4空间数据结构剖析

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1、第四章 空间数据结构,城乡规划与园林学院,数据结构(Data structure)即数据组织的形式，是适合于计算机存贮、管理和处理的数据逻辑结构。 对空间数据逻辑模型描述的数据组织关系和编排方式 对空间数据的空间排列方式和相互关系的抽象描述。,Contents,城市与环境学院,4.1 矢量数据结构,对矢量数据模型进行数据的组织，通过记录取样点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 矢量结构的显著特点是：“定位明显，属性隐含” 矢量数据结构类型： 实体数据结构 拓扑数据结构,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

2、 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,存储方法,矢量数据结构中，传统的方法是几何图形及其关系用文件方式组织，而属性数据通常采用关系型表文件记录，两者通过实体标识符连接。由于这一特点使得在某些方面有便利和独到之处，例如在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，有很高的效率和精度。,4.1 矢量数据结构,矢量数据结构编码的基本内容

3、点实体 由单独一对x，y坐标定位的一切地理或制图实体。 在GIS中点有几种类型。线的起点、终点、交点（三条以上坐标链的交汇点）、面的首尾点我们称之为结点（node），而线的中间部分称为中间点（角点vertex）。 实体点(Entity point)：用来代表一个实体； 注记点(Text point)：用于定位注记； 内点(Label point)：用于记录多边形的属性，存在于多边形内； 结点(Node)：表示线的终点和起点、交点； 中间点(角点，Vertex)：表示线段和弧段的内部点。,4.1 矢量数据结构,点实体,唯一标识符（ID）,空间坐标,有关属性,其它属性,点实体的矢量数据结构,4.1

4、 矢量数据结构,线实体 可以定义为直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对以上的x，y坐标定义。最简单的线实体只存储它的起止点坐标、属性、显示符等有关数据。 线有方向，两个结点之间的线又叫弧段（arc）。弧段特征可用来定位和描述两点之间连线的地理信息。,4.1 矢量数据结构,线实体,唯一标识符（ID),线标识符,起始点坐标,坐标对序列,显示信息,非几何属性,其中唯一标识是系统排列序号： 线标识码可以标识线的类型； 起始点和终止点可以用点号或直接用坐标表示； 显示信息是显示线的文本或符号等； 与线相联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。,4.1 矢量数据结构,

5、面实体 面状地理实体的表示，由一个封闭的坐标点序列外加内点表示。但多边形矢量编码，不但要标识位置和属性，更重要的是表达拓扑特征,如形状、邻域和层次结构等。 多边形由一条或一条以上首尾相连的弧段组成。一个弧段总是被两个而且只被两个多边形所共有。 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。,4.1 矢量数据结构,在多边形数据结构编码的时候，提出如下的要求： (1)组成地图的每个多边形应有唯一的形状、周长和面积。它们不象栅格结构那样具有简单而标准的基本单元。 (2)地理分析要求的数据结构应能够记录每个多边形的邻域关系。 (3)专题地图上的多边形并不都是同一等级的多边形，而可能是多边

6、形内嵌套小的多边形(次一级)。例如，湖泊的水涯线在土地利用图上可算是个岛状多边形，而湖中的岛屿为“岛中之岛”。这种所谓“岛”或“洞”的结构是多边形关系中较难处理的问题。,4.1 矢量数据结构,矢量数据结构的编码方法 实体数据结构 拓扑数据结构 索引结构 双重独立编码结构 链状双重独立编码结构,4.1 矢量数据结构,实体数据结构 实体式数据结构是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。按照这种数据结构，边界坐标数据和多边形单元实体一一对应，各个多边形边界都单独编码和数字化。 无拓扑关系的矢量模型。数据按照点、线、多边形为单元进行组织。 是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行

7、组织。 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 这种数据结构具有编码容易，数字化操作简单和数据编排直观等优点 相邻公共边界要数字化两遍，存在数据冗余，可能导致输出的公共边界出现间隙或重叠 缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系 岛只作为一个单个图形，没有建立与多边形的外界联系，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,4.1 矢量数据结构,多边形数据文件,按着这种数据结构，边界坐标数据和多边形单元实体一一对应，各个多边形边界点都单独编码并记录坐标。,点坐标

8、文件,多边形文件,4.1 矢量数据结构,实体数据结构 优缺点明显 优点： 编辑容易；操作简单；编排直观 缺点 公共边界重复记录，造成数据冗余，且易造成公共边界出现间隙或重叠。 缺少图形拓扑信息（多边形的邻域信息） “岛”的问题,拓扑数据结构是GIS分析和应用功能所必需的。 拓扑数据结构没有固定的格式，还没有形成标准，但基本原理相同的。 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，止于终止结点，并与左右多边形相邻接。 拓扑数据结构最重要的特征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差错编辑，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

9、段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。 拓扑数据结构包括索引式、双重独立编码结构、链状双重独立编码结构等。,4.1 矢量数据结构拓扑数据结构,4.1 矢量数据结构,拓扑数据结构 索引结构 采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。 树状索引结构消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合并多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到。 解决了公共边界问题，带来了编码表的工作量大的问题（人工

10、方式）,4.1 矢量数据结构,多边形与线之间的索引,线与点之间的索引,4.1 矢量数据结构,拓扑数据结构 双重独立编码结构 由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，简称为DIME(Dual lndependent Map Encoding)系统或双重独立式的地图编码法。 它以城市街道为编码的主体。其特点是采用了拓扑编码结构。 双重独立编码结构是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用顺序的两点定义以及相邻多边形来予以定义。,4.1 矢量数据结构,多边形原始数据,双重独立式（DIME）编码的文件结构,自动生成的多边形A的线及结点,4.1 矢量数据结构,链状双重独立编码结构 DIME数据结构

11、的一种改进 ，DIME中一条边只能用直线两端点的序号（没有中间点）及相邻的多边形来表示，而在链状数据结构中，将若干个直线合为一个弧段（Arc),每个弧段可以有许多中间点。 “洞”：其组成弧段号前加负号 Coverage数据模型采用该数据结构,4.1 矢量数据结构,链状双重独立编码结构 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。 多边形文件主要由多边形记录组成，包括多边形号、组成多边形的弧段号以及周长、面积、中心点坐标及有关“洞”的信息等，多边形文件也可以通过软件自动检索各有关弧段生成，并同时计算出多边形的周长和面积以及中心点的坐标，当多边形中含有“洞”时则此“洞”的面积为负

12、，并在总面积中减去，其组成的弧段号前也冠以负号； 弧段文件主要有弧记录组成，存储弧段的起止结点号和弧段左右多边形号； 弧段坐标文件由一系列点的位置坐标组成，一般从数字化过程获取，数字化的顺序确定了这条链段的方向。 结点文件由结点记录组成，存储每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段。 结点文件一般通过软件自动生成，因为在数字化的过程中，由于数字化操作的误差，各弧段在同一结点处的坐标不可能完全一致，需要进行匹配处理。当其偏差在允许范围内时，可取同名结点的坐标平均值。如果偏差过大，则弧段需要重新数字化。,表4：点坐标文件,表3：弧段点文件,表2：弧段文件,表1：多边形文件,矢量数据结构的属性

13、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。,练习,4.2 栅格数据结构,4.2 栅格数据结构,栅格数据组织,本节主要内容,完全栅格编码 游程长度编码 四叉树编码 块状编码 链式编码,4.2 栅格数据结构,栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构(raster或grid cell)或象元结构(pixel)，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素,由行、列号定义，并包含一个代码

14、,表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。,4.2 栅格数据结构,栅格结构是以规则阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。 点用一个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。,4.2 栅格数据结构,栅格结构的显著特点是：“属性明显，定位隐含”，即数据直接记录属性的指针或属性本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标给出。 优点：具有数据结构简单、数据模拟方便。 缺点：数据量大、难

15、以建立实体间的拓扑关系。通过改变分辨率减少数据量时精度和信息量同时受损。,A、栅格形状 B、栅格单元大小：栅格单元的合理尺寸应能效地逼近空间对象的分布特征，以保证空间数据的精度。 格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。 C、栅格原点：栅格系统的起始坐标应当和国家基本比例尺地形图公里网的交点一致。,栅格数据的坐标系及参数描述,4.2 栅格数据结构,当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。 1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。 3、 重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要的属性

16、值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。 4、百分比法 根据矩形区域各地理要素所占面积的百分比数确定栅格代码。,4.2 栅格数据结构,4.2 栅格数据结构,完全栅格数据结构 将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,5,5 A,A,B,B,B A,C,C,C,A D,C,C,A,A D,D,C,A,A D,D,A,A,A,4.2 栅格数据结构,完全栅格数据结构 无压缩 三种基本组织方式： 基于像元 基于层 基于面域,方法a：以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组。N层中只记录一层的象元位置，节约大量存储空间，栅格个数很多。,（a）基于象元方式,方法b：每层每个象元的位置、属性一一记录，结构最简单，但浪费存储。,（b） 基于层方式,方法c：以层为基础，每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内各象元的坐标。节约用于存储属性的空间