地理信息系統(tǒng)筆記及課后題

地理信息系統(tǒng)筆記及課后題

地理信息系統(tǒng)筆記

第一章緒論

§1-1GIS概念

一、信息與數(shù)據(jù)

1、信息

1）定義：

信息是現(xiàn)實世界在人們頭腦中的反映。它以文字、數(shù)據(jù)、符號、聲音、圖象等形

式記錄下來，進行傳遞和處理，為人們的生產(chǎn)，建設，管理等提供依據(jù)。

2）信息的特性：

A、客觀性：任何信息都是與客觀事實相聯(lián)系的，這是信息的正確性和精確度的

保證。

B、適用性：問題不同，影響因素不同，需要的信息種類是不同的。信息系統(tǒng)將

地理空間的巨大數(shù)據(jù)流收集，組織和管理起來，經(jīng)過處理、轉換和分析變?yōu)閷ι?/p>

產(chǎn)、管理和決策具有重要意義的有用信息，這是由建立信息系統(tǒng)的明確目的性所

決定的。

如股市信息，對于不會炒股的人來說，毫無用處，而股民們會根據(jù)它進行股票的

購進或拋出，以達到股票增值的目的。

C、傳輸性：信息可在信息發(fā)送者和接受者之間進行傳輸信息的傳輸網(wǎng)絡，被形

象地稱為“信息高速公路”。

D、共享性：信息與實物不同，信息可傳輸給多個用戶，為用戶共享，而其本身

并無損失，這為信息的并發(fā)應用提供可能性。

2、數(shù)據(jù)

指輸入到計算機并能被計算機進行處理的數(shù)字、文字、'符號、聲音、圖象等符

號。

數(shù)據(jù)是對客觀現(xiàn)象的表示，數(shù)據(jù)本身并沒有意義。數(shù)據(jù)的格式往往和具體的計算

機系統(tǒng)有關，隨載荷它的物理設備的形式而改變。

3、兩者關系（有人認為，輸入的都叫數(shù)據(jù)，輸出的都叫信息，其實不然）。

數(shù)據(jù)是信息的表達、載體，信息是數(shù)據(jù)的內涵，是形與質的關系。

只有數(shù)據(jù)對實體行為產(chǎn)生影響才成為信息，數(shù)據(jù)只有經(jīng)過解釋才有意義，成為信

息。

例如“1、”“0”獨立的1、0均無意義。

當它表示某實體在某個地域內存在與否，它就提供了“有”“無”信息，當用它

來標識某種實體的類別時，它就提供了特征碼信息。

二、地理信息與地學信息

1、地理信息

1）定義：指與研究對象的空間地理分布有關的信息。它表示地理系統(tǒng)諸要素的

數(shù)量、質量、分布特征，相互聯(lián)系和變化規(guī)律的圖、文、聲、像等的總稱。

2）特點：

A、地域性：（是地理信息區(qū)別于其它類型信息的最顯著標志）。

地理信息屬于空間信息，位置的識別與數(shù)據(jù)相聯(lián)系，它的這種定位特征是通過公

共的地理基礎來體現(xiàn)的。

B、多維結構：

指在同一位置上可有多種專題的信息結構。如某一位置上的地理信息包括（例

圖）

C、時序特征：

時空的動態(tài)變化引起地理信息的屬性數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)的變化。因此，一實時的

GIS系統(tǒng)要求能及時采集和更新地理信息，使得地理信息具有現(xiàn)勢性。以免過時

的信息造成決策的失誤或因為缺少可靠的動態(tài)數(shù)據(jù)，不能對變化中的地理事件或

現(xiàn)象作出合理的預測預報和科學論證。例如98年龍王廟特大洪水險情正是武漢

勘測設計院利用先進的搖感、GPS技術測得實時數(shù)據(jù)為抗洪決策提供可靠依據(jù)。

顯然，如果用過時數(shù)據(jù)，這將造成多大的損失，這就是地理信息的時序特征。

2、地學信息

與人類屋%的地球有關的信息都是地學信息。

3、兩者信息源不同

地理信息的信息源是地球表面的巖石圈、水圈、大氣圈和人類活動等；

地學信息所表示的信息范圍更廣泛，不僅來自地表，還包括地下、大氣層甚至宇

宙空間。它是人們深入認識地球系統(tǒng)、適度開發(fā)資源、保護環(huán)境的前提和保證。

四、信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

1、信息系統(tǒng)（InformationSystem,IS）

1）系統(tǒng)：

由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成，能完成特定功能的有機整體。

2）信息系統(tǒng)：

能對‘/據(jù)和信息進行采集、存儲、加工和再現(xiàn)，并能回答用戶--系列問題的系統(tǒng)。

具有采集、管理、分析和表達數(shù)據(jù)的能力。

3）類型：從適用于不同管理層次角度出發(fā)、信息系統(tǒng)分為下列不同類型。

事務處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)：主要支持操作層人員的日常事務處理，圖書管理,

借還書。

決策支持系統(tǒng)：從MIS中獲取信息，進行推測，以輔助決策。

人工智能、專家系統(tǒng)：用計算機模仿人類思維過程進行推理，在醫(yī)學上應用較成

功。

為有效地對信息流進行控制，組織、管理、充分利用，就需要建立某種信息系統(tǒng),

那么對地理信息進行管理、利用就需要建立地理信息系統(tǒng)。

2、地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem,GIS）

1）定義：不同領域、不同專業(yè)對GIS的理解不同，目前沒有完全統(tǒng)一的被普遍

接受的

A、GIS是對地理環(huán)境有關問題進行分析和研究的一門學科，它將地理環(huán)境的各

種要素，包括它們的空間位置形狀及分布特征和與之有關的社會、經(jīng)濟等專題信

息以及這些信息之間的聯(lián)系等進行獲取、組織、存儲、檢索、分析，并在管理、

規(guī)劃與決策中應用。

B、為了獲取、存儲、檢索、分析和顯示空間定位數(shù)據(jù)而建立的計算機化的數(shù)據(jù)

庫管理系統(tǒng)。--美國國家地理信息與分析中心

C、是在計算機軟硬件支持下，以采集、存儲、管理、檢索、分析和描述空間物

體的定位分布及與之相關的屬性數(shù)據(jù)，并回答用戶問題為主要任務的計算機系

統(tǒng)。

D、GIS是一種獲取、存儲、檢索、操作、分析和顯示地球空間數(shù)據(jù)的計算機系

統(tǒng)。一英國教育部

2）理解

aGIS是一計算機系統(tǒng)，既然是系統(tǒng)，就要具有系統(tǒng)的基本功能，數(shù)據(jù)采集、管

理、分析和表達，所以每個GIS系統(tǒng)都是由若干具有一定功能的模塊組成。

bGIS的處理對象是有關的地理分布數(shù)據(jù)，也就是空間數(shù)據(jù)，為了能對這些空間

數(shù)據(jù)進行定位，定性和定量的描述，決定了GIS要對空間數(shù)據(jù)按統(tǒng)一地理坐標進

行編碼，這是GIS與

其他信息系統(tǒng)不同的根本所在。

3、GIS與其它IS之間的關系和區(qū)別

1）GIS與其它IS之間的關系（信息系統(tǒng)分類）

2）GIS與其它IS的區(qū)別

A、GIS與一般MIS：

GIS離不開數(shù)據(jù)庫技術。數(shù)據(jù)庫中的?些基本技術，如數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)

據(jù)檢索等都是GIS廣泛使用的核心技術。

GIS對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)共同管理、分析和應用，而一般MIS（數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）

側重于非圖形數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）的優(yōu)化存儲與查詢，即使存儲了圖形，也是以文

件的形式存儲，不能對空間數(shù)據(jù)進行查詢、檢索、分析，沒有拓撲關系，其圖形

顯示功能也很有限。

如電話查號臺是一個一般MIS,只能回答用戶詢問的電話號碼，而通信信息系統(tǒng)

除了可查詢電話號碼外，還提供用戶的地理分布、空間密度、最近的郵局等空間

關系信息。

B、GIS與CAD/CAM

GIS與CAD共同點

GIS與CAD不同點

都有空間坐標系統(tǒng)；

都能將目標和參考系聯(lián)系起來；

都能描述圖形數(shù)據(jù)的拓撲關系；

都能處理屬性和空間數(shù)據(jù)

CAD研究對象為人造對象一規(guī)則兒何圖形及組合；

圖形功能特別是三維圖形功能強，屬性庫功能相對較弱；

CAD中的拓撲關系較為簡單；

一般采用幾何坐標系。

GIS處理的數(shù)據(jù)大多來自于現(xiàn)實世界，較之人造對象更復雜，數(shù)據(jù)量更大；數(shù)

據(jù)采集的方式多樣化；

GIS的屬性庫結構復雜，功能強大；

強調對空間數(shù)據(jù)的分析，圖形屬性交互使用頻繁；

GIS采用地理坐標系。

GIS與CAM

GIS與CAM共同點

GIS與CAM不同點

都有地圖輸出、空間查詢、分析和檢索功能

CAM側重于數(shù)據(jù)查詢、分類及自動符號化，具有地圖輔助設計和產(chǎn)生高質量矢

量地圖的輸出機制；

它強調數(shù)據(jù)顯示而不是數(shù)據(jù)分析，地理數(shù)據(jù)往往缺乏拓撲關系；

它與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系通常是一些簡單的查詢。

CAM是GIS的重要組成部分；

綜合圖形和屬性數(shù)據(jù)進行深層次的空間分析，提供輔助決策信息。

§1-2GIS發(fā)展

GIS起源于人口普查，土地調查和自動制圖，1960年，加拿大測量學家

R.F.Tomlinson提出了把地圖變成數(shù)字形式的地圖，1963年，又提出GIS這一

本術語，并建立了第一個GIS_加拿大GIS,隨后GIS以燎原之勢在全世界迅速發(fā)

展起來。

-、國際GIS的發(fā)展狀況

1、60年代，探索時期（GIS思想和技術方法的探索）人們關注什么是GIS,GIS

能干什么。

2、70年代，鞏固時期，（這時由于計算機技術及其在自然資源和環(huán)境數(shù)據(jù)處理

的應用，促進GIS迅速發(fā)展）。這期間，發(fā)展研究的重點是空間數(shù)據(jù)處理的算

法，數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)庫管理這三個方面。

3、80年代，實破階段，也是GIS普遍發(fā)展和推廣應用階段，人們把GIS與RS

解決全球性問題，如全球沙漠化，全球可居住地評價，核擴散問題等。

4、90年代，全面應用，產(chǎn)業(yè)化階段，對GIS進一步研究，研究的內容集中在：

空間信息分析的新模式和新方法，空間關系和數(shù)據(jù)模型，人工智能引入等。

二、我國GIS發(fā)展

我國GIS起步較晚，但發(fā)展較快，分為以下兒個階段：

1、70年代，準備階段：

一些知名人士GIS先驅看到GIS的廣闊前景和GIS的重要性，進行極積呼吁，為

GIS在我國的發(fā)展奠定了與論準備基礎并做了一些可行性實驗。

2、80年代，試驗起步階段：

這期間，我國在GIS理論探索，規(guī)范探討，軟件開發(fā)，系統(tǒng)建立等方面取得了突

破和進展，進行了?些典型，試驗專題試驗軟件開發(fā)工作。

3、90年代，我國GIS發(fā)展階段：

我國改革開放以來，沿海，治江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的發(fā)展土地的有償使用和外資的引

進，急需GIS為之服務，這也推動GIS在我國的全面發(fā)展。

4、96年以來，是我國GIS產(chǎn)業(yè)化階段。

近幾年來，我國經(jīng)濟信息化的基礎設施和重大信息工程已納入國家計劃，一批國

家級和地方級的GIS相繼建立并投入運行，一批專業(yè)遙感基地已建立，并進入了

產(chǎn)業(yè)化運行，一批綜合運用“3S”技術的重點項目已實施，并在自然災害監(jiān)測和

圖土資源調查中發(fā)揮效益，一批高等院校開設了與GIS相關的新專業(yè)，培養(yǎng)了一

大批從事GIS研究與開發(fā)的高層次人才，具有我國自主版權的GIS基礎軟件的研

制逐步進入了產(chǎn)業(yè)化軌道，等等這些都標志我國GIS產(chǎn)業(yè)已進入新的發(fā)展階段。

§1-3GIS構成

一、GIS組成

從計算機的角度看，GIS是由軟件、硬件、數(shù)據(jù)和用戶組成。

用戶（GIS服務的對象，分為-一般用戶和從事建立、維護、管理和更新的高級用

戶）

軟件（支持數(shù)據(jù)采集、存儲、加工、回答用戶問題的計算機程序系統(tǒng)）

硬件（各種設備-物質基礎）

數(shù)據(jù)（系統(tǒng)分析與處理的對象、構成系統(tǒng)的應用基礎）

由于計算機的飛速發(fā)展和地理信息的時序特征，硬件壽命3-5年，軟件（5T5

年），數(shù)據(jù)（1-2年，5-70年不等）GIS需要不斷維護、更新，所以用戶要不斷

進行知識更新。

二、硬件配置

前面說過，GIS作為技術系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)的采集、管理、分析、表達和顯示功

能，一定功能必須由一定的軟件、硬件實現(xiàn)，所以GIS的硬件配置為：

輸入數(shù)字化、解析測圖儀、掃描儀遙感處理設備等存貯處

理計算機硬盤光盤等存儲設備輸

出打印機繪圖儀顯示終端等

網(wǎng)絡服務器、網(wǎng)絡適配器、傳輸介質、調制解調器等網(wǎng)絡設備。隨著網(wǎng)絡普

及，信息共享成為時代要求，GIS要有網(wǎng)絡功能

三、軟件配置

1、GIS軟件層次

有了計算機硬件之后，首先需要OS,DOS,WINDOWS,UNHX等。裸機，沒裝任何OS

的機子，是不能工作的。GIS應用軟件在GIS軟件層次的外層，外層以內層軟件

為基礎，共同完成用戶指定的任務。

2、GIS基礎軟件主要模塊空間數(shù)據(jù)輸入與轉換圖形及屬性編輯空間數(shù)據(jù)管理

系統(tǒng)制圖與輸出空間查詢與空間分析

§1-4GIS功能和應用

一、GIS功能

空間查詢疊加分析緩沖區(qū)分析網(wǎng)絡分析地形分析

數(shù)據(jù)顯示與輸出

二、GIS主要應用領域

資源管理區(qū)域和城鄉(xiāng)規(guī)劃災害監(jiān)測環(huán)境評估作戰(zhàn)指揮交通運輸宏觀決策

第二章空間數(shù)據(jù)結構

§2T空間實體及其描述

一、地理實體（空間實體）--GIS處理對象

1、定義：指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)濟事件中不能再分割的單元，它是一個具體有

概括性，復雜性，相對意義的概念。

2、理解：地理實體類別及實體內容的確定是從具體需要出發(fā)的，例如，在全國

地圖上由于比例尺很小，武漢就是一個點，這個點不能再分割，可以把武漢定為

一個空間實體，而在大比例尺的武漢市地圖上，武漢的許多房屋，街道都要表達

出來，所以武漢必須再分割，不能作為一個空間實體，應將房屋，街道等作為研

究的地理實體，由此可見，GIS中的空間實體是一個概括，復雜，相對的概念。

二、地理實體的描述——空間數(shù)據(jù)

1、描述的內容

空間特征：地理位置和空間關系屬性特征一名稱、等級、類別等時間特征：

2、空間數(shù)據(jù)基本特征

3、空間數(shù)據(jù)類型

1）依據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同分為：

地圖數(shù)據(jù)地形數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)影象數(shù)據(jù)

三、實體的空間特征

（-）空間維數(shù)：有0,1,2,3維之分，點、線、面、體。

（二）空間特征類型

1、點狀實體

點或節(jié)點、點狀實體。點：有特定位置，維數(shù)為0的物體。

1）實體點：用來代表一個實體。

2）注記點：用于定位注記。

3）內點：用于負載多邊形的屬性，存在于多邊形內。

4）角點、節(jié)點Vertex：

表示線段和弧段上的連接點。

2、線狀實體

具有相同屬性的點的軌跡，線或折線，由一系列的有序坐標表示，并有如下特性:

1）實體長度：

從起點到終點的總長

2）彎曲度：

用于表示像道路拐彎時彎曲的程度。

3）方向性：

如：水流方向，上游一下游，公路，單、雙向之分。線狀實體包括：線段，

邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡等。3、面狀實體（多邊形）是對湖泊、島嶼、地塊等…

類現(xiàn)象的描述。

面狀實體的如下特征：

1）面積范圍2）周長3）獨立性或與其它地物相鄰如中國及其周邊國家4）

內島嶼或鋸齒狀外形：如島嶼的海岸線封閉所圍成的區(qū)域。

5）重疊性與非重疊性：如學校的分區(qū)，菜市場的服務范圍等都有可能出現(xiàn)交叉

重疊現(xiàn)象，而一個城市的各個城區(qū)一般說來不會出現(xiàn)重疊。

4、體、立體狀實體立體狀實體用于描述三維空間中的現(xiàn)象與物體，它具有長度、

寬度及高度等屬性，立體狀實體一般具有以下一些空間特征：

?體積，如工程開控和填充的土方量。?每個二維平面的面積。?周長。?內

島。?含有弧立塊或相鄰塊。斷面圖與剖面圖。

（三）實體類型組合

現(xiàn)實世界的各種現(xiàn)象比較復雜，往往由不同的空間單元組合而成，例如根據(jù)某些

空間單元或幾種空間單元的組合將空間問題表達出來，復雜實體由簡單實體組合

表達。

點、線、面兩兩之間組合表達復雜的空間問題：如：線一面面

一面

可見，用各要素之間的空間關系，可描述諸多空間問題?？臻g關系是GIS數(shù)據(jù)描

述和表達的重要內容，一方面它為GIS數(shù)據(jù)庫的有效建立，空間查詢，空間分析,

輔助決策等提供了最基本的關系，另一方面有助于形成標準的SQL空間查詢語

言，便于空間特征的存儲，提取，查詢，更新等。

線一面

1、區(qū)域包含線：計算區(qū)域內線的密度，某省的水系分布情況。

2、線通過區(qū)域：公路上否通過某縣。

3、線環(huán)繞區(qū)域：區(qū)域邊界，搜索左右區(qū)域名稱，中國與哪些國家接壤。

4、線與區(qū)域分離：距離。

面一面

1、包含：島，某省的湖泊分布。

2、相合：重疊，學校服務范圍與菜場服務范圍重疊區(qū)。

3、相交：劃分子區(qū)。

4、相鄰：計算相鄰邊界性質和長度，公共連接邊界。分離：計算距離。

四、實體間空間關系

（-）空間關系類型

1、拓撲空間關系：

2、順序空間關系：（方向空間關系）

用上下左右、前后、東南西北等方向性名稱來描述空間實體的順序關系，算法

復雜，至今沒有很好的解決方法。

3、度量空間關系，主要指實體間的距離關系，遠近。

1）在地理空間中兩點間的距離有兩種度量方法。

a、沿真實的地球表面進行，除與兩點的地理坐標有關外，還與所通過路徑的地形

起伏有關，復雜,引入第二種。b、沿地球旋轉橢球體的距離量算。

2）距離類別：

歐氏距離（笛卡爾坐標系）、曼哈頓（出租車）距離、時間距離（緯度差）、大

地測量距離（大地線）（沿地球大圓經(jīng)過兩個城市中心的距離）。

（二）拓撲關系

1、定義2、種類3、拓撲關系的表達4、意義

1、定義：指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關系不變的性質。將橡皮任意

拉伸，壓縮，但不能扭轉或折疊。非拓撲屬性（幾何）拓撲屬性（沒發(fā)生變化

的屬性）

兩點間距離一點指向另一點的方向

弧段長度、區(qū)域周長、面積等

一個點在一條弧段的端點

一條弧是一簡單弧段（自身不相交）

一個點在一個區(qū)域的邊界上

一個點在一個區(qū)域的內部/外部

一個點在一個環(huán)的內/外部

?個面是一個簡單面

一個面的連通性面內任兩點從一點

可在面的內部走向另一點

2、種類

1）關聯(lián)性：（不同類要素之間）結點與弧段：如V9與L5,L6,L3

多邊形與弧段：P2與L3,L5,L2

2）鄰接性：（同類元素之間）

多邊形之間、結點之間。鄰接矩陣重疊：一鄰接：1不鄰接：0

3）連通性：與鄰接性相類似，指對弧段連接的判別，如用于網(wǎng)絡分析中確定路

徑、街道是否相通。

4）方向性

一條弧段的起點、終點確定了弧段的方向。用于表達現(xiàn)實中的有向弧段，如城市

道路單向，河流的流向等。5）包含性：指面狀實體包含了哪些線、點或面狀實

體。

6）區(qū)域定義：多邊形由一組封閉的線來定義。

7）層次關系：相同元素之間的等級關系，武漢市有各個區(qū)組成。

主要的拓撲關系：拓撲鄰接、拓撲關聯(lián)、拓撲包含。

3、拓撲關系的表達

拓撲關系具體可由4個關系表來表示：

（1）面一鏈關系：面構成面的弧段

（2）鏈一結點關系：鏈鏈兩端的結點

（3）結點一鏈關系：結點通過該結點的鏈、

（4）鏈一面關

系：鏈左面右面

4、拓撲關系的意義：

對于數(shù)據(jù)處理和GIS空間分析具有重要的意義，因為：

1）拓撲關系能清楚地反映實體之間的邏輯結構關系，它比兒何關系具有更大的

穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化。

2）有助于空間要素的查詢，利用拓撲關系可以解決許多實際問題。如某縣的鄰

接縣，一面面相鄰問題。又如供水管網(wǎng)系統(tǒng)中某段水管破裂找關閉它的閥門，就

需要查詢該線（管道）與哪些點（閥門）關聯(lián)。

3）根據(jù)拓撲關系可重建地理實體。

§2-3柵格數(shù)據(jù)結構

一、圖形表示

柵格結構用密集正方形（或三角形，多邊形）將地理區(qū)域劃分為網(wǎng)格陣列。位置

由行，列號定義，屬性為柵格單元的值。

點：由單個柵格表達。

線：由沿線走向有相同屬性取值的一組相鄰柵格表達。

面：由沿線走向有相同屬性取值的一片柵格表達。

柵格數(shù)據(jù)表示的是二維表面上的地理數(shù)據(jù)的離散化數(shù)值。在柵格數(shù)據(jù)中，地

表被分割為相互鄰接、規(guī)則排列的地塊，每個地塊與一?個象元相對應。因此，柵

格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格（象元）的大小與地表相應單元的大小之比，當象元所表

示的面積較大時，對長度、面積等的量測有較大影響。每個象元的屬性是地表相

應區(qū)域內地理數(shù)據(jù)的近似值，因而有可能產(chǎn)生屬性方面的偏差。

二、柵格數(shù)據(jù)組織

——針對一個柵格單元對應多個屬性值的多層柵格文件。

組織方法

方法a：以象元為記錄序列，不同層上同一象元位置上的各屬性值表示為一個列

數(shù)組。N層中只記錄一層的象元位置，節(jié)約大量存儲空間，柵格個數(shù)很多。

方法b：每層每個象元的位置、屬性一一記錄，結構最簡單，但浪費存儲

方法c：以層為基礎，每層內以多邊形為序記錄多邊形的屬性值和多邊形內各象

元的坐標。節(jié)約用于存儲屬性的空間。將同一屬性的制圖單元的n個象元的屬性

只記錄一次，便于地圖分析和制圖處理。

三、柵格結構的建立

（-）建立途徑

1、手工獲取，專題圖上劃分均勻網(wǎng)格，逐個決定其網(wǎng)格代碼。

2、掃描儀掃描專題圖的圖像數(shù)據(jù)｛行、歹人顏色（灰度）｝,定義顏色與屬性對

應表，用相應屬性代替相應顏色，得到（行、歹U、屬性）再進行柵格編碼、存貯,

即得該專題圖的柵格數(shù)據(jù)。

3、由矢量數(shù)據(jù)轉換而來。

4、遙感影像數(shù)據(jù)，對地面景象的輻射和反射能量的掃描抽樣，并按不同的光

譜段量化后，以數(shù)字形式記錄下來的象素值序列。

5、格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，當屬性值為地面高程，則為格網(wǎng)DEM,通過DEM內插得到。

二）柵格系統(tǒng)的確定

1、柵格坐標系的確定

表示具有空間分布特征的地理要素，不論采用什么編碼系統(tǒng)，什么數(shù)據(jù)結構（矢、

柵）都應在統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)下，而坐標系的確定實質是坐標系原點和坐標軸的確

定。

由于柵格編碼一?般用于區(qū)域性GIS,原點的選擇常具有局部性質，但為

了便于區(qū)域的拼接，柵格系統(tǒng)的起始坐標應與國家基本比例尺地形圖公里網(wǎng)的交

點相一致，并分別采用公里網(wǎng)的縱橫坐標軸作為柵格系統(tǒng)的坐標軸。

2、柵格單元的尺寸

1）原則：應能有效地逼近空間對象的分布特征，又減少數(shù)據(jù)的冗余度。

格網(wǎng)太大，忽略較小圖斑，信息丟失。

一般講實體特征愈復雜，柵格尺寸越小，分辨率愈高，然而柵格數(shù)據(jù)量愈大（按

分辨率的平方指數(shù)增加）計算機成本就越高，處理速度越慢。

2）方法：用保證最小多邊形的精度標準來確定尺寸經(jīng)驗公式：h為柵格單元邊

長Ai為區(qū)域所有多邊形的面積。

（三）柵格代碼（屬性值）的確定

當一個柵格單元內有多個可選屬性值時，按一定方法來確定柵格屬性值。

1、中心點法：取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。

2、面積占優(yōu)法：柵格單元屬性值為面積最大者，常用于分類較細，地理類別圖

斑較小時。

3、重要性法：定義屬性類型的重要級別，取重要的屬性值為柵格屬性值，常用

于有重要意義而面積較小的要素，特別是點、線地理要素。

4、長度占優(yōu)法——每個柵格單元的值由該柵格中線段最長的實體的屬性來確定。

四、柵格數(shù)據(jù)編碼方法

1、直接柵格編碼：

將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行記錄代碼數(shù)據(jù)。

1）每行都從左到右記錄；AAAAABBBAABBAABB

2）奇數(shù)行從左到右，偶數(shù)行從右到左；

特點：最直觀、最基本的網(wǎng)格存貯結構，沒有進行任何壓縮數(shù)據(jù)處理。

柵格數(shù)據(jù)量大，格網(wǎng)數(shù)多，由于地理數(shù)據(jù)往往有較強的相關性，即相鄰象元的值

往往是相同的。所以，出現(xiàn)了各種柵格數(shù)據(jù)壓縮方法。

數(shù)據(jù)壓縮是將數(shù)據(jù)表示成更緊湊的格式以減少存儲空間的一項技術。分為：

無損壓縮：在編碼過程中信息沒有丟失，經(jīng)過解碼可恢復原有的信息--信息保

持編碼。

有損壓縮：為最大限度壓縮數(shù)據(jù)，在編碼中損失一些認為不太重要的信息，解碼

后，這部分信息無法恢復。一信息不保持編碼。

2、行程編碼（變長編碼）：

將原圖表示的數(shù)據(jù)矩陣變?yōu)閿?shù)據(jù)對：

1）屬性碼，長度，行號（可不要）長度：連續(xù)相同碼值的柵格個數(shù)。

2）屬性碼，點位

特點：對于游程長度編碼，區(qū)域越大，數(shù)據(jù)的相關性越強，則壓縮越大，適用

于類型區(qū)域面積較大的專題圖，而不適合于類型連續(xù)變化或類別區(qū)域分散的分類

圖（壓縮比與圖的復雜程度成反比）。

這種編碼在柵格加密時，數(shù)據(jù)量不會明顯增加，壓縮率高，并最大限度地保留

原始柵格結構，編碼解碼運算簡單，且易于檢索，疊加，合并等操作，這種編碼

應用廣泛。

3、塊碼一一游程編碼向二維擴展

采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格。

數(shù)據(jù)對組成：（初始行、歹（J,半徑，屬性值）特點：

具有可變分辨率，即當屬性變化小時圖塊大，對于大塊圖斑記錄單元大，分辨率

低，壓縮比高。小塊圖斑記錄單元小，分辨率高，壓縮比低所以，與行程編碼

類似，隨圖形復雜程度的提高而降低分辯率。

4、鏈式編碼、Freeman鏈碼、邊界鏈碼

將柵格數(shù)據(jù)（線狀地物面域邊界）表示為矢量鏈的記錄

1）首先定義一個3x3窗口，中間柵格的走向有8種可能，并將這8種可能0~7

進行編碼。

2）記下地物屬性碼和起點行、列后，進行追蹤，得到矢量鏈.

鏈式編碼表屬性碼起點行起點列鏈碼

a14556656b37576654323-

優(yōu)點：鏈碼可有效地存貯壓縮柵格數(shù)據(jù)，便于面積、長度、轉折方向和邊界、線

段凹凸度的計算。

缺點：不易做邊界合并，插入操作、編輯較困難（對局部修改將改變整體結構）。

區(qū)域空間分析困難，相鄰區(qū)域邊界被重復存儲。

5、四叉樹編碼

五、四叉樹編碼

（-）四叉樹概述：一-種可變分率的非均勻網(wǎng)格系統(tǒng)。是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓

縮編碼方法之一

1、基本思想：將2nx2n象元組成的圖像（不足的用背景補上）按四個象限進

行遞歸分割，

并判斷屬性是否單一，單一：不分。不單一：遞歸分割。最后得到一顆四分

叉的倒向樹。

2、四叉樹的樹形表示：

用一倒立樹表示這種分割和分割結果。

根：整個區(qū)域高：深度、分兒級，兒次分割葉：不能再分割的塊樹叉：還

需分割的塊每個樹叉均有4個分叉，叫四叉樹。

3、編碼方法

1）常規(guī)四叉樹

記錄這棵樹的葉結點外，中間結點，結點之間的聯(lián)系用指針聯(lián)系，每個結點需

要6個變量：父結點指針、四個子結點的指針和本結點的屬性值。指針不僅增

加了數(shù)據(jù)的存儲量，還增加了操作的復雜性：如層次數(shù)（分割次數(shù)）由從父結點

移到根結點的次數(shù)來確定，結點所代表的圖像塊的位置需要從根節(jié)點開始逐步推

算下來。所以，常規(guī)四叉樹并不廣泛用于存儲數(shù)據(jù)，其價值在于建立索引文件，

進行數(shù)據(jù)檢索。

2）線性四叉樹

記錄葉結點的位置，深度（幾次分割）和屬性。地址碼（定位碼、Morton碼）四

進制、十進制

優(yōu)點：

?著貯量小，只對葉結點編碼，節(jié)省了大量中間結點的存儲，地址碼隱含著結點

的分割路徑和分割次數(shù)。

?線性四叉樹可直接尋址，通過其坐標值直接計算其Morton碼，而不用建立四

叉樹。

?定位碼容易存儲和執(zhí)行實現(xiàn)集合相加等組合操作。

（―）四進制的Morton碼

1、方法1：

四叉樹從上而下（形成）（從整體開始）由葉結點找Morton碼。

A、分割一次，增加一位數(shù)字，大分割在前，小分割在后。所以，碼的位數(shù)表

示分割的次數(shù)。

B、每一個位均是不大于3的四進制數(shù)，表達位置。由Morton找出四叉樹葉

結點的具體位置。

2、方法2：四叉樹自下而上合并的方法

1）計算每個柵格對應的MQMQ=2*Ib+JbI,J化為二進制lb,Jb看最大的I,J,

不足在前補零。其始行列號從0計。

2）按碼的升序排成線性表，放在連續(xù)的內存塊中。

3）依次檢查每四個相鄰的MQ對應的屬性值，相同合并（不同碼位去掉），不同

則存盤,直到?jīng)]有能夠合并的子塊為止。

（三）十進制的Morton碼--MD

四進制Morton碼直觀上切合四叉樹分割，但許多語言不支持四進制變量，需用

十進制表示Morton碼.

1、一種按位操作的方法：

如行為2、列為3的柵格的MD

步驟：

（1）行、列號為二進制Ib=10Jb=11

（2）1行J列交叉1101=13

（3）再化為十進制.實質上是按左上、右上、左下、右下的順序，從零開始對每

個柵格進行自然編碼。

2、把一幅2nx2n的圖像壓縮成線性四叉樹的過程

1°、按Morton碼把圖象讀入一維數(shù)組。

2°、相鄰的四個象元比較，一致的合并，只記錄第一個象元的Morton碼。循環(huán)

比較所形成的大塊，相同的再合并，直到不能合并為止。

3°、進一步用游程長度編碼壓縮。壓縮時只記錄第一個象元的Morton碼。

右圖的壓縮處理過程為：（書上）（次題2005年考了，原題沒變）

1°、按Morton碼讀入一維數(shù)組。

Morton碼：0123456789101112131415

象元值：AAABABBBAAAABBBB

2°、四相鄰象元合并，只記錄第一個象元的Morton碼。

01234567812

AAABAABBAB

3°、由于不能進一步合并，則用游程長度編碼壓縮。

0346812

ABABAB

（四）四叉樹優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1）對于團塊圖像，四叉樹表示法占用空間比網(wǎng)絡法要少得多，四叉樹表示法基

本上是一種非冗余表示法。2）四叉樹具有可變率或多重分辯率的特點使得它有

很好的應用前景，適用于處理凝聚性或呈塊狀分布的空間數(shù)據(jù)，特別適用于處理

分布不均勻的塊狀空間數(shù)據(jù)，但不適用于連續(xù)表面（如地形）或線狀地物。

此外，目前應用四叉樹還存下列問題：

1）矢/柵正反變換還不理想。

2）建立四叉樹耗費機時很多。

3）四叉樹雖可修改，但很費事（具體的數(shù)據(jù)結構中會提到）

4）四叉樹未能直接表示物體間的拓撲關系。

5）與非樹表示法比較，四叉樹表示法的缺點在于轉換的不穩(wěn)定性或叫滑動變異

例如，兩個圖像的差異僅由于平移，就會構成極為不同的四叉樹，因而很難根據(jù)

四叉樹來判斷這兩個圖像是否全同，故不利于做形狀分析和模式識別

6）一個物體的圖像在構成四叉樹時會被分割到若干個象限中，使它失去了內在

的相關性。

§2-2矢量數(shù)據(jù)結構

二、矢量數(shù)據(jù)的獲取方式

1）由外業(yè)測量獲得

可利用測量儀器自動記錄測量成果（常稱為電子手?。缓筠D到地理數(shù)據(jù)庫

中。

2）由柵格數(shù)據(jù)轉換獲得利用柵格數(shù)據(jù)矢量化技術，把柵格數(shù)據(jù)轉換為矢量數(shù)據(jù)。

3）跟蹤數(shù)字化用跟蹤數(shù)字化的方法，把地圖變成離散的矢量數(shù)據(jù)。

三、矢量數(shù)據(jù)組織

矢量數(shù)據(jù)表示時應考慮以下問題：

?矢量數(shù)據(jù)自身的存貯和處理。

?與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系。

-矢量數(shù)據(jù)之間的空間關系（拓撲關系）。

四、矢量數(shù)據(jù)編碼方式

（―）實體式（spaghetti）一面條模型：以實體為單位記錄其坐標

優(yōu)點：結構簡單、直觀、易實現(xiàn)以實體為單位的運算和顯示。

缺點：1、相鄰多邊形的公共邊界被數(shù)字化并存儲兩次，造成數(shù)據(jù)冗余和碎屑多

邊形一數(shù)據(jù)不一致，浪費空間，導致雙重邊界不能精確匹配。

2、自成體系，缺少多邊形的鄰接信息，無拓撲關系，難以進行鄰域處理，如消

除多邊形公共邊界，合并多邊形。

3、島作為一個單個圖形，沒有與外界多邊形聯(lián)系。不易檢查拓撲錯誤。

所以，這種結構只用于簡單的制圖系統(tǒng)中，顯示圖形。

（二）索引式（樹狀）

對所有點的坐標按順序建坐標文件，再建點與邊（線）、線與多邊形的索引文件。

與實體式相比：

優(yōu)點：用建索引的方法消除多邊形數(shù)據(jù)的冗余和不一致，鄰接信息、島信息可在

多邊形文件中通過是否公共弧段號的方式查詢。

缺點：表達拓撲關系較繁瑣，給相鄰運算、消除無用邊、處理島信息、檢索拓撲

關系等帶來困難，以人工方式建立編碼表，工作量大，易出錯。

三）雙重獨立式編碼

簡稱DIME（DualIndependentMapEncoding）,是美國人口統(tǒng)計系統(tǒng)采用的一種

編碼方式，是一種拓撲編碼結構。

四）鏈狀雙重獨立式編碼一拓撲數(shù)據(jù)結構

1、弧段坐標文件弧段號坐標系列（串）

Ax2,y2,X10,ylO-

2、弧段文件：鏈一面，鏈一結點關系

弧段號左多邊形右多邊形起點終點

APlP225

3、面文件面號弧段號

PlA,B,-C

4、點拓撲文件：結點一鏈關系

點號弧段號

2A,B,D

在拓撲結構中，多邊形C面）的邊界被分割成一系列的線（弧、鏈、邊）和點（結

點）等拓撲要素，點、線、面之間的拓撲關系在屬性表中定義，多邊形邊界不重

復。

鏈狀雙重獨立式編碼特點

拓撲關系明確，也能表達島信息，而且以弧段為記錄單位，滿足實際應用需要。

因為一般數(shù)字化一條街道時，必然有許多中間點，但我們在做空間分析是卻沒有

必要以這些中間點所組成的折線為研究對象，而應以整條弧段（某條街道）為研

究對象.

被一些成熟的商品化軟件采用，如ARC/INFO軟件。

例：ARC文件：二進制文件：弧段號點數(shù)坐標串

在GIS數(shù)據(jù)輸入中，建拓撲是指給圖形數(shù)據(jù)（點、線、面）增加拓撲結構，如

ARC/INFO中，在ARCEDIT中輸入圖形后，需用BUILD建圖形拓撲，具體生成許

多文件，如AAT,PAT等.

INFO：屬性表

如AAT（ArcAttributeTable）

弧段號USER_IDLPOLYRPOLYFROM_NODETO_NODE

其它屬性：（妄稱）用戶標識碼，表明地物類的

當圖形數(shù)據(jù)修改、刪除、增加點、線、面要素后，其拓撲關系也發(fā)生改變，所以,

需重新建拓撲。

§2-4矢柵-一體化數(shù)據(jù)結構

一、矢、柵優(yōu)缺點

優(yōu)點

缺點

矢量

1、便于面向現(xiàn)象（土壤類，土地利用單元等）

2、結構緊湊，冗余度低，便于描述線或邊界。

3、利于網(wǎng)絡、檢索分析，提供有效的拓撲編碼，對需要拓撲信息的操作

更有效。

4、圖形顯示質量好，精度高。

11、數(shù)據(jù)結構復雜，各自定義，不便于數(shù)據(jù)標準化和規(guī)范化，數(shù)據(jù)交換困難。

2、多邊形疊置分析困難，沒有柵格有效，表達空間變化性能力差。

3、不能像數(shù)字圖像那樣做增強處理4、軟硬件技術要求高，顯示與繪

圖成本較高。

柵格

1、結構簡單，易數(shù)據(jù)交換。

2、疊置分析和地理（能有效表達空可變性）現(xiàn)象模擬較易。

3、利于與感遙數(shù)據(jù)的匹配應用和分析，便于圖像處理。

4、輸出快速，成本低廉。

1、現(xiàn)象識別效果不如矢量方法，難以表達拓撲。

2、圖形數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結構不嚴密不緊湊，需用壓縮技術解決該問題。

3、投影轉換困難。

44、圖形質量轉低，圖形輸出不美觀，線條有鋸齒，需用增加柵格數(shù)量來克服,

但會增加數(shù)據(jù)文件。

矢量、柵格數(shù)據(jù)結構的選擇

在GIS建立過程中，應根據(jù)應用目的和應用特點、可能獲得的數(shù)據(jù)精度以及地理

信息系統(tǒng)軟件和硬件配置情況，選擇合適的數(shù)據(jù)結構。

柵格結構:大范圍小比例尺的自然資源、環(huán)境、農(nóng)林業(yè)等區(qū)域問題的研究。

矢量結構：城市分區(qū)或詳細規(guī)劃、土地管理、公用事業(yè)管理等方面的應用。

將矢量面對目標的若法和柵格元子充填的方法結合起來，具體采用填滿線狀目標

路徑和充填面狀目標空間的方法作為一體化數(shù)據(jù)結構的基礎。

線狀地物：除記錄原始取樣點外，還記錄路徑所通過的柵格。

面狀地物：除記錄它的多邊形周邊以外，還包括中間的面域柵格。

一方面，它保留了矢量的全部性質，以目標為單元直接聚集所有的位置信息，并

能建立拓撲關系；

另一方面，它建立了柵格與地物的關系，即路徑上的任一點都直接與目標建立了

聯(lián)系。

從原理上說，這是一種以矢量的方式來組織柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構。

三、三個約定和細分格網(wǎng)法

為便于組織數(shù)據(jù)，首先作如下約定：

a.地面上的點狀地物是地球表面上的點，它僅有空間位置，沒有形狀和面積，

在計算機內部僅有一個位置數(shù)據(jù)。

b.地面上的線狀地物是地球表面的空間曲線，它有形狀但沒有面積，它在平面

上的投影是一連續(xù)不間斷的直線或曲線，在計算機內部需要用一組元子填滿整個

路徑。

c.地面上的面狀地物是地球表面的空間曲面，并具有形狀和面積，它在平面上

的投影是由邊界包圍的緊致空間和一組填滿路徑的元子表達的邊界組

成。

為提高柵格表示精度，采用細分格網(wǎng)法：

將一-對X,Y坐標用兩個Morton碼代替：

前一Ml表示該點(采樣點或附加的交叉點)所在基本格網(wǎng)的地址碼，后者M2表

示該點對應的細分格網(wǎng)的Morton碼，既顧全整體定位，又保證精度。

四、一體化數(shù)據(jù)結構設計

線性四叉樹(Morton)是基本數(shù)據(jù)格式，三個約定設計點、線、面數(shù)據(jù)結構的基本

依據(jù)，細分格網(wǎng)法保證足夠精度。

1、點狀地物和結點的數(shù)據(jù)結構

約定1,點僅有位置、沒有形狀和面積，只要將點的坐標轉化為地址碼Ml和M2,

結構簡單靈活，便于點的插入和刪除，還能處理一個柵格內包含多個點狀目標的

情況。

2、線狀地物的數(shù)據(jù)結構

約定(2),線狀地物有形狀但沒有面積，沒有面積意味著只要用一串數(shù)據(jù)表達

每個線狀地物的路徑即可，將該線狀地物經(jīng)過的所有柵格的地址全部記錄下來。

仿照矢量數(shù)據(jù)組織的鏈狀雙重獨立式編碼，以弧段為記錄單位。

弧段的數(shù)據(jù)結構：

3、面狀地物的數(shù)據(jù)結構

3)面文件

這種數(shù)據(jù)結構是面向地物的，具有矢量的特點。通過面狀地物的標識號可以找到

它的邊界弧段并順著指針提取所有的中間面塊。同時它又具有柵格的全部特性，

二維行程本身就是面向位置的結構，帶指針的二維行程碼中的Morton碼表達了

位置的相互關系，前后M碼之差隱含了該子塊的大小。給出任意一點的位置都可

順著指針找到面狀地物的標識號確定是哪一個地物。

4、復雜地物的數(shù)據(jù)結構

由幾個或幾種點、線、面狀簡單地物組成的地物稱為復雜地物。例如將一條公路

上的中心線、交通燈、立交橋等組合為一個復雜地物，用一個標識號表示。復雜

地物的數(shù)據(jù)結構如表7所示。

§2-5三維數(shù)據(jù)結構

一、概述

目前GIS主要還停留在處理地球表面的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)是地表以下或以上，則先將

它投影到地表，再進行處理，其實質是以二維的形式來模擬、處理任何數(shù)據(jù)，在

有些領域可行，但涉及到三維問題的處理時，往往力不從心。

二維V=f(x,y),在不同的層V的含義不同，當V表示的是高程時，就是

DEM。由于地形三維視圖的原因，人們常把DEM誤認為是三維模型。但從本質上

講，DEM是二維的，因為它只能表示地表的信息，不能對地表內部進行有效的表

示。目前，人們常把DEM稱為2.5維的數(shù)據(jù)模型。

真三維模型V=f(x,y,z),z是一自變量，不受x,y的影響。三維GIS的要

求與二維GIS相似，但在數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)維護和界面設計等方面比二維GIS復雜

得多，如三維數(shù)據(jù)的組織與重

建，三維變換、查詢、運算、分析、維護等方面。下面主要介紹三維數(shù)據(jù)結構。

同樣，三維結構存在柵格和矢量兩種形式。

柵格：將地理實體的三維空間分成細小單元--體元。普遍用八叉樹

矢量：x,y,z,抽象為點、線、面、體，面構成體。方法多種，常用三維邊界表

示法。

二、八叉樹結構

1、思想：

四叉樹在三維空間的推廣。

將要表示的形體V放在一個充分大的正方體C內，C的邊長為2n,不斷用兩

個與XOY、XOZ的平面均分C為8個子體，并判斷屬性單一性。

當子體部分為V-—灰結點需再1分為8。

子體中無V—-白結點停止分割，葉結點。

子體全為V-黑結點

2、存貯結構

1)規(guī)則八叉樹

與常規(guī)四叉樹類似，用10項字段來記錄每個結點（8個子結點指針，1

個父結點指針，1個結點屬性）。最普遍的形式，方式自然，易掌握。但指針占

總存儲量的94%,空間使用率低。

2）線性八叉樹一Motorn碼

用某一預先確定的次序將八叉樹轉換成一個線性表，表中的每個元素與一個

結點相對應。每個結點用固定的字節(jié)描述，其中某些位專門用來說明它是否為葉

結點。

特點：節(jié)省存貯空間，便于某些運算，但喪失一定的靈活性，不便于其它遍歷方

式對樹的結點進行存取，應用效果不佳。

3）一對八式的八叉樹

每個結點均1分為8,并標記為0,1,2,3,4,5,6,7O隱含地假定了這些

子結點記錄存放的次序——便于檢索

浪費存儲，除非完全八叉樹，即所有葉結點均在同一層次出現(xiàn)，上層均為非葉結

點。

三、三維邊界表示法

1、頂點表：用來表示多面體各頂點的坐標

2、邊表：指出構成多面體某邊的兩個頂點；

3、面表：給出圍成多面體某個面的各條邊。

可避免重復表示某些點、邊、面，節(jié)約存儲，便于圖形顯示，如公共邊不重復。

4、當有若干個多面體時，還必須有一個對象表。

5、擴充后的邊表

為表達拓撲還可將其它一些有關的內容結合到所使用的表中，如將邊所屬的多邊

形信息結合進邊表中以后的形式：

6、拓撲檢查

數(shù)據(jù)存儲后，必須檢查數(shù)據(jù)的一致性、完全性，即進行拓撲檢查。具體可檢查下

列幾項:

/1X

\(/)頂點表中的每個頂點至少是兩條邊的端點；

/2\

\(7每條邊至少是一個多邊形的邊；

/3\

\(71每個多邊形是封閉的；

/4\

\(/)每個多邊形至少有一條邊是和另一個多邊形共用的；

/5\

\(z)若邊表中包含了指向它所屬多邊形的指針，那么指向該邊的指針必在相應

的多邊形中出現(xiàn)。

7、應用

三維邊界法一般用于表示規(guī)則形體，如建筑物，對于自然界中的復雜形體如巖石

的外表，理論上可找到一在誤差范圍內逼近的適合平面多面體，但這種逼近受多

因素的制約。

對于不規(guī)則形體，可在形體的外表面s,可測一組點pl,p2…pn坐標，再建

這些點的關系，即結構圖，決定頂點連接的不同方式。同樣數(shù)據(jù)點，由于連接方

式不同，構成的平面多面體也不同。其中最重要的一種方法就是每個面均是三角

形的平面多面體，類似TIN結構。但即使這樣，同一組點仍可得到不同的平面多

面體。因此，需要研究擁有了哪些特征之后，才能更確切地逼近原來的三維形體?

這種逼近有兩種形式：

表面SO的逼近：以確定后的平面多面體的表面作為對原三維形體的表面so

的逼近，著眼于形體的邊界表示。

三維形體的逼近：給出一系列的四面體，這些四面體的集合就是對原三維形

體的逼近。著眼于形體的分解表示。

第三章空間數(shù)據(jù)庫

§3-1空間數(shù)據(jù)庫的概念

空間數(shù)據(jù)庫是空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的簡稱。

一、空間數(shù)據(jù)庫

1、定義：

是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質上存儲和應用的相關的地理空間數(shù)據(jù)

的總合。

書刊

數(shù)據(jù)

邏輯劃分詞句段目節(jié)章

數(shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫

物理劃分字行頁期卷

比特、字節(jié)、字、塊、桶和卷

2、空間數(shù)據(jù)特征：

1）空間特征：一般需要建立空間索引。

2）非結構化特征：

結構化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數(shù)據(jù)項是原子數(shù)據(jù).而空間數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。

3）空間關系特征：拓撲數(shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護增加了復雜性。

4）分類編碼特征：

一種地物類型對應一個屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個屬性數(shù)據(jù)表文

件。

5）海量數(shù)據(jù)特征。

3、空間數(shù)據(jù)庫的特點

1）數(shù)據(jù)量特別大；

2）數(shù)據(jù)種類多，復雜；

3）數(shù)據(jù)應用面相當廣。

在建立地理空間數(shù)據(jù)庫時，一方面應遵循和應用通用的數(shù)據(jù)庫的原理和方法；另

一方面又必須采取一些特殊的技術和方法來解決其他數(shù)據(jù)庫所沒有的問題。

二、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

是指能夠對物理介質上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進行語義和邏輯上的定義；

提供必須的空間數(shù)據(jù)查詢、檢索和存取功能；

能夠空間數(shù)據(jù)進行有效的維護和更新的一套軟件系統(tǒng)。

三、空間數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)

提供給用戶訪問和操作空間數(shù)據(jù)庫的用戶界面，是應用戶數(shù)據(jù)處理需求而建立的

具有數(shù)據(jù)庫訪問功能的應用軟件。一般需要進行二次開發(fā)。

§3-2空間數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)結構：是指數(shù)據(jù)的組織形式，在計算機存儲、管理和處理的數(shù)據(jù)邏輯結構。

數(shù)據(jù)模型：是描述實體及其相互關系的數(shù)學描述，是空間數(shù)據(jù)庫建立的邏輯

模型。

兩者之間的關系：混合的交叉關系，并不一一對應，世界多樣性，確定數(shù)據(jù)

模型，確保實用性，（便于模型化、存儲、檢查和分析），它并不基于空間數(shù)據(jù)

結構。

-、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

自學：用三種模型（層次、網(wǎng)絡、關系）組織圖：

二、傳統(tǒng)模型存儲空間數(shù)據(jù)的局限：

1、層次模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性

層次模型反映了實體之間的層次關系，簡單、直觀，易于理解，并在一定程

度上支持數(shù)據(jù)的重構。

用于GIS地理數(shù)據(jù)庫存在的主要問題是：

1）很難描述復雜的地理實體之間的聯(lián)系，描述多對多的關系時導致物理存儲上

的冗余；

2）對任何對象的查詢都必須從層次結構的根結點開始，低層次對象的查詢效率

很低，很難進行反向查詢；

3）數(shù)據(jù)獨立性較差，數(shù)據(jù)更新涉及許多指針，插入和刪除操作比較復雜，父結

點的刪除意味著其下層所有子結點均被刪除；

4）層次命令具有過程式性質，要求用戶了解數(shù)據(jù)的物理結構，并在數(shù)據(jù)操縱命

令中顯式地給出數(shù)據(jù)的存取路徑；

5）基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎。

2、網(wǎng)狀模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性

網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見的多對多關系，支持數(shù)據(jù)重構，具有一定的數(shù)據(jù)獨

立和數(shù)據(jù)共享特性，且運行效率較高。

用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的主要問題如下：

1）由于網(wǎng)狀結構的復雜性，增加了用戶查詢的定位困難，要求用戶熟悉數(shù)據(jù)的

邏輯結構，知道自己所處的位置；

2）網(wǎng)狀數(shù)據(jù)操作命令具有過程式性質，存在與層次模型相同的問題；

3）不直接支持對于層次結構的表達；

4）基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎。

3、關系模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性

在GIS分析中，常常需要綜合運用實體之間的空間關系和屬性數(shù)據(jù)，要求GIS

數(shù)據(jù)庫能對實體的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進行綜合管理。

4）空間數(shù)據(jù)通常是變長的，而一般RDBMS只允許記錄的長度設定為固定長度，

此外，通

用DBMS難于存儲和維護空間數(shù)據(jù)的拓撲關系。

5）一般RDBMS都難以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的關聯(lián)、連通、包含、疊加等基本操作。

6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些復雜圖形功能。

7）一般RDBMS難以支持復雜的地理信息，因為單個地理實體的表達需要多個

文件、多條記錄，包括大地網(wǎng)、特征坐標、拓撲關系、屬性數(shù)據(jù)和非空間專題屬

性等方面信息。

8）GIS管理的是具有高度內部聯(lián)系的數(shù)據(jù)，為了保證地理數(shù)據(jù)庫的完整性，需

要復雜的安全維護系統(tǒng)，而這些完整性約束條件必須與空間數(shù)據(jù)一起存儲，由地

理數(shù)據(jù)庫來維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。否則，一條記錄的改變會導致錯誤、相互矛

盾的數(shù)據(jù)存在，而一般RDBMS難以實現(xiàn)這一功能。

三、面向對象模型

-）基本概念

1、對象：

含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊，可以認為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。如一個城市、

一棵樹均可作為地理對象。

?具有一個唯一的標識，以表明其存在的獨立性；

?具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)——靜態(tài)屬性一數(shù)據(jù)；

?具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)。一作用、功能一函數(shù)、

方法。

對象的劃分：根據(jù)對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質

相聯(lián)系，不同的目的就會有不同劃分。

劃分原則：找共同點，所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對象。

2、類：

共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構成類。

如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、

計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。

3、實例

被抽象的對象，類的一個具體對象，稱為，如長江、黃河等。真正抽象的河

流不存在，只存在河流的例子。

類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下層

關系。類--申請實例--成為具體對象。

4、消息：

對象之間的請求和協(xié)作。（并不獨立存在）對象之間的關系，如鼠標點，就

是消息，點某按紐，就是對按紐提出請求。

（-）面向對象的特性

1、抽象：是對現(xiàn)實世界的簡明表示。形成對象的關鍵是抽象，對象是抽象思維

的結果。

2、封裝：一般講，包起來，將方法與數(shù)據(jù)放于一對象中，以使對數(shù)據(jù)的操作只

可通過該對象本身的方法來進行。在這，指把對象的狀態(tài)及其操作集成化，使之

不受外界影響。

3、多態(tài)：

是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。同一消息，對不同對象,

功能不同。

功能重載-〉多態(tài)，簡化消息，但功能不減。

（三）四種核心技術

1、分類

分類是把一組具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的

過程。如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、文化區(qū)等若干個類。

2、概括

將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次、更具一般性的超類的過程。子類

是超類的一個特例。

一個類可能是超類的子類，也可是幾個子類的超類。所以，概括可能有任意多層

次。概括技術避免了說明和存儲上的大量冗余。這需要一種能自動地從超類的屬

性和操作中獲取子類對象的屬性和操作的機制，即繼承機制。

聚集是把幾個不同性質類的對象組合成一個更高級的復合對象的過程。

4、聯(lián)合

相似對象抽象組合為集合對象。其操作是成員對象的操作集合。

（四）面向對象數(shù)據(jù)模型的核心工具

1、繼承：

一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅可以

把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。它服務于概括。

繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。

1）單重繼承、多重繼承；全部繼承、部分繼承；取代繼承、包含繼承

2）狀態(tài)繼承（數(shù)據(jù)）

子類繼承父類的數(shù)據(jù)結構，子類還可定義自己新的數(shù)據(jù)結構。

子類任意使用父類的數(shù)據(jù)結構，有可能破壞封裝，若只能通過發(fā)送消息來使

用父類的域，又可能失去有效性，具體辦法：

公有域：類可操作，實例也可操作。

私有域：只有類本身使用，用戶不得訪問。

保護域：子類可使用，繼承使用，實例不能使用。

2、傳播

傳播與繼承是一對。復雜對象的某些屬性值不單獨存于數(shù)據(jù)庫中，而由子對象派

生或提取，將子（成員）對象的屬性信息強制地傳播給綜合復雜對象。成員對象

的屬性只存儲一次，保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如武漢市總人口，由存儲在各

成員對象中的各區(qū)人口總和。

3、繼承與傳播（區(qū)別）

1）繼承服務于概括，傳播作用于聯(lián)合和聚集；

2）繼承是從上層到下層，應用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對象；

3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；

4）繼承是一種信息隱含機制，只要說明子類與父類的關系，則父類的特征一般

能自動傳給它的子類，而傳播是一種強制性工具，需要在復合對象中顯式定義它

的每個成員對象，并說明它需要傳播哪些屬性值。

四、GIS空間數(shù)據(jù)庫類型

1、基于文件管理的方式

缺點：

1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結構，數(shù)據(jù)文件修改時，應用程序也隨之改變。

2）以文件形式共享，當多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有

應用的許可。不能達到真正的共享，即數(shù)據(jù)項、記錄項的共享。

2、文件與關系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)一雙元模型

除。id作為連接關鍵字以外，兒乎是兩者獨立地組織、管理和檢索。

兒何圖形：圖形用戶界面與圖形文件處理是一體的，中間沒有裂縫。

屬性數(shù)據(jù)，則因系統(tǒng)和歷史發(fā)展而異。

1）圖形與屬性結合的各自分開處理模式-------早期系統(tǒng)：

圖形處理的用戶界面和屬性的用戶界面是分開的，它們只是通過一個內部碼

連接。通常要同時啟動兩個系統(tǒng)，甚至兩個系統(tǒng)來回切換，不方便。

2）圖形與屬性結合的混合處理模式

GIS通過DBMS提供的高級編程語言C或Fortran等接口，在C語言的環(huán)境下，

直接操縱屬性數(shù)據(jù)，查詢屬性數(shù)據(jù)庫，并在GIS的用戶界面下，顯示查詢結果。

在ODBC（OpenDataBaseConnectivity,開放式數(shù)據(jù)庫互連）推出后，GIS軟件

商只需開發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可將屬性數(shù)據(jù)與任何一個支持ODBC的

RDBMS連接。這樣用戶可在一個界面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)。

采用文件與RDBMS的混合管理模式中文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的

安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復方面缺少基本的功能。

因而GIS軟件商需要尋找能同時管理圖形和屬性數(shù)據(jù)的商用DBMS。

3、全關系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一分層模型

GIS軟件商在標準DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。

用RDBMS管理圖形數(shù)據(jù)有兩種模式：

a、基于關系