空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

第三章空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-1地理空間及其表達§3-2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-3柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-4矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-5曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-6三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（一）數(shù)據(jù)來源：地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)。（二）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類（三）按數(shù)據(jù)特征分類：按點、線、面等幾何元素來表達空間實體的幾何特征的數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)空間定位數(shù)據(jù)

§3-1地理空間及其表達一、GIS空間數(shù)據(jù)的分類矢量數(shù)據(jù)：將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示空間實體。非空間屬性數(shù)據(jù)

（四）空間維數(shù)：有0，1，2，2.5，3維之分，點、線、面、曲面、體。（五）空間特征類型：有點狀實體、線狀、面狀、體狀實體。在地圖上實體維數(shù)的表示可以改變點---面線（單線河）---面（雙線河），通過地圖綜合?！?-1地理空間及其表達二、GIS空間數(shù)據(jù)的分類（六）按數(shù)據(jù)發(fā)布的形式：（1）DLG數(shù)字線劃圖：現(xiàn)有地形圖要素的矢量數(shù)據(jù)，保存各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息。（２）DRG數(shù)字柵格圖（３）DEM數(shù)字高程模型：表示地表區(qū)域上地形的三維向量的有限序列，即地表單元上高程的集合。（4）DOM數(shù)字正射影像：對遙感數(shù)字影像經(jīng)逐像元進行投影差改正、再按影像鑲嵌，根據(jù)圖幅范圍剪裁生成的影像數(shù)據(jù)。§3-1地理空間及其表達二、空間數(shù)據(jù)的基本特征空間特征：地理位置和空間關(guān)系屬性特征—名稱、等級、類別等時間特征三、實體空間關(guān)系（一）空間關(guān)系類型1、

順序空間關(guān)系：（方向空間關(guān)系）用上下左右、前后、東南西北等方向性名稱來描述空間實體的順序關(guān)系，算法復雜，至今沒有很好的解決方法。2、

度量空間關(guān)系，主要指實體間的距離關(guān)系，遠近。1）在地理空間中兩點間的距離有兩種度量方法。a、沿真實的地球表面進行,除與兩點的地理坐標有關(guān)外，還與所通過路徑的地形起伏有關(guān)，復雜,引入第二種。b、沿地球旋轉(zhuǎn)橢球體的距離量算。2）

距離類別：歐氏距離（笛卡爾坐標系）、曼哈頓（出租車）距離、時間距離（緯度差）、大地測量距離（大地線）（沿地球大圓經(jīng)過兩個城市中心的距離）。3、拓撲空間關(guān)系北ab§3-1地理空間及其表達拓撲是數(shù)學的一個分支，用于研究那些經(jīng)歷特定變換（連續(xù)）之后仍然保持不變的幾何性質(zhì)，特定的變換包括拉伸、彎曲等。在GIS中，用來描述并確定空間的點、線、面之間的關(guān)系及屬性，并可實現(xiàn)相關(guān)的查詢和檢索。我們可以用眼睛來觀察世界，得到周圍事物的位置關(guān)系，但計算機卻不能，因此有必要用它能識別的方式來表示實體之間的不同關(guān)系，如屬于、包含、接壤、位于等，那么在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里就可以用---拓撲來表示。三、實體空間關(guān)系（二）拓撲關(guān)系拓撲:移動結(jié)點無拓撲:移動結(jié)點（二）拓撲關(guān)系（二）拓撲關(guān)系1、定義（TOPO）：指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)。將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)或折疊。

拓撲變換（橡皮變換）

非拓撲屬性（幾何）拓撲屬性（沒發(fā)生變化的屬性）兩點間距離一點指向另一點的方向弧段長度、區(qū)域周長、面積等一個點在一條弧段的端點一條弧是一簡單弧段（自身不相交）一個點在一個區(qū)域的邊界上一個點在一個區(qū)域的內(nèi)部/外部一個點在一個環(huán)的內(nèi)/外部一個面是一個簡單面一個面的連通性面內(nèi)任兩點從一點可在面的內(nèi)部走向另一點

拓撲元素：

點：孤立點、線的端點、面的首尾點、鏈的連接點線：兩結(jié)點之間的有序弧段，包括鏈、弧段和線段面：若干弧段組成的多邊形

起點中間點弧段3弧段2終點弧段1點面線點：孤立點、線的節(jié)點node、中間點Vertex線：兩節(jié)點之間的有序弧段面：若干弧段組成的多邊形點、線、面之間的基本拓撲關(guān)系相鄰相交重疊分離包含點—點點—線點—面線—面面—面線—線

關(guān)聯(lián)：不同拓撲要素之間的關(guān)系鄰接：相同拓撲要素之間的關(guān)系連通：線與線要素之間的關(guān)系包含：面與其他要素之間的關(guān)系拓撲元素量之間的關(guān)系：歐拉公式2、基本拓撲關(guān)系種類

1）關(guān)聯(lián)性：（不同類要素之間）結(jié)點與弧段：如V9與L5,L6,L3多邊形與弧段：P2與L3,L5,L22）鄰接性：(同類元素之間)多邊形之間、結(jié)點之間。鄰接矩陣

重疊：--鄰接：1不鄰接：0P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--2、基本拓撲關(guān)系種類

3）連通性

連通矩陣：重疊：--連通：1不連通：0V1V2V3…V1--10V21--1V301--4）包含性與鄰接性相類似，指對弧段連接的判別，如用于網(wǎng)絡(luò)分析中確定路徑、街道是否相通。指面狀實體包含了哪些線、點或面狀實體。拓撲關(guān)系具體可由4個關(guān)系表來表示：（1）

面--鏈關(guān)系：面構(gòu)成面的弧段（2）

鏈--結(jié)點關(guān)系：鏈鏈兩端的結(jié)點（3）

結(jié)點--鏈關(guān)系：結(jié)點通過該結(jié)點的鏈\（4）鏈—面關(guān)系：鏈左面右面3、拓撲關(guān)系的表達（1）點－點關(guān)系。點實體和點實體之間之間只存在相離和重合兩種關(guān)系。如兩個分離的村莊，變壓器與電線桿在投影至平面空間上重合。（2）點－線關(guān)系。點實體和線實體間存在著相鄰、相離和包含三種關(guān)系。如水閘和水渠相鄰；道路與學校相離；里程碑包含在高速公路中。（3）點－面關(guān)系。點實體與面實體間存在著相鄰、相離和包含三種關(guān)系。如水庫與多個泄洪閘門相鄰，閘門位于水庫的邊界上；公園與遠處的電視發(fā)射塔相離；耕地含有輸電桿。4、拓撲關(guān)系的舉例對于數(shù)據(jù)處理和GIS空間分析具有重要的意義，因為：1）拓撲關(guān)系能清楚地反映實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化。2）有助于空間要素的查詢，利用拓撲關(guān)系可以解決許多實際問題。如某縣的鄰接縣，--面面相鄰問題。又如供水管網(wǎng)系統(tǒng)中某段水管破裂找關(guān)閉它的閥門。3）根據(jù)拓撲關(guān)系可重建地理實體。5、拓撲關(guān)系的意義（4）線－線關(guān)系。線實體與線實體間存在著相鄰、相交、相離、包含、重合關(guān)系。如供水主干管道與次干管道相鄰（連通）；鐵路和公路平面相交；國道和高速公路相離；河流中包含通航線；道路與沿道路鋪設(shè)的管線在平面上重合。（5）線－面關(guān)系。線實體與面實體間存在著相鄰、相交、相離、包含關(guān)系。如水庫與上游及下游河流相鄰；跨湖泊的通訊光纖與湖泊相交；遠離某鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的高速公路；在某縣境內(nèi)的干渠等。（6）面－面關(guān)系。面實體與面實體間存在著相鄰、相交、相離、包含、重合關(guān)系。例如地籍中相鄰的兩塊宗地；土地利用圖斑與地層類型圖斑相交；某縣域內(nèi)包含多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)；宗地與建筑物底面重合等。4、拓撲關(guān)系的舉例1、拓撲表格之間是否信息獨立？為什么？拓撲關(guān)系思考題2、以下描述的是什么拓撲關(guān)系：（1）香樟苑位于南林大學里面還是外面？（2）土木院南面的樓是什么樓？（3）土木院前面的道路叫什么名字？（4）G312經(jīng)過哪些縣市？（5）從蘇州至南京的最佳路徑怎么走？四、空間數(shù)據(jù)的計算機表示1、

空間分幅：將整個地理空間劃分為許多子空間，再選擇要表達的子空間。2、

屬性分層：將要表達的空間數(shù)據(jù)抽象成不同類型屬性的數(shù)據(jù)層來表示。3、時間分段：將有時間特征的地理數(shù)據(jù)按其變化規(guī)律劃分為不同的時間段數(shù)據(jù)，再逐一表示?！?-1地理空間及其表達矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、定義：即數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計算機存儲、管理、處理的數(shù)據(jù)邏輯表達。空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-2-1概述柵格基于格點的矢量基于坐標的§3-2-1概述二、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

由于線段由具有起終點坐標的線段組成，具有方向性，故稱矢量結(jié)構(gòu)。定義：通過記錄坐標，用點、線、面等基本要素精確地表示各種地理實體。三、矢量數(shù)據(jù)獲取方法11.外業(yè)數(shù)字化測圖獲得，如全站儀GPS、三維激光掃描儀等；22.掃描數(shù)字化方法獲取；33.由數(shù)字攝影測量或遙感獲得；矢量柵格4.柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量數(shù)據(jù)?！?-2-2矢量數(shù)據(jù)組織

點：坐標對（x,y）+識別符線：坐標對系列(x1,y1)..(xn,yn)及有關(guān)屬性、其它屬性面：首尾相同的坐標串關(guān)系表幾何位置坐標文件連接矢量數(shù)據(jù)表示時應(yīng)考慮以下問題：·矢量數(shù)據(jù)自身的存貯和處理?！づc屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系?！な噶繑?shù)據(jù)之間的空間關(guān)系(拓撲關(guān)系)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的方法是幾何圖形及其關(guān)系用文件方式組織，而屬性數(shù)據(jù)通常采用關(guān)系型表文件記錄，兩者通過實體標識符連接。由于這一特點使得在某些方面有便利和獨到之處，例如在計算長度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，有很高的效率和精度。一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式編碼方式有：

1、坐標序列法(Spaghetti結(jié)構(gòu)）

2、樹狀索引法

3、雙重獨立式編碼

4、鏈狀雙重獨立式編碼--拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式1、坐標序列法(Spaghetti結(jié)構(gòu)）（2）結(jié)構(gòu)簡單，但無法表達邊界和多邊形之間的關(guān)系（3）不適合復雜的空間分析，在不以分析為目的CAD系統(tǒng)中廣泛使用。（1）公共邊重復存儲，存在數(shù)據(jù)冗余。.1、坐標序列法Spaghetti

（優(yōu)缺點）一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式

MapInfo的文件格式及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機制1、坐標序列法Spaghetti

（示例）

ArcViewGIS的Shapefile文件格式1、坐標序列法Spaghetti

（示例）（1）主文件（*.shp）直接存取，變長記錄的文件，每個記錄描述一個實體。（3）dBASE文件（*.dbf）包含各個實體的屬性特征的。（2）索引文件（*.shx）每個記錄包含對應(yīng)主文件記錄離主文件頭開始的偏移值。2.樹狀索引法：對所有邊界點數(shù)字化，將坐標對以循序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相關(guān)聯(lián)。

ⅠⅡP1P3P2ⅡⅢⅣ1234545456789ⅠⅡⅢⅣ線與多邊形之間的樹狀索引點與邊界線之間的樹狀索引ⅠⅡⅢⅣ123467895P1P2P31011一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式

點文件：

點號坐標

1x1，y1

2x2，y2

9x9，y9……線號起點終點點號

Ⅰ451,2,3,4，5Ⅱ45

4，5

Ⅲ

5

45，6,7,8,4

Ⅳ999，10,11線文件ⅠⅡⅢⅣ123467895P1P2P31011多邊形文件：多邊形號邊界線號

P1Ⅰ，ⅡP2Ⅱ，Ⅲ

P3Ⅳ一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式2、樹狀索引法優(yōu)缺點：優(yōu)點：1）消除多邊形數(shù)據(jù)的冗余和不一致2）鄰接信息、島信息可通過查找公共弧段號的方式查詢。缺點：1）表達拓撲關(guān)系較繁瑣2）給相鄰運算、處理島信息、檢索拓撲關(guān)系等帶來困難3）以人工方式建立編碼表，工作量大，易出錯。一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式3、雙重獨立式編碼簡稱DIME(DualIndependentMapEncoding)，是美國人口統(tǒng)計系統(tǒng)采用的一種編碼方式，是一種拓撲編碼結(jié)構(gòu)。

1、點文件點號坐標1x1,y12、線文件:線文件是以線段為記錄單位線號左多邊形

右多邊形

起點終點L210P1P2210123456789101112131415PPP3、面文件面號線號P1L210,L109…關(guān)聯(lián)鄰接關(guān)聯(lián)連通拓撲關(guān)系明確在DIME中做如下改進：將以線段為記錄單位改為以弧段為單位鏈狀雙重獨立式編碼

4、鏈狀雙重獨立式編碼1、弧段坐標文件：弧段號坐標系列（串)Ax2,y2,X10,y10…2、弧段文件：鏈—面，鏈—結(jié)點關(guān)系弧段號

左多邊形

右多邊形

起點終點AP1P225123456789101112131415PPP3、面文件面號弧段號

P1A,B,-C4、點拓撲文件：結(jié)點—鏈關(guān)系點號

弧段號

2A,B,D在拓撲結(jié)構(gòu)中，多邊形（面）的邊界被分割成一系列的線（弧、鏈、邊）和點（結(jié)點）等拓撲要素，點、線、面之間的拓撲關(guān)系在屬性表中定義，多邊形邊界不重復。

下圖的拓撲結(jié)構(gòu)表ebc41325ABC76Dada:結(jié)點號A:多邊形號1:弧段號弧段數(shù)字化方向鏈拓撲表鏈左右起點終點1A—ca2ABbc3CAba4—Cda5CBdb6BDee7B—

dc多邊形拓撲表（面-鏈關(guān)系）多邊形鏈數(shù)鏈A3-1,-2,3B42,-7,5,0,-6C3-3,-5,4D16節(jié)點拓撲表（點和鏈的關(guān)系）結(jié)點鏈a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6鏈坐標1XcYcXaYa2XbYbXcYc4、鏈狀雙重獨立式編碼（特點）拓撲關(guān)系明確，也能表達島信息，而且以弧段為記錄單位，滿足實際應(yīng)用需要。因為一般數(shù)字化一條街道時，必然有許多中間點，但我們在做空間分析是卻沒有必要以這些中間點所組成的折線為研究對象，而應(yīng)以整條弧段（某條街道）為研究對象.

被一些成熟的商品化軟件采用，如ARC/INFO7.8軟件（Coverage格式）。例：ARC文件：二進制文件: