空间数据的组织与管理

第5章空间数据的组织与管理5.1空间区域框架及图层结构常规地图在按区域存储和表达空间信息方面有一套完整的规则，称为空间区域框架方法，常被地理信息系统在组织空间数据以建立数据库时所借鉴。任何地图都提供一个空间区域框架，概括起来可以分为自然区域框架、行政区域框架和自然——行政综合区域框架和地理网格区域框架。国家出版的基础地图——梯形图都是以地理网格区域框架作为存储和表达空间数据的基础。一般专题地图，或以所研究的自然区域、行政区域或自然——行政综合区域为区域框架，都属于非固定的区域框架。就地形图而言，国际标准图幅是以1∶100万的地图图幅为基础进行划分的。在1∶100万比例尺之下，可以分为3种比例尺的地图系列：1∶50万、1∶20万、1∶10万。1∶50万地形图分幅：每幅1∶100万地形图包括4幅1∶50万地形图分幅区域，每幅1∶50万地形图区域范围为纬度差2°，经度差3°。1∶50万地形图图幅名编码规定是1∶100万地形图分幅编码后加连字符再加上英语大写字母A～D。1∶20万地形图分幅：每幅1∶100万地形图包括36幅1∶20万地形图分幅区域，每幅1∶20万地形图区域范围为纬度差40°，经度差1°。1∶20万地形图图幅名编码规定是1∶100万地形图分幅编码后加连字符再加上阿拉伯数字1～36。1∶10万地形图分幅规定：一个1∶100万地形图分幅区域内按纬度20°差及经度30°差分隔成12×12=144幅1∶10万地形图分幅。1∶10万地形图图幅名编码规定是1∶100万地形图分幅编码后加连字符再加上阿拉伯数字1～144。在1∶10万地形图分幅区域内按纬向10°差及经向15°差分隔成2×2=4幅1∶5万地形图分幅，编码模式是在1∶10万地形图图幅名编码后加阿拉伯数字1～4。一个有效的地理信息系统数据库要按一定的区域框架来存储所需要的地理空间与属性信息。与此同时，计算机内二维阵列中的每个单元仅能容纳一个数值，要表达不同的地图数据，必须分离不同的二维阵列来存储。每个存储层及存储的数据称为图层，由此形成了地图数据的图层结构。地图的图层结构如图：5.2GIS内部数据结构——矢量结构和栅格结构5.2.1地理数据的显式和隐式表示数据结构指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。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。在地理信息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、拓扑关系和属性3个方面的内容。地理数据结构的表示分为显式表示和隐式表示。显式表示的是网格数据结构，隐式表示的是矢量数据结构。在计算机里描述空间实体有两种形式：显式描述和隐式描述。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种土地利用类型而不是其他类型。隐式表示：由一系列定义了始点和终点的点、线、面实体及其拓扑关系描述，区域的边界线坐标定义同种土地利用类型的区域的边界，用符号或颜色表示具体的土地利用类型。信息的显式表示信息的隐式表示显式表示与隐式表示的区别如下：(1)隐式(矢量)表示运用于存储地物的数据量较少，即需要的存储空间少(矢量表示的x、y坐标和连接指示字较少，而栅格表示需要的像元较多)。(2)矢量法比栅格法(显式)要精美。栅格法要达到相同的分辨率，格网要非常小才行，这需要更多的像元即更多对x、y坐标。(3)矢量法中的连接信息使数据搜索能沿着一定的方向进行。栅格法则能方便地改变地物的形状和大小，因为栅格数据修改只包括清除某些旧值和输入新值两个步骤。矢量数据的修改除改变坐标值外，还需要重建连接关系(指示字)。由此可以看出，至少有以下两种方法可表示拓扑数据：栅格法：一系列x、y坐标定位的像元，每个像元独立编码，并载有属性值。矢量法：3种主要地理实体的点、线、面中的点类似于像元，但点不占面积，其余两种均由一系列内部相关联的坐标形成，一定的面或线则能与一定的属性连接。5.2.2地理实体的矢量数据结构及其编码1.矢量数据结构矢量结构是地理信息系统中最常见的图形数据结构。它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。矢量数据仅受数字化设备的精度和数值记录字长限制，相对于栅格结构来说，数据精度高，占用空间小，是一种高效的图形数据结构。在计算长度、面积、形状和图形编辑以及几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度，而在叠加运算、邻域搜索等操作中则比较困难。当前的矢量数据模型主要有两种：地理关系数据模型和基于对象的数据模型。空间数据由空间和属性两部分组成，空间数据描述空间要素的位置，而属性数据描述空间要素的特征。地理关系数据模型采用两个独立的系统分别存储空间和属性数据：用图形文件存储空间数据，用属性文件存储属性数据，然后采用要素的唯一标识码对两者进行连接，以完成空间数据的查询、分析和数据显示。2.简单数据结构矢量数据的简单数据结构没有拓扑关系，主要用于矢量数据的显示、输出、查询及检索等。1）点的矢量数据结构点是地理信息系统中不能再分的地理实体，它是零维的，也就是说它没有维度。点可以是具体的，也可是抽象的，比如地物点。高程水准点是简单点，而文本点或结点等则是抽象点。点实体的矢量编码比较简单、直接，主要是记录空间数据的(x,y)坐标及其标识码，也可记录属性码。标识码具有唯一性，是联系矢量数据与其对应的属性数据的关键字。2）线的矢量数据结构线是两节点间的有序线段，用一组有序的点来描述，这些点是在一条光滑曲线上间隔采样而获得的。信息损失的程度还取决于曲线在平面上分布的复杂程度。数字地图中的线，具有起始点与终止点，因此它具有方向性，所以称为矢量数据。3）面的数据结构地图上具有边界和面积的区域，比如行政区、湖泊、土壤类型、土地利用类型以及植被分布等实体一般用面实体表示。在地理信息系统中，面是指一个任意形状的边界完全闭合的空间区域。其边界将整个空间划分为两部分，包括无穷远点的部分称为外部，另一部分称为内部。面实体具有二维属性，即具有长和宽的信息，通常用来表示自然或人工的封闭多边形，一般分为连续面和不连续面。多边形矢量编码不但表示位置和属性，更为重要的是可以表达区域的拓扑性质(形状、邻域和层次)。由于要表达的信息十分丰富，基本多边形的运算多而复杂，因此多边形矢量编码比点和线的矢量编码要复杂得多，也更为重要。4）简单矢量结构的确定简单矢量结构简单，易于对多边形进行运算与显示，但其缺点如下：(1)多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，在数字化过程中产生的误差导致数据冗余与歧义(边界不重合)。(2)各多边形都自成体系，而缺乏反映各多边形之间拓扑关系的邻接信息，因而不能进行邻域处理，不易对边界检索拓扑错误。(3)多边形与包含的多边形之间没有建立起联系。3.拓扑数据结构矢量数据的简单数据结构没有拓扑关系，主要用于矢量数据的显示、输出、查询及检索等操作。拓扑结构是指确定各地理实体空间关系的数学模型。拓扑数据结果可以描述空间对象之间的相互作用关系，其表示方法大致有如下两种。(1)记录实体件的绝对关系，例如坐标、角度、方位和距离等。比如教学楼在行政楼的正北方100m处，就是采用这种方法来进行描述的。(2)相对关系。一般采用相邻、包含和关联等拓扑关系进行表述，例如黑龙江省行政区包含哈尔滨市辖区。两个空间实体之间的相对关系有3种不同的类型：拓扑空间关系、顺序空间关系和度量空间关系。其中，拓扑空间关系描述空间对象之间相邻、包含和关联等相对空间关系，顺序空间关系描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、南、西或北等，度量空间关系主要描述空间对象之间的距离。在描述实体对象之间关系的时候，通常采用多种类型的关系来描述，例如高家庄在李家庄西北20km处。地图、遥感影像上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须显式地进行定义和表达。空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致，都是基于点集拓扑理论来实现的。1）拓扑元素有点(节点)、线(链、弧段、边)和面(多变形)3种主要的拓扑元素。点一般包括孤立点、线的端点、面的首尾点以及链的连接点等，在描述线线关系、线面关系和面面关系的过程中具有重要的作用。2）拓扑关系关联——不同元素之间的关系，比如节点与链、链与多边形。邻接——相同元素之间的关系，节点与节点、链与链和面与面。包含——面与其他元素之间的关系。层次——相同拓扑元素之间的层次关系。在拓扑结构中，点是相互独立的，点连成线，线构成面。点、线、面要素之间具有多种空间拓扑关系。各种类型要素之间的拓扑关系4.矢量数据结构编码数据编码是指在数据处理过程中，用计算机与人可以识别的符号体系表示数据的过程。在地理信息系统中，地理数据编码是指按一定的数据结构，把地图、遥感影像和属性数据等转换成适合于计算机存储和处理形式的过程。矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点：空间的一个坐标点。线：多个点组成的弧段。面：多个弧段组成的封闭多边形矢量数据结构编码方式有下面两种。1）面条式(spaghetti)结构这种结构只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。它有独立存储和点位字典两种存储方式。独立存储是空间对象位置直接跟随空间对象，点位字典是点坐标独立存储，线、面由点号组成。这种结构的适用范围是制图及一般查询，不适合复杂的空间分析。这种结构的特点如下。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。2）链状双重独立式链状双重独立式数据结构是DIME(DualIndependentMapEncoding，双重独立式地图编码)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。在链状双重独立数据结构中，主要有4个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件和节点文件。5.2.3规则格网空间数据模型的栅格数据结构及其编码1.栅格数据结构栅格数据是按网格单元的行与列排列，具有不同灰度或颜色的阵列数据。栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置。栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置。每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。三角形菱形六边形2.栅格数据的获取途径与原则1)栅格数据的获取途径栅格数据的获取主要有以下几个途径。(1)栅格法：在待输入的图形上均匀划分栅格单元，逐个栅格决定其属性代码，最后形成栅格数字地图文件。这是人工编码，当数据量太大时，该法费工费时，工作量相当大。(2)转换法：用手扶跟踪数字化或自动跟踪数字化得到矢量结构数据，然后再转换为栅格结构。由矢量数据向栅格数据转换是理想的方法。(3)扫描数字化：逐点扫描待输入的专题地图，对扫描数据重新采样与再编码，从而得到栅格数据文件。(4)分类影像输入：将经过分类解译的遥感影像数据直接或重新采样后输入系统，这是高效获取数据的方法。2)栅格像元代码的确定原则当依据一定的要求给定单位网格后，而网格中有多种地物类型(或说属性)时，则根据需要采取如下方案之一决定栅格单元的代码。(1)中心点法：用处于栅格中心的地物类型(属性、量值或属性记录指针)或现象特征决定该栅格单元的代码。对于具有连续分布特征的地理要素，比如降水分布、人口密度等问题，中心法是首选方法。(2)面积占优法：以占矩形面积最大的地物或现象特性的重要性决定栅格单元的代码，此法常见于分类较细，地物类别斑块较小的情况。(3)长度占优法：当覆盖的栅格过中心位置时，横线占据该格中的大部分长度的属性值定为该栅格单元的代码。(4)重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元代码。此法常见于具有特殊意义而面积较小且不在栅格中心的地理要素。尤其是点、线状地理要素，比如城镇、交通枢纽、交通线和河流水系等。3.栅格数据结构编码直接栅格编码是