GIS的空间数据结构

1第1节地理实体及其表达第2节矢量数据结构第3节栅格数据结构第4节矢量与栅格数据结构的比较第二章GIS的空间数据结构教学要求教学重点教学活动作业2第二章GIS的空间数据结构GIS空间数据分为以下几种类型:1、按数据来源分类（1）地图数据;（2）影像数据;（3）地形数据;（4）属性数据;（5）元数据：数据的数据；2、按数据所表达的地理实体几何形状分类（1）点数据；（2）线数据；（3）面数据3第1节地理实体及其表达第2节矢量数据结构第3节栅格数据结构第4节矢量与栅格数据结构的比较第5节矢-栅一体化数据结构和三维数据结构第二章GIS的空间数据结构4一、地理实体1.地理实体与地理目标地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。地理目标：实体在地理数据库中的表示2.地理实体特征（空间特征、属性特征、时间特征）3.地理实体的类型（点、线、面、体）4.地理目标的类型（0、1、2、3维）二、地理实体的描述A.地理实体的描述内容（编码（分类码、识别码）,位置,类型行为,属性,说明,时间维描述,关系)B.地理实体数据类型(属性数据,几何数据,关系数据)C.地理实体的描述——空间数据结构第1节地理实体及其表达5一、空间数据结构的概念:二、矢量数据结构(一)矢量数据结构:(二)矢量数据获取方式(三)矢量数据表达需要考虑的内容(四)矢量数据表达1简单数据结构2拓扑数据结构索引式数据结构双重独立式数据结构链状双重独立式数据结构第2节空间数据结构6第1节地理实体及其表达一、地理实体1.地理实体与地理目标地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。如城市是实体，其各组成部分则不能称为城市，而称为区、街道等实体是自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，是一个具有概括性和相对意义的概念。实体是现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。GIS地理数据库是地理实体的集合，是一种与现实世界保持一定相似性的实体模型地理目标：实体在地理数据库中的表示。地理目标是一个概括、复杂、相对、抽象的概念，其具体类别和内容的确定是从具体需要出发的，并随表示方法的比例尺、目的等情况而变化。7第1节地理实体及其表达一、地理实体2.地理实体特征时间特征空间特征属性特征属性特征——用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等空间特征——用以描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑特征，如中国与印度之间边界界桩的经纬度，中国与印度之间的邻接关系时间特征——用以描述事物或现象随时间的变化，如学生人数的逐年变化。8第1节地理实体及其表达二、地理实体的描述B.地理实体数据类型——根据地理实体的特征，把地理实体数据分为三类属性数据——描述空间对象的属性特征的数据，也称非几何数据。即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等描述时间特征的数据也可以归为这一类。几何数据——描述空间对象的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。即说明“在哪里”，一般用经纬度或X、Y坐标来表示。关系数据——描述空间对象之间的空间关系的数据，一般通过拓扑关系表达。如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法9第2节空间数据结构一、空间数据结构的概念空间数据结构——是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构,也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理.空间数据结构分为基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构两种基本类型22123233233323332333212310二、矢量数据结构(一)矢量数据结构—通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构。矢量结构的特点：属性隐含，定位明显A.点实体：记录点坐标和属性代码；B.线实体：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码；C.面实体：记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。第2节空间数据结构特性数据位置点10x,y线23x1,y1x2,y2…xn,yn串面63x1,y1x2,y2…xn,yn闭合环64x1,y1x2,y2…xn,yn闭合环1063642310636423用笛卡尔坐标表示的地图11二、矢量数据结构(二)矢量数据获取方式通过外业测量获得，利用测量仪器（全站仪、GPS、常规测量等）记录测量结果，然后转到地理数据库中跟踪数字化，用跟踪数字化的方式把地图变成离散的矢量数据间接获取栅格数据转换空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）第2节空间数据结构12二、矢量数据结构(三)矢量数据表达需要考虑的内容矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）第2节空间数据结构13(四)矢量数据表达——拓扑数据结构拓扑概念：•拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。•拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性—拓扑属性拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法14(四)矢量数据表达——拓扑数据结构拓扑关系拓扑关系：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。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建立拓扑关系是对一种空间结构关系进行明确定义的数学方法。具有某些拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构，拓扑数据结构是GIS的分析和应用功能所必需的。拓扑数据结构的表示方式没有固定的格式，也还没有形成标准，但基本原理是相同的。15矢量数据表达——拓扑数据结构拓扑关系拓扑元素①拓扑线段（arc）②结点(node）③多边形（poly）该线段中间不与其它线段存在联系拓扑线段的两个端点，分别为首结点、尾结点由数条拓扑线段连接而成16拓扑关系最基本拓扑关系拓扑关联：指存在于空间图形中的不同拓扑元素之间的关系结点与弧段：如结b与弧3,2,5多边形与弧段：面C与弧4,5,3拓扑邻接：指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的关系。多边形之间,结点之间邻接矩阵,1——邻结；0——不邻结其它拓扑关系拓扑包含：指存在于空间图形中的面与其它元素之间的关系,如面状实体包含哪些点、线状实体层次关系：指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的等级关系，如连云港市各个区拓扑连通：拓扑元素之间的通达关系，如点连通度，面连通度bec41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向ABCDA--110B1--11C11--0D100--矢量数据表达——拓扑数据结构17b矢量数据表达——拓扑数据结构1、拓扑邻接：拓扑邻接是指空间图形的同类元素之间的拓扑关系。a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5多边形之间的邻接关系P1/P2，P2/P3，•••，弧段之间的邻接关系a1/a2，a2/a3，•••性以及结点之间的邻接关系N1/N2，N2/N3，•••。18b矢量数据表达——拓扑数据结构2拓扑关联：拓扑关联是指空间图形的不同元素之间的拓扑关系。a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5结点与弧段的关联关系N1/a1,a5,a3；N2/a1,a6,a2；•••；多边形与弧段的关联关系P1/a1,a6,a5；P2/a4,a6,a2，•••。19b矢量数据表达——拓扑数据结构3、拓扑包含：拓扑包含是指空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。（a）简单包含（b)多层包含（c)等价包含图(a)中多边形P1中包含多边形P2，图（b）中多边形P3包含在多边形P2中，而多边形P2，P3又都包含在多边形P1中。图（c）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.20拓扑关系拓扑关系的表达-关系表矢量数据表达——拓扑数据结构结点编码：①②③④⑤⑥多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5)线段编码：123456789①②③④⑤⑥(2)(3)(5)(4)12456789321拓扑关系拓扑关系的表达-关系表如果将空间图形的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形成四个关系表达：结点-弧拓扑弧-结点拓弧-面拓扑面-弧拓扑矢量数据表达——拓扑数据结构22拓扑关系拓扑关系的表达——关系表eb表中数字前负号为相反方向dc41325ABC76Daa:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向弧-面拓扑弧段左面右面1AO2AB3CA4OC5CD6BD7BO结点-弧拓扑结点弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6面-弧拓扑面号弧数弧号A3-1,-2,3B42,-7,5,-6C3-3,-5,4D16矢量数据表达——拓扑数据结构弧-结点拓扑弧段起点终点1ca2bc3ba4da5dB6ee7dc23拓扑关系拓扑关系的意义空间数据的拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析具有重要意义A.拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系不需要利用坐标或距离就可以确定一个地理实体相对于另一个地理实体的空间位置关系;并且这种拓扑数据较之几何数据具有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化B.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C.根据拓扑关系可重建地理实体。矢量数据表达——拓扑数据结构24第1节地理实体及其表达第2节矢量数据结构第3节栅格数据结构第4节矢量与栅格数据结构的比较第5节矢-栅一体化数据结构和三维数据结构第二章GIS的空间数据结构上节内容回顾25一、空间数据结构的概念:(是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构,也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理)二、矢量数据结构(一)矢量数据结构(通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构)(二)矢量数据获取方式:1外业测量,2跟踪数字化，3间接获取(栅格数据转换,空间分析)(三)矢量数据表达需要考虑的内容1矢量数据自身的存储和管理,2几何数据和属性数据的联系,3空间对象的空间关系（拓扑关系）)第2节空间数据结构26三、栅格数据结构(Raster)(一)栅格数据结构1概念：是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值。也即:栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元的行列号确定位置，用每个像元的值表示实体的类型、等级等属性第2节空间数据结构27三、栅格数据结构(Raster)(一)栅格数据结构A.点实体：由单个像元来表达B.线实体：由在一定方向上连接成串的相邻像元的集合来表达。C.面实体：由聚集在一起的相邻像元的集合来表达第2节空间数据结构22123233233323332333212328•栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形。•栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。•栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。•由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，则造成较大的误差。•由于栅格单元中存在多种地物，而数据中常常只记录一个属性值，这会导致属性误差。比如，遥感数据中的“混合像元”问题。2栅格数据的形状、尺寸及相关问题第2节空间数据结构三、栅格数据结构(Raster)29三、栅格数据结构(二)栅格数据获取的途径1、手工获取2、扫描仪扫描3、由矢量数据转换而来4、遥感影像数据5、格网DEM数据(三)栅格系统的确定栅格坐标系统的确定由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质。但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。第