矢量数据结构
GIS的空间数据结构
GIS的空间数据结构GIS（地理信息系统）中的空间数据结构是指用来存储、组织和管理地理空间数据的方式和方法。
它们是构建GIS系统的基础，对于实现空间数据的高效查询、分析和可视化表示具有重要意义。
本文将介绍常见的空间数据结构，包括矢量数据结构、栅格数据结构和层次数据结构。
一、矢量数据结构（Vector Data Structure）是用点、线和面等几何要素来表示地理现象的空间数据结构。
常见的矢量数据结构包括点、线和面三种类型：1. 点（Point）是空间数据最基本的要素，它由一个坐标对(x, y)表示，常用于表示一个具体的地理位置或地物。
2. 线（Line）是由若干个连接起来的点所组成的线条，它可以用来表示道路、河流等线状地物。
3. 面（Polygon）是由若干个边界相连的线所围成的封闭区域，它可以用来表示国家、城市等面状地物。
矢量数据结构是一种拓扑结构，在存储空间数据时，常采用点-线-面的层次结构，以及节点、弧段和拓扑关系等数据结构来存储和组织地理空间数据。
二、栅格数据结构（Raster Data Structure）将地理空间数据划分为一系列均匀的像素或单元格，用像素值或单元格值来表示地物属性。
栅格数据结构适用于连续分布的地理现象，如温度、降雨等。
常见的栅格数据结构包括：1. 栅格图像（Raster Image）是将地理空间数据以图像的方式呈现，每个像素的灰度值或颜色代表了地物属性的强度或类型。
栅格图像可以通过数字遥感技术获取，并被广泛应用于地貌分析、图像处理等领域。
2. 数值地形模型（Digital Elevation Model，DEM）是一种栅格数据结构，用于表达地球表面的海拔高度。
DEM常用于地形分析、洪水模拟等应用中。
栅格数据结构的主要优点是简单、易于操作和处理，但由于其离散性，对于空间数据的存储和处理需求较大。
三、层次数据结构（Hierarchical Data Structure）是一种将地理空间数据按层次结构进行组织和管理的数据结构。
矢量、栅格数据结构的优缺点
矢量、栅格数据结构的优缺点矢量数据结构的优缺点：矢量数据结构是一种将地理数据表示为几何对象的方法，它使用一系列坐标点或线段来描述地理现象。
以下是矢量数据结构的优缺点。
一、优点：1.精确度高：矢量数据结构能够准确地表示地理要素的形状和位置。
由于它使用坐标点或线段来描述地理现象，可以实现高精度的地理数据表示。
2.存储效率高：矢量数据结构采用了一种压缩存储方式，能够有效地减小数据的存储空间。
相比之下，栅格数据结构需要存储大量像素值，因此矢量数据结构在存储效率上有优势。
3.可编辑性强：由于矢量数据结构使用坐标点或线段表示地理要素，因此可以对数据进行修改、编辑和更新。
这使得矢量数据结构在地理数据的管理和更新方面具有优势。
4.空间查询方便：矢量数据结构能够方便地进行空间查询和空间分析。
通过定义空间关系和属性查询条件，可以快速检索数据，从而方便地进行地理分析和空间决策。
二、缺点：1.数据量大：矢量数据结构需要存储大量的坐标点或线段信息，因此在存储大规模数据时，数据量会比较大，占用较多的存储空间。
2.处理速度慢：由于矢量数据结构需要对大量的坐标点或线段进行处理，因此在数据处理速度上相对较慢。
这对于处理大规模数据或实时数据可能会造成一定的影响。
3.渲染效率低：矢量数据结构的渲染效率相对较低，特别是在绘制复杂的地理要素时。
由于需要绘制大量的坐标点或线段，渲染过程可能会消耗较多的计算资源和时间。
附件：本文档涉及的附件包括：1.矢量数据结构示例图：包括使用矢量数据结构表示的地理要素示例图，以便读者更好地理解矢量数据结构。
法律名词及注释：本文所涉及的法律名词及注释如下：1.矢量数据结构：一种将地理数据表示为几何对象的方法，使用坐标点或线段来描述地理现象。
全文结束。
矢量、栅格数据结构的优缺点
矢量、栅格数据结构的优缺点矢量、栅格数据结构的优缺点矢量数据结构是地理信息系统（GIS）中常用的一种数据表示方法，栅格数据结构是另一种常见的数据表示方法。
本文将详细介绍矢量和栅格数据结构的优缺点，并对其在不同场景下的应用进行细化分析。
1·矢量数据结构的优点：1·1 真实世界的表示能力强：矢量数据结构能够准确表达地理现象的精细几何特征，如点、线、面等，并能够嵌套组织描述复杂的地理现象。
1·2 数据量较小：矢量数据以节点和边的方式存储，相对于栅格数据而言，相同区域的矢量数据所占用的存储空间更小。
1·3 编辑和更新便捷：矢量数据结构能够实现准确、高效的数据更新和编辑，同时可以维护数据的一致性和拓扑关系。
2·矢量数据结构的缺点：2·1 复杂特征的表达困难：矢量数据结构对于一些复杂的地理现象的表达较为困难，如连续的海岸线等。
2·2 数据处理复杂：矢量数据采用拓扑结构存储，对于一些空间分析操作，如缓冲区分析、叠置分析等，需要复杂的算法和较长的计算时间。
2·3 数据可视化较为困难：由于矢量数据中使用的是几何元素进行表示，直接在屏幕上绘制时容易受到分辨率和显示效果的限制。
3·栅格数据结构的优点：3·1 表达连续现象方便：栅格数据结构能够直接表达连续性地理现象，如温度、降雨量等，便于进行空间分析和模型计算。
3·2 数据处理简便：栅格数据中的值在空间上均匀分布，对于一些基于数值运算的空间分析操作，如地形分析、遥感影像处理等，更加简便。
3·3 显示效果好：栅格数据在显示时可以直接使用像素点进行绘制，不会受到分辨率和显示效果的限制。
4·栅格数据结构的缺点：4·1 存储空间较大：栅格数据需要存储大量的像元，相同区域的栅格数据所占用的存储空间比矢量数据大。
4·2 精度有限：栅格数据中的像元在空间上具有固定的大小，对于一些细精度的地理现象的表达可能存在误差。
3-2 矢量数据结构
§3-2 矢量数据结构
• 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。
§3-2 矢量数据结构
四、矢量数据编码方式 (一)简单数据结构 ：实体式 （spaghetti）-- 面条模型:以实体为单位记录其坐标。
§3-2 矢量数据结构
点：一组（x, y)坐标 线：对于线则是用一组有序的x，y坐标对表示 多边形：则是用一组有序的但首尾坐标相同的坐标对表 示 特征值 点 线 面 C2 A B C1 位置坐标 x, y x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6 x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7; x8,y8;x9,y9;x10,y10;x11,y11;x12,y12;x1,y1 x7,y7, x8,y8; x9,y9; x10,y10; x11,y11, x16,y16; x15,y15;x14,y14;x13,y13;x7,y7;
一、图形表示
栅格数据结构
栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理 区域划分为网格阵列。 位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。
2 1
3
3 3
2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
2 2
3
§3-3 栅格数据结构
• 点：由单个栅格表达。 • 线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。 • 面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。 • • 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，栅格数据的比 例尺就是栅格(象元)的大小与地表相应单元的大小之比， 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应区域内地理数据的近 似值，因而有可能产生属性方面的偏差。
栅格数据结构与矢量数据结构的比较
栅格数据结构与矢量数据结构的比较栅格数据结构和矢量数据结构是地理信息系统（GIS）中常用的两种数据表示方法。
它们各自具有一些优势和劣势，本文将对这两种数据结构进行比较，并分析它们在不同应用场景下的适用性。
一、栅格数据结构栅格数据结构是将地理空间数据划分为规则的网格单元，每个单元都有一个固定的大小和位置。
栅格数据结构适用于描述连续的地理现象，如高程、温度、降雨量等。
栅格数据结构的特点如下：1. 数据模型：栅格数据结构使用二维数组来存储数据，每个数组元素代表一个网格单元，可以表示某一属性的值或者某一类别。
2. 数据精度：栅格数据结构的精度由网格单元的大小决定，网格单元越小，精度越高。
3. 数据拓扑关系：栅格数据结构中的单元之间没有明确的拓扑关系，只能通过相邻单元的位置关系来推断。
4. 数据处理：栅格数据结构适合进行数值计算和空间分析，如地形分析、遥感影像处理等。
栅格数据结构的优点在于能够准确表示连续的地理现象，并且适合进行数值计算和分析。
然而，由于栅格数据结构采用固定大小的网格单元，对于复杂的地理现象，需要更小的网格单元来提高精度，这会导致数据量的急剧增加，不利于存储和处理。
二、矢量数据结构矢量数据结构是将地理空间数据表示为离散的点、线和面等几何要素的集合。
矢量数据结构适用于描述离散的地理现象，如建筑物、道路、河流等。
矢量数据结构的特点如下：1. 数据模型：矢量数据结构使用点、线和面等几何要素来表示地理现象，每个要素都有自己的属性信息。
2. 数据精度：矢量数据结构的精度由要素的数量和形状复杂度决定，可以根据需要进行精细化的编辑和绘制。
3. 数据拓扑关系：矢量数据结构中的要素之间存在明确的拓扑关系，可以进行拓扑分析和空间关系运算。
4. 数据处理：矢量数据结构适合进行空间查询和空间分析，如缓冲区分析、叠加分析等。
矢量数据结构的优点在于能够准确表示离散的地理现象，并且可以进行精细化的编辑和绘制。
然而，由于矢量数据结构需要存储大量的几何要素和属性信息，对于大规模的地理数据，存储和处理的效率相对较低。
矢量、栅格数据结构的优缺点
矢量、栅格数据结构的优缺点矢量数据结构的优缺点：一、优点：1.精确性和准确性：矢量数据结构以点、线和面等几何图形元素来表示地理要素，能够高度精确地表达地理要素的形状和位置关系。
2.灵活性：矢量数据结构能够灵活地表示地理要素的复杂形状和空间关系，如比例尺不变性、旋转变换不影响要素形状等。
这使得矢量数据在地理信息系统中具有较好的可视化效果。
3.编辑和更新方便：矢量数据结构中的每个要素都是单独存储的，可以通过添加、删除、移动和修改单个要素来编辑和更新数据，便于地理数据库的维护和管理。
4.分析和查询灵活性：矢量数据结构可以进行许多复杂的地理分析和查询，如空间叠加、缓冲区分析、路径分析等，为地理信息系统应用提供了更为灵活和强大的功能。
二、缺点：1.数据量较大：矢量数据结构需要存储每个要素的具体几何信息，因此对于大规模的地理数据来说，矢量数据结构所需存储空间较大。
2.表达连续性困难：矢量数据结构无法直接表达地理要素的连续性，如河流、道路等地理要素的形状是连续变化的，而矢量数据结构只能通过分割成点和线段来近似表达。
3.难以表示海量点数据：对于包含海量点数据的情况，矢量数据结构在存储和处理上存在一定的困难，如需要占用大量的存储空间和计算资源。
4.错误容忍性差：矢量数据结构对数据的完整性和精确度要求较高，对于存在错误或偏差的数据不够容忍，需要进行数据清洗和纠正，增加了数据处理的难度。
附件：附件1：矢量数据结构示例图附件2：矢量数据结构的存储格式说明法律名词及注释：1.地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）：是由人工建立的数据结构，用于收集、存储、管理、分析和展示地理空间数据和相关属性数据的计算机系统。
2.地理要素：指地理现象的空间表现形式，如山脉、湖泊、河流等。
3.分析和查询：在地理信息系统中，通过对地理数据进行统计、计算和推理等方法来获取有用信息的过程。
栅格数据结构与矢量数据结构的比较
栅格数据结构与矢量数据结构的比较介绍：栅格数据结构和矢量数据结构是地理信息系统（GIS）中常用的两种数据表示方式。
栅格数据以像素为基本单位，将地理空间划分为规则的网格，每个像素存储一个值或属性信息。
矢量数据则以点、线、面等几何要素为基本单位，通过坐标和属性信息来描述地理空间。
1. 数据结构栅格数据结构：栅格数据结构是由等大小的像素组成的二维网格，每个像素代表一个地理空间单元，可以存储各种属性信息。
栅格数据结构适用于连续型数据，如高程模型、遥感影像等。
矢量数据结构：矢量数据结构由点、线、面等几何要素组成，每个要素由坐标和属性信息表示。
矢量数据结构适用于离散型数据，如地图要素、地理实体等。
2. 空间描述精度栅格数据结构：栅格数据结构中的像素大小决定了空间描述的精度，像素越小，描述精度越高。
但是，栅格数据结构的精度受到像素大小的限制，无法完全表达地理现象的复杂性。
矢量数据结构：矢量数据结构通过坐标表示地理要素的位置，精度可以达到任意级别。
矢量数据结构的描述精度高，可以准确表达地理现象的细节。
3. 数据存储和处理效率栅格数据结构：栅格数据结构以像素为基本单位，数据存储和处理相对简单，适合处理大面积连续型数据。
栅格数据结构的处理速度较快，尤其在栅格代数运算和空间分析方面具有优势。
矢量数据结构：矢量数据结构以几何要素和属性信息组成，数据存储和处理相对复杂。
矢量数据结构适合处理离散型数据和复杂的地理要素，如道路网络、行政区划等。
4. 数据分析和空间操作栅格数据结构：栅格数据结构在空间分析方面具有优势，可以进行栅格代数运算、邻域分析、地形分析等。
栅格数据结构适合处理连续型数据，如地形分析、遥感影像分类等。
矢量数据结构：矢量数据结构在空间分析方面更加灵活，可以进行拓扑分析、缓冲区分析、路径分析等。
矢量数据结构适合处理离散型数据和复杂的地理要素，如行政区划分析、交通网络分析等。
5. 数据表示的灵活性栅格数据结构：栅格数据结构的表示方式相对固定，每个像素的值或属性信息唯一。
矢量数据结构名词解释
矢量数据结构名词解释
矢量数据结构是对矢量数据模型进行数据的组织。
通过记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表现点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。
矢量数据结构直接以几何空间坐标为基础，记录取样点坐标。
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。
这种数据组织方式能最好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析，但对于多层空间数据的叠合分析比较困难。
矢量数据结构:通过记录空间对象的坐标及空间关系表达空间对象的几何位置。
矢量数据结构的特点:
优点:
数据按照点、线或多边形为单元进行组织，结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。
缺点:
A. 独立存储方式造成相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，出现数据冗余和细碎多边形，导致数据不一致;点位字典存储可保证公共边的唯一性。
B.自成体系，缺少多边形的邻接信息，邻域处理复杂，需追踪出公共边。
C.处理岛或洞等嵌套问题较麻烦，需要计算多边形的包含等。
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0.0 7.5 15.0 22.5 30.0 37.5 km
安岳县
华蓥市 邻水县 垫江县 县区政府驻地 主要公路 区县界线 机场 河流 区县区划图 丰都县 长寿县 李渡区
9
2.2.1 空间数据结构
• 一、数据结构
举例：
学生登记表
学 号 姓 名 年 龄 性 别 女 男 女 系 名 年 级 95 95 95 …
95004 95006 95008
王小明 黄大鹏 张文斌
19 20 18
社会学 商品学 法律学
…
…
…
…
…
学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）
10
2.2.1 空间数据结构
11
WAVE文件结构
12
2.2.1 空间数据结构
• 一、数据结构
举例：
–图像文件——BMP文件 BMP文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据四 部分组成.
– BMP文件头数据结构含有BMP文件的类型、文件大小和位图起始 位置等信息。 – 位图信息图头,用于说明位图的尺寸等信息
– 信息头之后是颜色表用于说明位图中的颜色它有若干个表项， 每一个表项定义一种颜色
武隆县 南川市
彭水苗族土家族自治县
14
2.2.2 栅格数据模型
i
X
xn yn xi yi x1 y1 x2 y2
Y
栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间 对象的类型、等级等特征。 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、面地理实体表现得 精确无误
15
2.2.2 栅格数据模型
内容概览
• 第一节 空间数据的表达
• 第二节 空间数据模型
• 第三节 空间数据管理
1
重要内容回顾（拓扑元素）
点: 弧:
中间点 起点
弧段3 弧段2 弧段1
终点
面:
弧段4
2
重要内容回顾（拓扑关系）
• 2.拓扑关系
3
空间关系的应用
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？
• 一、数据结构
举例：
–音频文件——WAVE文件
是一种通用的音频数据文件，文件扩展名为“．WAV”，Windows系 统和一般的音频卡都支持这种格式文件的生成、编辑和播放。
WAVE文件由三部分组成：
文件头（WAVE，结构，大小） 数字化参数（Hz，bit, Channel,Coding） 波形数据(Data)
忠县
石柱土家族自治县
隆昌县
武隆县 南川市
彭水苗族土家族自治县
8
2.2.1 空间数据结构
• 一、数据结构
–数据结构是数据组织的形式。是适合于计算机存储、 管理和处理的数据逻辑结构。
–数据结构研究三个方面的内容： ①数据的逻辑结构--数据关系之间的逻辑关系。 ②数据的存储结构--数据的逻辑结构在计算机中的 表示。 ③操作算法 --- 插入、删除、修改、查询、排序等 。
• 栅格数据模型学习要点
–基本概念：
点、线、面的表达 像元 像元阵列 像元属性
–栅格数据获取方式 –栅格数据属性取值 –栅格数据编码方法
直接编码 压缩编码
链码、块码、游程编码、四叉树
–栅格数据特点
16
2.2.2 栅格数据模型
• 一、相关概念
• 1、定义：栅格结构是将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个
武胜县 潼南县 合川市 铜梁县 大足县 双桥区 荣昌县 永川市 北碚区
பைடு நூலகம்
安岳县
华蓥市 邻水县 垫江县 县区政府驻地 主要公路 区县界线 机场 河流 区县区划图 丰都县 长寿县 李渡区 渝北区
忠县
石柱土家族自治县
隆昌县
沙坪坝区 江北区 璧山县 渝中区 南岸区 九龙坡区 大渡口区 巴南区 江津市
0.0 7.5 15.0 22.5 30.0 37.5 km
–2.2.1 空间数据结构 –2.2.2 栅格数据模型
–2.2.3 矢量数据模型
• 第三节 空间数据管理
7
2.2.1 空间数据结构
• 数据结构是数据组织的形式。是适合于计算机 存储、管理和处理的数据逻辑结构。 • 空间数据结构是地理实体的空间排列方式和相互 关系的抽象描述。 • 地理数据库中采用空间数据结构来数字化表达地 理空间信息。 • 空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。
码头在海岸线上吗？ 肺癌病例在区内分布
4
空间关系的应用
线 —点
线—线
线 —面
镇 乘车线路 这条线路过镇上吗？
河流 小路
小路穿过河流吗？
河流在区域内吗？
5
空间关系的应用
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？
6
内容概览
• 第一节 空间数据的表达 • 第二节 空间数据模型
象元阵列，其最小单元称为象元或象素。每个象元的位置由行列号确定， 其属性则以代码表示。
格网分辨率
X：行
西南角格网坐标 （XWS，YWS）
Y：列
17
面 线
对于栅格数据结构
•点：为一个像元
•线：在一定方向上 连接成串的相邻像 元集合。 •面：聚集在一起的 相邻像元集合。
点
18
2.2.2 栅格数据模型
4. 象元属性：栅格单元值 地理要素的属性特征
2. 像元－－栅格单元
网格基本单元的大小，对地图的分辨率和计算 精度起关键作用。 影像分辨率 遥感影像：
扫描图象：150DPI、300DPI、600DPI 计算机屏幕分辨率：640×780 800×600 1024×768
19
2.2.2 栅格数据模型
網格資料
SPOT XS 20m*20m band G, R, IR
某水库
20
2.2.2 栅格数据模型
• 矢量结构记录点线面坐标表达空间实体，表达精细。 • 栅格结构用有限的网格逼近某个图形 ，网格单元越细栅 格数据越精确，但如果太细则数据量太大。
21
2.2.2 栅格数据模型
3.象元阵列：反映某一空间分布的系列象元
队列，其行、列确定每个象元的空间位置。
22
2.2.2 栅格数据模型
– 数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从 左到右,扫描行之间是从下到上（倒放的）
13
2.2.1 空间数据结构
• 二、空间数据结构
–空间数据结构是地理实体的空间排列方式和相互关系 的抽象描述。 –地理数据库中采用空间数据结构来数字化表达地理空 间信息。 –空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。