地理信息系统的数据结构市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、GIS基础及软件应用第二章地理信息系统数据结构3月7日第1页 GIS表示是地理空间信息，为了描述地理空间信息，需要建立地球空间模型，确定地理空间参考系统，进行地图投影变换，对地理空间信息空间位置、空间关系以及空间属性等数据进行定义和表示。这些内容共同组成了地理空间信息基础。第2页平面坐标系地理坐标系第3页第一节 地理空间及其表示 “空间”概念是GIS主要概念。在地理学上，地理空间（Geographic Space）是指物质、能量、信息存在形式在形态、结构过程、功效关系上分布方式、格局及其在时间上延续。地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面。地球表层地基准是陆地表面和大样表面，是人类活动最频繁区

2、域，人地关系最复杂、最紧密。是地球圈层相互作用区域，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区域。第4页第一节地理空间及其表示在GIS中，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是含有属性描述实体空间位置集合，它由一系列不一样位置上实体空间坐标值组成；相对空间是含有空间属性特征实体集合，它由不一样实体之间空间关系组成。 为了表示地理空间信息，就需要建立地理空间信息描述模型和方法。第5页第一节地理空间及其表示一、地球空间模型描述 地球表面几何模型。是定义适当地理参考系统依据。依据大地测量学研究，球表面几何模型分为四类：地球自然表面模型、地球相对抽象表面模型

3、、地球旋转椭球体模型和地球数学模型。第6页第一节 地理空间及其表示1、地球自然表面模型 地球自然表面模型是地球自然体，起伏而不规则，呈梨形形状 。第7页第一节 地理空间及其表示2、地球相对抽象表面模型 地球相对抽象表面模型，即由大地水准面描述模型。是假设当一个海水面处于完全静止平衡状态时，从海平面延伸到全部大陆下部，且与地球重力方向处处正交一个连续、闭合水准面组成地表模型。以大地水准面为基准，就能够利用水准测量对地球自然表面任意一点进行高程测量。因为地球重力影响，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8页第一节 地理空间及其表示3、地球旋转椭球体模型 地球旋转椭球体模型，是为了

4、测量结果计算需要，选取一个同大地体相近、能够用数学方法来表示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。它是以大地水准面为基础。凡是与局部地域(一个或几个国家)大地水准面符合得最好旋转椭球，称为参考椭球。 第9页1:1,000,000 基于椭圆旋转体第10页长半轴a、短半轴b,扁率f =(a-b)/a 如WGS84定义参考椭球： a=6378137.0meter 1/f=298.257223563 不一样参考椭球，参数不一样。 第11页我国测图历史上层使用参考椭球： 1、1952年前，海福特椭球； 2、1954年1980年，克拉索夫斯基椭球 a=6378245m,b=635

5、6863m,f=1:298.3 3、1980年后，1975年国际大地测量学与地球物理学联合会推荐椭球； a=6378140m,b=6356755m,f=1:298.257922第12页第一节 地理空间及其表示4、地球数学模型 地球数学模型，是在处理其它一些大地测量学问题时提出来，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。第13页第一节 地理空间及其表示二、地理空间参考系建立 地理空间参考系是表示地理实体空间参考系统，在GIS中，一个基本标准是：全部空间数据都必须纳入统一地理空间参考系。主要有地理坐标系和投影坐标系。 除少数局部GIS应用，比如一个研究区域仅有几百平米或几平方千米且不予其它区

6、域研究研究结果进行比较时，能够忽略大地参考系统与坐标系统对GIS影响。但大多数情况是，建立全局参考框架对GIS非常主要。 第14页过去地图通常使用国家地图机构定义与维护国家大地测量框架，这在地图生产方面，尤为突出。 GPS出现，为全球统一参考框架实现提供了可能性。因为GPS提供了全球统一参考框架下低成本、实时测量定位方法伎俩。第15页第一节 地理空间及其表示1、地理坐标系 地理坐标系是为确定地面点位置，而定义以经纬度为坐标量测值空间参考系。 第16页第一节 地理空间及其表示第17页第一节 地理空间及其表示 以大地水准面和铅垂线为依据，用天文测量方法，可取得地面点天文经纬度。测量有天文经纬度坐标

7、(,)地面点，称为天文点。以旋转椭球和法线为基准，用大地测量方法，依据大地原点和大地基准数据，由大地控制网逐点推算各控制点坐标(L，B)，称为大地经纬度。 第18页第一节 地理空间及其表示 地理坐标能够用于地球表面地理实体定位。但因为量测单位不一致，造成相同角度代表不一样距离，所以它不含有标准长度度量标准。 直接利用地理坐标进行距离、面积和方向等参数运算是复杂，也不能方便显示数据到平面上。把地面点表示在平面上方法是采取笛卡儿坐标系（平面直角坐标）。 要用平面坐标系表示地面上任何一点位置，首先要把曲面展开为平面，但地球表面是不可展开曲面，所以必须应用投影方法，建立地球表面与平面上点函数关系。 所

8、以产生了不一样地图投影变换方法。第19页第20页大地坐标系（另一个位置定义） 对地理位置描述方法有两种： 1、直接定位法，是基于坐标系统一个地理位置描述方法，在坐标系统为参考基础上，能确定空间（1维、2维、3维，甚至多维）中任何点唯一坐标。 2、间接定位法，基于属性值（如行政单元、邮政地址、公路编号）进行地理位置描述一个方法。依据所需精度，能够将空间点无歧义映射到特定地理位置。第21页全部直接定位都经过包含大地基准大地参考系进行。大地参考系包含定义地表点位全部必须元素。大地坐标系标识通惯用全称或英文简写。如WGS84,或World Geodetic System 1984。第22页大地坐标系原

9、点、方向和旋转都有大地基准来确定。大多数地理参考系只有一个基准。然而，因为过去水平位置和垂直分量测量通常是分开独立进行。这么，一个坐标参考系统有两个基准，即大地平面基准和垂直基准(平面坐标系，高程坐标系)。 三维大地基准定义了相对于地球质心原点位置，相对于传统地球旋转轴Z轴方向，相对于传统起始子午线X轴方向，于Y轴一起组成右手坐标系。第23页第24页XYZOP大地参考系中笛卡儿坐标当大地参考系和参考椭球体参数选定之后，假定原点重合，椭球长短轴与大地坐标轴重合，则空间任意一点经纬度、高度能够确定。(X,Y,Z)=f(,h)第25页第一节 地理空间信息描述方法2、投影坐标系统 投影坐标系统（平面坐

10、标系），将椭球面上点，经过投影方法投影到平面上时，通常使用平面坐标系统。平面坐标系统分为平面极坐标系统和平面直角坐标系统。 第26页第一节 地理空间及其表示投影坐标系统 X坐标东移； Y坐标北移。X=f(,) Y=g(,)9.27第27页第28页第一节 地理空间及其表示 投影坐标系统定义了地理实体平面位置，其到大地水准面高度是由高程系来定义。高程是由高程基准面起算地面点高度。而高程基准面是依据多年观察平均海水面来确定。也就是说，高程(也称海拔高程、绝对高程)是指地面点至平均海水平垂直高度。地面点之间高程差，称为相对高程，简称高差。 第29页第30页一个国家普通只能采取一个平均海水面作为统一高程

11、基准。 我国国家高程基准曾采取过1956年黄海高程系，1985年国家高程基准。 不幸是，在水利方面，还有吴淞高程系、珠海高程系。今天一些部门正在统一它们。不一样高程系为GIS数据集成应用带来不便。第31页第一节 地理空间及其表示 为了制作地图和使用地图方便，经常会将地理经纬线网和方里网绘制在地图上。经纬线网，指由经线和纬线所组成坐标网，又称地理坐标网。方里网，是由平行于投影坐标轴两组平行线所组成方格网。因为是每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，所以称之为方里网，同时因为方里线又是平行于直角坐标轴坐标网线，故又称直角坐标网。第32页第33页第一节 地理空间及其表示三、地图投影概念 地图投影在GIS

12、中是必须。在计算机显示和地图输出时，需要将地球球面上实体表示在平面上。 第34页第一节 地理空间及其表示1、地图投影概念 转换三维地球表面到二维地图平面数学处理方法称之为地图投影。它是一个透视投影 。地图投影 第35页第一节 地理空间及其表示 因为要将不可展地球椭球面展开为平面，且不能有断裂，那么图形必将在一些地方被拉伸，一些地方被压缩，因而投影变形是不可防止。投影变形通常包含三种，即长度变形、角度变形和面积变形。 第36页投影与变形第37页切线第38页地图投影是为特定制图目标服务。依据控制投影变形目标，有以下投影类型： 等角投影（正形投影，正射投影），它保持局部形状相同，但不能确保面积相等。

13、但面积较大时，也不能确保形状不变。 等面积投影，保持面积不变，但角度、形状、和百分比会发生变形。 等距离投影，是一个既不等面积也不等角投影。长度、角度、面积、百分比都有变形。但面积变形小于等角，形状变形小于等积。第39页第一节 地理空间及其表示2、地图投影方法 地图投影方法主要由圆锥投影、圆柱投影、平面（方位）投影等，它们均包含正轴、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(,) 又有不一样计算函数，如我国使用高斯投影、兰波特投影等。第40页第一节 地理空间及其表示圆锥投影 第41页第一节 地理空间及其表示 圆柱投影 第42页第一节 地理

14、空间及其表示平面（方位）投影 第43页第一节 地理空间及其表示 在GIS应用中，地图投影方法选择主要是针对中小百分比尺地图投影而言，基本百分比尺地图投影类型和方法普通应按国家相关部门要求进行。在进行地图投影方法选择时，考虑原因包含范围、形状、地理位置、用途、出版方式等。以降低图上变形为目标，最好使等变形线与制图区域轮廓形状基本一致。其中范围、形状、地理位置最主要。 第44页第一节 地理空间及其表示在GIS中，地理数据显示往往能够依据用户需要，指定各种投影。但当所显示地图与国家基当地图系列百分比尺一致时，往往采取与国家基本系列地图所用投影。我国惯用地图投影情况为： (1)、我国基本百分比尺地形图

15、（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5、1：1万、1：5000）除1：100万外均采取高斯克吕格投影为地理基础； (2)、我国1：100万地形图采取了Lambert投影，其分幅标准与国际地理学会要求全球统一使用国际百万分之一地图投影保持一致。 (3)、我国大部分省区图以及大多数这一百分比尺地图也多采取Lambert投影和属于同一投影系统Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）； (4)、Lambert投影中，地球表面上两点间最短距离（即大圆航线）表现为近于直线，这有利于地理信息系统中和空间分析量度正确实施。第45页越来越多GIS数据使用者开始从互连网下载数字地

16、图或从数据生产部门购置数据，他们碰到首要问题就是，这些数据有是地理经纬度坐标，有是不一样投影坐标系坐标，它们分别适合用于各自GIS工程项目，假如放在一起进行数据分析利用，就必须进行投影或重新投影转换。 第46页在GIS中，一个基本标准是全部空间数据都必须纳入统一地理空间参考系，不然，不一样图层地图要素无法在空间上相互配准。第47页第一节 地理空间及其表示四、地理坐标系转换(重新投影) 通常是指两个地理坐标系统之间转换。分为地理坐标之间直接转换或经由大地坐标之间间接转换。如从NAD1927到WGS1984转换。 第48页不一样投影方法第49页不一样投影参数第50页第一节 地理空间及其表示 大地坐

17、标系统是一个地心坐标系统（经由大地坐标转换关系可由下列图描述。大地坐标系统 地理坐标转换关系 第51页第一节 地理空间及其表示三参数坐标转换： 七参数坐标转换： 第52页Molodensky 方法 是一个直接基于两个地理坐标系之间转换。 无须回到大地坐标系。 需要三个大地坐标平移量（DX,DY,DZ）第53页第54页简化算法第55页第一节 地理空间及其表示五、地图对地理空间描述 地图是地理空间实体图形模型。它是按照一定百分比、一定投影标准，有选择地将复杂三维地理实体一些内容投影绘制在二维平面媒体上，并用符号将这些内容要素表现出来。地图上各种要素之间关系，是按照地图投影建立数学规则，使地表各点和

18、地图平面上对应各点保持一定函数关系，从而在地图上准确表示空间各要素关系和分布规律，反应它们之间方向、距离和面积。第56页第一节 地理空间及其表示 在地图学上，把地理空间实体分为点、线、面三种地理要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。 符号化表示地形图 924第57页第一节 地理空间及其表示六、影像对地理空间描述 影像是统计了地理实体分布写照模型。写真程度受摄影百分比尺影响，或空间分辨率影响。 第58页第一节 地理空间及其表示第59页第一节 地理空间及其表示七、地理信息数字化描述 在GIS中，地理信息是以数字化形式存在。表示地理信息地理数据几何空间数据主要有四种数据类型，即矢量数据、栅格数据、

19、属性数据和数字高程模型数据。 第60页DEMTIN, GRID第61页矢量数据栅格数据数字高程第62页二、空间实体表示1、实体地理系统：地理系统是一个开放复杂巨系统。地理实体：将地理系统中复杂地理现象进行抽象得到地理对象成为地理实体或空间实体、空间目标，简称实体（Entity）。实体是现实世界中客观存在，并可相互区分事物。抽象程度与研究区域大小、规模不一样而有所不一样。实体是一个含有概括性、复杂性、相对意义概念。第63页2、实体描述及存放描述内容位置、形状、尺寸识别码（名称）、实体角色、功效、行为、实体衍生信息时间测量方法、编码方法、空间参考系等实体基本特征属性特征：名称、等级、类别等空间特征

20、：地理位置和空间关系时间特征空间数据类型几何数据（空间数据、图形数据）关系数据：实体间邻接、关联包含等相互关系属性数据：各种属性特征和时间元数据空间数据结构矢量、栅格、TIN（专用于地表或特殊造型）RDBMS属性表：采取MIS较成熟空间元数据第64页1、矢量数据 矢量数据是用坐标对、坐标串和封闭坐标串表示实体点、线、面位置及其空间关系一个数据格式。 第65页点线面第66页属性第67页空间维数 零维、一维、二维、三维之分，对应着不一样空间特征类型：点、线、面、体。空间实体类型 点状实体、线状实体、面状实体、（立）体状实体。空间实体类型组合 点-点组合、点-线组合等。第68页第一节 地理空间及其表

21、示 矢量本身是数学上概念，利用到GIS中，则不一样空间特征含有不一样矢量维数。第69页（1）零维矢量表示空间中一个点，点在二维欧氏空间中用唯一实数对（x, y）来表示，在三维空间中用唯一实数组（x, y, z）来表示。在数学上，点没有大小和方向。在GIS中，点类型包含实体点、标识点、面标识点、结点和节点等 第70页（2）一维矢量表示空间中一个线状要素，或者空间实体对象之间边界，包含线段、弦列、拓扑连线、弧段、链、环等。 线段是两个结点之间连线 。第71页弦列是点序列，表示一串相互联结无分支线段。但连接点为结点或节点。弧段是形成一曲线点轨迹，该曲线可由数学函数定义 。在不支持曲线GIS中，弧段是

22、由弦列近似表示。拓扑连线是两个结点或节点连线，其方向可由结点或节点次序确定 第72页链是一个非相交线段和（或）弧无分支而有方向序列，包含全链、面链和网链。全链是能够显式定位其左右多边形和起结点、终止点链，它是一个二维拓扑面组成部分。面链是一条可显式左右多边形但不能确定起结点、终止点链，它也是一个二维拓扑面组成部分。网链是一个可显式定位起结点、终止点，但不能定位其左右多边形链，它是网络组成部分。第73页环是一个不相交链或弦列、或弧闭合序列，一个环表示一个闭合边界，但不包含封闭区域。包含G-环和GT-环。前者由无方向链组成，后者由全链或面链组成。第74页一维矢量能够闭合，即弧段首尾相接，存在x1=

23、xn ,y1=yn ,或z1=zn。但弧段不能本身相交。假如相交，则应以交点为界，将该一维矢量分成几个一维矢量。第75页第一节 地理空间及其表示 二维矢量表示地理空间一个面状要素，在二维欧氏平面上是指由一组闭合弧段包围空间区域。因为面状要素是由闭合分弧段决定，故二维矢量又称为多边形。面状要素包含内面、G-多边形、GT-多边形、广义多边形、虚多边形等。 虚多边形定义了二维拓扑面一部分，它以其它GT-多边形为界，其它方面与广义多边形相同 第76页第一节 地理空间及其表示 2、栅格数据 栅格数据表示中，栅格由一系列栅格坐标或像元所处栅格矩阵行列号（I, J）定义其位置，每个像元独立编码，并载有属性。

24、栅格单元大小代表空间分辨率，表示表示精度。在影像中，栅格单元值是栅格内平均灰度。 第77页第一节 地理空间及其表示栅格数据 第78页影像数据坐标第79页经典影像数据源 b10.10第80页第81页第82页第一节 地理空间及其表示 3、数字高程模型 数字高程模型是GIS表示2.5维地形数据主要格式。是由平面坐标和高程数据共同定义地形表面模型。 离散网格表示 第83页第一节 地理空间及其表示不规则三角网表示 10.11第84页第85页第86页第二节地理空间数据及其特征一、GIS空间数据分类依据数据起源不一样分为几何图形数据影像数据属性数据地形数据地图数据影像数据文本数据依据表示对象不一样分为：类型

25、数据区域数据网络数据样本数据曲面数据文本数据符号数据第87页一、GIS空间数据分类按照数据结构矢量数据栅格数据按照数据特征空间数据非空间属性数据按照几何特征点线面、曲面体按照数据公布形式数字线画图数字栅格图数字高程模型数字正射影像图第88页二、空间数据基本特征1、基本特征空间特征属性特征时间特征2、基本信息定位信息属性信息拓扑信息第89页二、空间数据基本特征1、空间属性特征 地理数据空间特征和属性特征相对时间特征来讲，经常呈相互独立改变，即在不一样时间，空间位置不变，但属性可能发生改变，反之依然。这种改变可能是局部改变或整体改变，对于一个空间数据库来讲，二者可能是并存，这就为地理空间数据管理和

26、更新带来了复杂性。第90页二、空间数据基本特征 2、空间属性特征 空间属性特征是对所对应空间实体或现象说明信息。它从定性角度和定量角度来描述和区分不一样地理实体或现象。如分类、数量和名称等。普通来讲，属性描述内容多少与建立数据库目标相关。 其内容可深入分为主导属性和扩展属性。前者是描述一个地理实体或现象所必须基本内容，后者是依据用户需要添加。如对道路属性，标识码、分类码、名称、宽度、长度、路面材料、等级等是主导属性，而车流量、车道数量、建设年代、权属等是扩展属性。但有时这种划分也并不显著，关键是其在信息系统中主要性。第91页二、空间数据基本特征3、时间特征 时间特征是描述地理实体或现象随时间改

27、变特征。按照信息系统统计时间方式，可分为绝对时间和相对时间。前者是地理实体或现象实际发生改变绝对时刻，后者则是发生改变时间段。第92页三、空间数据拓扑关系空间关系 空间关系是指地理实体之间存在与空间特征相关关系，如度量关系、次序关系和拓扑关系等。是刻画数据组织、查询、分析和推理基础。空间关系描述和表示，是GIS区分于CAD等计算机图形处理系统主要标志。空间关系研究，直接影响GIS设计、开发与应用。 第93页三、空间数据拓扑关系1、拓扑空间关系 拓扑空间关系是GIS中重点描述空间关系。“拓扑”（Topology）一词起源于希腊文，它原意是“形状研究”。拓扑学是几何学一个分支，它研究在拓扑变换下能

28、够保持不变几何属性，即拓扑属性。了解拓扑变换和拓扑变换属性时，能够构想一块高质量橡皮，它表面时欧氏平面，这块橡皮能够任意拉伸、压缩，但不能扭转和折叠，表面上有点、线、面等组成几何图形。在变换中，图形有些属性会消失，有属性则保持不变。前者称为非拓扑属性，后者称为拓扑属性。象拉伸、压缩这么变换，称为拓扑变换。 第94页三、空间数据拓扑关系2、拓扑元素点：孤立点、线端点、面首尾点、链连接点；线：两结点之间有序弧段，包含链、弧段和线段；面：若干弧段组成多边形。第95页拓扑元素线:点:面:起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4线:面:弧段1弧段3弧段2弧段4第96页三、空间数据拓扑关系3、拓扑关系类型第

29、97页关联：不一样拓扑元素之间关系；邻接：相同拓扑元素之间关系；包含：面与其它元素之间关系；连通：拓扑元素之间通达关系；层次：相同拓扑元素之间层次关系；三、空间数据拓扑关系3、拓扑关系类型第98页拓扑关系类型邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线第99页第100页第101页第102页第103页拓扑关系表示面 域弧 段P1a, b, c, -gP2b, d, fP3c, f, eP4g结 点弧 段Aa, c, eBa, d, bCd, e, fDb, f, cEg 弧 段左 邻 面右 邻 面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1弧 段结 点aA , BbB ,

30、DcD , AdB , CeC , AfC , DgE , E第104页为何要使用拓扑关系呢？1、拓扑关系能清楚地反应实体之间逻辑结构关系，它比集合关系含有更大稳定性，不随地图投影而改变。2、有利于空间要素查询，利用拓扑关系能够处理许多实际问题。如某县邻接县（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阀门，就需要查询该线与哪些点关联。3、依据拓扑关系能够重建地理实体。比如依据弧段构建多边形，实现面域选取；依据弧段与结点关联关系重建道路网络，进行最正确路径选择等。总来说，有两个目标：确保数据质量，确保空间对象表示合理性和正确性、一致性。二是提升空间分析效率。第105页当对地理空间实体

31、进行建模时，有时需要考虑实体间存在关系或规则。如相邻两个省（两个多边形对象），之间不能有间隙，存在公共边界，但不能有重合。两条街道总是在交叉口处相交，但从来不会出现共享某一段问题，公共汽车站总是位于道路上等关系或规则。这些关系或规则定义和维护是由拓扑关系来建立。第106页从历史观点来看拓扑关系使用，过去拓扑关系主要用于数据结构创建，以确保含有相关联地理对象能够形成一致、清楚拓扑数据结构。但伴随面向对象概念和数据模型建模技术发展，这个概念使用开始产生了一些改变。拓扑关系作为数据结构一部分开始弱化。主要是约束空间对象行为，以及定义一些描述表示规则。第107页四、空间数据计算机表示1、分幅（分区）

32、在GIS数据组织中，通常将若干幅地图形成区域当成一个工作单元，称之为工作区（ Workspace）。工作区边界形状能够是规则格网，也能够是多边形。 第108页第109页四、空间数据计算机表示2、分层 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某一（有时也能够是多个）属性特征数据集。所以，某一区域地理目标能够看成是若干图层集合。标准上讲，图层数量是无限制，但实际上要受GIS数据结构、计算机存放空间等限制。 第110页四、空间数据计算机表示数据层 第111页第112页第113页第114页第115页四、空间数据计算机表示通常按以下方法对地理目标进行分层： (1)

33、、按专题分层，每个图层对应一个专题，包含某一个或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。 (2)、按时间序列分层，即把不一样时间或不一样时期数据分别组成各个数据层。 (3)、按实体几何类型分层，因数据文件存放和属性管理需要，因点、线、面实体在数据结构上差异，GIS软件普通都按点、线、面类型分别存放文件。 第116页四、空间数据计算机表示(4)、按实体属性结构分层，即便是同一类型或统一专题数据，因属性取值类型或属性项不一样，也需将他们分在不一样图层。 工作层是空间数据处理一个工作单元，在平面上可能与工作区范围一致，在垂直方向，不一样GIS软件定义存在区分。第117页第三节 空间数据结构

34、类型第118页一、矢量数据结构矢量数据结构经过统计空间对象坐标及空间关系来表示空间对象位置。点：空间一个坐标点线：多个点组成弧段面：多个弧段组成封闭多边形第119页一、矢量数据结构点实体：统计点属性和属性代码线实体：统计两个或一系列采样点坐标面实体：统计边界上一系列采样点坐标第120页一、矢量数据结构 矢量数据除几何特征外，还含有属性特征。空间属性特征分为两种，一个是类别特征，即它是什么；第二种是详细说明信息，或者统计信息，以处理两个同类目标不一样特征问题，如道路宽度、等级、路面质量等。第一类特征普通用类型编码来表示，第二类特征用属性表格来说明。属性数据表格一行称为一个统计，描述一个地理实体特

35、征属性，用空间数据对象联接则经过特征标识码找到对应关系。 第121页第122页第123页一、矢量数据结构矢量数据表示类型 从前面内容知道，表示地理现象空间矢量数据能够表示为点、线、面三类。但按其表示内容，又可深入分为七种不一样类型。它们表示内容以下： 类型数据，如考古地点，道路线、土壤类型等； 面域数据，如多边形中心点，行政区界限、行政单元等； 网络数据，地下管线设施、管线网、供水区域等； 样本数据，气象站、航线、试验区等； 曲面数据，高程点、等高线、等值区域等； 文本数据，地名、河流名称和区域名称等； 符号数据，点状符号、线状符号和面状符号等。 第124页一、矢量数据结构1、实体数据结构（简

36、单数据结构、无拓扑关系矢量数据结构）无拓扑关系矢量数据结构是对Spaghetti数据模型详细定义和描述。它仅统计空间对象位置坐标和属性数据，而不统计空间关系。它有两种方式，一个是每个点、线、面目标分别统计其坐标，称为多边形环路法，另一个方式是一个文件统计点坐标对，其它一些文件统计点与线、点与面关系，称为点位字典法。第125页1、实体数据结构不含有拓扑关系信息ArcView GIS，*.shpMapInfo, *.tab特点：直接将地图翻译描述，只统计空间对象位置结构，不统计相互关系每条统计都有首末坐标，每条统计都是单独实体没有共享公共边，矢量型多边形公共边界需重复输入存放重复、冗余，难以确保独

37、立性和一致性无法表示边界和多边形之间关系不适合复杂空间分析，在不以分析为目标CAD系统中应用广泛。第126页1、实体数据结构第127页1、实体数据结构矢量数据简单数据结构分别是按照点线面三种基本形式来描述。点：线面标识码X，y坐标对标识码坐标对数NX，Y坐标标识码链数N链标识码集第128页1、实体数据结构第129页1、实体数据结构多边形环路法缺点是，除了多边形轮廓外，其它公共边均存放了两次，因而会产生数据在结点处不重合、边界处易产生裂缝和重合。点位字典法防止了这些情况，但仍没有存放必需拓扑关系。第130页2、拓扑数据结构在拓扑数据结构中，点是相互独立存放，它们相互连接组成线，线始于起结点，止于

38、终止点。面由线（线段、弧段、链、环等）组成。一个多边形能够由一个外环和领个内环或多个内环组成，简单多边形没有内环，复杂多边形由一个或多个内环组成。这些内环所包围区域称为“岛”或“洞”。前者有实体意义，后者无实体意义。 在大多数GIS软件中，仅存放部分拓扑关系，主要是关联关系（不一样类元素之间关系），其它关系能够从这些关系导出，或经过空间运算得到。拓扑关系能够有两种表示方式，全显式和半隐含表示。第131页2、拓扑数据结构全显式表达 o 全显式表达是指结点、弧段、面块相互之间全部关联关系都进行显式存储。第132页2、拓扑数据结构第133页2、拓扑数据结构第134页2、拓扑数据结构第135页2、拓扑

39、数据结构第136页2、拓扑数据结构半隐含表示 o 假如仅用上面部分表格表示几何目标拓扑关系，称为半显式表示，或半隐含表示。如System 9 使用了表6-8、表6-9表示从面块到弧段、弧段到结点上下拓扑关系，其它关系则隐含表示，需要时再建立暂时拓扑关系。而美国人口调查局早期DIME使用了表6-12。即使人们对拓扑关系表示进行了大量研究，提出了更复杂关联和邻接关系，但到当前为止，各种使用GIS软件还没有超出使用上述所列关系。第137页二、栅格数据结构栅格数据结构是经过空间点密集而规则排列表示整体空间现象，其数据结构简单，定位存取性能好，能够与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享轻易实现，是

40、地理信息系统主要一个空间数据存放工具。GIS中很多数据都用栅格格式来表示，这些数据包含数字高程数据、卫星影像、数字正射影像、扫描地图和图形文件。第138页第139页栅格数据图形表示显式表示：就是栅格中一系列像元(点)，为使计算机认识这些像元描述是某一物体而不是其它物体。注：“c”不一定用c形式，而能够用颜色、符号、数字、灰度值来显示。则得到椅子简单数据结构为： 椅子属性符号颜色像元x第140页隐式表示：由一系列定义了始点和终点线及某种连接关系来描述，线始点和终点坐标定义为一条表示椅子形式矢量，线之间指示字，告诉计算机怎样把这些矢量连接在一起形成椅子，隐式表示数据为： 椅子属性一系列矢量连接关系

41、第141页以规则像元阵列来表示空间地物或现象分布数据结构，其阵列中每个数据表示地物或现象属性特征。换句话说，栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元行列号确定位置，用每个像元值表示实体类型、等级等属性编码。第142页1、点实体：表示为一个像元；2、线实体：表示为在一定方向上连接成串相邻像元集合；3、面实体：表示为聚集在一起相邻像元集合第143页点线面第144页第145页在栅格结构中，地表被分成相互邻接、规则排列矩形方块(特殊情况下也能够是三角形或菱形、六边形等 。每个地块与一个栅格单元相对应。栅格数据百分比尺就是栅格大小与地表对应单元大小之比。第146页行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率

42、格网方向列第147页单个格网代表点，一系列相邻格网单元代表线，邻接格网集合代表面。格网中每个格网单元有一个值，整型或浮点型。整型格网单元值通常代表类别数据。浮点型格网单元值常表示连续数据。格网中每一单元值代表了由此行此列决定该位置上空间现象特征。栅格数据模型不把空间数据与属性数据明确分开。第148页如以像元边线计算则为7，以像元为单位则为4。 三角形面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种误差随像元增大而增加。abc345abcac距离: 7/4 (5)面积: 7 (6)第149页栅格数据百分比尺就是栅格大小与地表对应单元大小之比，当像元所表示面积较大时，对长度、面积等量测有较大影响

43、。每个像元属性是地表对应区域内地理数据近似值，因而有可能产生偏差。第150页第151页第152页第153页栅格数据模型中，怎样将属性数据赋予空间数据？在GIS数据库中，对于分层栅格数据存放结构有三种基本方式方法一：基于像元每一个网格单元都赋予一个数值。（简单，但无法有多重属性）需要表示多重属性就必须建立多个栅格图层。土地产权地形土地使用建筑物ZYX第154页第155页栅格数据组织方法二：基于层以像元为统计序列，不一样层上同一像元位置上各属性值表示为一个列数组。N层中只统计一层像元位置，节约大量存放空间，因为栅格个数很多。 方法三：基于多边形以层为基础，每层内以多边形为序统计多边形属性值和多边形

44、内各像元坐标。节约用于存放属性空间。将同一属性制图单元n个像元属性只统计一次，便于地图分析和制图处理。第156页第157页在数据无压缩情况下，栅格数据按直接编码次序进行存放。所谓直接编码，是将栅格数据看成一个数字矩阵，数据存放按矩阵编码方式存放。假如为了特定目标，也可按下列图特殊编码次序统计。第158页第159页栅格结构建立获取数据遥感数据将经过分类解译遥感影像数据直接或重采样后输入系统，作为栅格数据结构专题地图。图片扫描逐点扫描专题地图，将扫描数据重采样和再编码得到栅格数据文件。矢量数据转换而来数字化仪手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢量结构数据后，再转换为栅格结构；或者利用矢量数据栅格 化技

45、术，利用GIS直接进行转换，为了有利于一些操作或者有利于输出。手工方法获取在专题图上均匀划分网格，逐一网格地决定其代码，最终形成栅格数字地图文件，也叫目读法。第160页栅格系统确定栅格坐标系确实定：表示含有空间分布特征地理要素，不论采取什么编码系统，什么数据结构(矢、栅)都应在统一坐标系统下，而坐标系确实定实质是坐标系原点和坐标轴确实定。 栅格单元尺寸：栅格单元尺寸确定标准是应能有效地迫近空间对象分布特征，又降低数据冗余度。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。普通讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大，按分辨率平方指数增加，计算机成本就越高，处理速度越慢。 第161页栅格

46、代码（属性值）确定1、中心归属法：每个栅格单元值由该栅格中心点所在面域属性来确定。2、长度占优法：每个栅格单元值由该栅格中线段最长实体属性来确定。3、面积占优法：每个栅格单元值由该栅格中单元面积最大实体属性来确定。4、主要性法：依据栅格内不一样地物主要性，选取最主要地物类型作为栅格单元属性值。这种方法适合用于含有特殊意义而面积较小实体要素。第162页CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C含有特殊意义较小地物A分类较细、地物斑块较小AB栅格数据单元值确定 为了迫近原始数据精度，除了采取这几个取值方法外，还能够采取缩小单个栅格单元面积，增加栅格单元总数方法。第163页栅格数据结构

47、表示和压缩编码Raster数据是二维表面上地理数据离散量化值，每一层pixel值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它位置。比如影像： A A A A A B B B A A B B A A A B在计算机内是一个4*4阶矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮次序为：A A A A A B B B A A B B A A A B当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内编码就需要m行n列3(x,y和属性编码值)个存放单元。数字地面模型就属此种情况。第164页各种压缩存放量数据结构分辨率提升和数据量之间呈平方指数关系 分辨率与精度问题。假如精度越大、分辨率大，数据量

48、就越大。为了降低数据量，产生了各种压缩存放量数据结构 栅格数据压缩目标：降低数据量。经过某种编码方法，到达降低数据长度目标。各种压缩编码栅格数据结构第165页链式编码（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。假如再确定原点为像元(10，1)，则该多边形边界按顺时针方向链式编码为：10，l，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。第166页第167页链式编码优缺点

49、：优点： 链式编码对线状和多边形表示含有很强数据压缩能力，且含有一定运算功效，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较轻易，类似矢量数据结构，比较适于存放图形数据。尤其对于线状和多边形较大区域含有较高压缩率。 缺点：对叠置运算如组合、相交等则极难实施，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，而且因为链码以每个区域为单位存放边界，相邻区域边界则被重复存放而产生冗余。第168页栅格数据结构表示 游程长度编码（run length code）是按行帧序存放多边形内各个像元列号，即在某行上从左至右存放属该多边形始末像元列号。问：对右图进行游程长度编码。第169页游程编码（r

50、un-length codes）逐行操作统计每一行中每一个数值开始位置和长度AAAAAAAAAA 纪录为A 10 0（值、长度、行号）AAAAABBBBA A 5 1 B 4 1 A 1 1BBBBBBBBBA B 9 2 A 1 2压缩效果与地图复杂效果相关对于地图改变越大，效果就越不显著第170页游程编码优缺点优点：对于线状和较大区域含有较高压缩率；数据检索和运算比较简单，轻易完成检索、叠加、合并等操作；数据精度增加，数据量不会显著增加，对编码形式影响不大；适合用于小型计算机，同时降低了栅格数据库数据输入量。缺点：计算时处理和制图输入工作量有所增加。第171页 块式编码是将游程长度编码扩大

51、到二维情况，把多边形范围划分成由像元组成正方形，然后对各个正方形进行编码。如图：块式编码数据结构（初始行，列,半径，属性）依据这一编码标准，上述多边形只需17个单位正方形。9个4单位正方形和1个16单位正方形就能完整表示，总共要57个数据，其中27对坐标，3个块半径。特点：含有可变分辩率大块图斑统计单元大，分辩率低，压缩率高；小块图斑统计单元小，分辩率高，压缩率低。第172页一个多边形所包含正方形越大，多边形边界越简单，块状编码效率就越好。游程编码和块状编码均对大而简单多边形更为有效，而对那些碎部较多复杂多边形效果并不好。块状编码在合并、插入、检验延伸性、计算面积等操作时有显著优越性。然而对一

52、些运算不适应，必须在转换成简单数据形式才能顺利进行。第173页四叉树编码四叉树编码是最有效栅格数据压缩编码方法之一，在GIS中有广泛应用。四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一个更有效地压编数据方法。它将2n2n像元阵列连续进行4等分，一直分到正方形大小恰好与象元大小相等为止（以下列图），而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码。第174页不能再分块构称为树叶结点，有值叶结点为黑结点，没有值结点为白结点。K为树高度，图中k=3。四叉树存放可按常规叶结点次序存放，称为常规四叉树。按特定叶结点次序存放称为线性四叉树。第175页四分树编码（Quadtree codes） 可变分辨率方法。经

53、过改变分辨率来到达压缩目标。栅格连续四分，直到每一个4分后块都是同一数值为止。采取不一样分辨率存放4分后每一个块。易于查询、适应于存放数据量大地图 第176页常规四叉树：每个结点统计六个指针变量：父结点指针，四个子结点指针，本结点属性值。指针不但增加了数据存放量，还增加了操作复杂性，所以常规四叉树并不广泛用于存放数据，其价值在于建立索引文件，进行数据检索。第177页用地址码（定位码、Morton码）统计叶节点位置、深度（几次分割）和属性。优点：存放量小，只对叶节点编码，节约了大量中间结点存放，地址码隐含着结点分割路径和分割次数；线性四叉树能够直接寻址，经过其坐标值直接计算morton码，而不用

54、建立四叉树；定位码轻易存放和执行实现集合相加等组合操作。第178页把一幅mm图像压缩成线性四叉树过程（1）按morton码把图像读入一维数组。（2）相邻四个象元比较，一致合并，只统计第一个象元morton码，循环比较所形成大块，相同再合并，直到不能合并为止。（3）深入用游程长度编码压缩。压缩时只统计第一个象元morton码。第179页例子第180页第181页解码时，依据Morton码，就可知道象元在图像中位置。从左上角，本Morton码和下一个Morton码之差即为象元个数。知道了象元个数和象元位置就可恢复出图像了。第182页四叉树编码优缺点；优点：轻易而有效地计算多边形数量特征；阵列各部分分

55、辨率是可变，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部分则分级少，分辨率低，因而既可准确表示图形结构又可降低存贮量；栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构转换比其它压缩方法轻易；多边形中嵌套异类小多边形表示较方便。缺点：转换不具稳定性，用同一形状和大小多边形可能得出各种不一样四叉树结构，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。 第183页AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA1432587612345678起点行列号，单位矢量R: (1,5),3,

56、2,2,3,3,2,3链式编码游程长度编码逐行编码数据结构: 行号, 属性, 重复次数1, A, 4, R, 1, A, 4块状编码正方形区域为统计单元数据结构: 初始位置, 半径, 属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),NESWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码01234567第184页矢量栅格数据结构优缺点优点：便于面向现象（土壤类、土地利用单元）结构紧凑，冗余度低，便于描述线或边界利于网络、检索分析，提供有效拓扑编码，对需要拓扑信息操作更有效。图形显示质量好，精度高缺点：数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准化和规范化，数据交换困难。多边形叠置分析困难

57、，没有栅格有效，表示空间改变性能力差。不能像熟悉图像那样做增强处理。软硬件技术要求高，显示与绘图成本要求较高优点：数据结构简单，易数据交换叠置分析和地理现象模拟较易利于与遥感数据匹配应用和分析，便于图像处理。输出快速，成本低廉。缺点：现象识别效果不如矢量方法，难以表示拓扑。图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术处理该问题。投影转换困难图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据文件。矢量数据栅格数据第185页矢栅一体化概念对于面状地物，矢量数据用边界表示方法将其定义为多边形边界和一内部点，多边形中间区域是空洞。基于栅格GIS中，普通用元子空间充填表示

58、方法将多边形内任一点都直接与某一个或某一类地物联络。 将矢量方法表示线状地物也用元子空间充填表示话，就能将矢量和栅格概念辨证统一起来，进而发展矢量栅格一体化数据结构 。第186页矢栅一体化概念对于面状地物，矢量数据用边界表示方法将其定义为多边形边界和一内部点，多边形中间区域是空洞。基于栅格GIS中，普通用元子空间充填表示方法将多边形内任一点都直接与某一个或某一类地物联络。 将矢量方法表示线状地物也用元子空间充填表示话，就能将矢量和栅格概念辨证统一起来，进而发展矢量栅格一体化数据结构 。第187页矢栅一体化概念可采取填满线状目标路径和充填面状目标空间表示方法作为一体化数据结构基础。每个线状目标除

59、统计原始取样点外，还统计路径所经过栅格；每个面状地物除统计它多边形周围以外，还包含中间面域栅格。不论是点状地物、线状地物、还是面状地物均采取面向目标描述方法，因而它能够完全保持矢量特征，而元子空间充填表示建立了位置与地物联络，使之含有栅格性质。这就是一体化数据结构基本概念 从原理上说，这是一个以矢量方式来组织栅格数据数据结构。第188页三个约定和细分格网法1、地面上点状地物是地球表面上点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。2、地面上线状地物是地球表面空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上投影是一连续不间断直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。3、地面

60、上面状地物是地球表面空间曲面，并含有形状和面积，它在平面上投影是由边界包围紧致空间和一组填满路径元子表示边界组成。第189页三个约定和细分格网法在有点、线经过基本格网内再细分成256256细格网（精度要求低时，可细分为1616个细格网）。为了与整体空间数据库数据格式一致，基本格网和细格网均采取十进制线性四叉树编码，将采样点和线性目标与基本格网交点用两个Morton码表示（简称M码）。第190页矢栅一体化数据结构设计点仅有位置、没有形状和面积，无须将点状地物作为一个覆盖层分解为四叉树，只要将点坐标转化为地址码M1 和M2 。线状地物有形状但没有面积，没有面积意味着线状地物和点状地物一样无须用一个