GIS的空间数据结构

GIS的空间数据结构第1页/共123页2第2页/共123页3第1节地理实体及其表达第2节矢量数据结构第3节栅格数据结构第4节矢量与栅格数据结构的比较第5节矢-栅一体化数据结构和三维数据结构第二章GIS的空间数据结构

教学要求

教学重点

教学活动

作业第3页/共123页4教学要求1.理解地理实体的表达形式。

2.掌握矢量和栅格数据结构及其表达。

3.掌握矢量和栅格数据结构的优、缺点。

4.了解矢栅一体化数据结构和三维数据结构及其表达

教学重点1.空间数据结构及其表达

2.地理实体及其描述

教学活动

在学校图书馆或网络上查阅相关的地理信息系统教材和杂志,进一步理解空间数据结构的相关问题。

返回上一页第4页/共123页5第二章GIS的空间数据结构GIS空间数据分为以下几种类型:1、按数据来源分类（1）地图数据;（2）影像数据;（3）地形数据;

（4）属性数据;（5）元数据：数据的数据；2、按数据所表达的地理实体几何形状分类（1）点数据；（2）线数据；（3）面数据第5页/共123页62DDigitalMap第6页/共123页7第二章GIS的空间数据结构GIS空间数据分为以下几种类型:1、按数据来源分类（1）地图数据;（2）影像数据;（3）地形数据;

（4）属性数据;（5）元数据：数据的数据；2、按数据所表达的地理实体几何形状分类（1）点数据；（2）线数据；（3）面数据第7页/共123页8第8页/共123页9第二章GIS的空间数据结构GIS空间数据分为以下几种类型:1、按数据来源分类（1）地图数据;（2）影像数据;（3）地形数据;

（4）属性数据;（5）元数据：数据的数据；2、按数据所表达的地理实体几何形状分类（1）点数据；（2）线数据；（3）面数据第9页/共123页10第10页/共123页11第二章GIS的空间数据结构GIS空间数据分为以下几种类型:1、按数据来源分类（1）地图数据;（2）影像数据;（3）地形数据;

（4）属性数据;（5）元数据：数据的数据；2、按数据所表达的地理实体几何形状分类（1）点数据；（2）线数据；（3）面数据第11页/共123页12第二章GIS的空间数据结构GIS空间数据分为以下几种类型:1、按数据来源分类（1）地图数据;（2）影像数据;（3）地形数据;

（4）属性数据;（5）元数据：数据的数据；2、按数据所表达的地理实体几何形状分类（1）点数据；（2）线数据；（3）面数据第12页/共123页13第二章GIS的空间数据结构第13页/共123页14第二章GIS的空间数据结构GIS空间数据分为以下几种类型:1、按数据来源分类（1）地图数据;（2）影像数据;（3）地形数据;

（4）属性数据;（5）元数据：数据的数据；2、按数据所表达的地理实体几何形状分类（1）点数据；（2）线数据；（3）面数据第14页/共123页15第1节地理实体及其表达第2节矢量数据结构第3节栅格数据结构第4节矢量与栅格数据结构的比较第5节矢-栅一体化数据结构和三维数据结构第二章GIS的空间数据结构第15页/共123页16一、地理实体

1.地理实体与地理目标地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。地理目标：实体在地理数据库中的表示

2.地理实体特征（空间特征、属性特征、时间特征）

3.地理实体的类型（点、线、面、体）

4.地理目标的类型（0、1、2、3维）二、地理实体的描述

A.地理实体的描述内容（编码（分类码、识别码）,位置,类型行为,属性,说明,时间维描述,关系)B.

地理实体数据类型(属性数据,几何数据,关系数据)C.地理实体的描述——空间数据结构第1节地理实体及其表达第16页/共123页17一、空间数据结构的概念:二、矢量数据结构

(一)矢量数据结构:

(二)矢量数据获取方式

(三)矢量数据表达需要考虑的内容

(四)矢量数据表达

1简单数据结构

2拓扑数据结构索引式数据结构双重独立式数据结构链状双重独立式数据结构第2节空间数据结构第17页/共123页18第1

节地理实体及其表达一、地理实体

1.地理实体与地理目标

地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。如城市是实体，其各组成部分则不能称为城市，而称为区、街道等

实体是自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，是一个具有概括性和相对意义的概念。实体是现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。

GIS地理数据库是地理实体的集合，是一种与现实世界保持一定相似性的实体模型

地理目标：实体在地理数据库中的表示。

地理目标是一个概括、复杂、相对、抽象的概念，其具体类别和内容的确定是从具体需要出发的，并随表示方法的比例尺、目的等情况而变化。第18页/共123页19第1

节地理实体及其表达一、地理实体

2.地理实体特征

时间特征空间特征属性特征

属性特征——用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等

空间特征——用以描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑特征，如中国与印度之间边界界桩的经纬度，中国与印度之间的邻接关系时间特征——用以描述事物或现象随时间的变化，如学生人数的逐年变化。

第19页/共123页20第1

节地理实体及其表达一、地理实体

3.

地理实体的类型——以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体，可以作为地理实体的一种类型

点实体——指具有特定的位置而没有长度的实体。

线实体——指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等，并具有以下特征：

面实体——又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述，具有以下空间特征

体实体——用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性，有如下空间特征

注记点：用于定位注记。内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。结点(node)、节点(Vertex)：

表示线段和弧段上的连接点。实体点：用来代表一个实体。第20页/共123页21第1

节地理实体及其表达一、地理实体

3.地理实体的类型——以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体，可以作为地理实体的一种类型

点实体——指具有特定的位置而没有长度的实体。

线实体——指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等，并具有以下特征：

面实体——又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述，具有以下空间特征

体实体——用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性，有如下空间特征

长度：从起点到终点的总长；

弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。

方向性：如水流方向,上下游;公路,单双向之分。第21页/共123页22第1

节地理实体及其表达一、地理实体

3.地理实体的类型——以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体，可以作为地理实体的一种类型

点实体——指具有特定的位置而没有长度的实体。

线实体——指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等。

面实体——又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。

体实体——用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性。

面积：面状实体所占有的范围大小

周长：面状实体所占有区域的周长

独立或相邻：是独立存在还是与其它面状地物相邻

岛或洞：面状实体内部是否有岛或洞

重叠：面状实体之间是否有重叠第22页/共123页23第1

节地理实体及其表达体积岛或洞表面积断面一、地理实体

3.地理实体的类型——以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体，可以作为地理实体的一种类型

点实体——指具有特定的位置而没有长度的实体。

线实体——指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等。

面实体——又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。

体实体——用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性。

第23页/共123页24第1

节地理实体及其表达第1

节地理实体及其表达一、地理实体

4.地理目标的类型——地理目标是地理实体在计算机系统内的表示，它需要选择合适的类型，而地理目标的类型按空间维来定义

0维——有位置而无长度的目标，如点。

1维——有长度的目标，一般有两个或多个0维目标组成，如线。

2维——有长度和宽度的目标，如多边形。

3维——有长、宽、高的目标，如三维立体。

地理实体可以根据地理目标的类型划分为点、线、面、体4种类型

第24页/共123页25第1

节地理实体及其表达二、地理实体的描述

A.

地理实体的描述内容：

编码——用于区别不同的实体，有时同一实体在不同的时间具有不同的编码，如上行和下行的火车。编码通常包括分类码和识别码。

分类码，是用来标识实体所属的类别，

识别码，是对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。

位置——通常用坐标值的形式给出实体的空间位置。

类型——指明该地理实体属于哪一种实体类型，或由哪些实体类型组成。

行为——指明该地理实体可以具有哪些行为和功能。属性——指明该地理实体所对应的非空间信息，如道路的宽度、路面质量、车流量等说明——用于说明实体数据的来源、质量等相关的信息。时间维描述——地理实体的属性或空间位置随时间的变化。

关系——与其它地理实体的关系。第25页/共123页26第1

节地理实体及其表达邻接相交重合相离包含点—点点—线点—面线—面面—面线—线第26页/共123页27第1

节地理实体及其表达二、地理实体的描述

B.地理实体数据类型——根据地理实体的特征，把地理实体数据分为三类

属性数据——描述空间对象的属性特征的数据，也称非几何数据。

即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等描述时间特征的数据也可以归为这一类。

几何数据——描述空间对象的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。

即说明“在哪里”，一般用经纬度或X、Y坐标来表示。

关系数据——描述空间对象之间的空间关系的数据，一般通过拓扑关系表达。如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。

拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法第27页/共123页28第2

节空间数据结构一、空间数据结构的概念

空间数据结构——是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构,也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理.

空间数据结构分为基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构两种基本类型

221232332333233323332123第28页/共123页29二、矢量数据结构

(一)矢量数据结构—通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构。

矢量结构的特点：属性隐含，定位明显

A.点实体：记录点坐标和属性代码；

B.线实体：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码；

C.面实体：记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。第2

节空间数据结构特性数据位置

点10x,y

线23x1,y1x2,y2…xn,yn串面63x1,y1

x2,y2…xn,yn闭合环

64x1,y1x2,y2…xn,yn闭合环1063642310636423用笛卡尔坐标表示的地图第29页/共123页30二、矢量数据结构

(二)矢量数据获取方式通过外业测量获得，利用测量仪器（全站仪、GPS、常规测量等）记录测量结果，然后转到地理数据库中跟踪数字化，用跟踪数字化的方式把地图变成离散的矢量数据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）第2

节空间数据结构第30页/共123页31二、矢量数据结构

(三)矢量数据表达需要考虑的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）(四)矢量数据表达简单数据结构拓扑数据结构索引式数据结构双重独立式数据结构链状双重独立式数据结构第2

节空间数据结构第31页/共123页32(四)矢量数据表达——简单数据结构简单数据结构：是指只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系的一种矢量数据结构，又称面条结构。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：优点：数据按照点、线或多边形为单元进行组织，结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示缺点：

A.独立存储方式造成相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，出现数据冗余和碎屑多边形，导致数据不一致；点位字典存储可保证公共边的唯一性

B.自成体系，缺少多边形的邻接信息，邻域处理复杂，需追踪出公共边。

C.处理岛或洞等嵌套问题较麻烦，需要计算多边形的包含等。适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析第32页/共123页33多边形坐标构成Ⅰ(x1,y1),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8)Ⅱ(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x7,y7),(x8,y8)Ⅲ(x9,y9),(x10,y10),(x11,y11)面状物（多边形）矢量编码Ｍ1234567810911ⅠⅡⅢ独立存储(四)矢量数据表达——简单数据结构第33页/共123页34点号XY1112223344………n5566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:点号串存储方法(四)矢量数据表达——简单数据结构第34页/共123页35(四)矢量数据表达——拓扑数据结构拓扑概念：拓扑一词来自于希腊文，意思是“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够保持不变的几何属性—拓扑属性拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法第35页/共123页36(四)矢量数据表达——拓扑数据结构拓扑关系

拓扑关系：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。

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

建立拓扑关系是对一种空间结构关系进行明确定义的数学方法。具有某些拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构，拓扑数据结构是GIS的分析和应用功能所必需的。拓扑数据结构的表示方式没有固定的格式，也还没有形成标准，但基本原理是相同的。第36页/共123页37

拓扑关系

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：若干弧段组成的闭合多边形起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:矢量数据表达——拓扑数据结构第37页/共123页38矢量数据表达——拓扑数据结构拓扑关系

拓扑元素①拓扑线段（arc）②结点(node）③多边形（poly）该线段中间不与其它线段存在联系拓扑线段的两个端点，分别为首结点、尾结点由数条拓扑线段连接而成第38页/共123页39拓扑关系

最基本拓扑关系

拓扑关联：指存在于空间图形中的不同拓扑元素之间的关系

结点与弧段：如结b与弧3,2,5

多边形与弧段：面C与弧4,5,3拓扑邻接：指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的关系。多边形之间,结点之间邻接矩阵,1——邻结；0——不邻结

其它拓扑关系拓扑包含：指存在于空间图形中的面与其它元素之间的关系,如面状实体包含哪些点、线状实体层次关系：指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的等级关系，如连云港市各个区拓扑连通：拓扑元素之间的通达关系，如点连通度，面连通度bec41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向ABCDA--110B1--11C11--0D100--矢量数据表达——拓扑数据结构第39页/共123页40b矢量数据表达——拓扑数据结构1、拓扑邻接：拓扑邻接是指空间图形的同类元素之间的拓扑关系。a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5多边形之间的邻接关系P1/P2，P2/P3，•••，弧段之间的邻接关系a1/a2，a2/a3，•••性以及结点之间的邻接关系N1/N2，N2/N3，•••。第40页/共123页41b矢量数据表达——拓扑数据结构2拓扑关联：拓扑关联是指空间图形的不同元素之间的拓扑关系。a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5

结点与弧段的关联关系N1/a1,a5,a3；N2/a1,a6,a2；•••；多边形与弧段的关联关系P1/a1,a6,a5；P2/a4,a6,a2，•••。第41页/共123页42b矢量数据表达——拓扑数据结构3、拓扑包含：拓扑包含是指空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。

（a）简单包含

（b)多层包含（c)等价包含

图(a)中多边形P1中包含多边形P2，图（b）中多边形P3包含在多边形P2中，而多边形P2，P3又都包含在多边形P1中。图（c）多边形P2，P3都包含在多边形P1中，多边形P2，P3对P1而言是等价包含.第42页/共123页43b拓扑关系

拓扑元素量、质不变及相互关系——欧拉公式欧拉公式在GIS中有着重要的意义，主要用来检查空间拓扑关系的正确性，能发现点、线、面不匹配的情况和多余、遗漏的图形元素。c+a=n+bn:点数a:线数b:面数c:常数，为多边形地图特征。若b包含边界里面和外面的多边形，则c=2，若b仅包含边界内部多边形，则c=1n=4，a=4b=1，c=1n=6，a=5b=1，c=2n=4，a=5b=2，c=1n=10，a=12b=3，c=1矢量数据表达——拓扑数据结构第43页/共123页44

拓扑关系

拓扑关系的表达-关系表

矢量数据表达——拓扑数据结构结点编码：①②③④⑤⑥多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5)线段编码：123456789①②③④⑤⑥(2)(3)(5)(4)124567893第44页/共123页45

拓扑关系

拓扑关系的表达-关系表

如果将空间图形的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形成四个关系表达：

结点-弧拓扑弧-结点拓

弧-面拓扑

面-弧拓扑

矢量数据表达——拓扑数据结构第45页/共123页46

拓扑关系

拓扑关系的表达——关系表

eb表中数字前负号为相反方向dc41325ABC76Daa:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向弧-面拓扑弧段左面右面1AO2AB3CA4OC5CD6BD7BO结点-弧拓扑结点弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6面-弧拓扑面号弧数弧号A3-1,-2,3B42,-7,5,-6C3-3,-5,4D16矢量数据表达——拓扑数据结构弧-结点拓扑弧段起点终点1ca2bc3ba4da5dB6ee7dc第46页/共123页47

拓扑关系

拓扑关系的意义

空间数据的拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析具有重要意义

A.拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系

不需要利用坐标或距离就可以确定一个地理实体相对于另一个地理实体的空间位置关系;并且这种拓扑数据较之几何数据具有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化

B.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

C.根据拓扑关系可重建地理实体。

矢量数据表达——拓扑数据结构第47页/共123页48矢量数据表达——拓扑数据结构空间数据的计算机表示空间实体图形数据属性数据编码、组织数据数据结构存入计算机空间数据的计算机表示过程第48页/共123页49

主要拓扑数据结构类型

索引式数据结构，是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。

矢量数据表达——拓扑数据结构V1V2V3V4V5V6V7V8V9V10V11V12V13V16V14V15L1L2L3L4L5L6L7P1P2P3P4

P1P2P3P4L1L2L3L4L5

L6

L7V1V2V5V4V4V5V6

V4V12V11V9V6V7V1

V6V8V9V9V10V1V13V14V15V16区域多边形-弧段索引文件表多边形码弧段数弧段序号串P14L1,L3,L6,L7P23L2,L5,L3P33L4,L6,L5P41L7弧段-点索引文件表弧段号顶点数点号串L14V1,V2,V5,V4L23V4,V5,V6L34V4,V12,V11,V9L43V6,V7,V1L53V6,V8,V9L63V9,V10,V1L74V13,V14,V15,V16坐标文件点号坐标V1x1,y1V2x2,y2V3x3,y3V4x4,y4,V5x5,y5……V16x16,y16第49页/共123页50

主要拓扑数据结构类型

索引式数据结构

矢量数据表达——拓扑数据结构

优点：1）消除多边形数据的冗余和不一致

2）邻接信息、岛信息可通过查找公共弧段号的方式查询缺点：1）表达拓扑关系较繁琐

2）给相邻运算、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难

3）以人工方式建立编码表，工作量大，易出错第50页/共123页51

主要拓扑数据结构类型

双重独立式数据结构

(DIME，

DualIndependentMapEncoding)，是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的结点及相邻面域来予以定义。

矢量数据表达——拓扑数据结构双重独立式（DIME）编码

线号左多边形右多边形起点终点aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92关联邻接关联连通134256789101112abcdefghijlmnkABCDO自动生成的多边形A的线及结点

线号起点终点左多边形右多边形a18OAi89CAn92BAb21OA点文件点号坐标1x1,y1……12x12,y12面文件面号线号Aa,b,n,i……Dm,l,k第51页/共123页52

主要拓扑数据结构类型

链状双重独立式数据结构，在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段(或链段)，每个弧段可以有许多中间点

矢量数据表达——拓扑数据结构多边形文件

多边形号弧段号周长面积中心点坐标P1L1,L3,L6,-L7P2L2,L3,L5P3L4,L5,L6P4L7弧段文件弧段号起始点终结点左多边形右多边形L1V1V4P0P1L2V4V6P0P2L3V4V9P2P1L4V6V1P0P3L5V6V9P3P2L6V9V1P3P1L7V13V13P1P4弧段坐标文件弧段号坐标串L1x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4L2x4,y4;x5,y5;x6,y6L3x4,y4;x12,y12;x11,y11;x9,y9L4x6,y6;x7,y7;x1,y1L5x6,y6;x8,y8;x9,y9L6x1,y1;x10,y10;x9,y9L7x13,y13;x14,y14;x15,y15;x16,y16V1V2V3V4V5V6V7V8V9V10V11V12V13V16V14V15L1L2L3L4L5L6L7P1P2P3P4结点文件结点号结点坐标弧段号V1x1,y1L1,L4,L6V4x4,y4L1,L2,L3V6x6,y6L2,L4,L5V9x9,y9L3,L5,L6V13x13,y13L7第52页/共123页53

主要拓扑数据结构类型

链状双重独立式数据结构矢量数据表达——拓扑数据结构特点:

拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。

在ARC/INFO软件中：

1）ARC文件：

2）INFO：属性表,如AAT（ArcAttributeTable）弧段号(cover#)USER_IDLPOLYRPOLYFROM_NODETO_NODE其它属性(名称)弧段号(cover#)点数

x1,y1;x2,y2;x3,y3;……xn,yn第53页/共123页54第1节地理实体及其表达第2节矢量数据结构第3节栅格数据结构第4节矢量与栅格数据结构的比较第5节矢-栅一体化数据结构和三维数据结构第二章GIS的空间数据结构上节内容回顾第54页/共123页55一、地理实体

1.地理实体与地理目标地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。地理目标：实体在地理数据库中的表示

2.地理实体特征（空间特征、属性特征、时间特征）

3.地理实体的类型（点、线、面、体）

4.地理目标的类型（0、1、2、3维）二、地理实体的描述

A.地理实体的描述内容（编码（分类码、识别码）,位置,类型行为,属性,说明,时间维描述,关系)B.

地理实体数据类型(属性数据,几何数据,关系数据)C.地理实体的描述——空间数据结构第1节地理实体及其表达第55页/共123页56一、空间数据结构的概念:二、矢量数据结构

(一)矢量数据结构:

(二)矢量数据获取方式

(三)矢量数据表达需要考虑的内容

(四)矢量数据表达

1简单数据结构

2拓扑数据结构索引式数据结构双重独立式数据结构链状双重独立式数据结构第2节空间数据结构第56页/共123页57一、空间数据结构的概念:(是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构,也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理)二、矢量数据结构

(一)矢量数据结构(通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构)(二)矢量数据获取方式:

1外业测量,2跟踪数字化，

3间接获取(栅格数据转换,空间分析)(三)矢量数据表达需要考虑的内容

1矢量数据自身的存储和管理,2几何数据和属性数据的联系,3空间对象的空间关系（拓扑关系）)

第2节空间数据结构第57页/共123页58(四)矢量数据表达

1简单数据结构(是指只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系的一种矢量数据结构，又称面条结构)

2拓扑数据结构索引式数据结构:是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系.双重独立式数据结构:是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的结点及相邻面域来予以定义。链状双重独立式数据结构:在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段(或链段)，每个弧段可以有许多中间点.第2节空间数据结构第58页/共123页59第1节地理实体及其表达第2节矢量数据结构第3节栅格数据结构第4节矢量与栅格数据结构的比较第5节矢-栅一体化数据结构和三维数据结构第二章GIS的空间数据结构上节内容回顾这节内容第59页/共123页60三、栅格数据结构(Raster)

(一)栅格数据结构

1概念：是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值。也即:栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元的行列号确定位置，用每个像元的值表示实体的类型、等级等属性

第2

节空间数据结构第60页/共123页61三、栅格数据结构(Raster)第2

节空间数据结构扫描图象：150DPI、300DPI、600DPI1、栅格结构有关概念（续）

象元－－栅格单元遥感影像：MSS79×79米

SPOT10×10米

TM30×30米

QuickBird0.61×0.61米影像分辨率计算机屏幕分辨率：640×780800×6001024×768第61页/共123页62三、栅格数据结构(Raster)

第2

节空间数据结构1、栅格结构有关概念（续）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。象元属性：栅格单元值地理要素的属性特征第62页/共123页63三、栅格数据结构(Raster)

(一)栅格数据结构

A.点实体：由单个像元来表达

B.线实体：由在一定方向上连接成串的相邻像元的集合来表达。

C.面实体：由聚集在一起的相邻像元的集合来表达

第2

节空间数据结构221232332333233323332123第63页/共123页64RealworldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagonsRASTER第2

节空间数据结构三、栅格数据结构(Raster)第64页/共123页65栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，则造成较大的误差。由于栅格单元中存在多种地物，而数据中常常只记录一个属性值，这会导致属性误差。比如，遥感数据中的“混合像元”问题。2栅格数据的形状、尺寸及相关问题第2

节空间数据结构三、栅格数据结构(Raster)第65页/共123页66三、栅格数据结构

(二)栅格数据获取的途径

1、

手工获取2、扫描仪扫描3、

由矢量数据转换而来

4、

遥感影像数据5、

格网DEM数据

(三)栅格系统的确定

栅格坐标系统的确定

由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质。但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。

第2

节空间数据结构221232332333233323332yxO第66页/共123页67第2

节空间数据结构三、栅格数据结构

(三)栅格系统的确定

栅格单元的尺寸

1）原则：应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。栅格太大，忽略较小图斑，信息被丢失；栅格太小，会增加存储数据量

2）方法：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式：

H=½(min|Ai|)1/2

H为栅格单元边长,Ai

为区域所有多边形的面积++++++++++第67页/共123页68第2

节空间数据结构三、栅格数据结构

(四)栅格代码(属性值)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。

3、重要性法：取重要的属性值为栅格属性值。

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。

ABCO中心点法，该栅格单元的值：

面积占优法，该栅格单元的值为：重要性法，该栅格单元的值为：长度占优法，该栅格单元的值为：第68页/共123页69第2

节空间数据结构三、栅格数据结构

(五)栅格数据结构的表示

将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）记录代码，可以每行都从左到右记录，也可以奇数行从左到右，偶数行从右到左。

记录栅格数据的文件称为栅格文件，且常在文件头中存有该栅格数据的长和宽(行数和列数)

特点：最直观、最基本的栅格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理;

但许多记录重复记录同一属性值,数据存在大量冗余,并且当栅格越小,

冗余越严重9999000099900000099077000000770000007777000077770000777700007777行号栅格值199990000299900000309907700400007700500007777600007777700007777800007777第69页/共123页70第2

节空间数据结构三、栅格数据结构

(六)栅格数据结构的特点

用离散的量化栅格值表示空间对象(通常是规则格网)位置隐含，属性明显数据结构简单，易于遥感数据结合，但数据量大存在几何和属性偏差面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系比例尺大小为栅格(像元)的大小与地表相应单元的大小之比。

像元较大时，对地物的面积、长度等的量测有较大影响

abc345abc面积:67几何偏差属性偏差第70页/共123页71第3

节矢量、栅格数据结构的比较一、矢量和栅格数据结构的比较优点缺点矢量便于面向现象(土壤类型)的数据表示，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息数据结构紧凑，冗余度低

有利于网络、检索分析

图形显示质量好，位置精度高能完整地描述空间关系

数据结构复杂

多边形叠置分析及模拟较困难

不能做增强处理

软硬件技术要求高

栅格数据结构简单，易数据交换

空间分析和地理现象模拟较容易有利于与RS数据的匹配应用和分析

输出方法快速，成本比较低廉

现象识别效果不如矢量方法

图形数据量大

投影转换困难

图形质量转低第71页/共123页72第3

节矢量、栅格数据结构的比较二、数据结构选择的一般原则

要素还是位置可获取的数据定位要素的必要精度需要什么类型的要素需要什么类型的拓扑关系所需空间分析类型生产地图类型栅格结构：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第72页/共123页73第4节矢栅一体化数据结构和三维数据结构一、矢栅一体化数据结构

A矢栅一体化概念

将矢量面对目标的方法和栅格元子充填的方法结合起来，采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础，每个线状目标除了记录原始采样点外，还记录路径所通过的栅格；每个面状地物除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格134221222443244433244333244433433点、线、面状地物均采用面向目标的描述方法，因此它保持了矢量的特性，而元子空间充填表达建立了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质。从原理上说，这是一种以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构。第73页/共123页74第4节矢栅一体化数据结构和三维数据结构一、矢栅一体化数据结构

B三个约定和细分格网法

1.三个约定

点状地物仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。

线状地物有形状但没有面积，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。

面状地物具有形状和面积，在平面上的投影是由边界包围的空间和一组填满路径的元子表达的边界组成。

第74页/共123页75第4节矢栅一体化数据结构和三维数据结构一、矢栅一体化数据结构

B三个约定和细分格网法

一体化数据结构是基于栅格的，表达目标的精度受栅格尺寸的限制，可利用细分格网法提高数据表达精度

2.细分格网法

为提高栅格表示精度，采用细分格网法：将一对X，Y坐标用两个Morton码代替：

M1

表示该点所在基本格网的地址码；

M2

表示该点对应的细分格网的Morton码。

这种方法可将栅格数据的表达精度提高16倍或256倍

ABCDE第75页/共123页76第4节矢栅一体化数据结构和三维数据结构一、矢栅一体化数据结构

C矢栅一体化数据结构设计

线性四叉树(Morton)是基本数据格式，三个约定是设计点、线、面数据结构的基本依据，细分格网法保证足够精度。

第76页/共123页77补充：四叉树概念：四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。四分树将整个图像区域逐步分解为一系列方形区域，且每一个方形区域具有单一的属性。最小区域为一个象元。区域分割原则：将欲分解区域等分为四个象限，再根据各个象限的象元值是否单一决定要不要再分。如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性值相同为止。第77页/共123页78补充：四叉树（续）MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMM1234567812345678区域分割方法MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMM第78页/共123页79补充：四叉树（续）在四叉树中，不能再分的结点称为叶子结点，可再分的结点称为树杈结点树杈结点叶子结点1234567812345678MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMM第79页/共123页80补充：四叉树（续）四叉树编码方法NW（0）NE（1）NW（2）SE（3）0层1层2层3层记录每个叶子结点的地址和属性012320212223200201202203230231232233第80页/共123页81补充：四叉树（续）美国马里兰大学四叉树编码方法0层1层2层3层012320212223200201202203230231232233该方法用二进制（共32位）记录每个叶结点的地址和属性值，其中地址包括两个部分，即深度和路径。000……001011000011属性编码

22位路径2n位深度4位第81页/共123页82第4节矢栅一体化数据结构和三维数据结构一、矢栅一体化数据结构

C矢栅一体化数据结构设计

1、点状地物和结点的数据结构

根据基本约定，不必将点状地物作为一个覆盖层分解为四叉树，只要将点的坐标转化为地址码M1

和M2,而不管整个构形是否为四叉树。该结构简单灵活，便于点的插入和删除，能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。所有的点状地物以及弧段之间的结点数据用一个文件表示，其结构见表。可见，这种结构几乎与矢量结构完全一致。点标识号M1M2属性……………………10025434084432100261057725463……………………第82页/共123页83第4节矢栅一体化数据结构和三维数据结构一、矢栅一体化数据结构

C、矢栅一体化数据结构设计

2、线状地物数据结构

弧段的数据结构：弧标识号起结点终结点中间点串（M1，M2，Z）……………………20078100251002658，7749，435，92，4377，439，…20079100261003290，432，502，112，4412，496，………………………线状地物的数据结构：线标识号弧段标识号…………3003120078，200793003220092，20098，20099…………这种数据结构比单纯的矢量结构增加了一定的存储量，但它解决了线状地物的四叉树表达问题，使它与点状、面状地物一起建立统一的基于线性四叉树编码的数据