第二章-GIS的数据结构(信息工程大学-地理信息系统GIS)
GIS课程(第二章空间数据结构)a2
GIS
一、图形表示
第二章 GIS 数据结构
§2 - 2 矢量数据结构 矢量数据结构
返回
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
第二章 GIS 数据结构
二、矢量数据的获取方式
1) 由外业测量获得
§2-2 矢量数据结构
可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄 ， 可利用测量仪器自动记录测量成果 常称为电子手薄)，然后转到地理数据 常称为电子手薄 库中。 库中。 2)由栅格数据转换获得 由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。 3)跟踪数字化 跟踪数字化 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。
6
1 2
1、点文件 、
点号 1
坐标 x1,y1
P
7 5
终点 10 连通
9 8 11 15
10
2、线文件:线文件是以线段为记录单位 、线文件:线文件是以线段为记录单位 线段 线号 L210 左多边形 P1 右多边形 P2 邻接 起点 2 关联
P
4
P
14 13
12
关联 3、面文件 、 面号 P1
3
拓扑关系明确 线号 L210,L109… 返回 链状双重独立式编码
6
1
P
7 5 8
9 11 15
10
2
P
4
P
14 13
12
3
地 理 信 息 系 统 原 理
GIS
第二章 GIS 数据结构
（三）双重独立式编码
§2-2 矢量数据结构
GIS 第2部分 地理信息系统的数据结构
• 拓扑关系：
邻接：相同拓扑元素之间的关系 关联：不同拓扑元素之间的关系 包含：不同级的元素之间的关系
点: 弧:
终点 中间点 起点
面:
弧段4
弧段3
弧段2 弧段1
邻接 点—点 点—线 点—面 线—线 线—面 面—面
相交
相离
包含
重合
拓扑邻接（连接）：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3
3、ArcGIS坐标系统变换
• 坐标系统的变换包括：
–不同基准（Datum）地理坐标的相互转换 –地理坐标与投影坐标转换（可以包括Datum 转换） –不同投影坐标转换（可以包括Datum 转换） –未定义（或未知）坐标与已定义坐标的转换
• 坐标系统的变换将产生空间坐标的变化，即产 生新的空间数据。在ArcGIS中，可以利用 Project工具实现已知坐标系统信息数据的相 互转换，也可以利用几何校正模块实现未知坐 标信息数据的相互转换。
实际应用目的：地理数据的使用目的决定了一个GIS之中需要建立
哪些层，哪些地物特征建立在一个层面上，每层上需要有哪些描述 性属性。
分层数据的要求
分层结构的GIS数据组织，需要各层数据都应有 统一的几何坐标系统（即统一的底图）和统一的地 图投影性质。如果数据资料来源(坐标、投影)不一 样，要通过GIS的功能进行变换。
地图投影：我国常用地图投影
• 1：100万：兰勃特投影（正轴等积割圆锥 投影） • 大部分分省图、大多数同级比例尺也采用 兰勃特投影 • 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1： 2.5万、1:1万、1：5000采用高斯—克吕格 投影。
GIS中地图投影
• GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地 理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不 可缺少。 • GIS数据库中地理数据可以地理坐标和投影坐标存 贮。两者可以相互转换。 • GIS中，地理数据的显示制图可根据用户的需要而 指定投影方式。
第二章GIS的数据结构20131
2.地理空间定位框架
1）平面控制网 ① 地球空间模型描述
自然表面 大地水准面：当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平
面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的 一个连续、闭合的水准面。
图2-1 地球表面、大地水准面和地球椭球体之间的关系
数字线划图：某城市城郊地形图（1：2000）
数字线划图不但包括了地球表面的空间信息，还包括各种空间要素的属性信 息。数字线划图作为人口、资源、环境、交通、治安等专业信息系统的空间定位 基础, 广泛应用于城市建设、资源管理等各个方面；成果格式有dxf、dwg、dgn、 shp、MapInfo等。
数字栅格地图（Digital Raster Graphic 简称DRG） 是纸质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠正、图 幅处理及数据压缩处理后，形成在内容、几何精度和色 彩上与地形图保持一致的栅格文件。
拓扑关联：存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系
拓扑包含：存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系
表2-2 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
表2-4 弧段与结点的拓扑关系
弧段
结点
a
A,B
b
B,D
c
D,A
d
优势：① 相邻三角形的信息可以自动生成，便于连续分布现象的的顺序 跟踪和查询检索
② 便于地形分析
矢量数据结构的特点 优点：
能最好的逼近地理实体间的空间分布特征； 数据精度高； 数据的冗余度低； 便于进行地理实体间的网络分析。
缺点：
第2章GIS的空间数据结构第1节地理实体及其表达
3. 地理实体的类型——以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体， 可以作为地理实
体的一种类型
点实体——指具有特定的位置而没有长度的实体。
❖线实体——指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等，并具有以下特征：
面长实体度—：—从又起成点为多到边终形点、的区总域长等；，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述，
关系数据—实体间的邻接、关 联包含等相互关系
矢量、栅格、 TIN(专用于地表 或特殊造型)
属性数据——各种属性特征和 时间
RDBMS属性表---采用MIS较成熟
元数据
空间元数据
第3 节 矢量、栅格数据结构的比较
一、矢量和栅格数据结构的比较
优点
缺点
便于面向现象(土壤类型等)的数据表
矢
示，不仅能表达属性，而且能方便的 记录每个目标的具体属性信息
体的一种类型
点实体——指具有特定的位置而没有长度的实体。
❖线实体——指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等。
面实体——又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。 体面实积体：—面—状用实于体描所述占三有维的空范间围中大的现小象与物体，具有长度、宽度及高度等属性。
周长：面状实体所占有区域的周长 独立或相邻：是独立存在还是与其它面状
第1 节 地理实体及其表达
邻接
相交
相离
包含
重合
点—点
点—线
点—面
线—线
线—面
面—面
第1 节 地理实体及其表达
二、地理实体的描述
B. 地理实体数据类型——根据地理实体的特征，把地理实体数据分为三类
属性数据——描述空间对象的属性特征的数据，也称非几何数据。
第二章 地理信息系统的数据结构ppt课件
第一节 地理空间及其表达 介绍地理空间概念和空间实体的表达 第二节 地理空间数据及其特征 包括GIS的空间数据，空间数据的基本特征，空间数据的拓扑关系 第三节 空间数据结构的类型 矢量数据结构，栅格数据结构，矢量与栅格一体化数据结构，矢量与栅格数 据结构的比较 第四节 空间数据结构的建立 空间数据的建立过程及方法
任何地理实体都可以抽象为点、线、面、体等基本类型，以表示 它的位置、形状、大小、高低等特征。
19
第一节 地理空间及其表达
以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达 点实体
❖有位置，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
20
的500个地震位置
第一节 地理空间及其表达
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
c2
11
国际主要椭球参数
椭球名称
德兰勃(Delambre) 埃弗瑞斯(Everest)
贝赛尔(Bessel) 克拉克(Clarke) 克拉克(Clarke)
海福特 (Hayford) 克拉索夫斯基 (Krasovski)
1967年大地坐标系
1975年大地坐标系
1980年大地坐标系
年代 1800 1830 1841 1866 1880 1910
3
地理空间（Geo-spatial）一般分为： 绝对空间： 是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位 置的空间坐标组成； 相对空间： 是具有空间属性特征的实体集合，它是由不同实体之间 的空间关系构成。
4
第一节 地理空间及其表达
1、 地球空间模型 为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。根
地理信息系统概论第二章地理信息系统的数据结构.
黄海海面
1952-1979年平 均海水面为0米
水准原点 1985国家高 程基准，
72.2604米
坐标参考系统——平面系统
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
投 影
建立在平面上的直角坐标系统，用
（x，y）表达地理对象位置
投影的概念：
将椭圆面上各点的大地坐标，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。
3、按数据特征分类
（1）空间定位数据：是表达空间实体在地 球上位置的坐标数据。
（2）非空间属性数据：是有关空间实体自 身的名称、种类、质量、数量等特征的数 据。
二、空间数据的基本特征
1. 空间数据的基本特征
属性特征：描述现象的特征，即是什么，如对象 的类别、等级、名称、数量等。 空间特征：描述现象的空间位置以及相互关系， 又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标
GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影 方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺 一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。
第二节 地理空间数据及其特征
一、GIS空间数据的分类
1、在地图上，一般把地理空间的实体按地形维数 （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。
土地信息系统：
城市信息系统：
系统功能与数据间的关系
空间数据结构的建立
二、空间数据的分类和编码
1、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，为数据采集、存储、管理、
地理信息系统第二章GIS空间数据结构和数据库
§2.1 地理实体及其描述地理信息系统是以地理实体作为描述、反映现实世界中空间对象的单体。
在地理信息系统中需要描述地理实体的名称、位置、形状、功能等内容，这些内容反映了地理实体的时间、空间和属性三种特性，其中空间特性是地理信息所特有的，也是造成空间数据结构和数据库模型异常复杂的原因所在。
此外，实体间的空间关系对空间查询和分析具有重要意义。
一、地理系统和地理实体介绍地理系统和地理实体的概念。
二、实体的描述及存储介绍空间实体描述的内容，空间数据的基本特征、空间数据类型和空间数据存储方式。
三、实体的空间特征空间特征是地理实体所特有的特征，是GIS数据组织、处理和维护的难点所在，可以从空间维数，空间特征类型和实体类型组合三个方面来考察。
四、实体间的空间关系实体间空间关系对于地理信息系统查询和空间分析具有重要意义。
在此阐述空间关系的类型，和拓扑空间关系的定义、种类、表达及意义。
一、地理系统和地理实体地理信息来源于地理系统。
著名数学家钱学森曾指出：地理系统是一个开放的复杂巨系统。
所谓开放性是指地理系统与其它系统有关联，有物质和信息的交往，不是一个封闭系统；复杂巨系统是指地理系统有成千上万的种类繁多的子系统。
抽象是人们观察和分析复杂事物和现象的常用手段之一。
将地理系统中复杂的地理现象进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空间目标，简称实体(Entity)。
实体现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。
实体可以指个体，也可以指总体，即个体的集合.抽象的程度与研究区域的大小、规模不同而有所不同，如在一张小比例尺的全国地图中，武汉市被抽象为一个点状实体，抽象程度很大；而在较大比例尺的武汉市地图上，需要将武汉市的街道、房屋详尽地表示出来，武汉市则被抽象为一个由简单点、线、面实体组成的庞大复杂组合实体，其抽象程度较前者而言较小。
所以说，实体是一个具体有概括性、复杂性、相对意义的概念。
返回二、实体的描述和存储从实体需要描述的内容到计算机具体如何存储实体的过程见图2-1-1。
地理信息系统数据结构
数据融合
01
将不同来源、不同格式的地理数据进行融合，形成统一的数 据集。
02
数据融合可以提高数据的完整性和准确性，便于分析和应用。
03
数据融合的方法包括数据清洗、坐标转换、格式转换等。
05 地理信息系统数据质量
数据精度
空间精度
地理信息系统数据的空间精度是指数据所表示的地理要素的位置准确性，通常 用地图比例尺来表示。比例尺越大，表示的地理要素位置越详细，精度越高。
自然资源管理
GIS可用于自然资源管理，如森 林资源监测、水资源管理、野 生动物保护等。
灾害应急响应
GIS能够快速获取和处理灾害相 关信息，为灾害应急响应提供 决策支持。
商业与市场分析
GIS在商业和市场分析中也有广 泛应用，如市场区域划分、物 流路线规划等。
02 地理信息系统数据类型
矢量数据
定义
矢量数据是地理信息系统中的一种重要数据类型，它由一系列离散 的点、线、面组成，表示地理实体的空间位置和相互关系。
GIS通过地图、图表、表格等多种形式展示地理信息，帮助用户更好地理解空间 关系和动态变化。
地理信息系统的组成
数据输入与处理
数据存储与管理
地理信息系统需要将各种来源的数据进行 整合、清洗和转换，以便进行后续的分析 和可视化。
GIS需要一个高效的数据存储和管理系统， 以便存储大量的空间数据和属性数据，并 提供快速的数据检索和更新功能。
特点
矢量数据具有数据精度高、信息丰富、易于编辑和更新等优点，能 够精确地表示复杂的地理要素和空间关系。
应用场景
矢量数据广泛应用于地图制作、土地规划、资源管理、城市设计等领 域。
栅格数据
定义
栅格数据是一种以网格单元为基 本单位表示地理信息的数据类型，
第二章GIS数据结构
第二章GIS数据结构GIS数据结构是指地理信息系统中用来存储和组织地理数据的数据模型和数据格式。
它们用于描述和管理多种类型的地理数据，包括地理位置、属性信息以及与地理实体相关的其他信息。
在GIS中，数据结构的选择对于数据的查询、分析和可视化都起着至关重要的作用。
常见的GIS数据结构主要有三种：基于栅格的数据结构、基于矢量的数据结构和基于数据库的数据结构。
基于栅格的数据结构是一种二维网格结构，将地理空间划分为一系列的像元，每个像元代表一个固定大小的地理空间单元。
栅格数据结构适用于连续变化的地理现象的表达和分析，如地形高程、气候温度等。
栅格数据结构的优点是简单易用，存储和计算效率较高。
然而，由于其固定的像元大小和离散化的特性，栅格数据结构对于精确定位和表达复杂地理对象的能力有限。
基于矢量的数据结构则是通过点、线和面等几何元素来表示地理对象。
矢量数据结构适用于离散型地理现象的表达和分析，如道路、河流等。
它可以准确地表达地理对象的形状、大小和拓扑关系，并支持各种地理操作，如缓冲区分析、叠加分析等。
矢量数据结构的缺点是数据量较大，处理效率相对较低。
此外，矢量数据在处理连续性地理现象时需要进行插值操作，可能会引入一定的误差。
基于数据库的数据结构利用数据库管理系统来存储和组织地理数据。
数据库系统提供了强大的数据管理和查询功能，可以方便地对地理数据进行存储、查询和更新。
同时，数据库系统还支持空间索引和空间查询优化等功能，提高了地理数据的访问效率。
基于数据库的数据结构可以与其他非地理数据进行关联，支持多种数据类型的存储和查询。
然而，数据库系统对硬件和软件资源有较高的需求，需要相应的数据库管理技术和系统维护工作。
综合来看，选择合适的GIS数据结构需要考虑地理数据的类型、规模和应用需求。
对于连续变化的地理现象，可以选择基于栅格的数据结构；对于离散型地理对象，可以选择基于矢量的数据结构；对于大规模地理数据和复杂的分析需求，可以选择基于数据库的数据结构。
地理信息系统的数据结构
地理信息系统的数据结构地理信息系统（GIS）作为一种用于采集、存储、管理、分析和展示地理空间数据的技术系统，其核心在于数据结构的设计与运用。
数据结构如同 GIS 的骨骼框架，决定了系统如何有效地组织、存储和处理海量的地理信息，以满足各种应用需求。
在探讨地理信息系统的数据结构之前，我们首先要明白地理数据的特点。
地理数据具有空间性、属性性和时间性。
空间性指的是数据与地理位置和空间关系相关；属性性则涵盖了描述地理实体的各种特征信息，如名称、类型、面积等；时间性反映了地理现象随时间的变化。
常见的地理信息系统数据结构主要包括矢量数据结构和栅格数据结构。
矢量数据结构通过点、线、面等几何对象来表示地理实体。
比如，一个城市可以用多边形来表示其边界，道路可以用线来描绘。
矢量数据结构的优点是精度高、数据量小、图形显示质量好，并且能够方便地进行几何变换和拓扑分析。
拓扑分析对于判断地理实体之间的空间关系非常重要，比如相邻、包含等。
然而，矢量数据结构在处理复杂的空间关系和大面积的连续数据时，可能会显得较为繁琐。
相比之下，栅格数据结构将地理空间划分成规则的网格单元，每个单元赋予相应的属性值。
例如，一张卫星影像图可以看作是栅格数据，每个像素都有其代表的颜色或灰度值。
栅格数据结构的优点是处理算法简单，易于与遥感数据结合，适合进行空间分析和模拟。
但它的数据量通常较大，精度相对较低，图形显示可能会有锯齿状。
除了这两种基本的数据结构，还有一种混合数据结构，它结合了矢量和栅格数据结构的优点。
例如，在一些 GIS 应用中，对于重要的地理实体采用矢量数据结构进行精确表示，而对于大面积的背景信息则使用栅格数据结构，以提高数据处理效率。
在实际应用中，选择合适的数据结构取决于多种因素。
如果需要进行精确的几何计算和空间关系分析，矢量数据结构可能更合适；而对于大面积的连续数据，如地形、植被覆盖等，栅格数据结构往往更具优势。
同时，数据的来源、精度要求、处理速度以及存储空间等也是决定数据结构选择的重要考量因素。
第02章 GIS的数据结构
GIS的数据结构
二 、地理空间数据
根据表示对象的不同分为分为（据邬伦等)
1)类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分 布等； 2)面域数据：例如随机多边形的中心点、行政区域界 线和行政单元等；
GIS的数据结构
3)网络数据：例如道路交点、街道和街区等；
4)样本数据：例如气象站、航线和野外样方的分布区 等； 5)曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域； 6)文本数据：例如地名、河流名称和区域名称；
一）简单数据结构
矢量数据的简单数据结构分别按点、线、面三种 基本形式来描述(图2-2-2)。
GIS的数据结构
三、空间数据结构的类型
1、标识码：按一定的原则编码，简单情况下可顺序编号。标 识码具有唯一性，是联系矢量数据和与其对应的属性数据的关键字。 属性数据单独存放在数据库中。
GIS的数据结构
2、点结构中的X，Y坐标：是点实体的定位点，如果是有向点， 则可以有两个坐标对。
GIS的数据结构
三、空间数据结构的类型
A、矢量数据的图形表示 矢量方法将地理现象或事物抽象为点、线、面实体， 将它们放在特定空间坐标系下进行采样记录（图2-2-1）。 1、点实体：记录点坐标 和属性代码； 2、线实体：记录两个或 一系列采样点的坐标， 并加属性代码； 3、面实体：记录边界上 一系列采样点的坐标， 由于多边形封闭，边界 为闭合环，加面域属性 代码。
一 、地理空间及其表达
目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地 坐标系，该坐标系选用1975年国际大地测量协会推荐 的国际椭球（下图），其具体参数为： 赤道半径（a）=6378140.0000000000m 极半径（b）=6356755.2881575287m 地球扁率（f）=(a-b)/a=1/298.257
GIS的数据结构南京信息工程大学地理信息系统GIS说课讲解
§3 空间数据结构类型
一、矢量数据结构 二、栅格数据结构 三、曲面数据结构
一、矢量数据结构
❖ 矢量数据结构 利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组 合体来表示地里实体空间分布的一种数据组织方式。是通过 记录坐标的方式来表示点、线、面及其组合体等地理实体。
点：用空间坐标来表示； 线：由一串坐标对组成； 面：是由线所形成的闭合多边形
空间数据的分类
按数据来源
地图数据 影像数据 文本数据
按数据结构
矢量数据 栅格数据
按数据特征
空间数据 属性数据
按几何特征
点 线 面
按数据发布形式
数字线画图 数字栅格图 数字高程模型
体
数字正射影像图
（三）按数据特征分： 空间数据：表达空间实体在地球上位置的数据； 非空间属性数据：有关空间实体自身名称、种类、 质量、数据量等特征的数据。
C4
N4 N1
GIS的数据结构南京信息工程大 学地理信息系统GIS
空间位置确定
平面 坐标 （x，y）
投 影
地理 坐标 （ψ，λ）
GIS的地理空间
定位框架
高程确定
1985国家高程基准
空间特征实体
几何形态 属性特征 时序特征 空间关系
定位框架
地理坐标系是以参考椭球面为基 准面，用以表示地面点位置的参 考系，在这地球椭球面采用经纬 度来表示地面点或空间目标的位 置，记作（ ψ ， λ ）
▪ 长度变形 ▪ 面积变形 ▪ 角度变形
定位框架 地图投影变形的图解示例
（摩尔维特投影－等积伪圆柱投影）
长度变形 角度变形
定位框架地图投影变形的图解示例
（UTM－横轴等角割圆柱投影）
面积变形和长度变形
地理信息系统的数据结构
地理信息系统的数据结构在当今数字化的时代，地理信息系统（GIS）已经成为了处理和分析地理空间数据的重要工具。
而地理信息系统能够高效运行和发挥作用，离不开其背后强大的数据结构支持。
首先，我们来了解一下什么是地理信息系统的数据结构。
简单来说，数据结构就是数据的组织方式，它决定了数据如何存储、管理和访问。
对于地理信息系统而言，由于其处理的数据具有空间特性，比如位置、形状、大小等，因此数据结构的设计就显得尤为关键。
在地理信息系统中，常见的数据结构有矢量数据结构和栅格数据结构。
矢量数据结构就像是在纸上用线条勾勒出地理对象的轮廓。
它通过点、线、面等几何元素来精确地表示地理实体的位置和形状。
比如，一条河流可以用一系列的点连接成线来表示，一个湖泊可以用一个封闭的多边形来表示。
这种数据结构的优点是精度高、数据量小，并且能够方便地进行几何操作和拓扑分析。
比如，我们可以很容易地计算两个多边形的交集、并集等。
栅格数据结构则像是把地理空间划分成一个个均匀的小格子，然后给每个格子赋予一个值来表示相应的地理信息。
比如，在表示土地利用类型时，每个格子可以表示为森林、农田、城市等。
栅格数据结构的优点是处理简单、易于与遥感影像等数据结合，但其精度相对较低，数据量较大。
除了这两种主要的数据结构，还有一种叫做拓扑数据结构。
拓扑关系是指地理对象之间的空间关系，比如相邻、包含、连接等。
通过建立拓扑数据结构，可以更有效地进行空间查询和分析，比如判断一个点是否在一个多边形内，查找相邻的多边形等。
在实际应用中，选择合适的数据结构取决于具体的需求和数据特点。
如果需要高精度的地理数据表示和复杂的几何分析，矢量数据结构可能更合适；如果需要快速处理大面积的地理数据，并且对精度要求不是特别高，栅格数据结构可能更有优势。
另外，还有一种叫做不规则三角网（TIN）的数据结构。
它是通过将一系列不规则分布的点连接成三角形来逼近地理表面。
TIN 数据结构能够很好地表示地形等连续变化的地理现象，并且在计算坡度、坡向等方面具有优势。
2GIS数据结构
6. 八叉树（三维空间信息的数据结构）
许多问题要求GIS能处理三维的空间信息。 例如，研究矿藏资源地下分布情况、研究不 同深度土壤肥力情况等。
在二维数据结构中，将第三维坐标，如高 程，作为属性值来处理。由于它只能对地形 表面进行模拟，无法对模型进行三维操作， 因此常称它为2.5维空间信息。
三） TIN结构
1、不规则三角网（TIN）——表达地形表面 Triangulated Irregular Network
4 3
C
B 5
D
6
AE
2
1
2、TIN的主要特征
1）TIN由一系列三角形组成 2）三角形顶点都是一些特征点 3）每个三角形的坡度、坡向均一 4）三角形大小随地形变化而变 5）尽可能是等边三角形 6）三角形外接圆内没有其它点 7）与Voronoi多边形(泰森多边形)对偶 8）以拓扑方式存储
二）栅格数据的编码方法
1.直接编码－－无压缩编码 将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或 逐列逐个记录代码
A,A,B,B,B A,C,C,C,A D,C,C,A,A D,D,C,A,A D,D,A,A,A
2.链式编码（边界链码）：它是从某一起
点开始用沿八个基本方向前进的单位矢
量链来表示线状地物或多边形的边界。
N/6 WN / 5
EN /7
W/4
E/0
3,1,7,0,1,2,3,4,5,6
WS / 3
ES / 1
S/2
4,1,6,7,0,1,2,3,4,5
3.游程长度编码
• 所谓游程是指按行的顺序连续且属性值 相同的若干栅格。
《地理信息系统》第二章 GIS的空间数据结构
现实世界
地图分层 栅格数据层
2.2栅格数据结构
四、栅格空间分辨率
一个像元边长在地面所代表的实际长度。
分辨率为10m
分辨率为7m
分辨率越小，表达的数据的精度越高，需要的存储空间 越大。
2.2栅格数据结构
五、栅格数据结构的编码
1、直接栅格编码 2、链式编码 3、游程编码 4、块式编码 5、四叉树编码
(X3,Y3)
面
2.3 矢量数据结构
二、矢量数据的获取
1、作业测量
2.3 矢量数据结构
二、矢量数据的获取
2、跟踪数字化
2.3 矢量数据结构
二、矢量数据的获取
3、由栅格数据转换获得
矢量
2.3 矢量数据结构
三、形式
简单数据结构 拓扑数据结构
2.3矢量数据结构
三、形式 1、简单数据结构
y
0
120 121
10
11
2.3 栅格数据结构
五、栅格数据结构的表示 5、四叉树编码
线性四叉树编码 优点
压缩效率高，压缩解压缩比较方便。 阵列各部分可变分辨率，既可精确表示图形结构，又可减
少存储空间。适合表达呈块状分布的空间数据。 提高了某些算法处理四叉树的效率，如查找某一地址的斑
快，叠置算法也比较有效。
1
1 2
10 3
点的数据结构
6 15
2 3
4
标识码 属性码 X、Y坐标
12 5
4
线的数据结构
x
标识码 坐标对数n 属性码 X、Y坐标
面的数据结构
标识码 坐标对数n 属性码 X、Y坐标
2.3 矢量数据结构
三、形式 1、简单数据结构（Spaghetti结构）
第二章GIS数据结构
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 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
角度变形
地图投影：投影分类
变形分类： 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形
投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面
投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割
点、线、面之间的拓扑关系
点: 弧:
起点
面: 弧段3
弧段4
中间点
弧段2
终点
弧段1
点—点
邻接
点—线
点—面
线—线
线—面
面—面
相交
相离
包含
重合
欧拉公式：
欧拉公式在GIS中有着重
要的意义，主要用来检查 c + a = n + b
空间拓扑关系的正确性， 能发现点、线、面不匹配 的情况和多余、遗漏的图 形元素。
简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）
多边形
数据项
11
12 13
A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),
30 29
14
10
02-GIS基本数据结构
24 25 9 8 6
地 理 信 息 系 统 算 法 基 础
2
3 4
5
弧段坐标文件
多边形号 多边形号 A A B B C C D D E E
弧段号 弧段号 h,b,a h,b,a g,f,c,h,-j g,f,c,h,-j jj e,i,f e,i,f e,i,d,b e,i,d,b
多边形文件 多边形文件 周长 面积 周长 面积
地 理 信 息 系 统 算 法 基 础
8 a 1 b 2 c 3 d 4 e B n 9 j 5 A i C 10 m k D 12 f 6 11 l g h O
a b c d
7
e f g h i j k l
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
m n
2. 矢量数据结构 链状双重独立式
11 30 10 31
12 29
13 14 28 27 26 17 7 20 18 19 16 15 23 22 21
地 理 信 息 系 统 算 法 基 础
1 2 9
24 25 8 6
3 4
多边形 A B C D E
5
数据项 (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1) (x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1) (x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24) (x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19) (x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)
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数学法则
地球椭球面上经纬线网
平面上相应经纬线网
建立地球椭球面上的点的地理坐标（λ,φ）与 平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关
系:
x f1 ( , )
y f2 (, )
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当给定不同的具体条件时，将得到 不同类型的投影方式。
7
定位框架
地图投影:投影变形
将不可展的地球椭球面展开成平面,并且不能有断 裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被 压缩，故投影变形是不可避免的。
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空间数据的分类
（二）按数据结构分:
矢量数据：用欧氏空间的点、线、面等几何要素来 表达实体的几何特征的数据;
栅格数据：是将空间分成规则的网格,在各个网格上
给出相应的数据值来表示空间实体的一种数据组
2021/2织/6 形式。
18
空间数据的分类
（三）按数据特征分: 空间数据：表达空间实体在地球上位置的数据; 非空间属性数据：有关空间实体自身名称、种类、 质量、数据量等特征的数据。
▪ 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、 1:1万、1：5000采用高斯—克吕格投影（横轴等角 切椭圆柱投影）
▪ 大部分省区图及大多数同级比例尺也采用Lambert
投影
x
y
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定位框架空间数据的地理参照系—高程系统
铅垂线
用来量测由高程 基准面起算的地 面点的高度
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空间数据的分类
（四）按几何特征分:
点：零维
线：一维
面：二维
体：三维
时间：通常以第四维表达,维数与比例尺是相关的。
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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
香港城市道路网 分布
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中国土地利用分布图（不连续面）
空间数据的分类
（五）按数据发布形式分:
数字线画图（DLG)数据： 数字栅格图（DRG)数据： 数据高程模型（DEM)数据： 数字正射影像（DOM)数据:
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§2 地理空间数据及其特征
一、 GIS空间数据的分类 二、空间数据的基本特征 三、空间数据的拓扑关系 四、空间数据的计算机表示
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2
空间位置确定
平面 坐标 （x,y）
投 影
地理 坐标
（ψ,λ）
GIS的地理空间
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定位框架
高程确定
1985国家高程基准
几何形态
空间特征实体
属性特征
时序特征
空间关系
3
定位框架
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地理坐标系是以参考椭球面为基 准面,用以表示地面点位置的参考 系，在这地球椭球面采用经纬度 来表示地面点或空间目标的位置， 记作（ ψ ， λ ）
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二、空间数据的基本特征
1、空间数据的基本特征
❖ 空间特征（定位特征和拓扑特征）
表示空间对象的地理位置及其空间相互关系。
❖ 属性特征
表示实体的特征,用来说明是什么。如事物的名称、 类型、等级、数量等。
❖ 时间特征
描述实体随时间的变化。
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A
2、空间数据的基本信息
空间位置确定
平面 坐标 （x,y）
投 影
地理 坐标 （ψ,λ）
GIS的地理空间
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定位框架
高程确定
1985国家高程基准
几何形态
空间特征实体
属性特征
时序特征
空间关系
14
空间特征实体
1.2 地理空间实体及其表达
空间实体及其表达
地理空间实体指具有形状、属性、空间 和时序特征的空间对象或地理实体,包括点、 线、面、曲面和体。
任意水准面
大地水准面
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1987年以前,我国高程的起算面是黄海平均海水面; 1987 年我国的高程基准面启用1985国家高程基准； 《1985国家高程基准》比《黄海平均海水面》上升29毫米。
黄海海面
1952-1979年平 均海水面为0米
水准原点 1985国家高
程基准，
72.2604米
4
定位框架
坐标参考系统—平面系统
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
▪将地球椭球
投 影
面上的点映 射到平面上 的方法,称为
地图投影
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建立在平面上的直角坐标系统,用
（x，y）表达地理对象位置
5
定位框架
地图投影:投影理解
a A
S
B
b
C
c
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6
定位框架
▪ 长度变形 ▪ 面积变形 ▪ 角度变形
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定位框架 地图投影变形的图解示例
（摩尔维特投影－等积伪圆柱投影）
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长度变形 角度变形
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定位框架地图投影变形的图解示例
（UTM－横轴等角割圆柱投影）
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面积变形和长度变形
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定位框架
常识:我国常用地图投影
▪ 1:100万： Lambert投影（正轴等积割圆锥投影）
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三、空间数据的拓扑关系
▪ 描述空间对象之间的空间相互作用关系,拓扑 关系是明确定义空间结构关系的一种数学方 法。
从拓扑的观点看只关心空间点、线、面之间的关系, 以反映其逻辑关系，而不关心其几何形状。因此， 拓扑信息是一种性能比较稳定的信息.如它不受投影 关系、比例尺而变化。
C B
➢ 属性信息
➢ 定位信息（理论基础是几何学geometry)
用空间坐标的位置、方向、角度、距离、
面积等信息描述物体的几何形状和数量特征;
拓扑信息（理论基础是拓扑学topology)
用几何关系的相连、相邻、包含等信息描 述物体元素之间的关系；
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§2 地理空间数据及其特征
一、 GIS空间数据的分类 二、空间数据的基本特征 三、空间数据的拓扑关系 四、空间数据的计算机表示
第二章 GIS的数据结构
1、地理空间及其表达 2、地理空间数据及其特征 3、空间数据结构的类型 4、空间数据结构的建立
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1
§1 地理空间及其表达
1.1 地理空间的概念 ▪ GIS的地理空间
GIS 在空间定位采用空间定位框架来实现,大地测量控制 系统，用以建立地球的几何模型来精确的测量地球上任一点， 包括平面位置和高程。
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§2 地理空间数据及其特征
一、 GIS空间数据的分类 二、空间数据的基本特征 三、空间数据的拓扑关系 四、空间数据的计算机表示
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一、空间数据的分类
（一）按数据来源分: 地图数据：主要的数据来源 影像数据：重要的数据来源 文本数据：各类调查报告、实测数据、文献资料等