第二章 空间数据结构和空间数据库
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基本的关系； 另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查 询，更新等。
空间对象的拓扑空间关系
拓扑关系定义
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。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。
1.2 地理实体的描述和存储
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。
•栅格数据图形表示
面 线
•点：为一个像元 •线：在一定方向 上连接成串的相 邻像元集合。 •面：聚集在一起 的相邻像元集合。
点
栅格数据表示的是二维表面上 的地理数据的离散化数值。在栅格数据中， 地表被分割为相互邻接、规则排列的地块， 每个地块与一个像元相对应。 因此，栅格数据的比例尺就是栅格(像元)的大小 与地表相应单元的大小之比，当像元所表示的面积较大时， 对长度、面积等的量测有较大影响。 每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值， 因而有可能产生属性方面的偏差。
数字线画图 数字栅格画图 数字高程模型 数字正射影像图
1.3 实体的空间特征
1、空间对象（实体）的地图表达
点：位置：（x，y） 属性：符号 线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 属性：符号—形状、颜色、尺寸 面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(x1,y1) 属性：符号变化 等值线
块状编码 四叉树编码
NW NE SW SE
G GGG AGGA AG AA A
第二节 空间数据结构的类型
• 矢量数据结构 矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体 来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式； 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地 理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅 格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位 置、长度和大小.
空间数据的基本特征
一般来说，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 空间数据的特征可概括为 空间特征和属性特征。
地 理 定 位 数 据
数
• 属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据， 如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达 • 几何数据(定位数据)：描述空间对象空间特征的数据，也称位 置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达 • 关系数据（拓扑特征数据）：描述空间对象的空间关系的数据， 如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。
空间对象的拓扑空间关系
• 拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主 要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包 含关系。 • 拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。 • 拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。 • 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
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。 D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y2 存储： 3),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19) 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17), 特征： (x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5) 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性； 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦。 适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
栅格数据压缩存储的编码方法
1 2 3 4 5 6 7 8 1 A A A A A A A R 2 A A A A A R R A 3 A A A A R A A A 4 A R R R A A A A 5 R A A A G G G A 6 A A G G G G G A 7 A A G G G G G A 8 A A A A G A A A 6
显式描述
显式表示：就是栅格中的一系列像元(点)，为 使计算机认识这些像元描述的是某一物体 而不是其它物体。 注：“c”不一定用c的形式，而可以用颜色、 符号、数字、灰度值来显示。 则得到椅子的简单数据结构为： 椅子的属性——符号／颜色——像元x
隐式表示
隐式表示：由一系列定义了始点和 终点的线及某种连接关系来描述， 线的始点和终点坐标定义为一条表 示椅子形式的矢量，线之间的指示 字，告诉计算机怎样把这些矢量连 接在一起形成椅子，隐式表示的数 据为： 椅子的属性——一系列矢量— —连接关系
点: 弧:
中间点 起点 终点
面:
弧段4
弧段3
弧段2 弧段1
邻接
相交
相离
包含
重合
点—点 点—线 点—面
线—线 线—面 面—面
拓扑关系的意义
1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系。 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。 3）根据拓扑关系可重建地理实体。
举例
实体属性
2、实体类型组合
现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合 而成，复杂实体由简单实体组合表达。 点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：
如：线—面
面--面
1.4、空间关系
空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容：
一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最
矢量数据结构编码的基本内容
数据库
Baidu Nhomakorabea
独立编码
点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
标识码
属性码
存储方法 点: 点号文件 点位字典 线: 点号串 面: 点号串
地理数据的特征
• 属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等 级、名称、数量等。 • 空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特 征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如F楼与E楼相 邻等。 • 时间特征：描述空间对象随时间的变化
2 空间数据的基本特征 空间数据的类型
第二章 空间数据结构和空间数据库
• 第一节 空间信息基础 • 第二节 空间数据结构类型 • 第三节 空间数据模型
第一节 空间信息基础
1.1、地理系统和地理实体 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，GIS中的空间实 体是一个概括，复杂，相对的概念。
链式编码
5
7
起点行列号，单位矢量 R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3
4
3 2 1
0
游程长度编码
逐行编码 数据结构: 行号, 属性, 重复次数 1, A, 4, R, 1, A, 3 正方形区域为记录单元 数据结构: 初始位置, 半径, 属性 (1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…
栅格矩阵（Raster Matrix)
Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的pixel值组成 像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。 例如影像： A A A A A B B B A A B B A A A B 在计算机内是一个4*4阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始 逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为：A A A A A B B B A A B B A A A B 当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要m行×n列 ×3(x,y和属性编码值)个存储单元。数字地面模型就属此种情况。 这种记录栅格数据的文件常称为栅格文件，且常在文件头中存有该栅格数 据的长和宽，即行数和列数和两方向的密度。这样，具体的象元值就可连 续存储了。其特点是处理方便，但没有压缩。
据 非定位数据
x,y 坐标 拓扑关系 变量 级别 数值 名称
点 线 面 格网网络 土壤 1. 土厚 砂 1.1 细 1.2 中 1.3 粗
3. 空间数据的分类
按数据来源
按数据结构
按数据特征
按几何特征
按数据发布形式
地图数据 影像数据 文本数据
矢量数据 栅格数据
空间数据 非空间属性数据
点 线 面、曲面 体
多边形 数据项 A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6) ,(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1) B(x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1) C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28 ),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24)
栅格数据结构：坐标系与描述参数
格网分辨率
X：行
西南角格网坐标 （XWS，YWS） Y：列
栅格单元的尺寸
1）原则：应能有效地逼近空间对象的分 布特征，又减少数据的冗余度。 格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。 2）方法：用保证最小多边形的精度标准 来确定尺寸经验公式：
h为栅格单元边长 Ai为区域所有多边形的面积。
标识号 1 2 3 道路类型 路面材料 宽度 2 2 2 柏油 柏油 柏油 48 48 48 行车道路 道路名称 4 4 4 解放路 珞瑜路 中北路
4
5 6
1
1 4
混凝土
混凝土 柏油
60
60 32
4
4 2
胜利路
中山路 鲜花路
第二节 空间数据结构的类型
数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管 理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排 列方式和相互关系的抽象描述。 在地理系统中描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括 空间位置、拓朴关系和属性三个方面的内容。 空间数据结构 栅格数据结构(显式表示 ) 矢量数据结构(隐式表示 )
点号 X Y
1
2 … n
11
33 … 55
22
44 … 66
空间对象编码唯一 连接空间和属性数据
简单的矢量数据结构 —面条结构（实体式） 12
11 13 30 10 1 2 9 8 7 6 3 4 5 18 19 20 31 24 25 29 14 28 27 26 17 16 15 23 22 21
第二节 空间数据结构的类型
• 栅格数据结构 栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在 各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织 方式； 栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数 据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。
• 栅格数据图形表示
1、点实体：表示为一个像元； 2、线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像 元的集合； 3、面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。
空间对象的拓扑空间关系
拓扑关系定义
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。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。
1.2 地理实体的描述和存储
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。
•栅格数据图形表示
面 线
•点：为一个像元 •线：在一定方向 上连接成串的相 邻像元集合。 •面：聚集在一起 的相邻像元集合。
点
栅格数据表示的是二维表面上 的地理数据的离散化数值。在栅格数据中， 地表被分割为相互邻接、规则排列的地块， 每个地块与一个像元相对应。 因此，栅格数据的比例尺就是栅格(像元)的大小 与地表相应单元的大小之比，当像元所表示的面积较大时， 对长度、面积等的量测有较大影响。 每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值， 因而有可能产生属性方面的偏差。
数字线画图 数字栅格画图 数字高程模型 数字正射影像图
1.3 实体的空间特征
1、空间对象（实体）的地图表达
点：位置：（x，y） 属性：符号 线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 属性：符号—形状、颜色、尺寸 面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(x1,y1) 属性：符号变化 等值线
块状编码 四叉树编码
NW NE SW SE
G GGG AGGA AG AA A
第二节 空间数据结构的类型
• 矢量数据结构 矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体 来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式； 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地 理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅 格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位 置、长度和大小.
空间数据的基本特征
一般来说，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 空间数据的特征可概括为 空间特征和属性特征。
地 理 定 位 数 据
数
• 属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据， 如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达 • 几何数据(定位数据)：描述空间对象空间特征的数据，也称位 置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达 • 关系数据（拓扑特征数据）：描述空间对象的空间关系的数据， 如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。
空间对象的拓扑空间关系
• 拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主 要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包 含关系。 • 拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。 • 拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。 • 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
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。 D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y2 存储： 3),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19) 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17), 特征： (x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5) 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性； 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦。 适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
栅格数据压缩存储的编码方法
1 2 3 4 5 6 7 8 1 A A A A A A A R 2 A A A A A R R A 3 A A A A R A A A 4 A R R R A A A A 5 R A A A G G G A 6 A A G G G G G A 7 A A G G G G G A 8 A A A A G A A A 6
显式描述
显式表示：就是栅格中的一系列像元(点)，为 使计算机认识这些像元描述的是某一物体 而不是其它物体。 注：“c”不一定用c的形式，而可以用颜色、 符号、数字、灰度值来显示。 则得到椅子的简单数据结构为： 椅子的属性——符号／颜色——像元x
隐式表示
隐式表示：由一系列定义了始点和 终点的线及某种连接关系来描述， 线的始点和终点坐标定义为一条表 示椅子形式的矢量，线之间的指示 字，告诉计算机怎样把这些矢量连 接在一起形成椅子，隐式表示的数 据为： 椅子的属性——一系列矢量— —连接关系
点: 弧:
中间点 起点 终点
面:
弧段4
弧段3
弧段2 弧段1
邻接
相交
相离
包含
重合
点—点 点—线 点—面
线—线 线—面 面—面
拓扑关系的意义
1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系。 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。 3）根据拓扑关系可重建地理实体。
举例
实体属性
2、实体类型组合
现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合 而成，复杂实体由简单实体组合表达。 点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：
如：线—面
面--面
1.4、空间关系
空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容：
一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最
矢量数据结构编码的基本内容
数据库
Baidu Nhomakorabea
独立编码
点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
标识码
属性码
存储方法 点: 点号文件 点位字典 线: 点号串 面: 点号串
地理数据的特征
• 属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等 级、名称、数量等。 • 空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特 征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如F楼与E楼相 邻等。 • 时间特征：描述空间对象随时间的变化
2 空间数据的基本特征 空间数据的类型
第二章 空间数据结构和空间数据库
• 第一节 空间信息基础 • 第二节 空间数据结构类型 • 第三节 空间数据模型
第一节 空间信息基础
1.1、地理系统和地理实体 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，GIS中的空间实 体是一个概括，复杂，相对的概念。
链式编码
5
7
起点行列号，单位矢量 R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3
4
3 2 1
0
游程长度编码
逐行编码 数据结构: 行号, 属性, 重复次数 1, A, 4, R, 1, A, 3 正方形区域为记录单元 数据结构: 初始位置, 半径, 属性 (1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…
栅格矩阵（Raster Matrix)
Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的pixel值组成 像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。 例如影像： A A A A A B B B A A B B A A A B 在计算机内是一个4*4阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始 逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为：A A A A A B B B A A B B A A A B 当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要m行×n列 ×3(x,y和属性编码值)个存储单元。数字地面模型就属此种情况。 这种记录栅格数据的文件常称为栅格文件，且常在文件头中存有该栅格数 据的长和宽，即行数和列数和两方向的密度。这样，具体的象元值就可连 续存储了。其特点是处理方便，但没有压缩。
据 非定位数据
x,y 坐标 拓扑关系 变量 级别 数值 名称
点 线 面 格网网络 土壤 1. 土厚 砂 1.1 细 1.2 中 1.3 粗
3. 空间数据的分类
按数据来源
按数据结构
按数据特征
按几何特征
按数据发布形式
地图数据 影像数据 文本数据
矢量数据 栅格数据
空间数据 非空间属性数据
点 线 面、曲面 体
多边形 数据项 A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6) ,(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1) B(x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1) C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28 ),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24)
栅格数据结构：坐标系与描述参数
格网分辨率
X：行
西南角格网坐标 （XWS，YWS） Y：列
栅格单元的尺寸
1）原则：应能有效地逼近空间对象的分 布特征，又减少数据的冗余度。 格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。 2）方法：用保证最小多边形的精度标准 来确定尺寸经验公式：
h为栅格单元边长 Ai为区域所有多边形的面积。
标识号 1 2 3 道路类型 路面材料 宽度 2 2 2 柏油 柏油 柏油 48 48 48 行车道路 道路名称 4 4 4 解放路 珞瑜路 中北路
4
5 6
1
1 4
混凝土
混凝土 柏油
60
60 32
4
4 2
胜利路
中山路 鲜花路
第二节 空间数据结构的类型
数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管 理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排 列方式和相互关系的抽象描述。 在地理系统中描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括 空间位置、拓朴关系和属性三个方面的内容。 空间数据结构 栅格数据结构(显式表示 ) 矢量数据结构(隐式表示 )
点号 X Y
1
2 … n
11
33 … 55
22
44 … 66
空间对象编码唯一 连接空间和属性数据
简单的矢量数据结构 —面条结构（实体式） 12
11 13 30 10 1 2 9 8 7 6 3 4 5 18 19 20 31 24 25 29 14 28 27 26 17 16 15 23 22 21
第二节 空间数据结构的类型
• 栅格数据结构 栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在 各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织 方式； 栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数 据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。
• 栅格数据图形表示
1、点实体：表示为一个像元； 2、线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像 元的集合； 3、面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。