第三章 空间数据结构2
空间数据模型 ppt课件
3、数据类型
几何数据（空 间数据、图形 数据）
关系数据—实 体间的邻接、 关联包含等相 互关系
属性数据—各 种属性特征和 时间
元数据
4、数据结构
矢量、栅格 、TIN（专用 于地表或特 殊造型）
RDBMS属性表 ----采用MIS 较成熟
空间元数据
• 几何数据
– 根据空间实体的几何特征，空间对象可分为点 对象、线对象、面对象和体对象。
空间实体类型 :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 •有一定范围的点元素集合，表示相同专题点的连 续轨迹
香港城市道路网分布
空间实体类型 :面实体
• 具有长和宽的目标 •表示平面区域大范围连续分布的特征 •有些面状目标有确切的边界，有些面状目标 在实地上没有明显的边界
– 关联：不同类图形之间的拓扑关系 – 邻接：同类图形元素之间的拓扑关系 – 连通：由节点和弧段构成的有向图网络图形中，节点之间是否存
在通达的路径，即是否具有连接性，是一种隐含于网络中的关系 – 包含：多边形内是否包含了其他弧段或多边形
• 拓扑关系涉及的术语有：
– 邻接、相交、相离、包含、重合等
点—点 点—线 点—面 线—线 线—面 面—面
第三章 空间数据模型
徐敬海 南京工业大学
本章内容
• 现实世界的抽象 • 空间实体 • 空间数据 • 空间数据结构 • 面向对象的空间数据模型 • 时空数据模型
2.1 现实世界的抽象
空间Байду номын сангаас据模型是现实世界的一个抽象，它通过使用一个
数据对象集合来支持对空间信息的显示、查询、编辑和分析
。
编码
测量
GIS空间数据处理与分析
栅格单元(i,j)四角点坐标的计算:
X(i1,i2)=(j-1)*DX和J*DX Y(i1,i2)=(i-1)*DY和i*DY I,j:栅格单元行列值; DX,DY:栅格单元边长
⑴:识别内边界,并将内边界端点坐标置零. 判别方法: 判断与栅格单元某条边相邻的另一栅 格单元的值,若值小于零,则该边为内边界. 内边界端点坐标置零: 边界起点和终点坐标置零.
分区数据的方法就称为空间数据的内插。
第五节 空间数据的内插方法
1、点的内插：研究具有连续变化特征现象 的数值内插方法。
步骤： 数据取样；数据处内插；数据记录
第五节 空间数据的内插方法
2、区域的内插
研究根据一组分区的已知数据来推求
同一地区另一组分区未知数据的内插方法。
区域内插方法：
2.1 叠合法：认为源和目标区的数据是均匀 分布的，首先确定两者面积的交集，然后 计算出目标区各个分区的内插值。
1、遥感与GIS数据的融合：
遥感技术的优势 融合必要性 GIS技术的优势 遥感图像与图形的融合 融合方法： 遥感数据与DEM的融合 遥感数据与地图扫描图像的融合第三节 多源 Nhomakorabea间数据的融合
2、不同格式数据的融合
不同格式数据的融合方法主要有：
2.1基于转换器的数据融合：
一种软件的数据格式输出为交换格式，然后用于另
P3
P
0
x
判断点是否在多边形内，从该点向左引水平扫描线，计算此 线段与区域边界相交的次数，若为奇数，该点在多边形内；若为 偶数，在多边形外。利用此原理，直接做一系列水平扫描线，求 出扫描线和区域边界的交点，对每个扫描线交点按X值的大小进 行排序，其两相邻坐标点之间的射线在区域内。
第二节
空间数据结构
空间数据结构数据结构定义：指数据组织的形式，是指适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构，地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，对数据的一种理解和解释。
空间数据的三大特性：空间，时间，专题属性。
常见的数据结构：矢量结构，栅格结构，数字高程模型，面向对象模型，矢量和栅格的混合数据结构等，网络结构，空间数据编码：1、空间数据结构的实现2将搜集的、经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等资料按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程3在地理信息系统的空间数据结构中栅格结构的编码方式:直接栅格编码、链码、游程长度编码、块码、四叉树码等矢量结构主要有坐标序列编码、树状索引编码和二元拓扑编码等编码方3.2 栅格数据结构一、概述1、栅格数据结构是基于空间划分或铺盖的空间被划分成大量规则的或不规则的空间单元，称为象素(Cell或Pixel)，依行列构成的单元矩阵叫栅格(Grid)三角形方格六角形2、每个单元通过一定的数值表达方式（如颜色、灰度级）表达诸如环境污染程度、植被覆盖类型等空间地理现象3、对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性的铺盖4、目前常用的是基于正方型分划的栅格，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列每个网格作为一个象元或象素由行、列定义包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针5 、栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比6 、GIS中栅格数据经常是来自卫星遥感、摄影测量、激光雷达和扫描设备中，以及用于数字化文件的设备中二、栅格数据组织1 、以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织2 、每个数据表示地物或现象的非几何属性特征点状地物用一个栅格单元表示；线状地物沿线走向的一组相邻栅格单元表示面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示3 、遥感影像属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级三、栅格结构的建立（1）栅格数据的获取途径遥感数据图片的扫描矢量数据转换:手工方法获取: 在专题图上均匀划分网格，逐个网格地确定其属性代码的值，最后形成栅格数据文件（2）栅格系统的确定栅格坐标系的确定:坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。
第三章_测绘师空间数据结构综述
起始点
3 2 2 3 6 6 4
5 6 7
0 6 7 2 1
起始点
3 2
4
0
3
2
1
链式编码的优缺点
优点：链式编码对线状和多边 缺点：是对叠置运算如组 形的表示具有很强的数据压 合、相交等则很难实施， 缩能力，且具有一定的运算 对局部修改将改变整体 功能，如面积和周长计算等， 结构，效率较低，而且 探测边界急弯和凹进部分等 由于链码以每个区域为 都比较容易，类似矢量数据 单位存储边界，相邻区
简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）
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。
2、索引式
索引式数据结构采用树状索引以减少数 据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对 所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方 式存储，由点索引与边界线号相联系，以线 索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。
指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列， 每个网格作为一个像元或像素，由行、列号定义， 并包含一个代码，表示该像素的属性类型或量值， 或仅仅包含指向其属性记录的指针。 因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现 象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或 现象的非几何量化和近
2）四叉树结构的建立方法 建立四叉树有两种方法，即自上而下方式（top— down）自下而上方式（bottom—up）
自上而下方式的分割需要大量的运算，因为大量 数据需要重复检查才能确定划分。当n×n的矩阵比较 大，且区域内容要素又比较复杂时，建立这种四叉树 的速度比较慢。 自下而上方式是对栅格数据按如下的顺序进行检 测：如果每相邻四个网格值相同则进行合并，逐次往 上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。这种方法 重复计算较少，运算速度较快。
空间数据结构的类型
空间数据结构的类型空间数据结构的类型一、点数据结构●单个点：表示一个位置或特定的实体坐标，常用于地理定位等应用。
●多个点：表示多个位置或实体坐标的集合，可以用于点云数据等应用。
●网格点：表示点在规则网格中的分布，常用于栅格数据结构。
二、线数据结构●线段：表示连接两个点的线段，常用于道路、河流等线状实体的表示。
●多段线：表示多个线段的集合，可以用于表示道路网络、管线等复杂线状实体。
●曲线：表示非直线的线段，常用于河流弯曲等需要弯曲路径的表示。
三、面数据结构●多边形：表示有限面积的几何形状，常用于地块、建筑物等实体的表示。
●公差多边形：表示有限面积的几何形状，并可容忍一定误差，用于拓扑匹配等应用。
●多面体：表示由平面构成的立体空间，常用于建筑、地下管线等实体的表示。
四、体数据结构●三维网格：表示立体空间中的网格，常用于体积模型重建、有限元分析等应用。
●八叉树：通过递归划分空间，将三维空间表示为树状结构，常用于空间索引和快速搜索。
●四叉树：将二维空间递归划分为四个象限，常用于地理信息系统等应用。
五、高级数据结构●栅格：将空间划分为规则的网格，用于栅格数据模型，常用于遥感影像、地理信息系统等。
●拓扑关系图：记录空间要素之间的拓扑关系，常用于空间网络分析、路径规划等应用。
●网状图：表示网络结构中连接关系的图形表示，常用于交通流动分析、网络优化等应用。
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法律名词及注释：⒈拓扑关系：空间要素之间的空间关系，例如邻接、相交、包含等关系。
⒉栅格数据模型：一种将空间分为规则网格的数据模型，适用于遥感影像等栅格数据的表示和处理。
⒊有限元分析：在工程结构分析中，使用有限元法对复杂结构进行数值计算和分析的方法。
GIS地理信息系统空间数据结构
网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通 流。
要素（对象）模型
基于要素的空间模型强调了个体现象， 该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的 关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都 可以被确定为一个对象（Object），假设它可 以从概念上与其邻域现象相分离。一个实体必 须符合三个条件： 可被识别； 重要（与问题相关）； 可被描述（有特征）。
场模型可以表示为如下的数学公式：
z : s z ( s ) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因
此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个 值域的映射。
空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较
对象模型和场模型的比较
现实世界
对象模型 选择实体 它在哪里 数据
场模型 选择一个位置
指图形保持连续状态下变形，但图形关系
不变的性质。
拓扑变换
（橡皮变换）
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
非拓扑属性（几何） 两点间距离
拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点
一点指向另一点的方向 一条弧是一简单弧段（自身不相交）
弧段长度、区域周长、 一个点在一个区域的边界上
面积 等
一个点在一个区域的内部/外部
(x8,y8), (x17,y17), (x16,y16),
22 (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13),
21
(x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
6
20
C
3
5
18
19
4
(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26), (x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30)
第三章 空间数据的表达方法
（一）特点： 1.用离散的点或线描述地理现象及特征 2.用拓扑关系描述矢量数据之间关系
3.面向目标的操作
4.数据结构复杂且难以同遥感数据结合
5.难于处理位置关系
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) 1 1 2 2),„,(xn n 属性：符号—形状、颜色、尺寸
7 7 7 7ຫໍສະໝຸດ 7 7 7 77 7 7 7
7 7 7 7
7 7 7 7
7 7 7 7
空间单元人为划定成 大小相等的正方形网 格，有着统一的定位 参照系。每个空间 单元只记录其属性值， 而不记录它的坐标值。
2
2
2 2 1 4 4 4 4 4 4 4
2
2 2 1 4 4 4 4 4 4 4
2
2 2 1 4 4 4 4 4 4 4
2
2 2 1 4 4 4 4 4 4 4
2
2 1 4 4 4 4 4 4 4 4
2
1 4 4 4 4 4 4 4 4 4
1
1 4 4 4 4 4 4 4 4 4
1
7 1 4 4 4 4 4 4 4 4
7
7 7 1 4 4 4 4 4 4 4
7
7 7 7 1 4 4 4 4 4 4
7
7 7 7 7 1 4 4 4 4 4
地理信息系统为什么要研究数据模型
现实世界真实模型
空间数据处理
空间数据查询
空间数据分析
空间数据模型 空间数据复原 空间数据结构
数据库：空间数据物 理结构
空间信息 3.2 空间数据模型 3.3 空间数据结构 3.4 地貌的表达——数字化地形模型
GIS原理 总复习 总结 试题
将2n×2n像元组成的图像(不足的用背景补上)按四个象限进行递归分割，并判断属性是否单一，单一：不分；不单一：递归分割。最后得到一颗四分叉的倒向树。
1）从四叉树的特点可知，一幅2n *2n栅格阵列图，具有的最大深度数为n，可能具有的层次为0，1，2，……..n、
2）每一层的栅格宽度，即每层边上包含的最大栅格数，反映了所在叶结点表示的正方形集合的大小，其值为：2（最大深度-当前层次）
百分比法
根据矩形区域内各要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代码参与，如可记面积最大的两类BA也可根据B类和A类所占面积百分比数在代码中加入数字。
其它方法
10完全栅格数据结构
特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。
A
A
A
A
A
B
B
B
A
A
B
B
A
A
B
B
1）每行都从左到右记录；
AAAAABBBAABBAABB
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。
链状双重独立式编码特点：
1.拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。
2、当图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，需重新建拓扑。
5)曲面数据结构
拓扑关系的类型（点线面之间关系）
第三章空间数据结构
1.空间数据结构概念
空间数据结构指对空间数据进行合理组织，以便于进行计算机处理，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，是数据模型和文件格式之间的中间媒介。
2.从现实世界到计算机世界四个层次（地理空间数据建模）
空间数据结构的相关概念
空间数据结构的相关概念
空间数据结构是指用来组织和管理在计算机存储空间中存储的数据的一种数据结构。
它主要包括以下几个概念：
1. 空间分配：空间分配是指将计算机的存储空间划分为不同的存储单元，并对这些存储单元进行分配和管理。
常用的空间分配方法有连续分配、链式分配和索引分配等。
2. 空间管理：空间管理是指对分配的存储空间进行动态管理和维护，以实现高效的存储空间利用。
常见的空间管理技术包括碎片整理、空闲空间管理和存储分配算法等。
3. 空间碎片：空间碎片是指存储空间中未被使用的小块存储空间。
空间碎片的存在会降低存储空间的利用率和效率，因此需要采取合适的空间分配和管理方法来减少碎片。
4. 存储管理：存储管理是指对数据在存储空间中的存储和访问进行管理和操作。
常用的存储管理技术有存储器层次结构的设计、缓存管理和页面置换算法等。
5. 文件系统：文件系统是一种用来组织和管理文件的空间数据结构。
它可以提供文件的存储、检索、保护和共享等功能。
常见的文件系统有常见的文件系统有FAT、NTFS、EXT4等。
总之，空间数据结构是一种对存储空间进行组织、管理和操作的数据结构，它涉及到空间分配、空间管理、存储管理和文件
系统等概念。
这些概念在计算机系统设计和数据管理中起着重要的作用。
GIS复习思考题
GIS复习思考题地理信息系统复习思考题第⼀章导论1、解释：信息、数据、地理信息、地理数据、地理信息系统2、地理信息有何特点？3、地理信息系统与CAD、数字制图、⼀般事务管理有何主要区别？4、地理信息系统有哪些类型？5、GIS的基本构成有哪些？各部分的主要作⽤？6、GIS的基本功能有哪些？并简要说明。
7、GIS主要应⽤在哪些⽅⾯？8、GIS的发展主要经历了哪4个阶段？各有何主要特点？第⼆章空间信息基础1、GIS中为什么要考虑地图投影？我国⼤⽐例尺采⽤什么投影⽅式？2、地理空间实体的三要素是什么？它们之间的关系是怎样的？3、空间数据的基本特征有哪些？地理信息的数字化描述⽅法有哪些？4、地图投影有哪些类型？5、解释：地图投影、拓扑、空间数据、元数据6、空间对象的描述要素有哪些？7、拓扑关系中有哪⼏种基本的拓扑关系？其基本含义是什么？在GIS中⽤拓扑有什么主要作⽤？8、什么是地理空间数据？有哪些类型，并简要说明。
9、地理信息系统的应⽤功能主要包括哪些⽅⾯，并简要说明。
10．地形图“都江堰”的编号是H48G024026，简要说明其编号的含义。
第三章空间数据结构1、空间实体可抽象为哪⼏种基本类型？它们在⽮量数据结构和栅格数据结构分别是如何表⽰的？2、叙述四种栅格数据存储的压缩编码⽅法。
3、试写出⽮量和栅格数据结构的模式，并列表⽐较其优缺点。
4、叙述由⽮量数据向栅格数据的转换的⽅法。
5、叙述由栅格数据向⽮量数据的转换的⽅法。
6、简述栅格到⽮量数据转换细化处理的两种基本⽅法。
7、解释：地理空间、栅格数据、⽮量数据、空间数据结构8、费尔曼链码的含义是什么？如何取值？9、游程编码的含义是什么？有哪2种⽅式？10、块码给栅格数据编码的⽅式是什么？11、四叉树编码的基本思想是什么？12、⽮量数据的获取⽅式有哪些？13、DIME编码什么？有何特点？14、⽮量数据结构有何优点？15、栅格数据结构有何优点？第四章空间数据库1、数据库系统包括哪⼏部分，各部分的主要作⽤是什么？2、数据库有何主要特点？3、数据库的系统结构有哪⼏个层次？4、数据库管理系统有什么主要功能？5、数据库管理系统程序由哪⼏部分组成？6、什么是数据库的数据模型？什么是传统的数据模型？7、传统的数据模型有何特点？8、解释：数据库、空间数据库、客体、对象、类、超类、⼦类、消息9、传统数据库系统的数据模型有哪些，各有什么优缺点？10、⾯向对象的数据模型有何优点？11、⾯向对象的数据模型的实现⽅法主要有哪些？12、地理信息系统数据库有什么主要特点？13、地理信息系统数据库有哪⼏种主要管理⽅法，各有何特点？14、什么是数据模型？数据库技术中采⽤的数据模型有哪些？15、地理信息系统空间数据库的组织⽅式主要采⽤哪些数据模型？第五章空间数据采集与处理1、空间数据采集⽅法有哪些？它们分别适合采集什么样的数据？2、说说在数字化中属性数据采集的原则和⽅法？3、为什么要对数字化地图进⾏编辑与处理后才能⼊GIS数据库？4、GIS数据精度可以从哪⼏个⽅⾯进⾏评价？并解释。
地理信息系统原理第三章 空间数据模型与数据结构3.2
第1行第N列亮度值 波段n 波段1 第2行第1列亮度值 波段n
BSQ结构
BIP结构
BIL结构
星蓝海学习网13
以行为记录单位按行存储 地理数据。属性明显，位 置隐含。 缺点：存在大量冗余，精 度提高有限制。
星蓝海学习网14
0 0 0 0 0 4 4 4 记录1 0 0 0 0 0 4 4 4
星蓝海学习网
• 优点：
• 栅格加密时，数据量不会明显 增加，压缩效率高，最大限度 保留原始栅格结构，
• 编码解码运算简单，且易于检 索、叠加、合并等操作，得到 广泛应用。
• 缺点：
• 不适合于类型连续变化或类型 区域分散的数据。
星蓝海学习网
(2)压缩栅格数据结构
块码（二维游程编码）（行，列，半径，属性值）
弧段ID a b c d e
起始点 5 7 1 13 7
终结点 1 1 13 7 5
… … … 左多边形 Q A Q D D
右多边形 A B B B A
f
13
5
Qห้องสมุดไป่ตู้
D
点号 1 2
…… 25
坐标 （x1，y1） （x2，y2）
…… （x25，y25）
g
25
弧段ID
点号
a
5,4,3,2,1
b
7,8,1
c
1,9,10,11,12,13
• 采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置(行、 列号)和半径，再加上记录单元代码组成。特点：
• 一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块状编码的效率就越好。
• 块状编码对大而简单的多边形更为有效，而对那些碎部较多的复杂多边形效果并不好。
空间数据结构
第五章空间数据结构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。
地理信息系统空间数据结构是指空间数据在系统内的组织和编码形式（GIS数据结构也可称为图形数据格式），它是指适合于计算机系统存储、管理和处理地理图形的逻辑结构。
GIS中，空间数据一般有着较为复杂的数据结构，目前，主要有两种数据模型表示空间数据，即矢量数据模型和栅格数据模型。
4.1 栅格数据结构4.1.1概述栅格数据是计算机和其它信息输入输出设备广泛使用的一种数据模型，如电视机、显示器、打印机等的空间寻址。
甚至专门用于矢量图形的输入输出设备，如数字化仪、矢量绘图仪及扫描仪等，其内部结构实质上是栅格的。
遥感数据也是采用特殊扫描平台获得的栅格数据。
栅格数据就是用数字表示的像元阵列，其中，栅格的行和列规定了实体所在的坐标空间，而数字矩阵本身则描述了实体的属性或属性编码。
栅格数据最显著的特点就是存在着最小的、不能再分的栅格单元，在形式上常表现为整齐的数字矩阵，因而便于计算机进行处理，特别是存储和显示。
4.1.2编码方案以图4-1为例，介绍几种编码方法的编码思路、方案和特点。
图4-1 栅格数据结构1. 游程长度编码地理数据往往有较强的相关性，也就是说相邻象元的值往往是相同的。
游程长度编码的基本思想是：按行扫描，将相邻等值的象元合并，并记录代码的重复个数。
游程长度编码的数据结构: 行号,属性,重复次数。
图4-1的游程长度编码为：1,A,4,R,1,A,6…对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大。
其特点是，压缩效率较高，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快。
2. 块式编码块式编码是将游程扩大到二维情况，把多边形范围划分成若干具有同一属性的正方形，然后对各个正方形进行编码。
块式编码的基本思想：由初始位置（行列号）、半径和属性代码组成。
图4-1的块状编码为：(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…块状编码对大而简单的多边形更为有效，对一些虽不较多的复杂多边形效果并不好。
地理信息系统(空间数据结构)
第二节 矢量数据结构
3）双重独立式 索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并 间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进 行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引 与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系， 形成树状索引结构。
32
11
12 13
30 29
14
10
31
28 27
15
1
24 25
AB
8
决定栅格单元代码的方式
优点：混合单元 减少、量算精度 提高、更接近真
实形态
缺点：数据量增 加、数据冗余严
重
9
栅格数据的压缩编码方式：链式编码
北=6
西北=5
东北=7
西=4
东=0
西南=3
东南=1
南=2
12345678 1 AAAARAAA 2 AAARAAAA 3 A A ARAGGA 4 A A ARAGGA 5 A ARAGGGG 6 ARA AGGGA 7 ARA AGGGA 8RAAAAAAA
26
16
23
2
98
17
22
7
21
6
20
3
5
18
19
4
多边形原始数据
B
C
D
E
ab
c f g hj
e f i bc i
线与多边形之间的树状索引
点与线之间的树状索引
33
小结
本次课首先学习了栅格数据的相关知识，对栅 格结构的特点和表示、数据的获取以及提高数 据的经度进行了介绍，然后对栅格数据的四种 压缩编码方式进行学习，最后介绍了矢量数据 结构的基础知识。
(1,1,2,9), (1,3,1,9),(1,4,1,9),(1,5,2,0),(1,7,2,0)图,(2,3,1,9),(2,4,1,0),
(第三章)空间数据结构
(第三章)空间数据结构空间数据结构1·简介空间数据结构是在计算机科学领域中用于表示和组织空间数据的数据结构。
它们被广泛应用于地理信息系统（GIS）、计算机图形学、计算机视觉等领域。
2·常见的空间数据结构2·1·四叉树四叉树是一种常见的空间数据结构，它将空间划分为四个象限，并将空间中的点或对象存储在树节点中。
它可以支持高效的空间查询和检索操作，特别适用于二维空间数据。
2·2·八叉树八叉树是四叉树的扩展，将空间划分为八个象限。
它在三维空间中更加常用，可以表示立方体或球体中的对象。
八叉树适用于对三维空间进行高效的查询和搜索。
2·3·R树R树是一种多叉树，用于表示和组织高维空间中的对象。
它通过将空间划分为矩形区域来存储和查询对象。
R树广泛应用于空间数据库和地理信息系统中。
2·4·KD树KD树是一种二叉树，用于存储和查询k维空间中的对象。
它通过将空间划分为超平面来快速定位对象。
KD树在计算机视觉领域中广泛使用，特别适用于最近邻搜索和范围搜索。
2·5·网格网格是一种将空间划分为规则网格单元的数据结构。
它是一种简单而高效的空间索引方法，可以快速进行点查询和范围查询。
3·空间查询操作3·1·点查询点查询是通过给定一个点坐标来查找空间数据结构中的对象。
点查询可以通过遍历整个数据结构或使用特定的查询算法来实现。
3·2·范围查询范围查询是通过给定一个矩形区域来查找空间数据结构中与该区域相交的对象。
范围查询可以通过遍历整个数据结构或使用特定的查询算法来实现。
3·3·最近邻查询最近邻查询是通过给定一个点坐标来查找空间数据结构中最接近该点的对象。
最近邻查询可以通过遍历整个数据结构或使用特定的查询算法来实现。
4·附件附件一：四叉树示意图附件二：八叉树示意图附件三：R树示意图附件四：KD树示意图附件五：网格示意图5·法律名词及注释5·1·GIS（地理信息系统）：是一种用于捕获、存储、分析、管理和展示地理空间数据的计算机系统。
空间数据结构与管理
01
03
02
坐标序列法的优缺点
优点：文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。 缺点：①多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此产生冗余和碎屑多边形；如重叠陕长多边形及裂缝的产生。 ②每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界； ③不能解决“洞”和“岛”之类的多边形嵌套问题。 ④没有方便方法来检查多边形边界的拓扑关系正确与否，如有无不完整的多边形（死点）或拓扑学上不能接受的环（奇异多边形）。 这种方法可用于简单的粗精度制图系统中。
Ⅱ树状索引编码法
采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。
线与多边形之间的树状索引
图形数据
4
二、矢量数据结构
定位明显：其定位是根据坐标直接存储的，无需任何推算。 属性隐含：属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上。 矢量数据结构图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，在叠加运算、邻域搜索等操作时比较困难，有些甚至难以实现， 在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度。
02
03
04
手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。
由矢量数据转换而来。
扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。
遥感影像数据，对地面景像的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的像素值序列。
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GIS原理与应用
特点： 1、面状地物所能包含的正文形越大，多边 形边界越简单，块码编码效率超高； 2、图形比较碎，多边形边界复杂的图形， 数据压缩率低； 3、利于计算面积、合并插入等操作。
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
练习：对下图进行块状编码
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
70 70 77 77 77 77
0 0 0 0 0
NW
NE
SW 0
SE 7
9 9 9 9 00 9 0 0 9 0 0 0
坐标系与描述参数
格网分辨率
X：行
西南角格网坐标 （XWS，YWS） Y：列
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
（2）栅格数据单元值确定
每个栅格元素只能取一个值，实际上一个栅格 可能对应于实体中几种不同属性值，存在栅 格数据取值问题.
C C
A
怎样取值？
？ A
B
B
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
中心点法
中国土地利用分布图 GIS原理与应用 第三章 空间数据结构
空间数据结构
空间数据结构是指空间数据在计算机内的组织和编码形式。 是对地理实体的空间排列和相互关系的抽象描述。具体而言， 研究如何用几何数据、关系数据、属性数据对点、线、面三 种实体进行数字化描述。 GIS的空间数据结构主要有栅格结构、矢量结构和矢栅一体 化结构三种。 不同数据源常需采用不同的数据结构来处理，计算机处理数 据的效率很大程度取决于数据结构。
四叉树结构分类： 1）常规四叉树 2）线性四叉树
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
1） 常 规 四 叉 树
A
E
C
NW 0
NE 1
SW 2
B D
SE 3
0 23×23 2
GIS原理与应用
1
3
10 11 12 13
122
第三章 空间数据结构
对一幅2N ×2N的栅格阵列，最大深度为N， 可能有的层次为0，1，2，…，N，那么， 每层的栅格宽度为：
1）游程长度编码
GIS原理与应用
(9,4),(0,4),(9,3),(0,5),(0,1)(9,2),(0,1),(7,2) ,(0,2),(0,4),(7,2),(0,2),(0,4),(7,4),(0,4),(7, 4) ,(0,4),(7,4) ,(0,4),(7,4) 64——40个整数 第三章 空间数据结构
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
4.栅格数据压缩存储编码方法
链式编码
游程长度编码 块状编码 四叉树编码
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
链式编码(ChainCodes)
又链式编码也称为弗里曼链码 (Freeman)或边界链码。 首先定义基本方向，可定义为： 东＝0，东南＝1，南＝2，西南 ＝3，西＝4，西北＝5，北＝6， 东北＝7等八个基本方向。
导语：本章是GIS重要基础理论 之一，分为栅格数据结构、矢量 数据结构和矢栅一体化数据结构 等三个部分。其中，栅格数据结 构的压缩方法和矢量数据结构编 码方法是本章的重点和难点。
引言
问题的提出：前一章我们学习了地理空间和地理空间实体的重要和 基本的描述方法，但如何在计算机中实现对地理空间中各种要素及 其空间关系的数字化描述呢？ 左图，通过这幅地图的符号 和文字等信息，我们很容易 获知地图要素及其空间关系， 但是如何才能使计算机“懂 得”这些要素和空间关系？ 又如何正确地存储和表达这 些要素和空间关系？这便是 本章所要讨论的基本问题— —空间数据结构。
GIS原理与应用 第三章 空间数据结构
优缺点分析及解决方法
编码简单； 数据冗余度大； 当增加栅格个数，提高数据精度时数据量大 幅度增加，数据冗余更加严重。 为了解决这个难题，发展了一系列栅格数据 压缩编码方法。
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
练习： 试用直接栅格编码法对下面的土地类型进行数据编码
A B 重 要 性 面 积 占 优
除了采用这几种取 值方法外，为了提 高取值的精度，还 可以采用缩小单个 栅格单元的面积， 增加栅格单元总数 的方法。
总感觉…！
A
（中心点法）
C
（重要性法）
A
（面积占优法）
连续分布地理要素
具有特殊意义 的较小地物
分类较细、 地物斑块较小
AB
（百分比法）
GIS原理与应用
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
块式编码(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。块式编码的数据结构：
(行号，列号，半径，属性) 。
0 2 2 0 0
2 2 2 0 0
2 2 2 2 3 0 0 0
5 2 2 3 3 3 0 0
第三章 空间数据结构
栅格误差分析
三角形的面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种误 差随像元的增大而增加。 c
c
几何偏差
5 4 3 b
ac距离: 7/4 (5) 面积: 7 (6)
a
a
b
属性偏差
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
3.栅格数据的组织方法
直接栅格编码（栅格矩阵结构）
栅格数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每 一层的像元值组成像元阵列，其中行、列号表示 它的位置。
A C B
D
GIS原理与应用
A A B A B B B D
C C C C D C D C B A A B D C C C C D C D C
在计算机内是一个4*4阶的矩阵。直接栅格编码通常 是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为： A A C C B A C C B B D C B D D C
游程终止编码
(0,1) (4,3) (7,8) (4,5) (7,8) (4,4) (8,6) (7,8) (0,2) (4,3) (8,6) (7,8) (0,2) (8,6) (7,7)(8,8) (0,3) (8,8) (0,4) (8,8) (0,5) (8,8)
GIS原理与应用
0 4 4 0 0 0 0 0
2（最大深度-当前层次）
反映了所在叶结点表示的正方形集合的大 小。
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
练习：常规四叉树编码
9 9 0 9 9 9 0 0 0 0 0 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 0 9 0 9 0 0 0 0 0 0
0 0
0 9 0 9 7 9 7 0 7 0 7 0 7 0 7 0
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
3.1 栅格数据结构
栅格数据结构是指将地球表面划分为大小均匀、紧 密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元，由行、 列定义其位置，每一个像元包含一个代码，表示该 像元的属性。
地理空间的实体在地图中被划分为三种基本类型——点、线、面，分别在栅格结构中如 何表示呢？
四叉树编码(Quadtree Encoding)
基本思想：把一幅图像或一幅栅格地图等分成 4部分，逐块检查其栅格值，若每个子区都含 有相同值，则该子区不再往下分割，否则将该 区域再分割4个子区域，如此递归分割直到每 个子块都含有相同的灰度或属性为止。
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
四叉树的生成算法：
0 0 0 0 7 7 7 7
9 9 9 9 0 9 9 0 9 9 0 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
00 70 70 70 70 70 70
00 77 77 77 77 77 77
如果不是 2n×2n像 元阵列, 怎么进行 进行四叉 树编码呢？
优缺点：
数据压缩率强，便于计算长度，面积， 便于表示图形凹凸部分，易于储存。
但难于实现叠置运算，不便于合并插入操 作。 适于对曲线和边界进行编码
GIS原理与应用
第三章 空间数据结构
游程编码
游程长度编码是栅格数据压缩 的重要编码方法，它的基本思 路是：对于一幅栅格图像，常 常有行(或列)方向上相邻的若 干点具有相同的属性代码，因 而可采取某种方法压缩那些重 复的记录内容。其编码方案是， 只在各行(或列)数据的代码发 生变化时依次记录该代码以及 相同代码重复的个数（或终止 列号），数据结构是（代码， 重复数或终止列号），从而实 现数据的压缩。
5 2 3 3 3 3 3 0
5 5 3 3 3 3 3 3
5 5 5 5 5 3 3 3
5 5 5 5 3 3 3 3
0 0 0 0 0 0
（1，1，1，0），（1，2，2，2）， （1，4，1，5），（1，5，1，5）， （1，6，2，5），（1，8，1，5）； （2，1，1，2），（2，4，1，2）， （2，5，1，2），（2，8，1，5）； （3，3，1，2），（3，4，1，2）， （3，5，2，3），（3，7，2，5）； （4，1，2，0），（4，3，1，2）， （4，4，1，3）；（5，3，1，3）， （5，4，2，3），（5，6，1，3）， （5，7，1，5），（5，8，1，3）； （6，1，3，0），（6，6，3，3）； （7，4，1，0），（7，5，1，3）； （8，4，1，0），（8，5，1，0）。
起 点 行 列 号 然后对图形边界编码，数据结构是 (起点， 方向，方向…）。
6
5
7
4 3
2
0 1
如果确定起点为像元(10，1)，则该如 何对右图多边形边界按顺时针方向进行 链式编码？ 10，1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2， 3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3， 4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4， 6，6。 GIS原理与应用 第三章 空间数据结构