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。

(6) 文本数据。

例如地名、河流名称、区域名称等。

(7) 符号数据。

例如点状符号、线状符号、面状符号(晕线) 等。

所有这些不同类型的数据都可以分为点、线、面三种不同的图形，并可以分别采用y平面坐标，地理经纬度，或者格网法表示。

二、空间数据的基本特征要完整地描述空间实体或现象的状态，一般需要同时有空间数据和属性数据。

如果要描述空间实体或的变化，则还需记录空间实体或现象在某一个时间的状态。

所以，一般认为空间数据具有三个基本特征(图2- 2):1 、空间特征表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。

空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。

图2 —1 空间数据的类型和表示方法(据Jack Dangermond , 1984)2、属性特征 表示现象的特征，例如 变量、分类、数量特征和名称等等。

3 、时间特征 指现象或物体随时间的 变化。

位置数据和属性数据相对于时间来说， 常常呈相互独立的变化，即在不同的时间， 空间位置不变，但是属性类型可能已经发生 变化，或者相反。

因此，空间数据的管理是 十分复杂的。

有效的空间数据管理要求位置数据和 非位置数据互相作为单独的变量存放， 并分 别采用不同的软件来处理这两类数据。

这种数据组织方法，对于随时间而变化的数据， 具有更大的灵活性。

2.2空间数据结构的类型【学时安排】9学时【目的要求】1、 掌握拓扑数据结构；2、 掌握拓扑关系的类型；3、 理解拓扑关系的意义；4、 掌握栅格数据的表示及压缩方法；5、理解栅格模型与矢量模型的优缺点。

【重点难点】栅格数据结构及压缩方法；拓扑数据结构。

【教学方法与手段】示例式、启发式教学方法，多媒体教学手段。

对现实世界的数据表达可以采用矢量数据模型和栅格数据模型。

那么，一旦数据模型确定，必须选择和该模型对应的数据结构来组织实体的数据， 最后是选择适合于记录该数据结构的文件模式。

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（如图2- 3）。

按照传统的观念，矢量和栅格似乎是两类完全不同性质 的数据结构。

矢量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。

但是矢量数据仅 有一些离数点的坐标，在空间表达方面它没有直 接建立位置与地物的关系，如多边形的中间区域 是“洞”或“岛”，其间的任何一点并没有与某个 地物发生联系。

与此相反，栅格数据是面向位置 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图2-2空间数据的基本特征图2- 3栅格数据结构与矢量数据结构地物之间的拓扑关系。

因而，从概念上形成了基于矢量和基于栅格两种类型的系统，分别用于不同的目的。

目前，为了设计一种系统能用于多种目的，正在研制一种一体化的数据结构，该数据结构具有矢量和栅格两种结构的特性，称为矢量栅格一体化的数据结构。

以下分别介绍上述三种不同类型的数据结构。

一、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。

矢量也叫向量，数学上称“具有大小和方向的量” 为向量。

在计算机图形中，相邻两结点间的弧段长度表示大小，弧段两端点的顺序表示方向，因此弧段也是一个直观的矢量。

矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体空间分布的一种数据组织方式。

这种数据组织方式定位明显，属性隐含，能最好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析，但对于多层空间数据的叠合分析比较困难。

矢量数据结构的获取方法主要有：手工数字化法、手扶跟踪数字化法、数据结构转换法。

矢量数据结构分为以下几种主要类型:一）简单数据结构在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条（Spaghetti）结构。

这种数据结构的主要特点是:（1）数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。

（2）每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致。

（3）点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。

（4）岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。

二）拓扑数据结构1、拓扑的基本概念拓扑数据结构包括DIME（对偶独立地图编码法）、POLYVRT多边形转换器）、TICER（地理编码和参照系统的拓扑集成）等。

它们共同的特点是:点是相互独立的，点连成线，线构成面。

每条线始于起始结点（FN），止于终止结点（TN），并与左右多边形（LP和RP）相邻接。

构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的弧段相交的点称为结点，由一条弧段组成的多边形称为岛，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域；含岛区的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。

在复连通区域中，包括有外边界和内边界，岛区多边形看作是复连通区域的内边界，复连通区域的内边界多边形对应的区域含有平面上的无穷远点。

一幅地图要传输地理要素的有关区域信息，包括位置信息、属性信息和空间信息。

表示要素之间的临接关系和包含关系，在地图上借助图形来识别和解释，在计算机中按拓扑结构加以定义。

拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法；在GIS 中，用于空间数据的组织、分析和应用在GIS 中。

为了真实反映地物，不仅包括实体的大小、形状及属性，而且要反映出实体之间的相互关系。

例如：自然与行政的分区，各种空间类型的分布及交通网等，都存在结点、弧段和多边形之间的拓扑关系。

该数据结构的基本元素如图2-4 所示:N1，N2, N3, N4, N5为结点；a i, a2, a s, a4, a s, a6, a?为弧段（链段）;P i, R, P s, F4 为面（多边形）。

在这种数据结构中，弧段或链段是数据组织的基本对象。

弧段文件由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、FN TN LF和RF结点文件由结点记录组成，包括每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。

多边形文件由多边形记录组成，包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。

2、空间数据的拓扑关系空间数据拓扑关系的表示方法主要有下述几种:⑴拓扑关联性。

表示空间图形中不同类元素之间的拓扑关系。

如结点、弧段及多边形之间的拓扑关系。

如图2—4所示的图形，具有多边形和弧段之间的关联性：P i/a i, a s,a6 ；P2/ a2, a4, a6等，也有弧段和结点之间的关联性：N i/a i, a3, a s；N2/ a i, a6, a2等。

即从图形的关联性出发，图2 —4可用表2 —i,表2—2,所示的关联表来表示。

用关联表来表示图的优点是每条弧段所包含的坐标点只需存储一次，如果不考虑它们之间的关联性而以每个多边形的全部封闭弧段的坐标点来存储数据，不仅数据量大，还无法反应空间关系。

⑵拓扑邻接性。

拓扑邻接性表示图形中同类元素之间的拓扑关系。

如多边形之间的邻接性、弧段之间的邻接性以及结点之间的邻接性（连通性）。

由于弧段的走向是有方向的，因此，通常用弧段的左右多边形来表示并求出多边形的邻接性，如图2 —4用弧段的左右多边形表示时，得到表2 —3a。

显然，同一弧段的左右多边形必然邻接，从而得到如表2—3b所示的邻接矩阵表，表中值为i处，所对应多边形邻接。

根据表2-3b整表2 —1多边形与弧段的拓扑关联表表2 —2弧段与结点的拓扑关联表图2 — 4拓扑数据结构表2-3多边形之间的邻接性同理，从图2 — 4可以得到如表2 — 4所示的弧段和结点之间的关系表。

由于同一弧段上两个结点必相通，同一结点上的各弧段必相邻，所以分别得弧段之间邻接矩阵和结点之间连 通性矩阵如表2— 5,表2 — 6所示。

表2 — 4 弧段和结点之间的关系表弧段起点终占 八、、a 1 N 2 N 1 a 2 N 3 N 2 a 3 N 1 N 3 a 4 N 4 N 3 a 5N 4 N 2 a 6N 1N 4N 2a ia 5 P 2 a 2N ia 6a 4N 3P 3a 3 a 7P iP 2 P 3 P 4 P i —11 0 P2 1 —10 P 3 1 1 —1P 41—邻接多边形P 1 P 2 P 3 P 2 P 1 P 3 P 3P 1 P 2 P 4 P 4P 3弧段号左多边形右多边形a 1 — P 1 a 2 — P 2 a 3 —P 3 a 4P 3 P 2 a 5 P 2 P 1 a 6P 3 P 1 a 7P 4P 3表2—6结点之间的连通性结点N i N2N3N4N5N i一i i i0N2i一i i0N3i i一i0N4i i i一0N50000一(3)拓扑包含性。