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第二节地理数据结构及其文件组织学习目标·理解地理空间信息的概念·掌握地理空间信息的描述方法·理解地理数据分类描述的方法·理解和掌握地理空间数据的拓扑关系·掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法·了解栅格与矢量数据之间的转化方法重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。难点：拓扑结构、栅格数据编码一、地理空间信息（一）地理空间信息1．地理空间（GeographicSpace）是指物质、能量、信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。2．地理信息地理信息是一个时空过程，它存在于一定物质、能量载体，并能从一种载体向另一种载体进行转移，从而形成所谓的信息流。按照认知关系可将地理信息载体化分为地理主体和地理对象两种。（二）地理空间信息的描述是建立在地理空间坐标系基础上的地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。平面直角坐标系(X,Y)建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。坐标参考系统—平面系统直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置投影空间对象（实体）的地图表达点：位置：（x，y）属性：符号线：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(55555)属性：符号—形状、颜色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)属性：符号变化等值线空间对象（实体）的遥感影像表达遥感传感器平台传感器空间现象及其描述现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达空间对象（实体）类型空间对象一般按地形维数进行归类划分点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的点实体•有位置，无宽度和长度；•抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置线实体•有长度，但无宽度和高度•用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多•度量实体距离香港城市道路网分布面实体•具有长和宽的目标•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中国土地利用分布图（不连续面）空间对象：面（续）连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。空间对象：体•有长、宽、高的目标•通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑(三）地理数据的分类描述定名（Nominol）量顺序（Ordinal）量间隔（Interval）量比率（Ratio）量定性而非定量地对众多地理事物进行区分和标识。如北京、天津、石家庄等；长江、黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪泽湖和太湖等通过排序来区分和标识地理现象的量称为顺序量。它是按照地理数据的等级序列，由低到高（或由高到低）进一步细分的利用某种标准单位（可以是任意的）作为间隔量来表示不同的量，是一种较精确区分和标识地理现象的测量方法。比率量是间隔量的精确化。它提供的定量值是具有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据二、地理空间数据类型地理数据的基本特征地理数据的来源地理空间数据类型（一）地理数据的基本特征空间特征表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。属性特征表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。时间特征描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。（二）地理数据的来源地图数据地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源遥感数据各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据统计数据、实测数据及各种文字报告各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等三、地理空间数据的类型1.类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。2.面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3.网络数据：道路交叉点、街道和街区等。4.样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。5.曲面数据：高程点、等高线和等值区域。6.文本数据：如地名、河流名和区域名称。7.符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。三、地理信息的空间关系地理空间数据的拓扑关系地理空间信息的方向关系地理空间信息的度量关系（一）地理空间数据的拓扑关系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，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。1、拓扑概述2、地理空间数据的拓扑关系3、地理空间数据拓扑关系应用价值4、地理空间数据拓扑关系的表示1、拓扑概述拓扑的来源“拓扑（Topology）”一词来自希腊文，它的原意是“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。例子：设想一块高质量的橡皮，它的表面是欧几里得平面，这块橡皮可以任意被拉伸、压缩，但是不能够被扭转或折叠。在橡皮的表面上有由结点、弧、环、面组成的可能任意图形。我们对橡皮进行拉伸、压缩，在橡皮进行这些变换的过程中，图形的一些属性消失，一些属性将继续保持存在。设想象皮表面有一个多边形，里面有一个点。当拉伸、压缩橡皮时，点依旧在多边形中，点和多边形的位置关系不会发生变化，但是多边形的面积会发生变化。所以：“点的内置”是拓扑属性，而面积不是拓扑属性，拉伸和压缩就是拓扑变换。为什么要研究地图上的拓扑？拓扑概念：拓扑学是研究图形在保持连续状态下变形时的那些不变的性质，也成为“橡皮板几何学”。在地图上仅用距离和方向参数描述地图上的目标之间的关系总是不圆满的。因为图上两点之间的距离和方向会随着地图投影的不同而发生变化，故仅用距离和方向参数还不能够确切地表示它们之间的空间关系。（如下图）描述目标间关系需要Longitude/Latitude投影Gauss-Krivger投影从上图可以看出，用拓扑关系表示，不论怎么变化，其邻接、关联、包含等关系都不改变。拓扑关系能够从质的方面和整体的概念上反映空间实体的空间结构关系。研究拓扑关系对于地图数据处理和正确显示将是十分重要的。拓扑关系的基本概念地图要素可以抽象为点、线、面来表示，这种归纳正好适合于建立拓扑关系和建立拓扑表示。1.若地图平面上反映一定意义的零维图形的附近没有其它图形与之联系，则称这个零维图形为独立点（Point）。如水井3.地图平面上连接两结点的有一定意义的一维图形称为边（Edge），也叫弧段（Arc）。例如：连个城市之间的道路4.由一些边围成的有一定意义的闭合区域称为面（Area）。2.若在某个有一定意义的零维图形附近还存在另外有意义的零维图形与之联系，则称这个零维图形为结点（Node）。线──节点式拓扑结构的四原则方向性（线必定从起结点开始到终结点结束）连接性（线和线的连接处必定是结点）围合性（面必定是由线围合而成）相邻性（线必定有左多边形、右多边形）起点中间点弧段3弧段2终点弧段1点面线点、线、面之间的拓扑关系点：孤立点、线的节点node、中间点Vertex线：两节点之间的有序弧段面：若干弧段组成的多边形拓扑邻接：元素之间的拓扑关系。拓扑关联：元素之间的拓扑关系。拓扑包含：元素之间的拓扑关系。2、地理空间数据的拓扑关系不同类同类同类不同级N1е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：N1/е1、е3、е6；P1/е1、е5、е6拓扑包含：P3与P4拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（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一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有岛）一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）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点—点点—线点—面住宅学校海岸线码头肺癌病例区域学校和住宅接近吗？码头在海岸线上吗？肺癌病在区内分布空间关系的应用线—点线—线线—面镇乘车线路河流小路这条线路过镇上吗？小路穿过河流吗？河流在区域内吗？1.4.2空间关系的应用地理空间数据及其特征面—点面—线面—面该邮政区包括学校吗？该区域包括铁路吗？区域彼此影响吗？区域重叠吗？空间关系的应用3.地理空间数据拓扑关系应用价值（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离（2）利于空间要素查询（3）重建地理实体，例如利用弧段构建多边形，最佳路径的选择的等ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向链拓扑表链左面右面起点终点1A—ca2ABbc3CAba4—Cda5Bdb6BDee7B—dc多边形拓扑表（面-链关系）多边形链数链A3-1,-2,3B42,-7,5,0,-6C3-3,-5,4D16节点拓扑表（点和链的关系）结点链a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e64、地理空间数据拓扑关系的表示网络的拓扑结构线段号起结点终结点1AD2BF3CD4DE5EF6FG7EJ8FJ9HI10IJ11DI12IK13JL结点号线段号A1B2C3D1,3,4,1,1E4,5,7F2,5,6,8G6H9I9,10,11,12K12L13ABCDEFGHIJKL12345678910111213(二)地理空间信息的方向关系方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹角称为连线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种。同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时，只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体，然后按点状实体来求解方向关系即可。(三)地理空间信息的度量关系度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距离，如A实体距离B实体100m。也可以应用与距离概念相关的术语，如远近等进行定性的描述。四、地理信息空间数据结构空间数据结构矢量数据结构栅格数据结构栅格结构与矢量结构的比较（一）常用的空间数据结构XYijx1y1x2y2xiyixnyn隐式表示隐式表示：由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示椅子形式的矢量，线之间的指示字，告诉计算机怎样把这些矢量连接在一起形成椅子，隐式表示的数据为：椅子的属性——一系列矢量——连接关系显式描述显式表示：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一物体而不是其它物体。注：“c”不一定用c的形式，而可以用颜色、符号、数字、灰度值来显示。则得到椅子的简单数据结构为：椅子的属性——符号／颜色——像元x矢量数据结构矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。特点：定位明显，属性隐含。获取方法：(1)手工数字化法；(2)手扶跟踪数字化法；(3)数据结构转换法。栅格数据结构栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。特点：属性明显，定位隐含。获取方法：(1)手工网格法；(2)扫描数字化法；(3)分类影像输入法；(4)数据结构转换法。8888888888888888888888888888888888888888888881111111111111122222222222322遥感数据手工方式：