第3章 空间数据结构

空间位置描述空间实体在一定的地理框架下的空间位置或几何定位， 通常用地理坐标、空间直角坐标、平面直角坐标和极坐标等来表示。
空间几何特征描述空间实体的大小、形状和分布等。 空间关系表达了地理空间中相互依存的事物和现象的关系，包括：拓 扑关系、方位关系和度量关系等。
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地球表层构成：陆地面积29%，海洋面积71% 。地表总面积约为5.1亿平方公里。
地理空间表达：对地球高空、低空、地表、地 下及近表层的描述。地理空间表的的内容主 要为空间数据的位置、属性和时间特征；表 达的方法一般采用离散场与连续场、矢量与 栅格等方式。
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3.1 空间数据表达
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3.3 矢量数据结构
3.3.3 拓扑数据机构 拓扑数据结构的主要特点是点相互独立，点 连成线，线构成面。一般用四张表来反映 拓扑关系。
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3.4 栅格数据结构
3.4.1 栅格数据结构的概念 栅格数据结构是指将地球表面划分为大小均 匀、紧密相临的网格阵列，每个网格作为一 个像元或像素，由行、列号定义，并包含一 个代码，表示该像素的属性类型或量值，或 仅仅包含指向其属性记录的指针。
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3.1 空间数据表达
3.1.2 离散对象和连续场 2、连续场
在地表连续分布的地理现象称为连续场， 比如空气中的污染度的变化，地表中的温度 变化等。
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3.1 空间数据表达
3.1.3 矢量和栅格数据 离散对象和连续场解决了地理现象的概念表 达问题，但没有解决计算机数字化问题。
A =ƒ(x,y); 一个三维场是在三维空间R3中人意给定的 一个空间位置上，都对应一个属性值
A= ƒ(x,y,z);
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3.2 空间数据模型
3.2.2 常用空间数据模型 2、场模型
在不考虑时间变化的情况下，二维空间场一 般采用6种具体的场模型描述，见p77 图3-8 ① 规则分布的点。 ② 不规则分布的点。 ③ 规则矩形区域。 ④ 不规则多边形。 ⑤ 不规则三角形。 ⑥ 等值线。
1、矢量数据 矢量数据时离散对象的计算机数字化表达， 它通过点、线、面的方式来确定离散对象。
• 点具有特定的位置，是维数为0的物体。 • 线表示只有长度、没有宽度，是维数为1的物
体。
• 面状实体（多边形、区域）通常由一个封闭 的曲线加内点表示，是维数为2的物体。
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地理信息系统原理
第三章 空间数据结构
昆明理工大学信自学院计科系 二○一二年二月
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第三章 空间数据结构
本章重点：
空间数据的表达 空间数据模型 矢量数据结构 栅格数据结构 矢栅一体化数据结构
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3.1 空间数据表达
地理空间: 地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石 圈和土壤圈交互作用的区域。
3.1 空间数据表达
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3.1 空间数据表达
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3.1 空间数据表达
3.1.3 矢量和栅格数据 2、栅格数据
在栅格数据表达中， 地理空间被划分为许 多（多为正方形）单元格，所有的地理变量 由这些单元格所赋的属性值来表达。 栅格数据主要源自遥感影像、航拍照片、卫 星照片等。 栅格数据是对连续场分布的离散表示。
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3.2 空间数据模型
3.2.2 常用空间数据模型 3、网络模型
网络模型把地理现象抽象为链、结点等空 间对象，同时表达对象间的连通关系。
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3.3 矢量数据结构
• 空间数据结构是指适合计算机系统存储、管 理和处理的空间图形的逻辑结构，是地理实 体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。
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3.1 空间数据表达
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3.1 空间数据表达
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3.1 空间数据表达
3.1.4 空间拓扑关系 空间拓扑关系是指图形发生连续状态下的变形
，但图形之间的邻接关系、关联关系和包 含关系保持不变的性质。 重要性:
3.3 矢量数据结构
3.3.2 实体数据结构 实体数据结构是指构成多边形边界的各个线 段，以多边形进行组织。 特点：
① 边界坐标数据和多边形单元实体一一对应 。
② 各个多边形边界都单独编码和数字化。 见p79 图3-9
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3.3 矢量数据结构
3.3.2 实体数据结构 优缺点： 优点：数据结构具有编码容易、数字化操作简单和 数据编码直观等优点。 缺点： （1）每个多边形都以闭合线段存储，相邻多边形的 公共边要数字化两遍和存储两次 （2）缺少多边形的邻域信息和图形拓扑关系。 （3）岛之作为一个单个图形，没有建立与边界多边 形的关联 （4）不易进行数据拓扑检查、邻域处理。
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3.2 空间数据模型
3.2.2 常用空间数据模型 1、对象模型
对象模型是将连续地理空间中的地理现象和事件抽 象成不连续的、可被观测的、具有地理参考要素（ Feture）或空间实体(Entity)。
按照空间实体的空间特征分为点、线、面、体4种基 本对象。
对象模型一般适用于对具有明确边界的地理对象进 行抽象建模。
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3.5 矢栅一体化数据结构
3.5.2 矢栅一体化概念 在数字化一个线状实体时，除记录原始取样 点外，还记录其所通过的栅格，同样，每 个面状地物除记录它的多边形外，还记录 中间包含的栅格，这样，既保持了矢量特 性，又有栅格的性质，就能将矢量与栅格 统一起来，这就是矢量与栅格一体化的基 本概念。
程。空间实体的空间特征和属性特征相对于时间特征的
动态变化是绝对的。
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3.1 空间数据表达
3.1.2 离散对象和连续场 1、离散对象
在地理空间中，只有明确边界的各类地物所 占据的地方才是需要表达的，并称之为离散 对象。 • 离散对象的特点是具有可数性。 • 离散对象除明确边界外，还要用维数来区分 。 • 离散对象的管理可采用二维表的方式来表达 ，如户籍管理，车辆管理等。
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3.2 空间数据模型
1、空间概念数据模型 空间概念数据模型是地理空间中事物和现象的抽象 描述，是地理数据的语义解释，是面向用户的数据 模型。 从计算机角度来看，它是抽象的最高层次。
2、空间逻辑数据模型 空间逻辑数据模型是GIS描述概念数据模型中实体及 其关系的逻辑结构。它既面向用户又面向系统。 空间逻辑数据模型主要描述系统中数据的结构、对 数据的操作以及操作后的数据完整性问题。
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3.4 栅格数据结构
3.4.2 栅格数据结构的压缩编码 1、游程长度编码
基本思路：对于一幅栅格图像，经常有行（ 或列）方向上相邻的若干栅格单元具有相同 的属性代码，因而可采用某种方法压缩那些 重复的记录内容。 编码方案：只在各行（或列）数据的代码发 生变化时依次记录该代码以及相同代码重复 的个数，从而实现数据的压缩。
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3.4 栅格数据结构
3.4.2 栅格数据结构的压缩编码 2、四叉树编码
基本思想：将一幅栅格图或图像等分为四 部分，逐块检查其格网属性值（或灰度）， 如果某个子区的所有格网值都具有相同的值 ，则这个子区就不再继续分割，否则还要把 这个子区分割成四个子区。这样逐渐向下分 割，直到每个字块都只含有相同的属性值或 灰度为止。
空间对象必须具备3个条件： ①可以被识别 ②可以被描述 ③存在的必要性和重
要性。
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3.2 空间数据模型
3.2.2 常用空间数据模型 2、场模型
场模型（Field）是把地理空间中的现象作 为连续分布的空间信息的集合。场可以表 示为二维或三维。
二维空间R2中任意给定的一个空间位置上 都有一个表现某种现象的属性值
① 根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，即可确定一个地理 实体相对于另一实体之间的逻辑关系。
② 利用拓扑数据有利于空间要素的查询。 ③ 可以利用拓扑数据，重建地理实体。
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3.1 空间数据表达
3.1.4 空间拓扑关系 （1）拓扑邻接。指存在于空间图形的同类元
素之间的拓扑关系。 （2）拓扑关联。指存在于空间图形的不同元
素之间的拓扑关系。 （3）拓扑包含。指存在于空间图形的不同等
级的同类元素之间的拓扑关系。 包含关系分为：简单包含、多层包含、等 价包含。
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3.2 空间数据模型
3.2.1 空间数据模型的概念 空间数据模型就是对现实世界进行认知、
简化和抽象表达的方式，是把抽象结果组织 成有用的、并且能反映地理空间某些特征的 数据集的过程。 空间数据模型分为三个层次：空间概念数据 模型、空间逻辑数据模型、空间物理数据模 型。（见p74 图3-6）
3.1 空间数据表达
3.1.1 空间实体特征