第02章-GIS的数据结构

GIS软件与应用地理信息系统基本原理第一章：绪论1、地理信息系统的基本概念2、地理信息系统的功能3、地理信息系统的应用4、地理信息系统的构成5、地理信息系统的产生、发展及展望地理信息系统GIS原理第一章GIS的基本概念第二章GIS的数据结构第三章GIS的空间数据第四章GIS的空间分析第五章GIS的数据输出本章概述：GIS的数据结构地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。本章重点介绍主要的空间数据结构和空间数据库模型。GIS的数据结构第二章GIS的数据结构1、地理空间及其表达2、地理空间数据及其特征3、空间数据结构的类型4、空间数据结构的建立GIS的数据结构第二章GIS的数据结构1、地理空间及其表达2、地理空间数据及其特征3、空间数据结构的类型4、空间数据结构的建立1.地理空间的概念地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，是生命过程活跃的场所，也是宇宙过程对地球影响最大的区域。地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。大地测量控制为建立所有的地理数据的坐标位置提供了一个通用参考系，利用该通用参考系可以将全国范围使用的平面及高程坐标系与所有的地理要素相连接。一、地理空间及其表达GIS的数据结构一、地理空间及其表达GIS的数据结构目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，该坐标系选用1975年国际大地测量协会推荐的国际椭球（下图），其具体参数为：赤道半径（a）=6378140.0000000000m极半径（b）=6356755.2881575287m地球扁率（f）=(a-b)/a=1/298.2571980年中国国家大地坐标系的大地原点，设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，简称西安原点。1975年国际椭球元素及其关系示意图一、地理空间及其表达GIS的数据结构根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存：

1、1954年北京坐标系(局部平差)；

2、1980年国家大地坐标系(整体平差)；

3、地心坐标系。对应于每一个坐标系统点的坐标，可以用大地坐标形式表示，即用(L，B，H)表示；也可以用空间大地直角坐标形式表示，即用(z，y，z)表示。不同坐标系统的坐标，通过一定数学模型的转换参数，在一定的精度范围内可以互相转换。一、地理空间及其表达GIS的数据结构

1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系中的点的坐标，将其投影至高斯—克吕格投影平面，以平面坐标x、y形式表示，用于控制地形测图。在高斯—克吕格平面直角坐标中，x表示纵轴，y表示横轴。点的高斯—克吕格平面直角坐标是通过高斯—克吕格投影计算得到的，我国各个等级大地点成果表中所载的坐标即为高斯—克吕格平面直角坐标。将椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标，通常称之为地图投影。即：x=f1(L,B)

y=f2(L,B)式中：（L,B)是椭球面上某点的大地坐标；

(x,y)是该点投影在投影平面上的直角坐标。一、地理空间及其表达GIS的数据结构地理信息系统中特征实体的位置，通常就是指经过投影变换后平面上的直角坐标。高程指空间参考的高于或低于某基准平面的垂直位置，主要用来提供地形信息。我国现在规定的高程起算基准面为“1985国家高程基准”，该基准比原国务院批准启用的“黄海平均海平面”高29mm。研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考框架，还必须分析地理空间特征实体或地理空间信息的几何形态和时空分布规律及其相互之间的关系。地理空间特征实体指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体，包括点、线、面、曲面和体，它们构成地球圈层间复杂的地理综合体，也是地理信息系统表示和建库的主要对象。一、地理空间及其表达GIS的数据结构2.空间实体的表达地理空间的特征实体包括:

点(point)、线(line)、面(polygon)、曲面(surface)

体(volume)

如何以有效的形式表达它们，关系到计算机识别、存储、处理的可能性和有效性。当对特征实体进行数据表达时，关键又看如何表达空间的一个点，因为点是构成地理空间特征实体的基本元素。矢量表示法:采用一个没有大小的点(坐标)来表达基本点元素；→矢量数据模型栅格表示法:采用一个有固定大小的点(面元)来表达基本点元素。→栅格数据模型一、地理空间及其表达GIS的数据结构一、地理空间及其表达GIS的数据结构GIS的数据结构第二章GIS的数据结构1、地理空间及其表达2、地理空间数据及其特征3、空间数据结构的类型4、空间数据结构的建立二、地理空间数据GIS的数据结构1、实体的描述和存储从实体需要描述的内容到计算机具体如何存储实体的过程见图2-1-1。二、地理空间数据GIS的数据结构1、空间实体的描述通常需要从如下方面对地理实体进行描述：1)编码用于区别不同的实体，有时同一个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。分类码标识实体所属的类别，识别码对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。2)位置通常用坐标值的形式(或其它方式)给出实体的空间位置。3)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。4)行为指明该地理实体可以具有哪些行为和功能。5)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、交通规则等。6)说明用于说明实体数据的来源、质量等相关的信息。7)关系与其它实体的关系信息。二、地理空间数据GIS的数据结构2、GIS的空间数据根据空间数据的特征，可以把空间数据归纳为三类：1）属性数据——描述空间数据的属性特征的数据，也称非几何数据。即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等。2）几何数据——描述空间数据的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。即说明“在哪里”，如用X、Y坐标来表示。3）关系数据——描述空间数据之间的空间关系的数据，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。4）元数据，是描述数据的数据。在地理空间数据中，元数据说明空间数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息，便于数据生产者和用户之间的交流。二、地理空间数据GIS的数据结构根据数据来源的不同分为（据郭达志等)：几何图形数据：主要来源于各种类型的地图和实测几何数据。影象数据：主要来源于卫星遥感和航空遥感等。属性数据：来源于实测数据，文字报表，或地图中的各类符号说明，以及从遥感数据中通过解释得到的信息等。地形数据：来源于地形等高线图的数字化，已建立的格网状的数字化搞成模型（DTM），或其他形式表示的地形表面（如TIN）等。二、地理空间数据GIS的数据结构1)类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；2)面域数据：例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等；3)网络数据：例如道路交点、街道和街区等；4)样本数据：例如气象站、航线和野外样方的分布区等；5)曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域；6)文本数据：例如地名、河流名称和区域名称；7)符号数据：例如点状符号、线状符号和面状符号（晕线）等；根据表示对象的不同分为分为（据邬伦等)二、地理空间数据GIS的数据结构二、地理空间数据GIS的数据结构3、空间数据的特征空间数据具有三个基本特征（图2-1-2)：1）属性特征——用以描述事物或现象的特性，2）空间特征——用以描述事物或现象的地理位置，3）时间特征——用以描述事物或现象随时间的变化，GIS的数据结构第二章GIS的数据结构1、地理空间及其表达2、地理空间数据及其特征3、空间数据结构的类型4、空间数据结构的建立三、空间数据结构的类型GIS的数据结构数据结构即数据组织的形式，是适合于计算机存贮、管理、处理的数据逻辑结构。换句话说，是指数据以什么形式在计算机中存贮和处理。数据按一定的规律储存在计算机机中，是计算机正确处理和用户正确理解的保证。空间数据结构是空间数据在计算机中的具体组织方式。目前尚无一种统一的数据结构能够同时存储上述各种类型的数据，而是将不同类型的空间数据以不同的数据结构存储。一般来说，属性数据与其他信息系统一样常用二维关系表格形式存储。元数据以特定的空间元数据格式存储，空间特征数据是地理信息系统所特有的数据类型，主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。一、概念三、空间数据结构的类型GIS的数据结构三、矢量数据结构基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。它是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。矢量数据结构是最常见的图形数据结构，是一种面向目标的数据组织方式。矢量方法强调离散现象的存在，将线离散为一串采样点的坐标串，面状区域由边界线确定。由于矢量数据结构具有结构紧凑，冗余度低，利于网络、检索分析等优点，是GIS主要的数据存储结构之一。三、空间数据结构的类型GIS的数据结构A、矢量数据的图形表示矢量方法将地理现象或事物抽象为点、线、面实体，将它们放在特定空间坐标系下进行采样记录（图2-2-1）。1、点实体：记录点坐标和属性代码；2、线实体：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码；3、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。三、空间数据结构的类型GIS的数据结构B、矢量数据的获取方式矢量数据的获取方式通常有：

1)由外业测量获得，可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。

2)由栅格数据转换获得，利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。

3)跟踪数字化，用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。由于栅格数据自动矢量化技术还不成熟，人工跟踪数字化是当前获取矢量数据的最主要方法，但存在工作量大，数据获取困难等缺点。三、空间数据结构的类型GIS的数据结构C、矢量数据表示在GIS中，矢量数据表示时应考虑以下问题：1)矢量数据自身的存贮和处理。2)与属性数据的联系。3)矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。矢量数据的表示方法多种多样，但基本上类似，可触类旁通。下面分别介绍矢量数据的简单数据结构和拓扑数据结构。三、空间数据结构的类型GIS的数据结构一）简单数据结构矢量数据的简单数据结构分别按点、线、面三种基本形式来描述(图2-2-2)。三、空间数据结构的类型GIS的数据结构

1、标识码：按一定的原则编码，简单情况下可顺序编号。标识码具有唯一性，是联系矢量数据和与其对应的属性数据的关键字。属性数据单独存放在数据库中。

2、点结构中的X，Y坐标：是点实体的定位点，如果是有向点，则可以有两个坐标对。

3、线结构中的坐标对数n：是构成该线(链)的坐标对的个数。X,Y坐标串是构成线(链)的矢量坐标，共有n对。也可把所有线(链)的X,Y坐标串单独存放，这时只要给出指向该链坐标串的首地址指针即可。

4、面结构是链索引编码的面(多边形)的矢量数据结构，链数n指构成该面(多边形)的链的数目。链标识码集指所有构成该面(多边形)的链的标识码的集合，共有n个。这种结构具有结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示的优点。由于拓扑关系简单,这种数据结构主要用于矢量数据的显示、输出，以及一般的查询和检索。三、空间数据结构的类型GIS的数据结构二)拓扑数据结构具有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，还没有形成标准，但基本原理是相同的。拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸和压缩，但不能扭转或折叠，这时原来图形的有些属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性，后者称为非拓扑属性或几何属性(表2-1-1)。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。三、空间数据结构的类型GIS的数据结构点(结点)：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点等。线(链、弧段、边)：两结点间的有序弧段。面(多边形)：若干条链构成的闭合多边形。a、拓扑元素矢量数据可抽象为点(结点)、线(链、弧段、边)、面(多边形)三种要素，即称为拓扑元素。三、空间数据结构的类型b、拓扑关系的种类

1)关联：不同拓扑元素之间的关系。如结点与链，链与多边形等。

2)邻接：相同拓扑元素之间的关系。如结点与结点，链与链，面与面等。邻接关系是借助于不同类型的拓扑元素描述的，如面通过链而邻接。

3)包含关系：面与其它拓扑元素之间的关系。如果点、线、面在该面内，则称为被该面包含。如某省包含的湖泊、河流等。

4)几何关系：拓扑元素之间的距离关系。如拓扑元素之间距离不超过某一半径的关系。

5)层次关系：相同拓扑元素之间的等级关系。如国家由省(自治区、直辖市)组成，省(自治区、直辖市)由县组成等。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型c、编码方式拓扑数据结构的关键是拓扑关系的表示，而几何数据的表示可参照矢量数据的简单数据结构。在目前的GIS中，主要表示基本的拓扑关系，而且表示方法不尽相同。下面举一表示矢量数据拓扑关系的例子(图2-2-3)。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构GIS的数据结构三、栅格数据结构栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空间现象的，其数据结构简单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，是地理信息系统重要的一种空间数据存储结构。三、空间数据结构的类型栅格数据结构GIS的数据结构A、栅格数据的图形表示

栅格结构是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。换句话说，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、等级等的属性编码（图2-3-1）。三、空间数据结构的类型栅格数据结构GIS的数据结构1、点实体：表示为一个像元；2、线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合；3、面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。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。因此，栅格数据的比例尺就是栅格(像元)的大小与地表相应单元的大小之比，当像元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方面的偏差。三、空间数据结构的类型栅格数据结构GIS的数据结构B、栅格数据组织由于地理信息具有多维结构，而栅格结构中赋予每一个栅格的属性值是唯一的，这就要用多个栅格层数据来存储同一个地理区域的不同侧面信息（图2-3-2）。三、空间数据结构的类型栅格数据结构GIS的数据结构

如何在计算机中合理地组织这些栅格层数据以达到最优存储，空间最小，存取效率最高？如果每层像元的位置一一对应，则有3种可能的组织方式（图2-3-3）。三、空间数据结构的类型栅格数据结构方法a：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，因为栅格个数很多。方法b：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。方法c：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。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构C、栅格结构的建立要建立一个栅格数据结构需要明确三个内容：数据来源（即获取数据的途径），栅格系统的确定和栅格代码的确定。1）栅格数据的获取途径栅格数据的获取方式通常有：1、来自于遥感数据；2、来自于对图片的扫描；3、由矢量数据转换而来；4、由手工方法获取。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构2）栅格系统的确定栅格系统的确定包括栅格坐标系的确定和栅格单元尺寸的确定（图2-3-4）。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构3）栅格代码（属性值）的确定为了保证数据的质量，当一个栅格单元内有多个可选属性值时（图2-3-5），要按一定方法来确定栅格属性值。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构1、中心归属法：每个栅格单元的值由该栅格的中心点所在的面域的属性来确定，如图2-3-5中的(a)，栅格属性值可据此确定为B。2、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。如图2-3-5中的(c)，栅格属性值可据此确定为2。3、面积占优法：每个栅格单元的值由该栅格中单元面积最大的实体的属性来确定。如图2-3-5中的(a)，栅格属性值可据此确定为A。4、重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物的类型作为栅格单元的属性值。这种方法适用于具有特殊意义而面积较小的实体要素。若图2-3-5中的(b)，a代表草地，b代表铁路，栅格属性值可据此确定为b。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构D、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。这种记录栅格数据的文件常称为栅格文件（图2-3-6），且常在文件头中存有该栅格数据的长和宽，即行数和列数。这样，具体的像元值就可连续存储了。其特点是处理方便，但没有压缩。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构E、栅格数据结构的主要类型

栅格矩阵结构游程编码结构四叉树数据结构八叉树和十六叉树结构GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构1.

栅格矩阵结构栅格矩阵结构是指一种全栅格阵列的空间数据组织形式(图)。上述数据代表一个4×4阶的矩阵，如果矩阵的每个元素用一个双字节表示，则一个图层的全栅格数据所需要的存储空间为m(行)×n(列)×2(字节)。以一个面积为100km2的区域为例，如果网格边长取为lm，每个网格用一个双字节表示，则一个图层的要素就要占用200兆字节的存储空间，对一张图形或一幅图像来说，这是一个相当大的存储容量，而且随着空间分辨率的提高，存贮空间成几何级数递增。因此，栅格数据的压缩是栅格数据结构要解决的重要任务之一。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构2．游程编码结构游程指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。游程编码结构的建立方法是：将栅格矩阵的数据序列X1，X2…Xn映射为相应的二元组序列(Ai，Pi)，I=1，K，且K≤n。其中，A为属性值，P为游程，K为游程序号。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构空间要素的区域信息可用四叉树数据结构存储，这种数据结构的原理可以表述为：将空间区域按照四个象限进行递归分割(2n×2n，且n≧1)，直到子象限的数值单调为止。凡数值(特征码或类型值)呈单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。这样，对同一种空间要素；其区域格网的大小，随该要素分布特征而不同。3.四叉树数据结构GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构4.

八叉树和十六叉树结构为了表示三维、四维数据，较好的数据结构方式是在四叉树基础上发展起来的八叉树和十六叉树结构。八叉树结构是从四叉树结构直接发展而来的，其原理就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的于区域(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)，分解的次数越多，子区域就越小，一直到同一区域的属性单一为止。对于一个四维的时空目标，可以用线性十六叉树来表示。如一维时间和三维空间复合形成的四维时空数据结构的十六叉树自然数编码。GIS的数据结构三、空间数据结构的类型栅格数据结构4.

八叉树和十六叉树结构GIS的数据结构三、空间数据结构的类型矢量栅格一体化数据结构四、矢量