1.2 空间数据模型

1.2 空间数据模型

本节摘要：空间数据有两种组织方式：矢量（点线面）和栅格（像元网格）。本节讲两种模型的特点、适用场景、和存储思路。

你能学到什么

阅读完本节，你应当能够：

1. 区分矢量模型和栅格模型
2. 判断场景用哪种模型
3. 理解矢量数据的几何要素

概念脉络

一、矢量模型

矢量用坐标点表示空间要素：

• 点（Point）：一个坐标，如兴趣点、GPS 点
• 线（LineString）：有序点串，如道路、河流
• 面（Polygon）：闭合线，如行政区、地块
• 多点/多线/多面：同类要素的集合

矢量数据精确、数据量小、支持拓扑分析，适合离散对象（建筑、道路、边界）。

图 1-2 矢量与栅格数据模型

二、栅格模型

栅格用规则网格的像元表示空间，每个像元有值：

• 像元（Pixel/Cell）：网格单元，值代表属性（如高程、温度、颜色）
• 分辨率：像元代表的地面尺寸，如 30m 分辨率每像元 30m×30m
• 波段：多波段栅格（如遥感影像 RGB+近红外）

栅格数据连续、适合影像、高程、温度场等连续分布现象。数据量大，靠金字塔和分块优化。

三、两种模型对比

四、矢量数据存储

矢量在数据库里存几何 + 属性：

-- PostGIS 存矢量
CREATE TABLE cities (
  id SERIAL PRIMARY KEY,
  name VARCHAR(100),
  geom GEOMETRY(POINT, 4326)  -- 几何+坐标系
);
INSERT INTO cities (name, geom) VALUES ('北京', ST_SetSRID(ST_Point(116.4, 39.9), 4326));
​

五、栅格数据存储

栅格用文件（GeoTIFF）或数据库栅格引擎存：

-- PostGIS 栅格
CREATE TABLE elevation (rid serial, rast raster);
INSERT INTO elevation (rast) VALUES (ST_AsRaster(...));
​

栅格常用 GeoTIFF 文件 + 金字塔，或专门的栅格服务（如 GeoServer 发布 WMS）。

六、场景选择

• 矢量：道路、建筑、行政区、兴趣点、管网——离散对象
• 栅格：卫星影像、DEM 高程、温度场、土地利用分类——连续现象
• 混合：很多系统两者都用，矢量管要素，栅格管影像底图

⚠️ 常见坑：拿矢量做遥感影像分析——矢量不存像元值，做不了波段运算。影像用栅格，要素用矢量。

💡 关键直觉：矢量用点线面表达离散对象，精确数据量小；栅格用像元网格表达连续现象，数据量大靠金字塔。道路建筑用矢量，影像高程用栅格。

六、矢量几何的文本表达 WKT

矢量几何在数据库和接口里常用 WKT（Well-Known Text）表示，看懂它就能读懂空间数据：

POINT (116.4 39.9)
LINESTRING (116.3 39.8, 116.4 39.9, 116.5 40.0)
POLYGON ((116.3 39.8, 116.5 39.8, 116.5 40.0, 116.3 40.0, 116.3 39.8))
MULTIPOLYGON (((...)))  -- 多个面组成复杂要素
​

注意 WKT 里坐标顺序是 X Y（经度 纬度），和 GeoJSON 的经纬度顺序一致。多边形必须闭合：首尾点相同，否则数据库会报错或纠正。在 PostGIS 里可以直接用文本构造几何：

-- 从 WKT 构造几何
SELECT ST_GeomFromText('POINT(116.4 39.9)', 4326);
-- 判断两个几何是否相交
SELECT ST_Intersects(
  ST_GeomFromText('POINT(116.4 39.9)', 4326),
  ST_GeomFromText('POLYGON((116 39, 117 39, 117 40, 116 40, 116 39))', 4326)
);
​

七、栅格的波段与分辨率

栅格模型最常被误解的是"波段"。一张遥感影像通常有多个波段：红、绿、蓝是 RGB 三个波段，还有近红外、热红外等。每个像元在每个波段都有一个值，同一位置的像元组成一个像元值向量。做 NDVI（归一化植被指数）计算，用的就是近红外和红两个波段的比值：

-- PostGIS 栅格查询：取某像元在某波段的值
SELECT ST_Value(rast, 1, ST_MakePoint(116.4, 39.9)) AS red_band
FROM satellite_image WHERE rid = 1;
​

分辨率直接决定数据量和分析粒度：30 米分辨率的一景影像覆盖一个县，1 米分辨率同样范围数据量可能大上千倍。工程上常见做法是"按用途分层"：全局浏览用低分辨率影像，重点区域用高分辨率影像，通过金字塔自动切换。

八、模型选择的一个真实决策

某管线管理系统要管理城市供水管网。工程师没有照搬教科书，而是做了拆分：管线本体（离散对象）用矢量存，精确到厘米级，支持拓扑查询；管线上方的无人机影像（连续覆盖）用栅格存，用于巡检对比。业务查询走矢量，底图显示走栅格，两类模型各司其职。这个案例的启示是：选择模型不是二选一，而是按数据性质分层——点线面属性清晰的用矢量，面状连续分布的用栅格，系统里两者通常共存。

九、三维数据模型

除了二维的矢量和栅格，还有三类常见三维模型：

• TIN（不规则三角网）：用三角形网格逼近地形曲面，适合 DEM 的精细表达，数据量可控。
• 体素（Voxel）：把三维空间切成立方体网格，适合地质体、污染羽流等体数据。
• 3D 网格（Mesh）：三角面片组成物体表面，倾斜摄影和 BIM 模型都属于这类，后续第 7 章讲 3D Tiles 时会详细展开。

核心回顾

• 矢量：点/线/面，精确，适合离散对象（建筑/道路/边界），数据量小。
• 栅格：像元网格，连续，适合影像/高程/温度场，数据量大靠金字塔。
• 对比：矢量小而精适合拓扑分析，栅格大而连适合叠加统计。
• 存储：矢量存几何+属性（PostGIS GEOMETRY），栅格存 GeoTIFF 或 raster。
• 场景：离散用矢量，连续用栅格，系统常两者混合。

第 1 章结束。下一章讲这些数据怎么存储和管理。