空间数据组织与结构
拓扑关系表 关联性 点与点
一、空间数据的拓扑关系
相邻（连）性 相离性 相交性 包含性 重合性
线与线
面与面
点与线
点与面
线与面
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一、空间数据的拓扑关系
4 地理空间数据的拓扑关系
拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3
1 1 1 1 1 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8
弧段与结点的拓扑关系 弧 段 结 点 a A , B b B , D c D , A d B , C e C , A f C , D g E , E
10
B
空间数据库
一、空间数据的拓扑关系
6 空间拓扑关系表达—关系表
A P0 e P3 f C b P2 d
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c E
P1 a D P4 g
弧段与面域的拓扑关系 弧段 左邻面 右邻面 a P0 P1 b P2 P1 c P3 P1 d P0 P2 e P0 P3 f P3 P2 g P1
面域与弧段的拓扑关系 面 域 弧 段 P1 a, b, c, -g P2 b, d, f P3 c, f, e P4 g
B
空间数据库
11
二、地理信息空间数据结构
1 GIS空间数据结构
• 空间数据结构 • 矢量数据结构 • 栅格数据结构
• 栅格结构与矢量结构的比较
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空间数据库
12
二、地理信息空间数据结构
1 GIS空间数据结构
栅格图
西北望
卧佛寺 西苑 颐和园 香山
主要地名
Labels of 主要地名
玉泉山
城区边界 水域 铁路 北京街区
BEIJING1.BMP
拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6
拓扑包含：P3与P4
е1
N1
N2
P1 е5
P2
е6
N4
P3
N5
е3 е7
е4
N3
P4
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е2
空间数据库
7
5 地理空间数据 е1 拓扑关系的表示
N2
N1
结点集合
P1 е5 P2
е6
N4
P3
N5
е3 е7
е4
N3
针
P4
е2
结点名 N1 N2 N3
第三讲
空间数据组织与结构
第3讲 空间数据组织与结构 一、 空间数据的拓扑关系 二、 地理信息空间数据结构
三、 地理数据的编码方法
四、 失量与栅格数据结构转换 五、 空间数据分层组织
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空间数据库
2
一、空间数据的拓扑关系
1 空间对象的空间关系表达
描述空间对象之间的空间相互作用关系 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等； 相对关系：相邻、包含、关联等 相对关系类型 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前 后、左右、东、西、南、北等。 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。 在GIS中的空间关系必须进行定义和表达。
3 空间对象的拓扑空间关系
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，包括链、弧段和线段 面：若干弧段组成的多边形 基本拓扑关系 关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：拓扑元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系 点、线、面之间的拓扑关系
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指
坐标 x1，y1 x2，y2 x3，y3
8
第一个离开弧段 e3 e1 e2
第一个到达弧段 e1 e2 e3
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5 地理空间数据 拓扑关系的表示
N2
е1 P1 е5 P2
N1
е6
N4
P3
N5
е3 е7
多边形集合
е4
N3
针
P4
е2
多边 形名 指 顺时针第一弧段
逆时针第一弧段
属性
3 矢量数据结构
矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等 地理实体。 特点：定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。
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二、地理信息空间数据结构 地理信息数字化描述方法
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空间数据库
0.0 7.5 15.0 22.5 30.0 37.5 km
矢量图
忠县
合川市
石柱土家族自治县
梁县
长寿县 李渡区
武隆县 南川市
空间数据库
彭水苗族土家族自治县
14
二、地理信息空间数据结构
2x1 y1 x2 y2
j
Y
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空间数据库
16
二、地理信息空间数据结构
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空间数据库
3
一、空间数据的拓扑关系 重点
2 地理空间数据的拓扑关系
拓扑关系 简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连 接关系。 在GIS中，它不但用于空间数据的组织， 而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。
拓扑变换
（橡皮变换）
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一、空间数据的拓扑关系
西郊机场 八大处
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五里坨
空间数据库
黄庄
13
二、地理信息空间数据结构
1 GIS空间数据结构
武胜县 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 北碚区 渝北区 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
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P1 P2 P3
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e1 e2 e3
空间数据库
e5 e4
t1 t2 t3
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一、空间数据的拓扑关系
6 空间拓扑关系表达—关系表
A P0 e P3 f C b P2 d
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c E
P1 a D P4 g
结点与弧段的拓扑关系 结 点 弧 段 A a, c, e B a, d, b C d, e, f D b, f, c E g
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二、地理信息空间数据结构
3 栅格数据结构
栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数 据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。 特点：属性明显，定位隐含。 获取方法： 2 2 2 1 (1) 手工网格法； 2 2 2 1 3 2 2 1 2 2 2 (2) 扫描数字化法； 1 2 2 1 (3) 分类影像输入法； 1 1 8 8 8 1 (4) 数据结构转换法。 1 8 8 8 8
第三章2-空间数据结构与管理
(X,Y) Polygon (X5,Y5) (X4,Y4)
(X2,Y2)
(X3,Y3)
3、矢量数据获取途径
1) 由外业测量获得 利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库。 2) 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。 3) 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。
4、Hale Waihona Puke 量数据编码⑪点实体数据编码
对于点实体矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码。
⑫线实体矢量数据编码
唯一标识码是系统排列序号； 线标识码可以标识线的类型； 起始点和终止点号可直接用坐标表示；
显示信息是显示时的文本或符号等； 与线相联系的非几何属性可以直接存储于线文件中， 也可单独存储，而由标识码联接查找。
四叉树编码优点
容易而有效地计算多边形的数量特征； 阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级 多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率 低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量； 栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容 易； 多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。
2、栅格数据取值方法
⑪中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心 点对应的面域属性值来确定。 ⑫长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线 （水平或垂直）的大部分长度所对应的面域 的属性值来确定。 ⑬面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格 单元中占据最大面积的属性值来确定。 ⑭重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程 度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅 格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域 尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留 的原则。
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)
第三章空间数据的组织与结构
第三章空间数据的组织与结构空间数据的组织与结构是指如何有效地管理和存储大量的空间数据，并通过数据结构的设计来支持对空间数据的查询和分析。
本文将介绍空间数据的组织与结构的相关概念和技术，并探讨其在实际应用中的应用。
空间数据的组织与结构主要包括三个方面：空间数据模型、空间索引和空间数据存储。
空间数据模型是描述和表示空间数据的方法和规范。
常用的空间数据模型有欧几里得空间模型、栅格空间模型和矢量空间模型等。
欧几里得空间模型是最简单和常用的空间数据模型，它主要通过坐标系和几何对象来描述和表示空间数据。
栅格空间模型是将空间分为固定大小的网格单元，每个单元可以表示一个值或几何对象。
矢量空间模型是通过点、线、面等几何对象来表示空间数据。
不同的空间数据模型适用于不同的应用场景，选择合适的空间数据模型对于提高数据的可用性和处理效率非常重要。
空间索引是一种数据结构，用于加快对空间数据的查询和分析。
常用的空间索引方法有R树、四叉树和网格索引等。
R树是一种平衡树结构，可以将空间数据划分为不重叠的矩形区域，并将每个矩形区域关联一个叶子节点。
四叉树是一种二叉树结构，将空间数据划分为大小相等的四个象限，并将每个象限关联一个子节点。
网格索引是将空间数据划分为固定大小的网格单元，每个单元可以包含一个或多个空间数据对象。
空间索引可以将相邻的空间数据对象组织在一起，从而加快空间数据的查询和分析。
空间数据存储是指将大量的空间数据有效地存储在物理介质上。
常用的空间数据存储方法有关系型数据库、文件系统和专用数据库等。
关系型数据库是最常用的存储空间数据的方法，它可以通过表和索引来组织和管理多个空间数据对象。
文件系统是一种将空间数据以文件的形式存储在磁盘上的方法，它可以通过目录和文件名来组织和管理空间数据。
专用数据库是一种专门用于存储和处理空间数据的数据库管理系统，它提供了高效的空间数据存储和查询功能。
在实际应用中，空间数据的组织与结构对于地理信息系统、物流管理和地图导航等领域具有重要的意义。
空间数据的组织与结构一
y
0
0
0
0
9
0
0
0
0
0 0 0 0 0 9 x
0
0 0 6 9 9 0
0
0 0 9 0 0 0
9
9 9 0 0 0 0
0
0 0 7 7 7 0
0
7 7 7 7 7 0
0
7 7 7 7 7 0
0
0 0 7 0 0 0
(a) 点、线、面数据 (b) 栅格表示 图3-1 点、线、面数据的栅格结构表示
二、特点
0
0 0 0
0
0 0 0
0
0 0 0
0
0 0 0
7
7 7 7
7
7 7 7
7
7 7 7
7
7 7 7
(4,4,1,0),(4,2,1,0), (4,3,1,0), (4,4,1,0),
(5,1,4,0), (5,5,4,7)
• 一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界 越简单，块状编码的效率就越好。 • 多边形效果并不好。 • 块状编码在合并、插入、检查延伸性、计算面积 等操作时有明显的优越性。然而对某些运算不适 应，必须在转换成简单数据形式才能顺利进行。
综合练习:
有一栅格数据文件按行方向由左到右、自上而下直接 栅格编码表示为： 1，2，2，2；0，1，2，2；1，3，2，2；0，1，2，2。分析 并回答下列问题。 ①表示面状地物的代码是几？ ②假设方向代码分别表示为：东=0，东北=1，北=2，西北=3， 西=4，西南=5，南=6，东南=7。写出线状地物的链式编码。 ③按列方向写出一种游程编码方案。 ④块状编码中最大正方形的半径是多少？ ⑤按四叉树分解最多能分解几次？最大层数为多少？
第3讲gis数据组织与结构共42页文档
3.2.1栅格与矢量的基本概念
• 描述地理实体的数据本身的组织方法， 称为内部数据结构。
• 内部数据结构基本上可分为两大类： 即矢量结构和栅格结构。 GIS的内部数据结构如图3-1所示。
图3-1 矢量结构和栅格结构
3.2.2 矢量数据模型与栅格数据模型比较
栅格模型 优点： 1、数据结构简单 2、叠加操作易实现 3、能有效表达空间可变性 4、栅格图象便于做图象的有效增强
矢量格式向栅格格式的转换的常用算法
①内部点扩散法 ②复数积分算法 ③射线算法 ④扫描算法 ⑤边界代数算法（Boundary Algebra Filling)[任伏虎博士]
3.3 空间数据分层组织
• 空间数据分层的方法 1）按专题分层 2）按时间序列分层 3）以地面垂直高度分层
区域（Region）：空间上相邻或重叠的点、线、面要 素可以按一定的地理意义组成区域。
3.1.1 数据库结构
关系模型（relational model）满足一定条件的二维表格
层次模型（hierarchical model）以记录类型为节点的有 向树（tree），其主要特征是： （1）除根节点外，任 何节点都有且 只有一个“父亲”；（2）“父”节点表 示的实体与“子”节点表示的实体是一对多的联系。
线：（Line）：是具有相同属性的点的轨迹，由一个 坐标对序列表示，坐标对顺序与线的开头有关，线上 每个点有不多于二个邻点。
面（Area）：是具有相同属性的点的轨迹，以（x、y） 坐标对的集合表示，坐标对的排列顺序不影响面的形 态，具内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有至 少一个相同属性。
3）重要性法
重要性法常用于具有特殊意义而面积较 小的地理要素，特别是点、线状地理要 素，在栅格中代码应尽量表示这些重要 第五。
空间数据结构的相关概念
空间数据结构的相关概念
空间数据结构是指用来组织和管理在计算机存储空间中存储的数据的一种数据结构。
它主要包括以下几个概念：
1. 空间分配：空间分配是指将计算机的存储空间划分为不同的存储单元，并对这些存储单元进行分配和管理。
常用的空间分配方法有连续分配、链式分配和索引分配等。
2. 空间管理：空间管理是指对分配的存储空间进行动态管理和维护，以实现高效的存储空间利用。
常见的空间管理技术包括碎片整理、空闲空间管理和存储分配算法等。
3. 空间碎片：空间碎片是指存储空间中未被使用的小块存储空间。
空间碎片的存在会降低存储空间的利用率和效率，因此需要采取合适的空间分配和管理方法来减少碎片。
4. 存储管理：存储管理是指对数据在存储空间中的存储和访问进行管理和操作。
常用的存储管理技术有存储器层次结构的设计、缓存管理和页面置换算法等。
5. 文件系统：文件系统是一种用来组织和管理文件的空间数据结构。
它可以提供文件的存储、检索、保护和共享等功能。
常见的文件系统有常见的文件系统有FAT、NTFS、EXT4等。
总之，空间数据结构是一种对存储空间进行组织、管理和操作的数据结构，它涉及到空间分配、空间管理、存储管理和文件
系统等概念。
这些概念在计算机系统设计和数据管理中起着重要的作用。
地理信息系统原理第三章 空间数据模型与数据结构3.2
第1行第N列亮度值 波段n 波段1 第2行第1列亮度值 波段n
BSQ结构
BIP结构
BIL结构
星蓝海学习网13
以行为记录单位按行存储 地理数据。属性明显，位 置隐含。 缺点：存在大量冗余，精 度提高有限制。
星蓝海学习网14
0 0 0 0 0 4 4 4 记录1 0 0 0 0 0 4 4 4
星蓝海学习网
• 优点：
• 栅格加密时，数据量不会明显 增加，压缩效率高，最大限度 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，得到 广泛应用。
• 缺点：
• 不适合于类型连续变化或类型 区域分散的数据。
星蓝海学习网
(2)压缩栅格数据结构
块码（二维游程编码）（行，列，半径，属性值）
弧段ID a b c d e
起始点 5 7 1 13 7
终结点 1 1 13 7 5
… … … 左多边形 Q A Q D D
右多边形 A B B B A
f
13
5
Qห้องสมุดไป่ตู้
D
点号 1 2
…… 25
坐标 （x1，y1） （x2，y2）
…… （x25，y25）
g
25
弧段ID
点号
a
5,4,3,2,1
b
7,8,1
c
1,9,10,11,12,13
• 采用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，数据结构由初始位置(行、 列号)和半径，再加上记录单元代码组成。特点：
• 一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块状编码的效率就越好。
• 块状编码对大而简单的多边形更为有效，而对那些碎部较多的复杂多边形效果并不好。
空间数据组织与管理概述
空间数据组织与管理概述1. 引言空间数据指的是地理位置信息与属性信息结合的数据。
在现代化社会中，空间数据的组织与管理对于各种领域的决策和规划至关重要。
空间数据组织与管理的目的是有效地存储、查询、分析和可视化空间数据，以支持地理信息系统（Geographic Information System, GIS）的应用。
2. 空间数据组织在进行空间数据组织之前，我们首先需要了解空间数据的特征。
空间数据通常由几何数据与属性数据组成。
几何数据描述了地理实体的位置、形状和大小，而属性数据描述了与地理实体相关的数量、品质和状态等信息。
2.1 点、线和面几何数据的基本形式包括点、线和面。
点表示一个具体的地理位置，线表示连接两个或多个点的路径，面表示一个封闭的区域。
通过将这些基本形式组合，可以描述复杂的地理现象。
2.2 地理参照系地理参照系是空间数据组织的基础。
它定义了空间数据的坐标系统和地理投影方式，以确保不同数据源之间的一致性和对齐性。
2.3 空间索引为了提高空间数据的查询效率，通常需要使用空间索引来组织和管理数据。
空间索引是一种数据结构，能够快速定位空间数据的位置。
常用的空间索引包括网格索引、四叉树和R树等。
3. 空间数据管理空间数据管理是指对空间数据进行存储、查询、更新和删除等操作的过程。
在空间数据管理中，需要考虑数据的完整性、一致性和安全性。
3.1 数据存储空间数据存储可以采用关系型数据库、文件系统或分布式存储等方式。
关系型数据库通常使用空间扩展模块来支持空间数据的存储和查询。
文件系统可以直接存储空间数据的文件，而分布式存储则将数据分布在多个计算节点上，以提高数据的可扩展性和容错性。
3.2 数据查询空间数据查询是通过查询语言（如SQL）来获取满足特定条件的空间数据。
查询语言通常包括空间操作符（如相交、包含等）和空间函数（如计算距离、面积等）来处理空间数据。
3.3 数据更新和删除空间数据的更新和删除需要考虑数据完整性和一致性。
第三章空间数据的组织与结构(二)
24 25 8 6
3 4
5
多边形原始数据
多边形 A B
数据项
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y 9),(x1,y1) (x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
栅格数据结构是一种影像数据结构，适用于遥 感图像的处理。它与制图物体的空间分布特征 有着简单、直观而严格的对应关系，对于制图 物体空间位置的可探性强，并为应用机器视觉 提供了可能性，对于探测物体之间的位置关系, 栅格数据最为便捷。 多边形数据结构的计算方法中常常采用栅格选 择方案，而且在许多情况下，栅格方案还更有 效。例如，多边形周长、面积、总和、平均值 的计算、从一点出发的半径等在栅格数据结构 中都减化为简单的计数操作。
c
d e f g h i j
16
19 15 15 1 8 16 31
8
5 19 16 15 1 19 31
E
O O D O A D B
B
E D B B B E C
弧段文件
弧段坐标文件
结点号 1 2
坐标 (x1,y1)
连接弧段 a,g
…… …… …… ……
结点文件
…… …… …… ……
……
22 23
24 25 8 6
3 4
5
B
C
D
EaΒιβλιοθήκη bcfg
h j
空间数据的组织与结构
空间数据的组织与结构在当今数字化的时代，空间数据的重要性日益凸显。
从导航应用到城市规划，从地质勘探到环境保护，空间数据在各个领域都发挥着关键作用。
而要有效地管理和利用这些空间数据，就需要深入理解其组织与结构。
空间数据，简单来说，是指具有空间位置特征或属性的数据。
它可以是地理坐标、地图上的点、线、面，也可以是与空间位置相关的其他信息，如温度、湿度、人口密度等。
那么，空间数据是如何组织起来的呢？常见的组织方式有栅格数据结构和矢量数据结构。
栅格数据结构将空间区域划分为规则的网格单元，每个单元都有一个值来表示相应的属性。
比如说，在一张卫星图像中，每个像素就是一个栅格单元，其颜色值代表了该位置的地物特征。
栅格数据结构的优点是处理简单、运算速度快，适用于对空间数据进行全局分析和大规模数据的快速处理。
但它也存在一些缺点，比如数据冗余度大，因为每个单元都要存储一个值，即使相邻单元的值可能相同；而且栅格数据的精度相对较低，难以精确表示复杂的地理实体边界。
与栅格数据结构不同，矢量数据结构通过点、线、面等几何对象来表示地理实体。
例如，一条河流可以用一条线来表示，一个湖泊可以用一个面来表示。
矢量数据结构能够更精确地描述地理实体的形状和位置，数据冗余度小，占用存储空间相对较少。
但矢量数据结构的处理算法相对复杂，在进行某些空间分析操作时可能不如栅格数据结构高效。
在实际应用中，选择栅格数据结构还是矢量数据结构，往往取决于具体的需求和数据特点。
如果需要对大面积的空间数据进行快速分析，且对精度要求不是特别高，栅格数据结构可能是更好的选择；而对于需要精确表示地理实体形状和边界的情况，矢量数据结构则更为合适。
除了这两种基本的数据结构，还有一些混合的数据结构，它们结合了栅格和矢量数据结构的优点，以满足更复杂的应用需求。
空间数据的组织还涉及到数据的分层。
就像我们整理书架时会把不同类型的书放在不同的层架上一样，空间数据也可以根据其主题、属性或用途进行分层。