第二章 空间数据结构

1、NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 地理信息系统 的数据结构 遥感学院 地理信息系统系 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 目 录 o一、地理空间及其表达 o二、地理空间数据及其特征 o三、空间数据结构的建立 o四、空间数据结构的建立 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 一、地理空间及其表达一、地

2、理空间及其表达 1、地理空间的概念 n 在地理学上，地理空间地理空间是指物质、能量、信息的存在方式在形态、结构过 程、 功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。 n 地理信息系统中的地理空间地理空间概念一般包括地理空间定位框架地理空间定位框架及其所连所连 接的特征实体。接的特征实体。 地理空间定位框架即大地测量控制大地测量控制，由平面控制网平面控制网和高程控制网高程控制网组成。 n 目前，我国采用的大地坐标系为19801980年中国国家大地坐标系。年中国国家大地坐标系。 n 现在规定的高程起算基准面为19851985国家高程基准国家高程基准，该基准比原国务院 批准启用的“黄海平均海平面”

3、高29mm。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 一、地理空间及其表达一、地理空间及其表达 2、空间实体及其表达 地理空间特征实体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。 空间实体的两种数据表达方法：矢量表示法矢量表示法和栅格表示法。栅格表示法。 湖泊 河 道 居民地 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 NANJING UNI

4、VERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 二、地理空间数据及其特征二、地理空间数据及其特征 1、GIS的空间数据 （1） GIS空间数据的来源 （2） GIS空间数据的类型 2、空间数据的基本特征 （1） 空间数据的基本特征：空间特征空间特征、属性特征属性特征和时间特征。时间特征。 （2）空间数据的拓扑关系：邻接关系邻接关系、关联关系关联关系、包含关系包含关系。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （3）

5、 空间数据的计算机表示：指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达 空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。 以以ARC/INFO基于矢量数据模型的系统为例基于矢量数据模型的系统为例: 1）从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层。 2）将一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标，并以 弧段为基本存储目标。 2、空间数据的基本特征 二、地理空间数据及其特征二、地理空间数据及其特征 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结

6、构 遥感学院 3）对目标进行数字化表示： n对每个弧段目标分配一个用户标识码； n定位数据由一系列坐标定义； n弧段的拓扑关系由该弧段的始结点、终结点，左多边形和右多 边形四个数据项组成； n弧段的属性数据则存储在相应的属性表中。 二、地理空间数据及其特征二、地理空间数据及其特征 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 数据结构数据结构就是指数据组织的形式，是适合计算机存储、管理和处理的 数据逻辑结构。 一般分为基于矢量模型的数据结构基于矢量模型的

7、数据结构和基于栅格模型的数据结构基于栅格模型的数据结构。 矢量模型中，点点用空间坐标来表示； 线线由一串坐标对组成； 面面是由线所形成的闭合多边形。 栅格模型中，点点是一个像元； 线线由一定方向上连接成串的相邻像元组成； 面面由聚集在一起的相邻像元集合来表示。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 矢量数据结构矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、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。 主要分为三种类型： 简单数据结构简单数据结构 拓扑数据结构拓扑数据结构 曲面数

8、据结构曲面数据结构 1、矢量数据结构 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （1）简单数据结构）简单数据结构 1）数据结构 在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线、 多边形）为单元进行单独组织单独组织，不含有拓扑关系。 Spaghetti结构：点、线、多边形有各自的坐标表，互相之间并不 相连。 1、矢量数据结构 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICEN

9、CE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 Spagetti结构中，点的坐标表：结构中，点的坐标表： X,Y是位置坐标，A1, A2, , An是专题属性。 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 Spagetti结构中，线的坐标表：结构中，线的坐标表： 线表由线段记录相连而成，每条线 段由顺次相连的点或中间点来定义。 线表记录信息分为两类： ID号、中间点数目和其他属性特征 每个中间点的坐标 NANJING UNIVERS

10、ITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 Spagetti结构中，多边形的坐标表：结构中，多边形的坐标表： 与线表相似，但它最后一个结点坐 标值与第一个结点坐标值相同。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 2）主要特点： A、数据编排很直观； B、数据冗余、不一致； C、没有拓扑数据，互相之间不关联； D、岛只作为一个单个图形，与外界多边形没有联系。 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 1、矢量数据结构 （

11、1）简单数据结构）简单数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 1）数据结构 拓扑数据结构中，点是互相独立的。点连成线，线构成面。 线又称为弧段或链段弧段或链段； 两条以上的弧段相交的点称为结点结点； 由一条弧段组成的多边形称为岛。岛。 弧段是数据组织的基本对象。弧段是数据组织的基本对象。 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 1、矢量数据结构 （2）拓扑数据结构）拓扑数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNO

12、LOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 C4 N4 C8 C6 C7 N6 C10 N3 C3 N1 C2 N2 C1 C5 N5 C9 N7 拓扑数据结构图形基本元素 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 弧段号起结点终结点左多边形右多边形 拓扑数据结构的弧段文件构成 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （2）拓扑数据结构）拓扑数据结构 2）主要特点： 具有拓扑编辑功能：

13、能保证数字化原始数据的自动查错编辑； 可以自动形成封闭的多边形边界。 拓扑编辑功能包括： （1）多边形连接编辑：指顺序连接组成封闭多边形的一组线段的编辑。 （2）结点连接编辑：指顺序连接环绕某个结点的所有多边形的编辑。 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 1、矢量数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （3）曲面数据结构）曲面数据结构 曲面数据结构又称为TIN（Triangulated Irregular Network)数据结构， 即采用不规则三角网来拟和连续分布现象的覆

14、盖表面。 x, y 坐标表示三角网中三角形顶点的空间位置；z轴一般用于表示现 象的属性，如地形高程。 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 1、矢量数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 每个三角形构成一条记录，每个三角形构成一条记录， 包括：包括： n三角形标识码； n相邻三角形号； n三角形顶点号； n各顶点的空间坐标值（x,y,z）。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构

15、遥感学院 （1）定义）定义 栅格数据结构栅格数据结构是指将空间分割为大小均匀紧密相邻的网格阵列， 每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码来表示 该像元的属性类型或量值。 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 2、栅格数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 三角形三角形六边形六边形 菱形菱形 栅格数据的形状 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 2 2 湖

16、泊 河 道 居民地 流 路 1 1 11 1 1 1 11 4 2 2 2 2 2 2 2 33 3 3 栅格原点的确定 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （2）栅格数据精度）栅格数据精度 栅格数据精度由网格边长决定。 A A 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 2、栅格数据结构 2 1 min 2 1 AiH ； Ai Aimin H ni,.,3,2,1n 为区域多边形数； 表示网格边长； 表示研究区域内的所有多边形的面积序列； 表示研究区域内的最小的多边形的面积，图中用A

17、表示。 一般采用以下公式计算出合适的网格边长一般采用以下公式计算出合适的网格边长 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 栅格矩阵结构栅格矩阵结构 游程编码结构游程编码结构 四叉树数据结构四叉树数据结构 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 2、栅格数据结构 （3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 1）栅格矩阵结构）栅格矩阵结构 栅格矩

18、阵结构栅格矩阵结构是指一种全栅格阵列的数据组织形式。是指一种全栅格阵列的数据组织形式。 每个网格对应一种属性； 空间位置用行和列来标识。 存储空间存储空间 = 每个元素的存储空间 x 行数 x 列数 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 2）游程编码结构）游程编码结构 A、压缩规则：、压缩规则： 逐行读取栅格矩阵数据，逐行读取栅格矩阵数据， 将相邻的同值网格合并，并记将相邻的同值网格合并，并记 录合并后的网格值及被合并的录合并后的网格值及

19、被合并的 网格数。网格数。 2255 2755 7775 5555 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 具体的数据记录方法如下：具体的数据记录方法如下： 用一个二元组来表示一个记录，用一个二元组来表示一个记录， （A，P） 合并网格的属性值游程（合并的网格数） 经过压缩后的所有记录组成二元组序列（经过压缩后的所有记录组成二元组序列（Ai，Pi），），i=1，K，且，且KN. 2255 2755 7775 5555 2）游程编码结构）游程

20、编码结构 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 2255 2755 7775 5555 数据冗余度数据冗余度 压缩比压缩比 nm Q Re 1 KNS/ 2）游程编码结构）游程编码结构 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 B、差分映射预处理、差分映射预处理 某些类型数据的相邻数据某

21、些类型数据的相邻数据 具有高度的相关性，可先通过差具有高度的相关性，可先通过差 分映射进行预处理，然后再采用分映射进行预处理，然后再采用 游程长度压缩编码。游程长度压缩编码。 100110120130 110120130140 120130140150 130140150160 2）游程编码结构）游程编码结构 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 C、文件组织方法、文件组织方法 分别建立分别建立“索引文件索引文件”和和“数据文件数据文件”

22、 索引文件索引文件中，记录了栅格矩阵结构中的每一行所对应的游程累计数中，记录了栅格矩阵结构中的每一行所对应的游程累计数K。 数据文件数据文件中，记录着每个游程序号所对应的二元组的属性值。中，记录着每个游程序号所对应的二元组的属性值。 从位置参数访从位置参数访 问属性特征问属性特征 从属性查访从属性查访 分布位置分布位置 2）游程编码结构）游程编码结构 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型

23、3）四叉树数据结构）四叉树数据结构 A、原理：、原理：将空间区域按照四个象限进行递归分割，将空间区域按照四个象限进行递归分割， 直到子象限的数值单调为止。凡数值呈单调的单元，直到子象限的数值单调为止。凡数值呈单调的单元， 不论单元大小，均作为最后的存储单元。不论单元大小，均作为最后的存储单元。 这种数据这种数据 结构可以用树结构可以用树 状图来表示：状图来表示： 树根代表树根代表 整个区域；树整个区域；树 的每个结点有的每个结点有 四个分枝。四个分枝。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学

24、院 B、四分化的方式、四分化的方式 自上而下方式：自上而下方式：先检验全区域，其值 不单调时再四分划，直到数值或内容 单调为止。 2255 2755 7775 5555 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 3）四叉树数据结构）四叉树数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 B、四分化的方式、四分化的方式 自下而上方式：自下而上方式：对栅格矩阵结构的 每四个网格进行顺序扫描，如果四 个网格值相同，则合并；不同，则 作为四个叶结点记录。依此逐层向 上，直到 生成根结点。

25、2255 2755 7775 5555 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 3）四叉树数据结构）四叉树数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 C、建立四叉树的方法 常规四叉树编码：常规四叉树编码：每个结点存储6个量，即4个子结点指针， 1个父结点指针和1个结点值。 线性四叉树线性四叉树编码编码：每个结点存储3个量，即地址、深度和 结点值。 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 3）四叉树数据结构）四叉树数据结构 NANJING UNIVERSITY OF

26、 INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 线性四叉树编码算法：线性四叉树编码算法： 计算地址：1）十进制Morton码；2）四进制Morton码。 按地址由小到大排序，正是自下而上的扫描顺序； 扫描检测，判断相邻四个网格值是否完全相同，同则合并，地址为原 来四个单元的第一个单元地址； 若不同，则作为叶结点记录下来； 对于不是方阵的栅格数据，则以0补足进行计算。 （3 3）栅格数据的主要类型）栅格数据的主要类型 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS

27、的数据结构 遥感学院 （1） 矢量数据模型与栅格数据模型比较矢量数据模型与栅格数据模型比较 （2） 矢量与栅格一体化数据结构概念矢量与栅格一体化数据结构概念 （3） 矢量与栅格一体化数据结构设计矢量与栅格一体化数据结构设计 三、空间数据结构类型三、空间数据结构类型 3、矢量与栅格一体化数据结构 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （1）矢量数据模型与栅格数据模型比较 优点优点缺点缺点 矢矢 量量 数数 据据 结结 构构 数据结构严密，冗余度小，数据量小；数据结构严密，冗余度小，数据量小

28、； 空间拓扑关系清晰，易于网络分析；空间拓扑关系清晰，易于网络分析； 便于面向对象的数据表示便于面向对象的数据表示 图形显示质量好、精度高。图形显示质量好、精度高。 数据结构处理算法复杂数据结构处理算法复杂 多边形叠置分析困难；多边形叠置分析困难； 空间分析技术上比较复杂，需要更空间分析技术上比较复杂，需要更 复杂的软、硬件条件；复杂的软、硬件条件； 显示与绘图成本比较高。显示与绘图成本比较高。 栅栅 格格 数数 据据 结结 构构 数据结构简单，易于算法实现；数据结构简单，易于算法实现； 空间数据的叠置和组合容易，有利空间数据的叠置和组合容易，有利 于与遥感数据的匹配应用和分析；于与遥感数据的

29、匹配应用和分析； 各类空间分析，地理现象模拟均较各类空间分析，地理现象模拟均较 为容易；为容易； 输出方法快速，成本低廉。输出方法快速，成本低廉。 图形数据量大，用大像元减小数据图形数据量大，用大像元减小数据 量时，精度和信息量受损失；量时，精度和信息量受损失； 难以建立空间网络连接关系；难以建立空间网络连接关系； 投影变化实现困难；投影变化实现困难； 图形数据质量低，地图输出不精美图形数据质量低，地图输出不精美 。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （2）矢量与栅格一体化数据结构概

30、念）矢量与栅格一体化数据结构概念 理论基础 1）三个基本约定）三个基本约定 分别针对点、线、面目标数据结构的存储要求作三个约定。 2）多级格网法）多级格网法 所谓多级格网法，就是将栅格划分为多个级别的格网， 主要分为基本格网和细格网。 3）线性四叉树编码法（）线性四叉树编码法（Morton码）码） 对基本格网和细格网都采用线性四叉树编码方法进行编码。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 （3）矢量与栅格一体化数据结构设计）矢量与栅格一体化数据结构设计 1）点状目标和弧段结点的数据结构）

31、点状目标和弧段结点的数据结构 基于基本约定，只需将点坐标化为两个Morton码来表示它的位置。 2）线状目标和弧段数据结构 以弧段为存储单元：A、每条记录表示一条弧段；B、建立弧段与结点的拓扑 关联关系；C、用Morton码表示中间点的地址。 3）面状目标的数据结构 包含边界和边界所包围的整个区域： A、边界：由弧段组成，建立多边形与 弧段间的拓扑关系； B、边界包含的区域：二维行程数据结构来表示。 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 指根据确定的数据结构类型，形成该数据结构相适应的GIS空间数据的 整个过程。 主要为以下几个步骤： n根据用户需求，确定数据项目；根据用户需求，确定数据项目； n确定数据源；确定数据源； n数据分类和编码；数据分类和编码； n确定数据结构类型；确定数据结构类型； n数据输入与编辑操作数据输入与编辑操作。 四、空间数据结构的建立四、空间数据结构的建立 NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE & TECHNOLOGY 第二章 GIS的数据结构 遥感学院 1、系统功能与数据间的关系 系统的功能需求决定