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1、第四章第四章 空间数据空间数据的表达的表达本章主要介绍地理现象空间实体类型空间数据表达方法（数据结构）1. 地理系统与地理现象2. 空间对象及其定义3. 空间对象关系4. 空间数据的矢量表达5. 空间数据的栅格表达6. 混合数据结构与一体化数据结构7. 镶嵌数据结构8. 四叉数数据结构9. 超图数据结构本章重点与作业本章内容：本章内容：v1.1 1.1 地理系统地理系统v1.2 1.2 地理现象地理现象1. 1. 地理系统与地理现象地理系统与地理现象地理系统地理系统q地理系统是一个开放的复杂系统地理系统主要涉及地球表层空间，包括：岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层GIS目前主要涉及的范围主要
2、为岩石圈和大气圈之间v1.1 1.1 地理系统地理系统电离层电离层大气圈大气圈水圈水圈生物圈生物圈岩石圈岩石圈地理系统、GIS所涉及的地理系统范围GISGIS涉及的范围涉及的范围q地理系统是开放系统和其他系统有关联、有交往，既有能量物质的交流，又有信息的交流，例如地球表层接受太阳光和电磁波、辐射红外线受天体运动产生的外力作用q地理系统是复杂系统由成千上万个子系统组成人、植物、动物、地下矿产、山山水水地理地理系统的两个方面地理系统的两个方面地理系统主要涉及地球表层空间，包括：岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层GIS目前主要涉及的范围主要为岩石圈和大气圈之间地理系统的内部构成及其与外部系统的联系
3、地理系统地理系统社会经济环境系统社会经济环境系统人口、工业、农业、交通、人口、工业、农业、交通、建筑、商业、科学、教育、建筑、商业、科学、教育、卫生、金融卫生、金融天体系统天体系统地球内部系统地球内部系统自然环境系统自然环境系统地貌、土壤、气候、土地利用、地貌、土壤、气候、土地利用、水文、生物、海洋水文、生物、海洋人地关系系统人地关系系统q地理系统中的各种要素特征都与地理空间位置有关q地理科学的任务：综合研究地理系统中的生物圈、水圈、岩石圈三大要素的空间分布规律及其相互之间关系和相互影响涉及地球表层空间，包括：岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层GIS目前主要涉及的范围主要为岩石圈和大气圈之间
4、地理现象的抽象过程地理现象的抽象过程地理系统主要涉及地球表层空间，包括：岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层GIS目前主要涉及的范围主要为岩石圈和大气圈之间v1.2 1.2 地理现象地理现象空间数据空间数据地图遥感影像特征特征关系关系行为行为观察观察测量：位置测量：位置编码：属性编码：属性建立关系：建立关系：表达表达 现实世界选择选择分析分析抽象抽象综合综合描述地理现象的四种几何类型描述地理现象的四种几何类型q呈点状分布的地理现象人工：城镇、乡村居民点、交通枢纽、车站、工厂、学校自然：火山口、山峰、地震震中、温泉口可以用一个点位置来描述；是一个相对概念，当考虑比例尺较大时，可能表示成面q呈线状
5、分布的地理现象自然：河流、海岸人工：铁路、公路、地下管线、行政边界有单线、双线和网状之分；可以用一线状坐标串或封闭坐标串表示（狭长的水面）q呈面状分布的地理现象人工：水库、建筑物、机场自然：土壤、耕地、森林、草原、沙漠、湖泊呈大范围的连续分布；用封闭坐标串表示q呈体状分布的地理现象从三维角度观测自然：云、水体、矿体人工：高层建筑物、地铁站特点是向三维方向扩展，但通常处理成二维平面形式；要正确表示成体的形式，必须采用三维模型来描述2. 2. 空间对象及其定义空间对象及其定义空间实体空间实体(Spatial Entity)(Spatial Entity)是地理空间中不可再分的最小单元，它不仅反映事
6、物和现象的本质内容，而且反映它们在地理空间中的位置、分布状况以及它们之间的相互关系空间实体具有：属性、空间位置、空间关系和时间四种特征空间对象（空间对象（Spatial ObjectSpatial Object）也称空间目标，它是对空间现象进行抽象得到的结果,是空间实体的物理表示,如q控制点、池塘、活树篱笆空间对象的定义与数据模型和数据结构有关，不同的系统有所不同美国空间数据交换标准（STDS）是目前为止对空间对象定义最为完整的标准1 1）空间实体的几个概念）空间实体的几个概念q目标：目标：也称空间对象，是空间实体的物理表示q实实体体类类型型：即实体的几何类型，有点、线、面、体之分q实实体体属
7、属性性：对实体特征的描述，属性有属性值的概念并有等级之分，如公路实体有公路等级属性值，可以分为一级、二级公路q实实体体要要素素：实体是点、线、面、体多种要素的复杂组合，是那些基本的、实际的、不可再分的空间单元（元素）v2.1 2.1 空间对象描述空间对象描述2 2）空间实体的描述）空间实体的描述q对空间实体的描述有5种内容，即：识别码、位置、实体特征、实体的角色、行为或功能以及实体的空间特性q识识别别码码：用于区别同类而又不同的实体，通常用对象标识码（OID）来表示，如同为一级公路类型的不同的公路q位位置置：可用坐标描述，也可用其它形式（如邮政编码）q空空间间特特征征：也是位置信息的一种，如维
8、数、类型及实体的组合q实实体体的的行行为为和和功功能能：是指在数据采集过程中不仅要重视实体的静态描述，还要收集那些动态的变化，如岛屿的侵蚀、水体污染的扩散、建筑的变形等q实体的衍生信息：实体的衍生信息：如一个实体有许多个名称q实实体体的的维维数数：分零维、一维、二维、三维、甚至四维（三维 + 时间） 信息分类实例空间单元的类型1 1）零维空间对象的定义）零维空间对象的定义零零维维对对象象即点状空间实体，由一组坐标（x,y,z）说明其位置可以分为：实体点：用来代表一个实体,如塔、浮标标识点（注记点）：用于定位地图或插图的文本信息（注记）面标识点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内节点：表示线（
9、或弧）的终点和起点顶点：表示线段和弧段的内部点v2.2 2.2 空间对象定义空间对象定义2 2）一维空间对象的定义）一维空间对象的定义一一维维对对象象即线状空间实体，由一列有序坐标串表示，有如下特性：实体长度：从起点到终点的总长弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度方向性：河流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分q一维对象可以分为：线段：两点之间的直线弦列：相互连接无分支的线段弧：曲线轨迹，可以用数学函数定义拓扑连线：两个节点之间的拓扑连接，由结点的顺序确定其方向链：非相交的线段或弧的无分支而有向序列，可以分为：全链、面链、网链全链：可以显式定位左右多边形和始终端节点的链面链：可以显式定
10、位左右多边形、但不能定位始终端节点的链网链：可以显式定位始终端节点、但不能定位左右多边形的链环：是一个由不相交的链或弦列和（或）弧的闭合系列，它只表示一个封闭的边界，但不表示封闭内的面积G-环：边界系列无方向GT-环：边界系列有方向，由多条链组成线状实体类型线状实体类型3 3）二维空间对象的定义）二维空间对象的定义二维对象即面状空间实体，如对湖泊、岛屿、地块等，在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，有如下空间特性：面积范围周长独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家内岛或锯齿状外形重叠性与非重叠性q二维对象可以分为：内面：不包括其边界的面G-多边形：由一个内面、一个外G-环和零个或多个不相交
11、的内G-环组成的面GT-多边形：由GT-环为边界定义的多边形，也可以由多个链直接定义广义多边形：定义为GT-多边形覆盖的面的周边以外的面虚多边形：为二维拓扑面的一部分，以其它的GT-多边形为界，但其它方面有与广义多边形相同的特性像元：是一个二维的图素，是不可再分的图像元素格网单元：一个网单元的二维对象面状实体类型面状实体类型4 4）三维空间对象的定义）三维空间对象的定义三维对象即体状空间实体，是三维空间中的现象与物体，有如下空间特性：长度、宽度及高度体积，如工程开掘和填充的土方量每个二维平面的面积、周长内岛或锯齿状外形含有孤立块或相邻块q三维对象可以分为：体元：方形实体，是三维实体中不可再分割
12、的元素标识体元：用于标识一个三维空间，类似于多边形中的标识点三维组合空间目标：由二维空间目标组合（房屋是由多个面组合而成）、也可以有三维体元构成体空间：体状实体类型体状实体类型5 5）聚合空间对象的定义）聚合空间对象的定义q现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如：根据某些空间单元，可以将空间问题表达出来一个特殊任务有时需要几种空间单元来描述复杂实体有可能由不同维数和类型的空间单元组合而成某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合实例某一类型的空间实体或以转换为另一类型某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组合而成q聚合空间对象可以分为：格网：某种面的规则（
13、矩形、三角形）或接近规则的镶拼图像：灰度或彩色像元集合层：表示某一种专题的实体（对象）或在众多空间对象中具有公共属性或属性值的空间对象的集合，如道路层、水系层、植被层栅格：同一类型网格或图像的一系列覆盖层图形：相互关联的零维、一维或二维对象的集合，可以分为：平面图形、二维拓扑面、网络平面图形：组成图形的节点、拓扑连线或链对象在平面上的图形二维拓扑面：指一个平面图形及相关联的二维对象网络：没有二维对象的图形，由节点、拓扑连线组成，它们可以不在一个平面上图形遵循的原则：链有一对有序节点，可以重合一个节点可以对应多条链链除在节点外不能相交空空间间（对对象象）关关系系是指地理实体之间存在的与空间特性有
14、关的关系，如度量关系、方向关系、顺序关系、拓扑关系、相似关系、相关关系等(吴立新，2003)有些学者认为空空间间关关系系主主要要包包括括拓扑关系、方位关系和度量关系三种基本类型，其中空间拓扑关系是最重要的空间关系(王家耀，2001)空间对象描述包括：空间对象描述包括：几何位置、对象之间的空间关系几几何何位位置置：采用解析几何方法，如坐标、角度、方向、距离、周长、面积空空间间关关系系：采用拓扑几何来描述，如相邻、相离、相交、包含、重合等4.4.空间对象关系空间对象关系空空间间拓拓扑扑关关系系是指空间对象在拓扑变换 (旋转、平移、缩放等)下保持不变的空间关系，即拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关
15、系几何结构相差较大的图形，它们的拓扑结构可能相同结点拓扑关系1 1）点、线、面空间对象之间的五组关系表达）点、线、面空间对象之间的五组关系表达 邻接、相交、相离、包含、重合2 2）点线面体之间）点线面体之间1212种基本空间关系来表达种基本空间关系来表达相离（disjoint）、相等（equal）、相接（touch）相交（cross）、包含于（in）、包含（contain）交叠（overlap）、覆盖（cover）、被覆盖（covered by）、进入（enter）、穿越（pass）被穿越（pass by）线-线之间的7种空间关系面-面之间的10种空间关系面-体之间的8种空间关系4. 4. 空
16、间对象的矢量表达空间对象的矢量表达1 1）有关概念）有关概念q空间对象的计算机表达的主要信息包括：空间位置、拓扑关系和属性信息q空间数据表达的主要形式：基于矢量的表达（矢量数据模型或实体模型）基于栅格的表达（栅格数据模型或场模型）q空间数据模型是对客观世界现象或实体的概念性描述 q数据结构是空间数据模型的实现手段，是数据模型的简化，强调其在计算机中的编码、存储与表现方法 q栅格数据模型采用栅格数据结构来描述，是基于位置的数据结构，它采用像元阵列来描述空间对象，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征（下一节详细介绍）q矢量数据模型采用矢量数据结构来描述，它是基于实体的数据结构，它通过记录空间对象的坐标（x,y,z）及空间关系来表达空间对象的位置q矢量数据结构应该表达内容：矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）q空间关系表达空间关系表达 = 信息结构 + 操作q空间关系异常复杂，不可能在信息结构中存储所有的关系（数据量大、不便维护、难以保证关系的唯一性），而是有选择地预先记录部分关系，其它关系则根据操作来即时完成，例如Map
