1、,第二章 空间数据结构,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,一、图形表示,二、矢量数据的获取方式,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,1) 由外业测量获得可利用测量仪器自动记录测量成果，然后转到地理数据库中。,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。,三、矢量数据组织,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,连接,矢量数据表示时应考虑以下问题：,矢量数据自身的存贮和处理。 与属性数据的联系。 矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。,+识别符,点实体：,2-3 矢量数据
2、结构,第二章 GIS 数据结构,识别符 类型、序号,线实体,其它属性 : 如三角点设立年代、材料等,唯一标识码 线标识码 起始点 终止点 坐标对序列 显示信息 非几何属性,四、矢量数据编码方法,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,一、实体式（面条模型） 二、索引式（树状） 三、双重独立地图编码 四、链状双重独立地图编码,（一）实体式,面条模型（spaghetti）:以实体为单位记录其坐标,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。,结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。,缺点:,1、相邻多边形的公共边界
3、被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形，造成数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。,2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。,适宜在简单的制图系统中，显示图形。,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,实体式编码的特点,优点：,（二）树状索引式,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。,1、点文件：,索引文件：,3、面文件：,2、弧段文件:,与实体式相比： 优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形
4、文件中通过是否公共弧段号的方式查询。,缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。,（三）双重独立式编码,简称DIME(Dual Independent Map Encoding)，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,1、点文件,2、线文件:线文件是以线段为记录单位,3、面文件,关联,邻接,关联,连通,拓扑关系明确,（四）链状双重独立式编码-拓扑数据结构,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,1、弧段坐标文件：,2、弧段文件：链面，
5、链结点关系,3、面文件,4、点拓扑文件： 结点链关系,在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。,将以线段为记录单位改为以弧段为单位,链状双重独立式编码,链状双重独立式编码 特点,1、拓扑关系明确 2、能表达岛信息 3、以弧段为记录单位，满足实际应用需要。因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象.,2-3 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,一、矢量数据结构与栅格数据结构特征比较,2
6、-4 栅格-矢量数据的比较,第二章 GIS 数据结构,二、矢量数据结构与栅格数据结构比较,2-4 栅矢数据的比较,第二章 GIS 数据结构,一、矢栅一体化概念,2-5 矢栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,将矢量面对目标的方法和栅格单元填充的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。,以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构。,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。,优点： 一方面，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； 另一方面
7、，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。,二、三个约定和细分格网法,2-5 矢栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,a. 地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。,细分格网法（提高精度）：,b. 地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，具有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组单元填满整个路径。,c. 地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的单元表达的边界组成。,x,y,M1 M2,三个约定（便于
8、组织数据）：,将一对x，y坐标用两个Morton码代替- 前一M1表示该点（采样点或附加的交叉点）所在基本格网的地址码，后者M2 表示该点对应的细分格网的Morton码，既顾全整体定位，又保证精度。,三、一体化数据结构设计,2-5 矢栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,线性四叉树(Morton)是基本数据格式 三个约定设计点、线、面数据结构的基本依据 细分格网法保证足够精度。,约定1，点仅有位置、没有形状和面积，只要将点的坐标转化为地址码M1 和M2 ,结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。,1、点状地物和结点的数据结构,2、线状地物的数据结构,2
9、-5 矢栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,约定2，线状地物有形状但没有面积。没有面积意味着只要用一串数据表达每个线状地物的路径即可，将该线状地物经过的所有栅格的地址全部记录下来。仿照矢量数据组织的链状双重独立式编码，以弧段为记录单位。,弧段的数据结构:,线状地物的数据结构:,3、面状地物的数据结构,2-5 矢栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,1）弧段文件,2）带指针的二维行程码,叶结点的属性值,改为指向该地物的下一个子块的循环指针,边界弧段-形状,面域,循环指针指向该地物下一个子块的地址码，并在最后指向该地物本身,2-5 矢栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,用循环
10、指针将同属于一个目标的叶结点链接起来,只要进入第一块就可以顺着指针直接提取该地物的所有子块，从而避免像栅格数据那样为查询某一个目标需遍历整个矩阵，大大提高了查询速度。,3）面文件,2-5 矢栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,这种数据结构是面向地物的，具有矢量的特点。通过面状地物的标识号可以找到它的边界弧段并顺着指针提取所有的中间面块。同时它又具有栅格的全部特性，二维行程本身就是面向位置的结构，带指针的二维行程码中的Morton码表达了位置的相互关系，前后M码之差隐含了该子块的大小。给出任意一点的位置都可顺着指针找到面状地物的标识号确定是哪一个地物。,4、复杂地物的数据结构,2-5 矢
11、栅一体化数据结构,第二章 GIS 数据结构,由几个或几种点、线、面状简单地物组成的地物称为复杂地物。例如将一条公路上的中心线、交通灯、立交桥等组合为一个复杂地物，用一个标识号表示。复杂地物的数据结构如表7所示。,2-6 三维数据结构,第二章 GIS 数据结构,目前GIS主要还停留在处理地球表面的数据，若数据是地表以下或以上，则先将它投影到地表，再进行处理，其实质是以二维的形式来模拟、处理任何数据，在有些领域可行，但涉及到三维问题的处理时，往往力不从心。 二维V=f(x,y)，在不同的层V的含义不同，当V表示的是高程时，就是DEM。由于地形三维视图的原因，人们常把DEM误认为是三维模型。但从本质
12、上讲，DEM是二维的，因为它只能表示地表的信息，不能对地表内部进行有效的表示。目前，人们常把DEM称为2.5维的数据模型。 真三维模型V=f(x,y,z)，z是一自变量，不受x,y的影响。三维GIS的要求与二维GIS相似，但在数据采集，系统维护和界面设计等方面比二维GIS复杂得多，如三维数据的组织与重建，三维变换、查询、运算、分析、维护等方面。下面主要介绍三维数据结构。同样，三维结构存在栅格和矢量两种形式。栅格：将地理实体的三维空间分成细小单元-体元。普遍用八叉树矢量：x,y,z，抽象为点、线、面、体，面构成体。方法多种，常用三维边界表示法,一、概述,二、八叉树结构,第二章 GIS 数据结构,
13、1、思想： 四叉树在三维空间的推广。 将要表示的形体V放在一个充分大的正方体C内，C的边长为2，不断用两个与XOY、XOZ的平面均分C为8个子体，并判断属性单一性。 当子体部分为V-灰结点 需再1分为8。子体中无V-白结点 停止分割，叶结点。子体全为V黑结点,2-6 三维数据结构,2、存贮结构,第二章 GIS 数据结构,1）规则八叉树与常规四叉树类似，用9项字段来记录每个结点（8个子结点指针，1个结点属性）。最普遍的形式，方式自然，易掌握。但指针占总存储量的94%，空间使用率低。,2-6 三维数据结构,特点：节省存贮空间，便于某些运算，但丧失一定的灵活性，不便于其它遍历方式对树的结点进行存取，
14、应用效果不佳。,2）线性八叉树用某一预先确定的次序将八叉树转换成一个线性表，表中的每个元素与一个结点相对应。每个结点用固定的字节描述，其中某些位专门用来说明它是否为叶结点。,3）一对八式的八叉树,第二章 GIS 数据结构,每个结点均1分为8，并标记为 0，1，2，3，4，5，6，7。隐含地假定了这些子结点记录存放的次序 便于检索 浪费存储，除非完全八叉树，即所有叶结点均在同一层次出现，上层均为非叶结点。,2-6 三维数据结构,0 1 2 3 7,0 1 2 3 7,三、四面体格网,第二章 GIS 数据结构,四面体格网（TEN）是将目标空间用紧密排列但不重叠的不规则四面体形成的格网来表示，其实质
15、就是2维TIN结构在3维空间上的扩展,2-6 三维数据结构,四、三维边界表示法,第二章 GIS 数据结构,、面表：给出围成多面体某个面的各条边。,、当有若干个多面体时，还必须有一个对象表。,1、顶点表：用来表示多面体各顶点的坐标,、边表：指出构成多面体某边的两个顶点；,可避免重复表示某些点、边、面，节约存储，便于图形显示，如公共边不重复。,2-6 三维数据结构,5、扩充后的边表,第二章 GIS 数据结构,2-6 三维数据结构,为表达拓扑还可将其它一些有关的内容结合到所使用的表中，如将边所属的多边形信息结合进边表中以后的形式：,包含s1,s4公共边为l1的信息,6、拓扑检查,第二章 GIS 数据
16、结构,2-6 三维数据结构,数据存储后，必须检查数据的一致性、完全性，即进行拓扑检查。具体可检查下列几项： (1)顶点表中的每个顶点至少是两条边的端点； (2)每条边至少是一个多边形的边； (3)每个多边形是封闭的； (4)每个多边形至少有一条边是和另一个多边形共用的； (5)若边表中包含了指向它所属多边形的指针，那么指向该边的指针必在相应的多边形中出现。 三维边界法一般用于表示规则形体，如建筑物，对于自然界中的复杂形体如岩石的外表，理论上可找到一在误差范围内逼近的适合平面多面体，但这种逼近受多因素的制约。,7、应用,第二章 GIS 数据结构,2-6 三维数据结构,三维边界法一般用于表示规则形
17、体，如建筑物，对于自然界中的复杂形体如岩石的外表，理论上可找到一在误差范围内逼近的适合平面多面体，但这种逼近受多因素的制约。 实际上，可在形体的外表面s，测一组点p1,p2pn坐标，再建这些点的关系，即结构图，决定顶点连接的不同方式。同样数据点，由于连接方式不同，构成的平面多面体也不同。其中最重要的一种方法就是每个面均是三角形的平面多面体，类似TIN结构。但即使这样，同一组点仍可得到不同的平面多面体。因此，需要研究拥有了哪些特征之后，才能更确切地逼近原来的三维形体。 此外，这种逼近有两种形式： 表面S0的逼近：以确定后的平面多面体的表面作为对原三维形体的表面S0的逼近，着眼于形体的边界表示。三维形体的逼近：给出一系列的四面体，这些四面体的集合就是对原三维形体的逼近。着眼于形体的分解表示。,参数函数表示法的指导思想就是利用有限的空间数据来寻求一个函数的解析表达式，用这个解析式来生成新的空间点，用以逼近原有物体,五、参数函数表示法,
