GIS数据结构学习课程

1、地球模型地球模型地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体第1页/共121页第一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。地理空间坐标系地理空间坐标系 地理坐标系是以地理极地理坐标系是以地理极( (北极、南极北极、南极) )为极点为极点 通过通过A A点作椭球面的垂线，点作椭球面的垂线，称之为过称之为过A A点的法线点的法线 法线与赤道面的交角，法线与赤道面的交角，叫做叫做A A点的纬度点的纬度 过过A A点的子午面与通过英点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做面所夹的二面角，叫做A A点的经度点的经度 NSQ 赤道纬线本初子午线EA第2页/共121页第二

2、页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。坐标参考系统坐标参考系统平面系统平面系统直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置投影第3页/共121页第三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。坐标系统坐标系统高程系统高程系统任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB第4页/共121页第四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。水准原点水准原点19851985国家高国家高程基准，程基准，72.260472.2604米米黄海海面黄海海面1952-19791952-1979年平年平均海水面为均海水面为0 0米米第5页/共121页第五

3、页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。地图投影：投影实质地图投影：投影实质 建立地球椭球面上各点的大建立地球椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变地坐标，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。换为平面上相应点的平面直角坐标。 ),(),(21fyfx第6页/共121页第六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。地图投影：投影变形地图投影：投影变形 将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免

4、的。n 长度变形长度变形n 面积变形面积变形n 角度变形角度变形第7页/共121页第七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。地图投影：投影分类地图投影：投影分类n变形分类：变形分类： 等角投影：投影前后角度不变等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变；等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形任意投影：角度、面积、长度均变形n投影面：投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面方位投影：投影面为平面n投影面位置：投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合正轴投影

5、：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割相割投影：投影面与椭球体相割第8页/共121页第八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。地图投影：投影选择因素地图投影：投影选择因素制图区域的地理位置、形状和范围制图区域的地理位置、形状和范围制图比例尺制图比例尺地图内容地图内容出版方式出版方式第9页/共121页第九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。GISGIS中地图投影中地图投影

6、地图投影在地图投影在GISGIS中不可缺少中不可缺少空间数据空间数据- -地理坐标地理坐标- -平面坐标（投平面坐标（投影变换）影变换）一般采用国家基本系列地图所用的一般采用国家基本系列地图所用的投影投影第10页/共121页第十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。我国常用地图投影我国常用地图投影1 1：100100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）投影）大部分分省图、大多数同级比例尺也采大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影用兰勃投影1 1：5050万、万、1 1：2525万、万、1 1：1010万、万、1 1：5 5万、万、1 1：2.52.5万、万、1:

7、11:1万、万、1 1：50005000采用高斯采用高斯克吕格投影。克吕格投影。第11页/共121页第十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。空间实体空间实体1 1、空间实体的特征、空间实体的特征空间特征空间特征用以描述事物或现象的地理用以描述事物或现象的地理 位置以及空间位置相互关系位置以及空间位置相互关系属性特征属性特征用以描述事物或现象的特性用以描述事物或现象的特性时间特征时间特征用以描述事物或现象随时间用以描述事物或现象随时间 的变化的变化第12页/共121页第十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。第13页/共121页第十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。第14页/共121

8、页第十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。2 2、空间实体数据的类型、空间实体数据的类型属性数据属性数据描述空间实体的属性特征描述空间实体的属性特征 的数据。的数据。几何数据几何数据描述空间实体的空间特征描述空间实体的空间特征 的数据，的数据，一般用经纬度、一般用经纬度、 坐标表达。坐标表达。关系数据关系数据描述空间实体之间的空间描述空间实体之间的空间 关系的数据关系的数据，如邻接、包如邻接、包 含、关联等，一般通过拓含、关联等，一般通过拓 扑关系表达。扑关系表达。第15页/共121页第十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。3 3、空间对象（实体）的地图表达、空间对象（实体）的地图表达

9、点：位置：（x，y） 属性：符号线：位置： (x1,y1),(x2,y2),(xn,yn) 属性：符号形状、颜色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(,(xn,yn) ) 属性：符号变化 等值线 第16页/共121页第十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。空间对象（实体）的遥感影像表达空间对象（实体）的遥感影像表达遥感传感器平台传感器第17页/共121页第十七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。空间现象及其描述空间现象及其描述现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达 第18页/共121页第十八页，编辑于星期五：

10、二十一点 二十六分。空间对象（实体）类型空间对象（实体）类型空间对象一般按地形维数进行归类划分空间对象一般按地形维数进行归类划分点：零维点：零维线：一维线：一维面：二维面：二维体：三维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前时间：通常以第四维表达，但目前GISGIS还很难处理时间属性。还很难处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的空间对象的维数与比例尺是相关的第19页/共121页第十九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。第20页/共121页第二十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。第21页/共121页第二十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。点实体点实体有位置，无宽度和长度；有位置，

11、无宽度和长度；抽象的点抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站美国佛罗里达洲地震监测站20022002年年9 9月该洲月该洲可能的可能的500500个地震位置个地震位置第22页/共121页第二十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。线实体线实体有长度，但无宽度和高度有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离度量实体距离香港城市道路网分布第23页/共121页第二十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。面实体面实体具有长和宽的目标具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形通常用来表示自然或人工的封闭多边形一般分为连续面

12、和不连续面一般分为连续面和不连续面中国土地利用分布图（不连续面）第24页/共121页第二十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。空间对象：面（续）空间对象：面（续）连续变化曲面：如地形起伏，连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化整个曲面在空间上曲率变化连续。连续。不连续变化曲面，如土壤、森不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部变化发生在边界上，面的内部是同质的。是同质的。第25页/共121页第二十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。空间对象：体空间对象：体有长、宽、高的目标有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自

13、然的三维目标，如建筑、矿体通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标等三维目标香港理工大学校园建筑第26页/共121页第二十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。第二节第二节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征1、空间数据空间数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示是各种地理特征和现象间关系的符号化表示。空间特征空间特征 表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。属性特征属性特征 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量表示实

14、体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特特征等。征等。时间特征时间特征 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。的、短期的、中期的和长期的。第27页/共121页第二十七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 GIS GIS的空间数据的分类的空间数据的分类地图数据地图数据 地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源息系统最重要得信息源 遥感数据遥感数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）片）地形数据地形数据属性数据

15、属性数据 统计数据、实测数据及各种文字报告统计数据、实测数据及各种文字报告元数据元数据第28页/共121页第二十八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。地理空间数据的类型地理空间数据的类型1 1 类型数据类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。：居民点、交通线、土地类型分布等。2 2 面域数据面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3 3 网络数据网络数据：道路交叉点、街道和街区等。：道路交叉点、街道和街区等。4 4 样本数据样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。：气象站、航线和野外样方的分布区等。5 5 曲面数据曲面数据 ：高程点、等高线和

16、等值区域。：高程点、等高线和等值区域。6 6 文本数据文本数据：如地名、河流名和区域名称。：如地名、河流名和区域名称。7 7 符号数据符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。：点状符号、线状符号和面状符号等。 第29页/共121页第二十九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。元数据元数据 “metameta”是一希腊语词根，意思是是一希腊语词根，意思是“改变改变”，“MetadataMetadata”一词的原意是关于数据变化的描一词的原意是关于数据变化的描述。述。 一般都认为元数据就是一般都认为元数据就是 “关于数据的数据关于数据的数据”。 第30页/共121页第三十页，编辑于星期五：二十一

17、点 二十六分。元数据的主要作用元数据的主要作用 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档数据文档 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据空间数据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息以及与

18、数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断正确的判断 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。 第31页/共121页第三十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。2 2、空间数据的拓扑关系、空间数据的拓扑关系什么叫拓扑？什么叫拓扑？TopologyTopology一词来自希腊文，一词来自希腊文，它的原意是它的原意是“形状的研究形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性

19、不变的几何属性拓扑属拓扑属性。性。第32页/共121页第三十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。拓扑邻接：拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。拓扑关联：拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。拓扑包含：拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。地理空间数据的拓扑关系地理空间数据的拓扑关系不 同 类同 类同类不同级第33页/共121页第三十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。N11256473P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：拓扑邻接：N N1 1/ /N N2 2 , ,N N1 1/ /N N3 3 , ,N N1 1/ /N N4 4

20、; ;P P1 1/ /P P3 3 ; ;P P2 2/ /P P3 3拓扑关联：拓扑关联：N N1 1/1 1、3 3 、6 6 ；P P1 1/1 1、5 5 、6 6 拓扑包含：拓扑包含：P P3 3与与P P4 4第34页/共121页第三十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。空间数据的拓扑关系空间数据的拓扑关系0 拓扑元素：拓扑元素：q 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点点q 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段q 面：若干弧段组成的多边形面：若干弧段组成的多边形0 基本拓扑关

21、系基本拓扑关系q 关联：不同拓扑元素之间的关系关联：不同拓扑元素之间的关系q 邻接：相同拓扑元素之间的关系邻接：相同拓扑元素之间的关系q 包含：面与其他元素之间的关系包含：面与其他元素之间的关系q 层次：相同拓扑元素之间的层次关系层次：相同拓扑元素之间的层次关系q 拓扑元素量之间的关系：欧拉公式拓扑元素量之间的关系：欧拉公式0 点、线、面之间的拓扑关系点、线、面之间的拓扑关系第35页/共121页第三十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:第36页/共121页第三十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面

22、线线第37页/共121页第三十七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。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: 结点数a: 弧段数b: 多边形数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 = 2， c = 1，p=2（图形数）n = 4， a = 5b = 2， c = 1n = 10， a = 12b = 3， c = 1第38页/共12

23、1页第三十八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。空间拓扑关系表达关系表abcdefgACBDEP4P0P1P2P3面域与弧段的拓扑关系面 域弧 段P1a, b, c, -gP2b, d, fP3c, f, eP4g结点与弧段的拓扑关系结 点弧 段Aa, c, eBa, d, bCd, e, fDb, f, cEg 弧段与结点的拓扑关系弧 段结 点aA , BbB , DcD , AdB , CeC , AfC , DgE , E弧段与面域的拓扑关系弧段 左邻面 右邻面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1第39页/共121页第三十九页，编辑于星期五：二十一点 二十

24、六分。第三节第三节 空间数据结构的类空间数据结构的类型型空间数据结构空间数据结构矢量数据结构矢量数据结构栅格数据结构栅格数据结构栅格结构与矢量结构的比较栅格结构与矢量结构的比较第40页/共121页第四十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。一、常用的空间数据结构一、常用的空间数据结构XYijx1 y1x2 y2xi yixn yn数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。间排列方式和相互关系的抽象描述。第4

25、1页/共121页第四十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。矢量数据结构矢量数据结构矢量数据结构矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、面地理实体表现得精确地将点、线、面地理实体表现得精确无误。无误。l 矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。l 矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。第42页/共121页第四十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。矢量数据结构编码的基本内容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

26、空间关系来表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。达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形面：多个弧段组成的封闭多边形；第43页/共121页第四十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。矢量数据结构编码的基本内容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 ) , , ( x

27、1 , y1 )点位字典点: 点号文件线: 点号串面: 点号串点号XY1112223344n5566存储方法第44页/共121页第四十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。点实体 第45页/共121页第四十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。线实体 多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。 第46页/共121页第四十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构面条结构（实体式）面条结构（实体式）只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关

28、只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。系。0存储：存储：q 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；q 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成0特征特征l 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询l 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性l 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；l 处理嵌套多边形比较麻烦处理嵌套多边形比较麻烦0适用范围：

29、适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析制图及一般查询，不适合复杂的空间分析第47页/共121页第四十七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构面条结构（实体式）面条结构（实体式）12345678910111213141516171819202122232425262728293031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),

30、(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),

31、(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)第48页/共121页第四十八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。索引式 BCDEabcfghefibcij12345678910111213141516171819202122232425262728293031线与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引 第49页/共121页第四十九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。双重独立式双重独立式DIME(Dual lndependent Map Encoding) ABCDOabcdefghijklmn123456789101112线号左多边形右多边形起点终点aOA18bOA21cOB32

32、dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件 第50页/共121页第五十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。链状双重独立式链状双重独立式 链状双重独立式数据结构是链状双重独立式数据结构是DIMEDIME数据结构的一种改进。在数据结构的一种改进。在DIMEDIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的中，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。面域来表示，而在链状数据结构中，

33、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。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。 第51页/共121页第五十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。弧段文件弧段号起始点终结点左多边形右多边形a51OAb85EAc168EBd195OEe1519ODf1516DBg115OBh81ABi1619DEj3131BC弧段坐标文件弧段号点 号a5,4,3,2,1b8,7,6,5c16,17,8d19,18,5e15,23,22,21,20,19f

34、15,16,g1,10,11,12,13,14,15h8,9,1i16,19j31,30,29,28,27,26,25,24,31链状双重独立式链状双重独立式 12345678910111213141516171819202122232425262728293031多边形文件多边形号弧段号周长 面积 中心点坐标Ah,b,aBg,f,c,h,-jCjDe,i,fEe,i,d,b第52页/共121页第五十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 空间实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联和包含等空间相互关系特征，由于描述空间实体的这种关系不需要考虑空间坐标和距离

35、因素，所以，这种点、线、面之间的空间关系又称为拓扑关系。 指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。第53页/共121页第五十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。 指存在于空间图形的同类，但不同等级的元素之间的拓扑关系。要将结点、弧段和多边形之间的拓扑关系表达出来，可以形成4个关系表。（见图）第54页/共121页第五十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 点是相互独立的，点连成，线构成面； 每条线始于起始结点（FN），止于终止结点（TN），并与左右多边形（LP和RP）相邻接； 构成多边形的线又称弧段或链段，两条以上的弧段相交的点称为结点，由一

36、条弧段组成的多边形称为岛，多边形图中，不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域，含岛的多边形称为复合多边形，表示复连通区域 ； 在复连通区域 中，包含有外边界和内边界，岛区多边形看作是复连通区域 的内边界。第55页/共121页第五十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 在拓扑数据结构中，弧段或链段是数据组织的基本对象。弧段文件由弧段记录组成，包括每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。多边形文件有多边形记录组成，包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。(见图)第56页/共121页第五十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。矢 量 结 构 图 形 基

37、本 元 素第57页/共121页第五十七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。弧段与（结）点间的拓扑关系结点与弧段间的拓扑关系弧段与多边形间的拓扑关系第58页/共121页第五十八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。多边形与弧段间的拓扑关系第59页/共121页第五十九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。第60页/共121页第六十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有功能。v 保证数字化原始数据的自动查错编辑；v 自动形成封闭的多边形边界。拓扑编辑功能包括多边形连接编辑和结点连接编辑。多边形连接编辑：指顺序连接组成封闭多边形一组线段的编辑。具体的编辑算法如

38、下：如，假设要对多边形P1进行编辑，其算法过程为：（1）从表2-5所示的弧段文件中，检索出与当前编辑的多边形P1相关的所有记录，即：第61页/共121页第六十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。（2）在检索出的记录中，计算机检查当前编辑的多边形P1所处的位置，如果P1位在左多边形位置，将之与位于右多边形位置的多边形号相交换，同时也将该记录的结点号位置作相应的交换；反之，如果当前编辑的多边形P1位于右多边形位置，则该记录的所有数据项顺序不作改变。按照上述规则，检索出的记录变为以下形式：弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1C2C3N1N3N1N2N2N3P2P1P1P1P4第62页/共121

39、页第六十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1C2C3N1N2N3N2N3N1P2P4P1P1P1弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1C2C3N1N3N1N2N2N3P2P1P1P1P4第63页/共121页第六十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1C2C3N1N2N3N2N3N1P2P4P1P1P1（3）从经过代码位置转换的记录中，任取一个起结点，顺序连接各个结点，必要时可对记录的前后顺序作调整，使得连接的结点能自行封闭。如果依照上述顺序连接的结点不能自行闭合，或出现记录缺损或记录多余等情况，则表示弧段文件有错

40、，必须改正出错的记录，直到所有多边形都经过编辑和改正再转入编辑。第64页/共121页第六十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。第65页/共121页第六十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。矢量数据结构的特点矢量数据结构的特点 定位明显，属性隐含定位明显，属性隐含 用拓扑关系描述空间对象之间的关系用拓扑关系描述空间对象之间的关系 面向目标操作，精度高，数据冗余度小面向目标操作，精度高，数据冗余度小 与遥感等图象数据难以结合与遥感等图象数据难以结合 输出图形质量号，精度高输出图形质量号，精度高第66页/共121页第六十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。商品化较好的商品化较好的GISG

41、IS软件的数据库数据组织都具有完整的拓软件的数据库数据组织都具有完整的拓朴结构：（如朴结构：（如ARC/INFOARC/INFO）矢量拓朴编码方法软件举例：）矢量拓朴编码方法软件举例： Topology Topology 拓朴学拓朴学 Topological RelationTopological Relation 从上至下（从上至下（poly-ARC-Node)poly-ARC-Node)的拓朴关系（图的拓朴关系（图b).b).得到明确表达得到明确表达或从下至上（或从下至上（Node-ARC-poly)Node-ARC-poly) 第67页/共121页第六十七页，编辑于星期五：二十一点 二十

42、六分。用关系表列出这种拓朴关系。用关系表列出这种拓朴关系。Topological relation configration table.polygon-ARC Topological relation b=b(a)polygonARCB1B2B3B4A1 A2 A3 A2 A5 A6A3 A4 A7A6 A7 A8 第68页/共121页第六十八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。ARC-Node Topology a=a(n);Node-ARC topology n=n(a)ARC NODE NODEARC A1A2A3A4A5A6A7A8 N1 N2N2 N3N1 N3N1 N4N2 N

43、5N3 N5N3 N4N4 N5 N1N2N3N4N5 A1 A3 A4A1 A2 A5A2 A3 A6 A7A4 A7 A8A5 A6 A8第69页/共121页第六十九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。ARC-polygon topoly a=a(b) ARCLPOLY RPOLY A1A2A3A4A5A6A7A8 0 B2B1B30 B2B4b4 B1B1B30B2B4B30第70页/共121页第七十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。ARC/INFOARC/INFO中的弧段数据结构中的弧段数据结构ARCIDFnodeTonodeLpolyRpolyarc coordinationA

44、1A2A3A4A5A6A7A8N1N2N1N1N2N3N3N4N2N3N3N4N5N5N4N50B2B1B30B2B4B4B1B1B30B2B4B30Xn1,Yn1.Xn2,Yn2Xn2,Yn2.Xn3,Yn3Xn1,Yn1.Xn3,Yn3Xn1,Yn1.Xn4,Yn4Xn2,Yn2.Xn5,Yn5Xn3,Yn3.Xn5,Yn5Xn3,Yn3.Xn4,Yn4Xn4,Yn4.Xn5,Yn5第71页/共121页第七十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。一、栅格数据结构 栅格数据的应用模型基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，指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示地理

45、实体的一种数据组织形式。第72页/共121页第七十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。点线面对于栅格数据结构对于栅格数据结构点点：为一个像元为一个像元线线：在：在一定方向上连接成串一定方向上连接成串的相邻像元集合。的相邻像元集合。面面：聚集在一起的：聚集在一起的相邻像元集合。相邻像元集合。第73页/共121页第七十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。一、栅格矩阵结构（直接栅格编码）一、栅格矩阵结构（直接栅格编码）栅格数据的组织方法ABCD A A C C B A C C B B D C B D D D第74页/共121页第七十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据的组织方法

46、A A C C B A C C B B D C B D D D行号栅格值1234A A C CB A C CB B D CB D D D直接栅格编码文件第75页/共121页第七十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据的取值栅格数据的取值 栅格数据的组织方法ABCD A A C C B A C C B B D C B D D D（1）面积占优法 面积占优法是把栅格中占有最大面积的属性值定为本栅格元素的值 第76页/共121页第七十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据的取值栅格数据的取值 栅格数据的组织方法ABCD A A C C B A C C B B D C B D D

47、C（2）中心点法 中心点法是将栅格中心点的值作为本栅格元素的值 第77页/共121页第七十七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据的取值栅格数据的取值 栅格数据的组织方法ABCD A A C C B A C C B B D C B D D C（3）长度占优法 长度占优法是将网格中心画一横线,然后用横线所占最长部分的属性值作为本栅格元素的值 第78页/共121页第七十八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据的取值栅格数据的取值 栅格数据的组织方法ABCD A A C C B A C C B B C C B D D C（4）重要性法 重要性法往往突出某些主要属性，对于这些属性，只要

48、在栅格中出现，就把该属性作为本栅格元素的值 第79页/共121页第七十九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据的组织方法无论如何取值，在计算机中，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）。如：一个面积为100km2的区域，如果网格边长取为1m，每个网格用一个双字节表示，则一个图层的要素就占用 兆字节的存储空间。200第80页/共121页第八十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据的组织方法第81页/共121页第八十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。栅格数据结构：栅格数据结构：坐标系与描述参数坐标系与描述参数

49、Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率第82页/共121页第八十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。链码链码(chain Encoding)直接栅格编码直接栅格编码游程长编码游程长编码(Run_length Encoding)块块 码码四叉树编码四叉树编码(quarter_tree Encoding)栅格结构编码方法第83页/共121页第八十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。1 1、直接栅格编码、直接栅格编码 直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其

50、他特殊的顺序。 0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 30，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。第84页/共121页第八十四页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 由起点位置和一系列在

51、基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7，如下图所示。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。2 2、链码、链码12345076001076701100第85页/共121页第八十五页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。链码编码链码编码： 2，2 ，6 ，7，6，0，6，5123450760 5 0 0 0 0 0 00 0 5 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 5 0 0 0 0 0 00 0 5 5 0 0 0 00 0 0 5 0 0 0 00 0 5 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0

52、 0 0链码编码示例链码编码示例第86页/共121页第八十六页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 游程编码结构 游程编码（Run Length Code）是对有块状地物(多边形)的栅格数据进行压缩编码。 游程：栅格矩阵一行内相邻同值栅格的数量。游程编码结构是在栅格数据矩阵中，逐行将相邻同值栅格合并，并记录合并后栅格的值及合并栅格的长度。目的是压缩栅格数据量，消除数据冗余。3 3、游程长度编码、游程长度编码第87页/共121页第八十七页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。游程编码结构 编码结构的建立方法：把栅格矩阵的数据序列X1、X2,XN，映射为二元组序列（Ai, Pi） Ai栅格属性值 P

53、i游程长度 其中：i=1,2,.,K (Kn)，K是游程总数，N栅格总数。 第88页/共121页第八十八页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。3 3、游程长度编码、游程长度编码(1)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录 该代码以及相同代码重复的个数；0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3沿行方向进行编码沿行方向进行编码：( 0，1），（），（2，2），（），（5，5）；（）；（2，5），

54、（），（5，3）；（）；（2，4），（），（3，2），（），（5，2）；（）；（0，2），（），（2，1），（），（3，3），（），（5，2）；（）；（0，2），（），（3，4），（），（5，1），（），（3，1）；（）；（0，3），（），（3，5）；（）；（0，4），（），（3，4）；（）；（0，5），（），（3，3）。）。第89页/共121页第八十九页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。3 3、游程长度编码、游程长度编码逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50

55、 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3沿列方向进行编码沿列方向进行编码：( 1，0），），（2，2），（），（4，0）；（）；（1，2），），（4，0）；（）；（1，2），（），（5，3），），（6，0）；（）；（1，5），（），（2，2），），（4，3），（），（7，0）；（）；（1，5），），（2，2），（），（3，3），（），（8，0）；）；（1，5），（），（3，3）；（）；（1，5），），（6，3）；（）；（1，5），（），（5，3）。）。第90页/共121页第九十页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。

56、估算图层的数据冗余度： Re=1-Q/m*n其中，Q图层内相邻属性值变化次数的累加和； m图层网格的行数； n图层网格的列数；当Re1/5时，压缩效果明显； 压缩比 S=n/K其中，n直接编码存储容量； K游程编码存储容量。第91页/共121页第九十一页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 4 4、块码、块码 采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3

57、 3 30 0 0 0 3 3 3 3（1 1，1 1，1 1，0 0），（1 1，2 2，2 2，2 2），（1 1，4 4，1 1，5 5），（1 1，5 5，1 1，5 5），（1 1，6 6，2 2，5 5），（1 1，8 8，1 1，5 5）；（2 2，1 1，1 1，2 2），（2 2，4 4，1 1，2 2），（2 2，5 5，1 1，2 2），（2 2，8 8，1 1，5 5）；（3 3，3 3，1 1，2 2），（3 3，4 4，1 1，2 2），（3 3，5 5，2 2，3 3），（3 3，7 7，2 2，5 5）；（4 4，1 1，2 2，0 0），（4 4，3 3，1

58、1，2 2），（4 4，4 4，1 1，3 3）；（5 5，3 3，1 1，3 3），（5 5，4 4，2 2，3 3），（5 5，6 6，1 1，3 3），（5 5，7 7，1 1，5 5），（5 5，8 8，1 1，3 3）；（6 6，1 1，3 3，0 0），（6 6，6 6，3 3，3 3）；（7 7，4 4，1 1，0 0），（7 7，5 5，1 1，3 3）；（8 8，4 4，1 1，0 0），（8 8，5 5，1 1，0 0）。第92页/共121页第九十二页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。 5 5、四叉树编码、四叉树编码 是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象

59、限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。 为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度第93页/共121页第九十三页，编辑于星期五：二十一点 二十六分。0 2 2

60、5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3 1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400 0 00 3 3 3 0 3 3 33 3 5 3 0 0 2 22 3 2 2 2 2 0 22 2 2 5 2 5 5 53 33 5 5西南东南西北东北 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 122位6位4位 3 第94页