空间数据的表达第四章解析
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《测绘学概论》课程笔记
《测绘学概论》课程笔记第一章：测绘学总论1.1 测绘学的基本概念测绘学是一门研究地球形状、大小、重力场、表面形态及其空间位置的科学。
它的主要任务是对地球表面进行测量，获取地球表面的空间信息，并对其进行处理、分析和应用。
测绘学的研究对象包括地球的形状、大小、重力场、表面形态等自然属性，以及人类活动产生的各种地理现象和空间信息。
1.2 测绘学的研究内容测绘学的研究内容主要包括以下几个方面：（1）大地测量学：研究地球的形状、大小和重力场，建立地球的数学模型，为各种测量提供基准。
（2）摄影测量学：利用航空或卫星摄影技术，获取地球表面的空间信息，并通过图像处理技术对其进行解析和应用。
（3）全球卫星导航定位技术：利用卫星导航系统，如GPS、GLONASS、北斗等，进行地球表面空间位置的测量和定位。
（4）遥感科学与技术：利用遥感技术，如卫星遥感、航空遥感等，获取地球表面和大气的物理、化学和生物信息，并进行处理和应用。
（5）地理信息系统：利用计算机技术，对地理空间信息进行采集、存储、管理、分析和可视化，为地理研究和决策提供支持。
1.3 测绘学的现代发展随着科技的发展，测绘学进入了一个新的发展阶段。
现代测绘技术主要包括卫星大地测量、数字摄影测量、激光扫描、遥感技术、地理信息系统等。
这些技术的发展，使得测绘工作更加高效、精确和全面，为地球科学、资源调查、环境保护、城市规划等领域提供了强大的支持。
1.4 测绘学的科学地位和作用测绘学在科学体系中占有重要地位，它是地球科学的基础学科之一，为其他学科提供了重要的数据支持。
同时，测绘学在国民经济和国防建设中发挥着重要作用，如土地管理、城市规划、环境监测、资源调查、灾害预警等，都离不开测绘学的支持。
第二章：大地测量学2.1 概述大地测量学是测绘学的一个重要分支，主要研究地球的形状、大小、重力场及其变化，建立地球的数学模型，为各种测量提供基准。
大地测量学具有广泛的应用，如地球科学研究、资源调查、环境保护、城市规划等。
地理信息系统下的空间分析——第四章_栅格数据的空间分析方法
空值，有时也被称为null值，在所有操作符和函数中 对其处理方式是有别于任何其它值的。
被赋予空值的单元有两种处理方式：
（1）如果在一个操作符或局域函数、邻域函数中的邻域 或分区函数的分类区中的输入栅格的任何位置上存在空值， 则为输出单元位置分配空值。
（2）忽略空值单元并用所有的有效值完成计算。
6、关联表
栅格计算器由四部分组成左上部layers选择框为当前arcmap视图中已加载的所有栅格数据层列表双击一个数据层名该数据层便可自动添加到左下部的公式编辑中间部分是常用的算术运算符110小数点关系和逻辑运算符面板单击所需按纽按纽内容便可自动添加到公式编辑器中
第四章 栅格数据的空间分析算法
4.1 栅格数据 栅格数据是GIS的重要数据模型之一，基于栅格 数据的空间分析方法是空间分析算法的重要内容之 一。 栅格数据由于其自身数据结构的特点，在数据处 理与分析中通常使用线性代数的二维数字矩阵分析 法作为数据分析的数学基础。 栅格数据的空间分析方法具有自动分析处理较为 简单，而且分析处理模式化很强的特征。
地学信息除了在不同层面的因素之间存在着一定的制 约关系外，还表现在空间上存在着一定的制约关联性。
对于栅格数据所描述的某项地学要素，其中的某个栅 格往往会影响其周围栅格属性特征。准确而有效的反映这 种事物空间上联系的特点，是计算机地学分析的重要任务。 窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格 点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口，并 在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，或与 其他层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅格数据 有效的水平方向扩展分析。
带面积的点的精度为加减半个单元大小。这是用基于单 元的系统来工作必须付出的代价。
图4.9：点特征的栅格数据表示
被赋予空值的单元有两种处理方式：
（1）如果在一个操作符或局域函数、邻域函数中的邻域 或分区函数的分类区中的输入栅格的任何位置上存在空值， 则为输出单元位置分配空值。
（2）忽略空值单元并用所有的有效值完成计算。
6、关联表
栅格计算器由四部分组成左上部layers选择框为当前arcmap视图中已加载的所有栅格数据层列表双击一个数据层名该数据层便可自动添加到左下部的公式编辑中间部分是常用的算术运算符110小数点关系和逻辑运算符面板单击所需按纽按纽内容便可自动添加到公式编辑器中
第四章 栅格数据的空间分析算法
4.1 栅格数据 栅格数据是GIS的重要数据模型之一，基于栅格 数据的空间分析方法是空间分析算法的重要内容之 一。 栅格数据由于其自身数据结构的特点，在数据处 理与分析中通常使用线性代数的二维数字矩阵分析 法作为数据分析的数学基础。 栅格数据的空间分析方法具有自动分析处理较为 简单，而且分析处理模式化很强的特征。
地学信息除了在不同层面的因素之间存在着一定的制 约关系外，还表现在空间上存在着一定的制约关联性。
对于栅格数据所描述的某项地学要素，其中的某个栅 格往往会影响其周围栅格属性特征。准确而有效的反映这 种事物空间上联系的特点，是计算机地学分析的重要任务。 窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格 点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口，并 在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，或与 其他层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅格数据 有效的水平方向扩展分析。
带面积的点的精度为加减半个单元大小。这是用基于单 元的系统来工作必须付出的代价。
图4.9：点特征的栅格数据表示
第四章 空间数据的转换与处理
2.在数据框属性中定义或改变投影
4.1.2 投影变换
1. Raster数据的投影变换
2. Feature 数据的投影变换
4.1.3 数据变换
数据变换是指对数据进行诸如放大、缩小、翻转、移动、 扭曲等几何位置、形状和方位的改变等操作。
对矢量数据的相应操作在ArcMap中编辑工具条的若干工具实现。 而栅格数据的相应操作则集中于ArcToolbox的“Projections and Transformations”工具集中。以下分别就栅格数据的翻转 （Flip）、镜像（Mirror）、重设比例尺（Rescale）、旋转 （Rotate）、移动（Shift）和扭曲（Warp）等分别介绍。 1．Flip（翻转） 2．Mirror（镜像） 3．Rescale（重设比例尺） 4．Rotate（旋转） 5．Shift（偏移） 6．Warp（扭曲/翘曲） （将栅格数据通过输入的控制点进行
地球椭球体表面是曲面，而地图通常是要绘制在平面 图纸上，因此制图时首先要把曲面展为平面，然而球面 是个不可展的曲面。 由于球面上任一点的位置是用地理坐标（纬度j、经度 l）表示，而平面上点的位置是用直角坐标（纵坐标x、 横坐标y）或极坐标（距离ρ角度δ）表示，所以要想将 地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的数学方 法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。 这种在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学 方法，称为地图投影。
4.3.2 数据拼接
相对于上述的数据裁剪功能，ArcGIS同样提供了相关的工 具来对零散或者已经被分割的数据来进拼接操作。 数据拼接是指将空间相邻的数据拼接成为一个完整的目标 数据。因为研究区域可能是一个非常大的范围，跨越了若 干相邻数据，而空间数据是分幅存储的，因此要对这些相 邻的数据进行拼接。拼接的前提是矢量数据经过严格的接 边（关于数据接边的操作主要是在空间配准工具中进行。 在后面的章节中将会介绍）。空间数据拼接是空间数据处 理的重要环节，也是地理信息系统空间数据分析中经常需 要进行的操作。关于数据接边的操作在 Spatial Adjustment 工具中。
第四章空间数据结构
基本概念
• 弧段：构成多边形的线称为弧段，每个弧段可以有许 多中间点。
• 节点：两条以上弧段相交的点称为节点 • 岛：由一条弧段组成的多边形称为岛或洞。 • 简单多边形：多边形图中不含岛的多边形称为简单多
边形。 • 复合多边形：含岛的多边形称为复合多边形，包括为
边界和内边界，岛可以看做复合多边形的内边界。
C1,C5,C4
P3
C6,C7,C8
P4
C5,C7,C10,C2
….
节点 N1 N2 N3 N4 ….
C4
N4 N1
C1 P2 C6
C8
P1 C3
P3 N2 C5 N5
C2
C7
N7
C9 P5 P4
N3
N6
C10
点拓扑
坐标
X1,y1
X2,y2
X3,y3
X4,y4
线
C1,C4,C3 C1,C5,C2 C2,C3,C10 C4,C6,C8
线与多边形之间的树状索引
点与多边形之间的树状索引
树状索引编码消除了相邻多边形边界的数据冗 余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合并 相邻多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信 息可以通过对多边形文件的线索引处理得到，但是比 较繁琐，因而给相邻函数运算，消除无用边，处理岛 状信息以及检查拓扑关系带来一定的困难，而且两个 编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错 。
矢量数据结构
矢量数据结构是对矢量数据模型进行数据的 组织，通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、 线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允 许任意位置、长度和面积的精确定义。
其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字 长的限制。
矢量数据
第4章 空间信息的三维表达
第一节 数字地形模型
数字地形模型（Digital Terrain model，即DTM）是各类三维地 表可视地形模型的重要组成部分，它以离散分布的平面来模拟 连续分布的地形。其关键技术是DEM（数字高程模型）的构建与 表达。DEM数据组织目前主要有两大类，即：基于规则格网和基 于不规则三角网。如下图
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实体法构模 So lid 法的实质是N etwo rk 与B lock的混合, 优点是能精 确表达较复杂地质结构和进行体积计算以及储量估算。三维 地学模拟中, 这几种方法在国外已有成功应用, 而国内应用尚 不多见。
返回
体视化技术 体视化技术, 是在吸收计算机图形学、图像处理和计算 机视觉等相关学科知识的基础上发展起来的一门研究体数据 的交叉学科。近10 年来, 体视化技术从概念、原理、方法到 硬件系统得到了全面发展,逐步形成了一套完整的技术。国外 将体视化技术应用于三维地学模拟的典型代表是L YNX 的三 维CM 技术。 三维地学模拟体视化技术的实质是以三维基元(体素) 来 描述整个物体,它包含物体内外的全部信息。对体数据显示有 两种基本方法: 基于表面重建的显示(Su rface-based Rendering ) 和基于体素的显示(Voxel-based Rendering ) 或直接体视( Direct Volumn Rendering) , 最终将都生成一个显示图像。
x - xa y – ya z- za xb – xa yb - ya zb – za = 0 xc – xa yc - ya zc - za
二 不规则格网建立方法
不规则格网（TIN三角形网）的建立，在国内外有大量文 献对TIN三角形的建立方法进行了研究，其中Delaunay 三角 形格网是其典型，其基本建立原则是： 1、唯一性，即不论从数据的哪个三角形开始扩展，最终 所得三角网的构成都是相同的，保证了成图一致性。 2、空圆性，即在任意一个三角形的外接圆范围内不会有 其他点位于其内并与其通视。 3、最大最小角特性, 即任意两个相邻的三角形组成的凸四 边形的对角线如果可互换且换的话, 那么两个三角形6 个内角 中最小的角度不会变大。该性质说明三角形具有最佳形状特 征。
第四章 空间数据库
4 点-线查询 查询某点实体一定范围内的线实体。步骤
： (1)激活点图层，选择一个点
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(2)SQL查询 激活线图层，输入查询条件
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5 线-线查询
查询与某个线实体相连的其他线实体。步骤：
(1)激活线图层，选择一条线
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本次您浏览到是第十四页，共四十三页。
网状模型用连接指令或指针来确定数据间的显 式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方 式 。网络模型将数据组织成有向图结构，结构 中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间 的关系。
存在以下问题：1）结构复杂，增加了用户查询 和定位的困难。要求用户熟悉数据的逻辑结构， 知道自身所处的位置。（2）网状数据操作命令 具有过程式性质（3）不直接支持对于层次结构 的表达。
(2)SQL查询
输入查条件
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6 面-线查询 查询经过某个面实体的线实体。步骤：
(1)激活面图层，选择一个面
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(2)SQL查询 激活线图层，输入查询条件
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7 点-面查询
查询某个点实体被包含在哪个面实体内部。 步骤： (1)激活点图层，选择一个点
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点、线、面实体相互关系的9种查询： 1 点-点查询
查询某点实体给定距离范围内的其他点 实体。如200km。步骤： (1)激活点图层，选择一个点
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(2)SQL查询（200km以内的其他点）
第四章-空间数据库
1 2 3 4 5
x
26.7 28.4 46.1 31.3 68.4
y
23.5 46.5 42.5 45.6 38.7
地 图
M
Ⅰ
Ⅱ
2 a 1
b Ⅰ d c 4
3
e Ⅱ g
5 f
M
多 形 边
Ⅰ Ⅱ
点
a c b e c f d g
1 2 3 4
x1 x2 x3 x4 x5 x6
y1 y2 y3 y4 t5 y6
学校名称 西北大学
系名 教师数 学生数 研究生 系名 教师数 学生数 研究生 城资系 系名 52 教师数 300 学生数 70 研究生 49 257 71 地质系 化学系
学号 姓名 年级 籍贯 系名 教师数 学生数 002312 系名 张三 教师数 3 学生数广东 研究生
教师号 姓名 年龄 职称 系名 教师数 学生数 66 系名 李四 教师数 30 学生数教授 研究生
数据库技术是20世纪 年代初开始发展起来的一 数据库技术是 世纪60年代初开始发展起来的一 世纪 门数据管理自动化的综合性新技术。 门数据管理自动化的综合性新技术。 一、数据库 数据库： 为了一定的目的 ， 在计算机系统中以特定的 数据库 ： 为了一定的目的， 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 空间数据库： 即地理信息系统的数据库， 空间数据库 ： 即地理信息系统的数据库 ， 是某区域内 关于一定地理要素特征的数据集合。 关于一定地理要素特征的数据集合。
1、计算机对数据的管理阶段
经过了三个阶段 ： 程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段
（1）程序管理阶段 变量赋值、运算、输出均在一个程序中进行，值变程 序就变。 如：add.c #include “stdio.h” main() { int a,b,c; a=3; b=5; c=a+b; printf(“c=%d\n”,c); } 编译后生成add.exe。
x
26.7 28.4 46.1 31.3 68.4
y
23.5 46.5 42.5 45.6 38.7
地 图
M
Ⅰ
Ⅱ
2 a 1
b Ⅰ d c 4
3
e Ⅱ g
5 f
M
多 形 边
Ⅰ Ⅱ
点
a c b e c f d g
1 2 3 4
x1 x2 x3 x4 x5 x6
y1 y2 y3 y4 t5 y6
学校名称 西北大学
系名 教师数 学生数 研究生 系名 教师数 学生数 研究生 城资系 系名 52 教师数 300 学生数 70 研究生 49 257 71 地质系 化学系
学号 姓名 年级 籍贯 系名 教师数 学生数 002312 系名 张三 教师数 3 学生数广东 研究生
教师号 姓名 年龄 职称 系名 教师数 学生数 66 系名 李四 教师数 30 学生数教授 研究生
数据库技术是20世纪 年代初开始发展起来的一 数据库技术是 世纪60年代初开始发展起来的一 世纪 门数据管理自动化的综合性新技术。 门数据管理自动化的综合性新技术。 一、数据库 数据库： 为了一定的目的 ， 在计算机系统中以特定的 数据库 ： 为了一定的目的， 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 空间数据库： 即地理信息系统的数据库， 空间数据库 ： 即地理信息系统的数据库 ， 是某区域内 关于一定地理要素特征的数据集合。 关于一定地理要素特征的数据集合。
1、计算机对数据的管理阶段
经过了三个阶段 ： 程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段
（1）程序管理阶段 变量赋值、运算、输出均在一个程序中进行，值变程 序就变。 如：add.c #include “stdio.h” main() { int a,b,c; a=3; b=5; c=a+b; printf(“c=%d\n”,c); } 编译后生成add.exe。
地理信息系统教程(第4章 空间数据处理 2011-05-09)
3、投影变换
假定原图点的坐标为x,y(称为旧坐 标)，新图点的坐标为X，Y(称为新坐 标)，则由旧坐标变换为新坐标的基 本方程式为： 1、解析变换法 2、数值变换法 3、数值解析变换法
§4-3 空间数据格式转换
一、矢量向栅格转换
点：简单的坐标变换 线：线的栅格化 面：线的栅格化 +面填充 （一）线的栅格化 1、DDA法(数字微分分析法) 2、Bresenham算法 （二）面(多边形)的填充方法 1、内部点扩散法（种子扩散法） 2 3、边界代数法
a a a a a a b
a
576654323 … 优点：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向 和边界、线段凹凸度的计算。 缺点：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变 整体结构）。区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。
第四章空间数据的处理
§4-4 空间数据的压缩处理
§4-3 空间数据格式转换
二、栅格向矢量转换
方法一，实际应用中大多数采用人工矢量化法，如扫描矢量化，该 法工作量大，成为GIS数据输入、更新的瓶颈问题之一。
方法二，程序转化转换（全自动或半自动）
过程为：
遥感影象图 分 类 图 扫描 二值化
栅格分类图
原始线划图
边界 提取 预 处 理
二值化 细化
编 辑
内插
外推
1、局部内插法 利用局部范围内的已知采样 点的数据内插出未知点的数据。
1）线性内插
将内插点周围的3个数据点的数据值带入多项式，即可解算出系数a0、a1、a2 。
2）双线性多项式内插
将内插点周围的4个数据点的数据值带入 多项式，即可解算出系数a0、a1、a2、a3 。 当数据是按正方形格网点布置:
地理信息系统原理与应用4 空间数据获取和处理1.4 第四章 数据的处理和集成
噪声：是指不属于地图内容的斑点污渍和其他模糊不清 的东西形成的像元灰度值。
第四章 空间数据的获取与处理
4.1 空间数据的获取 4.1.2 空间数据的采集
1.图形数据的采集 2.属性数据的采集
对于要输入属性库的属性数据，通过键盘直接键 入或文件、表格、数据库导入。 对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性 数据，则必须进行编码输入。
人口普查 社会经济调查 各种统计资料
统计图表
文件 统计数据 实验数据
电子数据 地全球站物仪遥理、感、G数地P据S球数化据学已建G各IS种数数据据库
野外调查的原始记录等
4.1.1 数据源的种类
确定应用哪些类型的数据是由系统的功能确定。
土地的适宜性和承载力的信息系统： 地形、土壤类型、降雨、地下水位、运输条件等。
第四章 空间数据的 获取与处理
复习：
地理信息系统 GIS的组成
GIS是由计算机硬件、软件和不 同方法组成的系统，该系统设计 支持空间数据的采集、管理、处 理、分析、建模和显示，以便解 决复杂的规划和管理问题。
系统管理操作人员
系系 空间 统 统 数据 硬 软
件件
复习：
空间数据特征
空间位置 属性特征 时态特征
<1 m ： 1 1 ~ 2 m： 2 2 ~ 5 m： 3 5 ~ 20 m： 4 20 ~ 50 m：5 >50m： 6
5 ~ 10 m ： 1 10 ~ 20 m： 2 20 ~ 30 m： 3 30 ~ 60 m： 4 60 ~ 120 m： 5 120 ~300 m：6 300 ~500 m：7 >500m： 8
登记部分 分类部分 控制部分
第四章 空间数据的获取与处理
第四章 空间数据的获取与处理
4.1 空间数据的获取 4.1.2 空间数据的采集
1.图形数据的采集 2.属性数据的采集
对于要输入属性库的属性数据，通过键盘直接键 入或文件、表格、数据库导入。 对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性 数据，则必须进行编码输入。
人口普查 社会经济调查 各种统计资料
统计图表
文件 统计数据 实验数据
电子数据 地全球站物仪遥理、感、G数地P据S球数化据学已建G各IS种数数据据库
野外调查的原始记录等
4.1.1 数据源的种类
确定应用哪些类型的数据是由系统的功能确定。
土地的适宜性和承载力的信息系统： 地形、土壤类型、降雨、地下水位、运输条件等。
第四章 空间数据的 获取与处理
复习：
地理信息系统 GIS的组成
GIS是由计算机硬件、软件和不 同方法组成的系统，该系统设计 支持空间数据的采集、管理、处 理、分析、建模和显示，以便解 决复杂的规划和管理问题。
系统管理操作人员
系系 空间 统 统 数据 硬 软
件件
复习：
空间数据特征
空间位置 属性特征 时态特征
<1 m ： 1 1 ~ 2 m： 2 2 ~ 5 m： 3 5 ~ 20 m： 4 20 ~ 50 m：5 >50m： 6
5 ~ 10 m ： 1 10 ~ 20 m： 2 20 ~ 30 m： 3 30 ~ 60 m： 4 60 ~ 120 m： 5 120 ~300 m：6 300 ~500 m：7 >500m： 8
登记部分 分类部分 控制部分
第四章 空间数据的获取与处理
第四章 空间统计分析
1 当区域i和j的距离小于d时 wij 其它 0
（二）全局空间自相关
衡量空间自相关的指标有Moran指数I、Geary系数C、 G统计量等，他们都有全局指标和局部指标两种。全 局空间关联指标用于探测某现象在整个研究区域的 空间分布模式,分析其是否有聚集特性存在。 Moran指数I是由 Moran于 1948年提出的 ,反映的是 空间邻接或空间邻近的区域单元属性值的相似程度。 Geary 系数与Moran指数存在负相关关系。 由于 Moran指数不能判断空间数据是高值聚集还是 低值聚集 , Getis和 Ord于 1992提出了全局 G系数。 G系数一般采用距离权 , 要求空间单元的属性值为正。
S0 Wij
i 1 j n n
S1 Wij Wji
i 1 j 1
n
n
2
2
4 n xi x n n 2 S3 Wi. W .i k i 1 2 i 1 n 2 xi x n Wi.为空间相临权重矩阵i 行 W.i为i 列 j 1
第1节 探索性空间统计分析
一、基本原理与方法 （一）空间权重矩阵 （二）全局空间自相关 （三）局部空间自相关 二、应用实例 三、软件实现
一、基本原理与方法
空间自相关(Spatial autocorrelation)是指同一个变量在 不同空间位置上的相关性。目的在于检验空间单元与其 相邻的空间单元的属性间是否具相似性。 如何定义“相邻”？——空间权重矩阵 空间自相关分析可分以下 3个过程: 首先建立空间权重矩阵,以明确研究对象在空间位置上的 相互关系; 其次进行全局空间自相关分析,判断整个区域是否存在空 间自相关现象或集聚现象; 最后进行局部空间自相关分析,找出空间自相关现象存在 的局部区域。
地理信息系统空间数据库
层次、网状显式地描述关系，但不自然；关系模型联系隐 含，必须检索全部记录才能确定。
（3）语义贫乏
用单一结构描述描述“交互”、“从属”、“构成”等众 多联系，语义上无法区别。
（4）数据类型太少
只提供常用的简单数据类型，不能自定义新的数据类型。
一、语义数据模型
－实体联系模型（E –R模型）
• 提供三种语义概念：
全信息对象：包含空间、时态和属性信息的地理对象。
全信息对象模型：运用面向对象设计技术，将对象的空 间、属性随时间变化的信息封装。每个全信息对象有 多个时态版本。
Hale Waihona Puke he End第四章 地理信息系统空间数据库
本章主要内容：
• 空间数据库概述 • 空间数据库概念模型设计 • 空间数据库逻辑设计与物理设计 • 空间时态数据库
§4.1 空间数据库概述
一、空间数据库概念 • 是GIS中存储的与应用相关的地理空间数据的
总和。（各种来源和形式） • 数据库＝数据库系统
数据库系统
• 空间数据库管理系统的实现 （1）常规DBMS进行扩展，使有空间数据
2、相关概念
• 对象（Object)：实体的抽象（基本元素），封装了数据和操作集 的实体。
• 消息（Message）：请求 对象执行某一操作或回答 某些信息的要求。
• 类：描述一组对象的共同特征。类和实体是抽象与具 体的关系。
3. 对象的性质
• 封装：
• 继承：某类对象可以自然地拥有另一类对象的某些特 征和功能。不必重复实现，减少代码。
2. 概念模型（空间特征，关系描述）
（1）空间特征：点、线、面、体四种基本类型； （2）实体在空间、时间、属性三方面存在联系： • 空间联系：空间位置、分布、关系、运动等； • 时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库； • 属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相
（3）语义贫乏
用单一结构描述描述“交互”、“从属”、“构成”等众 多联系，语义上无法区别。
（4）数据类型太少
只提供常用的简单数据类型，不能自定义新的数据类型。
一、语义数据模型
－实体联系模型（E –R模型）
• 提供三种语义概念：
全信息对象：包含空间、时态和属性信息的地理对象。
全信息对象模型：运用面向对象设计技术，将对象的空 间、属性随时间变化的信息封装。每个全信息对象有 多个时态版本。
Hale Waihona Puke he End第四章 地理信息系统空间数据库
本章主要内容：
• 空间数据库概述 • 空间数据库概念模型设计 • 空间数据库逻辑设计与物理设计 • 空间时态数据库
§4.1 空间数据库概述
一、空间数据库概念 • 是GIS中存储的与应用相关的地理空间数据的
总和。（各种来源和形式） • 数据库＝数据库系统
数据库系统
• 空间数据库管理系统的实现 （1）常规DBMS进行扩展，使有空间数据
2、相关概念
• 对象（Object)：实体的抽象（基本元素），封装了数据和操作集 的实体。
• 消息（Message）：请求 对象执行某一操作或回答 某些信息的要求。
• 类：描述一组对象的共同特征。类和实体是抽象与具 体的关系。
3. 对象的性质
• 封装：
• 继承：某类对象可以自然地拥有另一类对象的某些特 征和功能。不必重复实现，减少代码。
2. 概念模型（空间特征，关系描述）
（1）空间特征：点、线、面、体四种基本类型； （2）实体在空间、时间、属性三方面存在联系： • 空间联系：空间位置、分布、关系、运动等； • 时间联系：客体随时间变化，可构成时态数据库； • 属性关系：属性多级分类中的从属关系、聚类关系、相
第四章：空间数据Coverage的创建
第四章：空间数据Coverage的创建⼀、什么是Coverage⽂件？ 1.Coverage是⼀种空间数据的表达模型。
数据采集后如何将其组织在数据库中，以反映客观事物及其联系，这就关系到数据模型问题。
⽽GIS正是根据地理数据模型，来实现在计算机中存储、组织、处理和表⽰地理数据的。
2.Coverage数据模型被称为地理相关模型（Georelational Data Model）。
它采⽤的是⼀种混合数据模型定义和管理地理数据。
Coverage也是ArcGIS 9中主要的⽮量⽂件格式之⼀，⽤其来表⽰⽮量数据在实际应⽤中⾮常⼴泛。
3.Coverage是将空间数据和属性数据结合起来，并且存储要素间的拓扑关系。
空间数据以⼆进制⽂件的形式存储。
⽽属性数据和拓扑数据则以INFO表的形式存储。
4.在Catalog中将Coverage⼆进制⽂件和INFO表结合成Coverage要素类进⾏表达。
空间数据使⽤拓扑数据模型来表⽰，⽽属性数据则使⽤关系数据模型。
5.在Coverage中，主要使⽤弧段、节点、标识点和多边形来表⽰地图上的点、线、⾯，除此之外，还有控制点、覆盖范围、标注和链接。
⼆、Coverage要素类型 1.Coverage要素的主要类型为点、弧段（线）、多边形和结点。
这些要素具有拓扑关系，及弧段形成多边形的周长，结点形成弧段的终点，点给多边形的内部做标记。
Coverage点要素具有双重属性。
它们可以形成⼀些较⼩的地理对象（如油井和建筑物），也可以标注多边形的内部区域。
2.Coverage要素的第⼆种类型为tic点、链接和注记。
tic点⽤来配准地图。
链接⽤来调整要素，⽽注记则⽤来对地图上的要素做标注。
3.Coverage也含有⼀些组合要素。
路径是与⼀定的量测系统相关联的弧段的集合。
区域是邻接、分离或叠加的多边形的集合。
区域被⽤于环境和⼟地利⽤应⽤。
4.两个概念，Coverage要素集和Coverage要素类。
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三、地理对象的空间关系
邻接 相交 相离 包含 重合 点—点
点—线
点—面
线—线
线—面
面—面
地理信息系统
2、拓扑关系
1、定义： 拓扑是研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质。 所谓拓扑关系是指明确定义物体之间的空间关系的一种数学方法。
2、拓扑元素： 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段 面：若干弧段组成的多边形
C
10
5Ⅰ
6
Ⅳ9
7
8
13
Ⅵ
12
11
边界线点索引文件
Ⅰ Ⅱ Ⅲ ⅣⅤ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ
1 2 3 4 5 6 7 25 26 27 7 23
1 18 23
树状索引法的优缺点
树状索引结构消除了相邻多边形边界的数据冗 余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合 并多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信 息可通过对多边形文件的线索引处理得到，但比较 繁琐，因而给邻域函数运算、消除无用边、处理岛 状信息以及检查拓扑关系等带来一定的困难，而且 两个编码表都要以人工方式建立、工作量大且容易 出错。
点: 点号文件 线: 点号串 面: 点号串
点号 X Y 1 11 22 2 33 44 … …… n 55 66
坐标序列法
4
2
3
5
1
9
8
76
5
1
2
3
4
Id，属性值，（x1,y1) Id，属性值，（x2,y2) Id，属性值，（x1,y1),(x2,y2)…(x5,y5)
Id，属性值，（x1,y1),(x2,y2)…(x7,y7), (x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)
第三章空间数据的表达
基本内容：
第一节 地理空间及其表达 第二节 矢量数据结构及其编码 第三节 空间对象关系——拓扑关系 第四节 栅格数据结构及其编码
第一节 地理空间及其表达
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）。
地理信息系统
坐标序列法的优缺点
优点：
结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。
缺点：
1、邻接多边形的公共边被数字化和存储两次，由此产生冗余和边界 不重合的匹配误差； 2、每个多边形自成体系，而缺少有关邻域关系的信息； 3、不能解决复杂多边形嵌套问题，内岛只作为单个的图形建造，没 有与外围多边形的联系
二、矢量数据结构及其编码
1、矢量数据结构
（1）定义： 它是指通过记录地理实体坐标的方式精确地表示点、
线、面等实体的空间位置和形状，是人们较为习惯的一 种表示空间数据的方法。矢量数据能更精确地定义位置、 长度和大小。
二、矢量数据的编码方法
① 编码的内容
点实体 线实体 面实体
② 编码方法
坐标序列法 树状索引编码法 双重独立式 链状双重独立式
a 表2-2 结点与线段的拓扑关系
结点
线段
A
a, c, e
B
a, d, b
C
d, e, f
D
b, f, c
E
g
表2-3 线段与结点的,B
b
B,D
c
D,A
d
B,C
e
C,A
f
C,D
g
E,E
表2-4 线段与面域的拓扑关系
线段 左邻面 右邻面
a
P0
P1
b
P2
P1
c
P3
P1
d
P0
P2
e
P0
矢量数据结构编码的基本内容
数据库
独立编码
标识码 属性码 存储方法
点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
点位字典
空间对象编码 唯一 连接空间和属性数据
➢显式：即栅格中的一系列像元。这些像元都给予相 应的编码值R或相同的颜色、符号、数字、灰 度值来表示。——栅格数据结构。
GIS描述现实世界的方法
空间对象一般按地形维数进行归类划分 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。
空间对象的维数与比例尺是相关的
P3
f
P3
P2
g
P1
双重独立式DIME(Dual lndependent Map Encoding)
a 1
b
A
2n c
3
B
8 O
h iC
空间数据的计算机表达
一、两种数据结构 表示地理实体的空间数据包含着空间特征和属性特
征，对具有这些复杂特征的空间数据，如何组织和建立 它们之间的联系，以便计算机存储和操作，这称为数据 结构。
栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基 本的方式。
➢隐式：由一系列定义了起点和终点的线及某种连接 关系来描述。——矢量数据结构。
3、基本拓扑关系 关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系
空间拓扑关系表达—关系表
A
e
c
P1
P3
E
f
D
P4 g
C b
P2
d
B
表2-1面域与线段的拓扑关系
面域
线段
P0 P1 P2 P3 P4
a, b, c, g b, d, f c, f, e g
中国土地利用分布图（不连续面）
空间对象：面（续）
不连续变化曲面，如土壤、 森林、草原、土地利用等， 属性变化发生在边界上，面 的内部是同质的。
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。
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
无拓扑关系 有拓扑关系
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 可能的500个地震位置
地理信息系统
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 • 度量实体距离
香港城市道路网分布
地理信息系统
面实体
• 具有长和宽的目标 • 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 • 一般分为连续面和不连续面
Ⅷ
17 16
14
1
A
18
Ⅸ19
2
Ⅹ
24 20 B
3
23 Ⅴ
4
27
ⅡE
25
D
26
Ⅲ
22 Ⅶ 21
C
10
5Ⅰ
6
Ⅳ9
7
8
13
Ⅵ
12
11
多边形索引文件
A
BC
DE
ⅤⅨ Ⅷ Ⅹ Ⅵ Ⅶ Ⅸ Ⅲ ⅨⅫ ⅤⅠⅢ Ⅹ Ⅱ
Ⅱ
Ⅷ
17 16
14
1
A
18
Ⅸ19
2
Ⅹ
24 20 B
3
23 Ⅴ
4
27
ⅡE
25
D
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Ⅲ
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