ArcGIS 空間數據庫學習（五） 要素類基礎知識

注：本文參考ArcMap官方文檔整理而成

要素類基礎知識

要素類是具有相同空間製圖表達（如點、線或面）和一組通用屬性列的常用要素的同類集合，例如，表示道路中心線的線要素類。最常用的四個要素類分別是點、線、面和註記（地圖文本的地理數據庫名稱）。

在下圖中，使用它們來表示同一個區域的四個數據集：(1) 以點形式表示的檢修孔蓋、(2) 下水道管線、(3) 宗地面和 (4) 街道名註記。

要素類的類型

矢量要素（帶有矢量幾何的地理對象）是一種常用的地理數據類型，其用途廣泛，非常適合表示帶有離散邊界的要素（例如街道、州和宗地）。要素是一個對象，可將其地理製圖表達（通常爲點、線或面）存儲爲行中的一個屬性（或字段）。在 ArcGIS 中，要素類是數據庫表中存儲有公共空間製圖表達和屬性集的要素的同類集合，例如，線要素類用於表示道路中心線。

注:創建要素類時，將要求您設置要素的類型以定義要素類的類型（點、線、面等）。

通常，要素類是點、線或面的專題集合，但存在七種要素類類型。在數據庫和地理數據庫中支持前三種類型。僅地理數據庫支持後四種類型。

• 點： 表示過小而無法表示爲線或面以及點位置（如 GPS 觀測值）的要素。
• 線：表示形狀和位置過窄而無法表示爲區域的地理對象（如，街道中心線與河流）。也使用線來表示具有長度但沒有面積的要素，如等值線和邊界。
• 面： 一組具有多個邊的面要素，表示同類要素類型（如州、縣、宗地、土壤類型和土地使用區域）的形狀和位置。
• 註記： 包含表示文本渲染方式的屬性的地圖文本。除了每個註記的文本字符串，還包括一些其他屬性（例如，用於放置文本的形狀點、其字體與字號以及其他顯示屬性）。註記也可以是要素關聯的，並可包含子類。
  
  
• 尺寸註記：一種可顯示特定長度或距離（例如，要指示建築物某一側或地塊邊界或兩個要素之間距離的長度）的特殊註記類型。在 GIS 的設計、工程和公共事業應用中，經常會使用尺寸註記。
  
  
• 多點：由多個點組成的要素。多點通常用於管理非常大的點集合數組（如激光雷達點聚類），可包含數以億計的點。對於此類點幾何使用單一行是不可行的。將這些點聚類爲多點行，可使地理數據庫能夠處理海量點集。
  
  
• 多面體：一種 3D 幾何，用於表示在三維空間中佔用離散區域或體積的要素的外表面或殼。多面體由平面 3D 環和三角形構成，多面體將組合使用這兩種形狀以建立三維殼模型。可使用多面體來表示從簡單對象（如，球體和立方體）到複雜對象（如，等值面和建築物）的任何事物。

要素幾何和要素座標

要素類包含各要素的幾何形狀和描述性屬性。各要素幾何主要由各自的要素類型（點、線或面）定義。但是，也可定義其他幾何屬性。例如，要素可以是單部件或多部件、具有 3D 折點、具有線性測量值（稱爲 m 值）以及包含通過參數定義的曲線。本部分對這些功能進行了簡要概述。

單部件線和多部件線以及面

線要素類和麪要素類可由單部分或多部分構成。例如，一個州可包含多個部件（夏威夷羣島），但被視爲一個州要素。

折點、線段、高程和測量值

要素幾何主要由座標折點構成。線和麪要素中的線段跨越折點。線段可以是筆直的邊，也可以是通過參數定義的曲線。要素中的折點還可包含 z 值來表示高程測量值，包含 m 值來表示沿線要素的測量結果。

線和麪要素中的線段類型

通過以下兩個關鍵元素定義線和麪：用於定義線或面形狀的有序的折點列表和在每對摺點之間使用的線段的類型。可將每個線和麪視爲一個有序的折點集（可將其彼此相連以形成一個幾何形狀）。表達各線和麪的另一種方法是將其視爲相連線段的有序系列，其中各線段的類型爲：直線、圓弧、橢圓弧或貝塞爾曲線。

默認線段類型爲兩個折點之間的直線。但是，當您需要定義曲線或參數形狀時，可定義三個附加線段類型：圓弧、橢圓弧和貝塞爾曲線。這些形狀通常用於表示宗地邊界和道路等建築環境。

使用 z 值的垂直測量結果

要素座標可包括 x,y 和 x,y,z 折點。Z 值最常用於表示高程，但也可表示其他測量結果，如年降雨量或空氣質量。

要素可具有 x,y 座標，也可具有添加的 z 高程值。

使用 m 值的線性測量結果

線狀要素折點也可包括 m 值。某些 GIS 應用程序使用用於沿線狀要素（例如道路、河流和管線）內插距離的線性測量系統。可爲要素中的每個折點分配 m 值。一個常用的示例是運輸部門所使用的公路里程標誌測量系統，用於沿公路記錄路面狀況、速度限制、事故位置以及其他事故點。兩個常用測量單位是：距設定位置的里程標誌距離（例如，表示縣的線）和距參考標記的距離。

測量折點可爲 x,y,m 或 x,y,z,m。

對這些數據類型的支持通常稱爲線性參考。對沿着這些測量系統發生的事件進行地理定位的過程稱爲動態分段。

測得的座標形成這些系統的基本結構單元。在 ArcGIS 的線性參考實現中，術語路徑 是指具有唯一標識符和通用測量系統的任意線狀要素（如城市街道、公路、河流或管線）。可基於線要素類構建使用通用測量系統的路徑集合，如下所示：

要素容差

在 GIS 數據管理中，位置準確性以及對高精度數據管理框架的支持至關重要。能夠足夠精確地存儲座標信息成爲關鍵要求。座標精度用於描述記錄位置時使用的位數。它定義採集和管理空間數據時所用的分辨率。

由於地理數據庫和數據庫能夠記錄高精度座標，因此當數據採集工具和傳感器隨着時間的推移不斷改進時，用戶可構建具有高精度等級和較高分辨率的數據集（來自測量和土木工程的數據輸入、地籍和 COGO 數據採集、增大的影像分辨率、激光雷達，以及根據 CAD 構建方案等）。

ArcGIS 使用整數記錄座標，並可處理較高精度的位置。在各種 ArcGIS 操作中，使用某些關鍵幾何屬性處理和管理要素座標。這些屬性是在創建各要素類或要素數據集的過程中定義的。

以下幾何屬性可幫助定義在各種空間處理和幾何操作中使用的座標分辨率和處理容差：

• x,y 分辨率：記錄要素類中的座標時使用的精度
• x,y 容差：用於使用重疊幾何來聚類要素的聚類容差；在拓撲、要素疊加和相關操作中使用
• z 容差和 z 分辨率：3D 數據集中的垂直座標維度的容差和分辨率屬性（例如，高程測量值）
• M 容差和 m 分辨率：在線性參考數據集中使用的、沿線要素的測量值的容差和分辨率屬性（例如，沿道路方向、以米爲單位的距離）

X,y 分辨率

要素類或要素數據集的 x,y 分辨率是用於存儲 x,y 座標值的數值精度。精度對於進行準確的要素製圖表達、分析和繪製十分重要。

x,y 分辨率定義用於存儲要素座標的小數位數或有效數字位數（以 x 和 y 爲單位）。可將分辨率視爲定義一個在其上捕捉所有座標的非常精細的格網網格。在 ArcGIS 中，座標值實際上是以整數形式進行存儲和運算。因此，有時將此格網網格稱作整型格網或座標格網。

分辨率用於定義可放置所有座標的座標格網中的兩個網格之間的距離。以數據的單位（根據數據的座標系）表示 x,y 分辨率，例如，以美國國家平面英尺、UTM 米或 Albers 米爲單位。

要素類的默認 X,Y 分辨率爲 0.001 米，或以數據集的座標系單位表示的等效值。例如，如果要素類以美國國家平面英尺爲單位進行存儲，則默認精度爲 0.0003281 英尺（0.003937 英寸）。如果座標以經緯度表示，則默認的 x,y 分辨率爲 0.000000001 度。

下圖提供了在其上將所有座標值捕捉到格網網格的座標格網的概念視圖。格網覆蓋了各數據集的範圍。此網格的細度（格網中線與線之間的距離）是由非常小的 x,y 分辨率定義。

必要時，可覆蓋默認的 x,y 分辨率值，併爲每個要素類或要素數據集設置其他值。與使用較大 x,y 分辨率值的數據集相比，設置較小 x,y 分辨率值可能會增加數據集的數據存儲量和處理時間。

X,y 容差

創建要素類時，系統將要求您設置 x,y 容差。在拓撲驗證、緩衝區生成、面疊加等聚類操作以及一些編輯操作中，使用 x,y 容差來設置兩個座標之間的最小距離。

用於在這些操作過程中確定所有要素座標（結點和折點）間最小距離的 x,y 容差，會影響要素處理操作。按照定義，x,y 容差還定義了座標在聚類操作過程中可於 x 或 y（或兩者）方向上移動的距離。

x,y 容差是一個極小的距離值（默認值爲 0.001 米，以地面上單位爲單位）。它用於在聚類操作過程中解決座標交叉點位置不精確的問題。當使用幾何操作處理要素類時，如果兩個座標的 x 距離和 y 距離位於彼此的 x,y 容差範圍內，這兩個座標會被視爲重合（也就是說，共享同一個 x,y 位置）。因此，聚類座標會被移動到某個公共位置。

通常，將精度較低的座標移動到精度較高的座標位置，或按照聚類中各座標間的加權平均距離計算一個新位置。在此種情況下，加權平均距離基於聚類座標的精度等級。

聚類過程的工作原理爲在地圖上移動並識別處於彼此 x,y 容差範圍內的座標聚類。ArcGIS 使用此算法來查找、清除和管理要素間的共享幾何。這意味着座標被視爲重合（捕捉到同一個共享座標位置）。這對許多 GIS 操作和概念都非常重要。

在此類操作期間，座標移動到新位置可以經過的最大距離是 2 的平方根乘以 x,y 容差。由於聚類算法是迭代算法，因此座標位置的平移距離有時會大於此距離。

默認 x,y 容差設置爲 0.001 米，或以數據集的實際座標系單位表示的等效值（也就是說，地面上的 0.001 米）。例如，如果座標系以美國國家平面英尺記錄，則默認 x,y 容差是 0.003281 英尺（0.03937 英寸）。

默認 x,y 容差值是默認 x,y 分辨率的 10 倍，且在大多數情況下均建議使用此設置。對於座標精度較低的數據，可選擇設置一個較大的容差值；而對於精度要求極高的數據，可設置一個較小的容差值。

需要注意的是，x,y 容差並非用於概化幾何形狀。而是用於在拓撲操作過程中整合線作業和邊界。即對位於彼此之間極小距離範圍內的座標進行整合。由於座標在 x 和 y 方向上可移動與 x,y 容差相同的距離，因此憑藉使用 x,y 容差的命令來處理數據集，可以解決許多潛在問題。這包括極小的過失或未及的處理、重複線段的自動分離刪除以及沿邊界線的座標細化。

以下是一些有用提示：

• 通常，使用 10 倍於 x,y 分辨率的 x,y 容差，即可獲得非常好的結果。
• 爲了使座標移動距離較小，也應使 X,Y 容差較小。但是，過小的 x,y 容差（例如 x,y 分辨率的 3 倍或更小）可能無法正確整合重疊邊界和座標的線作業。
• 相反，如果 x,y 容差過大，要素座標可能彼此重疊。這會影響要素邊界製圖表達的精度。
• x,y 容差不應接近於數據採集分辨率。例如，地圖比例爲 1:12,000 時，1 英寸等於 1,000 英尺，1 英寸的 1/50 等於 20 英尺。在使用這些數字的情況下，您會希望通過 x,y 容差進行的座標移動保持正常。請記住，在這種情況下，默認 x,y 容差將爲 0.0003281 英尺，這是個十分合理的默認 x,y 容差值；實際上，除了極端情況之外，在其他所有情況下使用默認 x,y 容差值是最佳選擇。
• 在拓撲中，可設置每個要素類的座標等級。您會希望將最精確要素（如測量所得的要素）的座標等級設置爲 1，將精度較低要素的座標等級設置爲 2、3 等等（按精度等級降序）。這將使等級數較高（因此座標精度較低）的其他要素座標被調整爲等級數較低而精度較高的要素。

要素類存儲

每個要素類在單獨的表中進行管理。各行的 shape 列用於保存各要素的幾何或形狀。

在要素類表中，以下表述均爲真：

• 每個要素類都是一張表。
• 各要素以行的形式進行存儲。
• 要素屬性以列的形式進行記錄。
• shape 列保存各要素的幾何（點、線和麪等）。
• ObjectID 列保存各要素的唯一標識符。

如果在地理數據庫中創建線要素類，則會在該要素類中自動添加一個附加字段，用以記錄線的長度。如果創建面要素類，則會自動添加兩個附加字段，用以記錄每個面要素的長度（周長）和麪積。這些值的測量單位取決於對要素類定義的空間參考。根據使用的數據庫和空間類型，這些字段的名稱會有所不同。這些字段是必填字段，不能修改。

擴展要素類

每個要素類都是一個具有相同幾何類型（點、線或面）、相同屬性和同一空間參考的地理要素的集合。可根據需要對存儲在地理數據庫中的要素類進行擴展以實現多個目標。以下是您使用地理數據庫擴展要素類的一些方法和原因。

使用地理數據庫中的要素類

使用	要實現的目的
要素數據集	保存空間相關要素類的集合或構建拓撲、網絡和 terrain。
子類型	在一個要素類中管理一組要素子類。要素類表經常使用此子類型來管理同一要素類型子集上的不同行爲。
屬性域	爲屬性列指定有效值列表或有效值範圍。使用域幫助確保屬性值的完整性。域經常用來強制執行數據分類（例如道路類、分區代碼和土地使用分類）。
關係類	使用公用鍵在要素類和其他表之間構建關係。例如，基於在要素類中選擇的行查找另一個表中相關聯的行。
拓撲	對要素共享幾何的方式進行建模。例如，相鄰的縣共用公共邊界。另外，縣的面要素完全覆蓋和嵌套在州中。
網絡數據集	對交通連通性和流量進行建模。您必須已將 ArcGIS Network Analyst 擴展模塊 安裝到 ArcGIS Desktop。
幾何網絡	對公共事業網絡和追蹤進行建模。
Terrain 數據集	對不規則三角網 (TIN) 進行建模，並管理非常大的激光雷達和聲納點集合。您必須已將 ArcGIS 3D Analyst 擴展模塊 安裝到 ArcGIS Desktop。
地址定位器	地理編碼地址。
線性參考	使用測量結果沿線狀要素定位事件
製圖表達	管理多個製圖表達和高級製圖繪製規則。
版本管理	通過管理多個關鍵的 GIS 工作流來實現數據管理；例如，支持長期更新事務、歷史歸檔和多用戶編輯。