地理信息系统的数据结构课件

第二章第二章 GIS GIS的数据结构的数据结构第二章GIS的数据结构1 1第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达一、地理空间的概念一、地理空间的概念一、地理空间的概念一、地理空间的概念(geo-spatial)(geo-spatial)一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象定定定定位位位位框框框框架架架架即即即即大大大大地地地地测测测测量量量量控控控控制制制制，由由由由平平平平面面面面控控控控制制制制网网网网和和和和高高高高程程程程控控控控制制制制网组成网组成网组成网组成一个统一的空间参照系一个统一的空间参照系一个统一的空间参照系一个统一的空间参照系 目目目目前前前前，我我我我国国国国采采采采用用用用的的的的大大大大地地地地坐坐坐坐标标标标系系系系为为为为1980198019801980年年年年中中中中国国国国国国国国家家家家大大大大地地地地坐坐坐坐标标标标系系系系，现现现现在在在在规规规规定定定定的的的的高高高高程程程程起起起起算算算算基基基基准准准准面面面面为为为为1985198519851985国国国国家家家家高程基准。高程基准。高程基准。高程基准。第一节地理空间及其表达一、地理空间的概念(geo-spa2 2二、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3 3地理空间坐标系地理空间坐标系地理坐标系是以地理极地理坐标系是以地理极(北极、南极北极、南极)为极点为极点通过通过A A点作椭球面的垂线，点作椭球面的垂线，称之为过称之为过A A点的法线点的法线 法线与赤道面的交角，法线与赤道面的交角，叫做叫做A A点的纬度点的纬度 过过A A点的子午面与通过英点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫午面所夹的二面角，叫做做A A点的经度点的经度 地理空间坐标系地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点4 4坐标参考系统坐标参考系统平面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5 5坐标系统坐标系统高程系统高程系统任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB坐标系统高程系统任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AH6 6水准原点水准原点19851985国家高国家高程基准，程基准，72.260472.2604米米黄海海面黄海海面1952-19791952-1979年平年平均海水面为均海水面为0 0米米水准原点1985国家高程基准，黄海海面7 7地图投影：投影实质地图投影：投影实质建立地球椭球面上各点的大地建立地球椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标。为平面上相应点的平面直角坐标。地图投影：投影实质建立地球椭球面上8 8地图投影：投影变形地图投影：投影变形 将不可展的地球椭球面展开成平面，并将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。可避免的。n 长度变形长度变形n 面积变形面积变形n 角度变形角度变形地图投影：投影变形将不可展的地球椭球面展9 9地图投影：投影分类地图投影：投影分类nn变形分类：变形分类：变形分类：变形分类：等角投影：投影前后角度不变等角投影：投影前后角度不变等角投影：投影前后角度不变等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变；等面积投影：投影前后面积不变；等面积投影：投影前后面积不变；等面积投影：投影前后面积不变；任意投影：角度、面积、长度均变形任意投影：角度、面积、长度均变形任意投影：角度、面积、长度均变形任意投影：角度、面积、长度均变形nn投影面：投影面：投影面：投影面：横圆柱投影：投影面为横圆柱横圆柱投影：投影面为横圆柱横圆柱投影：投影面为横圆柱横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥圆锥投影：投影面为圆锥圆锥投影：投影面为圆锥圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面方位投影：投影面为平面方位投影：投影面为平面方位投影：投影面为平面nn投影面位置：投影面位置：投影面位置：投影面位置：正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切相切投影：投影面与椭球体相切相切投影：投影面与椭球体相切相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割相割投影：投影面与椭球体相割相割投影：投影面与椭球体相割相割投影：投影面与椭球体相割地图投影：投影分类变形分类：1010地图投影：投影选择因素地图投影：投影选择因素制图区域的地理位置、形状和范围制图区域的地理位置、形状和范围制图比例尺制图比例尺地图内容地图内容出版方式出版方式地图投影：投影选择因素制图区域的地理位置、形状和范围1111GISGIS中地图投影中地图投影地图投影在地图投影在GISGIS中不可缺少中不可缺少空间数据空间数据-地理坐标地理坐标-平面坐标（投平面坐标（投影变换）影变换）一般采用国家基本系列地图所用的一般采用国家基本系列地图所用的投影投影GIS中地图投影地图投影在GIS中不可缺少1212我国常用地图投影我国常用地图投影1 1：100100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）投影）大部分分省图、大多数同级比例尺也采大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影用兰勃投影1 1：5050万、万、1 1：2525万、万、1 1：1010万、万、1 1：5 5万、万、1 1：2.52.5万、万、1:11:1万、万、1 1：50005000采用高斯采用高斯克吕格投影。克吕格投影。我国常用地图投影1：100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥1313空间实体空间实体1 1、空间实体的特征、空间实体的特征空间特征空间特征用以描述事物或现象的地理用以描述事物或现象的地理 位置以及空间位置相互关系位置以及空间位置相互关系属性特征属性特征用以描述事物或现象的特性用以描述事物或现象的特性时间特征时间特征用以描述事物或现象随时间用以描述事物或现象随时间 的变化的变化空间实体1、空间实体的特征1414空空空空间间间间特特特特征征征征是是是是指指指指空空空空间间间间对对对对象象象象的的的的位位位位置置置置及及及及与与与与相相相相邻邻邻邻对对对对象象象象的的的的空间关系或拓扑关系空间关系或拓扑关系空间关系或拓扑关系空间关系或拓扑关系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1515属性特征是指空间对象的专题属性属性特征是指空间对象的专题属性属性特征是指空间对象的专题属性16162 2、空间实体数据的类型、空间实体数据的类型属性数据属性数据描述空间实体的属性特征描述空间实体的属性特征 的数据。的数据。几何数据几何数据描述空间实体的空间特征描述空间实体的空间特征 的数据，的数据，一般用经纬度、一般用经纬度、坐标表达。坐标表达。关系数据关系数据描述空间实体之间的空间描述空间实体之间的空间 关系的数据关系的数据，如邻接、包如邻接、包 含、关联等，一般通过拓含、关联等，一般通过拓 扑关系表达。扑关系表达。2、空间实体数据的类型17173 3 3 3、空间对象（实体）的地图表达、空间对象（实体）的地图表达、空间对象（实体）的地图表达、空间对象（实体）的地图表达点：位置：（点：位置：（点：位置：（点：位置：（x x，y y）属性：符号属性：符号属性：符号属性：符号线：位置：线：位置：线：位置：线：位置：(x x1 1,y y1 1),(),(x x2 2,y y2 2),),(x xn n,y yn n)属性：符号属性：符号属性：符号属性：符号形状、颜色、尺寸形状、颜色、尺寸形状、颜色、尺寸形状、颜色、尺寸面：位置：面：位置：面：位置：面：位置：(x x1 1,y y1 1),(),(x x2 2,y y2 2),),(,(x xi i,y yi i),),(x xn n,y,yn n)属性：符号变化属性：符号变化属性：符号变化属性：符号变化等值线等值线等值线等值线 3、空间对象（实体）的地图表达点：位置：（x，y）线：位置：1818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对象（实体）的遥感影像表达遥感传感器平台传感器1919空间现象及其描述空间现象及其描述空间现象及其描述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：表达空间现象及其描述现实世界空间数据地图遥感影像特征观察选择测量2020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空间对象一般按地形维数进行归类划分点：零维点：零维线：一维线：一维面：二维面：二维体：三维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前时间：通常以第四维表达，但目前GISGIS还还很难处理时间属性。很难处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的空间对象的维数与比例尺是相关的空间对象（实体）类型空间对象一般按地形维数进行归类划分2121地理信息系统的数据结构课件2222地理信息系统的数据结构课件2323点实体点实体有位置，无宽度和长度；有位置，无宽度和长度；抽象的点抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站美国佛罗里达洲地震监测站20022002年年9 9月该洲月该洲可能的可能的500500个地震位置个地震位置点实体有位置，无宽度和长度；美国佛罗里达洲地震监测站20022424线实体线实体有长度，但无宽度和高度有长度，但无宽度和高度有长度，但无宽度和高度有长度，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用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离度量实体距离度量实体距离度量实体距离香港城市道路网分布香港城市道路网分布线实体有长度，但无宽度和高度香港城市道路网分布2525面实体面实体具有长和宽的目标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）中国土地利用分布图（不连续面）面实体具有长和宽的目标中国土地利用分布图（不连续面）2626空间对象：面（续）空间对象：面（续）连续变化曲面：如地形起连续变化曲面：如地形起连续变化曲面：如地形起连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲伏，整个曲面在空间上曲伏，整个曲面在空间上曲伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。率变化连续。率变化连续。率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、不连续变化曲面，如土壤、不连续变化曲面，如土壤、不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，森林、草原、土地利用等，森林、草原、土地利用等，森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面属性变化发生在边界上，面属性变化发生在边界上，面属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。的内部是同质的。的内部是同质的。的内部是同质的。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2727空间对象：体空间对象：体有长、宽、高的目标有长、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、矿体等三维目标体等三维目标香港理工大学校园建筑空间对象：体有长、宽、高的目标香港理工大学校园建筑2828第二节第二节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征1、空间数据空间数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示是各种地理特征和现象间关系的符号化表示。空间特征空间特征 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。征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。属性特征属性特征 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。征等。时间特征时间特征 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。的、短期的、中期的和长期的。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2929 GIS GIS的空间数据的分类的空间数据的分类地图数据地图数据 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统最重要得信息源 遥感数据遥感数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）地形数据地形数据属性数据属性数据 统计数据、实测数据及各种文字报告统计数据、实测数据及各种文字报告元数据元数据GIS的空间数据的分类地图数据3030地理空间数据的类型地理空间数据的类型1 1 类型数据类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。：居民点、交通线、土地类型分布等。2 2 面域数据面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3 3 网络数据网络数据：道路交叉点、街道和街区等。：道路交叉点、街道和街区等。4 4 样本数据样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。：气象站、航线和野外样方的分布区等。5 5 曲面数据曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。：高程点、等高线和等值区域。6 6 文本数据文本数据：如地名、河流名和区域名称。：如地名、河流名和区域名称。7 7 符号数据符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。：点状符号、线状符号和面状符号等。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3131元数据元数据“meta”“meta”是一希腊语词根，意思是是一希腊语词根，意思是“改变改变”，“Metadata”“Metadata”一词的原一词的原意是关于数据变化的描述。意是关于数据变化的描述。一般都认为元数据就是一般都认为元数据就是“关于数据关于数据的数据的数据”。元数据“meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Met3232元数据的主要作用元数据的主要作用帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档数据文档 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络容、数据质量、数据交换网络(clearing house)(clearing house)及数及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息及与数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断出正确的判断 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。元数据的主要作用帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，33332 2、空间数据的拓扑关系、空间数据的拓扑关系什么叫拓扑？什么叫拓扑？TopologyTopology一词来自希腊文，一词来自希腊文，它的原意是它的原意是“形状的研究形状的研究”。拓扑学是几何学的一。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属换下能保持不变的几何属性性拓扑属性。拓扑属性。2、空间数据的拓扑关系什么叫拓扑？3434拓扑邻接：拓扑邻接：元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。拓扑关联：拓扑关联：元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。拓扑包含：拓扑包含：元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。地理空间数据的拓扑关系地理空间数据的拓扑关系不不同同类类同同类类同类不同级同类不同级拓扑邻接：元素之间的拓扑关系。地理空间3535N11256473P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：拓扑邻接：N N1 1/N N2 2,N N1 1/N N3 3,N N1 1/N N4 4;P P1 1/P P3 3;P P2 2/P P3 3拓扑关联：拓扑关联：N N1 1/1 1、3 3、6 6；P P1 1/1 1、5 5、6 6 拓扑包含：拓扑包含：P P3 3与与P P4 4N11256473P1P3P2P4N4N3N53636空间数据的拓扑关系空间数据的拓扑关系0 拓扑元素：拓扑元素：q 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点q 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段q 面：若干弧段组成的多边形面：若干弧段组成的多边形0 基本拓扑关系基本拓扑关系q 关联：不同拓扑元素之间的关系关联：不同拓扑元素之间的关系q 邻接：相同拓扑元素之间的关系邻接：相同拓扑元素之间的关系q 包含：面与其他元素之间的关系包含：面与其他元素之间的关系q 层次：相同拓扑元素之间的层次关系层次：相同拓扑元素之间的层次关系q 拓扑元素量之间的关系：欧拉公式拓扑元素量之间的关系：欧拉公式0 点、线、面之间的拓扑关系点、线、面之间的拓扑关系空间数据的拓扑关系3737起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:3838邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线3939欧拉公式欧拉公式：欧拉公式在GIS中有着重要的意义，主要用来检查空间拓扑关系的正确性，能发现点、线、面不匹配的情况和多余、遗漏的图形元素。c+a=n+bn:结点数a:弧段数b:多边形数c:常数，为多边形地图特征。若b包含边界里面和外面的多边形，则c=2，若b仅包含边界内部多边形，则c=1n=4，a=4b=1，c=1n=6，a=5b=2，c=1，p=2（图形数）n=4，a=5b=2，c=1n=10，a=12b=3，c=1欧拉公式：c+a=n+bn:结点数n=4，4040空间拓扑关系表达空间拓扑关系表达关系表关系表面域与弧段的拓扑关系面 域弧 段P1a,b,c,-gP2b,d,fP3c,f,eP4g结点与弧段的拓扑关系结 点弧 段Aa,c,eBa,d,bCd,e,fDb,f,cEg 弧段与结点的拓扑关系弧 段结 点aA,BbB,DcD,AdB,CeC,AfC,DgE,E弧段与面域的拓扑关系弧段 左邻面 右邻面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1空间拓扑关系表达关系表面域与弧段的拓扑关系结点与弧段的拓扑4141第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型空间数据结构空间数据结构矢量数据结构矢量数据结构栅格数据结构栅格数据结构栅格结构与矢量结构的比较栅格结构与矢量结构的比较第三节空间数据结构的类型空间数据结构4242一、常用的空间数据结构一、常用的空间数据结构XYijx1 y1x2 y2xi yixn yn 数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、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。间排列方式和相互关系的抽象描述。一、常用的空间数据结构XYijx1y1x2y2xiyi4343矢量数据结构矢量数据结构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。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。空间存储复杂的数据。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4444矢量数据结构编码的基本内容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。空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形面：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矢量数据结构通过记录空间对象的坐4545矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构编码的基本内容标识码标识码属性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XY1112223344n5566存储方法存储方法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数据库独4646点实体点实体4747线实体面实体多边形矢量编码，多边形矢量编码，不但要表示位置和不但要表示位置和属性，更重要的是属性，更重要的是能表达区域的能表达区域的拓扑拓扑特征特征，如形状、邻，如形状、邻域和层次结构等，域和层次结构等，以便使这些基本的以便使这些基本的空间单元可以作为空间单元可以作为专题图的资料进行专题图的资料进行显示和操作。显示和操作。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4848简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构面条结构（实体式）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。只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。0存储：存储：q独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；q点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成0特征特征l无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询l公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性性和一致性l多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；l处理嵌套多边形比较麻烦处理嵌套多边形比较麻烦0适用范围：适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析制图及一般查询，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）4949简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构面条结构（实体式）面条结构（实体式）多边形多边形数据项数据项AA(x(x11,y,y11),(x),(x22,y,y22),(x),(x33,y,y33),(x),(x44,y,y44),(x),(x55,y,y55),(x),(x66,y,y66),(x),(x77,y,y77),(x),(x88,y,y88),(x),(x99,y,y99),(x),(x11,y,y11)BB(x(x11,y,y11),(x),(x99,y,y99),(x),(x88,y,y88),(x),(x1717,y,y1717),),(x(x1616,y,y1616),(x),(x1515,y,y1515),(x),(x1414,y,y1414),(x),(x1313,y,y1313),),(x(x1212,y,y1212),(x),(x1111,y,y1111),(x),(x1010,y,y1010),(x),(x11,y,y11)CC(x(x2424,y,y2424),(x),(x2525,y,y2525),(x),(x2626,y,y2626),(x),(x2727,y,y2727),(x),(x2828,y,y2828),(x),(x2929,y,y2929),(x),(x3030,y,y3030),(x),(x3131,y,y3131),),(x(x2424,y,y2424)DD(x(x1919,y,y1919),(x),(x2020,y,y2020),(x),(x2121,y,y2121),(x),(x2222,y,y2222),(x),(x2323,y,y2323),(x),(x1515,y,y1515),(x),(x1616,y,y1616),(x),(x1919,y,y1919)EE(x(x55,y,y55),(x),(x1818,y,y1818),(x),(x1919,y,y1919),(x),(x1616,y,y1616),),(x(x1717,y,y1717),(x),(x88,y,y88),(x),(x77,y,y77),(x),(x66,y,y66),(x),(x55,y,y55)简单的矢量数据结构面条结构（实体式）多边形5050索索引引式式 线与多边形之间的树状索引线与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引点与多边形之间的树状索引 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5151双重独立式双重独立式双重独立式双重独立式DIME(DuallndependentDIME(DuallndependentMapEncoding)MapEncoding)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这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点件生成面文件外，还需要点文件文件 双重独立式DIME(DuallndependentMap5252链状双重独立式链状双重独立式链状双重独立式数据结构是链状双重独立式数据结构是DIMEDIME数据结构的数据结构的一种改进。在一种改进。在DIMEDIME中，一条边只能用直线中，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弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。间点。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文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：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。件、结点文件。链状双重独立式链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一5353弧段文件弧段文件弧段号弧段号起始点起始点终结点终结点左多边形左多边形右多边形右多边形aa5511OOAAbb8855EEAAcc161688EEBBdd191955OOEEee15151919OODDff15151616DDBBgg111515OOBBhh8811AABBii16161919DDEEjj31313131BBCC弧段坐标文件弧段坐标文件弧段号弧段号点点号号aa5,4,3,2,15,4,3,2,1bb8,7,6,58,7,6,5cc16,17,816,17,8dd19,18,519,18,5ee15,23,22,21,20,1915,23,22,21,20,19ff15,16,15,16,gg1,10,11,12,13,14,151,10,11,12,13,14,15hh8,9,18,9,1ii16,1916,19jj31,30,29,28,27,26,25,24,3131,30,29,28,27,26,25,24,31链状双重独立式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Ah,b,aBg,f,c,h,-jCjDe,i,fEe,i,d,b弧段文件链状双重独立式多边形文件5454矢量数据结构的特点矢量数据结构的特点定位明显，属性隐含定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系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与遥感等图象数据难以结合输出图形质量号，精度高输出图形质量号，精度高矢量数据结构的特点定位明显，属性隐含5555商品化较好的商品化较好的GISGIS软件的数据库数据组织都具有完整的拓朴软件的数据库数据组织都具有完整的拓朴结构：（如结构：（如ARC/INFOARC/INFO）矢量拓朴编码方法软件举例：）矢量拓朴编码方法软件举例：Topology Topology 拓朴学拓朴学 Topological RelationTopological Relation从上至下（从上至下（poly-ARC-Node)poly-ARC-Node)的拓朴关系（图的拓朴关系（图b).b).得到明确得到明确表达或从下至上（表达或从下至上（Node-ARC-poly)Node-ARC-poly)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：5656用关系表列出这种拓用关系表列出这种拓朴关系。朴关系。Topologicalrelationconfigrationtable.polygon-ARCTopologicalrelationb=b(a)polygonARCB1B2B3B4A1A2A3A2A5A6A3A4A7A6A7A8用关系表列出这种拓朴关系。polygonARCB1A1A5757ARC-NodeTopologya=a(n);Node-ARCtopologyn=n(a)ARCNODENODEARCA1A2A3A4A5A6A7A8N1N2N2N3N1N3N1N4N2N5N3N5N3N4N4N5N1N2N3N4N5A1A3A4A1A2A5A2A3A6A7A4A7A8A5A6A8ARC-NodeTopologya=a(n);Node-5858ARC-polygontopolya=a(b)ARCLPOLYRPOLYA1A2A3A4A5A6A7A80B2B1B30B2B4b4B1B1B30B2B4B30ARC-polygontopolya=a(b)ARCL5959ARC/INFOARC/INFO中的弧段数据结构中的弧段数据结构ARCIDFnodeTonodeLpolyRpolyarccoordinationA1A2A3A4A5A6A7A8N1N2N1N1N2N3N3N4N2N3N3N4N5N5N4N50B2B1B30B2B4B4B1B1B30B2B4B30Xn1,Yn1.Xn2,Yn2Xn2,Yn2.Xn3,Yn3Xn1,Yn1.Xn3,Yn3Xn1,Yn1.Xn4,Yn4Xn2,Yn2.Xn5,Yn5Xn3,Yn3.Xn5,Yn5Xn3,Yn3.Xn4,Yn4Xn4,Yn4.Xn5,Yn5ARC/INFO中的弧段数据结构ARCIDFnodeTono6060栅格数据结构栅格数据结构栅格数据栅格数据:栅格数据结构就是像元阵列，每个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。每个栅格单元只对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。能存在一个值。位置很容易隐含位置很容易隐含代码代表实体的属性或属性的编码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6161点线面对于栅格数据结构对于栅格数据结构对于栅格数据结构对于栅格数据结构点点点点：为一个像元：为一个像元：为一个像元：为一个像元线线线线：在一定方向上连接在一定方向上连接在一定方向上连接在一定方向上连接成串的相邻像元集成串的相邻像元集成串的相邻像元集成串的相邻像元集合。合。合。合。面面面面：聚集在一起的：聚集在一起的：聚集在一起的：聚集在一起的相邻像元集合。相邻像元集合。相邻像元集合。相邻像元集合。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6262栅格数据结构：栅格数据结构：坐标系与描述参数坐标系与描述参数YY：列：列XX：行：行西南角格网坐标西南角格网坐标（XXWSWS，YYWSWS）格网分辨率格网分辨率栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标格网6363栅格数据单元值确定栅格数据单元值确定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为了逼近原始数据为了逼近原始数据精度，除了采用这精度，除了采用这几种取值方法外，几种取值方法外，还可以采用缩小单还可以采用缩小单个栅格单元的面积，个栅格单元的面积，增加栅格单元总数增加栅格单元总数的方法的方法 栅格数据单元值确定CAB百分比法面重中心点法ACAAB为了逼6464栅格数据压缩存储的编码方法AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3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记录单元数据结构:初始位置,半径,属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),NE SWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码栅格数据压缩存储的编码方法AAAAARAAARAAARAA6565栅格矩阵（栅格矩阵（栅格矩阵（栅格矩阵（Raster Matrix)Raster Matrix)Raster Matrix)Raster Matrix)Raster Raster Raster Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，数据是二维表面上地理数据的离散量化值，数据是二维表面上地理数据的离散量化值，数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的每一层的每一层的每一层的pixelpixelpixelpixel值组成像元阵列（即二维数组），值组成像元阵列（即二维数组），值组成像元阵列（即二维数组），值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。其中行、列号表示它的位置。其中行、列号表示它的位置。其中行、列号表示它的位置。例如影像：例如影像：例如影像：例如影像：A A A AA A A AA A A AA A A A A B B B A B B B A B B B A B B B A A B B A A B B A A B B A A B B A A A B A A A B A A A B A A A B在计算机内是一个在计算机内是一个在计算机内是一个在计算机内是一个4*44*44*44*4阶的矩阵。但在外部设备上，阶的矩阵。但在外部设备上，阶的矩阵。但在外部设备上，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。如上例存贮顺通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为：序为：序为：序为：A A A A A B B B A A B B A A A BA A A A A B B B A A B B A A A BA A A A A B B B A A B B A A A BA 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，一层内的编码当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要就需要就需要就需要m m m m行行行行nnnn列列列列3(x,y3(x,y3(x,y3(x,y和属性编码值和属性编码值和属性编码值和属性编码值)个存储单元。个存储单元。个存储单元。个存储单元。数字地面模型就属此种情况。数字地面模型就属此种情况。数字地面模型就属此种情况。数字地面模型就属此种情况。栅格矩阵（RasterMatrix)Raster数据6666链式编码链式编码(ChainCodes)(ChainCodes)又称为弗里曼链码又称为弗里曼链码(Freeman)(Freeman)或或边界链码。边界链码。基本方向可定义为：东基本方向可定义为：东0 0，东，东南南l l，南二，南二2 2，西南，西南3 3，西，西4 4，西北，西北5 5，北，北6 6，东北，东北7 7等八个基本方向。如果再等八个基本方向。如果再确定原点为像元确定原点为像元(10(10，1)1)，则，则该多边形边界按顺时针方向该多边形边界按顺时针方向的链式编码为：的链式编码为：1010，l l，7 7，0 0，1 1，0 0，7 7，1 1，7 7，0 0，0 0，2 2，3 3，2 2，2 2，1 1，0 0，7 7，0 0，0 0，0 0，0 0，2 2，4 4，3 3，4 4，4 4，3 3，4 4，4 4，5 5，4 4，5 5，4 4，5 5，4 4，5 5，4 4，6 6，6 6。链式编码(ChainCodes)又称为弗里曼链码(Freem6767游程长度编码(RunLengthCodes)游程长度编码是按行帧游程长度编码是按行帧序存储多边形内的各序存储多边形内的各个像元的列号，即在个像元的列号，即在某行上从左至右存储某行上从左至右存储属该多边形的始末像属该多边形的始末像元的列号。元的列号。问：对左图的进行游程问：对左图的进行游程长度编码长度编码 。游程长度编码(RunLengthCodes)游程长度编码6868块式编码块式编码(BlockCodes)(BlockCodes)块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。如图：块式编码的数据结构由初始块式编码的数据结构由初始位置位置(行号，列号行号，列号)和半径，和半径，再加上记录单元的代码组成。再加上记录单元的代码组成。根据这一编码原则，上述多根据这一编码原则，上述多边形只需边形只需1717个单位正方形。个单位正方形。9 9个个4 4单位的正方形和单位的正方形和1 1个个1616单位的正方形就能完整表示，单位的正方形就能完整表示，总共要总共要5757个数据，其中个数据，其中2727对对坐标，坐标，3 3个块的半径。个块的半径。块式编码(BlockCodes)块式编码是将游程长度编码扩6969四叉树编码四叉树编码(Quadtree(Quadtree Encoding)Encoding)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。它将数据的方法。它将数据的方法。它将数据的方法。它将2n2n2n2n2n2n2n2n像元阵列连续进行像元阵列连续进行像元阵列连续进行像元阵列连续进行4 4 4 4等分，一直分到等分，一直分到等分，一直分到等分，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），而块状正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下图），而块状正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下图），而块状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结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码。四叉树编码(QuadtreeEncoding)四叉树编码7070八叉树编码八叉树编码 八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域(即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小立方体)，同区域的属性相同。八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题。八叉树编码八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大7171直接栅格编码：直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；（栅格文件）；链码：链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保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；地理信息系统采用；块码和四叉树编码：块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，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象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。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）7272栅格数据结构特点栅格数据结构特点ll离散的量化栅格值表离散的量化栅格值表离散的量化栅格值表离散的量化栅格值表示空间对象示空间对象示空间对象示空间对象ll位置隐含位置隐含位置隐含位置隐含,属性明显属性明显属性明显属性明显ll数据结构简单数据结构简单数据结构简单数据结构简单,易于遥易于遥易于遥易于遥感数据结合感数据结合感数据结合感数据结合,但数据量但数据量但数据量但数据量大大大大ll几何和属性偏差几何和属性偏差几何和属性偏差几何和属性偏差ll面向位置的数据结构面向位置的数据结构面向位置的数据结构面向位置的数据结构,难以建立空间对象之难以建立空间对象之难以建立空间对象之难以建立空间对象之间的关系间的关系间的关系间的关系栅格数据结构特点离散的量化栅格值表示空间对象7373abc345abcac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如以像元边线计算则为7 7，以像元为单金大会则为，以像元为单金大会则为4 4。三角形的面积为三角形的面积为6 6个平方单位，而右图中则为个平方单位，而右图中则为7 7个平方单位，这种误个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。差随像元的增大而增加。abc345abcac距离:7/4(5)几何偏差属性7474 矢量结构矢量结构 栅格结构栅格结构 矢量结构栅格结构7575地理信息系统的数据结构课件7676矢量与栅格数据结构的比较优点优点缺点缺点矢量矢量数据数据结构结构1.1.便于面向现象便于面向现象(土壤类、土地利用单土壤类、土地利用单元等元等)；2.2.数据结构紧凑、冗余度低；数据结构紧凑、冗余度低；3.3.有利于网络分析；有利于网络分析；4.4.图形显示质量好、精度高。图形显示质量好、精度高。1.1.数据结构复杂；数据结构复杂；2.2.软件与硬件的技术要求比较软件与硬件的技术要求比较高；高；3.3.多边形叠合等分析比较困难；多边形叠合等分析比较困难；4.4.显示与绘图成本比较高。显示与绘图成本比较高。栅格栅格数据数据结构结构1.1.数据结构简单；数据结构简单；2.2.空间分析和地理现象的模拟均比较容空间分析和地理现象的模拟均比较容易；易；3.3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；有利于与遥感数据的匹配应用和分析；4.4.输出方法快速，成本比较低廉。输出方法快速，成本比较低廉。1.1.图形数据量大；图形数据量大；2.2.投影转换比较困难；投影转换比较困难；3.3.栅格地图的图形质量相对较栅格地图的图形质量相对较低；低；4.4.现象识别的效果不如矢量方现象识别的效果不如矢量方法。法。矢量与栅格数据结构的比较优点缺点矢量数据结构1.便于7777矢量、栅格一体化数据结构矢量、栅格一体化数据结构栅格数据结构和矢量栅格数据结构和矢量数据结构可以互相补数据结构可以互相补充，所以现代充，所以现代GISGIS中中（ARC/INFOARC/INFO）既含有）既含有栅格结构又保持矢量栅格结构又保持矢量结构，形成一种混合结构，形成一种混合数据结构，两者的合数据结构，两者的合属性属性 数据的关系如下表：数据的关系如下表：混合数据结构混合数据结构IDIDVector Vector 数据数据Raster Raster 数据数据属性属性 数据数据矢量、栅格一体化数据结构混合数据结构IDVector7878第四节 空间数据结构的建立一、系统功能与数据间的关系一、系统功能与数据间的关系现现代代地地理理信信息息系系统统数数据据模模式式的的一一个个重重要要特特征征是是数数据据与与功功能能之之间间具具有有密密切切的的联联系系(见见下下表表)，因因此此，在在确确定定数数据据内内容容时时，首首先先必须明确系统的功能；必须明确系统的功能；对对开开发发的的GISGIS系系统统的的功功能能，是是通通过过用用户户需需求求调调查查来来确确定定的的，因因此此，在在开开发发GISGIS系系统统之前，首先要进行系统分析。之前，首先要进行系统分析。第四节空间数据结构的建立一、系统功能与数据间的关系7979系统功能与数据间的关系(据Jack Dangermond等)系统功能与数据间的关系(据JackDangermond等8080二、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间数据组织为不同的信息层(见下图见下图)；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8181 信息层示意图信息层示意图8282 空间数据的编码：是指将数据分类的结果，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：码结构如下所示：大类码大类码 小类码小类码 一级代码一级代码 二级代码二级代码 识别位识别位大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用大类码、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，以便于扩数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。充。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8383空间对象的层次分类编码分类对象的从属和层次关系分类对象的从属和层次关系分类对象的从属和层次关系分类对象的从属和层次关系有明确的分类对象类别和严格的隶属关系有明确的分类对象类别和严格的隶属关系有明确的分类对象类别和严格的隶属关系有明确的分类对象类别和严格的隶属关系空间对象的层次分类编码分类对象的从属和层次关系高压711电线8484空间对象的多源分类编码空间对象的多源分类编码按空间对象不同特性进行分类并进编码按空间对象不同特性进行分类并进编码按空间对象不同特性进行分类并进编码按空间对象不同特性进行分类并进编码代码之间没有隶属关系，反映对象特性代码之间没有隶属关系，反映对象特性代码之间没有隶属关系，反映对象特性代码之间没有隶属关系，反映对象特性具有较大的信息量，有利于空间分析具有较大的信息量，有利于空间分析具有较大的信息量，有利于空间分析具有较大的信息量，有利于空间分析河流特性分类与编码通航情况通航：1不通航：2常年河：1时令河：2消失河：31km：12km：25km：310km：5流水季节河流宽度河流长度河流深度510m：1102