1、第二章 空間數據模型和空間數據結構空間數據模型和空間數據結構本章內容提要本章內容提要 2.1 地理空間概述地理空間概述2. 2 空間數據特點空間數據特點2.3 空間數據模型空間數據模型2.4矢量數據結構及其表達矢量數據結構及其表達2.5 柵格數據結構及其表達柵格數據結構及其表達2. 6矢量柵格一體化數據結構矢量柵格一體化數據結構2.7空間數據結構的建立空間數據結構的建立重點：重點：GISGIS空間數據的表達形式是地圖語言，矢量數據結空間數據的表達形式是地圖語言，矢量數據結構、柵格數據結構是構、柵格數據結構是GISGIS數據存儲、管理的基本結構。數據存儲、管理的基本結構。本章內容抽象，通過本章內

2、容抽象，通過GIS軟件演示說明有關概念軟件演示說明有關概念2.1 地理空間概述一、空間與地理空間 空間(Space):物理學指宇宙三個相互垂直方向廣延性，天文學指時空連續體一部分 地理學上指地理空間(Geographic Space):指物質、能量、信息的存在形式在形態、結構過程、功能關系上的分布方式、格局及其在時間上的延續。 地理空間是地球上大氣圈、水圈、生物圈、土壤圈、巖石圈交互作用的區域。二、GIS中的地理空間和地理空間數據 GIS 中的地理空間常用Geo-spatial表述。 指地球投影后，在笛卡兒坐標系中的表層特征空間 實體本身的特征、實體之間的關系特征。 用空間幾何特性、時空分布規

3、律以及實體之間關系的數據來表達地理空間數據空間實體的表達 點(Point) 線(Line) 面(Polygon) 曲面(Surface) 體(Volume) 上述形式在計算機內識別、存儲、處理的有效性和可能性。地理信息的GIS表達 圖名/圖層名 圖框（圖廓點）：由它決定圖形外邊緣的坐標值，從而確定圖形的坐標 比例尺 投影、坐標系 圖形符號 屬性數據庫：用以記錄不同層次不同專題的信息，在多媒體GIS中還可包括音頻和視頻信息。2. 2 空間數據特點空間數據特點一、GIS的空間數據 數據源：數據源：u地圖數據u影像數據u地形數據u屬性數據u元數據按空間數據表示的類型分類按空間數據表示的類型分類 類型

4、數據：土地/土壤類型 面域數據：行政區 網絡數據：交通、電網 樣本數據：氣象站數據 曲面數據：高程點、等高線 文本數據：地名 符號數據：點、線、面、暈線二、空間數據基本特征 1空間特征：定位信息 2 屬性特征：屬性信息 3拓撲關系：拓撲信息 4時序性：時間信息時序性：時間信息2.3 空間數據模型 2.3.1 數據模型 2.3.2 空間數據模型 2.3.3 時空數據模型 2.3.4 三維空間模型 2.3.5 面向空間模型 2.3.6 空間數據表達與空間數據結構 通過GIS軟件演示說明空間數據模型空間數據結構空間數據結構 矢量數據結構（面向地物） 柵格數據結構（面向位置） 數據壓縮：游程編碼、四叉

5、樹 矢量柵格混合數據結構2.4矢量數據結構及其表達 基于矢量模型的數據結構稱之為矢量數據結構，它是面向地物的數據結構。是利用歐幾里得（Euclid)幾何學中的點、線、面及其組合體來表示空間分布的一種數據組織方式。 簡單數據結構(無拓撲） 拓撲數據結構 曲面數據結構TIN (Triangulated Irregular Network)2.4.1 矢量數據結構概念（面向地物）矢量數據結構概念（面向地物） 2.4.2 矢量數據的位置、形狀表達 0維矢量 （點）實體點、注記點、內點、節點、角點。 1維矢量 （線）直線、弧段、鏈、網絡 2維矢量（面）多邊形區域 3維矢量(體)具有位置的真三維實體2.4

6、.3 拓撲結構 拓撲結構是明確定義空間結構關系的一種數學方法。在GIS中用于空間數據的編輯編輯和組織組織，對空間分析空間分析和應用應用也非常重要。 拓撲鄰接：存在于空間圖形同類元素之間的拓撲關系。 拓撲關聯：存在于空間圖形不同元素之間的拓撲關系。 拓撲包含：同類、不同級的元素拓撲關系拓撲圖示點、結點、拓撲編輯GIS利用拓撲關系的優點 （1）不需要利用坐標或距離，可以確定地物空間位置關系 （2）有利于空間要素查詢 （3）已拓撲數據為工具，重建地理實體。2.5 柵格數據結構及其表達 基于柵格模型的數據結構，是面向位置的數據結構，將空間分割成有規則的網格，在各個格上給出相應的屬性值來表達地理實體的一

7、種數據組織形式。 柵格結構是由規則的網格陣列上的象元(由行，列定義)來表示圖象元素，其地理屬性隱含在其中。 柵格數據的行和列的數目取決于柵格的分辨分辨力力和實體特征。一般地，實體特征越復雜、柵格尺寸越小、分辨力越高，則柵格數量越多(按分辨力的平方指數增加)，處理成本也越高。 柵格模型行800100000001111100 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0行 列 值01 01.02 02.11列行800100000001111100 0 0 0 0

8、 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0行 列 值01 01.02 02.11列柵格數據游程編碼壓縮 游程編碼的壓縮原理可描述為：設有一個規則的柵格數字矩陣，矩陣的每行都有為整數（屬性類別或等級）的序列x1，x2，xm，現把屬性值相同的連續若干個柵格視為一個游程，每個游程的數據結構為（A，P），A表示柵格的屬性值，P表示該游程最右邊柵格所在的列號。這樣，可將序列x1，x2，xm映射為K個游程，原來一行內m個數據壓縮為K個整數對(Km)。 柵格數據四叉樹結構壓縮 四叉樹

9、結構壓縮的原理可描述為：將整個區域按照四個象限進行遞歸分割，(2n2n，且n1)直到子象限的數值單調為止。凡是數值（特征碼或類型值）呈單調的單元，不論單元大小，均作為最后的存儲單元。這樣，對同一種空間要素，區域格網的大小，隨該要素分布特征而不同。如圖4-12所示，（1）表示區域（填充部分）四分劃的過程，（2）為該區域的四叉樹，其中樹根代表整個區域，樹的每個結點有四個兒子或空，為空的結點為葉結點，葉結點對應于區域分割時數值單調的子象限。矢量-柵格數據結構對比優優 點點缺缺 點點矢量矢量1 便于面向地物現象的數據表示便于面向地物現象的數據表示2 數據結構緊湊，冗余度低數據結構緊湊，冗余度低3 有利于網絡分析有利于網絡分析4 圖形顯示質量好，精度高圖形顯示質量好，精度高1 數據結構復雜數據結構復雜2 軟硬件技術要求較高軟硬件技術要求較高3 多變性疊合分析較困難多變性疊合分析較困難4顯示與繪圖成本較高顯示與繪圖成本較高柵格柵格1 數據結構簡單數據結構簡單2 空間分析和地理現象模擬容易空間分析和地理現象模擬容易3 利于與遙感數據的匹配應用和利于與遙感數據的匹配應用和分析分析4輸出方法快，成本較低輸出方法快，成本較低1 數據量大數據量大2 投影轉換困難投影轉換困難3 現象識別的效果不如矢量現象識別的效果不如矢量4 圖形顯示質量低圖形顯示質量低2. 6矢量柵格