第二章GIS空间数据结构与数据库1

TIN和Voronoi多边形数据模型 图中虚线为Voronoi多边形的边界， 实线为TIN边，小圆点代表采样观 测点
2.2 空间数据结构
空间数据结构是指对空间数据逻辑模型描述的数 据组织关系和编排方式 。空间数据结构是指适合于 计算机系统存储、管理和处理的地学图形的逻辑结 构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象 描述。数据结构是数据模型和文件格式之间的中间 媒介。
3 栅格代码（属性值）的确定
当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来 确定栅格属性值。 面积占优法
B 1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。
2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分 长度占优法 O 类较细，地理类别图斑较小时。
.
Hale Waihona Puke Baidu
3、 重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要的属性 A 值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素， 中心点 特别是点、线地理要素。 法 4 、长度占优法 —— 每个栅格单元的值由该栅格中线段最 重要性 长的实体的属性来确定。 法
第二章 GIS空间数据结构 与数据库
第一节 地理空间数据
1.1 空间数据分类 1 根据数据来源的不同分为（据郭达志等)： 1)几何图形数据：主要来源于各种类型的地图和实测几何 数据。 2)影象数据：主要来源于卫星遥感和航空遥感等。 3)属性数据：来源于实测数据，文字报表，或地图中的各 类符号说明，以及从遥感数据中通过解释得到的信息等。 4)地形数据：来源于地形等高线图的数字化，已建立的格 网状的数字高程模型（DTM），或其他形式表示的地形表面（ 如TIN）等。 在具有智能化的GIS中还应有规则和知识数据。
常用的空间数据结构
矢量数据结构：通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、 线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续、允许任意位置、 长度和面积的精确定义。 栅格数据结构：栅格结构是最简单最直接的空间数据结构， 是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个 网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表 示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的 指针。
（1）空间拓扑关系 地图上的拓扑关系是指图形在保持连续状态下的变形 （缩放、旋转和拉伸等），但图形关系不变的性质。
拓扑邻接： 同 拓扑关联： 不 同
类 元素之间的拓扑关系。 类 元素之间的拓扑关系。
拓扑包含： 同类不同级 元素之间的拓扑关系。
连通关系:空间图形中弧段之间的拓扑关系。
拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3
（f）面－面顺序关系
不同类型实体间的顺序关系
（3）空间度量关系
空间度量关系主要是指空间对象之间的距离关系。
这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距 离，如A实体距离B实体100m。也可以应用与距离概 念相关的术语，如远近等进行定性的描述。
与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换 而变化。建立点－点的度量关系容易、点－线和点－ 面的度量关系较难，而线－线、线－面和面－面的度 量关系更为困难，涉及大量的判断和计算
（a）点
（b）线 点、线、区域的格网
（c）面
面 线 点
3.1 栅格结构的建立途径
1、 手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网 格代码。 2、扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度） }，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色， 得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该 专题图的栅格数据。 3、 由矢量数据转换而来。 4、 遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫 描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下 来的象素值序列。 5、 格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网 DEM，通过DEM内插得到。
第一个离开弧段 e3 e1 e2
第一个到达弧段 e1 e2 e3
e1
N1
P1
地理空间数据 拓扑关系的表示
弧段集合
N2 e5
e6
P3
N5
e3
N4
e4
P2
e2
P4
e7
N3
弧段名 始结点 终结点 e1 N2 N1
右多边 左多边 坐标串 形 形 P1 P0 s1
e2
e3
N3
N1
N2
N3
P2
P3
P0
P0
s2
（2）空间顺序（或方向）关系
空间方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。 基于空间实体在地理空间的分布，采用上下、左右、前后、 东南西北等方向性名词来描述。
基准方向
基准方向
基准方向
（a）点－点顺序关系
（b）点－线顺序关系
（c）点－面顺序关系
基准方向 基准方向 基准方向
（d）线－线顺序关系
（e）线－面顺序关系
s3
e4
N4
N3
P2
P3
s4
邻接 点－点 点－线 点－面 线－线 线－面 面－面
邻接
相交
相离
包含
重合
不同类型空间实体间的空间关系 的形式化表达
空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具 有重要的意义： 拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系， 它比几何坐标关系有更大的稳定性，不随投影变 换而变化。 利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如，某 条铁路通过哪些地区，某县与哪些县邻接。又如 分析某河流能为哪些地区的居民提供水源，某湖 泊周围的土地类型及对生物、栖息环境作出评价 等。 可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段 构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的 选择等。
2 根据空间数据的特征，可以把空间数据归纳为：
1)属性数据——描述空间数据的属性特征的数据，也称 非几何数据。即说明“是什么”，如类型、等级、名称、 状态等。 2)几何数据——描述空间数据的空间特征的数据，也称 位置数据、定位数据。即说明“在哪里”，如用X、Y坐 标来表示。 3)关系数据——描述空间数据之间的空间关系的数据， 如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。 4）时间特征数据 此外，还有元数据，它是描述数据的数据。在地理空间 数据中，元数据说明空间数据内容、质量、状况和其他有 关特征的背景信息，便于数据生产者和用户之间的交流。
3.2栅格单元的尺寸 栅格单元的尺寸确定的原则是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。 具体可采用保证最小多边 形的精度标准来确定尺寸的方法。
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。 格网太大，忽略较小图斑，信 息丢失。 一般讲实体特征愈复杂，栅格 尺寸越小，分辨率愈高，然而 栅格数据量愈大（按分辨率的 平方指数增加）计算机成本就 越高，处理速度越慢。
第二节 GIS空间数据模型与数据结构 2.1 空间数据模型
1. 地理空间与空间抽象 2. 空间数据概念模型 3. 空间数据逻辑模型
1. 地理空间与空间抽象
(地理)空间实体:对复杂地理事物和现象进行简化 抽象得到的结果。
数据模型是对现实世界进行认知、简化和抽象表 达，并将抽象结果组织成有用、能反映形式世界 真实状况数据集的桥梁，是地理信息系统的基础。
X
xn yn xi yi x1 y1 x2 y2
i
Y
j
矢量结构
栅格结构
第三节 栅格数据结构及其编码
空间数据的计算机表示——指通过利用确定的数据结构和 数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。
地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像 等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据 过程。地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及 地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计 中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的 界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。
3 地理空间数据的空间关系
空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。空间关 系主要有： （1）空间拓扑关系：用来描述实体间的相邻、连通、包 含和相交等关系； （2）空间顺序关系：用于描述实体在地理空间上的排列 顺序，如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位 关系； （3）空间度量关系：用于描述空间实体之间的距离远近 等关系。
8 8 8
8 8
8
8 8
8 8
栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元的大小 代表了定义的空间分辨率，每个像元由行列确定它 的位置。
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 6 6 6 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 4 0 0 0 0 0 4 4 4 0 0 0 0 0 4 4 4 4 8 0 0 0 7 4 4 8 8 8 0 0 7 4 8 8 8 8 8 0 7 7 8 8 8 8 8 8 7 7 7 7 7 8 8 8 7 7 7 7 8 8 8 8
逻辑数据模型 Logical Data Model
最高层
编码、表达、建立空间关系
中间层
物理数据模型是概念 物理数据模型 数据模型在计算机内 最底层 Physical Data Model 部具体的存储形式和 操作机制，即在物理 磁盘上如何存放和存 空间数据库 取，是系统抽象的最 空间实体抽象的三个层次 底层。
数据结构对数据进行组织
2 空间数据概念模型
根据GIS数据组织和处理方式，目前地理空间数据的概念模 型大体上分为三类，即对象模型、网络模型和场模型。
网络模型与对象模 对象模型把地理现象当作空间要 场模型，也称作域 型的某些方面相同， （ field）模型，是把 素（Feature）或空间实体 地理空间中的现象作 都是描述不连续的 （Entity）。一个空间要素必须 网络模型 场模型 为连续的变量或体来 地理现象，不同之 同时符合三个条件：（1）可被 对象模型 看待，如大气污染程 处在于它需要考虑 标识；（2）在观察中的重要程 度、地表温度、土壤 通过路径相互连接 度；（3）有明确的特征且可被 湿度、地形高度以及 多个地理现象之间 描述。 大面积空气和水域的 的连通情况。 流速和方向等。
拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6
拓扑包含：P3与P4
e1 N1
P1
N2
e5
e6 N4 e4
P3
N5
e3 e7
P4
P2
e2
N3
e1
N1
P1
地理空间数据 拓扑关系的表示
结点集合
结点名 N1 N2 N3 指
e6 N4 e4
P3
N5
e3 e7
N2
e5
P4
P2
e2
N3 针 坐标 x1，y1 x2，y2 x3，y3
栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物 或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表 示地理要素的非几何属性特征。 特点：属性明显，定位隐含。
2 2 2 2 2 1 2 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 8 8 8 1 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 2 2 2 2 2 2 2
1）矢量数据模型
2）栅格数据模型
空间对象的栅格数据模型
3）镶嵌数据模型
镶嵌（Tessellation） 数据模型采用规则或不 规则的小面块集合来逼 近自然界不规则的地理 单元，适于用场模型抽 象的地理现象。用描述 小面块的几何形态、相 邻关系及面块内属性特 征的变化来建立空间数 据的逻辑模型。小面块 之间不重叠且能完整铺 满整个地理空间。
概念模型是地理空 观察和认知 间中地理事物与现 现实世界 象的抽象概念集， 是地理数据的语义 概念世界 解释，从计算机系 统的角度来看，它 是抽象的最高层。 逻辑数据模型是 GIS描述概念数据 数据世界 模型中实体及其关 （计算机） 系的逻辑结构，是 系统抽象的中间层。
信息
空间事物或现象 选择、综合、简化和抽象 概念模型 Conceptial Model
4 空间数据逻辑模型
空间数据逻辑模型作为概念模型向物理模型转换
的桥梁，根据概念模型确定的空间信息内容，以计
算机能理解和处理的形式具体地表达空间实体及其 关系。 针对对象模型和场模型两类概念模型，一般采用 矢量数据模型、栅格数据模型、矢量－栅格一体化
数据模型、镶嵌数据模型、面向对象数据模型等逻
辑模型来进行空间实体及其关系的逻辑表达。