《地理信息系统原理》第四章 空间数据表达.ppt

第四章 空间数据表达4.1空间对象及其定义现实世界抽象、综合空间对象 （空间实体、空间目标）1.0维空间对象：点状地物；结（节）点2.一维空间对象：拓扑弧段；无拓扑弧段；线状地物3.二维空间对象：无拓扑面片；有拓扑面片；面状地 物；象元4.三维空间对象：体状地物；体元地理要素之间的空间位置关系地理要素之间的空间位置关系 1）点——点关系相合；分离；一点为其它诸点的几 何中心；一点为其它诸点的地 理重心4.2 4.2 空间对象关系空间对象关系2）点——线关系 点上：可以计算点 的性质，如拐点等； 线的端点：起点和终点 ； 线的交点； 点与线分离：可计算点 到线的距离地理要素之间的空间区位关系地理要素之间的空间区位关系 3）点——面关系点在区域内，可以记数 和统计；点为区域的几何中心；点为区域的地理重心；点在区域的边界上；点在区域外部4）线——线关系 重合； 相接：首尾环接或顺序 相接； 相交： 平行地理要素之间的空间区位关系地理要素之间的空间区位关系 5）线——面关系区域包含线：可计算区 域内线的密度；线穿过区域：线环绕区域：对于区域 边界，可以搜索其左右 区域名称；线与区域分离。

6）面——面关系 包含：如岛的情形； 相交：可以划分子区， 并计算逻辑与、或、非 和异或； 相邻：计算相邻边界的 性质和长度； 分离：计算距离、引力 等 4.3空间数据的计算机表示v现实世界v模型 Ø 实物模型 Ø 符号模型 Ø 数学模型v数据建模 Ø 数据组织方式（如：数据分层，属性组 织） Ø 选择数据结构（矢量/栅格） Ø 数据结构编码（数据结构的实现）数据结构：Ø矢量结构Ø栅格结构4.4空间数据结构的类型v矢量结构 Ø 用点、线、面表现地理实体，其空间 位置由所在的坐标参考系中的坐标定义三类地物：点面线栅格结构 Ø 空间被规则地划分为栅格（通常为正 方形）；地理实体的位置用它们占据的栅 格行、列号来定义；栅格的值代表该位置 的属性值；栅格的大小代表空间分解能力 4.5空间数据结构的建立v数据结构在GIS中对于数据采集、存储、 查询、检索、应用分析等操作方式有着重 要的影响v空间数据编码是空间数据结构的实现v高效的数据结构，应具备如下几个方面 的要求(P54):4.6空间对象的矢量表达v矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、 线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一 种数据组织方式；v通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线 、多边形等地理实体； Ø点：只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代 码 ； Ø线段：用一系列有序的、足够短的直线、顺序 相接表示，为一个有序的坐标对序列。

Ø多边形：由一系列多而短的直线段组成的、首 尾相连的坐标对 v矢量表示法0定义： q矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表 达空间对象的位置 q点：空间的一个坐标点； q线：多个点组成的弧段； q面：多个弧段组成的封闭多边形；0获取方法 q定位设备（全站仪、GPS、常规测量等） q地图数字化 q间接获取 l栅格数据转换 l空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数 据）0矢量数据表达考虑内容 q矢量数据自身的存储和管理 q几何数据和属性数据的联系 q空间对象的空间关系（拓扑关系）0矢量数据表达 q简单数据结构 q拓扑数据结构 q属性数据组织点 实 体线 实 体面 实 体多边形矢量编码， 不但要表示位置和 属性，更重要的是 能表达区域的拓扑 特征，如形状、邻 域和层次结构等， 以便使这些基本的 空间单元可以作为 专题图的资料进行 显示和操作 § 矢量数据结构分为简单数据结 构（也称面条数据结构）、拓扑 数据结构和曲面数据结构；§ 拓扑数据结构最重要的技术特 征和贡献是具有拓扑编辑功能， 包括多边形连接编辑和结点连接 编辑一）实体数据结构0只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。

又称简单数据 结构或面条（Spaghetti）结构0存储： l独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； l点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成0特征 l数据按点、线、面为单元进行组织，数据结构直观简单； l公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性 ； l无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询； l岛或洞只作为一个简单图形，没有与外界多边形的联系； l多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；0适用范围： l制图及一般查询，不适合复杂的空间分析0实例： lArcView的Shape文件 lMapInfo的Tab文件NEXT简单的矢量数据结构—面条结构（ Spaghetti）多边形多边形数据项数据项A A(x(x1 1,y ,y1 1),(x),(x2 2,y ,y2 2),(x),(x3 3,y ,y3 3),(x),(x4 4,y ,y4 4),(x),(x5 5,y ,y5 5),(x),(x6 6,y ,y6 6),(x),(x7 7,y ,y7 7),(x),(x8 8,y ,y8 8),(x),(x9 9,y ,y9 9),(x),(x1 1,y ,y1 1) )B B(x(x1 1,y ,y1 1), ), (x(x9 9,y ,y9 9), ), (x(x8 8,y ,y8 8), ), (x(x1717,y ,y1717), ), (x(x1616,y ,y1616), ), (x(x1515,y ,y1515),(x),(x1414,y ,y1414) ) ,(x,(x1313,y ,y1313), ), (x(x1212,y ,y1212), ), (x(x1111,y ,y1111),(x),(x1010,y ,y1010),(x),(x1 1,y ,y1 1) )C C(x(x2424,y ,y2424),(x),(x2525,y ,y2525),(x),(x2626,y ,y2626),(x),(x2727,y ,y2727),(x),(x2828,y ,y2828),(),(x x2929,y ,y2929),(x),(x3030,y ,y3030) ,(x) ,(x3131,y ,y3131), (x), (x2424,y ,y2424) )D D(x(x1919,y ,y1919),(x),(x2020,y ,y2020),(x),(x2121,y ,y2121),(x),(x2222,y ,y2222),(x),(x2323,y ,y2323),(),(x x1515,y ,y1515),(x),(x1616,y ,y1616) ,(x) ,(x1919,y ,y1919) )E E(x(x5 5,y ,y5 5),(x),(x1818,y ,y1818),(x),(x1919,y ,y1919),(x),(x1616,y ,y1616),(x),(x1717,y ,y1717),(x),(x8 8, ,y y8 8),(x),(x7 7,y ,y7 7) ,(x) ,(x6 6,y ,y6 6), (x), (x5 5,y ,y5 5) )标识码属性码空间对象编码 唯一 连接几何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存储方法简单的矢量数据结构矢量数据表达—拓扑数据结构0不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系0表达对象：关联关系0表达方式 l全显式表达 l部分显式表达0拓扑关系物理实现 l直接存储 l串行指针0拓扑关系与数据共享0采用拓扑关系的原则拓扑数据结构空间数据的拓扑关系在GIS中，凡具有网状结构特征的地理要素，都 存在节点、弧段和多边形之间的拓扑关系。

v拓扑定义：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）拓扑变换（橡皮变换）非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发发生变变化的属性）两点间间距离一点指向另一点的方 向弧段长长度、区域周长长 、面积积 等一个点在一条弧段的端点一条弧是一简单简单 弧段（自身不相交 ）一个点在一个区域的边边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环环的内/外部一个面是一个简单简单 面一个面的连连通性 面内任两点从一 点可在面的内部走向另一点拓扑种类：拓扑种类： u拓扑关联： （不同类要素之 间）如：结点与弧段：V9与 L5,L6,L3；多边形与弧段：P2与L3,L5,L2P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--拓扑邻接： (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：0拓扑种类：拓扑种类： u拓扑关联：u拓扑邻接uu拓扑包含：拓扑包含：指面状实体包含了哪些线、 点或面状实体Ø 简单包含Ø 多层包含Ø 等价包含拓扑关系的意义：v对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义 ，因为： Ø1）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。

Ø2）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 Ø3）根据拓扑关系可重建地理实体拓扑结构：全显式表达N1B2N2N4N3 B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A5A6A7N1N2N3N4N5M面弧点面-弧拓扑面弧段弧-点拓扑弧起点弧-面拓扑弧左面点-弧拓扑点弧段终点右面拓扑结构：部分显式表达 双重独立式 编码（DIME）这种数据结构最早是由美国人口统计局研制来进行人口普查分 析和制图的，简称为DIME(Dual Independent Map Encoding)系 统或双重独立式的地图编码法 链状双重独立式编码--拓扑数 据结构 3、弧段坐标文件：弧段号坐标标系列（串) ax1,y1,X2,y2…,x5,y5 b……1、弧段文件：弧—面，弧—结点关系 弧段号 起点终终点左多 边边形 右多 边边形 a15A-b58AE4、面文件面号弧段号 面积积周长长…Aa,b,h……………………2、节点文件： 结点—链关系 点号 横坐标标纵纵坐标标弧段号 8xyb,c,h…………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，点、线、面之间的拓扑关系 在属性表中定义，多边形边界不 重复。

拓扑结构：拓扑关系与数据共 享维护数据的一致性拓扑:移动结点无拓扑:移动结点矢量数据结构（续）拓扑结构：是否需要拓扑 结构?q 应用目的 l 制图或一般查询，可不要拓扑结 构 l 空间分析，则应建立拓扑关系q 服务对象和系统数据结构 l 面状目标：面-弧、弧-面 l 网络目标：点-弧、弧-点矢量数据结构（续）矢量数据结构：属性数据表达与组 织 q属性特征类型l 类别特征：是什么l 说明信息：同类目标的不同特征q属性特征表达l 类别特征：类型编码l 说明信息：属性数据结构和表格q属性表的内容取决于用户q图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记 录号实现点：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 接点状 对象目标标识目标标识目标标识地物编码坐 标关联的线目标精度精度控制点等级控制点等级测量单位测量单位测量年限测量年限线状 对象目标标识目标标识目标标识地物编码坐 标串起点、终点、左面、右面路面材料路面材料等级等。