第二章GIS空间数据结构1资料
《GIS空间分析原理与方法》考试复习资料
《GIS空间分析原理与方法》期末复习资料第一章地理空间数据分析与GIS1、什么是地理空间数据分析？它是通过研究地理空间数据及其相应分析理论、方法和技术，探索、证明地理要素之间的关系，揭示地理特征和过程的内在规律和机理，实现对地理空间信息的认知、解释、预测和调控。
2、什么是地理系统数学模拟？其模拟的一般过程是？建立地理系统数学模型的过程称为地理系统的数学模拟（简称地理模型）。
地理系统数学模拟的一般过程是：①从实际的地理系统或其要素出发，对空间状态、空间成分、空间相互作用进行分析，建立地理系统或要素的数学模型；②经验检查，若与实际情况不符，则要重新分析，修改模型；若大致相符，则选择计算方法，进行程序设计、程序调试和上机运算，从而输出模型解；③分析模型解，若模型解出错，则修改模型；若模型解正确，则对成果进行地理解释，提出切实可行的方案。
3、地理空间数据挖掘的体系结构？地理空间数据挖掘是数据挖掘的一个研究分支，其实质是从地理空间数据库中挖掘时空系统中潜在的、有价值的信息、规律和知识的过程，包括空间模式与特征、空间与非空间数据之间的概要关系等。
地理空间数据挖掘的体系结构由以下四部分组成：（1）图形用户界面（交互式挖掘）；（2）挖掘模块集合；（3）数据库和知识库（空间、非空间数据库和相关概念）；（4）空间数据库服务器（如ESRI/Oracle SDE，ArcGIS以及其他空间数据库引擎）。
4、什么是地理空间数据立方体？地理空间数据立方体是一个面向对象的、集成的、以时间为变量的、持续采集空间与非空间数据的多维数据集合，组织和汇总成一个由一组维度和度量值定义的多维结构，用以支持地理空间数据挖掘技术和决策支持过程。
5、地理空间统计模型的分为几类，它们的定义分别是什么？地理空间统计模型大致可分为三类：地统计、格网空间模型和空间点分布形态。
（1）地统计：是以区域化变量理论为基础，以变差函数为主要工具，研究空间分布上既具有随机性又具有结构性的自然现象的科学。
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 第二章 空间数据的表达
1 1 1 0 0 -
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空间数据 的表达
关联性（节点与弧段的关系）
节点 1 2 3 4 5 6 弧段 8，9，5 5，7，10 1，2，6 4，7，9，12 2，3，4，11 1，11，8
多边形区域定义
4 6 5 A 3 5 C 2 多边形 多边形 A A B B C C D D 7 D 1 1
地理信息系统
空间数据 的表达
GIS描述现实世界的方法
地理信息系统
空间数据 的表达
地图描述现实世界的方法
空间数据 的表达
2.2.2 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、成份、分布等 的不同，其反射光谱特性和发射光谱特性也各不相同。 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。
地理信息系统
空间数据 的表达
地图投影的变形
地图投影变形示意图
地理信息系统
空间数据 的表达
3、投影分类
1、按构成的方法分： 1）几何投影：把经纬网格投影到几何面上，再展开。
圆柱投影：投影面位圆柱面。 方位投影：投影面为平面。 圆锥投影：投影面为圆锥面。
2）非几何投影：不借助几何面，根据某些条件用数 学解析法确定球面与平面之间点与点的函数关系。
空间数据 的表达
2.2 地理空间的描述方法
2.2.1 地图对地理空间的描述方法
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达出来。 点状要素 面积较小，不能按比例表示的地物。一般可用点状符号的形状和颜色 来表示其质量特征，用符号的尺寸来表示数量特征。 线状要素 对于地面上呈线状或带状分布的事物可用线状符号来表示。 面状要素 面状分布的地理事物较多，可分为连续分布的（如地形、气温等)和 不连续分布的（森林、居住区等）两种，可用相应的面状符号来表示。
地理信息系统的数据结构
其它有关的属性
线 实 体
线实体 唯一标识码 线标识码 起始点 终止点 坐标对序列 显示信息 非几何属性
面 实 体
多边形矢量编码， 不但要表示位置和 属性，更重要的是 能表达区域的拓扑 特征，如形状、邻 域和层次结构等， 以便使这些基本的 空间单元可以作为 专题图的资料进行 显示和操作。
简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）
二、 地球模型
水准面 铅垂线 地球表面 大地水准面
地球椭球体
地理空间坐标系
• 地理坐标系是以地理极 (北极、南极)为极点 • 通过A点作椭球面的垂线， 称之为过A点的法线 • 法线与赤道面的交角， 叫做A点的纬度ψ • 过A点的子午面与通过英 国格林尼治天文台的子 午面所夹的二面角，叫 做A点的经度λ
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。 存储： 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 特征 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立 性和一致性 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
点实体
有位置，无宽度和长度；
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
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
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）
GIS的空间数据的分类
地图数据
地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系 统最重要得信息源
第二章 GIS空间数据结构1
二、矢量数据的特点
三、矢量数据结构的类型
1、简单数据结构 空间数据按照以基本的空间对象(点、线或多边形)为单元 进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条 (Spaghetti)结构。
主要特点：
(1)数据按点、线或多边形为单元进行组织，数 据编排直观，数字化操作简单。 (2)每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公 共边界被数字化两次和存储两次，造成数据 冗余和不一致。 (3)点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有 拓扑数据，互相之间不关联。 (4)岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形 的联系。
4、坐标系转换
x＝f1（L，B） y＝f2（L，B）
5、高程
指空间参考的高于或低于某基准平面的 垂直位置，主要用来提供地形信息。我国现 规定的高程基准面为“1985国家高程基准”， 比原“黄海平均海平面”高29mm。我国高程 的起算面是黄海平均海水面。1956年在青岛 设立了水准原点，称此为1956年黄海高程系。 1987年国家测绘局公布：中国的高程基准面 启用《1985国家高程基准》取代国务院1959 年批准启用的《黄海平均海水面》。《1985 国家高程基准》比《黄海平均海水面》上升 29毫米。
优、缺点
优点——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)邻接多边形的公共边被数字化和存储两次(如图 2—19a中的7、8、9三个点)，由此会产生数据冗余和 边界不重合(由于数字化误差等因素造成)。 (2) 每个多边形自成体系，缺少有关邻域关系的信 息，难以进行邻域处理。如合并同类时要消除公共边。 (3) 不能解决“洞”或“岛”之类的多边形嵌套问 题，岛只作为单个的图形建造，没有与外包多边形的 联系。 （4）不易检查多边形边界的拓扑关系是否正确，如 无法判断有无不完整的多边形。
第2章 GIS的空间数据结构
矢量数据表达——拓扑数据结构
3、拓扑包含 ： 拓扑包含是指空间图形的 同类 ， 但 不同级 的 、 拓扑包含：拓扑包含是指空间图形的同类 同类， 不同级的 元素之间的拓扑关系。 元素之间的拓扑关系。
b
（a）简单包含 ）
（b)多层包含 多层包含
（c)等价包含 等价包含
图 (a)中多边形 中包含多边形P2，图（b）中多边形P3包 中多边形P1中包含多边形 ， ）中多边形 包 中多边形 中包含多边形 含在多边形P2中 而多边形P2， 又都包含在多边形 又都包含在多边形P1中 含在多边形 中，而多边形 ，P3又都包含在多边形 中。 都包含在多边形P1中 多边形P2， 图 （c）多边形 ，P3都包含在多边形 中，多边形 ，P3 ）多边形P2， 都包含在多边形 20 对P1而言是等价包含 . 而言是等价包含
3
第二章 GIS的空间数据结构 GIS的空间数据结构
第1节 地理实体及其表达 第2节 矢量数据结构 第3节 栅格数据结构 第4节 矢量与栅格数据结构的比较 第5节 矢-栅一体化数据结构和三维数据结构
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第1 节
地理实体及其表达
一、地理实体
1. 地理实体与地理目标
地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。 地理目标：实体在地理数据库中的表示
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第2 节
空间数据结构
二、矢量数据结构
(二)矢量数据获取方式
通过外业测量获得，利用测量仪器（全站仪、GPS、常规测量等） 记录测量结果，然后转到地理数据库中 跟踪数字化，用跟踪数字化的方式把地图变成离散的矢量数据 间接获取 栅格数据转换 空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）
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第2 节
特征（ 2. 地理实体特征（空间特征、属性特征、时间特征） 地理实体特征 空间特征、属性特征、时间特征） 3. 地理实体的类型（点、线、面、体） 地理实体的类型 类型（ 4. 地理目标的类型（0、1、2、3维） 地理目标的类型 、 、 、 维 的类型（
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。
GIS空间分析理论与方法复习资料
GIS空间分析理论与方法第一章绪论1.空间分析概念GIS空间分析是从一个或多个空间数据图层获取信息的过程。
空间分析是集空间数据分析和空间模拟于一体的技术，通过地理计算和空间表达挖掘潜在空间信息，以解决实际问题(刘湘南等, 2008)。
2.空间分析与GIS的关系空间分析是地理信息系统的核心和灵魂。
空间分析是地理信息系统的主要特征，是评价一个地理信息系统的主要指标之一。
3.空间分析在GIS中的地位和作用空间分析是GIS的核心；空间分析是GIS的核心功能；空间分析的理论性和技术性第二章GIS空间分析的基本理论1.空间分析有哪些理论？空间关系理论；地理空间认知理论；地理空间推论理论；空间数据的不确定性分析理论2.简述空间关系的类型及各类型的特点？GIS空间关系主要分为顺序关系、度量关系和拓扑关系三大类型。
顺序关系描述目标在空间中的某种排序，主要是目标间的方向关系，如前后左右、东西南北等。
度量关系是用某种度量空间中的度量来描述的目标间的关系，主要是指目标间的距离关系。
拓扑空间关系是指拓扑变换下的拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关系，以及表示线段流向的关系。
3.简述拓扑空间关系的特点？拓扑空间关系是指拓扑变换下的拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关系，以及表示线段流向的关系。
拓扑变换：拓扑所研究的是几何图形的一些性质，它们在图形被弯曲、拉大、缩小或任意的变形下保持不变，只要在变形过程中不使原来不同的点重合为同一个点，又不产生新点。
拓扑变换的条件：在原来图形的点与变换了图形的点之间存在着一一对应的关系，并且邻近的点还是邻近的点。
拓扑关系表达的代表性模型：4元组模型、9元组模型、基于Voronoi图的V91模型、RCC 模型、空间代数模型4.简述方向空间关系的类型和特点？方向关系是顺序关系中的最主要的关系。
方向关系的描述方式包括定量描述和定性描述两种。
一般方向关系的形式化描述：使用的是绝对方向关系参考。
九种方向关系：正东：restricted-east(pi,qi)≡X(pi)>X(qi)∧Y(pi)=Y(qi)5.简述距离关系的类型和计算方法？欧氏距离、切比雪夫距离、马氏距离、明氏距离P216.简述空间关系描述模型的评价准则？一般从完备性、严密性、唯一性、通用性1.空间关系表达是否是形式化的、无歧义的2.表达的完备性3.表达的可靠性4.表达的唯一性5.表达的课推理性7.简述时空空间关系的特点？地理实体之间的空间关系往往随着时间而变化，时间关系交织在一起就形成了多种时空关系。
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➢ 地图投影是将地图从球面转换到平面的数学 变换。
1、三种大地坐标系：1954年北京坐标系；1980 年国家大地坐标系；地心坐标系。
（1）我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由 此计算出来的各大地控制点的坐标，称为1954年 北京坐标系。
（2）我国1978年宣布在陕西省泾阳县永乐镇设立 新的大地坐标原点，并采用1975年国际大地测量 协会IAG推荐的大地参考椭球体，由此计阳县永乐镇，称西安原点。
3、大地原点
"大地原点"亦称"大地基准点"，即国家水平 控制网中推算大地座标的起标点。
中华人民共和国大地原点，位于陕西省泾阳 县永乐镇石际寺村境内 ，距西安36公里，1978 年建成，是我国地理坐标的起点和基准点。它不 但在各项建设和科学技术上有重要作用，而且象 征着国家的尊严。 大地的地面海拔417.7米，它 距我国陆边正北880公里，东北2500公里，正东 1000公里，正南1750公里，西南2250公里，正 西2930公里，西北2500公里。
2 地理信息系统的数据结构
§1 地理空间及其表达 §2 地理空间数据及其特征 §3 空间数据结构的类型 §4 空间数据结构的建立
§1 地理空间及其表达
1.1 地理空间的概念 一、地理空间（geo-spatial） 二、我国大地坐标系 1.2 空间实体的表达 一、空间实体类型 二、表示方法
§1 地理空间及其表达
§2 地理空间数据及其特征
2.1 GIS的空间数据 一、根据GIS的数据来源和数据类型分类 二、元数据 三、根据表示对象的不同分类 2.2 空间数据的基本特征 一、基本信息 二、空间数据的拓扑关系 三、拓扑关系的意义 2.3 空间数据的计算机表示
§2 地理空间数据及其特征
2.1 GIS的空间数据 一、根据GIS的数据来源和数据类型分类 1、地图数据。 2、影像数据。 3、地形数据。 4、属性数据。 5、元数据。
2.1 GIS的空间数据 二、元数据（Metadata）
1、概念：是描述数据的数据。是关于数据的描述性 数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律， 以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用， 不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。通 过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机 的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。 传统的图书馆卡片、出版图书的版权说明、磁盘的标签 等都是元数据。纸质地图的元数据主要表现为地图类型、 地图图例，包括图名、空间参照系和图廓坐标、地图内 容说明、比例尺和精度、编制出版单位和日期或更新日 期、销售信息等。用户通过它可以非常容易地确定该书 或地图是否能够满足其应用的需要。
1．2 空间实体的表达
一、地理空间的特征实体包括点（point）、线 (line)、面(polygon)、曲面(surface)和体 (volume)等多种类型。
二、表示方法：
1、矢量表示法：用一个没有大小的点(坐标)来 表达基本点元素。——矢量数据模型
2、栅格表示法：用一个有固定大小的点(面元) 来表达基本点元素。——栅格数据模型
1.1 地理空间的概念 一、地理空间（geo-spatial） 1、定义为绝对空间与相对空间两种形式。 （1）绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，
由一系列的空间坐标值组成。 （2）相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，
由不同实体之间的空间关系构成。 2、包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。
➢ 我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基 (Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标 系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975 地球椭球体建立了我国新的大地坐标系--西安80 坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标 系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换 可查阅国家测绘局公布的对照表。WGS1984基 准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系。
（3）地心坐标系即以地心作为椭球体中心。如 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，是地心坐 标系，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。
2、1980年中国国家大地坐标系，具体参数 为：
赤道半径（a）＝6378140.0000000000m 极半径（b）＝6356755.2881575287m 地球扁率（f）＝（a－b）/a＝1/298.257 1980年中国国家大地坐标系的大地原点，
GIS中的坐标系定义由基准面和地图投 影两组参数确定，而基准面的定义则由特 定椭球体及其对应的转换参数确定，因此 欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄 清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面 (Datum)及地图投影(Projection)三者的基 本概念及它们之间的关系。
➢ 基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面 的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准 面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐 标系实际上指的是我国的两个大地基准面。
椭球体与基准面之间的关系是一对多的关 系，也就是基准面是在椭球体基础上建立 的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭 球体能定义不同的基准面，如前苏联的 Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基 准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们 的基准面显然是不同的。
我国3个椭球体参数如下
4、坐标系转换
x＝f1（L，B） y＝f2（L，B）
5、高程
指空间参考的高于或低于某基准平面的 垂直位置，主要用来提供地形信息。我国现 规定的高程基准面为“1985国家高程基准”， 比原“黄海平均海平面”高29mm。我国高程 的起算面是黄海平均海水面。1956年在青岛 设立了水准原点，称此为1956年黄海高程系。 1987年国家测绘局公布：中国的高程基准面 启用《1985国家高程基准》取代国务院1959 年批准启用的《黄海平均海水面》。《1985 国家高程基准》比《黄海平均海水面》上升 29毫米。
1、地理空间定位框架：大地测量控制，由平 面控制网和高程控制网组成。为建立所有的 地理数据的坐标位置提供了一个通用参考系， 可以将全国范围使用的平面及高程坐标系与 所有的地理要素相连接。
2、大地测量控制点：大地控制信息的主要要 素，其平面位置和高程被精确地测量，并用 于其他点位的确定。
二、我国大地坐标系