第三次、第四次：空间数据模型及数据结构
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第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
(xn,yn) (x(1x,ny,1y)n) (x1,y1)
(a) (xn,yn)
(b)
(xn,yn)
A
KI
H
J
BC
G
FE
D
(c)
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
一维矢量具有方向、长度
方向：即有起始结点和终止结点
长度：可以用以下方式表达：
引入欧氏空间的距离概念：
n
长度 [(xi xi1)2 ( yi yi1)2 ]1/2 i2
一．基本概念 二．关系数据模型和关系表 三．矢量数据模型（ Spaghetti Model ） 四．矢量数据模型（拓扑数据模型）
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
一、基本概念
• 现实世界和矢量表达 • 位置和边界被清楚地记录 • 对象可以被识别 • 属性值与对象相联系 • 空间关系可以清晰表达
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
(1) 地理要素被当成单个对象对待
空间边界可以被清晰的编码
(2)对象之间没有关系
要素间的空间拓扑不被记录
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
矢量表达法
• 不同的空间特征具有不同的矢量维数
– 0维矢量-点：即空间中的一个点，没有大小、 方向，二维和三维欧氏空间中为：（x,y),(x,y,z)
– 一维矢量-线：空间中的线划要素或空间对象间 的边界，也称为弧段、链
用的概念，是三维空间中曲面法向矢量的 另外一种描述方法
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
空间曲面
• 矢量实现方法多样 • 常用等值线法、剖面法
第三章空间数据模型第3节矢量数据模型
三维矢量-体
• 指三维空间中的实体
地理信息系统原理-空间数据模型与数据结构
面对象 Class
属性
属性
体 3-Complex
面 2-Complex
线对象 Class
属性
线 1-Complex
点对象 Class
属性
点 0-Complex
三角形 2-simplex
线段 1-simplex
节点 0-simplex
33
空间地物
复杂地物
13 类空间对象
复杂
柱状地物
体状地物
数字立体模型
部分
节点 0-simplex
X,Y,Z
31
三维对象的拓扑数据模型
体状对象
面状对象
线状对象
点状对象
1 BodyID
1 SurfaceID
1
LineID
1 PointID
N
体1
N
4
5
面
1
6
N
3 4
边
1
1
2 结点
ElementID
FaceID
EdgeID
NodeID
X
Y
Z
32
三维复杂实体的逻辑模型
体对象 Class
• 模型：
• 时间作为属性（time stamp）
• 序列快照模型( Sequent Snap shots) • 基态修正模型(Base State with Amendments) • 时空复合模型( Space - time Composite) • 时空立方体模型( Space - time Cube)
表示形成三维空间目标表示,其优点是便于显示和数据更新, 不足之 处是空间分析难以进行。 （2）体模型(Volume model)
空间数据结构的类型
空间数据结构的类型空间数据结构的类型一、点数据结构●单个点：表示一个位置或特定的实体坐标，常用于地理定位等应用。
●多个点：表示多个位置或实体坐标的集合，可以用于点云数据等应用。
●网格点：表示点在规则网格中的分布，常用于栅格数据结构。
二、线数据结构●线段：表示连接两个点的线段，常用于道路、河流等线状实体的表示。
●多段线：表示多个线段的集合，可以用于表示道路网络、管线等复杂线状实体。
●曲线：表示非直线的线段，常用于河流弯曲等需要弯曲路径的表示。
三、面数据结构●多边形：表示有限面积的几何形状，常用于地块、建筑物等实体的表示。
●公差多边形：表示有限面积的几何形状，并可容忍一定误差，用于拓扑匹配等应用。
●多面体：表示由平面构成的立体空间，常用于建筑、地下管线等实体的表示。
四、体数据结构●三维网格：表示立体空间中的网格，常用于体积模型重建、有限元分析等应用。
●八叉树：通过递归划分空间，将三维空间表示为树状结构，常用于空间索引和快速搜索。
●四叉树：将二维空间递归划分为四个象限，常用于地理信息系统等应用。
五、高级数据结构●栅格：将空间划分为规则的网格，用于栅格数据模型，常用于遥感影像、地理信息系统等。
●拓扑关系图：记录空间要素之间的拓扑关系，常用于空间网络分析、路径规划等应用。
●网状图：表示网络结构中连接关系的图形表示，常用于交通流动分析、网络优化等应用。
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法律名词及注释：⒈拓扑关系：空间要素之间的空间关系，例如邻接、相交、包含等关系。
⒉栅格数据模型：一种将空间分为规则网格的数据模型，适用于遥感影像等栅格数据的表示和处理。
⒊有限元分析：在工程结构分析中，使用有限元法对复杂结构进行数值计算和分析的方法。
空间数据模型介绍课件
地理信息系统（GIS）： 用于地理空间数据的 存储、管理和分析
遥感技术（RS）：用 于对地球表面进行观
测和监测
导航定位系统 （GNSS）：用于定位
和导航
城市规划与设计：用 于城市规划、交通规 划、土地利用规划等
环境监测与评估：用 于环境监测、生态评
估、灾害预警等
资源管理与开发：用 于资源调查、资源评
城市规划中的应用
城市用地规划：利用空间数据模型分析土地利 用情况，优化城市用地布局
交通规划：利用空间数据模型分析交通流量和 拥堵情况，优化交通网络和设施布局
公共设施规划：利用空间数据模型分析公共设 施的分布和需求，优化公共设施布局和配置
环境规划：利用空间数据模型分析环境污染和 生态状况，优化环境保护和生态建设措施
04 数据特征提取：从原
始数据中提取出与建 模相关的特征信息， 为后续建模提供基础
空间数据模型的构建方法
01
确定空间数据的类 型和属性
03
构建空间数据的拓 扑关系和几何特征
05
验证空间数据模型 的正确性和有效性
02
设计空间数据的数 据结构和存储方式
04
设计空间数据的查 询和更新方法
06
优化空间数据模型 的性能和效率
面向对象数据模型：以 对象和类表示空间实体， 支持空间数据的继承、 封装和多态性
01
02
03
04
空间数据模型的应用
1
地理信息系统 （GIS）：用于 存储、管理和分 析地理空间数据
4
城市规划：用于 分析城市空间布 局、交通网络和
土地利用情况
2
遥感技术：用于 获取和分析地球 表面的遥感图像
数据
空间数据模型
对三角网，表达各三角形的顶点位置和属性、顶点与三 角形的连接关系、三角形的连接关系，就可得到TIN的 逻辑数据模型。
3.4.5 面向对象数据模型
面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其 相互关系，特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间 实体的表达。 面向对象技术的核心是对象（object）和类（class）。
对象是指地理空间的实体或现象，是系统的基本单位。 如多边形地图上的一个结点或一条弧段是对象，一条河流 或一个宗地也是一个对象。 一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为 的一组操作（方法）组成的。 例如，河流的坐标数据描述了它的位置和形状，而河流的 变迁则表达了它的行为。每个对象都有一个惟一的标识号 （Object－ID）作为识别标志。
主要优点在于
二、不规则镶嵌数据模型
不规则镶嵌数据结构是指用来进行镶嵌的小面块具 有不规则的形状或边界。 最典型的不规则镶嵌数据模型有Voronoi图（也称作 Thiessen多边形）和不规则三角网（Triangular Irregular Network，简称TIN）模型。 当用有限离散的观测 样点来表示某地理现 象的空间分布规律时， 适合于采用不规则镶 嵌数据模型。
逻辑数据模型 Logical Data Model
中间层 数据结构对数据进行组织
物理数据模型 Physical Data Model
最底层
空间数据库
物理数据模型是概念 数据模型在计算机内 部具体的存储形式和 操作机制，即在物理 磁盘上如何存放和存
数据模型与数据结构
信息系统中：
数据模型：对客观实体及其关系的认识和数学描述。 目的是揭示客观实体的本质特征，并对它进行抽象化表达，使 之转化为计算机能够接受、处理的数据。 空间数据模型：对地理空间实体及其关系的描述。 即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数 据逻辑结构形式。 对空间数据而言，则是地理实体的空间排列方式和相互关系的 抽象描述。
空间数据模型
空间数据模型：场模型，要素模型，网络模型
场模型：表示在二维或者三维空间里被看做连续变化的数据。
例如可以表示地表温度，大气污染物集中程度，土壤的湿度水平等。
其中最常见的是栅格数据模型。
要素模型：强调了离散对象，根据它们界线以及组成它们或者与它们相关的其他对象，可以详细的描述离散对象。
网络模型：表示特殊对象的交互，例如水、交通。
栅格数据
矢量数据和栅格数据
常见的栅格数据类型是正方形，也有三角形和六边形等。
栅格模型中每一个网格是一个象元，每个象元有一个对应的数值，每
一个数值代表一种属性，如环境污染程度、植被覆盖类型、土地利用等空间地理现象。
网格单元的大小对地图的分辨率和计算精度起关键的作用，与计算机存储量和分辨率成反比。
网格越大，信息量越模糊（存储量小），分辨率越低。
网格越小，则反之。
要素模型：
三个地物要素对对象：点对象，线对象，多边形对象。
地理要素间的空间关系（拓扑关系）
矢量数据
影像投影运用到拓扑关系。
网络模型
网络模型将数据组织成有向结构。
结点代表数据记录，连线描述不同节点数据间的关系。
常用来表示航线、海上路线、燃气管道、交通等。
网络模型示意图。
第4讲-空间数据模型-逻辑模型与数据结构
几何抽象类
地理空间参考系
点
曲线
表面
- -1 -1
-
线串类
直线段
线性环
多边形
1 --
-
几何集合
表面集合
曲线集合
点集合
多边形集合
1-
线串集合
1
1-
Open GIS面向对象空间实体模型
表示“is a”概括关系
表示“has a”聚集关系
ArcGIS面向对象空间实体模型
对象1
对象2
对象ID 对象1 对象2
土壤、山脉、丘壑等
1
2
3
类别
位置
电力塔 电力塔 河流
x1, y1
x1, y1
x1, y1；x2, y2；…；xn, yn
杨树林 x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
杨树林 x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
松树林 x1, y1；x2, y2；…；xn, yn; x1, y1
1 3
24
1
31
3
2
4
Hale Waihona Puke 2413
1
3
2
4
2
4
最大空圆准则
Delaunay三角网
方案一 方案二
Voronoi多边形 数据模型
组成多边形的边总是与两相邻样点的连线垂直 多边形内的任何位置总是离该多边形内样点的距离近， 离相邻多边形内样点的距离远，且每个多边形内包含 仅且包含一个样点
5、面向对象数据模型
3. 栅格的空间分辨率确定了描述空间现象的精细程度; 4. 若需要描述统一地理空间的不同属性，则按不同的属
第3讲-空间数据模型和空间数据结构
地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，地 球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程就 发生在该区域。
空间现象 客观世界的现象划分为5类：
可精密观测的自然对象（如建筑物边界） 受采样限制的自然对象（如河流的边界） 受定义限制的自然对象（如植被覆盖率大小和范围） 不规则的人为对象（如行政区、TIN、Voronoi多边形） 规则的人为对象（栅格、立方体元）
空间实体
➢ 对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同 类对象，就是地理空间实体，简称空间实体。
➢ 空间实体具有4个基本特征：
➢ 空间位置特征 ➢ 属性特征 ➢ 时间特征 ➢ 空间关系
观察和认知
现实世界
概念世界
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抽还 象原 世世 界界
信息
数据世界 （计算机）
空间事物或现象
选择、综合、简化和抽象
程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域
的流速和方向等;
根据不同的应用，场可以表现为二维或三维; 一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，
都有一个表现某现象的属性值，即 A＝f(x，y)
一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对 应一个属性值，即 A＝f(x，y，z)
可被标识 在观察中的重要程度 有明确的特征且可被描述
传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例。
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
分类
子类 超类
几何坐标 子部分 超部分
非空间属性
对象模型对空间要素的描述
场/域（field）模型
把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染
空间现象 客观世界的现象划分为5类：
可精密观测的自然对象（如建筑物边界） 受采样限制的自然对象（如河流的边界） 受定义限制的自然对象（如植被覆盖率大小和范围） 不规则的人为对象（如行政区、TIN、Voronoi多边形） 规则的人为对象（栅格、立方体元）
空间实体
➢ 对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同 类对象，就是地理空间实体，简称空间实体。
➢ 空间实体具有4个基本特征：
➢ 空间位置特征 ➢ 属性特征 ➢ 时间特征 ➢ 空间关系
观察和认知
现实世界
概念世界
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ抽还 象原 世世 界界
信息
数据世界 （计算机）
空间事物或现象
选择、综合、简化和抽象
程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域
的流速和方向等;
根据不同的应用，场可以表现为二维或三维; 一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，
都有一个表现某现象的属性值，即 A＝f(x，y)
一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对 应一个属性值，即 A＝f(x，y，z)
可被标识 在观察中的重要程度 有明确的特征且可被描述
传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例。
空间关系 非空间关系 时间关系
地理空间 空间要素
分类
子类 超类
几何坐标 子部分 超部分
非空间属性
对象模型对空间要素的描述
场/域（field）模型
把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染
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几何数据（空间 数据、图形数据） 数据关系—实体 间的邻接、关联 包含等相互关系
以什么形式存储和处理
4、数据结构
矢量、栅格、 TIN（专用于地 表或特殊造型）
位置、形状、尺 寸 、
空间特征：地理 位置和空间关系
识别码（名称） 实体的角色、功 能、行为、实体 的衍生信息
属性特征—名称、 等级、类别等 属性数据—各种 属性特征和时间 时间特征
合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。
空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
栅格数据组织
——针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。
2 2 2 2 2 2 2 土壤
a a a a a
植被
组织方法
空间数据库
空间数据结构—栅格数据
定义 图形表示
2
2 2 2 2 3 3 3 3
3
3 3 3
3
3 3
图形表示—栅格数据特点
• 属性明显
– 数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，
因而我们可以直接得到地物的属性代码 • 定位隐含 – 所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是 说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。 – 栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩 充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结
矢量（Vector）数据是面向地物的结构，即对 于每一个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以 及目标之间的拓扑关系说明。 栅格（Raster）数据结构是面向位置的结构， 平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一 类地物。但对于某一个具体的目标又没有直接聚集 所有信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也 不能完整地建立地物之间的拓扑关系。
和栅格数据模型
两种数据模型代表着从信息世界观点对现实世界空间目标 的两种不同的数据表达方法，它们在功能、使用方法和应用对 象上都有一定的差异。
地理实体—GIS处理的对象
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
二、地理实体的描述——空间数据 反映了实体的三个特征
1、描述的内容 2、基本特征 3、数据类型
一个图层的要素就占用 200 兆字节的存储空间。 ？
栅格数据编码方法
直接栅格编码
行程编码（变长编码）
块码—游程编码向二维的扩展
链式编码、Freeman 链码、边界链码
空间数据模型
概念：空间数据模型是关于现实世界中空 间实体及其相互间联系的概念，它为描述 空间数据的组织和设计空间数据库模式提 供着基本方法。 类型： 基于对象（要素）（Feature）的模型 场（Field）模型 网络（Network）模型
空间数据模型
1. 场模型：空间内连续分布，如污染物的集中程
P1 P1 -P2 1 P3 1 P4 1
P2
P3 P4
1
1 1
-1 0
1
-0
0
0 --
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：0
V3… 0 1 --
V1 V1 V2 V3 -1 0
V2 1 -1
4）包含关系：空间图形中不同类或同类但不同级元素之间 的拓扑关系。
三角形、方格和六角形划分
栅格数据模型
矢量数据模型
空间数据模型
2. 要素模型
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他现象之间的关系的方式来研 究。 基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象 或实体。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） 对于基于要素的模型，采用面向对象的描述是 合适的。
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
栅格结构的建立
（一）数据获取 （二）栅格系统的确定 (三)栅格代码的确定
1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。 2、扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定义颜色
与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再
矢量数据模型
地理实体
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
地理实体—GIS处理的对象
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，中国海洋大学就是一个点，这个点不能再分割， 可以把中国海洋大学定为一个空间实体，而在大比例尺的青岛市地图上， 中国海洋大学的许多楼房，道路都要表达出来，所以中国海洋大学必须再 分割，不能作为一个空间实体，应将楼房，道路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。
地理实体的空间特征
（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。
1、点状实体
（二）空间特征类型： 2、线状实体 3、面状实体 4、体状实体
（三）实体类型组合
地理实体—GIS处理的对象
Hale Waihona Puke 地理实体地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
实体间空间关系
空间关系类型
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。 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。
空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
空间数据结构—栅格数据
• 将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格 阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、
列定义，并包含一个代码表示该象素的属性
类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的 指针。 • 栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和 近似离散的数据。每一个单元格对应一个相
进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 3、由矢量数据转换而来。
4、遥感影像数据，对地面景象的辐射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素值序列。 5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM 内插得到。
空间数据结构—栅格数据
定义 图形表示
3、拓扑关系的表达
拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1） 面--链关系： （2） 链--结点关系： 面 构成面的弧段 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
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。
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
拓扑空间关系
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,L2 2）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：0
地理实体—GIS处理的对象
3、空间实体的表达
地理空间实体必须进行数据表达，计算机才能进行处理
对空间实体表达时，点是构成地理空间实体的基本元素， 所以关键是对点元素的表达。
如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素，
称为矢量表示法；如果采用一个有固定大小的点（面元）来表 达基本点元素，称为栅格表示法，它们分别对应矢量数据模型
RDBMS属性表---采用MIS较成熟
时间
测量方法、编码 方法、空间参考 系等
元数据
空间元数据
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
地理实体—GIS处理的对象
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。
3 3 3
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。
1 2 2 2
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。
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）。
拓扑空间关系
拓扑空间关系
1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义
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。 拓扑变换 将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 非拓扑属性（几何） 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 拓扑属性（没发生变化的属性） 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 （橡皮变换）
以什么形式存储和处理
4、数据结构
矢量、栅格、 TIN（专用于地 表或特殊造型）
位置、形状、尺 寸 、
空间特征：地理 位置和空间关系
识别码（名称） 实体的角色、功 能、行为、实体 的衍生信息
属性特征—名称、 等级、类别等 属性数据—各种 属性特征和时间 时间特征
合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。
空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
栅格数据组织
——针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。
2 2 2 2 2 2 2 土壤
a a a a a
植被
组织方法
空间数据库
空间数据结构—栅格数据
定义 图形表示
2
2 2 2 2 3 3 3 3
3
3 3 3
3
3 3
图形表示—栅格数据特点
• 属性明显
– 数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，
因而我们可以直接得到地物的属性代码 • 定位隐含 – 所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是 说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。 – 栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩 充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结
矢量（Vector）数据是面向地物的结构，即对 于每一个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以 及目标之间的拓扑关系说明。 栅格（Raster）数据结构是面向位置的结构， 平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一 类地物。但对于某一个具体的目标又没有直接聚集 所有信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也 不能完整地建立地物之间的拓扑关系。
和栅格数据模型
两种数据模型代表着从信息世界观点对现实世界空间目标 的两种不同的数据表达方法，它们在功能、使用方法和应用对 象上都有一定的差异。
地理实体—GIS处理的对象
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
二、地理实体的描述——空间数据 反映了实体的三个特征
1、描述的内容 2、基本特征 3、数据类型
一个图层的要素就占用 200 兆字节的存储空间。 ？
栅格数据编码方法
直接栅格编码
行程编码（变长编码）
块码—游程编码向二维的扩展
链式编码、Freeman 链码、边界链码
空间数据模型
概念：空间数据模型是关于现实世界中空 间实体及其相互间联系的概念，它为描述 空间数据的组织和设计空间数据库模式提 供着基本方法。 类型： 基于对象（要素）（Feature）的模型 场（Field）模型 网络（Network）模型
空间数据模型
1. 场模型：空间内连续分布，如污染物的集中程
P1 P1 -P2 1 P3 1 P4 1
P2
P3 P4
1
1 1
-1 0
1
-0
0
0 --
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：0
V3… 0 1 --
V1 V1 V2 V3 -1 0
V2 1 -1
4）包含关系：空间图形中不同类或同类但不同级元素之间 的拓扑关系。
三角形、方格和六角形划分
栅格数据模型
矢量数据模型
空间数据模型
2. 要素模型
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他现象之间的关系的方式来研 究。 基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象 或实体。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） 对于基于要素的模型，采用面向对象的描述是 合适的。
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
栅格结构的建立
（一）数据获取 （二）栅格系统的确定 (三)栅格代码的确定
1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。 2、扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定义颜色
与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再
矢量数据模型
地理实体
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
地理实体—GIS处理的对象
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，中国海洋大学就是一个点，这个点不能再分割， 可以把中国海洋大学定为一个空间实体，而在大比例尺的青岛市地图上， 中国海洋大学的许多楼房，道路都要表达出来，所以中国海洋大学必须再 分割，不能作为一个空间实体，应将楼房，道路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。
地理实体的空间特征
（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。
1、点状实体
（二）空间特征类型： 2、线状实体 3、面状实体 4、体状实体
（三）实体类型组合
地理实体—GIS处理的对象
Hale Waihona Puke 地理实体地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
实体间空间关系
空间关系类型
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。 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。
空间数据结构—栅格数据
定义
图形表示
栅格数据结构
数据组织
栅格结构的建立
栅格数据编码
空间数据结构—栅格数据
• 将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格 阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、
列定义，并包含一个代码表示该象素的属性
类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的 指针。 • 栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和 近似离散的数据。每一个单元格对应一个相
进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 3、由矢量数据转换而来。
4、遥感影像数据，对地面景象的辐射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素值序列。 5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM 内插得到。
空间数据结构—栅格数据
定义 图形表示
3、拓扑关系的表达
拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1） 面--链关系： （2） 链--结点关系： 面 构成面的弧段 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
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。
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
拓扑空间关系
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,L2 2）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：0
地理实体—GIS处理的对象
3、空间实体的表达
地理空间实体必须进行数据表达，计算机才能进行处理
对空间实体表达时，点是构成地理空间实体的基本元素， 所以关键是对点元素的表达。
如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素，
称为矢量表示法；如果采用一个有固定大小的点（面元）来表 达基本点元素，称为栅格表示法，它们分别对应矢量数据模型
RDBMS属性表---采用MIS较成熟
时间
测量方法、编码 方法、空间参考 系等
元数据
空间元数据
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
地理实体—GIS处理的对象
地理实体
地理实体及其描述
地理实体的描述
实体的空间特征
实体间空间关系
位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。
3 3 3
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。
1 2 2 2
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。
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）。
拓扑空间关系
拓扑空间关系
1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义
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。 拓扑变换 将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 非拓扑属性（几何） 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 拓扑属性（没发生变化的属性） 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 （橡皮变换）