最新空间数据结构与数据库数据模型

三、空间数据结构与GIS数据模型

地理信息系统所处理的数据与一般事务性信息系统如银行管理系统、图书检索系统不同。GIS的数据处理不仅包括所研究对象的属性关系，还包括研究对象的空间位置以及空间拓扑关系等信息，数据量大，结构复杂。因此，人们对GIS中的数据结构和数据模型进行了大量的研究，并发展了一整套空间数据处理的算法。

一、空间数据结构的概念

数据结构是指数据的组织形式，可以分为抽象数据结构(或称逻辑结构)和数据存贮结构(或称物理结构)来进行研究。

所谓抽象数据结构是指人们仅从概念上描绘数据之间的排列和联系，而并不涉及数据和具体程序管理细节。

数据存贮结构则是为实现某一抽象数据结构而具体设计的数据存贮管理方式.是依照任务的不同，软件系统和设计者的不同而改变的，具有一定的特殊性，是前者的一个具体实现。

地理空间数据在GIS中的流向可以认为经历了四个阶段。用户认知的数据结构输入GIS系统后转换成为GIS空间数据结构，然后，为有效地进行数据管理，将其转化为数据库结构，最后按某种特定程式以硬件结构写入存贮介质。上述流程即为数据的输入过程。

地理空间实体可以抽象为点、线、面三种基本地形要素来表示它的位置、形状、大小、高低等。

---点(零维)：又称为元素或像元，是一个数据点，具有一对(x，y)坐标相至少—个属性，逻辑上不能再分。这里所谓逻辑上不能再分是指抽象的点而不是几何点，因为事实上抽象的点可以是实体线段或面块，对某个比例尺或图像分辨率而言，它们可以被抽象为以一对坐标表示的数据点。

---线：是由一个(x,y)坐标对序列表示的具有相同属性的点的轨迹。线的形状决定坐标对序列的排列顺序，线上每个点有不多于二个邻点。地理实体，如河流、道路、地形线、公共设施走廊、区域边界、地质界线等均属线状地物，其特点是线上各点有相同的公共属性并至少存在一个属性。

---面：是以(x,y)坐标对的集合表示的具有相同属性的点的轨迹。面的形状不受各点坐标对排列顺序的影响。凡是面的内部点可以有多于三个的邻点，面内每个点应至少具有一个相同属性。土壤、植被、行政区划、岩石分类等地理实体属面状地物。

如果顾及平面位置与高程位置结合起来所构成的空间数据模型则还应考虑三维的体元素，作为点、线、面三个基本地形要素的—个外延。总之，从几何上讲，人们正是通过上述这些基本要素构成了对各种地理实体的认识结构。

地理信息系统空间数据结构就是指空间数据的编排方式和组织关系。空间数据编码是空间数据结构的实现。

目的是将图形数据、影像数据、统计数据等资料，按一定的数据结构转换为适用于计算机存储和处理的过程，不同的数据源，其数据结构相差很大，同一数据源，也可以用许多方式来组织数据，按不同的数据结构去处理，得到的截然不同的内容。

如下图所示为用这两种数据结构来表示同一块由不同土壤结构构成的土地。图中(a)的土壤结构是由一组具有起终点坐标的线段和必要的连接指针构成。因为表示物件的线段有方向性，所以称之为矢量结构。线段端点的指针表明了这些线段应如何连接在一起才能形成相应地块。这种结构可以表述为:

地块→矢量组→连通性

图中(b)的土壤结构是由格网中某一部分的像元或称栅格集合所构成，所以称之为栅格结构。在同一集合中的像元都具有同样的编码“a”或“b”或“c”等。实际上这些值本身并不一定显示出来，通常它们可能只代表某一符弓或是某种颜色或是影像灰度,这种结构可以表述为：

地块→符号／颜色→像元

图: 用矢量结构或栅格结构表示同一地块的例子

从上所述, 空间数据的结构有矢量数据结构和栅格数据结构两种形式。目前大多数GIS软件均结合了这两种数据结构，或采用混合数据结构或采用矢栅一体化结构。

GIS的空间数据结构在计算机系统中的实现通常是通过空间数据编码的方法进行的。由于GIS数据量极大,一般需要采用压缩数据的编码方式以减少数据冗余。一些常用的编码方式有:

矢量数据结构编码方式:坐标系列编码、层次索引编码、拓扑结构编码等栅格数据结构编码方式：链码、直接栅格编码、游程长度编码、块码、四叉树码等

计算机存储和处理数据的效率，在很大程度上取决于数据组织方式的优劣。数据结构在GIS中对于数据采集、存储、查询、检索和应用分析等操作方式有着重要的影响。

一种高效率的数据结构，应具备几方面的要求：

①组织的数据能够表示要素之间的层次关系，便于不同数据联接和覆盖。

②正确反映地理实体的空间排列方式和各实体间相互关系。

③便于存取和检索。

④节省存贮空间，减少数据冗余。

⑤存取速度快，在运算速度较慢的微机上要达到快速响应。

⑥足够灵活性，数据组织应具有插入新的数据、删除或修改部分数据的基本功能。

空间数据结构选择对于GIS设计和建立起着十分关键的作用，只有充分理解了GIS的特定的数据结构，才能正确有效地使用系统。

一、栅格数据的基本概念

栅格数据是最简单、最直观的一种空间数据结构，它是将地面按一定分辨率划分为均匀的网格，每个网格作为一个像元，像元的位置由所在行、列号确定，像元所含有的代码表示其属性类型或仅是与其属性记录相联系的指针。

在地理信息系统中，扫描数字化数据、遥感数据、数字地面高程数据(DTM)网格化后的物化探数据以及矢量－栅格转换数据等都属于栅格数据。

在栅格结构中：

●点用一个像元来表示；

●线状地物用沿线走向的一组相邻像元来表示。由线的定义可知，每个

线上的像元最多只有两个相邻像元在线上。

●面状地物或区域则用具有相同属性的相邻像元集合表示。由面的定义

可知，每个像元可以有两个以上的相邻像元属于同一区域。来自遥

感、数字摄影测量的数据屑于典型的栅格结构。如遥感影像像元的数

值表示该影像的灰度等级。

因为在栅格结构中，是将地面分划成相互邻接的大小均匀格网方块，然后使每—地块与一个栅格像元相对应。因此，由栅格结构所表示的地表数据是不连续的，是经过量化的离散值，而每一个像元大小与它所代表的实地地块大小之比就是栅格数据的比例尺。这样，在使用栅格数据计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若像元所代表的实地地块尺寸较大，则会造成较大的计算误差，误差随像元的增大而增加。

二、栅格数据层的概念

地理信息系统对现实世界的描述可以以地理空间位置为基础，按道路、行政区域、土地使用、土壤、房屋、地下管线、自然地形等不同专题属性来组织地理信息。

地理数据在栅格数据结构中必须分层组织存储：在栅格数据结构中，物体的空间位置就用其在笛卡尔平面网格中的行号和列号坐标表示，物体的属性用像元的取值表示，每个象元在一个网格中只能取值一次，同一像元要表示多重属性的事物就要用多个笛卡尔平面网格，每个笛卡尔平面网格表示一种属性或同一属性的不同特征，这种平面称为层。每一层构成单一的属性数据层或专题信息层：例如同样以线性特征表示的地理要素，河流可以组织为一个层，道路