1、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,大地水准面,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 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,坐标参考系统平
2、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、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,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
4、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
5、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
6、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,
7、不 同 类,同 类,同类不同级,拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3 拓扑关联：N1/1、3 、6 ；P1/1、5 、6 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:,空间拓扑关系表达关系
8、表,面域与弧段的拓扑关系 面 域 弧 段 P1 a, b, c, -g P2 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 P1 b P2 P1 c P3 P1 d P0 P2 e P0 P3 f P3 P2 g P1,拓扑关系的意义,第三节 空间数据结构的类型,空间
9、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,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,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
10、：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,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。
11、,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),(x
12、9,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
13、) ,(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(Dual lndependent Map Encoding),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
14、。 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 A b 8 5 E A c 16 8 E B d 19 5 O E e 15 19 O D f 15 16 D B g 1 15 O B h 8 1 A B i 16 19 D E j 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
15、 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 Topological Relation,从上至下（poly-ARC-N
16、ode)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。 Topological relation configration table. polygon-ARC Topological relation b=b(a),ARC-Node Topology a=a(n);Node-ARC topology n=n(a),ARC-polygon topoly a=a(b),ARC/INFO中的弧段数据结构,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
17、。 位置很容易隐含 代码代表实体的属性或属性的编码,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（Raster Matrix),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： A A A A A B B B A A B B A A A B 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
18、为：A 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(RunLengthCodes),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(Quadtree 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数据的方法。它将2n2n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。,
19、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,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
20、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Jack Dangermond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
21、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。,空间对象的层次分类编码,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,高压711,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 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,国土基础信息数据分类
22、与代码举例,三、矢量数据的输入与编辑,1.原图准备 转绘到聚酯薄膜 检查完整性 图幅角点 控制点 2.输入初始化参数。 图幅长度、宽度，阈值图名 图号 比例尺 地图投影等 3.输入数字化图幅四角点的坐标和控制点坐标。 4.输入数字化图幅的图形，形成layer。 5.检查和修改数字化错误； 6.建立拓扑关系和输入属性； 7.检查和修改拓扑错误； 8.检查和修改属性表错误。,四、栅格数据的输入与编辑,1.原图准备 转绘到聚酯薄膜 检查完整性 图幅角点 控制点 2.扫描地图。 3.输入数字化图幅四角点的坐标和控制点坐标。 4.输入数字化图幅的图形，形成layer。 5.检查和修改数字化错误； 6.建立拓扑关系和输入属性； 7.检查和修改拓扑错误； 8.检查和修改属性表错误。,
