空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

第三章空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-1地理空間及其表達(dá)§3-2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-3柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-4矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-5曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-6三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（一）數(shù)據(jù)來源：地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)。（二）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類（三）按數(shù)據(jù)特征分類：按點(diǎn)、線、面等幾何元素來表達(dá)空間實(shí)體的幾何特征的數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)空間定位數(shù)據(jù)

§3-1地理空間及其表達(dá)一、GIS空間數(shù)據(jù)的分類矢量數(shù)據(jù)：將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個(gè)網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示空間實(shí)體。非空間屬性數(shù)據(jù)

（四）空間維數(shù)：有0，1，2，2.5，3維之分，點(diǎn)、線、面、曲面、體。（五）空間特征類型：有點(diǎn)狀實(shí)體、線狀、面狀、體狀實(shí)體。在地圖上實(shí)體維數(shù)的表示可以改變點(diǎn)---面線（單線河）---面（雙線河），通過地圖綜合?！?-1地理空間及其表達(dá)二、GIS空間數(shù)據(jù)的分類（六）按數(shù)據(jù)發(fā)布的形式：（1）DLG數(shù)字線劃圖：現(xiàn)有地形圖要素的矢量數(shù)據(jù)，保存各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息。（２）DRG數(shù)字柵格圖（３）DEM數(shù)字高程模型：表示地表區(qū)域上地形的三維向量的有限序列，即地表單元上高程的集合。（4）DOM數(shù)字正射影像：對(duì)遙感數(shù)字影像經(jīng)逐像元進(jìn)行投影差改正、再按影像鑲嵌，根據(jù)圖幅范圍剪裁生成的影像數(shù)據(jù)?！?-1地理空間及其表達(dá)二、空間數(shù)據(jù)的基本特征空間特征：地理位置和空間關(guān)系屬性特征—名稱、等級(jí)、類別等時(shí)間特征三、實(shí)體空間關(guān)系（一）空間關(guān)系類型1、

順序空間關(guān)系：（方向空間關(guān)系）用上下左右、前后、東南西北等方向性名稱來描述空間實(shí)體的順序關(guān)系，算法復(fù)雜，至今沒有很好的解決方法。2、

度量空間關(guān)系，主要指實(shí)體間的距離關(guān)系，遠(yuǎn)近。1）在地理空間中兩點(diǎn)間的距離有兩種度量方法。a、沿真實(shí)的地球表面進(jìn)行,除與兩點(diǎn)的地理坐標(biāo)有關(guān)外，還與所通過路徑的地形起伏有關(guān)，復(fù)雜,引入第二種。b、沿地球旋轉(zhuǎn)橢球體的距離量算。2）

距離類別：歐氏距離（笛卡爾坐標(biāo)系）、曼哈頓（出租車）距離、時(shí)間距離（緯度差）、大地測(cè)量距離（大地線）（沿地球大圓經(jīng)過兩個(gè)城市中心的距離）。3、拓?fù)淇臻g關(guān)系北ab§3-1地理空間及其表達(dá)拓?fù)涫菙?shù)學(xué)的一個(gè)分支，用于研究那些經(jīng)歷特定變換（連續(xù)）之后仍然保持不變的幾何性質(zhì)，特定的變換包括拉伸、彎曲等。在GIS中，用來描述并確定空間的點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系及屬性，并可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的查詢和檢索。我們可以用眼睛來觀察世界，得到周圍事物的位置關(guān)系，但計(jì)算機(jī)卻不能，因此有必要用它能識(shí)別的方式來表示實(shí)體之間的不同關(guān)系，如屬于、包含、接壤、位于等，那么在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里就可以用---拓?fù)鋪肀硎?。三、?shí)體空間關(guān)系（二）拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)?移動(dòng)結(jié)點(diǎn)無拓?fù)?移動(dòng)結(jié)點(diǎn)（二）拓?fù)潢P(guān)系（二）拓?fù)潢P(guān)系1、定義（TOPO）：指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)。將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)或折疊。

拓?fù)渥儞Q（橡皮變換）

非拓?fù)鋵傩裕◣缀危┩負(fù)鋵傩裕]發(fā)生變化的屬性）兩點(diǎn)間距離一點(diǎn)指向另一點(diǎn)的方向弧段長(zhǎng)度、區(qū)域周長(zhǎng)、面積等一個(gè)點(diǎn)在一條弧段的端點(diǎn)一條弧是一簡(jiǎn)單弧段（自身不相交）一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部/外部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)環(huán)的內(nèi)/外部一個(gè)面是一個(gè)簡(jiǎn)單面一個(gè)面的連通性面內(nèi)任兩點(diǎn)從一點(diǎn)可在面的內(nèi)部走向另一點(diǎn)

拓?fù)湓兀?/p>

點(diǎn)：孤立點(diǎn)、線的端點(diǎn)、面的首尾點(diǎn)、鏈的連接點(diǎn)線：兩結(jié)點(diǎn)之間的有序弧段，包括鏈、弧段和線段面：若干弧段組成的多邊形

起點(diǎn)中間點(diǎn)弧段3弧段2終點(diǎn)弧段1點(diǎn)面線點(diǎn)：孤立點(diǎn)、線的節(jié)點(diǎn)node、中間點(diǎn)Vertex線：兩節(jié)點(diǎn)之間的有序弧段面：若干弧段組成的多邊形點(diǎn)、線、面之間的基本拓?fù)潢P(guān)系相鄰相交重疊分離包含點(diǎn)—點(diǎn)點(diǎn)—線點(diǎn)—面線—面面—面線—線

關(guān)聯(lián)：不同拓?fù)湟刂g的關(guān)系鄰接：相同拓?fù)湟刂g的關(guān)系連通：線與線要素之間的關(guān)系包含：面與其他要素之間的關(guān)系拓?fù)湓亓恐g的關(guān)系：歐拉公式2、基本拓?fù)潢P(guān)系種類

1）關(guān)聯(lián)性：（不同類要素之間）結(jié)點(diǎn)與弧段：如V9與L5,L6,L3多邊形與弧段：P2與L3,L5,L22）鄰接性：(同類元素之間)多邊形之間、結(jié)點(diǎn)之間。鄰接矩陣

重疊：--鄰接：1不鄰接：0P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--2、基本拓?fù)潢P(guān)系種類

3）連通性

連通矩陣：重疊：--連通：1不連通：0V1V2V3…V1--10V21--1V301--4）包含性與鄰接性相類似，指對(duì)弧段連接的判別，如用于網(wǎng)絡(luò)分析中確定路徑、街道是否相通。指面狀實(shí)體包含了哪些線、點(diǎn)或面狀實(shí)體。拓?fù)潢P(guān)系具體可由4個(gè)關(guān)系表來表示：（1）

面--鏈關(guān)系：面構(gòu)成面的弧段（2）

鏈--結(jié)點(diǎn)關(guān)系：鏈鏈兩端的結(jié)點(diǎn)（3）

結(jié)點(diǎn)--鏈關(guān)系：結(jié)點(diǎn)通過該結(jié)點(diǎn)的鏈\（4）鏈—面關(guān)系：鏈左面右面3、拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)（1）點(diǎn)－點(diǎn)關(guān)系。點(diǎn)實(shí)體和點(diǎn)實(shí)體之間之間只存在相離和重合兩種關(guān)系。如兩個(gè)分離的村莊，變壓器與電線桿在投影至平面空間上重合。（2）點(diǎn)－線關(guān)系。點(diǎn)實(shí)體和線實(shí)體間存在著相鄰、相離和包含三種關(guān)系。如水閘和水渠相鄰；道路與學(xué)校相離；里程碑包含在高速公路中。（3）點(diǎn)－面關(guān)系。點(diǎn)實(shí)體與面實(shí)體間存在著相鄰、相離和包含三種關(guān)系。如水庫與多個(gè)泄洪閘門相鄰，閘門位于水庫的邊界上；公園與遠(yuǎn)處的電視發(fā)射塔相離；耕地含有輸電桿。4、拓?fù)潢P(guān)系的舉例對(duì)于數(shù)據(jù)處理和GIS空間分析具有重要的意義，因?yàn)椋?）拓?fù)潢P(guān)系能清楚地反映實(shí)體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化。2）有助于空間要素的查詢，利用拓?fù)潢P(guān)系可以解決許多實(shí)際問題。如某縣的鄰接縣，--面面相鄰問題。又如供水管網(wǎng)系統(tǒng)中某段水管破裂找關(guān)閉它的閥門。3）根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可重建地理實(shí)體。5、拓?fù)潢P(guān)系的意義（4）線－線關(guān)系。線實(shí)體與線實(shí)體間存在著相鄰、相交、相離、包含、重合關(guān)系。如供水主干管道與次干管道相鄰（連通）；鐵路和公路平面相交；國(guó)道和高速公路相離；河流中包含通航線；道路與沿道路鋪設(shè)的管線在平面上重合。（5）線－面關(guān)系。線實(shí)體與面實(shí)體間存在著相鄰、相交、相離、包含關(guān)系。如水庫與上游及下游河流相鄰；跨湖泊的通訊光纖與湖泊相交；遠(yuǎn)離某鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的高速公路；在某縣境內(nèi)的干渠等。（6）面－面關(guān)系。面實(shí)體與面實(shí)體間存在著相鄰、相交、相離、包含、重合關(guān)系。例如地籍中相鄰的兩塊宗地；土地利用圖斑與地層類型圖斑相交；某縣域內(nèi)包含多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)；宗地與建筑物底面重合等。4、拓?fù)潢P(guān)系的舉例1、拓?fù)浔砀裰g是否信息獨(dú)立？為什么？拓?fù)潢P(guān)系思考題2、以下描述的是什么拓?fù)潢P(guān)系：（1）香樟苑位于南林大學(xué)里面還是外面？（2）土木院南面的樓是什么樓？（3）土木院前面的道路叫什么名字？（4）G312經(jīng)過哪些縣市？（5）從蘇州至南京的最佳路徑怎么走？四、空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)表示1、

空間分幅：將整個(gè)地理空間劃分為許多子空間，再選擇要表達(dá)的子空間。2、

屬性分層：將要表達(dá)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(shí)間分段：將有時(shí)間特征的地理數(shù)據(jù)按其變化規(guī)律劃分為不同的時(shí)間段數(shù)據(jù)，再逐一表示?！?-1地理空間及其表達(dá)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、定義：即數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理、處理的數(shù)據(jù)邏輯表達(dá)?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)§3-2-1概述柵格基于格點(diǎn)的矢量基于坐標(biāo)的§3-2-1概述二、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義

由于線段由具有起終點(diǎn)坐標(biāo)的線段組成，具有方向性，故稱矢量結(jié)構(gòu)。定義：通過記錄坐標(biāo)，用點(diǎn)、線、面等基本要素精確地表示各種地理實(shí)體。三、矢量數(shù)據(jù)獲取方法11.外業(yè)數(shù)字化測(cè)圖獲得，如全站儀GPS、三維激光掃描儀等；22.掃描數(shù)字化方法獲??；33.由數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量或遙感獲得；矢量柵格4.柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量數(shù)據(jù)。§3-2-2矢量數(shù)據(jù)組織

點(diǎn)：坐標(biāo)對(duì)（x,y）+識(shí)別符線：坐標(biāo)對(duì)系列(x1,y1)..(xn,yn)及有關(guān)屬性、其它屬性面：首尾相同的坐標(biāo)串關(guān)系表幾何位置坐標(biāo)文件連接矢量數(shù)據(jù)表示時(shí)應(yīng)考慮以下問題：·矢量數(shù)據(jù)自身的存貯和處理?！づc屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系?！な噶繑?shù)據(jù)之間的空間關(guān)系(拓?fù)潢P(guān)系)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的方法是幾何圖形及其關(guān)系用文件方式組織，而屬性數(shù)據(jù)通常采用關(guān)系型表文件記錄，兩者通過實(shí)體標(biāo)識(shí)符連接。由于這一特點(diǎn)使得在某些方面有便利和獨(dú)到之處，例如在計(jì)算長(zhǎng)度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，有很高的效率和精度。一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式編碼方式有：

1、坐標(biāo)序列法(Spaghetti結(jié)構(gòu)）

2、樹狀索引法

3、雙重獨(dú)立式編碼

4、鏈狀雙重獨(dú)立式編碼--拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式1、坐標(biāo)序列法(Spaghetti結(jié)構(gòu)）（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但無法表達(dá)邊界和多邊形之間的關(guān)系（3）不適合復(fù)雜的空間分析，在不以分析為目的CAD系統(tǒng)中廣泛使用。（1）公共邊重復(fù)存儲(chǔ)，存在數(shù)據(jù)冗余。.1、坐標(biāo)序列法Spaghetti

（優(yōu)缺點(diǎn)）一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式

MapInfo的文件格式及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)機(jī)制1、坐標(biāo)序列法Spaghetti

（示例）

ArcViewGIS的Shapefile文件格式1、坐標(biāo)序列法Spaghetti

（示例）（1）主文件（*.shp）直接存取，變長(zhǎng)記錄的文件，每個(gè)記錄描述一個(gè)實(shí)體。（3）dBASE文件（*.dbf）包含各個(gè)實(shí)體的屬性特征的。（2）索引文件（*.shx）每個(gè)記錄包含對(duì)應(yīng)主文件記錄離主文件頭開始的偏移值。2.樹狀索引法：對(duì)所有邊界點(diǎn)數(shù)字化，將坐標(biāo)對(duì)以循序方式存儲(chǔ)，由點(diǎn)索引與邊界線號(hào)相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相關(guān)聯(lián)。

ⅠⅡP1P3P2ⅡⅢⅣ1234545456789ⅠⅡⅢⅣ線與多邊形之間的樹狀索引點(diǎn)與邊界線之間的樹狀索引ⅠⅡⅢⅣ123467895P1P2P31011一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式

點(diǎn)文件：

點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)

1x1，y1

2x2，y2

9x9，y9……線號(hào)起點(diǎn)終點(diǎn)點(diǎn)號(hào)

Ⅰ451,2,3,4，5Ⅱ45

4，5

Ⅲ

5

45，6,7,8,4

Ⅳ999，10,11線文件ⅠⅡⅢⅣ123467895P1P2P31011多邊形文件：多邊形號(hào)邊界線號(hào)

P1Ⅰ，ⅡP2Ⅱ，Ⅲ

P3Ⅳ一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式2、樹狀索引法優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1）消除多邊形數(shù)據(jù)的冗余和不一致2）鄰接信息、島信息可通過查找公共弧段號(hào)的方式查詢。缺點(diǎn)：1）表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系較繁瑣2）給相鄰運(yùn)算、處理島信息、檢索拓?fù)潢P(guān)系等帶來困難3）以人工方式建立編碼表，工作量大，易出錯(cuò)。一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方式3、雙重獨(dú)立式編碼簡(jiǎn)稱DIME(DualIndependentMapEncoding)，是美國(guó)人口統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)采用的一種編碼方式，是一種拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)。

1、點(diǎn)文件點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)1x1,y12、線文件:線文件是以線段為記錄單位線號(hào)左多邊形

右多邊形

起點(diǎn)終點(diǎn)L210P1P2210123456789101112131415PPP3、面文件面號(hào)線號(hào)P1L210,L109…關(guān)聯(lián)鄰接關(guān)聯(lián)連通拓?fù)潢P(guān)系明確在DIME中做如下改進(jìn)：將以線段為記錄單位改為以弧段為單位鏈狀雙重獨(dú)立式編碼

4、鏈狀雙重獨(dú)立式編碼1、弧段坐標(biāo)文件：弧段號(hào)坐標(biāo)系列（串)Ax2,y2,X10,y10…2、弧段文件：鏈—面，鏈—結(jié)點(diǎn)關(guān)系弧段號(hào)

左多邊形

右多邊形

起點(diǎn)終點(diǎn)AP1P225123456789101112131415PPP3、面文件面號(hào)弧段號(hào)

P1A,B,-C4、點(diǎn)拓?fù)湮募航Y(jié)點(diǎn)—鏈關(guān)系點(diǎn)號(hào)

弧段號(hào)

2A,B,D在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，多邊形（面）的邊界被分割成一系列的線（弧、鏈、邊）和點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)）等拓?fù)湟?，點(diǎn)、線、面之間的拓?fù)潢P(guān)系在屬性表中定義，多邊形邊界不重復(fù)。

下圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表ebc41325ABC76Dada:結(jié)點(diǎn)號(hào)A:多邊形號(hào)1:弧段號(hào)弧段數(shù)字化方向鏈拓?fù)浔礞溩笥移瘘c(diǎn)終點(diǎn)1A—ca2ABbc3CAba4—Cda5CBdb6BDee7B—

dc多邊形拓?fù)浔恚?鏈關(guān)系）多邊形鏈數(shù)鏈A3-1,-2,3B42,-7,5,0,-6C3-3,-5,4D16節(jié)點(diǎn)拓?fù)浔恚c(diǎn)和鏈的關(guān)系）結(jié)點(diǎn)鏈a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6鏈坐標(biāo)1XcYcXaYa2XbYbXcYc4、鏈狀雙重獨(dú)立式編碼（特點(diǎn)）拓?fù)潢P(guān)系明確，也能表達(dá)島信息，而且以弧段為記錄單位，滿足實(shí)際應(yīng)用需要。因?yàn)橐话銛?shù)字化一條街道時(shí)，必然有許多中間點(diǎn)，但我們?cè)谧隹臻g分析是卻沒有必要以這些中間點(diǎn)所組成的折線為研究對(duì)象，而應(yīng)以整條弧段（某條街道）為研究對(duì)象.

被一些成熟的商品化軟件采用，如ARC/INFO7.8軟件（Coverage格式）。例：ARC文件：二進(jìn)制文件: