地理信息系统概论第二章地理信息系统的数据结构课件.ppt

1、地理信息系统概论地理信息系统概论 第二章第二章 地理信息系统的数据结构地理信息系统的数据结构一、地理空间及其表达一、地理空间及其表达二、地理空间数据及其特征二、地理空间数据及其特征三、空间数据结构的类型三、空间数据结构的类型四、空间数据结构的建立四、空间数据结构的建立第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达1、地理空间的概念、地理空间的概念地球体的自然表面地球体的自然表面地球体的物理表面（一级逼近）地球体的物理表面（一级逼近）地球体的数学表面（二级逼近，参数地球体的数学表面（二级逼近，参数a、b、f）（三级逼近：数学公式）（三级逼近：数学公式）地球表面水准面铅垂线地球椭球体大地水准面地理

2、坐标系是以地理极地理坐标系是以地理极(北北极、南极极、南极)为极点。为极点。过过A点作椭球面的垂线，点作椭球面的垂线，称为过称为过A点的法线。点的法线。法线与赤道面的交角，叫法线与赤道面的交角，叫做做A点的纬度点的纬度。过过A点的子午面与通过英点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做面所夹的二面角，叫做A点的经度点的经度。NSQ 赤道纬线本初子午线EA1954北京坐标系：北京坐标系：根据克拉索夫斯基椭球参数制定的坐标系。根据克拉索夫斯基椭球参数制定的坐标系。1980国家大地坐标系：国家大地坐标系：a=6378140m，f=1/298.257，大地原，大

3、地原点在西安市附近泾阳县内。点在西安市附近泾阳县内。地心坐标系：地心坐标系：经纬度和高程表示（经纬度和高程表示（B,L,H）。）。高程：指空间某点高于或低于基准面的垂直距离。高程：指空间某点高于或低于基准面的垂直距离。1956黄海高程系：黄海高程系：以黄海平均海平面建立的高程控制系统以黄海平均海平面建立的高程控制系统1985国家高程基准：国家高程基准：比黄海平均海平面高比黄海平均海平面高29mm平面控制网：平面控制网：高程控制网：高程控制网：水准原点1985国家高程基准，72.2604米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米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投影建立

4、在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置 投影的概念：投影的概念：将椭圆面上各点的大地坐标，按照一定将椭圆面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标。直角坐标。地图投影：投影实质地图投影：投影实质GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信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，因此地图投影在息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。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

5、标；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。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。一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。1、在地图上，一般把地理空间的实体按、在地图上，一般把地理空间的实体按地形维数地形维数（几何特征）（几何特

6、征）进行归类划分：进行归类划分：点：零维点：零维线：一维线：一维面：二维面：二维体：三维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理还很难处理时间属性。时间属性。一、一、GIS空间数据的分类空间数据的分类 有位置，无宽度和长度；有位置，无宽度和长度；抽象的点抽象的点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 有长度，但无宽度和高度有长度，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 度量实体距离度量实体距离香港城市道路网分布香港城市道路网分布 具有长和宽的目标具有长和宽的目标

7、通常用来表示自然或人工的封闭多边形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）连续变化曲面：如地形起连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。的内部是同质的。有长、宽、高的目标有长、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、矿体等三维目标体等三维目标香港理工大学香

8、港理工大学校园建筑校园建筑数据结构数据结构（1）矢量数据：是利用欧几里得几何学中）矢量数据：是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。空间分布的一种数据组织方式。（2）栅格数据：是指将空间分割成有规则）栅格数据：是指将空间分割成有规则的网格，称为栅格单元，在各个栅格单元的网格，称为栅格单元，在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。种数据组织形式。栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。的方式。数

9、据特征数据特征（1）空间定位数据：是表达空间实体在地）空间定位数据：是表达空间实体在地球上位置的坐标数据。球上位置的坐标数据。（2）非空间属性数据：是有关空间实体自）非空间属性数据：是有关空间实体自身的名称、种类、质量、数量等特征的数身的名称、种类、质量、数量等特征的数据。据。1.空间数据的基本特征空间数据的基本特征属性特征属性特征：描述现象的特征，即是什么，如对象：描述现象的特征，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。的类别、等级、名称、数量等。空间特征空间特征：描述现象的空间位置以及相互关系，：描述现象的空间位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标又称几何特征和拓

10、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。表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。时间特征时间特征：描述空间对象随时间的变化：描述空间对象随时间的变化属性数据属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称：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，一般通过非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达代码给予表达几何数据几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称：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、坐标表达位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达关系数据关系数据：描述空间对象的空间关系的数据，如：描述空间对象的空间

11、关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含拓扑邻接拓扑邻接:存在于空间图形之间同类要素之间的拓扑关系（结点、多边形）存在于空间图形之间同类要素之间的拓扑关系（结点、多边形）拓扑关联拓扑关联:指存在于空间图形中的不同类要素之间的拓扑关系（结点于弧指存在于空间图形中的不同类要素之间的拓扑关系（结点于弧段、多边形与弧段）段、多边形与弧段）拓扑包含拓扑包含:指存在于空间图形中同类但不同级的基本要素之间的拓扑关系指存在于空间图形中同类但不同级的基本要素之间的拓扑关系 （1）根据拓扑关系，不需要

12、利用坐标或者）根据拓扑关系，不需要利用坐标或者计算距离，就可以确定一种地理实体相对计算距离，就可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。于另一种地理实体的空间位置关系。（2）利用拓扑数据有利于空间要素的查询。）利用拓扑数据有利于空间要素的查询。空间分幅空间分幅属性分层属性分层时间分段时间分段数据结构数据结构：即数据组织的形式，是适合于：即数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理、处理的数据的逻辑表计算机存储、管理、处理的数据的逻辑表达。换句话说，是指数据以什么形式在计达。换句话说，是指数据以什么形式在计算机中存储和处理。算机中存储和处理。数据按照一定的规律储存在计算机中，是数据按

13、照一定的规律储存在计算机中，是计算机正确处理和用户正确理解的保证。计算机正确处理和用户正确理解的保证。栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。的方式。（1）矢量数据矢量数据：是利用欧几里得几何学中：是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。空间分布的一种数据组织方式。（2）栅格数据栅格数据：是指将空间分割成有规则：是指将空间分割成有规则的网格，称为栅格单元，在各个栅格单元的网格，称为栅格单元，在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一上给出相应的属

14、性值来表示地理实体的一种数据组织形式。种数据组织形式。1.1.实质：通过坐标值来精确表示点、线、面等地实质：通过坐标值来精确表示点、线、面等地理实体。理实体。点：由一对点：由一对X,YX,Y坐标表示坐标表示标识码标识码 属性码属性码 X,Y坐标坐标线：由一串有序的线：由一串有序的X X，Y Y坐标对表示坐标对表示标识码标识码 坐标对数坐标对数n X,Y坐标坐标面：由一串或几串有序的且首尾坐标相同的面：由一串或几串有序的且首尾坐标相同的X,Y坐标及其面标识表示。坐标及其面标识表示。标识码标识码 链数链数n 链标识码集链标识码集2.2.矢量数据结构的优缺点矢量数据结构的优缺点可以表示现实世界中各种

15、复杂的实体，当问题可描述可以表示现实世界中各种复杂的实体，当问题可描述为线和边界时特别有效。为线和边界时特别有效。冗余度低，结构紧凑，并具有空间实体的拓扑信息，冗余度低，结构紧凑，并具有空间实体的拓扑信息，便于深层次分析。便于深层次分析。输出质量好，精度高。输出质量好，精度高。但是，对于多层空间数据的叠合分析比较困难。但是，对于多层空间数据的叠合分析比较困难。由外业测量获得由外业测量获得由栅格数据转换获得由栅格数据转换获得跟踪数字化（下周上机实习）跟踪数字化（下周上机实习）1.实质：以规则的栅格单元（像元）阵列实质：以规则的栅格单元（像元）阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，来表示空间地

16、物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。性特征。点：表示为一个单元栅格点：表示为一个单元栅格线：表示为一定方向上连接成串的相邻单元栅格线：表示为一定方向上连接成串的相邻单元栅格的集合。的集合。面：表示为聚集在一起的相邻的单元栅格的集合。面：表示为聚集在一起的相邻的单元栅格的集合。区域内部的网格值相同，但与外部网格的值不同。区域内部的网格值相同，但与外部网格的值不同。栅格可以是正方形，也可以是矩形、等栅格可以是正方形，也可以是矩形、等边三角形、正六边形等。边三角形、正六边形等。网格的边长决定了栅格数据的精度，但网格的边长决定了栅格

17、数据的精度，但是，无论网格边长多少，与原实体特征相比是，无论网格边长多少，与原实体特征相比较，信息都有丢失。较，信息都有丢失。2.2.栅格数据结构的优缺点栅格数据结构的优缺点 很容易为计算机存储和操作，不但很直观，而且很容易为计算机存储和操作，不但很直观，而且易于维护和修改。易于维护和修改。数据结构简单，定位存取性能好，因而在数据结构简单，定位存取性能好，因而在GIS中可中可与影像数据和与影像数据和DEM数据进行联合分析。数据进行联合分析。但是，数据精度的增加将以存储空间为代价。但是，数据精度的增加将以存储空间为代价。由于相邻网格单元属性值的相关性，造成栅格数由于相邻网格单元属性值的相关性，造

18、成栅格数据的冗余度大。据的冗余度大。栅格数据对于网络分析比较困难。栅格数据对于网络分析比较困难。3.栅格数据的获取方式栅格数据的获取方式 来自于遥感数据来自于遥感数据来自于对图片的扫描来自于对图片的扫描由矢量数据转化而来由矢量数据转化而来由手工方法获取由手工方法获取栅格的点图 矢量的点图栅格的线图 矢量的线图地图的矢量和栅格表示地图的矢量和栅格表示(x,y)11(x,y)22(x,y)33(x,y)440000001000003300810444003330014444403330104444443330104444400001700444000001500000070155550000000

19、15555000800105500000005三种主要地理实体点、线、面中，点三种主要地理实体点、线、面中，点类似于像元，但不占有面积，其余两类似于像元，但不占有面积，其余两种均由一系列内部相关联的坐标形成，种均由一系列内部相关联的坐标形成，一定的面或线则与一定的属性连接。一定的面或线则与一定的属性连接。由一系列（由一系列（x、y）坐标定位的像元，）坐标定位的像元，每个像元独立编码，并载有属性。每个像元独立编码，并载有属性。345三、栅格数据结构的存储类型三、栅格数据结构的存储类型栅格矩阵结构栅格矩阵结构游程（行程）编码结构游程（行程）编码结构四叉树结构四叉树结构P56AAAAABBBAABB

20、AABB：AABBAABBABBBAAAA：A2B2A2B2AB3A4：常规四叉树：常规四叉树 线性四叉树线性四叉树（莫顿码）（莫顿码）0 4 8 9 10 12 14 A B A B A B A 10 11 14 15 8 9 12 13 2 3 6 7 0 1 4 5栅格矩阵结构栅格矩阵结构 处理简便，但是没有压缩，数据量大。处理简便，但是没有压缩，数据量大。游程（行程）编码结构游程（行程）编码结构 压缩效率较高，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算压缩效率较高，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快。快。四叉树结构四叉树结构(线性四叉树线性四叉树)只存储三个值，比常规四叉树节省存储空间；

21、由于记录节只存储三个值，比常规四叉树节省存储空间；由于记录节点地址，既能直接找到其在四叉树中的走向路径，又可以点地址，既能直接找到其在四叉树中的走向路径，又可以换算出它在整个栅格区域内的行列位置；压缩和解压缩方换算出它在整个栅格区域内的行列位置；压缩和解压缩方便，各部分的分辨率可以不同，既可精确表示图形结构，便，各部分的分辨率可以不同，既可精确表示图形结构，又可以减少存储量，易于进行大部分图形操作和运算。又可以减少存储量，易于进行大部分图形操作和运算。思考：思考：比较矢量数据结构和栅格数据结构，两者各比较矢量数据结构和栅格数据结构，两者各自的优点有哪些？缺点有哪些？如何使优点两者自的优点有哪些

22、？缺点有哪些？如何使优点两者兼得呢？兼得呢？点线面用栅格数据结构、矢量数据结构的点线面用栅格数据结构、矢量数据结构的表达方法都已介绍，那么表达方法都已介绍，那么“体体”常见的表常见的表达方法有哪些？达方法有哪些？第四节第四节 空间数据结构的建立空间数据结构的建立q空间数据结构的建立是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应的GIS空间数据，为空间数据库的建立提供物质基础。根据用户需求，确定数据项目根据数据项目，确定数据源数据分类和编码确定数据模型和数据结构类型数据输入与编辑工作矢量数据输入与编辑栅格数据输入与编辑跟踪数字化扫描矢量化解析测图仪数椐结构转换扫描数字化透明格网采集矢量数据库

23、数椐结构转换栅格数据库数据结构建立数据结构建立的基本过程的基本过程空间数据结构的建立 一、系统功能与数据间的关系一、系统功能与数据间的关系q 现代地理信息系统数据模式的一个重要特现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系征是数据与功能之间具有密切的联系(专题专题GIS,相相关视频关视频)，因此，在确定数据内容时，首先必须，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能。明确系统的功能。q 对开发的对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首系统之前，首先要进行系统分析。先要进行

24、系统分析。土地信息系统：土地信息系统：系统功能与数据间的关系系统功能与数据间的关系城市信息系统：城市信息系统：空间数据结构的建立 二、空间数据的分类和编码二、空间数据的分类和编码q 1、空间数据的分类空间数据的分类是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层，为数据采集、存储、管理、查询和共享提高依据。信息层示意图信息层示意图空间数据结构的建立 2、空间数据的分类和编码、空间数据的分类和编码q空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成

25、，或由它们共同组成。qEg：身份证前六位q我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示：大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别位q大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。代码的功能：鉴别分类排序 编码的基本原则：编码的基本原则：惟一性：一个代码只能惟一地表示一类对象。惟一性：一个代码只能惟一地表示一类对象。合理性：代码结构要与分类体系相适应。合理性：代码结构要与分类体系相适应。可扩性：必须留有足够的备用代码，以适应扩充可扩性：必须留有足够的备用代码，以适应扩充需要。需要。简单性：结构应尽量简单，长度应尽量短。简单性：结构应尽

26、量简单，长度应尽量短。适用性：代码应尽可能反映对象的特点，以助记适用性：代码应尽可能反映对象的特点，以助记忆。忆。规范性：代码的结构、类型、编写格式必须统一。规范性：代码的结构、类型、编写格式必须统一。13：其他控制点1：测量控制点11：平面控制点12：高程控制点1101：三角点1102：导线点11011：一等11012：二等11013：三等11014：四等国土基础信息数据分类与代码举例空间数据结构的建立 三、矢量数据的输入与编辑（三、矢量数据的输入与编辑（上机上机）q 矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去。q 空间数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。空间数据结构的建立 四、栅格数据的输入与编辑四、栅格数据的输入与编辑q 栅格数据的输入方法包括扫描输入、遥感影像解译和数据结构转换等。q 栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误，根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压缩和数据组织方式的变换等。