GIS6空间数据管理课件

1、gis6空间数据管理1第七章第七章 空间数据管理空间数据管理 gis6空间数据管理2第七章第七章 空间数据管理空间数据管理 课课 题：题：空间数据管理空间数据管理 目的要求：目的要求：掌握空间数据库的相关概念；掌握栅格数据结构和矢量数据结构的表示的方法，其存储方式，并能对两种数据结构进行比较和相互转换。了解空间数据的索引类型和信息查询的方法。教学重点：教学重点：空间数据库概念 栅格数据结构及其编码 矢量数据结构及其编码 数据结构的转换教学难点：教学难点：矢栅结构的比较和转换算法教学课时：教学课时：6课时教学方法教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：本次课涉及的学术前沿：gis6空间数据管理31

2、.1 空间数据库概念 ：数据库：为一定目的服务，以特定的数据存储的相数据库：为一定目的服务，以特定的数据存储的相关联的数据集合。关联的数据集合。空间数据库：某一区域内关于一定地理要素特征的空间数据库：某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合数据集合 。空间数据库空间数据库特点 ：数据量特别大 ;既有属性数据，又有空间数据 ;数据应用广泛 。gis6空间数据管理41.1 空间数据库数据存储数据库数据管理程序库程序库( (数据库软件数据库软件) )原始信息原始信息数据库数据库gis6空间数据管理5 数据库管理系统是处理数据库存取和各种管理控制的软件，应用程序对数据库的操作全部通过dbms进行。 1

3、.2 数据库管理系统 gis6空间数据管理6数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 提供书写各种模式的语言及其支撑软件，并把各种定义信息也存贮于系统之中。它勾画出数据库的框架。gis6空间数据管理7数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 应用数据装入数据库 a)键盘输入； b)接受另一个系 统 的数据文件gis6空间数据管理8数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 运行控制数据存取、更新数据完整性、有效性数据共享gis6空间数据管理9数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护

4、 数据库通讯 重新定义数据重新组织性能监督与分析数据库整理故障恢复gis6空间数据管理10数据库管理系统 数据库定义数据库的装入 数据管理 数据库维护 数据库通讯 操作系统接口处理各种语言接口远程操做接口处理gis6空间数据管理11dbms组成语言处理程序语言处理程序运行控制程序运行控制程序建立与维护程序建立与维护程序数据描述语言（ddl）数据操作语言（dml）终端命令解译系统控制数据存取数据更新并发控制数据完整性数据装入性能监控工作日志重新组织数据转储系统恢复sql语言：数据查询 data query数据定义 data definition数据操纵 data manipulation数据控制

5、 data controlgis6空间数据管理12数据库管理系统存储空间数据的问题数据库管理系统存储空间数据的问题：空间记录是变长的，一般数据库都只允许把记录的长度设置成固定的dbms一般都难以实现对空间数据的关联、连通 、包含、叠加等基本操作。gis需要复杂的图形功能地理信息复杂，常有单个实体需要多个文件，多条记录地理数据具有高度内部联系，需要更复杂的安全性维护系统。gis6空间数据管理13gis数据管理方法的数据管理方法的4种主要类型种主要类型 gis数据管理方法的数据管理方法的4种主要类型种主要类型 ：开发独立的数据管理服务 。在商业化的dbms基础上开发附加系统 。使用现有的dbms，

6、对系统的功能进行必要扩充 。重新设计一个具有空间数据和属性数据管理和分析功能的数据库系统 。gis6空间数据管理14数据库管理员数据库管理员 决定数据库的信息内容 数据库系统的联络员 决定存储结构和访问策略 决定系统的保护策略 监督系统工作gis6空间数据管理151.3 数据与文件组织数据层次（数据项、记录、文件、数据库）数据层次（数据项、记录、文件、数据库）数据间的逻辑联系（一对一、一对多、多对多）数据间的逻辑联系（一对一、一对多、多对多）用数据文件（顺序、直接、索引、到排文件）用数据文件（顺序、直接、索引、到排文件） gis6空间数据管理16文件记录数据项数据项组逻辑数据单位之间的关系物理

7、单位: 位(比特)、字节、字、块(物理记录)、桶和卷逻辑单位: 数据项、数据项组、记录、文件和数据库一、数据的层次单位一、数据的层次单位1.3 数据与文件组织gis6空间数据管理17数据项数据项数据项组数据项组记录记录文件文件数据库数据库最基本的不可分割的数据单位,具有独立的逻辑意义逻辑上具有某种共同标志的若干数据项组成的数据项或数据项组集合,对文件进行存取操作的基本单位给定类型逻辑记录的全部具体值的集合文件的集合，文件之间存在某种联系，不能孤立存在1.3 数据与文件组织gis6空间数据管理18二、常用数据文件二、常用数据文件顺序文件随机文件索引文件 倒排文件它是物理顺序与逻辑顺序一致的文件1

8、.3 数据与文件组织gis6空间数据管理19顺序文件随机文件索引文件 倒排文件文件中的贮存是根据记录关键字的值，通过某种转换方法得到一个物理存贮位置，然后把记录存贮在该位置上。1.3 数据与文件组织二、常用数据文件二、常用数据文件gis6空间数据管理20顺序文件随机文件索引文件 倒排文件即带有索引的文件，它只能建立在随机存取介质上。1.3 数据与文件组织二、常用数据文件二、常用数据文件gis6空间数据管理21顺序文件随机文件索引文件 倒排文件按照一些辅关键字来组织索引称为辅索引，带有这种辅索引的文件称为倒排文件。1.3 数据与文件组织二、常用数据文件二、常用数据文件gis6空间数据管理221.

9、4 gis内部的数据结构矢量结构和栅格结构 矢量模型 ：现实世界的要素位置和范围可以采用点、线或面表达，与它们在地图上表示相似，每一个实体的位置是用它们在坐标参考系统中的空间位置（坐标）定义。 栅格模型 ：在栅格模型中，空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）。地理实体的位置和状态是用它们占据的栅格的行、列来定义的。 gis6空间数据管理23矢量结构和栅格结构 gis6空间数据管理242栅格数据结构及其编码 基本概念特点编码方式gis6空间数据管理25i 什么是栅格数据结构（raster) ？ 栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个

10、象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。gis6空间数据管理26i 什么是栅格数据结构（raster) ？栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。 栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。每一个单元格对应一个相应的地块。gis6空间数据管理27i 什么是栅格数据结构（raster) ？real worldgridpointlineareavalue=0=1=2=3rowcolumntriangleshexagonsgis6空间数据管理28栅格数据结构示例 0

11、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 6 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 4 4 4 4 4 4 7 7 7 7 4 7 7 7 4 4 4 4 8 7 7

12、 8 0 8 4 0 8 7 7 8 0 8 8 0 0 8 0 0 8 8 7 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8 （a）点 （b）线 （c）面gis6空间数据管理29栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。栅格数据的形状、尺寸及相关问题gis6空间数据管理30由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，则造成较大的误差 。由于栅格

13、单元中存在多种地物，而数据中常常只记录一个属性值，这会导致属性误差。比如，遥感数据中的“混合像元”问题。栅格数据的形状、尺寸及相关问题gis6空间数据管理31ii 栅格数据结构的特点 属性明显数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，因而我们可以直接得到地物的属性代码定位隐含所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体的位置很容易隐含在格网文件的存储结构中 gis6空间数据管理32ii 栅格数据结构的特点 栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结合处理，给地理空

14、间数据处理带来了极大的方便gis6空间数据管理33iii 决定栅格单元代码的方式 基本原则：在决定栅格代码时尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量 。注意：每一个单元可能对应多个地物种类或多个属性值。比如遥感图像中的“混合像元”。gis6空间数据管理34iii 决定栅格单元代码的方式 中心点法 处理方法： 用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码 常用于具有连续分布特性的地理要素，如降雨量分布、人口密度图等。 例如：中心点o落在代码为c的地物范围内，按中心点法的规则，该矩形区域相应的栅格单元代码为cgis6空间数据管理35iii 决定栅格单元代码的方式 2. 面积占优法处理方法：以占

15、栅格区域面积比例最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代码 面积占优法常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况 例如：所示的例子中，显见b类地物所占面积最大，故相应栅格代码定为b gis6空间数据管理36iii 决定栅格单元代码的方式 3. 重要性法 处理方法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元代码 重要性法常用于具有特殊意义而面积较小的地理要素，特别是点、线状地理要素，如城镇、交通枢纽、交通线、河流水系等，在栅格中代码应尽量表示这些重要地物 例如：假设a类最重要的地物类型，即a比b和c类更为重要，则栅格单元的代码应为agis6空间数据管理37iii 决定栅格单元

16、代码的方式 4.百分比法 处理方法：根据栅格区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代码 适用于地物面积具有重要意义的分类体系 例如：可记面积最大的两类ba，也可以根据b类和a类所占面积百分比数在代码中加入数字 gis6空间数据管理38iii 决定栅格单元代码的方式 5.其他方法 根据具体的应用内容，栅格单元的代码确定方式还可以采用其他方法，如插值方法（平均值就是其中之一），或使用特定的计算函数等。gis6空间数据管理39iv栅格数据编码栅格数据编码方法分为两大类：直接栅格编码 压缩编码方法 链码链码 游程长度编码游程长度编码 块码块码 四叉树四叉树 gis6空间数据管理40直接栅格编

17、码直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐个象元进行记录，也可以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录，为了特定目的还可采用其他特殊的顺序 gis6空间数据管理41一些常用的栅格排列顺序gis6空间数据管理42压缩编码方式压缩编码的目的就是用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型分为信息无损编码编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信息 信息有损编码为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过程中损失一部分相对不太重要的信息，解码时这部分难以恢复 gis6空间数据管理43压缩编码方式在地理信息系统中的压缩编码多采用信息无

18、损编码，而对原始遥感影像进行压缩时也可以采取有损压缩编码方法。 gis6空间数据管理44压缩编码方式1 链码（链码（chain codes）链式编码又称为弗里曼链码（freeman，1961）或边界链码。该编码方法将数据表示为由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东0，东南1，南2，西南3，西4，西北5，北6，东北7 等八个基本方向。gis6空间数据管理45例如，确定原点为像元（10，1），则某个多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10，1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4

19、，5，4，5，4，6，6。其中前两个数字10 和1 表示起点为第十行第一列，从第三个数字开始每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以07 的整数代表。链码（chain codes）gis6空间数据管理46链码（chain codes）优点：链式编码对多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，比较适于存储图形数据。缺点：对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的公共边界被重复存储会产生冗余。gis6空间数据管理47压缩编码方式2 游程长度编码（游程长

20、度编码（run-length codes）它的基本思路是：对于一幅栅格图像，它的基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上常常有行（或列）方向上相邻的若干点相邻的若干点具有相同的属性代码具有相同的属性代码，因而可采取某种，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。方法压缩那些重复的记录内容。 gis6空间数据管理48游程长度编码（run-length codes）其实现方法有两种一种编码方案是，只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。 另一种游程长度编码方案就是逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码 gis6空间数据管

21、理49游程长度编码示例按第一种编码方法，此数据游程长度编码：（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7，2）；（0，2），（4，1），（8，3），（7，2）；（0，2），（8，4），（7，1），（8，1）； (0，3)， (8，5)； (0，4)， (8，4)； (0，5)， (8，3)。用44个整数表达了原始数据中的64个栅格。gis6空间数据管理50游程长度编码示例按第二种编码方法，此数据游程长度编码（沿列方向）：（1，0），（2，4），（4，0），（1，4），（4，0）；（1，4），（5，8），（6，0）；（1，7），（2，4），（4，8），

22、（7，0）；（1，7），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。 gis6空间数据管理51游程长度编码优缺点优点压缩效率较高，且易于进行检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况 缺点对于图斑破碎，属性和边界多变的数据压缩效率较低，甚至压缩后的数据量比原始数据还大。 gis6空间数据管理52压缩编码方式3 块码（块码（chain codes） 块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初

23、始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位的代码组成。 gis6空间数据管理53块码编码示例 0 4 4 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 4 4 4 8 8 8 8 8 7 7 4 4 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 0 8 0 0 8 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 其块码编码为：(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4)

24、,(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)。gis6空间数据管理54压缩编码方式4 四叉树四叉树编码编码四叉树编码将整个图像区逐步分解为四叉树编码将整个图像区逐步分解为一系列仅包含单一类型的方形区域，最一系列仅包含单一类型的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元。小的方形区域为一个

25、栅格象元。gis6空间数据管理55四叉树编码 其其基本基本分割方法分割方法是将一幅栅格地图是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其或图像等分为四部分。逐块检查其栅格栅格属性值属性值(或灰度或灰度)。如果某个子区的所有栅。如果某个子区的所有栅格值都具有相同的值。则这个子区就不格值都具有相同的值。则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到割成四个子区。这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。为止。 gis6空间数据管理56四叉树编码 由上而下的方法运算量大，耗时较由

26、上而下的方法运算量大，耗时较长。因而实践中可以采用从下而上的方长。因而实践中可以采用从下而上的方法建立四叉树编码。对栅格数据按如下法建立四叉树编码。对栅格数据按如下的顺序进行检测：如果每相邻四个栅格的顺序进行检测：如果每相邻四个栅格值相同则进行合并，逐次往上递归合并，值相同则进行合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。这种方法直到符合四叉树的原则为止。这种方法重复计算较少，运算速度较快重复计算较少，运算速度较快。 gis6空间数据管理57四叉树编码 采用四叉树编码时，为了保证四叉树分解能不断地进行下去，要求图像必须为2n2 n的栅格阵列，对于非标准尺寸的图像需首先通过增加背景的方法将

27、图像扩充为2 n 2 n的图像。 gis6空间数据管理58四叉树的结构方式四叉树结构按其编码的方法不同分为常规四叉树和线性四叉树：常规四叉树：除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。结点之间借助指针联系，每个结点需要用六个量表达：四个叶结点指针，一个父结点指针和一个结点的属性或灰度值。这些指针不仅增加了数据贮存量，而且增加了操作的复杂性。常规四叉树主要在数据索引和图幅索引等方面应用。gis6空间数据管理59四叉树的结构方式四叉树结构按其编码的方法不同分为常规四叉树和线性四叉树：线性四叉树：只存贮最后叶结点的信息。包括叶结点的位置、深度和本结点的属性或灰度值。所谓深度是指处于四叉树的第几层上。由深

28、度可推知子区的大小。线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的规则，这种编号称为地址码，它隐含了叶结点的位置和深度信息。最常用的地址码是四进制或十进制的morton码。gis6空间数据管理60四叉树编码示例 0 4 4 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 7 7 7 4 4 4 4 8 8 7 7 0 0 4 8 8 8 7 7 0 0 8 8 8 8 7 8 0 0 0 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8 gis6空间数据管理61 其中最上面的结点叫根结点，它对应整个图形。此树共有4层结点，每个结点对应一个象限，如第2层4个结点分别对应于整个图形

29、的四个象限，排列次序依次为南西（sw）、南东（se）、北西（nw）和北东（ne），不能再分的结点称为终止结点（又称叶子结点），可能落在不同的层上，该结点代表的子象限具有单一的代码，所有终止结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，共有40个叶子结点，也就是原图被划分为40个大小不等的方形子区（最下面的一排数字表示各子区的代码）。 四叉树编码示例gis6空间数据管理62四叉树编码的优缺点优点：四叉树编码具有可变的分辨率，树的深度随数据的破碎程度而变化，并且有区域性质，压缩数据灵活，许多数据和转换运算可以在编码数据上直接实现，大大地提高了运算效率，并支持拓扑“洞”（嵌套

30、多边形）的表达，是优秀的栅格压缩编码之一 。缺点：其最大不足是其不稳定性，即同样的原始数据应用不同的算法进行编码可能会得到不同的编码结果。不利于数据分析。gis6空间数据管理63压缩编码方式5 其他编码其他编码还有很多编码方法，如傅立叶变换、小还有很多编码方法，如傅立叶变换、小波变换、余弦变换等，常常用于遥感原波变换、余弦变换等，常常用于遥感原始数据的压缩。由于它们多数是始数据的压缩。由于它们多数是有损压有损压缩缩，一般不用于需要进行分析的栅格数，一般不用于需要进行分析的栅格数据。在四叉树基础上发展而来的八叉树据。在四叉树基础上发展而来的八叉树目前也是研究热点之一。目前也是研究热点之一。gis

31、6空间数据管理64压缩编码的相关问题同所有的数据结构问题一样，压缩编码过程的主要矛盾也是数据量压缩和运算时间之间的矛盾：为了更有效地利用空间资源，减少数据冗余，不得不花费更多的运算时间进行编码 。好的压缩编码方法就是要在尽可能减少运算时间的基础上达到最大的数据压缩效率，并且算法要适应性强，易于实现 gis6空间数据管理65常见栅格压缩编码方法总结：链码的压缩效率较高，已经近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域的性质，区域运算困难 。游程长度编码既可以在很大程度上压缩数据，又最大限度地保留了原始栅格结构，编码解码十分容易。但对破碎数据处理效果不好。块码和四叉树编码具有区域性质，又具有可变

32、的分辨率，有较高的压缩效率，但运算效率是其瓶颈。其中四叉树编码可以直接进行大量图形图像运算，效率较高，是很有前途的方法。gis6空间数据管理66分层栅格数据的存储结构在gis数据库中，对于分层的栅格数据的存储结构有三种基本方式： 1、基于像元：以像元作为独立存储单元，每个像元对应一条记录，每条记录中的记录内容包括像元坐标及其属性值的编码。不同层上同一个像元位置上的各属性值表示为一个数组。2、基于层：以层作为基础，每层又以像元为序记录坐标和属性值，一层记录完后再记录第二层。3、基于多边形：以层作为基础，每层以多边形为序记录多边形的属性值和充满多边形的各像元坐标。gis6空间数据管理67分层栅格数

33、据的存储结构栅格数据文件像元1x坐标（行号）y坐标（列号）1层属性值编码2层属性值编码n层属性值编码像元2像元m栅格数据文件层1x坐标（行号）y坐标（列号）属性值编码层2层n像元1像元2像元m栅格数据文件层1像元1的坐标属性值编码层2层n多边形1像元2的坐标像元s的坐标多边形2多边形t（a）基于像元（b）基于层(c)基于多边形gis6空间数据管理683矢量数据结构及其编码 基本概念特点编码方式gis6空间数据管理69i矢量数据结构基本概念矢量数据结构基本概念矢量数据结构 ：通过尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。在一般情况下，其精度比

34、栅格数据结构高得多。其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制。 gis6空间数据管理70i矢量数据结构基本概念矢量数据结构基本概念几何体的类型gis6空间数据管理71i矢量数据结构基本概念矢量数据结构基本概念矢量数据的类型buildings. polygonstreams, linewells, pointroads, linezoning, polygonmap sheetsgis6空间数据管理72i矢量数据结构基本概念矢量数据结构基本概念 矢量结构允许最复杂的数据以最小的数据冗余进行存储，相对栅格结构来说，数据精度高，所占空间小，是高效的空间数据结构。gis6空间数据管理73ii矢量

35、数据结构特点矢量数据结构特点1 定位明显其定位是根据坐标直接存储的，无需任何推算2 属性隐含 属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上 gis6空间数据管理74ii矢量数据结构特点矢量数据结构特点矢量数据结构图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，在叠加运算、邻域搜索等操作时比较困难，有些甚至难以实现，但其也有便利和独到之处，在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度。gis6空间数据管理75矢量数据存储模型矢量数据库模型中，可以将图形数据和属性数据同时存储在一个数据表中，每一个图层对应这样一个数据表。gis6空间数据管理76iii矢量数据编码矢量

36、数据编码编码方法 ：点实体线实体多边形 坐标序列法坐标序列法 树状索引编码法树状索引编码法 拓扑结构编码法拓扑结构编码法 (x,y)(x2,y2)(x3,y3)(x4,y4)(x5,y5)line(x5,y5)(x,y)(x2,y2)(x4,y4)(x3,y3)polygonpoint(x,y)gis6空间数据管理77iii矢量数据编码矢量数据编码点实体 点是空间上不能再分的地理实体，可以是具体的或抽象的，如地物点、文本位置点或线段网络的结点等，由一对x、y坐标表示。 对于点实体，矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码 gis6空间数据管理78点实体数据编码数据编码gis6空间数据管

37、理79iii矢量数据编码矢量数据编码线实体对于线实体，在数字化时即进行量化，就是用一系列足够短的直线首尾相接表示一条曲线，当曲线被分割成多而短的线段后，这些小线段可以近似地看成直线段，而这条曲线也可以足够精确地由这些小直线段序列表示，矢量结构中只记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列，坐标之间认为是以直线段相连，在一定精度范围内可以逼真地表示各种形状的线状地物 gis6空间数据管理80线实体矢量数据编码矢量数据编码唯一标识码是系统排列序号；线标识码可以标识线的类型；起始点和终止点号可直接用坐标表示；显示信息是显示时的文本或符号等；与线相联系的非几何属性可以直接存储于线文件中，也可单

38、独存储，而由标识码联接查找。 gis6空间数据管理81iii矢量数据编码矢量数据编码多边形实体编码 “多边形”在地理信息系统中是指一个任意形状、边界完全闭合的空间区域。其边界将整个空间划分为外部和内部。多边形数据是描述地理信息的最重要的一类数据。在区域实体中，具有名称属性和分类属性的，多用多边形表示，如行政区、土地类型、植被分布等。gis6空间数据管理82多边形实体编码 多边形矢量编码不但要表示位置和属性，更为重要的是要能表达区域的拓扑性质，如形状、邻域和层次等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图资料进行显示和操作，由于要表达的信息十分丰富，基于多边形的运算多而复杂，因此多边形矢量编码比点

39、和线实体的矢量编码要复杂得多，也更为重要。 gis6空间数据管理83多边形实体编码 多边形矢量编码除有存储效率的要求外，一般还要求所表示的各多边形有各自独立的形状，可以计算各自的周长和面积等几何指标；各多边形拓扑关系的记录方式要一致，以便进行空间分析；要明确表示区域的层次，如岛-湖-岛的关系等。因此，它与机助制图系统仅为显示和制图目的而设计的编码有很大不同。 gis6空间数据管理84多边形实体编码方法坐标序列法（坐标序列法（spaghetti方式）方式） 树状索引编码法树状索引编码法 拓扑结构编码法拓扑结构编码法 gis6空间数据管理85坐标序列法（坐标序列法（spaghetti方式）方式）由

40、多形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码 多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（1）gis6空间数据管理86坐标序列法（坐标序列法（spaghetti方式）示例方式）示例图形数据10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11；20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16；x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x9,y9；x10,y

41、10；x11,y11；30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40；40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30；x31,y31；x32,y32；50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24；x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28； 编码数据gis6空间数据管理87坐标序列法的优缺点坐标序列法的优缺点优点文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示 缺点多边形之间的

42、公共边界被数字化和存储两次，由此产生冗余和碎屑多边形；每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界；岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形的联系；不易检查拓扑错误。这种方法可用于简单的粗精度制图系统中。多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（1）gis6空间数据管理88裂缝不重合重叠gis6空间数据管理89树状索引编码法树状索引编码法 采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构 多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）g

43、is6空间数据管理90树状索引编码法示例树状索引编码法示例图形数据多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）gis6空间数据管理91树状索引编码法示例树状索引编码法示例线与多边形之间的树状索引多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）gis6空间数据管理92树状索引编码法示例树状索引编码法示例点与边界线之间的树状索引 多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）gis6空间数据管理93树状索引编码法示例树状索引编码法示例形成的文件记录gis6空间数据管理94 树状索引编码法的优势和不足树状索引编码法的优势和不足 树状索引编码消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界

44、线或合并相邻多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到，但是比较繁琐，因而给相邻函数运算，消除无用边，处理岛状信息以及检查拓扑关系带来一定的困难，而且两个编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错。 多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（2）gis6空间数据管理95多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（3）拓扑结构编码法拓扑结构编码法 要彻底解决邻域和岛状信息处理问题必须建立一个完整的拓扑关系结构，这种结构应包括以下内容：唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值，即外包矩形信息）。gis6空间数据

45、管理96多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（3）拓扑结构编码法拓扑结构编码法该结构包括以下内容：该结构包括以下内容：唯一标识唯一标识多边形标识多边形标识外包多边形指针外包多边形指针邻接多边形指针邻接多边形指针边界链接边界链接范围范围较好的解决了空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂度和数据库的大小表示地理实体的方法精确，数据存储效率高，地图输出质量好gis6空间数据管理97gis6空间数据管理98多边形矢量编码方法（多边形矢量编码方法（4）不规则三角网（不规则三角网（tin）该结构包括以下内容：点的高程点的平面坐标节点的拓扑关系三角形邻接三角形delaunay三角构网法：准则：任何一个de

46、launay三角形的外接圆的内部不能包含其他任何点。voronoi多边形边界是由delaunay三角形的各边的垂直平分线组成。每个voronoi多边形仅包括一个数据点。gis6空间数据管理99gis6空间数据管理100矢量数据结构编码总结矢量数据结构编码总结 矢量编码保证了信息的完整性和运算的灵活性，这是由矢量结构自身的特点所决定的。目前并没有统一的最佳的矢量结构编码方法，在具体工作中应根据数据的特点和任务的要求而灵活设计。gis6空间数据管理101扩展内容：扩展内容： dime(双重独立坐标地图编码，双重独立坐标地图编码，dual independent map encoding)编码系统编

47、码系统dime是美国人口调查局在人口调查的基础上发展起来的，它通过有向编码建立了多边形、边界、节点之间的拓扑关系，dime编码成为其它拓扑编码结构的基础。gis6空间数据管理1024矢栅结构的比较及转换算法 栅格结构与矢量结构的比较栅格结构与矢量结构的比较 优点优点缺点缺点矢量数据矢量数据1数据结构紧凑、冗余数据结构紧凑、冗余度低度低2有利于网络和检索分有利于网络和检索分析析3图形显示质量好、精图形显示质量好、精度高度高1数据结构复杂数据结构复杂2多边形叠加分析比较多边形叠加分析比较困难困难栅格数据栅格数据1数据结构简单数据结构简单2便于空间分析和地表便于空间分析和地表模拟模拟3现势性较强现势

48、性较强1数据量大数据量大2投影转换比较复杂投影转换比较复杂gis6空间数据管理1034矢栅结构的比较及转换算法相互转换算法 矢量格式向栅格格式的转换 内部点扩散算法复数积分算法射线算法和扫描算法 边界代数算法 gis6空间数据管理1044矢栅结构的比较及转换算法射线算法单个多边形的转换多个多边形的转换 gis6空间数据管理1054矢栅结构的比较及转换算法相互转换算法 栅格格式向矢量格式的转换 1）多边形边界提取：2）边界线追踪3）拓扑关系生成4）去除多余点及曲线圆滑 双边界直接搜索法（任伏虎）（教材p154）gis6空间数据管理106ccccccbcccaaabbcccaaaaccccaaaa

49、cccccaaacccccccccc0cccccbc0caaabbc0ca0aacc0caa0acc0ccaaac000ccccc0a ac da bc da bd da ba ba bc ba bc aa bb da bb aa ba ba ab ba aa ba ab aa bb ba ba aa）b）c）d）e）f）a）b）c）d）e）f）g）h）节点边界gis6空间数据管理1075空间数据的空间索引空间数据的空间索引 ，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。 在空间数据的组织方面，空间索引机制是实现空间数据快速查询检索的重要手段，也是海量空间数据管

50、理所必须的。空间索引是一个层次结构 gis6空间数据管理1085空间数据的空间索引空间数据的空间索引工 程工作区 1工作区 2工作区 n工作区索引工作层1工作层 2工作层 n地物空间索引地物层空间索引的层次结构 gis6空间数据管理109分区索引（图幅索引）地物索引gis6空间数据管理1105空间数据的空间索引空间数据的空间索引一、一、无缝图层无缝图层 在逻辑上，一个地区、一个城市应该是一个在逻辑上，一个地区、一个城市应该是一个整体，即当作一个工程看待，用户可以在一整体，即当作一个工程看待，用户可以在一个工程内任意开窗、放大、漫游、查询、分个工程内任意开窗、放大、漫游、查询、分析和制图。分幅测

51、绘的地图应该在物理位置析和制图。分幅测绘的地图应该在物理位置或逻辑位置上拼接成一个连续的图层或逻辑位置上拼接成一个连续的图层 。 前者称为物理无缝图层，后者称为逻辑无缝图层。gis6空间数据管理111gis6空间数据管理1125空间数据的空间索引空间数据的空间索引逻辑拼接物理拼接分幅地图逻辑无缝地图物理无缝地图a1a2a3b2b3ababb1图 1图 2图 3图 4无缝图层 gis6空间数据管理1135空间数据的空间索引空间数据的空间索引物理图层是直接将图幅先进行接边处理，然后将分幅的地图文件进行合并，得到一个在空间上是连续的图层。这是当前建立无缝图层最常用的方法。逻辑图层不改变分幅图层的物理

52、存储位置，而是建立跨图幅地物的索引，实现对地物的跨图幅操作。 gis6空间数据管理1145空间数据的空间索引空间数据的空间索引fid指针a1ab1ba2afid指针a3afid指针b2bfid指针b3bfid指针aa1,a2,a3bb1,b2,b3图 1图 2图 3图 4总目标图幅的逻辑接边 gis6空间数据管理115无缝图层的例子无缝图层的例子(对象合并对象合并)gis6空间数据管理1165空间数据的空间索引空间数据的空间索引二、二、工作区索引工作区索引 对于海量数据来讲，由于图层的范围过大，对于海量数据来讲，由于图层的范围过大，不便于数据操作，因此还需要分成若干个工不便于数据操作，因此还需

53、要分成若干个工作区。并建立一个工程和它包含的工作区之作区。并建立一个工程和它包含的工作区之间的空间索引。间的空间索引。 gis6空间数据管理1175空间数据的空间索引空间数据的空间索引w11w12w18w21w51w58工作区索引 gis6空间数据管理1185空间数据的空间索引空间数据的空间索引通过一个记录每个工作区的范围的空间坐标的空间索引文件，就可以建立工程与工作区的关系。建立了这样的索引文件后，用户可以在工程管理界面下，开窗任意进入某一个、或几个工作区。gis6空间数据管理1195空间数据的空间索引空间数据的空间索引三、三、目标索引目标索引(对象索引，地物索引对象索引，地物索引) 工作区

54、索引可以看成是最粗一级的空间索引。工作区索引可以看成是最粗一级的空间索引。在图形操作中，对无缝图层来讲，一般在一在图形操作中，对无缝图层来讲，一般在一个工作区的空间数据的数据量较大，为了实个工作区的空间数据的数据量较大，为了实现快速的查询，还需要建立地物与用于屏幕现快速的查询，还需要建立地物与用于屏幕操作的鼠标的屏幕坐标之间的索引。操作的鼠标的屏幕坐标之间的索引。 gis6空间数据管理1205空间数据的空间索引空间数据的空间索引1、窗坐标索引机制、窗坐标索引机制 窗坐标索引机制窗坐标索引机制是基于记录对象空间范围的索引机制，即当记录每个空间对象的坐标时，同时记录其对象的最大、最小窗坐标。所谓窗

55、坐标，是指完全包含该对象的最小外接矩形的对角点坐标（矩形边界平行坐标轴） gis6空间数据管理1215空间数据的空间索引空间数据的空间索引线对象面对象空间对象的窗 基于窗的空间对象检索gis6空间数据管理1225空间数据的空间索引空间数据的空间索引2、格网索引机制、格网索引机制 格网索引机制格网索引机制是事先将工作区按一定的规则是事先将工作区按一定的规则划分为格网，并记录每一格网内所包含的空划分为格网，并记录每一格网内所包含的空间对象。为了建立空间索引的线性表，可以间对象。为了建立空间索引的线性表，可以将格网按将格网按morton码进行编码，并建立码进行编码，并建立morton与空间对象的关系与空间对象的关系 。gis6空间数据管理123gis6空间数据管理1245空间数据的空间索引空间数据的空间索引0123456789101112131415161718192022212324262527282930313233343536383739484950515253545560616263575658594445464740414243abcd格网索引的编码（peano） gis6空间数据管理1255空间数据的空间索引空间数据的空间索引7911121315222425262728293133353638cbbcccadddddddbbb