地理信息系统概论教案

第二章 GIS的数据结构
GIS的数据结构主要是用来解决地理空间数据以什么样的形式存储到GIS 中的问题。
目标要求： 1. 地理空间及其表达 2. 地理空间数据及其特征 3. 空间数据结构的类型 4. 空间数据结构的建立
第一节 地理空间及其表达
1.1 地理空间的概念 地理空间 一般指上至大气电离层，下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。 包括：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈。
第二节 地理空间数据及其特征
空间数据： GIS的核心，是GIS的血液； GIS的操作对象； 占据整个GIS工程的70%甚至更多
一、GIS空间数据的分类
按数据来源分类： 地图数据、影像数据、文本数据
按数据结构分类： 矢量数据：是用欧氏空间的点线面等几何元素来表达空间实体的几何 特征的数据 栅格数据：是将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的 属性值来表示空间实体的一种数据组织形式。
1、拓扑关系的类型
（1）拓扑邻接 是指存在于空间图形的相同类型元素之间的拓扑关系。
（2）拓扑关联 是指存在于不同类型空间元素之间的拓扑关系。 如节点与弧段的关联关系、多边形与弧段的关联关系
（3）拓扑包含 是指存在于空间图形的相同类型但不同等级的元素之间的拓扑关系。 包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式。
二、空间实体的表达
地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的基础。
地理空间中的地理实体、地理现象可以抽象为点、线、面、体四种类型。 地理空间的表达方法可以概括为 矢量 栅格
三角形规则网等
以此为基础，可以构造地理空间各种不同的数据模型和数据结构。
矢量表示法（矢量数据模型）： 采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素。
拓扑属性
非拓扑属性
拓扑元素： 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点 线：两结点之间的有序弧段 面：若干弧段组成的多边形
在GIS中，对于凡具有网状结构特征的地理要素，如自然与行政的分 区、各种资源类型的空间分布以及交通网等，都存在节点、弧段和 多边形之间的拓扑关系。 拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法。 在GIS中，拓扑不但用于数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用 中都具有非常重要的意义。
二、空间数据的基本特征
（一）基本特征： 空间特征： 是指地理现象和过程所在的位置、形状和大小等几何特征， 以及与相邻地理现象和过程的空间关系（包括方位关系、拓扑关系、相 邻关系、相似关系等） 空间位置可以通过坐标数据来描述称为定位特征或定位数据。 空间关系称为拓扑特征或拓扑数据。
属性特征： 是指地理现象和过程所具有的专属性质，包括名称、数量、质量、性质 等，称为属性数据 时间特征： 是指一定区域内的地理现象和过程随时间的变化情况，称为时态数据。
我国在不同时期采用的旋转椭球体及其元素值如表2-1（P39） 目前我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系。 1980年中国国家大地坐标系的大地原点，及国家水平控制网中推算的 大地坐标起标点，设在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇。
根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存： 一、北京-54（局部平差） 二、1980年国家大地坐标系（西安-80，整体平差） 三、地心坐标系，即以地球的质心作为坐标原点的坐标系
（二）基本信息 定位信息： 表示在地球表面上呈不同分布状态。 属性信息： 地理现象和过程本身具有的描述性信息
拓扑信息： 地理对象之间的相互关系。 在GIS中基本信息通过空间数据表达，分别对应定位特征数据、属性 特征数据和拓扑特征数据，对于随时间变化的地理实体或现象，还同 时对应着时序或时间特征数据。
如果要将节点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形式四 个关系表： 节点与弧段的拓扑关系、弧段与节点的拓扑关系 弧段与多边形的拓扑关系、多边形与弧段的拓扑关系
2、空间拓扑关系的意义
根据拓扑关系，不需要利用坐标或者计算距离，就可以确定一种地理 实体相当于另一种地理实体的空间位置关系。 因为拓扑数据已经清楚地反映出地理实体之间的逻辑结构关系，而且 这种拓扑数据较之几何数据有更大的稳定性，即不随地图变换二变化 。 利用拓扑数据有利于空间要素的查询。 如，查询与毕节地区相邻的行政区； 查询某条河流能为哪些行政区的居民提供水源； 查询与某一湖泊想邻接的土地利用类型有哪些； 确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于生物栖息环境做出评价等问 题 可以利用拓扑数据作为感觉，重建地理实体。 如建立封闭多边形、实现道路的选取，进行最佳路径的计算等
二、高程控制网 高程： 指空间某点高于或低于基准面的垂直距离， 主要用来提供地形信息。 高程的基准面——大地水准面
我国现在规定的高程基准面为“1985国家高程基准” 采用青岛验潮站1953年至1979年验潮资料计算确定，1985年5月经国 务院批准。 比“黄海平均海平面”高29mm
研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考框架，还必须分析地理空 间特征实体或地理空间信息的几何形态和时空分布规律及其相互之间的 关系。 地理空间特征实体： 指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体。 包括点、线、面、曲面和体，他们构成地球圈层间复杂的地理综合体， 也是GIS表示和建立空间数据库的主要对象。
常见的拓扑属性与非拓扑属性
一个点在一个弧段的端点 一个弧段是一个简单弧段 （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”） 一个面的连通性（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） 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
三、空间数据的拓扑关系
“拓扑”（Topology） 一词来自于希腊文，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。 拓扑属性、拓扑变换的理解：
设想一块高质量的橡皮，这块橡皮可以任意地被拉伸、压缩， 但不能被扭转或者折叠，表面上有由结点、弧、环和区域组成 的任何可能的图形。
以矢量数据结构为例，为把地理数据存入数据库： 首先，按空间位置将整个区域划分为若干个幅面；
其次，对每一个幅面从逻辑上将空间数据分为不同的专题层，如土地 利用、地形、道路、居民区、森林分布等；
对这块橡皮进行任意地拉伸、压缩，图形原有的一些属性将得到 保留而继续存在，而有些属性则将消失。 设想橡皮表面上有一个多边形,并且还有一个点在多边形中，当对 橡皮进行任意的拉伸、压缩后，点依旧存在于多边形内部，点和 多边形之间的空间位置关系不会改变，但是多边形的面积将会发 生变化。这时，我们称“点的内置”是拓扑属性，面积则不是拓 扑属性，而拉伸和压缩这样的变换就是拓扑变换。
对应于每一个坐标系统点的坐标： 可以用大地坐标形式表示，即用纬度、经度和高层（B,L,H）； 也可以用空间大地直角坐标形式表示，即用（x,y,z）表示。 不同坐标系统的坐标，通过一定的数学模型的转换参数，在一定的精 度范围内可以互相转换。 其中北京-54和西安-80坐标系中的点的坐标，更多的是将其投影至高 斯-克吕格投影平面，以平面坐标x,y,z形式表示，用于测绘制作地形图
栅格表示法（栅格数据模型）： 采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本元素。
矢量数据模型和栅格数据模型，代表着从信息世界观点对现实世界空 间实体的两种不同的数据表达方法，其功能、使用方法及应用对象上 都有一定的差异，这在一定程度上反映出GIS表示现实世界的不同概 念。
对于地理连续面的表达，还可利用三角形不规则网表示（ Triangulated irregular Network，TIN）。 基于TIN的连续面模型能够有效地描述河流、峡谷、地势等地形区域 特征。 TIN的构成：将地面一系列离散点，按照一定的规则和条件连接成互 不交叉的三角网。
四、空间数据的计算机表示
表示地理实体的空间数据包含空间特征、属性特征和时态特征。
空间数据结构： 对于具有复杂特征的空间数据，组织和建立起它们之间的联系，以便 于计算机存储和操作。 空间数据结构是GIS的核心技术，一直是GIS领域的重要研究课题。
空间数据表示的基本方法：
空间分幅：即将整个地理空间划分为许多子空间，再选择要表达的子 空间。 属性分层：即将要表达的空间数据抽象成不同类型属性的数据层来表 示。 时间分段：将有时间特征的地理数据按其变化规律划分为不同的时间 段数据，再逐一表示。
为在地理空间中准确定位需要采用一种空间定位框架来实现 注： 地壳同地幔间的分界面，是南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇于1909年发现，故 以他的名字命名，称为莫霍洛维奇不连续面，简称莫霍面（或莫氏面）。
大地测量控制系统——地理空间定位框架 用以建立地球的几何模型来精确测量地球上任意一点的坐标， 包括平面位置坐标和高度值坐标 为建立地理空间数据的坐标位置提供了一个通用参照系 大地测量控制信息的主要要素：大地测量控制点，由已知点可以 推测未知点的坐标位置信息
旋转椭球体： 以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。 是一个椭圆围绕其短轴旋转形成的形状，其赤道半径α大于极半径 b。 旋转椭球体是一个可以用数学公式描述的规则的几何表面 可以作为平面坐标的基准。
图 2-1 三轴椭球体模型
铅垂线
地球表面 大地水准面
地球椭球体 地球模型
不同的历史时期，不同的国家和地区，会根据不同的资料推算出不同 大小的旋转椭球体来近似代表大地水准面。
按数据特征分类： 空间定位数据：是表达空间实体在地球上位置的坐标数据 非空间属性数据：是有关空间实体自身的名称、种类、质量、数量等 特征的数据
按数据几何特征分类： 点、线、面、曲面、体
按数据发布形式： 按数据发布形式，GIS中的空间数据可分为4D数据： 1、数字线画图（DLG）：DLG数据是现有地形图要素的矢量数据，保 存各要素间的空间关系和相关属性信息，全面地描述地表目标。 2、数字栅格图（DRG）：是现有纸质地图经计算机处理后得到的栅格 数据文件。每一幅地形图在扫描数字化后，经几何纠正，并进行内容 更新和数据压缩处理，既可以得到数字栅格图。 3、数字高程模型（DEM）：是以数字形式表达的地形起伏数据。 4、数字正射影像（DOM）数据：是对遥感数字影像经逐像元进行投 影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字 正射投影影像数据。