空间数据结构PPT课件.ppt

地理信息系统原理GIS第二章第二章 空间数据结构空间数据结构§2-1§2-1空间实体及空间实体及其描述其描述 §2-3栅格数据结构栅格数据结构 §2-2§2-2矢量数据矢量数据结结构构 §2-4 §2-4 矢栅一体矢栅一体化数据结构化数据结构 二、二、地理实体的描述地理实体的描述 四、四、实体间空间关系实体间空间关系 一、一、地理实体地理实体 三、三、实体的空间特征实体的空间特征 一、图形表示一、图形表示 二、数据组织二、数据组织四、栅格四、栅格数据数据编码编码 三、栅格结构的建立三、栅格结构的建立五、四叉树编码五、四叉树编码 §2-5 §2-5 三维数据三维数据结构结构 二、八叉树结构二、八叉树结构一、概述一、概述三、三维边界表示法三、三维边界表示法地理信息系统原理GIS§2-2§2-2矢量数据矢量数据结结构构 一、图形表示一、图形表示 二、获取方式二、获取方式三、组织三、组织 四、编码方式四、编码方式 返回返回地理信息系统原理GIS§2-4 §2-4 矢栅一体矢栅一体化数据结构化数据结构 二、矢栅一体化概念二、矢栅一体化概念 一、矢、栅比较一、矢、栅比较 四、一体化四、一体化结结构构设计设计 三、三、三个三个约约定和定和细细分分格网法格网法 返回返回地理信息系统原理GIS§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构一、地理实体（空间实体）一、地理实体（空间实体）---GIS---GIS处理对象处理对象 1、定义、定义：：   指指自自然然界界现现象象和和社社会会经经济济事事件件中中不不能能再再分分割割的的单单元元，，它它是是一一个个具具体体有有概概括括性，复杂性，相对意义性，复杂性，相对意义的概念。

的概念2 2、理解、理解：：      地地理理实实体体类类别别及及实实体体内内容容的的确确定定是是从从具具体体需需要要出出发发的的，，例例如如，，在在全全国国地地图图上上由由于于比比例例尺尺很很小小，，武武汉汉就就是是一一个个点点，，这这个个点点不不能能再再分分割割，，可可以以把把武武汉汉定定为为一一个个空空间间实实体体，，而而在在大大比比例例尺尺的的武武汉汉市市地地图图上上，，武武汉汉的的许许多多房房屋屋，，街街道道都都要要表表达达出出来来，，所所以以武武汉汉必必须须再再分分割割，，不不能能作作为为一一个个空空间间实实体体，，应应将将房房屋屋，，街街道道等等作作为为研研究究的的地地理理实实体体，，由由此此可可见见，，GISGIS中中的的空空间间实实体体是是一一个个概概括括，，复杂，相对的概念复杂，相对的概念返回返回地理信息系统原理GIS二、地理实体的描述二、地理实体的描述————空间数据空间数据 §2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1 1、描述的内容、描述的内容 反映了实体的三个特征反映了实体的三个特征 3 3、、数据类型数据类型 4 4、数据结构、数据结构以什么形式存储和处理以什么形式存储和处理几何数据（空间几何数据（空间数据、图形数据）数据、图形数据） 关系数据关系数据——实体实体间的邻接、关联间的邻接、关联包含等相互关系包含等相互关系 属性数据属性数据——各种各种属性特征和时间属性特征和时间元数据元数据 矢量、栅格、矢量、栅格、TINTIN（专用于地（专用于地表或特殊造型）表或特殊造型） RDBMSRDBMS属性表属性表------- -采用采用MISMIS较成熟较成熟 同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述空间元数据空间元数据返回返回位置、形状、尺位置、形状、尺寸寸 、、识别码（名称）识别码（名称）实体的角色、功实体的角色、功能、行为、实体能、行为、实体的衍生信息的衍生信息时间时间测量方法、编码测量方法、编码方法、空间参考方法、空间参考系等系等 空间特征：地理空间特征：地理位置和空间关系位置和空间关系属性特征属性特征——名称、名称、等级、类别等等级、类别等时间特征时间特征2 2、、基本特征基本特征 地理信息系统原理GIS2、空间数据基本特征、空间数据基本特征返回返回地理信息系统原理GIS3、空间数据类型、空间数据类型1）依据数据来源）依据数据来源的不同分为的不同分为：：地图数据地图数据  地形数据地形数据 属性数据属性数据 元数据元数据  影象数据影象数据2）依据表示对象的不同分为）依据表示对象的不同分为：：地理信息系统原理GIS3、空间数据类型（续）、空间数据类型（续）返回返回地理信息系统原理GIS三、实体的空间特征三、实体的空间特征 §2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构（一）空间维数：（一）空间维数：有有0 0，，1 1，，2 2，，3 3 维之分，点、线、面、体。

维之分，点、线、面、体二）空间特征类型（二）空间特征类型（三）实体类型组合（三）实体类型组合返回返回在地图上实体维数的表示可以改变在地图上实体维数的表示可以改变 点点------面面 线线（单线河）（单线河）------面（双线河），通过地图综合面（双线河），通过地图综合1 1、点状实体、点状实体2 2、线状实体、线状实体3 3、面状实体、面状实体4 4、体状实体、体状实体地理信息系统原理GIS1 1、点状实体、点状实体§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构点或节点、点状实体点：有特定位置，维数为点或节点、点状实体点：有特定位置，维数为0 0的物体 4 4）角点、节点）角点、节点VertexVertex：：表示线段和弧段上的连接点表示线段和弧段上的连接点 1）实体点）实体点：用来代表一个实体用来代表一个实体2）注记点）注记点：用于定位注记用于定位注记3）内点：）内点：用于负载多边形的属性，用于负载多边形的属性，存在于多边形内存在于多边形内返回返回地理信息系统原理GIS2 2、线状实体、线状实体1）实体长度）实体长度：：从起点到终点的总长从起点到终点的总长2）弯曲度）弯曲度：：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。

用于表示像道路拐弯时弯曲的程度3）方向性）方向性：：如：水流方向，上游如：水流方向，上游—下游，下游，   公路，单、双向之分公路，单、双向之分§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构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，并有如下特性特性：：线状实体包括线状实体包括：：线段，边界、链、弧段、网络等线段，边界、链、弧段、网络等返回返回地理信息系统原理GIS3 3、面状实体（多边形）、面状实体（多边形）§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构面状实体的如下面状实体的如下特征特征：：1 1））面积范围面积范围 2 2））周长周长3 3））独立性或与其它地物相邻独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家如中国及其周边国家4 4））内岛屿或锯齿状外形内岛屿或锯齿状外形：：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域如岛屿的海岸线封闭所围成的区域5 5）重叠性与非重叠性）重叠性与非重叠性：： 如学校的分区，菜市场的服务范围等如学校的分区，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。

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是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述在数据库中由在数据库中由一封闭曲线加内点一封闭曲线加内点来表示返回返回地理信息系统原理GIS4、体、立体状实体、体、立体状实体§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 立立体体状状实实体体用用于于描描述述三三维维空空间间中中的的现现象象与与物物体体，，它它具具有有长长度度、、宽宽度度及及高高度度等等属性，立体状实体一般具有以下一些空间属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征特征：：··体积，如工程开控和填充的土方量体积，如工程开控和填充的土方量··每个二维平面的面积每个二维平面的面积··周长··内岛··含有弧立块或相邻块含有弧立块或相邻块·· 断面图与剖面图断面图与剖面图 地理信息系统原理GIS（三）实体类型组合（三）实体类型组合§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。

单实体组合表达点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：如：如：线线—面面 面面--面面  可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题空间关系是空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容数据描述和表达的重要内容，一方面它为，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等 地理信息系统原理GIS线线—面面§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、、区区域域包包含含线线：：计计算算区区域域内内线线的密度，某省的水系分布情况的密度，某省的水系分布情况2、、线线通通过过区区域域：：公公路路上上否否通通过过某县。

某县3、、线线环环绕绕区区域域：：区区域域边边界界，，搜搜索索左左右右区区域域名名称称，，中中国国与与哪哪些些国国家接壤4、线与区域分离：距离线与区域分离：距离 地理信息系统原理GIS面面—面面§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1、、 包含包含：岛：岛,某省的湖泊分布某省的湖泊分布2、、 相相合合：：重重叠叠，，学学校校服服务务范范围围与与菜场服务范围重叠区菜场服务范围重叠区3、、 相交相交：划分子区划分子区4、、 相相邻邻：：计计算算相相邻邻边边界界性性质质和和长长度，公共连接边界度，公共连接边界分离分离：计算距离计算距离 返回返回学校学校菜场菜场地理信息系统原理GIS四、四、实体间空间关系实体间空间关系§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回（一）空间关系类型（一）空间关系类型（二）拓扑关系（二）拓扑关系1 1、、    拓扑空间关系拓扑空间关系：： 2 2、、    顺序空间关系顺序空间关系：： （（方向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，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。

算法复杂，至今没有很好的解决方法3 3、、    度量空间关系度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近主要指实体间的距离关系，远近1 1））在地理空间中两点间的距离有在地理空间中两点间的距离有两种度量方法两种度量方法a a、沿真实的地球表面进行、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，复杂地形起伏有关，复杂, ,引入第二种引入第二种b b、沿地球旋转椭球体的距离量算沿地球旋转椭球体的距离量算2 2））  距离类别距离类别：：欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、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）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） 北北ab地理信息系统原理GIS（二）拓扑关系（二）拓扑关系§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、定义、定义：：   指指图形保持连续状态下变形图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。

但图形关系不变的性质将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠   拓扑变换拓扑变换（橡皮变换）（橡皮变换） 非拓扑属性非拓扑属性（几何）（几何）拓扑属性（拓扑属性（没发生变化的属性）没发生变化的属性）两点间距离两点间距离一点指向另一点的方向一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、弧段长度、区域周长、面积面积 等等一个点在一条弧段的端点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边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部/外部外部一个点在一个环的内一个点在一个环的内/外部外部一个面是一个简单面一个面是一个简单面一个面的连通性一个面的连通性 面内任两点从一点面内任两点从一点可在面的内部走向另一点可在面的内部走向另一点1、定义、定义    2、种类、种类     3、拓扑关系的表达、拓扑关系的表达      4、意义、意义地理信息系统原理GIS2 2、种类、种类 §2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1））关关联联性性：： （（不不同同类类要要素素之之间间））结点与弧段：如结点与弧段：如V9与与L5,L6,L3多边形与弧段：多边形与弧段：P2与与L3,L5,L22）邻接性）邻接性：： (同类同类元素之间元素之间)多边形之间、结点之间。

多边形之间、结点之间邻接矩阵邻接矩阵   重叠：重叠：--  邻接：邻接：1   不邻接：不邻接：0P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--地理信息系统原理GIS3）连通性：）连通性：与邻接性相类似，指对与邻接性相类似，指对弧段连接弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、的判别，如用于网络分析中确定路径、   街道是否相通街道是否相通§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构连通矩阵连通矩阵：：重叠：重叠：--  连通：连通：1   不连通：不连通：0 V1V2V3…V1--10V21--1V301--地理信息系统原理GIS4）方向性）方向性§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构   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，河流的流向等道路单向，河流的流向等5）包含性）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。

6）区域定义）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义多边形由一组封闭的线来定义7）层次关系）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成主要的主要的拓扑关系：拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含地理信息系统原理GIS拓扑关系具体可由拓扑关系具体可由4个关系表来表示：个关系表来表示：（（1））   面面--链关系：链关系：        面面  构成面的弧段构成面的弧段（（2））   链链--结点关系：结点关系：   链链   链两端的结点链两端的结点（（3））   结点结点--链关系：链关系：  结点结点  通过该结点的链通过该结点的链\（（4））   链链—面关系：面关系：                                                  链链    左面左面  右面右面3、拓扑关系的表达、拓扑关系的表达对于数据处理和对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：空间分析具有重要的意义，因为：1）拓扑关系能）拓扑关系能清楚地反映清楚地反映实体之间的实体之间的逻辑结构关系逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。

性，不随地图投影而变化2））有助于空间要素的查询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利用拓扑关系可以解决许多实际问题如某县的邻接县，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）关联该线（管道）与哪些点（阀门）关联3）根据拓扑关系可）根据拓扑关系可重建地理实体重建地理实体§2-1§2-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回4、拓扑关系的意义、拓扑关系的意义：：地理信息系统原理GIS§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回        栅栅格格结结构构用用密密集集正正方方形形（（或或三三角角形形，，多多边边形形））将地理区域将地理区域划分划分为网格阵列为网格阵列位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值一、图形表示一、图形表示22122332333233323332点点：由：由单个栅格单个栅格表达。

表达线线：由沿线走向有相同属性取值的：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格一组相邻栅格表达面面：由沿线走向有相同属性取值的：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格一片栅格表达      栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则数值在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则排列的地块，每个地块与一个象元相对应因此，栅排列的地块，每个地块与一个象元相对应因此，栅格数据的格数据的比例尺比例尺就是就是栅格栅格( (象元象元) )的大小与地表相应单的大小与地表相应单元的大小之比元的大小之比，当象元所表示的面积较大时，对长度、，当象元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响每个象元的属性是地表相面积等的量测有较大影响每个象元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方属性方面的偏差面的偏差333地理信息系统原理GIS二、二、栅栅格数据格数据组织组织§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回————针对针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。

空间数据库空间数据库2 222 2aaaaa2 2土壤土壤植被植被组织方法组织方法地理信息系统原理GIS组织方法组织方法§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回方法方法c c：：以层为基础，以层为基础，每层内以多边形为序每层内以多边形为序记录多边形的属性值记录多边形的属性值和多边形内各象元的和多边形内各象元的坐标坐标节约用于存储节约用于存储属性的空间将同一属性的空间将同一属性的制图单元的属性的制图单元的n n个个象元的属性只记录一象元的属性只记录一次，便于地图分析和次，便于地图分析和制图处理制图处理 方法方法a a：：以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组性值表示为一个列数组N层中层中只记录一层的象元位置，只记录一层的象元位置，节节约大量存储空间，约大量存储空间，栅格个数很多栅格个数很多方法方法b b：：每层每个象元的位置、属性一一记录，每层每个象元的位置、属性一一记录，结结构最简单，但浪费存储构最简单，但浪费存储地理信息系统原理GIS三、栅格结构的建立三、栅格结构的建立§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、、  手工获取手工获取，专题图上划分均匀网格，，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。

逐个决定其网格代码2、、扫描仪扫描扫描仪扫描专题图的图像数据专题图的图像数据{行、行、列、颜色（灰度）列、颜色（灰度）}，定义颜色与属性，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据存贮，即得该专题图的栅格数据3、、  由矢量数据转换而来由矢量数据转换而来4、、  遥感影像数据，遥感影像数据，对地面景象的辐射对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列素值序列5、、  格网格网DEM数据数据，当属性值为地面高，当属性值为地面高程，则为格网程，则为格网DEM，通过，通过DEM内插得内插得到一）建立途径（一）建立途径（二）栅格系统的确定（二）栅格系统的确定(三三)栅格代码的确定栅格代码的确定地理信息系统原理GIS（二）栅格系统的确定（二）栅格系统的确定§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1 1、、  栅格坐标系的确定栅格坐标系的确定表表示示具具有有空空间间分分布布特特征征的的地地理理要要素素，，不不论论采采用用什什么么编编码码系系统统，，什什么么数数据据结结构构( (矢矢、、栅栅) )都都应应在在统统一一的的坐坐标标系系统统下下，，而而坐坐标标系系的的确确定定实实质质是坐标系原点和坐标轴的确定。

是坐标系原点和坐标轴的确定        由由于于栅栅格格编编码码一一般般用用于于区区域域性性GISGIS，，原原点点的的选选择择常常具具有有局局部部性性质质，，但但为为了了便便于于区区域域的的拼拼接接，，栅栅格格系系统统的的起起始始坐坐标标应应与与国国家家基基本本比比例例尺尺地地形形图图公公里里网网的的交交点点相相一一致致，，并并分分别别采采用用公公里里网网的的纵纵横横坐坐标标轴轴作为栅格系统的坐标轴作为栅格系统的坐标轴22122332333233323332地理信息系统原理GIS2 2、、  栅格单元的尺寸栅格单元的尺寸§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1））原原则则：：应应能能有有效效地地逼逼近近空空间间对对象象的的分分布特征，又减少数据的冗余度布特征，又减少数据的冗余度格网太大，忽略较小图斑，信息丢失格网太大，忽略较小图斑，信息丢失一一般般讲讲实实体体特特征征愈愈复复杂杂，，栅栅格格尺尺寸寸越越小小，，分分辨辨率率愈愈高高，，然然而而栅栅格格数数据据量量愈愈大大（（按按分分辨辨率率的的平平方方指指数数增增加加））计计算算机机成成本本就就越高，处理速度越慢。

越高，处理速度越慢2））方方法法：：用用保保证证最最小小多多边边形形的的精精度度标标准准来确定尺寸经验公式：来确定尺寸经验公式： h h为栅格单元边长为栅格单元边长 AiAi为区域所有多边形的面积为区域所有多边形的面积地理信息系统原理GIS (三三)栅格代码（属性值）的确定栅格代码（属性值）的确定§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回        当当一一个个栅栅格格单单元元内内有有多多个个可可选选属属性性值值时时，，按按一一定方法来确定栅格属性值定方法来确定栅格属性值1、、中中心心点点法法：：取取位位于于栅栅格格中中心心的的属属性性值值为为该该栅栅格格的属性值的属性值 2、、面面积积占占优优法法：：栅栅格格单单元元属属性性值值为为面面积积最最大大者者，，常用于分类较细，地理类别图斑较小时常用于分类较细，地理类别图斑较小时 3、、 重重要要性性法法：：定定义义属属性性类类型型的的重重要要级级别别，，取取重重要要的的属属性性值值为为栅栅格格属属性性值值，，常常用用于于有有重重要要意意义义而而面面积积较小的要素，特别是点、线地理要素。

较小的要素，特别是点、线地理要素  4、、长长度度占占优优法法————每每个个栅栅格格单单元元的的值值由由该该栅栅格格中中线段最长的实体的属性来确定线段最长的实体的属性来确定AB baa2 2 1 1地理信息系统原理GIS四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回   1、直接栅格编码、直接栅格编码：：将栅格数据看作一个数据矩阵，将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据逐行记录代码数据1）每行都从左到右记录；）每行都从左到右记录； AAAAABBBAABBAABB2）奇数行从左到右，偶数行从右到左；）奇数行从左到右，偶数行从右到左；特特点点：：最最直直观观、、最最基基本本的的网网格格存存贮贮结结构构，，没没有有进进行行任任何何压压缩缩数据处理数据处理                       A   A   A   A                       A   B   B   B                         A   A   B   B                       A   A   B   B                       栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。

所以，出现了各种栅格数据压缩方法是相同的所以，出现了各种栅格数据压缩方法数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术分为：无损压缩无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息---信息信息 保持编保持编码码有损压缩有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复这部分信息无法恢复信息不保持编码信息不保持编码 地理信息系统原理GIS2、行程编码（变长编码）、行程编码（变长编码）：：§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回将原图表示的数据矩阵变为将原图表示的数据矩阵变为数据对数据对：：1）属性码，长度，行号（可不要））属性码，长度，行号（可不要）    长度：连续相同码值的栅格个数长度：连续相同码值的栅格个数2）属性码，点位）属性码，点位特点：特点： 对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。

度成反比） 这种编码在这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加栅格加密时，数据量不会明显增加，，压缩率高，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛这种编码应用广泛                       A   A   A   A                       A   B   B   B                         A   A   B   B                       A   A   B   B                       地理信息系统原理GIS3 3、块码、块码 ---- ---- 游程编码向二维扩展游程编码向二维扩展§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回采用采用方形区域方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格数据对组成数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）：（初始行、列，半径，属性值）特点特点：： 具有具有可变分辨率可变分辨率，即当属性变化小时图块大，，即当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。

对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高 小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辩率而降低分辩率依次扫描，编过的不重复依次扫描，编过的不重复      1    2    3    4    5    6    7    8 1    0    4    4    7    7    7    7    72    4    4    4    4    4    7    7    73    4    4    4    4    8    8    7    7 4    0    0    4    8    8    8    7    75    0    0    8    8    8    8    7    86    0    0    0    8    8    8    8    87    0    0    0    0    8    8    8    88    0    0    0    0    0    8    8    8如：如：（（1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7)1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7)……地理信息系统原理GIS4、链式编码、、链式编码、Freeman 链码、边界链码链码、边界链码§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1））首首先先定定义义一一个个3x3窗窗口口，，中中间间栅栅格格的的走走向向有有8种可能，并将这种可能，并将这8种可能种可能0~7进行编码。

进行编码2））记记下下地地物物属属性性码码和和起起点点行行、、列列后后，，进进行行追追踪，得到矢量链踪，得到矢量链.将栅格数据（线状地物面域边界）表示为将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链矢量链的记录的记录链式编码表链式编码表aaaaaaab属性码起点行起点列链码链码a14556656b37576654323… 优点优点：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和边界、线段凹凸度的计算边界、线段凹凸度的计算 缺点缺点：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整体结构）区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储体结构）区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储 5 5、四叉树编码、四叉树编码地理信息系统原理GIS五、四叉树编码五、四叉树编码§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、、  基本思想基本思想：：将将2 2n n×2 2n n象元组成的图像象元组成的图像( (不足的用背景补上不足的用背景补上) ) 按四个象限进行递归分割，按四个象限进行递归分割，并判断属性是否单一，并判断属性是否单一， 单一：不分。

单一：不分 不单一：递归分割不单一：递归分割最后得到一颗四分叉的倒向树最后得到一颗四分叉的倒向树2 2、、  四叉树的树形表示四叉树的树形表示：： 用一倒立树表示这种分割和分割结果用一倒立树表示这种分割和分割结果根根：整个区域：整个区域高高：深度、分几级，几次分割：深度、分几级，几次分割叶叶：不能再分割的块：不能再分割的块树叉树叉：还需分割的块：还需分割的块 每个树叉均有每个树叉均有4 4个分叉，叫四叉树个分叉，叫四叉树一）四叉树概述（一）四叉树概述：： 一种一种可变分率可变分率的的非均匀网格非均匀网格系统是最有效的栅格数据压缩编码方法之一是最有效的栅格数据压缩编码方法之一 AAAAABBBAABBAABB0123地理信息系统原理GIS3 3、、 编码方法编码方法§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1 1）常规四叉树）常规四叉树 记记录录这这棵棵树树的的叶叶结结点点外外，，中中间间结结点点，，结结点点之之间间的的联联系系用用指指针联系，针联系，每个结点需要每个结点需要6 6个变量：个变量：父父结结点点指指针针、、四四个个子子结结点点的的指指针和本结点的属性值针和本结点的属性值。

指针不仅指针不仅增加了数据的存储量增加了数据的存储量，还增加了操作的，还增加了操作的复杂性复杂性：如层次数（分割次数）由：如层次数（分割次数）由从父结点移到根结点的次数来确定，结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始从父结点移到根结点的次数来确定，结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始逐步推算下来所以，逐步推算下来所以，常规四叉树并不广泛用于存储数据常规四叉树并不广泛用于存储数据，其价值在于建立索引文，其价值在于建立索引文件，进行数据检索件，进行数据检索地理信息系统原理GIS2 2）线性四叉树）线性四叉树§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回记录叶结点的记录叶结点的位置，深度位置，深度（几次分割）和属性几次分割）和属性地址码（定位码、地址码（定位码、MortonMorton码）码） 四进制、十进制四进制、十进制优点优点：：··存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数··线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其MortonMorton码，而不用建立四叉树。

码，而不用建立四叉树··定位定位码码容易存容易存储储和和执执行行实现实现集合相加等集合相加等组组合操作 地理信息系统原理GIS（二）四进制的（二）四进制的MortonMorton码码§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1 1、、  方法方法1 1：：四叉树从上而下（形成）（从整体开始）四叉树从上而下（形成）（从整体开始）由叶结点找由叶结点找MortonMorton码 A A、、分分割割一一次次，，增增加加一一位位数数字字，，大大分分割割在在前前，，小小分分割割在在后后所以，所以，码的位数表示分割的次数码的位数表示分割的次数 B B、、每一个位均是不大于每一个位均是不大于3 3的四进制数，表达位置的四进制数，表达位置由由MortonMorton找出四叉树叶结点的具体位置找出四叉树叶结点的具体位置  0123AAAAA BBBAABBA A AABB0303B BA A地理信息系统原理GIS2 2、、  方法方法2 2：四叉树自下而上合并的方法：四叉树自下而上合并的方法§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 1 1）计算每个栅格对应的）计算每个栅格对应的MQMQ MQ=2*Ib+Jb MQ=2*Ib+Jb I,JI,J化为二进制化为二进制Ib,Jb Ib,Jb 看最大的看最大的I,J,I,J,不足在前补零。

不足在前补零 其其始行列号从始行列号从0 0计2) 2) 按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中3 3））依依次次检检查查每每四四个个相相邻邻的的MQMQ对对应应的的属属性性值值，，相相同同合合并并（（不不同同码码位位去去掉掉）），，不不同同则则存存盘盘, ,直直到到没没有有能能够够合合并并的的子块为止子块为止AAAAA BBBAABBAABB地理信息系统原理GIS（三）十进制的（三）十进制的MortonMorton码码------MDMD§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1 1、一种按位操作的方法、一种按位操作的方法：：如行为如行为2 2、列为、列为3 3的栅格的的栅格的MDMD步骤：步骤： (1) (1)行、列号为二进制行、列号为二进制 Ib= 1 0 Jb= 1 1 Ib= 1 0 Jb= 1 1(2)I(2)I行行J J列交叉列交叉 1 1 0 1 = 13 1 1 0 1 = 13(3)(3)再化为十进制再化为十进制. . 实实质质上上是是按按左左上上、、右右上上、、左左下下、、右右下下的的顺顺序序，，从从零零开开始始对对每个栅格进行自然编码。

每个栅格进行自然编码 A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15四四进进制制MortonMorton码码直直观观上切合四叉上切合四叉树树分割，但分割，但许许多多语语言不支持四言不支持四进进制制变变量，需用十量，需用十进进制表示制表示MortonMorton码码. .地理信息系统原理GIS2 2、、把一幅把一幅2 2n n×2 2n n的图像压缩成线性四叉树的过程的图像压缩成线性四叉树的过程§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回  1  1°、按、按MortonMorton码把图象读入一维数组码把图象读入一维数组  2  2°、相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象、相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的元的MortonMorton码循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到码循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能合并为止不能合并为止   3  3°、进一步用游程长度编码压缩压缩时只记录第一个象、进一步用游程长度编码压缩。

压缩时只记录第一个象元的元的Morton码A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15右图的压缩处理过程为：右图的压缩处理过程为：1°、按、按Morton码读入一维数组码读入一维数组    Morton码：码：0   1  2   3  4   5  6  7   8  9  10  11   12  13   14  15象象 元元 值：值： A  A  A  B  A  B  B  B  A  A  A   A   B   B   B   B2°、四相邻象元合并，只记录第一个象元的、四相邻象元合并，只记录第一个象元的Morton码         0   1  2    3   4  5   6  7   8  12    A  A  A  B  A  A  B  B  A   B3°、由于不能进一步合并，则用游程长度编码压缩由于不能进一步合并，则用游程长度编码压缩        0  3   4  6  8   12        A  B  A  B  A  B A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15地理信息系统原理GIS（四）四叉树优缺点（四）四叉树优缺点§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构优点优点：：1 1））对对于于团团块块图图像像，，四四叉叉树树表表示示法法占占用用空空间间比比网网络络法法要要少少得得多多，，四四叉叉树树表示法基本上是一种表示法基本上是一种非冗余表示法非冗余表示法。

2 2））四四叉叉树树具具有有可可变变率率或或多多重重分分辩辩率率的的特特点点使使得得它它有有很很好好的的应应用用前前景景，，适适用用于于处处理理凝凝聚聚性性或或呈呈块块状状分分布布的的空空间间数数据据，，特特别别适适用用于于处处理理分分布布不不均均匀的块状空间数据，但不适用于连续表面（如地形）或线状地物匀的块状空间数据，但不适用于连续表面（如地形）或线状地物此外，目前应用四叉树还存下列此外，目前应用四叉树还存下列问题问题：：1) 1) 矢矢/ /栅正反变换还不理想栅正反变换还不理想2)2) 建立四叉树耗费机时很多建立四叉树耗费机时很多3)3) 四叉树虽可修改，但很费事四叉树虽可修改，但很费事（具体的数据结构中会提到）（具体的数据结构中会提到）地理信息系统原理GIS4)4) 四叉树四叉树未能直接未能直接表示物体间的拓扑关系表示物体间的拓扑关系§2-3 §2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回5)5) 与与非非树树表表示示法法比比较较，，四四叉叉树树表表示示法法的的缺缺点点在在于于转换的不稳定性或叫转换的不稳定性或叫滑动变异滑动变异例例如如，，两两个个图图像像的的差差异异仅仅由由于于平平移移，，就就会会构构成成极极为为不不同同的的四四叉叉树树，，因因而而很很难难根根据据四四叉叉树树来来判判断断这这两两个个图像是否全同，故不利于做形状分析和模式识别，图像是否全同，故不利于做形状分析和模式识别， A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15AAAAABBBAABBAABB6)6) 一个一个物体物体的的图图像像在在构成四叉树时会被分割构成四叉树时会被分割到若干个象限中，使它到若干个象限中，使它失去了内在的相关性失去了内在的相关性。

AAAAABBBAABBAABB地理信息系统原理GIS§2-2 §2-2 矢量矢量数据数据结结构构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构一、图形表示一、图形表示 返回返回摘自摘自 张超张超地理信息系统原理GIS二、矢量数据的获取方式二、矢量数据的获取方式§2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1) 由外业测量获得由外业测量获得  可利用测量仪器自动记录测量成果可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄常称为电子手薄)，然后转到地理数据，然后转到地理数据库中2)由栅格数据转换获得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用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据返回返回地理信息系统原理GIS三、矢量数据组织三、矢量数据组织 §2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构点：坐标对（点：坐标对（x,y））                                 +识别符识别符线线：：坐坐标标对对系系列列(x1,y1)..(xn,yn)             及及有有关关属属性性、、其其它它属属性性面：首尾相同的坐标串面：首尾相同的坐标串关系表关系表几何位置坐标文件几何位置坐标文件连连接接矢量数据表示时矢量数据表示时应考虑以下问题应考虑以下问题：：·矢量数据自身的存贮和处理。

矢量数据自身的存贮和处理·与属性数据的联系与属性数据的联系·矢量数据之间的空间关系矢量数据之间的空间关系(拓扑关系拓扑关系)地理信息系统原理GIS以点为例：以点为例：§2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构 坐标坐标           识别符识别符                     若是简单点要素如独立树、电线竿、三角点，符号、若是简单点要素如独立树、电线竿、三角点，符号、          有有关属性关属性中包括中包括       比例尺、方向比例尺、方向                                 若是注记点，记录有关字符的大小、方向、字体、排列等若是注记点，记录有关字符的大小、方向、字体、排列等                                若是结点若是结点Vertex：符号：指针、与线相交的角度符号：指针、与线相交的角度其它属性其它属性 :          三角点设立年代、材料等三角点设立年代、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构中关于几何位置坐标的编码方式返回返回地理信息系统原理GIS四、矢量数据四、矢量数据编码方式编码方式（（spaghetti））--  面面条条模模型型:以以实实体体为为单单位位记记录录其其坐标坐标§2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构缺点缺点：： 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。

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，自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形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，显示图形所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形一）实体式（一）实体式优点优点：结构简单、直观、：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运易实现以实体为单位的运算和显示算和显示多边形坐标串P1…P2…1234567891011 1213 1415P PP PP P返回返回地理信息系统原理GIS（二）索引式（树状）（二）索引式（树状）§2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构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1234567891011 1213 1415P PP PP PMap1、点文件：、点文件：点号点号坐标坐标1x1,y1索引文件：索引文件：面号面号弧段号弧段号P1A,B,C3、面文件：、面文件：2、弧段文件、弧段文件: 弧段号弧段号起点起点终点终点点号点号A527,8,9,10与实体式相比与实体式相比：：优点：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。

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、：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，易出错返回返回地理信息系统原理GIS（三）双重独立式编码（三）双重独立式编码简简称称DIME(Dual Independent Map Encoding)，，是是美美国国人人口口统统计计系系统统采采用用的的一一种种编编码码方方式，是一种式，是一种拓扑拓扑编码结构编码结构 §2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1、点文件、点文件点号点号坐标坐标1x1,y12、线文件、线文件: :线文件是以线文件是以线段线段为记录单位为记录单位 线号线号左多边形左多边形 右多边形右多边形 起点起点终点终点L210P1P22101234567891011 1213 1415P PP PP P3、面文件、面文件面号面号线号线号P1L210,L109…关联关联邻接邻接关联关联连通连通拓扑关系明确拓扑关系明确在在DIMEDIME中做如下改进：中做如下改进： 将以将以线段线段为记录单位改为以为记录单位改为以弧段弧段为单位为单位链状双重独立式编码链状双重独立式编码返回返回地理信息系统原理GIS（四）（四）链状双重独立式编码链状双重独立式编码----拓扑数据结构拓扑数据结构 §2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1、弧段坐标文件、弧段坐标文件：：弧段号弧段号坐标系列（串坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y10…2 2、弧段文件：链、弧段文件：链——面，链面，链——结点关系结点关系 弧段号弧段号 左多边形左多边形 右多边形右多边形 起点起点终点终点AP1P2251234567891011 1213 1415P PP PP P3、面文件、面文件面号面号弧段号弧段号 P1A,B,-C4 4、点拓扑文件、点拓扑文件：： 结点结点——链关系链关系 点号点号 弧段号弧段号 2A,B,D在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线在拓扑结构中，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（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。

间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复 返回返回地理信息系统原理GIS链状双重独立式编码链状双重独立式编码 特点特点拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要因为一因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象. . 被一些成熟的商品化软件采用，如被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件软件例：例：ARCARC文件文件：二进制文件：二进制文件:  弧段号弧段号    点数点数     坐标串坐标串  在在GISGIS数数据据输输入入中中，，建建拓拓扑扑是是指指给给图图形形数数据据（（点点、、线线、、面面））增增加加拓拓扑扑结结构构，，如如ARC/INFOARC/INFO中中，，在在ARCEDITARCEDIT中中输输入入图图形形后后，，需需用用BUILD BUILD 建建图图形形拓拓扑扑，，具具体体生生成成许许多多文文件件，，如如AATAAT，，PATPAT等等.       INFO：属性表：属性表如如AAT（（Arc Attribute Table））§2-2 §2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构用户标识码，表明地物类型用户标识码，表明地物类型当当图形数据修改图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，所以，需重新建拓扑需重新建拓扑。

弧段号弧段号USER_IDLPOLYRPOLYFROM_NODETO_NODE其它属性其它属性:（名称（名称)返回返回地理信息系统原理GIS§2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构一、矢、栅优缺点一、矢、栅优缺点：：  优点优点                      缺点缺点矢矢量量       1、、便便于于面面向向现现象象（（土土壤壤类类，，土土地地利用单元等）利用单元等）       2、、结结构构紧紧凑凑，，冗冗余余度度低低，，便便于于描描述线或边界述线或边界       3、、利利于于网网络络、、检检索索分分析析，，提提供供有有效效的的拓拓扑扑编编码码，，对对需需要要拓拓扑扑信信息息的的操操作作更有效      4、、 图形显示质量好，精度高图形显示质量好，精度高     1、、数数据据结结构构复复杂杂，，各各自自定定义义，，不不便便于于数数据据标标准准化化和和规规范范化化，，数数据据交交换换困难     2、、多多边边形形叠叠置置分分析析困困难难，，没没有有栅栅格有效，表达空间变化性能力差。

格有效，表达空间变化性能力差      3、、不不能能像像数数字字图图像像那那样样做做增增强强处处理理         4、、软软硬硬件件技技术术要要求求高高，，显显示示与与绘绘图成本较高图成本较高 栅栅 格格    1、、 结构简单，易数据交换结构简单，易数据交换    2、、叠叠置置分分析析和和地地理理（（能能有有效效表表达达空空间可变性）现象模拟较易间可变性）现象模拟较易    3、、利利于于与与感感遥遥数数据据的的匹匹配配应应用用和和分分析，便于图像处理析，便于图像处理    4、、 输出快速，成本低廉输出快速，成本低廉      1、、现现象象识识别别效效果果不不如如矢矢量量方方法法，，难难以表达拓扑以表达拓扑    2、、图图形形数数据据量量大大，，数数据据结结构构不不严严密密不紧凑，需用压缩技术解决该问题不紧凑，需用压缩技术解决该问题    3、投影转换困难投影转换困难    4、、图图形形质质量量转转低低，，图图形形输输出出不不美美观观，，线线条条有有锯锯齿齿，，需需用用增增加加栅栅格格数数量量来来克克服，但会增加数据文件服，但会增加数据文件地理信息系统原理GIS矢量、栅格数据结构的选择矢量、栅格数据结构的选择栅格结构栅格结构:大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。

大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用  在在GIS建立过程中，应根据建立过程中，应根据应用目的应用目的和和应用特点应用特点、可能获得的、可能获得的数据精度数据精度以以及地理信息系统及地理信息系统软件和硬件软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构配置情况，选择合适的数据结构返回返回地理信息系统原理GIS二、矢栅一体化概念二、矢栅一体化概念 §2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构 将矢量面对目标的方法和栅格元子充填的方将矢量面对目标的方法和栅格元子充填的方法结合起来法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础线状地物线状地物：除记录原始取样点外，还记录路径所：除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格通过的栅格面状地物面状地物：除记录它的多边形周边以外，还包括：除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。

中间的面域栅格一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系上的任一点都直接与目标建立了联系334334423344423344234422212从原理上从原理上说说，，这这是一种是一种以矢量的方式来以矢量的方式来组织栅组织栅格数据格数据的数据的数据结结构返回返回地理信息系统原理GIS三、三个约定和细分格网法三、三个约定和细分格网法§2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构为便于组织数据，首先作如下约定：为便于组织数据，首先作如下约定：a. 地面上的地面上的点状地物点状地物是地球表面上的点，它仅有空间是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据为提高栅格表示精度，采用为提高栅格表示精度，采用细分格网法细分格网法：：将一对将一对X,Y坐标用两个坐标用两个Morton码代替：码代替：前一前一M M1 1表示该点（采样点或附加的交叉点）所在基本格网表示该点（采样点或附加的交叉点）所在基本格网的地址码，后者的地址码，后者M M2 2 表示该点对应的细分格网的表示该点对应的细分格网的MortonMorton码，码，既顾全整体定位，又保证精度。

既顾全整体定位，又保证精度 b. 地面上的地面上的线状地物线状地物是地球表面的空间曲线，它有形是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径c. 地面上的地面上的面状地物面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成满路径的元子表达的边界组成               x,yM1 M2返回返回地理信息系统原理GIS四、一体化数据结构设计四、一体化数据结构设计§2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构线线性性四四叉叉树树(Morton)是是基基本本数数据据格格式式，，三三个个约约定定设设计计点点、、线线、、面面数数据据结结构构的的基基本本依据，细分格网法保证足够精度依据，细分格网法保证足够精度点点标标识识号号   M1  M2高程高程Z…………………………………………10025434084432100261057725463…………………………………………约定约定1，点仅有位置、没有形状和面积，只要将点的坐标转化为地址码，点仅有位置、没有形状和面积，只要将点的坐标转化为地址码M1 和和M2 ,结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。

状目标的情况1、点状地物和结点的数据结构、点状地物和结点的数据结构返回返回地理信息系统原理GIS2、线状地物的数据结构、线状地物的数据结构§2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构约约定定（（2 2）），，线线状状地地物物有有形形状状但但没没有有面面积积，，没没有有面面积积意意味味着着只只要要用用一一串串数数据据表表达达每每个个线线状状地地物物的的路路径径即即可可，，将将该该线线状状地地物物经经过过的的所所有有栅栅格格的的地地址址全全部部记记录录下下来来仿仿照照矢矢量量数数据据组组织织的的链链状状双双重重独独立立式式编编码码，，以以弧弧段段为记录单位为记录单位弧标识号弧标识号起结点号起结点号终结点号终结点号中间点串（中间点串（M1,M2,Z））  20078100251002658,7749,435,92,4377,439……线标识号线标识号弧段标识号弧段标识号……………………3003120078，，200793003220092，，20098，，20099……………………弧段的数据弧段的数据结结构构: :线状地物的数据结构线状地物的数据结构:返回返回地理信息系统原理GIS3 3、、面状地物的数据面状地物的数据结结构构 §2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1) 弧段文件弧段文件2）带指针的二维行程码）带指针的二维行程码二维行程二维行程M码码 属性值属性值005480164308314320378400448460478叶结点的属性值叶结点的属性值 改为改为指向该地物的下一个子块的循环指针指向该地物的下一个子块的循环指针二维行程二维行程M码码循环指针属性值循环指针属性值0851683216313037314（属性值）（属性值）3240374440464447460（属性值）（属性值）478（属性值）（属性值）边界弧段边界弧段-----形状形状面域面域循环指针循环指针指向该地物下一个子块的地址指向该地物下一个子块的地址码，并在最后指向该地物本身码，并在最后指向该地物本身 返回返回地理信息系统原理GIS§2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构二维行程二维行程M码码循环指针属性值循环指针属性值0851683216313037314（属性值）（属性值）3240374440464447460（属性值）（属性值）478（属性值）（属性值）用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来    只只要要进进入入第第一一块块就就可可以以顺顺着着指指针针直直接接提提取取该该地地物物的的所所有有子子块块，，从从而而避避免免像像栅栅格格数数据据那那样样为为查查询询某某一一个个目目标标需需遍历整个矩阵，遍历整个矩阵，大大提高了查询速度大大提高了查询速度。

返回返回08324046地理信息系统原理GIS3 3）面文件）面文件 §2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构    这这种种数数据据结结构构是是面面向向地地物物的的，，具具有有矢矢量量的的特特点点通通过过面面状状地地物物的的标标识识号号可可以以找找到到它它的的边边界界弧弧段段并并顺顺着着指指针针提提取取所所有有的的中中间间面面块块同同时时它它又又具具有有栅栅格格的的全全部部特特性性，，二二维维行行程程本本身身就就是是面面向向位位置置的的结结构构，，带带指指针针的的二二维维行行程程码码中中的的Morton码码表表达达了了位位置置的的相相互互关关系系，，前前后后M码码之之差差隐隐含含了了该该子子块块的的大大小小给给出出任任意意一一点点的的位位置置都都可可顺顺着着指指针针找到面状地物的标识号确定是哪一个地物找到面状地物的标识号确定是哪一个地物面标识号面标识号弧标识号串弧标识号串面块头指针面块头指针4000140001（属性值为（属性值为0 0））2000120001，，2000220002，，20003200030 04000240002（属性值为（属性值为4 4））2000220002，，200042000416164000340003（属性值为（属性值为8 8））200020003737………………………………返回返回地理信息系统原理GIS4、复杂地物的数据结构、复杂地物的数据结构§2-4 §2-4 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构             由由几几个个或或几几种种点点、、线线、、面面状状简简单单地地物物组组成成的的地地物物称称为为复复杂杂地地物物。

例例如如将将一一条条公公路路上上的的中中心心线线、、交交通通灯灯、、立立交交桥桥等等组组合合为为一一个个复复杂杂地地物物，，用用一一个个标标识识号号表表示示复复杂杂地地物的数据结构如表物的数据结构如表7所示复杂地物标识号复杂地物标识号简单地物标识号简单地物标识号……………………50008500081002510025，，3000530005，，300253002550009500093000630006，，3000730007，，4003240032…………………… 返回返回地理信息系统原理GIS§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构      目前目前GIS主要还停留在处理地球表面的数据，若数据是地表以下或以上，则先将它主要还停留在处理地球表面的数据，若数据是地表以下或以上，则先将它投投影到地表影到地表，再进行处理，其实质是，再进行处理，其实质是以二维的形式来模拟、处理任何数据以二维的形式来模拟、处理任何数据，在有些领域可，在有些领域可行，但涉及到三维问题的处理时，往往力不从心行，但涉及到三维问题的处理时，往往力不从心      二维二维V=f(x,y)，在不同的层，在不同的层V的含义不同，当的含义不同，当V表示的是高程时，就是表示的是高程时，就是DEM。

由于地形由于地形三维视图的原因，人们常把三维视图的原因，人们常把DEM误认为是三维模型但从本质上讲，误认为是三维模型但从本质上讲，DEM是二维的，因是二维的，因为它只能表示地表的信息，不能对地表内部进行有效的表示目前，人们常把为它只能表示地表的信息，不能对地表内部进行有效的表示目前，人们常把DEM称为称为维的数据模型维的数据模型      真三维模型真三维模型V=f(x,y,z)，，z是一自变量，不受是一自变量，不受x,y的影响三维的影响三维GIS的要求与二维的要求与二维GIS相似，相似，但在数据采集，系统维护和界面设计等方面比二维但在数据采集，系统维护和界面设计等方面比二维GIS复杂得多，如三维数据的组织与重复杂得多，如三维数据的组织与重建，三维变换、查询、运算、分析、维护等方面下面主要介绍三维数据结构同样，建，三维变换、查询、运算、分析、维护等方面下面主要介绍三维数据结构同样，三维结构存在栅格和矢量两种形式三维结构存在栅格和矢量两种形式栅格栅格：将地理实体的三维空间分成细小单元：将地理实体的三维空间分成细小单元---体元普遍用体元普遍用八叉树八叉树矢量矢量：：x,y,z，抽象为点、线、面、体，面构成体。

方法多种，常用，抽象为点、线、面、体，面构成体方法多种，常用三维边界表示法三维边界表示法 返回返回一、概述一、概述地理信息系统原理GIS二、八叉树结构二、八叉树结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1 1、思想、思想：：四叉树在四叉树在三维空间三维空间的推广 将将要要表表示示的的形形体体V放放在在一一个个充充分分大大的的正正方方体体C内内，，C的的边边长长为为2n，，不不断断用用两两个个与与XOY、、XOZ的的平平面面均均分分C为为8个子体，并判断属性单一性个子体，并判断属性单一性当子体部分为当子体部分为V---灰结点灰结点  需再需再1分为分为8   子体中无子体中无V---白结点白结点    停止分割，叶结点停止分割，叶结点   子体子体全为全为V—V—黑结点黑结点返回返回§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构0 01 12 23 34 45 57 7地理信息系统原理GIS2、存贮结构、存贮结构第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1）规则八叉树）规则八叉树      与与常常规规四四叉叉树树类类似似，，用用10项项字字段段来来记记录录每每个个结结点点（（8个个子子结结点点指指针针，， 1个个父父结结点点指指针针，，1个个结结点点属属性性））。

最最普普遍遍的的形形式式，，方方式式自自然然，，易易掌掌握握但但指指针针占占总总存存储储量量的的94%，空间使用率低空间使用率低返回返回§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构特点特点：节省存贮空间，便于：节省存贮空间，便于某些运算，但丧失一定的灵某些运算，但丧失一定的灵活性，不便于其它遍历方式活性，不便于其它遍历方式对树的结点进行存取，应用对树的结点进行存取，应用效果不佳效果不佳      2）线性八叉树）线性八叉树—  Motorn码码 用某一预先确定的次序将八叉树转换成一个线性表，表中的每个元素与一个结点用某一预先确定的次序将八叉树转换成一个线性表，表中的每个元素与一个结点相对应每个结点用固定的字节描述，其中某些位专门用来说明它是否为叶结点每个结点用固定的字节描述，其中某些位专门用来说明它是否为叶结点地理信息系统原理GIS3）一对八式的八叉树）一对八式的八叉树第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构    每每个个结结点点均均1分分为为8，，并并标标记记为为  0，，1，，2，，3，，4，，5，，6，，7隐隐含含地地假假定定了了这这些些子结点记录存放的次序子结点记录存放的次序 –---便于检索便于检索浪浪费费存存储储，，除除非非完完全全八八叉叉树树，，即即所所有有叶叶结结点点均均在在同同一一层层次次出出现现，，上上层层均均为为非非叶叶结结点。

点返回返回§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构0 1 2 3 …70 1 2 3 …7地理信息系统原理GIS三、三维边界表示法三、三维边界表示法第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构v1v2v3v4l1l 2l 3l 4l 5l6v1x1  y1  z1v2x2  y2  z2v3x3  y3  z3v4x4  y4  z4l1v1  v2l2v2  v3l3v3  v1l4v2  v4l5v4  v3l6v1  v4s1l1  l2  l3s2l2  l4  l5s3l5  l3  l6s4l3  l1  l4３、面表：３、面表：给出围成多面体某个面的各条边给出围成多面体某个面的各条边４、４、当有若干个多面体时，还必须有一个当有若干个多面体时，还必须有一个对象表对象表1、顶点表、顶点表：用来表示多面体各顶点的坐标：用来表示多面体各顶点的坐标２、边表：２、边表：指出构成多面体某边的两个顶点；指出构成多面体某边的两个顶点；O1O1S1,s2…S1,s2…属性１属性１……      可避免重复表示某些点、边、可避免重复表示某些点、边、面，节约存储，便于图形显面，节约存储，便于图形显示，如公共边不重复。

示，如公共边不重复地理信息系统原理GIS5 5、扩充后的边表、扩充后的边表 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构 为表达拓扑还可将其它一些有关的内容结合到所使用的表中，如将为表达拓扑还可将其它一些有关的内容结合到所使用的表中，如将边所属的多边形边所属的多边形信息结合进边表信息结合进边表中以后的形式：中以后的形式：l1v1  v2s1  s4l2v2  v3s1  s2l3v3  v1s1  s3l4v2  v4s2  s4l5v4  v3s2  s3l6v1  v4s3  s4l1v1  v2l2v2  v3l3v3  v1l4v2  v4l5v4  v3l6v1  v4s1l1  l2  l3s2l2  l4  l5s3l5  l3  l6s4l3  l1  l4包含包含s1,s4s1,s4公共边为公共边为l1l1的信息的信息地理信息系统原理GIS6 6、拓扑检查、拓扑检查第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构        数据存储后，必须检查数据的一致性、完全性，即进行拓扑检查数据存储后，必须检查数据的一致性、完全性，即进行拓扑检查。

具体可检具体可检查下列几项：查下列几项：(1)  顶点表中的每个顶点至少是两条边的端点；顶点表中的每个顶点至少是两条边的端点；(2)  每条边至少是一个多边形的边；每条边至少是一个多边形的边；(3)  每个多边形是封闭的；每个多边形是封闭的；(4)  每个多边形至少有一条边是和另一个多边形共用的；每个多边形至少有一条边是和另一个多边形共用的；(5)   若边表中包含了指向它所属多边形的指针，那么指向该边的指针必在相应的若边表中包含了指向它所属多边形的指针，那么指向该边的指针必在相应的多边形中出现多边形中出现地理信息系统原理GIS7 7、应用、应用第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回§2-5 §2-5 三维数据结构三维数据结构      三维边界法一般用于三维边界法一般用于表示规则形体表示规则形体，如建筑物，对于自然界中的复杂形体如岩石，如建筑物，对于自然界中的复杂形体如岩石的外表，理论上可找到一在误差范围内逼近的适合平面多面体，但这种逼近受多因的外表，理论上可找到一在误差范围内逼近的适合平面多面体，但这种逼近受多因素的制约素的制约    对于不规则形体，可在形体的外表面对于不规则形体，可在形体的外表面s，可测一组点，可测一组点p1,p2…pn坐标，再坐标，再建这些点的建这些点的关系，即结构图关系，即结构图，决定顶点连接的不同方式。

决定顶点连接的不同方式同样数据点，由于连接方式不同，构同样数据点，由于连接方式不同，构成的平面多面体也不同成的平面多面体也不同其中最重要的一种方法就是每个面均是三角形的平面多面其中最重要的一种方法就是每个面均是三角形的平面多面体，体，类似类似TIN结构结构但即使这样，同一组点仍可得到不同的平面多面体因此，需要但即使这样，同一组点仍可得到不同的平面多面体因此，需要研究拥有了哪些特征之后，才能更确切地逼近原来的三维形体研究拥有了哪些特征之后，才能更确切地逼近原来的三维形体?    这种逼近有两种形式：这种逼近有两种形式：    表面表面S0的逼近的逼近：以确定后的平面多面体的表面作为对原三维形体的表面：以确定后的平面多面体的表面作为对原三维形体的表面S0的逼近，的逼近，着眼于形体的着眼于形体的边界边界表示 三维形体的逼近三维形体的逼近：给出一系列的四面体，这些四面体的集合就是对原三维形体的：给出一系列的四面体，这些四面体的集合就是对原三维形体的逼近着眼于逼近着眼于形体形体的分解表示的分解表示。