第五章空间数据模型5.1GIS的矢量数据结构5.1.1量数据结构失量数据结构是通过记录点坐标的方式，用点、线、面等基本要素尽可能精确地表示各种地理实体。失量数据表示的坐标空间是连续的，因此可以精确的定义地理实体的任意位置、长度、面积等。在失量数据结构中，对于点实体只记录其在某一特定坐标系下的坐标和属性代码。对于线实体就是用一系列足够短的直线段首尾相连表示一条曲线，只记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列。对于面实体而言，长用所谓”多边形“概念来表示一个任意形状，并且边界完全闭合的空间区域。该闭合区域的边界同线实体一样，也由一系列多而短的直线段组成。5.1.2失量数据结构特点1、矢量数据结构直接以几何空间坐标为基础，记录取样点坐标，可以将目标表示得精确无误，数据精度高、存贮空间少2、具有定位明显、属性隐含的特点3、图形运算（叠加运算、邻域搜索等）的算法较栅结构复杂5.1.3点实体的量编码点是空间上不能再分的地理实体，可以是抽象的也可以是具体的点。它的失量编码简单直接，但应将点实体的空间数据和属性数据记录完全
第五章 空间数据模型 5.1 GIS 的矢量数据结构 5.1.1 矢量数据结构 矢量数据结构是通过记录点坐标的方式，用点、线、面等基本要素尽可能精 确地表示各种地理实体。矢量数据表示的坐标空间是连续的，因此可以精确的定 义地理实体的任意位置、长度、面积等。 在矢量数据结构中，对于点实体只记录其在某一特定坐标系下的坐标和属性 代码。对于线实体就是用一系列足够短的直线段首尾相连表示一条曲线，只记录 这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列。对于面实体而言，长用所 谓”多边形“概念来表示一个任意形状，并且边界完全闭合的空间区域。该闭合 区域的边界同线实体一样，也由一系列多而短的直线段组成。 5.1.2 矢量数据结构特点 1、矢量数据结构直接以几何空间坐标为基础，记录取样点坐标，可以将目标表 示得精确无误，数据精度高、存贮空间少 2、具有定位明显、属性隐含的特点 3、图形运算（叠加运算、邻域搜索等）的算法较栅结构复杂 5.1.3 点实体的矢量编码 点是空间上不能再分的地理实体，可以是抽象的也可以是具体的点。它的矢 量编码简单直接，但应将点实体的空间数据和属性数据记录完全
唯一标识码唯一标识码唯一标识码唯一标识码唯一标识码唯一标识码Xy坐标比例简单点一符号方向点实体比例与数据显示和建立方向文本点一字符数据库有关的属性字体版面交会线的指针结点一符号其它属性交会线的夹角点实体的矢量结构表示5.1.4线实体矢量编码线实体主要用来表示线状地物，如道路、河流、地形线等符号线和多边形边界。通常也称为“弧”。它的矢量编码相对来说也是比较简单，其中包括如下内容：1、唯一标识码：用来建立系统的排列序号2、线标识码：用来确定该线的类型3、起、终点：可以用点号或坐标表示4、坐标对序列：确定线的形状，在一定距离内，坐标对越多，则每个小线段最短，且与实体曲线越逼近5、显示信息：显示时采用的文本或符号，如线的虚实、粗细等6、其它非几何属性连通性：线和点一起构成网络，从而产生线与线之间的连接问题，即拓扑关系中的连通性
5.1.4 线实体矢量编码 线实体主要用来表示线状地物，如道路、河流、地形线等符号线和多边形边界。 通常也称为“弧”。它的矢量编码相对来说也是比较简单，其中包括如下内容： 1、唯一标识码：用来建立系统的排列序号 2、线标识码：用来确定该线的类型 3、起、终点：可以用点号或坐标表示 4、坐标对序列：确定线的形状，在一定距离内，坐标对越多，则每个小线段最 短，且与实体曲线越逼近 5、显示信息：显示时采用的文本或符号，如线的虚实、粗细等 6、其它非几何属性 连通性：线和点一起构成网络，从而产生线与线之间的连接问题，即拓扑关 系中的连通性
连通性指的是对弧段连接的判别。这种关系对于路径搜寻以及其它网络应用，如最佳路径计算和全网络流程分析，都是非常重要的。弧始结点终结点结点连楼到结点1213123Ba3a12223b2. 4. 5-65.1.5面实体的矢量编码对于面实体，人们常采用多边形的概念。多边形数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。如行政区、土地类型、植被分布等具有名称属性和分类属性的地理实体均可用多边形来表示。多边形矢量不但要表示空间位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑性质，如相邻、连接、包含等关系。多边形编码要满足以下要求：1、所表示的各多边形应有各自独立的形状、周长和面积等几何指标2、为便于进行空间分析，各多边形拓扑关系的记录方式应一致3、显应能够明确表示区域层次，即多边形的包含关系，如“岛”在“湖”中而“湖”又在更大的“岛”上，形成岛一湖一岛的关系拓扑结构法（其它方法：坐标序列法、层次索引法）所谓拓扑结构是确定各地理实体空间关系的数学方法，主要涉及空间目标的“相邻”、“相连”、“包容”、“在里面”和“在外面”等关系。B3图中：BB一多边形RBiPL一边界弧段PL10P-结点Bs拓扑结构示例V
连通性指的是对弧段连接的判别。这种关系对于路径搜寻以及其它网络应 用，如最佳路径计算和全网络流程分析，都是非常重要的。 5.1.5 面实体的矢量编码 对于面实体，人们常采用多边形的概念。多边形数据是描述地理空间信息的 最重要的一类数据。如行政区、土地类型、植被分布等具有名称属性和分类属性 的地理实体均可用多边形来表示。多边形矢量不但要表示空间位置和属性，更重 要的是能表达区域的拓扑性质，如相邻、连接、包含等关系。多边形编码要满足 以下要求： 1、所表示的各多边形应有各自独立的形状、周长和面积等几何指标 2、为便于进行空间分析，各多边形拓扑关系的记录方式应一致 3、显应能够明确表示区域层次，即多边形的包含关系，如“岛”在“湖”中而 “湖”又在更大的“岛”上，形成岛—湖—岛的关系 拓扑结构法 (其它方法:坐标序列法、层次索引法) 所谓拓扑结构是确定各地理实体空间关系的数学方法，主要涉及空间目标的“相 邻”、“相连”、“包容”、“在里面”和“在外面”等关系
边界线一结点的拓扑关系结点一边界线的拓扑关系边界线起始结点终止结点边界点坐标5555555555(Xp..Yp.)...(Xp,, Y p.)边界结点PPPPPPPL15555053..LI..353.L9L10L2.....边界线多边形的拓扑关系边界线左多边形右多边形B1BEB5553.BT多边形一边界线的拓扑关系B2多边形编号边界线编号饰B2RBBBR333EEB.LLLLL,8BBELsL10LoL.LL, LeLe L,L. L, L.BEB5.2栅格数据栅格数据是最简单、最直接的一种空间数据结构，它是将地面划分均匀的网格，每个网格作为一个象像元，像元的位置由所在的行、列确定，像元所含有的代码表示其属性类型或仅是与其属性记录相联系的指针。在地理信息系统中，扫描数字化数据、遥感数据、数字地面高程数据（DTM）以及矢量一栅格转换数据等都属于栅格数据。在栅格数据中，点用一个像元来表示，线状地物用沿线走向的一组相邻像元来表示。面状地物或区域则用具有相同属性的相邻像元集合表示
5.2 栅格数据 栅格数据是最简单、最直接的一种空间数据结构，它是将地面划分均匀的 网格，每个网格作为一个象像元，像元的位置由所在的行、列确定，像元所含有 的代码表示其属性类型或仅是与其属性记录相联系的指针。在地理信息系统中， 扫描数字化数据、遥感数据、数字地面高程数据（DTM）以及矢量—栅格转换数 据等都属于栅格数据。在栅格数据中，点用一个像元来表示，线状地物用沿线走 向的一组相邻像元来表示。面状地物或区域则用具有相同属性的相邻像元集合表 示
UUU060UUU000000000001600020LUVUV0U-0UULDULUUUUDUU1UU1ILU00UUU00U0UIU10U0U1用栅格像元表示点、线、面实体5.2.1栅格数据编码方法栅格矩阵法：栅格数据是在二维表面山地理一数据的离散量化值。栅格像元组成栅格矩阵，用像元所在的行列号来表示其位置。通常是矩阵左上角开始逐行逐列存贮，记录代码，例如：7, 7, 76, 6, 6, 6, 6, 7, 7, 7, 7, 7, 6, 6, 6, 7, 7, 7, 7, 7, 7, 6, 6, 4, 4, 4, 7, 6, 6, 6, 6, 4,4,4,4,4,66,6,4,4,4,6,6,6,6,6,0,0,4,4,6,6,6,6,0,0,0,0,6,6,0,0链码：它用一个起点和一系列在基本方向上的单位失量描述出线状地物或区域边界。定义基本方向为：动=0，北=1，西=2，南=3则前图代码为6的线状地物表示：1,4,3,2,3,23，0,3,0,3，3其中前两个数字1和4表示起始为第1行第4列，从第3个数字起每个数字表示单位量的方向，数字的上标表示单位（一个栅格像元）向量的前进量。优点：有效的压缩数据，尤其对计算面积或长度或转折方向的凹凸度等经济酸较方便，比较适合存贮图形。缺点：在进行叠加操作时，对边界的合并和插入等修改编辑工作比较困难。另外，相邻边界将被存贮两次而产生数据完余。5.2.2四叉树编码一种更有效地压缩数据的方法是四叉树编码，它是将2*2像元阵列连续地进行4等分，一直分到正方形的大小正好与像元的大小相等为止，它把整个2"*2像元组成的阵列当作树的根结点，树的高度为N级（最多为N级）。每个结点有分别代表西北、东北、西南、东南四个象限的四个分支。四个分支中要么是树叶
5.2.1 栅格数据编码方法 栅格矩阵法：栅格数据是在二维表面山地理一数据的离散 量化值。栅格像 元组成栅格矩阵，用像元所在的行列号来表示其位置。通常是矩阵左上角开始逐 行逐列存贮，记录代码，例如： 7,7,76,6,6,6,6,7,7,7,7,7,6,6,6,7,7,7,7,7,7,6,6,4,4,4,7,6,6,6,6,4, 4,4,4,4,6,6,6,4,4,4,6,6,6,6,6,0,0,4,4,6,6,6,6,0,0,0,0,6,6,0,0。 链码：它用一个起点和一系列在基本方向上的单位矢量描述出线状地物或区 域边界。定义基本方向为：动=0，北=1，西=2，南=3 则前图代码为 6 的线状地 物表示：1,4,3,2,3,2,32 ,0 2 ,3,0,3, 33 其中前两个数字 1 和 4 表示起始为第 1 行第 4 列，从第 3 个数字起每个数字表示单位矢量的方向，数字的上标表示单位 （一个栅格像元）向量的前进量。优点：有效的压缩数据，尤其对计算面积或长 度或转折方向的凹凸度等经济酸较方便，比较适合存贮图形。缺点：在进行叠加 操作时，对边界的合并和插入等修改编辑工作比较困难。另外，相邻边界将被存 贮两次而产生数据冗余。 5.2.2 四叉树编码 一种更有效地压缩数据的方法是四叉树编码，它是将 2*2 像元阵列连续地进 行 4 等分，一直分到正方形的大小正好与像元的大小相等为止，它把整个 2 n *2n 像元组成的阵列当作树的根结点，树的高度为 N 级（最多为 N 级）。每个结点有 分别代表西北、东北、西南、东南四个象限的四个分支。四个分支中要么是树叶
要么是树叉，树叶用方框表示，它说明该1/4范围或全属多边形范围（黑色）或全不属多边形范围即在多边形以外（空心四方块）因此不再划分这个分支；树叉用圆圈表示，它说明该1/4范围内，部分在多边形内，另一部分在多边形外，因而必须继续划分，直到变成树叶为止。根结点00480301046S4Dn140601408666616449919799796889998685-0000四叉树结构.3332.230331105.3GIS的数据结构与转换5.3.1矢量数据的优点为：1、显示图形的质量高，可识性好：2、存贮数据量少；3、应用网络分析可建立完整的拓扑关系；4、显示书记精度高；5、可对图形及其属性进行检索、更新和概括。5.3.2矢量数据的缺点为：1、数据结构较复杂；2、多图叠家操作较困难；3、由于拓扑关系的不同，使得模拟操作苦难：4、数据输出的费用较高；
要么是树叉，树叶用方框表示，它说明该 1/4 范围或全属多边形范围（黑色）或 全不属多边形范围即在多边形以外（空心四方块）因此不再划分这个分支；树叉 用圆圈表示，它说明该 1/4 范围内，部分在多边形内，另一部分在多边形外，因 而必须继续划分，直到变成树叶为止。 5.3 GIS 的数据结构与转换 5.3.1 矢量数据的优点为： 1、显示图形的质量高，可识性好； 2、存贮数据量少； 3、应用网络分析可建立完整的拓扑关系； 4、显示书记精度高； 5、可对图形及其属性进行检索、更新和概括。 5.3.2 矢量数据的缺点为： 1、数据结构较复杂； 2、多图叠家操作较困难； 3、由于拓扑关系的不同，使得模拟操作苦难； 4、数据输出的费用较高；
5、难于进行某些空间分析运算。5.3.3栅格数据的优点为：1、数据结构简单：2、易于与遥感影像和数字摄影测量等数据结合；3、易于进行各种空间操作和空间分析4、易于进行模拟操作；5、有发展潜力。5.3.4栅格数据的缺点为：1、图形数据量大；2、减少数据量要以性精度问前提：3、图形显示的可识性不如矢量结构；4、网络分析较难；5、投影变换较为费时。5.4GIS的空间数据的分层组织5.4.1特点：1、公共的地理定位基础；2、标准化和数字化：3、多维结构。5.4.2基本功能：1、I/O：与外部数据交换功能：2、数据采集功能：多方式输入；3、编辑功能：属性、空间、拓朴：4、查询功能：一般、空间等；5、数据处理、空间分析；
5、难于进行某些空间分析运算。 5.3.3 栅格数据的优点为： 1、数据结构简单； 2、易于与遥感影像和数字摄影测量等数据结合； 3、易于进行各种空间操作和空间分析； 4、易于进行模拟操作； 5、有发展潜力。 5.3.4 栅格数据的缺点为： 1、图形数据量大； 2、减少数据量要以牺牲精度问前提； 3、图形显示的可识性不如矢量结构； 4、网络分析较难； 5、投影变换较为费时。 5.4 GIS 的空间数据的分层组织 5.4.1 特点： 1、公共的地理定位基础； 2、标准化和数字化； 3、多维结构。 5.4.2 基本功能： 1、I/O：与外部数据交换功能； 2、数据采集功能：多方式输入； 3、编辑功能：属性、空间、拓朴； 4、查询功能：一般、空间等； 5、数据处理、空间分析；
6、屏幕显示外设输出；7、数据存储；8、图件编绘等。5.5GIS的空间数据模型5.5.1目标：1、实现资源环境信息的科学管理，提供信息服务：2、实现资源环境信息的综合分析研究；3、进行各种资源的综合评价；4、提供资源规划研究和开发治理的方案：5.5.2主要应用功能：1、量算与统计；2、预测、监测；3、规划与管理；4、辅助决策；5.6矢量--栅格一体化模型5.6.1GIS与CAD、CAM的区别：1、CAD、CAM不能建立地理坐标系和完整地理坐标变换：2、GIS的数据量要比CAD、CAM的数据量大的多，数据结构、数据类型更为复杂；数据间联系紧密（拓扑关系、图形属性）。3、CAD、CAM不具备GIS具有地理意义的空间查询和分析功能5.6.2GIS与DBMS的区别：1、缺乏空间实体定义能力。目前流行的数据库结构，如网络结构、层次结构和关系结构等，都难对地理空间数据结构进行全面、灵活、高效地描述；
6、屏幕显示 外设输出； 7、数据存储； 8、图件编绘等。 5.5 GIS 的空间数据模型 5.5.1 目标： 1、实现资源环境信息的科学管理，提供信息服务； 2、实现资源环境信息的综合分析研究； 3、进行各种资源的综合评价； 4、提供资源规划研究和开发治理的方案； 5.5.2 主要应用功能： 1、量算与统计； 2、预测、监测； 3、规划与管理； 4、辅助决策； 5.6 矢量-栅格一体化模型 5.6.1 GIS 与 CAD、CAM 的区别： 1、CAD、CAM 不能建立地理坐标系和完整地理坐标变换； 2、GIS 的数据量要比 CAD、CAM 的数据量大的多，数据结构、数据类型更为复杂； 数据间联系紧密（拓扑关系、图形属性）。 3、CAD、CAM 不具备 GIS 具有地理意义的空间查询和分析功能 5.6.2 GIS 与 DBMS 的区别： 1、缺乏空间实体定义能力。目前流行的数据库结构，如网络结构、层次结构和 关系结构等，都难对地理空间数据结构进行全面、灵活、高效地描述；
2、缺乏空间关系查询能力。目前通用DBMS的查询难以实现对方位、距离、包容、相邻、空间覆盖关系的查询；3、缺乏对海量数据的管理能力
2、缺乏空间关系查询能力。目前通用 DBMS 的查询难以实现对方位、距离、包容、 相邻、空间覆盖关系的查询； 3、缺乏对海量数据的管理能力