第二章 空间数据结构

Quad-tree encoding
（1）过程：①对2nx2n 大小的栅格图像分割，分为四个象限。 ②若某象限的地物属性值一致，则该象限所有网格 作为一个整体记录。
③否则继续划分为四个子象限，直到单一属性为止。
3 1
4
2
0 0 0 0 0 0 0 0
0
0 0 1 1
0
0 0 1 1
0
0 0 1 1
空间定位数据 非空间数据（属性数据）
（四）按几何特性分类 点、 线、面、曲面、立体
面：二维空间上的多边形。
曲面：三维空间上的表面。 立体:三维空间中的物体实体。
（五）按数据发布形式分类 数字线画图（DLG）---- Digital Line Graphic 数字栅格图（DRG） ---- Digital Raster Graphic 数字高程模型（DEM） ---- Digital Elevation Model
二、空间实体的表达
1、空间实体的抽象与表达： 点实体 线实体
多边形实体
2、空间实体表达的两种模式：
对象模型
场模型
空间数据的数据模型
对象模型
场模型
对象模型 对象模型把空间物体划分为离散的对象，用边界线以表 示对象范围。 对象模型适合用来表达离散的地物。
场模型
场在物理学上是指一种物体实施影响的范围。如磁场、 电场。场在空间上是一个连续的范围，没有明显的边界。
线实体 多边形实体
point
line,arc polygon,region
形成矢量数据格式和栅格格式两种的两种地理 信息系统,及后来的两种混合数据格式的GIS.
(一）矢量数据对空间信息的表达
图形的坐标 离散化表达
点状图形：用一个坐标对（X，Y）来表示。
线状图形：用一组有序坐标对来表示。 （X1Y1, X2,Y2 ……….XnYn) 面状图形（多边形）：用一系列有序坐标对表示。 （X1Y1, ……….XnYn) （XcYc, ……….XmYm) …………………… （XdYd, ……….XkYk)
空间数据模型
计算机存储 空间数据结构 组织与管理 空间数据库
现有的空间数据模型主要有两个： 场模型：即栅格数据模型，强调空间要素的连续性 基于对象的模型：即矢量数据模型，强调空间要素 的离散性
上述二种模型主要是针对二维平面进行建模的，已经 很成熟。但随着应用需求的变化，空间数据模型要求能够 反映三维立体和时间维特征： 三维空间数据模型（3D） 时空数据模型（4D）
（二）栅格类型：划分可以是规则的或不规则的，通常 是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六 边形等。
栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录 了所在位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示 一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像 元应该只赋一个单一的值。 栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的 位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅 格数据之间很容易进行重迭运算。 （三）栅格数据对地物的表达 点：一个网格（grid),或像元（pixel)
二、矢量数据结构 vector data structure
矢量-------矢量也称向量，数学上称“具有大小和方 向的的量”为向量。 矢量模型的基础就是将空间要素嵌入在一个坐标空间 之中，一般是欧氏空间，在该空间中可以能很好地逼近地 理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度 低，能方便进行距离、方位和面积的测量。空间要素在欧 氏空间中主要形成三类空间实体： 点实体
弧段：线段
如街道、电线、网络线、河流、水管。
结点：弧段的交点。
如路口、变电站、车站、网络控制器
多边形：弧段封闭的区域。
如地类、街区。 岛：孤立的多边形。 多边形中的多边形。如海岛、绿洲。 （2）拓扑数据结构的主要数据文件 拓扑数据结构组织空间数据的基本方法：
使用弧段来并通过描述其拓扑结构来组织地图数据。
2、拓扑关联：空间图形的不同元素之间的拓扑关系。 结点与线段：N1与C1、C3、C6 线段与多边形：P1与C1、C6、C5
用途：路口路线选择判断；多边形封闭检验。
3、拓扑包含：多边形间的包含关系。 P4与P2 用途：面积扣除。
（三）拓扑关系的表达 p46
ARCGIS软件拓扑文件表
ARC-id From-node End-node Right-polygon# Left-polygon#
游程编码压缩比
nm S k
k为游程总数。
（1）游程编码原理 A A C B A C C B B B C B B B B B
游程编 属性编 号 码 1 2 3 4 5 6 A B A C B C
属性长 度 2 2 1 1 2 3
78BB来自14（2）游程编码主要数据文件
索引文件、游程数据文件
3、四叉树编码
（四）拓扑关系的作用与意义
1、确定物体的空间关系。 2、检索与分析空间相关地物。 3、重建地理实体。
路口相邻与通达判断
电线通 达判断
四、空间数据组织的基本形式
1、空间分幅 2、属性分层（专题、主题） 3、时间分段
空间数据与属性数据分开存放（在同一文件内不同段 或不同文件），通过关联号进行连接。 ID
20 21 24 23 18 19 19 20 22 15 12 10
21 22.5 23 27 28 28.6 29 30.4 31 26 18 17
23 24 24 28 30 29 30 31 32 27 20 18
26.6 24.3
二、地理空间数据特征
(一）空间定位特征 （二）多属性特征 （三）时间动态变化特征
（三）栅格数据编码与压缩编码方法
1、栅格矩阵结构
记录号 行 列 1 1 1
属性1 林
属性2 …. 张三
2
3
1 2
1 3
矿
矿
刘某
刘某
……… 12 13 2 1 2 2 林 林 张三 张三
…………
2、游程长度编码 Run-length encoding
游程（行程）定义： 指栅格矩阵一行内相邻同指（属性）的栅格数量。
游程编码方法：每个游程作为一个整体记录。 游程编码目的：压缩栅格数据量。 游程编码性质：无损数据压缩方法。
基本参数：
栅格数据冗余度
冗余是指数据重复的现象，冗余度是指数据重 复的程度。
Q R 1 m*n
Q为栅格图层中相邻属性值变化次数的累加和。
m，n为行列数。
R越大（即Q越小），则栅格图可压缩潜力越大。 当Q=m*n 时， R=0，栅格图无法压缩。
面为闭合坐标序列
Spaghetti 编码法
优点：以点线面为单元进行数据组织,数据文件结构简单。 不足:(1）多边形公共边需要存放两次，数据冗余严重； （2）相邻多边形公共边界可能不重合，没有拓扑信息。
2、拓扑数据结构
topology structure encoding
（1）构成矢量数据拓扑结构的基本元素
名称 面积 海拔 价格
要求：坐标系一致。
属性分层：
中国人口图层 中国工业图层 中国农业图层 中国外贸图层 中国旅游图层
第3节 空间数据结构类型 一、空间数据模型
spatial data model
现实空间世界
认知与抽象 空间数据模型：指对空间要素认 知、抽象和表达方式以及不同空 间关系的定义模式。 空间数据结构：不同空间数据模 型在计算机内的存储和表达方式。 空间数据组织：大量计算机化的 空间数据的统一管理方式。
第 2章 GIS数据结构与数据采集
第一节 地理空间及其表达
一、地理空间 地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔 的范围。但一般地理空间指的是地球表层，其基准是陆地 表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地 关系最为复杂、紧密的区域。
地球表面类型
二、 地图投影与坐标系统
地球是个球体，是不可展的曲面，使用很不方便，解决的 方法是投影。投影指的是在两个点集之间建立一一映射关系。 因为地球是一个不规则的球体，将地球表面的地理坐标按一定 的数学法则转换为平面坐标的过程称为地图投影。空间信息系 统不能仅依靠地理坐标，必须要有平面坐标，地图投影对空间 信息系统来说是不可缺少的。 c a b
数字栅格图生成速度快、 使用方便特点。DRG 可作为背景用于数据参 照或修测拟合其他地理 相关信息 。
数字高程模型 是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的 数据集
20 20.3 23 22.8 23 25 25.7 20 15 12 10
21 24 22 26 25 28 26 27.5 25 26 26 27 18 22 15 11 8 28 29.2 21 16 11 9
线：上下左右或对角相连的单个网格。
面：连续成片的网格。
1、栅格数据对地物的综合
矿 林 水
田
矿
林 水
田
林
矿
田
水
Conclusion:
①栅格数据对地物表达 的精度取决于网格大小。 ②栅格数据精度提高一 倍，数据量增加三倍 （是原来的4倍）。
2、栅格大小的确定 最小地块
矢量数据栅格化网格边长大小确定方法： 一般以研究区中最小的地物能表示为参照，当最小地 物面积为A，则网格边长用下列方法确定，可以确保该地 物可以表示在图上：
a、弧段拓扑结构文件： 记录弧段标识码、弧段的起始结点、结束结点、左多边形、 右多边形。
基于拓扑结构的矢量数据组织
拓扑结构分析：
多边形P1拓扑邻接关系：
select all 左多边形or右多边形 for 左多边形= P1 or 右多边形= P1
多边形P1的弧段关联关系： select all 弧段 for 左多边形= P1 or 右多边形= P1