第二章空间数据结构

1、学习目标学习目标 理解地理空间信息的概念 掌握地理空间信息的描述方法 理解地理数据分类描述的方法 理解和掌握地理空间数据的拓扑关系 掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法 了解栅格与矢量数据之间的转化方法重点：重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。难难 点点：拓扑结构、栅格数据编码 地理空间信息及其描述地理空间信息及其描述 地理空间数据类型地理空间数据类型 地理信息的空间关系地理信息的空间关系 地理信息空间数据结构地理信息空间数据结构 地理信息数据的编码方法地理信息数据的编码方法 矢量结构与栅格结构的相互转换矢量结构与栅格结构的相互转换 l1地理空间（Geographi

2、c Space）是指物质、能量、信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。l2地理信息 地理信息是一个时空过程，它存在于一定物质、能量载体，并能从一种载体向另一种载体进行转移，从而形成所谓的信息流。按照认知关系可将地理信息载体化分为地理主体和地理对象两种。l是建立在地理空间坐标系基础上的l地理坐标地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。l平面直角坐标系平面直角坐标系(X,Y)建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。l 地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中

3、的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。l定名（定名（Nominol）量）量l顺序（顺序（Ordinal）量）量l间隔（间隔（Interval）量）量l比率（比率（Ratio）量）量定性而非定量地对众多地理事物进行区分和标识。如北京、天津、石家庄等；长江、黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪泽湖和太湖等 通过排序来区分和标识地理现象的量称为顺序量。它是按照地理数据的等级序列，由低到高（或由高到低）进一步细分的 利用某种标准单位（可以是任意的）作为间隔量来表示不同的量，是一种较精确区分和标识地理现象的测量方法。 比率量是间隔量的精确化。它提供的定量值是具有真零值而且测量单位的间隔是相

4、等的数据 l地理数据的基本特征l地理数据的来源 l地理空间数据类型 一、地理数据的基本特征一、地理数据的基本特征l空间特征空间特征 表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。l属性特征属性特征 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。征等。l时间特征时间特征 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。短期的、中期的和长期

5、的。l地图数据地图数据 地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源最重要得信息源 l遥感数据遥感数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据现势性很强的数据 l统计数据、实测数据及各种文字报告统计数据、实测数据及各种文字报告 各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研各种地理要

6、素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等究报告等 三、地理空间数据的类型三、地理空间数据的类型1. 类型数据类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。：居民点、交通线、土地类型分布等。2. 面域数据面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3. 网络数据网络数据：道路交叉点、街道和街区等。：道路交叉点、街道和街区等。4. 样本数据样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。：气象站、航线和野外样方的分布区等。5. 曲面数据曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。：高程点、等高线和等值区域。6. 文本数据文本数据：如地名、河流名和区域名称。：如地名、河

7、流名和区域名称。7. 符号数据符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。：点状符号、线状符号和面状符号等。 l地理空间数据的拓扑关系l地理空间信息的方向关系l地理空间信息的度量关系一、地理空间数据的拓扑关系拓扑结构拓扑结构 是明确定义空间结构关系的一种数学方法。 在GIS中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。1.1.地理空间数据的拓扑关系地理空间数据的拓扑关系2.2.地理空间数据拓扑关系应用价值地理空间数据拓扑关系应用价值3.3.地理空间数据拓扑关系的表示地理空间数据拓扑关系的表示拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。拓扑包含： 元素

8、之间的拓扑关系。1、地理空间数据的拓扑关系不不 同同 类类同同 类类同类不同级同类不同级N11256473P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3拓扑关联：N1/1、3 、6 ；P1/1、5 、6 拓扑包含：P3与P4（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离（2）利于空间要素查询（3）重建地理实体3.3.地理空间数据地理空间数据 拓扑关系的表示拓扑关系的表示结点集合结点集合结点名指 针第一个离开弧段 第一个到达弧段坐标N1 e3 e1 x1，y1 N2 e1 e2 x2，y2 N3 e2 e3 x3，y3125647

9、3P1P3P2P4N4N3N5N2顺时针第一弧段 逆时针第一弧段指 针属性P0 e5 t0 P1 e1 t1 P2 e2 e5 t2多边形名 P3 e3 e4 t31256473P1P3P2P4N4N3N5N23.3.地理空间数据地理空间数据 拓扑关系的表示拓扑关系的表示多边形集合多边形集合弧段名e1 N2 N1 P1 P0 e6 e2 s1e2 N3 N2 e5 P2 P0 e4 e3 s2e3 N1 N3 e6 e4 P3 P0 s3 e4 N4 N3 e5 e3 P2 P3 e2 e6 s4 始结点 终结点离开始结点的下一条弧段到达终结点的下一条弧段右多边形左多边形右多边形顺时针下一条弧

10、段左多边形逆时针下一条弧段坐标串1256473P1P3P2P4N4N3N5N23.3.地理空间数据地理空间数据 拓扑关系的表示拓扑关系的表示弧段集合弧段集合l方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。l描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹角称为连线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种。l同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时，只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体，然后按点状实体来求解方向关系即可。l度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。l这种距离关系可以定量地描述为

11、特定空间中的某种距离，如A实体距离B实体100m。也可以应用与距离概念相关的术语，如远近等进行定性的描述。l空间数据结构l矢量数据结构l栅格数据结构l栅格结构与矢量结构的比较栅格结构与矢量结构的比较常用的空间数据结构常用的空间数据结构XYijx1 y1x2 y2xi yixn yn 矢量数据结构矢量数据结构 矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。 特点：定位明显，属性隐含定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。栅格数据结构栅格数据结构 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

12、据表示地理要素的非几何属性特征。 特点：属性明显，定位隐含属性明显，定位隐含。 获取方法： (1) 手工网格法； (2) 扫描数字化法； (3) 分类影像输入法； (4) 数据结构转换法。8 8 8 88 8 8 88 8 8 88 8 8 888 8 88 8 8 88 8 88 8 888888888888 8 8881111111111111122222222222322A.OBC中心点法重要性法长度占优法面积占优法栅格结构数据中混合像元的处理栅格结构数据中混合像元的处理方案一方案二：缩小栅格单元的面积比较内容比较内容矢矢 量量 结结 构构栅栅 格格 结结 构构数据结构数据结构复杂复杂简

13、单简单数据量数据量小小大大图形精度图形精度高高低低图形运算、搜索图形运算、搜索复杂、高效复杂、高效简单、低效简单、低效软件与硬件技术软件与硬件技术不一致不一致一致或接近一致或接近遥感影像格式遥感影像格式要求比较高要求比较高不高不高图形输出图形输出显示质量好、精度高，显示质量好、精度高， 但但 成本比较高成本比较高输出方法快速，质量输出方法快速，质量低，成本比较低廉低，成本比较低廉数据共享数据共享不易实现不易实现容易实现容易实现拓扑和网络分析拓扑和网络分析容易实现容易实现不易实现不易实现矢量结构与栅格结构的比较矢量结构与栅格结构的比较第五节第五节 地理数据的编码方法地理数据的编码方法编码的概念和

14、意义编码的概念和意义栅格结构编码方法栅格结构编码方法矢量结构编码方法矢量结构编码方法属性数据编码方法属性数据编码方法 地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。一、编码的概念和意义一、编码的概念和意义链码链码(chain Encoding)直接栅格编码直接栅格编码游程长编码游程长编码(Run_length Encoding)块块 码码四叉树

15、编码四叉树编码(quarter_tree Encoding)栅格结构编码方法1 1、直接栅格编码、直接栅格编码 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，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。 0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 30，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，

16、2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。2 2、链码、链码12345076001 0 767 01 1 0 0链码编码链码编码： 2，2 ，6 ，7，6，0，6，5123450760 5 0 0 0 0 0 00 0 5 0 0 0 0 00 0 0 0

17、 0 0 0 00 5 0 0 0 0 0 00 0 5 5 0 0 0 00 0 0 5 0 0 0 00 0 5 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0链码编码示例链码编码示例3 3、游程长度编码、游程长度编码(1)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录 该代码以及相同代码重复的个数；0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3沿行方向进行编码沿行方向进行编码：( 0，1），），（

18、2，2），（），（5，5）；（）；（2，5），），（5，3）；（）；（2，4），（），（3，2），），（5，2）；（）；（0，2），（），（2，1），），（3，3），（），（5，2）；（）；（0，2），），（3，4），（），（5，1），（），（3，1）；）；（0，3），（），（3，5）；（）；（0，4），），（3，4）；（）；（0，5），（），（3，3）。）。3 3、游程长度编码、游程长度编码逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50

19、0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3沿列方向进行编码沿列方向进行编码：( 1，0），），（2，2），（），（4，0）；（）；（1，2），），（4，0）；（）；（1，2），（），（5，3），），（6，0）；（）；（1，5），（），（2，2），），（4，3），（），（7，0）；（）；（1，5），），（2，2），（），（3，3），（），（8，0）；）；（1，5），（），（3，3）；（）；（1，5），），（6，3）；（）；（1，5），（），（5，3）。）。 4 4、块码、块码 采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的

20、代码组成。0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3（1 1，1 1，1 1，0 0），（），（1 1，2 2，2 2，2 2），），（1 1，4 4，1 1，5 5），（），（1 1，5 5，1 1，5 5），），（1 1，6 6，2 2，5 5），（），（1 1，8 8，1 1，5 5）；）；（2 2，1 1，1 1，2 2），（），（2 2，4 4，1 1，2 2），），（2 2，5 5，1

21、1，2 2），（），（2 2，8 8，1 1，5 5）；）；（3 3，3 3，1 1，2 2），（），（3 3，4 4，1 1，2 2），），（3 3，5 5，2 2，3 3），（），（3 3，7 7，2 2，5 5）；）；（4 4，1 1，2 2，0 0），（），（4 4，3 3，1 1，2 2），），（4 4，4 4，1 1，3 3）；（）；（5 5，3 3，1 1，3 3），），（5 5，4 4，2 2，3 3），（），（5 5，6 6，1 1，3 3），），（5 5，7 7，1 1，5 5），（），（5 5，8 8，1 1，3 3）；）；（6 6，1 1，3 3，0 0），（），（6

22、6，6 6，3 3，3 3）；）；（7 7，4 4，1 1，0 0），（），（7 7，5 5，1 1，3 3）；）；（8 8，4 4，1 1，0 0），（），（8 8，5 5，1 1，0 0）。）。 5 5、四叉树编码、四叉树编码 是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域

23、覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。 为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3 1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400 0 00 3 3 3 0

24、3 3 33 3 5 3 0 0 2 2 2 3 2 2 2 2 0 22 2 2 5 2 5 5 53 33 5 5西南东南西北东北 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 122位6位4位直接栅格编码：直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。1、点实体矢量编码方法2、线实体矢量编码方法3、多边形矢量编码方法比例朝向线指针线交汇编比例朝向字体文句x,y 坐标其它非几何属性建立和显示数据库联系的属性简单点符号文本点字符结 点符号统一标识类别或系列号点类型简单点文本点结 点唯一标示码唯一标示码线标示码线标示码起始点起始点终止点终止点坐标对序列坐标对序列显示信息显示信息非几何属性非几何属性多边形环路法多边形环路法树