第2章 空间数据结构

2.1.4重合：指同类元素间有无重合的关系。 2.1.5相离：指元素间不在同一个位置。 2.1.6相交：至少有一点落在另一元素上。 2.1.7拓扑元素量、质不变及相互关系： 欧拉公式：L+2＝A+P。P、L、A表示平面图 上点数、线数及面块数(包括边界外的面)，2为 欧拉示性数，也称为多边形地图特征。
1.2.3地形数据 来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字 高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。 1.2.4属性数据 来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、 解译信息等。 1.2.5元数据 来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和 总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据 权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、 元数据比例尺、数据转换方法等。
N1 a3 P1 P3 a5 N4 a6 a4
a1
多边形之间的关系表：
N2
P1 P1 1 1 0 P2 1 1 1 P3 1 1 0 P4 0 1 0 -
N3 P2 P4 a7 N5 a2
P2 弧段 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 左多边形 P1 / / P3 P1 P1 P4 右多边形 P3 / P4 P2 P3 邻接多边形 P1 P2 P2 P3 P3 P2 P4 P2 P2 P1 P2 a4 P2 P3 P4 P2 P3
•矢量表示法如果采用一个没有大小的点(坐标) 来表达基本点元素时，称为矢量表示法。 •栅格表示法如果采用一个有固定大小的点(面 元)来表达基本点元素时，称为栅格表示法。 •它们分别对应矢量数据模型和栅格数据模型。
西北望
栅格图
卧佛寺 西苑 颐和园 玉泉山 香山
主主主主
Labels of 主主主主
城北城城 水水 铁铁 北北北北
严格来说，空间数据总是在某一特定时间或 时间段内采集或计算得到的。由于有些空间数据 随时间变化相对较慢，因而有时被忽略。在很多 场合时间可以被看成一个专题(属性)特征。这对 于大多数GIS软件来说是可以做到的。但如何有效 地利用时间在GIS中进行索引和时空分析仍处于研 究阶段。 在GIS数据的表示中，如果加上时间轴将会大 大增加空间数据处理的难度。因此，用时间属性 来标注空间数据特征，以表示空间数据的时间性， 也就是将时间特征隐含在数据当中。
2.空间数据的基本特征 空间数据描述的是现实世界各种现象的三大基本 特征：空间、属性和时间。对于GIS来说，属性和 时间特征常被视为非空间属性。近年来对时间特征 的研究越来越受到重视。 2.1空间特征 它是指空间物体的位置、形状和大小等几何特 征，以及与相邻物体的拓扑关系。位置和拓扑特征 是地理或空间系统所独有的，空间位置可以由不同 的坐标系统来描述，如经纬度坐标、一些标准的地 图投影坐标或是任意的直角坐标等。GIS的作用之 一就是进行各种不同坐标系统间的相互转换。
1.1类型 GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主 要有以下几种类型： 1.1.1地图数据 来源于各种类型的普通地图和专业地图，这些地 图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的 类别或属性清晰，实测地形图还具有很高的精度。 1.1.2影像数据 主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、 多层面、多种传感器、多时项、多光谱、多角度和多 种分辨率的遥感影像数据，构成多源海量数据，于是 GIS的最有效的数据源之一。
a b 1 1 0 1 c 0 1 1 0 d 0 0 1 1 e 1 1 0 1 -
a b c (a) e d c
a b e
a b c d e
1 0 0 1
d (b)
(c)
a a 1 0 1 b 1 1 1 c 0 1 1 d 1 1 1 -
面块之 间的拓扑 邻接关系 用邻接矩 阵表示。
a d
b
c
0.0 7.5 15.0 22.5 30.0 37.5 km
彭水苗族土家族自治县
第一节
GIS的空间数据及其特征 GIS的空间数据及其特征
1.GIS的空间数据 GIS的一个重要部分就是数据。陈述彭院士曾经 把GIS的数据比作水利设施中的水，没有了水，水利 设施便无法发挥作用。GIS中没有了数据，便成了无 米之炊。但是，GIS中的数据必须适合建立实用系统 的目的。在建立和维护一个GIS过程中，对数据的投 入占总投入的50~70%，有时甚至更多。如果GIS开发 者对各类数据的特点及适用范围没有充分的了解， 就难以设计和开发出完全适用的GIS。
第二节
空间数据的拓扑关系
空间数据的几何目标信息包含两类信息：位 置信息和空间关系信息。空间对象关系又称为拓扑 关系。 1.拓扑的基本概念 拓扑关系是定义空间关系的一种数学方法， 在GIS中用它来描述并确定空间的点、线、面之间 的关系，并可实现相关的查询和检索。
几何形状不同，但结点间拓扑关系是相同的， 均可用结点矩阵表示。1表示两结点相连。
•空间数据根据表示对象不同，又具体分为七种类型：
类型数据 面域数据 网络数据 样本数据 曲面数据 文本数据 符号数据 气象站、航线、野外样方分布区等 地名、河流名称、区域名称等 行政区域界线、行政单元等 点状符号、线状符号、面状符号等 高程点、等高线、等值区域等 考古地点、道路线、土壤类型分布等 道路交点、街道、街区等
2.3时间特征 空间数据的时间特征是指空间特征和属性特 征随时间而变化的。它们可以同时随时间变化， 也可以分别独立随时间变化。这说明了空间数据 的时间性或周期性。例如某地区种植业的变化表 示属性数据独立随时间的变化；行政边界的变更 表示空间位置数据随时间的变化；土壤侵蚀而引 起的地形变化不仅改变了空间位置数据也改变了 属性数据。必须指出，过时的数据可能是重要的 历史资料。
2.2属性特征(专题特征) 数据的属性指的是除了时间和空间特征以外 的空间现象的其他特征，如地形的坡度、坡向、 某地的降水量、土壤酸碱度、土地利用类型、人 口密度、交通流量、空气污染程度等。属性数据 本身属于非空间数据，但它是空间数据中的重要 数据成分，它同空间数据相结合，才能表达空间 实体的全貌。目前GIS中对专题特征的输出方法 大多沿用传统的专题制图方法，如分级(层)设色 法和符号法等。
总之，空间数据的上述特点反映了它所具有的 定位、定性、时间和空间关系。定位指空间实体的 空间特征；定性指空间实体伴随着地理位置的自然 属性；时间特征指空间实体是随时间而变化的，该 特征通常是隐含的；空间关系指拓扑关系，通常通 过数据结构来表示。
第二节
空间数据结构与编码
1.数据模型与数据结构 为了便于研究问题，人们通常把数据结构问题 抽象成四个层次： 1.1.1现实世界 客观存在的事物，其中某些特征可用数据来表 达。 1.1.2 数据模型 根据未来使用上的要求和事物的特征用概念化 的语言和示意图来描述现实世界。
3.拓扑关系的表达方式 3.1全显式表达 不仅表示多边形→弧段→点之间拓扑关系， 同时表示点→弧段→多边形之间的拓扑关系。
a
b d (b)
c
b c d
(a)
(c)
总之，拓扑关系反映了空间实体之间的逻 辑关系，它不需要坐标、距离信息，不受比例 尺限制，也不随投影关系变化。因此，在GIS 中，了解拓扑关系对空间数据的组织、空间数 据的分析和处理都具有非常重要的意义。
2.拓扑关系类型 2.1拓扑关系基本类型 最基本的类型是邻接和关联。 2.1.1拓扑邻接 概念：表示图形元素（通常指同类元素） 之间的相邻性。如多边形之间、弧段之间的邻 接性等。（表中值为1表示所对应多边形相邻 接。）
N1 a3 P1 P3 a5 N4 a6 a4
a1
弧段和结点之间的关系表：
N3
弧段 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 起点 N2 N2 N3 N3 N1 N4 N4 终点 N1 N3 结点 N1 N1 N4 N2 N4 N3 N2 N4 N5 N5
N2 P4 a7 N5 P2 a2
弧 段 a1 a1 a2 a4 a3 a2 a3 a5 a7 a5 a6 a4 a6
不管是属性数据，还是图形数据，对其进行编 码都需要注意标准化问题，如在确定分类分级体系 时必须注意各专业的分级标准，对图形图象数据需 要注意现有标准格式，此外编码要注意灵活性、惟 一性及特征性。 空间实体的编码是GIS设计中最主要的技术步 GIS 骤之一，它同用户的要求、数据质量、精度和类型 有一定关系，它以一定数据结构为支撑。不同类型 数据必须用合适的数据结构进行组织才便于处理分 析。因此后面将编码方案同空间数据结构一起讨论。
a2 1 1 1 0 1 0
a3 1 1 1 1 0 0
a4 0 1 1 1 1 0
a5 0 1 1 1 0
a6 1 0 1 1 0
a7 0 0 0 0 0 0 -
2.1.2拓扑关联 概念：表示图形基本元素间（常指不同 元素间）的联接关系。如结点与弧段之间，多 边形与弧段之间。
2.1.3包含关系 概念：指点、线、面之间的相互包含关系， 通常是指面状实体中包含的其它面状实体或线状 、点状实体的关系。 面状实体中包含面状实体情况又分为三种情况：
BEIJING1.BMP
西郊机场
武胜县
八大处 黄庄
五里坨
潼南县 合川市 铜梁县 大足县 北碚北
华蓥市 邻水县 垫江县 县区政府驻地 主要公路 区县界线 机场 河流 区县区划图 丰都县 长寿县 李渡北
忠县
石柱土家族自治县
渝北北
矢量图
双桥北 荣昌县 永川市 沙坪坝北 江北北 璧山县 渝中北 南岸北 九龙坡北 大渡口北 巴南北 武隆县 江津市
第二章
空间数据结构
数据结构是指数据的组织形式，是适合于计算机 处理的数据逻辑结构。对空间数据而言，则是地理实 体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 它是对数据的一种理解和解释，不说明数据结构 的数据是毫无用处的，不仅用户无法理解，计算机程 序也不能正确的处理，对同一组数据，按不同的数据 结构去处理，得到的可能是截然不同的内容。空间数 据结构是GIS沟通信息的桥梁，只有充分理解GIS所 采用的特定数据结构，才能正确有效地使用系统。