城市GIS空间数据结构与管理课件

3.2.1空间数据结构3.2.2空间数据管理第二节空间数据结构与空间数据管理第1页，共55页。3.2.1空间数据结构

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。空间数据结构是指空间数据的编排方式和组织关系。空间数据编码是空间数据结构的实现，目的是将图形数据、影像数据、统计数据等资料，按一定的数据结构转换为适用于计算机存储和处理的形式。

一种高效率的数据结构应具:（1）能够正确表示要素之间的层次关系，便于不同数据联接和覆盖。

（2）正确反映地理实体的空间排列方式和各实体间相互关系。

（3）便于存取和检索。

（4）节省存贮空间，减少数据冗余。

（5）存取速度快，在运算速度较慢的微机上要达到快速响应。

（6）足够灵活性，数据组织具有插入新数据、删除或修改部分数据的基本功能。第2页，共55页。GIS支持的空间数据结构：

矢量数据结构栅格数据结构矢量—栅格混合数据结构第3页，共55页。栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。栅格单元中存在多种地物，导致属性误差，“混合像元”问题。一、栅格数据结构西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率X：行Y：列

栅格数据结构是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针，表示地物或现象的非几何属性特征。第4页，共55页。⑴属性明显：数据直接记录了属性或指向属性的指针，可以直接得到地物的属性代码。⑵定位隐含：栅格结构是按一定的规则排列的，实体位置隐含在格网文件的存储结构中。⑶栅格数据结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。1、栅格数据结构特点第5页，共55页。2、栅格数据取值方法⑴中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值来确定。

⑵长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。

⑶面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值来确定。⑷重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留的原则。第6页，共55页。3、栅格数据获取途径⑴手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。⑵扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，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，即得该专题图的栅格数据。⑶由矢量数据转换而来。⑷遥感影像数据，对地面景像的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的像素值序列。⑸格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。第7页，共55页。A.直接栅格编码B.行程编码C.四叉树编码

4、栅格数据的编码方法第8页，共55页。A.直接栅格编码表示空间信息的栅格数据实际上是空间数据二维的离散量化值，每一层的像元值组成二维信息数组的像元阵列，行、列表示它的位置。故此，栅格数据可以表示为一个二维矩阵。例如右图的影像：当扫描输入时，一般从左上角开始，逐行逐列进行。矩阵的每个元素，代表了1个像元的值，像元值可以是1个字节，2个字节或4个字节。矩阵元素的行、列号即是像元的位置，在计算机中，矩阵数据是顺序存放的。例如，1个4×4的影像，在机器中存储的顺序为：

AAAAABBBAABBAAAB第9页，共55页。栅格数据矩阵可以每行都从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右，而偶数行由右向左记录，为了特定目的还可采用其它特殊的顺序。第10页，共55页。每个像元可能是占一个字节的整型数。如果图像比较大，这种逐点存储的方式，所占的空间是十分巨大的。所以在实际存储时，多采用压缩存储的方式。最简单的是行程编码方式，另外，还有四叉树编码方式，二维行程编码方式等压缩倍数更多的方法。但数据压缩所获得的空间节省与数据处理的时间花费往往是成正比例，即所节省的空间越多，数据压缩与解压所需的时间往往也多，因此所采取的方法要根据实际的情况而定。第11页，共55页。B.行程编码空间实体空间数据一般具有相关性，相邻像元的值往往相同，于是就可采用某种编码方法进行压缩和合并。按行扫描，将相邻等值的像元合并，记录行程长度及它的值，这就叫行程编码。

对于上述影像矩阵，根据空间数据的相关性，可以将等值的相邻像元合并，得到6组行程编码。如果按行合并，则有：

4A1A3B2A2B3A1B如果不按行，连续合并，则有：

5A3B2A2B3A1B显然，行程编码节省空间。区域越大，数据相关性越强，节省的空间越多。第12页，共55页。根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n×2n，且n>1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n×2n的栅格阵列。n为极限分割次数，n＋1是四叉树最大层数或最大高度C.四叉树编码第13页，共55页。为了在计算机中既能以最小的冗余存储与图像对应的四叉树，又能方便完成各种图形操作，专家们已提出多种编码方式。下面介绍美国马里兰大学地理信息系统中采用的编码方式。该方法记录每个或叶子结点的地址和值，值就是子区的代码，其中地址包括两个部分，共占有32位（二进制），最右边四位记录该叶子结点的深度，即处于四叉树的第几层上，有了深度可以推知子区的大小；地址由从根结点到该叶子结点的路径表示。0，1，2，3分别表示NW、NE、SW、SE，从右边第五位开始2n字节记录这些方向。第14页，共55页。0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400000333033333530022232222022225255533355南西南东北西北东第5个结点深度为4，第一层为根结点，第二层处于SW象限记为0，第三层处于NE象限记为3，第四层处于SE象限记为1，表示为二进制为：

0000…000（22位）001101（6位）0100（4位）每层象限位置由二位二进制表示，共八位。上述二进制换算成十进制整数为212。这样，记录了各个叶子的地址，再记上相应的代码值，就记录了整个图像，并可在此编码的基础上进行多种图像操作。第15页，共55页。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。四叉树编码优点第16页，共55页。第17页，共55页。第18页，共55页。二、矢量数据结构

矢量是具有一定大小和方向的量,数学上和物理上也叫向量。线段长度表示大小，线段端点的顺序表示方向。有向线段用一系列有序特征点表示，有向线段集合就构成了图形。矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合。矢量数据结构是通过记录坐标的方式，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。矢量结构允许最复杂的数据以最小的数据冗余进行存储，相对栅格结构来说，数据精度高，所占空间小，是高效的空间数据结构。其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制。第19页，共55页。⑴定位明显：其定位是根据坐标直接存储的，无需任何推算。⑵属性隐含：属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上。⑶矢量数据结构图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，在叠加运算、邻域搜索等操作时比较困难，有些甚至难以实现，⑷在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度。1．矢量数据结构特点第20页，共55页。2、空间实体类型⑴点：空间上不能再分的地理实体，可以是具体的或抽象的，如地物点、文本位置点或线段网络的结点等，由一对x、y坐标表示。地面上的矿点、水井、高程控制水准点等都是点实体。⑵线：空间上具有一定延伸方向性的线状地物，由一组有序点组成，采用一组有序的(X，Y)坐标来表示。如河流和道路、断层、地质体分界线等为线状地物。⑶面：指有封闭边界和面积的实体，由一组有序线段包围而成区域。采用一组首尾位置重合的有序线段表示。例如湖泊、矿区、土壤类型等。(X,Y)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)LinePoint(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)Polygon(X,Y)

从几何上来说，地理空间目标可划分为点、线、面、体四种基本类型。对表示在地图中的各种要素都可抽象为点、线、面几何图形的实体。第21页，共55页。3、矢量数据获取途径1)由外业测量获得利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库。2)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。3)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。第22页，共55页。对于点实体矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码。⑴点实体数据编码4、矢量数据编码第23页，共55页。唯一标识码是系统排列序号；线标识码可以标识线的类型；起始点和终止点号可直接用坐标表示；显示信息是显示时的文本或符号等；与线相联系的非几何属性可以直接存储于线文件中，也可单独存储，而由标识码联接查找。⑵线实体矢量数据编码第24页，共55页。⑶多边形实体矢量数据编码

多边形矢量编码不但要表示空间图形为多边形的面状实体的位置和属性，更为重要的是要能表达区域的拓扑性质，如形状、邻域和层次等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图资料进行显示和操作，其编码比点和线实体的矢量编码要复杂得多，也更为重要。它与机助制图系统仅为显示和制图目的而设计的编码有很大不同。

编码方法：坐标序列法、树状索引编码法、拓扑结构编码法。第25页，共55页。Ⅰ坐标序列法由多多形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码。一个区域或一幅地图可以划分成许多多边形，多边形4由Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅷ弧段组成，文件编码坐标为:x9,y9；x8,y8；x7,y7；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x23,y23；x24,y24；x18,y18；x18,y18；x19,y19。每个多边形在数据库中是相互独立、分开存储的。第26页，共55页。坐标序列法的优缺点优点：文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。缺点：①多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此产生冗余和碎屑多边形；如重叠陕长多边形及裂缝的产生。②每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界；③不能解决“洞”和“岛”之类的多边形嵌套问题。④没有方便方法来检查多边形边界的拓扑关系正确与否，如有无不完整的多边形（死点）或拓扑学上不能接受的环（奇异多边形）。

这种方法可用于简单的粗精度制图系统中。第27页，共55页。Ⅱ树状索引编码法

采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，方法是对所有边界点进行数字化，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，形成树状索引结构。图形数据线与多边形之间的树状索引点与边界线之间的树状索引第28页，共55页。树状索引编码法示例形成的文件记录第29页，共55页。树状索引编码法的优势和不足

树状索引编码消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合并相邻多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到。但是比较繁琐，因而给相邻函数运算，消除无用边，处理岛状信息以及检查拓扑关系带来一定的困难，而且两个编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错。第30页，共55页。Ⅲ双重独立地图编码拓扑关系类型a拓扑邻接：指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4，N1/N2…等；多边形邻接关系有P1/P3，P2/P3…等。b拓扑关联：拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5…等。多边形与线段的关联关系有P1/C1、C5、C6，P2/C2、C4、C5、C7等。c拓扑包含：拓扑包含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，P2包含P4。拓扑概念

拓扑学是研究图形在保持连续状态下变形时的那些不变的性质，也称“橡皮板几何学”。在拓扑空间中对距离或方向参数不予考虑。拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系。第31页，共55页。双重独立地图编码简称DIME结构（DualIndependentMapEncoding）。它是由美国人口调查局建立起来的为人口调查目的而设计的一种拓扑编码方法，是一种把几何量度信息（直角坐标）与拓扑逻辑信息结合起来的系统。DIME文件的基本元素：线段、线段始结点和终结点标识符、区域代码（左区号和右区号）。方法：对所有边界点进行数字化，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，形成树状索引结构。结点坐标文件包括结点标识符和结点坐标，拓扑结构文件包括结点、线段、多边形间的拓扑关系。DIME结构中，线段通常被认为是直线型的，复杂的曲线由一系列逼近曲线的直线段来表示。结点与结点或者面域与面域之间为邻接关系，而结点与线段或面域与线段之间为关联关系。第32页，共55页。

双重独立地图编码优点⑴通过有向编码建立了多边形、边界、节点之间的拓扑关系，有效地进行数据存储正确性检查，同时便于对数据进行更新和检索。这种数据结构在自动区域单元时，空间点的坐标是自行闭合。否则数据存储或编码有错，区域不能自行闭合，或者出现多余的线段，达不到数据自动编辑的目的。⑵DIME编码成为其它拓扑编码结构的基础。它采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息。

矢量编码保证了信息的完整性和运算的灵活性，这是由矢量结构自身的特点所决定的。目前并没有统一的最佳的矢量结构编码方法，在具体工作中应根据数据的特点和任务的要求而灵活设计。第33页，共55页。无拓扑关系的矢量结构实体型矢量数据编码（无拓扑矢量数据编码）虽然会产生数据冗余和歧异，但易于编辑，如MapInfo。第34页，共55页。带拓扑关系的矢量结构

拓扑型矢量数据编码消除了数据的冗余和歧异，但操作复杂，甚至会产生新的数据冗余，如ARC/INFO。第35页，共55页。5、矢量数据结构与栅格数据结构的比较比较项矢量数据栅格数据数据大小数据存储量小数据存储量大数据结构复杂简单位置精度空间位置精度高空间位置精度低拓扑关系用网络连接法能完整描述拓扑关系难于建立网络连接关系数据获取获取数据慢快速获取大量数据数据输出输出容易，绘图细腻、精确、美观输出速度快，但绘图粗糙、不美观输出设备只能在矢量式数据绘图机上输出只能在栅格数据绘图机上输出数据计算计算多边形周长、面积、总和、平均值不如栅格数据效果好计算多边形周长、面积、总和、平均值更有效数学模拟困难方便叠合分析多种地图叠合分析困难多种地图叠合分析方便图像处理不能直接处理数字图像信息能直接处理遥感数字图像信息空间分析不容易实现易于进行第36页，共55页。

将矢量面对目标的方法和栅格元子充填的方法结合起来，采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法结合使用的数据结构。线状地物：除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格。面状地物：除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。特点：它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系。从原理上说，这是一种以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构。3343344233444233442344221三、矢量栅格一体化数据结构第37页，共55页。

空间数据库（或称地图数据库）是地理信息系统的重要组成部分，因为地图是地理信息系统的主要载体。地理信息系统是一种以地图为基础，供资源、环境、区域调查以及规划的管理和决策用的空间信息系统。

空间数据库模型是数据库中对数据的逻辑组织形式的描述。3.2.2空间数据管理第38页，共55页。一、传统DBMS管理和空间数据管理1、从数据管理的角度看GIS中数据的特点⑴数据量大，常要作查询，因此必需注意提高查询效率，如建立索引等；⑵数据类型和关系复杂，常要记录拓扑关系；⑶GIS数据常具有非结构化特征，如描述线面状地物的长度不等；数据要嵌套；一个对象可能包含多个对象。第39页，共55页。2、关系模型描述空间数据存在的问题⑴缺乏构造复杂对象的能力，以记录为单位的数据模型不能很好的面向用户，不能描述嵌套和递归等复杂关系。

⑵数据类型少，不支持抽象数据类型，如不能定义几何数据类型（点，线，面）和空间操作算子（相交，包含等），无法完成地理意义上的分析查询。⑷缺乏语义表达能力，即语义贫乏。它表达实体和实体间关系只能在表内，或通过公共值的跨表连接,实现效率低，不利于建立数据的概念模型。⑸表形式不适用表示图形数据，图形数据涉及的坐标、属性、拓朴关系用表格表示使问题显得复杂化。第40页，共55页。二、空间数据管理系统的模式类型1、全文件管理系统GIS应用1空间、属性数据文件1GIS应用2空间、属性数据文件2空间、属性数据文件3

将属性数据和空间数据均放在文件系统中进行管理。程序依赖于数据文件的存储结构，数据文件修改时，应用程序也随之改变。优点：（1）厂商可根据自己要求定义文件格式，管理数据；（2）有利于存储非结构化不定长数据。缺点：（1）不利于数据查找；（2）数据共享性等差。第41页，共55页。2、文件和关系数据库混合系统

文件和关系数据库混合系统是传统GIS所用的方式。如arcinfo,mapinfo等。系统中,图形用数据文件存储，属性用关系数据库表存储。两者通过标识符相联结，这种方式实际上不能建立真正意义上的空间数据库。OID图形数据属性数据GIS应用软件Arc/Info图形用户界面ArcEdit属性用户界面Tables图形数据文件库属性数据库图形处理系统数据库管理系统ID第42页，共55页。

优点:GIS可通过DBMS提供的高级编程语言的接口，直接操纵属性数据，查询属性数据库，并在GIS的用户界面下，显示查询结果。在ODBC(OpenDataBaseConnectivity,开放式数据库互连)推出后，GIS软件商只需开发GIS与ODBC的接口软件，就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接。这样用户可在一个界面下处理图形和属性数据。缺点:

属性数据和图形数据通过ID联系起来，使查询运算，模型操作运算速度慢；数据分布和共享困难；属性数据和图形数据分开存储，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能；缺乏表示空间对象及其关系的能力。目前，空间数据管理正在逐步走出文件管理模式第43页，共55页。3、全关系型数据库系统管理

图形数据和属性数据都用现有的关系数据库管理系统管理，管理数据库管理系统不作任何扩展，由GIS软件商在此基础上进行开发。优点:（1）在全关系型数据库中加入了二进制数据块形式省去大量关系连接操作,可提高查询速度；（2）便于数据的维护；缺点:（1）不定长记录造成存储效率的下降；（2）实现SQL查询要附加接口；因此它只适用于功能简单的GIS。第44页，共55页。4、对象—关系型数据库系统

采用通用关系数据库管理系统效率低，面向对象型空间数据库管理系统又不够成熟，随着空间信息系统的发展，许多数据库管理系统的软件商纷纷对关系数据库进行扩充，使之能直接存储非结构化的空间数据，形成对象—关系型数据库GIS系统。对象—关系型空间数据库是在标准的RDBMS上加了一层空间数据管理专用模块如Oracle在其数据库中加入了oralceSpatial组件，以支持空间数据；Informix为用户定义数据类型，提供了DataBlade插件。定义了操作点、线、面等空间对象的函数，解决了空间数据的变长记录管理。

GIS应用空间数据管理的专用模块商用DBMS空间和属性数据库第45页，共55页。优点解决了空间数据的变长记录管理，使数据管理效率大大提高；空间和属性之间联结有空间数据管理模块解决，不仅具有操作关系数据的函数，还具有操作图形的API函数;对象—关系型空间数据库是在标准的关系数据库上加一层空间数据管理模块；用该层功能将地理结构查询语言转化成标准的SQL查询，空间数据查询速度快。缺点空间数据对象还不能有用户任意定义，用户使用受一定限制。如定义的空间函数支持的对象不带拓扑关系，用户不能定义带拓扑关系的数据模型。

第46页，共55页。5、面向对象型数据库系统

面向对象型空间数据库管理系统最适合空间数据的表达和管理。

优点支持变长记录，还支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。面向对象数据库管理系统允许定义合适的数据结构和数据操作。缺点不支持SQL语言，在通用性上受局限。面向对象型空间数据库管理系统还不够成熟，价格又昂贵，目前在GIS领域还不通用。第47页，共55页。三、空间数据的分层和空间数据索引机制1、空间数据的分层

空间数据分层的方法按专题分层；按时间序列分层；按地面垂直高度。第48页，共55页。第49页，共55页。2、空间索引机制

空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对