地理信息系统的数据结构(精)
GIS的空间数据结构
GIS的空间数据结构GIS（地理信息系统）中的空间数据结构是指用来存储、组织和管理地理空间数据的方式和方法。
它们是构建GIS系统的基础，对于实现空间数据的高效查询、分析和可视化表示具有重要意义。
本文将介绍常见的空间数据结构，包括矢量数据结构、栅格数据结构和层次数据结构。
一、矢量数据结构（Vector Data Structure）是用点、线和面等几何要素来表示地理现象的空间数据结构。
常见的矢量数据结构包括点、线和面三种类型：1. 点（Point）是空间数据最基本的要素，它由一个坐标对(x, y)表示，常用于表示一个具体的地理位置或地物。
2. 线（Line）是由若干个连接起来的点所组成的线条，它可以用来表示道路、河流等线状地物。
3. 面（Polygon）是由若干个边界相连的线所围成的封闭区域，它可以用来表示国家、城市等面状地物。
矢量数据结构是一种拓扑结构，在存储空间数据时，常采用点-线-面的层次结构，以及节点、弧段和拓扑关系等数据结构来存储和组织地理空间数据。
二、栅格数据结构（Raster Data Structure）将地理空间数据划分为一系列均匀的像素或单元格，用像素值或单元格值来表示地物属性。
栅格数据结构适用于连续分布的地理现象，如温度、降雨等。
常见的栅格数据结构包括：1. 栅格图像（Raster Image）是将地理空间数据以图像的方式呈现，每个像素的灰度值或颜色代表了地物属性的强度或类型。
栅格图像可以通过数字遥感技术获取，并被广泛应用于地貌分析、图像处理等领域。
2. 数值地形模型（Digital Elevation Model，DEM）是一种栅格数据结构，用于表达地球表面的海拔高度。
DEM常用于地形分析、洪水模拟等应用中。
栅格数据结构的主要优点是简单、易于操作和处理，但由于其离散性，对于空间数据的存储和处理需求较大。
三、层次数据结构（Hierarchical Data Structure）是一种将地理空间数据按层次结构进行组织和管理的数据结构。
地理信息系统的数据结构
其它有关的属性
线 实 体
线实体 唯一标识码 线标识码 起始点 终止点 坐标对序列 显示信息 非几何属性
面 实 体
多边形矢量编码， 不但要表示位置和 属性，更重要的是 能表达区域的拓扑 特征，如形状、邻 域和层次结构等， 以便使这些基本的 空间单元可以作为 专题图的资料进行 显示和操作。
简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）
二、 地球模型
水准面 铅垂线 地球表面 大地水准面
地球椭球体
地理空间坐标系
• 地理坐标系是以地理极 (北极、南极)为极点 • 通过A点作椭球面的垂线， 称之为过A点的法线 • 法线与赤道面的交角， 叫做A点的纬度ψ • 过A点的子午面与通过英 国格林尼治天文台的子 午面所夹的二面角，叫 做A点的经度λ
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。 存储： 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 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 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
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
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
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
中国土地利用分布图（不连续面）
GIS的空间数据的分类
地图数据
地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系 统最重要得信息源
地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构
面对象 Class
属性
属性
体 3-Complex
面 2-Complex
线对象 Class
属性
线 1-Complex
点对象 Class
属性
点 0-Complex
三角形 2-simplex
线段 1-simplex
节点 0-simplex
33
空间地物
复杂地物
13 类空间对象
复杂
柱状地物
体状地物
数字立体模型
部分
节点 0-simplex
X,Y,Z
31
三维对象的拓扑数据模型
体状对象
面状对象
线状对象
点状对象
1 BodyID
1 SurfaceID
1
LineID
1 PointID
N
体1
N
4
5
面
1
6
N
3 4
边
1
1
2 结点
ElementID
FaceID
EdgeID
NodeID
X
Y
Z
32
三维复杂实体的逻辑模型
体对象 Class
• 模型：
• 时间作为属性（time stamp）
• 序列快照模型( Sequent Snap shots) • 基态修正模型(Base State with Amendments) • 时空复合模型( Space - time Composite) • 时空立方体模型( Space - time Cube)
表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新, 不足之 处是空间分析难以进行。 （2）体模型(Volume model)
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)
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）已经成为了我们理解和管理地球空间信息的重要工具。
无论是城市规划、环境保护、交通运输，还是农业发展、资源勘探等领域，GIS 都发挥着不可或缺的作用。
而要理解 GIS 的工作原理和应用，就必须深入了解其核心组成部分之一——数据结构。
那么，什么是地理信息系统的数据结构呢？简单来说，数据结构就是用于组织和存储地理数据的方式。
它决定了数据如何被录入、存储、管理、检索和分析，直接影响着 GIS 系统的性能和功能。
地理信息系统中的数据可以分为两大类：空间数据和属性数据。
空间数据描述了地理对象的位置、形状和空间关系，比如一个湖泊的轮廓、一座山脉的走向等。
属性数据则是关于这些地理对象的特征信息，例如湖泊的面积、水深，山脉的海拔、植被类型等。
为了有效地存储和管理这两类数据，GIS 采用了多种数据结构。
其中，矢量数据结构和栅格数据结构是最为常见的两种。
矢量数据结构将地理对象表示为点、线和面等几何图形。
点可以用来表示单个的地理位置，如一座山峰的顶点；线用于表示线状地物，如河流、道路；面则代表具有一定范围的区域，如行政区域、土地利用类型等。
矢量数据结构的优点是精度高、数据量小、便于进行几何变换和拓扑分析。
比如，在城市规划中，我们可以精确地计算出建筑物之间的距离、道路的长度等。
然而，矢量数据结构在处理大面积的连续数据时，如遥感图像，就显得不太方便。
与之相对的栅格数据结构则是将地理空间划分成规则的网格单元，每个单元被赋予一个特定的值。
栅格数据结构适用于表示连续变化的地理现象，如地形的起伏、气温的分布等。
它的优点是数据结构简单，易于与遥感数据结合，并且便于进行空间分析和图像处理。
但栅格数据结构的缺点也很明显，那就是数据量较大，精度相对较低，而且在进行几何变换时会产生一定的误差。
除了矢量和栅格数据结构，还有一种称为拓扑数据结构的重要类型。
拓扑数据结构关注的是地理对象之间的空间关系，而不仅仅是它们的位置和形状。
GIS地理信息系统空间数据结构解析
GIS地理信息系统空间数据结构解析GIS是地理信息系统的英文缩写，即Geographic Information System。
它是一种利用计算机和软件技术来收集、管理、分析和展示地理空间数据的工具。
GIS空间数据结构是指在地理信息系统中用来组织和存储地理空间数据的方式和方法。
GIS空间数据结构的核心是地理空间数据的表示方法。
在GIS中，地理空间数据可以分为两种类型：矢量数据和栅格数据。
矢量数据以几何实体为基本单位，通过点、线、面等几何对象来描述地理现象的空间分布。
而栅格数据以网格为基本单位，通过将地理空间划分为规则的网格单元来表示地理现象的分布。
矢量数据通常由三要素组成：空间位置、属性信息和拓扑关系。
空间位置是指地理现象在地球表面上的位置，可以用点、线、面等几何对象来表示。
属性信息是指地理现象的有关属性和属性值，例如地名、面积、人口等。
拓扑关系是指不同几何对象之间的空间关系，例如点和线之间的相交、包含等关系。
在矢量数据的存储和管理上，常用的数据结构包括点、线和多边形数据结构。
点数据结构采用坐标表示地理位置，通常使用点图层进行存储和管理。
线数据结构由多个点连接而成，可以表示河流、道路等线状地理现象。
多边形数据结构由多条线构成封闭的区域，可以表示湖泊、行政区等面状地理现象。
除了矢量数据外，栅格数据也是GIS中常用的一种数据结构。
栅格数据将地理空间划分为规则的网格单元，每个网格单元包含一个数值或类别信息。
栅格数据适用于连续变化的地理现象，例如地形高程、气候等。
在栅格数据存储和管理上，常用的数据结构包括二维数组和图像数据结构。
在GIS空间数据结构中，数据之间的空间关系是一个重要的概念。
常见的空间关系包括相交、邻接、包含等。
相交是指两个地理现象在地理空间上有交集，邻接是指两个地理现象在地理空间上相连或相邻，包含是指一个地理现象包含另一个地理现象。
GIS空间数据结构的选择取决于具体的应用需求和数据特点。
矢量数据适用于描述点、线、面等离散的地理现象，可以准确表示地理位置和拓扑关系。
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，
地理信息系统的数据结构(精)
地理信息系统的空间数据结构
内部数据结构基本上可分为两大类：即矢量结构和栅格结构。两类结构 都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型
矢量数据结构
栅格数据结构
• 实际应用中，每个网格通常会有不同的几种属性值，由于只能取一种，这就有不 同的取值方法。
（1）中心点法。即用处于栅格中心点的地物类或现象特性决定栅格的值。有时也称为网格交点归属法。 （2）面积占优法，就是以占栅格最大的地物类或现象特征决定栅格单元的值。 （3）长度最占优法。当覆盖的网格过中心部位时，横线占据该格中的大部分长度的属性值定为栅格单元的值。 （4）重要性法。根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元的值。如重要性
CELL树
• R树和R+在插入、删除和空间 搜索效率两方面难于兼顾
• 在空间划分时不再采用矩形作 为划分的基本单位，而是采用 凸多边形来作为划分的基本单 位，具体划分方法与BSP树有 类似之处，子空间不再相互覆 盖。CELL树的磁盘访问次数比 R树和R+树少，由于磁盘访问 次数是影响空间索引性能的关 键指标，故CELL树是比较优秀 的空间索引方法
地质图系列 土地利用图系列
植被图系列 土地能力图系列 自然资源图系列
常用的地图投影
比例尺
1 ：2.5万 1 ：5万 1 ：12.5万 1 ：25万 1 ：50万 1 ：100万
1 ：5万 1 ：25万 1 ：50万 1 ：100万
1 ：5万 1 ：12.5万 1 ：25万 1 ：50万
1 ：12.5万 1 ：25万 1 ：50万
2． 中央子午线投影后长度不变。赤道投影后其长 度距中央子午线愈远变形愈大；
3． 中央子午线东西两侧的点﹑线的投影以中央子 午线为对称轴而对称。直线的投影也是距中央子 午线愈远而长度变形愈大；
地理信息系统矢量数据结构
ESRI Shapefile
Shp – 主文件是一个直接存取，变长度记录的文件，其中每个记录描 述构成一个地理实体（Feature）的所有vertices坐标值。
索引文件 – 每条记录包含对应主文件记录距离主文件头开始的偏移量
dBASE表包含SHP文件中每一个Feature的特征属性，表中几何记 录和属性数据之间的一一对应关系是基于记录数目的ID。
2 识别与描述 – 地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的。 – 在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。 – 空间关系的描述多种多样。不同的GIS可能采用不同 的方法进行描述。
3.拓扑关系
(1)拓扑关系定义：
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
非拓扑属性（几何） 拓扑属性（没发生变化的属性）
实体数据结构实例
MapInfo 的Tab文件 – *.tab：头文件，软件版本号、存储坐标投影、地图 边界、属性项名等，是ASCII码文件。 – *.map：图形文件，存储所有GIS图形。 – *.id ：索引文件，存储图形与属性的关联关系。 – *.dat：属性文件，存储所有属性项值。
Supermap的文本文件
抽象的点, 有位置，无宽度和长度；
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
线
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
面
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
中国土地利用分布图（不连续面）
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
地理信息系统空间数据结构
第二章地理信息系统空间数据结构2.1地理空间数据及其特征【学时安排】1学时【目的要求】1、掌握地理信息系统的数据类型；2、理解地理信息系统的数据来源；3、掌握空间数据的特点。
【重点难点】地理信息系统的数据类型与特征。
【教学方法与手段】示例式教学方法，多媒体教学手段。
一、GIS空间数据的来源与类型空间数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液，因为GIS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GIS的第一步工作就是根据系统的功能，获取所需要的空间数据，并创建空间数据库。
1、地理数据的来源GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种来源:⑴地图数据。
来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的类别或属性清晰，实测地形图还具有很高的精度，是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要的信息源。
⑵影像数据。
主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影像数据，构成多源海量数据，也是GIS的最有效的数据源之一。
⑶地形数据。
来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。
⑷属性数据。
来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。
⑸元数据。
来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。
2、空间数据的类型空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型(图2-1)，它们各表示的具体内容如下:(1)类型数据。
例如考古地点、道路线、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、行政单元等。
(3)网络数据。
例如道路交点、街道、街区等。
(4)样本数据。
例如气象站、航线、野外样方分布区等。
(5)曲面数据。
例如高程点、等高线、等值区域等。
GIS地理信息系统空间数据结构
GIS地理信息系统空间数据结构在当今数字化的时代，地理信息系统（GIS）已经成为了我们理解和处理地理空间数据的重要工具。
而在 GIS 中，空间数据结构则是其核心组成部分，它决定了如何有效地组织、存储和管理地理空间数据，以便于快速访问、分析和可视化。
要理解 GIS 地理信息系统的空间数据结构，首先我们得明白什么是地理空间数据。
简单来说，地理空间数据就是描述地球表面或与地球表面相关的各种信息，比如地形、地貌、道路、建筑物、水系等等。
这些数据具有空间位置、属性和时间等特征。
在 GIS 中，常见的空间数据结构主要有矢量数据结构和栅格数据结构两种。
矢量数据结构是通过点、线、面等几何图形来表示地理实体。
比如，一条河流可以用一系列的点连接成线来表示，一个城市的区域可以用一个封闭的多边形面来表示。
矢量数据结构的优点是数据精度高、存储空间小、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。
拓扑分析在很多应用中非常重要，比如判断两个区域是否相邻、道路网络是否连通等。
然而，矢量数据结构在处理复杂的空间关系和大规模数据时，计算量会比较大。
栅格数据结构则是将地理空间划分成规则的网格单元，每个网格单元被赋予一个特定的值来表示相应的地理特征。
比如，在卫星影像中，每个像素就是一个栅格单元，其灰度值或色彩值代表了该位置的地物信息。
栅格数据结构的优点是数据结构简单、易于实现和操作，特别适合于进行空间分析和模拟。
但它的缺点也很明显，比如数据量大、精度相对较低，而且难以表达复杂的地理实体和空间关系。
除了这两种主要的数据结构，还有一些混合的数据结构，比如矢栅一体化数据结构。
这种结构试图结合矢量数据和栅格数据的优点，以满足不同应用场景的需求。
在实际应用中，选择合适的空间数据结构取决于多个因素。
比如数据的特点和精度要求，如果数据是高精度的、几何形状复杂的地理实体，矢量数据结构可能更合适；如果数据是大面积的、连续分布的，比如地形数据，栅格数据结构可能更适用。
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。
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),
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CELL树
• R树和R+在插入、删除和空间 搜索效率两方面难于兼顾 • 在空间划分时不再采用矩形作 为划分的基本单位，而是采用 凸多边形来作为划分的基本单 位，具体划分方法与BSP树有 类似之处，子空间不再相互覆 盖。CELL树的磁盘访问次数比 R树和R+树少，由于磁盘访问 次数是影响空间索引性能的关 键指标，故CELL树是比较优秀 的空间索引方法
栅格数据的组织方法
栅格数据内部编码方法（存储）
• • • • 直接编码是最简单、最直接的编码方式 链码编码。又称为弗里曼编码 或边界码 游程长度编码 四叉树编码
矢量数据内部编码方法
X,Y坐标方法；树状索引编码法；拓扑结 构编码等
地 理 信 息 系 统 的 处 理 流 程
一Hale Waihona Puke 化数据结构规定 1。对于点状目标，只表示该点的位置及与节 点关联的弧段信息 2。对于线状目标，用一组元子来填满整个路 径，并表示该弧段的拓扑信息 3。对于面状目标，由元子填满路径的一组边 界和由边界组成的紧凑空间。 一般用基本网格和细分网格表示，用两个 Morton码表示
第二章 地理信息系统的数据结构
2006.1
第一节 地理空间及其表达
• 我国的三大坐标系 54北京坐标系(局部平差) 80国家大地坐标系(整体平差) 地心坐标系 • 高程基准 黄海平均海平面 相差29mm 1985国家高程基准
地理空间实体表达方式
地 理 信 息 系 统 的 基 本 单 元 （ 实 体 ） 类 型
中国地图的投影有： 中国全图：斜轴等面积方位投影、斜轴等角方位投影、彭纳投影和伪方位投 影。 中国全图（南海诸岛作插图）为正轴等面积割圆锥投影和正轴等角割圆锥投 影。 中国分省（区）地图的投影主要有正轴等角割圆锥投影、正轴等面积割圆锥 投影、正轴等角圆柱投影和高斯一克吕格投影（宽带）。 中国大比例尺地图的投影：多面体投影（北洋军阀时期）、等角割圆锥投影 （Lambert）（解放前）和高斯一克吕格投影（中华人民共和国成立以后）。 通常讲，我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1： 5万、1：2.5万、1：1万、1：5000）除1：100万外均采用高斯—克吕格投影 为地理基础。1：100万采用Lambert投影其分幅原则与全球统一使用的百万分 之一地图一致。
地图投影的目的和方法
投影类型
按投影变形性质分类
(1)等角投影 (2)等积投影 (3)任意投影
标准网经纬线形状分类
• 地图投影标准网是指该类投影最简单的经 纬线网形状。按标准网经纬线形状可将地 图投影分为方位投影﹑圆柱投影﹑圆锥投 影﹑伪圆柱投影﹑伪圆锥投影﹑多圆锥投 影等。
常用的地图投影
四叉树编码
把整个2nx2n像元组成的阵列当作树的根结点，树的高度为n级（最多为n级）。每个结 点有分别代表西北、东北、西南、东南四个象限的四个分支。编码记录每个终点（或 叶子结点）的地址和值，其中地址包括两个部分，共占32位（二进制），最右边四位 记录叶节点的深度，它代表了该点所处四叉树的层数，地址由从根结点到该叶子结点 的路径表示。从右边第五位起2n字节记录象限位置，其中0代表北西，1代表北东，2代 表南西，3为南东，每层位置用两位二进制表示。数字图象中，第10行，第4列的结点 深度为4，第一层位于SW象限为2，第二层位于NW象限为0，第三层位于NE象限为1，第 四层位于SE象限为3。 00000000000000000000110100100100 转换为十进制3364，这样，记录了各个叶子结点的地址和值，就记录了整个图象。
1 ：5万 1 ：12.5万 1 ：25万 1 ：50万 1 ：12.5万 1 ：25万 1 ：50万 1 ：5万 1 ：25万 1 ：100万
UTM
植被图系列
UTM
土地能力图系列
UTM UTM Lambert
自然资源图系列
1 ：25万
UTM
加拿大CGIS图件比例尺与投影对应表
我国出版的地图中常用的投影
四叉材编码法的优缺点
四叉材编码法的优点：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，用同 一形状和大小的多边形可能得出多种不同的四叉 树结构，故不利于形状分析和模式识别。
空间索引机制
• 空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空 间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的 一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息， 如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的 指针。 • 空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它 通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间 对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。 空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地 理信息系统的整体性能，它是空间数据库和地理 信息系统的一项关键技术
BSP树空间索引
BSP树是一种二叉树， 它将空间逐级进行一 分为二的划分（图）。 BSP树能很好地与空 间数据库中空间对象 的分布情况相适应， 但对一般情况而言， BSP树深度较大，对 各种操作均有不利影 响。
KDB树空间索引
优点：它对于多维空间中的点进行索引具有较好的动态特 性，删除和增加空间点对象也可以很方便地实现； 缺点：不直接支持占据一定空间范围的地物要素，如二维空 间中的线和面。该缺点可以通过空间映射或变换的方法部 分地得到解决。 空间映射或变换就是将2n维空间中的区域变换到2n维空间中 的点，这样便可利用点索引结构来对区域进行索引，原始 空间的区域查询便转化为高维空间的点查询。 空间映射或变换方法仍然存在着缺点：高维空间的点查询要 比原始空间的点查询困难得多；经过变换，原始空间中相 邻的区域有可能在点空间中距离变得相当遥远，这些都将 影响空间索引的性能。
矢量数据结构
栅格数据结构
• 实际应用中，每个网格通常会有不同的几种属性值，由于只能取一种，这就有不 同的取值方法。
（1）中心点法。即用处于栅格中心点的地物类或现象特性决定栅格的值。有时也称为网格交点归属法。 （2）面积占优法，就是以占栅格最大的地物类或现象特征决定栅格单元的值。 （3）长度最占优法。当覆盖的网格过中心部位时，横线占据该格中的大部分长度的属性值定为栅格单元的值。 （4）重要性法。根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元的值。如重要性 依次为C,A,E,B和D。
世界地图的投影有：等差分纬线多圆锥投影，正切差分纬线多圆锥投影（1976 年方案），任意伪圆柱投影和正轴等角割圆柱投影。 半球地图的投影有： 东半球图： 横轴等面积方位投影和横轴等角方位投影。 西半球图： 横轴等面积方位投影和横轴等角方位投影。 南、北半球地图主要有正轴等距离方位投影、正轴等角方位投影、正轴等面积 方位投影、斜轴等面积方位投影和彭纳投影标准纬线等。 亚洲地图的投影斜轴等面积方位投影，彭纳投影。 欧洲地图的投影有斜轴等面积方位投影和正轴等角圆锥投影。 北美洲地图的投影为斜轴等面积方位投影和彭纳投影。 南美洲地图的投影有斜轴等面积方位投影和桑逊投影。 澳洲的投影有斜轴等面积方位投影和正轴等角圆锥投影。 拉丁美洲地图的投影有斜轴等面积方位投影。
通用横轴墨卡托投影公式
通用横墨卡托投影（UTM）与高斯—克吕格投影相比较，这 两种投影之间仅存在着很少的差别，从几何意义看，UTM 投影属于横轴等角割园柱投影，圆柱割地球于两条等高圈 （对球体而言）上，投影后两条割线上没有变形，中央经 线上长度比小于１（假定＝0.9996）
地理信息系统中地图投影的配置原则
统一的坐标系是地理信息系统建立的基础。不论是什么样的地理信息系统，它们的投 影坐标系统的配置具有以下的四个特点： （1）各个国家的地理信息系统所采用的投影系统与改国的基本地图系列所用的投影 系统一致。 （2）各比例尺的地理信息系统中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用 的投影一致； （3）各地区的地理信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致。 （4）各种地理信息系统一般以一种或两、三种投影系统为其投影系统，以保证地理 定位框架的统一。 地理信息系统中投影配置的一般原则是： （1）所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图、基本省 区或国家大地图集）的投影系统一致； （2）系统一般只考虑至多两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输 出，另一种服务于中小比例尺； （3）所用投影以等角为宜，但不绝对。 （4）所用投影应与网格坐标系统相适应，即采用的网格系统在投影坐标带中应保持 完整。
地图类型 比例尺
1 ：2.5万 1 ：5万 1 ：12.5万 1 ：25万 1 ：50万 1 ：100万 1 ：5万 1 ：25万 1 ：50万 1 ：100万
投影系统
UTM UTM UTM UTM UTM UTM Lambert UTM UTM UTM UTM Lambert
地形图系列
地质图系列
土地利用图系列
1． 与圆柱相切的子午线投影后为一直线，称为中 央子午线；赤道投影后为一与中央子午线正交的 直线；两者构成了高斯直角坐标系的纵﹑横坐标 轴； 2． 中央子午线投影后长度不变。赤道投影后其长 度距中央子午线愈远变形愈大； 3． 中央子午线东西两侧的点﹑线的投影以中央子 午线为对称轴而对称。直线的投影也是距中央子 午线愈远而长度变形愈大； 4． 除中央子午线和赤道外，其它经纬线的投影， 都是成为向两极收敛的曲线。
拓扑：是一 种确定空间 特 征及其 相互关系的 数学方法。 如弧段的长 度、方向。 多边形的面 积、邻接性 等
信 息 分 类
信 息 分 层
地图投影
• 统一的地理基础包括统一的地图投影系统 ﹑统一的地理网格坐标系统以及统一的地 理编码系统。统一的地图投影系统就是要 为地理信息系统选择和设计一种或几种适 用的地图投影系统和网格坐标系统，为各 种地理信息的输入输出以及匹配提供一个 统一的定位框架，使各种来源的地理信息 和数据能够具有共同的地理基础，并在这 个基础上反映出它们的地理位置和地理关 系特征。