GIS空间数据结构

1、地理信息系统概论GIS第二章第二章 GISGIS空间数据结构空间数据结构2-12-1地理空间及其表达地理空间及其表达2-22-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征2-3空间数据的结构类型空间数据的结构类型 2-4 2-4 空间数据结构的建立空间数据结构的建立地理信息系统概论GIS2-12-1地理空间极其表达地理空间极其表达 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构一一 地理空间的概念地理空间的概念 地理空间（地理空间（geo-spatial) 一般是指上至一般是指上至大气电离层大气电离层、下至地壳与地幔交界的、下至地壳与地幔交界的莫霍面莫霍面之间的空间区域。之间的空间区域。返回返回

2、 平面控制网平面控制网 高程控制网高程控制网空间定位框架：空间定位框架：大地测量控制系统大地测量控制系统大地测量控制点大地测量控制点地理信息系统概论GIS平面控制网平面控制网静 止 海 水静 止 海 水面面陆地陆地目的：确定地物在平面点的位置。目的：确定地物在平面点的位置。从太空看到的地球地理信息系统概论GIS平面控制网平面控制网静 止 海 水静 止 海 水面面陆地陆地大地水准面大地水准面为了寻求一种规则的曲面来代替地球的自然表面，设想为了寻求一种规则的曲面来代替地球的自然表面，设想当海洋静止时，平均海水面穿过大陆和岛屿，形成一个当海洋静止时，平均海水面穿过大陆和岛屿，形成一个闭合的曲面，该面

3、上的各点与重力方向（铅垂线）成正闭合的曲面，该面上的各点与重力方向（铅垂线）成正交，这就是交，这就是大地水准面（大地体）。大地水准面（大地体）。地理信息系统概论GIS地心地心OOG格林尼治天文台格林尼治天文台G G地球自转轴地球自转轴起始天文起始天文子午面子午面地球自然表面地球自然表面大地水准面大地水准面E 大地水准面的形状接近一个两极略扁的旋转椭球，通常采用旋转椭球作为大地坐标系的基准，称其为地球椭球。地理信息系统概论GIS大地子午面大地子午面起始大地子午面起始大地子午面大地子午圈大地子午圈baOSN大地水准面大地水准面长半轴长半轴a短半轴短半轴b平行圈平行圈赤道面赤道面法线法线K椭球中心椭

4、球中心O旋转轴旋转轴NS-aba椭球扁率椭球扁率地球椭球地球椭球ETG地地 球球 椭椭 球球 参参 数数地理信息系统概论GIS世界上存在很多地球椭球我国不同时期采用的椭球体及其参数我国不同时期采用的椭球体及其参数采用时间采用时间大地坐大地坐标系标系椭球体名椭球体名称称长半轴长半轴/m短半轴短半轴/m1954年前年前南京坐南京坐标系标系Hayford 6 378 3886 356 911.9461954-1980年年北京北京54坐标系坐标系Krasovsky6 378 245 6 356 863.018 7731980-现在现在国家国家80坐标系坐标系IUGG 756 378 1406 356

5、755.288 1现在现在GPS坐坐标系标系WGS 846 378 1376 356 752.3142地理信息系统概论GIS大地大地原点原点“1980“1980西安坐标系西安坐标系” ” 大大地坐标的起算点地坐标的起算点大地大地原点原点在陕西省泾阳县永乐在陕西省泾阳县永乐镇。镇。地理信息系统概论GIS(一）平面控制网一）平面控制网我国目前存在三套坐标系：我国目前存在三套坐标系：1、1954年北京坐标系统年北京坐标系统2、1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系3、地心坐标系、地心坐标系地心坐标系地心坐标系地理信息系统概论GIS(一）平面控制网一）平面控制网平面平面位置位置经度经度B和纬度和纬度

6、L大地坐标大地坐标平面位置（平面位置（x、y）平面直角坐标平面直角坐标地理信息系统概论GIS常用平面直角投影：高斯-克吕格投影（Gauss-Kruger Projection） 高斯-克吕格投影是一种横轴等角切椭圆柱投影。它是假设一个椭圆柱面与地球椭球体面横切于某一条经线上，按照等角条件将中央经线东、西各3或1.5经线范围内的经纬线投影到椭圆柱面上，然后将椭圆柱面展开成平面即成。NoImage地理信息系统概论GIS高斯直角坐标系统地理信息系统概论GIS经度经度B和纬度和纬度L平面位置（平面位置（x、y）位置位置x=f1(B B , L )y=f2(B B , L )地图投影地理信息系统概论GI

7、S墨卡托投影（正轴等角圆柱投影墨卡托投影（正轴等角圆柱投影）地理信息系统概论GIS地理信息系统概论GIS(二）高程控制网二）高程控制网高程：高程：是指空间某点高于或低于基准面高于或低于基准面的垂直距离， 用来提供地形信息。这个基准面就是大地大地水准面水准面,是一个重力等位面。高程基准面的确定：取验潮站长期观测结果计算出来的平均海水面。 “1985年国家高程基准” (1953-1979验潮资料） 高出高出“黄海平均海水面黄海平均海水面” 29mm地理信息系统概论GIS地理信息系统概论GIS2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构二二 空间实体的

8、表达空间实体的表达1、定义、定义： 指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元单元，它是一个具体有，它是一个具体有概概括性，复杂性，相对意义括性，复杂性，相对意义的概念。的概念。2 2、理解、理解： 地理实体类别及实体内容的确定是从地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要具体需要出发的，例如，在全国地出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图

9、上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GISGIS中的空间实体是一个概括，中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。复杂，相对的概念。返回返回地理信息系统概论GIS2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回地理空间的特征实体：点（piont）、线（line）、面（polygon）、曲面（surface）和体（volume）。 地理空间特征实体的基本

10、元素点的表达：矢量表示：采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素，称为矢量表示法，其对应的数据模型称为矢量数据模型矢量数据模型栅格表示：采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素，称为栅格表示法，其对应的数据模型称为栅格数据模型栅格数据模型湖泊河道居民地地理信息系统概论GIS 点实体：在栅格数据中表示为一个像元。点实体：在栅格数据中表示为一个像元。栅格数据结构栅格数据结构 线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合。元集合。 面实体：由聚集在一起的相邻像元集合表示。面实体：由聚集在一起的相邻像元集合表示。 地理信息系统概论GIS地理信息系

11、统概论GIS地理信息系统概论GIS1）依据数据来源的不同分为）依据数据来源的不同分为：地图数据地图数据 影像数据影像数据文本数据文本数据2-22-2地理地理空间数据及其特征空间数据及其特征 一一 GIS空间数据分类空间数据分类 地理信息系统概论GIS地图数据地图数据地理信息系统概论GIS地理信息系统概论GIS文本数据文本数据地理信息系统概论GIS2）依据数据结构分类）依据数据结构分类：矢量数据矢量数据 栅格数据栅格数据2-22-2地理地理空间数据及其特征空间数据及其特征 一一 GIS空间数据分类空间数据分类 地理信息系统概论GIS2-22-2地理地理空间数据及其特征空间数据及其特征 一一 GI

12、S空间数据分类空间数据分类 矢量数据矢量数据地理信息系统概论GIS栅格数据栅格数据地理信息系统概论GIS3）依据数据特征分类）依据数据特征分类：空间定位数据空间定位数据非空间属性数据非空间属性数据2-22-2地理地理空间数据及其特征空间数据及其特征 一一 GIS空间数据分类空间数据分类 地理信息系统概论GIS2-22-2地理地理空间数据及其特征空间数据及其特征 非空间属性数据非空间属性数据空间定位数据空间定位数据一一 GIS空间数据分类空间数据分类 地理信息系统概论GIS4）依据数据几何特点）依据数据几何特点：点：如测量中三角形、电视塔等点：如测量中三角形、电视塔等线：如河流、道路等线：如河流

13、、道路等面：如湖泊、行政区等面：如湖泊、行政区等曲面：曲面：2.5维，如地形、气温等维，如地形、气温等体：对体：对3维的空间实体的抽象数据，如地质构造、矿产等。维的空间实体的抽象数据，如地质构造、矿产等。 2-22-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 地理信息系统概论GIS点实体 有位置，无宽度和长度；有位置，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2002年9月该洲可能的500个地震位置地理信息系统概论GIS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

14、离香港城市道路网分布地理信息系统概论GIS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）地理信息系统概论GIS空间对象：面（续）连续变化曲面：如地形起连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。的内部是同质的。地理信息系统概论GIS空间对象：体 有长

15、、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑地理信息系统概论GIS5）依据数据特征分类）依据数据特征分类： DLG数据：数字线画图数据：数字线画图（Digital Line Graphic）数据数据 DRG数据：数字栅格图数据：数字栅格图（Digital Raster Graphic）数据数据 DEM数据：数字高程模型数据：数字高程模型（ Digital Elevation Model）数据数据 DOM数据：数字正射影像数据：数字正射影像（ Digital Orthophoto Map )数据数据 2-22-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其

16、特征 地理信息系统概论GISDLG数据数据地理信息系统概论GISDRG数据数据地理信息系统概论GISDEM数据数据地理信息系统概论GISDEM数据数据地理信息系统概论GISDOM数据数据地理信息系统概论GISDOM数据数据地理信息系统概论GIS地图分幅地图分幅地理信息系统概论GIS二二 空间数据基本特征空间数据基本特征返回返回 空间特征空间特征：描述空间对象的位置、形状和大小等几何特征、以及相邻地理现象和过程的空间关系（包括方位关系、拓扑关系、相邻关系、相似关系等）。 空间位置空间位置可以通过坐标数据来描述，称为定位特征和定位数据，空间关系空间关系称为拓扑特征或拓扑数据。（一）基本特征（一）基

17、本特征钓鱼岛钓鱼岛 北纬北纬2544.6 东经东经12328.4 地理信息系统概论GIS二二 空间数据基本特征空间数据基本特征返回返回 属性特征：属性特征：空间现象和过程所具有的专属性质，包括对象的名称、数量、质量、性质等，成为属性数据。属性数据。 钓鱼岛岛上基岩裸露、土层较薄，有钓鱼岛岛上基岩裸露、土层较薄，有4条溪流、有条溪流、有淡水，最高山峰海拔淡水，最高山峰海拔362米，附近海域有大量鱼群、米，附近海域有大量鱼群、强风的自然环境，特有种的动植物。强风的自然环境，特有种的动植物。 时间特征：时间特征：指一定区域内的地理现象和过程随时间变化情况，称为时态数据时态数据。 1562年明朝浙江提

18、督胡宗宪编纂的筹海图编标明了钓鱼岛作为中国领土并列入中国的防区。 清光绪十九年（1893年），即甲午战争的前一年，慈禧太后下诏书，将钓鱼岛赏给邮传部尚书盛宣怀，作为采药用地。 （一）基本特征（一）基本特征地理信息系统概论GIS二二 空间数据基本特征空间数据基本特征返回返回（一）基本特征（一）基本特征地理信息系统概论GIS（二）、基本信息（二）、基本信息定位信息：定位信息： 三条交通线的形状与位置（直三条交通线的形状与位置（直线、线、S线、环状线），相应的数据称线、环状线），相应的数据称为定位特征数据。为定位特征数据。属性信息：属性信息： 三条交通线的级别（主干道、三条交通线的级别（主干道、次干

19、道、支路），相应的数据称为次干道、支路），相应的数据称为属性特征数据。属性特征数据。拓朴信息：拓朴信息： 三条交通线的连接结点及其相三条交通线的连接结点及其相邻关系，相应的数据称为拓朴特征邻关系，相应的数据称为拓朴特征数据。数据。地理信息系统概论GIS三、三、空间数据的拓扑关系空间数据的拓扑关系 2-2 2-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构（一）空间关系类型（一）空间关系类型 1 1、 顺序空间关系顺序空间关系： （方向空间关系）（方向空间关系） 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用上下左右、前后、东南西北等方向性

20、名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。2 2、 度量空间关系度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。，主要指实体间的距离关系，远近。 距离类别距离类别：欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。中心的距离）。 北北ab地理信息系统概论GIS（二）拓扑关系（二）拓扑关系第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1、定义、定义

21、： 指指图形保持连续状态下变形图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的，但图形关系不变的性质。性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 拓扑变换拓扑变换（橡皮变换）（橡皮变换） 非拓扑属性非拓扑属性（几何）（几何）拓扑属性（拓扑属性（没发生变化的属性）没发生变化的属性）两点间距离两点间距离一点指向另一点的方向一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、弧段长度、区域周长、面积面积 等等一个点在一条弧段的端点一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交）一条弧是一简单弧段（自身不相交） 一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上一个点在一

22、个区域的内部一个点在一个区域的内部/外部外部一个点在一个环的内一个点在一个环的内/外部外部一个面是一个简单面一个面是一个简单面一个面的连通性一个面的连通性 面内任两点从一点面内任两点从一点可在面的内部走向另一点可在面的内部走向另一点地理信息系统概论GIS（3）拓扑关系）拓扑关系 2-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构 表示节点表示节点表示多边形表示多边形表示弧段表示弧段拓扑关系拓扑关系是指网结构元素结点（是指网结构元素结点（Node）、弧段（）、弧段（Arc）、多边形（）、多边形（Polygon）之间的空间关系。之间的空间关系。地理信息系

23、统概论GIS拓扑关系主要表现为下列三种关系拓扑关系主要表现为下列三种关系： 2-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构 拓扑邻接关系、拓扑邻接关系、 拓扑关联关系、拓扑关联关系、 拓扑包含关系。拓扑包含关系。地理信息系统概论GISv 拓扑邻接拓扑邻接 拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4N1/N4，N1/N2N1/N2等；多等；多边形邻接关系有边形邻接关系有P1/P3P1/P3，P2/P3 P2/P3 等。等。 地理信息系统概论GIS与湖北省

24、相邻的省地理信息系统概论GIS2-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构拓扑邻接的表达：邻接矩阵拓扑邻接的表达：邻接矩阵 重叠：重叠：- 邻接：邻接：1 不邻接：不邻接：0P1P2P3P4P1-111P21-10P311-0P4100-地理信息系统概论GIS 拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有系。结点与弧段关联关系有N1/C1N1/C1、C3C3、C6C6，N2/C1N2/C1、C2C2、C5 C5 等。多边形与弧段的关联关系有等。多边形与弧段的关联关系有P1

25、/C1P1/C1、C5C5、C6C6，P2/C2P2/C2、C4C4、C5C5、C7C7等。等。 v 拓扑关联拓扑关联地理信息系统概论GIS 拓扑包含指存在于空间图形的同类但不拓扑包含指存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系，同级的元素之间的拓扑关系，P2P2包含包含P4P4。 v 拓扑包含拓扑包含地理信息系统概论GIS拓扑包含关系拓扑包含关系地理信息系统概论GIS特殊的邻接关系特殊的邻接关系地理信息系统概论GIS3-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构设 ID表示当前多边形 IW表示表示包含面的个数 IP表示ID为岛（IP=1）或

26、非岛（IP0）则包含关系的形式如下图。(a)(b)(C)IDP1P2P1P2P3P1P2P3P4IW101103000IP010110111地理信息系统概论GIS拓扑关系具体可由拓扑关系具体可由4个关系表来表示：个关系表来表示：（1） 节点节点弧段（链）关系：弧段（链）关系： 节点节点 通过该节点的链通过该节点的链（2） 弧段（链）弧段（链） -节点关系：节点关系： 弧段弧段 弧段两端的节点弧段两端的节点（3） 弧段弧段多边形关系：弧段多边形关系：弧段 左面左面 右面右面 （4）多边形）多边形弧段关系：多边形弧段关系：多边形 构成面的弧段构成面的弧段3、拓扑关系的表达、拓扑关系的表达3-2地理

27、空间数据及其特征地理空间数据及其特征第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回地理信息系统概论GIS空间拓扑关系表达空间拓扑关系表达关系表关系表abcdefgACBDEP4P0P1P2P3表表1 节点与弧段的拓扑关系节点与弧段的拓扑关系节点节点弧弧 段段Aa, c, eBa, d, bCd, e, fDb, f, cEg地理信息系统概论GIS空间拓扑关系表达空间拓扑关系表达关系表关系表abcdefgACBDEP4P0P1P2P3表表2 弧段与节点的拓扑关系弧段与节点的拓扑关系弧弧 段段节节 点点aA , BbB , DcD , AdB , CeC , AfC , DgE , E地理

28、信息系统概论GIS空间拓扑关系表达空间拓扑关系表达关系表关系表abcdefgACBDEP4P0P1P2P3表表3 弧段与多边形的拓扑关系弧段与多边形的拓扑关系弧段弧段多边形leftrightaP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1地理信息系统概论GIS空间拓扑关系表达空间拓扑关系表达关系表关系表abcdefgACBDEP4P0P1P2P3表表4多边形与弧段的拓扑关系多边形与弧段的拓扑关系多边形多边形弧弧 段段P1a, b, c, -gP2b, d, fP3c, f, eP4g地理信息系统概论GIS对于数据处理和对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：空间分析

29、具有重要的意义，因为：1）拓扑关系能）拓扑关系能清楚地反映清楚地反映实体之间的实体之间的逻辑结构关系逻辑结构关系，它，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。2）有助于空间要素的查询有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。实际问题。如某县的邻接县，如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水面面相邻问题。又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。线（管道）与哪些点（阀门）关联。3）根据拓扑关系可）根据拓

30、扑关系可重建地理实体重建地理实体。2-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回4、拓扑关系的意义、拓扑关系的意义：地理信息系统概论GIS拓扑关系重建地理实体拓扑关系重建地理实体地理信息系统概论GIS如何根据弧段（链）建立多边形如何根据弧段（链）建立多边形 1 1）概念）概念a a、顺时针方向构多边形、顺时针方向构多边形：指多边形是在链的：指多边形是在链的右侧。右侧。b b、最靠右边的链、最靠右边的链：指从链的一个端点出发，在这条：指从链的一个端点出发，在这条链的方向上最右边的第一条链，实质上它也是左边最链的方向上最右边的第一条链，实质上它

31、也是左边最近链。近链。a a的最右边的链为的最右边的链为d d c c、多边形面积的计算、多边形面积的计算 2-2 2-2 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第二章第二章 GISGIS的数据结构的数据结构 当多边形由当多边形由顺时针顺时针方向构成时，方向构成时，面积为正面积为正；反之反之，面积为负。面积为负。地理信息系统概论GIS2 2）建立多边形的基本过程）建立多边形的基本过程 1 1 顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链。顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链。2 2 取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作为下一

32、条链。取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作为下一条链。3 3 是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转4 4；否，转；否，转2 2。4 4取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转2 2；若；若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转1 1。5-3 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理例：例：1 1从从P P1 1开始，起始链定为开始，起

33、始链定为P P1 1P P2 2, ,从从P P2 2点算起，点算起，P P1 1P P2 2最右边的最右边的链为链为P P2 2P P5 5；从；从P P5 5算起，算起，P P2 2P P5 5最右边最右边 的链为的链为P P5 5P P1 1,.,. .形成的形成的多边形为多边形为P P1 1P P2 2P P5 5P P1 1。2 2从从P P1 1开始，以开始，以P P1 1P P5 5为起始链，形成的多边形为为起始链，形成的多边形为P P1 1P P5 5P P4 4P P1 1。3 3从从P P1 1开始，以开始，以P P1 1P P4 4为起始链为起始链, ,形成的多边形为形成

34、的多边形为P P1 1P P4 4P P3 3P P2 2P P1 1。4 4 这时这时P P1 1为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点一个结点P P2 2，继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。，继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。共可追踪出五个多边形，即共可追踪出五个多边形，即A A1 1、A A2 2、A A3 3、A A4 4、A A5 5。地理信息系统概论GIS5 5、岛的判断、岛的判断 找出多边形互相包含的情况找出多边形互相包含的情况. .1 1、计算、计算所有所有多边形的面积。多边形的面积。2 2、分别对面积、分别对面积为

35、正为正的多边形和面积的多边形和面积为负为负的多边形的多边形排序排序。3 3、从面积、从面积为正为正的多边形中，的多边形中，顺序取每个多边形顺序取每个多边形，取完为止。若负面积多边形个数，取完为止。若负面积多边形个数为为0 0，则结束。，则结束。4 4、找出该多边形所包含的所有面积、找出该多边形所包含的所有面积为负为负的多边形，并把这些面积为负的多边形加的多边形，并把这些面积为负的多边形加入到包含它们的多边形中，转入到包含它们的多边形中，转3 3。正面积多边形包含正面积多边形包含的的负面积多边形负面积多边形是关键是关键. .1 1、找出所有比该、找出所有比该正面积正面积多边形面积多边形面积小小的

36、的负面积负面积多边形。多边形。2 2、用外接矩形法去掉、用外接矩形法去掉不可能不可能包含的多边形。即负面积多边形的外接矩形不和该正包含的多边形。即负面积多边形的外接矩形不和该正面积多边形的外接矩形相交或被包含时，则不可能为该正面积多边形包含。面积多边形的外接矩形相交或被包含时，则不可能为该正面积多边形包含。3 3、取负面积多边形上的一点，看是否在正面积多边形内，若在内，则被包含；若、取负面积多边形上的一点，看是否在正面积多边形内，若在内，则被包含；若在外，则不被包含。在外，则不被包含。 5-3 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理单多边形被追踪

37、两次单多边形被追踪两次 p1p1p2p2p3p3p1,p2,p3, -p1,-p2,-p3,p1,p2,p3, -p1,-p2,-p3,地理信息系统概论GIS四、四、空间数据的组织空间数据的组织2-2地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构（一）空间分幅（一）空间分幅（二）属性分层二）属性分层（三）时间分段三）时间分段空间数据库空间数据库2 222 2aaaaa2 2土壤土壤植被植被组织方法组织方法地理信息系统概论GIS2-3 2-3 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构数据结构即数据组织的形式，是适

38、合于计算机存储、管理、处理的数据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。逻辑表达。空间数据结构是一种用来表达空间数据的数据结构。对现实世界的空间空间数据结构是一种用来表达空间数据的数据结构。对现实世界的空间数据表示可以采用矢量数据模型和栅格数据模型。相应的，空间数据结数据表示可以采用矢量数据模型和栅格数据模型。相应的，空间数据结构也可以划分为构也可以划分为基于矢量模型基于矢量模型和和基于栅格模型基于栅格模型的数据结构。的数据结构。本节还将介绍曲面数据结构本节还将介绍曲面数据结构。曲面数据结构是一种用来表示空间曲面、体的数据结构。曲面数据结构是一种用来表示空间曲面

39、、体的数据结构。地理信息系统概论GIS（spaghetti）- 面条模型面条模型:以实体为单位记录其坐标以实体为单位记录其坐标2-3-1 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构（一）实体数据结构（一）实体数据结构多边形坐标串P1P21234567891011 1213 1415P PP PP P返回返回一、矢量数据结构一、矢量数据结构地理信息系统概论GIS地理信息系统概论GIS2-3-1矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构缺点缺点： 1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余

40、和碎屑多边形造成数据冗余和碎屑多边形数据不一致，浪费空间，数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。导致双重边界不能精确匹配。2、自成体系，自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。形。3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。易检查拓扑错误。所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。优点：优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算结

41、构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。和显示。返回返回地理信息系统概论GIS（二）（二）拓扑数据结构拓扑数据结构 矢量数据结构矢量数据结构第三章第三章 GIS GIS 数据结构数据结构拓扑数据的特点：拓扑数据的特点：点是独立的，点连成线、线构成面。点是独立的，点连成线、线构成面。每条线始于起节点，止于中止节点，弧段的左右每条线始于起节点，止于中止节点，弧段的左右多边形邻接。多边形邻接。 构成多边形的线又称弧段，两条以上的弧段相交构成多边形的线又称弧段，两条以上的弧段相交的点为节点。的点为节点。由一条弧段组成的多边形称为岛或洞。由一条弧段组成的多边形称为岛或洞。简单多边形简单多边形 复合

42、多边形：外边界和内边界复合多边形：外边界和内边界 节点节点弧段弧段多边形多边形岛岛地理信息系统概论GIS（二）（二）拓扑数据结构拓扑数据结构 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构弧段文件弧段文件 弧段坐标文件弧段坐标文件 节点文件节点文件 多边形文件多边形文件地理信息系统概论GIS弧段文件弧段文件弧段记录：弧段记录：标示号、起始节点、终止节点、左多边形、右多边形标示号、起始节点、终止节点、左多边形、右多边形 C1 N1 N2 P2 P1 C2 N3 N2 P1 P4 C3 N1 N3 P1 C4 N1 N4 P2地理信息系统概论GIS节点文件节点文件节点代码节

43、点代码 横坐标横坐标 纵坐标纵坐标 N1 x1 y1 N2 x2 y2.地理信息系统概论GIS弧段坐标文件弧段坐标文件弧段代码、弧段代码、 坐标值坐标值 C1 x1,y1 x2,y2 x3,y3, xn,yn, C2 .地理信息系统概论GIS多边形文件多边形文件多边形代码、多边形代码、 组成弧段组成弧段 面积面积 周长周长 P1 -C1,C2,C3 . . P2 C1,C5,-C6,-C4 . . 地理信息系统概论GIS2-3-2 2-3-2 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 栅格结构是将空间分割成有规则的网格（栅栅格结构是将空间分割成有规则的网

44、格（栅格单元，三角形，多边形），在各个栅格单元上格单元，三角形，多边形），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组织形给出相应的属性值来表示地理实体的一种组织形式。用位置由行，列号定义，属性为栅格单元的式。用位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。值。一、图形表示一、图形表示22122332333233323332333正六边形栅格正六边形栅格地理信息系统概论GIS 点实体：由一个单位网格表示表达点实体：由一个单位网格表示表达栅格数据结构栅格数据结构 线实体：由一串有序的相互连接的单位网格表示，各个线实体：由一串有序的相互连接的单位网格表示，各个网格的值相同。网格的值相同。 面实

45、体：由聚集在一起的相互连接的单元网格组成。区域面实体：由聚集在一起的相互连接的单元网格组成。区域内部的网格值相同，但与外部网格的值不同。内部的网格值相同，但与外部网格的值不同。 地理信息系统概论GIS2、 栅格单元的尺寸栅格单元的尺寸地理信息系统概论GIS 栅格数据结构栅格数据结构 第三章第三章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1）原则）原则：应能：应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度数据的冗余度。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅实体特征愈复杂，栅格尺

46、寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。就越高，处理速度越慢。2）方法）方法： 1/21(min)2HAi地理信息系统概论GIS栅格数据存储类型栅格数据存储类型 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 （一）栅格矩阵结构（一）栅格矩阵结构将栅格数据看作一个数据矩阵将栅格数据看作一个数据矩阵特点特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。 A A A A A B B B A A B

47、 B A A B B 栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。地理信息系统概论GIS2、游程（行程）编码、游程（行程）编码：第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回将栅格矩阵的一行数据序列将栅格矩阵的一行数据序列X1 X2 X3,映射为相应的映射为相应的二元组序列（二元组

48、序列（Ai,Pi), Ai表示为属性值，表示为属性值，Pi为游程，为游程，i为游为游程序号。程序号。属性码，游程（长度）属性码，游程（长度）游程：一行内连续相同码值的栅格个数。游程：一行内连续相同码值的栅格个数。 A A A A A B B B A A B B A A B B 地理信息系统概论GIS行程编码例子行程编码例子 编码编码1：(属性值，重复个数属性值，重复个数) 只在各行（或列）数据的代码发生变只在各行（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化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数。右图可沿行方向进行编码：复的个数。右图可沿行方向进行编码： 0 0行：（行：（1 1，

49、5 5），（），（2 2，3 3）；）； 1 1行：（行：（1 1，5 5），（），（2 2，3 3）；）； 2 2行：（行：（1 1，4 4），（），（2 2，4 4）；）； 3 3行：（行：（1 1，4 4），（），（3 3，1 1），）， （2 2，3 3）；）； 4 4行：（行：（1 1，2 2），（），（3 3，3 3），）， （2 2，3 3）；）； 5 5行：（行：（1 1，1 1），（），（3 3，3 3），）， （4 4，3 3），（），（2 2，1 1）；）； 6 6行：（行：（3 3，4 4），（），（4 4，4 4）；）； 7 7行：（行：（3 3，3 3），（），（4

50、 4，5 5）。）。 733344444633334444513334442411333222311113222211112222111111222011111222 栅格数据结构地理信息系统概论GIS第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构图层的数据冗余度图层的数据冗余度Re估算：估算：nmQRe1其中：其中：Q为层内相邻属性值变化次数的累加和；为层内相邻属性值变化次数的累加和； m为图层网格的行数；为图层网格的行数； n为图层网格的列数。为图层网格的列数。当当Re的值大于的值大于15时的情况下，栅格数据的压缩可取得明显的效果。时的情况下，栅格数据的压缩可取得明显的效果。压缩比：压缩比

51、：iPmnr地理信息系统概论GIS第三章第三章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回特点：特点： 对于游程编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩对于游程编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，越大，适用于类型区域面积较大的专题图适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。程度成反比）。 这种编码在这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，高，并最大限度地保留原始栅

52、格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。，这种编码应用广泛。地理信息系统概论GIS ( (三）三） 四叉树编码（四叉树编码（Quadtree EncodingQuadtree Encoding） 栅格数据结构栅格数据结构将整个将整个2n2n像元组成的阵列当作树的根结点，进行连续像元组成的阵列当作树的根结点，进行连续4等分，每一等分作为当前结点的一个分支，每个分支分等分，每一等分作为当前结点的一个分支，每个分支分别代表西南（别代表西南（SW）、东南（）、东南（SE）、东北（）、东北（NE） 、西北西北（NW）四个象限，这样一直分到子象

53、限中的属性值相同）四个象限，这样一直分到子象限中的属性值相同（或单个像元）为止。（或单个像元）为止。SWSENENWSWSENENW地理信息系统概论GIS 生成生成四叉树编码的两种方式四叉树编码的两种方式 栅格数据结构栅格数据结构自上而下方式：自上而下方式：先检测全区域，其值不相同时即四叉分割，直到最小栅格或数值都相同为止。自下而上方式：自下而上方式：先检查四个单元，若相同则合并；反之，作为叶子结点记录。地理信息系统概论GIS自上而下方式自上而下方式top-down地理信息系统概论GIS010000010000000000000000000000000000001001111110011111

54、1001111000011110000000000000000001001110011000000000000000001110000001地理信息系统概论GIS请用四叉树表示下面栅格数据请用四叉树表示下面栅格数据地理信息系统概论GIS自下而上方式自下而上方式bottom-up地理信息系统概论GIS4243464758596263404144455657606134353839505154553233363748495253101114152627303189121324252829236718192223014516172021 列列 0 1 2 3 4 5 6 77 6 5 4 3 2 1

55、 0 行行地理信息系统概论GIS1011141589121323670145步骤：步骤： (1)行行Ib、列号、列号Jb变为二进制变为二进制 (2)I行行J列交叉组成新的数列交叉组成新的数 (3)再化为十进制再化为十进制. 0：001：012：103：110：001：012：103：11如行为如行为2、列为、列为3的栅格的的栅格的MD根据行列号计算（根据行列号计算（Morton）莫顿码）莫顿码Ib= 1 0Ib= 1 11310111 1 0 1 = 13地理信息系统概论GIS四叉树的存储方法有两种，即四叉树的存储方法有两种，即常规四叉树常规四叉树和和线性四叉树线性四叉树方法方法2-3 2-3

56、 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1 1）常规四叉树）常规四叉树 记录这棵树的叶结点外，中记录这棵树的叶结点外，中间结点，结点之间的联系用指间结点，结点之间的联系用指针联系，针联系，每个节点需要每个节点需要6 6个变量：个变量：父结点指针、四个子结点的指父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值针和本结点的属性值。1 1、常规四叉树在处理上简便灵活。、常规四叉树在处理上简便灵活。2 2、当栅格矩阵很大，存储和处理整个矩阵较困难时，、当栅格矩阵很大，存储和处理整个矩阵较困难时，采用常规四叉树。采用常规四叉树。4 4、求并、求或简单。、求并、求或简

57、单。特点：特点：地理信息系统概论GIS1 1）线性四叉树）线性四叉树 每个节点需要每个节点需要3 3个变量：个变量：莫顿码、深度（或节点大小）和节点值。莫顿码、深度（或节点大小）和节点值。不记录中间节点、不记录中间节点、0值节点、也不使用指针仅记录非值节点、也不使用指针仅记录非0值叶节点。值叶节点。000000000000000000000000000001001111110011111100111100001111000042434647585962634041444556576061343538395051545532333637484952531011141526273031891213

58、242528292367181922230145161720212-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构栅格莫顿码Morton SizeValue04X4 1242X2 1491X1 1地理信息系统概论GIS2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构线性四叉树线性四叉树优点：优点：p存贮量小，只存储三个值，节省了大量中间结点的存储。存贮量小，只存储三个值，节省了大量中间结点的存储。p记录节点地址，能直接找到其在四叉树中的走向路径，记录节点地址，能直接找到其在四叉树中的走向路径，又可以换算它在整个栅格区

59、域的行列位置。又可以换算它在整个栅格区域的行列位置。p压缩方便，各个部分的分辨率可不同，既可精确地表示压缩方便，各个部分的分辨率可不同，既可精确地表示图形结构，又可减少存储量，易于进行大部分图形操作和图形结构，又可减少存储量，易于进行大部分图形操作和运算。运算。 地理信息系统概论GIS四叉树优缺点四叉树优缺点第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构优点优点：1 1）对于团块图像，四叉树表示法基本上是一种对于团块图像，四叉树表示法基本上是一种非冗余表示法非冗余表示法。2 2）四叉树具有可变率或多重分辩率的特点使得它有很好的应用前景，四叉树具有可变率或多重分辩率的特点使得它有很好的应用前景，

60、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。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。此外，目前应用四叉树还存下列此外，目前应用四叉树还存下列问题问题：1) 1) 矢矢/ /栅正反变换还不理想。栅正反变换还不理想。2)2) 建立四叉树耗费时间很多。建立四叉树耗费时间很多。3)3) 四叉树虽可修改，但很费事四叉树虽可修改，但很费事（具体的数据结构中会提到）（具体的数据结构中会提到）地理信息系统概论GIS4)4) 四叉树四叉树未能直接未能直接表示