复杂。DBTG报告：1969年，由美国CODASYC（ConferenceOnDataSystemLanguage，数据系统语言协商会）下属的DBTG（DataBaseTaskGroup）组提出，确立了网状数据库系统的概念、方法、技术。,4.2数据模型,37,用二维表来表示实体及其相互联系,4.2数据模型,3.关系模型：,38,优点：简单，表的概念直观，用户易理解。非过程化的数据请求，数据请求可以不指明路径。数据独立性，用户只需提出“做什么”，无须说明“怎么做”。坚实的理论基础。,4.2数据模型,39,四、关系数据库,4.2数据模型,在上述三种数据模型中，由于关系模型概念简单、清晰，用户易懂易用，有严格的关系数据理论支持，简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作，因而关系模型在诞生以后发展迅速，很快就成为深受用户欢迎的数据模型。目前市面上比较流行的数据库系统，如ORACLE，SYBASE，SQLSERVER，FoxPro等均为关系型数据库。,40,关系数据库是以关系模型为基础的数据库。关系模型由三部分组成：数据结构：在关系模型中，无论是实体还是实体之间的联系均由单一的结构类型即关系来表示。关系操作：关系代数（或等价的关系演算）中并、交、差、选择、投影、连接等。关系语言的特点是高度的非过程化，其操作方式的特点是集合操作，即操作的对象和结果是集合。,1.基本概念,4.2数据模型,41,关系完整性：实体完整性、参照完整性和用户自己定义的完整性。实体完整性是保证数据库中记录的唯一性，即每个记录的主键不能为空值也不能与其它记录的主键相同。参照完整性是保证表与表之间语意上的完整性，即当一个表引用在另一个表中定义的实体时，要保证这个实体的有效性。这两种完整性是关系模型必须满足的约束条件，应该由关系系统自动支持。而用户自定义完整性反映了用户的要求，是用户自行定义的。,4.2数据模型,42,结构化查询语言（StructuredQueryLanguage，简称SQL）的理论是1974年提出的，并在IBM公司的SystemR上实现。由于它功能丰富、使用方式灵活、语言简洁易学等优点，在计算机工业界和用户中倍受青睐，很快得以推广。后来，美国国家标准局（ANSI）和国际标准化组织（ISO）先后批准SQL作为关系数据库语言的美国及国际标准。至此，SQL就成为关系数据库的标准语言，关系数据库系统一般都支持标准SQL语句。SQL虽被称为“查询语言”，其功能却包括查询、操纵、定义和控制四个方面，是一个综合、通用、功能强大的关系数据库语言。,2.结构化查询语言(SQL),4.2数据模型,43,SQL的功能可以分成以下四类：数据定义：用于定义和修改数据库对象。如CREATETABLE（创建表）、DROPTABLE（删除表）等。数据操纵：对数据的增、删、改和查询操作。如SELECT（查询数据）、INSERT（插入记录）、DELETE（删除记录）、UPDATE（修改数据）等。数据库控制：控制用户对数据库的访问权限。如GRANT（授予权利）、REVOKE（取消权利）等。事务控制：控制数据库系统事务的运行。如COMMIT（事务提交），ROLLBACK（事务回滚）等。,4.2数据模型,44,SQL有如下几个比较突出的优点：一体化：SQL可以完成包括数据库定义、修改、删除、数据更新、数据查询等数据库生命周期中的全部活动，给用户使用带来很多方便。灵活：SQL有两种使用方式。一种是联机交互使用，另一种是嵌入某种高级程序设计语言的程序中。这两种方式的语法结构是统一的。这样既给用户带来了灵活的选择余地，又不会带来不一致的困扰。高度非过程化：与高级编程语言相比，SQL对数据库的操作方面是非常有优势的。使用SQL用户只需提出“做什么”，不用了解实现的细节，复杂的过程均由系统自动完成。语言简洁，易学易用。,4.2数据模型,45,为使数据库设计方法走向完备，人们提出了规范化理论。规范化可以使关系的结构简化，更加有规律，尽量减少存储冗余，使数据库设计得更为合理。规范化的目的可以概括为以下几点：保证库中每一个分量都不可再分消除冗余存储，简化检索操作消除插入异常和删除异常关系数据的规范化理论涉及到以下两个问题：数据依赖规范化问题考虑的基本出发点在于一个关系的数据项之间存在数据依赖问题。它是现实世界属性间相互联系的抽象。关系中数据项之间存在两种依赖关系：函数依赖和多值依赖。,3.关系数据库规范化理论,4.2数据模型,46,范式范式是对关系的不同数据依赖程度的要求。通过模式分解将一个低级范式转换为若干个高级范式的过程称作规范化（概念的纯粹化）。通常我们按属性间情况来区分关系规范化的程度为：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、修正的第三范式（BCNF）、第四范式（4NF）。范式之间的关系如下图所示：,4.2数据模型,47,4.2数据模型,48,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,一、RDBMS的局限二、面向对象技术与数据库技术结合三、DBMS分类矩阵四、对象-关系数据库五、OODBMSvsORDBMS,49,一、RDBMS的局限,表达能力有限RDB的基本结构是二维表，是一种平面结构，无法表达嵌套的信息结构。在CAD等系统中，嵌套大量存在，如机器由很多部件构成，每个部件又由多个零件构成。嵌套的平面化可以通过模式分解和连接运算实现。连接在关系数据库中是十分低效的运算。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,50,类型有限RDB的类型是系统内置的，用户只能使用固定的几种。新的应用需要灵活的类型机制，DBMS应该能够支持用户定义适合自己应用的数据类型。类型：数据抽象的一种方式，是一组值的集合以及在这组值上的操作。提供一组内在的数据类型，如整数、字符等。提供定义新的数据类型的手段。数组：聚合同类型数据；结构：聚合不同类型数据。类型检查,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,51,结构与行为的分离RDB中存储的只是实体的数据，而实体的行为则交由应用程序来编码实现。现实世界中的实体除了数据结构之外，同时还有其自身的行为。如学生应该具有选课的行为。实体的行为也是实体的属性，应当同实体紧密结合，由应用来维护是不适合的。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,52,版本与长事务多版本支持有些应用如CAD、CASE，需要表示单个实体的多个不同时期的版本，以便进行比较和重新设计。要求DBMS能够支持数据的多个版本，并建立自然、方便的管理机制。目前的RDBMS没有哪一个能够支持。长事务当前的有些应用需要锁住某些数据一整天甚或几个星期，以便进行复杂的设计。这与传统的短事务（数秒或数分钟内提交）有很大不同。传统的事务管理机制已不再适合这种要求，需要新的数据一致性维护机制。只有版本问题解决得好，长事务的处理才有希望。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,53,面向对象方法面向对象技术引入到数据库系统中面向对象技术与数据库技术结合的途径,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,二、面向对象技术与数据库技术结合,54,1.面向对象方法基本思想：从现实世界中客观存在的事物（对象）出发，以尽可能接近人类思维的方式建立模型，对客观事物进行结构模拟和行为模拟。基本概念：对象、属性、方法、消息、封装、类、继承、多继承等。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,55,对象：系统中用来描述客观事物的一个实体，它是构成系统的一个基本单位。一个对象由一组属性和对这组属性进行操作的一组方法构成。属性：用来描述对象静态特征的一个数据项。方法：用来描述对象动态特征的一个操作序列。消息：用来请求对象执行某一操作或回答某些信息的要求。封装：一种信息隐蔽技术。对象本身就是一种封装，把一组属性和对这组属性进行的操作结合成一个独立的系统单位，并尽可能隐蔽对象的内部细节。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,56,类：具有相同属性和方法的一组对象的集合，它为属于该类的全部对象提供了统一的抽象描述。继承：类构成特殊化层次（is-a联系）。Is-a联系中子类的对象拥有其超类的对象的全部属性和方法，称做子类对超类的继承。多继承：一个类从多个超类中继承属性和方法的能力。对象包含：一个（或一些）对象是另一个对象的组成成分（is-part-of联系）。包含其他对象的对象称为复杂对象或复合对象。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,57,对象包含举例：,车轮,车闸,齿轮,车架,辐条,轮框,轮胎,闸盒,传杆,闸线,一个构件可以包含其它构件。包含其它对象的对象称为复合对象或复杂对象。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,58,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,59,2.面向对象技术引入到数据库系统中数据库的新应用领域：,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,计算机辅助设计（CAD）计算机辅助软件工程（CASE）多媒体数据库办公信息系统（OIS）超文本数据库,60,应用的新需求：,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,面向对象技术给数据库系统带来的好处：,模拟复杂对象模拟对象的复杂行为,复杂对象构造能力使得对于客观世界的模拟能力强，方式自然。封装性向开发人员和最终用户屏蔽复杂性和实现细节。继承性使得数据库设计和应用编程成为可重用的。,61,3.面向对象技术与数据库技术结合的途径,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,90年代中后期的研究和市场状况很多研究成果若干商品化系统市场份额小应用较局限,62,扩充关系数据库系统持久化程序设计语言面向对象的数据库系统数据库系统工具包/部件,对象-关系数据库系统Illustra,UniSQL,标准草案ODMG-93,Gemstone,ObjectStore,O2,商品化现状比预期的差,若干研究成果，但已很少有人用这样的系统,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,63,如何将面向对象概念与数据库系统结合起来？两条途径：将面向对象概念作为概念设计阶段工具将面向对象概念结合到数据库操纵语言中扩展SQL在SQL中增加复杂类型和面向对象特征。持久化程序设计语言对某种现行的面向对象程序设计语言进行扩展。3W-WhoWillWin？,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,64,三、DBMS分类矩阵,DBMS有哪些不足？代价高性能低如何取舍？定律：杀鸡不要用牛刀,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,65,简单数据,复杂数据,无查询,有查询,DBMS应用分类矩阵,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,66,应用实例：正文处理系统，如word，wps等。应用对DBMS的需求：数据结构：任意长度的字符串。数据处理方式：打开一个文件，其内容被拷贝到内存，然后对它进行编辑，定期将内存中拷贝保存到磁盘上。没有查询需求。DBMS：操作系统中的文件系统,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,67,应用实例：公司的职工信息、部门信息管理。SQL语句建表，属性均为SQL标准数据类型。应用对DBMS的需求：查询语言：SQL-89、SQL-92应用开发工具：表格工具、报表工具、菜单工具等并发控制、故障恢复、事务管理、安全性、完整性等安全性/体系结构：DBMS必须在一个与客户应用分离开的地址空间中运行，数据库文件只能由DBMS存取。DBMS：RDBMS,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,2,简单数据+有查询,68,应用实例：公司实验室空间管理，每个职工安排在一个小方格内。职工经过一定时期的变动之后，需要重新安排。,应用对DBMS的需求：对象的持久存储，无查询要求开发工具：可以用程序设计语言工具包性能：希望保持非持久存储程序设计语言的性能DBMS：OODBMS,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,3,复杂数据+无查询,69,应用实例：加洲水资源管理，管理各种水道幻灯片，按内容存取。,应用对DBMS的需求：查询语言：至少需要允许用户定义的函数和操作符应用开发工具：与DBMS集成在一起的可视化工具对查询性能的要求：各种优化（执行次序、预计算、空间存取方法等）DBMS：ORDBMS,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,4,复杂数据+有查询,70,简单数据,复杂数据,无查询,有查询,对象-关系数据库是下一个大浪潮,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,71,对象-关系数据库的基本特性管理复杂数据=对象建模有效地支持查询=SQL超集SQL环境中对基本类型扩充的支持SQL环境中对复杂对象的支持SQL环境中对继承性的支持对规则系统的支持对大量用户、大量数据的支持,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,四、对象关系数据库,72,对象-关系数据库是发展的大趋势技术优势：对面向对象特性的全面支持，以关系模型和SQL为基础，共同遵循的SQL:1999标准。应用的推动：新的多媒体应用的计算机化，传统的商务数据处理应用的深入发展。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,73,基本出发点：OODBMS试图往程序设计语言中增加DBMS功能。ORDBMS试图往RDBMS中增加更丰富的数据类型。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,四、OODBMSvsORDBMS,74,主要区别：OODBMS试图实现与C+，Java，Smalltalk等语言的无缝集成；而无缝集成不是ORDBMS的主要目标，SQL:1999支持将SQL嵌入到宿主语言中。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,75,OODBMS主要定位于支持以对象为中心的应用，即典型的用户对话包括从数据库中检索若干个对象，然后对它们进行长时间的加工，相对地较少从数据库中取（被引用的）对象，对象可能很大，需要研究将对象分部分地读取和进行缓冲的技术，事务通常是长事务；ORDBMS主要定位于支持需要对很大的数据集进行访问的应用，尽管数据集中的对象结构可以很复杂，对象可以很大，需要研究的仍然是有效地支持频繁的磁盘访问，和短事务的并发控制，故障恢复等。,4.3数据库技术与面向对象技术的结合,76,4.4地图数据基本表示方法,一、几何数据的表示二、属性数据的表示三、关系数据的表示四、地名数据的表示,77,4.4地图数据基本表示方法,一、几何数据的表示1.矢量形式处理图形数据点用一对坐标定义；曲线离散成一系列点，用一串坐标对定义；面状要素由轮廓范围表示。,78,4.4地图数据基本表示方法,一、几何数据的表示2.栅格形式处理图形、图像数据点用其定位点所在的单一象素坐标表示；线用中心轴线上的一个像素到达相邻另一个像素的惟一一条途径的像素组来表示。,79,表示相邻像素的方法有：,4.4地图数据基本表示方法,80,4.4地图数据基本表示方法,一、几何数据的表示3.两种形式之间的转换矢转栅确定栅格大小栅转矢选择细化方法剥皮法骨架图法,81,4.4地图数据基本表示方法,二、属性数据的表示对地理要素进行语义定义，多采用计算机能够接收的字符编码形式1.信息的分类分级信息分类的基本原则：,可扩展,82,4.4地图数据基本表示方法,信息分类的基本方法:线分类法（等级分类法）优点：容量大，层次性好，逻辑关系明确，与手工方法类似，方便，易于计算机处理。缺点：分类结构不易改动，效率低，分类层次多时代码数位长，影响处理速度。,83,4.4地图数据基本表示方法,信息分类的基本方法:面分类法优点：弹性大，一个面内类目的改变不影响其它面；适应性强，可依需组合类目，便于计算机处理；易于添加修改类目。缺点：不能充分利用容量。,将给定的分类对象按选定的若干属性或特征分成彼此之间互不依赖、互不相干的若干个面，每个面中又可分成许多彼此独立的若干个类目。使用时，可依据需要将这些面中的类、目组合在一起，形成复合类目。,84,4.4地图数据基本表示方法,信息分级方法:区分事物数量上的差别，进一步简化统计数据的一种方法。分级的多少决定综合程度的大小。分级解决的主要问题是确定分级数和分级界限。跟据用途、比例尺、目视分辨率、人的长期记忆等因素，分级数多在4-7级之间。,85,4.4地图数据基本表示方法,分级界线的确定,等级间隔分级；自然裂点法；按正态分布参数分级；按嵌套平均值分级；按面积等梯级分级；用聚类分析方法分级；最优分割,方法满足：每级内有数据；每个数据都属某一个级；级内差异尽量小，级间差异尽量大；分级界线变化有规律。,86,4.4地图数据基本表示方法,2.信息的编码确定信息代码的方法和过程叫编码。代码是一个或一组有序的易于为计算机或人识别与处理的符号。编码的基本原则：,87,4.4地图数据基本表示方法,88,代码的类型：,数字型字母型混合型,结构简单，使用方便，排序容易，对分类对象特征的描述不直观,4.4地图数据基本表示方法,代码容量大，便于识别、记忆,兼有上述两者优点，结构严谨、直观，但组成形式复杂,89,410100,表示省（自治区、直辖市）,表示省辖市（地区、州、盟及国家直辖市所属市辖区和县的汇总码）。其中01-20，51-70表示省直辖市；21-50表示地区（州，盟）,表示县（市辖区、地割市、省直辖县级市、旗）。其中01-18表示市辖区或地辖区；21-80表示县（旗）；81-99表示省直辖县级市,编码方法举例1：,4.4地图数据基本表示方法,行政区划代码（GB2260-91）格式：用六位数字代码按层次分别表示省（自治区、直辖市）、地区（市、州、盟）、县（区、市、旗）的名称。,郑州市,90,我国土地利用信息分类，采用三位整数编码表示。百位数表示第一级分类，十位数表示第二级分类，个位数表示第三级分类。例如，第一级耕地编码为100，耕地中的第二级水浇地编码为120，耕地中的第三级平地旱地编码为131。,编码方法举例2：,4.4地图数据基本表示方法,土地利用分类编码,91,数字制图对地图信息的编码也常采用字符或数字代码。通常，编码可以视用途决定其规模，比如以制图为目的数字制图，可以是采用简单编码方案，而地图数据库要用于信息查询，应尽量详细表示信息，编码就比较复杂，一种简单的编码方案是采用三级、六位整数代码描述地图要素。,编码方法举例3：,4.4地图数据基本表示方法,数字制图常用编码方法,92,第一级表示地图要素类别。可以按相应地图图式，将地图要素分成水系、居民地、交通网、境界、地貌、植被和其它要素七类，分别用六位编码的前两位依次由01至07定义。这保留了传统的地图符号分类结构，便于用户检索、查询地图信息。,编码方法举例3：,4.4地图数据基本表示方法,数字制图常用编码方法,93,第二级表示要素几何类型，便于计算机进行处理。将每类要素按点，线，面划分，分别用六位编码的中间两位数，划分为三个区间表示。其中00-39作为点符的区间，4069作为线符区间，7099用来定义面符。划分区间是避免分类层次较多时，造成编码位数较长。第三级区分用于要素的某些质量特征，这些质量特征多用于不同符号表示。如道路的等级：是普通道路还是简易公路；沙地的形态：平沙的还是多垄沙地等。在六位编码中用最低两位表示。,编码方法举例3：,4.4地图数据基本表示方法,数字制图常用编码方法,94,这种编码方按对地图要素符号具有定义的唯一性，并且简单，合理，可以扩充，不足之处是不便于记忆，且与图式符号编号不一一对应。这会影响检索速度，在该编码方案中，未包括地理名称注记，是因为地名有其相对独立性、特殊性，宜单独建立地名库。因第一级只分了七类，实际该编码方按只用五位整数即可表示。,编码方法举例3：,4.4地图数据基本表示方法,数字制图常用编码方法,95,数据描述军用基础地理信息以完整实体为对象描述，要素编码是军用基础地理信息数据的语义描述模型,描述要素的分类、分级；要素的质量特征、数量特征和其它附属信息归为要素的属性数据，在属性数据的数据项中具体描述；要素的空间分布特征和空间相互关系归为要素的空间几何数据，在数据体中描述；要素的一些空间分布特征和空间相互关系辅助用特殊编码描述。,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,96,数据组织军用基础地理信息数据依据要素编码的分类进行分层组织数据；各层属性数据结构不相同，每层数据具有固定的属性结构；即具有固定的数据项个数、每个数据项有固定字节长度。每层空间几何数据的数据体都包含点、线、面等数据。,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,97,分类编码结构军用基础地理信息要素编码由6位数组成；大类码（两位）、小类码（两位）和顺序码（两位）。大类码为要素的分类码，小类码为要素的亚分类，顺序码为要素的识别码，三部分组成一要素的唯一标识码；大类码从11开始编码至28，10作为特殊编码区域；小类码从01开始编码，顺序码从00开始编码，大类码、小类码和顺序码都留有足够的扩充编码的空间，大类码50-90为自定义扩充区域，小类码50-90为自定义扩充区域，顺序码60-90为自定义扩充区域。编码结构如下：,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,98,分类编码结构,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,大类码,顺序码,小类码,要素分类基础地理信息要素共分十八类，每一大类又分为若干小类，分别为：,99,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,11测量控制点12工农业社会文化设施工业农业科学、文卫政府机关驻地公共服务设施港口管理与服务机构、设施航海信号台站垣栅其它,13居民地及附属设施建筑物街区其它建筑物14陆地交通铁路铁路车站及附属设施公路其它道路附属建筑物,100,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,15管线电力线通信线管道17海底地貌与底质深度海底底质其他18礁石、沉船、障碍物礁石沉船障碍物捕鱼设施,16水域/陆地岸线、岸河流运河、渠道湖泊、水库、池塘水利设施其它水系要素一般堤防波堤港口、码头泊位、系泊绞缆设施陆地、海洋、岛屿干出滩,101,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,19水文内河水文海流、潮流强烈水文现象潮汐、潮信21境界与政区国界国内境界行政区其他界线23地磁要素,22植被林地田地地类界线20陆地地貌及土质等高线地貌高程雪山地貌黄土地貌岩溶地貌风尘地貌火山地貌其他地貌,102,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,24助航设备及航道灯光灯塔、灯桩活节式灯桩、装顶标灯桩水中灯桩塔形立标格式立标立标水中立标船形灯浮标灯船大型浮标,柱形浮标杆形浮标锥形浮标球形浮标罐形浮标桶形浮标特殊标志航海雷达无线电雾号航道及相关标志,103,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,25海上区域界线海上管理区废物倾倒区锚地海上限制区近海设施26航空要素机场机场障碍物导航空中区域27军事区域28注记,特殊编码几何关系编码XX9990由面属性决定的边线XX9992要素层背景面XX9997图幅内强制连接线XX9998图幅内强制闭合线XX9999图边强制闭合线XX为大类类码数据几何特征PG实体点PO有向点PN结点LS折线（直线）LA曲线（弧线）AA面,104,编码方法举例4：,4.4地图数据基本表示方法,军用基础地理信息要素分类与编码,测量控制点（110000）描述：测量控制点是指有统一而精确平面、高程坐标的用于测量控制的地面点位。属性：编码、名称、类型、等级、高程、比高、理论横坐标、理论纵坐标。,名称：三角点编码:110101定义：三角测量中构成三角锁、网的各三角形的顶点。此指国家等级三角点。属性：名称、类型（图幅、区域）、等级（一、二、三、四）、高程、理论横坐标、理论纵坐标注释：类型指图幅最高高程或区域最高高程。,要素编码、定义及属性说明,105,4.4地图数据基本表示方法,三、关系数据的表示地图要素并不是孤立的，而是存在着各种各样的联系，有时这些联系是复杂的。在模拟地图中，要素间的关系是借助符号系统来实现的，这正是地图能够体现出其优越性的关键所在。但在数字地图中，几何数据只表示了孤立的位置信息，却并不能体现出关系信息来，因此必须研究关系数据以表示要素间的联系和分布特征。,106,空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要的。空间实体间的空间关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关系：点点：重合；分离；一点为其他诸点的集合中心；点为其他诸点的地理中心，等等。点线：点在线上；线的端点（起点或终点）；线的交点；点与线的分离（可计算点到线的距离），等等。点多边形：点在多边形内（可计数和统计）；点为多边形的几何（地理）中心；点在多边形边界上；点在多边形外部，等等。,4.4地图数据基本表示方法,107,线线：重合；相接（首尾相接和顺序相接）；相交；相切；并行，等等。线多边形：多边形包含线（可计算多边形内线的密度）；线穿过多边形；线环绕多边形；线与多边形分离，等等。多边形多边形：包含；重合；相交（可以划分子多边形，进行逻辑与、或、非和异或等计算）；相邻；分离（计算距离、引力等），等等。,4.4地图数据基本表示方法,108,上述空间关系又可以分成三类：拓扑空间关系方位空间关系度量空间关系,4.4地图数据基本表示方法,109,拓扑空间关系,4.4地图数据基本表示方法,110,拓扑空间关系描述9交模型,现实世界中的两个实体A和B：用B(X)表示实体X的边界，I(X)表示实体X的内部，用E(X)表示实体X的外部。基于上述概念，Egenhofer在1993年为空间实体间的拓扑关系描述构造了“9交空间关系模型”（9-IntersectionModel，9-IM）：,矩阵中每个元素的取值可为“空”和“非空”，9个元素共可以产生29512种情形，即可描述512种空间关系。,4.4地图数据基本表示方法,111,方位空间关系指的是空间实体之间的上下、前后、左右、东西南北等顺序关系。可以根据实体类型分为：多边形多边形、多边形线、多边形点、线线、线点、点点之间的方位空间关系。点点方位空间关系最好确定，只需计算两点连线与某一基准方向的夹角即可。多边形点、线点方位空间关系也可以在一定程度上简化为点点方位空间关系。其余方位空间关系的计算就相对复杂得多了，目前尚未有很好的解决办法。,4.4地图数据基本表示方法,方位空间关系,112,基本度量空间关系指的是空间实体之间的距离，在此基础上，还可以构造出实体群之间的度量关系。距离度量有不同的计算方式：大地测量距离、曼哈顿距离（经度差加上纬度差）、时间距离等。此外，还有其他的一些空间量算的指标：几何指标：位置、距离、面积、体积形状、方位等自然地理参数：坡度、坡向、地表辐射度、地形起伏度、通达度等人文地理指标：交通便利程度、吸引范围、人口密度等,4.4地图数据基本表示方法,度量空间关系,113,4.4地图数据基本表示方法,空间关系应用,114,4.4地图数据基本表示方法,空间关系应用,115,4.4地图数据基本表示方法,空间关系应用,116,4.4地图数据基本表示方法,四、地名数据的表示地名可作为地图要素的属性内容表示，但因地名数据本身具有分类分级特点及更为广泛的用途，因而采用单独的编码系统表示。地名用地名编码和汉字代码共同组成。地名可依据其注记的地图要素分类，汉字代码应使用国标，如GB2312-80。,117,4.5空间数据模型,一、栅格模型二、对象模型三、网络模型四、时空模型,118,现有的空间数据模型主要有三个：栅格模型：强调空间要素的连续性基于对象的模型：强调空间要素的离散性网络模型：强调空间要素的交互上述三种模型主要是针对二维平面进行建模的，已经很成熟。但随着应用需求的变化，空间数据模型要求能够反映三维立体和时间维特征：三维空间数据模型时空数据模型,4.5空间数据模型,119,栅格模型的主要特点就是用二维划分覆盖整个连续空间。划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。,4.5空间数据模型,一、栅格模型,120,栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在位置的某种现象，用像元值表示。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。栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。,4.5空间数据模型,121,对象模型的基础就是将空间要素嵌入在一个坐标空间之中，一般是欧氏空间，在该空间中可以利用公式进行距离、方位和面积的测量。空间要素在欧氏空间中主要形成三类空间实体：点实体线实体多边形实体,4.5空间数据模型,二、对象模型,122,点,线,多边形,4.5空间数据模型,123,点实体：有特定的位置，维数为0的实体实体点(Entitypoint)：用来代表一个实体；注记点(Textpoint)：用于定位注记；内点(Labelpoint)：用于记录多边形的属性，存在于多边形内；结点(Node)：表示线的终点和起点；角点(Vertex)：表示线段和弧段的内部点。,4.5空间数据模型,124,线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以下特征：实体长度：从起点到终点的总长；弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度；方向性：如水流从上游到下游，公路则有单双向之分。线实体包括：线段、边界、链、网络、多边线等。,4.5空间数据模型,125,多边形实体：维数为2的实体，由一个封闭的坐标点序列外加内点表示，是对湖泊、岛屿、地块等现象的描述，有以下特征：面积范围；周长；独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市；内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线；重叠性与非重叠性。,4.5空间数据模型,126,对象模型强调的是空间要素的个体现象，研究的是个体现象本身或与其他个体现象的关系。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个实体。如人为现象：建筑物、道路、管理区域等；自然现象：河流、湖泊、森林等。空间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：位置、属性等,4.5空间数据模型,127,对象模型和栅格模型的比较,栅格模型,两种模型相互之间并不排斥，各有特点，各有应用长处。通常需要有机地综合应用这两种方法来建模。,4.5空间数据模型,128,矢量数据模型是对象模型的一种具体化建模方法，它以坐标的方式来表达空间实体。对于一个空间现象而言，观察的尺度和概括的程度将决定它的类型：城市（点多边形更多的空间实体）。,4.5空间数据模型,129,网络模型是从图论中发展而来。在网络模型中，空间要素被抽象为链、节点等对象，同时还要关注其间的连通关系。这种模型适合用于对相互连接的线状现象进行建模，如交通线路、电力网线等。网络模型可以形式化定义为：网络图（节点，节点间的关系，即链）网络图由于其复杂性，使得它不易在空间数据库中表达，一般是在进行网络分析时基于对象模型数据（矢量数据）进行重构。,4.5空间数据模型,三、网络模型,130,目前，空间信息系统表现的更多的是二维平面效果。事实上，随着计算机图形学的发展，人们希望空间信息系统能够反映真实的三维空间现象。虽然目前的空间信息系统能够在二维模型的基础上通过高程信息来模拟三维效果（如利用DEM数据），但这种模拟并不能真正反映现实现象。三维模型在建模方法上与二维的场模型和对象模型相似，但在数据采集、系统维护和界面设计等方面却复杂得多。,4.5空间数据模型,131,时空数据模型主要关注的是空间要素随时间变化时的建模。空间要素随时间的变化包含两个方面：属性数据的变化和空间位置的变化（前者如一个村镇的人口随时间的变化，后者如海岸线随时间的变化）。最简单的时空数据建模就是将不同时期的测量结果存储起来，在使用时基于时间关系将它们串起来。当然还有其他更加复杂的建模方法，如增量修正模型等。时空数据模型的特点是语义更加丰富，对现实世界的描述更加准确，但它必然带来数据量的激增，因此，在这里，海量数据的组织和存取是非常关键的。,4.5空间数据模型,四、时空模型,132,4.6地图数据结构设计,一、栅格结构二、矢量结构三、矢量到栅格的转换四、栅格到矢量的转换,133,这里我们主要介绍针对栅格模型和对象模型的空间数据结构，它们是矢量数据结构和栅格数据结构。矢量结构用点、线、面表现地理实体，其空间位置由所在的坐标参考系中的坐标定义。栅格结构空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）；地理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义；栅格的值代表该位置的状态；栅格的大小代表空间分解能力。,4.6地图数据结构设计,134,4.6地图数据结构设计,矢量,栅格,135,规则的正方形或矩形栅格；其它规则的栅格图形单元，如三角形或多边形；在栅格文件中，每个栅格只能赋予唯一的值；若某一栅格有多个不同的属性，则分别存贮于不同文件，如图；在栅格数据模型中，总的属性个数可以通过计算得到。,4.6地图数据结构设计,1.栅格结构表达方式：,一、栅格结构,136,137,以像元为记录的序列，可节省存贮空间，如图；以层为基础，每层以像元为记录序列，形式简单，如图；以层为主，每层以多边形为序列，可节省用于存贮属性的空间，如图。,4.6地图数据结构设计,2.栅格结构组织方式：,138,4.6地图数据结构设计,139,行程编码一种广泛应用于数字图像处理的方法。这种方法是对图像逐行扫描，不断比较相邻栅格中图像的灰度值，将相邻像元灰度值相同的格网聚成一组，称为一种类型，相应格网的数量称为该类型的长度。,4.6地图数据结构设计,栅格结构的数据压缩：,类型终止编码与行程编码类似，不同之处是它不表示某种类型像素的数量，而是表示该类型像素在一行中最后一列相对于该行首列的位置。,140,终列计数与上述第2种方法类似，表示某类像素的特征值和其一行中最后一列相对该行首列的位置，但行数不表示，只是用1标志一行的结束。这种方法较前两种方法能压缩更多的存贮空间。,4.6地图数据结构设计,栅格结构的数据压缩：,类型终止编码用两个整数表示一种类型，一个是类型特征值，一个是类型结束点在栅格矩阵中的位置。这种方法压缩效果更佳，检索方便，但表示栅格矩阵位置的整数值可能很大。,141,4.6地图数据结构设计,142,4.6地图数据结构设计,143,4.6地图数据结构设计,144,4.6地图数据结构设计,145,D.属性表,146,点实体由单独一对坐标定位的一切地理或制图实体，及属性。线实体直线：起、止点坐标，属性。弧、链：n个坐标对的集合，属性，指针系统。面实体无拓扑结构的点、线、面的矢量结构数据组织，如图；具有拓扑结构的矢量结构，如图；TIN（TriangleIrregularNetwork）结构的拓扑表达，如图。,4.6地图数据结构设计,二、矢量结构,147,原始地图,用笛卡尔坐标表示的地图,面条式数据结构无拓扑结构,面条式数据结构,148,弧段结点拓扑,多边形弧段拓扑,149,150,栅格结构优点数据结构简单；叠加操作易实现，更有效；能有效表达空间可变性；便于做图象的有效增加。缺点数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决；难以表达拓扑关系；图形输出不美观，线条有锯齿。,矢量结构优点提供更严密的数据结构；提供更有效的拓扑编码，因而对需要拓扑信息的操作更有效如网络分析；图形输出美观，接近于手绘。缺点比栅格数据结构复杂；叠加操作没有栅格有效；表达空间变化能力差；不能像数字图象那样做增强处理。,4.6地图数据结构设计,151,4.6地图数据结构设计,两种数据结构对比,152,选择单元的大小和形状；将点和线实体角点的笛卡尔坐标转换到预定分辨率和已知位置的矩阵中；利用单根根扫描线（沿行或列）或一组相连接的扫描线去测试线性要素与单元边界的交叉点，并记录穿过交叉点的栅格单元个数；测试多边形时，先测试角点，再对剩下线段进行二次扫描，到达边界位置时，记录其位置与属性值。,4.6地图数据结构设计,三、矢量到栅格的转换,153,拓扑转换保持栅格表达的连通性与邻接性。转换物体正确的外形点：某个单元的值与周围不同，代表点；线：具有相同属性值的连续的单元格，将其搜索出来并细化处理，成为一条线；面：将所有单元编码，将具有同一属性的单元归为一类，再检测两类不同属性的边界作为多边形的一条边。,4.6地图数据结构设计,四、栅格到矢量的转换,154,4.7地图数据库的数据组织与管理,一、空间数据分层的方法二、空间数据的组织三、空间数据的管理,155,按专题分层按时间序列分层按地面垂直高度,4.7地图数据库的数据组织与管理,一、空间数据分层的方法,156,4.7地图数据库的数据组织与管理,157,由专题和分幅组成面向对象的组织,4.7地图数据库的数据组织与管理,二、空间数据的组织,158,专题和分幅组织,159,面向对象组织,160,4.7地图数据库的数据组织与管理,地理数据模型框架,161,空间数据的管理：为了使空间数据的空间特征和属性特征统一而采取的管理手段。文件模式混合模式关系数据库模式对象关系数据库模式面向对象数据库模式,4.7地图数据库的数据组织与管理,三、空间数据的管理,162,3,6,空间数据的空间特征和属性特征的关联,4.7地图数据库的数据组织与管理,163,4.7地图数据库的数据组织与管理,164,4.7地图数据库的数据组织与管理,