第二章 地理信息系统的数据结构

1、教学要求教学要求地理空间的定义地理空间的定义 地理空间的数学建构地理空间的数学建构 地理空间坐标系地理空间坐标系 地图对地理空间的描述地图对地理空间的描述 地理空间的距离度量地理空间的距离度量地理空间的表达方法地理空间的表达方法 地理空间的空间关系地理空间的空间关系 本节主要内容2.1.1 2.1.1 地理空间的定义地理空间的定义 地理空间（地理空间（geo-spatialgeo-spatial）: :是地球上大气是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。上至大气电离层，下至地幔作用的区域。上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。莫

2、霍面，有着广阔的范围。2.1.2 2.1.2 地理空间的数学建构地理空间的数学建构 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球表面。太复杂，难以建模，各种量算也非常困难。大地水准面：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程。海平面的起伏将导致测量的不确定。 地球椭球体模型地球椭球体模型：以大地水准面为基准建立的地球模型。 数学模型：数学模型：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。为了深入研究地理空间，必须建立地球表面的几何模型。目前，地球表面模型可以分为四类。 2.1.3 地理空间坐标

3、系2.1.3 地理空间坐标系 地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。坐标参考系统平面控制网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目前国内常见坐标系统 任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB水准原点1985国家高程基准，72.2604米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米 2.1.4 地图对地理空间的描述（1 1）点状分布特征）点状分布特征 ：如城镇、企事业单位、基地、气象站、山峰、如城镇、企事业单位、基地、气

4、象站、山峰、火山口等。火山口等。（2 2）线状分布特征：）线状分布特征： 河流、海岸线、铁路、公路、地下管线，行政边界等。河流、海岸线、铁路、公路、地下管线，行政边界等。（3 3）面状分布特征：）面状分布特征：如土壤、森林、草原、沙漠、湖泊等，通常称多边形。如土壤、森林、草原、沙漠、湖泊等，通常称多边形。（4 4）体状分布特征）体状分布特征如高层建筑、云体、山体、如高层建筑、云体、山体、矿体等。矿体等。p 空间现象及其表达空间现象及其表达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 面：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(x1,

5、y1) 属性：符号变化 等值线 遥感传感器平台传感器1 1欧几里距离：欧几里距离：在相对较小的地理空间中，采用笛卡儿坐标系，定义地理空间所有点的集合，组成的笛卡儿平面，记做R2。定义R2中，任意两点（xi,yi）和(xj,yj)间的距离为： 指两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离。是根据从空间中一点到另一点所需时间。 l拓扑关系（TSR）顺序关系（OSR） 矢量法矢量法矢量法：矢量法：以坐标序列描述地理实体的空间特以坐标序列描述地理实体的空间特征，包括征，包括0 0维矢量、一维矢量、二维矢量、维矢量、一维矢量、二维矢量、三维矢量。集中表现地理实体的形状特征三维矢量。集中表现地理实体的形

6、状特征以及不同实体之间的空间关系。点、线、以及不同实体之间的空间关系。点、线、面实体的矢量表达。面实体的矢量表达。2 2. .栅格法：栅格法：以栅格单元（象元）及其属性值以栅格单元（象元）及其属性值来描述地理实体的空间特征。描述地理实来描述地理实体的空间特征。描述地理实体的级别分布特征及其位置。点、线、面体的级别分布特征及其位置。点、线、面实体的栅格表达。实体的栅格表达。地图投影地图投影u为什么要进行投影？为什么要进行投影？u地图投影实质地图投影实质u投影变形投影变形u投影方法投影方法u投影选择所考虑的因素投影选择所考虑的因素u我国常用的投影方法我国常用的投影方法1 1、地图投影的概念、地图投

7、影的概念 转换三维地球表面到二维地图平面的数学处理方法称之为地图投影。它是一种透视投影 。地图投影 地图投影：为什么要进行投影地图投影：为什么要进行投影将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算地球椭球体为不可展曲面地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析地图投影：投影实质地图投影：投影实质 建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（的点的地理坐标（，）与平面上对应点的

8、）与平面上对应点的平面坐标（平面坐标（x x，y y）之间的函数关系：）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。的投影方式。 ),(),(21fyfx 由于要将不可展的地球椭球面展开为平面，且不能有断裂，那么图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，因而投影变形是不可避免的。投影变形通常包括三种，即长度变形、角度变形和面积变形。 o 地图投影是为特定的制图目的服务的。根据控制投影变形的目的，有以下投影类型： 等角投影（正形投影，正射投影），它保持局部形状相似，但不能保证面积相等。但面积较大时，也不能保证形状不变。 等面积投影，保

9、持面积不变，但角度、形状、和比例会发生变形。 等距离投影，是一种既不等面积也不等角的投影。长度、角度、面积、比例均有变形。但面积变形小于等角，形状变形小于等积。3 3、地图投影的方法、地图投影的方法 地图投影的方法主要由圆锥投影、圆柱投影、平面（方位）投影等，它们均包括正轴、斜轴、横轴等投影方式，在此基础上又分为相切、相割方式两种情况 在建立投影函数时，即（X,Y）=f(,) 又有不同的计算函数，如我国使用的高斯投影、兰波特投影等。4、地图投影的分类方位投影圆锥投影地图投影地图投影变形规律变形规律几何投影非几何投影构成方式构成方式圆柱投影伪方位投影伪圆锥投影伪圆柱投影等积投影等角投影任意投影多

10、圆锥投影正 轴斜 轴横 轴方位 圆柱 圆锥 投影方式之一：几何投影正切横轴投影正切投影正割投影 按承影面与地表的关系分为按承影面与地表的关系分为切投影切投影割投影割投影相相切切相相割割 在GIS应用中，地图投影方法的选择主要是针对中小比例尺的地图投影而言的，基本比例尺地图投影类型和方法一般应按国家相关部门规定进行。在进行地图投影方法选择时，考虑的因素包括范围、形状、地理位置、用途、出版方式等。以减少图上变形为目的，最好使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致。其中范围、形状、地理位置最重要。 6、GIS中的地图投影选择的一般原则 GIS所采用的投影系统应与本国的基本地图系列所采用的投影系统一致

11、各比例尺GIS中的投影系统应与相应比例尺主要信息源地图的投影一致 各地区的GIS投影系统应与该地区所使用的投影系统一致 一般选择13种投影系统以保证地理定位框架的统一 基本比例尺地形图 (1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万) 中，大于等于大于等于5050万的均万的均采用高斯采用高斯- -克吕格投影克吕格投影 (Gauss-Kruger)(Gauss-Kruger)，又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)； 小于小于5050万的地形图采用正轴等角割圆锥投影万的地形图采用正轴等角割圆锥投影，又叫兰勃又叫兰勃特投影特投影

12、(Lambert(LambertConformalConformalConic)Conic)； 大部分省图、大多数同级比例尺地图也采用兰勃特投影； 海洋小于50万的地形图多用正轴等角园柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator)； 我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。 高斯克吕格投影示意分带方法：分带方法：为控制投影变形，高斯为控制投影变形，高斯-克吕格投影采用克吕格投影采用6带、带、3带分带投影的带分带投影的方法，我国方法，我国1：2.5万万-1：50万地形图均采用万地形图均采用6带投影，带投影，1：1万及更大万及更大比例尺地形图采用比例尺地形图采用3带投影

13、。带投影。（1）6分带法规定：分带法规定：从格林威治零度经线开始，由西向东每隔从格林威治零度经线开始，由西向东每隔6为一个投影带，全球共分为一个投影带，全球共分60个投影带，分别用阿拉伯数字个投影带，分别用阿拉伯数字1-60予以标予以标记。我国位于东经记。我国位于东经72-136之间，共包括之间，共包括11个投影带（个投影带（13-23带）。带）。（2）3分带法规定：分带法规定：从东经从东经130 起算，每起算，每3为一带，全球共分为一带，全球共分120带。带。我国领土范围我国领土范围该投影的平面直角坐标规定为：每个投影带以该投影的平面直角坐标规定为：每个投影带以中央经中央经线为坐标纵轴即轴线

14、为坐标纵轴即轴，以，以赤道为坐标横轴即轴赤道为坐标横轴即轴组成平面组成平面直角坐标系。为避免值出现负值，将轴西移直角坐标系。为避免值出现负值，将轴西移500km500km组组成新的直角坐标系，即在原坐标横值上均加上成新的直角坐标系，即在原坐标横值上均加上500km500km，因我国位处北半球，值均为正值。因我国位处北半球，值均为正值。6060个投影带构成个投影带构成了了6060个相同的平面直角坐标系，为区分之，在地形图南个相同的平面直角坐标系，为区分之，在地形图南北的内外图廓间的横坐标注记前，均加注投影带带号。为北的内外图廓间的横坐标注记前，均加注投影带带号。为应用方便，在图上每隔应用方便，在

15、图上每隔1km1km、2km2km或或10km10km绘出中央经线和绘出中央经线和赤道的平行线，即坐标纵线或坐标横线，构成了地形图方赤道的平行线，即坐标纵线或坐标横线，构成了地形图方里网（公里网）。里网（公里网）。GIS中地图投影（注意应用） GISGIS以地图方式显示地理信息，而地图以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上是平面，地理信息则在地球椭球上 GISGIS数据库中地理数据以地理坐标数据库中地理数据以地理坐标存储存储时，则以时，则以地图为数据源的空间数据地图为数据源的空间数据必必须通过投影变换转换成须通过投影变换转换成地理坐标地理坐标； 而而输出输出或或显示显示时

16、，则要将时，则要将地理坐标地理坐标表表示的空间数据通过示的空间数据通过投影变换变换成指投影变换变换成指定投影的平面坐标定投影的平面坐标。 1 1：100100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）影） 大部分分省图、大多数同级比例尺也采用大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影兰勃投影 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、1:11:1万、万、1 1：50005000采用高斯采用高斯克吕格克吕格投影。投影。1、概念： 地图比例尺-比例尺表明了地图数据的详细（精 确）程度，因此不同比

17、例尺地图往往需要采用不同的 地图投影方式。2、几种表示方法：数字比例尺：1：100000文字比例尺：地图上1mm等于实地1km图解比例尺或直线比例尺：面积比例尺：图上面积与实际面积之比 图上距离、实地距离；3 3、GISGIS工程中常见比例尺：工程中常见比例尺： 1 1：400400万、万、1 1：100100万；万； 1 1：5050万、万、1 1：2525万、万、1 1：5 5万、万、1 1：1 1万；万； 1 1：50005000、1 1：20002000、1 1：10001000、1 1：500500； 1 1：1 1万万-1-1：100100万比例尺地图又称为国家基本比例尺地万比例尺

18、地图又称为国家基本比例尺地形图形图4 4、我国地图比例尺分级系统：、我国地图比例尺分级系统： 大比例尺：大比例尺：1 1：5005001 1：1010万万 中比例尺：中比例尺：1 1：1010万万1 1：100100万万 小比例尺：小比例尺：1 1：100100万万5 5、同一地图要素在不同比例尺地图上有不同的表达方式同一地图要素在不同比例尺地图上有不同的表达方式 根据数据结构可以分为：根据数据结构可以分为：1）矢量数据）矢量数据2）栅格数据）栅格数据p ：属性特征。空间数据的基本特征空间数据的基本特征地理数据定 位 数 据非定位数据x,y 坐标拓扑关系点线面格网网络 土壤 1.土厚 砂变量

19、级别数值 名称细中粗1.11.21.3地理数据类型 属性数据属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达 几何数据几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达 关系数据（拓扑数据）关系数据（拓扑数据）：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。拓扑关系（拓扑关系（TSR） 拓扑属性拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）一个弧段是一个简单弧段（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个区

20、域的内部一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有一个面是一个简单面（面上没有“岛岛”）一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）部沿任意路径走向另一点）非拓扑属非拓扑属性性两点之间的距离两点之间的距离一个点指向另一个点的方向一个点指向另一个点的方向弧段的长度弧段的长度一个区域的周长一个区域的周长一个区域的面积一个区域的面积拓扑空间中的点与领域拓扑空间中的点与领域邻接邻接相交相交重合重合相离相离包含包含点点点点

21、点点线线点点面面线线面面面面面面线线线线拓扑元素：拓扑元素：q 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点q 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起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧: 1）邻接性邻接性: :存在于空间图形的相同类型元素之间存在于空间图形的相同类型元素之间的拓扑关系；的拓扑关系； 2 2）关联性：存在于不同类型空间元素之间的拓扑）关联性：存在于不同类型空间元素之间的拓扑关系关系; ; 3 3）包含性：存在于空间图形的相同类型元素但不）包含性：存在于空间图形的相同类型元素但不同等级元素之间的拓扑关系同等级元素之间的拓扑关系 。GI

22、SGIS中基本拓扑关系中基本拓扑关系123459678106v1关关联联性性的的表表示示14563节点节点3 3与线与线5 5联联通关联通关联。包包含含性性的的表表示示线段线段A多边形多边形B点点A多边形多边形Aebc41325ABC76Dada: 结点号A: 多边形号1: 弧段号弧段数字化方向弧-面拓扑弧段左面右面起点终点1Aca2BAbc3CAba4Cda5CDdB6BDee7Bdc面-弧拓扑面号弧数弧号A3-1,-2,3B42,-7,5,0,-6C3-3,-5,4D16结点-弧拓扑结点弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6表中数字前负号为相反方向 2.2.4空间数据的计算

23、机表示2 2、属性分层、属性分层 将要表达的空间数据抽象将要表达的空间数据抽象成不同类型属性的数据层进行成不同类型属性的数据层进行表示。表示。地理空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常称为图层。 图层是描述某一地理区域的某一（有时也可以是多个）属性特征的数据集。 原则上讲，图层的数量是无限制的，但实际上要受GIS数据结构、计算机存储空间等的限制即把不同时间或不同时期的数据分别构成各个数据层。 定位特征拓扑特征属性特征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。逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空

24、间排列方式和相互关系的抽象描述。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。 在地理信息系统中描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括空间位在地理信息系统中描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括空间位置、拓扑关系和属性三个方面的内容。置、拓扑关系和属性三个方面的内容。栅格结构矢量结构定位定位拓扑关系拓扑关系属性属性矢栅一体化数据结构即指数据结构即指数据组织的形式数据组织的形式，是，是适合于计算机存储、管理和处理的数据适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。逻辑结构。 对空间数据是地理实体的空间排列对空间数据是地理实体的空间排列方式和相互关系的方式和相互关系的抽象描述。抽

25、象描述。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记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系和以最小的存储空间存储复杂的数据。新山水庫10821816589111道道2道道A1道路河流地質植被矢量结构图矢量结构图道路山峰获取方法获取方法定位设备（全站仪、GPS、常规测量等）地图数字化间接获取l栅格数据转换l空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）l其他数据格式的转换 在GIS中点有几种类型。线的起

26、点、终点、交点（三条以上坐标链的交汇点）、面的首尾点我们称之为结点（node），而线的中间部分称为中间点（角点vertex）。 实体点(Entity point)：用来代表一个实体； 注记点(Text point)：用于定位注记； 内点(Label point)：用于记录多边形的属性，存在于多边形内； 结点(Node)：表示线的终点和起点、交点； 中间点(角点，Vertex)：表示线段和弧段的内部点。矢量数据基本类型矢量数据基本类型- -点点线有方向，两个结点之间的线又叫弧段（arc）。弧段特征可用来定位和描述两点之间连线的地理信息。 线线是对线状地物或地物运动轨迹的全部或部分的描述，可以定义

27、为由直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对以上的坐标定义。最简单的线实体只存储它的起止点坐标、属性、显示符等有关数据。矢量数据基本类型矢量数据基本类型- -线线由一系列坐标点表示，有以下特征： 实体长度：从起点到终点的总长； 弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度； 方向性：如水流从上游到下游，公路则有单双向之分；线实体包括：线段、边界、链、网络、多边形线等。矢量数据基本类型矢量数据基本类型- -线线 面（多边形polygon）是对面状地理实体的表示，由一个封闭的坐标点序列外加内点表示。但多边形矢量编码，不但要标识位置和属性，更重要的是表达拓扑特征,如形状、邻域和层次结构等。多边形由一条或

28、一条以上首尾相连的弧段组成。一个弧段总是被两个而且只被两个多边形所共有。矢量数据基本类型矢量数据基本类型- -面（多边形）面（多边形） 复杂的多边形内可以有“岛（洞）”（一种特殊的弧段，这种弧段坐标链头尾相接，独立围成一个封闭的区域。弧段的端点总是结点，而岛弧段端点并非是三条或三条以上坐标链的交汇点，这种端点称为岛结点）。多边形有以下特征： 面积范围； 周长； 独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市；内部区域内部区域简单多边形简单多边形复杂多边形复杂多边形矢量数据基本类型矢量数据基本类型- -面（多边形）面（多边形）矢量数据组织矢量数据表示时矢量数据表示时应考虑以下问题应考虑以下问题： 矢量

29、数据自身的存贮和处理。矢量数据自身的存贮和处理。 与属性数据的联系。与属性数据的联系。 矢量数据之间的空间关系矢量数据之间的空间关系( (拓扑关系拓扑关系) )。关系表关系表几何位置坐标文件几何位置坐标文件连连接接识别符识别符点：坐标对（点：坐标对（x,y）线：坐标对系列线：坐标对系列(x1,y1).(xn,yn)面：首尾相同的坐标串面：首尾相同的坐标串+ 有关属性、其它属性有关属性、其它属性矢量数据在计算机中的组织标识码标识码属性码属性码空间对象编码空间对象编码;唯一唯一;连接空间和属性数据连接空间和属性数据数据库数据库独立编码独立编码点: ( x ,y )线: ( x1 , y1 ) ,

30、(x2 , y2 ) , , ( xn , yn )面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 )点位字典点位字典点: 点号文件线: 点号串面: 点号串点号XY1112223344n5566存储方法存储方法1.实体数据结构实体数据结构(坐标序列法坐标序列法)（1）以点、线、面为单元组织数据。直观，数字化简单（面条结构）；（2）公共边界数字化和存储两次，冗余和不一致；（3）点、线、面有各自的坐标数据，无拓扑关系；（4）岛或者洞只作为一个简单的图形，没有与外界多边形的联系。矢量数据结构编码方式矢量数据结构编码方式Spaghetii数据结构及其编码文件数据结构

31、及其编码文件简单的矢量数据结构实体式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,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C(x24,y24),(x25

32、,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,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)采用实体数据结构的GIS软件 采用这种数据结构的 有Arcview GIS的shape文件； MaInfo的Tab文件A

33、rcview GIS的shape文件 Arcview GIS的shape文件是描述空间数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结构的一种格式。 一个shape文件包括一个主文件（*.shp),一个索引文件（*.shx)和一个dBASE表文件（*.dbf) 具体Arcview GIS的shape文件的存储见书50页。特点：点相互独立，点连成线，线连成特点：点相互独立，点连成线，线连成面。面。定义：定义：弧段：构成多边形的线。是数据组织弧段：构成多边形的线。是数据组织的基本对象。的基本对象。结点：两条以上弧段相交的点。结点：两条以上弧段相交的点。岛：一条弧段构成的多边形。岛：一条弧段构成的多边形。

34、2.拓扑数据结构拓扑数据结构数据结构数据结构 在这种数据结构中，弧段是数据结构的基本对象。 弧段文件：弧段文件：由弧段记录组成，包括弧段标识码，FN，TN，LP，RP；（表2-8） 节点文件：由节点记录组成，包括结点号，坐标，与该结点连接的弧段标识码；（表2-9） 多边形文件：由多边形记录组成，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。（表2-11） 拓扑数据结构主要包括DIME、POLYVRT(多边形转换器）、TIGER(地理编码和参照系统的拓扑集成）等拓扑数据结构拓扑数据结构分为分为双重独立式双重独立式（ Dual Independent Map Encoding)，简称DI

35、ME。双重独立式是对网状要素（线状要素）和面状要素的任何一条线段，用其两端的结点及相邻面域予以定义； 优点：利用拓扑关系组织数据，便于进行有效地检查、检索、更新 拓扑数据结构拓扑数据结构双重独立式编码双重独立式编码简称简称DIME(Dual Independent Map Encoding)，是美国人口统计系统采用的一种编码，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种方式，是一种拓扑拓扑编码结构。编码结构。 1、点文件、点文件点号点号坐标坐标1x1,y12、线文件、线文件: :线文件是以线文件是以线段线段为记录单位为记录单位 线号线号左多边形左多边形右多边形右多边形起点起点终点终点L210P

36、1P22103、面文件、面文件面号面号线号线号P1L210,L109关联关联邻接邻接关联关联连通连通拓扑关系明确拓扑关系明确在在DIMEDIME中做如下改进：中做如下改进： 将以将以线段线段为记录单位改为以为记录单位改为以弧段弧段为单位为单位链状双重独立式编码链状双重独立式编码链状双重独立式编码(拓扑数据结构) 链状双重独立式数据结构链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，而在链状数据结构中，将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：多边形文件多边形文件、弧段文件弧段文件、弧段坐标文件弧段坐标文件、结点文结点文件件。链状双重独立式编码四个

37、文件1、弧段坐标文件、弧段坐标文件：弧段号弧段号坐标系列（串坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y102 2、弧段文件：链、弧段文件：链面，链面，链结点关系结点关系 弧段号弧段号左多边形左多边形右多边形右多边形起点起点终点终点AP1P2253、多边形文件、多边形文件多边形号多边形号弧段号弧段号P1A,B,-C4 4、点拓扑文件、点拓扑文件： 结点结点链关系链关系 点号点号弧段号弧段号2A,B,D在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边点（

38、结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。形边界不重复。 MapMap链状双重独立编码实例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a5,4,3,2,1b8,7,6,5c16,17,8d19,18,5e15,23,22,21,20,19f15,16,g1,10,11,12,13,14,15h8,9,1i16,19j31,30,29,28,27,26,25,24,3112345678910111213141516171

39、819202122232425262728293031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,fEc,i,d,b链状双重独立式编码的特点拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。因为一因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（

40、某条街道）为研究对象. . 被一些成熟的商品化软件采用，如被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件软件。例：例：ARCARC文件文件：二进制文件：二进制文件: 弧段号弧段号 点数点数 坐标串坐标串 在在GISGIS数据输入中，数据输入中，建拓扑建拓扑是指给图形数据（点、线、面）增加拓扑结构，如是指给图形数据（点、线、面）增加拓扑结构，如ARC/INFOARC/INFO中，在中，在ARCEDITARCEDIT中输入图形后，需用中输入图形后，需用BUILD BUILD 建图形拓扑，具体生成许多文件，如建图形拓扑，具体生成许多文件，如AATAAT，PATPAT等等. INFO：属性表：属性

41、表如如AAT（Arc Attribute Table）用户标识码，表明地物类型用户标识码，表明地物类型当当图形数据修改图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，所以，需重新建拓扑需重新建拓扑。弧段号弧段号USER_IDLPOLYRPOLYFROM_NODETO_NODE其它属性其它属性:(名称名称)2.树状索引编码法树状索引编码法 对所有边界点数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系。树状索引法树状索引法123456789101112131415P1P2P3 P1P3P2

42、1 2 3 4 5 6 5 6 5 6 7 8 9 1012 13 14 15 123456789101112131415P1P2P3点文件 点号 坐标 1 x1，y1 2 x2，y2 15 x15，y15树状索引法树状索引法123456789101112131415P1P2P31 2 3 4 5 6 5 6 5 6 7 8 9 1012 13 14 15 线号 起点 终点 点号 6 5 6,1,2,3,4,5 5 6 5,6 6 5 6,7,8,9,10,11,5 12 13 12,15,14,13树状索引法树状索引法123456789101112131415P1P2P3多边形文件多边形号

43、边界线号 1 ， 2 ， 3 P1P3P2 树状索引法树状索引法矢量数据结构中的属性表达u属性特征类型属性特征类型 类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征u属性特征表达属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格u属性表的内容取决于用户属性表的内容取决于用户u图形数据和属性数据的连接通过图形数据和属性数据的连接通过目标识别目标识别符符或或内部记录号内部记录号实现。实现。属性表达属性表达点状对象目标标识目标标识地物编码坐 标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐 标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位面状对象目标

44、标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性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，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。输出图形质量好，精度高。输出图形质量好，精度高。 基于栅格模型的数据结构称为栅格数据，是指将空间分割成有规则的网格，称为栅格单元，在每个栅格单元上给出相应的属性值来

45、表示地理实体的一种数据组织形式。栅格结构是将地理空间划分成若干行、若栅格结构是将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个干列，称为一个象元阵列象元阵列，其最小单元称，其最小单元称为为象元或象素象元或象素。每个象元的位置由行列号。每个象元的位置由行列号确定，其确定，其属性属性则以代码表示。则以代码表示。栅格结构的图像表示栅格结构点线面点点线线面面对于栅格数据结构对于栅格数据结构点：为一个像元。点：为一个像元。线：在一定方向线：在一定方向上连接成串的相邻上连接成串的相邻像元集合。像元集合。面：聚集在一起面：聚集在一起的相邻像元集合。的相邻像元集合。像元属性象元属性：栅格单元值象元属性：栅格单元值 地

46、理要素的属性特征地理要素的属性特征栅格结构的特点：栅格结构的特点：属性明显，定位隐含属性明显，定位隐含三角形三角形菱菱 形形正六边形正六边形n 规则的正方形或矩形栅格；规则的正方形或矩形栅格；n 其它规则的栅格图形单元，如三角其它规则的栅格图形单元，如三角形或多边形；形或多边形；n 在栅格文件中，每个栅格只能赋予在栅格文件中，每个栅格只能赋予唯一的值；唯一的值；n 若某一栅格有多个不同的属性，则若某一栅格有多个不同的属性，则分别存贮于不同文件，分别存贮于不同文件，如图如图；n 在栅格数据模型中，总的属性个数在栅格数据模型中，总的属性个数可以通过计算得到；可以通过计算得到；2、栅格数据的建立（1

47、 1）建立途径）建立途径（2 2）栅格系统的确定）栅格系统的确定（3 3）栅格代码的确定）栅格代码的确定2.1建立途径(获取方法)1、手工获取手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。格代码。2、扫描仪扫描扫描仪扫描专题图的图像数据专题图的图像数据行、列、颜色（灰行、列、颜色（灰度）度），定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。即得该专题图的栅格数据。3、由矢量数据转换而来由矢量数据转换而

48、来。4、遥感影像数据，遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。来的象素值序列。5、格网格网DEM数据数据，当属性值为地面高程，则为格网，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过，通过DEM内插得到。内插得到。、栅格坐标系的确定、栅格坐标系的确定、栅格单元的尺寸、栅格单元的尺寸( (分辨率分辨率) )、栅格代码、栅格代码( (属性值属性值) )的确定的确定、栅格数据的编码方法、栅格数据的编码方法X：行行西南角格网坐标西南角格网坐标（XWS，YWS）格网

49、分辨率格网分辨率Y：列列 表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构系统，什么数据结构( (矢、栅矢、栅) )都应在统一的坐标系统下，而都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。 由于栅格编码一般用于区域性由于栅格编码一般用于区域性GISGIS，原点的选择常具有局，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致国家基本比例尺地形图公里网的交

50、点相一致，并分别采用，并分别采用公公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。221223323332333233321）原则）原则：应能：应能有效地逼近空间对象的分有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度布特征，又减少数据的冗余度。 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。 一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈越小，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。成本就越高，处理速度越慢。2）方

51、法）方法：用保证最小多边形的精度标准：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式：来确定尺寸经验公式： h h为栅格单元边长为栅格单元边长 AiAi为区域所有多边形的面积。为区域所有多边形的面积。 21min21iAh CAB百分比法百分比法面面积积占占优优重重要要性性中心点法中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB为了逼近原始为了逼近原始数据精度，除数据精度，除了采用这几种了采用这几种取值方法外，取值方法外，还可以采用缩还可以采用缩小单个栅格单小单个栅格单元的面积，增元的面积，增加栅格单元总加栅格单元总数的方法。数的方法。 0 2 2 5 5 5 5

52、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。 12345076001 0 767 01 1 0 0链码编码链码编码： 2，2 ，6 ，7，6，0，6，5123450760 5

53、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 0 0起始点坐标起始点坐标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），），（5

54、，3）；（）；（2，4），（），（3，1），），（5，2）；（）；（0，2），（），（2，1），），（3，2），（），（5，2）；（）；（0，2），），（3，4），（），（5，1），（），（3，1）；）；（0，3），（），（3，5）；（）；（0，4），），（3，4）；（）；（0，5），（），（3，3）。）。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），），

55、（2，2），（），（5，0）；（）；（3，2），），（5，0）；（）；（4，2），（），（1，3），），（3，0）；（）；（1，5），（），（2，2），），（4，3），（），（2，0）；（）；（1，5），），（1，2），（），（5，3），（），（1，0）；）；（2，5），（），（6，3）；（）；（5，5），），（3，3）；（）；（4，5），（），（4，3）。）。这种方法降低了数据的冗余度Re（1/5即有良好压缩效果） Re =1；其中是相邻属性值变化总次数，、是网格行列数。如本例Re 17/4*4=0.5625 3 3、块码、块码 0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50

56、 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（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

57、 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 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），（

58、），（7 7，5 5，1 1，3 3）；）；（8 8，4 4，1 1，0 0），（），（8 8，5 5，1 1，0 0）。）。 4 4、四叉树编码、四叉树编码 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 1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400 0 00 3 3 3 0 3 3 33 3 5 3 0 0 2 2 2 3

59、 2 2 2 2 0 22 2 2 5 2 5 5 53 33 5 5西南东南西北东北 (几种栅格编码的比较几种栅格编码的比较4、栅格数据的应用方式遥感图象处理遥感图象处理数字高程模型数字高程模型DEMDEM与数字地形模型与数字地形模型DTMDTMDigital Elevation ModelDigital Terrain Model西班牙马德里体育场（西班牙马德里体育场（0.61m）SPOT XS 20m*20m 牡丹水庫band G, R, IR網格資料關於衛星影像5、栅格数据结构的特点矢量数据矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图

60、形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点：数据结构复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件栅格数据栅格数据优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时曲面的概念：连续分布现象的表面特征，曲面的概念：连续分布现象的表面特征，如地形、降水量、温度和磁场等。如地形、降水量、温度和磁场等。连续表面的表达n连续表面（surface） ：表示一种连续的空间分布，例如地形变化、也可以描