GIS地理信息系统空间数据结构

(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)
2索引式编码
▶对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边 形的索引文件。
▶索引文件：
1、点文件： 点号 1
坐标 x1,y1
2、弧段文件: 弧段号 起点
A
5
终点 2
点号 7,8,9,10
3、面文件：
P1 P2 P3 P4 P1 -- 1 1 1 P2 1 -- 1 0 P3 1 1 -- 0 P4 1 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
V1 V2 V3
…
V1
-- 1 0
V2
1 -- 1
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
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：
面 构成面的弧段
（2） 链--结点关系： 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。 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。
三、矢量数据组织
矢量数据表示时应考虑以下问题： ·矢量数据自身的存贮和处理。 ·与属性数据的联系。 ·矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。
几何位置坐标文件
连
关系表
接
点：坐标对（x,y） 线：坐标对系列(x1,y1)..(xn,yn) 面：首尾相同的坐标串
+识别符 及有关属性、其它属性
矢量数据在计算机中的组织
缺点： 1、相邻多边形的公共边界被数字化并
存储两次，造成数据冗余和碎屑多边 形—数据不一致，浪费空间，导致双重 边界不能精确匹配。
多边形 P1 P2 P3
坐标串 …… …… ……
2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理， 如消除多边形公共边界，合并多边形。 3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。 所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。
场模型 （把空间现象作为连续变量看待）
对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说， 基于场的观点是合适的。根据应用的不同，场可以表 现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任何 已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；而一个 三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个 值。一些现象，诸如空气污染物在空间中本质上讲是 三维的，但是许多情况下可以由一个二维场来表示。
场模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续变 化的数据。
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）。
一个点在一个环的内/外部
一个面是一个简单面
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
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
四、空间实体的表达——空间数据模型
在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个， 即基于对象（要素）（Feature）的模型、场（Field） 模型以及网络（Network）模型。
基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据它们 的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象， 可以详细地描述离散对象。
数据库
独立编码
点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x
标识码 属性码 存储方法
点位字典
空间对象编码; 唯一; 连接空间和属性数据
点: 点号文件 线: 点号串 面: 点号串
4、体、立体状实体
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 以下一些空间特征： ·体积，如工程开控和填充的土方量。 ·每个二维平面的面积。 ·周长。 ·内岛。 ·含有弧立块或相邻块。 · 断面图与剖面图。
三、实体间空间关系
（一）空间关系类型
北
a
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
2）注记点：用于定位注记。
3）内点：用于负载多边形的属性， 存在于多边形内。
4）角点、节点Vertex： 表示线段和弧段上的连接点。
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，并有如下特性：
1）实体长度： 从起点到终点的总长 2）弯曲度： 用于表示像道路拐弯时 弯曲的程度。 3）方向性： 如：水流方向，上游— 下游， 公路，单、双 向之分。
简单的矢量数据结构－实体式
多边形
数据项
11
12 13
10
1 2
30 31
29
14
28
27
24 25
26
98
17
7
15 16
A
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4, y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x 9,y9),(x1,y1) B
23
(x1,y1), (x9,y9),
点号 X Y 1 11 22 2 33 44 … …… n 55 66
以点为例：
坐标
识别符
若是简单点要素如独立树、电线竿、三
角点，符号、
有关属性中包括
比例尺、方向
若是注记点，记录有关字符的大
小、方向、字体、排列
若是结点Vertex：符号：指针、与
线相交的角度。
其它属性 :
三角点设立年代、材料等
线（符号、方向）、面（符号）都有相应的相关 属性，在此，看看矢量结构中关于几何位置坐标 的编码方式
第三章 空间数据结构
§3-1空间实体及其描述 §3-2矢量数据结构 §3-3栅格数据结构
§3-1空间实体及其描述
一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象
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，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把 武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋， 街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将 房屋，街道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。
属性数据—各种 属性特征和时间
4、数据结构
矢量、栅格、 TIN（专用于地 表或特殊造型）
RDBMS属性表---采用MIS较成熟
元数据
空间元数据
3、空间数据类型
1）依据数据来源的 不同分为： 地图数据 地形数据 属性数据 元数据 影象数据
2）依据表示对象的不同分为：
3、空间数据类型（续）
三、实体的空间特征
在地图上实体维数的表示可以改变 点-
--面 线（单线河）---面（双线河），
通过地图综合。
（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。
（二）空间特征类型
1、点状实体 2、线状实体
3、面状实体
4、体状实体
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。 1）实体点：用来代表一个实体。
四、矢量数据编码方法
矢量数据编码方式主要有以下几种： 1、实体式编码 2、索引式(树状)编码 3、双重独立式编码 4、链状双重独立式编码—拓扑数据结构
实体式编码
● 实 体 式 (spaghetti)—— 面 条 模
型:以实体为单位记录其坐标
优点：结构简单、直观、易实现以实体 为单位的运算和显示。
1、 拓扑空间关系：
b
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，至今没有很好的解决方法。
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
V3
0 1 --
4）方向性
一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表 达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向 等。
5）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。
6）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义。
7）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各 个区组成。
主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。
,(x31,y31), (x24,y24)
D
(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21), (x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19) E
(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),( x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6
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。
面状实体的如下特征： 1）面积范围 2）周长 3）独立性或与其它地物相邻 如中国及其周边国家 4）内岛屿或锯齿状外形： 如岛屿的海岸线封闭所围成的 区域。 5）重叠性与非重叠性： 如学校的分区，菜市场的服务 范围等都有可能出现交叉重叠 现象，而一个城市的各个城区 一般说来不会出现重叠。
二、地理实体的描述——空间数据
以什么形式存储和处理
反映了实体的三个特征
1、描述的内容
位置、形状、尺 寸、
识别码（名称） 实体的角色、功 能、行为、实体 的衍生信息
时间
测量方法、编码 方法、空间参考 系等
2、基本特征
空间特征：地理 位置和空间关系
属性特征—名称、 等级、类别等 时间特征
3、数据类型
几何数据（空间 数据、图形数据） 关系数据—实体 间的邻接、关联 包含等相互关系
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。
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）。
（二）拓扑关系
（二）拓扑关系 1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达
4、意义
Baidu Nhomakorabea
1、定义：
那里怎么样
两种模型相互 之间并不排斥，各 有特点，各有应用 长处。通常需要有 机地综合应用这两 种方法来建模。
§3-2 矢量数据结构
一、图形表示
摘自 张超
二、矢量数据的获取方式
1) 由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电
子手薄)，然后转到地理数据库中。 2)由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为 矢量数据。 3)跟踪数字化 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量 数据。