第二章 空间数据结构和空间数据库

第二章空间数据结构和空间数据库本章概述：地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。

本章重点介绍主要的空间数据结构和空间数据库模型。

§2.1 地理实体及其描述介绍地理实体的概念，地理实体需要描述的内容，实体的空间特征和实体间的空间关系。

§2.2 矢量数据结构讲述矢量数据的图形表示、获取方式和表示(即矢量编码方法)。

§2.3 栅格数据结构讲述栅格数据的图形表示、栅格数据的组织、栅格结构的建立和栅格数据的表示。

§2.4 矢量栅格一体化数据结构针对矢量栅格数据结构互为优缺点状况，介绍集两者优点为一体的矢量栅格一体化数据结构的概念和具体数据结构设计方法。

§2.5 三维数据结构主要阐述基于栅格的八叉树三维数据结构的基本原理和存储结构。

在矢量结构方面，介绍常用的三维边界表示法的方法原理、特点和应用。

§2.6 空间数据模型首先介绍数据库有关基础知识，传统数据模型如何存储图形数据及其局限性，重点阐述面向对象技术、面向对象模型和用于地理信息系统的空间数据库管理系统的类型。

§2.7 空间数据库的设计、建立和维护介绍空间数据库的设计的内容、建立过程和维护方法。

您可能还想看前贴【GIS原理学习（一）】【GIS原理学习（二）】【GIS 原理学习（三）】【GIS原理学习（四）】§2.1 地理实体及其描述地理信息系统是以地理实体作为描述、反映现实世界中空间对象的单体。

在地理信息系统中需要描述地理实体的名称、位置、形状、功能等内容，这些内容反映了地理实体的时间、空间和属性三种特性，其中空间特性是地理信息所特有的，也是造成空间数据结构和数据库模型异常复杂的原因所在。

此外，实体间的空间关系对空间查询和分析具有重要意义。

一、地理系统和地理实体介绍地理系统和地理实体的概念。

二、实体的描述及存储介绍空间实体描述的内容，空间数据的基本特征、空间数据类型和空间数据存储方式。

三、实体的空间特征空间特征是地理实体所特有的特征，是GIS数据组织、处理和维护的难点所在，可以从空间维数，空间特征类型和实体类型组合三个方面来考察。

四、实体间的空间关系实体间空间关系对于地理信息系统查询和空间分析具有重要意义。

在此阐述空间关系的类型，和拓扑空间关系的定义、种类、表达及意义。

一、地理系统和地理实体地理信息来源于地理系统。

著名数学家钱学森曾指出：地理系统是一个开放的复杂巨系统。

所谓开放性是指地理系统与其它系统有关联，有物质和信息的交往，不是一个封闭系统；复杂巨系统是指地理系统有成千上万的种类繁多的子系统。

抽象是人们观察和分析复杂事物和现象的常用手段之一。

将地理系统中复杂的地理现象进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空间目标，简称实体(Entity)。

实体现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。

实体可以指个体，也可以指总体，即个体的集合.抽象的程度与研究区域的大小、规模不同而有所不同，如在一张小比例尺的全国地图中，武汉市被抽象为一个点状实体，抽象程度很大；而在较大比例尺的武汉市地图上，需要将武汉市的街道、房屋详尽地表示出来，武汉市则被抽象为一个由简单点、线、面实体组成的庞大复杂组合实体，其抽象程度较前者而言较小。

所以说，实体是一个具体有概括性、复杂性、相对意义的概念。

二、实体的描述和存储从实体需要描述的内容到计算机具体如何存储实体的过程见图2-1-1。

在地理信息系统中，根据具体要求需要描述实体各个侧面如名称、位置、形状和获取这些信息的方法、时间和质量等，记录实体的这些描述内容的空间数据具有三个基本特征：空间特征、属性特征和时间特征，根据反映实体特征的不同，空间数据可分为不同的类型：几何数据、关系数据、属性数据和元数据，而不同类型的空间数据在计算机中是以不同的空间数据结构存储的。

1、空间实体的描述通常需要从如下方面对地理实体进行描述：1)编码:用于区别不同的实体，有时同一个实体在不同的时间具有不同的编码，如上行和下行的火车。

编码通常包括分类码和识别码。

分类码标识实体所属的类别，识别码对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。

2)位置:通常用坐标值的形式(或其它方式)给出实体的空间位置。

3)类型:指明该地理实体属于哪一种实体类型，或由哪些实体类型组成。

4)行为:指明该地理实体可以具有哪些行为和功能。

5)属性:指明该地理实体所对应的非空间信息，如道路的宽度、路面质量、车流量、交通规则等。

6)说明:用于说明实体数据的来源、质量等相关的信息。

7)关系:与其它实体的关系信息。

2、空间数据的特征空间数据具有三个基本特征（图2-1-2)：图2-1-2 空间数据的基本特征1)属性特征——用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等。

2)空间特征——用以描述事物或现象的地理位置，又称几何特征、定位特征，如界桩的经纬度等。

3)时间特征——用以描述事物或现象随时间的变化，例如人口数的逐年变化。

由于空间实体具有上述特征，所以在GIS中的表示是非常复杂的。

目前的GIS还较少考虑到空间数据的时间特征，只考虑其属性特征与空间特征的结合。

实际上，由于空间数据具有时间维，过时的信息虽不具有现势性，但却可以作为历史性数据保存起来，因而就会大大增加GIS表示和处理数据的难度。

3、空间数据的类型根据空间数据的特征，可以把空间数据归纳为三类：1)属性数据——描述空间数据的属性特征的数据，也称非几何数据。

即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等。

2)几何数据——描述空间数据的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。

即说明“在哪里”，如用X、Y坐标来表示。

3)关系数据——描述空间数据之间的空间关系的数据，如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。

拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法。

此外，还有元数据，它是描述数据的数据。

在地理空间数据中，元数据说明空间数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息，便于数据生产者和用户之间的交流。

若根据划分角度不同，还可将空间数据划分为不同的类型。

空间数据的不同划分根据数据来源的不同分为（据郭达志等)：1)几何图形数据：主要来源于各种类型的地图和实测几何数据。

2)影象数据：主要来源于卫星遥感和航空遥感等。

3)属性数据：来源于实测数据，文字报表，或地图中的各类符号说明，以及从遥感数据中通过解释得到的信息等。

4)地形数据：来源于地形等高线图的数字化，已建立的格网状的数字化搞成模型（DTM），或其他形式表示的地形表面（如TIN）等。

在具有智能化的GIS中还应有规则和知识数据。

根据表示对象的不同分为分为（据邬伦等)（图2-1-3）：1)类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；2)面域数据：例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等；3)网络数据：例如道路交点、街道和街区等；4)样本数据：例如气象站、航线和野外样方的分布区等；5)曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域；6)文本数据：例如地名、河流名称和区域名称；7)符号数据：例如点状符号、线状符号和面状符号（晕线）等；4、空间数据结构数据结构即数据组织的形式，是适合于计算机存贮、管理、处理的数据逻辑结构。

换句话说，是指数据以什么形式在计算机中存贮和处理。

数据按一定的规律储存在计算机机中，是计算机正确处理和用户正确理解的保证。

空间数据结构是空间数据在计算机中的具体组织方式。

目前尚无一种统一的数据结构能够同时存储上述各种类型的数据，而是将不同类型的空间数据以不同的数据结构存储（图2-1-1）。

一般来说，属性数据与其他信息系统一样常用二维关系表格形式存储。

元数据以特定的空间元数据格式存储，而描述地理位置及其空间关系的空间特征数据是地理信息系统所特有的数据类型，主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。

三、实体的空间特征可用空间维数、空间特征类型和空间类型组合方式说明实体的空间特征。

1、空间维数有零维、一维、二维、三维之分，对应着不同的空间特征类型：点、线、面、体。

在地图中实体维数的表示可以改变。

如一条河流在小比例尺地图上是一条线（单线河），在大比例尺图上是一个面（双线河）。

2、空间特征类型1）点状实体：点或节点、点状实体。

点：有特定位置，维数为0的物体。

具体有下列类型的点：实体点、注记点、内点和节点等不同类型（图2-1-4)2）线状实体：具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并长度、弯曲度、方向性等特性，线状实体包括线段，边界、链、弧段、网络等。

3）面状实体（多边形）：是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述，在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。

具有面积、范围、周长、独立性或与其它地物相邻、内岛屿或锯齿状外形、重叠性与非重叠性等特性。

4）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体积、每个二维平面的面积、内岛、断面图与剖面图等空间特征。

3、实体类型组合现实世界的各种现象比较复杂，往往由上述不同的空间类型组合而成，例如根据某些空间类型或几种空间类型的组合将空间问题表达出来（图2-1-5），复杂实体由简单实体组合表达。

四、空间关系空间关系是指各空间实体之间的空间关系，包括拓扑空间关系，顺序空间关系和度量空间关系。

由于拓扑空间关系对GIS查询和分析具有重要意义，在GIS中，空间关系一般指拓扑空间关系。

1、定义拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。

是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。

可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸和压缩，但不能扭转或折叠，这时原来图形的有些属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性，后者称为非拓扑属性或几何属性(表2-1-1)。

这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。

2、拓扑关系的种类点(结点)、线(链、弧段、边)、面(多边形)三种要素是拓扑元素。

它们之间最基本的拓扑关系是关联和邻接。

1)关联：不同拓扑元素之间的关系。

如结点与链，链与多边形等。

2)邻接：相同拓扑元素之间的关系。

如结点与结点，链与链，面与面等。

邻接关系是借助于不同类型的拓扑元素描述的，如面通过链而邻接。

在GIS的分析和应用功能中，还可能用到其它拓扑关系，如：3)包含关系：面与其它拓扑元素之间的关系。

如果点、线、面在该面内，则称为被该面包含。

如某省包含的湖泊、河流等。

4)几何关系：拓扑元素之间的距离关系。

如拓扑元素之间距离不超过某一半径的关系。