地理信息系统的数据结构课件

第二章GIS的数据结构第一节地理空间及其表达一、地理空间的概念(geo-spatial)一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象空间定位框架即大地测量控制系统，由平面控制网和高程控制网组成一个统一的空间参照系目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。二、地球模型地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体地理空间坐标系地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度ψ过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度λ坐标参考系统—平面系统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空间实体1、空间实体的特征空间特征－用以描述事物或现象的地理位置以及空间位置相互关系属性特征－用以描述事物或现象的特性时间特征－用以描述事物或现象随时间的变化空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系属性特征是指空间对象的专题属性2、空间实体数据的类型属性数据－描述空间实体的属性特征的数据。几何数据－描述空间实体的空间特征的数据，一般用经纬度、坐标表达。关系数据－描述空间实体之间的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。3、空间对象（实体）的地图表达点：位置：（x，y）属性：符号线：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

属性：符号—形状、颜色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)

属性：符号变化等值线

空间对象（实体）的遥感影像表达遥感传感器平台传感器空间现象及其描述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：表达空间对象（实体）类型空间对象一般按几何特征进行归类划分点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的点实体有位置，无宽度和长度；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个地震位置线实体有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离香港城市道路网分布面实体具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形一般分为连续面和不连续面中国土地利用分布图（不连续面）空间对象：面（续）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。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。空间对象：体有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑第二节地理空间数据及其特征1、空间数据－是各种地理特征和现象间关系的符号化表示。空间特征表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。属性特征表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。时间特征描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。GIS的空间数据的分类地图数据

地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源

遥感数据各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）地形数据属性数据

统计数据、实测数据及各种文字报告元数据地理空间数据的类型1类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。2面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3网络数据：道路交叉点、街道和街区等。4样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。5曲面数据：高程点、等高线和等值区域。6文本数据：如地名、河流名和区域名称。7符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。

2、空间数据的拓扑关系什么叫拓扑？Topology一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。拓扑邻接：元素之间的拓扑关系。拓扑关联：元素之间的拓扑关系。拓扑包含：元素之间的拓扑关系。地理空间数据的拓扑关系不同类同类同类不同级N1е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：N1/е1、е3、е6；P1/е1、е5、е6拓扑包含：P3与P4空间数据的拓扑关系

拓扑元素：点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段面：若干弧段组成的多边形基本拓扑关系关联：不同拓扑元素之间的关系邻接：相同拓扑元素之间的关系包含：面与其他元素之间的关系层次：相同拓扑元素之间的层次关系拓扑元素量之间的关系：欧拉公式点、线、面之间的拓扑关系起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:邻接相交重合相离包含点—点点—线点—面线—面面—面线—线空间拓扑关系表达—关系表面域与弧段的拓扑关系面域 弧段 P1 a,b,c,-gP2 b,d,f P3 c,f,e P4 g 结点与弧段的拓扑关系结点 弧段 A a,c,e B a,d,b C d,e,f D b,f,c E g 弧段与结点的拓扑关系弧段 结点 a A,B b B,D c D,A d B,C e C,A f C,D g E,E

弧段与面域的拓扑关系弧段左邻面右邻面a P0 P1b P2 P1c P3 P1d P0 P2e P0 P3f P3 P2g P1

拓扑关系的意义第三节空间数据结构的类型空间数据结构矢量数据结构栅格数据结构栅格结构与矢量结构的比较一、常用的空间数据结构XYijx1y1x2y2xiyixnyn

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。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。矢量数据结构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。矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。

矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。矢量数据结构编码的基本内容

矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；矢量数据结构编码的基本内容

标识码属性码空间对象编码唯一连接空间和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号XY1112223344………n5566存储方法点实体线实体面实体多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。

简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。存储：独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成特征无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；处理嵌套多边形比较麻烦适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）多边形

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,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)索引式线与多边形之间的树状索引

点与多边形之间的树状索引

双重独立式DIME(DuallndependentMapEncoding)

线号左多边形右多边形起点终点aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件

链状双重独立式

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，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），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、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。

弧段文件弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形 a 5 1 O Ab 8 5 E Ac 16 8 E Bd 19 5 O Ee 15 19 O Df 15 16 D Bg 1 15 O Bh 8 1 A Bi 16 19 D Ej 31 31 B C 弧段坐标文件弧段号 点号 a 5,4,3,2,1 b 8,7,6,5 c 16,17,8 d 19,18,5 e 15,23,22,21,20,19 f 15,16, g 1,10,11,12,13,14,15 h 8,9,1 i 16,19 j 31,30,29,28,27,26,25,24,31

链状双重独立式

多边形文件多边形号 弧段号 周长面积中心点坐标 A h,b,a B g,f,c,h,-j C j D e,i,f E e,i,d,b

矢量数据结构的特点定位明显，属性隐含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，数据冗余度小与遥感等图象数据难以结合输出图形质量号，精度高商品化较好的GIS软件的数据库数据组织都具有完整的拓朴结构：（如ARC/INFO）矢量拓朴编码方法软件举例：Topology拓朴学

TopologicalRelation

从上至下（poly-ARC-Node)的拓朴关系（图b).得到明确表达或从下至上（Node-ARC-poly)

用关系表列出这种拓朴关系。Topologicalrelationconfigrationtable.polygon-ARCTopologicalrelationb=b(a)polygonARCB1B2B3B4A1

A2

A3A2

A5

A6A3

A4

A7A6

A7

A8

ARC-NodeTopologya=a(n);Node-ARCtopologyn=n(a)ARCNODE

NODEARCA1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8N1

N2

N2

N3

N1

N3

N1

N4

N2

N5

N3

N5

N3

N4

N4

N5N1

N2

N3

N4

N5A1

A3

A4

A1

A2

A5

A2

A3

A6

A7

A4

A7

A8

A5

A6

A8ARC-polygontopolya=a(b)ARCLPOLY

RPOLYA1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A80

B2

B1

B3

0

B2

B4

b4B1

B1

B3

0

B2

B4

B3

0ARC/INFO中的弧段数据结构ARCIDFnodeTonodeLpolyRpolyarccoordinationA1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8N1

N2

N1

N1

N2

N3

N3

N4N2

N3

N3

N4

N5

N5

N4

N50

B2

B1

B3

0

B2

B4

B4B1

B1

B3

0

B2

B4

B3

0Xn1,Yn1...Xn2,Yn2

Xn2,Yn2...Xn3,Yn3

Xn1,Yn1...Xn3,Yn3

Xn1,Yn1...Xn4,Yn4

Xn2,Yn2...Xn5,Yn5

Xn3,Yn3...Xn5,Yn5

Xn3,Yn3...Xn4,Yn4

Xn4,Yn4...Xn5,Yn5栅格数据结构

栅格数据:栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。位置很容易隐含代码代表实体的属性或属性的编码

（a）三角形（b）菱形（c)六边形点线面对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率栅格矩阵（RasterMatrix)

Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的pixel值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。

例如影像：AAAA

ABBB

AABB

AAAB

在计算机内是一个4*4阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为：AAAAABBBAABBAAAB

当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要m行×n列×3(x,y和属性编码值)个存储单元。数字地面模型就属此种情况。游程长度编码(Run—LengthCodes)游程长度编码是按行帧序存储多边形内的各个像元的列号，即在某行上从左至右存储属该多边形的始末像元的列号。四叉树编码(QuadtreeEncoding)

四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压编数据的方法。它将2n×2n像元阵列连续进行4等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下图），而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码。直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。栅格数据结构特点离散的量化栅格值表示空间对象位置隐含,属性明显数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大几何和属性偏差面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系abc345abcac距离:7/4(5)面积:7(6)几何偏差属性偏差如以像元边线计算则为7，以像元为单金大会则为4。三角形的面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。

矢量结构

栅格结构第四节空间数据结构的建立一、系统功能与数据间的关系现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系(见下表)，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。系统功能与数据间的关系

(据JackDangermond等)二、空间数据的分类和编码空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层(见下图)；

信息层示意图空间数据的编码：是指将数据分类的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，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示：

× × ×× × ×

大类码小类码一级代码二级代码识别位 大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充