地理信息系统空间数据结构 课件.docx
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地理信息系统空间数据结构课件
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第二章地理信息系统空间数据结构
2.1地理空间数据及其特征
【学时安排】
1学时
【目的要求】
1、掌握地理信息系统的数据类型；
2、理解地理信息系统的数据来源；
3、掌握空间数据的特点。
【重点难点】
地理信息系统的数据类型与特征。
【教学方法与手段】
示例式教学方法，多媒体教学手段。
一、GIS空间数据的来源与类型
空间数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液，因为GIS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GIS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。
1、地理数据的来源
GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种来源:
⑴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，是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要的信息源。
⑵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GIS的最有效的数据源之一。
⑶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。
⑷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。
⑸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。
2、空间数据的类型
空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型（图2-1），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
、
，或者格网法表示。
二、空间数据的基本特征
要完整地描述空间实体或现象的状态，一般需要同时有空间数据和属性数据。
如果要描述空间实体或的变化，则还需记录空间实体或现象在某一个时间的状态。
所以，一般认为空间数据具有三个基本特征（图2－2）：
1、空间特征表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。
空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。
图2－1空间数据的类型和表示方法（据JackDangermond，1984）
图2-2空间数据的基本特征
2、属性特征表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等等。
3、时间特征指现象或物体随时间的变化。
位置数据和属性数据相对于时间来说，常常呈相互独立的变化，即在不同的时间，空间位置不变，但是属性类型可能已经发生变化，或者相反。
因此，空间数据的管理是十分复杂的。
有效的空间数据管理要求位置数据和非位置数据互相作为单独的变量存放，并分别采用不同的软件来处理这两类数据。
这种数据组织方法，对于随时间而变化的数据，具有更大的灵活性。
2.2空间数据结构的类型
【学时安排】
9学时
【目的要求】
1、掌握拓扑数据结构；
2、掌握拓扑关系的类型；
3、理解拓扑关系的意义；
4、掌握栅格数据的表示及压缩方法；
5、理解栅格模型与矢量模型的优缺点。
【重点难点】
栅格数据结构及压缩方法；拓扑数据结构。
【教学方法与手段】
示例式、启发式教学方法，多媒体教学手段。
对现实世界的数据表达可以采用矢量数据模型和栅格数据模型。
那么，一旦数据模型确定，必须选择和该模型对应的数据结构来组织实体的数据，最后是选择适合于记录该数据结构的文件模式。
图2－3栅格数据结构与矢量数据结构
数据结构一般分为基于矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构（如图2－3）。
按照传统的观念，矢量和栅格似乎是两类完全不同性质的数据结构。
矢量数据是面向地物的结构，即对于每一个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明。
但是矢量数据仅有一些离数点的坐标，在空间表达方面它没有直接建立位置与地物的关系，如多边形的中间区域是“洞”或“岛”，其间的任何一点并没有与某个地物发生联系。
与此相反，栅格数据是面向位置的结构，平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。
但对于某一个具体的目标又没有直接聚集所有信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也不能完整地建立地物之间的拓扑关系。
因而，从概念上形成了基于矢量和基于栅格两种类型的系统，分别用于不同的目的。
目前，为了设计一种系统能用于多种目的，正在研制一种一体化的数据结构，该数据结构具有矢量和栅格两种结构的特性，称为矢量栅格一体化的数据结构。
以下分别介绍上述三种不同类型的数据结构。
一、矢量数据结构
基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。
矢量也叫向量，数学上称“具有大小和方向的量”为向量。
在计算机图形中，相邻两结点间的弧段长度表示大小，弧段两端点的顺序表示方向，因此弧段也是一个直观的矢量。
矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体空间分布的一种数据组织方式。
这种数据组织方式定位明显，属性隐含，能最好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析，但对于多层空间数据的叠合分析比较困难。
矢量数据结构的获取方法主要有：
手工数字化法、手扶跟踪数字化法、数据结构转换法。
矢量数据结构分为以下几种主要类型:
一）简单数据结构
在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条（Spaghetti）结构。
这种数据结构的主要特点是:
（1）数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。
（2）每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致。
（3）点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。
（4）岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。
二）拓扑数据结构
1、拓扑的基本概念
拓扑数据结构包括DIME（对偶独立地图编码法）、POLYVRT（多边形转换器）、TICER（地理编码和参照系统的拓扑集成）等。
它们共同的特点是:
点是相互独立的，点连成线，线构成面。
每条线始于起始结点（FN），止于终止结点（TN），并与左右多边形（LP和RP）相邻接。
构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的弧段相交的点称为结点，由一条弧段组成的多边形称为岛，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域；含岛区的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。
在复连通区域中，包括有外边界和内边界，岛区多边形看作是复连通区域的内边界，复连通区域的内边界多边形对应的区域含有平面上的无穷远点。
一幅地图要传输地理要素的有关区域信息，包括位置信息、属性信息和空间信息。
表示要素之间的临接关系和包含关系，在地图上借助图形来识别和解释，在计算机中按拓扑结构加以定义。
拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法；在GIS中，用于空间数据的组织、分析和应用在GIS中。
为了真实反映地物，不仅包括实体的大小、形状及属性，而且要反映出实体之间的相互关系。
例如：
自然与行政的分区，各种空间类型的分布及交通网等，都存在结点、弧段和多边形之间的拓扑关系。
该数据结构的基本元素如图2-4所示:
N1，N2，N3，N4，N5为结点；a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7为弧段（链段）；P1，P2，P3，P4为面（多边形）。
在这种数据结构中，弧段或链段是数据组织的基本对象。
弧段文件由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、FN、TN、LP和RP。
结点文件由结点记录组成，包括每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。
多边形文件由多边形记录组成，包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。
2、空间数据的拓扑关系
空间数据拓扑关系的表示方法主要有下述几种：
表2－1多边形与弧段的拓扑关联表
多边形号
弧段号
P1
a1，a5，a6
P2
a2，a4，a5
P3
a3，a4，a6
P4
a7
⑴拓扑关联性。
表示空间图形中不同类元素之间的拓扑关系。
如结点、弧段及多边形之间的拓扑关系。
如图2－4所示的图形，具有多边形和弧段之间的关联性：
P1/a1，a5，a6；P2/a2，a4，a6等，也有弧段和结点之间的关联性：
N1/a1，a3，a5；N2/a1，a6，a2等。
即从图形的关联性出发，图2－4可用表2－1，表2－2，所示的关联表来表示。
用关联表来表示图的优点是每条弧段所包含的坐标点只需存储一次，如果不考虑它们之间的关联性而以每个多边形的全部封闭弧段的坐标点来存储数据，不仅数据量大，还无法反应空间关系。
（2）拓扑邻接性。
拓扑邻接性表示图形中同表2－2弧段与结点的拓扑关联表
弧段号
起点
终点
坐标点
a1
N2
N1
a2
N3
N2
a3
N1
N3
a4
N4
N3
a5
N4
N2
a6
N1
N4
a7
N5
N5
类元素之间的拓扑关系。
如多边形之间的邻接性、
弧段之间的邻接性以及结点之间的邻接性（连通性）。
由于弧段的走向是有方向的，因此，通常用弧段的左右多边形来表示并求出多边形的邻接性，如图2－4用弧段的左右多边形表示时，得到表2－3a。
显然，同一弧段的左右多边形必然邻接，从而得到如表2－3b所示的邻接矩阵表，表中值为1处，所对应多边形邻接。
根据表2-3b整理得到多边形邻接性表，如表2-3c。
P1
P2
P3
P4
P1
－
1
1
0
P2
1
－
1
0
P3
1
1
－
1
P4
0
0
1
－
表2－3多边形之间的邻接性
弧段号
左多边形
右多边形
a1
－
P1
a2
－
P2
a3
－
P3
a4
P3
P2
a5
P2
P1
a6
P3
P1
a7
P4
P3
b
a
邻接多边形
P1
P2P3
P2
P1P3
P3
P1P2P4
P4
P3
c
同理，从图2－4可以得到如表2－4所示的弧段和结点之间的关系表。
由于同一弧段上两个结点必相通，同一结点上的各弧段必相邻，所以分别得弧段之间邻接矩阵和结点之间连通性矩阵如表2－5，表2－6所示。
表2－4弧段和结点之间的关系表
弧段
起点
终点
a1
N2
N1
a2
N3
N2
a3
N1
N3
a4
N4
N3
a5
N4
N2
a6
N1
N4
a7
N5
N5
结点
弧段
N1
a1，a3，a6
N2
a1，a2，a5
N3
a2，a3，a4
N4
a4，a5，a6
N5
a7
表2－5弧段之间的邻接性
弧段
a1
a2
a3
a4
a5
a6
a7
a1
－
1
1
0
1
1
0
a2
1
－
1
1
1
0
0
a3
1
1
－
1
0
1
0
a4
0
1
1
－
1
1
0
a5
1
1
0
1
－
1
0
a6
1
0
1
1
1
－
0
a7
0
0
0
0
0
0
－
表2－6结点之间的连通性
结点
N1
N2
N3
N4
N5
N1
－
1
1
1
0
N2
1
－
1
1
0
N3
1
1
－
1
0
N4
1
1
1
―
0
N5
0
0
0
0
－
（3）拓扑包含性。
拓扑包含性是表示空间图形中，面状实体所包含的其他面状实体或线状、点状实体的关系。
面状实体中包含面状实体的情况又分三种，即:
简单包含、多层包含和等价包含。
如图2－5所示。
图2－5面状实体之间的包含关系
图2－5a中多边形P1包含多边形P2；图2－5b中多边形P3包含在多边形P2中，而多边形P2、P3又包含在多边形P1中；图2－5c中多边形P2、P3都包含在多边形P1中，多边形P2、P3对P1而言是等价包含。
3、拓扑关系的意义
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，具有重要的意义，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，用于对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。
三）矢量数据结构编码的方法
1、点实体点实体包括由单独一对x，y坐标定位的一切地理或制图实体。
在矢量数据结构中，除点实体的x，y坐标外还应存储其它一些与点实体有关的数据来描述点实体的类型、制图符号和显示要求等。
点是空间上不可再分的地理实体，可以是具体的也可以是抽象的，如地物点、文本位置点或线段网络的结点等，如果点是一个与其它信息无关的符号，则记录时应包括符号类型、大小、方向等有关信息；如果点是文本实体，记录的数据应包括字符大小、字体、排列方式、比例、方向以及与其它非图形属性的联系方式等信息。
对其它类型的点实体也应做相应的处理。
图2—6说明了点实体的矢量数据结构的一种组织方式。
2、线实体线实体可以定义为直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对以上的x，y坐标定义。
最简单的线实体只存储它的起止点坐标、属性、显示符等有关数据。
例如，线实体输出时可能用实线或虚线描绘，这类信息属符号信息，它说明线实体的输出方式。
虽然线实体并不是以虚线存储，仍可用虚线输出。
弧、链是n个坐标对的集合，这些坐标可以描述任何连续而又复杂的曲线。
组成曲线的线元素越短，x，y坐标数量越多，就越逼近于一条复杂曲线，既要节省存储空间，又要求较为精确地描绘曲线，唯一的办法是增加数据处理工作量。
亦即在线实体的纪录中加入一个指示字，当起动显示程序时，这个指示字告诉程序：
需要数学内插函数（例如样条函数）加密数据点且与原来的点匹配。
于是能在输出设备上得到较精确的曲线。
不过，数据内插工作却
图2－6点实体的矢量数据结构
增加了。
弧和链的存储记录中也要加入线的符号类型等信息。
线的网络结构。
简单的线或链携带彼此互相连接的空间信息，而这种连接信息又是供排水网和道路网分析中必不可少的信息。
因此要在数据结构中建立指针系统才能让计算机在复杂的线网结构中逐线跟踪每一条线。
指针的建立要以结点为基础。
如建立水网中每条支流之间连接关系时必须使用这种指针系统。
指针系统包括结点指向线的指针。
每条从结点出发的线汇于结点处的角度等，从而完整地定义线网络的拓扑关系。
如上所述，线实体主要用来表示线状地物（公路、水系、山脊线）、符号线和多边形边界，有时也称为“弧”、“链”、“串”等，其矢量编码包括的内容如图2－7所示。
其中唯一标识是系统排列序号：
线标识码可以标识线的类型；起始点和终止点可以用点号或直接用坐标表示；显示信息是显示线的文本或符号等；与线相联的非几何属性可以直接存储于线文件中，也可单独存储，而由标识码联接查找。
3、面实体
多边形（有时称为区域）数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。
在区域实体中，具有名称属性和分类属性的，多用多边形表示，如行政区、土地类型、植被分布等；具有标量属性的有时也用等值线描述（如地形、降雨量等）。
多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作，由于要表达的信息十分丰富，基于多边形的运算多而复杂，因此多边形矢量编码比点和线实体的矢量编码要复杂得多，也更为重要。
面实体编码主要有多边形环路法、树状索引法、双重独立式、链状双重独立式。
1、多边形环路法
由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成。
如图2－8编码为：
图2－8面实体矢量数据结构
P1：
x1，y1；x2，y2；x3，y3；x4，y4；x5，y5；x6，y6；
P2：
x7，y7；x8，y8；x9，y9；x10，y10；x11，y11；x5，y5；x6，y6
P3：
x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15
2、树状索引法
树状索引法数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。
树状索引结构消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合并多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到，但是比较繁琐，因而给邻域函数运算、消除无用边、处理岛状信息以及检查拓扑关系等带来一定的困难，而且两个编码表都要以人工方式建立，工作量大且容易出错。
此外，这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件，这里不在列出。
图2－9多边形原始数据
图2－10、2－11分别为图2－9的多边形文件和线文件树状索引图。
图2－10线与多边形之间的树状索引
图2－11点与线之间的树状索引
图2－12多边形原始数据
3、双重独立式
这种数据结构最早是由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，简称为DIME（DuallndependentMapEncoding）系统或双重独立式的地图编码法。
它以城市街道为编码的主体。
其特点是采用了拓扑编码结构。
双重独立式数据结构是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来予以定义。
例如对图2－12所示的多边形数据，用双重独立数据结构表示如表2－8所示：
表中的第一行表示线段a的方向是从节点1到节点8，其左侧面域为O，右侧面域为A。
在双重独立式数据结构中，节点与节点或者面域与面域之间为邻接关系，节点与线段或者面域与线段之间为关联关系。
这种邻接和关联的关系称为拓朴关系。
利用这种拓朴关系来组织数据，可以有效地进行数据存储正确性检查，同时便于对数据进行更新和检索。
因为在这种数据结构中，当编码数据经过计算机编辑处理以后，面域单元的第一个始节点
表2－8双重独立式（DIME）编码
线号
左多边形
右多边形
起点
终点
a
O
A
1
8
b
O
A
2
1
c
O
B
3
2
d
O
B
4
3
e
O
B
5
4
f
O
C
6
5
g
O
C
7
6
h
O
C
8
7
i
C
A
8
9
j
C
B
9
5
k
C
D
12
10
l
C
D
11
12
m
C
D
10
11
n
B
A
9
2
应当和最后一个终节点相一致，而且当按照左侧面域或右侧面域来自动建立一个指定的区域单元时，其空间点的坐标应当自行闭合。
如果不能自行闭合，或者出现多余的线段，则表示数据存储或编码有错，这样就达到数据自动编辑的目的。
例如，从上表中寻找右多边形为A的记录，则可以得到组成A多边形的线及结点如表2－9，通过这种方法可以自动形成面文件，并可以检查线文件数据的正确性。
表2－9自动生成的多边形A的线及结点
线号
起点
终点
左多边形
右多边形
a
1
8
O
A
i
8
9
C
A
n
9
2
B
A
b
2
1
O
A
此外，这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件，这里不在列出。
4、链状双重独立式
链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。
在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。
图2－13多边形原始数据
在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：
多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。
多边形文件主要由多边形记录组成，包括多边形号、组成多边形的弧段号以及周长、面积、中心点坐标及有关“洞”的信息等，多边形文件也可以通过软件自动检索各有关弧段生成，并同时计算出多边形的周长和面积以及中心点的坐标，当多边形中含有“洞”时则此“洞”的面积为负，并在总面积中减去，其组成的弧段号前也冠以负号；弧段文件主要有弧记录组成，存储弧段的起止结点号和弧段左右多边形号；弧段坐标文件由一系列点的位置坐标组成，一般从数字化过程获取，数字化的顺序确定了这条链段的方向。
结点文件由结点记录组成，存储每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段。
结点文件一般通过软件自动生成，因为在数字化的过程中，由于数字化操作的误差，各弧段在同一结点处的坐标不可能完全一致，需要进行匹配处理。
当其偏差在允许范围内时，可取同名结点的坐标平均值。
如果偏差过大，则弧段需要重新数字化。
对如图2－13所示的矢量数据，其链状双重独立式数据结构的多边形文件、弧段文件、
表2－10多边形文件
多边形号
弧段号
周长
面积
中心点坐标
A
h,b,a
B
g,f,c,h,-j
C
j
D
e,i,f
E
e,i,d,b
弧段坐标文件见表2－10、2－11和2－12。
表2－11弧段文件
弧段号
起始点
终结点
左多边形
右多边形
a
5
1
O
A
b
8
5
E
A
c
16
8
E
B
d
19
5
O
E
e
15
19
O
D
f
15
16
D
B
g
1
15
O
B
h
8
1
A
B
i
16
19
D
E
j
31
31
B
C
表2－12弧段坐标文件
弧段号
点号
a
5,4,3,2,1
b
8,7,6,5
c
16,17,8
d
19,18,5
e
15,23,22,21,20,19
f
15,16,
g
1,10,11,12,13,14,15
h
8,9,1
i
16,19
j
31,30,29,28,27,26,25,24,31
二、栅格数据结构
（一）简单栅格数据结构
栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构（raster或gridcell）或象元结构
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