GIS 第四章 空间数据的表达

1、一、地理空间（一、地理空间（Geographic SpaceGeographic Space） 指物质、能量、信息的指物质、能量、信息的存在形式存在形式在形态、结构过程、在形态、结构过程、功能关系上的功能关系上的分布方式分布方式和和格局格局及其及其在时间上的延续在时间上的延续，具，具体包括地球上体包括地球上大气圈、水圈、生物圈、土壤圈大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和和岩石圈岩石圈交互作用的区域交互作用的区域。地理空间具体被描述为：地理空间具体被描述为： 1 1）绝对空间）绝对空间，具有属性描述的空间位置的集合，具有属性描述的空间位置的集合，一系一系列坐标值列坐标值组成。组成。2 2）相对空间相对

2、空间，是具有空间属性特征的实体的集合，由，是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的不同实体之间的空间关系空间关系组成。组成。现实世界现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达 有位置，无宽度和长度； 抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置 有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离香港城市道路网分布 具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面中国土地利用分布图（不连续面）连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。不连续

3、变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。 有长、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑定义定义： 指指图形保持连续状态下变形图形保持连续状态下变形，但图形关系不但图形关系不变的性质。变的性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 拓扑变换拓扑变换（橡皮变换）（橡皮变换）点点点点点点线线点点面面住宅住宅学校学校海岸线海岸线码头码头肺癌病例肺癌病例区域区域学校和住宅接近吗？学校和住宅接近吗？码头在海岸线上吗？码头在海岸线上吗？肺癌病在区内分布肺癌病在区内分布线线点

4、点线线线线线线面面镇镇乘车线路乘车线路河流河流小路小路这条线路过镇上吗？这条线路过镇上吗？小路穿过河流吗？小路穿过河流吗？河流在区域内吗？河流在区域内吗？面面点点面面线线面面面面该邮政区包括学校吗？该邮政区包括学校吗？该区域包括铁路吗？该区域包括铁路吗？区域彼此影响吗？区域彼此影响吗？区域重叠吗？区域重叠吗？c1c2c3c4c5c6P1P2P3P4N1N2N3N4N5该地图为一副交通图，它传递的基本信息包括：该地图为一副交通图，它传递的基本信息包括：(1)定位信息：定位信息：三条呈不同分布状态的交通线；三条呈不同分布状态的交通线；(2)属性信息：属性信息：三条呈不同等级的交通线；三条呈不同等级

5、的交通线；(3)拓扑信息：拓扑信息：三条具有关联关系的交通线。三条具有关联关系的交通线。P57N11256473P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：拓扑邻接：N1/ /N2 , ,N1/ /N3 , ,N1/ /N4 ; ;P1/ /P3 ; ;P2/ /P3拓扑关联：拓扑关联：N1/ /1、3 、6 ；P1/ /1、5 、6 拓扑包含：拓扑包含：P3与与P4 left right 结点（node）弧段（arc）弧段方向多边形（polygon）例子：拓扑关系的全显式表达例子：拓扑关系的全显式表达abcdefgACBDEP4P0P1P2P3表表2-1多边形与弧段的拓多边形与弧段的拓扑关系扑

6、关系面面 域域弧弧 段段P P1 1a, b, c, -ga, b, c, -gP P2 2b, d, fb, d, fP P3 3c, f, ec, f, eP P4 4g g表表2-2 结点与弧段的拓结点与弧段的拓扑关系扑关系结结 点点弧弧 段段A Aa, c, ea, c, eB Ba, d, ba, d, bC Cd, e, fd, e, fD Db, f, cb, f, cE Eg g 表表2-3 弧段与结点的拓弧段与结点的拓扑关系扑关系弧弧 段段结结 点点a aA , BA , Bb bB , DB , Dc cD , AD , Ad dB , CB , Ce eC , AC ,

7、Af fC , DC , Dg gE , EE , E表表2-4 弧段与多边形的弧段与多边形的拓扑关系拓扑关系弧段弧段 左邻面左邻面 右邻面右邻面a aP P0 0P P1 1b bP P2 2P P1 1c cP P3 3P P1 1d dP P0 0P P2 2e eP P0 0P P3 3f fP P3 3P P2 2g gP P1 1 (x ,y )11(x ,y )22(x ,y )33(x ,y )440000001000003300810444003330014444403330104444443330104444400001700444000001500000070155550

8、00000015555000800105500000005矢量结构和栅格结构 全球植被分布全球植被分布NOAA / AVHRR绿色为植被，沙漠为棕黄色，水为蓝色蓝色Real worldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagons点线面对于栅格数据结构点点：为一个像元线线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面面：聚集在一起的相邻像元集合。点点：由单个栅格表达。由单个栅格表达。线线：由沿线走向有相：由沿线走向有相同属性取值的同属性取值的一组相一组相邻栅格邻栅格表表达。达。面面：由沿线走向有相：由沿线走向有相同属性取值的同属性取值

9、的一片栅一片栅格表达。格表达。 0 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

10、7 7 4 4 4 4 8 7 7 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）面栅格单元的尺寸栅格单元的尺寸原则原则：应能：应能有效地逼近空间对象的分布特征，有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度又减少数据的冗余度。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方

11、指数增加）计算机成本就越高，处理的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。速度越慢。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C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 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A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 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）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

12、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。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；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3

13、，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。P79第五章第五章u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。u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。u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：10，1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。其中前两个数字10 和1 表示起

14、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（链码（）：）：将栅格数据（线状将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录地物面域边界）表示为矢量链的记录链码编码链码编码： 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 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北南西东u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，

15、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。u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。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。按第二种

16、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），（7，0）；（1，7），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。 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),(

17、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),(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)。 0 4 4 7 7

18、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 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

19、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）。 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 3 3 33 3 5 3 0 0 2 2 2 3 2 2 2 2 0 22 2 2 5 2 5

20、5 53 33 5 5西南东南西北东北 北南西西东东 矢量数据的获取矢量数据的获取 矢量数据的特点：矢量数据的特点：定位明显，属性隐含。定位明显，属性隐含。 获取方法：获取方法： (1) (1) 手工数字化法；手工数字化法； (2) (2) 手扶跟踪数字化法；手扶跟踪数字化法； (3) (3) 数据结构转换法。数据结构转换法。12345678910111213141516171819202122232425262728293031多边形 数据项A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1

21、,y1)B(x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24)D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19)E(x

22、5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5) 在在简单数据结构简单数据结构中，空间数据中，空间数据按照以基本的按照以基本的空间对象（点、线空间对象（点、线或多边形）或多边形）为单元进行组织，为单元进行组织，不不含有拓扑关系含有拓扑关系数据，最典型的是数据，最典型的是面条结构。面条结构。拓扑数据结构拓扑数据结构C3C1C2C4C5C6C7C8C9C10N1N2N3N4N5N6N7P1P2P3P4P5结点结点N3C3P3弧段弧段多边形多边形岛岛结点码结点码弧段码弧段码多边形多边形 拓扑

23、数据结构拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能拓扑编辑功能。这种拓扑编辑功能，不但保证数字化原始数据的这种拓扑编辑功能，不但保证数字化原始数据的自动查错编辑自动查错编辑，而且可以而且可以自动形成封闭的多边形边界自动形成封闭的多边形边界，为由各个单独存储的弧段，为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。曲面数据结构曲面数据结构(X,Y)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)LinePoint(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)Pol

24、ygon(X,Y)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,y10；x11,y11；30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40；40：x19,y19；x20

25、,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； 编码数据图形数据线与多边形之间的树状索引点与边界线之间的树状索引 形成的文件记录 空间数据可按空间数据可按某种属性特征某种属性特征形成一个数据层，通常称为形成一个数据层，通常称为图图层层。1、空间数据分层方法：、空间数据分层方法：1 1）专题分层）专题分层 每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、

26、道路层、居民每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。地层等。2 2）时间序列分层）时间序列分层 把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。3 3）地面垂直高度分层）地面垂直高度分层 把不同垂直高度的数据作为一个数据层把不同垂直高度的数据作为一个数据层。 专题分层专题分层时间序列时间序列Z Zp58便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。1 1）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理就简化为对）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理就简化为对各数据层的管理

27、，而一个数据层的数据结构往往比较单一，数据量也各数据层的管理，而一个数据层的数据结构往往比较单一，数据量也相对较小，相对较小，管理管理起来就相对简单；起来就相对简单；2 2）对分层的空间数据进行）对分层的空间数据进行查询查询时，不需要对所有空间数据进行查询，时，不需要对所有空间数据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因而可加快查询速度；只需要对某一层空间数据进行查询即可，因而可加快查询速度；3 3）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图层，因而增）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图层，因而增加了加了图形显示的灵活性图形显示的灵活性；4 4）对不同数据层进行叠加，可

28、进行各种目的的）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析空间分析。 分类、编码分类、编码点、线、面点、线、面特征码特征码、坐标、坐标信息世界信息世界GIS中得代码可分为两类，一中得代码可分为两类，一种是种是分类码分类码，另一种是，另一种是标识码标识码矢量数据矢量数据优点优点：表示地理数据的表示地理数据的精度精度较高较高严密的数据结构，数据严密的数据结构，数据量小量小完整的描述完整的描述空间关系空间关系图形输出精确图形输出精确美观美观图形数据和属性数据的恢复、图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每

29、个目标而且能方便的记录每个目标的具体的具体属性属性信息信息缺点：缺点：数据数据结构复杂结构复杂矢量叠置较为复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难数学模拟比较困难技术复杂技术复杂，特别是软硬件，特别是软硬件栅格数据栅格数据优点优点：数据结构简单数据结构简单空间数据的叠置和组合方便空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行各类空间分析很易于进行数学模拟方便数学模拟方便缺点：缺点：图形数据图形数据量大量大用大像元减少数据量时，精用大像元减少数据量时，精度和信息量受损度和信息量受损地图输出不美观地图输出不美观难以建立网络连接关系难以建立网络连接关系投影变换比较费时投影变换比较费时栅格结构栅格结构:大

30、范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。区域问题的研究。矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用管理等方面的应用。 在在GIS建立过程中，应根据建立过程中，应根据和和、可能获得的可能获得的以及地理信息系统以及地理信息系统配置配置情况，选择合适的数据结构。情况，选择合适的数据结构。根据用户需求，确定数据项目根据用户需求，确定数据项目根据数据项目，确定数据源根据数据项目，确定数据源数据分类和编码数据分类和编码确定数据模型和数据结构类型确定数据模型和数据结构类型数据输入与编辑

31、操作数据输入与编辑操作矢量数据输入与编辑矢量数据输入与编辑栅格数据输入与编辑栅格数据输入与编辑根据用户需求，确定数据项目根据用户需求，确定数据项目根据数据项目，确定数据源根据数据项目，确定数据源数据分类和编码数据分类和编码确定数据模型和数据结构类型确定数据模型和数据结构类型数据输入与编辑操作数据输入与编辑操作矢量数据输入与编辑矢量数据输入与编辑栅格数据输入与编辑栅格数据输入与编辑根据用户需求，确定数据项目根据用户需求，确定数据项目根据数据项目，确定数据源根据数据项目，确定数据源数据分类和编码数据分类和编码确定数据模型和数据结构类型确定数据模型和数据结构类型数据输入与编辑操作数据输入与编辑操作矢

32、量数据输入与编辑矢量数据输入与编辑栅格数据输入与编辑栅格数据输入与编辑u在进行具体分类时，首先依据在进行具体分类时，首先依据图形原则图形原则，将空间数据分为点、线、面三种类型；其将空间数据分为点、线、面三种类型；其次是依据次是依据对象原则对象原则，如河流和道路，虽然，如河流和道路，虽然它们同为线状要素，但是属于不同的地理它们同为线状要素，但是属于不同的地理对象，应当作为不同的数据存储层。对象，应当作为不同的数据存储层。大类码大类码小类码小类码一级代码一级代码二级代码二级代码识别码（由用户识别码（由用户自行定义，供扩自行定义，供扩充使用）充使用）根据用户需求，确定数据项目根据用户需求，确定数据项

33、目根据数据项目，确定数据源根据数据项目，确定数据源数据分类和编码数据分类和编码确定数据模型和数据结构类型确定数据模型和数据结构类型数据输入与编辑操作数据输入与编辑操作矢量数据输入与编辑矢量数据输入与编辑栅格数据输入与编辑栅格数据输入与编辑 注：N-结点L-弧段P-多边形 u3、数据建模的三个步骤、数据建模的三个步骤 P42,53u4、栅格数据的特点及栅格代码（属性值）、栅格数据的特点及栅格代码（属性值）的确定方法的确定方法K353738等等5.有一栅格数据文件按行方向由左到右、自上而下直接栅格编有一栅格数据文件按行方向由左到右、自上而下直接栅格编码表示为：码表示为：1，2，2，2；0，1，2，2；1，3，2，2；0，1，2，2。分析并。分析并回答下列问题。回答下列问题。表示面状地物的代码是几？表示面状地物的代码是几？假设方向代码分别表示为：东假设方向代码分别表示为：东=0，东北，东北=1，北，北=2，西北，西北=3，西西=4，西南，西南=5，南，南=6，东南，东南=7。写出线状地物的链