第二章 地理信息系统的数据结构
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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 地理信息系统的数据结构ppt课件
第二章 GIS数据结构
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
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。
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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
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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
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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
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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。
第二章 地理信息系统的数据结构
▪ 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；
▪ 属性特征是指空间对象的专题属性；
▪时间特征是指空 间对象随着时间 演变而引起的空 间和属性特征的 变化。
▪ 对于绝大部分地理信息系统的应用来说， 空间特征数据包括地理实体或现象的定位 数据和拓扑数据，时间和专题属性数据结 合在一起共同作为属性特征数据，而空间 特征数据和属性特征数据统称为空间数据 （或地理数据）。
d元数据的类型
▪ 1）根据元数据的内容分类 科研型元数据 评估型元数据 模型元数据
2）根据元数据描述对象分类 数据层元数据 属性元数据 实体元数据
d元数据的类型
▪ 3）根据元数据在系统中的作用分类 系统级别元数据 应用层元数据
▪ 4）根据元数据的作用分类 说明元数据 控制元数据
e空间数据元数据的标准
е3
N4
е4
P4 е7
N3
е1
4、多边形与弧段的拓扑关系
P1
多边形
弧段
N2
е5
P1 е1 е5 е6 P2 е2 е4 е5
P2
P3 е3 е4 е6 е7
е2
•
•
•
•
•
•
NNе416 е4
1）地理空间定位框架
▪ 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；
▪ 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。
黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪
3、间隔（Interval）量 泽湖和太湖等。
第二章 地理信息系统的数据结构
结点与弧段的拓扑关系
结 点 A B C D E
弧 a, a, d, b, g
段 c, d, e, f,
e b f c
弧段与结点的拓扑关系
弧段 a b c d e f g
结 点 A , B B , D D , A B , C C , A C , D E , E
弧段与面的拓扑关系
弧段 a b c d e f g
A
A
A
B
B
A D
A C
C C
C C
C A
D
C
C
A
A
D
D
A
A
A
四叉树编码
四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据 压缩编码方法之一。四分树将整个图像区域逐步分 解为一系列方形区域，且每一个方形区域具有单一 的属性。最小区域为一个象元。
GIS中的拓扑关系的表达
拓扑关系具体可由4个关系表来表示：
（1） 面—弧关系：
（2） 弧--结点关系：
面 弧
弧段 两端的结点
（3） 结点—弧关系：
（4） 弧—面关系：
结点
弧
通过该结点的弧
左面 右面
面与弧段的拓扑关系
面 域 P1 P2 P3 P4
弧 a, b, c, g
段 b, c, -g d, f f, e
地理实体的几何形状和空间分布
计算机中空间实体的表达
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）,如下图。
道 河 湖泊
路
第二章 地理信息系统的数据结构2.42.6
1．点—点关系
点和点之间的关系主要有两点（通过某 条线）是否相连，两点之间的距离是多少？ 如城市中某两个点之间可否有通路，距离是 多少？这是在实际生活中常见的点和点之间 的空间关系问题。
四、空间实体之间的空间关系
2．点—线关系
点和线的关系主要表现在点和线的关联关 系上。如点是否位于线上，点和线之间的距 离等等。
一、空间对象的空间关系
空间关系是指地理空间实体对象之间空 间相互作用关系。包括度量空间关系；方向 空间关系；拓扑空间关系等。
1．度量空间关系
描述空间对象之间的距离等。基本空间 对象度量关系包含点/点、点/线、点/面、线/ 线、线/面、面/面之间的距离。
一、空间对象的空间关系
2．方向空间关系
又称为方位关系、延伸关系，它定义了 地物对象之间的方位，如“河北省在河南省 北面”就描述了方向关系。
二、拓扑关系的意义
2．利用拓扑关系有利于空间要素的查询。
例如某条铁路通过哪些地区； 某县与哪些县邻接； 某条河流能为哪些政区的居民提供水源； 与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些； 确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区； ……
二、拓扑关系的意义
3．可以利用拓扑数据重建地理实体。
如建立封闭多边形； 实现道路的选取； 进行最佳路径的计算； ……
1. 栅格数据结构概念
基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构， 又称网格结构或像元结构，是指将空间分割成 有规则的网格，称为栅格单元，在各个栅格单 元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种 数据组织方式。
点由一个单元网格表示； 线由一串有序的相互连接的单元网格表示，各
个网格的值相同； 多边形由聚集在一起的相互连接的单元网格组
点和点之间的关系主要有两点（通过某 条线）是否相连，两点之间的距离是多少？ 如城市中某两个点之间可否有通路，距离是 多少？这是在实际生活中常见的点和点之间 的空间关系问题。
四、空间实体之间的空间关系
2．点—线关系
点和线的关系主要表现在点和线的关联关 系上。如点是否位于线上，点和线之间的距 离等等。
一、空间对象的空间关系
空间关系是指地理空间实体对象之间空 间相互作用关系。包括度量空间关系；方向 空间关系；拓扑空间关系等。
1．度量空间关系
描述空间对象之间的距离等。基本空间 对象度量关系包含点/点、点/线、点/面、线/ 线、线/面、面/面之间的距离。
一、空间对象的空间关系
2．方向空间关系
又称为方位关系、延伸关系，它定义了 地物对象之间的方位，如“河北省在河南省 北面”就描述了方向关系。
二、拓扑关系的意义
2．利用拓扑关系有利于空间要素的查询。
例如某条铁路通过哪些地区； 某县与哪些县邻接； 某条河流能为哪些政区的居民提供水源； 与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些； 确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区； ……
二、拓扑关系的意义
3．可以利用拓扑数据重建地理实体。
如建立封闭多边形； 实现道路的选取； 进行最佳路径的计算； ……
1. 栅格数据结构概念
基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构， 又称网格结构或像元结构，是指将空间分割成 有规则的网格，称为栅格单元，在各个栅格单 元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种 数据组织方式。
点由一个单元网格表示； 线由一串有序的相互连接的单元网格表示，各
个网格的值相同； 多边形由聚集在一起的相互连接的单元网格组
地理信息系统的数据结构
1102：导线点
12：高程控制点
13：其他控制点
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20
矢量数据的输入与编辑
▪ 矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图
形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结
构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去； ▪ 空间数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入
的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的 操作。
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10
第三节 空间数据结构的类型来自拓扑数据举例 C4N4 N1
C1 P2
C6
C8
P1 C3
P3 N2 C5 N5
C2 C9
N3
C7 N7
P5
P4
N6
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C10
11
第三节 空间数据结构的类型
弧段号
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10
起结点 终结点
N1
▪ 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）,如下图。
道 河
湖泊
路
流
居民地
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3
第二节 地理空间数据及其特征
GIS的空间数据
▪ 空间数据可以按照数据项、空间对象和 图形特征的不同分为各种不同的类型；
▪ 对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定 的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。
空间数据的分类和编码
▪ 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(见下 图)；
第2章地理信息系统数据结构
:
目录
第1章 导论 第2章 地理信息系统的数据结构 第3章 地理信息系统空间数据库 第4章 空间数据采集与处理 第5章 空间分析的原理与方法 第6章 地理信息系统的应用模型 第7章 地理信息系统的设计与评价 第8章 地理信息系统产品的输出设计
学习目标：
理解和掌握空间数据的拓扑关系 掌握栅格数据的表示及其压缩方法 掌握栅格模型与矢量模型的优缺点 理解编码的方法、意义、原则、应注
意的问题
重难点：拓扑数据结构、栅格数据结构
及压缩方法
第2章 地理信息系统的数据结构
第1节 地图空间及其表达 第2节 地理空间数据及其特征 第3节 空”的概念是GIS的重要概念。
地理空间（geo-spatial）是指物质、能量、 信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分 布方式和格局及其在时间上的延续，一般包括地 理空间定位框架及其所联结的特征实体。
（1）我国基本比例尺地形图，除1:100万外均采用高 斯——克吕格投影为地理基础。
（2）我国1:100万地形图采用Lambert投影，其分幅原 则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地 图投影保持一致。
（3）我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图 也多采用Lambert投影和属于同一系统的Albers投影。
地球自然表面 →地球物理表面 →地球数学表面
地球的自然表面、大地水准面和椭球体模型之间的关系
三、地理空间参照系的建立
地理空间参照系是表示地理实 体的空间参照系统，在GIS中，一个 基本原则是，所有的空间数据都必 须纳入统一的地理空间参照系。主 要有地理坐标系统和投影坐标系统。
1、地理坐标系统
地理坐标系统是为了确定地面点的位置， 而定义的以经纬度为坐标量测值得空间参照 系。
目录
第1章 导论 第2章 地理信息系统的数据结构 第3章 地理信息系统空间数据库 第4章 空间数据采集与处理 第5章 空间分析的原理与方法 第6章 地理信息系统的应用模型 第7章 地理信息系统的设计与评价 第8章 地理信息系统产品的输出设计
学习目标：
理解和掌握空间数据的拓扑关系 掌握栅格数据的表示及其压缩方法 掌握栅格模型与矢量模型的优缺点 理解编码的方法、意义、原则、应注
意的问题
重难点：拓扑数据结构、栅格数据结构
及压缩方法
第2章 地理信息系统的数据结构
第1节 地图空间及其表达 第2节 地理空间数据及其特征 第3节 空”的概念是GIS的重要概念。
地理空间（geo-spatial）是指物质、能量、 信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分 布方式和格局及其在时间上的延续，一般包括地 理空间定位框架及其所联结的特征实体。
（1）我国基本比例尺地形图，除1:100万外均采用高 斯——克吕格投影为地理基础。
（2）我国1:100万地形图采用Lambert投影，其分幅原 则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地 图投影保持一致。
（3）我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图 也多采用Lambert投影和属于同一系统的Albers投影。
地球自然表面 →地球物理表面 →地球数学表面
地球的自然表面、大地水准面和椭球体模型之间的关系
三、地理空间参照系的建立
地理空间参照系是表示地理实 体的空间参照系统，在GIS中，一个 基本原则是，所有的空间数据都必 须纳入统一的地理空间参照系。主 要有地理坐标系统和投影坐标系统。
1、地理坐标系统
地理坐标系统是为了确定地面点的位置， 而定义的以经纬度为坐标量测值得空间参照 系。
第二章 地理信息系统的数据结构
大地坐标确定后，空间一点的 大地坐标用大地经度L、大地纬 度B和大地高度H表示。如右图 所示，地面上的点P地的大地子 午面NPS与起始大地子午面所构 成的二面角L，叫点P地的大地经 度。点P地对于椭球的法线P地Kp 与赤道面的夹角B，叫做点P地的 大地纬度。点P地沿法线到椭球 面的距离H叫做大地高，从椭球 面起算，向外为正，向内为负 。
即人们假想，将大地体
地球的数学表面
绕短轴飞速旋转，形成 一个表面光滑的球体，
在测量和制图中就用旋转椭球体来代即替旋大转椭地球球体体，这
个旋转椭球体通常称为地球椭球体，简称椭球体。
它是一个规则的 数学表面，所以人 们视其为地球体的 数学表面，也是对 地球形体的二级逼 近，用于测量计算 的基准面。
椭球体三要素: 长轴 a（赤道半径）、短轴 b（极半径）和椭球的扁率 f
机舱窗口俯视大地 : 地表是一个有些微起伏、极其复杂的表面。
—— 珠穆朗玛峰与太平洋的马里亚纳海沟之间高差近20km。
事实是（天文测量、地球重力测量、卫星大地测量）：
地球不是一个正球体，而是一个极半径略短、赤道半 径略长，北极略突出、南极略扁平，近于梨形的椭球体。
地球南北半径之差仅在几十米范围内，相比地球极半径 与赤道半径之差（20公里）是十分微小的。
Equator
Polar Axis
b
a
Equatorial Axis
f = —aa-—b = —63—781—63377—8-16—3375—67—52.—3
South Pole
—1f = 298.257
对 a，b，f 的具体测定就是近代 大地测量的一项重要工作。
空间参考系统
GIS的研究对象是具有空间内涵的地理数据。地理数 据与其位置的识别联系在一起，它是通过公共的地理基础 ——统一的空间参考系统来实现。
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优点：椭球体参数精度高；参数是一个完整的系统；定位所决定的椭球
体面与我国大地水准面符合的好；误差小。 (3)1985国家高程基准
《地理信息系统概论》
一、地理空间(Geo-spatial)的概念
二、空间实体及表达
1、空间实体及类型
空间实体：
指具有形状、属性和时序特征的空间对象，它是对存在于自然世界中地 理实体的抽象。
面-点空间关系的形式化表达
线-点空间关系的形式化表达
在空间实体组合关系研究中，可以使用“九交模型”来表示。
《地理信息系统概论》
四、空间实体的拓扑关系
1、拓扑概念 拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的 几何属性—拓扑属性。 拓扑学为空间关系的研究提供了数学方法，它研究的不是几何体的 面积、周长、边长，而是将几何体抽象成点、线、面等元素，再研究 其间的关系。
+ + + + +
(a) 点的栅格表达 (b) 线的栅格表达
栅格表示法的精度：依赖于每个栅格单元所实际代表
的地面区域的大小，栅格代表的区域越小，精度越高。
每个栅格单元的数值实际上代表的中心值。
(c) 面的栅格表达
《地理信息系统概论》
第一节
矢量表达和栅格表达
地理空间及其表达
道
河
湖泊
居民地 路 流
《地理信息系统概论》
专题地图
《地理信息系统概论》
南京地区彩色红外照片
《地理信息系统概论》
矢量数据：点
《地理信息系统概论》
矢量数据：线
《地理信息系统概论》
矢量数据：面
《地理信息系统概论》
属性数据
《地理信息系统概论》
栅格数据
《地理信息系统概论》
数字高程模型
《地理信息系统概论》
二、空间数据基本特征
属性特征
表示地理实体的名称、类型和数量等。
时间特征
指实体随时间而发生的相关变化。
《地理信息系统概论》
二、空间数据基本特征
空间特征示意：空间对象的位置及相邻对象的空间关系
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；
《地理信息系统概论》
三、空间实体的空间关系
1、空间实体关系研究的意义
N2 P3 C2 C5 P4 C4 N3 C1 P1 N4 C6 P2 C3 N1
多边形（Polygon）：由弧段组成的封闭区。 P1… P4
3、基本元素之间可能的6种关系：
点 – 点
点 – 线 点 – 面
线 – 线
线 – 面 面 – 面
关系的性质为:关联、相邻、包含、相交、相离、相重等关系。
《地理信息系统概论》
面：位置(x1 ， y1 ), (x2 ，y2 ) ， … ，
(x n ， y n )
属性：符号变化，等值线
《地理信息系统概论》
第一节
地理空间及其表达
矢量表达法示意（ 体：TIN ）
把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点(Nodes)
之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边(Edges)组成的。
结点可以位于任何地方,但是结点布置得好坏,直接影响到连续面模型的
精度，好的结点应位于表面形状发生显著变化的地方。
三角形不规则网的表达
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第一节
TIN表达示意
地理空间及其表达
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第一节
（2）栅格表达法
地理空间及其表达
点：具有一定数值的删格单元 线：表现为按线特征相连接的一组单元 面：表现为按二维形状特征相连接的一组单元
面实体
不连续变化曲面，如土壤、森林、土地 利用等，属性变化发生在边界上，面的 内部是同质的。
不连续变化曲面
连续变化曲面，如地形起伏，整个曲 面在空间上曲率变化连续。
连续变化曲面
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第一节
体
地理空间及其表达
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
第二章
第一节 地理空间及其表达
GIS数据结构
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
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第一节
地理空间及其表达
一、地理空间(Geo-spatial)的概念
地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活
动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。
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
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第二节
地理空间数据及特征
一、GIS中的空间数据分类
(一)按数据来源分类 地图数据、影像数据、文本数据 (二)按数据结构分类 矢量数据、栅格数据 (三)按数据特征分类 空间数据、属性数据 (四)按几何特征分类 点、线、面、曲面、体 (五)按数据发布形式分类 数字线画图、数字栅格图、数字高程模型、数字正射影像图
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四、空间实体的拓扑关系
拓扑变换示意 拓扑属性： 在右图中，点、线和多边形之间的连 接、相邻、包含等关系，无论图形如何 变化，都不会改变，即不受投影关系、 比例尺而变化。
．
．
非拓扑属性：
随着图形的变化，线的长度、面积等 将发生变化。
．
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四、空间实体的拓扑关系
2、拓扑学中的基本元素 结点（Node）：弧段的交点，N1… N4 弧段（Arc）：相邻两结点之间的坐标链， C1… C7
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二、空间实体及表达
2、空间实体的表达（计算机）
矢量表达 在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢 量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把
地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。
栅格表达 在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为
线——点
线——线
线——面
铁路 小镇 铁路过小镇吗？
ˆ ˆ ˆ ˆˆ
河流
ˆ ˆˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ
河流 小路 河流在区域吗？
小路
小路穿过河流吗？
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三、空间实体的空间关系
面——点
面——线
面——面
˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜˜˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜
邮局 区域有邮局吗？
˜ ˜ ˜ ˜ ˜˜ ˜ ˜ ˜ ˜˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜
弧段
C5 C4 C6 . . .
左多边形
P1 P2 P2 . . .
右多边形
P3 P3 P1 . . .
fp fp = a—c a
双轴椭球体模型 依据不同的大地水准面测量的数据，可以得到不同的三轴椭球体数学模
型。较为常用的即用a代替b，双轴椭球体模型也称为旋转椭球体。
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一、地理空间(Geo-spatial)的概念
2、 地理空间（大地）坐标系 地理（大地）坐标系 地球上任意一点通常用经度和纬度来决定 。经线和 纬线是地球表面上两组正交（相交为90度）的曲线， 这两组正交的曲线构成的坐标，称为地理坐标系。 优点：对空间位置的确定比较有利。 缺点：它是一种球面坐标，难以进行距离、方向 、面积等参数的计算。 笛卡儿平面直角坐标系
正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小
块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或 网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数
字遥感图象就是栅格数据结构。
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第一节
（1）空间实体的矢量表达
矢量维数 零维 实体类型 点 空间表达 实数对（x ，y）
时间特征：随着时间的推移，道路还将发生变化。
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二、空间数据基本特征
空间特征 空 间 数 据 特 征
指地理实体的空间位置及相互关系： ①空间位置特征：实体在一定的坐标参考系中的空间 位置，通常用地理坐标系、平面直角坐标系来表示。 ②空间关系特征：实体之间存在的一些具有空间特性 的关系。如：拓扑关系、方位关系、度量关系
四、空间实体的拓扑关系
4、空间实体的三种拓扑关系 拓扑关系是研究空间实体关系的数学方法，它主要包括拓扑邻接、
拓扑关联及拓扑包含。
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四、空间实体的拓扑关系
(1) 拓扑邻接性
指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系，如结点与结点之间 的邻接关系，多边形与多边形的邻接关系。
多边形邻接
地理空间及其表达
描述 一个数据点，具有一对(x，y)坐标和至 少一个属性，逻辑上不能再分。
代表地物 水井、污染源 等。
一维
线：弧、 链
面：多边 形
一组离散化的实数点对
具有相同属性的点的轨迹，由坐标对序 道路、公共设 列表示，坐标对的顺序与线的形状有关， 施网等。 线上每个点有不多于二个的邻点。
所有具有相同属性点的轨迹，以(x，y) 坐标队的集合表示，坐标队的排列顺序 不影响面的形态、其内部点可以有多于 三个的邻点，面内点具有相同属性。 土壤、植被、 岩石分类区、 行政区划等。
下面以一幅交通图为例，来了解空间数据都有哪些特征?
定位信息：C1、C2、C3三条道路在不同的空间位置。 关联关系：主干道与次干道在结点N2处相联接，主干道的 结点N1和N2相邻接，结点N2分别与三条路段C1、C2和C3相关 联等，这些统称为拓扑关系；C3在C6的左边，称为方位关系； 道路有一定的长度，称为度量关系。 属性信息：道路分别具有不同的等级