第二节-地理空间数据及其特征

第二节地理空间数据及其特征
2.l GlS的空间数据
空间数据是以GlS的核心，也有人称它垦GIS的血液，因为GlS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GlS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。

GlS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型:
(1) 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。

(2) 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GlS的最有效的数据之一。

(3) 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。

(4)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。

(5)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。

空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型(图2-3)，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x、y 平面坐标，地理经纬度λ、ψ，或者格网法表示。

2.2空间数据的基本特征
在地理信息系统中，由于空间数据代表着现实世界地理实体或现象在信息世界中的映射，因此它反映的特征同样应该包括自然界地理实体向人类传递的基本信息。

如图2-4所示，设该图为一幅交通图，它传递的基本信息包括:
(1)三条呈不同分布状态的交通线。

一条近乎直线，一条呈"S"形，另一条为环状，表示它们在地球表面上呈不同分布状态的交通线，称为定位信息。

(2)三条分别具有不同等级的交通线。

近乎直线的为主干道，呈"S"形的为次干道，成环状的为支路，称为属性信息。

(3)三条互相具有关联关系的交通线。

主干道与次干道在结点从处相联接，主干道的结点N1和N2相邻接，结点N2分别与三条路段C1、C2和C3相关联等等，称为拓扑信息。

在GlS中，上述基本信息通过空间数据表达，分别对应着定位特征数据、属性特征数据和拓扑特征数据。

对于随时间变化的地理实体或现象，还同时对应着时序或时间特征数据。

一般地，空
间特征数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据，属性特征数据包括地理实体或现象的专题属性(名称、分类、数量等)数据和时间数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据或地理数据。

因此，空间数据的特征可以概括为空间特征和属性特征(图2-5)。

在地理信息系统中，对于凡具有网状结构特征的地理要素，例如自然与行政的分区、各种资源类型的空间分布以及交通网等，都存在节点、弧段和多边形之间的拓扑结构。

拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在地理信息系统中，它不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。

如图2-6所示，空间数据的拓扑关系包括:
(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。

例如结点邻接关系
N1/N4,N1/N2,…;多边形邻接关系P1/P3，P2/P3,…。

(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，例如结点与弧段的关联关系
N1/C1、C3、C6; N2/C1、C2、C5,…；多边形与弧段的关联关系P1/C1、C5、C6; P2/C2、C4、C5、C7,…。

(3)拓扑包含。

指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。

包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式。

设ID表示当前多边形，IW表示等价包含，IP表示ID为岛(IP>0)或非岛(IP=0)则包含关系的形式如图2-7所示。

如果要将结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形成四个关系表，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所示。

空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空间分析，具有重要意义，因为:
(1)根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。

因为拓扑数据已经清楚地反映出地理实体之间的逻辑结构关系，而且这种拓扑数据较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。

(2)利用拓扑数据有利于空间要素的查询。

例如应答像某区域与哪些区域邻接;某条河流能为哪些政区的居民提供水源;与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些;特别是野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于与生物栖息环境作出评价等等，都需要利用拓扑数据。

(3)可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。

例如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等等。

2.3 空间数据的计算机表示
如前所述，表示地理实体的空间数据包含着空间特征和属性特征，对具有这些复杂特征的空间数据，如何组织和建立它们之间的联系，以便计算机存储和操作，这称为数据结构。

数据结构是GIS的核心技术，一直是GIS领域的重要研究课题。

以Arc/Info基于矢量数据模型的系统为例，为了将空间数据存入计算机,首先，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层(图1-14)，如土地利用、地形、道路、居民区、土壤单元、森林分布等，一个专题层包含指定区域内地理要素的位置数据和属性数据。

其次，将一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标，其中地理实体相邻两个结点间的一个弧段是基本的存储目标，每个目标的数据由定位数据、属性数据和拓扑数据组成。

由基本目标构成数据库的逻辑过程如图2--8所示，即具有相同的分类码的同类目标组成类型，一类或相近的若干类构成数据层，若干数据层构成图幅，全部数据组成数据库。

最后，对目标进行数字表示，其中对每个弧段或目标分配一个用户标识码(User-ID)，弧段的位置和形状由一系列x，y坐标定义，弧段的拓扑关系由始结点、终结点、左多边形和右多边形四个数据项组成，弧段的属性数据存储在相应的属性表中。

每个弧段的空间特征和属性特征通过用户标识码进行联接(图
2-9)。

空间数据的这种表示方法，是以地理实体相邻两个结点间的一个弧段作为基本存储目标，每个弧段都是一个有向弧段，这些有向弧段的集合就构成一类真实的实体或现象。

计算机存储了这些有向弧段，因此也就存储了现实世界的地理实体和图形。

当对存储的目标或数据库进行GIS操作或分析时，同一层数据可以按类型提取，重要地理实体如县以上境界、县以上居民地、主要河流、主要交通线等可以按实体提取。

同一图幅的不同图层的数据可以相互叠合，相邻图幅的各层数据可以拼接和裁切等等。