地理信息系统的数据结构New

第二章地理信息系统的数据结构第一节地理空间及其表达第二节地理空间数据及其特征第三节空间数据结构的类型第四节地理数据的编码第二章地理信息系统的数据结构第一节地理空间及其表达一、地理空间概念一般指上至大气电离层，下至地壳与地幔交界折莫霍面之间的空间区域。大地测量系统由平面控制网和高程控制网组成，为建立地理空间数据的坐标位置提供了一个通用参照系。地球模型：三级近似地球自然表面极不规则，无法用数学表面进行描述水准面所包围的球体大地水准面所包围的球体旋转椭球体不规则性、动态性、不唯一性不规则性、相对唯一性标准数学曲面1952：海福特椭球1953：克拉索夫斯基椭球1978：1975年国际椭球地球模型地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体坐标系统—高程系统任意水准面大地水准面H´AHA铅垂线AH´BHBhAB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我国目前使用的三种坐标系1954北京坐标系1980国家大地坐标系（西安原点，陕西省泾阳县永乐镇）地心坐标系二、空间实体的表达点：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地形维数进行归类划分点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达。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、矿体等三维目标第二节地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据分类按数据来源分地图数据影像数据文本数据按数据特征空间定位数据非空间属性数据按数据发布数字线划（DLG）数据数字栅格图（DRG）数据数字高程模型（DEM）数据数字正射影像（DOM）数据按数据结构：矢量数据栅格数据二、空间数据基本特征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，又称定位特征或几何特征），一般用坐标数据表示；属性特征是指空间对象的专题属性，如名称、分类、质量特征和数量特征等（行—记录，列—属性）时间特征是指一定区域内的空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。三、空间数据的拓扑关系拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法。在GIS中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。1.空间数据的拓扑关系2.空间数据拓扑关系好处3.空间数据拓扑关系的表示拓扑邻接：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。1、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P42.空间数据拓扑关系好处（1）不需要利用坐标或者计算距离，就可确定地理实体间的相对空间位置关系。（2）有利于空间要素的查询。（3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。3.地理空间数据拓扑关系的表示结点集合结点名指针第一个离开弧段第一个到达弧段坐标N1e3e1x1，y1

N2e1e2x2，y2

N3e2e3x3，y3е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2N1四、空间数据的计算机表示空间分幅：将整个地理空间划分为许多子空间，再选择要表达的子空间属性分层：将要表达的空间数据抽象成不现类型属性的数据层来表示时间分段：将有时间特征的地理数据按其变化规律划分为不同的时间段数据，再逐一表示第三节空间数据结构的类型一、矢量数据结构二、栅格数据结构三、曲面数据结构

一、矢量数据结构：概念利用欧几里德几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。

几何(空间)对象

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；主要类型

实体数据结构；拓扑数据结构；矢量数据结构：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栅格数据转换空间分析技术（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）

矢量数据结构：表达内容矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）

空间表达=信息结构+操作实体数据结构

只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系（又称面条结构）。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矢量数据结构实体数据结构示例—面条结构多边形

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)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存储方法拓扑数据结构

不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系表达对象：关联关系矢量数据结构C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1N1N2P2P1C2N3N2P1P4C3N1N3P1ØC4N1N4ØP2C5N2N5P2P4C6N4N5P3P2C7N5N6P3P4C8N4N6ØP3C9N7N7P4P5C10N3N6P4Ø拓扑结构表达示例拓扑结构：拓扑关系与数据共享

维护数据的一致性拓扑:移动结点无拓扑:移动结点矢量数据结构（续）矢量数据结构：特点用离散的点描述空间对象与特征，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好，精度高

矢量结构

栅格结构

二、栅格数据结构栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式。每个栅格单元只能存在一个值。8888888888888888888888888888888888888888888881111111111111122222222222322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。A.OBC中心点法重要性法长度占优法面积占优法栅格结构数据中混合像元的处理方案一方案二：缩小栅格单元的面积栅格数据结构：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两种数据结构的比较优点缺点矢量数据结构1.便于面向现象(土壤类、土地利用单元等)；

2.数据结构紧凑、冗余度低；

3.有利于网络分析；

4.图形显示质量好、精度高。1.数据结构复杂；

2.软件与硬件的技术要求比较高；

3.多边形叠合等分析比较困难；

4.显示与绘图成本比较高。栅格数据结构1.数据结构简单；

2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；

3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；

4.输出方法快速，成本比较低廉。1.图形数据量大；

2.投影转换比较困难；

3.栅格地图的图形质量相对较低；

4.现象识别的效果不如矢量方法。41

三、曲面数据结构－－不规则三角网（TIN）1

2

3

6

5

8

7

9

11

10

4

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

一、编码的概念和意义二、栅格结构编码方法第四节地理数据的编码方法

地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。一、编码的概念和意义链码(chainEncoding)直接栅格编码游程长度编码块码四叉树编码(quarter_treeEncoding)栅格结构编码方法1、直接栅格编码

直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行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，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。

02255555222225550000033322223355002333550033335300033333000033330，2，2，5，5，5，5，5；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。由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0°开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。2、链码12345076001076701100链码编码：

2，2，6，7，6，0，6，5123450760500000000500000000000000500000000550000000500000050000000000000链码编码示例3、游程长度编码(1)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333沿行方向进行编码：(0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。3、游程长度编码逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333沿列方向进行编码：(1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。

4、块码采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。

5、四叉树编码

是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