《地理信息系统原理》第四章 空间数据表达

1、第四章 空间数据表达4.1空间对象及其定义现实世界抽象、综合空间对象（空间实体、空间目标）1.0维空间对象：点状地物；结（节）点2.一维空间对象：拓扑弧段；无拓扑弧段；线状地物3.二维空间对象：无拓扑面片；有拓扑面片；面状地物；象元4.三维空间对象：体状地物；体元地理要素之间的空间位置关系 1）点点关系相合；分离；一点为其它诸点的几何中心；一点为其它诸点的地理重心。4.2 空间对象关系2）点线关系点在线上：可以计算点的性质，如拐点等；线的端点：起点和终点；线的交点；点与线分离：可计算点到线的距离。地理要素之间的空间区位关系 3）点面关系点在区域内，可以记数和统计；点为区域的几何中心；点为区域的

2、地理重心；点在区域的边界上；点在区域外部。4）线线关系重合；相接：首尾环接或顺序相接；相交：平行。地理要素之间的空间区位关系 5）线面关系区域包含线：可计算区域内线的密度；线穿过区域：线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称；线与区域分离。6）面面关系包含：如岛的情形；相交：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或；相邻：计算相邻边界的性质和长度；分离：计算距离、引力等。 4.3空间数据的计算机表示现实世界模型实物模型符号模型数学模型数据建模数据组织方式（如：数据分层，属性组织）选择数据结构（矢量/栅格）数据结构编码（数据结构的实现）数据结构：矢量结构栅格结构。4.4空间数据结构的类型

3、矢量结构用点、线、面表现地理实体，其空间位置由所在的坐标参考系中的坐标定义。三类地物：点面线栅格结构空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）；地理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义；栅格的值代表该位置的属性值；栅格的大小代表空间分解能力。4.5空间数据结构的建立数据结构在GIS中对于数据采集、存储、查询、检索、应用分析等操作方式有着重要的影响。空间数据编码是空间数据结构的实现。高效的数据结构，应具备如下几个方面的要求(P54):4.6空间对象的矢量表达矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式；通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、

4、多边形等地理实体；点：只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码 ；线段：用一系列有序的、足够短的直线、顺序相接表示，为一个有序的坐标对序列。多边形：由一系列多而短的直线段组成的、首尾相连的坐标对 。 矢量表示法定义：矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；获取方法定位设备（全站仪、GPS、常规测量等）地图数字化间接获取栅格数据转换空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）矢量数据表达考虑内容矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）矢量数据表达简单数据结构拓

5、扑数据结构属性数据组织点实体 线实体 面实体 多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。 矢量数据结构分为简单数据结构（也称面条数据结构）、拓扑数据结构和曲面数据结构；拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。（一）实体数据结构只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。又称简单数据结构或面条（Spaghetti）结构。存储：独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成特征数据按点、线、面为

6、单元进行组织，数据结构直观简单；公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性；无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询；岛或洞只作为一个简单图形，没有与外界多边形的联系；多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析实例：ArcView的Shape文件MapInfo的Tab文件NEXT简单的矢量数据结构面条结构（Spaghetti）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,y1)B(x1,y1), (x9,y9), (

7、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(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19

8、),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)标识码属性码空间对象编码唯一连接几何和属性数据数据库独立编码点: ( x ,y )线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn )面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 )点位字典点: 点号文件线: 点号串面: 点号串点号XY1112223344n5566存储方法简单的矢量数据结构矢量数据表达拓扑数据结构不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系表达对象：关联关系表达方式全显式表达部分显式表达拓扑关系物理实现

9、直接存储串行指针拓扑关系与数据共享采用拓扑关系的原则拓扑数据结构空间数据的拓扑关系在GIS中，凡具有网状结构特征的地理要素，都存在节点、弧段和多边形之间的拓扑关系。拓扑定义： 指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。 将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 拓扑变换（橡皮变换） 拓扑变换（橡皮变换） 非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发生变化的属性）两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、面积 等一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交） 一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面一个面的连通性 面内任两点从一点

10、可在面的内部走向另一点拓扑种类： 拓扑关联： （不同类要素之间）如：结点与弧段：V9与L5,L6,L3；多边形与弧段：P2与L3,L5,L2P1P2P3P4P1-111P21-10P311-0P4100-拓扑邻接： (同类元素之间)多边形之间、结点之间。邻接矩阵 重叠：- 邻接：1 不邻接：0拓扑种类： 拓扑关联：拓扑邻接拓扑包含：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。简单包含多层包含等价包含拓扑关系的意义：对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可

11、以解决许多实际问题。如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。3）根据拓扑关系可重建地理实体。拓扑结构：全显式表达N1B2N2N4N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A5A6A7N1N2N3N4N5M面弧点面-弧拓扑面弧段弧-点拓扑弧起点弧-面拓扑弧左面点-弧拓扑点弧段终点右面拓扑结构：部分显式表达双重独立式 编码（DIME）这种数据结构最早是由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，简称为DIME(Dual Independent Map Encoding

12、)系统或双重独立式的地图编码法 链状双重独立式编码-拓扑数据结构 3、弧段坐标文件：弧段号坐标系列（串)ax1,y1,X2,y2,x5,y5b1、弧段文件：弧面，弧结点关系 弧段号 起点终点左多边形 右多边形 a15A-b58AE4、面文件面号弧段号 面积周长Aa,b,h2、节点文件： 结点链关系 点号 横坐标纵坐标弧段号 8xyb,c,h在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。 拓扑结构：拓扑关系与数据共享维护数据的一致性拓扑:移动结点无拓扑:移动结点矢量数据结构（续）拓扑结构：是否需要

13、拓扑结构? 应用目的 制图或一般查询，可不要拓扑结构 空间分析，则应建立拓扑关系 服务对象和系统数据结构 面状目标：面-弧、弧-面 网络目标：点-弧、弧-点矢量数据结构（续）矢量数据结构：属性数据表达与组织属性特征类型 类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格属性表的内容取决于用户图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记 录号实现。点：坐标对（x,y） +识别符线：坐标对系列(x1,y1).(xn,yn) 及有关属性、其它属性面：首尾相同的坐标串关系表几何位置坐标文件连接点状对象目标标识目标标识地物编码坐 标关联的线目标

14、精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐 标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性矢量数据结构：特点用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系面向目标操作，精度高，数据冗余度小输出图形质量好，精度高与遥感等图象数据难以结合栅格数据模型是基于连续铺盖（Regular Tessellations）的，它是将连续空间离散化，以规则或不规则的铺盖覆盖整个空间。 栅格数

15、据结构：基于栅格模型的数据结构几种常见的规则铺盖4.7 空间对象的栅格表达一、定义：栅格数据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。 点用一个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上，各栅格的值相同；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。 栅格数据模型 二、栅格数据的特点用离散的量化栅格值表示空间实体；属性明确，位置隐含；栅格边长决定了栅格数据的精度；数据结构简单，易与遥感结合；多层数据叠合操作简单；图形质量低且数据量巨大

16、；难以建立地物间的拓扑关系，网络分析比较困难。(a)中a点与c点之间的距离是5个单位，但在 (b)中，ac之间的距离可能是7，也可能是4，取决于算法。如以像元边线计算则为7，以像元为单金大会则为4。同样， (a)中三角形的面积为6个平方单位，而 (b)中则为7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。 三、数据获取方式目读法从扫描仪获取数据；从摄象机获取数据；从遥感获取数据；从矢量数据转换为栅格数据。四、栅格取值原则 栅格是均质（只能取一个值）、最小的单元；但实际上，一个栅格可能对应与实体中几个不同的属性。中心点法：用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码 （C）；面积占优法：以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代码 （B）长度占优法：通过栅格中心画一横线，用横线所占最长部分的属性作为本栅格元素的代码（C）；重要性法：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 五、栅格数据层在栅格数据结构中，栅格是最小单位，每个格网只能取值一次。同一研究区域，需要表达多种地理要素属性时，需要把每一种属性放在单一平面格网上，用多个栅格平面表示该区域的多种地理属性。矢量、栅格数据结构的比较矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，