GIS的数据结构

地理空间的概念
–GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照 系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一 –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 –地理空间中任一点的位置可以确定；地理空间中实 体的几何形态、相互关系可以表达 –地图投影：将椭圆面上的大地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。
21
§2.3 空间数据结构类型
1.简单数据结构（实体式）
22
§2.3 空间数据结构类型
1.简单数据结构 –特点：
结构简单、直观、编码方便，数字化操作简单 相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成 数据冗余浪费空间 实体自成体系，相互独立，缺乏联系，无拓扑关系 岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系，处 理困难
40
§2.3 空间数据结构类型
二、栅格数据结构
3.四叉树数据结构：
41
§2.3 空间数据结构类型
三、矢量与栅格数据结构的比较 P61
42
§2.3 空间数据结构类型
四、栅矢一体化数据结构 P58
–栅矢一体化的基本概念
既保持矢量特性，又具有栅格的性质，如在数字 化一个线状实体时，除记录原始取样点外，还记录所通 过的栅格。
P32
10
§2.2 地理空间数据及其特征
二、 空间数据的基本特征
在GIS，空间数 据反映的特征应该 包括自然界地理实 体向人类传递的基 本信息。 这些基本信息 分别对应着定位特 征数据、属性特征 数据和拓扑特征数 据。 11
§2.2 地理空间数据及其特征
二、 空间数据的基本特征
–空间特征 –属性特征
33
§2.3 空间数据结构类型
二、栅格数据结构
–基本元素：
点：由单个栅格表达 线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达 面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达
2 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3
2 2
3 3 3 3 3 3 3
34
栅格结构
矢量结构
35
§2.3 空间数据结构类型
③
④
4
5
⑥
6
3
28
②
§2.3 空间数据结构类型
2.拓扑数据结构 –拓扑关系表
多边形拓扑：多边形－弧段
多边形 (1) (2) …
线段 1,2,3 1,4,7,9 ……
1 7
(2)
9(4) 8 5
2 (3) (1)
4
(5) 3
6
29
§2.3 空间数据结构类型
2.拓扑数据结构
拓扑数据结构的功能：拓扑编辑功能 (拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献),即 多边形连接编辑和结点连接编辑。
6 5 6 7 7 8 1 3 2 1 5 4 4 3 2 顶点 邻接三角形
1 2 3 4 5 6 7 8
1 5 6 1 4 5 1 2 4 2 5 4 4 3 3 6 5 7 4 4 8 8 8 7
2 5 X 1 3 6 X 4 2 3 1 2 6 4 X X 5 8 7 8 6 7 X X
31
8
拓扑包含：同类不同级（简单包含、多层包含、等价 包含）
14
§2.2 地理空间数据及其特征
15
§2.2 地理空间数据及其特征
16
§2.2 地理空间数据及其特征
空间数据的基本特征
– 空间特征：
空间数据的拓扑关系在GIS的数据处理、空间分析 以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义: （1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，确定一种 地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系； （2）有利于空间要素的查询； （3）重建地理实体。例如实现道路的选取，进行最佳路 径的计算等
–栅矢一体化的约定（细分格网） –栅矢一体化数据结构的设计
43
§2.3 空间数据结构类型
五、数据结构选择原则
– 要素还是位置 – 可获取的数据 – 定位要素的必要精度 – 需要什么类型的要素 – 需要什么类型的拓扑关联 – 所需空间分析类型 – 生产地图类型
44
§2.4 空间数据结构的建立
36
§2.3 空间数据结构类型
二、栅格数据结构
栅格数据结构可分为以下几种主要类型： 1.栅格矩阵结构（全栅格阵列）
将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个 记录像元值
37
§2.3 空间数据结构类型
二、栅格数据结构
– 栅格矩阵结构：
对于同一幅图而言，随着分辨率的增大，数据量也随 之增大。例如，如果每个像元占用一个字节，当分辨 率为100m时，一个面积为100km2的区域就有1000000 个像元所占空间为1000000个字节；如果分辨率为 10m，则同样面积的区域就有1亿个像元，所占空间 近100MB。 因此，栅格数据的压缩是栅格数据结构要解决的重要 任务之一。
17
§2.2 地理空间数据及其特征
三、空间数据的计算机表示
–通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空 间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息 –空间数据分层的方法：
按专题分层 按时间序列分层 以地面垂直高度分层
18
19
§2.3 空间数据结构类型
数据结构指数据组织的形式，是适合于计算 机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间 数据结构而言，则是空间目标的空间排列方式 和相互关系的抽象描述
3
§2.1 地理空间及其表达
一、地理空间的概念－重在定位与表达
–GIS中的空间概念常用“地理空间”来表述，一 般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象 –地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制 网和高程控制网组成 –三种大地坐标系；（北京54，西安80，地心坐标）
4
§2.1 地理空间及其表达
空间数据结构类型主要有栅格数据结构和矢 量数据结构，以及正在研制中的栅矢一体化的 数据结构
20
§2.3 空间数据结构类型
一、矢量数据结构
–矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、 线、面及其组合来表示地理实体空间分布的一 种数据组织方式 –它用一系列有序的x、y坐标来表示空间实体的 地理位置 –矢量数据结构分为简单数据结构、拓扑数据结 构和曲面数据结构
弧段拓扑：弧段－多边形
线段 1 2 … 左区码 (1) (1) … 右区码 (2) (3) …
1 7
(2)
9(4) 8 5
2
(3) (1)
4
(5) 3
6
27
§2.3 空间数据结构类型
2.拓扑数据结构 –拓扑关系表
弧段拓扑：弧段－结点 1 ⑤ 7 8 2 ①
线段 1 2 …
首结点 ③ ① …
尾结点 ① ② …
5
§2.1 地理空间及其表达
二、空间实体的表达
–如何表达地理空间中实体的特征，以便计算机 管理。在计算机中，现实世界是以各种数字和 字符形式来表达和记录的 –对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法: 分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格 表示法（栅格数据模型）
6
§2.1 地理空间及其表达
空间实体的表达
30
§2.3 空间数据结构类型
3.曲面数据结构（TIN-Triangulated Irregular Network）
用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面。 –TIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构。它 不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标，三角形 及邻接三角形等关系
1 2 3 4 5 6 7 8 X X X X X X X X Y Y Y Y Y Y Y Y Z Z Z Z Z Z Z Z
38
§2.3 空间数据结构类型
二、栅格数据结构
2.游程编码结构：
只在各行属性值发生变化时记录该值及其重复的个数， 其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。 ( 0，1），（2，2）， 2 2 5 5 5 5 5 （5，5）， （2，5）， 2 2 2 2 5 5 5 （5，3）， （2，4）， 2 2 2 3 3 5 5 （3，2），（5，2）， （0，2），（2，1）， 0 2 3 3 3 5 5 （3，3），（5，2）， 0 3 3 3 3 5 3 （0，2），（3，4）， 0 0 3 3 3 3 3 （5，1），（3，1）， （0，3），（3，5）， 0 0 0 3 3 3 3 39 （0，4），（3，4）。
二、栅格数据结构
–在栅格数据结构中，地表被分割为相互邻接、 规则排列的地块，每个地块与一个像元相对应。 因此，栅格数据的比例尺就是栅格(像元)的大小 与地表相应单元的大小之比，当像元所表示的面 积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。 每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近 似值，因而有可能产生属性方面的偏差
0 2 2 0 0 0 0
§2.3 空间数据结构类型
二、栅格数据结构
3.四叉树数据结构：
根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照 4个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止， 最后得到一棵四分叉的倒向树。根结点代表整个图形， 叶结点代表数值单调的子象限
为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必 须为2n×2 n的栅格阵列
点文件
三角形文件
§2.3 空间数据结构类型
3.曲面数据结构（TIN） –地形分析 –土方计算 –等高线生成 –三维模拟 –军事应用 结构
–栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格 单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相 应的属性值的一种数据组织方式 –任一位置由格网的行，列号定义，该位置的属 性为栅格单元的值 –栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结 构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六 叉树数据结构
8
§2.2 地理空间数据及其特征