第二章 空间数据结构gis

1、第二章 GIS空间数据结构2-1 地理空间及其表达地理空间及其表达2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征2-3 栅格数据结构栅格数据结构2-4 矢量数据结构矢量数据结构2-5 矢矢-栅比较和矢栅一体化数据结构栅比较和矢栅一体化数据结构2-6 空间数据结构的建立空间数据结构的建立概念概念定位框架定位框架空间实体的表达空间实体的表达2-1 地理空间及其表达地理空间及其表达1、定义、定义 地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。但一般阔的范围。但一般地理空间地理空间指的是指的是地球表层地球表层，其基准是陆，其基准是陆地表面和大洋

2、表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。地关系最为复杂、紧密的区域。 在空间信息系统中，地理空间被定义为在空间信息系统中，地理空间被定义为绝对空间绝对空间和和相相对空间对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值空间坐标值组成；相对空间是组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，是由不同实体之间的具有空间属性特征的实体的集合，是由不同实体之间的空空间关系间关系构成。构成。关键问题：地理空间的数学建模？关键问题

3、：地理空间的数学建模？一、地理空间的概念一、地理空间的概念2、地理空间的数学建模、地理空间的数学建模 为了深入研究地理空间，需要建立为了深入研究地理空间，需要建立地球表面的几何模型地球表面的几何模型，这，这是进行大地测量的前提。根据大地测量学的成果，是进行大地测量的前提。根据大地测量学的成果，地球表面模型地球表面模型可以分为四类：可以分为四类：q 最自然的面最自然的面：包括海洋底部、高山、高原等在内的固体地包括海洋底部、高山、高原等在内的固体地球表面。球表面。太复杂，难以建模，各种量算也非常困难。太复杂，难以建模，各种量算也非常困难。q 相对抽象的面相对抽象的面：也称为大地水准面，是静止海平面

4、的延伸。也称为大地水准面，是静止海平面的延伸。以它为基准，可以用水准仪测量地球自然表面上任意点的高以它为基准，可以用水准仪测量地球自然表面上任意点的高程。程。海平面的起伏将导致测量的不确定。海平面的起伏将导致测量的不确定。q 模型模型：以大地水准面为基准建立的以大地水准面为基准建立的地球椭球体模型地球椭球体模型。q 其他数学模型其他数学模型：为了解决特定的大地测量问题而提出的。为了解决特定的大地测量问题而提出的。如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。地球椭球体地球椭球体大地水准面大地水准面地球表面地球表面地球表面、大地水准面和地球椭球体之间

5、的关系地球表面、大地水准面和地球椭球体之间的关系二、地理空间定位框架：二、地理空间定位框架：大地测量控制系统大地测量控制系统直接建立在球体上的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投影投影建立在平面上建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置即即平面控制网平面控制网和高程控制网和高程控制网球面坐标系统球面坐标系统平面坐标系统平面坐标系统1、空间实体空间实体是指现实世界中地理是指现实世界中地理实体的最小抽象单位，主要包括实体的最小抽象单位，主要包括点、线和面三种类型。点、线和面三种类型。三、空间实体的表达三、空间实体的表达 实体描述：实体描述：识别码、位置、实识别

6、码、位置、实体特征、实体的角色、行为或功体特征、实体的角色、行为或功能以及实体的空间特性。能以及实体的空间特性。2、地图对空间实体的描述、地图对空间实体的描述 地图是现实世界的模型，它按照地图是现实世界的模型，它按照一定的比例、一定的投影原则有选择一定的比例、一定的投影原则有选择地将复杂的三维现实世界的某些内容地将复杂的三维现实世界的某些内容投影到二维平面媒介上，并用符号将投影到二维平面媒介上，并用符号将这些内容要素表现出来。这些内容要素表现出来。 在地图学上，把地理在地图学上，把地理空间实体空间实体分为分为点、线、面点、线、面三种要素，分别用点状、线三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示

7、。状、面状符号来表示。 三、空间实体的表达三、空间实体的表达地理空间实体：地理空间实体： 点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2002年年9月该洲月该洲可能的可能的500个地震位置个地震位置 有位置，无宽度和长度；有位置，无宽度和长度； 抽象的点抽象的点地理空间实体：线地理空间实体：线香港城市道路网分布香港城市道路网分布 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地理空间实体：地理空间实体： 面面 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

8、通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为一般分为连续面和不连续面连续面和不连续面中国土地利用分布图（不连续面）中国土地利用分布图（不连续面）连续面和不连续面：连续面和不连续面：连续变化曲面：连续变化曲面：如地形起如地形起伏，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：不连续变化曲面：如土壤、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。3、遥感影象对空间信息的描述、遥感影象对空间信息的描述 遥感影象对空间信息的描述主要是通过遥感影象对空间信息的描述主要是通过不同的不

9、同的颜色和灰度颜色和灰度来表示的。来表示的。 这是因为地物的结构、成分、分布等的这是因为地物的结构、成分、分布等的不同，其反射光谱特性和发射光谱特性也不同，其反射光谱特性和发射光谱特性也各不相同，传感器记录的各种地物在某一各不相同，传感器记录的各种地物在某一波段的电磁辐射反射能量也各不相同，反波段的电磁辐射反射能量也各不相同，反映在遥感影象上，则表现为不同的颜色和映在遥感影象上，则表现为不同的颜色和灰度信息。灰度信息。遥感影象对地理空间的描述遥感影象对地理空间的描述遥感影象对地理空间的描述遥感影象对地理空间的描述例例. 地貌特征和断裂带的信息提取：地貌特征和断裂带的信息提取： 判读判读分析分析

10、断裂带信息断裂带信息地貌类型信息地貌类型信息 遥感影象遥感影象4、计算机对空间实体的表达、计算机对空间实体的表达 栅格栅格矢量矢量5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 95 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 9 95 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 95 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 95 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 95 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 9 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 95 5 5 5 5 5 5 5 9

11、 9 9 9 9 9 9 95 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 96 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 9 96 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 9 96 6 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 96 6 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 9 96 6 5 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 9 9 96 6 6 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 96 6 6 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 9 9 90 00 00 00 10 00 00 00 00 00 00 00 10

12、00 03 04 00 00 00 00 10 20 03 04 00 00 00 00 10 20 30 04 00 00 00 00 01 20 30 04 00 00 00 00 013 30 04 00 00 00 00 01 23 00 04 00 00 00 00 01 300 00 40 00 00 00 03 12 00 00 40 00 00 00 03 12 00 00 40 00 00 00 00 02 00 00 40 00 00 00 00 02 00 04 00 00 00 00 00 02 00 04 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0

13、0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 0遥遥感感影影像像转转换换到到计计算算机机表表达达2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征空间数据的定义空间数据的定义基本特征基本特征空间数据的类型空间数据的类型空间数据的计算机表示方法空间数据的计算机表示方法空间数据结构的定义空间数据结构的定义GIS是以空间数据为骨干的信息系统一、空间数据的定义一、空间数据的定义空间数据空间数据描述描述地理要素地理要素和和地理现象的地理现象的位置、位置、形状、大小、分布等信息的数据形状、大小、分布等信息的数据, ,包括空间位置、包括空间位置、拓扑关系和属性三个方面的内容

14、。拓扑关系和属性三个方面的内容。定位信息属性信息必然要与空间数据挂钩必然带有一定的属性2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征拓扑信息地理要素特征空间位置拓扑关系定性特征定量特征名 称时间特征空间特征空间特征 表示实体的空间位表示实体的空间位置或实体之间的空间置或实体之间的空间关系。空间位置一般关系。空间位置一般用坐标数据表示，称用坐标数据表示，称为为定位特征定位特征或定位数或定位数据；空间关系称为据；空间关系称为拓拓扑特征扑特征或拓扑数据。或拓扑数据。属性特征属性特征 表示实体的表示实体的特征。如名称、特征。如名称、分类、质量特分类、质量特征和数量特征征和数量特征等。等。时间特征时间

15、特征 描述实体随时描述实体随时间的变化，其变间的变化，其变化的周期有超短化的周期有超短周期的、短期的、周期的、短期的、中期的和长期的。中期的和长期的。二、空间数据的基本特征二、空间数据的基本特征空间特征数据空间特征数据属性特征数据属性特征数据标识号标识号道路类型道路类型路面材料路面材料宽度宽度行车道路行车道路道路名称道路名称12柏油柏油484解放路解放路22柏油柏油484珞瑜路珞瑜路32柏油柏油484中北路中北路41混凝土混凝土604胜利路胜利路51混凝土混凝土604中山路中山路64柏油柏油322鲜花路鲜花路带有属性、空间特征的表示带有属性、空间特征的表示三、空间数据的类型三、空间数据的类型1

16、）点）点2）线）线3）面）面4）曲面）曲面5）体）体2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征1、按数据的几何特征分类、按数据的几何特征分类三、空间数据的类型三、空间数据的类型1）属性数据：）属性数据：描述空间实体的属性特征的数据，描述空间实体的属性特征的数据，又称非几何数据。描述时间特征的数据也可列为又称非几何数据。描述时间特征的数据也可列为属性数据属性数据2）几何数据：）几何数据：描述空间实体的位置特征的数描述空间实体的位置特征的数据，也称位置数据、定位数据据，也称位置数据、定位数据3）关系数据：）关系数据：描述空间实体的关系特征的数描述空间实体的关系特征的数据，如空间实体的邻接、关

17、联、包含等，主据，如空间实体的邻接、关联、包含等，主要是指拓扑关系要是指拓扑关系2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征2、按表示内容分类、按表示内容分类跟基本信息对应跟基本信息对应、按表示对象分类（编码的基础）、按表示对象分类（编码的基础）（）（）类型数据类型数据 例如考古地点、道路线和土壤类型的分布例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；等；（）（）面域数据面域数据 例如随机多边形的中心点，行政区域界线例如随机多边形的中心点，行政区域界线和行政单元等；和行政单元等；（）（）网络网络数据数据 例如道路交点、街道和街区等；例如道路交点、街道和街区等；（）（）样本数据样本数据 例如气象站

18、、航线和野外样方的分布区等；例如气象站、航线和野外样方的分布区等；（）（）曲面数据曲面数据 例如高程点、等高线和等值区域；例如高程点、等高线和等值区域；（）（）文本数据文本数据 例如地名、河流名称和区域名称；例如地名、河流名称和区域名称；（）（）符号数据符号数据 例如点状符号、线状符号和面状符号等。例如点状符号、线状符号和面状符号等。三、空间数据的类型三、空间数据的类型2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征四、空间数据四、空间数据的计算机表示的计算机表示方法方法1）空间分幅）空间分幅2）属性分层）属性分层3）时间分段）时间分段五、空间数

19、据结构五、空间数据结构2-2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 数据结构数据结构：即指数据组织的形式，是适合于计算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。机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据空间数据结构结构则是指地理实体的空间排列方式和相互关系则是指地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。的抽象描述。 目前尚无一种统一的数据结构能够同时存储上述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不同的数据结构存储。存储。 空间数据结构：矢量与栅格数据结构空间数据结

20、构：矢量与栅格数据结构 在在GISGIS中，数据结构是系统完善的一个关键，它中，数据结构是系统完善的一个关键，它不仅决定了数据操作的效率，同时也影响了系统不仅决定了数据操作的效率，同时也影响了系统的灵活性和通用性。的灵活性和通用性。2-3 栅格数据结构栅格数据结构概念概念特点特点取值方法取值方法编码方法编码方法一、概念一、概念2-3 栅格数据结构栅格数据结构 1、定义：、定义：栅格数据结构栅格数据结构是最简是最简单、最直接的空间数据结构，是单、最直接的空间数据结构，是指将空间划分为大小均匀紧密相指将空间划分为大小均匀紧密相邻的邻的网格阵列网格阵列，每个网格给出相，每个网格给出相应的属性值来表示

21、地理实体的一应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。种数据组织形式。 像元像元栅格单元栅格单元 遥感影像：遥感影像：MSS 79 797979米米 TM 30 303030米米 SPOT 10 101010米米 2、栅格数据结构的内涵、栅格数据结构的内涵影像分辨率计算机屏幕分辨率：计算机屏幕分辨率：640640780780像素像素 800800600600 1024 1024768768 14403 栅格数据结构栅格数据结构 像元阵列：反映某一空间分布的系列像元队列，其行、列号确定每个像元的空间位置。 2、栅格数据结构的内涵、栅格数据结构的内涵2-3 栅格数据结构

22、栅格数据结构 象元属性：栅格单元值 （地理要素的属性特征）地理要素的属性特征） 2、栅格数据结构的内涵、栅格数据结构的内涵2-3 栅格数据结构栅格数据结构点点线线面面点：点：为一个像为一个像元元线：线：在一定方在一定方向上连接成串向上连接成串的相邻像元集的相邻像元集合。合。面：面：聚集在一聚集在一起的相邻像元起的相邻像元集合。集合。3、栅格数、栅格数据结构的据结构的实体描述实体描述2-3 栅格数据结构栅格数据结构4、栅格数据的分层、栅格数据的分层栅格数据文件栅格数据文件像元像元1X坐标坐标Y坐标坐标层层2属性值属性值层层1属性值属性值层层n属性值属性值像元像元2像元像元n栅格数据文件栅格数据文

23、件层层1像元像元1层层2X,Y,属性值属性值像元像元2X,Y,属性值属性值像元像元nX,Y,属性值属性值层层n栅格数据文件栅格数据文件层层1 多边形多边形1层层2属性值属性值像元像元1坐标坐标多边形多边形N像元像元n坐标坐标层层n5、栅格数据的组织、栅格数据的组织基于象元基于象元基于层基于层基于面域基于面域二、栅格数据结构特点二、栅格数据结构特点2-3 栅格数据结构栅格数据结构l 位置隐含，属性明位置隐含，属性明显显l离散的量化栅格值离散的量化栅格值表示空间对象表示空间对象l数据结构简单，易数据结构简单，易与遥感数据结合与遥感数据结合l几何和属性偏差几何和属性偏差三、栅格数据的取值方法三、栅格

24、数据的取值方法 栅格数据获取途径栅格数据获取途径 遥感影像、扫描、将矢量地图转换为栅格地图、遥感影像、扫描、将矢量地图转换为栅格地图、人工采样、格网人工采样、格网DEMDEM数据数据 栅格数据的栅格数据的取值方法取值方法 2-3 栅格数据结构栅格数据结构四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法 数据压缩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。分为：技术。分为： 无损压缩无损压缩LZW：信息不丢失，通过数据的统计冗余进行压缩信息不丢失，通过数据的统计冗余进行压缩 有损压缩有损压缩JPEG：信息有一定的损失，不能完全恢复原始数据信息

25、有一定的损失，不能完全恢复原始数据 编码方法编码方法直接栅格编码直接栅格编码压缩编码压缩编码游程长度编码游程长度编码块式编码块式编码四叉树编码四叉树编码2-3 栅格数据结构栅格数据结构栅格金字塔栅格金字塔(.ovr可以设置压缩方法可以设置压缩方法或或.rrd文件文件) 金字塔金字塔(pyramid)可用于改善性能。它们是原始栅格可用于改善性能。它们是原始栅格数据集的缩减采样版本，可包含多个缩减采样图层。金数据集的缩减采样版本，可包含多个缩减采样图层。金字塔的各个连续图层均以字塔的各个连续图层均以 2:1 的比例进行缩减采样。的比例进行缩减采样。1.1.直接栅格编码直接栅格编码: : 逐行（或逐

26、列）记录代码数据逐行（或逐列）记录代码数据 AAAAABBBAABBAABBAAAAABBBAABBAABB或或AAAAABBBAABBAABB特点：特点：处理方便，但没有压缩处理方便，但没有压缩四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法2-3 栅格数据结构栅格数据结构 由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出由起点位置和一系列在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每个后续点相对其前继点的可能的8 8个基本方向之一个基本方向之一表示。表示。8 8个基本方向自个基本方向自0 0开始按开始按顺时针方向顺时针方向代码分代码分别为别为0 0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，6

27、6，7 7。单位矢量的长度默。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。认为一个栅格单元。2 2、链码、链码076543012007 0 1 21 07 7 0链码编码链码编码： 2 2，2 2 ，2 2，1 1，2 2，0 0，2 2，3 3765430120 5 0 0 0 0 6 00 0 5 0 0 0 6 00 0 0 0 0 6 0 00 5 0 0 0 6 0 00 0 5 5 0 6 0 00 0 0 5 0 0 6 00 0 5 0 0 0 0 60 0 0 0 0 0 0 0链码编码示例链码编码示例特点：特点：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算压缩效率较高，以接近矢量结构，

28、对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法 3. 3. 游程长度编码游程长度编码: : 栅格数据压缩的重要编码方法栅格数据压缩的重要编码方法 逐行扫描，将相邻等值的像元合并，并记录代逐行扫描，将相邻等值的像元合并，并记录代 码的重复个数（游程）码的重复个数（游程）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

29、行方向进行编码沿行方向进行编码：( 0，1），），（2，2），（），（5，5）；（）；（2，5），），（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）。）。特点：特点：压缩效率较高，又最大限度的保留了原始栅格结构，压缩效率较高，又最大限度的保留了原始栅格结构，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快，

30、十分适合于十分适合于微机地理信息系统采用微机地理信息系统采用 逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。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 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，

31、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）。）。四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法 4. 4. 块式编码块式编码: : 游程长度编码扩展到二维的情况游程长度编码扩展到二维的情况 采用采用方形区域方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。干栅格。2-3 栅格数据结构栅格数据结构特点：特点：具有可变分辨率，较高的具有可变分辨率，较高的压缩效率压缩效率1) 大块图斑记录单元大，

32、分辨大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高率低，压缩比高2) 小块图斑记录单元小，分辨小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低率高，压缩比低0 4 4 7 77 7 74 4 4 4 47 7 74 4 4 4 88 7 70 0 4 8 88 7 70 0 8 8 88 7 80 0 0 8 88 8 80 0 0 0 88 8 80 0 0 0 08 8 8数据结构：数据结构： 初始行、列号，半径，属性值初始行、列号，半径，属性值 （1,1,1,0），（），（1,2,2,4)，；2-3 栅格数据结构栅格数据结构四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法 5. 四叉树编码四叉树编码:又称为四分树

33、、四元树编码。最有效的栅格又称为四分树、四元树编码。最有效的栅格 数据压缩编码方法之一数据压缩编码方法之一1) 基本思想：基本思想： 将将2n2n个像元组成的图像（不足的用背景个像元组成的图像（不足的用背景补上）按四个向限进行递归分割，并判断向限补上）按四个向限进行递归分割，并判断向限值是否单一值是否单一A 单一：不再细分单一：不再细分B 不单一：递归分割不单一：递归分割最后得到一颗四分叉的倒向树最后得到一颗四分叉的倒向树（示意图）（示意图）18BBAAB0BBBBC0AACCC0AACCC0DDDDAC0DDDDA0DDDDBBB0DDDDBBB0AAABAABAAAA?自己也来画画自己也来

34、画画DBAA2-3 栅格数据结构栅格数据结构2) 树形表示树形表示 用一棵倒立的树表示这种分割和分割结果用一棵倒立的树表示这种分割和分割结果根：根：整个区域整个区域高：高：深度、分几级，几次深度、分几级，几次(最多最多n次次)分割分割叶：叶：不能再分割的块不能再分割的块树叉：树叉：还需分割的块还需分割的块每个树叉均有每个树叉均有4个分叉，所以叫个分叉，所以叫四叉树四叉树。高高 n2-3 栅格数据结构栅格数据结构常规四叉树常规四叉树：除了要记录叶结点外，还要：除了要记录叶结点外，还要记录中间结点，结点之间的联系靠指针记录中间结点，结点之间的联系靠指针线性四叉树线性四叉树：不需记录中间结点和使用指

35、：不需记录中间结点和使用指针，针，仅记录叶结点，并用地址码表示叶结仅记录叶结点，并用地址码表示叶结点的位置。点的位置。四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法3) 编码方法编码方法 （按存储方法不同）（按存储方法不同） 常规四叉树常规四叉树每个节点记录每个节点记录6个指针变量：个指针变量： 1) 父结点指针父结点指针 2) 四个子结点的指针四个子结点的指针 3) 本结点的属性值本结点的属性值 指针不仅指针不仅增加了数据的存储量增加了数据的存储量，还增加了操作的，还增加了操作的复杂复杂性性。所以，。所以，常规四叉树并不广泛应用于存储数据常规四叉树并不广泛应用于存储数据，其价值，其价值在于建立索引

36、文件，进行数据检索。在于建立索引文件，进行数据检索。 5. 四叉树编码四叉树编码编码方法编码方法记录每个叶结点的地址和属性 5. 四叉树编码四叉树编码线性四叉树线性四叉树二进制二进制十进制十进制美国马里兰大学四叉树编码方法美国马里兰大学四叉树编码方法二进制二进制0层层1层层2层层3层层该方法用二进制（共32位）记录每个叶结点的地址和属性值，其中地址包括两个部分，即深度和路径。000001011000011 属性编码属性编码路径路径2n位位深度深度4位位01232021 2223200201202 203 230231 232233十进制的十进制的MortonMorton码码-MDMD 1 1)

37、 ) MortonMorton码的计算方法码的计算方法： 如行为如行为2 2、列为、列为3 3的栅格的的栅格的M M 步骤：步骤： (1)(1)行、列号为二进制行、列号为二进制 I= 1 I= 1 0 0 J= J= 1 1 1 1 (2)I(2)I行行J J列交叉列交叉 (3)(3)再化为十进制。再化为十进制。 0 1 2 33210B 5B 4A 1A 0B 7B 6A 3A 2B 13B 12 B 9A 8A 15A 14A 11A 10 实质上是按左下、右下、左上、右上的顺序，从实质上是按左下、右下、左上、右上的顺序，从零零开始对每个栅格进行开始对每个栅格进行自然编码自然编码。 = 1

38、3 1 10 1 2-3 栅格数据结构栅格数据结构十进制的十进制的MortonMorton码码-MDMDB 5B 4A 1A 0B 7B 6A 3A 2B 13B 12 B 9B 8A 15A 14B 11B 102）线性四叉树的存储结构）线性四叉树的存储结构Morton码SizeValue022A422B822B1211B1311B1411A1511A最后再用游程长度编最后再用游程长度编码进行压缩：码进行压缩：A4B10A24）四叉树优缺点）四叉树优缺点 优点：优点： 1 1）可以直接进行大量图形图象运算，压缩效率）可以直接进行大量图形图象运算，压缩效率高，压缩和解压缩比较方便。基本上是一种

39、高，压缩和解压缩比较方便。基本上是一种非冗非冗余表示法余表示法。 2 2）可变率或多重分辨率，既可精确地表示图形）可变率或多重分辨率，既可精确地表示图形结构，又可减少存储量。适用于处理凝聚性或呈结构，又可减少存储量。适用于处理凝聚性或呈块状分布的空间数据。块状分布的空间数据。 2-3 栅格数据结构栅格数据结构4) 四叉树优缺点四叉树优缺点 2-3 栅格数据结构栅格数据结构缺点：缺点： 1）建立四叉树耗费机时很多。建立四叉树耗费机时很多。 2）四叉树虽可修改，但很费事。四叉树虽可修改，但很费事。 3）未能直接表示物体间的拓扑关系。未能直接表示物体间的拓扑关系。4）不利于形状分析和模式识别，即）不

40、利于形状分析和模式识别，即具有图形具有图形编码的不定性？编码的不定性？BBAABBBBBCAACCCAACCCDDDDACDDDDADDDDBBBDDDDBBB在表格左边补充背景后四叉树编码又是怎样的呢在表格左边补充背景后四叉树编码又是怎样的呢?计算第计算第3行第行第5列的列的Morton码是？码是？BAABAAAAAAA352-4 2-4 矢量数据结构矢量数据结构概念概念特点特点数据获取数据获取两种最基本的结构两种最基本的结构表达时需要考虑的内容表达时需要考虑的内容2-4 2-4 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，是通过记录坐标的方式，利用欧几里得几何学

41、中的点、线、面及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其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。种数据组织方式。（图形表示）（图形表示）一、一、概念概念矢量数据的分层组织矢量数据的分层组织百度地图一角百度地图一角二、矢量数据结构的特点二、矢量数据结构的特点2-4 矢量数据结构矢量数据结构u 定位明显，属性隐含定位明显，属性隐含u 用离散的点描述空间对象与特征用离散的点描述空间对象与特征u 具有空间实体的拓扑关系，便于深层次分析具有空间实体的拓扑关系，便于深层次分析 u 数据精度高，冗余度小数据精度高，冗余度小u 与遥感等图象数据难以结合与遥感等图象数据难以

42、结合2-4 矢量数据结构矢量数据结构三、矢量数据的获取方式三、矢量数据的获取方式1) 由外业测量获得由外业测量获得可利用测量仪器自动记录测量成果，然后转到地理数据库中。可利用测量仪器自动记录测量成果，然后转到地理数据库中。3)跟踪数字化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。用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。2) 由栅格数据转换获得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。利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。简单的数据结构简单的数据结构2-4 矢量数据结构矢量数据结构四、矢量数据的两种基本结构四、矢量数据的两种基本结构拓扑数据

43、结构拓扑数据结构：具有某些拓扑关系的矢量数据结构具有某些拓扑关系的矢量数据结构面条结构面条结构 只记录空间对象的位置坐标只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关和属性信息，不记录拓扑关系。系。12345678910111213141516171819202122232425262728293031多边形多边形 数据项数据项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

44、,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,

45、y7) ,(x6,y6), (x5,y5)直接用某一坐标体系中的直接用某一坐标体系中的坐标点坐标点x,y来表示来表示2-4 矢量数据结构矢量数据结构简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构 0缺点缺点l数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧；数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧； l实体互相独立，缺乏联系；实体互相独立，缺乏联系；l岛弧处理比较困难岛弧处理比较困难 仅用于数据的显示、输出和一般查询。仅用于数据的显示、输出和一般查询。2-4 矢量数据结构矢量数据结构简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构拓扑数据结构拓扑数据结构 拓扑概念：拓扑概念： 拓扑拓扑(Topology)(Topology)原

46、意为地貌原意为地貌, ,起源于希腊语起源于希腊语，意思是意思是“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，它研究它研究在拓扑（连续）变换下在拓扑（连续）变换下能够保持不变的几何属性能够保持不变的几何属性拓拓扑属性扑属性 拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法 拓扑性质拓扑性质 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、面积弧段长度、区域周长、面积 等等 一个

47、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一条弧是一简单弧段(自身不相交自身不相交) 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 拓扑数据结构拓扑数据结构具有某些拓扑关系的矢量数据结构就是具有某些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，拓，拓扑数据结构是扑数据结构是GISGIS的分析和应用功能所必需的。的分析和应用功能所必需的。 拓扑元素拓扑元素拓扑线段（拓扑线段（arcarc）结点结点(

48、node(node）多边形（多边形（polypoly）该线段中间不与其该线段中间不与其它线段存在联系它线段存在联系拓扑线段的两个拓扑线段的两个端点，分别为首端点，分别为首结点、尾结点结点、尾结点由数条拓扑线段由数条拓扑线段连接而成连接而成拓扑数据结构拓扑数据结构 拓扑关系拓扑关系 最基本拓扑关系最基本拓扑关系 拓扑关联：拓扑关联：指存在于空间图形中的不同拓扑元素指存在于空间图形中的不同拓扑元素 之间的关系之间的关系 结点与弧段：如结结点与弧段：如结b与弧与弧3,2,5 多边形与弧段：面多边形与弧段：面C与弧与弧4,5,3拓扑邻接：拓扑邻接：指存在于空间图形中的相同拓扑元素指存在于空间图形中的相

49、同拓扑元素 之间的关系。之间的关系。多边形之间多边形之间, ,结点之间结点之间 邻接矩阵邻接矩阵,1,1邻接；邻接；0 0不邻接不邻接 其它拓扑关系其它拓扑关系拓扑包含：拓扑包含：指存在于空间图形中的面与其它元素指存在于空间图形中的面与其它元素 之间的关系之间的关系, ,如面状实体包含哪些点、线状实体如面状实体包含哪些点、线状实体层次关系：层次关系：指存在于空间图形中的相同拓扑元素指存在于空间图形中的相同拓扑元素 之间的等级关系，如连云港市各个区之间的等级关系，如连云港市各个区拓扑连通：拓扑连通：拓扑元素之间的通达关系，如点连通度，面连通度拓扑元素之间的通达关系，如点连通度，面连通度ABCDA

50、-110B1-11C11-0D010-拓扑数据结构拓扑数据结构bec41325ABC76Dada: 结点号结点号A: 多边形号多边形号1: 弧段号弧段号弧段数字化方向弧段数字化方向 结点结点- -弧拓扑弧拓扑 弧弧-结点拓结点拓扑扑 弧弧-面拓扑面拓扑 面面-弧拓扑弧拓扑 拓扑数据结构拓扑数据结构 拓扑关系的表达拓扑关系的表达- -关系表关系表 拓扑数据结构的关键拓扑数据结构的关键 面面构成面的链构成面的链链链链两端点的结点链两端点的结点结点结点通过该结点的链通过该结点的链链链左面左面右面右面 拓扑关系的表达拓扑关系的表达关系表关系表 eb表中数字前负号为相反方向表中数字前负号为相反方向dc4

51、1325ABC76Daa: 结点号结点号A: 多边形号多边形号1: 弧段号弧段号弧段数字化方向弧段数字化方向(3) 弧弧-面拓扑面拓扑弧弧段段左左面面右右面面1AO2AB3CA4OC5CB6BD7BO(1)(1)结点结点- -弧拓扑弧拓扑结点结点弧弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6(4) 面面-弧拓扑弧拓扑面号面号弧数弧数弧号弧号A3-1,-2,3B42,-7,5,-6C3-3,-5,4D16(2) 弧弧-结点拓扑结点拓扑弧段弧段起起点点终点终点1ca2bc3ba4da5dB6ee7dc拓扑数据结构拓扑数据结构 拓扑关系的意义拓扑关系的意义 空间数据的拓扑关系，对地理信息系

52、统的数据处空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空间分析，具有重要的意义，因为理和空间分析，具有重要的意义，因为: :(1)(1)根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。 (2)(2)利用拓扑数据有利于空间要素的查询。利用拓扑数据有利于空间要素的查询。(3)(3)可以利用拓扑数据作为工具，可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。重建地理实体。拓扑数据结构拓扑数据结构2 2、弧段文件弧段文件弧段号弧段号起始点起始点终结点终结点左多边形左多边形右多

53、边形右多边形a51OAb85EAc168EBd195OEe1519ODf1516DBg115OBh81ABi1619DEj3131BC3 3、弧段弧段坐标文件坐标文件弧段号弧段号点点 号号a5,4,3,2,1b8,7,6,5c16,17,8d19,18,5e15,23,22,21,20,19f15,16,g1,10,11,12,13,14,15h8,9,1i16,19j31,30,29,28,27,26,25,24,31123456789101112131415161718192021222324252627282930311 1、多边形文件、多边形文件多边形号多边形号弧段号弧段号周长周长 面

54、积面积 中心点坐中心点坐标标Ah,b,aBg,f,c,h,-jCjDe,i,fEe,i,d,b拓扑拓扑重建重建4 4、节点文件、节点文件节点代码节点代码横坐标横坐标纵坐标纵坐标 1 x1 y1 矢量数据自身的存储和管理矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）空间对象的空间关系（拓扑关系）2-4 矢量数据结构矢量数据结构五、五、矢量数据表达需要考虑的内容矢量数据表达需要考虑的内容2-5 矢矢-栅比较和矢栅一体化数据结构栅比较和矢栅一体化数据结构优缺点比较优缺点比较结构的选择结构的选择矢栅一体化的数矢栅一体化的数据结构据结构2-5 矢矢

55、-栅比较和矢栅一体化数据结构栅比较和矢栅一体化数据结构一、矢栅结构比较（优缺点）一、矢栅结构比较（优缺点）2-5 矢矢-栅比较和矢栅一体化数据结构栅比较和矢栅一体化数据结构比较内容比较内容矢量结构矢量结构栅格结构栅格结构数据量数据量小小大大图形精度图形精度高高低低图形运算图形运算复杂、高效复杂、高效简单、低效简单、低效遥感影像格式遥感影像格式不一致不一致一致或接近一致或接近输出表示输出表示抽象、昂贵抽象、昂贵直观、便宜直观、便宜数据共享数据共享不易实现不易实现易实现易实现拓扑和网络分析拓扑和网络分析易实现易实现不易实现不易实现一、矢栅结构比较（具体对照）一、矢栅结构比较（具体对照）2-5 矢矢

56、-栅比较和矢栅一体化数据结构栅比较和矢栅一体化数据结构2-5 矢矢-栅比较和矢栅一体化数据结构栅比较和矢栅一体化数据结构二、矢量、栅格数据结构的选择二、矢量、栅格数据结构的选择栅格结构：栅格结构：大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业、地地质等区域问题的研究质等区域问题的研究、城市总体规划阶段的战略布局问题等、城市总体规划阶段的战略布局问题等矢量结构：矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用。管理等方面的应用。3343344233444233442344222122-5 矢矢-栅比较和矢栅一体化

57、数据结构栅比较和矢栅一体化数据结构三、矢栅一体化结构三、矢栅一体化结构矢量矢量 、栅格一体化、栅格一体化线状地物：线状地物：除除记录原始取样记录原始取样点外，还记录点外，还记录路径所通过的路径所通过的栅格。栅格。面状地物：面状地物：除记录除记录它的多边形周边以它的多边形周边以外，还包括中间的外，还包括中间的面域栅格。面域栅格。 在对一个线目标数字在对一个线目标数字化采样时，恰好在所经过化采样时，恰好在所经过的栅格内都获取了样点，的栅格内都获取了样点，这样的取样数据就具有矢这样的取样数据就具有矢量和栅格双重性质。量和栅格双重性质。2-6 空间数据结构的建立空间数据结构的建立定义定义系统功能与数据

58、间的关系系统功能与数据间的关系数据分类数据分类数据编码数据编码一、定义一、定义 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是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应数据结构类型，形成与该数据结构相适应的的GIS空间数据，为空间数据库的建立提空间数据，为空间数据库的建立提供基础。供基础。2-6 空间数据结构的建立空间数据结构的建立根据用户需求，确定数据项目根据用户需求，确定数据项目根据数据项目，确定数据源根据数据项目，确定数据源数据分类与编码数据分类与编码确定数据模型和数据结构类型确定数据模型和数据结构类型数据输入与编辑操作数据输入与编辑操作矢量数据矢量数据栅格数据输入与编辑栅格

59、数据输入与编辑跟踪数字化跟踪数字化扫描数字化扫描数字化数字测图仪数字测图仪数据结构转换数据结构转换图像扫描图像扫描遥感解译遥感解译数据结构转换数据结构转换栅格数据栅格数据矢量数据输入与编辑矢量数据输入与编辑二、系统功能与数据间的关系二、系统功能与数据间的关系 现代地理信息系统数据模式的一个现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的重要特征是数据与功能之间具有密切的联系联系(P61(P61表表) )，因此，在确定数据内容，因此，在确定数据内容时，时，首先必须明确系统的功能首先必须明确系统的功能。 对开发的对开发的GISGIS系统的功能，是通过系统的功能，是通过用户需求调查来

60、确定的，因此，在开发用户需求调查来确定的，因此，在开发GISGIS系统之前，首先要进行系统分析。系统之前，首先要进行系统分析。2-6 空间数据结构的建立空间数据结构的建立三、数据分类三、数据分类 1 1、属性数据的分类：、属性数据的分类：把数据输入到计算把数据输入到计算机之前，必须先按使用要求进行分类。机之前，必须先按使用要求进行分类。 如国家资源和环境信息系统数据规范在如国家资源和环境信息系统数据规范在“专业数据分类和数据项目建议总表专业数据分类和数据项目建议总表”中，中，将数据分为将数据分为社会环境、自然环境和资源与能社会环境、自然环境和资源与能源三大类源三大类共共1414小项，并规定了每