第三章 空间数据结构
第三章空间数据结构
第三章空间数据结构空间数据结构是计算机科学中的一个重要概念，它是用于存储和组织数据的一种方法。
在现实生活中，我们会遇到各种各样的数据，并且需要对这些数据进行处理和存储。
空间数据结构为我们提供了一种有效的方式，可以帮助我们存储和组织这些数据。
空间数据结构的主要目的是为了解决数据存储和访问的问题。
它将数据分成不同的组块，并为每个组块分配了一个独立的存储空间。
这样一来，我们可以通过索引或者其他方式，来访问和操作这些数据，而不必考虑整个数据集的规模。
常见的空间数据结构包括数组、链表、树等。
这些结构都有自己特定的特点和应用场景。
比如说，数组适用于随机访问，链表适用于插入和删除操作频繁的情况，而树则可以用来表示层次关系。
除了常见的数据结构之外，还有一些特殊的空间数据结构，比如哈希表、堆等。
哈希表是一种根据键值对进行存储和访问的数据结构，它可以实现高效的插入、删除和查找操作。
堆是一种特殊的树形结构，它常用于实现优先队列等需要按优先级进行操作的情况。
空间数据结构在计算机科学和软件工程中有广泛的应用。
它们可以用来处理大规模数据集，提高数据存储和访问的效率，同时也可以用来实现各种算法和数据处理工具。
例如，图像处理、地理信息系统、数据库管理系统等领域都需要用到空间数据结构。
在现实生活中，我们经常会遇到需要处理和存储大量数据的情况。
比如说，地理信息系统需要存储和操作大规模的地理数据，而社交网络需要存储和查询大量用户信息。
在这些情况下，空间数据结构可以帮助我们高效地存储和处理这些数据。
总的来说，空间数据结构是计算机科学中的一个重要概念，它为我们提供了一种有效的方式，来存储和组织各种类型的数据。
通过合理选择和使用空间数据结构，我们可以提高数据存储和访问的效率，实现各种算法和数据处理工具。
因此，学习和理解空间数据结构是非常有必要的。
03第三章 空间数据结构 地理系统教学课件
Wednesday, June 17, 2020
5
§3-1 空间实体及其描述
一. 空间实体
1、定义：
又称地理实体，空间对象，要素，地物等，是GIS处理的对象，最小的 处理单元。
指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具有概 括性，复杂性，相对意义的概念。
2、理解：
地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，GIS中的空间实 体是一个概括，复杂，相对的概念。
元数据
空间元数据
11
§3-1 空间实体及其描述
3、空间数据类型
1）依据数据来源的不同分为：
A）地图数据 B）地形数据 C）属性数据 D）影象数据
………..
Wednesday, June 17, 2020
12
§3-1 空间实体及其描述
3、空间数据类型
2）依据表示对象的不同分为：
Wednesday, June 17, 2020
2、基本特征
3、数据类型
位置、形状、尺 寸、
空间特征：地理 位置和空间关系
几何数据（空间 数据、图形数据）
关系数据—实体 间的邻接、关联 包含等相互关系
识别码（名称）、 实体的角色、功能、 行为、实体的衍生 信息
时间
属性特征—名称、 等级、类别等
时间特征
属性数据—各种 属性特征和时间
4、数据结构
矢量、栅格、 TIN（专用于地 表或特殊造型）
地理信息系统
Geographic Information System
北京林业大学信息学院
§3-1 空间实体及其描述
▪ 空间实体 ▪ 空间实体的描述 ▪ 实体的空间特征 ▪ 实体的空间关系表达
第三章2-空间数据结构与管理
(X,Y) Polygon (X5,Y5) (X4,Y4)
(X2,Y2)
(X3,Y3)
3、矢量数据获取途径
1) 由外业测量获得 利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库。 2) 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。 3) 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。
4、Hale Waihona Puke 量数据编码⑪点实体数据编码
对于点实体矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码。
⑫线实体矢量数据编码
唯一标识码是系统排列序号； 线标识码可以标识线的类型； 起始点和终止点号可直接用坐标表示；
显示信息是显示时的文本或符号等； 与线相联系的非几何属性可以直接存储于线文件中， 也可单独存储，而由标识码联接查找。
四叉树编码优点
容易而有效地计算多边形的数量特征； 阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级 多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率 低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量； 栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容 易； 多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。
2、栅格数据取值方法
⑪中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心 点对应的面域属性值来确定。 ⑫长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线 （水平或垂直）的大部分长度所对应的面域 的属性值来确定。 ⑬面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格 单元中占据最大面积的属性值来确定。 ⑭重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程 度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅 格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域 尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留 的原则。
第三章_测绘师空间数据结构综述
起始点
3 2 2 3 6 6 4
5 6 7
0 6 7 2 1
起始点
3 2
4
0
3
2
1
链式编码的优缺点
优点：链式编码对线状和多边 缺点：是对叠置运算如组 形的表示具有很强的数据压 合、相交等则很难实施， 缩能力，且具有一定的运算 对局部修改将改变整体 功能，如面积和周长计算等， 结构，效率较低，而且 探测边界急弯和凹进部分等 由于链码以每个区域为 都比较容易，类似矢量数据 单位存储边界，相邻区
简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）
特征 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询； 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数 据独立性和一致性； 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦。
2、索引式
索引式数据结构采用树状索引以减少数 据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对 所有边界点进行数字化，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，形成树状索引结构。
指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列， 每个网格作为一个像元或像素，由行、列号定义， 并包含一个代码，表示该像素的属性类型或量值， 或仅仅包含指向其属性记录的指针。 因此，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物或 现象的非几何量化和近
2）四叉树结构的建立方法 建立四叉树有两种方法，即自上而下方式（top— down）自下而上方式（bottom—up）
自上而下方式的分割需要大量的运算，因为大量 数据需要重复检查才能确定划分。当n×n的矩阵比较 大，且区域内容要素又比较复杂时，建立这种四叉树 的速度比较慢。 自下而上方式是对栅格数据按如下的顺序进行检 测：如果每相邻四个网格值相同则进行合并，逐次往 上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。这种方法 重复计算较少，运算速度较快。
3空间数据结构
3空间数据结构在当今数字化的时代，空间数据的处理和分析变得越来越重要。
无论是地理信息系统（GIS）、计算机辅助设计（CAD）、虚拟现实（VR）还是卫星导航等领域，都离不开对空间数据的有效组织和管理。
而空间数据结构就是实现这一目标的关键技术之一。
那么，什么是空间数据结构呢？简单来说，空间数据结构就是用于表示和存储空间对象的一种数据组织方式。
它决定了如何在计算机中有效地存储、检索和操作空间数据，以满足各种应用的需求。
常见的空间数据结构有很多种，比如栅格数据结构和矢量数据结构。
栅格数据结构就像是一个由小方格组成的大棋盘。
每个小方格都有一个特定的值，代表着相应位置的某种属性，比如海拔高度、土地利用类型等。
栅格数据结构的优点是简单直观，容易进行各种数学运算和分析。
但是，它也有缺点，比如数据量大，精度相对较低。
想象一下，如果我们要表示一个城市的地图，用栅格数据结构的话，可能需要大量的小方格来精确表示各种细节，这就导致了数据量的急剧增加。
相比之下，矢量数据结构则是通过点、线、面等几何元素来表示空间对象。
比如，一条河流可以用一系列的点连成的线来表示，一个湖泊可以用一个封闭的多边形来表示。
矢量数据结构的优点是数据量小，精度高，能够准确地表示空间对象的形状和位置。
但是，它的处理和分析相对复杂，需要更多的计算资源。
除了栅格和矢量数据结构，还有一种常见的是八叉树数据结构。
八叉树就像是一个不断细分的正方体盒子。
我们从一个大的正方体开始，根据空间对象的分布情况，将其不断细分成八个小的正方体，直到达到一定的精度要求。
这种数据结构在三维空间的表示和处理中非常有用，比如在三维游戏、医学成像等领域。
另外，还有 R 树和 R+树等空间索引数据结构。
它们主要用于加快空间数据的检索速度。
当我们需要在大量的空间数据中快速找到符合特定条件的对象时，空间索引就发挥了重要作用。
不同的空间数据结构适用于不同的应用场景。
比如，在进行大面积的地形分析时，栅格数据结构可能更合适；而在进行城市规划、地图制图等需要高精度的应用中，矢量数据结构则更为常用。
GIS地理信息系统空间数据结构
网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通 流。
要素（对象）模型
基于要素的空间模型强调了个体现象， 该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的 关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都 可以被确定为一个对象（Object），假设它可 以从概念上与其邻域现象相分离。一个实体必 须符合三个条件： 可被识别； 重要（与问题相关）； 可被描述（有特征）。
场模型可以表示为如下的数学公式：
z : s z ( s ) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因
此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个 值域的映射。
空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较
对象模型和场模型的比较
现实世界
对象模型 选择实体 它在哪里 数据
场模型 选择一个位置
指图形保持连续状态下变形，但图形关系
不变的性质。
拓扑变换
（橡皮变换）
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
非拓扑属性（几何） 两点间距离
拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点
一点指向另一点的方向 一条弧是一简单弧段（自身不相交）
弧段长度、区域周长、 一个点在一个区域的边界上
面积 等
一个点在一个区域的内部/外部
(x8,y8), (x17,y17), (x16,y16),
22 (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13),
21
(x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
6
20
C
3
5
18
19
4
(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26), (x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30)
第3章-空间数据结构
4、体、立体状实体
立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体， 它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有 以下一些空间特征： · 体积，如工程开控和填充的土方量。 · 每个二维平面的面积。 · 周长。 · 内岛。 · 含有弧立块或相邻块。 · 断面图与剖面图。
三、实体间空间关系
（一）空间关系类型
拓扑变换 （橡皮变换）
一个点在一个区域的内部/外部
一个点在一个环的内/外部 一个面是一个简单面 一个面的连通性 面内任两点从一点
可在面的内部走向另一点
2、种类
1）关联性： （不同类要素之间）结 点与弧段：如V9与L5,L6,L3 多边形与弧段：P2与L3,L5,L2 2）邻接性： (同类元素之间) 多边形之间、结点之间。 邻接矩阵 重叠：-- 邻接：1 不邻接：0
空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较
对象模型和场模型的比较
现实世界 对象模型 选择实体 它在哪里 数据 场模型 选择一个位臵 那里怎么样 两种模型相互之 间并不排斥，各有 特点，各有应用长 处。通常需要有机 地综合应用这两种
方法来建模。
§3-2
一、图形表示
矢量数据结构
摘自 张超
二、矢量数据的获取方式
屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，
复杂，相对的概念。
二、地理实体的描述——空间数据
1、描述的内容
位臵、形状、尺 寸 、 识别码（名称） 实体的角色、功 能、行为、实体 的衍生信息 时间 测量方法、编码 方法、空间参考 系等
反映了实体的三个特征
以什么形式存储和处理
要素（对象）模型
基于要素的空间模型强调了个体现象，该现 象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系 的方式来研究。任何现象，无论大小，都可以 被确定为一个对象（Object），假设它可以从 概念上与其邻域现象相分离。一个实体必须符 合三个条件： 可被识别； 重要（与问题相关）； 可被描述（有特征）。
GIS原理 总复习 总结 试题
将2n×2n像元组成的图像(不足的用背景补上)按四个象限进行递归分割，并判断属性是否单一，单一：不分；不单一：递归分割。最后得到一颗四分叉的倒向树。
1）从四叉树的特点可知，一幅2n *2n栅格阵列图，具有的最大深度数为n，可能具有的层次为0，1，2，……..n、
2）每一层的栅格宽度，即每层边上包含的最大栅格数，反映了所在叶结点表示的正方形集合的大小，其值为：2（最大深度-当前层次）
百分比法
根据矩形区域内各要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代码参与，如可记面积最大的两类BA也可根据B类和A类所占面积百分比数在代码中加入数字。
其它方法
10完全栅格数据结构
特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。
A
A
A
A
A
B
B
B
A
A
B
B
A
A
B
B
1）每行都从左到右记录；
AAAAABBBAABBAABB
在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。
链状双重独立式编码特点：
1.拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。
2、当图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，需重新建拓扑。
5)曲面数据结构
拓扑关系的类型（点线面之间关系）
第三章空间数据结构
1.空间数据结构概念
空间数据结构指对空间数据进行合理组织，以便于进行计算机处理，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，是数据模型和文件格式之间的中间媒介。
2.从现实世界到计算机世界四个层次（地理空间数据建模）
第3章 空间数据结构
链式编码(ChainCodes) 链式编码(ChainCodes)
又称为弗里曼链码(Freeman)或边 又称为弗里曼链码(Freeman)或边 界链码。 基本方向可定义为：东＝0 基本方向可定义为：东＝0，东 南＝l，南二2，西南＝3 南＝l，南二2，西南＝3，西 ＝4，西北＝5，北＝6，东北 ，西北＝5，北＝6 ＝7等八个基本方向。如果再 确定原点为像元(10，1)，则 确定原点为像元(10，1)，则 该多边形边界按顺时针方向 的链式编码为： 10，l，7，0，1，0，7，1，7， 10， 0，0，2，3，2，2，1，0，7， 0，0，0，0，2，4，3，4，4， 3，4，4，5，4，5，4，5，4， 5，4，6，6。
（a）三角形
（b） 菱形
（c) 六边形
面 线 点
对于栅格数据结构 点：为一个像 元 线：在一定方 向上连接成串 的相邻像元集 合。 面：聚集在一 起的相邻像元 集合。
栅格数据结构：坐标系与描述参数
格网分辨率
X：行
西南角格网坐标 （XWS，YWS） Y：列
栅格数据单元值确定
C A B 重 要 性 面 积 占 优
像元n X,Y,属性值
栅格数据结构特点
离散的量化栅格值表 示空间对象 位置隐含, 位置隐含,属性明显 数据结构简单, 数据结构简单,易于遥 感数据结合, 感数据结合,但数据量 大 几何和属性偏差 面向位置的数据结构, 面向位置的数据结构, 难以建立空间对象之 间的关系
如以像元边线计算则为7，以像元为单金大会则为4。 三角形的面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种误 差随像元的增大而增加。 c
c
几何偏差
5 4 3 b
ac距离: 7/4 (5) 面积: 7 (6)
GIS复习思考题
GIS复习思考题地理信息系统复习思考题第⼀章导论1、解释：信息、数据、地理信息、地理数据、地理信息系统2、地理信息有何特点？3、地理信息系统与CAD、数字制图、⼀般事务管理有何主要区别？4、地理信息系统有哪些类型？5、GIS的基本构成有哪些？各部分的主要作⽤？6、GIS的基本功能有哪些？并简要说明。
7、GIS主要应⽤在哪些⽅⾯？8、GIS的发展主要经历了哪4个阶段？各有何主要特点？第⼆章空间信息基础1、GIS中为什么要考虑地图投影？我国⼤⽐例尺采⽤什么投影⽅式？2、地理空间实体的三要素是什么？它们之间的关系是怎样的？3、空间数据的基本特征有哪些？地理信息的数字化描述⽅法有哪些？4、地图投影有哪些类型？5、解释：地图投影、拓扑、空间数据、元数据6、空间对象的描述要素有哪些？7、拓扑关系中有哪⼏种基本的拓扑关系？其基本含义是什么？在GIS中⽤拓扑有什么主要作⽤？8、什么是地理空间数据？有哪些类型，并简要说明。
9、地理信息系统的应⽤功能主要包括哪些⽅⾯，并简要说明。
10．地形图“都江堰”的编号是H48G024026，简要说明其编号的含义。
第三章空间数据结构1、空间实体可抽象为哪⼏种基本类型？它们在⽮量数据结构和栅格数据结构分别是如何表⽰的？2、叙述四种栅格数据存储的压缩编码⽅法。
3、试写出⽮量和栅格数据结构的模式，并列表⽐较其优缺点。
4、叙述由⽮量数据向栅格数据的转换的⽅法。
5、叙述由栅格数据向⽮量数据的转换的⽅法。
6、简述栅格到⽮量数据转换细化处理的两种基本⽅法。
7、解释：地理空间、栅格数据、⽮量数据、空间数据结构8、费尔曼链码的含义是什么？如何取值？9、游程编码的含义是什么？有哪2种⽅式？10、块码给栅格数据编码的⽅式是什么？11、四叉树编码的基本思想是什么？12、⽮量数据的获取⽅式有哪些？13、DIME编码什么？有何特点？14、⽮量数据结构有何优点？15、栅格数据结构有何优点？第四章空间数据库1、数据库系统包括哪⼏部分，各部分的主要作⽤是什么？2、数据库有何主要特点？3、数据库的系统结构有哪⼏个层次？4、数据库管理系统有什么主要功能？5、数据库管理系统程序由哪⼏部分组成？6、什么是数据库的数据模型？什么是传统的数据模型？7、传统的数据模型有何特点？8、解释：数据库、空间数据库、客体、对象、类、超类、⼦类、消息9、传统数据库系统的数据模型有哪些，各有什么优缺点？10、⾯向对象的数据模型有何优点？11、⾯向对象的数据模型的实现⽅法主要有哪些？12、地理信息系统数据库有什么主要特点？13、地理信息系统数据库有哪⼏种主要管理⽅法，各有何特点？14、什么是数据模型？数据库技术中采⽤的数据模型有哪些？15、地理信息系统空间数据库的组织⽅式主要采⽤哪些数据模型？第五章空间数据采集与处理1、空间数据采集⽅法有哪些？它们分别适合采集什么样的数据？2、说说在数字化中属性数据采集的原则和⽅法？3、为什么要对数字化地图进⾏编辑与处理后才能⼊GIS数据库？4、GIS数据精度可以从哪⼏个⽅⾯进⾏评价？并解释。
地理信息系统原理第三章 空间数据模型与数据结构3.2
第1行第N列亮度值 波段n 波段1 第2行第1列亮度值 波段n
BSQ结构
BIP结构
BIL结构
星蓝海学习网13
以行为记录单位按行存储 地理数据。属性明显，位 置隐含。 缺点：存在大量冗余，精 度提高有限制。
星蓝海学习网14
0 0 0 0 0 4 4 4 记录1 0 0 0 0 0 4 4 4
星蓝海学习网
• 优点：
• 栅格加密时，数据量不会明显 增加，压缩效率高，最大限度 保留原始栅格结构，
• 编码解码运算简单，且易于检 索、叠加、合并等操作，得到 广泛应用。
• 缺点：
• 不适合于类型连续变化或类型 区域分散的数据。
星蓝海学习网
(2)压缩栅格数据结构
块码（二维游程编码）（行，列，半径，属性值）
弧段ID a b c d e
起始点 5 7 1 13 7
终结点 1 1 13 7 5
… … … 左多边形 Q A Q D D
右多边形 A B B B A
f
13
5
Qห้องสมุดไป่ตู้
D
点号 1 2
…… 25
坐标 （x1，y1） （x2，y2）
…… （x25，y25）
g
25
弧段ID
点号
a
5,4,3,2,1
b
7,8,1
c
1,9,10,11,12,13
• 采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置(行、 列号)和半径，再加上记录单元代码组成。特点：
• 一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块状编码的效率就越好。
• 块状编码对大而简单的多边形更为有效，而对那些碎部较多的复杂多边形效果并不好。
(第三章)空间数据结构
下图所示的栅格结构用长度占优法得编码方案为：
關於衛星影像
栅格数据的取值(混合像元的处理)
重要性法 重要性法往往突出某些主要属性，对于这些属性，只要在栅格中
出现，就把该属性作为本栅格元素的值，在下图中假设D属性具有 特殊的重要性，
下图所示的栅格结构用重要性法得编码方案为：
在重要性法中，只要该栅格中含有某特殊重要性的属性，不關管於所衛占比星例影大像
记录单元的代码组成。
（1，1，1，0），（1，2，2，2），
（1，4，1，5），（1，5，1，5），
（1，6，2，5），（1，8，1，5）， 块
（2，1，1，2），（2，4，1，2）， （2，5，1，2），（2，8，1，5）， （3，1，1，2），（3，2，1，2）， （3，3，1，2），（3，4，1，2）， （3，5，2，3），（3，7，2，5）； （4，1，2，0），（4，3，1，2），
小，便认为该栅格属于该属性。
栅格数据的取值(混合像元的处理)
栅格数据的上述取值方法，不论采用哪一种都会带来一 定的误差。 为了逼近原始数据，提高精度，除了采用这几种取值方 法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格 单元总数的方法，但同时使数据量大幅度增加。
關於衛星影像
空间数据的编码
空间数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料 按一定数据结构转化为适于计算机存贮和处理的数据过程。
流水季节
常年河：1 时令河：2 消失河：3
河流特性分类与编码
河流长度
河流宽度
< 1 km： 1 < 2 km： 2 < 5 km： 3 < 10 km：4 > 10 km：5
空间数据结构
空间数据结构在我们生活的这个数字化时代，空间数据无处不在。
从导航软件帮助我们规划路线，到城市规划者设计新的社区布局，再到地质学家研究地壳运动，空间数据都发挥着至关重要的作用。
而要有效地处理和管理这些空间数据，就离不开空间数据结构。
那么，什么是空间数据结构呢？简单来说，空间数据结构是一种用于组织和存储空间数据的方式，以便能够高效地进行访问、查询、分析和操作。
它就像是一个精心设计的仓库，能够让我们快速找到所需的物品，并且在需要的时候对其进行各种处理。
常见的空间数据结构有很多种，比如栅格数据结构和矢量数据结构。
栅格数据结构可以想象成是一个由许多小格子组成的大棋盘。
每个小格子都有一个特定的值，代表着这个位置的某种属性，比如海拔高度、土地利用类型或者温度等。
栅格数据结构的优点是简单直观，易于理解和处理。
对于一些大面积、均匀分布的数据，比如卫星图像或者地形数据，栅格数据结构非常适用。
但是，它也有一些缺点。
由于每个格子都有固定的大小和位置，所以对于一些边界不规则或者细节丰富的空间对象，可能会造成精度的损失和数据的冗余。
相比之下，矢量数据结构则更注重对空间对象的几何形状和位置的精确描述。
它通过点、线、面等基本元素来表示空间对象。
比如，一条河流可以用一系列的点来定义其走向，形成一条线；一个湖泊可以被看作是一个封闭的面。
矢量数据结构的优点是精度高、数据量相对较小，并且能够方便地进行几何变换和空间分析。
然而，它的处理和计算相对复杂，对于一些大规模、复杂的空间数据，可能会导致计算效率的降低。
除了栅格和矢量数据结构，还有一些其他的空间数据结构，比如四叉树、八叉树和 R 树等。
四叉树是一种将空间区域逐步细分的结构。
它将一个大的区域不断地划分为四个相等的子区域，直到每个子区域都满足某种特定的条件，比如数据的均匀性或者数量的限制。
这种结构在处理空间数据的查询和索引时非常有效，能够快速定位到感兴趣的区域。
八叉树则是在三维空间中的类似扩展，将空间区域划分为八个相等的子区域。
第3章+空间数据模型与数据结构
clover
栅格数据模型—像元大小
分辨率 – 网格像元的大小 – 30m的网格像元表示 实际面积900m2 像元越小，分辨率和精 度越高 (表现的地物越 细) 存贮和处理成本随分辨 率增加而上升 – 三者均衡
栅格数据模型——空间参照
必须说明的是
– –
原始栅格数据没有空间参照信息 但如果使用栅格数据，需要地理坐标位置，所以需 要给栅格数据配置地理坐标
Satellite Imagery
Scanned Maps
栅格数据模型
优点
–
– –
高精度
文件大 数据结构简单 有效存储 处理更快 容易检索 多个客户同时操作
需要解决问题
– – – –
上述问题都与数据结构、数据压缩有关
2、矢量数据模型
矢量数据模型适合表达图形对象特征和进行高
精度制图；
在矢量数据模型中，空间实体现象由点、线、 面等原型实体及其集合来表示。
现实世界到信息世界的过程：
客观世界 数据模型 信息世界
抽象
计算机管理的数据
数据模型的抽象分为三个层次：
概念 概念数据模型
结构
计算机上存储 物理数据模型
逻辑数据模型
（三）空间数据模型
空间数据模型是GIS抽象的中间层，即GIS的逻辑数据模型 空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互 间联系的概念，建立在对地理空间的充分认识与完整抽象 的地理空间认知模型（概念模型）的基础上，并用计算机 能够识别和处理的形式化语言来定义和描述现实世界地理
栅格数据模型——元素
由行、列、像元组成，用二维数组存储数据 – 列－x坐标 – 行－y坐标 – 行、列由网格左上角起始 – 像元值由行、列位置唯一决定
地理信息系统(空间数据结构)
第二节 矢量数据结构
3）双重独立式 索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并 间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进 行数字化，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， 形成树状索引结构。
32
11
12 13
30 29
14
10
31
28 27
15
1
24 25
AB
8
决定栅格单元代码的方式
优点：混合单元 减少、量算精度 提高、更接近真
实形态
缺点：数据量增 加、数据冗余严
重
9
栅格数据的压缩编码方式：链式编码
北=6
西北=5
东北=7
西=4
东=0
西南=3
东南=1
南=2
12345678 1 AAAARAAA 2 AAARAAAA 3 A A ARAGGA 4 A A ARAGGA 5 A ARAGGGG 6 ARA AGGGA 7 ARA AGGGA 8RAAAAAAA
26
16
23
2
98
17
22
7
21
6
20
3
5
18
19
4
多边形原始数据
B
C
D
E
ab
c f g hj
e f i bc i
线与多边形之间的树状索引
点与线之间的树状索引
33
小结
本次课首先学习了栅格数据的相关知识，对栅 格结构的特点和表示、数据的获取以及提高数 据的经度进行了介绍，然后对栅格数据的四种 压缩编码方式进行学习，最后介绍了矢量数据 结构的基础知识。
(1,1,2,9), (1,3,1,9),(1,4,1,9),(1,5,2,0),(1,7,2,0)图,(2,3,1,9),(2,4,1,0),
(第三章)空间数据结构
(第三章)空间数据结构空间数据结构1·简介空间数据结构是在计算机科学领域中用于表示和组织空间数据的数据结构。
它们被广泛应用于地理信息系统（GIS）、计算机图形学、计算机视觉等领域。
2·常见的空间数据结构2·1·四叉树四叉树是一种常见的空间数据结构，它将空间划分为四个象限，并将空间中的点或对象存储在树节点中。
它可以支持高效的空间查询和检索操作，特别适用于二维空间数据。
2·2·八叉树八叉树是四叉树的扩展，将空间划分为八个象限。
它在三维空间中更加常用，可以表示立方体或球体中的对象。
八叉树适用于对三维空间进行高效的查询和搜索。
2·3·R树R树是一种多叉树，用于表示和组织高维空间中的对象。
它通过将空间划分为矩形区域来存储和查询对象。
R树广泛应用于空间数据库和地理信息系统中。
2·4·KD树KD树是一种二叉树，用于存储和查询k维空间中的对象。
它通过将空间划分为超平面来快速定位对象。
KD树在计算机视觉领域中广泛使用，特别适用于最近邻搜索和范围搜索。
2·5·网格网格是一种将空间划分为规则网格单元的数据结构。
它是一种简单而高效的空间索引方法，可以快速进行点查询和范围查询。
3·空间查询操作3·1·点查询点查询是通过给定一个点坐标来查找空间数据结构中的对象。
点查询可以通过遍历整个数据结构或使用特定的查询算法来实现。
3·2·范围查询范围查询是通过给定一个矩形区域来查找空间数据结构中与该区域相交的对象。
范围查询可以通过遍历整个数据结构或使用特定的查询算法来实现。
3·3·最近邻查询最近邻查询是通过给定一个点坐标来查找空间数据结构中最接近该点的对象。
最近邻查询可以通过遍历整个数据结构或使用特定的查询算法来实现。
4·附件附件一：四叉树示意图附件二：八叉树示意图附件三：R树示意图附件四：KD树示意图附件五：网格示意图5·法律名词及注释5·1·GIS（地理信息系统）：是一种用于捕获、存储、分析、管理和展示地理空间数据的计算机系统。
空间数据结构
空间数据结构空间数据结构是计算机科学中的一个重要概念，用于存储和组织空间上的数据。
它们是处理和管理空间数据的基本工具，可以在许多不同的领域和应用中发挥重要作用，包括地理信息系统（GIS）、计算机图形学和计算机辅助设计（CAD）等。
在空间数据结构中，最常见的是二维和三维空间。
二维空间通常用于表示平面地图、图像和几何形状等；而三维空间则用于表示立体物体、建筑模型和虚拟现实环境等。
空间数据结构的基本概念包括点、线和面等基本几何元素，以及与它们相关的拓扑关系、方向和距离等。
空间数据结构可以分为两大类：离散空间数据结构和连续空间数据结构。
离散空间数据结构离散化了空间，将其划分为有限的离散单元，如栅格和网格等。
这些离散单元可以用来表示和存储空间中的点、线和面等对象。
离散空间数据结构具有高效的存储和查询性能，适用于大规模数据集和复杂查询操作。
连续空间数据结构则将空间看作一个连续的实数域，通过数学函数和方程来表示和处理空间数据。
连续空间数据结构具有较高的精度和表达能力，适用于精细的几何分析和模拟计算。
在离散空间数据结构中，最常用的是栅格和网格。
栅格是一个由规则网格组成的离散空间，其中每个网格单元都包含一个唯一的标识和一些属性值。
栅格适用于对空间进行统计分析和栅格操作，如栅格化、缓冲区和叠加等。
网格是一个由不规则网格组成的离散空间，其中每个网格单元的大小和形状都可以不同。
网格适用于对复杂几何形状进行精确表示和分析，如三角网格和四叉树等。
在连续空间数据结构中，最常用的是曲线和曲面。
曲线是一个由连续点组成的曲线空间，其中每个点都具有一对坐标和一些属性值。
曲面是一个由连续点组成的曲面空间，其中每个点都具有一对坐标和一些属性值。
曲线和曲面适用于对复杂几何形状进行精确表示和变换计算，如曲线插值、曲面拟合和几何变换等。
除了基本的空间数据结构，还有一些高级的空间数据结构可以用于更复杂的应用。
例如，四叉树是一种用于组织和查询二维空间中的对象的树状数据结构。
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栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近 似离散的数据。在栅格结构中，地表被分成相互邻 接、规则排列的矩形方块( 接、规则排列的矩形方块(特殊的情况下也可以是 三角形或菱形、六边形等），每个地块与一个栅格 三角形或菱形、六边形等），每个地块与一个栅格 单元相对应。 栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应 单元大小之比。在许多栅格数据处理时，常假设栅 格所表示的量化表面是连续的，以便使用某些连续 函数。
第一节 栅格数据结构
一、简单栅格数据结构 一、简单栅格数据结构 二、栅格数据压缩存储的编码方法 二、栅格数据压缩存储的编码方法
一、简单栅格数据结构
1、定义 2、栅格结构中，点线面的表示 栅格结构中， 3、栅格数据的特点 4、栅格结构数据获取途径 5、保持原图或原始数据精度的方法
1、定义：
栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网 栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网 格结构(raster或 格结构(raster或grid cell)或像元结构(pixel)，是 cell)或像元结构(pixel)，是 指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列， 每个网格作为一个像元或像素，由行、列号定义， 并包含一个代码，表示该像素的属性类型或量值， 或仅仅包含指向其属性记录的指针。 因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现 因此，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物或 现象的非几何属性特征。
空间数据结构是地理信息系统沟通信息的 桥梁，只有充分理解地理信息系统所采用的 特定数据结构，才能正确有效地使用系统。 地理信息系统的空间数据结构主要有栅格 地理信息系统的空间数据结构主要有栅格 结构（显式表示） 矢量结构( 结构（显式表示）和矢量结构(隐式表示 ) 。
第三章 空间数据结构
第一节 栅格数据结构 第二节 矢量数据结构 第三节 两种数据结构的比较和转换
起始点
3 2 2 3 6 6 4
5 6 7
0 6 7 2 1
起始点
3 2
4
0
3
2
1
链式编码的优缺点
优点：链式编码对线状和多边 缺点：是对叠置运算如组 形的表示具有很强的数据压 合、相交等则很难实施， 缩能力，且具有一定的运算 对局部修改将改变整体 功能，如面积和周长计算等， 结构，效率较低，而且 探测边界急弯和凹进部分等 由于链码以每个区域为 都比较容易，类似矢量数据 结构，比较适于存储图形数 据。 单位存储边界，相邻区 域的边界则被重复存储 而产生冗余。
第二节 矢量数据结构 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可 能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。 其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据 结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精 确地定义位置、长度和大小。
除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐 除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐 式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。 式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。
2、游程长度编码(Run—Length Codes) 、游程长度编码(Run— Codes) 游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法， 它的基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有 行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的属性 代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记 录内容。 其编码方案是，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，从而实现数据的 压缩。（举两个例子）
5
6
7
4
0
3
2
1
链式编码的方向代码
链式编码的编码方法 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。 如果对于右图所示的线状地物确定 其起始点为像元(1，5)。 3 则其链式编码为：1，5，3，2，2， 2 3，3，2，3 3 对于右图所示的面状地物，假设其 原起始点定为像元（5，8）。 则该多边形边界按顺时针方向的链 式编码为：5，8，3，2，4，4，6， 6，7，6，0，2，1
5、保持原图或原始数据精度的方法
在转换和重新采样时，需尽可能保持原图或原 始数据精度，通常有两种办法：
第一，在决定栅格代码时尽量保持地表的 第一，在决定栅格代码时尽量保持地表的 真实性，保证最大的信息容量。 真实性，保证最大的信息容量。
中心点法 面积占优法 重要性法 百分比法
逼近原始精度的第二种方法是缩小单个栅 逼近原始精度的第二种方法是缩小单个栅 格单元的面积，即增加栅格单元的总数。 格单元的面积，即增加栅格单元的总数。
一、矢量数据结构编码的基本内容 矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空 间关系来表达空间对象的位置。 点：空间的一个坐标点； 线：多个点组成的弧段； 面：多个弧段组成的封闭多边形。
3）四叉树编码法的优缺点 四叉树编码法的优点： 四叉树编码法的优点： （1）容易而有效地计算多边形的数量特征； （2）阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分 四叉树较高即分级多，分辨率也高，而不需表示许多 细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示 图形结构又可减少存贮量； （3）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换 比其它压缩方法容易； （4）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。 四叉树编码的最大缺点是转换的不定性。 四叉树编码的最大缺点是转换的不定性。
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9 9 9 0 0 0 0 0
游程长度编码在栅格数据压缩时，数据量没 有明显增加，压缩效率较高，且易于检索、叠加 合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小、 数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码Biblioteka 码运 算增加处理和操作时间的情况。
3、块式编码(Block Codes) 、块式编码( Codes)
块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采 用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相 邻的若干栅格，数据结构由初始位置(行、列号) 邻的若干栅格，数据结构由初始位置(行、列号) 和半径，再加上记录单元的代码组成。 根据块状编码的原则，对如图所示的图像进行 根据块状编码的原则，对如图所示的图像进行 块式编码。
3、栅格数据的特点
（1）用离散的量化栅格值表示空间实体； （2）描述区域属性明显，位置隐含； （3）数据结构简单，易于与遥感数据结合； （4）难于建立地物间拓扑关系 （5）图形质量低且数据量大。
4、栅格结构数据获取途径
栅格结构数据主要可由四个途径得到，即 1、目读法：在专题图上均匀划分网格，逐个网格 目读法：在专题图上均匀划分网格，逐个网格 地决定其代码，最后形成栅格数字地图文件； 2、数字化仪手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢 数字化仪手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢 量结构数据后，再转换为栅格结构； 3、扫描数字化：逐点扫描专题地图，将扫描数据 扫描数字化：逐点扫描专题地图，将扫描数据 重采样和再编码得到栅格数据文件； 4、分类影像输入：将经过分类解译的遥感影像数 分类影像输入：将经过分类解译的遥感影像数 据直接或重采样后输入系统，作为栅格数据结构的 专题地图。
9 0 0 0 0 0 0 0
0 0 7 7 7 7 7 7
0 0 7 7 7 7 7 7
0 0 0 0 7 7 7 7
0 0 0 0 7 7 7 7
右图表示对左图的分割过程及其关系。这四个等分区 称为四个子象限，按左上(NW)、右上(NE)、左下 (SW)，右下(SE)。用—个树结构表示如下图所示
二、栅格数据压缩存储的编码方法 1、链式编码 2、游程长度编码 3、块状编码 4、四叉树编码
1、链式编码（Chain Codes） 、链式编码（Chain Codes）
链式编码又称为弗里曼链码 (Freeman，1961)或边界链码。 (Freeman，1961)或边界链码。 链式编码主要是记录线状地 物和面状地物的边界。它把 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 基本方向可定义为：东＝0， 东南＝l，南＝2，西南＝3， 东南＝l，南＝2，西南＝3 西＝4，西北＝5，北＝6 西＝4，西北＝5，北＝6，东 北＝7 北＝7等八个基本方向。
四叉树编码又称为四分树、四元树编码。 它是一种更有效地压编数据的方法。它将 2n×2n像元阵列连续进行4等分，一直分到 像元阵列连续进行4 正方形的大小正好与象元的大小相等为止 （如图），而块状结构则用四叉树描述，习 如图），而块状结构则用四叉树描述，习 惯上称为四叉树编码。
9 9 0 0 0 0 0 0
4、四叉树编码(Quad-tree Codes) 、四叉树编码(QuadCodes)
1）定义： 四叉树结构的基本思想是将一幅栅格地图或图像 等分为四部分。逐块检查其格网属性值(或灰度)。如 等分为四部分。逐块检查其格网属性值(或灰度) 果某个子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子 区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四 个子区。这样依次地分割，直到每个子块都只含有相 同的属性值或灰度为止。 四叉树分割与块式分割的区别
信息有损编码是指为了提高编码效率，最大 信息有损编码是指为了提高编码效率，最大 限度地压缩数据，在压缩过程中损失一部分 相对不太重要的信息，解码时这部分难以恢 复。 在地理信息系统中多采用信息无损编码，而 在地理信息系统中多采用信息无损编码，而 对原始遥感影像进行压缩编码时，有时也采 取有损压缩编码方法。
2、栅格结构中，点线面的表示
点用一个栅格单元表示； 线状地物则用沿线走向的一组相邻栅格单元表 示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上； 面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集 面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集 合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同 属一个区域。任何以面状分布的对象( 属一个区域。任何以面状分布的对象(土地利用、土 壤类型、地势起伏、环境污染等) 壤类型、地势起伏、环境污染等)，都可以用栅格数 据逼近。