城市GIS_空间数据结构与管理讲述

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1、3.2.1 空间数据结构 3.2.2 空间数据管理 第二节 空间数据结构与空间数据管理 3.2.1 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。空间数据结构是指空间数据的编排方式和组织关系。空间数据编码是空间数 据结构的实现，目的是将图形数据、影像数据、统计数据等资料，按一定的数据结 构转换为适用于计算机存储和处理的形式。 一种高效率的数据结构应具: （1）能够正确表示要素之间的层次关系，便于不同数据联接和覆盖。 （2）正确反映地理实体的空间排列方式和各实体间相互关系。 （3）便于存取和检索。 （4）节省存贮空间，减少数据冗余。 （5）存取速度快，

2、在运算速度较慢的微机上要达到快速响应。 （6）足够灵活性，数据组织具有插入新数据、删除或修改部分数据的基本功能。 GIS支持的空间数据结构： 矢量数据结构 栅格数据结构 矢量栅格混合数据结构 栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但可以随应用的需要进行具体 设定，比如设置为三角形。 栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格尺寸越小，其分 辨率越高，数据量也越大。 栅格单元中存在多种地物，导致属性误差，“混合像元”问题。 一、栅格数据结构一、栅格数据结构 西南角格网坐标 （XWS，YWS） 格网分辨率 X：行 Y：列 栅格数据结构是指将地球表面 划分为大小均匀紧密相邻的网格

3、阵 列，每个网格作为一个像元或像素 由行、列定义，并包含一个代码表 示该像素的属性类型或量值，或仅 仅包括指向其属性记录的指针，表 示地物或现象的非几何属性特征。 属性明显：数据直接记录了属性或指向属性的指针，可以直接得到地物的属 性代码。 定位隐含：栅格结构是按一定的规则排列的，实体位置隐含在格网文件的存 储结构中。 栅格数据结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是 易于同遥感影像的结合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。 1、栅格数据结构特点 2、栅格数据取值方法 中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心 点对应的面域属性值来确定。 长度占优法：每个栅格单元的值以网格

4、中线 （水平或垂直）的大部分长度所对应的面域 的属性值来确定。 面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格 单元中占据最大面积的属性值来确定。 重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程 度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅 格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域 尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留 的原则。 3、栅格数据获取途径 手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。 扫描仪扫描专题图的图像数据行、列、颜色（灰度），定义颜色与属性 对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编 码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 由矢量数据转换而来。 遥感影像数据，对地面景像的

5、辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光 谱段量化后，以数字形式记录下来的像素值序列。 格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。 o A.直接栅格编码 o B.行程编码 o C.四叉树编码 4、栅格数据的编码方法 A.直接栅格编码 o表示空间信息的栅格数据实际上是空间数据二 维的离散量化值，每一层的像元值组成二维信 息数组的像元阵列，行、列表示它的位置。故 此，栅格数据可以表示为一个二维矩阵。例如 右图的影像：当扫描输入时，一般从左上角开 始，逐行逐列进行。 o矩阵的每个元素，代表了1个像元的值，像元值可以是1个字节， 2个字节或4个字节。矩阵元素的行、列号即是像

6、元的位置，在计 算机中，矩阵数据是顺序存放的。例如，1个44的影像，在机 器中存储的顺序为： A A A A A B B B A A B B A A A B 栅格数据矩阵可以 每行都从左到右逐 像元记录，也可奇 数行从左到右，而 偶数行由右向左记 录，为了特定目的 还可采用其它特殊 的顺序。 o每个像元可能是占一个字节的整型数。如果图像比较大，这种逐 点存储的方式，所占的空间是十分巨大的。所以在实际存储时， 多采用压缩存储的方式。最简单的是行程编码方式，另外，还有 四叉树编码方式，二维行程编码方式等压缩倍数更多的方法。但 数据压缩所获得的空间节省与数据处理的时间花费往往是成正比 例，即所节省的

7、空间越多，数据压缩与解压所需的时间往往也多 ，因此所采取的方法要根据实际的情况而定。 B.行程编码 o空间实体空间数据一般具有相关性，相邻像元的 值往往相同，于是就可采用某种编码方法进行压 缩和合并。按行扫描，将相邻等值的像元合并， 记录行程长度及它的值，这就叫行程编码。 o对于上述影像矩阵，根据空间数据的相关性，可以将等值的相邻像元 合并，得到6组行程编码。如果按行合并，则有： 4A 1A 3B 2A 2B 3A 1B o如果不按行，连续合并，则有： 5A 3B 2A 2B 3A 1B o显然，行程编码节省空间。区域越大，数据相关性越强，节省的空间 越多。 o根据栅格数据二维空间分布的特点，

8、将空间区域按照4个象限进 行递归分割（2n2n，且n1），直到子象限的数值单调为止， 最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完 全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个 结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子 结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所 有叶子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，最下面的一排数字表示各子区的代码。 o 为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为 2n2n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数 或最大高度 C.四叉树编码 o为了在计算机中既能以

9、最小的冗余存储与图像对应的四叉树，又 能方便完成各种图形操作，专家们已提出多种编码方式。下面介 绍美国马里兰大学地理信息系统中采用的编码方式。该方法记录 每个或叶子结点的地址和值，值就是子区的代码，其中地址包括 两个部分，共占有32位（二进制），最右边四位记录该叶子结点 的深度，即处于四叉树的第几层上，有了深度可以推知子区的大 小；地址由从根结点到该叶子结点的路径表示。0，1，2，3分别 表示NW、NE、SW、SE，从右边第五位开始2n字节记录这些方向。 0 2 2 5 5 5 5 5 2 2 2 2 2 5 5 5 0 0 0 0 0 3 3 3 2 2 2 2 3 3 5 5 0 0 2

10、3 3 3 5 5 0 0 3 3 3 3 5 3 0 0 0 3 3 3 3 3 0 0 0 0 3 3 3 3 11 1213 14151617181920212223242526272829303132 3336373839 343540 0 0 0 0 3 3 3 0 3 3 33 3 5 3 0 0 2 2 2 3 2 2 2 2 0 2 2 2 2 5 2 5 5 5 3 33 5 5 南西南东 北西 北东 o第5个结点深度为4，第一层为根结点，第二层处于SW象限记为0，第三层处于NE 象限记为3，第四层处于SE象限记为1，表示为二进制为： 0000000（ 22位 ）001101

11、（ 6位 ）0100（ 4位） o每层象限位置由二位二进制表示，共八位。上述二进制换算成十进制整数为212 。这样，记录了各个叶子的地址，再记上相应的代码值，就记录了整个图像， 并可在此编码的基础上进行多种图像操作。 o容易而有效地计算多边形的数量特征； o阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级 多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率 低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量； o栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容 易； o多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。 四叉树编码优点 二、 矢量数据结构 矢量是具有一定大小和方向的量,数学上

12、和物理上也叫向量。线段长 度表示大小，线段端点的顺序表示方向。有向线段用一系列有序特征点表示， 有向线段集合就构成了图形。 矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合。 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。 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。其精度仅受数字化设 备的精度和数值记录字长的限制。 定位明显：其定位是根据坐标直接存储的，无需任何推算。

13、 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， 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。 1矢量数据结构特点 2、空间实体类型 点：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。地面上的矿点、水井、高程 控制水准点等都是点实体。 线：空间上具有一定延伸方向性的线状地物，由一组有 序点组成，采用一组有序的(X，Y)坐标来表示。如 河流和道路、断层、地质体分界线

14、等为线状地物。 面：指有封闭边界和面积的实体，由一组有序线段包围 而成区域。采用一组首尾位置重合的有序线段表示 。例如湖泊、矿区、土壤类型等。 (X,Y) (X2,Y2) (X3,Y3) (X4,Y4) (X5,Y5) Line Point (X5,Y5) (X,Y) (X2,Y2) (X4,Y4) (X3,Y3) Polygon (X,Y) 从几何上来说，地理空间目标可划分为点、线、 面、体四种基本类型。对表示在地图中的各种要素 都可抽象为点、线、面几何图形的实体。 3、矢量数据获取途径 1) 由外业测量获得 利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库 。 2) 由栅

15、格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。 3) 跟踪数字化 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。 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 。 点实体数据编码 4、矢量数据编码 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。 线实体矢量数据编码 多边形实体矢量数据编码 多边形矢量编码不但要表示空间图形为多边形的面状实体的位置和属 性，更为重要的是要能表达区域的拓扑性质，如形状、邻域

16、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，其编码比点和 线实体的矢量编码要复杂得多，也更为重要。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。 编码方法：坐标序列法、树状索引编码法、拓扑结构编码法。 坐标序列法 由多多形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码。 一个区域或一幅地图可以划分成许多多边形，多 边形4由、弧段组成，文件编码坐 标为: x9,y9； x8,y8 ； x7,y7； x20,y20； x21,y21； x22,y22； x23,y23； x24,y24； x18,y18 ；x18,y18； x19,y19。 每个多边形在数据库中是相互独立、分开存储的 。 坐标序列法的优缺点 优点：文件结构简单，易于实现以多边形为单位的