空间数据结构及编码
GIS原理-判断及选择题
二.选择题
8.数据库系统是：____。（ ） A.存储在计算机内的有结构的数据集合 B.一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作 C.指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统 D.数据文件的集合
二.选择题
6.在地理信息系统中，通常使用的三个坐标系是：_____。（ ） A.世界坐标系、规范化坐标系和设备坐标系 B.世界坐标系、用户坐标系和设备坐标系 C.世界坐标系、局部坐标系和设备坐标系 D.局部坐标系、用户坐标系和设备坐标系
7.图形数据的编辑功能主要是：________。（ ） A.利用已知的理论数据和实际数据建一多项式变换公式，用此公式修改错误数据 B.利用 GIS 软件提供的程序，自动删除图形数据中的错误数据 C.利用开窗口功能和光标定位功能，人机交互的修改图形中的错误数据 D.利用图形变换功能来修改图形中的错误数据
第一章 绪论
一.判断题
1.在通常情况下，对信息和数据可不作严格区分，在不引起误解的情况下可以通用，因此信息和数 据无本质区别。 （对 错 ）
2.GIS 与 DBS 的最大差别是前者具有处理图形数据功能，而后者没有。 （对 错 ）
3.GIS 与 CAD 系统两者都有空间坐标，都能把目标和参考系统联系起来，都能描述图形拓扑关系，也 能处理属性数据，因而无本质差别。 （对 错 ）
3.手扶跟踪数字化输入得到的是矢量数据。 （对 错 ）
4.对于一条折线一般选择流方式数字化。 （对 错 ）
5.对于不规则曲线图形常选择流方式数字化。 （对 错 ）
6.扫描输入最大的缺点是噪声、数据量大。 （对 错 ）
空间数据的结构与编码
空间数据的结构与编码在当今数字化的时代，空间数据成为了我们理解和处理地理信息的重要基石。
空间数据不仅在地理科学、城市规划、环境保护等领域发挥着关键作用，也在日常生活中的导航、地图应用等方面为我们提供了极大的便利。
而要有效地处理和利用空间数据，就离不开对其结构和编码的深入理解。
空间数据，简单来说，就是描述地理空间中对象的位置、形状、大小等特征的数据。
它可以是点、线、面等几何对象，也可以是与这些对象相关的属性信息，比如一个城市的人口数量、建筑物的高度等。
为了能够高效地存储、管理和处理这些复杂多样的空间数据，我们需要对其进行合理的结构设计和编码。
空间数据的结构可以分为矢量数据结构和栅格数据结构两大类。
矢量数据结构将空间对象表示为点、线、面等几何元素，并通过坐标来精确描述其位置和形状。
例如，一条河流可以用一系列连接的线段来表示，每个线段的端点都有明确的坐标。
矢量数据结构的优点在于数据精度高、存储空间小，并且能够方便地进行几何变换和空间分析。
比如，我们可以很容易地计算两个矢量对象之间的距离、面积等。
然而，矢量数据结构在处理大面积的连续数据（如地形）时，可能会比较复杂。
栅格数据结构则将地理空间划分为规则的网格单元，每个单元对应一个特定的值。
比如，在一张卫星图像中，每个像素就是一个栅格单元。
栅格数据结构的优点是处理简单、易于与遥感数据结合，适用于对大面积连续现象的模拟和分析。
但它的缺点是数据量较大，精度相对较低，且在进行几何操作时可能会产生锯齿状的边缘。
除了上述两种主要的数据结构，还有一些混合结构，如矢栅一体化结构，结合了矢量和栅格数据结构的优点，以满足不同应用场景的需求。
接下来，让我们谈谈空间数据的编码。
编码是将空间数据转换为计算机能够理解和处理的形式的过程。
常见的编码方式包括拓扑编码、坐标编码、块编码等。
拓扑编码通过记录空间对象之间的拓扑关系（如相邻、包含等），来减少数据的冗余并提高空间分析的效率。
例如，在一个道路网络中，我们只需要记录每个路段的起点和终点以及它们之间的连接关系，而不需要重复存储每个点的坐标。
空间数据结构
空间数据结构数据结构定义：指数据组织的形式，是指适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构，地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，对数据的一种理解和解释。
空间数据的三大特性：空间，时间，专题属性。
常见的数据结构：矢量结构，栅格结构，数字高程模型，面向对象模型，矢量和栅格的混合数据结构等，网络结构，空间数据编码：1、空间数据结构的实现2将搜集的、经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等资料按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程3在地理信息系统的空间数据结构中栅格结构的编码方式:直接栅格编码、链码、游程长度编码、块码、四叉树码等矢量结构主要有坐标序列编码、树状索引编码和二元拓扑编码等编码方3.2 栅格数据结构一、概述1、栅格数据结构是基于空间划分或铺盖的空间被划分成大量规则的或不规则的空间单元，称为象素(Cell或Pixel)，依行列构成的单元矩阵叫栅格(Grid)三角形方格六角形2、每个单元通过一定的数值表达方式（如颜色、灰度级）表达诸如环境污染程度、植被覆盖类型等空间地理现象3、对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性的铺盖4、目前常用的是基于正方型分划的栅格，是指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5 、栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比6 、GIS中栅格数据经常是来自卫星遥感、摄影测量、激光雷达和扫描设备中，以及用于数字化文件的设备中二、栅格数据组织1 、以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织2 、每个数据表示地物或现象的非几何属性特征点状地物用一个栅格单元表示；线状地物沿线走向的一组相邻栅格单元表示面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示3 、遥感影像属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级三、栅格结构的建立（1）栅格数据的获取途径遥感数据图片的扫描矢量数据转换:手工方法获取: 在专题图上均匀划分网格，逐个网格地确定其属性代码的值，最后形成栅格数据文件（2）栅格系统的确定栅格坐标系的确定:坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。
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主要功能及应用领域
主要功能
包括数据采集与编辑、数据存储 与管理、空间查询与分析、可视 化表达与输出等。
应用领域
广泛应用于城市规划、资源管理 、环境监测、灾害评估、交通运 输、农业、林业、水利等多个领 域。
国内外发展现状与趋势
01 02
国内发展现状
我国地理信息系统起步于20世纪80年代，经过几十年的发展，已经在 理论、技术、应用和产业等方面取得了显著成就，形成了较为完善的产 业体系。
云计算技术能够提供弹性可扩展的计算和存储资源，满足GIS海量数据处理和分析的需 求。
物联网为GIS提供丰富的数据来源
物联网技术能够连接各种传感器和设备，实时采集各种空间信息和非空间信息，为GIS 提供更加丰富、多样的数据来源。
新技术推动GIS向智能化、服务化方向发展
云计算、物联网等新技术的融合应用将推动GIS向更加智能化、服务化的方向发展，为 用户提供更加便捷、高效的服务。
CHAPTER 05
地理信息系统分析方法
缓冲区分析原理及应用实例
缓冲区分析原理
基于点、线、面等地理实体，自动建 立其周围一定宽度范围内的缓冲区多 边形，然后将该缓冲区多边形与需要 进行空间分析的其他图层进行叠加， 进而得到所需结果。
应用实例
城市规划中，根据道路中心线建立缓 冲区，分析道路两侧的建设控制区； 环境保护中，根据污染源建立缓冲区 ，分析污染源对周围环境的影响范围 。
未来GIS行业面临的挑战和机遇
挑战
数据安全与隐私保护问题日益突出；技术创新和人才培养需求迫切；行业标准化和规范 化程度有待提高。
机遇
国家政策支持为GIS行业发展提供有力保障；市场需求不断增长为GIS行业发展提供广 阔空间；技术创新和跨界融合为GIS行业发展注入新动力。
地理信息系统名词解释
1、地理信息系统地理信息系统是一种采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统。
2. 地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称；它属于空间信息，具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。
4.地理数据:是以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文景观的数据，主要包括数字、文字、图形、图像和表格等。
17.空间数据编码空间数据编码是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程。
编码的目的空间数据编码是用来提供空间数据的地理分类和特征描述，同时为了便于地理要素的输入、存储、管理，以及系统之间数据交换和共享的需要。
2、空间数据结构空间数据结构是指空间数据在计算机内的组织和编码形式。
它是一种适合于计算机存贮、管理和处理空间数据的逻辑结构，是地理实体的空间排列和相互关系的抽象描述。
它是对数据的一种理解和解释。
8. 四叉树数据结构是将空间区域按照四个象限进行递归分割（2n×2n，且n≥1），直到子象限的数值单调为止。
凡数值（特征码或类型值）呈单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。
这样，对同一种空间要素，其区域网格的大小，随该要素分布特征而不同。
3、3S 技术：（GIS、RS、GPS）技术的综合或一体化形成的集成系统。
在这种集成系统中，GPS主要用于实时、快速地提供目标、各类传感器和运载平台的空间位置；RS用于实时或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面的各种变化，及时地对GIS的空间数据进行更新；GIS则是对多种来源的时空数据综合处理、动态存储、集成管理、分析加工，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识。
4、DTM/DEMDTM为数字地形模型，是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM。
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)
空间数据结构与编码-习题
一、在一张土地利用图上Map ，有两个不同属性（P1、P2）的多边形（如图1所示），P1
多边形由a 、e 、g 线段组成，P2多边形由b 、c 、d 、g 线段组成，点的地理坐标分别是1（2.5，2.5），2（4.0，3.0），3（4.0，2.0）4（5.5，3.5），5（5.0，2.5）。
请用层次结构、关系数据库结构分别描述该地图。
图1
二、图2为原始栅格阵列，请完成以下编码：
1）对整个图形采用游程压缩编码；
2）采用链状编码方法对“R ”地物实现编码；
3）给出四叉树编码的树状图和十进制的Morton 编码。
图 2
三、图3为原始栅格阵列，A 、B 代表地物的属性，请采用行程编码和链式编码对B 多边形（空白区域）进行编码。
3 4
Map
P1 P2
a
b
c
e
d 1
2
5
g
图3
四、基于十进制Morton编码方法建立表1的线性四叉树（表1）。
表1。
空间数据结构及编码
多边形编号
多边形边界
10
I,II,IX
20
III,VII,VIII,IX,X
30
X
40
IV,VI,VII
50
II,III,IV,V
• 树状索引结构消除了相邻多边形边界的数 据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂
的边界线或合并相邻多边形时可不必改造 索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对 多边形文件的线索引处理得到。
• 20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16； x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22； x23,y23；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；
• 30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38； x39,y39；x40,y40； x33,y33；
• 链码（Chain Codes）
链码又称为弗里曼链码[Freeman]或边界 链码，链码可以有效地压缩栅格数据，而 且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸 度等运算十分方便，比较适合于存储图形
数据。
缺点是对边界进行合并和插入等修改编辑 工作比较困难，对局部的修改将改变整体 结构，效率较低，而且由于链码以每个区 域为单位存储边界，相邻区域的边界将被 重复存储而产生冗余。
注意：栅格数据模型是将连续空间离散化。
二维空间坐 标网或其局 部
特别方便计算机 运作的数据组织 形式——矩阵数 组
规整栅格：
研究区域划分为规整 格网，空间位置数据 隐含其中
每一网格上放置空 间对象在该位置上 的属性数据
栅格空间数据模型
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3. 岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形 的联系；
4．不易检查拓扑错误。这种方法可用于简单的粗精度 制图系统中
2）树状索引结构 该法采用树状索引以减少数据冗余并间接 增加邻域信息，方法是对所有边界点进行 数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点 索引与边界线号相联系，以线索引与各多 边形相联系，形成树状索引结构
2.有代表性的矢量空间数据结构
非拓扑数据结构
1）Spaghetti结构 ——坐标序列法
由多边形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是 最简单的一种多边形矢量编码，如上图记为以下坐标文件：
• 10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8； x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；
0 4 4
4 4 4
4 4 4
7 4 4
7 4 8
7 7 8
7 7 7
7 7 7
0
0 0 0
0
0 0 0
4
8 0 0
8
8 8 0
8
8 8 8
8
8 8 8
7
7 8 8
7
8 8 8
0
0
0
0
0
8
8
8
该例中块码用了120个整数，比直接编码还多，这是因为例中为描述方便， 栅格划分很粗糙，在实际应用中，栅格划分细，数据冗余多的多，才能显 出压缩编码的效果，而且还可以作一些技术处理，如行号可以通过行间标 记而省去记录，行号和半径等也不必用双字节整数来记录，可进一步减少 数据冗余。
两种方案
1）只在各行（或列）数据的代码发生变化时 依次记录该代码以及相同的代码重复的个 数，从而实现数据的压缩。
（属性值，长度）
例如
（0，1）,（4，2）,（7，5）； （4，5）,（7，3）； （4，4）,（8，2）,（7，2）；（0，2）,（4，1）,（8，3）,（7，2）; （0，2）,（8，4）,（7，1）,（8，1）； （0，3）, （8，5）；（0，4）,（8，4）；（0，5）,（8，3）。
7 4 8 8 8 8 8 0
7 7 8 8 8 8 8 8
7 7 7 7 7 8 8 8
7 7 7 7 8 8 8 8
点
线
面
3.栅格结构编码方式
• 直接栅格编码
• 行程编码 • 块码
• 链式编码
• 四叉树结构 • 二维行程编码
下一页
游程长度编码（Run-Length Codes）
基本思路：对于一幅栅格图像，常常有行 （或列）方向上相邻的若干点具有相同的 属性代码，因而可采取某种方法压缩那些 重复的记录内容。
以下分别为右 图的多边形文 件和线文件树 状索引示意图。 其文件结构如 下：
线与多边形之间的树状索引
点与边界线之间的树状索引
采用上述的树状结构，前图的多边形数据记录如下：
三、矢量数据结构
1.矢量空间数据模型
空间对象 计算机中的表达 点状 点坐标（x,y） 线状 一串点坐标 面状 一串首尾相连的点坐标
描述对象本身的性质； 描述某些空间关系 其他说明数据
二维空间 坐标
几何数据： 表达空间对象形状、 位置及其位置关系
每一点、线、 面的唯一标识 符
属性数据 （常用关 系表组织）
• 50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24； x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28； x21,y21；
坐标序列法文件结构简单，易于实现以多边形为单位 的运算和显示。 缺点： 1．多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此 产生冗余和碎屑多边形； 2．每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻 域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界；
1 1 1
1 1 1
1 1 1
1 1 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
1
1
0
1 3 3
1 1 4 4
0 0 4 4 0 0 0 0 0
1
3 3 3 3
1
3 3 3 3
1
4 4 4 4
0
4 4 4 4
0
4 4 0 0
0
0 0 0 0
0
0 0 0 0
0
0 0 0 0
0层 1层 2层 3层
（4）（5） 6） （ （7） （13）14） （ （15） （16）
• 线性四叉树只存储最后叶结点的信息。 包括叶结点的位置、深度和本结点的属性 或灰度值
• 线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的 规则，这种编号成为地址码，它隐含了叶 结点的位置和深度信息。
基于十进制的线性四叉树编码
规则：首先将二维栅格数据的行列号转换为 二进制，然后交叉放入Morton码中，即为 线性四叉树的地址码： 行号＝5（1 0 1）；列号＝7（1 1 1） Morton＝ 1 1 0 1 1 1＝55
0
4 4 0 0
4
4 4 0 0
4
4 4 4 8
7
4 4 8 8
7
4 8 8 8
7
7 8 8 8
7
7 7 7 7
7
7 7 7 8
0
0 0
0
0 0
0
0 0
8
0 0
8
8 0
8
8 8
8
8 8
8
8 8
• 特点：属性的变化愈少，行程愈长，则压 缩的比例越大，压缩比与图的复杂程度成 反比。
块 码
块码是游程长度编码扩展到二维的情况，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， 再加上记录单位的代码组成。
欧氏平面上实体对象所具有的拓扑 和非拓扑属性
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”） 一个面的连续性（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
非拓扑属 性
• 基本的拓扑关系包括：连接性、包含和邻 接性
二、栅格数据结构Βιβλιοθήκη 1.概念定义：又称为网格结构，它是将地表划分 成为紧密相邻的网格阵列。每个网格的位 置由行列号定义。它包含一个代码，以表 示该网格的属性或指向属性记录的指针。 注意：栅格数据模型是将连续空间离散化。
二维空间坐 标网或其局 部
2.空间数据特点： 数据的空间性 数据的属性 数据的时间性
3.在GIS中，空间数据主要包括 ： • 1）某个已知坐标系中的位置 • 2）实体间的空间关系 • 3）与几何位置无关的属性
4.空间数据的拓扑关系
地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多
边形（区域）之间的空间几何关系，其关系如下
0 4 4 4 0 0 4 4 4 4 8 7 4 4 8 8 7 4 8 8 8 7 7 8 8 8 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8
44：64
压缩比的大小是与图的复杂程度成反比 的，在变化多的部分，游程数就多，变 化少的部分游程数就少，图件越简单， 压缩效率就越高
4 4 0 0
0
0 0
0
0 0
四叉树结构
基本思想：将一幅栅格地图或图像等分为四部分， 逐块检查其格网属性值（或灰度），如果某个子 区的所有格网值都相同，则这个子区就不再继续 分割，否则还要把这个子区再分割，直到每个子 块都只含有相同的属性值或灰度为止。
四叉树编码具有可变的分辨率，并且有区域性质， 压缩数据灵活，许多运算可以在编码数据上直接实 现，大大地提高了运算效率，是优秀的栅格压缩编 码之一
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 2 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 6 0 0 0 0 0
• 链码（Chain Codes）
链码又称为弗里曼链码[Freeman]或边界 链码，链码可以有效地压缩栅格数据，而 且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸 度等运算十分方便，比较适合于存储图形 数据。
缺点是对边界进行合并和插入等修改编辑 工作比较困难，对局部的修改将改变整体 结构，效率较低，而且由于链码以每个区 域为单位存储边界，相邻区域的边界将被 重复存储而产生冗余。
特别方便计算机 运作的数据组织 形式——矩阵数 组
规整栅格： 研究区域划分为规整 格网，空间位置数据 隐含其中
每一网格上放置空 间对象在该位置上 的属性数据
栅格空间数据模型
三角形、方格和六角形划分
2.图形栅格数据结构表示
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 0 2 2 0 0 2 2 2 0 0 0 2 0 0 3 3 0 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 0 3 3 0 0
• 20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16； x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22； x23,y23；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；
• 30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38； x39,y39；x40,y40； x33,y33； • 40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30； x31,y31；x32,y32； x19,y19；