矢量和栅格数据模型介绍

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1、李 攀 内 容三种数据模型的发展史Shapefile数据模型Coverage数据模型Geodatabase数据模型三种数据模型之间的转化 在过去20年中，矢量数据模型是GIS中变化最大的方面。例如，ESRI公司所开发每种新软件包都对应一种新的矢量数据模型， ArcView对应Shapefile；Arc/Info对应Coverage；ArcGIS对应Geodatabase。由于1990年代地理信息的迅速发展以及ArcView GIS 3.x软件在世界范围内的推广，shapefile格式的数据使用非常广泛，数据来源也较多。Coverage数据模型源于1981年ESRI公司推出的第一个商业GIS软件

2、ArcInfo。此模型比Shapefile数据模型有了较大的改进。 发 展 史 随着IT技术的发展，普通的事务型数据的管理模式，早已从传统的基于文件的管理转向利用基于工业标准建立的关系型数据库进行管理，这种基于数据库的管理方式的优点是不言而喻的。那么带有空间信息的地理数据是否也可以利用这种非常成熟的数据库技术进行管理呢？于是ESRI推出了Geodatabase数据模型，利用数据库技术高效安全地管理我们的地理数据。 发 展 史 Shapefile数 据 模 型 -非 拓 扑 Shapfile图形文件是ESRI ( Environmental Systems Research Institute)

3、 公司提供的一种矢量数据格式， Shapefile图形文件存储了空间地理要素的非拓扑几何信息以及属性信息，其中几何信息由一系列矢量坐标组成。Shapefile可以支持点，线，面等图形要素的存储。 Shapefile数 据 模 型 简 介 Shapefile数 据 模 型 简 介由于Shapefile 没有拓扑数据结构，因此在绘制速度和可编辑功能上明显的优于其它数据格式，而且该数据数据格式一般只需要较少的硬盘空间，且更容易读写处理。一个 shapefile是由若干个文件组成的，空间信息和属性信息分离存储，所以称之为“基本文件”。其中必要的基本文件包括主文件(. shp)、索引文件(. shx)和

4、属性文件(. dbf)3 个文件。 shp存 储 几 何 要 素 的 空 间 信 息 ， 即 XY坐 标 ， 是 一 个 直 接 存 取 ， 变 量 记 录长 度 文 件 ， 其 中 每 个 记 录 描 述 一 个 由 一 系 列 坐 标 点 组 成 的 图 形 。 shx存 储 了 有 关 .shp存 储 的 索 引 信 息 ， 即 shp中 空 间 数 据 的 存 储 方 式 ，主 要 包 含 坐 标 文 件 的 索 引 信 息 ， 文 件 中 每 个 记 录 包 含 对 应 的 坐 标 文 件记 录 距 离 坐 标 文 件 的 文 件 头 的 偏 移 量 。 通 过 索 引 文 件 可

5、以 很 方 便 地 在坐 标 文 件 中 定 位 到 指 定 目 标 的 坐 标 信 息 。 （ XY坐 标 的 输 入 点 在 哪 里 ，有 多 少 XY坐 标 对 等 信 息 ）dbf存 储 地 理 数 据 的 属 性 信 息 的 dBase表 ， 表 中 每 条 记 录 包 含 了 一 个 单要 素 的 信 息 。 prj存 储 了 文 件 的 空 间 参 考 信 息 ，如 坐 标 系 统 等 。 shp.xml这 是 对 shapefile 进 行元 数 据 浏 览 后 生 成 的 xml 元 数 据文 件 。 sbn和 sbx存 储 对 shapefile的 空 间 索 引 ， 加

6、速 空 间 数 据 的 读 取 。 Shapefile数 据 Shapefile主 文 件 实 体 信 息 的 内 容(1)点 目 标(2)线 目 标(3)面 目 标 几种常见的shapefile文件当使用ArcCatalog对shapefile进行创建、移动、删除或重命名等操作，或使用ArcMap对shapefile 进行编辑时，ArcCatalog将自动维护数据的完整性，将所有文件同步改变。所以需要使用 ArcCatalog 管理 shapefile。 Shapefile文 件 管 理 Coverage数 据 模 型 -拓 扑 Coverage数据模型是第二代地理数据模型，也被称为地理相关

7、模型（Georelational Data Model）。它采用的是一种混合数据模型定义和管理地理数据。Coverage也是ArcGIS中主要的矢量文件格式之一，用其来表示矢量数据在实际应用中非常广泛。Coverage 是ArcInfo workstation 的原生数据格式。之所以称之为“基于文件夹的存储”，是因为在 windows资源管理器下，它的空间信息和属性信息是分别存放在两个文件夹里，所有信息都以文件夹的形式来存储。空间信息以二进制文件的形式存储在独立的文件夹中，文件夹名称即为该 coverage 名称，属性信息和拓扑数据则以 INFO表的形式存储。Coverage将空间信息与属性信

8、息结合起来，并存储要素间的拓扑关系。 Coverage数 据 模 型 简 介 Coverage数 据Coverage有三种主要的拓扑关系是连通性、面状地物定义和邻接性。它包含主要的结构和次要的要素类型，Coverage 要素的主要类型是点、弧、多边形和节点，具有拓扑关联。次要类型是控制点、连接和注释。 Coverage数 据 模 型 的 优 势 空间数据与属性数据关联。空间数据放在建立了索引的二进制文件中，属性数据则放在DBMS表（TABLES）里面，二者以公共的标识编码关联。 矢量数据间的拓扑关系得以保存。由此拓扑关系信息，我们可以得知多边形是哪些弧段（线）组成、弧段（线）由哪些点组成、两条

9、弧段（线）是否相连以及一条弧段（线）的左或右多边形是谁？ Coverage数 据 模 型 的 特 点除结点外,每个空间对象都是由更基本的对象组成;只有结点的坐标是被实际存储的,其它复杂对象的坐标实际上是逻辑构成的,任一复杂对象能分解为一组结点及其拓扑关系的定义;点、弧段、多边形坐标信息存储具有依赖关系。该模型的主要优点是：数据结构紧凑、拓扑关系明晰、系统中预先存储的拓扑关系可以有效地提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率。缺点：对单个地理实体的操作效率不高;难以表达复杂的地理实体;难以实现快速查询和复杂的空间分析;局部更新困难,系统难以维护与扩充。 Coverage文 件 管 理通过 ArcC

10、atalog，我们能将存储空间信息的文件夹中的 coverage二进制文件与存储属性信息的 INFO 文件夹中的 INFO表联合表达为 coverage，当使用 ArcCatalog 对 coverage 进行创建、移动、删除或重命名等操作时，ArcCatalog 将自动维护他们的完整性，将 coverage和 INFO文件夹中的内容同步改变。所以对 coverage进行操作，一定要在 ArcCatalog 中进行。 Geodatabase数 据 模 型 -面 向 对 象 Geodatabase数 据 模 型 简 介 ArcGIS推出新的面向对象的数据模型Geodatabase是将空间对象的属

11、性和行为结合起来的智能化地理数据模型。GIS数据集中的属性可以被赋予自然行为，属性间的任何类型的关系都可以在Geodatabase中定义。 地理数据库(Geodatabase)是为了更好的管理和使用地理要素数据而按照一定的模型和规则组合起来的存储空间数据和属性数据的容器。地理数据库是按照层次性的数据对象来组织地理数据的，这些数据对象包括对象类(Object classes)，要素类(Feature classes)和要素数据集(feature dataset)。在该模型中，实体表示为具有属性、行为和关系的对象;支持内建于系统中的各种不同的地理对象类型。这些对象类型包括简单对象、地理要素、网络要

12、素、注记要素以及其他更专业的要素类型。该模型还允许用户定义对象间的关系，并通过规则来维护对象间的参 照和拓扑完整性。 Geodatabase的 分 类 Geodatabase可以分为三种，一种是基于 Microsoft Access的personal geodatabase，另一种是file geodatabase,最后一种是基于 Oracle、SQL Server、Informix 或者DB2 的 enterprise geodatabase，由于它需要中间件 ArcSDE 进行连接，所以 enterprise geodatabase又称为 ArcSDE geodatabase。 Perso

13、nalAccess FileArcGIS Desktop ArcGIS ServerFilePers l-Access EnterpriseWorkgroup EnterprisePersonal Geodatabase的 分 类Personal GDB File GDB ArcSDE GDB (3 级 )存 储 格 式 MS Access 二 进 制 文 件 的 文 件 夹 关 系 型 数 据 库存 储 容 量 2 GB 没 有 限 制 (1 TB/表 ) 依 赖 于 服 务 器支 持 操 作 系 统 平 台 Windows 跨 平 台(Windows, Linux, and Solaris

14、) Windows, Linux, and Solaris Plus用 户 数 单 个 编 辑 用 户多 个 读 用 户 单 个 编 辑 用 户多 个 读 用 户 多 个 读 、 写 用 户版 本 支 持 无 （ 仅 支 持 检 入 / 检出 方 式 的 复 制 ） 无 （ 仅 支 持 检 入 / 检 出 方式 的 复 制 ） 版 本 、 复 制 、 归 档 Geodatabase数 据以 personal geodatabase为 例 Objects 和 Object ClassesObjects 属性和行为的结合体。一个 object 是 object class 的一个实例。object

15、 class 里的所有 object 对象拥有相同的属性和行为。一个 object 可以通过 relationships 和另一个 object 对象关联。 建立在关系模型上一个 feature 是一个空间对象一个 feature 是一个 feature class 的实例使用下列字段类型扩展关系模型几何属性类型Features 和 Feature Classes 字 段 类 型 关 系 类对源类和目标类之间进行连接通过关键字段建立关联提供了:读/写 通路内容参考关系规则 支持版本 源 目 标 Geodatabase数 据 对 象 Geodatabase拓 扑 关 系 处 理 的 优 势一 直

16、 以 来 ,基 于 Coverage数 据 模 型 的 拓 扑 关 系 处 理 是 Arc/Info“ 标 签 式 ” 的著 名 功 能 , ArcGIS 8.3版 在 Geodatabase中 引 入 了 全 新 的 拓 扑 关 系 管 理 机 制,新 的 机 制 除 了 能 够 完 全 覆 盖 原 有 的 功 能 以 外 ,在 如 下 几 个 方 面 具 有 明 显 的优 势 : 1)用 户 可 自 行 定 义 哪 些 要 素 类 将 受 拓 扑 关 系 规 则 约 束 。 2)多 个 点 、 线 、 面 要 素 类 (层 )可 以 同 时 受 同 一 组 拓 扑 关 系 规 则 约 束

17、。 3)提 供 了 大 量 的 拓 扑 关 系 规 则 (ArcGIS 9.0版 提 供 27个 ,以 后 将 提 供 更 多 )。 4)用 户 为 自 己 的 数 据 可 以 自 行 指 定 必 要 的 拓 扑 关 系 规 则 。 5)拓 扑 关 系 及 规 则 在 工 业 标 准 的 DBMS中 进 行 管 理 ,可 支 持 多 用 户 并 发 处 理 。 6)用 户 可 以 局 部 建 立 或 检 查 拓 扑 关 系 以 提 高 效 率 。 Geodatabase数 据 模 型 的 优 点(1)关 系 型 数 据 库 功 能 强 大 ， 性 能 稳 定 ， 具 有 完 备 的 工 业 标

18、 准 ， 可 以 将GIS看 成 是 数 据 库 技 术 的 扩 展 ， 能 够 存 储 、 管 理 和 更 新 空 间 信 息 。(2)统 一 的 地 理 数 据 存 储 。 所 有 地 理 数 据 均 可 集 中 存 储 和 管 理 ， 并 独 立于 关 系 型 数 据 库 的 底 层 。(3)Geodatabase允 许 多 用 户 通 过 使 用 版 本 管 理 和 长 事 务 处 理 访 问 数 据库 。 多 个 用 户 可 以 读 写 同 一 个 、 共 享 的 数 据 库 。(4)数 据 对 象 更 加 直 观 。 包 含 与 用 户 数 据 模 型 相 应 的 数 据 对 象

19、， 而 不 是普 通 的 点 、 线 、 面 。(5)支 持 智 能 化 的 要 素 、 规 则 和 关 系 。 空 间 数 据 库 数 据 模 型 支 持 对 象 (数 据 库 表 中 的 行 )和 要 素 (有 几 何 形 状 的 对 象 )集 合 。 空 间 数 据 库 还 支 持 高级 功 能 ， 例 如 几 何 和 逻 辑 网 络 ， 真 实 曲 线 ， 复 杂 多 边 形 和 用 户 定 义 要 素 。 矢 量 数 据 现 在 可 以 有 2维 ， 3维 或 4维 (x， y， z， m)。 用 户 能 定 义 拓 扑 、 关系 和 规 则 。 所 有 这 些 都 可 以 用 菜

20、单 驱 动 的 GUI做 到 ， 无 需 编 程 。 三 种 数 据 模 型 之 间 的 转 化Shapefile转换为Coverage有2种常用方法，一是采用Arctoolbox中 Shapefile To Coverage工具实现;二是直在Arccatalog中，选中文件右键级联菜单中Export to Coverage功能完成。也可以采用Arcworkstation中的Shapearc命令，但是该方法的缺点是只能将文件转换为线图层。通过实验发现以上方法只适用于数据量较小的文件，数据量较大时可以采用中间数据格式 Geodatabase，即利用 ArcGIS工具箱Arctoolbox中的Sh

21、apefile To Geodatabase工具，首先将文件从Shapefile格式转换为Geodatabase格式，然后在Arccatalog中，实现Geodatabase到Coverage格式转换。 三 种 数 据 模 型 之 间 的 转 化由于数据来源的不同，有的数据来源可能只有其中的某一种数据格式，而又需要另一种数据格式，这个时候对数据格式的转化就显得异常重要了。在数据格式转化方面，GIS 数据格式分为存储拓扑关系和不存储拓扑关系，CAD 支持数据格式相对 GIS 软件支持数据格式含有较少属性。因此进行数据转换时，考虑到数据丢失问题，尽量采用直接转换方法，减少转换次数。同时在数据采集过程中尽量采用通用数据格式或应用比较广泛的数据格式。 栅 格 数 据 模 型卫星影像数字高程模型航测数据航空雷达数据各种摄影的图像数据网格化的地图图像