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1、地理信息系统概论地理信息系统概论授课教师：贺晓慧授课教师：贺晓慧 主讲内容主讲内容7 7 地理信息系统的设计与评价地理信息系统的设计与评价1 1地理信息系统导论地理信息系统导论2 2地理信息系统的数据结构地理信息系统的数据结构3 3空间数据获取与处理空间数据获取与处理地理信息系统空间数据库地理信息系统空间数据库4 45 5 空间分析的原理与方法空间分析的原理与方法6 6地理信息系统的应用模型分类地理信息系统的应用模型分类 地理信息系统产品的输出设计地理信息系统产品的输出设计8 8第二章第二章 地理信息系统的空间数据结构地理信息系统的空间数据结构 1.地理空间及其表达地理空间及其表达 2.地理空
2、间数据及其特征地理空间数据及其特征 3.空间数据结构的类型空间数据结构的类型 4.空间数据结构的建立空间数据结构的建立 在在GISGIS中，地理空间数据时极其重要的组成中，地理空间数据时极其重要的组成部分。部分。GISGIS的数据结构主要是用来解决地理空间的数据结构主要是用来解决地理空间数据以什么样的形式存储到数据以什么样的形式存储到GISGIS中的问题。中的问题。2.1 2.1 地理空间及其表达地理空间及其表达u地理数据地理数据(Geo Data)(Geo Data)：是描述地球表层一定范围（地：是描述地球表层一定范围（地理圈、地理空间）内地理事物（空间实体、地理现象）理圈、地理空间）内地理
3、事物（空间实体、地理现象）数量、质量、分布特征、相互关系和变化规律的数据。数量、质量、分布特征、相互关系和变化规律的数据。u地理空间（地理空间（geo-spatialgeo-spatial）：一般指上至大气电离层，：一般指上至大气电离层，下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。包括下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。包括地理空间定位框架及其所联接的特征实体。地理空间定位框架及其所联接的特征实体。u地理空间定位框架地理空间定位框架：即大地测量控制，由平面控制网：即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。和高程控制网组成。2.1 2.1 地理空间及其表达地理空间及其表达u大地测量为建立
4、所有的地理数据的坐标位置提供了一大地测量为建立所有的地理数据的坐标位置提供了一个通用参考系，利用该通用参考系可以将全国范围使个通用参考系，利用该通用参考系可以将全国范围使用的平面及高程坐标系与所有的地理要素相连接。用的平面及高程坐标系与所有的地理要素相连接。u大地测量控制信息的主要要素就是大地测量控制信息的主要要素就是大地测量控制点大地测量控制点，这些设标点（有时为动态的这些设标点（有时为动态的GPSGPS控制点）的平面位置和控制点）的平面位置和高程被精确地测量，并用于其他点位的确定。高程被精确地测量，并用于其他点位的确定。u因此，大地测量控制信息在开发所有的框架数据及用因此，大地测量控制信息
5、在开发所有的框架数据及用户的应用数据中发挥着关键的作用。户的应用数据中发挥着关键的作用。2.1 2.1 地理空间及其表达地理空间及其表达u目前，我国采用的大地坐标系为目前，我国采用的大地坐标系为19801980年中国国家大地年中国国家大地坐标系，该坐标系选用坐标系，该坐标系选用19751975年国际大地测量协会推荐年国际大地测量协会推荐的国际椭球。具体参数见的国际椭球。具体参数见P39P39。u19801980年中国国家大地坐标系的大地原点，设在我国中年中国国家大地坐标系的大地原点，设在我国中部的部的陕西省泾阳县永乐镇陕西省泾阳县永乐镇，简称，简称西安原点西安原点。u根据不同需求，我国现有三种
6、大地坐标系并存：一是根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存：一是19541954年北京坐标系年北京坐标系（局部平差）；二是（局部平差）；二是19801980年国家大年国家大地坐标系地坐标系（整体平差）；三是（整体平差）；三是地心坐标系地心坐标系。2.1 2.1 地理空间及其表达地理空间及其表达u将椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，将椭球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直角坐标，通常称之为地变换为平面上相应点的平面直角坐标，通常称之为地图投影。这里所说的一定的数学法则，可以用下面两图投影。这里所说的一定的数学法则，可以用下面两个方程式表示：个方程式表示
7、：x=fx=f1 1（L,BL,B）y=fy=f2 2（L,BL,B）u式中：（式中：（L,BL,B）是椭球面上某一点的大地坐标；（）是椭球面上某一点的大地坐标；（x x，y y）是该点投影在投影平面上的直角坐标。）是该点投影在投影平面上的直角坐标。u北京北京5454和和19801980国家大地坐标系中的点的坐标，更多国家大地坐标系中的点的坐标，更多的是将其投影至的是将其投影至高斯高斯-克吕格投影平面克吕格投影平面，以平面，以平面x x、y y形式表示，用于测绘制作地形图。形式表示，用于测绘制作地形图。2.1 2.1 地理空间及其表达地理空间及其表达u地理信息系统中特征实体的位置，通常就是指经
8、过投地理信息系统中特征实体的位置，通常就是指经过投影变换后平面上的直角坐标。影变换后平面上的直角坐标。u高程高程指空间参考的高于或低于某基准平面的垂直位置，指空间参考的高于或低于某基准平面的垂直位置，主要用来提供地形信息。主要用来提供地形信息。u高程基准面即大地水准面高程基准面即大地水准面，是假设静止的平均海水面，是假设静止的平均海水面穿过大陆、岛屿形成包围整个地球的一个闭合曲面。穿过大陆、岛屿形成包围整个地球的一个闭合曲面。u我国现在规定的高程起算基准面为我国现在规定的高程起算基准面为“19851985国家高程基国家高程基准准”，该基准比原国务院批准启用的，该基准比原国务院批准启用的“黄海平
9、均海平黄海平均海平面面”高高29mm29mm。2.1 2.1 空间数据的相关概念空间数据的相关概念u研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考框架，研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考框架，还必须分析地理空间特征实体或地理空间信息的几何还必须分析地理空间特征实体或地理空间信息的几何形态和时空分布规律及其相互之间的关系。形态和时空分布规律及其相互之间的关系。u地理空间特征实体地理空间特征实体：指具有形状、属性和时序特征的：指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体，包括点、线、面、曲面和体，空间对象或地理实体，包括点、线、面、曲面和体，它们构成地球圈层间复杂的地理综合体，也是地理信它们构成
10、地球圈层间复杂的地理综合体，也是地理信息系统表示和建库的主要对象。息系统表示和建库的主要对象。u地理空间的特征实体包括地理空间的特征实体包括点点（pointpoint）、）、线线（lineline）、）、面面（polygonpolygon）、）、曲面曲面（surfacesurface）和）和体体（volumevolume）等）等多种类型。多种类型。u如何以有效的形式表达它们，关系到计算机识别、存如何以有效的形式表达它们，关系到计算机识别、存储、处理的可能性和有效性。储、处理的可能性和有效性。u在计算机中，现实世界是以在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式各种数字和字符形式来表来表达和记录的
11、，基于计算机的地理信息系统不能直接识达和记录的，基于计算机的地理信息系统不能直接识别和处理各种以图形形式表达的特征实体，要使计算别和处理各种以图形形式表达的特征实体，要使计算机能识别和处理它们，必须对这些特征实体进行数据机能识别和处理它们，必须对这些特征实体进行数据表达。表达。2.1 2.1 地理空间及其表达地理空间及其表达u当对特征实体进行数据表达时，关键又看如何表达空当对特征实体进行数据表达时，关键又看如何表达空间的一个点，因为点是构成地理空间特征实体的基本间的一个点，因为点是构成地理空间特征实体的基本元素。元素。u如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元如果采用一个没有大小的点（坐
12、标）来表达基本点元素时，称为素时，称为矢量表示法矢量表示法。u如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，称为元素时，称为栅格表示法栅格表示法。2.1 2.1 地理空间及其表达地理空间及其表达2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 空空间间数数据据是是GIS的的核核心心，也也有有人人称称它它是是GIS的的血血液液，因因为为GIS的的操操作作对对象象是是空空间间数数据据，因因此此设设计计和和使使用用GIS的的第第一一步步工工作作就就是是根根据据系系统统的的功功能能，获获取取所所需需要要的的空空间间数数据据，并创建空间数据库
13、。并创建空间数据库。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GIS的空间数据分类的空间数据分类GIS中中的的数数据据来来源源和和数数据据类类型型繁繁多多，概概括括起起来来主主要要有有以以下下几种类型：几种类型：（1）地地图图数数据据：来来源源于于各各种种类类型型的的普普通通地地图图和和专专题题地地图图，这这些些地地图图的的内内容容丰丰富富，图图上上实实体体间间的的空空间间关关系系直直观观，实实体体的类别或属性清晰，实测地形图还具有很高的精度。的类别或属性清晰，实测地形图还具有很高的精度。（2）影影像像数数据据：主主要要来来源源于于卫卫星星遥遥感感和和航航空空遥遥感感，包
14、包括括多多平平台台、多多层层面面、多多种种传传感感器器、多多时时相相、多多光光谱谱、多多角角度度和和多多种种分分辨辨率率的的遥遥感感影影像像数数据据，构构成成多多源源海海量量数数据据，也也是是GIS的最有效的数据源之一。的最有效的数据源之一。（3）地地形形数数据据：来来源源于于地地形形等等高高线线图图的的数数字字化化，已已建建立立的数字高程模型（的数字高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。）和其他实测的地形数据等。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GIS的空间数据分类的空间数据分类 （4）属属性性数数据据：来来源源于于各各种种调调查查报报告告、实实测测数数据据
15、、文文献献资料、解译信息等。资料、解译信息等。（5）元元数数据据：来来源源于于由由各各类类纯纯数数据据通通过过调调查查、推推理理、分分析析和和总总结结得得到到的的有有关关数数据据的的数数据据，例例如如数数据据来来源源、数数据据权权属属、数数据据产产生生的的时时间间、数数据据精精度度、数数据据分分辨辨率率、源源数数据据比比例尺、数据转换方法等。例尺、数据转换方法等。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GIS的空间数据分类的空间数据分类按按照照数数据据结结构构的的分分类类，GIS中中的的空空间间数数据据可可以以分分为为以以下下两两种类型：种类型：（1）矢矢量量数数据据：
16、矢矢量量数数据据是是用用欧欧氏氏空空间间的的点点、线线、面面等等几何元素来表达空间实体的几何特征的数据。几何元素来表达空间实体的几何特征的数据。（2）栅栅格格数数据据：栅栅格格数数据据是是将将空空间间分分割割成成有有规规则则的的网网格格，在在各各个个网网格格上上给给出出相相应应的的属属性性值值来来表表示示空空间间实实体体的的一一种种数数据组织形式。据组织形式。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GIS的空间数据分类的空间数据分类按按照照数数据据特特征征的的分分类类，GIS中中的的空空间间数数据据可可以以分分为为以以下下两两种类型：种类型：（1）空空间间定定位位数数据
17、据：是是表表达达空空间间实实体体在在地地球球上上位位置置的的坐坐标数据。标数据。（2）非非空空间间属属性性数数据据：是是有有关关空空间间实实体体自自身身的的名名称称、种种类、质量、数量等特征的数据。类、质量、数量等特征的数据。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GIS的空间数据分类的空间数据分类按按照照数数据据的的几几何何特特征征的的分分类类，GIS中中的的空空间间数数据据可可以以分分为为以以下下几种类型：几种类型：（1）点点：是是对对0维维的的空空间间实实体体的的抽抽象象数数据据，如如测测量量用用的的三三角角点点、电视塔等。电视塔等。（2）线线：是是对对1维维线线
18、性性的的空空间间实实体体的的抽抽象象数数据据，如如河河流流、道道路路等。等。（3）面面：是是对对2维维平平面面的的空空间间实实体体的的抽抽象象数数据据，如如湖湖泊泊、行行政政区等。区等。（4）曲曲面面：是是对对在在面面上上连连续续分分布布的的空空间间实实体体的的抽抽象象数数据据，常常被称为被称为2.5维数据，如地形、气温等。维数据，如地形、气温等。（5）体体：是是对对3维维的的空空间间实实体体的的抽抽象象数数据据，如如地地质质构构造造、矿矿产产等。等。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GIS的空间数据分类的空间数据分类按照数据发布形式，按照数据发布形式，GIS中的
19、空间数据可以分为中的空间数据可以分为4D数据：数据：（1）数数字字线线画画图图（DLG）数数据据：是是现现有有地地形形图图要要素素的的矢矢量量数数据据，保保存存各各要要素素的的空空间间关关系系和和相相关关的的属属性性信信息息，全全面面地地描描述述地地表表目目标。标。（2）数数字字栅栅格格图图（DRG）：是是现现有有纸纸质质地地图图经经计计算算机机处处理理后后得得到到的的栅栅格格数数据据文文件件。每每一一幅幅地地形形图图在在扫扫描描数数字字化化后后，经经几几何何纠纠正，并进行内容更新和数据压缩处理，即可以得到数字栅格图。正，并进行内容更新和数据压缩处理，即可以得到数字栅格图。（3）数数字字高高程
20、程模模型型（DEM）数数据据：是是数数字字形形式式表表达达的的地地形形起起伏伏数据。数据。（4）数数字字正正射射影影像像（DOM）数数据据：是是对对遥遥感感数数字字影影像像，经经逐逐像像元元进进行行投投影影差差进进行行改改正正、镶镶嵌嵌，按按国国家家基基本本比比例例尺尺地地形形图图图图幅范围剪裁生成的数字正射投影影像数据。幅范围剪裁生成的数字正射投影影像数据。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征二、空间数据的基本特征二、空间数据的基本特征空间数据或地理数据包括空间数据或地理数据包括空间特征数据空间特征数据和和属性特征数据属性特征数据空间特征数据空间特征数据包括地理实体或现象
21、的定位数据和拓扑数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据属属性性特特征征数数据据包包括括地地理理实实体体或或现现象象的的专专题题属属性性（名名称称、分分类、数量等）数据和时间数据。类、数量等）数据和时间数据。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征二、空间数据的基本特征二、空间数据的基本特征 空间数据所传递的基本信息为：空间数据所传递的基本信息为：定位信息：定位信息：属性信息：属性信息：拓扑信息：拓扑信息：以一幅交通图为例以一幅交通图为例(P44图图2-5）2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征三、空间数据的拓扑关系三、空间数据的拓扑关系在在地地理理信信息息
22、系系统统中中，对对于于凡凡具具有有网网状状结结构构特特征征的的地地理理要要素素，例例如如自自然然与与行行政政的的分分区区、各各种种资资源源类类型型的的空空间间分分布布以以及及交交通通网网等等，都都存存在在结结点点、弧弧段段和和多多边边形形之之间间的拓扑结构。的拓扑结构。拓拓扑扑关关系系是是明明确确定定义义空空间间结结构构关关系系的的一一种种数数学学方方法法，在在GIS中中，它它不不但但用用于于空空间间数数据据的的编编辑辑和和组组织织，而而且且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征二、空间数据的基本
23、特征二、空间数据的基本特征空间数据的拓扑关系包括：空间数据的拓扑关系包括：（1）拓拓扑扑邻邻接接：指指存存在在于于空空间间图图形形的的同同类类元元素素之之间间的的拓拓扑关系。扑关系。（2）拓拓扑扑关关联联：指指存存在在于于空空间间图图形形的的不不同同元元素素之之间间的的拓拓扑关系。扑关系。（3）拓拓扑扑包包含含：指指存存在在于于空空间间图图形形的的同同类类，但但不不同同级级的的元元素素之之间间的的拓拓扑扑关关系系。包包含含关关系系分分简简单单包包含含、多多层层包包含含和和等价包含三种形式。等价包含三种形式。（P45，图，图2-7）2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征三、空间
24、数据的拓扑关系三、空间数据的拓扑关系空空间间数数据据的的拓拓扑扑关关系系，对对地地理理信信息息系系统统的的数数据据处处理理和和空空间间分分析析，具具有重要的意义，因为：有重要的意义，因为：（1）根根据据拓拓扑扑关关系系，不不需需要要利利用用坐坐标标或或距距离离，可可以以确确定定一一种种地地理理实实体体相相对对于于另另一一种种地地理理实实体体的的空空间间位位置置关关系系。因因为为拓拓扑扑数数据据已已经经清清楚楚地地反反映映出出地地理理实实体体之之间间的的逻逻辑辑结结构构关关系系，而而且且这这种种拓拓扑扑结结构构较较之之几几何数据有更大的稳定性，即它不随地图变换而变化。何数据有更大的稳定性，即它不
25、随地图变换而变化。（2）利利用用拓拓扑扑数数据据有有利利于于空空间间要要素素的的查查询询。例例如如：某某区区域域与与哪哪些些区区域域邻邻接接；某某条条河河流流能能为为哪哪些些政政区区的的居居民民提提供供水水源源；与与某某一一湖湖泊泊邻邻接接的的土土地地利利用用类类型型有有哪哪些些；特特别别是是野野生生生生物物学学家家可可能能想想确确定定一一块块与与湖湖泊泊相相邻邻的的土土地地覆覆盖盖区区，用用于于对对生生物物栖栖息息环环境境作作出出评评价价等等等等，都都需需要要利用拓扑数据。利用拓扑数据。（3）可可以以利利用用拓拓扑扑数数据据作作为为工工具具，重重建建地地理理实实体体。例例如如：建建立立封封闭
26、闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等等。多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等等。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示四、空间数据的计算机表示表表示示地地理理实实体体的的空空间间数数据据包包含含着着空空间间特特征征和和属属性性特特征征，对对具具有有这这些些复复杂杂特特征征的的空空间间数数据据，如如何何组组织织和和建建立立它它们们之之间间的联系，以便计算机存储和操作，这称为的联系，以便计算机存储和操作，这称为数据结构数据结构。GIS中中空空间间数数据据计计算算机机表表示示的的基基本本方方法法是是：（1）空空间间分分幅幅：即即将将整整个个
27、地地理理空空间间划划分分为为许许多多子子空空间间，再再选选择择要要表表达达的的子子空空间间；（2）属属性性分分层层：即即将将要要表表达达的的空空间间数数据据抽抽象象成成不不同同类类型型属属性性的的数数据据层层来来表表示示；（3）时时间间分分段段：将将有有时时间间特特征征的的地地理理数数据据按按其其变变化化规规律律分分为为不不同同的的时时间间段段数数据据，再再逐一表示。逐一表示。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示四、空间数据的计算机表示 以以ARC/INFO基基于于矢矢量量数数据据模模型型的的系系统统为为例例，为为了了将将空空间间数据存入计算机，数据
28、存入计算机，首先，首先，按照空间位置将整个区域划分为若干个幅面；按照空间位置将整个区域划分为若干个幅面；其其次次，从从逻逻辑辑上上将将空空间间数数据据抽抽象象为为不不同同的的专专题题或或层层，如如土土地地利利用用、地地形形、道道路路、居居民民区区、土土壤壤单单元元、森森林林分分布布等等，一一个个专专题题层层包包含含指指定定区区域域内内地地理理要要读读的的位位置置数数据据和和属属性性数数据；据；2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示四、空间数据的计算机表示然然后后，将将一一个个专专题题层层的的地地理理要要素素或或实实体体分分解解为为点点、线线或或面面状状
29、目目标标，其其中中地地理理实实体体相相邻邻两两个个结结点点间间的的一一个个弧弧段段是是基基本本的的存存储储目目标标，每每个个目目标标的的数数据据由由定定位位数数据据、属属性性数数据据和和拓拓扑数据组成；扑数据组成；最最后后，对对目目标标进进行行数数字字表表示示，其其中中对对每每个个弧弧段段或或目目标标分分配配一一个个用用户户标标识识码码，弧弧段段的的位位置置和和形形状状由由一一系系列列x、y坐坐标标定定义义，弧弧段段的的拓拓扑扑关关系系由由始始结结点点、终终结结点点、左左多多边边形形和和右右多多边边形形四四个个数数据据项项组组成成，弧弧段段的的属属性性数数据据存存储储在在相相应应的的属属性性表
30、表中中。每每个个弧弧段段的的空空间间特特征征和和属属性性特特征征通通过过用用户户标标识识码码进进行联接。行联接。2.2 2.2 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示四、空间数据的计算机表示空空间间数数据据的的这这种种表表示示方方法法，是是以以地地理理实实体体相相邻邻两两个个结结点点间间的的一一个个弧弧段段作作为为基基本本存存储储目目标标，每每个个弧弧段段都都是是一一个个有有向向弧弧段段，这这些些有有向向弧弧段段的的集集合合就就构构成成一一类类真真实实的的实实体体或或现现象象。计计算算机机存存储储了了这些有向弧段，因此也就存储了现实世界的地理实体和图形。这些有向弧段，
31、因此也就存储了现实世界的地理实体和图形。当当对对存存储储的的目目标标或或数数据据库库进进行行GIS操操作作或或分分析析时时，同同一一层层数数据据可可以以按按类类型型提提取取，重重要要地地理理实实体体如如县县以以上上境境界界、县县以以上上境境界界、县县以以上上居居民民地地、主主要要河河流流、主主要要交交通通线线等等可可以以按按实实体体提提取取。同同一一图图幅幅的的不不同同图图层层的的数数据据可可以以相相互互叠叠合合，相相邻邻图图幅幅的的各各层层数数据据可以拼接和裁切等等。可以拼接和裁切等等。2.32.3空间数据结构的类型空间数据结构的类型数数据据结结构构即即数数据据组组织织的的形形式式，是是适适
32、合合于于计计算算机机存存储储、管管理理、处处理理的数据逻辑表达。的数据逻辑表达。空间数据结构是一种用来表达空间数据的数据结构。空间数据结构是一种用来表达空间数据的数据结构。数数据据结结构构一一般般分分为为基基于于矢矢量量模模型型的的数数据据结结构构和和栅栅格格模模型型的的数数据据结结构。构。矢矢量量数数据据是是面面向向地地物物的的结结构构，即即对对于于每每一一个个具具体体的的目目标标都都直直接接赋赋有有位位置置和和属属性性信信息息以以及及目目标标之之间间的的拓拓扑扑关关系系说说明明。但但是是矢矢量量数数据据仅仅有有一一些些离离散散点点的的坐坐标标，在在空空间间表表达达方方面面它它没没有有直直接
33、接建建立立位位置置与与地地物物的的关关系系，如如多多边边形形的的中中间间区区域域是是“洞洞”或或“岛岛”，其其间间的的任任何一点并没有与某个地物发生联系。何一点并没有与某个地物发生联系。栅栅格格数数据据是是面面向向位位置置的的结结构构，平平面面空空间间上上的的任任何何一一点点都都直直接接联联系系到到某某一一个个或或某某一一类类地地物物。但但对对于于某某一一个个具具体体的的目目标标又又没没有有直直接接聚聚集集所所有有信信息息，只只能能通通过过遍遍历历栅栅格格矩矩阵阵逐逐一一寻寻找找，它它也也不不能能完完整整地地建立地物之间的拓扑关系。建立地物之间的拓扑关系。2.32.3空间数据结构的类型空间数据
34、结构的类型一、矢量数据结构一、矢量数据结构基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。矢矢量量数数据据结结构构是是利利用用欧欧几几里里得得（Euclid）几几何何学学中中的的点点、线线、面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。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。矢矢量量数数据据结结构构分分为为以以下下几几种种主主要要类类型型：简简单单数数据据结结构构、拓拓扑扑数数据结构、曲面数据结构据结构、曲面数据结构1.1.简单数据结构简单数据结构简单数据结构，又称之为实体式数据简单数据结构，又称之为实体式数据结构。结构。在简单数据结构
35、中，空间数据按照以在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线或多边形）基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条系数据，最典型的是面条（SpaghettiSpaghetti）结构。）结构。特点特点：（1 1）数据按点、线或多边形）数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单；（字化操作简单；（2 2）每个多边形都）每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据被数字化两次和存储两次，造成数据冗余
36、和不一致；（冗余和不一致；（3 3）点、线或多边）点、线或多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联；（据，互相之间不关联；（4 4）岛只作）岛只作为一个单一图形，没有与外界为一个单一图形，没有与外界多边形多边形的联系。的联系。2.2.拓扑数据结构拓扑数据结构拓扑数据结构包括拓扑数据结构包括DIMEDIME（对偶独立地图编码法）、（对偶独立地图编码法）、POLYVRTPOLYVRT（多边形转换器）、（多边形转换器）、TIGERTIGER（地理编码和参照系统（地理编码和参照系统的拓扑集成）等。的拓扑集成）等。特点特点：（：（1 1）数据没有冗余，存储效
37、率高；（）数据没有冗余，存储效率高；（2 2）所有的领）所有的领域关系都能实现；（域关系都能实现；（3 3）岛与多边形的层次关系不受限制；）岛与多边形的层次关系不受限制；（4 4）后续的查询检索和查询处理效率高。）后续的查询检索和查询处理效率高。点是相互独立的，点连成线，线构成面。点是相互独立的，点连成线，线构成面。每条线起始于起始节点（每条线起始于起始节点（FNFN），止于终止结点（），止于终止结点（TNTN），并），并与左右多边形（与左右多边形（LPLP和和RPRP）相邻接。）相邻接。构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的弧段相交构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的弧段相交的点称
38、为结点，由一条弧段组成的多边形为岛，多边形图的点称为结点，由一条弧段组成的多边形为岛，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域；含中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域；含岛区的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。岛区的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。如何建立拓扑数据结构：如何建立拓扑数据结构：弧段或链段是数据组织的基本对象。弧段或链段是数据组织的基本对象。1.1.弧段文件：由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标弧段文件：由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、识码、FNFN、TNTN、LPLP和和RPRP。2.2.结点文件：由结点记录组成，包括每个结点的结点
39、号、结点文件：由结点记录组成，包括每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。3.3.多边形文件：由多边形记录组成，包括多边形标识码、多边形文件：由多边形记录组成，包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。4.4.弧段坐标文件：弧段号与坐标串。弧段坐标文件：弧段号与坐标串。2.2.拓扑数据结构拓扑数据结构拓扑关系图示意义意义:拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能。这种拓扑编辑功能，不但保证数字化拓扑编辑功能。这种拓扑编辑功能，不但保证
40、数字化原始数据的自动查错编辑，而且可以自动形成封闭的原始数据的自动查错编辑，而且可以自动形成封闭的多边形边界，为由各个单独存储的弧段组成所需要的多边形边界，为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。各类多边形及建立空间数据库奠定基础。拓扑编辑功能包括多边形连接编辑和结点连接编辑。拓扑编辑功能包括多边形连接编辑和结点连接编辑。前者指顺序连接组成封闭多边形一组线段的编辑，后前者指顺序连接组成封闭多边形一组线段的编辑，后者指顺序连接环绕某个结点所有多边形的编辑。具体者指顺序连接环绕某个结点所有多边形的编辑。具体的编辑算法如下：（的编辑算法如下：（1 1）多边形连接编辑；（
41、）多边形连接编辑；（2 2）结点）结点连接编辑。连接编辑。2.2.拓扑数据结构拓扑数据结构3.3.曲面数据结构曲面数据结构曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度、磁场等。表示和存储这些要要素有地形、降水量、温度、磁场等。表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算，素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算，因此经常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表因此经常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，称为面，称为TIN（Triangulated Irregular Netw
42、ork）数据结）数据结构。构。这种基于这种基于TIN的曲面数据结构，通常用于数字地形的表示，的曲面数据结构，通常用于数字地形的表示，或者按照曲面要素的实测点分布，将它们连成三角网，三或者按照曲面要素的实测点分布，将它们连成三角网，三角网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最角网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最邻近的点构成的三角形，即三角形的边长之和最小。在所邻近的点构成的三角形，即三角形的边长之和最小。在所有可能的三角网中，狄洛尼（有可能的三角网中，狄洛尼（Delaunay）三角网在地形拟）三角网在地形拟合方面表现最为出色，因此常被用于合方面表现最为出色，因此常被用于TI
43、N的生成。的生成。狄洛尼（狄洛尼（Delaunay）三角网由三个最邻近的点连接而成，）三角网由三个最邻近的点连接而成，矢量数据的获取方式主要有以下几种矢量数据的获取方式主要有以下几种利用各种定位仪器设备：如利用各种定位仪器设备：如GPSGPS、平板测图仪等成为野外、平板测图仪等成为野外实地测量地图数据的重要工具；实地测量地图数据的重要工具；通过纸质地图数字化得到：通常的数字化方式有手扶跟踪通过纸质地图数字化得到：通常的数字化方式有手扶跟踪数字化仪和扫描矢量化两种方式；数字化仪和扫描矢量化两种方式；间接获取：可以通过栅格数据转换而来，这种方法在利用间接获取：可以通过栅格数据转换而来，这种方法在利
44、用遥感数据动态更新地理信息系统数据库时尤为有用（栅格遥感数据动态更新地理信息系统数据库时尤为有用（栅格转化）。此外，矢量数据还可以利用已有的数据通过模型转化）。此外，矢量数据还可以利用已有的数据通过模型运算得到（空间分析），如叠置分析、缓冲区分析等，空运算得到（空间分析），如叠置分析、缓冲区分析等，空间模型运算都可以生成新的矢量数据。间模型运算都可以生成新的矢量数据。矢量拓扑结构的建立1 1、对所有边界线进行分类，通过自相交或两两相交使各边界线、对所有边界线进行分类，通过自相交或两两相交使各边界线都分割成两结点之间的具有单一拓扑性质弧段，建立连接指针，都分割成两结点之间的具有单一拓扑性质弧段，
45、建立连接指针，构成图形外边界构成图形外边界2 2、检查该外边界构成的多边形是否闭合，即应保证连接指针的、检查该外边界构成的多边形是否闭合，即应保证连接指针的正确；正确；3 3、从外边界连接各弧段构成各内多边形，并给以顺序编号；、从外边界连接各弧段构成各内多边形，并给以顺序编号；4 4、按梯形规则计算各多边形面积，作为附加属性记录；、按梯形规则计算各多边形面积，作为附加属性记录；5 5、向建立的多边形连接其属性数据，建立与属性库的联系。、向建立的多边形连接其属性数据，建立与属性库的联系。2.32.3空间数据结构的类型空间数据结构的类型二、栅格数据结构二、栅格数据结构基于栅格模型的数据结构简称为栅
46、格数据结构。基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构。栅栅格格数数据据结结构构指指将将分分析析空空间间划划分分成成多多个个规规则则的的、互互相相相相邻邻的的网网格格单单元元（多多为为矩矩形形区区域域,也也偶偶有有表表示示为为三三角角形形或或六六边边形形的的），然然后后给给各各个个格格网网单单元元赋赋以以相相应应空空间间对对象象的的属属性性值值，用用这这多多个个格格网网单单元元组组成成的的规规则则格格网网（GRIDGRID）来来表表示示地地理理现现象象的的空空间间位位置置和和属性特征。属性特征。2.32.3空间数据结构的类型空间数据结构的类型二、栅格数据结构二、栅格数据结构栅栅格格单单元元：单单
47、元元格格的的大大小小表表示示栅栅格格数数据据的的分分辨辨率率，单单元元格格尺尺寸寸越小，分辨率越高。越小，分辨率越高。u应应有有效效地地逼逼近近空空间间对对象象的的分分布布特特征征，以以保保证证空空间间数数据据的的精精度度。显显然然，凡凡是是用用来来逼逼近近的的空空间间实实体体，不不论论采采用用的的栅栅格格多多细细，与与原原来来实实体体比比较较，信信息息都都会会丢丢失失，这这是是由由于于采采用用统统一一的的格格网网尺尺寸寸来来表表示示大大小小不不同同的的复复杂杂实实体体所所造造成成的的。但但是是可可以以根根据据最最小小地地物物的的大大小小来来确确定定栅栅格格的的尺尺寸寸，假假定定某某个个地地物
48、物的的面面积积为为A Ai i，则则栅栅格格的的边长为：边长为：uH=1/2(minAH=1/2(minAi i)1/21/2ui=1,2,3.n(i=1,2,3.n(区域多边形数区域多边形数)。1 1、栅格单元的取值、栅格单元的取值u规则的网格单元叫做规则的网格单元叫做单元格单元格(Cell)(Cell)，每个单元格都有一，每个单元格都有一定的尺寸和取值，尺寸对应一定的地理空间范围，取值定的尺寸和取值，尺寸对应一定的地理空间范围，取值可能表示不同的地物类别或同一类地物的不同属性；可能表示不同的地物类别或同一类地物的不同属性；栅格取值可能表示栅格取值可能表示某一类地物，如房产图；某一类地物，如
49、房产图；颜色或灰度，如航空相片；颜色或灰度，如航空相片；某个相对值，如数字地面模型。某个相对值，如数字地面模型。u栅格取值的数据类型：栅格取值的数据类型：整型：多表示类型整型：多表示类型浮点型：表示连续变化的地理现象浮点型：表示连续变化的地理现象字符：表示类型字符：表示类型逻辑型逻辑型2.2.栅格数据模型的坐标系统栅格数据模型的坐标系统栅格数据模型的坐标系统栅格数据模型的坐标系统：坐标系统由单元格尺寸、行：坐标系统由单元格尺寸、行列序号和栅格的原点坐标所决定，坐标轴平行于栅格的列序号和栅格的原点坐标所决定，坐标轴平行于栅格的行和列；行和列；栅栅格格系系统统的的原原点点：栅栅格格系系统统的的原原
50、点点通通常常选选为为栅栅格格的的左左上上角角；栅栅格格系系统统的的原原点点坐坐标标应应与与国国家家基基本本比比例例尺尺公公里里网网的的交点相一致。交点相一致。栅栅格格方方位位：大大多多采采用用公公里里网网的的纵纵横横坐坐标标轴轴作作为为栅栅格格系系统统的的纵纵横横坐坐标标；但但也也有有以以经经纬纬网网来来作作为为栅栅格格方方位位的的参参考考轴轴，这样为栅格系统的隐含位置编码提供了方便。这样为栅格系统的隐含位置编码提供了方便。3.3.栅格数据表示地理现象的方法栅格数据表示地理现象的方法(1)(1)（1 1）表示点表示点：点使用离散分布的单个单元格来表示，单：点使用离散分布的单个单元格来表示，单元