空间信息数据库第2章

第二章空间数据基础

Chapter2空间信息基础2.1空间坐标系统 2.2空间实体 2.3空间数据的基本特征 2.4空间数据结构 2.5矢量数据结构 2.6栅格数据结构 2.7栅格和矢量数据结构的比较 2.8矢量数据结构与栅格数据结构的相互转换 2.9空间数据的分层 2.10空间数据元数据homework2.1空间坐标系统

GeographiccoordinatesystemTheGeographiccoordinatesystemisthelocationreferencesystemforspatialfeaturesontheEarth’ssurface.地球表面的位置相关的描述TheGeographiccoordinatesystem地球坐标系统isdefinedbylongitude经度

andlatitude纬度.1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。地理坐标GeographicCoordinates球面坐标SphericalcoordinatesLatitudeLongitude definedbyCenterofmassRotationEquatorPrime(Greenwich)Meridian球面地球SphericalEarthR6371kmA510000000km2MapprojectionsRepresentativeFractionGlobedistance

EarthdistanceScaleProjection(e.g.1:24,000)(e.g.0.9996)ScaleFractionMapdistance

Globedistance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建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置投影2地图投影为什么要进行投影？地图投影实质投影变形投影方法投影选择所考虑的因素我国常用的投影方法地图投影：为什么要进行投影将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算地球椭球体为不可展曲面地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析地图投影：投影实质地图投影：投影实质建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（λ，φ）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系：当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。地理和投影坐标GeographicandProjectedCoordinates(f,l)(x,y)MapProjection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TypesofMapprojectionFourclasses:conformal,equalareaorequivalent,equidistant,andazimuthalortruedirection.正形(等角)Conformalprojectionpreserveslocalanglesandshapes.等面积Equivalentprojectionrepresentsareasincorrectrelativesize等距离EquidistantprojectionmaintainsconsistencyofscalealongcertainlinesAnazimuthalprojectionretainscertainaccuratedirection.真方向Truedirection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Cartographersofferuseageometricobjectandaglobe(sphere)---referenceglobeConicalPlanarCylindricalMapprojectioncanbegroupedbytheirprojectionsurfacesintocylindrical,conic,andazimuthal.CaseandprojectionMapprojection:HowtoselectmapprojectionMapprojection:HowtoselectmapprojectionGeographicallocation,shapeandrangeofmapfield:制图区域的地理位置、形状和范围Scale:制图比例尺Mapcontents:地图内容Publishedmethod:出版方式地图投影：GIS中地图投影GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。Mapprojection:mapprojectioninChina1:1000K:Lambertprojection(LambertConformalConic)：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）PartofprovincemapandmajorityofmapswithalevelscalealsoadoptLambertprojection大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影1:500K、1:250K、1:100K、1:50K、1:25K、1:10K、1:5000adoptGauss-Krugerprojection(等角横切椭圆柱投影）采用高斯—克吕格投影Summarymapprojection3空间认知模型现实世界认知的过程现实世界--1---概念世界---2---数字世界1观察、抽象、综合取舍2定义、编码、模型化空间认知模型（图下页）外模式----不同的用户视图空间概念数据模型----考虑用户需求的共性，用统一的语言描述、综合、集成的用户视图，目前存在该层的模型有矢量数据模型、栅格数据模型和矢量--栅格一体化数据模型空间逻辑数据模型—将上层确定的信息内容（空间实体和空间关系）表达成数据项、记录等之间的关系，层次模型、网络模型、关系模型、对象模型等。物理数据模型-----如何在计算机上实现的细节（空间数据的物理组织、存储、索引等）

空间认知的三层模型

现实空间世界外模式1外模式2外模式3空间概念数据模型空间逻辑数据模型物理数据模型2.2空间实体描述空间实体是空间数据中不可再分的最小单元现象。基本的空间实体有点、线、面、体。点实体线实体面实体体实体

2.2空间实体描述

数据模型的基本问题概念:空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。类型:基于对象（要素）（Feature）的模型网络（Network）模型场（Field）模型。场模型把地理空间的事务和现象作为连续的变量来看待。适合模拟具有一定空间内连续分布特点的现象。1.场的特征空间结构特征和属性域连续的、可微的、离散的各向同性和各向异性空间自相关2.栅格数据模型栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理要素模型要素模型矢量数据模型网络结构模型网络模型

网状模型将数据组织成有向图结构。结构中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。有向图（Digraph）的形式化定义为：

Digraph=(Vertex,{Relation})

其中Vertex为图中数据元素（顶点）的有限非空集合；Relation是两个顶点（Vertex）之间的关系的集合。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(x1,y1)Nodevertex点实体

有位置，无宽度和长度；抽象的点0dimension,location:anode,vertex,or0-cell.apointorasetofseparatepoints.Neitherlengthnorbreadthanddepthindicatespatialoccurrencesoreventsandtheirspatialpattern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Alinehaslength,butnotbreadthanddepthUsedtorepresentlinearentitiesthatarefrequentlybuilttogetherintonetworksAlsousedtomeasuredistancebetweenspatialobjects.香港城市道路网分布AreaAnareaobjecthastwodimension,lengthandbreadth,butnotdepthRepresentsareaofnaturalorartificialobjectsArea:Polygon,face,zone,3-cellTimberstands,landparcels,waterbodies..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中国土地利用分布图（不连续面）空间对象：面（续）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。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。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Avolumeobjecthaslength,breadthanddepthUsedtopresente.g.minebodiesandbuildingsorartificialobjects校园建筑SpatialdatainrealworldCharactersofspatialdata:Attribute,Position,Time属性、位置、时间Typeofspatialdata:Attributedata;Geometrydata;RelativedataMap地图torepresenttherealworldPoint:（x，y）;attribute:mapsymbolLine:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn);attribute:symbolwithshape,color,sizeArea:(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn);attribute:symbol,isoline空间对象的描述要素编码Code:区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类码表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行表识，是唯一的。位置Position

：坐标形式给出空间对象的空间位置,用坐标

(x,y)or(λ,φ)类型Type

：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成。点、线、面、体等表示行为Behavior

：空间对象所具备的行为和功能属性Attribute

：空间对象所对应的非几何信息说明Remark

：实体数据来源、精度等关系Relationship

：与其他实体之间的关系空间对象编码CodingofspatialobjectsAttributeProcess:classificationgradecodingClassificationDefinition:gatherspatialobjectswithsameattributePrinciple:scientific,systematic,extensible,practicalabilities,compatibilityMethod:classificationaccordingtolineorarea编码对象：属性数据编码方法：层次分类编码多源分类编码编码标准化空间对象的层次分类编码分类对象的从属和层次关系有明确的分类对象类别和严格的隶属关系高压711电线架715管线:7地下电力线与电缆72电力线71地下检修井74管线73低压712电杆713电塔714不依比例7142依比例7141空间对象的多源分类编码按空间对象不同特性进行分类并进编码代码之间没有隶属关系，反映对象特性具有较大的信息量，有利于空间分析河流特性分类与编码通航情况通航：1不通航：2常年河：1时令河：2消失河：3<1km：1<2km：2<5km：3<10km：4>10km：5流水季节河流宽度河流长度河流深度5~10m：110~20m：220~30m：330~60m：460~120m：5120~300m：6300~500m：7>500m：8<1m：11~2m：22~5m：35~20m：420~50m：5>50m：62.3空间相关数据的特征属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。时间特征：描述空间对象随时间的变化空间相关数据的类型属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达关系数据：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。空间数据的特点Spatiallyrelated空间相关Canbeassignedcoordinatesoranyspatialreference.Onthesurfaceoftheearth.Involveslocationandorganization.Scale比例尺Canbefromgeneraltospecific.Simpletocomplex.Asatellitecangenerateoneterabyte(1012bytes)ofinformationperday.Dynamics动态性Spatialdynamics(variationsinspace).空间变化Temporaldynamics(variationsintime).时间变化CoordinatesystemScaleTime1Time2空间数据的三个侧面空间特征：表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。属性特征：表示实际现象或特征，例如变量、级别、数量特征和名称等等。时间特征：指现象或物体随时间的变化，其变化的周期有超短期的、短期的、中期的、长期的等等。三个侧面空间特征是GIS区别于其它的软件的根本特征是由于地物或现象的空间分布所带来通常是通过特定空间参照系下的坐标直接表达基于坐标的派生数据定量的度量信息：面积、周长、质心、距离等定性的空间关系：拓扑关系、方位关系时间特征空间数据涉及时间特征的几个方面地物的生命周期（产生、消亡）地物的移动（移动点）属性的时效性相关的问题时间关系时空关系时态GIS数据模型是其关键（时空立方体模型等）专题属性特征地物所固有的，不是由于地物空间分布所带来的特征如某地的年降雨量、土地酸缄类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。这类特征在其它类型的信息系统中均可存储和处理专题属性特征通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示空间对象（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

空间对象（实体）的遥感影像表达遥感传感器平台传感器空间现象及其描述现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达空间关系RelationshipofspatialobjectsUsedtodescribetheinter-relationofobjectsMethod:Absoluterelation:coordinate,angle,direction,distanceRelativelyrelation:adjacent,enclosed,conjunctionTopologicalrelation拓扑关系

Orderrelation排序关系Measuringrelation度量关系空间对象的空间关系表达描述空间对象之间的空间相互作用关系方法

绝对关系:坐标、角度、方位、距离等；相对关系：相邻、包含、关联等相对关系类型拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述Topologyisoneofthenewestbranchesofmathematics.Asimplewaytodescribetopologyisasa‘rubbersheetgeometry’-topologistsstudythosepropertiesofshapesthatremainthesamewhentheshapesarestretchedorcompressed.空间对象的拓扑空间关系基于点集拓扑理论拓扑元素：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、面之间的拓扑关系起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:拓扑关系邻接相交重合相离包含点—点点—线点—面线—面面—面线—线空间对象:自相关特征空间对象在属性上存在相关性，两空间对象越接近，其值也越接近，反之亦然。相关类型负相关：位置越接近，属性值相差越远正相关：位置越接近，特征也越接近不相关：属性与空间位置无关。空间数据操作的谓词描述(1)基本符号先定义空间数据操作中的一些记号。SDT空间数据类型；ZS大小为零（zerosize）空间数据类型，例如点；NZS大小非零（non-zerosize）的空间数据类型，例如线、区域等；ADT原子（atomic）空间数据类型例如点、线、区域；CDT集合型（collection）空间数据类型，例如网络、划分等。

PT点；LN线；RG区域；PTN划分；NTW网络。（2）基于拓扑的描述两个同类型空间数据是否相等（=或≠）；PT×PT→Bool；LN×LN→Bool；RG×RG→Bool空间数据SDT是否在区域RG中（INSERT）：SDT×RG→Bool两个大小非零的空间数据是否相交（INTERSECTS）：NZS×NSZ→Bool两个区域是否邻接（IS－NEIGHBOR—OF）：RG×RG→Bool（3）基于集合运算的描述相交（Intersection）：两条线相交为点的集合，LN×LN→２PT；线与区域相交为线的集合，LN×RG→２LN；区域与区域相交为区域的集合，RG×RG→２RG重叠（OVERLAP）：PTN×PTN→２FG中心点（CENTER）：NZS→PT(4)基于度量的描述两点间距离（DIST）：PT×PT→NUMDIST两空间图形间的最大、最小距离（MAXDIST，MINDIST）：SDT×SDT→NUMMAXDIST或MINDIST多点的直径（DIAMETER）：PT→NUM

DIAMETER线的长度（LENGTH）：LN→NUMLENGTH区域的周长（PERIMETER）或面积（AREA）：RG→NUMPERIMETER或AREA空间关系的集合描述与判断在空间数据库中把空间对象用点、矩形等简单、规则的图形表示，只讨论这些规则几何图形的空间关系，并把规则的几何图形看做空间中标准的“点集合”，用这些标准集合间关系的描述表示空间数据操作的集合。(1)一维空间中两个线段的关系一维空间中两个线段的7种可能的关系，分别用记号“=、[、%、]、/、|、<”表示如图所示，其中，（1）~（5）是相交关系，（6）（7）是非相交关系。二维空间中边平行于坐标轴矩形间的关系设A、B为这种矩形，其左下角坐标和右上角坐标分别为{（x1A，y1A），（x2A，y2A）}和{（x1B，y1B），（x2B，y2B）}。如果A和B在x轴和y轴上的投影分别相交，则A、B相交。因此，A，B相交的条件可以表示为[max{x1A，x1B}<min{x2A，x2B}]和[max{y1A，y1B}<min{y2A，y2B}]（A）高度空间负向相关；（B）无规律分布；（C）空间独立；（D）空间聚类现象；（E）高度正向相关数据的测量尺度(1/2)命名(Nominal)量定性而非定量，不能进行任何算术运算，如一个城市的名字次序(Ordinal)量线性坐标上不按值的大小，而是按顺序排列的数，例如，事故发生危险程度的级别由大到小被标为1，2，3，…间隔(Interval)量不参照某个固定点，而是按间隔表示相对位置的数。按间隔量测的值相互之间可以比较大小，并且它们之间的差值大小是有意义的比率(Ratio)量比率测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据。数据的测量尺度(2/2)GIS数据测量尺度示例PointLineAreaQuantitativeOrdinalQualitative51015Eachdotrepresents500personsProportionalsymbolsLargeMediumSmallQTownAirportFlowContour304050HighwayRoadStreetRoadBoundaryRiver10020PopulationdensityHighimpactLowimpactSwampDesertForrest2.4空间数据结构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。在地理系统中描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括空间位置、拓朴关系和属性三个方面的内容。空间数据结构网格数据结构(显式表示

)栅格结构式最简单、最直观的空间数据结构，RASTER,GRIDCELL,PIXEL，将联系空间离散化，将地理区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分矢量数据结构(隐式表示

)矢量结构和栅格结构

显式描述显式表示：就是栅格中的一系列像元(点)，为使计算机认识这些像元描述的是某一物体而不是其它物体。注：“c”不一定用c的形式，而可以用颜色、符号、数字、灰度值来显示。则得到椅子的简单数据结构为：

椅子的属性——符号／颜色——像元x隐式表示隐式表示：由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示椅子形式的矢量，线之间的指示字，告诉计算机怎样把这些矢量连接在一起形成椅子，隐式表示的数据为：

椅子的属性——一系列矢量——连接关系

2.5矢量数据结构地理实体是指含义完整的物体，而地图数据库中所处理的独立逻辑单元是目标(edge≈object)。采用边(目标)作为地图数据结构的基本单元有如下优点：1．将多种对象(要素)的地理实体抽象概括为一类对象——边，便于存贮管理。2．基于图论的抽象表示，体现地理分布的空间联系，易于导出多种关系信息。3．能减少冗余存贮，属于同一条边(几何位置重合)具有多种属性的要素只须存贮一次。或避免数据冗余。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。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。

除数学上的精确坐标假设外，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。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；矢量数据结构：通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。在一般情况下，其精度比栅格数据结构高得多。其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制。矢量结构允许最复杂的数据以最小的数据冗余进行存储，相对栅格结构来说，数据精度高，所占空间小，是高效的空间数据结构I．矢量数据结构基本概念几何体的类型I．矢量数据结构基本概念矢量数据的类型Buildings.PolygonStreams,LineWells,PointRoads,LineZoning, PolygonMAPSHEETS矢量数据结构特点1定位明显：其定位是根据坐标直接存储的，无需任何推算2属性隐含：属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上矢量数据结构图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，在叠加运算、邻域搜索等操作时比较困难，有些甚至难以实现，但其也有便利和独到之处，在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度。矢量数据编码编码方法：点实体线实体多边形坐标序列法

树状索引编码法

拓扑结构编码法

(X,Y)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)LinePoint(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)Polygon(X,Y)矢量数据结构编码的基本内容

标识码属性码空间对象编码唯一连接空间和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号XY1112223344………n5566存储方法点实体，线实体点实体：点是空间上不能再分的地理实体，可以是具体的或抽象的，如地物点、文本位置点或线段网络的结点等，由一对x、y坐标表示。对于点实体，矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码线实体 对于线实体，在数字化时即进行量化，就是用一系列足够短的直线首尾相接表示一条曲线，当曲线被分割成多而短的线段后，这些小线段可以近似地看成直线段，而这条曲线也可以足够精确地由这些小直线段序列表示，矢量结构中只记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列，坐标之间认为是以直线段相连，在一定精度范围内可以逼真地表示各种形状的线状地物点实体线实体唯一标识码是系统排列序号；线标识码可以标识线的类型；起始点和终止点号可直接用坐标表示；显示信息是显示时的文本或符号等；与线相联系的非几何属性可以直接存储于线文件中，也可单独存储，而由标识码联接查找。多边形实体面实体多边形实体编码“多边形”在地理信息系统中是指一个任意形状、边界完全闭合的空间区域。其边界将整个空间划分为外部和内部。 多边形数据是描述地理信息的最重要的一类数据。在区域实体中，具有名称属性和分类属性的，多用多边形表示，如行政区、土地类型、植被分布等。坐标序列法（Spaghetti方式）

树状索引编码法

拓扑结构编码法

多边形实体多边形矢量编码不但要表示位置和属性，更为重要的是要能表达区域的拓扑性质，如形状、邻域和层次等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图资料进行显示和操作，由于要表达的信息十分丰富，基于多边形的运算多而复杂，因此多边形矢量编码比点和线实体的矢量编码要复杂得多，也更为重要。多边形矢量编码除有存储效率的要求外，一般还要求所表示的各多边形有各自独立的形状，可以计算各自的周长和面积等几何指标；各多边形拓扑关系的记录方式要一致，以便进行空间分析；要明确表示区域的层次，如岛-湖-岛的关系等。因此，它与机助制图系统仅为显示和制图目的而设计的编码有很大不同。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)索引式线与多边形之间的树状索引

点与多边形之间的树状索引

双重独立式DIME(DuallndependentMapEncoding)线号左多边形右多边形起点终点aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件

链状双重独立式链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。

弧段文件弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形 a 5 1 O Ab 8 5 E Ac 16 8 E Bd 19 5 O Ee 15 19 O Df 15 16 D Bg 1 15 O Bh 8 1 A Bi 16 19 D Ej 31 31 B C 弧段坐标文件弧段号 点号 a 5,4,3,2,1 b 8,7,6,5 c 16,17,8 d 19,18,5 e 15,23,22,21,20,19 f 15,16, g 1,10,11,12,13,14,15 h 8,9,1 i 16,19 j 31,30,29,28,27,26,25,24,31

链状双重独立式多边形文件多边形号弧段号周长面积中心点坐标 A h,b,a B g,f,c,h,-j C j D e,i,f E e,i,d,b

矢量数据结构的属性数据表达属性特征类型类别特征：是什么说明信息：同类目标的不同特征属性特征表达类别特征：类型编码说明信息：属性数据结构和表格属性表的内容取决于用户图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记录号实现。矢量数据结构的属性数据表达点状对象目标标识目标标识地物编码坐标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位…………面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构……空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性矢量数据结构的特点用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系面向目标操作，精度高，数据冗余度小与遥感等图象数据难以结合输出图形质量号，精度高2.6栅格数据结构

栅格数据:栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在网络文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。在网络文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。

栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。（a）三角形（b）菱形（c)六边形点线面对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。栅格结构数据的来源目读法手扶跟踪数字化扫描数字化分类影像输入栅格数据取值CellvalueEachcellinarastercarriesavalue.cellvalues,eitherintegerfloating-pointraster.Rastercanbedifferenttypesoftesselations格网commonraster:squares,calledgridcellsgridcells:pixelsSquares

Triangles

HexagonsRegulartesselations栅格大小cellsizeThecellsizedeterminestheresolutionoftherasterdatamodel分辨率.Acellsizeof10metersmeansthateachcellmeasures100squaremeters.(10X10meters)Alargecellsizecannotrepresentthepreciselocationofspatialfeatures.Rasterbands栅格层次Arastermayhaveasinglebandormultiplebands.Eachcellinamultibandrasterisassociatedwithmorethanonecellvalue.Anexampleofmultibandrasterisasatelliteimage,whichmayhavefive,seven,ormorebandsateachcelllocation.Eachcellinasingle-bandrasterhasonlyonecellvalue.spatialreference空间相关的信息RasterdatamusthavethespatialreferenceinformationsothattheycanalignspatiallywithotherdatasetsinaGIS.Arasterthathasbeenprocessedtomatchaprojectedcoordinatesystemisoftencalledageoreferencedraster.栅格数据结构：坐标系与描述参数Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率栅格数据单元值确定CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB为了逼近原始数据精度，除了采用这几种取值方法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格单元总数的方法RasterdatastructureRasterdatastructurereferstothestorageofrasterdatasothattheycanbeusedandprocessedbythecomputer.Threecommonstructures:cell-by-cellencoding,run-lengthencoding,andquadtree.栅格数据编码方法分为两大类：直接栅格编码压缩编码方法链码

游程长度编码

块码

四叉树1Cell-by-cellEncoding直接编码将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码Arasterisstoredasamatrix,anditscellvaluesarewrittenontoafilebyrowandcolumn.5,5A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,A链码（ChainCodes）链式编码又称为弗里曼链码（Freeman，1961）或边界链码。该编码方法将数据表示为由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东＝0，东南＝1，南＝2，西南＝3，西＝4，西北＝5，北＝6，东北＝7等八个基本方向。链码（ChainCodes）例如，确定原点为像元（10，1），则某个多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10，1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。其中前两个数字10和1表示起点为第十行第一列，从第三个数字开始每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以0—7的整数代表。2Run-lengthEncoding游程长度编码Run-lengthEncodingrecordsthecellvaluesbyrowandbygroup.Agroupreferstoadjacentcellswiththesamecellvalues.NoteverycellisstoredEachcomponentstoresavalueandacountofcellswiththatvalue1row:(2,A),(3,B)2row:(1,A),(3,C),(1,A)3row:(1,D),(2,C),(2,A)4row:(2,D),(2,C),(2,A)5row:(2,D),(3,A游程长度编码对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。其实现方法有两种一种编码方案是，只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。

另一种游程长度编码方案就是逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码游程长度编码示例按第一种编码方法，此数据游程长度编码：（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7，2）；（0，2），（4，1），（8，3），（7，2）；（0，2），（8，4），（7，1），（8，1）；(0，3)，(8，5)；(0，4)，(8，4)；(0，5)，(8，3)。用44个整数表达了原始数据中的64个栅格。游程长度编码示例按第二种编码方法，此数据游程长度编码（沿列方向）：（1，0），（2，4），（4，0），（1，4），（4，0）；（1，4），（5，8），（6，0）；（1，7），（2，4），（4，8），（7，0）；（1，7），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。

游程长度编码优缺点优点压缩效率较高，且易于进行检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况

缺点对于图斑破碎，属性和边界多变的数据压缩效率较低，甚至压缩后的数据量比原始数据还大。块码（ChainCodes）块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位的代码组成。块码编码示例其块码编码为：(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)。Quadtree四叉树编码Quadtreeusesrecursivedecompositiontodividearasterintoahierarchyofquadrants.节点是异质四分体nodeisaquadrantthatisheterogeneous树叶是通知同质四分体leafisaquadrantthatishomogeneous四分体按照其位置和等级设置ID号quadrantsareassignedanIDnumberaccordingtotheirpositionandlevel树杈结点叶子结点1234567812345678MMRMMMMMMMRRMRMMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMRRRRRRMMMRRRRRMMMMRRMMM四叉树编码示例

其中最上面的结点叫根结点，它对应整个图形。此树共有4层结点，每个结点对应一个象限，如第2层4个结点分别对应于整个图形的四个象限，排列次序依次为南西（SW）、南东（SE）、北西（NW）和北东（NE），不能再分的结点称为终止结点（又称叶子结点），可能落在不同的层上，该结点代表的子象限具有单一的代码，所有终止结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，共有40个叶子结点，也就是原图被划分为40个大小不等的方形子区（最下面的一排数字表示各子区的代码）。四叉树编码示例四叉树编码的优缺点优点：四叉树编码具有可变的分辨率，树的深度随数据的破碎程度而变化，并且有区域性质，压缩数据灵活，许多数据和转换运算可以在编码数据上直接实现，大大地提高了运算效率，并支持拓扑“洞”（嵌套多边形）的表达，是优秀的栅格压缩编码之一。缺点：其最大不足是其不稳定性，即同样的原始数据应用不同的算法进行编码可能会得到不同的编码结果。不利于数据分析。栅格数据压缩存储的编码方法AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3链式编码游程长度编码逐行编码数据结构:行号,属性,重复次数1,A,4,R,1,A,4块状编码正方形区域为记录单元数据结构:初始位置,半径,属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…NESWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码栅格数据组织栅格数据组织栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值…层n属性值…像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2…X,Y,属性值像元2X,Y,属性值……像元nX,Y,属性值层n栅格数据文件层1多边形1层2…属性值像元1坐标…多边形N像元n坐标层n栅格数据结构特点离散的量化栅格值表示空间对象位置隐含,属性明显数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大几何和属性偏差面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系abc345abcac距离:7/4(5)面积:7(6)几何偏差属性偏差如以像元边线计算则为7，以像元为单金大会则为4。三角形的面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。

2.7两种数据结构的比较与转换矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点：数据结构复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件栅格数据优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时数据结构选择原则要素还是位置？可获取的数据定位要素的必要精度需要什么类型的要素需要什么类型的拓扑关联所需空间分析类型生产地图类型2.8矢量数据向栅格数据转换点的变换