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1、2 地理信息系统的数据结构,1 地理空间及其表达 2 地理空间数据及其特征 3 空间数据结构的类型 4 空间数据结构的建立,1 地理空间及其表达,1.1 地理空间的概念 一、地理空间（geo-spatial） 二、我国大地坐标系 1.2 空间实体的表达 一、空间实体类型 二、表示方法,1 地理空间及其表达,1.1 地理空间的概念 一、地理空间（geo-spatial） 1、定义为绝对空间与相对空间两种形式。 （1）绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列的空间坐标值组成。 （2）相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成。 2、包括地理空间定位框架及其所联结的
2、特征实体。,二、我国大地坐标系,GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。,基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。 我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协
3、会推荐的1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系-西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系。,椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面，如前苏联的Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们的基准面显然是不同的。我国3个椭球体参数如下,地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换。,1、三种大地坐标系：1954
4、年北京坐标系；1980年国家大地坐标系；地心坐标系。 （1）我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由此计算出来的各大地控制点的坐标，称为1954年北京坐标系。 （2）我国1978年宣布在陕西省泾阳县永乐镇设立新的大地坐标原点，并采用1975年国际大地测量协会IAG推荐的大地参考椭球体，由此计算出来的各大地控制点坐标，称为1980年大地坐标系。 （3）地心坐标系即以地心作为椭球体中心。如WGS1984基准面采用WGS84椭球体，是地心坐标系，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。,2、1980年中国国家大地坐标系，具体参数为： 赤道半径（a）6378140.0000000000m 极半径
5、（b）6356755.2881575287m 地球扁率（f）（ab）/a1/298.257 1980年中国国家大地坐标系的大地原点，设在陕西省泾阳县永乐镇，称西安原点。,3、大地原点,大地原点亦称大地基准点，即国家水平控制网中推算大地座标的起标点。 中华人民共和国大地原点，位于陕西省泾阳县永乐镇石际寺村境内 ，距西安36公里，1978年建成，是我国地理坐标的起点和基准点。它不但在各项建设和科学技术上有重要作用，而且象征着国家的尊严。 大地的地面海拔417.7米，它距我国陆边正北880公里，东北2500公里，正东1000公里，正南1750公里，西南2250公里，正西2930公里，西北2500公里
6、。,4、坐标系转换,xf1（L，B） yf2（L，B）,5、高程,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。我国现规定的高程基准面为“1985国家高程基准”，比原“黄海平均海平面”高29mm。我国高程的起算面是黄海平均海水面。1956年在青岛设立了水准原点，称此为1956年黄海高程系。1987年国家测绘局公布：中国的高程基准面启用1985国家高程基准取代国务院1959年批准启用的黄海平均海水面。1985国家高程基准比黄海平均海水面上升29毫米。,12 空间实体的表达,一、地理空间的特征实体包括点（point）、线(line)、面(polygon)、曲面(surface)
7、和体(volume)等多种类型。 二、表示方法： 1、矢量表示法：用一个没有大小的点(坐标)来表达基本点元素。矢量数据模型 2、栅格表示法：用一个有固定大小的点(面元)来表达基本点元素。栅格数据模型,2 地理空间数据及其特征,2.1 GIS的空间数据 一、根据GIS的数据来源和数据类型分类 二、元数据 三、根据表示对象的不同分类 2.2 空间数据的基本特征 一、基本信息 二、空间数据的拓扑关系 三、拓扑关系的意义 2.3 空间数据的计算机表示,2 地理空间数据及其特征,2.1 GIS的空间数据 一、根据GIS的数据来源和数据类型分类 1、地图数据。 2、影像数据。 3、地形数据。 4、属性数据
8、。 5、元数据。,2.1 GIS的空间数据二、元数据（Metadata）,1、概念：是描述数据的数据。是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。传统的图书馆卡片、出版图书的版权说明、磁盘的标签等都是元数据。纸质地图的元数据主要表现为地图类型、地图图例，包括图名、空间参照系和图廓坐标、地图内容说明、比例尺和精度、编制出版单位和日期或更新日期、销售信息等。用户通过它可以非常容易地确
9、定该书或地图是否能够满足其应用的需要。,元数据的目的就是促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程（CASE）服务。 2、元数据的内容包括： 1）对数据集的描述，对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（数据生产历史）等的说明； 2）对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等； 3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等； 4）对数据转换方法的描述； 5）对数据库的更新、集成等的说明。,3、元数据的主要作用,1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情况的了解； 2）提供有关数
10、据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据； 3）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的判断； 4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。,2.1 GIS的空间数据三、根据表示对象的不同分类,类型数据。 面域数据。 网络数据。 样本数据。 曲面数据。 文本数据。 符号数据。,22 空间数据的基本特征,一、基本信息 定位信息：不同 分布状态定位特征数据 属性信息：不同等级属性特征数据 拓扑信息 ：关联关系拓扑特征数据,二、空间数据的拓扑关系,1、拓扑邻接。指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。如结点
11、邻接关系；多边形邻接关系。,2、拓扑关联。指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。如结点与弧段的关联关系N1/C1、C3、C6；N2/C1、C2、C5；多边形与弧段的关联关系P1/C1、C5、C6；P2/C2、C4、C5、C7。,3、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。包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式。设ID表示当前多边形，IW表示等价包含，IP表示ID为岛(IP0)或非岛(IP0)，则包含关系的形式如图27所示。,三、拓扑关系的意义,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。 利用拓扑数据有利于空间
12、要素的查询。如某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些政区的居民提供水源；与某一湖泊邻接的土地利用类别有哪些；特别是野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于对生物栖息环境作出评价等等。 可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。例如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等等。,23 空间数据的计算机表示,以ARC/INFO矢量数据模型的系统为例 首先，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层 。,其次，将一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标 。每个目标的数据由定位数据、属性数据和拓扑数据组成。具有相同的分类码的同类目标组成类型，类或相近的若干类构成数据层，若干数
13、据层构成图幅，全部数据组成数据库。,最后，对目标进行数字表示，其中对每个弧段或目标分配一个用户标识码(UserID)，弧段的位置和形状由一系列x，y坐标定义，弧段的拓扑关系由始结点、终结点、左多边形和右多边形四个数据项组成，弧段的属性数据存储在相应的属性表中。每个弧段的空间特征和属性特征通过用户标识码进行联接,3 空间数据结构的类型,31 矢量数据结构 32 栅格数据结构 33 矢量与栅格数据结构的比较,3 空间数据结构的类型,数据结构一般分为矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构。,31 矢量数据结构 矢量数据是面向地物的结构，即对于每个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓
14、扑关系说明。但是矢量数据仅有些离散点的坐标，在空间表达方面它没有直接建立位置与地物的关系。,一、定义 矢量数据结构：基于矢量模型的数据结构。矢量数据结构是利用欧几里得(Euclid)几何学中的点、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。这种数据组织方式能最好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析，但对于多层空间数据的叠合分析比较困难。,定义矢量数据结构是通过记录坐标值，尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。 点由一对X、Y坐标表示； 线由一串的X、Y坐标表示； 面由一串
15、或几串有序的且首尾坐标相同的X、Y坐标对及面标识表示。,二、矢量数据的特点,定位明显、属性隐含。其定位是根据坐标直接存储的，而属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上。 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，而在叠加运算、邻域搜索等操作时则比较困难。 这种特点使得其图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，有些甚至难以实现。,三、矢量数据结构的类型,1、简单数据结构 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，最典型的是面条(Spaghetti)结构。,主要特点：,(1)数据按点、线或多边形为单元进行组
16、织，数据编排直观，数字化操作简单。 (2)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。 (3)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。 (4)岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。,优、缺点,优点文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。 缺点 (1)邻接多边形的公共边被数字化和存储两次(如图219a中的7、8、9三个点)，由此会产生数据冗余和边界不重合(由于数字化误差等因素造成)。 (2)每个多边形自成体系，缺少有关邻域关系的信息，难以进行邻域处理。如合并同类时要消除公共边。 (3)不能解决“洞”或“岛”之类的多边形嵌套问题，岛只作为单个的图形建造，没有与外包多边形的联系。 （4）不易检查多边形边界的拓扑关系是否正确，如无法判断有无不完整的多边形。,2、拓扑数据结构 拓扑是英文topology的音译，原意是地志学、地形地貌学，局部解剖学的意思。隐含有构造、结构研究的含义。后来用到数学上、几何上，含有研究数的结构、几何构造关系等含义。主要是用抽象的方法来研究某种数或几何，或集合的
