第二章 地理信息系统空间数据结构 - 幻灯片1

树状索引法
3 2
1 P1 Ⅰ
P1
11
P2
பைடு நூலகம்P3
4
Ⅱ
5 13 12 10
Ⅰ Ⅱ
Ⅱ Ⅲ Ⅳ
6
P2 7
Ⅲ P3 14 Ⅳ 9 15
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
8
1 2 3 4 5 6 5
6 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
树状索引法
点文件 点号 1 2
… 11
坐标
x1，y1 x2，y2
…
3 2 1
P1 Ⅰ
4
11
5
13 10 Ⅳ
x1，y1；x2，y2； x3，y3；x4，y4； x5，y5；x6，y6；
2
1
Ⅱ 6
12
P3 Ⅴ 15 8
14
9
P2
x7，y7；x8，y8； x9，y9；x10，y10； x11，y11；x5，y5；x6，y6
P2
7
P3
x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15
• 矢量栅格一体化数据结构
• 数据结构一般分为基于矢量模型的数据结 构和基于栅格模型的数据结构 • 矢量数据是面向地物的结构，即对于每一 个具体的目标都直接赋有位置和属性信息 以及目标之间的拓扑关系说明。 • 栅格数据是面向位置的结构，平面空间上 的任何一点都直接联系到某一个或某一类 地物，它不能完整地建立地物之间的拓扑 关系。 • 目前，为了设计系统能用于多种目的，正 在研制矢量栅格一体化的数据结构，该数 据结构具有矢量和栅格两种结构的特性。
一、矢量数据结构
基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据 结构。矢量结构是通过记录坐标的方式来表示 点、线、面等地理实体。 特点：定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。
• • • •
矢量数据结构分为以下几种主要类型: 一）简单数据结构 这种数据结构的主要特点是: (1)数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据 编排直观，数字化操作简单。 • (2)每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共 边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和 不一致。 • (3)点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓 扑数据，互相之间不关联。 • (4)岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的 联系。
第二章 GIS空间数据结构
• 教学内容：
地理信息系统的数据来源，地理数据的类型与特征， 分类与编码，空间数据类型及表示方法，栅格模型与矢量 模型，空间数据的拓扑关系及其表示 。
• 重点难点：
地理信息系统数据类型、编码；栅格数据结构及压缩 方法；拓扑数据结构 。
• 学习要求：
• • • • • • 1、理解地理信息系统的数据来源及数据特点； 2、掌握栅格数据的表示及压缩方法； 3、掌握拓扑数据结构； 4、掌握栅格模型与矢量模型的优缺点； 5、理解编码的方法、意义、原则、应注意的问题； 6、掌握码位、码段的概念及其与编码的关系。
1、直接栅格编码
直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列） 逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左 到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊 的顺序。
0 2 2 0 0
2 2 2 0 0
2 2 2 2 3
5 2 2 3 3
5 2 3 3 3
5 5 3 3 3
第一节
第二节 第三节
地理空间数据及其特征
空间数据结构的类型 属性数据的编码方法
第一节
地理空间数据及其特征
• GIS空间数据的来源 • 地理空间数据的类型
• 空间数据的基本特征
一、GIS空间数据的来源
• 地图数据
• 影像数据
• 地形数据 • 属性数据 • 元数据
二、地理空间数据的类型
1. 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。
4 Ⅱ
5 13 12
15
10
x15，y15
6
P2
Ⅲ P3 14 Ⅳ 9 15 8
7
3 2 1
4
11 5
树状索引法
10 Ⅲ
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
13 P1
Ⅰ Ⅱ 12
6 P2 7
P3 14 Ⅳ 9 15 8
1 2 3 4 5 6 5
6 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
线号 起点 Ⅰ 6 Ⅱ 5 Ⅲ 6 Ⅳ 12
• 二）拓扑数据结构 • 1、拓扑的基本概念 拓扑结构是明确定义空间结构关系的 一种数学方法；在GIS中，用于空间数据的 组织、分析和应用。 在GIS中，为了真实反映地物，不仅包 括实体的大小、形状及属性，而且要反映 出实体之间的相互关系。 例如：自然与行政的分区，各种空间 类型的分布及交通网等，都存在结点、弧 段和多边形之间的拓扑关系。
三、空间数据的基本特征 • 空间特征
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
属性特征是指空间对象的专题属性。
• 时间特征
指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性 特征的变化。
空间特征
属性特征
第二节
空间数据结构的类型
• 矢量数据结构 • 栅格数据结构 • 矢量与栅格数据结构的比较
2、链码
链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界。他把 线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按 某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东＝ 0 ，东南＝ l，南＝ 2 ，西南＝ 3 ，西＝4 ，西北＝5 ，北＝6 ， 东北＝7等八个基本方向（如图所示）。
5 4 3
6
7 0
终点 5 6 5 13
点号 6,1,2,3,4,5 5,6 6,7,8,9,10,11,5 12,15,14,13
3 2 1 P1 Ⅰ
4
11 5 13 10 12
树状索引法
Ⅱ
6
P2
7 P1
Ⅲ P3 14 Ⅳ 9 15
8 P3
P2
多边形文件 多边形号 边界线号 1 Ⅰ，Ⅱ 2 Ⅱ，Ⅲ 3 Ⅳ
Ⅰ Ⅱ
Ⅱ Ⅲ
3、拓扑结构的优缺点
和简单矢量结构相比，拓扑型空间数据 结构的主要优点有四条： (1)描述点、线、面的空间关系不完全依赖 于具体坐标位置。
(2)用拓扑表所表达的空间关系信息丰富、 简洁，若采用其他办法会出现大量的重复数 据(冗余)。 (3)便于作多边形和多边形的叠合。 (4)便于检查数据输入过程中的错误。
3 4 5 链码编码：
2
1 0
0 0 5 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0
6
7
0 0 5 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
2，2 ，6 ，7，6，0，6，5
3、游程长度编码
(1)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；
0 2 2 0 0
拓扑数据举例
e1 P1 e5
N1
e6
N4
P3
N5
e3 e7
N2
P2
e2
e4
N3
P4
2、空间数据的拓扑关系
拓扑邻接：同 拓扑关联：不 同 类 元素之间的拓扑关系。 类 元素之间的拓扑关系。
拓扑包含：同类不同级 元素之间的拓扑关系。
拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3
5 5 5 5 5
5 5 5 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3 0 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 0 0 3 3 3
0，2，2，5，5，5，5，5； 2，2，2，2，2，5，5，5； 2，2，2，2，3，3，5，5； 0，0，2，3，3，3，5，5； 0，0，3，3，3，3，5，3； 0，0，0，3，3，3，3，3； 0，0，0，0，3，3，3，3； 0，0，0，0，0，3，3，3。
唯一标示码 线标示码 起始点
线实体编码
终止点 坐标对序列 显示信息 非几何属性
多边形矢量编码
由多边形边界的x,y坐 标队集合及说明信息 组成
多边形环路法 树状索引法
对所有边界点数字化，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
多边形环路法
P1
3
Ⅲ P1 Ⅰ
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。
空 间 数 据 的 类 型 和 表 示 方 法
－
－ － P3 P2
P1
P2 P3 P2 P1
e4
P4
N3
邻接多边形 P1 P2， P3 P2 P1，P3 P3 P1，P2 ，P4 P4 P3 0 0
P1 P2 P3 P4 P1 － 1 P2 1 P3 1 1 1 － 1
P3
P4
P1
P3
－ 1
P4 0
0
1
－
弧段和结点之 间的关系表
弧段 起点 号 e1 e2 N2 N3 终点 N1 N2
1 1 1 1
8 8 8 8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8
栅格结构编码方法：
直接栅格编码
链码(chain Encoding)
游程长编码(Run_length Encoding) 块 码
四叉树编码(quarter_tree Encoding)
拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6 拓扑包含：P3与P4
e1 P1 e5 P2 e2
N1
e6
N4
P3
N5
e3
N2
e4
N3
P4
e7
多边形之间 的邻接性
弧段 号 左多 边形 右多 边形
e1
N1
P1
N2
e6
N4
P3
N5
e3
e7
e5 P2 e2
e1 e2 e3 e4 e5 e6 e7
矢量结构编码方法
1、点实体矢量编码方法
2、线实体矢量编码方法
3、多边形矢量编码方法
统一标识 x,y 坐标
简单点 点类型 文本点 结 点
点实体编码
类别或系列号
比例 简单点——符号 朝向 比例 朝向 文本点——字符 字体 文句 线指针 结 点——符号 线交汇编
建立和显示数据库联系的属性
其它非几何属性
N2
N1
e6
N4
P3
N5
e3
e5 P2 e2
e4
N3
P4
e7
多边形号 P1 P2 P3 P4
弧段号 e1,e5,e6 e2,e4,e5 e3, e4,e6 e7
拓扑包含包括三种情况： 简单包含 多层包含 等价包含
图a中多边形P1包含多边形P2；图b中多边形P3包含 在多边形P2中，而多边形P2、 P3又包含在多边形P1中； 图c中多边形P2、 P3都包含在多边形P1中，多边形P2、 P3对P1而言是等价包含。
e1 P1 e5 P2
N1
e6
N4
P3
N5
e3 e7
N2
e4
N3 弧段号
P4
e3
e4 e5 e6
N1
N4 N4 N1
N3
N3 N2 N4
e2
结点 N1 N2 N3 N4 N5
e1，e3，e6 e1，e2，e5 e2，e3，e4 e4，e5，e6 e7
e7
N5
N5
e1
P1 多边形与弧段 的拓扑关联表
2
1
0
0
7 0 121 0
7 7 0 0
链码编码示例
0 0 0 0 0 5 5 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
链式编码的前两个数字 表示起点的行、列数，从第 三个数字开始的每个数字表 示单位矢量的方向，八个方 向以0—7的整数代表。
Ⅳ
二、栅格数据结构
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理要 素的非几何属性特征。 特点：属性明显，定位隐含。 获取方法： 2 2 2 1 (1) 手工网格法； 2 2 2 1 3 2 2 1 2 2 2 (2) 扫描数字化法； 1 2 2 1 1 (3) 分类影像输入法； 1 8 8 8 1 1 8 8 8 8 (4) 数据结构转换法。 8 8 8 8 8 8 8 1
2 2 2 0 0
2 2 2 2 3
5 2 2 3 3
5 2 3 3 3
5 5 3 3 3
5 5 5 5 5
5 5 5 5 3
沿行方向进行编码：( 0，1），
（2，2），（5，5）；（2，5）， （5，3）；（2，4），（3，2）， （5，2）；（0，2），（2，1）， （3，3），（5，2）；（0，2）， （3，4），（5，1），（3，1）； （0，3），（3，5）；（0，4）， （3，4）；（0，5），（3，3）。
拓扑型空间数据结构的主要缺点有两条： (1)拓扑关系的建立比较复杂。 (2)数据结构本身比较复杂。
4、拓扑关系的意义 空间数据的拓扑关系，对地理信息系统 的数据处理和空间分析，具有重要的意义， 因为: (1)根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离， 可以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)利用拓扑数据有利于空间要素的查询。 (3)可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实 体。
0 0 0 3 3 3 3 3 0 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 0 0 3 3 3