第二章 GIS 的数据结构

1. 第二章 GIS的数据结构

2. 第一节 地理空间及其表达 一、地理空间的概念(geo-spatial) • 一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象 • 定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成 • 一个统一的空间参照系 目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。

3. 水准面 铅垂线 地球椭球体 二、 地球模型 地球表面 大地水准面

4. 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

5. 坐标参考系统—平面系统 直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置 投影 建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置

6. A hAB H´A H´B 任意水准面 HA HB 大地水准面 铅垂线 坐标系统—高程系统

7. 黄海海面 1952-1979年平均海水面为0米 水准原点1985国家高程基准， 72.2604米

8. 地图投影：投影实质 建立地球椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标。

9. 地图投影：投影变形 将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。 • 长度变形 • 面积变形 • 角度变形

10. 地图投影：投影分类 • 变形分类： 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形 • 投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面 • 投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割

11. 地图投影：投影选择因素 • 制图区域的地理位置、形状和范围 • 制图比例尺 • 地图内容 • 出版方式

12. GIS中地图投影 • 地图投影在GIS中不可缺少 • 空间数据-地理坐标-平面坐标（投影变换） • 一般采用国家基本系列地图所用的投影

13. 我国常用地图投影 1：100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥 投影） 大部分分省图、大多数同级比例尺也采 用兰勃投影 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、 1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯— 克吕格投影。

14. 空间实体 1、空间实体的特征 空间特征－用以描述事物或现象的地理 位置以及空间位置相互关系 属性特征－用以描述事物或现象的特性 时间特征－用以描述事物或现象随时间 的变化

15. 空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系

16. 属性特征是指空间对象的专题属性

17. 2、空间实体数据的类型 属性数据－描述空间实体的属性特征 的数据。 几何数据－描述空间实体的空间特征 的数据，一般用经纬度、 坐标表达。 关系数据－描述空间实体之间的空间 关系的数据，如邻接、包 含、关联等，一般通过拓 扑关系表达。

18. 3、空间对象（实体）的地图表达 点：位置：（x，y） 属性：符号 线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 属性：符号—形状、颜色、尺寸 面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn) 属性：符号变化 等值线

19. 空间对象（实体）的遥感影像表达 遥感传感器平台 传感器

20. 地图 空间数据 现实世界 遥感影像 空间现象及其描述 测量：位置 编码：属性 建立关系： 表达 特征 关系 行为 选择 抽象 综合 观察

21. 空间对象（实体）类型 空间对象一般按地形维数进行归类划分 点：零维 线：一维 面：二维 体：三维 时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。 空间对象的维数与比例尺是相关的

24. 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 点实体 有位置，无宽度和长度； 抽象的点

25. 香港城市道路网分布 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

26. 中国土地利用分布图（不连续面） 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

27. 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。

28. 空间对象：体 有长、宽、高的目标 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

29. 第二节 地理空间数据及其特征 1、空间数据－是各种地理特征和现象间关系的符号化表示。 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。 时间特征 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期 的、短期的、中期的和长期的。

30. 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 遥感数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片） 地形数据 属性数据 统计数据、实测数据及各种文字报告 元数据

31. 地理空间数据的类型 1 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。 2 面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元 3 网络数据：道路交叉点、街道和街区等。 4 样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。 5 曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。 6 文本数据：如地名、河流名和区域名称。 7 符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。

32. 元数据 “meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。

33. 元数据的主要作用 • 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档 • 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据 • 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 • 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断 • 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。

34. 2、空间数据的拓扑关系 什么叫拓扑？ Topology一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。

35. 地理空间数据的拓扑关系 拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。 拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。 拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。 同 类 不 同 类 同类不同级

36. N1 е1 P3 е3 P1 е6 N5 е5 N4 е7 N2 P4 е4 P2 е2 N3 拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3 拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6 拓扑包含：P3与P4

37. 空间数据的拓扑关系 • 拓扑元素： • 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点 • 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段 • 面：若干弧段组成的多边形 • 基本拓扑关系 • 关联：不同拓扑元素之间的关系 • 邻接：相同拓扑元素之间的关系 • 包含：面与其他元素之间的关系 • 层次：相同拓扑元素之间的层次关系 • 拓扑元素量之间的关系：欧拉公式 • 点、线、面之间的拓扑关系

38. 点: 弧: 终点 中间点 起点 弧段2 弧段3 面: 弧段1 弧段4

39. 邻接 相交 相离 包含 重合 点—点 点—线 点—面 线—线 线—面 面—面

40. 欧拉公式： 欧拉公式在GIS中有着重要的意义，主要用来检查空间拓扑关系的正确性，能发现点、线、面不匹配的情况和多余、遗漏的图形元素。 • n: 结点数 • a: 弧段数 • b: 多边形数 • c: 常数，为多边形地图特征。 • 若b包含边界里面和外面的多边形，则c=2， • 若b仅包含边界内部多边形，则c=1 c + a = n + b n = 4， a = 4 b = 1， c = 1 n = 6， a = 5 b = 2， c = 1，p=2（图形数） n = 10， a = 12 b = 3， c = 1 n = 4， a = 5 b = 2， c = 1

41. 空间拓扑关系表达—关系表 面域与弧段的拓扑关系 面 域 弧 段 P1 a, b, c, -g P2 b, d, f P3 c, f, e P4 g 弧段与结点的拓扑关系 弧 段 结 点 a A , B b B , D c D , A d B , C e C , A f C , D g E , E 结点与弧段的拓扑关系 结 点 弧 段 A a, c, e B a, d, b C d, e, f D b, f, c E g 弧段与面域的拓扑关系 弧段 左邻面 右邻面 a P0 P1 b P2 P1 c P3 P1 d P0 P2 e P0 P3 f P3 P2 g P1

42. 第三节 空间数据结构的类型 • 空间数据结构 • 矢量数据结构 • 栅格数据结构 • 栅格结构与矢量结构的比较

43. X i xn yn 一、常用的空间数据结构 xi yi x1 y1 x2 y2 Y j 数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

44. 矢量数据结构 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、面地理实体表现得精确无误。 • 矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。 • 矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。

45. 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；

46. 矢量数据结构编码的基本内容 点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1) , (x2 , y2) , … , ( x1 , y1) 独立编码 数据库 标识码 属性码 存储方法 点: 点号文件 点位字典 线: 点号串 面: 点号串 空间对象编码 唯一 连接空间和属性数据

47. 点实体

48. 面实体 线实体 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。

49. 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： • 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

50. 简单的矢量数据结构—面条结构（实体式） 多边形数据项 A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1) B(x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1) C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24) D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19) E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)