第2章-地理信息系统的数据结构

第2章地理信息系统的数据结构在GIS中，地理空间数据是极其重要的组成部分。GIS的数据结构主要是用来解决地理空间数据以什么样的形式存储到GIS中的问题。第1节地理空间及其表达第2节地理空间数据及其特征第3节空间数据结构的类型第4节空间数据结构的建立第2

章地理信息系统的数据结构第1节地理空间及其表达空间数据结构的建立是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应的GIS空间数据，为空间数据库的建立提供基础。第1节地理空间及其表达一、地理空间的概念二、空间实体的表达一、地理空间的概念

地理空间一般指上至大气电离层，下至地壳与地幔交界的莫霍界之间的空间区域。GIS中也常使用“地理空间”（geo-spatial）来表达空间的概念。要在地理空间中准确测定位置需要采用一种空间定位框架来完成。地理空间定位框架就是大地测量控制系统，用以建立地球的几何模型来精确地测量地球上任意一点的坐标，包括平面位置和高度值。第1节地理空间及其表达（一）平面控制网（二）高程控制网一、地理空间的概念第1节地理空间及其表达平面控制网用以确定物体在地球上的平面位置，通常是地理经纬度坐标。确定经纬度首先需要精确地了解地球表面的形状。测量的依据——基准面大地水准面→旋转椭球体目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇。（一）平面控制网第1节地理空间及其表达我国现有三种大地坐标系并存：一是1954年北京坐标系；二是1980年国家大地坐标系；三是地心坐标系。（详细内容已在《地图学》课程中学过）其中1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系中的点的坐标，更多的是将其投影至高斯-克吕格投影平面，以平面坐标x，y形式表示，用于测绘制作地形图。（一）平面控制网第1节地理空间及其表达高程指空间某点高于或低于基准面的垂直距离，主要用来提供地形信息。高程基准面即大地水准面。我国现在规定的高程基准面为“1985国家高程基准”，比原先使用的“黄海平均海平面”高29mm。（详细内容已在《地图学》课程中学过）（二）高程控制网第1节地理空间及其表达二、空间实体的表达地理空间的实体包括点（point）、线（line）、面（polygon）、曲面（surface）、体（volume）等类型。在计算机中，现实世界以数字形式表达和记录。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。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。它们分别对应矢量数据模型和栅格数据模型。第1节地理空间及其表达矢量图栅格图西郊机场第1节地理空间及其表达第2节地理空间数据及其特征第3节空间数据结构的类型第4节空间数据结构的建立第2

章地理信息系统的数据结构第2节地理空间数据及其特征

空间数据是GIS的核心，因为GIS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GIS的第一步工作就是根据系统的功能，获取所需要的空间数据，并创建数据库。空间数据库内通常保存各种不同类型的空间数据，空间数据的分类有多种方式。一、GIS空间数据的分类二、空间数据的基本特征三、空间数据的拓扑关系四、空间数据的计算机表示第2节地理空间数据及其特征（一）按照数据来源（二）按照数据结构（三）按照数据特征（四）按照数据几何特征（五）按照数据发布形式一、GIS空间数据的分类第2节地理空间数据及其特征

（1）地图数据来源于各种类型的普通地图和专题地图。

（2）影像数据

主要来源于卫星遥感和航空遥感，也是GIS的最有效的数据源之一。（3）文本数据来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。（一）按照数据来源分类第2节地理空间数据及其特征

（1）矢量数据矢量数据是用欧式空间的点、线、面等集合元素来表达空间实体的几何特征的数据。

（2）栅格数据

栅格数据是将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表达空间实体的一种数据组织形式。（二）按照数据结构来源分类第2节地理空间数据及其特征

（1）空间定位数据空间定位数据是表达空间实体在地球上位置的坐标数据。

（2）非空间属性数据

非空间属性数据是有关空间实体自身的名称、种类、质量、数量等特征的数据。（三）按照数据特征分类第2节地理空间数据及其特征（1）点是对0维的空间实体的抽象数据。（2）线

是对1维的空间实体的抽象数据。（3）面是对2维的空间实体的抽象数据。（4）曲面是对在面上连续分布的空间实体的抽象数据，常被称为2.5维数据。（四）按照数据几何特征分类第2节地理空间数据及其特征（1）数字线画图（DLG）数据

（2）数字栅格图（DRG）数据

（3）数字高程模型（DEM）数据（4）数字正射影像（DOM）数据（五）按照数据发布形式分类第2节地理空间数据及其特征（一）基本特征（1）空间特征（2）属性特征（3）时间特征（二）基本信息即一幅图传递的基本信息。二、空间数据的基本特征第2节地理空间数据及其特征

（1）空间特征是指空间物体的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻物体的拓扑关系。位置和拓扑特征是地理或空间系统所独有的，空间位置可以由不同的坐标系统来描述，如经纬度坐标、一些标准的地图投影坐标等。人类对空间目标的定位一般不是记忆其空间坐标，而是确定某一目标与其他更熟悉的目标间空间位置关系，而这种关系往往也是拓扑关系。（一）基本特征第2节地理空间数据及其特征

（2）属性特征指的是除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征，即专题信息。如地形的坡度、坡向、某地的降水量、土壤酸碱度、土地利用类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。属性数据本身属于非空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分，它同空间数据相结合，才能表达空间实体的全貌。（一）基本特征第2节地理空间数据及其特征

（3）时间特征

是指一定区域内的地理现象和过程随着时间的变化情况，称为时态数据。它们可以同时随时间变化，也可以分别独立随时间变化，这说明了空间数据的时间性或周期性。（一）基本特征第2节地理空间数据及其特征三、空间数据的拓扑关系第2节地理空间数据及其特征拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在GIS中，它不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。

1、拓扑关系的类型

2、空间拓扑关系的意义三、空间数据的拓扑关系第2节地理空间数据及其特征1、拓扑关系的类型（1）拓扑邻接（2）拓扑关联（3）拓扑包含2、空间拓扑关系的意义（1）便于确定地理实体间空间位置关系。（2）利用拓扑数据有利于空间要素的查询。（3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。（1）拓扑邻接表示图形元素（通常指同类元素）之间的相邻性。如多边形之间、弧段之间的邻接性等。（表中值为1表示所对应多边形相邻接。）第2节地理空间数据及其特征P1P2P3P4P1-110P21-11P311-0P4010-多边形之间的关系表a2a7a3a1a6a5a4N1N2N3N4N5P1P2P3P4邻接多边形P1P2P3P2P2P3P4P3P1P2a4P4P2a2a7a3a1a6a5a4N1N2N3N4N5P1P2P3P4结点N1N2N3N4N5N1-1110N21-110N311-10N4111-0N50000-结点之间的关系表弧段之间的关系表弧段a1a2a3a4a5a6a7

a1-110110a21-11010a311-1100a4011-110a51011-10a611011-0

a7000000-（2）拓扑关联表示图形基本元素间（常指不同元素间）的联接关系。如结点与弧段之间，多边形与弧段之间。第2节地理空间数据及其特征a1a2a7a3a6a5a4N1N2N3N4N5P1P2P3P4弧段起点终点

a1N2N1a2N2N3a3N3N1a4N3N4a5N1N4a6N4N2

a7N4N5结点弧段N1a1a3a5N2a1a2a6N3a2a3a4N4a4a5a6N5a7弧段和结点之间的关系表弧段左多边形右多边形

a1P1/a2/P2a3/P3a4P3P2a5P1P3a6P1P2

a7P4P2弧段和多边形之间的关系表（3）拓扑包含指点、线、面之间的相互包含关系，通常是指面状实体中包含的其它面状实体或线状、点状实体的关系。面状实体中包含面状实体情况又分为三种情况：第2节地理空间数据及其特征拓扑型—拓扑关系应用点—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？肺癌病在区内分布拓扑型—拓扑关系应用线—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？拓扑型—拓扑关系应用返回…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？多边形不封闭节点不重合

不及过头正常多边形

不规则多边形

常见不规则问题

伪节点（PseudoNode）悬挂节点（DanglingNode）“碎屑”多边形或“条带”多边形（SliverPolygon）不正规的多边形（WeirdPolygon）四、空间数据的计算机表达第2节地理空间数据及其特征

空间数据结构是GIS的核心技术，用于组织和建立空间数据之间的联系，以便计算机存储和操作。

GIS中空间数据计算机表示的基本方法：（1）空间分幅（2）属性分层（3）时间分段第1节地理空间及其表达第2节地理空间数据及其特征第3节空间数据结构的类型第4节空间数据结构的建立第2

章地理信息系统的数据结构第3节空间数据结构的类型

数据结构即数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理、处理的数据逻辑表达。数据按一定的规律存储在计算机中，是计算机正确处理和用户正确理解的保证。

空间数据结构是一种用来表达空间数据的数据结构，分为矢量数据结构、栅格数据结构。

曲面数据结构——一种用来表达空间曲面、体的数据结构。第3节空间数据结构的类型一、矢量数据结构

（一）实体数据结构（二）拓扑数据结构二、栅格数据结构（一）栅格矩阵结构（二）游程编码结构（三）四叉树结构三、曲面数据结构（一）TIN的曲面数据结构（二）规则格网的曲面数据结构一、矢量数据结构第3节空间数据结构的类型基于矢量模型的数据结构简称矢量数据结构矢量，即向量，数学上称“具有大小和方向的量”为矢量。在GIS的图形中，弧段也可直观地看作是一个矢量。

矢量数据结构是利用欧几里德（Euclid）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。

优点：这种数据组合方式能很好地表达地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低。

不足：对于多层空间数据的叠合分析比较困难。矢量数据结构编码的基本内容

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；矢量数据结构编码的基本内容

标识码属性码空间对象编码唯一连接空间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XY1112223344………n5566存储方法空间数据按照基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，其中不含有拓扑关系的信息，最典型的事所谓面条（Spaghetti）结构。采用这种数据结构的有ArcViewGIS的Shape文件和MapInfo的Tab文件等。这种数据结构的主要特点：

①数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。②每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，容易造成数据冗余和不一致。③点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，相互之间不关联。④岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。（一）实体数据结构第3节空间数据结构的类型

ESRI公司的Shapefile文件是描述空间数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结构的一种格式。一个Shapefile文件包括一个主文件（*.shp），一个索引文件（*.shx）和一个dBASE表文件（*.dbf）。

几何和属性间的一一对应关系是基于一个不重复的记录顺序代码来实现的，在dBASE表文件中的属性记录和主文件中的记录是相同顺序的。（一）实体数据结构第3节空间数据结构的类型简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）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),(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),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)索引式线与多边形之间的树状索引

点与多边形之间的树状索引

包括DIME（DualIndependentMapEncoding，对偶独立地图编码法）、POLYVRT（多边形转换器）、TIGER（地理编码和参照系统的拓扑集成）等。共同特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面。弧段：构成多边形的线。岛或洞：由一条弧段组成的多边形。简单多边形：不含岛的多边形。复合多边形：含岛的多边形。岛看做是复合多边形的内边界。（二）拓扑数据结构第3节空间数据结构的类型在这种数据结构中，弧段是数据结构的基本对象。（二）拓扑数据结构第3节空间数据结构的类型DIME编码

该文件由线段组成。每条线段包括线段名、线段的起结点和终结点、线段的左、右区号及线段所表示街道两边的地址范围。（二）拓扑数据结构第3节空间数据结构的类型1234567891011P1P2点码点坐标12（x1,y1）…11（x2,y2）（x11,y11）L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12段码起点L1…终点左区右区L2L312P0P123P0P11011P2P0P0二、栅格数据结构第3节空间数据结构的类型基于栅格模型的数据结构简称栅格数据结构，是指将空间分割成有规则的网格（栅格单元），在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。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。栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西北角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率二、栅格数据结构第3节空间数据结构的类型栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，每个网格对应一种属性。其空间位置用行和列标识网格通常是正方形，有时也采用矩形、等边三角形和正六边形。

优点：表达地理要素比较直观，容易实现多层数据的叠合操作，便于与遥感图像及扫描输入数据相匹配使用等。

缺点：数据精度取决于网格的边长，当网格边长缩小时，网格单元的数量将呈几何级数递增；冗余度大；对于网络分析比较困难。

栅格矩阵结构是一种用矩阵来存储栅格数据单元的存储结构，属于最简单和直观的栅格数据编码法。它对栅格图从左上角开始逐行逐列地存储数字化代码。（一）栅格矩阵结构第3节空间数据结构的类型栅格数据单元值确定CAB长度占优法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB为了逼近原始数据精度，除了采用这几种取值方法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格单元总数的方法栅格数据取值方法①面积占优法：把栅格中占有最大面积的属性值定为本栅格元素的值。第3节空间数据结构的类型（一）栅格矩阵结构栅格数据取值方法

②中心点法：将栅格中心点的值作为本栅格元素的值。第3节空间数据结构的类型（一）栅格矩阵结构栅格数据取值方法

③长度占优法：在网格中心画一横线，用横线所占最长部分的属性值作为本栅格元素的值。第3节空间数据结构的类型（一）栅格矩阵结构栅格数据取值方法④重要性法：突出某些主要属性，对于这些属性，只要在栅格中出现，不管所占比例大小，就把该属性作为本栅格元素的值。假设D属性重要：第3节空间数据结构的类型（一）栅格矩阵结构栅格数据压缩存储的编码方法AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3链式编码游程编码逐行编码数据结构:行号,属性,重复次数1,A,4,R,1,A,4块状编码正方形区域为记录单元数据结构:初始位置,半径,属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…NESWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码

游程编码结构是逐行将相邻同值的栅格合并，记录合并后栅格的值及合并栅格的数量（即游程），其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。游程(行程)编码是对具有块状地物的栅格数据进行压缩编码的方法。GIS研究对象多为块状地物。游程编码以行为单位，将栅格数据矩阵中属性相同的连续栅格视为一游程。分为游程终点（值）编码和游程长度编码。（二）游程编码结构第3节空间数据结构的类型游程终点（止）编码

编码中第一行（0，1）表示属性0的栅格终止点为1列，（4，3）表示属性值为4的栅格终止点为第3列……。从游程终点值可算出每个属性值所占栅格数。如属性值为7的栅格数为8-3=5。（二）游程编码结构第3节空间数据结构的类型游程长度编码

表第一行(0，1)表示属性值为0的栅格数为1，(4，2)表示属性值为4的栅格点数为2…..第一行总栅格数为1+2+5=8。(0，1)，(4，2)，(7，5)(4，5)，(7，3)(4，4)，(8，2)，(7，2)(0，2)，(4，1)，(8，3)，(7，2)(0，2)，(8，4)，(7，1)，(8，1)(0，3)，(8，5)(0，4)，(8，4)(0，5)，(8，3)第3节空间数据结构的类型（二）游程编码结构注意：游程编码只考虑了水平间的相关性（行内），而未考虑垂直间的相关性（行间）。游程越长，编码效率越高。游程编码对面积较大的图形，数据压缩率高，易于实现叠加、合并和检索运算。在GIS中应用很广。当栅格数据为DEM时，可先进行差分映射预处理，再采用游程长度压缩编码法。过程如下：第3节空间数据结构的类型（二）游程编码结构第3节空间数据结构的类型（二）游程编码结构第3节空间数据结构的类型（二）游程编码结构栅格数据经过压缩处理，得到游程编码数据序列，为了提高系统对数据的访问效率，常采用索引顺序文件的方法来组织数据。第3节空间数据结构的类型（二）游程编码结构2.5四叉树数据结构(QuadtreeCode)

又称四分树、四元树编码，有多种编码方案。2.5.1常规四叉树基本思想是把栅格地图等分成4等分，若每个子区中栅格值相同则不再分割，否则将该区再分割成4个子区，直到每个子块都含有相同的属性值为止，这称为自上往下(Top-to-Down)的常规四叉树。也可自下而上(Down-to-Top)建立。下图是利用自上而下方法寻找栅格A的过程：自下而上建立四叉树的顺序2.5.2线性四叉树常规四叉树占空间大，因为要记录所有结点值和结点之间的关系。而线性四叉树是通过编码四叉树的叶结点表示数据块的层次和空间关系。只需要记录叶结点的地址码(Z形编码即莫顿码和深度)和属性码。四叉树优点：（1）具有可变分辨率，编码效率高；（2）便于岛的表示和分析。（3）便于同栅格之间相互转换。四叉树缺点：转换不稳定性。相同形状和大小的多边形可能得出多种不同的四叉树结构。三、曲面数据结构TIN的曲面数据结构存储每个三角形的记录数据项包括：三角形标识码、相邻三角形标识码、顶点标识码Grid的曲面数据结构数据结构类似于矩阵形式的栅格数据，只是属性值为高程或连续分布现象的数值矢量与栅格数据结构的比较比较内容矢量结构栅格结构数据结构结构复杂、紧凑、冗余度低简单、冗余度高数据量小大图形精度高低遥感影像格式不一致一致或接近数据共享不易实现容易实现拓扑和网络分析容易实现不易实现叠置分析不易实现容易实现矢量栅格一体化数据结构基本思想：既具有矢量实体的概念又有栅格覆盖的思想三个基本约定：点目标：表示其位置和结点、弧段拓扑关系线目标：以栅格形式表示其位置和拓扑关系面目标：以栅格形式表示边界和由边界组成的区域空间目标的表达：基于多级格网的，以栅格像元的Morton码表示空间实体的位置，同时表达目标间的拓扑关系第1节地理空间及其表达第2节地理空间数据及其特征第3节空间数据结构的类型第4节空间数据结构的建立第2

章地理信息系统的数据结构第4节空间数据结构的建立空间数据结构的建立是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应的GIS空间数据，为空间数据库的建立提供基础。第4节空间数据结构的建立一、系统功能与数据源间的关系二、空间数据的分类与编码三、矢量数据的输入与编辑四、栅格数据的输入五、曲面数据的输入一、系统功能与数据源间的关系

GIS数据的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系。确定专题数据是由系统的功能所决定的。第4节空间数据结构的建立二、空间数据的分类与编码（一）空间数据的分类（二）空间数据的编码第4节空间数据结构的建立定义：是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层，为数据采集、存储、管理、查询和共享提供依据。分类原则：图形原则，将空间数据分为点、线、面三种类型对象原则，例如河流和道路，虽然它们都同为线状要素，但是属于不同的地理对象，应当作为不同的数据存储层。（一）空间数据的分类第4节空间数据结构的建立定义：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程。编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成，或由它们共同组成的混合码。目的：是用来提供空间数据的地理分类和特征描述，同时为了便于地理要素的输入、存储、管理，以及系统之间数据交换和共享的需要。我国基础地理信息数据，其分类代码由六位数字组成。代码结构如下所示。*

*

**

*

*

大类码识别码

小类码二级代码一级代码（二）空间数据的编码第4节空间数据结构的建立第4节空间数据结构的建立身份证号码第4节空间数据结构的建立身份证号码第4节空间数据结构的建立身份证号码第4节空间数据结构的建立身份证号码第4节空间数据结构的建立第4节空间数据结构的建立示意图第4节空间数据结构的建立第4节空间数据结构的建立思考一下还有什么代码和我们的学习生活息息相关？学号40909***第4节空间数据结构的建立第4节空间数据结构的建立40909***三、矢量数据的输入与编辑

矢量数据的输入过程实际上是产生和矢量数据结构相适应的GIS空间数据的过程，即把经过分类和编码的地理要素的空间位置，转换为一系列坐标，然后将这些坐标按照确定的数据格式存入到计算机中去。这一过程常常称为数字化。数字化的方法包括：手扶跟踪数字化仪数字化、屏幕数字化、扫描矢量化等。

第4节空间数据结构的建立①手扶跟踪数字化仪手扶跟踪数字化仪，根据其采集数据的方式分为机械式、超声波式和全电子式三种，其中全电子式数字化仪精度最高，应用最广。它由电磁感应板、游标和相应的电子电路组成。按照其数字化版面的大小可分为A0、A1、A2、A3、A4等。②数字化过程把待数字化的图件固定在图形输入板上，首先用鼠标器输入图幅范围和至少四个控制点的坐标，随后即可输入图幅内各点、曲线的坐标。但由于数字化的速度比较慢，工作量大，自动化程度低，数字化的精度与作业员的操作有很大关系，所以，目前很多单位在大批量数字化时，已不再采用它。手扶跟踪数字化仪输入三、矢量数据的输入与编辑屏幕数字化的过程如下：