第2章地理信息系统的数据结构教学目的：认识地理空间的表达，掌握地理空间数据的结构和特征教学内容：第节地理空间及其表达第2节地理空间数据及其特征第3节空空间数据结构的类型第4节空间数据结构的建立重点和难点：空间数据结构的类型；空间数据结构的建立教学手段讲授法第1节地理空间及其表达一、地理空间的概念1、概念：地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”（Geo-spatial）来表述，一般包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。2、坐标：目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，该坐标系选用1975年国际大地测量协会推荐的国际椭球（固2一1），其具体参数为：赤道半径a)=6378140.0000000000m极半径(b)=6356755.2881575287m地球扁率（f）=a-b/a=1/298.257根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存：一是1954年北京坐标系（局部平差）；二是1980年国家大地坐标系（整体平差）；三是地心坐标系
第 2 章 地理信息系统的数据结构 教学目的： 认识地理空间的表达，掌握地理空间数据的结构和特征 教学内容： 第 1 节 地理空间及其表达 第 2 节 地理空间数据及其特征 第 3 节 空间数据结构的类型 第 4 节 空间数据结构的建立 重点和难点： 空间数据结构的类型；空间数据结构的建立 教学手段: 讲授法 第 1 节 地理空间及其表达 一、地理空间的概念 1、概念：地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”(Geo-spatial)来表 述，一般包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。地理空间定位框架即大 地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。 2、坐标：目前，我国采用的大地坐标系为 1980 年中国国家大地坐标系，该 坐标系选 用 1975 年国际大地测量协会推荐的国际椭球(固 2—1)，其具体参数为： 赤道半径(a)＝6378140.O00 000 000 0m 极半径(b)=6356755．288 157 528 7m 地球扁率(f)＝a-b/a=1/298.257 根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存：一是 1954 年北京坐标系(局 部平差）；二是 1980 年国家大地坐标系（整体平差）；三是地心坐标系
二、空间实体的表达l、地理空间的特征实体包括点（point）、线（line）、面（polygon）、曲面（surface）和体（volume）等多种类型。2、采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素时，称为失量表示法3、采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，称为栅格表示法。第2节地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据GIS中的饿数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型：1、地图数据。来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的类别和属性清晰，实测地形图还具有很高的精度。2、影像数据。主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影象数据，构成多源海量数据，也是GIS的最有效的数据源之一。3、地形数据。来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。4、属性数据。来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等c5、元数据。来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型：1、类型数据。例如考古地点、道路线、土壤类型的分布等。2、面域数据。例如随机多边形的中心点，行政区域界线、行政单元等。3、网络数据。例如道路交点、街道、街区等04、样本数据。例如气象站、航线、野外样方分布区等。5、曲面数据‘，例如高程点、等高线、等值区域等，6、文本数据。例如地名、河流名称、区域名称等
二、空间实体的表达 1、地理空间的特征实体包括点（point）、线（line）、面（polygon）、曲面 （surface）和体（volume）等多种类型。 2、采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素时，称为矢量表示法 3、采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，称为栅格表示 法。 第 2 节 地理空间数据及其特征 一、GIS 的空间数据 GIS 中的饿数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型： 1、地图数据。来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富， 图上实体间的空间关系直观，实体的类别和属性清晰，实测地形图还具有很 高的精度。 2、影像数据。主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传 感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影象数据，构成多源海 量数据，也是 GIS 的最有效的数据源之一。 3、地形数据。来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型（DEM）和 其他实测的地形数据等。 4、属性数据。来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等 c 5、元数据。来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据 的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨 率、源数据比例尺、数据转换方法等。 空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型： 1、类型数据。例如考古地点、道路线、土壤类型的分布等。 2、面域数据。例如随机多边形的中心点，行政区域界线、行政单元等。 3、网络数据。例如道路交点、街道、街区等 o 4、样本数据。例如气象站、航线、野外样方分布区等。 5、曲面数据‘，例如高程点、等高线、等值区域等。 6、文本数据。例如地名、河流名称、区域名称等
7、符号数据。例如点状符号、线状符号、面状符号等。二、空间数据的基本特征1、特征（1）三条呈不同分布状态的交通线（2）三条分别具有不同等级的交通线。（3）三条互相具有关联关系的交通线。空间特征数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据，属性特征数据包括地理实体或现象的专题是属性（名称、分类、数量等）数据和时间数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据或地理数据。因此，空间数据的特征可以概括为空间特征和属性特征。2、拓扑结构（1）概念：拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在地理信息系统中，它不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。（2）种类：a.拓扑邻接：指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。b.拓扑关联。指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。C.拓扑包含。指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。（3）拓扑关系的意义：a.根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，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。b.利用拓扑数据有利于空间要素的查询c.可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。第3节空间数据结构的类型数据结构一般可分为：基于失量模型的数据结构基于栅格模型的数据结构失量栅格一体化的数据结构
7、符号数据。例如点状符号、线状符号、面状符号等。 二、空间数据的基本特征 1、特征 （1）三条呈不同分布状态的交通线。 （2）三条分别具有不同等级的交通线。 （3）三条互相具有关联关系的交通线。 空间特征数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据，属性特征数据包括地 理实体或现象的专题是属性（名称、分类、数量等）数据和时间数据，而空间特 征数据和属性特征数据统称为空间数据或地理数据。因此，空间数据的特征可以 概括为空间特征和属性特征。 2、拓扑结构 （1）概念：拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在地理信息系 统中，它不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常 重要的意义。 （2）种类： a.拓扑邻接：指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。 b.拓扑关联。指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。 C．拓扑包含。指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。 （3）拓扑关系的意义： a.根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，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。 b.利用拓扑数据有利于空间要素的查询 c.可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 第 3 节 空间数据结构的类型 数据结构一般可分为： 基于矢量模型的数据结构 基于栅格模型的数据结构 矢量栅格一体化的数据结构
一、矢量数据结构1、定义：基于量模型的数据结构简称为矢量数据结构。2、类型：（1）简单数据结构在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最单性的是面条结构。这类数据结构的主要特点是：a、数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。b、每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据完余和不一致。C、点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据：互相之间不关联，d、岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。（2）拓扑数据结构拓扑数据结构包括D1ME（对偶独立地图编码法）、POLYVRT（多边形转换器）、TIGER（地理编码和参照系统的拓扑集成）等。它们共同的特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面。每条线始于起始结点（FN），止子终止结点（TN)，并与左右多边形（LP和RP）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的点称为结点，由一条弧段组成的多边形称为岛，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；含岛区的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。在复连通区域中．包括有外边界和内边界岛区多边形看作是复连通区域的内边界，复连通区域的内边界多边形对应的区域含有平面上的无穷远点。在这种数据结构中，弧段或链段是数据组织的基本对象。弧段文件由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、FN、TN、LP和RP。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。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。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，不但保证数字化原始数据的自动查错编辑，而且可以自动形成封团的多边形
一、矢量数据结构 1、定义：基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。 2、类型: （1）简单数据结构 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）为单元 进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最单性的是面条结构。 这类数据结构的主要特点是： a、数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。 b、每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次， 造成数据冗余和不一致。 c、点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据．互相之间不关联。 d、岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。 （2）拓扑数据结构 拓扑数据结构包括 D1ME(对偶独立地图编码法)、POLYVRT(多边形转换器)、 TIGER(地理编码和参照系统的拓扑集成)等。它们共同的特点是：点是相互独立 的，点连成线，线构成面。每条线始于起始结点(FN)，止子终止结点(TN),并与 左右多边形(LP 和 RP)相邻接。构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的 弧段相交的点称为结点，由一条弧段组成的多边形称为岛，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；含岛区的多边形称为复合多边形，表 示复连通区域。在复连通区域中．包括有外边界和内边界．岛区多边形看作是复 连通区域的内边界，复连通区域的内边界多边形对应的区域含有平面上的无穷远 点。 在这种数据结构中，弧段或链段是数据组织的基本对象。弧段文件由弧段 记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、FN、TN、LP 和 RP。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。 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。 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各类多边形及建立空间数据库奠定基础。（3）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，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TIN。二、栅格数据结构1、定义：基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，指将空间分割成有规则的网格，在各个网格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。1、类型（1）栅格矩阵结构栅格矩阵结构是指一种全栅格阵列的空间数据组织形式（2）游程编码结构游程是指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的允余。（3）四叉树数据结构将空间区域按照四个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止。（4）八叉树和十六叉树结构八叉树结构是从四叉树结构直接发展而来的，其原理就是将空间区域不断地分解成八个同样大小的子区域。三、矢量与栅格一体化数据结构1、基本概念：新一代集成化的地理信息系统，要求能够统一管理图形数据、属性数据、影象数据和数字高程模型（DEM）数据，称为四库合一。既保持厂失量特性，又具有栅格的性质，就能将失量与栅格统一起来，这就是矢量与栅格一体化数据结构的基本概念
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。 （3）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，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 TIN。 二、栅格数据结构 1、定义：基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，指将空间分割成 有规则的网格，在各个网格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。 1、类型 （1）栅格矩阵结构 栅格矩阵结构是指一种全栅格阵列的空间数据组织形式 （2）游程编码结构 游程是指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并 记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消除数据间 的冗余。 （3）四叉树数据结构 将空间区域按照四个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止。 （4）八叉树和十六叉树结构 八叉树结构是从四叉树结构直接发展而来的，其原理就是将空间区域不断地 分解成八个同样大小的子区域。 三、矢量与栅格一体化数据结构 1、基本概念：新一代集成化的地理信息系统，要求能够统一管理图形数据、 属性数据、影象数据和数字高程模型(DEM)数据，称为四库合一。既保持 了矢量特性，又具有栅格的性质，就能将矢量与栅格统一起来，这就是 矢量与栅格一体化数据结构的基本概念