GIS地理信息系统中的空间数据
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。
地理信息系统GIS第3讲空间数据组成与特点2
地理信息系统GIS第3讲空间数据组成与特点2地理信息系统GIS第3讲空间数据组成与特点2地理信息系统（GIS）是一种用于收集、存储、管理、分析和展示地理空间数据的工具。
它涵盖了各种类型的数据，包括地图、地形、气候、人口统计数据等。
在GIS中，空间数据是一种重要的数据类型，它包括地理要素和地理属性。
地理要素是GIS中的基本单元，代表地球表面上的物体、地物或空间实体。
地理要素可以分为点、线、面等不同的类型。
点表示地理现象的位置，例如城市、河流等；线表示地理现象的线状特征，例如公路、河流等；面表示地理现象的面状特征，例如土地利用类型、湖泊等。
地理属性是地理要素相关的非空间属性数据，用于描述地理要素的特征和属性。
地理属性可以是定量数据，如温度、人口数量等，也可以是定性数据，如土地利用类型、土壤类型等。
地理属性可以与地理要素关联，构成空间数据。
空间数据具有以下几个特点：1.地理位置信息：空间数据包含地理要素的位置信息，可以通过坐标系或地址来表示。
这使得GIS系统可以在地图上准确标识、表示和分析地理现象的位置。
2.地理属性信息：空间数据不仅包含地理要素的位置信息，还包含与其相关的地理属性信息。
地理属性信息可以用于描述地理要素的特征和属性，如颜色、高度、属性等。
3.地球表面的多样性：地球表面具有多样性，包括不同地区的地质、气候、植被等。
空间数据可以捕捉和表示地球表面的多样性，为各种地质现象和分析提供基础数据。
4.时空关联性：空间数据不仅具有地理位置信息，还具有时空关联性。
GIS系统可以根据时间和空间维度，对地理现象进行分析和挖掘，揭示地理现象的时空规律和变化趋势。
5.空间数据的多源性：空间数据可以来自各种不同的数据源，如遥感影像、地图、传感器等。
这些数据源可以提供不同分辨率和精度的空间数据，为GIS分析提供不同层次和尺度的信息。
6.数据冗余性与互补性：由于不同数据源的差异和多样性，空间数据可能存在冗余性和互补性。
地理信息系统中的空间数据分析方法研究
地理信息系统中的空间数据分析方法研究随着科技的不断进步，地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）在各行各业中得到了越来越广泛的应用。
GIS是一种以空间数据为基础的信息系统，它可以对现实世界中的现象进行收集、存储、管理、分析和表达。
而空间数据分析则是GIS的重要组成部分，它主要是指对空间数据进行统计、空间模式识别、空间关系确定、空间推理和预测等方面的操作。
本文将从空间数据分析方法的研究角度出发，探讨如何在GIS中开展空间数据分析。
一、空间数据分析方法简介1. 空间数据分析的概念空间数据分析是指将统计学、地理学和计算机科学等相关学科方法应用到空间数据的分析中。
它主要包括两个方面：第一是对空间属性的描述，包括地形、地貌、水文、气象等方面；第二是对空间现象的分析，包括地理现象、环境现象、经济现象等方面。
2. 空间数据分析方法的分类针对空间数据分析的多样性，科学家们提出了众多的分析方法，从整体上来看，它们可以分为以下几类：（1）空间统计分析：利用概率论、统计学和计算机科学技术把空间变换为可测的量，分析空间现象的规律性和随机性。
（2）空间模式识别：通过对空间数据的分类、聚类、分级等方法，确定空间对象及其关系的类型、数量和分布规律。
（3）空间关系确定：确定一定范围内的空间模式和空间特征之间的关系，包括空间相似性、交互作用、空间结构等。
（4）空间推理和预测：通过构建模型，对现象进行推理和预测。
二、空间数据分析方法的应用GIS中空间数据分析方法的应用很广泛，主要涉及以下几个方面：1. 地质勘探在地质勘探中，GIS和空间数据分析方法可以用来寻找矿产、石油、天然气等资源，同时可以分析地质地形、地下水、震动等信息，为决策者提供数据支持。
2. 城市规划与土地利用GIS可以将城市的各类地形及用途数据进行收集和分析，从而更好地理解和规划城市。
例如可以确定最适合建造公园、小区、商场等项目的地点，同时还可以制定有关建筑法规、公共安全等方面的政策。
地理信息系统中的空间数据分析方法和使用教程
地理信息系统中的空间数据分析方法和使用教程地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种集地理空间数据收集、存储、管理、分析和展示于一体的综合性工具。
其中，空间数据分析是GIS的核心功能之一，它帮助人们了解和解释地理现象，并为决策提供支持。
本文将介绍地理信息系统中的空间数据分析方法和使用教程。
一、空间数据分析方法1. 空间查询分析地理信息系统中的空间查询分析是通过对地理空间数据进行查询和筛选，从而获取特定的空间信息。
空间查询可以通过属性查询和空间关系查询实现。
属性查询是基于地理空间数据的属性，在数据库中执行条件查询。
空间关系查询是根据地理对象之间的空间关系，如相交、包含、邻近等进行查询分析。
2. 空间缓冲分析空间缓冲分析是一种常用的地理信息系统中的空间分析方法，它以某一地理空间对象为中心，根据设定的缓冲距离，生成一系列缓冲区域。
空间缓冲分析可以用于分析地理要素的覆盖范围、相互作用范围以及对环境的影响等。
3. 空间插值分析空间插值分析是通过已知的点数据，推算未知地点的数值。
它使用插值算法，根据给定的空间数据点，在空间上生成连续的表面。
空间插值分析用于补充缺失数据、推算未来趋势以及对地理现象进行模拟和预测。
4. 空间聚类分析空间聚类分析是通过对地理要素进行分类和聚类，揭示地理现象的空间集聚特征。
它可以帮助我们发现空间上的热点区域、人口分布密度等。
常用的空间聚类分析方法有基于密度的聚类方法和基于网格的聚类方法。
5. 空间统计分析空间统计分析是通过计算地理要素的空间分布和相互关系，揭示地理现象的统计特征。
它可以帮助我们理解地理数据的空间相关性、局部差异性和空间自相关性等。
常用的空间统计分析方法包括空间自相关分析、热点分析和空间回归分析等。
二、空间数据分析使用教程1. 数据准备在进行空间数据分析之前，首先需要对数据进行准备。
这包括收集和整理地理空间数据，将其转换为GIS所支持的数据格式，如shapefile、GeoJSON等。
地理信息系统中的空间数据分析与建模
地理信息系统中的空间数据分析与建模地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种利用计算机软硬件系统对地理空间数据进行采集、储存、管理、分析和展示的技术。
在当今信息技术快速发展的背景下，GIS在各个领域都得到了广泛的应用。
其中，空间数据分析与建模是GIS的核心功能之一。
空间数据分析是GIS的基础，它利用地理信息系统的技术和工具，对地理空间数据进行处理和分析，揭示地理对象以及地理对象之间的关系和规律。
空间数据分析可以包括多方面的内容，比如地理特征提取、空间模式分析、路径分析等。
通过对空间数据进行分析，可以帮助我们深入了解地理现象的内在规律，从而为决策提供科学依据。
空间数据建模是GIS中的另一个重要环节，它是将现实世界中的地理对象抽象为计算机可识别的模型，以便进行数据管理、分析和可视化等操作。
在地理信息系统中，空间数据建模可以包括三维建模、地图建模、空间关系建模等。
通过空间数据建模，我们可以将复杂的地理现象转化为简洁的模型，使得地理数据的存储和处理更加高效和准确。
在GIS中，空间数据分析与建模的应用广泛涉及到各个领域。
在城市规划中，利用GIS技术可以对城市的用地分布、道路网络、人口密度等进行分析，优化城市规划方案。
在环境保护方面，GIS可以帮助监测和评估环境污染程度，为环境治理和保护提供可靠的数据支持。
在交通管理中，GIS可以进行交通流量分析、路线规划等，优化交通系统的布局和调控。
随着技术的不断进步，GIS的应用正在朝着更加复杂和智能化的方向发展。
例如，结合人工智能技术，可以对大规模的遥感影像数据进行自动分类和分析，实现高精度的土地利用和覆盖监测。
同时，与物联网技术结合，可以将传感器数据与空间数据进行融合，实现对现实世界的实时感知和分析。
然而，空间数据分析与建模中也存在一些挑战和难点。
首先，地理空间数据的处理和分析需要大量的计算资源和存储空间，尤其是针对海量和高分辨率的遥感影像数据，需要建立高效的算法和平台进行处理。
GIS地理信息系统空间数据结构
网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通 流。
要素（对象）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它现象之间的 关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都 可以被确定为一个对象（Object），假设它可 以从概念上与其邻域现象相分离。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）。
场模型可以表示为如下的数学公式：
z : s z ( s ) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因
此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个 值域的映射。
空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较
对象模型和场模型的比较
现实世界
对象模型 选择实体 它在哪里 数据
场模型 选择一个位置
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
（橡皮变换）
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
拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点
一点指向另一点的方向 一条弧是一简单弧段（自身不相交）
弧段长度、区域周长、 一个点在一个区域的边界上
面积 等
一个点在一个区域的内部/外部
(x8,y8), (x17,y17), (x16,y16),
22 (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13),
21
(x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
6
20
C
3
5
18
19
4
(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26), (x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30)
GIS地理信息系统空间数据结构解析
GIS地理信息系统空间数据结构解析GIS是地理信息系统的英文缩写，即Geographic Information System。
它是一种利用计算机和软件技术来收集、管理、分析和展示地理空间数据的工具。
GIS空间数据结构是指在地理信息系统中用来组织和存储地理空间数据的方式和方法。
GIS空间数据结构的核心是地理空间数据的表示方法。
在GIS中，地理空间数据可以分为两种类型：矢量数据和栅格数据。
矢量数据以几何实体为基本单位，通过点、线、面等几何对象来描述地理现象的空间分布。
而栅格数据以网格为基本单位，通过将地理空间划分为规则的网格单元来表示地理现象的分布。
矢量数据通常由三要素组成：空间位置、属性信息和拓扑关系。
空间位置是指地理现象在地球表面上的位置，可以用点、线、面等几何对象来表示。
属性信息是指地理现象的有关属性和属性值，例如地名、面积、人口等。
拓扑关系是指不同几何对象之间的空间关系，例如点和线之间的相交、包含等关系。
在矢量数据的存储和管理上，常用的数据结构包括点、线和多边形数据结构。
点数据结构采用坐标表示地理位置，通常使用点图层进行存储和管理。
线数据结构由多个点连接而成，可以表示河流、道路等线状地理现象。
多边形数据结构由多条线构成封闭的区域，可以表示湖泊、行政区等面状地理现象。
除了矢量数据外，栅格数据也是GIS中常用的一种数据结构。
栅格数据将地理空间划分为规则的网格单元，每个网格单元包含一个数值或类别信息。
栅格数据适用于连续变化的地理现象，例如地形高程、气候等。
在栅格数据存储和管理上，常用的数据结构包括二维数组和图像数据结构。
在GIS空间数据结构中，数据之间的空间关系是一个重要的概念。
常见的空间关系包括相交、邻接、包含等。
相交是指两个地理现象在地理空间上有交集，邻接是指两个地理现象在地理空间上相连或相邻，包含是指一个地理现象包含另一个地理现象。
GIS空间数据结构的选择取决于具体的应用需求和数据特点。
矢量数据适用于描述点、线、面等离散的地理现象，可以准确表示地理位置和拓扑关系。
地理信息系统与空间数据分析
地理信息系统与空间数据分析地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种将地理空间数据进行捕捉、存储、查询、分析和显示的技术系统。
地理信息系统与空间数据分析的结合，不仅可以帮助我们深入了解地球的地理特征和空间关系，还能为环境保护、城市规划、资源管理、灾害预防等领域提供有力的决策支持。
一、地理信息系统的定义和基本概念地理信息系统是一种用来管理和分析与地理位置相关的信息的技术系统。
它包括地理数据捕捉（数据采集和输入）、地理数据存储（数据管理和组织）、地理数据查询（数据检索和查询）、地理数据分析（空间分析和属性分析）和地理数据显示（地图输出和可视化）等五个主要组成部分。
通过这些功能的结合，地理信息系统能够整合不同来源的地理数据，帮助用户从地理空间的角度理解和解决复杂问题。
二、地理信息系统的应用领域1. 环境保护和资源管理：地理信息系统可以帮助管理者监测和评估环境变化，如森林砍伐、湖泊水质改变等，从而制定出更有效的环境保护政策和资源管理方案。
2. 城市规划和土地管理：地理信息系统可以提供城市土地利用和规划的决策支持，帮助规划师分析城市的道路网络、建筑分布、人口密度等，为城市的可持续发展提供参考。
3. 交通运输和物流管理：地理信息系统可以优化交通路线和运输网络，降低运输成本，提高物流效率。
通过分析交通流量、道路拥堵等数据，还可以帮助规划交通政策和改善交通系统。
4. 灾害风险评估和应急响应：地理信息系统可以对地震、洪水、火灾等自然灾害进行风险评估，预测潜在灾害风险。
同时，还可以支持应急响应，快速定位救援资源和受灾区域。
5. 农业和自然资源管理：地理信息系统可以帮助农民进行土地评估、农作物监测、灌溉规划等，提高农业生产的效率和质量。
在自然资源管理方面，地理信息系统可以协助管理森林、水源、矿产等资源，确保其合理利用和可持续发展。
三、空间数据分析在地理信息系统中的作用空间数据分析是地理信息系统的核心功能之一，它基于地理空间关系，通过对地理数据的处理和分析，揭示地理现象背后的模式、趋势和关联。
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地图的矢量和栅格表示
遥感图像中信息的矢量和栅格表示
§2.空间数据的基本特征
空间数据的类型
空间特征数据(定位数据)、时间属性数 据（尺度数据）和专题属性数据(非定 位数据)。
对于绝大部分地形信息系统的应用来说， 时间和专题属性数据结合在一起共同作 为属性特征数据，而空间特征数据和属 性特征数据统称为空间数据(或地理数 据)。
◦ 隐式表示，是由一系列定义了始点和终点 的线及某种连接关系来描述，线的始点和 终点坐标定义为一条表示河流及其河心洲 形状的矢量
河流的显式和隐式表示
计算机对地理实体的显式描述也称栅格 数据结构，计算机对地理实体的隐式描 述也称矢量数据结构。
栅格和矢量结构是计算机描述空间实体 的两种最基本的方式。
GIS基本功能的实现过程
文件图表
数据获取
原始数据
数据的处理与应用 是GIS核心
空间查询 空间分析
数据编辑 投影变换
结构化数据
数据输出
制图、表格
交互展示
存储检索
空间 数据库
本章内容
地理空间信息描述法 空间数据的基本特征
§1.地理空间信息描述法
地理空间 常规的地理空间信息 地图对地理空间的描述 ◦ 遥感数据对地理空间的描述
地理空间信息的数字化描述方法
地理空间
❖ 地理空间范围
上至大气电离层，下至地幔莫霍面
❖ 地球空间模型
地球的自然表面
✓ 起伏不平，十分不规则 ✓ 包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面
大地水准面
✓ 当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆 下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面
一幅遥感影像
遥感图像解译-地貌和地质信息
地理空间信息的数字化描述方法
对地理信息进行数字化描述，就是要使 计算机能够识别地理事物的形状，为此， 必须精确地指出空间模式如何处理、如 何显示等。在计算机内描述空间实体有 两种形式：显式描述和隐式描述。
一条河流的表示
◦ 显示表示，就是栅格中的一系列像元。
在地图学上，把地理空间的实体分为点、 线、面三种要素，分别用点状、线状、 面状符号来表示。具体分述如下：
点状要素。指那些占面积较小，不能按 比例尺表示，又要定位的事物。因此， 面状事物和点状事物的界限并不严格。 如居民点，在大、中比例尺地图上被表 示为面状地物，在小比例尺地图上则被 表示为点状地物。
✓ 仍然起伏不平
地球表面的几何模型
地球自然表面 相对抽象的面-大地水准面 地球椭球体模型
✓以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型 ✓扁率 α=(a-b)/b ✓平均椭球体——全球范围内贴合大地基准面 ✓参考椭球体——局部范围内贴合大地基准面
•1954 北京坐标系——克拉索夫斯基椭球体 •1980 西安坐标系
对点状要素的质量和数量特征，用点状 符号表示。
线状要素
对于地面上呈线状或带状的事物如交通 线、河流、境界线、构造线等，在地图 上均用线状符号来表示。当然，对于线 状和面状实体的区分，也和地图的比例 尺有很大的关系。如河流，在小比例尺 的地图上，被表示成线状地物，而在大 比例尺的地图上，则被表示成面状地物。 通常用线状符号的形状和颜色表示质量 的差别，用线状符号的尺寸变化(线宽 的变化)表示数量特征。
地图对地理空间的描述
地图是现实世界的模型，它按照一定的比例、 一定的投影原则，有选择地将复杂的三维现 实世界的某些内容投影到二维平面媒介上， 并用符号将这些内容要素表现出来。地图上 各种内容要素之间的关系，是按照地图投影 建立的数学规则，使地表各点和地图平面上 的相应各点保持一定的函数关系，从而在地 图上准确地表达地表空间各要素的关系和分 布规律，反映它们之间的方向、距离和面积。
空间数据的基本特征
1、空间特征 空间特征又称定位特征或几何特征。数据的空间
性是指这些数据反映现象的空间位置及空间位置关系。 通常以坐标数据形式来表示空间位置，以拓扑关系来 表示空间位置关系。 2、属性特征
✓ 含有地轴的平面，称为子午面
✓ 子午面与地球椭球体的交线，称为经线
✓ 垂直地轴的平面与椭球体的交线为纬线
S
▪ 地理坐标是一种球面坐标，难以进行距离、方向、面积等参数 的计算，为此，最好把地面上的点表示在平面上，采用平面坐 标系(笛卡儿平面直角坐标)。
▪ 由于地球表面是不可展开的曲面，也就是说曲面上的各点不能 直接表示在平面上，因此必须运用地图投影的方法，建立地球 表面和平面上点的函数关系，使地球表面上任一个由地理坐标 (x，y)确定的点，在平面上必有一个与它相对应的点
数学模型
水准面
铅垂线
地球椭球体
地球表面 大地水准面
地理空间坐标系
N
确定地面点的位置，最直截了当的方法就是用地理坐标(A纬纬 度线 、
经度)来表示
本
地理坐标系
初
E
子
Q
✓ 直接建立在球体上用经度和纬度表达地理对象位置 午
线
✓ 以地理极(北极、南极)为极点。地理极是地轴
赤道
(地球椭球体的旋转轴)与椭球面的交点
遥感影像对地理空间的描述
遥感影像对空间信息的描述主要是通过 不同的颜色和灰度来表示的。这是因为 地物的结构；成分、分布等的不同，其 反射光谱特性和发射光诺特性也各不相 同，传感器记录的各种地物在某一波段 的电磁辐射反射能量也各不相同，反映 在遥感影像上，则表现为不同的颜色和 灰度信息。所以说，通过遥感影像可以 获取大量的空间地物的特征信息。
空间数据
表征地理空间内事物的数量、质量、分 布、内在联系和变化规律的图形、图像、 符号、文字和数据等统称为空间（地理） 数据。
空间数据是GIS的核心，也有人称它是 GIS的血液，因为GIS操作对象是地理 数据，因此，设计和使用GIS的第一步 工作就是根据系统的功能，获取所需要 的地理数据，并创建空间数据库 。
面状要素
面状分布的地理事物很多。其分布状况并不 一样，有连续分布的，如气温、土壤等，有 不连续分布的，如森林、油田、农作物等
对于不连续分布或连续分布的面状事物的分 布范围和质量特征，一般可以用面状符号表 示。
对于连续分布的面状事物的数量特征及变化 趋势，常常可以用一组线状符号——等值线 表示，如等温线、等降水量线、等深线、等 高线等，其中等高线是以后GIS建库中经常用 到的一种数据表示方式。