GIS地理信息系统空间数据结构

第三章空间数据结构§3-1空间实体及其描述§3-2矢量数据结构§3-3栅格数据结构§3-1空间实体及其描述一、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，它是一个具体有概括性，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，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，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。二、地理实体的描述——空间数据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3、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：3、空间数据类型（续）三、实体的空间特征（一）空间维数：有0，1，2，3维之分，点、线、面、体。（二）空间特征类型在地图上实体维数的表示可以改变点---面线（单线河）---面（双线河），通过地图综合。1、点状实体2、线状实体3、面状实体4、体状实体1、点状实体点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。4）角点、节点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。2、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。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。3、面状实体（多边形）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。4、体、立体状实体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。三、实体间空间关系（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、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（二）拓扑关系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2、种类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--3）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。连通矩阵：重叠：--连通：1不连通：0V1V2V3…V1--10V21--1V301--4）方向性一条弧段的起点、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）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义。7）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。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4、拓扑关系的意义：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。四、空间实体的表达——空间数据模型在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象（要素）（Feature）的模型、场（Field）模型以及网络（Network）模型。基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象，可以详细地描述离散对象。场模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。要素（对象）模型基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对象（Object），假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。一个实体必须符合三个条件：可被识别；重要（与问题相关）；可被描述（有特征）。场模型（把空间现象作为连续变量看待）对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说，基于场的观点是合适的。根据应用的不同，场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；而一个三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。一些现象，诸如空气污染物在空间中本质上讲是三维的，但是许多情况下可以由一个二维场来表示。场模型可以表示为如下的数学公式：z:sz(s)上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个值域的映射。空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较对象模型和场模型的比较现实世界选择实体它在哪里数据选择一个位置那里怎么样对象模型场模型两种模型相互之间并不排斥，各有特点，各有应用长处。通常需要有机地综合应用这两种方法来建模。§3-2矢量数据结构一、图形表示摘自张超二、矢量数据的获取方式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。三、矢量数据组织点：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)。矢量数据在计算机中的组织标识码属性码空间对象编码;唯一;连接空间和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1),(x2,y2),…,(x1,y1)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号XY1112223344………n5566存储方法以点为例：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四、矢量数据编码方法矢量数据编码方式主要有以下几种：1、实体式编码2、索引式(树状)编码3、双重独立式编码4、链状双重独立式编码—拓扑数据结构实体式编码●实体式(spaghetti)——面条模型:以实体为单位记录其坐标优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。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。多边形坐标串P1……P2……P3……简单的矢量数据结构－实体式12345678910111213141516171819202122232425262728293031多边形数据项A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)B(x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),(x16,y16),(x15,y15),(x14,y14),(x13,y13),(x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30),(x31,y31),(x24,y24)D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19)E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)2索引式编码▶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。1、点文件：▶索引文件：3、面文件：2、弧段文件:▶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。点号坐标1x1,y1弧段号起点终点点号A527,8,9,10面号弧段号P1A,B,CMap索引式编码实例12345678910111213141516171819202122232425262728293031点与线之间的树状索引线与多边形之间的树状索引BCDEabcfghefibcij3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。1、点文件点号坐标1