地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構New

第二章地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構第一節(jié)地理空間及其表達第二節(jié)地理空間數(shù)據(jù)及其特征第三節(jié)空間數(shù)據(jù)結構的類型第四節(jié)地理數(shù)據(jù)的編碼第二章地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構第一節(jié)地理空間及其表達一、地理空間概念一般指上至大氣電離層，下至地殼與地幔交界折莫霍面之間的空間區(qū)域。大地測量系統(tǒng)由平面控制網和高程控制網組成，為建立地理空間數(shù)據(jù)的坐標位置提供了一個通用參照系。地球模型：三級近似地球自然表面極不規(guī)則，無法用數(shù)學表面進行描述水準面所包圍的球體大地水準面所包圍的球體旋轉橢球體不規(guī)則性、動態(tài)性、不唯一性不規(guī)則性、相對唯一性標準數(shù)學曲面1952：海福特橢球1953：克拉索夫斯基橢球1978：1975年國際橢球地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體坐標系統(tǒng)—高程系統(tǒng)任意水準面大地水準面H′AHA鉛垂線AH′BHBhAB坐標參考系統(tǒng)—平面系統(tǒng)直接建立在球體上的地理坐標，用經度和緯度表達地理對象位置建立在平面上的直角坐標系統(tǒng)，用（x，y）表達地理對象位置投影我國目前使用的三種坐標系1954北京坐標系1980國家大地坐標系（西安原點，陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)）地心坐標系二、空間實體的表達點：位置：（x，y）屬性：符號線：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

屬性：符號—形狀、顏色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)

屬性：符號變化等值線

空間現(xiàn)象及其描述現(xiàn)實世界空間數(shù)據(jù)地圖遙感影像特征關系行為觀察選擇抽象綜合測量：位置編碼：屬性建立關系：表達空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)進行歸類劃分點：零維線：一維面：二維體：三維時間：通常以第四維表達?？臻g對象的維數(shù)與比例尺是相關的點實體

有位置，無寬度和長度；抽象的點美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個地震位置線實體

有長度，但無寬度和高度用來描述線狀實體，通常在網絡分析中使用較多度量實體距離城市道路網分布面實體

具有長和寬的目標通常用來表示自然或人工的封閉多邊形一般分為連續(xù)面和不連續(xù)面中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）空間對象：面（續(xù)）連續(xù)變化曲面：如地形起伏，整個曲面在空間上曲率變化連續(xù)。不連續(xù)變化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，屬性變化發(fā)生在邊界上，面的內部是同質的?？臻g對象：體有長、寬、高的目標通常用來表示人工或自然的三維目標，如建筑、礦體等三維目標第二節(jié)地理空間數(shù)據(jù)及其特征一、GIS的空間數(shù)據(jù)分類按數(shù)據(jù)來源分地圖數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)文本數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)特征空間定位數(shù)據(jù)非空間屬性數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)發(fā)布數(shù)字線劃（DLG）數(shù)據(jù)數(shù)字柵格圖（DRG）數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)數(shù)字正射影像（DOM）數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)結構：矢量數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)二、空間數(shù)據(jù)基本特征空間特征是指空間對象的位置及與相鄰對象的空間關系或拓撲關系，又稱定位特征或幾何特征），一般用坐標數(shù)據(jù)表示；屬性特征是指空間對象的專題屬性，如名稱、分類、質量特征和數(shù)量特征等（行—記錄，列—屬性）時間特征是指一定區(qū)域內的空間對象隨著時間演變而引起的空間和屬性特征的變化。三、空間數(shù)據(jù)的拓撲關系拓撲結構是明確定義空間結構關系的一種數(shù)學方法。在GIS中，它不但用于空間數(shù)據(jù)的組織，而且在空間分析和應用中都有非常重要的意義。1.空間數(shù)據(jù)的拓撲關系2.空間數(shù)據(jù)拓撲關系好處3.空間數(shù)據(jù)拓撲關系的表示拓撲鄰接：元素之間的拓撲關系。拓撲關聯(lián)：元素之間的拓撲關系。拓撲包含：元素之間的拓撲關系。1、空間數(shù)據(jù)的拓撲關系不同類同類同類不同級N1е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2拓撲鄰接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓撲關聯(lián)：N1/е1、е3、е6；P1/е1、е5、е6拓撲包含：P3與P42.空間數(shù)據(jù)拓撲關系好處（1）不需要利用坐標或者計算距離，就可確定地理實體間的相對空間位置關系。（2）有利于空間要素的查詢。（3）可以利用拓撲數(shù)據(jù)作為工具，重建地理實體。3.地理空間數(shù)據(jù)拓撲關系的表示結點集合結點名指針第一個離開弧段第一個到達弧段坐標N1e3e1x1，y1

N2e1e2x2，y2

N3e2e3x3，y3е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2N1四、空間數(shù)據(jù)的計算機表示空間分幅：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屬性分層：將要表達的空間數(shù)據(jù)抽象成不現(xiàn)類型屬性的數(shù)據(jù)層來表示時間分段：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)，再逐一表示第三節(jié)空間數(shù)據(jù)結構的類型一、矢量數(shù)據(jù)結構二、柵格數(shù)據(jù)結構三、曲面數(shù)據(jù)結構

一、矢量數(shù)據(jù)結構：概念利用歐幾里德幾何學中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。

幾何(空間)對象

點：空間的一個坐標點；線：多個點組成的弧段；面：多個弧段組成的封閉多邊形；主要類型

實體數(shù)據(jù)結構；拓撲數(shù)據(jù)結構；矢量數(shù)據(jù)結構：獲取方法定位設備（全站儀、GPS、常規(guī)測量等）地圖數(shù)字化間接獲取柵格數(shù)據(jù)轉換空間分析技術（疊置、緩沖等操作產生的新的矢量數(shù)據(jù)）

矢量數(shù)據(jù)結構：表達內容矢量數(shù)據(jù)自身的存儲和管理幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系空間對象的空間關系（拓撲關系）

空間表達=信息結構+操作實體數(shù)據(jù)結構

只記錄空間對象的位置坐標和屬性信息，不記錄拓撲關系（又稱面條結構）。存儲：獨立存儲：空間對象位置直接跟隨空間對象；點位字典：點坐標獨立存儲，線、面由點號組成特征無拓撲關系，主要用于顯示、輸出及一般查詢公共邊重復存儲，存在數(shù)據(jù)冗余，難以保證數(shù)據(jù)獨立性和一致性多邊形分解和合并不易進行，鄰域處理較復雜；處理嵌套多邊形比較麻煩適用范圍：制圖及一般查詢，不適合復雜的空間分析矢量數(shù)據(jù)結構實體數(shù)據(jù)結構示例—面條結構多邊形

數(shù)據(jù)項

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) D

(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19)

E

(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)矢量數(shù)據(jù)結構編碼的基本內容

標識碼屬性碼空間對象編碼唯一連接空間和屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫獨立編碼點:(x,y)線:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn

,yn

)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)點位字典點:點號文件線:點號串面:點號串點號XY1112223344………n5566存儲方法拓撲數(shù)據(jù)結構

不僅表達幾何位置和屬性，還表示空間關系表達對象：關聯(lián)關系矢量數(shù)據(jù)結構C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7弧段號起結點終結點左多邊形右多邊形C1N1N2P2P1C2N3N2P1P4C3N1N3P1?C4N1N4?P2C5N2N5P2P4C6N4N5P3P2C7N5N6P3P4C8N4N6?P3C9N7N7P4P5C10N3N6P4?拓撲結構表達示例拓撲結構：拓撲關系與數(shù)據(jù)共享

維護數(shù)據(jù)的一致性拓撲:移動結點無拓撲:移動結點矢量數(shù)據(jù)結構（續(xù)）矢量數(shù)據(jù)結構：特點用離散的點描述空間對象與特征，定位明顯，屬性隱含

用拓撲關系描述空間對象之間的關系面向目標操作，精度高，數(shù)據(jù)冗余度小與遙感等圖象數(shù)據(jù)難以結合輸出圖形質量好，精度高

矢量結構

柵格結構

二、柵格數(shù)據(jù)結構柵格數(shù)據(jù)結構指將空間分割成各個規(guī)則的網格單元，然后在各個格網單元內賦以空間對象相應的屬性值的一種數(shù)據(jù)組織方式。每個柵格單元只能存在一個值。8888888888888888888888888888888888888888888881111111111111122222222222322點線面對于柵格數(shù)據(jù)結構點：為一個像元線：在一定方向上連接成串的相鄰像元集合。面：聚集在一起的相鄰像元集合。A.OBC中心點法重要性法長度占優(yōu)法面積占優(yōu)法柵格結構數(shù)據(jù)中混合像元的處理方案一方案二：縮小柵格單元的面積柵格數(shù)據(jù)結構：特點離散的量化柵格值表示空間對象位置隱含,屬性明顯

數(shù)據(jù)結構簡單,易于遙感數(shù)據(jù)結合,但數(shù)據(jù)量大幾何和屬性偏差面向位置的數(shù)據(jù)結構,難以建立空間對象之間的關系兩種數(shù)據(jù)結構的比較優(yōu)點缺點矢量數(shù)據(jù)結構1.便于面向現(xiàn)象(土壤類、土地利用單元等)；

2.數(shù)據(jù)結構緊湊、冗余度低；

3.有利于網絡分析；

4.圖形顯示質量好、精度高。1.數(shù)據(jù)結構復雜；

2.軟件與硬件的技術要求比較高；

3.多邊形疊合等分析比較困難；

4.顯示與繪圖成本比較高。柵格數(shù)據(jù)結構1.數(shù)據(jù)結構簡單；

2.空間分析和地理現(xiàn)象的模擬均比較容易；

3.有利于與遙感數(shù)據(jù)的匹配應用和分析；

4.輸出方法快速，成本比較低廉。1.圖形數(shù)據(jù)量大；

2.投影轉換比較困難；

3.柵格地圖的圖形質量相對較低；

4.現(xiàn)象識別的效果不如矢量方法。41

三、曲面數(shù)據(jù)結構－－不規(guī)則三角網（TIN）1

2

3

6

5

8

7

9

11

10

4

A

B

C

D

E

F

G

H

I

J

K

L

M

N

一、編碼的概念和意義二、柵格結構編碼方法第四節(jié)地理數(shù)據(jù)的編碼方法

地理數(shù)據(jù)編碼，是根據(jù)GIS的目的和任務，把地圖、圖像等資料按一定數(shù)據(jù)結構轉換為適于計算機存貯和處理的數(shù)據(jù)過程。地理內容的編碼要反映出地理實體的幾何特征，以及地理實體的屬性特征，空間數(shù)據(jù)的編碼是地理信息系統(tǒng)設計中最重要的技術步驟，它表現(xiàn)由現(xiàn)實世界到數(shù)據(jù)世界之間的界面，是聯(lián)結從現(xiàn)實世界到數(shù)據(jù)世界的紐帶。一、編碼的概念和意義鏈碼(chainEncoding)直接柵格編碼游程長度編碼塊碼四叉樹編碼(quarter_treeEncoding)柵格結構編碼方法1、直接柵格編碼

直接編碼就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼，可以每行從左到右逐像元記錄，也可奇數(shù)行從左到右而偶數(shù)行由右向左記錄，為了特定的目的還可采用其他特殊的順序。

02255555222225550000033322223355002333550033335300033333000033330，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。由起點位置和一系列在基本方向的單位矢量給出每個后續(xù)點相對其前繼點的可能的8個基本方向之一表示。8個基本方向自0°開始按逆時針方向代碼分別為0，1，2，3，4，5，6，7。單位矢量的長度默認為一個柵格單元。2、鏈碼12345076001076701100鏈碼編碼：

2，2，6，7，6，0，6，5123450760500000000500000000000000500000000550000000500000050000000000000鏈碼編碼示例3、游程長度編碼(1)只在各行（或列）數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同代碼重復的個數(shù)；0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333沿行方向進行編碼：(0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。3、游程長度編碼逐個記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應代碼。0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333沿列方向進行編碼：(1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。

4、塊碼采用方形區(qū)域作為記錄單元，數(shù)據(jù)編碼由初始位置行列號加上半徑，再加上記錄單元的代碼組成。0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。

5、四叉樹編碼

是根據(jù)柵格數(shù)據(jù)二維空間分布的特點，將空間區(qū)域按照4個象限進行遞歸分割（2n×2n，且n>1），直到子象限的數(shù)值單調為止，最后得到一棵四分叉的倒向樹。四叉樹分解，各子象限大小不完全一樣，但都是同代碼柵格單元組成的子塊，其中最上面的一個結點叫做根結點，它對應于整個圖形。不能再分的結點稱為葉子結點，可能落在不同的層上，該結點代表子象限單一的代