第三章地理信息系统的数据结构
地理信息系统的数据结构
地理信息系统的数据结构在当今数字化的时代，地理信息系统（GIS）已经成为了处理和分析地理空间数据的重要工具。
而地理信息系统能够高效运行和发挥作用，离不开其背后强大的数据结构支持。
首先，我们来了解一下什么是地理信息系统的数据结构。
简单来说，数据结构就是数据的组织方式，它决定了数据如何存储、管理和访问。
对于地理信息系统而言，由于其处理的数据具有空间特性，比如位置、形状、大小等，因此数据结构的设计就显得尤为关键。
在地理信息系统中，常见的数据结构有矢量数据结构和栅格数据结构。
矢量数据结构就像是在纸上用线条勾勒出地理对象的轮廓。
它通过点、线、面等几何元素来精确地表示地理实体的位置和形状。
比如，一条河流可以用一系列的点连接成线来表示，一个湖泊可以用一个封闭的多边形来表示。
这种数据结构的优点是精度高、数据量小，并且能够方便地进行几何操作和拓扑分析。
比如，我们可以很容易地计算两个多边形的交集、并集等。
栅格数据结构则像是把地理空间划分成一个个均匀的小格子，然后给每个格子赋予一个值来表示相应的地理信息。
比如，在表示土地利用类型时，每个格子可以表示为森林、农田、城市等。
栅格数据结构的优点是处理简单、易于与遥感影像等数据结合，但其精度相对较低，数据量较大。
除了这两种主要的数据结构，还有一种叫做拓扑数据结构。
拓扑关系是指地理对象之间的空间关系，比如相邻、包含、连接等。
通过建立拓扑数据结构，可以更有效地进行空间查询和分析，比如判断一个点是否在一个多边形内，查找相邻的多边形等。
在实际应用中，选择合适的数据结构取决于具体的需求和数据特点。
如果需要高精度的地理数据表示和复杂的几何分析，矢量数据结构可能更合适；如果需要快速处理大面积的地理数据，并且对精度要求不是特别高，栅格数据结构可能更有优势。
另外，还有一种叫做不规则三角网（TIN）的数据结构。
它是通过将一系列不规则分布的点连接成三角形来逼近地理表面。
TIN 数据结构能够很好地表示地形等连续变化的地理现象，并且在计算坡度、坡向等方面具有优势。
地理信息系统数据结构讲义
地理信息系统数据结构讲义地理信息系统（GIS）作为一种强大的工具，在众多领域都发挥着重要作用，如城市规划、资源管理、环境保护等。
而数据结构是地理信息系统的核心组成部分，它决定了数据的组织、存储和管理方式，直接影响着系统的性能和效率。
一、地理信息系统概述地理信息系统是一种用于采集、存储、管理、分析和展示地理空间数据的技术系统。
它将地理空间数据与属性数据相结合，通过计算机软件和硬件的支持，为用户提供各种地理信息服务。
地理信息系统中的数据具有空间特征和属性特征。
空间特征包括地理位置、形状、大小等，属性特征则包括土地利用类型、人口数量、植被覆盖度等。
这些数据的有效管理和利用依赖于合理的数据结构设计。
二、地理信息系统数据结构的类型1、矢量数据结构矢量数据结构通过点、线、面等几何对象来表示地理实体。
点由一对坐标（x, y）表示，线由一系列有序的点连接而成，面则是由闭合的线围成。
矢量数据结构具有精度高、数据量小、便于进行几何分析等优点，但在表示复杂的地理现象时可能会比较繁琐。
例如，在表示一条河流时，可以用一系列的线段来近似表示其形状。
对于一个城市的边界，可以用一个闭合的多边形来表示。
2、栅格数据结构栅格数据结构将地理空间划分为规则的网格单元，每个单元用一个数值来表示其属性。
栅格数据结构简单直观，便于进行空间分析和图像处理，但数据量较大，精度相对较低。
比如，在表示地形起伏时，可以用不同灰度值的栅格单元来表示不同的高程值。
在分析土地利用类型时，可以用不同的数值来代表不同的土地利用类型。
3、矢量栅格一体化数据结构为了结合矢量数据结构和栅格数据结构的优点，出现了矢量栅格一体化数据结构。
这种数据结构在同一系统中同时使用矢量和栅格两种数据表示方式，根据具体的应用需求灵活选择。
例如，在进行大范围的空间分析时，可以使用栅格数据结构；而在进行精确的几何计算时，则使用矢量数据结构。
三、地理信息系统数据结构的存储方式1、文件存储将地理数据以文件的形式存储在计算机的磁盘上。
地理信息系统 第三章地理空间数据模型
同种属性表为一个层
按专题分层
每个图层对应一个专题，包含某一种 或某一类数据。如地貌层、水系层、道 路层、居民地层等。。
现实世界
获取
地形信息
+
水系信息
+
道路信息
+
植被信息等
存储
空间 数据库
按时间序列分层
即把不同 时间或不同时 期的数据分别 构成各个数据 层
图层i 图层j
点文件i 线文件i
代码有数字、字母、数字和字母混合三类表示形式。
数字型代码
用一个或若干个阿拉伯数字表示对象的代码。特点是结构 简单、使用方便、易于排序，但对对象的特征描述不直观。
字母型代码
用一个或若干个字母表示对象的代码。特点是比同样位数 的数字型代码容量大，还可提供便于识别的信息，易于记 忆，但比同样位数的数字型代码占用更多的计算机空间。
空间数据的分层和分区
地理信息本身具有层次性。分层和分区 是空间数据组织的高级形式，为管理和 使用提供了便利 分层依据地理实体性质 分区依据平面范围
分层
按专题
地貌、水系、植被、交通、居民地等
按时间
不同时间的数据成为不同层，便于对比、处理、表 现。如每年建的住宅用不同的颜色表现
按实体的几何类型
一般按点、线、面、注记
格网型空间索引
将区域用横竖线条划分大小相等和不等 的格网，记录每一个格网所包含的空间 实体。进行空间查询时，首先计算出查 询对象所在格网，然后再在该网格中快 速查询所选空间实体。
一条河流、一个湖泊和一条省界，它们的关键字分别为5，11和 23。河流穿过的栅格为2，34，35，67，68；湖泊覆盖的栅格为 68，69，100，101；省界所通过的栅格为5，37，36，35，67， 99，98，97。
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。
北大地理信息系统原理方法和应用第3章 地理空间数据结构
⎡1 1 1⎤
⎢ ⎢
0
0
1
⎥ ⎥
⎢⎣ 1 0 1 ⎥⎦
LL6
⎡1 1 1⎤
⎢ ⎢
0
0
1
⎥ ⎥
⎢⎣ 1 1 1 ⎥⎦
LL7
⎡0 0 1⎤
⎢ ⎢
1
0
0
⎥ ⎥
⎢⎣ 1 1 1 ⎥⎦
LL8
⎡1 0 0 ⎤
⎢⎢1
0
0
⎥ ⎥
⎢⎣1 1 1 ⎥⎦
LL9
⎡1 0 1 ⎤
⎢⎢11 1 ⎥⎦
LL10
⎡0 1 1⎤
9
第2节 地理空间数据类型
地理数据的基本特征 地理数据的来源 地理空间数据类型 空间数据的组织
10
1 地理数据的基本特征
空间特征
表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征 又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。
属性特征
表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征 等。
In theory 16 options, of - overlap which 6 are really different
24
拓扑关系描述——9I模型(Egenhofer, 1991)
Ao
∂A
A−
25
拓扑关系描述——九交模型(Egenhofer, 1991)
□ A的内部和B的内部的交，记作 Ao I Bo □ A的内部和B的边界的交，记作 Ao I ∂B
7
4 空间对象：体
9有长、宽、高的目标 9通常用来表示人工或自然的三维目标，如 建筑、矿体等三维目标
香港理工大学校园建筑
8
地理数据的编码概念、编码方法和意义
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)
地理信息系统的数据结构
地理信息系统的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管理地球空间信息的重要工具。
无论是城市规划、环境保护、交通运输，还是农业发展、资源勘探等领域，GIS 都发挥着不可或缺的作用。
而要理解 GIS 的工作原理和应用，就必须深入了解其核心组成部分之一——数据结构。
那么，什么是地理信息系统的数据结构呢？简单来说，数据结构就是用于组织和存储地理数据的方式。
它决定了数据如何被录入、存储、管理、检索和分析，直接影响着 GIS 系统的性能和功能。
地理信息系统中的数据可以分为两大类：空间数据和属性数据。
空间数据描述了地理对象的位置、形状和空间关系，比如一个湖泊的轮廓、一座山脉的走向等。
属性数据则是关于这些地理对象的特征信息，例如湖泊的面积、水深，山脉的海拔、植被类型等。
为了有效地存储和管理这两类数据，GIS 采用了多种数据结构。
其中，矢量数据结构和栅格数据结构是最为常见的两种。
矢量数据结构将地理对象表示为点、线和面等几何图形。
点可以用来表示单个的地理位置，如一座山峰的顶点；线用于表示线状地物，如河流、道路；面则代表具有一定范围的区域，如行政区域、土地利用类型等。
矢量数据结构的优点是精度高、数据量小、便于进行几何变换和拓扑分析。
比如，在城市规划中，我们可以精确地计算出建筑物之间的距离、道路的长度等。
然而，矢量数据结构在处理大面积的连续数据时，如遥感图像，就显得不太方便。
与之相对的栅格数据结构则是将地理空间划分成规则的网格单元，每个单元被赋予一个特定的值。
栅格数据结构适用于表示连续变化的地理现象，如地形的起伏、气温的分布等。
它的优点是数据结构简单，易于与遥感数据结合，并且便于进行空间分析和图像处理。
但栅格数据结构的缺点也很明显，那就是数据量较大，精度相对较低，而且在进行几何变换时会产生一定的误差。
除了矢量和栅格数据结构，还有一种称为拓扑数据结构的重要类型。
拓扑数据结构关注的是地理对象之间的空间关系，而不仅仅是它们的位置和形状。
地理信息系统数据结构
数据融合
01
将不同来源、不同格式的地理数据进行融合，形成统一的数 据集。
02
数据融合可以提高数据的完整性和准确性，便于分析和应用。
03
数据融合的方法包括数据清洗、坐标转换、格式转换等。
05 地理信息系统数据质量
数据精度
空间精度
地理信息系统数据的空间精度是指数据所表示的地理要素的位置准确性，通常 用地图比例尺来表示。比例尺越大，表示的地理要素位置越详细，精度越高。
自然资源管理
GIS可用于自然资源管理，如森 林资源监测、水资源管理、野 生动物保护等。
灾害应急响应
GIS能够快速获取和处理灾害相 关信息，为灾害应急响应提供 决策支持。
商业与市场分析
GIS在商业和市场分析中也有广 泛应用，如市场区域划分、物 流路线规划等。
02 地理信息系统数据类型
矢量数据
定义
矢量数据是地理信息系统中的一种重要数据类型，它由一系列离散 的点、线、面组成，表示地理实体的空间位置和相互关系。
GIS通过地图、图表、表格等多种形式展示地理信息，帮助用户更好地理解空间 关系和动态变化。
地理信息系统的组成
数据输入与处理
数据存储与管理
地理信息系统需要将各种来源的数据进行 整合、清洗和转换，以便进行后续的分析 和可视化。
GIS需要一个高效的数据存储和管理系统， 以便存储大量的空间数据和属性数据，并 提供快速的数据检索和更新功能。
特点
矢量数据具有数据精度高、信息丰富、易于编辑和更新等优点，能 够精确地表示复杂的地理要素和空间关系。
应用场景
矢量数据广泛应用于地图制作、土地规划、资源管理、城市设计等领 域。
栅格数据
定义
栅格数据是一种以网格单元为基 本单位表示地理信息的数据类型，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
五、栅格数据压缩编码方法
主要对面状数据进行
• 链式编码(弗里曼链码、边界
链码)
56
– 将多边形的边界，表示
为由某一原点开始，并 按某些方向确定的单位
4
矢量链。
32
7 0
1
19
01 2 3 4 56 7 8 9 0 02 02 02 02 02 02 02 05 05 1 02 02 02 02 02 02 02 02 05 05
02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 03 03 03 03 03 03 05 02 02 03 03 03 03 03 03 03 03 02 02 03 03 03 10 03 03 03 03 02 02 03 06 06 06 10 03 03 03 02 02 03 06 06 06 03 03 03 03 02 03 03 03 06 06 03 03 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05
第三章GIS的数据结构
1
第三章GIS的空间数据结构
3.1空间数据结构的类型
2
3.1空间数据结构的类型、
• 1栅格数据结构 • 一、栅格数据结构的概念 • 二、栅格数据结构的特点 • 三、栅格数据的获取方法 • 四、栅格数据单元值的确定方法 • 五、减少栅格数据存储量的编码方法
3
一、栅格数据结构的概念
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。
35
简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）
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：
• 自下而上法：按照四个像限的顺序，逐个 扫描各栅格点，并在各级像限划分的末位 置审查、记录该像限的单调情况。
28
四叉树编码:
• 四叉树结构按其编码方式的不同又分为“常 规四叉树”（CQT）和“线性四叉树” （LQT）
• 常规四叉树除了记录叶结点之外，还要记录 中间结点，结点之间借助于指针相联系。每 个结点用4个叶结点指针、1个父结点指针和 一个属性码共6个数据项来表达。
A
B
C
13
面积占优法:
以占栅格面积最大的地物属性作为该栅格单 元的属性;
A
B
C
14
• 长度占优法:
– 以占栅格行中心线长度最大的地物属性 作为该栅格单元的属性;
AA
B
B
CC
15
四、栅格数据单元值的确定方法
• 重要性法:
以栅格单元内是否含有重要地物来确定 该栅格单元的属性;
有
有无重要
地物?
以该重要地物的属性
8 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05
9 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05
56 7
4
0
32 1
(5,3,0,0,2,2,4,5,6)
20
• 优缺点： – 对多边形的表示有很强的压缩能力； – 有一定的计算功能——如多边形周长； – 可探测边界的走向； – 适用于存储多边形数据。 – 叠置运算难于进行，如组合、相交等； – 相邻边界重复存储，存在数据冗余
23
• 优点： – 是多种压缩算法的实现基础； – 易于实现检索、叠加、合并等常用操作； – 当图形不复杂，栅格尺寸较小时，可实 现栅格数据的较大压缩。
24
• 四叉树编码: 四叉树数据结构的概念:又称为四分树或四 元树编码。就是将2n×2n（n〉=1）的空 间区域按照四个像限进行递归分割，直到 子像限的值单调为止。
0 0 0 0 C CC C C C
0 0 0 0C C C CC C
0 0 0 0 0 C C0 0 0
11
三、栅格数据的获取方法
• 扫描法: – 通过扫描设备(包括遥感平台)扫描得到栅 格数据
扫描仪
航空航天遥感
12
四、栅格数据单元值的确定方法
• 中心点法(网格交点归属法)： – 用处于栅格中心处的实体属性作为该 栅格单元的属性;
10
三、栅格数据的获取方法
• 数据转换法: – 由矢量数据转换到栅格数据.
A C
0 0 0 0 00 0 0 0 0
0 0 0 AA A A AB 0
0AAAAAABB B
B
通过转换程序 0 A A A A C B B B B
0 A AC C C C BB B
0 0 0 C C C C C BB
0 0 0 CC C C C C C
点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
点位字典
空间对象编码 唯一 连接空间和属性数据
点: 点号文件 线: 点号串 面: 点号串
点号 X Y 1 11 22 2 33 44 … …… n 55 66
0 0 0 AA A A AB 0
0 A A AA A A A B B B 0 A A A A C B B BB B
0 A AC C C C BB B
0 0 0 C C C C C BB
000
C
CC C C C
CC
0 0 0 0 C CC C C C
0 0 0 0C C C CC C
0 0 0 0 0 C C0 0 0
21
• 游程编码 – 从第一行开始，从左到右将若干个属 性值相同的栅格视为一个游程，每个 游程的数据结构表示（A，P），其中 A为游程长度(所延续的列数)，P为该 游程像元的属性值。这样，就可以将 每行栅格射为K个游程，当K远远小 于列数时,原栅格数据就得以压缩.
22
02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 03 03 03 03 03 03 05 02 02 03 03 03 03 03 03 03 03 02 02 03 03 03 10 03 03 03 02 02 03 06 06 06 10 03 03 02 02 03 06 06 06 03 03 03 03 02 03 03 03 06 06 03 03 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05
02：草地 03：耕地 05：林地 06：水域 10：居民点
5
一、栅格数据结构的概念
02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 03 03 03 03 03 03 05 02 02 03 03 03 03 03 03 03 03 02 02 03 03 03 10 03 03 03 02 02 03 06 06 06 10 03 03 02 02 03 06 06 06 03 03 03 03 02 03 03 03 06 06 03 03 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05
30
课后思考与阅读
• 仔细研究阅读栅格数据的压缩编码方式
www.hy
矢量数据结构编码的基本内容
矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关 系来表达空间对象的位置。
点：空间的一个坐标点； 线：多个点组成的弧段； 面：多个弧段组成的封闭多边形；
32
矢量数据结构编码的基本内容
数据库
独立编码
标识码 属性码 存储方法
33
点 实 体
点实体
唯一识别符
类型 序列号
简单点 文字说明 结点
x，y 坐标
有关的属性
如果是简单点
符号 如果是文字说明
比例尺 方向
字符大小
如果是结点
方向 字体 排列
符号
指针 与线相交的角度
其它有关的属性 34
线 线实体
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，
6
二、栅格数据结构的特点
• 特点: – 由于栅格数据结构是按一定规则排列的， 所以,其所表示的实体位置就很容易隐含 在栅格数据文件的结构之中; – 栅格的行列坐标可以方便地转换为其它 坐标系下的坐标值; – 栅格文件的中的每个代码本身即明确地 表明了实体的属性或属性编码;
7
– 栅格数据特别适合与计算机处理，特别 是存储和显示;
栅格数据结构，就是以行、列表 示的像元阵列，像元点上的值即对应 着地理实体的属性或属性编码。
4
一、栅格数据结构的概念
02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 02 02 02 02 02 05 05 02 02 02 03 03 03 03 03 03 05 02 02 03 03 03 03 03 03 03 03 02 02 03 03 03 10 03 03 03 02 02 03 06 06 06 10 03 03 02 02 03 06 06 06 03 03 03 03 02 03 03 03 06 06 03 03 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05 02 03 03 03 03 03 03 05 05 05
• 线性四叉树只记录叶结点信息，每个结点用 位置、深度和属性码4个数据项表达。