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如何把有关的空间数据组织到计算机系统中?客观的地理系统包括自然环境系统和社会经济环境系统1）确定专题领域实际模型；2）建立表达实际模型的概念模型；3）建立为实现概念模型的数据结构；4）确定数据文件在数据库中的组织方式。空间实际模型:指在研究区（项目所相关的空间区域）内与某领域有关的实际存在的物质世界，它包含所有能够被人们直接和不能直接观察到的各种有关信息。空间数据模型:对有关真实世界的一种抽象表达，可称为概念模型。空间数据结构：把概念模型转变为计算机系统所能接受的数据结构和逻辑关系。空间信息特点：1.空间性空间位置：坐标数据不同坐标之间可以转换空间位置关系：拓扑关系2.属性：属非空间数据3.时间性：空间特征、属性特征独立地随时间变化空间实体的属性信息分类：二元型：有、无；是、否。等级型：地位级、火险等级。数量型：面积、长度、重量等。非数量型：坡向、坡位、植被类型等。空间实体的度量信息：定位信息：点、线、面等用坐标对、坐标串、闭合坐标串描述。1、拓扑关系概念：拓扑关系是明确定义空间关系的一种数学方法。在GIS中，用来描述并确定空间的点线面之间的关系及属性，并可实现相关的查询和检索。2、拓扑关系特点：1）独立于坐标系统的几何关系；2）不随几何实体平移旋转缩放而变化拓扑关系反映了空间实体间的逻辑关系，不需要坐标、距离信息，不受比例尺限制，也不随投影关系变化。理解拓扑变换和拓扑属性时，我们可以设想一块高质量的橡皮，它的表面是欧几里德平面，可被任意拉伸压缩，但不能扭转折叠。表面上有由结点、弧、环和区域组成的图形。若对该橡皮进行任意拉伸、压缩，但不扭转和折叠，则在橡皮形状的这些变换中，图形的一些属性将得到保留，有些属性将消失。拓扑属性：一个点在一个弧段的端点；一个弧段是一个简单的弧段；一个点在一个区域的边界上；一个点在一个区域的内部；一个点在一个区域的外部；一个面是一个简单的面（无岛）；一个面的连通性。非拓扑属性：两点之间的距离；一个点指向另一个点的方向；弧段的长度；一个区域的周长；一个区域的面积。3、空间对象的拓扑空间关系拓扑元素点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段面：若干弧段组成的多边形基本拓扑关系：关联：不同拓扑元素之间的关系邻接：相同拓扑元素之间的关系包含：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欧拉公式：欧拉公式在GIS中有着重要的意义，主要用来检查空间拓扑关系的正确性，能发现点、线、面不匹配的情况和多余、遗漏的图形元素；Npl=NA+1-ND拓扑关系的关联表达是指采用什么样的拓扑关联表来表达空间位置数据之间的关系。1）全显式表达2）半隐式表达1）全显式表达既明确表示空间数据多边形、弧段、结点之间的拓朴关系，同时还明确表达结点、弧段、多边形之间的拓扑关系。4个表格；2）半隐式只有一个表格即可，其他的可由此表推出。确定空间数据模型的基本原则：1、把所基本空间信息储存于计算机介质中2、便于对数据库信息的复原、查询、分析和处理等的高效与可能性一、.规则格网式空间数据模型（栅格数据模型)：空间单元人为划定成大小相等的正方形网格，有着统一的定位参照系。每个空间单元只记录其属性值，而不记录它的坐标值。（一）栅格数据模型特点:1.用离散的量化栅格值表示空间实体2.描述区域位置明确，属性明显3.数据结构简单，易与遥感结合4.难以建立地物间拓扑关系5.图形质量低，数据量大每个栅格元素只能取一个值，实际上一个栅格可能对应于实体中几种不同属性值，存在栅格数据取值问题，解决方法：1、面积占优法：栅格中占最大面积的属性值为栅格的属性值2、长度占优法：将网格中心画一横线，用横线所占最长部分属性值作为栅格属性值。3、中心点法：将栅格中心点的属性值作为栅格属性值。4、重要性法：某些主要属性，只要在栅格中出现就把该属性作为栅格属性值。（三）栅格数据的获取1、目读法：适用于所选区域范围小，栅格单元尺寸大的情况。2、从扫描仪获取：高精度，快速度，数据格式标准化。3、从摄像机获取：栅格元素数固定512×5121024×10244、从遥感中获取：周期性，动态性，可自动提取专题信息。5、从矢量数据转换成栅格数据二、面向实体的空间数据模型（矢量数据模型）把连续的空间按实体集中，每个实体分割成空间单元，记录描述它们位置的坐标数据。必须有一个参照坐标系和划分地理实体的分类系统，坐标系决定矢量数据模型的精度。（一）矢量数据模型的特点1、用离散的点或线描述地理现象及特征2、用拓扑关系描述矢量数据之间关系3、面向目标的操作4、数据结构复杂且难以同遥感数据结合5、难于处理位置关系（二）矢量数据的获取外业测量获取（如GPS）；用跟踪数字化方法获取数据；从栅格数据转换成矢量数据空间数据结构：空间数据结构：把概念模型转变为计算机系统所能接受的数据结构和逻辑关系。（一）二维矩阵数据结构l在数据无压缩的情况下，栅格数据按直接编码顺序进行存储。所谓直接编码，是将栅格数据看成一个数字矩阵，数据存储按矩阵编码方式存储，即把规则格网平面作为一个二维矩阵进行数学表达，每个栅格是具有行、列位置的矩阵元素，该空间实体属性编码值赋予矩阵元素。基本要素包括：行，列，属性值（N，M，Xij）其中行、列值隐性，属性值显性。优点：1、易于实现用循环语句编程，实现快速运算2、易于实现空间属性的分解与分类，易于实现空间分析中叠加等操作缺点：数据存储量大（二）费尔曼链码（边界编码）曲线或边界中有一点（i,j）其相邻栅格在8个邻域方向上。优缺点：数据压缩率强，便于计算长度，面积，便于表示图形凹凸部分，易于储存。但难于实现叠置运算，不便于合并插入操作。适于对曲线和边界进行编码。（三）游程（行程）编码适于对块状地物的栅格数据进行压缩编码。游程：以行为单位，将栅格数据矩阵中属性相同的连续栅格视为一游程。分为游程终止编码和游程长度编码编码方式：(gk，lk)gk—栅格属性值lk—游程终止列号或长度K=1,2,3,4…..m(mn)游程编码优点：数据压缩率高，易于实现叠置，检索运算。缺点：只考虑水平分解元素之间相关性而未考虑垂直分解元素之间相关性，又称一维游程编码。（四）块状编码以正方形区域为单元对块状地物的栅格数据进行编码，实质是把栅格阵列中同一属性方形区域各元素映射成一个元素系列。编码方式：（行号，列号，半径，代码）块码特点：1、面状地物所能包含的正方形越大，多边形边界越简单，块码编码效率超高；2、图形比较碎，多边形边界复杂的图形，数据压缩率低；3、利于计算面积、合并插入等操作。（五）四叉树编码（QuadtreeCode）1、常规四叉树基本思想把一幅图像或一幅栅格地图等分成4部分，逐块检查其栅格值，若每个子区都含有相同值，则该子区不再往下分割，否则将该区域再分割4个子区域，如此递归分割直到每个子块都含有相同的灰度或属性为止。不能再分的块构成为树的叶结点，有值的叶结点为黑结点，没有值的结点为白结点。N为树的高度（深度），对一幅2^N×2^N的栅格阵列，最大深度为N，可能有的层次为0，1，2，…，N，那么，每层的栅格宽度为：2^（最大深度-当前层次）2.线性四叉树以四叉树的方式组织数据，但不以四叉树方式存储数据。通过编码四叉树的叶结点表示数据的层次和空间关系。叶结点具有一个反映位置的关键字，亦称位置码。实质是把原来大小相等等栅格集合转换成大小不等的正方形集合，对不同尺寸和位置的正方形集合赋予一个位置码。3)基于十进制的线性四叉树编码将二进制的行列号按位交错排列，可得到四叉树叶结点的二进制地址码，进而将二进制码转成十进制码，得到四叉树编码。表a经自下而上归并得表b。依次检查表a中四个相邻叶结点的属性代码是否相同。若相同则归并成一个父结点，记下地址及代码。否则不予归并。然后再归并更高一层父结点，如此循环，直到不能归并为止。特点：比四进制节省储存空间，且前后两个MD码之间差代表了叶结点的大小，还可进一步利用游程编码对数据进行压缩。优点：具有可变分辨率，能精确表示图形的细节部分，编码效率高；具有区域性质，适合于图形图像的分析运算；便于岛的分析。四进制线性四叉树编码的特点：优点是便于实现行列值及其编码之间的转换；缺点是存储开销大，且一般软件都不支持四进制。二、矢量数据结构面实体地图的描述和定义：（1）从图论空间来看，一个地图G=（a,p）被看成是由顶点集（p）被边集(a)所连接的网，可称为多边形网；（2）每个面实体（称为多边形）是由一组点子集或线子集所定义；（3）每个多边形是在一定的约束条件下某些线实体所构成的回路；（4）线与线实体呈链接关系而无交叉关系；（5）面实体之间有邻接和叠合包含关系；（6）叠合包含关系可分半岛式及岛屿式；（7）邻接多边形之间至少必有一个公共边（弧）；（8）一条弧是由若干个点所组成，首、尾端点称为首结点和尾结点；（9）在一般情况下，一个结点至少连接三个以上的弧；（10）岛屿多边形与半岛多边形首尾结点重合，它们本身只有一条弧，但连接半岛多边形的结点除了引出半岛多边形的弧之外，还至少引出另外两条以上的弧；（11）一幅地图上的多边形类型除了一般多边形、岛屿多边形、半岛多边形之外，还必有一个图幅边界多边形；12）在由一般多边形和边界多边形构成的地图情况下（假设没有岛屿多边形及半岛多边形）在该幅地图上多边形、结点与弧的关系可由下式所定义：Npl=NA+2-ND其中，Npl——多边形的个数;NA——弧数;ND——结点数一）面实体的非拓扑结构简单表达方法及相应的数据结构1.面实体简单的矢量表达方法逐一对每个多边形进行表达，把每个多边形表达成一组边（弧）上的X与Y坐标。优点：数据结构最简单，一个多边形是一个闭合的曲线，不被分解成弧段，也用不着考虑岛屿和半岛多边形的问题缺点：1）相邻两多边形之间的界线数字化和储存两次，公共边界两次数字化的数据不可能完全相同，会出现一些空隙2）该方法不能产生邻域信息，拓扑信息，空间分析和查询困难。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。2.带有索引的多边形矢量表达方法一幅面实体地图可以分解成若干个多边形，一个多边形可以按边界相交的结点分解成若干弧段。一个弧段是一组X、Y坐标定义的线段，邻接多边形的公共边界线只被数字化和储存一次。同时，单独记录地图、多边形、边（弧）之间关系的信息。可以构造一种数据结构，把各条弧的坐标及地图要素之间的关系分开储存。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。索引式面实体的典型应用：在ArcView中，每个图形文件包括三个数据文件：1、.shp文件：存储各地图要素的坐标数据和几何数据；2、.shx文件：存储地图要素间的隶属关系；3、.dbf文件：存储地图要素的属性数据。优点：1）消除多边形数据的冗余和不一致2）邻接信息、岛信息可通过查找公共弧段号的方式查询。缺点：1）表达拓扑关系较繁琐2）给相邻运算、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难3）以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。（二）基于面向空间实体数据模型的拓扑向量数据结构1.表达拓扑向量数据结构的策略：（1）以弧为基本单元进行数字化，记录坐标值，形成坐标数据；（2）由坐标数据提取弧和结点数据；（3）由结点、弧及坐标数据产生表达面实体拓扑关系的数据。地理信息系统面状要素拓扑关系数据文件：.cor：坐标数据文件.idx：弧索引文件.alt：结点文件.pat：多边形文件.lrp：弧的左右多边形文件.bnd：图幅边界点数据文件.lab：标注文件.dbf：属性文件两种数据结构的比较矢量数据：1.优点：•表示地理数据的精度较高•数据结构严谨，数据量小•完整的描述空间拓扑关系图形输出精确美观•图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现•面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息2.2.缺点：•数据结构复杂•矢量叠置较为复杂•数学模拟比较困难•技术复杂，对软硬件要求高栅格数据：1.优点：•数据结构简单•空间数据的叠置和组合方便•各类空间分