第三讲 空间数据的结构与组织
GIS的空间数据结构与组织
9、静夜四无邻，荒居旧业贫。。三月-21三月-21Sunday, March 28, 202110、雨中黄叶树，灯下白头人。。10:12:0810:12:0810:123/28/2021 10:12:08 AM11、以我独沈久，愧君相见频。。三月-2110:12:0810:12Mar-2128-Mar-2112、故人江海别，几度隔山川。。10:12:0810:12:0810:12Sunday, March 28, 202113、乍见翻疑梦，相悲各问年。。三月-21三月-2110:12:0810:12:08March 28, 202114、他乡生白发，旧国见青山。。28 三月 202110:12:08 上午10:12:08三月-2115、比不了得就不比，得不到的就不要。。。三月 2110:12 上午三月-2110:12March 28, 202116、行动出成果，工作出财富。。2021/3/28 10:12:0810:12:0828 March 202117、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。。10:12:08 上午10:12 上午10:12:08三月-219、没有失败，只有暂时停止成功！。三月-21三月-21Sunday, March 28, 202110、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。。10:12:0810:12:0810:123/28/2021 10:12:08 AM11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。。三月-2110:12:0810:12Mar-2128-Mar-2112、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。。10:12:0810:12:0810:12Sunday, March 28, 202113、不知香积寺，数里入云峰。。三月-21三月-2110:12:0810:12:08March 28, 202114、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。28 三月 202110:12:08 上午10:12:08三月-2115、楚塞三湘接，荆门九派通。。。三月 2110:12 上午三月-2110:12March 28, 202116、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。。2021/3/28 10:12:0810:12:0828 March 202117、空山新雨后，天气晚来秋。。10:12:08 上午10:12 上午10:12:08三月-219、杨柳散和风，青山澹吾虑。。三月-21三月-21Sunday, March 28, 202110、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。10:12:0810:12:0810:123/28/2021 10:12:08 AM11、越是没有本领的就越加自命不凡。三月-2110:12:0810:12Mar-2128-Mar-2112、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。10:12:0810:12:0810:12Sunday, March 28, 202113、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。三月-21三月-2110:12:0810:12:08March 28, 202114、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。28 三月 202110:12:08 上午10:12:08三月-2115、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。。三月 2110:12 上午三月-2110:12March 28, 202116、业余生活要有意义，不要越轨。2021/3/28 10:12:0810:12:0828 March 202117、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。10:12:08 上午10:12 上午10:12:08三月-21
第三章空间数据的组织与结构
7
NW
NE
SW 0
SE 7
9 9 9 9 00 9 0 0 9 0 0 0
0
0
7
0
四叉树的树状表示
练习:
3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 3 3 3 1 2 2 2 2 2 2 3 3 1 1 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1 4 4 4 1 1 1 1 1 1 1 4 4 4 4 1 1 1 1 1 1 4 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1
0.0 7.5 15.0 22.5 30.0 37.5 km
武隆县
彭水苗族土家族自治县
矢量数据结构 栅格数据结构 两种数据结构的比较与选择
栅格数据结构
栅格数据结构的定义 栅格数据结构的特点 栅格数据结构的获取 栅格数据结构的组织 栅格数据结构的压缩
一、定义
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grid cell)或象元结构(pixel)，是 指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列， 每个网格作为一个象元或象素,由行、列号定义，并包 含一个代码,表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包 含指向其属性记录的指针。
矢量数据结构
基于矢量模型的数据结构简称为矢量 数据结构。 数据结构。矢量数据结构是利用殴几里得 几何学中的点、 几何学中的点、线、面及其组合体来表示 地理实体空间分布的一种数据组织方式。 地理实体空间分布的一种数据组织方式
一、矢量数据结构编码的基本内容
第三章空间数据组织与结构二.ppt
右多边形 A A B B B C C C A B D D D A
起点 1 2 3 4 5 6 7 8 8 9 12 11 10 9
终点 8 1 2 3 4 5 6 7 9 5 10 12 11 2
线号 a i n b
起点 1 8 9 2
终点 8 9 2 1
左多边形 右多边形
O
A
C
A
B
A
O
A
自动生成的多边形A的线及结点
相互连接的线网络或多边形网络则只有矢量数 据结构模式才能做到，因此矢量结构更有利于 网络分析（交通网，供、排水网，煤气管道， 电缆等）和制图应用。
矢量数据表示的数据精度高，并易于附加上对 制图物体的属性所作的分门别类的描述。
矢量数据只能在矢量式数据绘图机上输出。
目前解析几何被频繁地应用于矢量数据的处理 中，对于一些直接与点位有关的处理以及有现 成数学公式可循的针对个别符号的操作计算， 用矢量数据有其独到的便利之处。
数据获取 矢量数据获取数据慢, 栅格数据快 速获取大量数据。
数据输出 矢量数据输出简单容易，绘图细腻、 精确、美观, 栅格数据输出速度快， 但绘图 粗糙、不美观。
输出设备 矢量数据只能在矢量式数据绘图机 上输出, 栅格数据只能在栅格数据绘图机上输 出。
数据计算 矢量数据计算多边形周长、面积、 总和、平均值不如栅格数据效果好, 栅 格数 据计算多边形周长、面积、总和、平均值更有 效。
4
点与线之间的树状索引
画出下图的树状索引数据结构。
3、双重独立式
这种数据结构最早是由美国人口统计局研 制来进行人口普查分析和制图的，简称为 DIME(Dual lndependent Map Encoding)系 统或双重独立式的地图编码法。它以城市
地理信息系统GIS第3讲空间数据组成与特点2
地理信息系统GIS第3讲空间数据组成与特点2地理信息系统GIS第3讲空间数据组成与特点2地理信息系统（GIS）是一种用于收集、存储、管理、分析和展示地理空间数据的工具。
它涵盖了各种类型的数据，包括地图、地形、气候、人口统计数据等。
在GIS中，空间数据是一种重要的数据类型，它包括地理要素和地理属性。
地理要素是GIS中的基本单元，代表地球表面上的物体、地物或空间实体。
地理要素可以分为点、线、面等不同的类型。
点表示地理现象的位置，例如城市、河流等；线表示地理现象的线状特征，例如公路、河流等；面表示地理现象的面状特征，例如土地利用类型、湖泊等。
地理属性是地理要素相关的非空间属性数据，用于描述地理要素的特征和属性。
地理属性可以是定量数据，如温度、人口数量等，也可以是定性数据，如土地利用类型、土壤类型等。
地理属性可以与地理要素关联，构成空间数据。
空间数据具有以下几个特点：1.地理位置信息：空间数据包含地理要素的位置信息，可以通过坐标系或地址来表示。
这使得GIS系统可以在地图上准确标识、表示和分析地理现象的位置。
2.地理属性信息：空间数据不仅包含地理要素的位置信息，还包含与其相关的地理属性信息。
地理属性信息可以用于描述地理要素的特征和属性，如颜色、高度、属性等。
3.地球表面的多样性：地球表面具有多样性，包括不同地区的地质、气候、植被等。
空间数据可以捕捉和表示地球表面的多样性，为各种地质现象和分析提供基础数据。
4.时空关联性：空间数据不仅具有地理位置信息，还具有时空关联性。
GIS系统可以根据时间和空间维度，对地理现象进行分析和挖掘，揭示地理现象的时空规律和变化趋势。
5.空间数据的多源性：空间数据可以来自各种不同的数据源，如遥感影像、地图、传感器等。
这些数据源可以提供不同分辨率和精度的空间数据，为GIS分析提供不同层次和尺度的信息。
6.数据冗余性与互补性：由于不同数据源的差异和多样性，空间数据可能存在冗余性和互补性。
空间数据组织与管理课件(PPT-56页)
• 需要在二维空间上划分块或图幅，在垂直方向上划分层进 行数据组织
空间数据管理
• 通用数据库管理系统在管理空间数据时，面临的问题：
– GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支持 – DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠
– 数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储 存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩 展性，并可为各种用户共享
数据库基础
• 最常用的数据模型
– 层次模型（HierarchicalModel）
非关系模型
– 网状模型（NetworkModel） – 关系模型（RelationalModel） – 面向对象模型（ObjectOrientedModel）
矢量数据的管理
• 全关系型数据库管理
– 图形数据与属性数据都采用现有的关系型数据库存 储，使用关系数据库标准连接机制进行空间数据与 属性数据的连接
属性数据 （定长记录）
GIS界面
空间数据 （变长记录）
关系表
二进制块
DBMS
空间数据库 全关系管理空间数据
矢量数据的管理
• 对变长结构的空间几何数据的处理方法：
• 1996年，ESRI公司与Oracle等数据库开发商 合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到 大型关系数据库中管理的产品，将其定名为 “spatialdatabaseengine”，简称SDE，即 为“空间数据库引擎”
空间数据库引擎
• 之后许多的GIS厂商和数据库厂商纷纷提出自己的商 业化的产品和解决方案，比较成熟的有GIS厂商ESRI 公司的ArcSDE，MapInfo公司的SpatialWare，数 据库厂商Oracle公司的Spatial，Informix公司的 SpatialDataBlade等产品和技术
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。
第三章空间数据的组织与结构
第三章空间数据的组织与结构空间数据的组织与结构是指如何有效地管理和存储大量的空间数据，并通过数据结构的设计来支持对空间数据的查询和分析。
本文将介绍空间数据的组织与结构的相关概念和技术，并探讨其在实际应用中的应用。
空间数据的组织与结构主要包括三个方面：空间数据模型、空间索引和空间数据存储。
空间数据模型是描述和表示空间数据的方法和规范。
常用的空间数据模型有欧几里得空间模型、栅格空间模型和矢量空间模型等。
欧几里得空间模型是最简单和常用的空间数据模型，它主要通过坐标系和几何对象来描述和表示空间数据。
栅格空间模型是将空间分为固定大小的网格单元，每个单元可以表示一个值或几何对象。
矢量空间模型是通过点、线、面等几何对象来表示空间数据。
不同的空间数据模型适用于不同的应用场景，选择合适的空间数据模型对于提高数据的可用性和处理效率非常重要。
空间索引是一种数据结构，用于加快对空间数据的查询和分析。
常用的空间索引方法有R树、四叉树和网格索引等。
R树是一种平衡树结构，可以将空间数据划分为不重叠的矩形区域，并将每个矩形区域关联一个叶子节点。
四叉树是一种二叉树结构，将空间数据划分为大小相等的四个象限，并将每个象限关联一个子节点。
网格索引是将空间数据划分为固定大小的网格单元，每个单元可以包含一个或多个空间数据对象。
空间索引可以将相邻的空间数据对象组织在一起，从而加快空间数据的查询和分析。
空间数据存储是指将大量的空间数据有效地存储在物理介质上。
常用的空间数据存储方法有关系型数据库、文件系统和专用数据库等。
关系型数据库是最常用的存储空间数据的方法，它可以通过表和索引来组织和管理多个空间数据对象。
文件系统是一种将空间数据以文件的形式存储在磁盘上的方法，它可以通过目录和文件名来组织和管理空间数据。
专用数据库是一种专门用于存储和处理空间数据的数据库管理系统，它提供了高效的空间数据存储和查询功能。
在实际应用中，空间数据的组织与结构对于地理信息系统、物流管理和地图导航等领域具有重要的意义。
空间数据组织与管理
根据应用需求，选择合适的数据模型，如矢量数据模型、栅格数 据模型等。
数据分层与分类
对空间数据进行合理的分层和分类，方便数据的组织和管理。
空间数据存储介质选择
STEP 01
磁盘存储
STEP 02
磁带存储
利用高性能的磁盘存储设 备，提供快速的读写速度 。
STEP 03
云存储
利用云计算技术，实现空 间数据的分布式存储和共 享。
用户管理
建立完善的用户管理制度，对用 户进行身份认证和权限管理，确 保数据的安全性和保密性。
空间数据分发技术
数据压缩
采用高效的数据压缩技术，减小数据传输量 和存储空间占用，提高数据传输效率和存储 效率。
数据传输协议
采用稳定可靠的数据传输协议，确保数据在传输过 程中的完整性和准确性，降低数据传输错误率。
系统的整体性能和稳定性。
Part
05
空间数据共享与分发
空间数据共享平台建设
平台架构
建立一个安全、稳定、高效的空 间数据共享平台，包括数据存储 、数据处理、数据查询和数据分 发等功能模块。
数据整合
将不同来源、不同格式的空间数 据进行标准化和规范化，整合到 一个统一的共享平台上，便于用 户查询和使用。
3
法律保护
加强相关法律法规的建设和执行，对侵犯版权的 行为进行严厉打击，保护数据所有者的合法权益 。
Part
06
空间数据可视化表达与地图制 作
空间数据可视化技术
地图投影技术
将地球表面的地理坐标转换为平 面坐标，以便在地图上显示。
可视化分析技术
通过地图的可视化，对空间数据 进行挖掘和分析，发现空间规律 和趋势。
Part
第三讲 空间数据结构之栅格数据
第三讲空间数据结构之栅格数据一：㈠基本概念1：数据结构：指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构2：空间数据结构：地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，即地理实体的数据本身的组织方法3：描述内容：地理要素和地理现象，包括空间位置、拓朴关系和属性三个方面4：空间数据结构类型：矢量结构和栅格结构㈡：矢量/栅格数据的显示特点1、栅格数据①显式表示：栅格中的一系列像元(点)，为使计算机认识这些像元描述的是某一物体而不是其它物体②显示特点：属性明显，位置隐含2、矢量数据①隐式显示：由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示地物对象形式的矢量②显示特点：属性隐含，位置明显二：栅格数据结构：栅格数据主要编码内容1. 栅格数据的表示①栅格数据结构就是像元阵列的有效组织方法/规范，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征②每个栅格单元只能存在一个值3. 栅格表征地学对象的规则三：栅格数据结构：数据组织方式四：栅格数据结构：栅格数据编码方法1：引子①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)②因此，栅格数据的压缩是栅格数据结构要解决的重要任务2：为何进行压缩编码①当前计算和存储资源是有限的②随着科学技术的进步，数据的时、空分辨率在逐步提升③通过有效的编码方式对相同数据进行存储改良3：压缩编码过程应遵循的原则①编码方法必须是有效的②编码过程必须是可逆—信息的有损和无损之需求③编码方法应能或至少不降低对数据的访问速度4：栅格数据编码方法⑴栅格矩阵法①Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，对某层而言，pixel值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。
②在计算机内是一个4*4阶的矩阵。
但在外部设备上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。
空间数据组织与管理概述
空间数据组织与管理概述1. 引言空间数据指的是地理位置信息与属性信息结合的数据。
在现代化社会中，空间数据的组织与管理对于各种领域的决策和规划至关重要。
空间数据组织与管理的目的是有效地存储、查询、分析和可视化空间数据，以支持地理信息系统（Geographic Information System, GIS）的应用。
2. 空间数据组织在进行空间数据组织之前，我们首先需要了解空间数据的特征。
空间数据通常由几何数据与属性数据组成。
几何数据描述了地理实体的位置、形状和大小，而属性数据描述了与地理实体相关的数量、品质和状态等信息。
2.1 点、线和面几何数据的基本形式包括点、线和面。
点表示一个具体的地理位置，线表示连接两个或多个点的路径，面表示一个封闭的区域。
通过将这些基本形式组合，可以描述复杂的地理现象。
2.2 地理参照系地理参照系是空间数据组织的基础。
它定义了空间数据的坐标系统和地理投影方式，以确保不同数据源之间的一致性和对齐性。
2.3 空间索引为了提高空间数据的查询效率，通常需要使用空间索引来组织和管理数据。
空间索引是一种数据结构，能够快速定位空间数据的位置。
常用的空间索引包括网格索引、四叉树和R树等。
3. 空间数据管理空间数据管理是指对空间数据进行存储、查询、更新和删除等操作的过程。
在空间数据管理中，需要考虑数据的完整性、一致性和安全性。
3.1 数据存储空间数据存储可以采用关系型数据库、文件系统或分布式存储等方式。
关系型数据库通常使用空间扩展模块来支持空间数据的存储和查询。
文件系统可以直接存储空间数据的文件，而分布式存储则将数据分布在多个计算节点上，以提高数据的可扩展性和容错性。
3.2 数据查询空间数据查询是通过查询语言（如SQL）来获取满足特定条件的空间数据。
查询语言通常包括空间操作符（如相交、包含等）和空间函数（如计算距离、面积等）来处理空间数据。
3.3 数据更新和删除空间数据的更新和删除需要考虑数据完整性和一致性。
第3讲-空间数据模型和空间数据结构
空间现象 客观世界的现象划分为5类：
可精密观测的自然对象（如建筑物边界） 受采样限制的自然对象（如河流的边界） 受定义限制的自然对象（如植被覆盖率大小和范围） 不规则的人为对象（如行政区、TIN、Voronoi多边形） 规则的人为对象（栅格、立方体元）
空间实体
➢ 对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同 类对象，就是地理空间实体，简称空间实体。
➢ 空间实体具有4个基本特征：
➢ 空间位置特征 ➢ 属性特征 ➢ 时间特征 ➢ 空间关系
观察和认知
现实世界
概念世界
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抽还 象原 世世 界界
信息
数据世界 （计算机）
空间事物或现象
选择、综合、简化和抽象
程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域
的流速和方向等;
根据不同的应用，场可以表现为二维或三维; 一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，
都有一个表现某现象的属性值，即 A＝f(x，y)
一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对 应一个属性值，即 A＝f(x，y，z)
可被标识 在观察中的重要程度 有明确的特征且可被描述
传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例。
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
分类
子类 超类
几何坐标 子部分 超部分
非空间属性
对象模型对空间要素的描述
场/域（field）模型
把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染
第三讲空间数据组织与管理PPT课件
弧段 起点
终点
）
点-弧拓扑 点 弧-面拓扑 弧
弧段 左面
右面
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17
矢
量 拓扑结构：部分显式表达 数
据 结
用上述部分表格表示空间目标的拓扑关 系
构
System9：面-弧 、弧-点
（
DIME：弧-点、弧-面
续
目前商用GIS还没有超出上述四个表格的 拓扑关系
）
11/4/2020
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矢 量 数 据 结 构 （ 续 ）
11/4/2020
拓扑结构：物理实现
▪ 串行指针
面-弧、点-弧：变长记录，不方便直接存储 POLYVRT（美国计算机图形及空间分析实验
室） TIGER（美国人口调查局）
▪ 直接存储
Arc/Info、GeoStar
19
矢 拓扑结构：拓扑关系与数据共享 量 维护数据的一致性 数 据 结 构 （ 续 ）
空 线状 目标标识 地物编码 坐 标串 起点、终点、左面、右面 间 对象 目标标识 等级 路面材料 宽度 修建时间 管养单位 …… 对 象 面状 目标标识 地物编码 边界目标号
对象 目标标识 所有者 建筑日期 建筑单位 建筑面积 结构 ……
地物类型特征与制图属性
地物编码 地物名称 几何类型 制图颜色 制图符号编码 属性表明
11/4/2020
5
11/4/2020
6
CAD模型
11/4/2020
7
影像数据模型
11/4/2020
8
影像数据模型和栅格数据模型区别
▪ Image 没有属性数据表，仅一个属性项 ▪ 栅格数据具有属性表，并且可和其他的属
性表进行联合运算。 ▪ 应用：影像数据仅作影像处理，而栅格模
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
空间数据的组织与结构
空间数据的组织与结构在当今数字化的时代，空间数据的重要性日益凸显。
从导航应用到城市规划，从地质勘探到环境保护，空间数据在各个领域都发挥着关键作用。
而要有效地管理和利用这些空间数据，就需要深入理解其组织与结构。
空间数据，简单来说，是指具有空间位置特征或属性的数据。
它可以是地理坐标、地图上的点、线、面，也可以是与空间位置相关的其他信息，如温度、湿度、人口密度等。
那么，空间数据是如何组织起来的呢？常见的组织方式有栅格数据结构和矢量数据结构。
栅格数据结构将空间区域划分为规则的网格单元，每个单元都有一个值来表示相应的属性。
比如说，在一张卫星图像中，每个像素就是一个栅格单元，其颜色值代表了该位置的地物特征。
栅格数据结构的优点是处理简单、运算速度快，适用于对空间数据进行全局分析和大规模数据的快速处理。
但它也存在一些缺点，比如数据冗余度大，因为每个单元都要存储一个值，即使相邻单元的值可能相同；而且栅格数据的精度相对较低，难以精确表示复杂的地理实体边界。
与栅格数据结构不同，矢量数据结构通过点、线、面等几何对象来表示地理实体。
例如，一条河流可以用一条线来表示，一个湖泊可以用一个面来表示。
矢量数据结构能够更精确地描述地理实体的形状和位置，数据冗余度小，占用存储空间相对较少。
但矢量数据结构的处理算法相对复杂，在进行某些空间分析操作时可能不如栅格数据结构高效。
在实际应用中，选择栅格数据结构还是矢量数据结构，往往取决于具体的需求和数据特点。
如果需要对大面积的空间数据进行快速分析，且对精度要求不是特别高，栅格数据结构可能是更好的选择；而对于需要精确表示地理实体形状和边界的情况，矢量数据结构则更为合适。
除了这两种基本的数据结构，还有一些混合的数据结构，它们结合了栅格和矢量数据结构的优点，以满足更复杂的应用需求。
空间数据的组织还涉及到数据的分层。
就像我们整理书架时会把不同类型的书放在不同的层架上一样，空间数据也可以根据其主题、属性或用途进行分层。
第三讲地理空间数据的组成与特征
第三讲地理空间数据的组成与特征地理空间数据是指描述地球上各个地点位置、属性和分布的数据，具有地理位置信息的特点。
地理空间数据的组成主要包括地理要素和地理属性两部分。
地理要素是地理空间数据的核心部分，包括点、线、面和体等相关地理对象。
地理要素可以是具体的实物，如建筑物、道路、河流等，也可以是抽象的概念，如行政区划、气候区域等。
地理要素通过点、线、面等几何元素来表示，同时还可以附加地理属性，如名称、分类、用途等等。
地理属性是地理空间数据的描述信息，用于补充地理要素的属性特征。
地理属性包括定量属性和定性属性。
定量属性是用数字来描述地理要素，如长度、面积、容量等，可以进行加减乘除等数学运算。
定性属性是用文字或符号表示的属性，如颜色、形状、种类等，不能进行数学运算。
地理属性与地理要素之间存在一一对应的关系，通过地理属性可以对地理要素进行分类、查询和分析等操作。
地理空间数据的特征主要包括地理位置、地理空间关系和地理空间变化三个方面。
地理位置是指地理要素在地球上的位置，通过坐标可以精确表示。
地理空间关系是指地理要素之间的空间相对位置关系，如相交、相邻、包含等。
地理空间关系可以通过拓扑关系和方位关系来描述。
地理空间变化是指地理要素在时间上的变化，例如城市的扩张、农田面积的变化等。
地理空间变化可以通过时间序列数据或矢量和栅格数据的比较来观察和分析。
总的来说，地理空间数据的组成与特征是地理信息系统的核心内容，具有地理位置、地理空间关系和地理空间变化的特点，是进行地理分析、规划和决策的重要数据基础。
通过合理的数据管理和处理方法，可以提高地理空间数据的质量和效益，为地理信息系统的应用提供可靠的支撑。
第3讲gis数据组织与结构
面（Area）：是具有相同属性的点的轨迹，以（x、y） 坐标对的集合表示，坐标对的排列顺序不影响面的形 态，具内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有至 少一个相同属性。
区域（Region）：空间上相邻或重叠的点、线、面要 素可以按一定的地理意义组成区域。
3）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的比其它 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。
线性四叉树
龚健雅
基于按位彩操作的运算法
3.2.4 矢量数据结构
点实体 线实体 面实体
3.2.5 栅格与矢量数据结构的选择与转换
1 栅格到矢量
从栅格单元转换到几何图形的过程称为矢量化。 •1) 栅格格式向矢量格式转换的目的 •（1）将栅格数据分析的结果，通过矢量绘图设备输出； •（2）数据压缩的需要，将大量的面状栅格数据转换为由小量 数据表示的多边形的边界； •（3）将自动扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库。 2） 矢量化过程要保证以下两点 1）拓扑转换，即保持栅格表示出的连通性与邻接性； 2）转换物体正确的外形。 3 ）多边形栅格格式向矢量格式转换
网状模型（network model）
特点：1）可以有一个以上的结点没有“父”结点；
2）至少有一个结点有多于一个“父”结点；
3）结点之间可以有多种联系；
4）可以存在回路
3.2 空间数据组织与结构
栅格数据结构 矢量数据结构 栅格与矢量数据结构的选择与转换 空间数据分层组织
3.2.1栅格与矢量的基本概念
3.2.3 栅格数据结构及其编码
1 栅格数据的应用模型
5.空间数据组织及结构
矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等 地理实体。
特点：定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。
2020/10பைடு நூலகம்6
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二、地理信息空间数据结构 地理信息数字化描述方法
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空间数据库
一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然 而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成 本就越高，处理速度越慢。
2）方法：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公 式： h为栅格单元边长；Ai为区域所有多边形的面积。
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三、地理数据的编码方法
6 栅格单元代码确定
1 2 22
1
22
1
1
1
1 1
8 88 88 88
1 1
1
88 88 8 88
8 8 88 888 88 8 88 888
1
88 88 88 88
1
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二、地理信息空间数据结构
(x2,y2)
地图的矢量和栅格表示
(x1,y1) (x3,y3)
(x4,y4)
三级、六位整数代码描述地图要素： 1）地图要素类别：水系、居民地、交通网、境界、地 貌、植被和其他要素七类；01~07 2）要素几何类型：点、线、面；00~39 ，40~69 ， 70~99 3)要素的质量特征：道路的等级，普通或简易道路；
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三、地理数据的编码方法
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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二、空间数据结构
（四）GIS的数据结构
1、栅格数据结构(Raster ): 指将分析空间划分成多个规则的网格 单元（多为矩形区域，偶有表示为三 角形、菱形或六边形的）然后给各个 格网单元赋以相应空间对象的属性值 ，用这多个格网单元组成的规则格网 （GRID)来表示地理现象的空间位置 和属性特征。 栅格数据结构实际就是像元阵列，每 个像元由行列确定它的位置，用像元 值表示空间对象的类型、等级等特征 。
N1 • • •
N1 N2
N3
• • •
P1 е5
е6
N4
P3
N5
е3
P2 е2
е4
N3
P4 е 7
一、地理空间数据的拓扑关系
3、弧段与多边形的拓扑关系
弧段
多 边 左多边形 形
右多边形
P0
е1
N2 N1
е1 е2 е3
• • •
P0 P0 P0 • • •
P1 P2 P3 • • •
P1 е5
е6
第3讲 GIS的空间数据结构 与组织
内容
3.1 空间数据的拓扑关系
3.2 空间数据结构
3.3 栅格结构 3.4 矢量结构 3.5 数据变换 3.6 空间数据的分层组织
一、地理空间数据的拓扑关系
（一）拓扑的概念和意义 1. 拓扑的概念
拓扑学是几何学的一个分支，它研究图形在连续变 形下（拓扑变换）的那些不变的几何属性。组成一个图 形的各元素（结点、弧段、面域）之间都存在着二元关 系，即邻接关系和关联关系。在地图上这种关系可以借 助图形来识别，而在计算机中这种关系需用拓扑关系加 以定义。拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学 方法。
线与区域分离。
6）面-面关系：包含：如岛的情形；
相合： 相交：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或； 相邻：计算相邻边界的性质和长度；
分离：计算距离、引力等。
二、空间数据结构
（一）数据结构概念：
数据结构即指数据组织的形式，是适于计算机存储、管理
和处理的数据逻辑结构。
对空间数据而言，数据结构则是地理实体的空间排列方式 和相互关系的抽象描述。 在地理系统中描述地理要素和地理现象的空间数据主要包 括：空间位置、拓扑关系和属性三个方面的内容。
栅格模式
矢量模式
真实世界
二、空间数据结构
2、矢量数据结构(Vector):
利用欧几里得（Euclid）几何 学中的点、线、面及其组合体 来表示实体空间分布的一种数 据组织方式。 通过记录空间对 象的坐标及空间关系来表达空 间对象的位置和形状。
二、空间数据结构
栅格
矢量
图形栅格单元（又称像元或 像素）按矩阵形式的集合
1 1 1 4 4 4 4 1 1 1 3 3 3 1 1 1 2 3 3 3 1 2 2 4 3 3 1 1 2 2 4 4 3 3 1 2 2 4 3 3 3 1 Value Count 14 1 2 7 3 13 4 8
三、栅格结构
三、栅格结构
（二）栅格数据的获取
1、遥感方法获取(航天与航空); 2、图片扫描获取(纸介质的地图等扫描)； 3、矢量数据转换而来； 4、由平面上行距、列距固定的点抽样而来。
一、地理空间数据的拓扑关系
拓扑的感性认识
假设欧氏平面是一张高质量无边界的橡皮，该橡皮能够伸长和 缩短到任何理想的程度。想象一下基于这张橡皮所绘制的图形 ，允许这张纸伸长但是不能撕破或者重叠，这样原来图形的一 些属性将保留，而有些属性将会失去。
例如，在橡皮表面有一个多边形，多边 形内部有一个点。无论对橡皮进行压缩或 拉伸，点依然存在于多边形内部，点和多 边形之间的空间位置关系不改变，而多边 形的面积则会发生变化。前者则是空间的 拓扑属性，后者则不是拓扑属性。
三、栅格结构
（三）栅格数据的基本运算
1. 栅格图像的平移(向右一格,再向上一格)
三、栅格结构
2. 两个栅格图像的算术组合
将两个栅格图像叠加,使它们对应像元的灰度 值相加,相减,相乘,相除,开方和,平方和等等.
三、栅格结构
3.两个栅格图像的布尔逻辑组合
三、栅格结构
4.其它栅格图像的基本运算
地理要素之间的空间区位关系
1）点-点关系：
相合； 分离； 一点为其他诸点的几何中心； 一点为其他诸点的地理重心；
2）点-线关系：
点在线上：可以计算点的性质，如拐点等； 线的端点：起点和终点； 线的交点； 点与线分离：可计算点到线的距离。
一、地理空间数据的拓扑关系 3）点-面关系：
非拓扑属性 两点之间的距离 一个点指向另一个点的方向 弧段的长度 一个区域的周长 一个区域的面积
一、地理空间数据的拓扑关系
2. 拓扑关系的重要意义
在地理信息系统中，空间数据的拓扑关系，对地理信息系 统的数据处理和空间分析具有重要的意义，主要表现在如下 三个方面： （1）根据拓扑关系可以确定地理实体间的相对空间位置， 而无需利用坐标和距离； （2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询； （3）可以利用拓扑数据重建地理事体。 如建立封闭多边形， 实现道路的选取，进行最佳路径的计算等。 通过拓扑关系，识别地图中的空间数据关系。 不仅记录空间位置和几何特性，还记录空间关系。
(1)栅格灰度值乘上或加上一个常数; (2)栅格灰度值求其正弦,余弦等,方根,对数,指数等; (3)将某些栅格灰度值置成常数等; (4)求一个栅格图像中元素灰度值之和; (5)找出一个栅格图像中元素灰度值最大和最小等; (6)求出两个栅格图像对应灰度值的数量积; (7)将两层栅格图像对应灰度值比较,并把一个较大的元素记录 到结果栅格图像中; (8)进行”二值图像”处理等等.
一、地理空间数据的拓扑关系
欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性
拓扑属性 一个点在一个弧段的端点 一个弧段是一个简单弧段（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 一个点在一个区域的外部 一个点在一个环的内部 一个面是一个简单面（面上没有“岛”） 一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面 的内部沿任意路径走向另一点）
三、栅格结构
2、栅格数据模型中，如何将属性数据赋予空间数据？
方法一： 每一个网格单元都赋予一个数值。（简单，但无法有多重属性） 需要表达多重属性就必须建立多个栅格图层
建筑物 土地使用 土地产权 地形
Z
Y X
三、栅格结构
方法二： 网格单元与DBMS（数据库管理系统）相连接，一个网 格单元就可以有多重属性。 多重属性的局限。
拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3 拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6 拓扑包含：P3与P4
е1
P1 е5 P2 е2
N1
е6
N4
P3
N5
е3
N2
е4
N3
P4
е7
一、地理空间数据的拓扑关系
（三）拓扑结构的表达 1、结点与弧段的拓扑关系
二、空间数据结构
（二）GIS的数据(空间信息)
1、空间数据（图）：表示要素的空间位置、几何特征 2、属性数据（文）：表示要素的非几何特性，包括文字属 性、表格、其他非几何数据（声音、动画、影像等等）
二、空间数据结构
（三）空间对象（实体）的地图表达
1、点状要素：表达为空间上一个点位的符号。具 定位特征，为不依比例符号。 2、线状要素：表达为空间上沿某个方向延伸的线 状或带状现象的符号。具定位特征， 为半依比例符号。 3、面状要素：表达为空间上具连续两维分布的现 象的符号。具定位特征，为依比例符 号。 4、体积要素：表达为空间上具三维特征的现象的 符号。具定位特征，与比例尺相关。
一、地理空间数据的拓扑关系
（二）空间数据的拓扑关系 1、拓扑邻接： 同
类 元素之间的拓扑关系。
如多边形之间；结点之间的邻接关系。
2、拓扑关联： 不 同 类 元素之间的拓扑关系。
如结点与弧段；多边形与弧段的关联关系。
3、拓扑包含：同类不同级 元素之间的拓扑关系。 如多边形与多边形的包含关系。
一、地理空间数据的拓扑关系
点在区域内，可以记数和统计； 点为区域的几何中心； 点为区域的地理重心； 点在区域的边界上； 点在区域外部。
4）线-线关系：
重合； 相接：首尾环接或顺序相接； 相交： 相切；
并行。
一、地理空间数据的拓扑关系 5）线-面关系：
区域包含线：可计算区域内线的密度；
线穿过区域： 线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称；
西南角格 网坐标 （XWS， YWS） 格网方向
格网分辨率
行
列
栅格数据模型的其他表示方式
（a）三角形
（b） 菱形
（c) 六边形
三、栅格结构
1、栅格数据 中的点线面
面 线
点 点：表示为单个像元。 线：表示为在一定方向上连 接成串的相邻像元的集合。 面：表示为聚集在一起的相 邻像元的集合。
三、栅格结构
5. 栅格图像的叠置分析
计算B行政区 里Ⅲ类土壤的 面积？
三、栅格结构
计算机实现流程图：
三、栅格结构
（四）栅格数据的组织
数据文件 像元 1 I坐标 数据文件 层1 数据文件 层1 多边形1 属性值 像元1坐 标 像元N坐 标 多边形 N
J坐标
层1属性 值 层2属性 值 层N属性 值 像元 2 像元 N 节省空间
二、空间数据结构
空间对象（实体）的遥感影像表达
遥感传感器平台
传感器
二、空间数据结构
空间对象（实体）的GIS数字化表达
点：位置：（x，y） 属性：符号