第二章 空间数据的表达和管理

第二章空间数据的表达和管理1内容概览第一节空间数据的表达第二节空间数据模型第三节空间数据管理2内容概览第一节空间数据的表达2.1.1空间数据基本特征2.1.2地理实体描述2.1.3地理实体间的空间关系第二节空间数据模型第三节空间数据管理32.1空间数据的表达2.1.1空间数据基本特征空间特征用以描述事物或现象的地理位置以及空间位置相互关系。一般以坐标数据表现。空间特征数据又可再分为拓扑特征和几何特征（定位特征）。属性特征非定位数据。用以描述事物或现象的特性。时间特征用以描述事物或现象随时间的变化。45空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系6属性特征是指空间对象的专题属性72.1空间数据的表达1、描述的内容

3、数据类型4、数据结构几何数据（空间数据、图形数据）关系数据—实体间的邻接、关联包含等相互关系属性数据—各种属性特征和时间元数据

矢量、栅格、TIN（专用于地表或特殊造型）

RDBMS属性表----采用MIS较成熟

空间元数据位置、形状、尺寸、识别码（名称）实体的角色、功能、行为、实体的衍生信息时间测量方法、编码方法、空间参考系等空间特征：地理位置和空间关系属性特征—名称、等级、类别等时间特征2、基本特征82.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）在地理空间世界中，空间对象一般按地形维数进行归类划分，地理现象被抽象为点、线、面、体。抽象后的地理现象称为地理实体（空间实体）。1、点（0维）2、线（1维）3、面（2维）4、体（3维）9点实体有位置，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104）角点、节点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。

1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。2.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）1、点状实体11线实体有长度，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城市道路网分布122.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）2、线状实体1）实体长度：从起点到终点的总长2）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游—下游，公路，单、双向之分。线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。13面实体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）14面状实体有如下特征：1）面积范围2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。

是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。2.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）3、面状实体15空间对象：体有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标建筑16立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性。立体状实体一般具有以下一些空间特征：1）体积，如工程开控和填充的土方量。2）每个二维平面的面积。3）周长4）厚度5）高度2.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）4、体状实体1718抽象成地理实体的空间现象维度空间实体地理现象0点城镇、居民地、交通枢纽、车站、码头、工厂、学校、医院、商场、写字楼、机关、火山口、山峰、景点、基地等1线河流、海岸、铁路、公路、地下管网、行政边界等2面土壤、耕地、森林、草原、沙漠、行政区域、绿地、操场等3体云、水体、矿体、高层建筑等192.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）5、实体类型组合现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：如：线—面、面—面202.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）5、实体类型组合（1）线——面组合1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。2、线通过区域：公路上否通过某县。3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。4、线与区域分离：距离。212.1空间数据的表达2.1.2地理实体（空间实体）5、实体类型组合（2）面——面组合1、包含：岛,某省的湖泊分布。2、相交：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。3、相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。4、分离：计算距离。学校菜场222.1空间数据的表达2.1.3地理实体间的空间关系在研究两个以上的空间实体时，空间关系是其中重要的研究内容。空间关系是地理实体之间由实体的几何特性（位置、形状）所决定的关系。地理实体间的空间关系实际是研究实体间的拓扑关系。232.1空间数据的表达2.1.3地理实体间的空间关系1、拓扑关系的定义Topology一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联、包含等空间相互关系特征，由于描述这种关系时不需要考虑空间坐标和距离因素，所以又称为拓扑关系。是明确定义空间关系的一种数学方法。在GIS中，用来描述并确定空间的点线面之间的关系及属性，并可实现相关的查询和检索。242.1空间数据的表达2.1.3地理实体间的空间关系2、对拓扑关系的理解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。252.1空间数据的表达2.1.3地理实体间的空间关系2、对拓扑关系的理解我们可以设想一块高质量的橡皮，可被任意拉伸压缩，但不能扭转折叠。表面上有由结点、弧、环和区域组成的图形。若对该橡皮进行任意拉伸、压缩，但不扭转和折叠，则在橡皮形状的这些变换中，图形的一些属性将得到保留，有些属性将消失。拓扑变换（橡皮变换）262.1空间数据的表达两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单的弧段（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一个点在一个区域的外部一个面是一个简单的面（无岛）一个面的连通性（面内任两点从一点可在面的内部走向另一点）非拓扑属性拓扑属性

拓扑变换（橡皮变换）3、拓扑属性和非拓扑属性272.1空间数据的表达2.1.3地理实体间的空间关系4、拓扑元素点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段面：若干弧段组成的多边形28起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:拓扑元素292.1空间数据的表达2.1.3地理实体间的空间关系5、拓扑关系分类拓扑邻接：同类元素之间的拓扑关系。拓扑关联：不同类元素之间的拓扑关系。拓扑包含：同类不同级元素之间的拓扑关系。30N1е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：N1/е1、е3、е6；P1/е1、е5、е6拓扑包含：P3与P431邻接相交重合相离包含点—点点—线点—面线—面面—面线—线322.1空间数据的表达2.1.3地理实体间的空间关系6、研究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：1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，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。33本节问题1、空间数据的基本特征？2、地理实体（空间实体）的分类？试举例说明不同类别的地理实体。3、拓扑元素和拓扑关系的分类。34重要内容回顾（拓扑元素）起点终点中间点点:面:弧:弧段1弧段3弧段2弧段4352.拓扑关系重要内容回顾（拓扑关系）36点—点点—线点—面住宅学校海岸线码头肺癌病例区域学校和住宅接近吗？码头在海岸线上吗？肺癌病在区内分布空间关系的应用37线—点线—线线—面镇乘车线路河流小路这条线路过镇上吗？小路穿过河流吗？河流在区域内吗？空间关系的应用38面—点面—线面—面该邮政区包括学校吗？该区域包括铁路吗？区域彼此影响吗？区域重叠吗？空间关系的应用39内容概览第一节空间数据的表达第二节空间数据模型2.2.1空间数据结构2.2.2栅格数据模型2.2.2矢量数据模型第三节空间数据管理402.2.1空间数据结构数据结构是数据组织的形式。是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据结构是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。地理数据库中采用空间数据结构来数字化表达地理空间信息。空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。41i栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误2.2.1空间数据结构XYx1y1x2y2xiyixnyn422.2.2栅格数据模型一、相关概念1、定义：栅格结构是将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个象元阵列，其最小单元称为象元或象素。每个象元的位置由行列号确定，其属性则以代码表示。Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率43点线面

对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。442.象元－－栅格单元遥感影像：MSS79×79米SPOT10×10米TM30×30米QuickBird0.61×0.61米影像分辨率扫描图象：150DPI、300DPI、600DPI计算机屏幕分辨率：640×780800×6001024×7682.2.2栅格数据模型45SPOTXS20m*20m某水库bandG,R,IR網格資料2.2.2栅格数据模型463.象元阵列：反映某一空间分布的系列象元队列，其行、列确定每个象元的空间位置。2.2.2栅格数据模型474.象元属性：栅格单元值地理要素的属性特征5.栅格结构的特点：属性明显，定位隐含2.2.2栅格数据模型482.2.2栅格数据模型二、栅格数据取值的确定每个栅格元素只能取一个值，实际上一个栅格可能对应于实体中几种不同属性值，存在栅格数据取值问题492.2.2栅格数据模型二、栅格数据取值的确定1、中心点法2、面积占优法3、重要性法4、长度占优法502.2.2栅格数据模型二、栅格数据取值的确定1、中心点法

取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。

2、面积占优法栅格单元属性值为面积最大者。ABBA512.2.2栅格数据模型二、栅格数据取值的确定3、重要性法取重要的属性值为栅格属性值。用于具有特殊意义的较小地物4、长度占优法

每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。2

1522.2.2栅格数据模型三、栅格数据的获取1、目读法2、从扫描仪获取3、从摄像机获取4、从遥感中获取5、从矢量数据转换532.2.2栅格数据模型三、栅格数据的获取1、目读法将一张透明格网纸叠置于某图件上，根据某种占优法，直接用人工方法获取相应的栅格数据属性。适用于所选区域范围小，栅格单元尺寸大的情况。2、从扫描仪是获取栅格数据的主要设备。高精度，快速度，数据格式标准化。542.2.2栅格数据模型三、栅格数据的获取3、从摄像机用摄像机可以获取各种景物的视频数据。从摄像机数字化输入的栅格元素数是相对固定的，例如512×512，1024×1024等。552.2.2栅格数据模型三、栅格数据的获取4、从遥感遥感是利用航空，航天技术获取地球资源和环境信息的重要途径。能周期性，动态的获取丰富的信息，并可直接以数字方式记录和传送。562.2.2栅格数据模型三、栅格数据的获取4、从矢量数据转换把矢量结构的数据通过适当算法，用软件把矢量结构数据转换成栅格结构数据。例如从专题图上获取的矢量数据结构的地块图，积温度或降雨量分布图，用软件方法将其转成栅格结构数据图，并对其进行叠置分析。572.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码1、直接编码2、游程长度编码3、块式编码4、链式编码5、四叉树编码582.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码1、直接编码无压缩编码。将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码。特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。5,5A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,A592.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码数据压缩栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为：无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息---信息保持编码。有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。--信息不保持编码。

602.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码2、游程长度编码游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法。游程长度的记录方式有两种①记录每个游程起（迄）列号②记录每个游程象元数61游程长度编码①逐行记录每个游程的迄点列号5，5A，2，B，5A，1，C，4，A，5D，1，C，3，A，5D，2，C，3，A，5D，2，A，562游程长度编码②记录每个游程象元数目5，5A，2，B，3A，1，C，3，A，1D，1，C，2，A，2D，2，C，1，A，2D，2，A，363游程长度编码②记录每个游程象元数5，52，A3，B1，A3，C1，A1，D2，C2，A……642.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码2、游程长度编码游程长度编码的特点：在各行数据代码发生变化时候记录代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。压缩方法有效便捷。压缩比和图的复杂程度成反比。变化多的部分游程数多，变化少的部分游程数少。因此，图越简单，压缩效率越高。652.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码3、块式编码将游程编码扩大到二维的情况。把多边形范围划分成若干具有同一属性值的正方形，然后对各个正方形进行编码。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。12345678104477777244444777344448877400488877500888878600088888700008888800000888662.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码3、块式编码数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）依次扫描，编过的不重复。12345678104477777244444777344448877400488877500888878600088888700008888800000888如：（1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7)…67块式编码例：0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。682.2.2栅格数据模型四、栅格数据的编码3、块状编码块状编码的特点：一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块式编码的效果就越好；当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低。利于计算面积、合并插入等操作。12345678104477777244444777344448877400488877500888878600088888700008888800000888692.2.2栅格数据模型四、