空间数据结构

地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象1、定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具有概括性，复杂性，相对意义的概念。2、理解：地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，兰州就是一个点，这个点不能再分割，可以把兰州定为一个空间实体，而在大比例尺的兰州市地图上，兰州的许多房屋，街道都要表达出来，所以兰州必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。地理信息系统原理GIS二、地理实体的描述——空间数据§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构1、描述的内容反映了实体的三个特征3、数据类型4、数据结构以什么形式存储和处理几何数据（空间数据、图形数据）关系数据—实体间的邻接、关联包含等相互关系属性数据—各种属性特征和时间元数据矢量、栅格、TIN（专用于地表或特殊造型）RDBMS属性表----采用MIS较成熟同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述空间元数据位置、形状、尺寸、识别码（名称）实体的角色、功能、行为、实体的衍生信息时间测量方法、编码方法、空间参考系等空间特征：地理位置和空间关系属性特征—名称、等级、类别等时间特征2、基本特征地理信息系统原理GIS2、空间数据基本特征返回地理信息系统原理GIS3、空间数据类型1）依据数据来源的不同分为：地图数据地形数据属性数据元数据影象数据2）依据表示对象的不同分为：地理信息系统原理GIS3、空间数据类型（续）返回地理信息系统原理GIS三、实体的空间特征§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构（一）空间维数：有0，1，2，3维之分，点、线、面、体。（二）空间特征类型（三）实体类型组合1、点状实体2、线状实体3、面状实体4、体状实体地理信息系统原理GIS1、点状实体§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构点：有特定位置，维数为0的物体。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。返回地理信息系统原理GIS2、线状实体1）实体长度：从起点到终点的总长2）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游—下游，公路，单、双向之分。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性：线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。返回地理信息系统原理GIS3、面状实体（多边形）§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构面状实体的如下特征：1）面积范围2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。返回地理信息系统原理GIS4、体、立体状实体§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征：·体积，如工程开控和填充的土方量。·每个二维平面的面积。·周长。·内岛。·含有弧立块或相邻块。·断面图与剖面图。返回地理信息系统原理GIS（三）实体类型组合§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：如：线—面面--面可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。地理信息系统原理GIS线—面§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。2、线通过区域：公路是否通过某县。3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。4、线与区域分离：距离。地理信息系统原理GIS面—面§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构1、包含：岛,某省的湖泊分布。2、相合：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。3、相交：划分子区。4、相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。分离：计算距离。学校菜场返回地理信息系统原理GIS四、实体间空间关系§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构（一）空间关系类型（二）拓扑关系1、拓扑空间关系：2、顺序空间关系：（方向空间关系）用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。3、度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关，复杂,引入第二种。b、沿地球旋转椭球体的距离量算。2）距离类别：欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。北ab地理信息系统原理GIS（二）拓扑关系§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构1、定义：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。拓扑变换（橡皮变换）非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发生变化的属性）两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、面积等一个点在一条弧段的端点一条弧是一简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面一个面的连通性面内任两点从一点可在面的内部走向另一点1、定义2、种类3、拓扑关系的表达4、意义地理信息系统原理GIS2、种类§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构1）关联性：（不同类要素之间）结点与弧段：如V9与L5,L6,L3多边形与弧段：P2与L3,L5,L22）邻接性：(同类元素之间)多边形之间、结点之间。邻接矩阵重叠：--邻接：1不邻接：0P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--地理信息系统原理GIS3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构连通矩阵：重叠：--连通：1不连通：0V1V2V3…V1--10V21--1V301--地理信息系统原理GIS4）方向性§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。5）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。6）层次关系：相同元素之间的等级关系，兰州市由各个区组成。主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。地理信息系统原理GIS拓扑关系具体可由4个关系表来表示：（1）面--链关系：面构成面的弧段（2）链--结点关系：链链两端的结点（3）结点--链关系：结点通过该结点的链\（4）链—面关系：链左面右面3、拓扑关系的表达对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县，--面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。3）根据拓扑关系可重建地理实体。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构4、拓扑关系的意义：地理信息系统原理GIS§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构一、图形表示地理信息系统原理GIS二、矢量数据的获取方式§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构1)由外业测量获得可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。2)由栅格数据转换获得利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3)跟踪数字化用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。地理信息系统原理GIS三、矢量数据组织§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构点：坐标对（x,y）+识别符线：坐标对系列(x1,y1)..(xn,yn)及有关属性、其它属性面：首尾相同的坐标串关系表几何位置坐标文件连接矢量数据表示时应考虑以下问题：·矢量数据自身的存贮和处理。·与属性数据的联系。·矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。地理信息系统原理GIS以点为例：§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构坐标识别符若是简单点要素如独立树、电线竿、三角点，符号、有关属性中包括比例尺、方向若是注记点，记录有关字符的大小、方向、字体、排列等若是结点Vertex：符号：指针、与线相交的角度。其它属性:三角点设立年代、材料等线（符号、方向）、面（符号）都有相应的相关属性，在此，看看矢量结构中关于几何位置坐标的编码方式地理信息系统原理GIS四、矢量数据编码方式（spaghetti）--面条模型:以实体为单位记录其坐标§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构缺点：1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形—数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。（一）实体式优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。多边形坐标串P1…P2…123456789101112131415PPP地理信息系统原理GIS（二）索引式（树状）§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。123456789101112131415PPPMap1、点文件：点号坐标1x1,y1索引文件：面号弧段号P1A,B,C3、面文件：2、弧段文件:弧段号起点终点点号A527,8,9,10与实体式相比：优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。地理信息系统原理GIS（三）双重独立式编码简称DIME(DualIndependentMapEncoding)，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构1、点文件点号坐标1x1,y12、线文件:线文件是以线段为记录单位线号左多边形右多边形起点终点L210P1P2210123456789101112131415PPP3、面文件面号线号P1L210,L109…关联邻接关联连通拓扑关系明确在DIME中做如下改进：将以线段为记录单位改为以弧段为单位链状双重独立式编码地理信息系统原理GIS（四）链状双重独立式编码--拓扑数据结构§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构1、弧段坐标文件：弧段号坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y10…2、弧段文件：链—面，链—结点关系弧段号左多边形右多边形起点终点AP1P225123456789101112131415PPP3、面文件面号弧段号P1A,B,-C4、点拓扑文件：结点—链关系点号弧段号2A,B,D在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，