第3讲 GIS的数据结构
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。
GIS的空间数据结构
GIS的空间数据结构在地理信息系统（GIS）中，空间数据结构是用于组织和描述空间信息的数据模型。
它能够将现实世界中的地理现象和空间实体转化为计算机可处理和存储的数据形式。
以下是关于GIS空间数据结构的几个主要组成部分：1、矢量数据结构：矢量数据结构以点、线和多边形来表示空间实体。
每个点由一对坐标（x,y）定义，线由一系列坐标点构成的序列定义，多边形则由一个闭合的坐标序列定义。
矢量数据结构适用于表示连续的空间现象，如地形、河流、土地利用等。
2、栅格数据结构：栅格数据结构将空间划分成均匀的网格，每个网格对应一个像素或地块。
每个网格的值通常代表该区域的一种属性，如海拔、植被类型、人口密度等。
栅格数据结构适用于表示连续的空间现象，特别是那些可以很容易转化为像素值的数据，如卫星图像。
3、不规则三角网（TIN）：这是一种用于表示三维表面的数据结构。
它由一系列不重叠的三角形构成，每个三角形表示一个地形表面。
TIN 数据结构适用于表示连续且不规则的空间现象，如地形起伏、土壤类型等。
4、对象-关系型数据结构：这种数据结构将空间实体表示为对象，并将属性、事件和其他空间关系表示为对象的属性。
对象-关系型数据结构适用于表示复杂的空间关系和具有多种属性的空间实体。
在GIS应用中，选择适当的数据结构对于提高数据处理、查询和分析的效率至关重要。
此外，不同的数据结构也具有不同的优缺点，需要根据具体的应用需求和数据特性来选择。
基于ArcSDE的GIS空间数据存储分析引言随着地理信息系统（GIS）在各个领域的广泛应用，如何有效地存储和管理空间数据成为了一个重要的问题。
ArcSDE（Spatial Data Engine）作为一种先进的空间数据存储和分析技术，为GIS应用提供了强大的支持。
本文将介绍ArcSDE的基本概念、优势及其在GIS空间数据存储分析中的应用。
ArcSDE概述ArcSDE是一种面向对象的地理数据库引擎，它由Esri公司开发，可在多种数据库管理系统（如Oracle、PostgreSQL、MySQL等）上运行。
地理信息系统导论第3章 GIS数据结构及空间数据库
学习指南 本章介绍了地理实体及其描述、空间数据模 型、空间数据结构与空间数据库设计描述实体的 空间数据具有三个基本特征：空间特征、属性特 征和时间特征。根据反映实体特征的不同，空间 数据可分为不同的类型：几何数据、关系数据、 属性数据和元数据，而不同类型的空间数据在计
15
拓扑关系不但用于空间数据的组织和编 辑，而且在空间分析和应用中具有十分 ①确定空间实体的相对位置 ②有助于空间要素的查询 ③根据拓扑关系可重建地理实体
16
（2）拓扑关系的种类与表示
1)关联 2)邻接 3)包含关系 4)几何关系 5)层次关系
17
图3.7 面状实体之间的包含关系
18
3.2 空间数据模型 空间数据模型通常分为两大类：场(Field)模型 和对象(Object)模型。
通常的空间数据的概念模型包括场(Field)模型 和对象(Object) 矢量结构和栅格结构都可用来描述地理实体 1 的点、线、面三种基本类型。
3.1地理实体及其描述 3.1.1 从真实世界到GIS 现实世界又称“真实世界”，是所有事物或事 实（fact）的集合，无论人们是否知道、了解、认 识这些事物或现象，它们依然客观存在。要正确地 认识、掌握与应用这些广泛而复杂的信息，需要进 行去粗取精、去伪存真的加工。从真实世界到GIS 世界，经过了由感性认识到理性认识的一个抽象过 程。现实世界在人们头脑中的反映称为概念世界， 人类能对其所认识的事物用人类自然语言命名，因 而也称为“语言世界”。
14
（1）定义 拓扑关系（Topology）是一种对空间结构关系 进行明确定义的数学方法。它是指图形在保持连续 状态下变形，但图形关系不变的性质。可以假设图 形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸 和压缩，但不能扭转或折叠，这时原来图形的有些 属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性 ，后者称为非拓扑属性或几何属性。这种变换称为 拓扑变换或橡皮变换。
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。
第3讲gis数据组织与结构
第3讲gis数据组织与结构第 3 讲 GIS 数据组织与结构在当今数字化的时代，地理信息系统（GIS）已经成为了我们理解和分析地理现象、解决地理问题的重要工具。
而 GIS 数据的组织与结构，则是 GIS 系统能够高效运行和发挥作用的基础。
GIS 数据是什么呢？简单来说，它是关于地理空间的各种信息的数字化表达。
这些信息可以包括地理位置、地形地貌、土地利用、道路网络、建筑物分布等等。
想象一下，我们要把这些复杂多样的地理信息有效地存储、管理和分析，就必须要有一套科学合理的数据组织与结构。
GIS 数据的组织方式可以大致分为两类：矢量数据和栅格数据。
矢量数据就像是用线条和点来描绘地理对象。
比如说，一条河流可以用一系列的线段来表示其轮廓，一个城市可以用一个点来代表其中心位置。
矢量数据的优点在于它能够精确地描述地理对象的形状和位置，而且数据量相对较小，便于存储和处理。
它特别适合用于表示那些边界清晰、形状规则的地理要素，比如道路、建筑物等。
栅格数据呢，则是把地理空间划分成一个个均匀的网格，每个网格中的值表示了该位置的某种属性。
比如，一张卫星图像就是典型的栅格数据，每个像素点都记录了相应地面位置的光谱信息。
栅格数据的优点是处理起来比较简单，容易进行各种数学运算和分析。
但它的数据量通常较大，而且对于形状复杂的地理对象，可能会有一定的精度损失。
在实际应用中，我们常常根据具体的需求和数据特点来选择使用矢量数据还是栅格数据，或者两者结合使用。
那么，GIS 数据又是如何进行结构组织的呢？这就涉及到了数据模型的概念。
常见的数据模型有拓扑数据模型和面向对象数据模型。
拓扑数据模型强调地理对象之间的空间关系，比如相邻、包含等。
通过建立这种拓扑关系，可以更方便地进行空间分析，比如判断两个区域是否相邻、一条道路是否与另一条道路相交等。
面向对象数据模型则把地理对象看作是具有属性和方法的对象。
比如说，一个湖泊对象不仅有面积、深度等属性，还可能有计算库容这样的方法。
GIS数据组织与结构
GIS数据的重要性与应用
重要性
GIS数据是地理信息系统的核心，它能够提供丰富的地理信息 ，为资源管理、环境保护、城市规划、交通管理等领域提供 决策支持。
应用
GIS数据在各个领域都有广泛的应用，如土地资源管理、森林 资源管理、水资源管理、城市规划、环境保护等。同时，随 着大数据技术的发展，GIS数据在智慧城市、智慧交通等领域 的应用也越来越广泛。
混合数据结构综合了矢量数据结构和栅格 数据结构的优点，既能够表示精确的几何 形状和空间关系，又能够处理大规模的地 理信息数据。这种数据结构适用于各种复 杂的地理信息系统，如城市交通管理、应 急响应系统等。
数据模型与抽象层次
总结词
GIS数据模型是对地理实体和空间关系的抽象描述，不 同的抽象层次具有不同的复杂度和适用范围。
空间分辨率
栅格数据的空间分辨率取 决于像素或网格的大小， 分辨率越高，表示的地理 信息越详细。
数据量
栅格数据量较大，适用于 表示连续变化的地理信息， 如地形、气候等。
混合数据组织
混合数据组织
同时使用矢量数据和栅格数据表示地理信息，以充分发挥各自的优势。
矢量栅格转换
在混合数据组织中，需要实现矢量数据和栅格数据的相互转换，以满足不同应用 的需求。
05 GIS数据应用与发展
数字地球与智慧城市
要点一
数字地球
GIS技术可以整合地球上各种空间数据和信息，构建数字地 球模型，为全球环境监测、资源调查、灾害预警等提供全 面的数据支持。
要点二
智慧城市
GIS技术在智慧城市建设中发挥着重要作用，通过地理信息 数据的整合和分析，实现城市规划、交通管理、公共安全 等方面的智能化。
环境保护与监测
环境保护
第3章地理信息系统的数据结构和空间数据库
第3章地理信息系统的数据结构和空间数据库地理信息系统（GIS）的数据结构是指用于存储、管理和分析地理空间数据的组织方式和模型。
GIS系统的数据结构可以分为两种类型：栅格数据结构和矢量数据结构。
此外，GIS系统还需要一个空间数据库来管理和存储数据。
栅格数据结构是将地理空间数据按照网格或像素的形式进行表示和存储的。
在栅格数据结构中，地理空间被划分为规则的方格或像元，每个像元上都有一个数值来表示特定的属性或特征。
栅格数据结构适用于连续的、均匀分布的数据，如卫星图像和遥感数据。
栅格数据结构的优点是可以进行方便的数值计算和分析，但其缺点是空间精度有限，无法捕捉到细小的地理特征。
矢量数据结构则是通过节点、线和面等几何要素来表示地理空间数据的。
矢量数据结构可以更准确地描述地理特征的形状、位置和属性等信息。
矢量数据结构适用于离散的、不规则分布的数据，如河流、道路和建筑物等。
矢量数据结构的优点是能够捕捉到地理特征的细节，但其缺点是对于复杂的地理现象，数据量较大且分析计算较为复杂。
为了存储和管理这些地理空间数据，GIS系统需要一个空间数据库。
空间数据库是一种专门用于存储和管理地理空间数据的数据库系统。
空间数据库使用了一些地理索引和查询技术，使得用户能够方便地对地理空间数据进行检索和分析。
空间数据库可以高效地存储和管理大量的地理空间数据，并能支持一些空间分析操作，如缓冲区分析、叠置分析等。
总的来说，地理信息系统的数据结构决定了地理空间数据的表示方式和存储结构，而空间数据库则是用来管理和存储这些地理空间数据的。
栅格数据结构适用于连续、均匀分布的数据，而矢量数据结构适用于离散、不规则分布的数据。
空间数据库则是为了方便地存储、管理和分析地理空间数据而设计的。
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§1：概述
地理信息：指与空间地理分布有关的信息，用
来表示地表物体（空间实体）和环境固有的数量 、质量、分布特征、联系和规律
§1：概述
Paper maps
480585.5, 3769234 483194.1, 3768432 485285.8, 3768391 484327.3, 3768565 483874.7, 3769823
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LL8
LL9
LL10
LL11
LL12
LL13
LL14
线与线 间有效 的拓扑 关系共 有 33 个， 这里只 给出了 21个
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LL15
LL16
LL17
LL18
LL19
LL20
LL21
26
拓扑关系描述——面/面拓扑关系(Egenhofer, 1991)
0 0 1
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1 1 1
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17
1 地理空间数据的拓扑关
1) 地理空间数据的拓扑关系
拓扑邻接： 同 拓扑关联： 不 类 元素之间的拓扑关系。
系
同
类 元素之间的拓扑关系。
拓扑包含： 同类不同级 元素之间的拓扑关系。
基本的拓扑关系
18
1 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 拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6 N1 е 1 拓扑包含：P3与P4
A B I A, B A B A B
A B A B A B
A B A B A B
□ A的外部和B的内部的交，记作 A B
□ A的外部和B的边界的交，记作 A B
30
二、地理空间信息的方向关系
方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。 描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计 算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹 角称为连线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、
Relationship）
方向关系（Order Spatial relationship）
顺序
度量关系（Metric Spatial Relationship）
距离
16
1 地理空间数据的拓扑关
系
拓扑变量与不变量
拓扑（Topology）一词来自于希腊文，意为“形 状的研究”。研究在拓扑变换下能够保持不变的 几何属性—拓扑属性。
N2
P1 е5
P2 е2
е6
N4
P3
N5
е3 е7
е4
N3
P4
19
复杂的拓扑关系 相邻 相交 相离 包含 重合
点—点
点—线 点—面 线—线 线—面
面—面
20
2) 地理空间数据拓扑关系应用价
值
（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐 标和距离 （2）利于空间要素查询 （3）重建地理实体
21
拓扑关系描述——4I模型(Egenhofer,
1 1 1
LL1
LL2
LL3
LL4
LL5
LL6
LL7
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0 0 1
1 0 1
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C
A
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B
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A
0 0 1 0 0 1 1 1 1
B
B
A
0 0 1 0 0 1 1 1 1
28
外部的无限性，导致目标的外部与边界和内 部是线性相关的，使得外部在九交模型中的作 用不是很明显。
1 1 1
1 1 1
1 1 1
1 0 0
1 0 0
1 1 1
Disjoint
Meet
Overlap
Contain
面与面 间有效 的拓扑 关系共 有8个
1 0 0
0 1 0
0 0 1
1 1 1
0 1 1
0 0 1
1991)
Relations (area / area) Set representation:
• S1: dC ∩ dU • S2: dC ∩ U° • S3: C°∩ dU • S4: C°∩ U°
- disjoint - inside - touch - equals - covers
S1-S4 empty/not empty - overlap In theory 16 options, of which 6 are really different
Coordinates
GIS Data
Digital data
如何组织？
空间数据模型：用来抽象模拟 地理空间信息的数据组织方案 GPS
§1：概述
观察与认知
概念模型:实体及 实体间联系的抽
现 实 世 界
象概念集
逻辑模型:用计算 机实现的数据类型 来描述实体及实体 关系 物理模型:数据物 理组织、存取方法 等
5场
场的特性
空间结构特征：可以进行长度和角度测量的欧 几里德空间 属性域的数值可以包含以下几种类型：名称、 序数、间隔和比率
• 支持空值，未知或不确定则赋予空值。
连续的、可微的、离散的 各向同性和各向异性 空间自相关
第2节 地理对象的空间关系
拓扑关系（Topological Spatial
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1 1 1
0 0 1
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LR42
LR44
LR46
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LR64
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LR71
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1 1 1
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LR72
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LR76
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拓扑关系描述——线/线拓扑关系(Egenhofer, 1991)
0 0 1
0 0 1
1 1 1
1 0 1
A B A B A B V V A B A B A B AV B AV B AV BV
■ 若两个空间对象相邻时， AV BV 非空；若被其它目标隔开， AV 为空，因而空 BV 则 V9I模型用可以区分相邻和相离两种 拓扑关系，而9交模型把二者均描述为相离。
6场
一个空间上连续分布的状态或现象，如：
空气中污染物的集中程度 地表的温度 土壤的湿度 空气与水的流动速度和方向 地球表面
场可以表现为二维或三维：
二维场：在二维空间中任何已知的地点上，都有一 个表现这一现象的值； 三维场：在三维空间中对于任何位置来说都有一个 值。
美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月 该洲可能的500个地震位置
9
2 线实体
有长度，但无宽度和高度
用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多
度量实体距离
香港城市道路网分布
10
3 平面实体
具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面
中国土地利用分布图（不连续面）
第三讲：
空间数据模型与数据结构
主要内容
1
2 3 4
概述
空间关系 空间数据结构 空间数据结构
5
6
空间数据来源及类型
空间数据组织
§1：概述
地理：泛指地球表面各种自然现象和人文现象， 以及它们之间的相互关系和区域分异 地理信息：
指与空间地理分布有关的信息，它表示地表物 体和环境固有的数量、质量、分布特征，联系 和规律
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LR11
LR12
LR13
LR22
LR31
LR32
LR33
线与面 间有效 的拓扑 关系共 有19个
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11
4 曲面实体
不连续变化曲面：如土壤、 森林、草原、土地利用等， 属性变化发生在边界上， 面的内部是同质的。
连续变化曲面： 如地形起伏， 整个曲面在空 间上曲率变化 连续。
12
5 空间对象：体