第4章 空间数据结构

第4章空间数据结构

空间数据结构是指对空间逻辑数据模型描述的数据组织关系和编排方式，对地理信息系统中数据存储、查询检索和应用分析等操作处理的效率有着至关重要的影响。4.1矢量数据结构4.3矢栅一体化数据结构4.2栅格数据结构本章内容4.5三维数据结构4.4镶嵌数据结构4.1矢量数据结构矢量数据结构是对矢量数据模型进行数据的组织。通过记录实体坐标及空间关系来表达点、线、多边形等地理实体。

4.1矢量数据结构4.1.1实体数据结构

实体数据结构：也称spaghetti数据结构，是指构成多边形边界的各个线段以多边形为单元进行组织。

点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn

)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)

多边形ID坐标类别码A（x1,y1),(x2,y2)…(x8,y8),(x1,y1)A102B（x1,y1),(x8,y8),(x7,y7),(x13,y13),（x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x9,y9),(x1,y1)B203C（x20,y20),(x25,y25)…(x21,y21),(x20,y20)A178D（x5,y5),(x19,y19)…(x6,y6),(x5,y5)C523表4.1多边形数据文件点号坐标1X1,y1….….25X25,y25多边形ID点号类别码A1,2,3,4,5,6,7,8,1A102B7,8,1,9,10,11,12,13,7B203C20,21,22,23,24,25,20A178D7,13,14,15,16,17,18,19,5,6,7C523表4.3多边形文件表4.2点文件实体数据结构优点：编码容易，数字化操作简单、编排直观缺点：冗余存储，可能导致公共边界出现间隙或重叠；缺少多边形的领域信息和图形的拓扑关系；岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。适用范围：只适用于简单的系统，如计算机地图制图系统。4.1矢量数据结构4.1.2拓扑数据结构

基本原理：点相互独立，点连成线，线构成面。每条线始于起始节点，止于终止节点，并与左右多边形相邻接。1.索引式结构

索引式结构：采用树状索引以减少数据冗余并间接增加领域信息。点号坐标1x1,y1….….表4.5边文件表4.4点坐标文件边ID组成的点IDa1,2,3,4,5….….表4.6多边形文件多边形ID组成的边IDAa,b,e….….优点：消除了相邻多边形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多边形时可不必改造索引表缺点：虽然领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，但比较繁琐，给领域函数运算、消除无用边、处理岛状信息以及拓扑关系等带来一定的困难两个编码表都要以人工方式建立，工作量大且容易出错。树状索引结构4.1矢量数据结构4.1.2拓扑数据结构2.双重独立编码结构

双重独立编码结构：简称DIME编码系统，对图上网状或面状要素的任何一条线段，用顺序的两点定义以及相邻多边形来予以定义。点号坐标1x1,y1….….点坐标文件多边形文件多边形ID组成的边IDAa,b,c,d,e,f….….点号组成线的点IDa6，1….….线文件线号起点终点左多边形右多边形a16QAb21QAc32QAd43BA….….….….….l103QBm1113ADn1312AD01211AD优点：可以有效地进行数据存储正确性检查（如多边形是否封闭）便于对数据进行更新和检索可以自动形成多边形，并可以检查线文件数据的正确性适用范围：适用于城市地籍宗地的管理，在宗地管理中，界址点对应于点，界址边对应于线段，面对应于多边形，各种要素都有惟一的标识符。双重独立编码结构4.1矢量数据结构4.1.2拓扑数据结构3.链状双重独立编码结构

链状双重独立编码结构：是DIME数据结构的一种改进。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。表4.8多边形文件表4.9弧段文件多边形ID弧段号属性（如周长、面积等）Aa,b,e….Bc,d,b….Cg….Df,e,d,-g….弧段ID起始点终结点左多边形右多边形a51QAb71ABc113QB….….….….….表4.8弧段点文件表4.9点坐标文件弧段ID点号弧段ID点号a5,4,3,2,1e7,6,5b7,8,1f13,14,15,16,17,18,19,5c1,9,10,11,12,13g25,20,21,13,24,25d13,7点号坐标点号坐标1(x1,y1)14(x14,y14)2(x2,y2)15(x15,y15)….….….….13(x13,y13)25(x25,y25)简单、精度高、存储量小、易表达拓扑关系知识点回顾21矢量数据结构的特点坐标（点、线、面）矢量数据结构的类型实体数据结构拓扑数据结构12今天的内容？21栅格数据结构的特点栅格数据结构的类型12栅格数据结构特点1.规则阵列3.优点：结构简单、模拟方便缺点：数量大，难以建立拓扑关系，精度与信息量成反比2.属性明显，定位隐含4.2栅格数据结构数据：gis数据应用与分析\whpx\11\pic\pp99.img点线面数据：gis数据应用与分析\whpx\11\pic\pp99.img点：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4.3栅格数据结构特点1.规则阵列3.优点：结构简单、模拟方便缺点：数量大，难以建立拓扑关系，精度与信息量成反比3.属性明显，定位隐含4.2栅格数据结构4.2栅格数据结构栅格数据结构的显著特点是：属性明显，定位隐含，同时具有数据结构简单、数学模拟方便的优点；但也存在着缺点，即数据量大、难以建立实体间的拓扑关系、通过改变分辨率而减少数据量时精度和信息量同时受损等。数据：gis数据应用与分析\whpx\11\pic\pp99.img4.2栅格数据结构4.2.1栅格单元的确定1.栅格数据的参数

（1）栅格形状（2）栅格单元大小（3）栅格原点（4）栅格倾角栅格数据结构：

坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率格网方向4.2栅格数据结构4.2.1栅格单元的确定2.栅格单元值的选取

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具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB栅格数据结构：数据分层土壤地貌森林建筑物ZYX4.2栅格数据结构4.2.2完全栅格数据结构

完全栅格数据结构（也称编码）将栅格看做一个数据矩阵，逐行逐个记录栅格单元的值。可以每行都从左到右，也可奇数行从左到右而偶数行从右到左，或采取其他特殊的方式

栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值…层n属性值…像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2…X,Y,属性值像元2X,Y,属性值……像元nX,Y,属性值层n栅格数据文件层1多边形1层2…属性值像元1坐标…多边形N像元n坐标层n（a)基于像元方式（b)基于层方式（c)基于面域方式

（1）基于像元：数据组织方式简洁明了，便于数据扩充和修改，但进行属性查询和面域边界提取时速度较慢；（2）基于层：便于进行属性查询，但每个像元的坐标均要重复存储，浪费了存储空间；（3）基于面域：便于面域边界提取，但在不同层中像元的坐标还是要多次存储4.2栅格数据结构4.2.3压缩栅格数据结构1.游程长度编码结构

游程长度（run-length)编码，也称行程编码，其编码方案是，只在各行（或列）数据值发生变化时依次记录该值以及相同值重复的个数，从而实现数据的压缩，并实现数据的组织。

游程长度编码在栅格加密时，数据量没有明显增加，压缩较高，且易于检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存贮容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。4.2栅格数据结构4.2.3压缩栅格数据结构2.四叉树数据结构

四叉树（quadtree)数据结构的基本思想是将一幅栅格数据层或图像等分为4部分，逐块检查其格网属性值（或灰度）；如果某个子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区分割成4个子区；这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。4.2栅格数据结构4.2.3压缩栅格数据结构3.二维行程编码结构

4.2栅格数据结构4.2.4链码结构

链码编码：

2，2，6，7，6，0，6，51234507605000000005000000000000005000000005

500000005

00000050000000000000链码编码示例4.2栅格数据结构4.2.5影像金字塔结构

4.3矢栅一体化数据结构4.3.1栅格数据结构与矢量数据的比较

栅格数据结构：“属性明显，位置隐含”，易于实现，操作简单，与遥感数据的匹配容易精度不高，存储量大，工作效率较低矢量数据结构：“位置明显，属性隐含”，表达精度高，存储量小，工作效率较高操作比较复杂矢量栅格数据比较矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点：数据结构复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件栅格数据优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时4.3矢栅一体化数据结构4.3.2矢栅一体化数据结构的特点

理论基础：多级格网方法、三个基本约定、线性四叉树编码

多级格网：粗格网（M0)、基本格网(M1)和细分格网(M2)三个基本约定线性四叉树编码

点标识码M1M2属性值点标识号M1M2高程Z……………………10025434084432100261057725463……………………弧ID起点ID终点ID左域ID右域ID中间点坐标（M1，M2)序列…弧标识号起结点号终结点号中间点串（M1,M2）

20078100251002658,7749,92,4377,…面域ID边界ID序列面域内点指针…面域内点指针面域内点坐标（M1,M2)序列面标识号弧标识号串面块头指针40001（属性值为0）20001，20002，20003040002（属性值为4）20002，200041640003（属性值为8）200037………………4.4镶嵌数据结构4.4.1

Voronoi数据结构

表4.14~表4.174.4镶嵌数据