第二章空间数据模型和空间数据结构

1、第二章 空间数据模型和空间数据结构空间数据模型和空间数据结构本章内容提要本章内容提要 2.1 地理空间概述地理空间概述2. 2 空间数据特点空间数据特点2.3 空间数据模型空间数据模型2.4矢量数据结构及其表达矢量数据结构及其表达2.5 栅格数据结构及其表达栅格数据结构及其表达2. 6矢量栅格一体化数据结构矢量栅格一体化数据结构2.7空间数据结构的建立空间数据结构的建立重点：重点：GISGIS空间数据的表达形式是地图语言，矢量数据结空间数据的表达形式是地图语言，矢量数据结构、栅格数据结构是构、栅格数据结构是GISGIS数据存储、管理的基本结构。数据存储、管理的基本结构。本章内容抽象，通过本章内

2、容抽象，通过GIS软件演示说明有关概念软件演示说明有关概念2.1 地理空间概述一、空间与地理空间 空间(Space):物理学指宇宙三个相互垂直方向广延性，天文学指时空连续体一部分 地理学上指地理空间(Geographic Space):指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式、格局及其在时间上的延续。 地理空间是地球上大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈交互作用的区域。二、GIS中的地理空间和地理空间数据 GIS 中的地理空间常用Geo-spatial表述。 指地球投影后，在笛卡儿坐标系中的表层特征空间 实体本身的特征、实体之间的关系特征。 用空间几何特性、时空分布规

3、律以及实体之间关系的数据来表达地理空间数据空间实体的表达 点(Point) 线(Line) 面(Polygon) 曲面(Surface) 体(Volume) 上述形式在计算机内识别、存储、处理的有效性和可能性。地理信息的GIS表达 图名/图层名 图框（图廓点）：由它决定图形外边缘的坐标值，从而确定图形的坐标 比例尺 投影、坐标系 图形符号 属性数据库：用以记录不同层次不同专题的信息，在多媒体GIS中还可包括音频和视频信息。2. 2 空间数据特点空间数据特点一、GIS的空间数据 数据源：数据源：u地图数据u影像数据u地形数据u属性数据u元数据按空间数据表示的类型分类按空间数据表示的类型分类 类型

4、数据：土地/土壤类型 面域数据：行政区 网络数据：交通、电网 样本数据：气象站数据 曲面数据：高程点、等高线 文本数据：地名 符号数据：点、线、面、晕线二、空间数据基本特征 1空间特征：定位信息 2 属性特征：属性信息 3拓扑关系：拓扑信息 4时序性：时间信息时序性：时间信息2.3 空间数据模型 2.3.1 数据模型 2.3.2 空间数据模型 2.3.3 时空数据模型 2.3.4 三维空间模型 2.3.5 面向空间模型 2.3.6 空间数据表达与空间数据结构 通过GIS软件演示说明空间数据模型空间数据结构空间数据结构 矢量数据结构（面向地物） 栅格数据结构（面向位置） 数据压缩：游程编码、四叉

5、树 矢量栅格混合数据结构2.4矢量数据结构及其表达 基于矢量模型的数据结构称之为矢量数据结构，它是面向地物的数据结构。是利用欧几里得（Euclid)几何学中的点、线、面及其组合体来表示空间分布的一种数据组织方式。 简单数据结构(无拓扑） 拓扑数据结构 曲面数据结构TIN (Triangulated Irregular Network)2.4.1 矢量数据结构概念（面向地物）矢量数据结构概念（面向地物） 2.4.2 矢量数据的位置、形状表达 0维矢量 （点）实体点、注记点、内点、节点、角点。 1维矢量 （线）直线、弧段、链、网络 2维矢量（面）多边形区域 3维矢量(体)具有位置的真三维实体2.4

6、.3 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中用于空间数据的编辑编辑和组织组织，对空间分析空间分析和应用应用也非常重要。 拓扑邻接：存在于空间图形同类元素之间的拓扑关系。 拓扑关联：存在于空间图形不同元素之间的拓扑关系。 拓扑包含：同类、不同级的元素拓扑关系拓扑图示点、结点、拓扑编辑GIS利用拓扑关系的优点 （1）不需要利用坐标或距离，可以确定地物空间位置关系 （2）有利于空间要素查询 （3）已拓扑数据为工具，重建地理实体。2.5 栅格数据结构及其表达 基于栅格模型的数据结构，是面向位置的数据结构，将空间分割成有规则的网格，在各个格上给出相应的属性值来表达地理实体的一

7、种数据组织形式。 栅格结构是由规则的网格阵列上的象元(由行，列定义)来表示图象元素，其地理属性隐含在其中。 栅格数据的行和列的数目取决于栅格的分辨分辨力力和实体特征。一般地，实体特征越复杂、栅格尺寸越小、分辨力越高，则栅格数量越多(按分辨力的平方指数增加)，处理成本也越高。 栅格模型行800100000001111100 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0行 列 值01 01.02 02.11列行800100000001111100 0 0 0 0

8、 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0行 列 值01 01.02 02.11列栅格数据游程编码压缩 游程编码的压缩原理可描述为：设有一个规则的栅格数字矩阵，矩阵的每行都有为整数（属性类别或等级）的序列x1，x2，xm，现把属性值相同的连续若干个栅格视为一个游程，每个游程的数据结构为（A，P），A表示栅格的属性值，P表示该游程最右边栅格所在的列号。这样，可将序列x1，x2，xm映射为K个游程，原来一行内m个数据压缩为K个整数对(Km)。 栅格数据四叉树结构压缩 四叉树

9、结构压缩的原理可描述为：将整个区域按照四个象限进行递归分割，(2n2n，且n1)直到子象限的数值单调为止。凡是数值（特征码或类型值）呈单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。这样，对同一种空间要素，区域格网的大小，随该要素分布特征而不同。如图4-12所示，（1）表示区域（填充部分）四分划的过程，（2）为该区域的四叉树，其中树根代表整个区域，树的每个结点有四个儿子或空，为空的结点为叶结点，叶结点对应于区域分割时数值单调的子象限。矢量-栅格数据结构对比优优 点点缺缺 点点矢量矢量1 便于面向地物现象的数据表示便于面向地物现象的数据表示2 数据结构紧凑，冗余度低数据结构紧凑，冗余度低3 有利于网络分析有利于网络分析4 图形显示质量好，精度高图形显示质量好，精度高1 数据结构复杂数据结构复杂2 软硬件技术要求较高软硬件技术要求较高3 多变性叠合分析较困难多变性叠合分析较困难4显示与绘图成本较高显示与绘图成本较高栅格栅格1 数据结构简单数据结构简单2 空间分析和地理现象模拟容易空间分析和地理现象模拟容易3 利于与遥感数据的匹配应用和利于与遥感数据的匹配应用和分析分析4输出方法快，成本较低输出方法快，成本较低1 数据量大数据量大2 投影转换困难投影转换困难3 现象识别的效果不如矢量现象识别的效果不如矢量4 图形显示质量低图形显示质量低2. 6矢量栅格