第三章 地理信息系统的空间数据结构汇总
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)
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)
3地理信息系统的空间数据结构
各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片） 包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星 遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源 源不断的、现势性很强的数据
• 统计数据、实测数据及各种文字报告
各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、 研究报告等 11
地形数据
来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字 高程模型(DEM)和其他实测的地形数据等。
4
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
5
3 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）
6
空间对象：面（续）
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。
2
地理空间实体的表达
地理空间实体包括点（point）、线(line)、 面(polygon)、曲面(surface)和体(volume) 等多种数据类型。
这些数据类型的表达关系到计算机识别、存储、 处理的可能性和有效性。
3
1 点实体
有位置，无方向、宽度和长度；
抽象的点
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
1 0 1
1 0 1
1 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 1
1 0 1
1 0 1
LL8
LL9
LL10
LL11
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。
GIS地理信息系统空间数据结构
GIS地理信息系统空间数据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处理地理空间数据的重要工具。
而在 GIS 中，空间数据结构则是其核心组成部分，它决定了如何有效地组织、存储和管理地理空间数据，以便于快速访问、分析和可视化。
要理解 GIS 地理信息系统的空间数据结构，首先我们得明白什么是地理空间数据。
简单来说，地理空间数据就是描述地球表面或与地球表面相关的各种信息，比如地形、地貌、道路、建筑物、水系等等。
这些数据具有空间位置、属性和时间等特征。
在 GIS 中，常见的空间数据结构主要有矢量数据结构和栅格数据结构两种。
矢量数据结构是通过点、线、面等几何图形来表示地理实体。
比如，一条河流可以用一系列的点连接成线来表示，一个城市的区域可以用一个封闭的多边形面来表示。
矢量数据结构的优点是数据精度高、存储空间小、图形显示质量好，并且能够方便地进行几何变换和拓扑分析。
拓扑分析在很多应用中非常重要，比如判断两个区域是否相邻、道路网络是否连通等。
然而，矢量数据结构在处理复杂的空间关系和大规模数据时，计算量会比较大。
栅格数据结构则是将地理空间划分成规则的网格单元，每个网格单元被赋予一个特定的值来表示相应的地理特征。
比如，在卫星影像中，每个像素就是一个栅格单元，其灰度值或色彩值代表了该位置的地物信息。
栅格数据结构的优点是数据结构简单、易于实现和操作，特别适合于进行空间分析和模拟。
但它的缺点也很明显，比如数据量大、精度相对较低，而且难以表达复杂的地理实体和空间关系。
除了这两种主要的数据结构，还有一些混合的数据结构，比如矢栅一体化数据结构。
这种结构试图结合矢量数据和栅格数据的优点，以满足不同应用场景的需求。
在实际应用中，选择合适的空间数据结构取决于多个因素。
比如数据的特点和精度要求，如果数据是高精度的、几何形状复杂的地理实体，矢量数据结构可能更合适；如果数据是大面积的、连续分布的，比如地形数据，栅格数据结构可能更适用。
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息
系系
面：
统统
位置:(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)
属性：符号变化
原
等值线
理
空间实体地图表达 (矢量法）
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地
理土
遥感传感器平台
地 信
信 息 息
系系
统统
传感器
原
理
空间实体遥感表达 (栅格法）
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3.1.1 空间实体类型
(4) 体实体
地 理土
• 有长、宽、高的目标
地 • 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿
信 信
体等三维目标
息 息
系系
统统
原
香港理工大学
理
校园建筑
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3.1.2 空间实体的描述
地 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类
理土
码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进
• 一般分为连续面和不连续面
信
息 息
系系
统统
原
理
中国土地利用现状图 (不连续面）
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地 理土 地 信 信 息 息 系系 统统 原 理
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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。
林地
牧草地 居民点及公矿用地 交通用地
水域
未利用地
息
71
72
73
74
75
75
76
77
息
系系
统统
原
有林地
731
灌木地 732
疏林地 733
未成林林地 734
迹地 735
理
针叶树疏林地 7331
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阔叶树疏林地 7332
地
理土
面分类法 是将给定的分类对象按选定的
地
信
信 息
若干个属性或特征分成彼此互不依赖的若干方
地
行标识，是唯一的。
信
信 息
位置：坐标形式给出空间对象的空间位置
息 系系
类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成
统统 行为：空间对象所具备的行为和功能
原 属性：空间对象所对应的非几何信息
理 说明：实体数据来源、精度等
关系：与其他实体之间的关系
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1. 空间对象编码
系、度量关系）。
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空间实体的认知与抽象过程
地
理土
地 信
信
息 息
现实世界
系系
统统 特征
原 关系
理 行为
观察
选择 抽象 综合
空间数据
地图 遥感影像
测量：位置 编码：属性 建立关系： 表达
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地
理土
点：位置：（x，y） 属性：符号
地
信 信 息
线：位置:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 属性：符号—形状、颜色、尺寸
第三章 地理信息系统的空间数据结构
地
理土
§3.1 空间实体及其表达
地
信 信
§3.2 空间数据模型
息
息 系系
§3.3 矢量数据结构
统统
§矢栅一体化数据结构
§3.6 曲面数据结构
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§3.1 空间实体及其表达
地 地理空间(现实世界) (Geographic Space)是指地
地
点状实体 ：零维
理土
地 信
线状实体：一维
信
息 息
面状实体：二维
系系
统统
体状实体：三维
原
理
时间：通常以第四维表达，但目前GIS还
很难处理时间属性。
空间实体维数与比例尺相关！
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(1) 点实体
地
理土
• 有位置，无宽度和长度；
地 • 抽象的点
信
信
息 息
系系
统统
原
理
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
<1 m ： 1 1 ~ 2 m： 2 2 ~ 5 m： 3 5 ~ 20 m： 4 20 ~ 50 m：5 >50m： 6
5 ~ 10 m ： 1 10 ~ 20 m： 2 20 ~ 30 m： 3 30 ~ 60 m： 4 60 ~ 120 m： 5 120 ~300 m：6
300 ~500 m：7
系系 规范性
统统 类型：数字 字母 数字字母混合型
原
理 GIS中的代码类型：分类码(主码） 识别码（子码）
编码方案：层次分类码 多源分类码
息
系系 面，每个面中又可以分成很多彼此独立的若干
统统
原 个类目。优点是具有较大的弹性，易于添加和
理
修改类目。
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地
理土
河流特性分类与编码
地
通航情况 流水季节
河流长度
河流宽度
河流深度
信
信 息 息 系系
统统
通航： 1 不通航：2
常年河：1 时令河：2 消失河：3
< 1 km： 1 < 2 km： 2 < 5 km： 3 < 10 km：4 > 10 km：5
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(2) 线实体
地 • 有长度、方向、曲率，但无宽度和高度
理土
• 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多
地 信
• 度量实体距离
信
息
息
系系
统统
原
理
香港城市道路网分布
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(3) 面实体
地 • 具有长和宽的目标
理土 • 通常用来表示自然或人工的封闭多边形
地 信
地
理土 编码对象：属性数据
地 信
编码过程：分类、分级、编码
信
息
分类，将具有共同属性或特征的事物或现象
息
系系
归并在一起；
统统
分级，对事物或现象的数量或特征进行等级
原
划分，包括确定分级数和分级线；
理
编码，指定属性数据的代码的方法和过程。
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（1）空间对象分类
地 ① 分类的原则
理土
地 科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性
信
信
息 息
稳定性、不受比例尺限制、灵活性
系系 ② 分类的方法
统统 原
线分类法 是按照分类对象的从属和层次
理 关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明
确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的
隶属关系。
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土地利用类型
7
地
理土
地 信
信
耕地
园地
理土 地
球表面及近地表空间 ，上至大气电离层、下至地
信 信
壳与地幔交界的莫霍界面。地理空间存在着复杂
息 息
的空间事物或地理现象。
系系
统统 原
地理空间实体(空间实体)是对复杂地理事物
和现象进行简化抽象得到的结果。空间实体具有4个
理
基本特征：空间位置特征（位置、大小、形状、分布）、
属性特征、时间特征和空间关系（如拓扑关系、顺序关
原
>500m： 8
理
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（2）空间对象编码
地 在空间对象的属性数据中，有一部分是与几何数据的
理土 地
表示密切有关的。例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的 形状、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把这部分属性数据用编
信 信
码的形式表示，并与几何数据一起管理起来。
息 息
编码原则：唯一性 合理性 可扩性 简单性 适用性