2 地理信息系統(tǒng)概論 第二章

地理信息系統(tǒng)

GeographicalInformationSystem第二章地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2023/2/12第一節(jié)地理空間及其表達一、地理空間的概念地理空間定義不同學(xué)科dui“空間”（Space）概念的解釋：物理學(xué)，空間是指宇宙在三個相互垂直方向上所具有的廣延性；天文學(xué)，空間是指時/空連續(xù)體的一部分；地理學(xué)，地理空間（Geographicspace）是指物質(zhì)、能量、信息的存在形式在空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)過程、功能關(guān)系上的分布、格局及其在時間上的延續(xù)。地理信息系統(tǒng)中的“地理空間”，一般包括地理空間定位框架及其所關(guān)聯(lián)的空間對象。2023/2/13地理空間定位框架即大地測量控制，由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成（空間參考）；GIS的任何空間數(shù)據(jù)都必須納入一個統(tǒng)一的空間參照系中，以實現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的融合、連接與統(tǒng)一；2023/2/141、GEO－SPATIAL研究內(nèi)容GEO-SPATIAL地理空間定位框架平面控制網(wǎng)高程控制網(wǎng)參考橢球體空間實體地理空間信息的幾何形態(tài)地理空間信息時空分布規(guī)律地理空間信息相互關(guān)系2023/2/15（1）定位坐標(biāo)系：平面控制網(wǎng)直接建立在球體上的地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達地理對象位置建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，y）表達地理對象位置投影2023/2/16人們對平面控制網(wǎng)的認(rèn)識過程地球自然表面極不規(guī)則，無法用數(shù)學(xué)表面進行描述水準(zhǔn)面所包圍的球體大地水準(zhǔn)面所包圍的球體旋轉(zhuǎn)橢球體不規(guī)則性、動態(tài)性、不唯一性不規(guī)則性、相對唯一性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)曲面1952：海福特橢球1953：克拉索夫斯基橢球1978：1975年國際橢球2023/2/17不同地理空間模型之間的關(guān)系固體地球表面、大地水準(zhǔn)面和橢球體模型之間的關(guān)系

2023/2/18（2）定位坐標(biāo)系：高程控制網(wǎng)任意水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面H′AHA鉛垂線AH′BHBhAB水準(zhǔn)原點1985國家高程基準(zhǔn)，比黃海平均海平面高29mm黃海海面1952-1979年平均海水面為0米2023/2/19（1）定義：將地球橢球面上的點映射到平面上的方法，稱為地圖投影

2、地圖投影

2023/2/110投影—為什么要進行投影將地球橢球面上的點映射到平面上的方法，稱為地圖投影地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo)，不方便進行距離、方位、面積等參數(shù)的量算地球橢球體為不可展曲面地圖為平面，符合視覺心理，并易于進行距離、方位、面積等量算和各種空間分析2023/2/111

（2）投影實質(zhì)

建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和平面上相應(yīng)經(jīng)緯線網(wǎng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也就是建立地球橢球面上的點的地理坐標(biāo)（λ，φ）與平面上對應(yīng)點的平面坐標(biāo)（x，y）之間的函數(shù)關(guān)系：當(dāng)給定不同的具體條件時，將得到不同類型的投影方式2023/2/112（3）投影變形

將不可展的地球橢球面展開成平面，并且不能有斷裂，則圖形必將在某些地方被拉伸，某些地方被壓縮，故投影變形是不可避免的。

長度變形

面積變形

角度變形MercatorProjectionMollweideProjection2023/2/113投影面地球（4）投影方法2023/2/114偽圓錐投影地圖投影變形規(guī)律構(gòu)成方式幾何投影非幾何投影方位投影圓柱投影圓錐投影多圓錐投影偽圓柱投影偽方位投影等積投影等角投影任意投影（5）投影分類2023/2/115（6）投影影響因素制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍制圖比例尺地圖內(nèi)容出版方式2023/2/1162地圖投影GIS以地圖方式顯示地理信息。地圖是平面，而地理信息則是在地球橢球上，因此地圖投影在GIS中不可缺少。GIS數(shù)據(jù)庫中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲時，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)；而輸出或顯示時，則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過投影變換變換成指定投影的平面坐標(biāo)。GIS中，地理數(shù)據(jù)的顯示可根據(jù)用戶的需要而指定投影方式，但當(dāng)所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。(7)GIS中的地圖投影2023/2/117（8）我國常用的地圖投影小比例尺的中國行政區(qū)劃圖：蘭勃投影（正軸等積割圓錐投影）大部分分省圖、大多數(shù)同級比例尺也采用蘭勃投影1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1:1萬、1：5000采用高斯—克呂格投影。世界政區(qū)圖：等差分緯線多圓錐投影；正切差分緯線多圓錐投影世界交通圖、時區(qū)圖：墨卡托投影（等角正軸圓柱投影）2地圖投影2023/2/118二空間實體的表達1、矢量表示法：如果采用一個沒有大小的點（坐標(biāo)）來表示點元素時，就稱為矢量表示法。2、柵格表示法：如果采用一個有固定大小的點（面元）來表達基本點元素時，就稱為柵格表示法。2023/2/119空間實體表達：矢量表示法點：位置：（x，y）

屬性：符號線：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

屬性：符號—形狀、顏色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn),(x1,y1)屬性：符號變化，等值線

2023/2/120空間實體表達：柵格表示法2023/2/121第二節(jié)地理空間數(shù)據(jù)及其特征一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類1、按數(shù)據(jù)來源（1）地圖數(shù)據(jù)普通地圖和專題地圖（2）影像數(shù)據(jù)衛(wèi)星遙感和航空遙感數(shù)據(jù)（3）文本數(shù)據(jù)來源于各類調(diào)查報告，實測數(shù)據(jù)，文獻資料，解譯信息等．2023/2/122一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類２、按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類（1）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是利用歐幾里得幾何學(xué)中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。（2）柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即指將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示地理實體的一種數(shù)據(jù)組織形式。2023/2/123一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類３、按數(shù)據(jù)特征分類（1）空間定位數(shù)據(jù)表達空間實體在地球上位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)．（2）非空間數(shù)據(jù)是關(guān)于空間實體自身的名稱，種類，質(zhì)量，數(shù)量等特征的數(shù)據(jù)．2023/2/124一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類４、按數(shù)據(jù)的幾何特征分類（1）點：對０維的空間實體的抽象數(shù)據(jù)。（2）線：對１維線性的空間實體的抽象數(shù)據(jù)。（３）面：對２維平面的空間實體的抽象數(shù)據(jù)。

（４）曲面：對在面上連續(xù)分布的空間實體的抽象數(shù)據(jù)，通常稱２.５維數(shù)據(jù)。（５）體：對３維的空間實體的抽象數(shù)據(jù)。2023/2/125一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類5、按數(shù)據(jù)的發(fā)布形式（４Ｄ數(shù)據(jù)）（1）數(shù)字線畫圖（ＤＬＧ）數(shù)據(jù)：對現(xiàn)有地形要素的矢量數(shù)據(jù)，保存?zhèn)€要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息，全面地描述地表目標(biāo)．（2）數(shù)字柵格圖（ＤＲＧ）數(shù)據(jù)：現(xiàn)有紙質(zhì)地圖經(jīng)計算機處理后得到的柵格數(shù)據(jù)文件．（３）數(shù)字高程模型（ＤＥＭ）數(shù)據(jù)：以數(shù)字形式表達的地形起伏數(shù)據(jù)．

（４）數(shù)字正射影像（ＤＯＭ）數(shù)據(jù)：對遙感數(shù)字影像，經(jīng)逐像元進行投影差改正，鑲嵌，按國家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字正射投影影像數(shù)據(jù)．2023/2/126GIS的空間數(shù)據(jù)類型點線面體時間：通常以第四維表達，但目前GIS還很難處理時間屬性?？臻g對象的維數(shù)與比例尺是相關(guān)的2023/2/127點美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個地震位置2023/2/128線香港城市道路網(wǎng)分布2023/2/129面中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）2023/2/130體香港理工大學(xué)校園立體效果圖2023/2/131二空間數(shù)據(jù)的基本特征1、空間數(shù)據(jù)的基本特征及信息空間數(shù)據(jù)包括的基本信息空間特征數(shù)據(jù)屬性特征數(shù)據(jù)時間特征數(shù)據(jù)2023/2/132三空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系2、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系（1）分類拓?fù)湓兀狐c、線、面基本拓?fù)潢P(guān)系：

關(guān)聯(lián)：不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系

鄰接：相同拓?fù)湓刂g的關(guān)系

包含：面與其他元素之間的關(guān)系

層次：相同拓?fù)湓刂g的層次關(guān)系弧段4起點終點中間點弧段1弧段3弧段2點:面:弧:鄰接相交重合相離包含點—點點—線點—面線—面面—面線—線2023/2/133拓?fù)浒姆诸?、簡單包含ID＝P1

IW＝1

IP＝0

ID＝P2

IW＝0

IP02、多層包含ID＝P1

IW＝1

IP＝0

ID＝P2

IW＝1

IP03、等價包含ID＝P1

IW＝3

IP＝0

ID＝P2

IW＝0

IP0ID代表當(dāng)前多邊形；IW表示等價包含；IP表示ID為島（IP0）或非島（IP＝

0）；2023/2/134（2）空間拓?fù)潢P(guān)系表達：關(guān)系表ebc41325ABC76Dada:結(jié)點號A:多邊形號1:弧段號弧段數(shù)字化方向表中數(shù)字前負(fù)號為相反方向弧-面拓?fù)浠《巫竺嬗颐嫫瘘c終點1A—ca2ABbc3CAba4—Cda5CBdb6BDee7B—dc面-弧拓?fù)涿嫣柣?shù)弧號A3-1,-2,3B42,-7,5,0,-6C3-3,-5,4D16結(jié)點-弧拓?fù)浣Y(jié)點弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6二空間數(shù)據(jù)的基本特征2023/2/135（3）構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系的意義A根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或距離，可以確定地理實體相對于另一種地理實體的空間位置關(guān)系。B利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)有利于空間要素的查詢。C可以利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)作為工具，重建地理實體。D保證數(shù)字化原始數(shù)據(jù)的自動查錯編輯。三空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系2023/2/136四空間數(shù)據(jù)的計算機表示ARC/INFO矢量數(shù)據(jù)模型的系統(tǒng)1、將空間數(shù)據(jù)抽象為不同的專題或?qū)樱總€專題層包含指定區(qū)域內(nèi)地理要素的位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)）2、將一個專題層的地理要素或?qū)嶓w分解為點、線或面狀目標(biāo)。（地理實體相鄰兩個結(jié)點間的一個弧段是基本的存儲目標(biāo)，每個目標(biāo)的數(shù)據(jù)包括由定位數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成）2023/2/137四空間數(shù)據(jù)的計算機表示3、空間數(shù)據(jù)表示方法：（1）空間分幅：將整個地理空間劃分為許多子空間，再選擇要表達的子空間。（2）屬性分層：將要表達的空間數(shù)據(jù)抽象成不同類型屬性的數(shù)據(jù)層來表示。（3）時間分段：將有時間特征的地理數(shù)據(jù)按其變化規(guī)律劃分為不同的時間段數(shù)據(jù)，再逐一表示。

2023/2/138四空間數(shù)據(jù)的計算機表示4、空間數(shù)據(jù)表示類型：具有相同的分類碼的同類目標(biāo)組成類型ID圖層：一類或相近的若干類構(gòu)成數(shù)據(jù)層；圖幅：若干數(shù)據(jù)層構(gòu)成圖幅；數(shù)據(jù)庫：全部數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫。目標(biāo)的數(shù)字表示：A每個弧段或目標(biāo)分配一個用戶標(biāo)識碼（USE－ID））B弧段的位置和形狀由一系列x,y坐標(biāo)定義C弧段的拓?fù)潢P(guān)系由始結(jié)點、終結(jié)點、左多邊形和右多邊形數(shù)據(jù)項組成D弧段的屬性數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的屬性表中E每個弧段的空間特征和屬性特征通過用戶標(biāo)識碼進行聯(lián)結(jié)。

2023/2/139第三節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是適合于計算機存儲、管理、處理的數(shù)據(jù)邏輯表達。（指數(shù)據(jù)以什么形式在計算機中存儲和管理）（矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）2、矢量數(shù)據(jù)：是面向地物的結(jié)構(gòu)，即對于每一個具體的目標(biāo)都會直接賦有位置和屬性信息以及目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系說明。3、柵格數(shù)據(jù)：面向位置的結(jié)構(gòu)，平面空間上的任何一點都直接聯(lián)系到某一個或某一類地物。4、矢－柵一體化結(jié)構(gòu)：矢量和柵格兩格結(jié)構(gòu)的特征。2023/2/140一矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）矢量：具有大小和方向的量的向量（2）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即為矢量數(shù)據(jù)，是利用歐幾里得幾何學(xué)中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。（3）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點：

A

能最好地逼近地理實體的空間分布特征

B

數(shù)據(jù)精度高

C

數(shù)據(jù)存儲的冗余度低

D

便于進行地理實體的網(wǎng)絡(luò)分析

E

對于多層數(shù)據(jù)的疊合分析比較困難2023/2/141（一）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型

1、簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

只記錄空間對象的位置坐標(biāo)和屬性信息，不記錄拓?fù)潢P(guān)系（又稱面條結(jié)構(gòu)）。

存儲:（1）獨立存儲：空間對象位置直接跟隨空間對象；

（2）點位：點坐標(biāo)獨立存儲，線、面由點號組成

特征:（1）無拓?fù)潢P(guān)系，主要用于顯示、輸出及一般查詢；

（2）公共邊重復(fù)存儲，數(shù)據(jù)冗余，難以保證數(shù)據(jù)獨立性；

和一致性多邊形分解和合并不易進行，鄰域處理較復(fù)雜

（3）處理嵌套多邊形比較麻煩。簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用范圍：制圖及一般查詢，不適合復(fù)雜的空間分析。2023/2/142

例：多邊形編碼坐標(biāo)At1231，23，4…Bt1245,6點號坐標(biāo)123451，23，45，67，8…多邊形編碼點號串ABT123t1241,2,3,4,7,6,11,6,7,4,5,11234567AB2023/2/143

2、拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

包括DIME（對偶獨立地圖編碼法，由美國人口調(diào)查局建立）、POLYVRT（多邊形轉(zhuǎn)換器，由美國計算機圖形及空間分析實驗室創(chuàng)立）、TIGER(地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)浼桑┑取?/p>

特點:（1）點是相互獨立的，點連成線，線構(gòu)成面。

（2）每條線始于起始結(jié)點（FN）止于終止結(jié)點（TN）并

與左右多邊形（LP和RP）相鄰接。

（3）構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段和弧段，兩條以上的弧

段相交的點稱為結(jié)點，由一條弧組成的多邊形稱為島，

多邊形中不含島的多邊形稱為簡單多邊形，表示單連

通區(qū)域含島的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表示復(fù)連通

區(qū)域。如下圖2023/2/144拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全顯式表達N1B2N2N4N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3A7A8N5A8B1B2B3B4A1A2A3A4A5A6A7N1N2N3N4N5M面弧點面-弧拓?fù)涿婊《位?點拓?fù)浠∑瘘c弧-面拓?fù)浠∽竺纥c-弧拓?fù)潼c弧段終點右面2023/2/145

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：部分顯式表達

用上述部分表格表示空間目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系：（1）System9：面-弧、弧-點（2）DIME：弧-點、弧-面

DIME是美國人口調(diào)查局在人口調(diào)查的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它通過有向編碼建立了多邊形、邊界、節(jié)點之間的拓?fù)潢P(guān)系，DIME編碼成為其它拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。目前商用GIS還沒有超出上述四個表格的拓?fù)潢P(guān)系2023/2/146

GIS中引入拓?fù)潢P(guān)系的優(yōu)缺點（1）優(yōu)點A

描述點、線、面的空間關(guān)系不完全依賴于具體的坐標(biāo)位置。B

空間關(guān)系信息豐富、簡潔，數(shù)據(jù)冗余小。C

方便多邊形和多邊形的疊合。D

便于檢查數(shù)據(jù)輸入過程中的錯誤。（2）缺點A

拓?fù)潢P(guān)系建立過程比較復(fù)雜B

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜2023/2/147空間對象關(guān)系表達如何描述空間對象之間的空間相互作用關(guān)系？1、方法

絕對關(guān)系:坐標(biāo)、角度、方位、距離等；

相對關(guān)系：相鄰、包含、關(guān)聯(lián)等2、相對關(guān)系類型拓?fù)淇臻g關(guān)系：描述空間對象的相鄰、包含等順序空間關(guān)系：描述空間對象在空間上的排列次序，如前后、左右、東、西、南、北等。

度量空間關(guān)系：描述空間對象之間的距離等。2023/2/148空間對象關(guān)系表達A：地圖、遙感影象上的空間關(guān)系是通過圖形識別的，在GIS中的空間關(guān)系則必須顯式的進行定義和表達。B：空間關(guān)系的描述多種多樣，目前尚未有具體的標(biāo)準(zhǔn)和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法進行描述2023/2/149

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：是否需要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?

可以根據(jù)應(yīng)用目的：

制圖或一般查詢，可不要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

空間分析，則應(yīng)建立拓?fù)潢P(guān)系

也可以根據(jù)服務(wù)對象和系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

面狀目標(biāo)：面-弧、弧-面

網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)：點-弧、弧-點2023/2/1503、曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

曲面指連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，具有這種覆蓋表面的地理要素有地形、降水量、溫度、磁場等。

表示和存儲這些要素的基本要求是必須便于連續(xù)現(xiàn)象在任一點的的內(nèi)插計算。常用不規(guī)則三角網(wǎng)來擬合連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，稱為TIN。

主要采用狄洛尼三角網(wǎng)來擬合地形信息。2023/2/151

不規(guī)則三角網(wǎng)X-YCoordinatesnode#coordinates12311...x1,y1x2,y2x3,y3...x11,y11ZCoordinatesnode#z_value12311...z1...z2z3z111236587911104ABCDEFGHIJKLMNEDGESadjacentABCDEFGHIJKLMNB,KA,C,LB,DC,E,LD,FE,GF,H,MG,IH,J,NI,KA,J,NB,D,MG,L,NI,K,MNODESnode#ABCDEFGHIJKLMN1,6,71,7,81,2,82,8,92,3,93,4,94,9,104,5,105,10,115,6,116,7,117,8,97,9,107,10,112023/2/152不規(guī)則三角網(wǎng)下建立的3D可視化狄洛尼三角網(wǎng)遵守平面圖形的歐拉公式歐拉公式：凸多面體的頂點數(shù)（n），棱數(shù)（m）及面數(shù)（r）之間的關(guān)系式：

n–m+r=2

2023/2/154二柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即指將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示地理實體的一種數(shù)據(jù)組織形式。2、地理要素的表示方法：(1)點：由一個單元網(wǎng)格表示，其數(shù)值與近鄰網(wǎng)格值明顯不同；(2)線：線段由一串有序的相互連續(xù)的單元網(wǎng)格表示，各個網(wǎng)格的值比較一致，但與領(lǐng)域的值差異較大；(3)多邊形：由聚集在一起的相互連接的單元網(wǎng)格組成，區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)格值相同或差異較小，與領(lǐng)域網(wǎng)格的值差異較大。2023/2/1553、網(wǎng)格邊長決定柵格數(shù)據(jù)的精度，通常，網(wǎng)格越大，精度越小。如何合理的選擇網(wǎng)格尺寸選擇？

H＝1/2({Ai})1/2

式中：i=1,2,……n(區(qū)域多邊形數(shù))，A是研究區(qū)域最小圖斑的面積2023/2/1564、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點（與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相比較）優(yōu)點：(1)表達地理要素比較直觀；(2)容易實現(xiàn)多元數(shù)

據(jù)的疊合操作；(3)便于與遙感圖像及掃描輸入

數(shù)據(jù)相匹配建庫和使用等。

缺點：(1)存儲空間大；(2)由于相鄰柵格單元屬性值的

相關(guān)性，造成柵格數(shù)據(jù)的冗余度；(3)柵格數(shù)據(jù)

對于網(wǎng)絡(luò)分析和建立網(wǎng)絡(luò)連接

關(guān)系比較困難。5、柵格數(shù)據(jù)獲取方式：遙感數(shù)據(jù)；圖片掃描數(shù)據(jù)；矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；手工方式2023/2/157點線面2023/2/158（一）柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型1、柵格矩陣結(jié)構(gòu)

是一種全柵格陣列的空間數(shù)據(jù)組織形式。特點：儲存需占空間大。若一個柵格單元為2個字節(jié)，則一個矩陣M行，N列的柵格圖像存儲空間為：M*N*2（字節(jié)）。例如影像：

A

B

B

AAB

AAA

在計算機內(nèi)是一個3*3階的矩陣。但在外部設(shè)備上，通常是以左上角開始逐行逐列存貯。如上例存貯順序為：ABBAABAAA

當(dāng)每個像元都有唯一一個屬性值時，一層內(nèi)的編碼就需要m行×n列×每個單元占的字節(jié)數(shù)(x,y和屬性編碼值)個存儲單元。數(shù)字地面模型就屬此種情況。

例：若一個面積為100km2的區(qū)域，如果網(wǎng)格的邊長取1m，每個網(wǎng)格用一個字節(jié)表示，剛一個圖層的要素占200M字節(jié)的存儲空間。2023/2/1592、游程編碼結(jié)構(gòu)

游程：指相鄰?fù)稻W(wǎng)格的數(shù)量。

游程編碼結(jié)構(gòu)：是逐行將相鄰?fù)档木W(wǎng)格合并，并記錄

合并后網(wǎng)格的值及合并網(wǎng)格的長度。目的：壓縮柵格數(shù)據(jù)量，消除數(shù)據(jù)間的冗余。2023/2/160

（1）游程編碼建立的方法：將柵格矩陣的數(shù)據(jù)序列X1，

X2

……Xn，映射為相應(yīng)的二元組序列（Ai，Pi），i=1，k,且k《n。A為屬性值，P為游程，K為游程序號。

游程編碼表示柵格矩陣數(shù)據(jù)2023/2/161（2）圖層的數(shù)據(jù)冗余度Re：

Q為圖層內(nèi)相鄰屬性值變化次數(shù)的累加和；M為圖層網(wǎng)格的行數(shù)；

N為圖層網(wǎng)格的列數(shù)。若Re大于20%柵格數(shù)據(jù)的壓縮效果明顯。

壓縮效果用壓縮比:

這里n表示壓縮前的存儲容量，k表示壓縮后的存儲容量。例：一平方公里的正方形區(qū)域，建立柵格數(shù)據(jù)，取柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)格邊長為10米，建立了一個100*100的柵格矩陣，若每個柵格矩陣的數(shù)據(jù)用一個8位碼表示，需用空間10000個字節(jié)，而采用游程長度壓縮碼表示時，建立的游程總數(shù)為500個，每個游程用一個雙字節(jié)來表示，則壓縮比：10：12023/2/162（3）游程編碼數(shù)據(jù)的組織形式采用索引文件的方法來組織數(shù)據(jù)，訪問效率快。

2023/2/1633

四叉樹編碼結(jié)構(gòu)

四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲的原理：（1）自上而下的方法

將一幅柵格地圖或圖象等分為四部分。逐塊檢查其格網(wǎng)屬性值（或灰度）。如果某個子區(qū)的所有格網(wǎng)值都具有相同的值，則這個子區(qū)就不再繼續(xù)分割，否則還要把這個子區(qū)再分割成四個子區(qū)。這樣遞次地分割，直到每個子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。

凡數(shù)值呈單調(diào)的單元，不論單元大小，均作最后的存儲單位。這四個等分區(qū)稱為四個子象限，按順序為左上（NW）、右上（NE）、左下（SW）、右下（SE）。用一個樹結(jié)構(gòu)表示，如前所述，這種自上而下分割的方法需要大量重復(fù)運算，因而應(yīng)用得比較少。如下圖：，2023/2/1642023/2/1651、對于一個n×n（n=2k，k>1）的柵格方陣組成的區(qū)域作四叉樹編碼，其中k稱為分辨率。第一分割四個子象限，它們分別包括：2、如果要再分割下一層，其子象限分別為：2023/2/166（2）自下而上合并的方法

是將二維矩陣的每個元素的下標(biāo)轉(zhuǎn)換成Morton地址碼，并將元素按碼的升序排列成線性表。其建立的過程如下：

先將十進制的行列號轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)表示，然后按下式計算每個柵格單元對應(yīng)的

Morton碼：Mo=2Ib+Jb式中Ib為二進制行號，Jb為二進制列號。如下圖7*7柵格的Morton碼表：2023/2/167柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：壓縮編碼方案AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起點行列號，單位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3鏈?zhǔn)骄幋a游程長度編碼逐行編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):行號,屬性,重復(fù)次數(shù)1,A,4,R,1,A,3按游程序號編碼：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：游程序號,（屬性值，游程）1（A，4）；2（R，1）；3（A,6)……塊狀編碼正方形區(qū)域為記錄單元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):初始位置,半徑,屬性(1,1,3,A),(1,4,1,A)(1,5,1,R),(1,6,2,A),…NESWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉樹編碼2023/2/168柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點1、離散的量化柵格值表示空間對象2、位置隱含,屬性明顯3、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,易于遙感數(shù)據(jù)結(jié)合,但數(shù)據(jù)量大4、幾何和屬性偏差5、面向位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),難以建立空間對象之間的關(guān)系2023/2/169三、矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1、矢量與柵格一體化的基本概念；（1）四庫合一：新一代集成化的地理信息系統(tǒng)，能夠統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。（2）矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：矢量與柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來，既具有矢量特性，又具有柵格性質(zhì)。如線狀實體：除記錄原始取樣點，還要記錄所通過的柵格。面狀地物：除記錄它的多邊形邊界外，還記錄中間包含的柵格。2023/2/170（3）矢量與柵格化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲：A

點狀目標(biāo)：表示點的一個位置數(shù)據(jù)及與結(jié)點關(guān)聯(lián)的弧段信息。B

線狀目標(biāo)：用一組土元子來填滿整個路徑，并表示該弧段相關(guān)的拓?fù)湫畔ⅰ

面狀目標(biāo)：由元子填滿路徑的一組邊界和邊界組成的空間。2023/2/171三、矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2、矢量與柵格一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）點狀目標(biāo)和結(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

將點坐標(biāo)化為兩個地址碼。其結(jié)構(gòu)如：

結(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化：結(jié)點標(biāo)識號M1

M2高程Z關(guān)聯(lián)弧段（2）線狀目標(biāo)和弧段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

線狀目標(biāo)點要將其通過的柵格地址全部記錄下來，先記錄線狀地物的弧段的數(shù)據(jù)文件。其文件結(jié)構(gòu)可簡化為：

弧標(biāo)識號始結(jié)點終結(jié)點左區(qū)右區(qū)中間點串（M1，M2…Mz）2023/2/172（3）面狀目標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

面狀目標(biāo)應(yīng)包含邊界和邊界所包圍的整個區(qū)域。邊界由弧段組成，關(guān)聯(lián)弧段構(gòu)成多邊形區(qū)域，通過關(guān)聯(lián)弧段與弧段數(shù)據(jù)的連接，可建立多邊形與弧段之間的拓?fù)潢P(guān)系。面狀目標(biāo)的中間采用柵格或者游程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。

面狀目標(biāo)及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡化：多邊形標(biāo)識號關(guān)聯(lián)弧段面塊頭指針（M碼）

面塊頭指針：是指向該目標(biāo)的下一個子塊的記錄或地址碼，并在最后指向該目標(biāo)的對應(yīng)屬性值。矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較2023/2/1732023/2/174五、其它數(shù)據(jù)模型：CAD模型2023/2/175五、其它數(shù)據(jù)模型：影像數(shù)據(jù)模型2023/2/176第四節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立：是指根據(jù)確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，形成與該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的GIS空間數(shù)據(jù)，為空間數(shù)據(jù)庫的建立提供物質(zhì)基礎(chǔ)。柵格數(shù)據(jù)輸入與編輯跟蹤數(shù)字化掃描矢量化解析測圖儀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換矢量數(shù)據(jù)輸入與編輯根據(jù)用戶需求，確定數(shù)據(jù)項目根據(jù)數(shù)據(jù)項目，確定數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)分類和編碼確定數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)輸入與編輯操作掃描數(shù)字化透明格網(wǎng)采集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)庫矢量數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立的基本過程2023/2/177第四節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立一、系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)間的關(guān)系

現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模式的一個重要特征是數(shù)據(jù)與功能之間具有密切的聯(lián)系(見下表)，因此，在確定數(shù)據(jù)內(nèi)容時，首先必須明確系統(tǒng)的功能；

對開發(fā)的GIS系統(tǒng)的功能，是通過用戶需求調(diào)查來確定的，因此，在開發(fā)GIS系統(tǒng)之前，首先要進行系統(tǒng)分析。2023/2/178表:系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)間的關(guān)系2023/2/179

二、空間數(shù)據(jù)的分類和編碼

（一）空間數(shù)據(jù)的分類：

是指根據(jù)系統(tǒng)功能及國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將具有不同屬性或特征的要素區(qū)別開來的過程，以便從邏輯上將空間數(shù)據(jù)組織為不同的信息層，為數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理、查詢和共享提供依據(jù)。(見下圖)2023/2/180數(shù)據(jù)分層土壤地貌森林建筑物ZYX2023/2/181

二、空間數(shù)據(jù)的分類和編碼

（二）空間數(shù)據(jù)的編碼：

是指將數(shù)據(jù)分類的結(jié)果，用一種易于被計算機和人識別的符號系統(tǒng)表示出來的過程。

編碼的結(jié)果是形成代碼。代碼由數(shù)字或字符組成。

例如，我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的分類代碼由六位數(shù)字組成，其代碼結(jié)構(gòu)如下所示：2023/2/182空間數(shù)據(jù)編碼（續(xù)）：例國標(biāo)行政區(qū)劃代碼（GB-2260-91）地形要素分類編碼省自治區(qū)直轄市省直轄市地區(qū)州、盟縣旗市轄市☆☆☆☆☆☆☆☆☆一級代碼，一位數(shù)字三級代碼，三位數(shù)字二級代碼，二位數(shù)字四級代碼，三位數(shù)字2023/2/183層次分類編碼分類對象的從屬和層次關(guān)系高壓711電線架715管線:7地下電力線與電纜72電力線71地下檢修井74管線73低壓712電桿713電塔714不依比例7142依比例71412023/2/184多源分類編碼按空間對象不同特性進行分類并進編碼代碼之間沒有隸屬關(guān)系，反映對象特性具有較大的信息量，有利于空間分析河流特性分類與編碼通航情況通航：1不通航：2常年河：1時令河：2消失河：3<1km：1<2km：2<5km：3<10km：4>10km：5流水季節(jié)河流寬度河流長度河流深度5~