石大地理信息系統(tǒng)講義02地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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

教學(xué)目的:

認(rèn)識(shí)地理空間的表達(dá)，掌握地理空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和特征

教學(xué)內(nèi)容:

第1節(jié)地理空間及其表達(dá)

第2節(jié)地理空間數(shù)據(jù)及其特征

第3節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型

第4節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立

重點(diǎn)和難點(diǎn):

空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型；空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立

教學(xué)手段:

講授法

第一節(jié)地理空間及其表達(dá)

一、地理空間的概念

1、概念：地理信息系統(tǒng)中的空間概念常用“地理空間”（Geo-spatial）來(lái)表

述，一般包括地理空間定位框架及其所聯(lián)結(jié)的特征實(shí)體。地理空間定位框架即大

地測(cè)量控制，由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成。

2、坐標(biāo)：目前，我國(guó)采用的大地坐標(biāo)系為1980年中國(guó)國(guó)家大地坐標(biāo)系，該

坐標(biāo)系選

用1975年國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)推薦的國(guó)際橢球（固2—1）,其具體參數(shù)為：

赤道半徑（a）=6378140.0000000000m

極半徑（b）=6356755.2881575287m

地球扁率（f）=a-b/a=l/298.257

根據(jù)不同需求，我國(guó)現(xiàn)有三種大地坐標(biāo)系并存：一是1954年北京坐標(biāo)系（局

部平差）；二是1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系（整體平差）；三是地心坐標(biāo)系。

二、空間實(shí)體的表達(dá)

1、地理空間的特征實(shí)體包括點(diǎn)（point）、線（line）、面（polygon）、曲面

（surface）和體（volume）等多種類型。

2、采用一個(gè)沒(méi)有大小的點(diǎn)（坐標(biāo)）來(lái)表達(dá)基本點(diǎn)元素時(shí)，稱為矢量表示法

3、采用一個(gè)有固定大小的點(diǎn)（面元）來(lái)表達(dá)基本點(diǎn)元素時(shí)，稱為柵格表示

法。

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)

GIS中的餓數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)類型繁多，概括起來(lái)主要有以下幾種類型：

1、地圖數(shù)據(jù)。來(lái)源于各種類型的普通地圖和專題地圖，這些地圖的內(nèi)容豐富，

圖上實(shí)體間的空間關(guān)系直觀，實(shí)體的類別和屬性清晰，實(shí)測(cè)地形圖還具有很

高的精度。

2、影像數(shù)據(jù)。主要來(lái)源于衛(wèi)星遙感和航空遙感，包括多平臺(tái)、多層面、多種傳

感器、多時(shí)相、多光譜、多角度和多種分辨率的遙感影象數(shù)據(jù)，構(gòu)成多源海

量數(shù)據(jù)，也是GIS的最有效的數(shù)據(jù)源之一。

3、地形數(shù)據(jù)。來(lái)源于地形等高線圖的數(shù)字化，已建立的數(shù)字高程模型（DEM）和

其他實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)等。

4、屬性數(shù)據(jù)。來(lái)源于各類調(diào)查報(bào)告、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料、解譯信息等c

5、元數(shù)據(jù)。來(lái)源于由各類純數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)查、推理、分析和總結(jié)得到的有關(guān)數(shù)據(jù)

的數(shù)據(jù)，例如數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)權(quán)屬、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)分辨

率、源數(shù)據(jù)比例尺、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法等。

空間數(shù)據(jù)根據(jù)表示對(duì)象的不同，又具體分為七種類型：

1、類型數(shù)據(jù)。例如考古地點(diǎn)、道路線、土壤類型的分布等。

2、面域數(shù)據(jù)。例如隨機(jī)多邊形的中心點(diǎn)，行政區(qū)域界線、行政單元等。

3、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。例如道路交點(diǎn)、街道、街區(qū)等。

4、樣本數(shù)據(jù)。例如氣象站、航線、野外樣方分布區(qū)等。

5、曲面數(shù)據(jù)'，例如高程點(diǎn)、等高線、等值區(qū)域等。

6、文本數(shù)據(jù)。例如地名、河流名稱、區(qū)域名稱等。

7、符號(hào)數(shù)據(jù)。例如點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)、面狀符號(hào)等。

二、空間數(shù)據(jù)的基本特征

1、特征

（1）三條呈不同分布狀態(tài)的交通線。

（2）三條分別具有不同等級(jí)的交通線。

（3）三條互相具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的交通線。

空間特征數(shù)據(jù)包括地理實(shí)體或現(xiàn)象的定位數(shù)據(jù)和拓?fù)鋽?shù)據(jù)，屬性特征數(shù)據(jù)包

括地理實(shí)體或現(xiàn)象的專題是屬性（名稱、分類、數(shù)量等）數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)，而空

間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為空間數(shù)據(jù)或地理數(shù)據(jù)。因此，空間數(shù)據(jù)的特征

可以概括為空間特征和屬性特征。

2、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（1）概念：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是明確定義空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法，在地理信息系

統(tǒng)中，它不但用于空間數(shù)據(jù)的編輯和組織，而且在空間分析和應(yīng)用中都具有非常

重要的意義。

（2）種類:

a.拓?fù)溧徑樱褐复嬖谟诳臻g圖形的同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。

b.拓?fù)潢P(guān)聯(lián)。指存在于空間圖形的不同元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。

C.拓?fù)浒?。指存在于空間圖形的同類，但不同級(jí)的元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。

（3）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，可以確定一種地理實(shí)體相對(duì)于另一種

地理實(shí)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(shí)體。

第三節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般可分為：

基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

矢量柵格一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1、定義：基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2、類型：

（1）簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間數(shù)據(jù)按照以基本的空間對(duì)象（點(diǎn)、線或多邊形）為

單元進(jìn)行單獨(dú)組織，不含有拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)，最單性的是面條結(jié)構(gòu)。

這類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：

a、數(shù)據(jù)按點(diǎn)、線或多邊形為單元進(jìn)行組織，數(shù)據(jù)編排直觀，數(shù)字化操作簡(jiǎn)單。

b、每個(gè)多邊形都以閉合線段存儲(chǔ)，多邊形的公共邊界被數(shù)字化兩次和存儲(chǔ)兩次，

造成數(shù)據(jù)冗余和不一致。

c、點(diǎn)、線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但沒(méi)有拓?fù)鋽?shù)據(jù).互相之間不關(guān)聯(lián)。

d、島只作為一個(gè)單個(gè)圖形，沒(méi)有與外界多邊形的聯(lián)系。

（2）拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括DIME（對(duì)偶獨(dú)立地圖編碼法）、POLYVRT（多邊形轉(zhuǎn)換器）、

TIGER（地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)浼桑┑?。它們共同的特點(diǎn)是：點(diǎn)是相互獨(dú)立

的，點(diǎn)連成線，線構(gòu)成面。每條線始于起始結(jié)點(diǎn)（FN）,止子終止結(jié)點(diǎn)（TN）,并與

左右多邊形（LP和RP）相鄰接。構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段或弧段，兩條以上的

弧段相交的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)，由一條弧段組成的多邊形稱為島，多邊形圖中不含島的

多邊形稱為簡(jiǎn)單多邊形，表示單連通區(qū)域；含島區(qū)的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表

示復(fù)連通區(qū)域。在復(fù)連通區(qū)域中.包括有外邊界和內(nèi)邊界.島區(qū)多邊形看作是復(fù)

連通區(qū)域的內(nèi)邊界，復(fù)連通區(qū)域的內(nèi)邊界多邊形對(duì)應(yīng)的區(qū)域含有平面上的無(wú)窮遠(yuǎn)

點(diǎn)。

在這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，弧段或鏈段是數(shù)據(jù)組織的基本對(duì)象?；《挝募苫《?/p>

記錄組成，每個(gè)弧段記錄包括弧段標(biāo)識(shí)碼、FN、TN、LP和RP。結(jié)點(diǎn)文件由結(jié)點(diǎn)

記錄組成，包括每個(gè)結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)號(hào)、結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及與該結(jié)點(diǎn)連接的弧段標(biāo)識(shí)碼等。

多邊形文件由多邊形記錄組成，包括多邊形標(biāo)識(shí)碼、組成該多邊形的弧段標(biāo)識(shí)碼

以及相關(guān)屬性等。

拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最重要的技術(shù)特征和貢獻(xiàn)是具有拓?fù)渚庉嫻δ?。這種拓?fù)渚庉?/p>

功能，不但保證數(shù)字化原始數(shù)據(jù)的自動(dòng)查錯(cuò)編輯，而且可以自動(dòng)形成封閉的多邊

形邊界，為由各個(gè)單獨(dú)存儲(chǔ)的弧段組成所需要的各類多邊形及建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)奠

定基礎(chǔ)。

（3）曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

曲面是指連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，具有這種覆蓋表面的要素有地形、降水

量、溫度、磁場(chǎng)等。表示和存儲(chǔ)這些要素的基本要求是必須便于連續(xù)現(xiàn)象在任一

點(diǎn)的內(nèi)插計(jì)算，常采用不規(guī)則三角網(wǎng)來(lái)擬合連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，稱為TIN。

二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1、定義：基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，指將空間分割成

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(lái)表示地理實(shí)體的一種數(shù)據(jù)組織

形式。

2、類型

（1）柵格矩陣結(jié)構(gòu)

柵格矩陣結(jié)構(gòu)是指一種全柵格陣列的空間數(shù)據(jù)組織形式

（2）游程編碼結(jié)構(gòu)

游程是指相鄰?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(zhǎng)度，其目的是壓縮柵格數(shù)據(jù)量，消除數(shù)據(jù)間

的冗余。

（3）四叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

將空間區(qū)域按照四個(gè)象限進(jìn)行遞歸分割，直到子象限的數(shù)值單調(diào)為止。

（4）八叉樹(shù)和十六叉樹(shù)結(jié)構(gòu)

八叉樹(shù)結(jié)構(gòu)是從四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)直接發(fā)展而來(lái)的，其原理就是將空間區(qū)域不斷地

分解成八個(gè)同樣大小的子區(qū)域。

三、矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1、基本概念：新一代集成化的地理信息系統(tǒng)，要求能夠統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)、

屬性數(shù)據(jù)、影象數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，稱為四庫(kù)合一。既保持

了矢量特性，又具有柵格的性質(zhì)，就能將矢量與柵格統(tǒng)一起來(lái)，這就是

矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念。

四、矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：便于面向現(xiàn)象（土壤類、土地利用