第三次、第四次：空间数据模型及数据结构

2） 距离类别：
欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离、 大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。
拓扑空间关系
拓扑空间关系
1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义
1、定义：
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 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 一点指向另一点的方向 弧段长度、区域周长、 面积 等 拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交） 一个点在一个区域的边界上 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 （橡皮变换）
一个图层的要素就占用 200 兆字节的存储空间。 ？
栅格数据编码方法
直接栅格编码
行程编码（变长编码）
块码—游程编码向二维的扩展
链式编码、Freeman 链码、边界链码
第三章 空间数据模型及数据结构
模型：模型是对现实世界的简化表达，是将系统的各 个要素通过适当的筛选，用一定的表现规则描写出来的简明 的映像。一幅地图是一个符号模型，因为它是通过制图学家 处理后得到现实世界的简化描述；存储数字地图的计算机文 件也是一种符号模型，它以数字代码来表现图形符号。 数据建模：把现实世界的数据组织为有用且能反映真 实信息的数据集的过程。数据建模过程分为三个步骤： 选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织； 选择一种数据结构来表达该数据模型； 选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。
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
拓扑空间关系
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
P1 P1 -P2 1 P3 1 P4 1
P2
P3 P4
1
1 1
-1 0
1
-0
0
0 --
3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用 于网络分析中确定路径、街道是否相通。
连通矩阵： 重叠：-- 连通：1 不连通：0
V3… 0 1 --
V1 V1 V2 V3 -1 0
V2 1 -1
4）包含关系：空间图形中不同类或同类但不同级元素之间 的拓扑关系。
地理实体的空间特征
（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。
1、点状实体
（二）空间特征类型： 2、线状实体 3、面状实体 4、体状实体
（三）实体类型组合
地理实体—GIS处理的对象
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
实体间空间关系
空间关系类型
1、拓扑空间关系： 2、顺序空间关系： （方向空间关系） 用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺 序关系，算法复杂。 3、度量空间关系：主要指实体间的距离关系，远近。 1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。 a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过 路径的地形起伏有关，复杂,引入第二种。 b、沿地球旋转椭球体的距离量算。
位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。
3 3 3
点：由单个栅格表达。
线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格 表达。 面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。
1 2 2 2
栅格数据的比例尺就是栅格(象元)的大小与地表 相应单元的大小之比，当象元所表示的面积较大 时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个象 元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值， 因而有可能产生属性方面的偏差。
矢量数据模型
地理实体
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
地理实体—GIS处理的对象
1、定义：
指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有 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，例如，在全国 地图上由于比例尺很小，中国海洋大学就是一个点，这个点不能再分割， 可以把中国海洋大学定为一个空间实体，而在大比例尺的青岛市地图上， 中国海洋大学的许多楼房，道路都要表达出来，所以中国海洋大学必须再 分割，不能作为一个空间实体，应将楼房，道路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。
几何数据（空间 数据、图形数据） 数据关系—实体 间的邻接、关联 包含等相互关系
以什么形式存储和处理
4、数据结构
矢量、栅格、 TIN（专用于地 表或特殊造型）
位置、形状、尺 寸 、
空间特征：地理 位置和空间关系
识别码（名称） 实体的角色、功 能、行为、实体 的衍生信息
属性特征—名称、 等级、类别等 属性数据—各种 属性特征和时间 时间特征
牡丹水庫
空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据Baidu Nhomakorabea码
图形表示
Point
Real world
Row RASTER
Column
Line
Value =0 =1 =2 =3
Grid
Area
Triangles
Hexagons
图形表示
栅格结构用密集正方形（或三角形，多边 形）将地理区域划分为网格阵列。
度、地表温度、土壤湿度。 空间结构特征和属性域 连续的、可微的、离散的 各向同性和各向异性 空间自相关
在各向同性与各向异性场中的旅行时间面
强空间正负自相关模式
空间数据模型
1.1 栅格数据模型
栅格数据模型是 基于连续铺盖的， 它是用二维铺盖 或划分覆盖整个 连续空间；铺盖 可以分为规则的 和不规则的，后 者可当做拓扑多 边形处理。
2
2 2 2 2 3 3 3 3
3
3 3 3
3
3 3
图形表示—栅格数据特点
• 属性明显
– 数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，
因而我们可以直接得到地物的属性代码 • 定位隐含 – 所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是 说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。 – 栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩 充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结
进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 3、由矢量数据转换而来。
4、遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不
同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。 5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM 内插得到。
空间数据结构—栅格数据
定义 图形表示
地理实体—GIS处理的对象
3、空间实体的表达
地理空间实体必须进行数据表达，计算机才能进行处理
对空间实体表达时，点是构成地理空间实体的基本元素， 所以关键是对点元素的表达。
如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素，
称为矢量表示法；如果采用一个有固定大小的点（面元）来表 达基本点元素，称为栅格表示法，它们分别对应矢量数据模型
应的地块。
空间数据结构—栅格数据
• 栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但并 不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具 体设定，比如设置为三角形。 • 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。 • 栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。
栅格数据结构
SPOT XS 20m*20m band G, R, IR
空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
空间数据结构—栅格数据
• 将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格 阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、
列定义，并包含一个代码表示该象素的属性
类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的 指针。 • 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。每一个单元格对应一个相
矢量（Vector）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（Raster）数据结构是面向位置的结构， 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。但对于某一个具体的目标又没有直接聚集 所有信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也 不能完整地建立地物之间的拓扑关系。
数据组织
栅格数据结构
栅格结构的建立 栅格数据编码
数据编码
空间实体
数据结构
图形数据
属性数据
编码
数据组织结果 存入计算机
栅格数据编码
无论如何取值，在计算机中，如果矩阵的
每个元素用一个双字节表示，则一个图层的全栅
格数据所需要的存储空间为m（行） × n（列） × 2（字节）。 如：一个面积为100km2的区域，如果网格 边长取为1m，每个网格用一个双字节表示，则
合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。
空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
栅格数据组织
——针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。
2 2 2 2 2 2 2 土壤
a a a a a
植被
组织方法
空间数据库
空间数据结构—栅格数据
定义 图形表示
空间数据模型
概念：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，它为描述 空间数据的组织和设计空间数据库模式提 供着基本方法。 类型： 基于对象（要素）（Feature）的模型 场（Field）模型 网络（Network）模型
空间数据模型
1. 场模型：空间内连续分布，如污染物的集中程
2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。 如某县的邻接县，面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破 裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关 联。 3）根据拓扑关系可重建地理实体。
空间数据结构
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。
和栅格数据模型
两种数据模型代表着从信息世界观点对现实世界空间目标 的两种不同的数据表达方法，它们在功能、使用方法和应用对 象上都有一定的差异。
地理实体—GIS处理的对象
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
二、地理实体的描述——空间数据 反映了实体的三个特征
1、描述的内容 2、基本特征 3、数据类型
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
栅格结构的建立
（一）数据获取 （二）栅格系统的确定 (三)栅格代码的确定
1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。 2、扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定义颜色
与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再
RDBMS属性表---采用MIS较成熟
时间
测量方法、编码 方法、空间参考 系等
元数据
空间元数据
同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型， 涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述
地理实体—GIS处理的对象
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
三角形、方格和六角形划分
栅格数据模型
矢量数据模型
空间数据模型
2. 要素模型
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他现象之间的关系的方式来研 究。 基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象 或实体。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） 对于基于要素的模型，采用面向对象的描述是 合适的。
空间数据模型
欧 氏 平 面 的 空 间 对 象 类 型
空间对象 零维对象点 一维对象 弧 延伸对象 二维对象 面对象 面域对象
环 简单环
简单弧
域单位对象
空间数据模型
现实世界 要素模型
选择要素 它在哪里 数据
场模型
选择一个位置 那里怎么样
要素模型和场模型的比较
空间数据模型
2.1 矢量数据模型
栅格数据模型
3、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--链关系： （2） 链--结点关系： 面 构成面的弧段 链 链两端的结点
（3） 结点--链关系： 结点 通过该结点的链\ （4） 链—面关系： 链 左面 右面
4、拓扑关系的意义：
对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：
1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关 系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。