第二章 地理信息系统的数据结构

1、1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，空间数据的拓扑关系的空间数据，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，栅格数据结构，矢量与栅格一体化数据结构，矢量与栅格数矢量数据结构，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据结构的比较第四节第四节 空间数据结构的建立空间数据结构的建立 空间数据的建立过程及方法空间数据的建立过程及方法第

2、二章第二章 GISGIS数据结构数据结构2 GIS表达的是地理空间信息，为了描述地理表达的是地理空间信息，为了描述地理空间信息，需要建立空间信息，需要建立地球空间模型地球空间模型，确定，确定地地理空间参照系统理空间参照系统，进行，进行地图投影变换地图投影变换，对地，对地理空间信息的理空间信息的空间位置空间位置、空间关系空间关系以及以及空间空间属性属性等数据进行定义和表达。这些内容共同等数据进行定义和表达。这些内容共同构成了地理空间信息基础。构成了地理空间信息基础。3一、地理空间一、地理空间(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 “空间空间”的概念是

3、的概念是GIS的重要概念。在地理学上，的重要概念。在地理学上，地地理空间理空间（Geographic Space）是指物质、能量、）是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式、格局及其在时间上的延续。地理空间上分布方式、格局及其在时间上的延续。地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面。地球表层地基准至大气电离层，下至地幔莫霍面。地球表层地基准是陆地表面和大样表面，是人类活动最频繁的区域，是陆地表面和大样表面，是人类活动最频繁的区域，人地关系最复杂、最紧密。是地球圈层相互作用区人地关系最复杂、最紧密。是地球圈层相互作用区域，物理

4、、化学、生物过程就发生在地理空间之中。域，物理、化学、生物过程就发生在地理空间之中。也是宇宙过程对地球影响最大的区域。也是宇宙过程对地球影响最大的区域。4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。的空间关系构成。51 1、 地球空间模型地球空间模型 为了研究地理现象

5、，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6（1 1）地球的自）地球的自然表面然表面 地球的自然地球的自然表面模型是地表面模型是地球的自然体，球的自然体，起伏而不规则，起伏而不规则，呈梨形形状呈梨形形状 。第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达7（2 2）大地水准

6、面）大地水准面设当一个海水面处于完全静止设当一个海水面处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，且与地球重到所有大陆下部，且与地球重力方向处处正交的一个连续、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。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。由于任意一点进行高程测量。由于地球重力的影响，大地水准面地球重力的影响，大地水准面也是一个不规则曲面，但起伏也是一个不规则曲面，但起伏远小于自然表面。远小于自然表面。第一节第一节 地理空间及其表达

7、地理空间及其表达8（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( (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9第一节第一节

8、 地理空间及其表达地理空间及其表达10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11fp=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

9、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12国际主要椭球参数国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

10、.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19676 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

11、 378 1371:298.2571979年国际第四个推荐值1314（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152 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

12、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16172 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

13、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(, )18我国现有的三种大地坐标系我国现有的三种大地坐标系(1)1954(1)1954北京坐标系：克拉索夫斯基椭球体北京坐标系：克拉索夫斯基椭球体 参数参数： a=6378388ma=6378388m，b=6356912mb=6356912m 缺点缺点：椭球体椭球体面与我国大地水准面不能很好的符合，

14、产生的误面与我国大地水准面不能很好的符合，产生的误差较大。差较大。(2)1980(2)1980国家大地坐标系：国际大地测量联合于国家大地坐标系：国际大地测量联合于19751975年提出的椭年提出的椭球体球体 参数参数：a=6378160ma=6378160m，b=6356775mb=6356775m 优点优点：椭球体椭球体参数精度高；参数是一个完整的系统；定位所决参数精度高；参数是一个完整的系统；定位所决定的定的椭球体椭球体面与我国大地水准面符合的好；误差小。面与我国大地水准面符合的好；误差小。(3)1985(3)1985国家高程基准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

15、91 1、空间实体及类型、空间实体及类型空间实体：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。界中地理实体的抽象。空间实体类型空间实体类型 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。它的位置、形状、大小、高低等特征。二、空间实体及二、空间实体及表达表达第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达20以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达点实体点实体第一节

16、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；有位置，无宽度和长度；v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21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22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

17、地利用分布图（不连续面）23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。不连续变化曲面连续变化曲面24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

18、维目标目标25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 一、一、GISGIS空间数据的分类空间数据的分类 按照数据来源分类：按照数据来源分类： 地图数据、影像数据、文本数据地图数据、影像数据、文本数据 按照数据结构分类：按照数据结构分类： 矢量数据、栅格数据矢量数据、栅格数据 按照数据特征分类：按照数据特征分类： 空间定位数据、属性数据空间定位数据、属性数据 按照数据几何特征分类：按照数据几何特征分类： 点、线、面、体点、线、面、体 按照数据发布形式分类：按照数据发布形式分类： 数字线画图、数字栅格图、数字高程模型、数字正射影像图（数字线画图、数字栅格图、数字高程模型、数字正射影

19、像图（4D4D）26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 二、空间数据的基本特征二、空间数据的基本特征 1、基本特征：、基本特征： 空间特征：空间特征：位置、形状、大小、相邻关系等 属性特征：属性特征：名称、数量、质量等 时间特征：时间特征：特定地理现象所发生的时间27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 2、基本信息 定位信息 属性信息 拓扑关系28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29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 三、空间数据的拓扑关系 1、拓扑关系的类型 邻接：相同类型元素之间 关联：不同类型空间元素之间

20、包含：相同类型但不同等级的元素之间3031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 2、空间拓扑关系的意义 不利用坐标或者距离来确定一种实体相对于另一种实体的空间位置关不利用坐标或者距离来确定一种实体相对于另一种实体的空间位置关系，系，清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比集合关系具有更大的清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比集合关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。稳定性，不随地图投影而变化。 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。如某县的邻接县（面面相邻问如某县的邻接县（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

21、题）。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线与哪些点关联。询该线与哪些点关联。 利用拓扑数据重建地理实体。利用拓扑数据重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现面域的例如根据弧段构建多边形，实现面域的选取；根据弧段与结点的关联关系重建道路网络，进行最佳路径选择选取；根据弧段与结点的关联关系重建道路网络，进行最佳路径选择等。等。总的来说，总的来说，有两个目的：保证数据质量，保证空间对象表达的合理性和正确性、一致性。二是提高空间分析的效率。32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 四、空间数据的计算机表示 空间分幅 属性分层 时间分段33第二节第二节 地理空

22、间数据及其特征地理空间数据及其特征34o 通常按以下方法对地理目标进行分层： (1)、按专题分层，每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。 (2)、按时间序列分层，即把不同时间或不同时期的数据分别构成各个数据层。 (3)、按实体几何类型分层，因数据文件存储和属性管理的需要，因点、线、面实体在数据结构上的差别，GIS软件一般都按点、线、面类型分别存储文件。(4)、按实体属性结构分层，即便是同一类型或统一专题的数据，因属性取值类型或属性项的不同，也需将他们分在不同的图层。35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、矢量数据结构（一）实体数

23、据结构（简单数据结构、无拓扑关系的矢量数据结构）：shape文件和tab文件 它仅记录空间对象的位置坐标和属性数据，而不记录空间关系。它有两种方式，一种是每个点、线、面目标分别记录其坐标，称为多边形环路法，另一种方式是一个文件记录点坐标对，其他一些文件记录点与线、点与面的关系，称为点位字典法。该种数据结构的特点：该种数据结构的特点：数据结构直观、按点、线、多边形进行组织数据结构直观、按点、线、多边形进行组织多边形以闭合线段存储两次，易造成数据冗余和不一致多边形以闭合线段存储两次，易造成数据冗余和不一致点、线、多边形数据有各自坐标数据，但之间无拓扑数据点、线、多边形数据有各自坐标数据，但之间无拓

24、扑数据岛或者洞只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系岛或者洞只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系36 多边形环路法的缺点多边形环路法的缺点是，除了多边形轮廓外，其它公共边均存储了两次，因而会产生数据在结点处不重合、边界处易产生裂缝和重叠。点位字典法避免了这些情况，但仍没但仍没有存储必需的拓扑关系。有存储必需的拓扑关系。37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）拓扑数据结构：DIME、POLYVRT、TIGER DIME(Dual Independent Map Encoding)- 双重独立地图编码 美国人口统计系统采用的一种编码方式，以城市街道为 编码的主体。在1

25、990年的人口普查中，TIGER取代了DIME 文件。 POLYVRT （Polygon-Converter)结构: 美国计算机图形及空间分析实验室研制，是当今各种图 形数据结构的基本框架（链状双重独立TIGER（Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing system）-地理编码和参照系统的拓扑集成，美国人口调查局推出。规定：点（住址）、线（道路）和面（街区）的组织，重新用“关系数据库关系数据库”组织数据。该种数据结构的特点是： 点相互独立、点连成线、线构成面 概念： 弧段、节点、岛（洞）、简单多边形、复合多边形3

26、8 构成多边形的线称为弧段。 两条以上弧段相交的点称为节点。 由一条弧段组成的多边形称为岛或者洞。 多边形中不含岛称为简单多边形。 含岛称为复合多边形。39第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型40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、栅格数据结构栅格单元：将空间分割成的规则网格合理的栅格尺寸： 以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。换构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。换句话说，栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元的行列句话说，栅格数据结构就

27、是像元阵列，用每个像元的行列号确定位置，用每个像元的值表示实体的类型、等级等的号确定位置，用每个像元的值表示实体的类型、等级等的属性编码。属性编码。4142第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型43第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型4445链式编码（chain codes） 又称为弗里曼链码(Freeman)或边界链码。 基本方向可定义为：东0，东南l，南二2，西南3，西4，西北5，北6，东北7等八个基本方向。如果再确定原点为像元(10，1)，则该多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10，l，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0

28、，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。466701234532233233246676021起始点起始点47链式编码优缺点： 优点： 链式编码对线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，类似矢量数据结构，比较适于存储图形数据。尤其对于线状和多边形较大区域具有较高的压缩率。 缺点：对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，即修改和插入比较困难，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。48 游程编码结构：逐行将相邻同

29、值的栅格合并，并记录合并后栅格的值及合并栅格的数量。 概念：游程（矩阵一行内相邻同值栅格的数量）第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型49第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型50第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型51 块式编码是将游程长度编码扩大到块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。如图：正方形进行编码。如图：块式编码的数据结构块式编码的数据结构（初始行，列（初始行，列, ,半径，属半径，属性）根据这一编码原则，性）根据这一

30、编码原则，上述多边形只需上述多边形只需1717个单位正个单位正方形。方形。9 9个个4 4单位的正方形和单位的正方形和1 1个个1616单位的正方形就能完单位的正方形就能完整表示，总共要整表示，总共要5757个数据，个数据，其中其中2727对坐标，对坐标，3 3个块的半个块的半径。径。特点：具有可变分辩率特点：具有可变分辩率大块图斑记录单元大，分辩大块图斑记录单元大，分辩率低，压缩率高；小块图斑率低，压缩率高；小块图斑记录单元小，分辩率高，压记录单元小，分辩率高，压缩率低。缩率低。52第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 四叉树结构：将空间区域按照四个象限进行递归分割n次，每次分

31、割形成2n*2n个子象限，直到子象限中的属性数值都相同为止，该子象限就不再分割。 四叉树的存储方法通常有两种： 常规四叉树、线性四叉树53l常规四叉树：每个结点记录六个指针变量：父结点指针，四个子结点的指针，本结点的属性值。指针不仅增加了数据的存储量，还增加了操作的复杂性，所以常规四叉树并不广泛用常规四叉树并不广泛用于存储数据，其价值在于建立索引文件，于存储数据，其价值在于建立索引文件，进行数据检索。进行数据检索。54线性四叉树：用地址码（定位码、Morton码）记录叶节点的位置、深度（几次分割）和属性。优点：优点：l 存储量小，只对叶节点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割

32、路径和分割次数；l 线性四叉树可以直接寻址，通过其坐标值直接计算morton码，而不用建立四叉树；l 定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。55把一幅mm的图像压缩成线性四叉树的过程（1）按morton码把图像读入一维数组。（2）相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的morton码，循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能合并为止。（3）进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个象元的morton码。56 解码时，根据Morton码，就可知道象元在图像中的位置。从左上角，本Morton码和下一个Morton码之差即为象元个数。知道了象元的个数和象元的位置就可恢复出图像了

33、。57第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型58第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型59四叉树编码的优缺点； 优点优点：容易而有效地计算多边形的数量特征；阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高，即分级多，分辨率也高；而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容易；多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。 缺点缺点：转换不具稳定性，用同一形状和大小的多边形可能得出多种不同的四叉树结构，故不利于形状分析和模式识别。允许在多边形中嵌套多边形即所谓“洞”这种结构存在。 6

34、0第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型练习：将下图用线性四叉树表示练习：将下图用线性四叉树表示61矢量栅格数据结构的优缺点矢量栅格数据结构的优缺点n优点优点：便于面向现象（土壤类、土地利便于面向现象（土壤类、土地利用单元）用单元）结构紧凑，冗余度低，便于描述结构紧凑，冗余度低，便于描述线或边界线或边界利于网络、检索分析，提供有效利于网络、检索分析，提供有效的拓扑编码，对需要拓扑信息的的拓扑编码，对需要拓扑信息的操作更有效。操作更有效。图形显示质量好，精度高图形显示质量好，精度高n缺点：缺点：数据结构复杂，各自定义，不便数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准化和规范化，数据交于数据

35、标准化和规范化，数据交换困难。换困难。多边形叠置分析困难，没有栅格多边形叠置分析困难，没有栅格有效，表达空间变化性能力差。有效，表达空间变化性能力差。不能像熟悉图像那样做增强处理。不能像熟悉图像那样做增强处理。软硬件技术要求高，显示与绘图软硬件技术要求高，显示与绘图成本要求较高成本要求较高n优点优点：数据结构简单，易数据交换数据结构简单，易数据交换叠置分析和地理现象模拟较易叠置分析和地理现象模拟较易利于与遥感数据的匹配应用和分利于与遥感数据的匹配应用和分析，便于图像处理。析，便于图像处理。输出快速，成本低廉。输出快速，成本低廉。n缺点：缺点：现象识别效果不如矢量方法，难现象识别效果不如矢量方法

36、，难以表达拓扑。以表达拓扑。图形数据量大，数据结构不严密图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决该问不紧凑，需用压缩技术解决该问题。题。投影转换困难投影转换困难图形质量转低，图形输出不美观，图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅格数量线条有锯齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据文件。来克服，但会增加数据文件。矢量数据矢量数据栅格数据栅格数据62第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 三、曲面数据结构 通常有两种表达方法：TIN和GRID。 TIN：将离散分布的实测数据点连成三角网，网：将离散分布的实测数据点连成三角网，网中每个三角形尽量接近等边形状，并

37、且三角形边中每个三角形尽量接近等边形状，并且三角形边长之和最小。该模型通常用于数字地形的三维建长之和最小。该模型通常用于数字地形的三维建模和显示。模和显示。 GRID：类似于矩阵形式的栅格数据，只是其属性：类似于矩阵形式的栅格数据，只是其属性值为地面高程或连续分布现象的数据。值为地面高程或连续分布现象的数据。63不连续变化曲面：如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。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。64第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型656667686970 格网点数据结构简单，但表达地形的精度较差，与影象的叠加吻合不好

38、，对地形变化较大的地区精度更差。另外，关于地性线等线性不容易添加，湖泊等水平区域的不容易表达。 不规则三角网则可避免上述情况，表达地形的质量总体好于格网点，但数据结构较复杂，表达地形的面积较大时，效率不高。71第四节第四节 空间数据结构的建立空间数据结构的建立 一、系统功能与数据源之间的关系 系统功能决定数据类型系统功能决定数据类型 二、空间数据的分类与编码72空间数据的分类与编码空间数据的分类与编码 空间数据的分类、分层和空间索引是空间数据的分类、分层和空间索引是GIS空间数空间数据组织的重要方式和内容。空间数据分类系统为据组织的重要方式和内容。空间数据分类系统为空间数据的编码系统的建立提供

39、了依据。分层是空间数据的编码系统的建立提供了依据。分层是数据分类的直接结果，通过分层，将同类地理实数据分类的直接结果，通过分层，将同类地理实体或现象组织在一个数据层。索引通过建立空间体或现象组织在一个数据层。索引通过建立空间实体参考坐标与计算机屏幕坐标之间的关系，提实体参考坐标与计算机屏幕坐标之间的关系，提供快速的空间检索功能。分类、分层和索引它们供快速的空间检索功能。分类、分层和索引它们共同组成了空间数据有效组织的完整内容。共同组成了空间数据有效组织的完整内容。73 1、分类、分类 分类是将具有共同的属性或特征的事物或现象归并在一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过程。 74基础地理信

40、息数据分类基础地理信息数据分类将要素划分为以下8大类： 1）定位基础； 2）水系； 3）居民地及设施； 4）交通； 5）管线； 6）境界及政区； 7）地貌； 8）植被与土质。 要素大类与以往不同之处在于： 1）将“测量控制点”和新增的“数学基础”一并放入到“定位基础”中； 2）将原有的“管线与垣栅”分开，“管线”独立，垣栅归入“居民地及设施”中； 3）将原有的“地貌与土质”分开，土质与“植被”合并为一大类“植被与土质”； 4）将居民地、工矿、农业、公共设施和垣栅等内容归为一大类，统称为“居民地及设施”。 75 分类的基本原则是： （1）科学性：选择事物或现象最稳定的属性和特征作为分类的依据。

41、（2）系统性：应形成一个分类体系，低级的类应能归并到高级的类中。 （3）可扩性：应能容纳新增加的事物和现象，而不致于打乱已建立的分类系统。 （4）实用性：应考虑对信息分类所依据的属性或特征的获取方式和获取能力。 （5）兼容性：应与有关的标准协调一致。76空间数据编码空间数据编码 编码将数据分类结果用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程。编码的目的是用来提供空间数据的地理分类和特征描述。点、线、点、线、面面 特征码特征码、坐标坐标77 编码应遵循一定的原则。主要包括： （1）唯一性，一个代码只唯一地表示一类对象。 （2）合理性，代码结构要与分类体系相适应。 （3）可扩性，必须留有足够

42、的备用代码，以适应扩充的需要。 （4）简单性，结构应尽量简单，长度应尽量短。 （5）适用性，代码应尽可能反映对象的特点，以助记忆。 o（6）规范性，代码的结构、类型、编写格式必须统一。78 编码过程编码过程：分类、分级、编码：分类、分级、编码 编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。 分类方法分类方法：线分类、面分类：线分类、面分类 分级的概念：对事物或现象的数量或特征进行等级划分，分级的概念：对事物或现象的数量或特征进行等级划分，包括确定分级数和分级线包括确定分级数和分级线 。比如对土地特征的分级。比如对土地特征的分级。 分级的原则：符合数值估计精度要求分级的原则：符合数值估计精度

43、要求顾及可视化要求顾及可视化要求符合数据分布特征符合数据分布特征 满足精度前提下，尽可能少的分级数满足精度前提下，尽可能少的分级数 分级方法：数列分级、最优分割分级、统一标准分级等。分级方法：数列分级、最优分割分级、统一标准分级等。79 代码的功能主要有：（1）鉴别，代码代表对象的名称，是鉴别对象的唯一标识。（2）分类，当按对象的属性分类，并分别赋予不同的类别代码时，代码又可作为区分分类对象类别的标识。 （3）排序，当按对象产生的时间、所占的空间或其它方面的顺序关系排列，并分别赋予不同的代码时，代码又可作为区别对象排序的标识。代码的类型是指代码符号的表示形式，有数字型、字母型、数字和字母混合型

44、三类。80GIS代码的种类 分类码：直接利用分类信息的结果制定的代码，用于标识不同类别信息的数据。 标识码：在分类码的基础上对某一类数据中各个实体进行标识，弥补分类码不能进行个体分离的缺点。标识码 通常由定位分区和各要素实体代码两个码段组成。81层次分类编码 分类对象的从属和层次关系 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系电线架电线架715管线管线:7地下电力线地下电力线与电缆与电缆72电力线电力线71地下检修井地下检修井74管线管线73低压低压712电杆电杆713电塔电塔714不依比例不依比例7142依比例依比例7141高压高压71182信息多源编码（面分类） 按空间对象不同特性进行分类并进编

45、码 代码之间没有隶属关系，反映对象特性 具有较大的信息量，有利于空间分析河流特性分类与编码河流特性分类与编码通航情况通航情况通航：通航： 1不通航：不通航：2常年河：常年河：1时令河：时令河：2消失河：消失河：3 1 km： 1 2 km： 2 5 km： 3 10 km：5流水季节流水季节河流宽度河流宽度河流长度河流长度河流深度河流深度 5 10 m ： 110 20 m： 220 30 m： 330 60 m： 460 120 m： 5120 300 m：6300 500 m：7500m： 8 50m： 683 国标行政区划代码（GB-2260-91）省省 自治区自治区 直辖市直辖市省直辖

46、市省直辖市 地区地区 州、盟州、盟县县 旗旗 市辖市市辖市84第四节第四节 空间数据结构的建立空间数据结构的建立 三、矢量数据的输入与编辑 矢量数据输入的实质：把经过分类和编码的地把经过分类和编码的地理要素转换为一系列坐标，然后将这些坐标按照理要素转换为一系列坐标，然后将这些坐标按照一定的数据格式存入计算机中。一定的数据格式存入计算机中。 数字化的方法包括：手扶跟踪数字化、屏幕数手扶跟踪数字化、屏幕数字化、扫描矢量化等。字化、扫描矢量化等。85矢量数据的输入与编辑矢量数据的输入与编辑 一、图形数据的手扶跟踪数字化输入一、图形数据的手扶跟踪数字化输入 o 纸质地形图可以通过数字化仪方式输入。数字

47、化仪由电磁感应板、游标和相应的电子线路组成。数字化仪的幅面有A0 ，A1 ，A3 ，A4等。86 矢量数据的数字化仪输入矢量数据的数字化仪输入手扶跟踪数字化仪示意图手扶跟踪数字化仪示意图 87 数字化的过程是先将图件固定在数字化仪上，首先数字化图幅范围的至少四个控制点的坐标，用于进行数字化仪的坐标到指定的GIS数据库建库时定义的坐标的转换。随后即可输入图中的其它图形数据。 数字化仪数字化的精度与采集点的密度、控制点的精度、数字化的操作技术、图纸的变形以及数字化仪自身的精度有关。88 GIS数字化软件主要提供以下的功能： 1、图幅信息录入和管理功能、图幅信息录入和管理功能 即对所需数字化的地图的

48、比例尺、图幅号、成图时间、坐标系统、投影等信息进行录入和管理。这是所采集的矢量数据的数据质量的基本依据。892、特征码清单设置、特征码清单设置 特征码清单是指安放在数字化仪台面或屏幕上的由图例符号构成的格网状清单，每种类型的符号占居清单中的一格。 3、数字化键值设置、数字化键值设置 即设置数字化标识器上各按键的功能，以符合用户的习惯。 4、数字化参数定义、数字化参数定义 主要是指系统应能选定不同类型的数字化仪，并确定数字化仪与主机的通讯接口。905、数字化方式的选择、数字化方式的选择 主要是指选择点方式还是流方式等进行数字化。6、控制点输入功能、控制点输入功能 能提示用户输入控制点坐标，以便于

49、进行随后的几何纠正。1234控制点的数量与分布控制点的数量与分布91 地图数字化的主要问题： 数字化过程，地图可能会伸缩变形，影响精度。 地图自身存在错误。 相邻地图可能存在接边处理的问题 92数字化过程可能产生的错误数字化过程可能产生的错误93二、空间数据的扫描仪输入二、空间数据的扫描仪输入 纸质地形图或像片可以通过扫描仪数字化。扫描仪是直接把图形（地形图）和图像（遥感影像、照片）扫描输入到计算机，以像素信息进行存储表示的设备。94扫描仪的扫描过程是，先对扫描仪的参数进行设置，对地形图一般采用二值扫描，或灰度扫描。对彩色航空影像或卫星像片采用彩色扫描，对黑白航空像片或卫片采用灰度扫描；再对分

50、辨率进行设置，根据扫描要求，地形图一般采用300dpi或更高分辨率扫描；针对特殊需要，有时还需要调整亮度、对比度、色调等；最后设置扫描范围。完成扫描后，即可获得某个地区的扫描栅格数据。扫描得到栅格数据后，如果需要线划图，还需要使用矢量化软件进行处理，得到线划数据。95矢量化软件提供的主要功能为： 1、地图扫描输入功能、地图扫描输入功能 即能使用各种扫描仪把地图扫描数字化为栅格数据。 2、图像格式转换和图像编辑功能、图像格式转换和图像编辑功能 能接受不同格式的栅格数据，并具有基本的图像编辑功能。 3、彩色地图图像数据的分版功能、彩色地图图像数据的分版功能 能够将所扫描的彩色地图图像分成不同要素版

51、的图像数据，以便于跟踪和识别。 964、线状要素的矢量化功能、线状要素的矢量化功能 能够对线状要素进行细化、断线修复、跟踪，也即具有自动提取线状要素中心线的功能。由于目前的自动化程度还不够高，经常需要进行人机交互，诸如在多条线的交叉点找到粘连及断开处，原实体连续担图形中断处（桥下河，桥中路），需人机交互指明继续追踪的方向。975、点状符号和注记的自动识别功能、点状符号和注记的自动识别功能 应该能对点状符号和注记字进行自动识别，但完全自动化目前仍有困难，因此，有时需要人工在屏幕上进行数字化。6、属性编码的自动赋值、属性编码的自动赋值 应能对已数字化的要素自动根据其符号特征赋以相应的编码(包括等高

52、线的高程)。这方面目前还需要较多的人机交互。987、图幅信息录入与管理功能、图幅信息录入与管理功能 同地图跟踪数字化一样，地图扫描数字化也需要录入图幅信息，以便于管理和质量控制。8、要素编码设置功能、要素编码设置功能 为了能进行属性编码的自动赋值，以及人机交互地进行属性编码赋值，都必须针对不同的要求进行地图要素的编码设置9、控制点输入功能、控制点输入功能 为了进行数字化后的数据纠正，必须具有控制点输入功能。99 GIS软件的数据编辑工作主要是几何纠正、图形和文本数据的编辑、图幅的拼接、拓扑关系的生成等，即完成GIS的空间数据在装入GIS的地理数据库前的各种工作。 地图数字化后，会存在一些问题，

53、有的问题是数字化错误造成的，有的是数据结构定义所必须修改的。通过图形数据的编辑就是解决这些问题，满足数据库建库的需要。100数据的编辑数据的编辑一、结点的编辑一、结点的编辑 结点是线（弧段）目标的端点，在GIS中有着重要地位。编辑相当部分是针对结点进行的。通过移动结点或结点粘合，可以解决（a）、（d）、（ f ）等问题。伪结点是同一条弧段之间的多余结点，删除即可，或者将两段弧段合并。结点超出可以通过移动结点或删除悬挂弧段解决。 101常见的编辑问题常见的编辑问题102二、线（弧）的编辑二、线（弧）的编辑 直线悬空相交问题，在早期的GIS中，需通过增加结点解决。在面向对象的系统中，可以不处理。删

54、除角点、增加结点均会改变线的形状。跑线问题则需要重新数字化。103三、多边形编辑三、多边形编辑 碎多边形问题一般需要重新数字化，不严重时，可取中线。奇异多边形需要先打断弧段，再删除多余部分。对于多余小多边形，删除即可。对于（m）、（n）、（o）的情况，一般执行编辑软件的相应功能即可实现。总之，编辑遇到的图形问题可能是复杂的，它们并不能明显被区分是点、线或面的问题，需要一系列的操作才能解决。104数据编辑数据编辑 根据PABurrough(1986)的建议，可以将GIS数据误差的来源归纳为三类 。误差类型误差来源误差特征源误差数据年代；数据的空间覆盖范围；地图比例尺；观测密度数据的可访问性，数据格式；数据与用途的一致性；数据的采集处理费用明显、易探测由自然变化或原始测量引起的误差位置误差；属性误差；数据偏差；不明显难测定GIS处理过程引起的误差计算机字长引起的误差拓扑分析引起的误差分类与综合引起的误差复杂难探测105图幅的拼接图幅的拼接 图形的合并 指数据文件合并，一幅图内的多层数据合并在一起；或将相邻的多幅图的同一层数据合并。涉及到可能空间拓扑关系的重建。106 图幅的拼接：用于相邻两个图幅之间。需