地理信息系统原理课件

地理信息系统原理

(PrinciplesofGeographicInformationSystem)

参考书1、地理信息系统教程（胡鹏等）2、地理信息系统原理与方法（吴信才）3、地理信息系统原理、方法和应用（邬伦等）

…地理信息系统原理

(PrinciplesofGeog1第一章绪论☞

课程意义当前时代特点要求GIS发展迅速专业要求

随着信息资源的爆炸式扩张，人们的工作重点已从单纯的物质生产转移到对信息的处理上

随着社会进步，人类认识到对资源的利用不能简单掠夺，应该合理地开发、利用与保护

信息产业空前发展，已成为当代经济发展的重要特点，其中80%的信息与空间分布有关在社会、经济和管理等部门得到全面发展和应用

投入使用的GIS系统每2~3年翻一番

越来越多的地区性和国际性会议以GIS为主题

……

社会急需GIS专业人才第一章绪论☞课程意义当前时代GIS发展迅速专2☞

课程内容什么是GIS？能做什么？GIS的概念、组成、功能、应用等GIS数据结构数据的输入、处理、管理、空间分析等如何实现？如何发展？GIS发展热点☞课程内容什么是GIS？GIS的概念、组成、功能、应用等3§1基本概念如何为公园选择合理位置？依山傍水交通方便环境幽静……方案2条件2方案1条件1处理、分析空间分析算法空间数据库存储现实世界获取植被信息+道路信息+水系信息+地形信息……§1基本概念如何为公园选择合理位置？依山傍水方案2条4☞

信息与数据

是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图象等形式记录下来进行传递或处理，为人们的生产、管理、决策等提供依据。概念信息特性客观性（任何信息都与客观事物相联系）适用性（针对不同问题需要不同种类的信息）传输性（可在发送者和接受者间传输）共享性（可传输给多个用户共享而本身无损失）☞信息与数据是现实世界在人们头脑中的反映。它以5数据

指输入到计算机中并能被计算机进行处理的一切现象（数字、文字、符号、声音、图象等）。在计算机环境中它是描述实体或对象的唯一工具。数据信息内涵表达是数据的内容和解释只有对数据做必要的处理才能得到信息

仅是载荷信息的物理符号，没有任何实际意义格式与具体设备相关

数据指输入到计算机中并能被计算机进行处理的一切现象（6☞地理信息与地学信息

是表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、声音、图象等的总称。是与研究对象的空间地理分布有关的信息。概念地理信息特性地域性（属于空间信息，具有定位特征）多层次性（具有多维结构特征，同一位置上可有多个专题和属性）动态性（时序特征）（随时间而变化的动态变化特征）☞地理信息与地学信息是表示地理系统诸要素的数量7地学信息

与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。具有无限性、多样性、灵活性、共享性等特点。地理信息信息源不同地学信息（范围广）地表地下大气层宇宙空间

地球表面的岩石圈水圈大气圈人类活动等

地学信息与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。具有8☞信息系统与地理信息系统

由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。系统信息系统

能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。具有采集、管理、分析和表达数据的能力。信息系统

从适用于不同管理层次角度出发可分为：事务处理系统、管理信息系统、决策支持系统、人工智能、专家系统等。类型☞信息系统与地理信息系统由相互作用和相互依赖的若干9地理信息系统（不同的应用领域与专业对它的理解不同）

是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。（英国教育部）

为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。（美国国家地理信息与分析中心）

在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。（黄杏元）

本书中提到的几种定义归纳为：地图观点、数据库观点、空间分析观点地理信息系统（不同的应用领域与专业对它的理解不同）是一10地理信息系统处理、管理的对象多种地理空间实体数据及其关系特定而重要的空间信息系统

外部表现为计算机软硬件系统操作对象是地理实体（技术难点）技术优势在于混合数据结构、强大的空间分析能力等（研究核心）与地理学和测绘学等有密切的关系（依托、手段）地理信息系统处理、管理多种地理空间实体数据及其关系特定而重要11GIS空间数据与属性数据的联合体GIS与其它IS间的关系图片摘自张超《地理信息系统教程》所配光盘GIS空间数据与GIS与其它IS间的关系图片摘自张超《地理信12信息系统（IS）非空间信息系统空间信息系统（SIS）非地理信息系统CAD/CAMGIS专题地籍城市管线城市规划与管理区域资源与环境MIS…………综合信息系统（IS）非空间信息系统空间信息系统（SIS）非地理信13

数据库中的一些基本技术是GIS广泛使用的核心技术共同管理、分析和应用空间数据和属性数据

侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询无拓扑关系不能对空间数据进行查询、检索、分析GISMIS电话查号台只能回答用户询问的电话号码通信GIS还可提供与用户有关的空间关系信息数据库中的一些基本技术是GIS广泛使用的核心技术侧14GIS与CAD共同点不同点

有空间坐标系统能将目标和参考系联系起来都能描述图形数据的拓扑关系都能处理属性和空间数据

研究对象为人造对象（规则几何图形及组合）图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱拓扑关系较为简单一般采用几何坐标系CADGIS

处理的数据大多来自于现实世界，更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化属性库结构复杂，功能强大强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁采用地理坐标系GIS与CAD共同点不同点有空间坐标系统研15GIS与CAM共同点不同点地图输出空间查询分析和检索等功能

侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有地图辅助设计和产生高质量矢量地图的输出机制强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺乏拓扑关系与数据库的联系通常是一些简单的查询

CAMGIS

CAM是它的重要组成部分综合图形和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策信息GIS与CAM共同点不同点侧重于数据查询、分类及自动16软件硬件数据用户§2GIS的组成

支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统（计算机系统软件、地理信息系统软件和其它支持软件、应用分析程序）

GIS的服务对象（分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户），是GIS中的重要构成因素

各种设备（计算机主机、数据输入设备、数据存储设备、数据输出设备、数据通信传输设备）

系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础（空间数据、非空间的属性数据）软件硬件数据用户§2GIS的组成支持数据采17功能硬件配置数字化仪、解析测图仪、扫描仪、遥感处理设备等计算机硬盘、光盘等存储设备打印机、绘图仪、显示终端等服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等输入存储处理输出网络☞GIS的硬件配置功能硬件配置数字化仪、解析测图仪、输入存储处18☞GIS的软件配置GIS应用软件操作系统用户界面数据库硬件GIS专业平台软件GIS的软件层次

GIS应用软件在GIS软件层次的外层，外层以内层软件为基础，共同完成用户指定的任务。

☞GIS的软件配置GIS应用软件操作系统用户界面数据库19GIS的基础软件主要模块图形及属性编辑空间数据输入与转换空间数据管理系统制图与输出空间查询与空间分析GIS的基础图形及属性编辑空间数据输入与转换空间数据管理系统20§3GIS的功能和应用数据采集与输入数据编辑与更新数据存储与管理空间查询与分析数据显示与输出空间查询叠加分析缓冲区分析地形分析网络分析…☞GIS的功能GIS能做什么§3GIS的功能和应用数据采集与输入数据编辑与更新21文字报告遥感图象…现实世界数字化仪扫描仪解析测图仪键盘等空间数据库编辑、接边、分层、图形与属性连接、加注记等

数据采集与输入原始数据数据输入工具文字报告现实世界数字化仪扫描仪解析测图仪键盘等空间编辑、接22空间数据库空间查询

空间查询与分析属性查询78路公交站点哈尔滨在哪里空间查询空间空间查询空间查询与分析属性查询78路公交站点哈尔23空间数据库叠加分析空间检索坡度小于3度的地形信息地价<1万/m2+满足两条件的区域

为某工厂选址（地价<1万/m2且地形起伏较小的区域）空间叠加分析空间检索坡度小于3度的地形信息地价<1万/m2+24空间数据库缓冲区分析

道路的噪声影响范围街道中心线空间检索空间缓冲区分析道路的噪声影响范围街道中心线空间检索25空间数据库网络分析

哪条路最近如何乘车道路信息空间检索空间网络分析哪条路最近道路信息空间检索26地形分析空间数据库地形信息空间检索

航道淤积挖槽方案比较地形分析空间地形信息空间检索航道淤积挖槽方案比较27

数据显示与输出空间数据库

各种需求各种信息空间检索数据显示与输出空间各种需求各种信息空间检索28☞GIS的主要应用领域主要应用领域区域城乡规划灾害监测环境评估作战指挥交通运输宏观决策资源管理商业、通讯、日常生活等领域☞GIS的主要应用领域主要应用区域城乡规划灾害监测环境29

资源管理图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘如：A、加拿大应用GIS完成全国土地资源潜力和估算

B、中国西南地区国土资源信息系统

GIS最初起源于资源清查，是GIS的最基本的职能。资源清查包括对资源的清查、管理、土地利用规划、野生动物的保护等。资源管理图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘30

区域城乡规划

将许多不同性质与特点、涉及多方要素的问题（如资源、人口、经济等）统一到城市系统之中，进行城市和区域多目标的开发与规划（包括城镇总体规划、道路交通规划，公共设施配置等）。图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘区域城乡规划将许多不同性质与特点、涉及多方要素31

灾害监测

GIS方法和多时相的遥感数据，可以有效地用于洪水灾情监测和淹没损失估算，确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线等，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘灾害监测GIS方法和多时相的遥感数据，可以有效32

环境评估图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘环境评估图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘33

作战指挥图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘作战指挥图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘34

交通运输图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘交通运输图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘35

宏观决策

GIS利用地理数据库，构建一系列决策模型，通过比较分析，可为国家宏观决策提供依据。例如我国在三峡地区的研究中通过利用GIS和机助制图的方法，建立了环境监测系统，为三峡工程提供了可靠数据。图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘宏观决策GIS利用地理数据库，构建一系列决策模36§4GIS与相关学科间的关系GIS地理学测绘学地学数学其他应用科学计算机科学地图学RS、GPS拓扑学统计分析几何学数据库理论软件工程计算机图形学图象处理人工智能网络计算§4GIS与相关学科间的关系GIS地理学数学其他应37§5GIS的发展过程

GIS起源于人口普查、土地调查和自动制图，1960年加拿大测量学家提出了把地图变成数字形式的地图，1963年又提出GIS这一术语，并建立了第一个GIS——加拿大GIS，随后GIS在全世界迅速发展起来。60年代——探索时期70年代——巩固时期80年代——实破阶段90年代——全面应用国际发展状况70年代——准备阶段80年代——试验起步90年代——发展阶段96以后——产业化阶段我国发展状况§5GIS的发展过程GIS起源于38第二章空间数据结构GIS是通过对空间数据的管理、分析而提供有用的信息，如何组织数据便于管理、分析，就成为首要考虑的问题。

GIS的空间数据结构主要是指空间数据的编排方式和组织关系。

GIS软件支持的主要空间数据结构有基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构。第二章空间数据结构GIS是通过对空间数39§1空间实体及其描述☞

空间实体（地理实体）

是指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，是描述、反映空间对象的单位，它是一个概括性的、复杂的、具有相对意义的概念。一般具有：标识符、位置、空间特征、属性特征、功能属性。

“不能再分割”是一个相对的概念。例如，在小比例尺地图上一个城市（武汉）就是一个实体，可用点表示，不能再分割，而在大比例尺的城市地图上，要详细表达房屋、街道等，所以城市必须再分割，应将房屋、街道等作为研究的地理实体。§1空间实体及其描述☞空间实体（地理实体）是40☞

实体特征空间维数（0、1、2、3维）实体类型点状实体（0维）线状实体（1维）面状实体（2维）体状实体（3维）实体间的空间关系与组合主要为拓扑关系一般为名称、属性等实体特征空间特征属性特征时间特征随时间而变化的特征☞实体特征空间维数（0、1、2、3维）实体类型点41地理信息系统原理课件42依表示对象不同分☞

空间数据类型与描述类型依数据来源不同分地图数据、地形数据、属性数据、元数据、影像数据依表示对象不同分☞空间数据类型与描述类型43地理信息系统原理课件44描述

对点状的地形、地物要素的几何描述由坐标点标识

对线状空间实体部分或全部的几何描述由一系列有序坐标对组成

对面状空间实体的几何描述数据库中由一封闭曲线加内点表示

对空间三维实体或多面体的几何描述具有长度、宽度、高度等属性体实体面实体线实体点实体描述对点状的地形、地物要素的几何描述对线状空45点状实体角点、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，存在于多边形内类型：点状实体角点、节点Vertex：实体点：用来代表一个实体注记46

形式上有曲线、折线两种（线段、边界、链、弧段、网络等）。线状实体特性：实体长度：从起点到终点的总长弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度方向性：可标识水流方向，公路的单、双向之分等形式上有曲线、折线两种（线段、边界、链、弧段、网络等）。线47面状实体特性：面积周长独立性或与其它地物相邻（如中国及其周边国家）内岛屿或锯齿状外形（如岛屿的海岸线封闭所围成的区域）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来说不会出现重叠。）面状实体特性：48体状实体特性：体积（如工程开挖和填充的土方量）每个二维平面的面积周长内岛含有弧立块或相邻块断面图与剖面图体状实体特性：49☞空间实体间的组合

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，如由简单实体组合表达复杂实体。由点、线、面两两之间组合可表达复杂的空间问题。线—面的关系区域包含线（计算区域内线的密度）线通过区域（公路是否通过某县）线环绕区域（区域边界，搜索中国与哪些国家接壤）线与区域分离（距离）☞空间实体间的组合现实世界的各种现象比较复杂50面—面的关系包含（岛,某省的湖泊分布）相合、重叠（学校服务范围与菜场服务范围重叠区）相交（划分子区）相邻（计算相邻边界性质和长度，公共连接边界）分离（计算距离）学校菜场面—面的关系学校菜场51☞

实体间空间关系拓扑空间关系顺序空间关系方向空间关系度量空间关系主要指实体间的距离关系、远近空间关系类型拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含等

用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂。

度量两点间距离的方法①沿真实地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关（复杂）②沿地球旋转椭球体的距离量算距离类别欧氏距离、曼哈顿（出租车）距离、时间距离、大地测量距离（大地线）☞实体间空间关系拓扑顺序度量空间关系类型拓扑邻接、拓扑关52拓扑空间关系拓扑变换（橡皮变换）

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，各种图形的形状、大小会随着图形的变形而改变，但是实体间的拓扑特性是不会改变的。非拓扑属性（几何）

两点间距离、弧段长度、区域周长、面积等拓扑属性（没发生变化的属性）

一个点在一条弧段的端点（或在一个区域的边界上、在一个区域的内部/外部、在一个环的内/外部等）一条弧是一简单弧段（自身不相交）一个面是一个简单面、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）……拓扑空间关系拓扑变换指图形保持连续状态下变形，但图53P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--同类元素之间的拓扑关系如：多边形之间的邻接关系结点之间的邻接关系邻接性如：邻接矩阵重叠：--邻接：1不邻接：0P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P54不同类元素之间的拓扑关系如：结点与弧段的关联关系（V9与L5，L6，L3）多边形与弧段的关联关系（P2与L3，L5，L2）关联性不同类元素之间的拓扑关系关联性55

与邻接性类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。连通性V1V2V3V1--10V21--1V301--如：连通矩阵与邻接性类似，指对弧段连通性V1V2V3V156方向性：一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向、河流的流向等。包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。如：多边形P1包含P4层次关系：相同元素之间的等级关系（如武汉市由各个区组成）

拓扑关系能清楚地反映实体间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。利用拓扑关系有助于空间要素的查询。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。根据拓扑关系可重建地理实体。对数据处理和空间分析具有重要意义方向性：一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中57拓扑空间关系的表达一种拓扑关系表达方式：由4个关系表来表示面构成面的弧段P1L1，L3，L6，-L7面—链关系链链两端的结点L3V4，V9链—结点关系结点通过该结点的链V1L1，L6，L4结点—链关系链左邻面右邻面L3P2，P1链—面关系拓扑空间关系的表达一种拓扑关系表达方式：由4个关系表来表示58☞

空间数据结构常用结构基于矢量（Vector）数据结构基于栅格（Raster）数据结构

如果我们将描述空间实体的各类数据杂乱无章地存储于计算机中，将无法使用和处理，而成为一堆信息垃圾。因此，描述空间实体的数据必须有规律地存储于计算机中，即按照一定的数据结构存贮数据。空间数据结构是指空间数据的组织形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。☞空间数据结构常用结构基于矢量（Vector）数据结59

目前由于没有一种统一的数据结构可同时存储、管理描述空间实体的所有数据，因此常采用矢量数据结构描述图形数据，栅格数据结构描述影像数据，关系数据库表描述属性数据。

有多种数据模型都可实现空间数据和非空间数据统一管理。如双元数据模型——分别建立空间数据库和属性数据库，并依靠关键字建立空间数据和非空间数据的关联关系，就可较好的实现两种数据的统一管理。双元模型GIS关键字属性数据库空间数据库目前由于没有一种统一的数据结构可同时存储、60§2矢量数据结构☞

图形表示通过记录坐标的方式精确地表示空间实体的位置理论上的精确定位明显属性隐含图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘§2矢量数据结构☞图形表示通过记录坐标的方式精确地表61☞

数据获取矢量数据的获取

利用各种定位仪器设备采集空间坐标数据（GPS、平板测图仪等）

利用已有的数据通过模型运算得到（叠加复合分析、缓冲区分析等）

通过栅格数据转换而来（利用遥感数据动态更新GIS数据库）

通过纸质地图数字化得到（手扶跟踪数字化、扫描矢量化）☞数据获取矢量数据的获取利用各种定位仪器设62☞

数据组织关系表几何位置坐标文件连接点：坐标对（x，y）线：坐标对系列（x1，y1）..（xn，yn）面：首尾相同的坐标串识别符有关属性其它属性+矢量数据自身的存贮和处理与属性数据的联系矢量数据之间的空间关系（拓扑关系）应考虑☞数据组织关系表几何位置坐标文件连接点：坐标对（x，y）63

点实体和线实体的编码方式比较简单，只要能将空间信息和属性信息记录下来就行。多边形实体（面实体）除要表示位置、属性外，还要表示其拓扑关系。标识码X、Y坐标属性码标识码X、Y坐标点的矢量数据结构线的矢量数据结构标识码X、Y坐标坐标对数n☞

编码方式（几何位置坐标的编码方式）点实体和线实体的编码方式比较简单，只要能将标64多边形矢量编码方法

结构简单、易实现以实体为单位的运算和显示。相邻多边形的公共边界被数字化、存储两次，造成数据冗余和数据不一致。缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理。岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。实体式（spaghetti）面条模型12P3P2P1ADCB3456789101112131415以实体为单位记录其边界坐标多边形坐标串P1…P2…多边形矢量编码方法结构简单、易实现以实体为单位的运算和65索引式（树状）

对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。索引文件12P3P2P1ADCB3456789101112131415Map点文件点号坐标1x1,y1面文件面号弧段号P1A,B,C弧段文件弧段号A起点5点号7,8,9,10终点2

消除了多边形边界的数据冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。但表达拓扑关系较繁琐，给处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难。索引式（树状）对所有点的坐标按顺序建坐标文件66双重独立式（DIME）

是美国人口统计系统采用的一种编码方式，特点是采用了拓扑编码结构。

12P3P2P1ADCB3456789101112131415点文件点号坐标1x1,y1面文件面号P1线号L210,L109…线文件（以线段为记录单位）关联邻接关联连通线号L210左多边形P1起点2右多边形P2终点10拓扑关系明确双重独立式（DIME）是美国人口统计系统采用67链状双重独立式

对DIME编码方式中以线段为单位编码改为以弧段为单位。

12P3P2P1ADCB3456789101112131415点拓扑文件（结点-链关系）点号弧段号2A,B,D面文件面号P1弧段号A,B,-C弧段文件（链-面，链-结点关系）弧段号A左多边形P1起点2右多边形P2终点5弧段坐标文件弧段号A坐标系列x2,y2,x10,y10…链状双重独立式对DIME编码方式中以线段为单68

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。

拓扑关系明确，能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析时没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象。这种编码方式被一些商品化的GIS软件采用，如ARC/INFO软件。

特点在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线69§3栅格数据结构☞

图形表示

栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划分为网格阵列。位置由行、列号定义，属性为栅格单元的值。属性明显，位置隐含。点——由单个栅格表达线——由沿线走向有相同属性取值的

一组相邻栅格表达面——由沿线走向有相同属性取值的

一片栅格表达22122332332333233332§3栅格数据结构☞图形表示栅格结构用密集正方70

特点

栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则排列的地块，每个地块与一个像元相对应。栅格数据的比例尺就是栅格(像元)大小与地表相应单元大小之比。每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，当像元所表示的面积较大时，有可能产生属性方面的较大偏差，并对长度、面积等的量测有较大影响。因为在一个栅格的地表范围内，可能多于一种地物，而表示在栅格单元中只能有一个代码。特点栅格数据表示的是二维表面上的地理71☞

数据组织

栅格尺寸越小分辨率越高，但使栅格数据量变大；栅格尺寸较大，会造成较大误差。栅格数据组织的基本要求有效地逼近分析对象的分布特征最大限度地压缩存储数据量22222aaaaa22土壤植被空间数据库组织方法一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件组织方法☞数据组织栅格尺寸越小分辨率栅格数据组织72abc

每层每个像元的位置、属性一一记录。结构最简单，但浪费存储。

以像元为记录序列,不同层上同一像元位置上的各属性值表示为一个列数组。

N层中只记录一层的像元位置，节约大量存储空间，栅格个数很多。

以层为基础，每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内各像元的坐标。节约用于存储属性的空间。将同一属性的制图单元的n个像元的属性只记录一次，便于地图分析和制图处理。abc每层每个像元的位置、属性一一记录。结构73建立途径

手工获取（专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码）

遥感影像数据（将经过分类解释的遥感影像数据直接输入或重采样后输入系统）

扫描仪扫描（以行和列逐点扫描专题图，将扫描数据按颜色与属性对应表进行栅格编码）

由矢量数据转换而来

格网DEM数据（当属性值为地面高程，可通过DEM内插得到）☞

栅格结构的建立建手工获取（专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码74栅格系统的确定栅格坐标系统栅格单元尺寸

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。

栅格坐标系的确定

坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定栅格系统的确定栅格坐标系统由于栅格编码一般用75

栅格单元的尺寸

既能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。

若格网太大，会忽略较小图斑，丢失信息。格网越小，分辨率愈高，但栅格数据量越大（按分辨率的平方指数增加），处理速度越慢。通常以保证最小多边形不丢失为原则来确定单元尺寸。h——栅格单元边长

Ai——区域所有多边形的面积经验公式栅格单元的尺寸既能有效地逼近空间对象76栅格代码的确定（属性值）

当一个栅格单元内有多个可选属性值时，可选择一种方法来确定栅格属性值。中心点法面积占优法长度占优法重要性法

取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值

定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值

取栅格中线段最长的实体属性为栅格单元的属性值。或取栅格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值。212

取面积最大者的属性值为栅格单元的属性值上图属性值取A栅格代码的确定（属性值）当一个栅格单元内有多77☞

栅格数据编码方法数据存储容量的压缩顾及GIS对数据访问的效率应考虑

在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息。

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。数据压缩无损压缩（信息保持编码）有损压缩（信息不保持编码）将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术☞栅格数据编码方法数据存储容量的压缩应考虑在78直接栅格编码每行都从左到右记录

AAAAABBBAABBAABB奇数行从左到右，偶数行从右到左

AAAABBBAAABBBBAA

AAAAABBBAABBAABB将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。最简单最直接的一种栅格编码方法没有进行任何数据压缩处理直接栅格编码每行都从左到右记录AAAAABBBAABBAAB79将原图表示的数据矩阵变为数据对属性码，长度（连续相同码值的栅格个数），行号（可选）属性码，点位（属性值发生变化的位置）行程编码（变长编码）AAAAABBBAABBAABBA，4，A，1，B，3，A，2，B，2，A，2，B，2

特点

区域越大，数据的相关性越强，则压缩比越大（压缩比的大小与图的复杂程度成反比），适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图。

这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，最大限度地保留了原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索、叠加、合并等操作。将原图表示的数据矩阵变为数据对行程编码（变长编码）AAAAA80块码（行程编码向二维扩展）12345678104477777244444777344448877400488877500888878600088888700008888800000888

采用正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。组成:（初始行，列，半径，属性值）

(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7)…依次扫描，编过的不重复。

特点具有可变分辨率，即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。与行程编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辨率。块码（行程编码向二维扩展）12381链式编码（Freeman链码或边界链码）

将栅格数据（线状地物或面域边界）表示为由某一起始点和某些基本方向上的单位矢量链。单位矢量的长度为一个栅格单元，每个后续点可能位于其前继点的8个基本方向之一。

定义一个3

3窗口，将中间栅格走向的

8种可能以0~7进行编码。一般按从上到下、从左到右的规则寻找起始点。记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪（顺时针或逆时针方向），得到矢量链。链式编码（Freeman链码或边界链码）将栅82aaaaaaab属性码ab起点行13起点列47链码5566565766543

…

特点链码可有效地存储压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和边界、线段凹凸度的计算。但不易做边界合并、插入操作，编辑较困难（对局部修改将改变整体结构）。区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。aaaaaaab属性码ab起点行13起点列47链码5566583四叉树编码

一种可变分辨率的非均匀网格系统，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。AAAAABBBAABBAABB

将2n×2n像元组成的图像（不足的用背景补上）按象限等分为四部分，逐块检查网格的属性值。若某部分中所有网格值相同，就不再分割，否则继续把该区进行递归分割，直到每个子块都只含有相同的属性值为止。

基本思想四叉树编码一种可变分辨率的非均匀网格系统，是最有效的84

用一棵树表示这种分割和分割结果根——整个区域高——分几级（几次分割）叶结点——不能再分割的块分支结点——还需分割的块

树形表示0123用一棵树表示这种分割和分割结果树形表示01285

编码方法

除记录叶结点外，还记录中间结点。结点之间借助指针联系，每个结点需要六个量表达指针不仅增加了数据的存储量，而且增加了操作的复杂性（如结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始逐步推算下来）。所以，常规四叉树主要在建立索引文件、进行数据检索等方面应用。常规四叉树父结点指针四个叶结点指针结点属性值编码方法除记录叶结点外，还记录中间结点。结点86

只存储叶结点的信息。每个结点存储三个量线性四叉树叶结点位置深度结点属性值用地址码表示四进制Morton码十进制Morton码存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。线性四叉树可直接寻址，通过坐标值直接计算其Morton码，而不用建立四叉树。定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。只存储叶结点的信息。每个结点存储三个量线性四叉树叶结点位87

四进制Morton码——每位均是不大于3的四进制数

通过不断分割的方式自上而下进行，每分割一次，标号增加一位数字，分割次数越多，所得的子区越小，标号位数越多，该标号就是Morton码

Morton码确定四叉树叶结点的具体位置

这种方法需大量重复运算，因而应用较少。自上而下的方式（分割的过程）012303AAAAABBBAB23四进制Morton码——每位均是不大于3的四进制数88自下而上的方式（合并的过程）

将十进制行列号转成二进制并计算每个栅格对应的MQ码（2n×2n区域每个MQ码为n位）MQ=2*Ib+Jb

按MQ码的升序排列成线性表

依次检查每四个相邻MQ码对应的栅格属性值，若相同则合并为一个大块，否则将四个栅格值存盘。如此循环，直到没有能够合并的子块为止。AAAAABBBAABBAABB2320213031222332330203121300011011I0123Ib011011JbJ0110110123自下而上的方式（合并的过程）将十进制行列号转成二进制（89

十进制Morton码（MD码）

按位操作方法（计算MD码的一种方法）

将二进制的行列号交叉得二进制的MD码若Ib=（inin-1…i2i1），Jb=（jnjn-1…j2j1）则交叉得MD码为injnin-1jn-1…i2j2i1j1

将二进制的MD码转换为十进制数如Ib=（10）2，Jb=（11）2则交叉得MD码=1101转换为十进制为13A0A1A4A5A2B3B6B7A8A9B12B13A10A11B14B15按左上、右上、左下、右下的顺序从0开始对每个栅格自然编码十进制Morton码（MD码）按位操作方法（计算90

压缩2n×2n的图像为线性四叉树的过程A0A1A4A5A2B3B6B7A8A9B12B13A10A11B14B15

按Morton码把图像读入一维数组

Morton码：0123456789101112131415像元值：AAAB

ABBB

AAAA

BBBB

比较相邻四像元，相同的合并，并记录第一个像元的Morton码。循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能合并为止。

01234567812AAABAABBAB

最后用行程长度编码压缩，压缩时只记录第一个像元的Morton码。0346812ABABAB压缩2n×2n的图像为线性四叉树的过程AAAAABBB91

四叉树编码方法特点

对于团块图像，四叉树表示法占用空间比网络法要少得多，四叉树表示法基本上是一种非冗余表示法。

四叉树具有可变率或多重分辨率的特点，适用于处理凝聚性或呈块状分布的空间数据，特别适用于处理分布不均匀的块状空间数据，但不适用于连续表面（如地形）或线状地物。

矢/栅正反变换还不理想。

建立四叉树费时。四叉树虽可修改，但很费事。

四叉树没有直接表示物体间的拓扑关系。四叉树编码方法特点对于团块图像，四叉树表示法占用空92

与非树表示法比较，四叉树表示法的缺点在于转换的不稳定性或叫滑动变异。

如两个图像的差异仅由于平移，就会构成极为不同的四叉树，因而很难根据四叉树来判断这两个图像是否相同，故不利于形状分析和模式识别。

一个物体的图像在构成四叉树时会被分割到若干个象限中，使它失去了内在的相关性。与非树表示法比较，四叉树表示法的缺点在于转换的不稳93§4矢栅一体化数据结构☞

矢量与栅格结构的比较矢量栅格

便于面向对象处理；数据量小而精度高；易于建立和分析图形的拓扑关系和网络关系；图形显示质量好，精度高。数据结构复杂，不便于数据标准化和规范化，数据交换困难；多边形叠置分析困难，表达空间变化性能力差；不能像数字图像那样做增强处理；软硬件技术要求高，显示与绘图成本较高。

结构简单，易数据交换；叠置分析和地理现象模拟较易；利于与感遥数据的匹配应用和分析，便于图像处理；输出快速，成本低廉。图形数据量大，数据结构不严密、紧凑，需使用压缩技术，精度相对较低；现象识别效果不如矢量方法，难以表达拓扑；投影转换困难；图形输出不美观，线条有锯齿。§4矢栅一体化数据结构☞矢量与栅格结构的比较矢量栅94☞

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，具体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。线状地物——除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格。面状地物——除记录它的多边形边界以外，还包括中间的面域栅格。一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系。本质上是一种以栅格为基础的数据结构（以矢量方式组织栅格数据）☞矢栅一体化概念将矢量面对目标的方法和栅格元子95☞

三个约定和细分格网法

地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。

地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成。

约定☞三个约定和细分格网法地面上的点状地物是地球表96细分格网法在有点、线（包括面状目标边界线）目标通过的基本网格内，根据精度要求，再细分成256

256或16

16细格网。基本格网和细分格网都采用线性四叉树的编码方法，将采样点和线性目标与基本格网的交叉点用两个Morton码表示。x,yM1M2将一对x,y坐标用两个Morton码代替M1表示该点（采样点或附加的交叉点）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。既顾全整体定位，又保证了精度。细分格网法x,yM1M2将一对x,y坐标用97☞

一体化数据结构设计

据约定1，点仅有位置、没有形状和面积，只要将点的坐标转化为地址码M1

和M2

即可，这种结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。

点状地物和结点的数据结构点标识号……1002510026……M1……43105……M2……40827725……高程z……432463……☞一体化数据结构设计据约定1，点仅有98

据约定2，线状地物有形状但没有面积，没有面积意味着只要用一串数据表达每个线状地物的路径即可，将该线状地物经过的所有栅格的地址全部记录下来。仿照矢量数据组织的链状双重独立式编码，以弧段为记录单位。

线状地物的数据结构弧段的数据结构弧标识号20078起结点号10025终结点号10026中间点串（M1,M2,Z）58,7749,435,92,4377,439…线状地物的数据结构线标识号……3003130032……弧段标识号……20078，2007920092，20098，20099……据约定2，线状地物有形状但没有面积，没有99

面状地物的数据结构

据约定3，一个面状地物应记录边界和边界所包围的整个面域，其中边界由弧段组成（同前弧段表），面域信息由线性四叉树或二维行程码表示。

弧段文件——边界弧段（形状）

带指针的二维行程码——面域

将叶结点属性值改为循环指针指向该地物下一个子块的地址码，并在最后指向该地物本身二维行程M码属性值005480164308314320378400448460478面状地物的数据结构据约定3，一个面100二维行程M码属性值005480164308314320378400448460478二维行程M码循环指针属性值0851683216313037314（属性值）3240374440464447460（属性值）478（属性值）二维行程M码属性值005480164308314320378101二维行程M码循环指针属性值0851683216313037314（属性值）3240374440464447460（属性值）478（属性值）

用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来。只要进入第一块就可以顺着指针直接提取该地物的所有子块，从而避免象栅格数据那样为查询某一个目标需遍历整个矩阵，大大提高了查询速度。二维行程M码循环指针属性值08516832163130373102

面文件面标识号40001（属性值0）40002（属性值4）40003（属性值8）……弧标识号串20001,20002,2000320002,200042000……面块头指针0530……

这种数据结构是面向地物的，具有矢量的特点。通过面状地物的标识号可找到它的边界弧段，并可顺着指针提取所有的中间面块。同时它又具有栅格的全部特性，带指针的二维行程码中的M码表达了位置的相互关系，前后两个M码之差隐含了该子块的大小。给出任意一点的位置都可顺着指针找到面状地物的标识号，确定是哪一个地物。面文件面标识号40001（属性值0）40002（属性值4）103

复杂地物的数据结构

由几个或几种点、线、面状简单地物组成的地物称为复杂地物。例如将一条公路上的中心线、交通灯、立交桥等组合为一个复杂地物，用一个标识号表示。复杂地物的数据结构复杂地物标识号……5000850009……简单地物标识号……10025，30005，3002530006，30007，40032……复杂地物的数据结构由几个或几种点、线、面状简单104§5三维数据结构

目前GIS主要还停留在处理地球表面的数据，若数据是地表以下或以上，则先将它投影到地表，再进行处理，其实质是以二维的形式来模拟、处理任何数据，在涉及到三维问题的处理时，往往力不从心。二维V=f(x,y)，对不同的层，V的含义不同，当V表示高程时，就是DEM。由于地形三维视图的原因，人们常把DEM误认为是三维模型。但从本质上讲，DEM是二维的，因为它只能表示地表的信息，不能对地表内部进行有效表示。目前，人们常把DEM称为2.5维的数据模型。真三维模型V=f(x,y,z)，z是一自变量，不受x,y的影响。三维GIS的要求与二维相似，但许多方面比二维GIS复杂得多，如三维数据的组织与重建，三维变换、查询、运算、分析、维护等方面。下面主要介绍三维数据结构。§5三维数据结构目前GIS主要还停留在105三维结构两种形式栅格

将地理实体的三维空间分成细小单元——体元。常用八叉树结构。矢量（x,y,z）

抽象为点、线、面、体，由面构成体。常用三维边界表示法。☞

八叉树结构

是四叉树在三维空间的推广。将空间区域中的形体V不断地分解为八个同样大小的子体（即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小立方体），并判断属性的单一性：

子体部分为V——灰结点

需再一分为八

子体中无V——白结点

停止分割（叶结点）

子体全为V——黑结点

基本思想三维结构两种形式栅格将地理实体的三维空间分成106

与常规四叉树类似，用九或十项字段来记录每个结点（八个子结点指针，一个父结点指针（可选），一个结点属性）。是最普遍的形式，方式自然，易掌握。但指针约占总存储量的94%，空间使用率低。

存储结构

规则八叉树

用某一预先确定的次序遍历将八叉树转换成一个线性表，表中的每个元素与一个结点相对应。每个结点用固定的字节描述，其中某些位专门用来说明它是否为叶结点。

线性八叉树——Morton码与常规四叉树类似，用九或十项字段来记录每个结107

每个结点均一分为八，并标记为0，1，2，3，4，5，6，7。隐含地假定了这些子结点记录存放的次序——便于检索浪费存储，除非所有叶结点均在同一层次出现，上层均为非叶结点。

一对八式的八叉树CDFGR…A0,1,2,…,7B0,1,2,…,7H0,1,2,…,7E0,1,2,…,7……特点：节省存贮空间，便于某些运算，但丧失一定的灵活性，不便于其它遍历方式对树的结点进行存取，应用效果不佳。线性表为：R^AB''01234…7CDEFGHRCDFG…AB0,1,2,…,7HE…每个结点均一分为八，并标记为0，1，2，108☞

三维边界表示法顶点表（表示多面体各顶点坐标）v1v2v3v4x1y1z1x2y2z2x3y3z3x4y4z4v1v2v3v4l1l2l3l4l5l6边表（构成多面体边的顶点）I1I2I3I4v1v2v2v3v3v1v2v4I5I6v4v3v1v4s1s2s3s4I1I2I3I2I4I5I5I3I6I3I1I4面表（围成多面体某个面的边）☞三维边界表示法顶点表（表示多面体各顶点坐标）v1v2109对象表（有若干个多面体时）对象1…s1

，s2

，……属性1……扩充后的边表（加入边所属的多边形信息）I1I2I3I4v1v2v2v3v3v1v2v4I5I6v4v3v1v4s1s2s3s4I1I2I3I2I4I5I5I3I6I3I1I4I1I2I3I4I5I6v1v2v2v3v3v1v2v4v4v3v1v4s1s4s1s2s1s3s2s4s2s3s3s4对象表（有若干个多面体时）对象1…s1，s2，……属性1110

拓扑检查

数据存储后，必须检查数据的一致性、完全性，即进行拓扑检查。具体可检查下列几项：

顶点表中的每个顶点至少是两条边的端点

每条边至少是一个多边形的边

每个多边形是封闭的

每个多边形至少有一条边是和另一个多边形共用的

若边表中包含了指向它所属多边形的指针，那么指向该边的指针必在相应的多边形中出现拓扑检查数据存储后，必须检查数据的一致性、完全性，111

三维边界法一般用于表示规则形体（如建筑物）对于不规则形体，理论上可找到一个在误差范围内逼近的合适平面多面体，这种逼近受多因素的制约。两种逼近形式：

表面S0的逼近：以确定后的平面多面体的表面作为对原三维形体的表面S0的逼近。着眼于形体的边界表示。

三维形体的逼近：给出一系列的四面体，这些四面体的集合就是对原三维形体的逼近。着眼于形体的分解表示。三维边界法一般用于表示规则形体（如建筑物）两112第三章空间数据库图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘

空间数据库是GIS的重要组成部分，是地理空间数据的集合。由于空间数据有着惊人的数据量和复杂的空间关系，使得通用的数据库系统难以胜任。地理信息系统需要研究自己的空间数据模型。第三章空间数据库图片摘自张超主编的《地理信息系统教程》所113§1空间数据库的概念☞

数据库概述利用计算机管理数据的三个阶段人工管理阶段、文件系统阶段、数据库阶段应用程序1应用程序2应用程序n…数据组1数据组2数据组n…硬件：只有磁带、卡片、纸带等外存，没有磁盘等直接存取设备。软件：没有管理数据的软件，数据不保存，程序是面向应用的。数据处理方式是批处理。人工管理阶段50年代中期前计算机主要用于科学计算§1空间数据库的概念☞数据库概述利用计算机管理人工114硬件：有了磁盘、磁鼓等直接存储设备。软件：操作系统具有了专门的数据管理软件（文件系统）。数据处理方式：不仅有批处理，而且可联机实时处理；由文件系统充当应用程序和数据文件之间的接口。由软件管理数据，数据以记录为单位存取。但数据冗余大，数据和程序缺乏独立性。应用程序1文件1应用程序2文件2应用程序n文件n……文件系统文件系统阶段50年代中期至60年代中期计算机用于科学计算和管理硬件：有了磁盘、磁鼓等直接存储设备。应用程序1文件1应用程序115硬件：有了大容量磁盘，价格下降。软件：价格上升，为编制和维护系统软件及应用程序所需的成本相对增加。数据处理方式：要求数据共享、联机实时处理，数据结构复杂，数据以数据项为单位存取，冗余度小，具有较高的数据和程序独立性。数据库管理软件为用户与数据的接口。数据库系统阶段60年代后期以来计算机用于大型管理应用程序1应用程序2应用程序n…数据库管理系统数据库硬件：有了大容量磁盘，价格下降。数据库系统阶段计算机用于大型116数据集：一个结构化的相关数据的集合体，包括数据本身和数据间的联系。数据集独立于应用程序而存在，是数据库的核心和管理对象。物理存储介质：指计算机的外存储器和内存储器。前者存储数据；后者存储操作系统和数据库管理系统，并有一定数量的缓冲区，用于数据处理，以减少内外存交换次数，提高数据存取效率。数据库软件：其核心是数据库管理系统（DBMS）。主要任务是对数据库进行管理和维护。具有对数据进行定义、描述、操作和维护等功能，接受并完成用户程序和终端命令对数据库的请求，负责数据库的安全。

数据库的三个基本部分数据集：一个结构化的相关数据的集合体，包括数据本身和物理存117数据集中控制：在文件管理方法中，文件是分散的，每个用户或每种处理都有各自的文件，这些文件之间一般是没有联系的，因此，不能按照统一的方法来控制、维护和管理。而数据库则很好地克服了这一缺点，可以集中控制、维护和管理有关数据。数据独立：数据库中的数据独立于应用程序，包括数据的物理独立性和逻辑独立性，给数据库的使用、调整、优化和进一步扩充提供了方便，提高了数据库应用系统的稳定性。数据共享：数据库中的数据可以供多个用户使用，每个用户只与库中的一部分数据发生联系；用户数据可以重叠，用户可以同时存取数据而互不影响，大大提高了数据库的使用效率。

数据库的主要特征数据集中控制：在文件管理方法中，文件是分散的，每个用数据独立118减少数据冗余：数据库中的数据不是面向应用，而是面向系统。数据统一定义、组织和存储，集中管理，避免了不必要的数据冗余，也提高了数据的一致性。数据结构化：整个数据库按一定的结构形式构成，数据在记录内部和记录类型之间相互关联，用户可通过不同的路径存取数据。统一的数据保护功能：在多用户共享数据资源的情况下，对用户使用数据有严格的检查，对数据库规定密码或存取权限，拒绝非法用户进入数据库，以确保数据的安全性、一致性和并发控制。减少数据冗余：数据库中的数据不是面向应用，而是面向系数据结构119概念模式（逻辑模式）是数据库的总框架，所有用户的公共视图外模式（子模式）是数据库的用户视图，是和某个应用相关的数据逻辑表示内模式（物理模式）是数据物理结构和存储结构的描述，是数据库的内部表示方式定义外模式与概念模式间的对应关系，保证了数据的逻辑独立性。定义数据的逻辑结构和物理存储间的对应关系，保证数据的物理独立性。

数据库的系统结构概念模式（逻辑模式）外模式（子模式）内模式（物理模式）定义外120

数据模型

数据模型是数据库中对数据的逻辑组织形式的描述，是对现实世界部分现象的抽象。它描述了数据的基本结构及其相互之间的关系和在数据上的各种操作，是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示，以抽象的形式描述和反映一个部门或系统的业务活动和信息流程。数据模型三要素数据结