第二章 GIS 的数据结构第二章 GIS 的数据结构

第一节 地理空间及其表达第一节 地理空间及其表达一、地理空间的概念一、地理空间的概念 (geo-spatial) (geo-spatial)

一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象 定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制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网组成

一个统一的空间参照系一个统一的空间参照系 目前，我国采用的大地坐标系为目前，我国采用的大地坐标系为 19801980 年中国国年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为 19851985国家高程基准。国家高程基准。

二、 地球模型二、 地球模型

地球表面水准面

大地水准面

铅垂线

地球椭球体

地理空间坐标系地理空间坐标系• 地理坐标系是以地理极(北极、南极 )为极点

• 通过 A点作椭球面的垂线，称之为过 A点的法线

• 法线与赤道面的交角，叫做 A点的纬度ψ

• 过 A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做 A点的经度λ

坐标参考系统坐标参考系统—平面系统—平面系统直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置

建立在平面上的直角坐标系统，用（ x ， y ）表达地理对象位置

投影

坐标系统坐标系统—高程系统—高程系统

任意水准面

大地水准面

H´A

HA

铅垂线

A

H´B

HB

hAB

水准原点 1985 国家高程基

准，

72.2604 米

黄海海面

1952-1979 年平均海水面为 0米

地图投影：投影实质地图投影：投影实质 建立地球椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标。

),(

),(

2

1

fy

fx

),(

),(

2

1

fy

fx

地图投影：投影变形地图投影：投影变形 将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。

长度变形 面积变形 角度变形

地图投影：投影分类地图投影：投影分类 变形分类： 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形 投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面 投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割

变形分类： 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形 投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面 投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割

地图投影：投影选择因素地图投影：投影选择因素

• 制图区域的地理位置、形状和范围

• 制图比例尺

• 地图内容

• 出版方式

GISGIS 中地图投影中地图投影

•地图投影在 GIS 中不可缺少•空间数据 -地理坐标 -平面坐标（投影变换）

•一般采用国家基本系列地图所用的投影

我国常用地图投影我国常用地图投影1： 100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影1： 50万、 1： 25万、 1： 10万、 1： 5万、

1： 2.5万、 1:1万、 1： 5000采用高斯—克吕格投影。

空间实体空间实体1 、空间实体的特征

空间特征－用以描述事物或现象的地理

位置以及空间位置相互关系

属性特征－用以描述事物或现象的特性

时间特征－用以描述事物或现象随时间

的变化

空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系空间关系或拓扑关系

属性特征是指空间对象的专题属性属性特征是指空间对象的专题属性

2 、空间实体数据的类型属性数据－描述空间实体的属性特征 的数据。几何数据－描述空间实体的空间特征 的数据，一般用经纬度、 坐标表达。关系数据－描述空间实体之间的空间 关系的数据，如邻接、包 含、关联等，一般通过拓

扑关系表达。

3、空间对象（实体）的地图表达3、空间对象（实体）的地图表达

点：位置：（ x， y） 属性：符号点：位置：（ x， y） 属性：符号

线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

属性：符号—形状、颜色、尺寸线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

属性：符号—形状、颜色、尺寸

面：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn) 属性：符号变化 等值线

面：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn) 属性：符号变化 等值线

空间对象（实体）的遥感影像表达空间对象（实体）的遥感影像表达

遥感传感器平台

传感器

空间现象及其描述空间现象及其描述

现实世界

空间数据地图

遥感影像

特征关系行为

观察选择抽象综合

测量：位置编码：属性建立关系：

表达

空间对象（实体）类型空间对象（实体）类型空间对象一般按地形维数进行归类划分点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前 GIS还很难处理时间属性。

空间对象的维数与比例尺是相关的

点实体点实体有位置，无宽度和长度；

抽象的点

美国佛罗里达洲地震监测站 2002 年 9月该洲可能的 500 个地震位置

线实体线实体有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离

有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离

香港城市道路网分布香港城市道路网分布

面实体面实体具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形一般分为连续面和不连续面

中国土地利用分布图（不连续面）中国土地利用分布图（不连续面）

空间对象：面（续）空间对象：面（续）

连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。

连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。

不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。

不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。

空间对象：体空间对象：体有长、宽、高的目标

通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标

香港理工大学校园建筑

第二节 地理空间数据及其特征第二节 地理空间数据及其特征1、空间数据－是各种地理特征和现象间关系的符号化表示。空间特征 表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。属性特征 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。时间特征 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。

GISGIS 的空间数据的分类的空间数据的分类地图数据 地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源 遥感数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）地形数据属性数据 统计数据、实测数据及各种文字报告元数据

地理空间数据的类型1 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。

2 面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元

3 网络数据：道路交叉点、街道和街区等。

4 样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。

5 曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。

6 文本数据：如地名、河流名和区域名称。

7 符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。

元数据元数据

“meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“ Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。

一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。

元数据的主要作用元数据的主要作用 • 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

• 提供有关数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 (clearing house) 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

• 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息

• 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断

• 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。

2、空间数据的拓扑关系

什么叫拓扑？

Topology一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。

拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。

拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。

拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。

地理空间数据的拓扑关系

不 同 类

同 类

同类不同级

N1е1

е2

е5

е6

е4

е7

е3P1

P3

P2

P4

N4

N3

N5

N2

拓扑邻接： N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3

拓扑关联： N1/е1 、 е3 、 е6 ； P1/е1 、 е5 、 е6

拓扑包含： P3与 P4

空间数据的拓扑关系空间数据的拓扑关系

拓扑元素： 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段 面：若干弧段组成的多边形

基本拓扑关系 关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系 拓扑元素量之间的关系：欧拉公式

点、线、面之间的拓扑关系

起点

终点中间点

弧段1

弧段3

弧段2

弧段4

点 :

面 :

弧 :

邻接 相交 重合相离 包含

点—点

点—线

点—面

线—面

面—面

线—线

欧拉公式：欧拉公式在 GIS 中有着重要的意义，主要用来检查空间拓扑关系的正确性，能发现点、线、面不匹配的情况和多余、遗漏的图形元素。

c + a = n + b

n: 结点数a: 弧段数b: 多边形数c: 常数，为多边形地图特征。

若 b 包含边界里面和外面的多边形，则 c=2 ，若 b 仅包含边界内部多边形，则 c=1

n = 4 ， a = 4

b = 1 ， c = 1

n = 6 ， a = 5

b = 2 ， c = 1 ， p=2 （图形数）

n = 4 ， a = 5

b = 2 ， c = 1

n = 10 ， a = 12

b = 3 ， c = 1

空间拓扑关系表达—关系表

a

b

c

d

e

fg

A

C

B

D

E

P4

P0

P1

P2

P3

面域与弧段的拓扑关系面 域 弧 段P1 a, b, c, -gP2 b, d, fP3 c, f, eP4 g

面域与弧段的拓扑关系面 域 弧 段P1 a, b, c, -gP2 b, d, fP3 c, f, eP4 g

结点与弧段的拓扑关系结 点 弧 段A a, c, eB a, d, bC d, e, fD b, f, cE g

结点与弧段的拓扑关系结 点 弧 段A a, c, eB a, d, bC d, e, fD b, f, cE g

弧段与结点的拓扑关系弧 段 结 点a A , Bb B , Dc D , Ad B , Ce C , Af C , Dg E , E

弧段与结点的拓扑关系弧 段 结 点a A , Bb B , Dc D , Ad B , Ce C , Af C , Dg E , E

弧段与面域的拓扑关系弧段 左邻面 右邻面a P0 P1

b P2 P1

c P3 P1

d P0 P2

e P0 P3

f P3 P2

g P1

弧段与面域的拓扑关系弧段 左邻面 右邻面a P0 P1

b P2 P1

c P3 P1

d P0 P2

e P0 P3

f P3 P2

g P1

第三节 空间数据结构的类型第三节 空间数据结构的类型

空间数据结构

矢量数据结构

栅格数据结构

栅格结构与矢量结构的比较

一、常用的空间数据结构X

Y

i

j

x1 y1

x2 y2

xi yi

xn yn

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。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

矢量数据结构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。

矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。 矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。

矢量数据结构编码的基本内容

矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。

点：空间的一个坐标点；

线：多个点组成的弧段；

面：多个弧段组成的封闭多边形；

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

点号 X Y

1 11 22

2 33 44

… … …

n 55 66

存储方法

点点实实体 体

方向字体排列

指针与线相交的角度

如果是简单点

符号

符号

字符大小

简单点文字说明结点

唯一识别符

比例尺方向

x，y 坐标

其它有关的属性

点实体

类型

序列号

有关的属性

如果是文字说明

如果是结点

线线实实体 体

唯一标识码

线标识码

起始点

终止点

坐标对序列

显示信息

非几何属性

线实体 面面实实体 体 多边形矢量编码，

不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。

多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。

简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）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

特征无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性

多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；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

简单的矢量数据结构—面条结构（实体式）

12

34

56

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10

11 12 13

14

15

16

17

18 19

20

21

22

2324 2526

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293031

多边形 数据项A (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)

B (x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C (x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24)D (x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19)

E (x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)

多边形 数据项A (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)

B (x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C (x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24)D (x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19)

E (x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)

索索引引式 式

索索引引式 式

B C D E

a b c f g h e f i b c ij

12

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10

11 12 13

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293031 线与多边形之间的树状索引 线与多边形之间的树状索引

点与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引

双重独立式 DIME(Dual lndependent Map Encoding)

双重独立式 DIME(Dual lndependent Map Encoding)

A

B

C

D

Oa

b

c

de

f

g

hi

j

kl

mn

1

2

3

45

6

7

8

9

10

11

12

线号 左多边形 右多边形 起点 终点

a O A 1 8

b O A 2 1

c O B 3 2

d O B 4 3

e O B 5 4

f O C 6 5

g O C 7 6

h O C 8 7

i C A 8 9

j C B 9 5

k C D 12 10

l C D 11 12

m C D 10 11

n B A 9 2

这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件

这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件

链状双重独立式 链状双重独立式数据结构是 DIME数据结构的一种改进。在 DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。

在链状双重独立数据结构中，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。

弧段文件弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形

a 5 1 O Ab 8 5 E Ac 16 8 E Bd 19 5 O Ee 15 19 O Df 15 16 D Bg 1 15 O Bh 8 1 A Bi 16 19 D Ej 31 31 B C

弧段坐标文件弧段号 点 号a 5,4,3,2,1b 8,7,6,5c 16,17,8d 19,18,5e 15,23,22,21,20,19f 15,16,g 1,10,11,12,13,14,15h 8,9,1i 16,19j 31,30,29,28,27,26,25,24,31

弧段文件弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形

a 5 1 O Ab 8 5 E Ac 16 8 E Bd 19 5 O Ee 15 19 O Df 15 16 D Bg 1 15 O Bh 8 1 A Bi 16 19 D Ej 31 31 B C

弧段坐标文件弧段号 点 号a 5,4,3,2,1b 8,7,6,5c 16,17,8d 19,18,5e 15,23,22,21,20,19f 15,16,g 1,10,11,12,13,14,15h 8,9,1i 16,19j 31,30,29,28,27,26,25,24,31

链状双重独立式

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2728

293031

多边形文件多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐标

A h,b,aB g,f,c,h,-jC jD e,i,fE e,i,d,b

多边形文件多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐标

A h,b,aB g,f,c,h,-jC jD e,i,fE e,i,d,b

矢量数据结构的特点• 定位明显，属性隐含• 用拓扑关系描述空间对象之间的关系• 面向目标操作，精度高，数据冗余度小• 与遥感等图象数据难以结合• 输出图形质量号，精度高

商品化较好的 GIS软件的数据库数据组织都具有完整的拓朴结构：（如 ARC/INFO）矢量拓朴编码方法软件举例：

Topology 拓朴学 Topological Relation

从上至下（ poly-ARC-Node) 的拓朴关系（图 b).得到明确表达或从下至上（ Node-ARC-poly)

用关系表列出这种拓朴关系。

Topological relation configration table.

polygon-ARC Topological relation b=b(a)

polygon ARC

B1B2B3B4

A1  A2  A3 A2  A5  A6A3  A4  A7A6  A7  A8  

ARC-Node Topology a=a(n);Node-ARC topology n=n(a)

ARC

NODE       

NODE ARC

A1A2A3A4A5A6A7A8

N1    N2N2    N3N1    N3N1    N4N2    N5N3    N5N3    N4N4    N5

N1N2N3N4N5

A1  A3   A4A1  A2   A5A2  A3   A6  A7A4  A7   A8A5  A6   A8

ARC-polygon topoly a=a(b) ARC-polygon topoly a=a(b)

ARC LPOLY       RPOLY

A1A2A3A4A5A6A7A8

0           B2B1B30 B2B4b4

B1B1B30B2B4B30

ARC/INFO中的弧段数据结构

ARCID Fnode Tonode Lpoly Rpoly arc coordination

A1A2A3A4A5A6A7A8

N1N2N1N1N2N3N3N4

N2N3N3N4N5N5N4N5

0B2B1B30

B2B4B4

B1B1B30B2B4B30

Xn1,Yn1...Xn2,Yn2Xn2,Yn2...Xn3,Yn3Xn1,Yn1...Xn3,Yn3Xn1,Yn1...Xn4,Yn4Xn2,Yn2...Xn5,Yn5Xn3,Yn3...Xn5,Yn5Xn3,Yn3...Xn4,Yn4Xn4,Yn4...Xn5,Yn5

栅格数据结构 栅格数据 :栅格数据结构就是像元阵列，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。每个栅格单元只能存在一个值。

位置很容易隐含代码代表实体的属性或属性的编码

（ a ）三角形 （ b ） 菱形 （ c) 六边形

点

线面

对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。

对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。

栅格数据结构：坐标系与描述参数

Y ：列Y ：列

X ：行X ：行

西南角格网坐标（ XWS ， YW

S ）

西南角格网坐标（ XWS ， YW

S ）

格网分辨率格网分辨率

栅格数据单元值确定C

A

B

百分比法

面积

占优

重要

性中心点法

A连续分布地理要素

C具有特殊意义

的较小地物

A分类较细、

地物斑块较小AB

为了逼近原始数据精度，除了采用这几种取值方法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格单元总数的方法

栅格数据压缩存储的编码方法 A AAAA RAAA RAAA RAA

R AAAA AAAA AGGA AGGG GGGG AGGG AGGA AAA

A ARAA AARA AARR AAA

1 432 5 87612345678

0

12

3

4

56

7

起点行列号，单位矢量R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3

链式编码

游程长度编码 逐行编码数据结构 : 行号 , 属性 , 重复次数1, A, 4, R, 1, A, 4

块状编码 正方形区域为记录单元数据结构 : 初始位置 , 半径 , 属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…

NE SWNW SE

G

GGGAGGAAGAAA

四叉树编码

栅格矩阵（ Raster Matrix) 栅格矩阵（ Raster Matrix) Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的 pixel值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。例如影像： A A A A A B B B A A B B A A A B在计算机内是一个 4*4阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为： A A A A A B B B A A B B A A A B当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要 m行×n列×3(x,y和属性编码值 ) 个存储单元。数字地面模型就属此种情况。

Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的 pixel值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。例如影像： A A A A A B B B A A B B A A A B在计算机内是一个 4*4阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为： A A A A A B B B A A B B A A A B当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要 m行×n列×3(x,y和属性编码值 ) 个存储单元。数字地面模型就属此种情况。

链式编码 (ChainCodes)又称为弗里曼链码 (Freeman)或边界链码。

基本方向可定义为：东＝ 0 ，东南＝ l ，南二 2，西南＝ 3，西＝4 ，西北＝ 5 ，北＝ 6 ，东北＝7 等八个基本方向。如果再确定原点为像元 (10 ， 1)，则该多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10， l， 7， 0， 1， 0， 7，1， 7， 0， 0， 2， 3， 2，2， 1， 0， 7， 0， 0， 0，0， 2， 4， 3， 4， 4， 3，4， 4， 5， 4， 5， 4， 5，4， 5， 4， 6， 6。

游程长度编码游程长度编码 (Run—LengthCodes) (Run—LengthCodes)

游程长度编码是按行帧序存储多边形内的各个像元的列号，即在某行上从左至右存储属该多边形的始末像元的列号。问：对左图的进行游程长度编码 。

块式编码块式编码 (BlockCodes)(BlockCodes) 块式编码块式编码 (BlockCodes)(BlockCodes) 块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。如图：

块式编码的数据结构由初始位置 (行号，列号 )和半径，再加上记录单元的代码组成。根据这一编码原则，上述多边形只需 17个单位正方形。9个 4单位的正方形和 1个16 单位的正方形就能完整表示，总共要 57个数据，其中 27对坐标， 3个块的半径。

块式编码的数据结构由初始位置 (行号，列号 )和半径，再加上记录单元的代码组成。根据这一编码原则，上述多边形只需 17个单位正方形。9个 4单位的正方形和 1个16 单位的正方形就能完整表示，总共要 57个数据，其中 27对坐标， 3个块的半径。

四叉树编码 (Quadtree Encoding) 四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压编

数据的方法。它将 2n×2n 像元阵列连续进行 4 等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下图），而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码。

四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压编数据的方法。它将 2n×2n 像元阵列连续进行 4 等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止（如下图），而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码。

99 99 00 00

99 09 00 00

90 09 77 00

00 00 77 00

00 00 77 77

00 00 77 77

00 00 77 77

00 00 77 7 7

9 999 0 00

0 000999

990 07

07000

000 7 7

7 7770 000

0 00 7 777

7 7770 000

77

0

07

07

0

0

0

0

0

0 7

0 0 7 09

9 9 9 0 0 9 0 0 9 00 0

NW NE SW SE

八叉树编码 八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域 (即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小立方体 )，同—区域的属性相同。八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题。

000 001 010 011 100 101 110 111

002 003 012 013 102 103 112 113

020 021 030 031 120 121 130 131

022 023 032 033 122 123 132 133

200 201 210 211 300 301 310 311

202 203 212 213 302 303 312 313

220 221 230 231 320 321 330 331

222 223 232 233 322 323 332 333

444 454 554 555

541405 505 515

400 415 500 510044 054

040 041 050 051 140 141 150 151

004 005 014 015 104 105 004 005

0 1

2 3

7

4 5

0

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

6

7

I X（ ）

J（Y）

直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。

栅格数据结构特点离散的量化栅格值表示空间对象

位置隐含 ,属性明显数据结构简单 ,易于遥感数据结合 , 但数据量大

几何和属性偏差面向位置的数据结构 ,难以建立空间对象之间的关系

离散的量化栅格值表示空间对象

位置隐含 ,属性明显数据结构简单 ,易于遥感数据结合 , 但数据量大

几何和属性偏差面向位置的数据结构 ,难以建立空间对象之间的关系

a b

c

3

4

5

a b

c

ac 距离 : 7/4 (5)面积 : 7 (6)

几何偏差

属性偏差

如以像元边线计算则为 7，以像元为单金大会则为 4。

三角形的面积为 6个平方单位，而右图中则为 7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。

如以像元边线计算则为 7，以像元为单金大会则为 4。

三角形的面积为 6个平方单位，而右图中则为 7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。

矢量结构矢量结构

栅格结构 栅格结构

矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较优　　点优　　点 缺　　点缺　　点

矢量数矢量数据结构据结构

1.1. 便于面向现象便于面向现象 (( 土壤类、土地利用单元等土壤类、土地利用单元等 ))；；2.2. 数据结构紧凑、冗余度低；数据结构紧凑、冗余度低；3.3. 有利于网络分析；有利于网络分析；4.4. 图形显示质量好、精度高。图形显示质量好、精度高。

1.1. 数据结构复杂；数据结构复杂；2.2.软件与硬件的技术要求比较高；软件与硬件的技术要求比较高；3.3. 多边形叠合等分析比较困难；多边形叠合等分析比较困难；4.4.显示与绘图成本比较高。显示与绘图成本比较高。

栅格数栅格数据结构据结构

1.1. 数据结构简单；数据结构简单；2.2. 空间分析和地理现象的模拟均比较容易；空间分析和地理现象的模拟均比较容易；3.3. 有利于与遥感数据的匹配应用和分析；有利于与遥感数据的匹配应用和分析；4.4.输出方法快速，成本比较低廉。输出方法快速，成本比较低廉。

1.1. 图形数据量大；图形数据量大；2.2. 投影 转换比较困难；投影 转换比较困难；3.3. 栅格地图的图形质量相对较低；栅格地图的图形质量相对较低；4.4. 现象识别的效果不如矢量方法。现象识别的效果不如矢量方法。

矢量、栅格一体化数据结构矢量、栅格一体化数据结构

栅格数据结构和矢量数据结构可以互相补充，所以现代 GIS 中（ ARC/INFO）既含有栅格结构又保持矢量结构，形成一种混合数据结构，两者的合属性

数据的关系如下表：

混合数据结构

ID

Vector 数据

Raster 数据

属性 数据

第四节 空间数据结构的建立第四节 空间数据结构的建立一、系统功能与数据间的关系一、系统功能与数据间的关系

现代地理信息系统数据模式的一个重要特现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系征是数据与功能之间具有密切的联系 (( 见见下表下表 )) ，因此，在确定数据内容时，首先，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；必须明确系统的功能；

对开发的对开发的 GISGIS 系统的功能，是通过用户需系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发求调查来确定的，因此，在开发 GISGIS 系统系统之前，首先要进行系统分析。之前，首先要进行系统分析。

系统功能与数据间的关系系统功能与数据间的关系((据据 Jack DangermondJack Dangermond 等等 ))

二、空间数据的分类和编码二、空间数据的分类和编码 空间数据的分类，是指根据系统功能及国空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层间数据组织为不同的信息层 (( 见下图见下图 )) ；；

信息层示意图

空间数据的编码：是指将数据分类的结果，空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国基础地理码由数字或字符组成。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示：码结构如下所示：

× × × × ×× ×× × × × ×大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别

位位

大类码、小类码、一级代码和二级代码分别大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。扩充。

空间对象的层次分类编码分类对象的从属和层次关系有明确的分类对象类别和严格的隶属关系分类对象的从属和层次关系有明确的分类对象类别和严格的隶属关系

高压 711 电线架 715

管线 :7

地下电力线与电缆 72电力线 71 地下检修井 74管线 73

低压 712 电杆 713 电塔 714

不依比例 7142依比例 7141

空间对象的多源分类编码按空间对象不同特性进行分类并进编码代码之间没有隶属关系，反映对象特性具有较大的信息量，有利于空间分析

按空间对象不同特性进行分类并进编码代码之间没有隶属关系，反映对象特性具有较大的信息量，有利于空间分析

河流特性分类与编码通航情况通航： 1不通航： 2

常年河： 1时令河： 2消失河： 3

< 1 km ： 1 < 2 km ： 2 < 5 km ： 3 < 10 km ： 4 > 10 km ： 5

流水季节 河流宽度河流长度 河流深度

5 ~ 10 m ： 110 ~ 20 m ： 220 ~ 30 m ： 330 ~ 60 m ： 460 ~ 120 m ： 5120 ~300 m ： 6300 ~500 m ： 7>500m ： 8

<1 m ： 11 ~ 2 m ： 22 ~ 5 m ： 35 ~ 20 m ： 420 ~ 50 m ： 5>50m ： 6

11 ：测量控制点 ：测量控制点

1111 ：平面控制点：平面控制点

1212 ：高程控制点：高程控制点

1313 ：其他控制点：其他控制点

11011101 ：三角点：三角点

11021102 ：导线点：导线点

1101111011 ：一等：一等

1101211012 ：二等：二等

1101311013 ：三等：三等

1101411014 ：四等：四等

国土基础信息数据分类与代码举例 国土基础信息数据分类与代码举例

三、矢量数据的输入与编辑三、矢量数据的输入与编辑1. 原图准备 转绘到聚酯薄膜 检查完整性 图幅角点 控制点2.输入初始化参数。图幅长度、宽度，阈值图名 图号 比例尺 地图投影等3.输入数字化图幅四角点的坐标和控制点坐标。4.输入数字化图幅的图形，形成 layer。5.检查和修改数字化错误；6.建立拓扑关系和输入属性；7.检查和修改拓扑错误；8.检查和修改属性表错误。

四、栅格数据的输入与编辑四、栅格数据的输入与编辑 1. 原图准备 转绘到聚酯薄膜 检查完整性 图幅角点 控制点2.扫描地图。3.输入数字化图幅四角点的坐标和控制点坐标。4.输入数字化图幅的图形，形成 layer。5.检查和修改数字化错误；6.建立拓扑关系和输入属性；7.检查和修改拓扑错误；8.检查和修改属性表错误。