第2章 地理信息系数据结构.

1、第第 二二 章章 数数 据据 结结 构构王王 大大 鹏鹏第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达 介绍地理空间概念和空间实体的表达介绍地理空间概念和空间实体的表达第二节第二节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 包括包括GISGIS的空间数据，空间数据的基本特征，空间数据的的空间数据，空间数据的基本特征，空间数据的拓扑关系拓扑关系第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 矢量数据结构，栅格数据结构，矢量与栅格一体化数据矢量数据结构，栅格数据结构，矢量与栅格一体化数据结构，矢量与栅格数据结构的比较结构，矢量与栅格数据结构的比较第二章第二章 GISGIS数据结构数据结构 地理

2、空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，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。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。 地理空间（地理空间（Geo-spatialGeo-spatial）一般分为：）一般分为：绝对空间：绝对空间： 是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标组成；置的空间坐标组成；相对空间：相对空间： 是具有空间属性特征的实体集合，它是由不同实体之间是具有空间属性特征的实体集合，它是由不同实体之间的空间关系构成。的

3、空间关系构成。一、地理空间一、地理空间(Geo-spatial)(Geo-spatial)的概念的概念第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达1 1、 地球空间模型地球空间模型 为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。根为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。根据大地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类：据大地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类：（1 1）地球的自然表面）地球的自然表面（2 2）大地水准面）大地水准面（3 3）椭球体模型）椭球体模型（4 4）数学模型）数学模型第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达（1 1）地球的自然表面）地球

4、的自然表面 地球的自然表面模型是地球的自然体，起伏而不规则，呈地球的自然表面模型是地球的自然体，起伏而不规则，呈梨形形状梨形形状 。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达（2 2）大地水准面）大地水准面 设当一个海水面处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸设当一个海水面处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，且与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合到所有大陆下部，且与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面构成的地表模型。以大地水准面为基准，就可以利用水的水准面构成的地表模型。以大地水准面为基准，就可以利用水准测量对地球自然表面任意一点进行高程测量。由于地球重力的准测

5、量对地球自然表面任意一点进行高程测量。由于地球重力的影响，大地水准面也是一个不规则曲面，但起伏远小于自然表面。影响，大地水准面也是一个不规则曲面，但起伏远小于自然表面。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达（3 3）椭球体模型）椭球体模型 为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球，且这个旋转椭球是由用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球，且这个旋转椭球是由一个椭圆绕其短轴旋转而成的。它是以大地水准面为基础的。凡一个椭圆绕其短轴旋转而成的。它是以大地水准面为基础的。凡是与局部地区是与局部地区

6、( (一个或几个国家一个或几个国家) )的大地水准面符合得最好的旋转的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称为参考椭球。椭球，称为参考椭球。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达椭球体模型椭球体模型 就是以大地水准面为基准建立起来的椭球体模型。该模型用三就是以大地水准面为基准建立起来的椭球体模型。该模型用三个轴来描述椭球体。个轴来描述椭球体。x2a2y2b2z2c2+= 1c c：椭球体短轴半径：它表示：椭球体短轴半径：它表示 从极地到地心的距离从极地到地心的距离a a：椭球体长轴上的半径：椭球体长轴上的半径b b：中轴上的半径：中轴上的半径三

7、轴椭球体模型第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达fp=a cafe=a ba 长半径长半径a a 赤道扁率赤道扁率 极地扁率极地扁率 fpfe 主轴的地经纬度主轴的地经纬度a三轴椭球体模型参数如下三轴椭球体模型参数如下x2a2y2a2z2c2+= 1双轴椭球体模型双轴椭球体模型依据不同的大地水准面测量的数据，可以得到不同的三轴椭球体依据不同的大地水准面测量的数据，可以得到不同的三轴椭球体数学模型。较为常用的即用数学模型。较为常用的即用a a代替代替b b，双轴椭球体模型也称为旋转，双轴椭球体模型也称为旋转椭球体。椭球体。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达国际主要椭球参数国

8、际主要椭球参数椭球名称年代长半径a(m)扁率f附注德兰勃(Delambre)18006 375 6531:334.0法国埃弗瑞斯(Everest)18306 377 2761:300.801英国贝赛尔(Bessel)18416 377 3971:299.152德国克拉克(Clarke)18666 378 2061:294.978英国克拉克(Clarke)18806 378 2491:293.459英国海福特(Hayford)19106 378 3881:297.01942年国际第一个推荐值克拉索夫斯基(Krasovski)19406 378 2451:298.3苏联1967年大地坐标系1967

9、6 378 1601:298.2471967年国际第二个推荐值1975年大地坐标系19756 378 1401:298.2571975年国际第三个推荐值1980年大地坐标系19796 378 1371:298.2571979年国际第四个推荐值（4 4）数学模型）数学模型 地球的数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出地球的数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。来的，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达2 2、 地理空间（大地）坐标系地理空间（大地）坐标系地理（大地）坐标系地

10、理（大地）坐标系地球上任意一点通常用经度和纬度来决定地球上任意一点通常用经度和纬度来决定 。经线。经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为和纬线是地球表面上两组正交（相交为9090度）的度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，称为地理曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，称为地理坐标系。坐标系。优点：优点：对空间位置的确定比较有利。对空间位置的确定比较有利。缺点：缺点：它是一种球面坐标，难以进行距离、方向它是一种球面坐标，难以进行距离、方向 、面积等参数、面积等参数的计算。的计算。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达2 2、 地理空间（大地）坐标系地理空间（大地）坐标系笛卡儿平面直角坐标系

11、笛卡儿平面直角坐标系运用地图投影的方法建立地球表面和平面点的函数关系，使地球运用地图投影的方法建立地球表面和平面点的函数关系，使地球表面上任意一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与其相表面上任意一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与其相对应的点。对应的点。 F F : :（ ， ）（x x，y y）；这里的函数关系）；这里的函数关系F F，即为，即为地图投影地图投影 第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达0XYX = f1(, )Y = f2(, )我国现有的三种大地坐标系(1)1954北京坐标系：克拉索夫斯基椭球体 参数： a=6378388m，b=6356912m 缺点：椭

12、球体面与我国大地水准面不能很好的符合，产生的误差较大。(2)1980国家大地坐标系：国际大地测量联合于1975年提出的椭球体 参数：a=6378160m，b=6356775m 优点：椭球体参数精度高；参数是一个完整的系统；定位所决定的椭球体面与我国大地水准面符合的好；误差小。(3)1985国家高程基准第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达1、空间实体及类型空间实体： 指具有形状、属性和时序特征的空间对象，它是对存在于自然世界中地理实体的抽象。空间实体类型 任何地理实体都可以抽象为点、线、面、体等基本类型，以表示它的位置、形状、大小、高低等特征。二、空间实体及表达第一节第一节 地理空间及

13、其表达地理空间及其表达以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达点实体第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达v有位置，无宽度和长度；v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个地震位置线实体线实体第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达v有长度，但无宽度和高度；有长度，但无宽度和高度；v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香港城市道路网分布香港城市道路网分布面实体面实体第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达v具有长和宽的目标，有连续面和不连续面；具有长和宽的目标，有连续面和不连续面；v通常用来表示自然或人工

14、的封闭多边形通常用来表示自然或人工的封闭多边形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）面实体（续）面实体（续）第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达不连续变化曲面，如土壤、森林、不连续变化曲面，如土壤、森林、土地利用等，属性变化发生在边界土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。上，面的内部是同质的。连续变化曲面，如地形起伏，整个连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面不连续变化曲面连续变化曲面连续变化曲面体体第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达v有长、宽、高的目标；有长、宽、高的目标；v通

15、常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标目标u矢量表达矢量表达 在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的确定。矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体描述，一般也把地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。有不同的编码方法。 2 2、空间实体的表达（空间实体的表达（计算机计算机）第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达

16、u栅格表达栅格表达 在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列（通常为正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理的位置决定，小块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成。这种数据结构和实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数字遥感图象就是栅格数据结构。遥感图象的数据相同，因而数字遥感图象就是栅格数据结构。第一节第一节 地理空间及其表达地

17、理空间及其表达2、空间实体的表达（空间实体的表达（计算机计算机）（1）空间实体的矢量表达）空间实体的矢量表达矢量维数矢量维数实体类型实体类型空间表达空间表达描述描述代表地物代表地物零维零维点点实数对（实数对（x x ，y y）一个数据点，具有一对一个数据点，具有一对( (x x，y y) )坐标和坐标和至少一个属性，逻辑上不能再分。至少一个属性，逻辑上不能再分。水井、污水井、污染源等。染源等。一维一维线：弧、线：弧、链链一组离散化的实数一组离散化的实数点对点对具有相同属性的点的轨迹，由坐标对具有相同属性的点的轨迹，由坐标对序列表示，坐标对的顺序与线的形状序列表示，坐标对的顺序与线的形状有关，线

18、上每个点有不多于二个的邻有关，线上每个点有不多于二个的邻点。点。道路、公道路、公共设施网共设施网等。等。二维二维面：多边面：多边形形一组闭合弧段所包一组闭合弧段所包围的空间区域围的空间区域所有具有相同属性点的轨迹，以所有具有相同属性点的轨迹，以( (x x，y y) )坐标队的集合表示，坐标队的排列顺坐标队的集合表示，坐标队的排列顺序不影响面的形态、其内部点可以有序不影响面的形态、其内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有相同属多于三个的邻点，面内点具有相同属性。性。土壤、植土壤、植被、岩石被、岩石分类区、分类区、行政区划行政区划等。等。三维三维体体由一组或多组闭合由一组或多组闭合曲面所包围的空

19、间曲面所包围的空间对象对象地形，温地形，温度度第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达矢量表达法示意（矢量表达法示意（点、线、面点、线、面）第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达点：位置（点：位置（x x，y y）属性：符号属性：符号线：位置线：位置( (x x1 1 ，y y1 1 ), (), (x x2 2 ，y y2 2 ) ) ， ， ( (x xn n ， y yn n ) )属性：符号，形状、颜色、尺寸属性：符号，形状、颜色、尺寸面：位置面：位置( (x x1 1 ， y y1 1 ), (), (x x2 2 ，y y2 2 ) ) ， ， ( (x xn n ，

20、 y yn n ) )属性：符号变化，等值线属性：符号变化，等值线矢量表达法示意（矢量表达法示意（ 体：体：TIN TIN ）把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点(Nodes)(Nodes)之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边(Edges)(Edges)组组成的。成的。结点可以位于任何地方结点可以位于任何地方, ,但是结点布置得好坏但是结点布置得好坏, ,直接影响到连续面直接影响到连续面模型的精度，好的结点应位于表面形状发生显著变化的地方。模型的精度，好的结点应位于表面形状发生显

21、著变化的地方。三角形不规则网的表达第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达TINTIN表达示意表达示意第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达（2）栅格表达法点：具有一定数值的删格单元线：表现为按线特征相连接的一组单元面：表现为按二维形状特征相连接的一组单元+ + + + + +(a) (a) 点的栅格表达点的栅格表达(b) (b) 线的栅格表达线的栅格表达(c) (c) 面的栅格表达面的栅格表达栅格表示法的精度：依赖于每个栅格单元所实栅格表示法的精度：依赖于每个栅格单元所实际代表的地面区域的大小，栅格代表的区域越际代表的地面区域的大小，栅格代表的区域越小，精度越高。小，精度越高。

22、每个栅格单元的数值实际上代表的中心值。每个栅格单元的数值实际上代表的中心值。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达矢量表达和栅格表达第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达湖泊河道居民地流路第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征地图数据：来源于各种类型的普通地图和专题地图。影像数据：来源于航空航天遥感，数据类型丰富，包括多平台、多时相、多光谱、多分辨率的遥感影象数据。地形数据：来源于地形等高线图，已建立的数字高程模型和其他实测的地形数据。属性数据：来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息。元数据：“meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata“

23、一词的原意是关于数据变化的描述，即数据的数据。一、一、GISGIS中的空间数据来源中的空间数据来源 空间数据是代表着现实世界地理实体或现象在信息世界中的映射，其来空间数据是代表着现实世界地理实体或现象在信息世界中的映射，其来源包括：源包括：中中 国国 地地 形形 图图台儿庄区生态敏感性分级分布图台儿庄区生态敏感性分级分布图专题地图枣庄地区彩色红外影像枣庄地区彩色红外影像中国遥感卫星影像镶嵌图中国遥感卫星影像镶嵌图下面以一幅交通图为例，来了解空间数据都有哪些特征下面以一幅交通图为例，来了解空间数据都有哪些特征二、空间数据基本特征二、空间数据基本特征第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特

24、征v定位信息：定位信息：CC1 1、CC2 2、CC3 3三条道路在不同的空间位置。三条道路在不同的空间位置。v关联关系关联关系：主干道与次干道在结点：主干道与次干道在结点N N2 2处相联接，主干处相联接，主干道的结点道的结点N N1 1和和N N2 2相邻接，结点相邻接，结点N N2 2分别与三条路段分别与三条路段CC1 1、CC2 2和和CC3 3相关联，这些统称为相关联，这些统称为拓扑关系拓扑关系；CC3 3在在CC6 6左边，左边，称为称为方位关系方位关系；道路有一定的长度，称为；道路有一定的长度，称为度量关系度量关系。v属性信息：道路分别具有不同的等级属性信息：道路分别具有不同的等

25、级v时间特征：随着时间的推移，道路还将发生变化。时间特征：随着时间的推移，道路还将发生变化。 第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征指地理实体的空间位置及相互关系：指地理实体的空间位置及相互关系：空间位置特征空间位置特征：实体在一定的坐标参考系中的：实体在一定的坐标参考系中的空间位置，通常用地理坐标系、平面直角坐标系空间位置，通常用地理坐标系、平面直角坐标系来表示。来表示。空间关系特征空间关系特征：实体之间存在的一些具有空间：实体之间存在的一些具有空间特性的关系。如：拓扑关系、方位关系、度量关特性的关系。如：拓扑关系、方位关系、度量关系系空空间间数数据据特特征征空间特征空间特征时间

26、特时间特征征指实体随时间而发生的相关变化。指实体随时间而发生的相关变化。表示地理实体的名称、类型和数量等。表示地理实体的名称、类型和数量等。属性特征属性特征第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征空间特征示意：空间对象的位置及相邻对象的空间关系空间特征示意：空间对象的位置及相邻对象的空间关系第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征属性特征示意：属性特征是指空间对象的专题属性属性特征示意：属性特征是指空间对象的专题属性时间特征示意：时间特征是指空间对象随着时间演变而引起时间特征示意：时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化的空间和属性特征的变化第二节第二节

27、 地理空间数据及特征地理空间数据及特征三、空间实体的三、空间实体的拓扑关系拓扑关系第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征1 1、拓扑概念、拓扑概念 拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性不变的几何属性拓扑属性。拓扑属性。 拓扑学为空间关系的研究提供了数学方法，它研究的不是几拓扑学为空间关系的研究提供了数学方法，它研究的不是几何体的面积、周长、边长，而是将几何体抽象成点、线、面等何体的面积、周长、边长，而是将几何体抽象成点、线、面等元素，再研究其间的关系。元素，再研究其间的关系。第二节第二节 地理空间数据

28、及特征地理空间数据及特征拓扑变换示意拓扑变换示意 拓扑属性：拓扑属性： 在右图中，点、线和多边形之间在右图中，点、线和多边形之间的连接、相邻、包含等关系，无论的连接、相邻、包含等关系，无论图形如何变化，都不会改变，即不图形如何变化，都不会改变，即不受投影关系、比例尺而变化。受投影关系、比例尺而变化。非拓扑属性：非拓扑属性： 随着图形的变化，线的长度、面随着图形的变化，线的长度、面积等将发生变化。积等将发生变化。结点（结点（NodeNode）：弧段的交点，）：弧段的交点，N N1 1 N N4 4弧段弧段（ArcArc）：相邻两结点之间的坐标链，）：相邻两结点之间的坐标链， C C1 1 C C

29、7 7多边形（多边形（PolygonPolygon）：由弧段组成的封闭区。）：由弧段组成的封闭区。 P P1 1 P P4 4第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征2 2、拓扑学中的基本元素、拓扑学中的基本元素P P1 1P P2 2P P3 3P P4 4N N1 1N N2 2N N3 3N N4 4C C1 1C C2 2C C3 3C C4 4C C5 5C C6 6第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征3 3、基本元素之间可能的、基本元素之间可能的6 6种关系：种关系： 点点 点点 线线 线线 点点 线线 线线 面面 点点 面面 面面 面面 关系的性质为关系的

30、性质为: :关联、相邻、包含、相交、相离、相重等关系。关联、相邻、包含、相交、相离、相重等关系。P P1 1P P2 2P P3 3P P4 4N N1 1N N2 2N N3 3N N4 4CC1 1CC2 2CC3 3CC4 4CC5 5CC6 6邻接邻接相交相交重合重合相离相离包含包含点点点点点点线线点点面面线线面面面面面面线线线线 拓扑关系是研究空间实体关系的数学方法，它主要包括拓扑关系是研究空间实体关系的数学方法，它主要包括拓拓扑邻接扑邻接、拓扑关联拓扑关联及及拓扑包含拓扑包含。第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征4 4、空间实体的三种拓扑关系、空间实体的三种拓扑关系

31、如图所示，如图所示，P P2 2多边形和多边形和P P3 3多边形分别在弧段多边形分别在弧段C C4 4的左边和右边，因的左边和右边，因此，多边形此，多边形P P2 2和多边形和多边形P P3 3具有邻接性。具有邻接性。第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征弧段弧段左多边形左多边形右多边形右多边形C C5 5P P3 3P P1 1C C4 4P P3 3P P2 2C C6 6P P2 2P P1 1. . . . . . . . . .多边形邻接多边形邻接(1) (1) 拓扑邻接性拓扑邻接性 指存在于空间图形的指存在于空间图形的同类元素之间同类元素之间的拓扑关系，如结点与结点之

32、间的拓扑关系，如结点与结点之间的邻接关系，多边形与多边形的邻接关系。的邻接关系，多边形与多边形的邻接关系。P P1 1P P2 2P P3 3P P4 4N N1 1N N2 2N N3 3N N4 4C C1 1C C2 2C C3 3C C4 4C C5 5C C6 6结点与弧段的关联性第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征（2）拓扑关联性 指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系，如结点与弧段，多边形与弧段等。结点弧段N1C1，C3, C6N2C1，C2, C3N3C2，C3, C4.多边形与弧段关联性多边形弧段P1C1，C5, C6P2C4，C3, C6P3C2，C5,

33、C4 .P1P2P3P4N1N2N3N4C1C2C3C4C5C6(3)拓扑包含性 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，如多边形的岛。第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征 包含关系分简单包含，多层包含和等价包含三种形式。例如：多边形P3简单包含P4P1P2P3P4N1N2N3N4C1C2C3C4C5C6（1）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。 因为拓扑数据已经清楚地反映出地理实体之间的逻辑结构关系，而且这种拓扑数据较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数

34、据及特征3 3、拓扑空间关系研究意义、拓扑空间关系研究意义（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。 例如应答像某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些政区的例如应答像某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些政区的居民提供水源；与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些；特别是居民提供水源；与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些；特别是野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于对野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于对生物栖息环境作出评价等等，都需要利用拓扑数据。生物栖息环境作出评价等等，都需要利用拓扑数据。第二节第二节 地理空间数据及特征地理空

35、间数据及特征3 3、拓扑空间关系研究意义、拓扑空间关系研究意义（3 3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 例如建立封闭多边形、实现道路的选取、进行最佳路径的计算例如建立封闭多边形、实现道路的选取、进行最佳路径的计算等。等。第二节第二节 地理空间数据及特征地理空间数据及特征本节要点：本节要点：1 1、空间坐标系；、空间坐标系；2 2、实体的概念及类型；、实体的概念及类型；3 3、空间数据的基本特征及数据来源；、空间数据的基本特征及数据来源；3 3、三种拓扑关系及拓扑研究的意义。、三种拓扑关系及拓扑研究的意义。第第2 2章章 GISGIS数据结构数

36、据结构第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达 介绍地理空间概念和空间实体的表达第二节第二节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 包括GIS的空间数据，空间数据的基本特征，空间数据的拓扑关系第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 矢量数据结构矢量数据结构，栅格数据结构，矢量与栅格一体化数据结构，矢量与栅格数据结构的比较有关模型的概念有关模型的概念(1)(1)模模 型：是对现实世界的简化表达。型：是对现实世界的简化表达。 (2)(2)数据建模：是指把现实世界的数据组织为有用且能反映真实信息数据建模：是指把现实世界的数据组织为有用且能反映真实信息的数据集的过程。的数据集的过

37、程。(3)(3)数据模型：根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式。数据模型：根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式。数据建模过程数据建模过程(1)(1)选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织；选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织；(2)(2)选择一种数据结构来表达该数据模型；选择一种数据结构来表达该数据模型；(3)(3)选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型一、空间数据模型与空间数据结构一、空间数据模型与空间数据结构空间数据模型与空间数据结构空间数据模型与空间数据结构空间数据模型：空间数据模型：是

38、对现实世界的简化表达。是对现实世界的简化表达。空间数据结构：空间数据结构：是指对空间数据进行合理的组织，以便于进行计算机是指对空间数据进行合理的组织，以便于进行计算机处理。数据结构是数据模型和计算机文件格式之间的中间媒介。处理。数据结构是数据模型和计算机文件格式之间的中间媒介。空间数据模型和空间数据结构之间的区别与联系：空间数据模型和空间数据结构之间的区别与联系： 两者之间的区别很模糊，事实上，空间数据模型是空间数据表达的两者之间的区别很模糊，事实上，空间数据模型是空间数据表达的概念模型，数据结构是数据表达的物理实现，后者是前者的具体实现。概念模型，数据结构是数据表达的物理实现，后者是前者的具

39、体实现。第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型研究研究数据模型数据模型与与数据结构数据结构的意义的意义在计算机世界中，现实世界是以各种符号形式来表达和记录在计算机世界中，现实世界是以各种符号形式来表达和记录的；的； 计算机在对数字和字符及这些符号进行操作时，又将它们表计算机在对数字和字符及这些符号进行操作时，又将它们表示为二进制形式；示为二进制形式；基于计算机的地理信息系统不能直接作用于现实世界，必须基于计算机的地理信息系统不能直接作用于现实世界，必须经过对现实世界的数据描述这一步骤。经过对现实世界的数据描述这一步骤。 第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型第三节第三节

40、 空间数据结构的类型空间数据结构的类型二、空间数据结构二、空间数据结构1 1、矢量数据结构、矢量数据结构矢量矢量数据数据结构的结构的含义：含义： 矢量数据结构是一种常见的图形数据结构，矢量数据结构是一种常见的图形数据结构， 它用一系列有序的它用一系列有序的x x、y y坐标对表示地理实体的空间位置坐标对表示地理实体的空间位置。矢量矢量数据数据结构的特点：结构的特点： 属性隐含，定位明显属性隐含，定位明显矢量数据结构的类型：矢量数据结构的类型： 按其是否明确表示各地理实体的空间相互关按其是否明确表示各地理实体的空间相互关 系可分为系可分为简单数据结构简单数据结构和拓扑和拓扑数据结构数据结构两大类

41、。两大类。第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型1 1、简单、简单数据结构数据结构 简单数据结构实质上是面向简单数据结构实质上是面向实实体体的一种数据组装和编码方法。的一种数据组装和编码方法。在简单数据结构中，空间数据以在简单数据结构中，空间数据以基本的空间对象（点、线或多边基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面有拓扑关系数据，最典型的是面条（条（spaghettispaghetti）数据结构。）数据结构。无拓扑数据结构无拓扑数据结构的概念示意的概念示意点表（点表（ Spaghetti Spaghetti ）

42、第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型A A 点实体结构：点实体结构：唯一的标识码唯一的标识码IDID号号空间位置空间位置( (X X，Y Y）非空间属性非空间属性( (A A1 1，A A2 2，A An n) )线表（线表（ Spaghetti Spaghetti ）B 线实体结构线实体结构：唯一的标识码唯一的标识码IDID号号中间点数中间点数非空间属性非空间属性第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型B 线实体结构线实体结构：与线表非常相似，但它的最后一个结点坐与线表非常相似，但它的最后一个结点坐标值与第一个结点坐标值相同。如标值与第一个结点坐标值相同。如左表左表中

43、，中，第第1 1号多边形的号多边形的(x(x1 1，y y1 1) ) (x(x5 5，y y5 5) )。对于多边形中的对于多边形中的“岛岛”，处理方法是在每，处理方法是在每个多边形头记录中增加一条个多边形头记录中增加一条“岛岛”的属性的属性来表示优先级，低优先级的多边形先绘置来表示优先级，低优先级的多边形先绘置先充填，高优先级的多边形后绘置，这样先充填，高优先级的多边形后绘置，这样岛多边形就覆盖了原先的多边形。岛多边形就覆盖了原先的多边形。多边形表（多边形表（ Spaghetti Spaghetti ）第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型C C多边形实体结构多边形实体结构简单

44、简单数据数据结构的主要特点结构的主要特点第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型（1 1）数据按点、线或多边行为单元进行组织，数据编排直观，数）数据按点、线或多边行为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。字化操作简单。（2 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）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，造成数据冗余和不一致。两次和存储两次，造成数据冗余和不一致。（3 3）点、线和多边形有各自的坐标）点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。关联。（4 4）岛只作为一个单个图形，没

45、有）岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。与外界多边形的联系。实例图第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型矢量结构图形基本元素矢量结构图形基本元素多边形多边形：P1,P2p42 2、拓扑数据结构、拓扑数据结构结点结点：N1,N2N6弧段弧段：C1,C2C10岛岛：P5在拓扑数据结构中在拓扑数据结构中图形的基本元素包括：图形的基本元素包括：第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型拓扑数据结构描述拓扑数据结构描述在拓扑数据结构中，点是相互独立的，点连成线，线构成面。在拓扑数据结构中，点是相互独立的，点连成线，线构成面。v每条线开始于起始结点，止于终止结点，并与左右多边

46、形相邻每条线开始于起始结点，止于终止结点，并与左右多边形相邻接；接；v多边形是由弧段连接而成的。由一条弧段组成的多边形称为岛。多边形是由弧段连接而成的。由一条弧段组成的多边形称为岛。不包含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域。含岛的多不包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，边形称为复合多边形，表示复连通区域。表示复连通区域。弧段号 起结点 终结点左多边形右多边形C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10N1N3N1N1N2N4N5N4N7N3N2N2N3N4N5N5N6N6N7N6P2P1P1P2P3P3P4P4P1P4P2P4P2P4P3P5表表2 弧

47、段拓扑文件弧段拓扑文件第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型结点号坐标N1N2N3N4N5N6N7C1 , C3 , C4C1 , C2 , C5C2 , C3 , C10C4 , C6 , C8C4 , C7 , C5C7 , C8 , C10C9表表3 结点拓扑文件结点拓扑文件多边形号 弧段号P1C1,C2,C3P2C1,C5,C6,C4p3C6,C7,C8p4C2,C5,C7,C10p5C9表表1 多边形拓扑文件多边形拓扑文件文文件件结结构构 1234567891012111314161715181920212223242526272829303132 结点文件：唯一标识码，

48、关联的弧段码，坐标点（x,y）； 弧段文件：唯一标识码，起始结点，终止结点，左多边形，右多边形，指向中间点坐标的指针； 多边形文件：唯一标识码，组成多边形的弧段号 弧段坐标：唯一弧段标识码，组成弧段的坐标串；第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型拓扑数据结构的数据文件一般包含四个文件优点：优点：一个多边形与另一个多边形之间没有空间坐标的重复，这一个多边形与另一个多边形之间没有空间坐标的重复，这样就消除了重复线；样就消除了重复线；拓扑信息与空间坐标分别存储，有利于包含、连接、相邻拓扑信息与空间坐标分别存储，有利于包含、连接、相邻等查询操作。等查询操作。缺点：缺点：拓扑表在一开始时就要

49、创建，需要时间；拓扑表在一开始时就要创建，需要时间；一些简单的操作，如图形显示等比较慢，因为图形显示需一些简单的操作，如图形显示等比较慢，因为图形显示需要的是空间坐标而非拓扑结构。要的是空间坐标而非拓扑结构。第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型拓扑数据结构特点拓扑数据结构特点第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型关于拓扑数据结构的补充关于拓扑数据结构的补充1 1、目前大部分、目前大部分GISGIS所存储的拓扑关系仅仅涉及空间对象的拓扑关系，如所存储的拓扑关系仅仅涉及空间对象的拓扑关系，如Arc/InfoArc/Info，DIMEDIME，TIGERTIGER，其他拓扑

50、关系如拓扑邻接、拓扑包含可以从，其他拓扑关系如拓扑邻接、拓扑包含可以从关联关系中导出，或通过实时空间运算得到。关联关系中导出，或通过实时空间运算得到。2 2、在介绍拓扑关系时，有人将其分为、在介绍拓扑关系时，有人将其分为全显式全显式表达和表达和半隐含式半隐含式表达，其实表达，其实质就是将以上质就是将以上3 3个拓扑关联表进行组合。也就是说不同的个拓扑关联表进行组合。也就是说不同的GISGIS系统在描述系统在描述拓扑关系时，以上几张表的结构可能略有不同。拓扑关系时，以上几张表的结构可能略有不同。3 3、可根据、可根据GISGIS系统的特殊需要，有选择地建立拓扑关系。如以面域对象系统的特殊需要，有

51、选择地建立拓扑关系。如以面域对象为主体的土地资源管理信息系统，可以省略表为主体的土地资源管理信息系统，可以省略表3 3 结点拓扑文件，但对于结点拓扑文件，但对于一个交通一个交通GISGIS，表，表3 3 则不可或缺。则不可或缺。3 3、曲面数据结构、曲面数据结构第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 曲面曲面是指连续分布现象的覆盖表面，如地形、降水量、温度、是指连续分布现象的覆盖表面，如地形、降水量、温度、磁场等要素。磁场等要素。 表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算，因此经常采用不规则三角网来拟合连

52、续分布现象的内插计算，因此经常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，称为的覆盖表面，称为TIN (Triangulated lrregularTIN (Triangulated lrregular Network) Network)数据结数据结构。构。 第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 不规则三角网将各种来源的高程点连接成一系列无重叠的三角形。不规则三角网将各种来源的高程点连接成一系列无重叠的三角形。这种基于这种基于TINTIN的曲面数据结构，通常用于数字地形的表示，或者按的曲面数据结构，通常用于数字地形的表示，或者按照曲面要素的实测点分布，将它们连接起来。照曲面要素

53、的实测点分布，将它们连接起来。 由于连接的原则不同，可以有多种由于连接的原则不同，可以有多种TINTIN的生成方法。最典型的是的生成方法。最典型的是D-D-TINTIN，即，即DelaunayDelaunay三角网。三角网。523416241653不同连线构成的三角网不同连线构成的三角网523416241653第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 不规则三角网的自动联结不规则三角网的自动联结( (又称三角剖分又称三角剖分) ) 算法中，主要遵循以算法中，主要遵循以下两条准则：下两条准则： 在所形成的三角形网格中，每个三角形的最小内角尽量大，即在所形成的三角形网格中，每个三角形的最

54、小内角尽量大，即每个三角形尽量接近等边；每个三角形尽量接近等边；保证最邻近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。保证最邻近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。构成不规则三角形网的基本准则构成不规则三角形网的基本准则 在满足上述要求、而又可能建立三角网的方法中，狄洛尼在满足上述要求、而又可能建立三角网的方法中，狄洛尼D-D-TINTIN在地形拟合方面表现最为出色，因此常被用于在地形拟合方面表现最为出色，因此常被用于TINTIN的生成。的生成。表面三角网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由表面三角网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最邻近的点构成的三角形，即三角形的边长之和

55、最小。最邻近的点构成的三角形，即三角形的边长之和最小。每个不规则三角形可被视为一个平面，平面的几何特性完全由每个不规则三角形可被视为一个平面，平面的几何特性完全由三个顶点的空间坐标值三个顶点的空间坐标值( (X X，Y Y，Z Z) )决定。决定。 第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型狄洛尼狄洛尼DelaunayDelaunay三角网的构成三角网的构成第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型狄洛尼狄洛尼DelaunayDelaunay三角网的构成三角网的构成每个三角形分别构成一个记录，每个三角形分别构成一个记录，每个记录的数据项包括：每个记录的数据项包括：三角形标识码；

56、三角形标识码；该三角形的相邻三角形号；该三角形的相邻三角形号；该三角形的顶点号该三角形的顶点号三个顶点的空间坐标值；三个顶点的空间坐标值；Z Z轴一般用于表示现象的属性，轴一般用于表示现象的属性，例如地形高程等。例如地形高程等。三三角角形形识识别别码码相邻三角形相邻三角形三角形顶点三角形顶点顶点坐标和特征值顶点坐标和特征值1231st2nd3rdX1,Y1,Z1X2,Y2,Z2X3,Y3,Z3 IV I IVV000000 1 4 5 7 6 7 8 8 3 3 4 2 5 1 1 6 2 2 2 5 7 2 7 7不规则三角形网的特点不规则三角形网的特点 这种数据结构的相邻三角形信息可以自动

57、生成，而且利用这种相这种数据结构的相邻三角形信息可以自动生成，而且利用这种相邻三角形信息，便于连续分布现象的顺序追踪和查询检索，例如对邻三角形信息，便于连续分布现象的顺序追踪和查询检索，例如对地形结构线的追踪，是非常便捷的。地形结构线的追踪，是非常便捷的。 利用这种数据结构，可以方便地进行地形分析，如坡度和坡向信利用这种数据结构，可以方便地进行地形分析，如坡度和坡向信息提取，填挖方计算，阴影和地形通视分析，等高线自动生成和三息提取，填挖方计算，阴影和地形通视分析，等高线自动生成和三维显示等。因此，维显示等。因此，TINTIN数据结构被广泛应用于各种地理信息系统，数据结构被广泛应用于各种地理信息

58、系统，如如ARCARCINFOINFO、MGEMGE等。等。第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型栅格数据结构含义栅格数据结构含义栅格数据模型以一定方式把整个空间区域分成若干规则的格网栅格数据模型以一定方式把整个空间区域分成若干规则的格网区（通常是正方形）。格网的大小是预先设好的，每个栅格的大区（通常是正方形）。格网的大小是预先设好的，每个栅格的大小代表定义的空间分辨率。这种用格网（像元）阵列方式表达图小代表定义的空间分辨率。这种用格网（像元）阵列方式表达图件的每一点的位置及其属性的数据表达方式，称为栅格格式（结件的每一点的位置及其属性的数据表达方式，称为栅格格式（结构）。构）。地

59、理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义。栅格（网地理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义。栅格（网格）的大小取决于所需空间信息的精度，栅格的值代表该位置的格）的大小取决于所需空间信息的精度，栅格的值代表该位置的状态。每个栅格只能存储一个值。状态。每个栅格只能存储一个值。二、栅格数据结构二、栅格数据结构第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型二、栅格数据结构二、栅格数据结构第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型二、栅格数据结构二、栅格数据结构第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型栅格结构中空间实体的表示栅格结构中空间实体的表示点：点：由一个单元网格表示，

60、其数值与近邻网格值明显不同。由一个单元网格表示，其数值与近邻网格值明显不同。线段：线段：由一串有序的相互连接的单元网格表示，各个网格的值由一串有序的相互连接的单元网格表示，各个网格的值比较一致，但与邻域的值差异较大。比较一致，但与邻域的值差异较大。多边形：多边形：由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部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或差异较小，但与邻域网格的值差异较大。的网格值相同或差异较小，但与邻域网格的值差异较大。 空间实体表示示例空间实体表示示例点实体点实体线实体线实体点实体点实体面实体面实体线实体线实体线实体线实体面实体面实体面实体面实体第三节第三节