第二章--地理信息系统的数据结构课件.ppt

第二章第二章 地理信息系统的数据结构地理信息系统的数据结构包括地理空间定位包括地理空间定位框架及其所联结的框架及其所联结的特征实体，其中地特征实体，其中地理空间定位框架，理空间定位框架，由平面控制网和高由平面控制网和高程控制网组成。程控制网组成。 珠穆朗玛峰与太平洋的马里亚纳海沟之间高差近珠穆朗玛峰与太平洋的马里亚纳海沟之间高差近2020kmkm。 地球南北半径之差仅在几十米范围内，相比地球极半径地球南北半径之差仅在几十米范围内，相比地球极半径与赤道半径之差（与赤道半径之差（20公里）是十分微小的。公里）是十分微小的。 它是一个规则的它是一个规则的数学表面，所以人数学表面，所以人们视其为地球体的们视其为地球体的数学表面，也是对数学表面，也是对地球形体的二级逼地球形体的二级逼近近，用于测量计算，用于测量计算的基准面。的基准面。即人们假想，将大地体即人们假想，将大地体绕短轴飞速旋转，形成绕短轴飞速旋转，形成一个表面光滑的球体，一个表面光滑的球体，即旋转椭球体即旋转椭球体Equatorial AxisPolar AxisNorth PoleSouth PoleEquatorabWGS world geodetic system 84 ellipsoid:a = 6 378 137mb = 6 356 752.3mequatorial diameter（赤道直径） = 12 756.3kmpolar diameter（极径） = 12 713.5kmequatorial circumference（周长） = 40 075.1kmsurface area = 510 064 500km2 a - b 6378137 - 6356752.3f = = a 6378137 1 = 298.257 f对对 a，b，f 的具体测定就是近代的具体测定就是近代大地测量的一项重要工作。大地测量的一项重要工作。空间参考系统 GIS的研究对象是具有空间内涵的地理数据。地理数的研究对象是具有空间内涵的地理数据。地理数据与其位置的识别联系在一起，它是通过公共的地理基础据与其位置的识别联系在一起，它是通过公共的地理基础统一的空间参考系统来实现。统一的空间参考系统来实现。33%33%67%67%主要是顾及投影变形、作为历史沿续、主要是顾及投影变形、作为历史沿续、为了使用方便和便于资料保密等；为了使用方便和便于资料保密等；地方系统地方系统国家坐标系统国家坐标系统我国我国1954年完成了北京天文原点的测定工作，建立了年完成了北京天文原点的测定工作，建立了1954年北京年北京坐标系。坐标系。1954年北京坐标系是原苏联年北京坐标系是原苏联1942年普尔科沃坐标系在我年普尔科沃坐标系在我国的延伸，但略有不同，其要点是：国的延伸，但略有不同，其要点是：v属参心大地坐标系；属参心大地坐标系；v采用克拉索夫斯基椭球参数（采用克拉索夫斯基椭球参数（a=a=6878245m， = 1：298.3）；）；v多点定位；多点定位；vx = y = z；v大地原点是原苏联的普尔科沃；大地原点是原苏联的普尔科沃；v大地点高程是以大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准；高程异常是以原苏联准；高程异常是以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为水准年大地水准面重新平差结果为水准起算值，按我国天文水准路线推算出来的；起算值，按我国天文水准路线推算出来的；v1954年北京坐标系建立后，年北京坐标系建立后，30多年来用它提供的大地点成果是多年来用它提供的大地点成果是局部平差结果（制作了国家系列比例尺地形图）。局部平差结果（制作了国家系列比例尺地形图）。 大地坐标确定后，空间一点的大地坐标确定后，空间一点的大地坐标用大地坐标用大地经度大地经度L L、大地纬大地纬度度B B和大地高度和大地高度H H表示表示。如右图如右图所示，地面上的点所示，地面上的点P P地地的大地子的大地子午面午面NPSNPS与起始大地子午面所构与起始大地子午面所构成的二面角成的二面角L L，叫点叫点P P地地的大地经的大地经度。点度。点P P地地对于椭球的法线对于椭球的法线P P地地K Kp p与赤道面的夹角与赤道面的夹角B B，叫做点叫做点P P地地的的大地纬度。点大地纬度。点P P地地沿法线到椭球沿法线到椭球面的距离面的距离H H叫做大地高，从椭球叫做大地高，从椭球面起算，向外为正，向内为负面起算，向外为正，向内为负。 自自1952年起，我国将其作为国家大地测年起，我国将其作为国家大地测量和地形图的基本投影，亦称为主投影。量和地形图的基本投影，亦称为主投影。 为了便于地形图的量测作业，在高斯为了便于地形图的量测作业，在高斯克吕格投影带内布克吕格投影带内布置了平面直角坐标系统。置了平面直角坐标系统。具体构成方法是具体构成方法是：规定以中央经线为：规定以中央经线为X X轴，赤道为轴，赤道为Y Y轴，中央经线与赤道交点为坐标原点。同时规定，轴，中央经线与赤道交点为坐标原点。同时规定，x x值在北半球为正，南半球为负；值在北半球为正，南半球为负；y y值在中央经线以东为正，中值在中央经线以东为正，中央经线以西为负。由于我国疆域均在北半球，央经线以西为负。由于我国疆域均在北半球，x x值皆为正值。为值皆为正值。为避免避免y y使出现负值，还规定各投影带的坐标纵轴均西移使出现负值，还规定各投影带的坐标纵轴均西移500km500km，中央经线上原横坐标值由中央经线上原横坐标值由0 0变为变为500km500km。 基于高斯基于高斯克吕格投影各投影带的划分方法相同，各带经克吕格投影各投影带的划分方法相同，各带经纬线交点坐标成果相同并且可以通用，因此由国家测绘主管部纬线交点坐标成果相同并且可以通用，因此由国家测绘主管部门根据国家基本地形图比例尺系列，计算制成高斯门根据国家基本地形图比例尺系列，计算制成高斯克吕格投克吕格投影坐标成果表，提供各部门使用。影坐标成果表，提供各部门使用。yA = 245 863.7 myB = - 168 474.8 myA通 = 20 745 863.7 myB通 = 20 331 525.2 m（a）测量平面直角坐标系测量平面直角坐标系（b）数学平面直角坐标系数学平面直角坐标系 为不使坐标系出现负值，它通常将某测区的坐为不使坐标系出现负值，它通常将某测区的坐标原点设在测区西南角某点，以真北方向或主要建标原点设在测区西南角某点，以真北方向或主要建筑物主轴线为纵轴方向，而以垂直于纵坐标轴的直筑物主轴线为纵轴方向，而以垂直于纵坐标轴的直线定为横坐标轴，构成平面直角坐标系；也可假设线定为横坐标轴，构成平面直角坐标系；也可假设测区中某点的坐标值，以该点到另一点方位角作为测区中某点的坐标值，以该点到另一点方位角作为推算其它各点的起算数据，实际上也构成了一个平推算其它各点的起算数据，实际上也构成了一个平面直角坐标系。面直角坐标系。 上述平面直角坐标系的原点和纵轴方向选定了上述平面直角坐标系的原点和纵轴方向选定了的值常用于小型测区的测量，它不与国家统一坐标的值常用于小型测区的测量，它不与国家统一坐标系相连，因此系相连，因此称为任意坐标系或独立坐标系称为任意坐标系或独立坐标系，我国我国大部分城市均采用独立坐标系。大部分城市均采用独立坐标系。国家坐标系和独立坐标系的变换国家坐标系和独立坐标系的变换 空间点的高程是以大地水准面为基准来建立空间点的高程是以大地水准面为基准来建立的的。我国曾规定采用青岛验潮站求得的。我国曾规定采用青岛验潮站求得的19561956年黄海年黄海平均海水面，作为我国统一的高程基准。凡由该基平均海水面，作为我国统一的高程基准。凡由该基准面起算的高程在工程和地形测量中均属于准面起算的高程在工程和地形测量中均属于19561956年年黄海高程系。从黄海高程系。从19851985年起，我国开始改用年起，我国开始改用“19851985年年国家高程基准国家高程基准”，凡由该基准起算的高程在工程和，凡由该基准起算的高程在工程和地形测量中均属于地形测量中均属于19851985年黄海高程系统。年黄海高程系统。19851985年国年国家高程基准比家高程基准比19561956年国家高程基准高年国家高程基准高 0.029m 0.029m高程系统 在建立数字城市时，若需采用不同高程基准的地在建立数字城市时，若需采用不同高程基准的地形图或工程图作为基准数据时，应将高程系统全部统形图或工程图作为基准数据时，应将高程系统全部统一到一到1985年国家高程基准上。年国家高程基准上。 在缺少基本高程控制网的地区，不仅可建立独立在缺少基本高程控制网的地区，不仅可建立独立平面直角坐标系，也可建立局部高程系统。凡不按平面直角坐标系，也可建立局部高程系统。凡不按1956年黄海平均海水面或年黄海平均海水面或1985年国家高程基准作为高年国家高程基准作为高程起算数据的高程系统均称为程起算数据的高程系统均称为局部高程系统局部高程系统。 设局部高程系统的高程原点起算数据为设局部高程系统的高程原点起算数据为H局局，与，与国家高程控制网联测的高程原点高程为国家高程控制网联测的高程原点高程为H联联，高程原，高程原点的高程改正值为点的高程改正值为H，则：则： H = H局局 H联联 原点在地球质心；原点在地球质心； Z轴指向轴指向BIH1984.0定义的协议地球极定义的协议地球极 （CTP）方向；方向； X轴指向轴指向BIH1984.0的零子午面和的零子午面和CTP 赤道交点；赤道交点； Y轴与轴与Z轴，轴，X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。 WGS- 84WGS- 84地心坐标系统及其与国家坐标系的转换地心坐标系统及其与国家坐标系的转换 WGS-84是美国国防部研制确定的，其几何定义为：是美国国防部研制确定的，其几何定义为： GPS定位所得的结果都属于定位所得的结果都属于WGS-84地心坐标系统地心坐标系统。 工程上实用的大多是国家坐标系或是独立坐标系。工程上实用的大多是国家坐标系或是独立坐标系。 目前我国已在建立全国高精度的目前我国已在建立全国高精度的GPS控制网。控制网。进行地区性进行地区性GPS测量时：测量时： 已知已知( (至少至少) )一点高精度一点高精度GPS成果，以此作为全成果，以此作为全网的起算数据，以相对定位法可得到网点的高精度网的起算数据，以相对定位法可得到网点的高精度WGS-84坐标系与国家坐标系之间的转换参数，进而坐标系与国家坐标系之间的转换参数，进而得到国家坐标系成果。得到国家坐标系成果。 另一种方法是进行另一种方法是进行GPS基线向量网的约束平差，基线向量网的约束平差，将地面网中的坐标、边长和方位角作为将地面网中的坐标、边长和方位角作为GPSGPS基线向量基线向量网的基准而直接得到平差后国家坐标系的成果。网的基准而直接得到平差后国家坐标系的成果。WGS-84国家坐标系国家坐标系 有如下几种类型：有如下几种类型：PointPoint：有特定位置，维数为：有特定位置，维数为0 0的实体；的实体；实体点实体点Entity pointEntity point：用来代表一个实体；：用来代表一个实体； 注记点注记点Text pointText point：用于定位注记；：用于定位注记；内点内点Test pointTest point：用于负载多边形的属性，：用于负载多边形的属性，存在于多边形内；存在于多边形内；节点节点NodeNode：表示线的终点和起点；：表示线的终点和起点；角点角点VertexVertex：表示线段和弧段的内部点。：表示线段和弧段的内部点。实体的类型（实体的类型（1 1）线状实体类型线状实体类型面状实体类型面状实体类型立体状实体立体状实体 立体状实体用于描述三维空间中的立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性。等属性。l 体积，如工程开掘和填充的土方量；体积，如工程开掘和填充的土方量；l 每个二维平面的面积；每个二维平面的面积；l 周长周长l 内岛或锯齿状外形；内岛或锯齿状外形；l 含有孤立块或相邻块；含有孤立块或相邻块；l断面图与剖面图。断面图与剖面图。实体的类型（实体的类型（4 4）n实体类型组合实体类型组合 现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空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：间单元组合而成，例如：1 1）根据某些空间单元，可以将空间问题表达出来，）根据某些空间单元，可以将空间问题表达出来，有时一个特殊任务需要几种空间单元来描述；有时一个特殊任务需要几种空间单元来描述；2 2）复杂实体有可能由不同维数和类型的空间单元组）复杂实体有可能由不同维数和类型的空间单元组合而成；合而成；3 3）某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一）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；个复合实例；4 4）某一类型的空间实体或以转换为另一类型；）某一类型的空间实体或以转换为另一类型；5 5）某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的）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。维数组合而成。 下图是不同空间单元组合的现象：下图是不同空间单元组合的现象： 实体类型组合实体类型组合不同时间的处理方法不同时间的处理方法空间实体在空间实体在GISGIS中的单一特征表示中的单一特征表示注：注：（3，3）可用于表示一个点的位）可用于表示一个点的位置。置。（1，7），）， （3，5），）， （5，5），）， （5，3），）， （6，1），可），可用于表示一条线。用于表示一条线。（3，10），）， （6，9），）， （7，10），）， （10，7），）， （9，5），）， （4，6），），（3，8），）， （3，10）可用于表）可用于表示示 一个多边形。一个多边形。 注意第一个坐标和最后一个注意第一个坐标和最后一个坐标相同，因为多边形总是封闭坐标相同，因为多边形总是封闭的。的。空间实体在空间实体在GISGIS中的多种特征表示中的多种特征表示3、带有属性的空间特征的表示 表示道路的一组线特征的属性包括：道路类型：1=分隔行驶的公路 2=干线公路 3=主要公路 4=住宅区街道 5=未铺完的公路路面材料：混凝土、柏油、砾石路面宽度：以米计量道路名称：计数 在GIS系统中可有如下的描述：道路类型 长度 路面材料 宽度行人道路 道路名称 2 2715.5 混凝土 52 4 八一路空间实体在地理信息系统中的表示（空间实体在地理信息系统中的表示（3 3）坐标表示和属性表示之间共的是同一识别码坐标表示和属性表示之间共的是同一识别码湖泊河道居民地流路栅格栅格uGISGIS的空间数据的空间数据数据（数据（MetadataMetadata），是关于数据），是关于数据的数据（的数据（Data About DataData About Data），是说），是说明数据内容、质量、状况和其他明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。有关特征的背景信息。在地理信息系统应用中，元数据的主要作用有：在地理信息系统应用中，元数据的主要作用有：1 1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立）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；数据文档；2 2）提供有关数据生产单位、数据存储、数据分类、数据）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、数据交换网络及数据销售等方面的信内容、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；息，便于用户查询检索地理空间数据；3 3）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做）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；出正确的判断；4 4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。 元数据是使数据充分发挥作用的重要条件之一，对元数据是使数据充分发挥作用的重要条件之一，对于促进数据的管理、使用和共享均有重要的作用。于促进数据的管理、使用和共享均有重要的作用。数据结构分类(1) 矢量数据：用欧氏空间的点、线、面矢量数据：用欧氏空间的点、线、面等几何元素来表达空间实体的几何特征等几何元素来表达空间实体的几何特征的数据。的数据。(2) 栅格数据：将空间分割成有规则的网栅格数据：将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来格，在各个网格上给出相应的属性值来表示空间实体的一种数据组织形式。表示空间实体的一种数据组织形式。数据几何特征分类数据几何特征分类点点：对：对0维的空间实体的抽象数据，如三角点，维的空间实体的抽象数据，如三角点，灯塔等。灯塔等。线线：对：对1维线性的空间实体的抽象数据，如河维线性的空间实体的抽象数据，如河流、道路等。流、道路等。面面：对：对2维平面的空间实体的抽象数据，如湖维平面的空间实体的抽象数据，如湖泊，行政区等。泊，行政区等。曲面曲面：对在面上连续分布的空间实体的抽象数：对在面上连续分布的空间实体的抽象数据，常称据，常称2.5D数据，如地形、气温等。数据，如地形、气温等。体体：对：对3维的空间实体的抽象数据，如地质构维的空间实体的抽象数据，如地质构造等。造等。数据发布形式分类数据发布形式分类（1 1）数字线画图（）数字线画图（DLGDLG）数据：）数据：是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。 （2 2）数字栅格图（）数字栅格图（DRGDRG）数据：）数据： 是根据现是根据现有纸质、胶有纸质、胶片等地形图片等地形图经扫描和几经扫描和几何纠正及色何纠正及色彩校正后，彩校正后，形成在内容形成在内容、几何精度、几何精度和色彩上与和色彩上与地形图保持地形图保持一致的栅格一致的栅格数据集。数据集。（3 3）数字高程模型（）数字高程模型（DEMDEM）数据：）数据：它是用一组它是用一组有序数值阵有序数值阵列形式表示列形式表示地面高程的地面高程的一种实体地一种实体地面模型，是面模型，是数字地形模数字地形模型型(Digital Terrain Model）的）的一个分一个分 支。支。 （4 4）数字正射影像（）数字正射影像（DOMDOM）数据：）数据：是对遥感像是对遥感像片进行数字片进行数字微分纠正和微分纠正和镶嵌，按一镶嵌，按一定图幅范围定图幅范围裁剪生成的裁剪生成的数字正射影数字正射影像数据。它像数据。它是同时具有是同时具有地图几何精地图几何精度和影像特度和影像特征的图像。征的图像。 上海市正射影像图上海市正射影像图P3C5N1C1P4P1P2C2C7C6C4C3N2N3N4三条不同分布状态的交通线，描述三条交通线在平面上的位三条不同分布状态的交通线，描述三条交通线在平面上的位置（位置信息）。置（位置信息）。三条具有关联关系的交通线，说明三条交通线如何连接（拓三条具有关联关系的交通线，说明三条交通线如何连接（拓扑信息）扑信息）三条分别具有不同等级的交通线，说明交通线的等级状况三条分别具有不同等级的交通线，说明交通线的等级状况（属性信息）。（属性信息）。空间数据空间数据空间特征数据空间特征数据属性特征数据属性特征数据定位数据定位数据拓扑数据拓扑数据专题属性数据专题属性数据时间数据时间数据因此，空间数据的特征可以概括为空间因此，空间数据的特征可以概括为空间特征和属性特征。特征和属性特征。1.1.拓扑的来源拓扑的来源 “ “拓扑（拓扑（TopologyTopology）”一词来自希腊文，它的原意是一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。拓扑属性。例子例子：设想一块高质量的橡皮，它的表面是欧几里的平面，这块橡皮可以任意被拉伸、压缩，但是不能够被扭转或折叠。在橡皮的表面上有由节点、弧、环、面组成的可能任意图形。我们对橡皮进行拉伸、压缩，在橡皮进行这些变换的过程中，图形的一些属性消失，一些属性将继续保持存在。设想象皮表面有一个多边形，里面有一个点。当拉伸、压缩橡皮时，点依旧在多边形中，点和多边形的位置关系不会发生变化，但是多边形的面积会发生变化。所以：“点的内置点的内置”是拓扑属性，而面积面积不是拓扑属性，拉伸和压缩就是拓扑变换拓扑变换。地理要素之间的部分拓扑空间关系地理要素之间的部分拓扑空间关系拓扑结构拓扑结构 是明确定义空间结构关系的一种数学方法。 在GIS中不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要意义。空间数据的拓扑关系包括：拓扑邻接：空间图形拓扑邻接：空间图形 元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。拓扑关联：空间图形拓扑关联：空间图形 元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。拓扑包含：空间图形拓扑包含：空间图形 元素之间的拓扑元素之间的拓扑关系。关系。同同 类类不同类不同类同类不同级同类不同级拓扑关系（拓扑关系（topological topological relationrelation）指满足拓扑几何原理）指满足拓扑几何原理的各空间数据间的相互关系。的各空间数据间的相互关系。即用节点、弧段和多边形所表即用节点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联和示的实体之间的邻接、关联和包含等关系。包含等关系。N2C1C3C6C5C4C7C2P1P2P3P4N4N3N5N1拓扑邻接：拓扑邻接：N N1 1/ /N N2 2 , ,N N1 1/ /N N3 3 , ,N N1 1/ /N N4 4 ; ;P P1 1/ /P P3 3 ; ;P P2 2/ /P P3 3，拓扑关联：拓扑关联：N N1 1/C/C1 1、C C3 3 、C C6 6 ；P P1 1/C/C1 1、C C5 5 、C C6 6 ，拓扑包含：拓扑包含：P P2 2与与P P4 4空间数据的空间数据的拓扑关系拓扑关系N2C1C3C6C5C4C7C2P1P2P3P4N4N3N5N1节点与弧段的拓扑关系节点与弧段的拓扑关系N2C1C3C6C5C4C7C2P1P2P3P4N4N3N5N1弧段与节点的拓扑关系弧段与节点的拓扑关系弧段与多边形的拓扑关系弧段与多边形的拓扑关系N2C1C3C6C5C4C7C2P1P2P3P4N4N3N5N1N2C1C3C6C5C4C7C2P1P2P3P4N4N3N5N1多边形与弧段的拓扑关系多边形与弧段的拓扑关系P2P1P3P4N5N1N2N3N6N4C1C2C3C5C4每个弧段的空间特征和属性特征通过用户标识码进行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。空间数据的这种表示方式是以地理实体相邻两联接。空间数据的这种表示方式是以地理实体相邻两个节点间的一个弧段作为基本存储目标，每个弧段都个节点间的一个弧段作为基本存储目标，每个弧段都是有向弧段。是有向弧段。矢量模式矢量模式 栅格模式栅格模式 真实世界真实世界根据常用的公式就根据常用的公式就可以测量点之间的可以测量点之间的距离及方向，这个距离及方向，这个带坐标的空间模型带坐标的空间模型叫做欧氏空间叫做欧氏空间实体数据结构实体数据结构空间数据按照空间数据按照以基本的空间对象（点、线或多边形）以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织为单元进行单独组织，不含拓扑关系数据，最典型，不含拓扑关系数据，最典型的是面条结构。（的是面条结构。（如图如图）1.数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。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和存储两次，造成数据冗余和不一致。被数字化和存储两次，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。据，互相之间不关联。4.岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。返回返回拓扑数据结构拓扑数据结构 拓扑数据结构是具有拓扑结构的矢量结构。拓扑数据结构是具有拓扑结构的矢量结构。（如图如图）在这种结构中，点是相互独立的，点）在这种结构中，点是相互独立的，点连成线，线构成面。弧段或链段是数据组织的连成线，线构成面。弧段或链段是数据组织的基本对象；拓扑数据结构最重要的技术特征和基本对象；拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编多边形连接编辑辑和和节点连接编辑节点连接编辑，前者指顺序连接组成封闭，前者指顺序连接组成封闭多边形一组线段的编辑，后者指顺序连接环绕多边形一组线段的编辑，后者指顺序连接环绕某个节点所有多边形的编辑。某个节点所有多边形的编辑。C4N4C8C6C7N6C10N3C3N1C2N2C1C5N5C9N7矢量数据图形基本元素矢量数据图形基本元素节点弧段岛多边形N1节点码C1弧段码P1多边形两条以上的弧段相交的点称为节点构成多边形的线称为弧段由一条弧段组成的多边形称为岛拓扑数据结构的弧段文件构成拓扑数据结构的弧段文件构成返回返回l多边形连接编辑多边形连接编辑如需要对图中如需要对图中P P1 1进行编辑进行编辑, ,算法过程如下：算法过程如下：从上表的弧段文件中，检出与当前编从上表的弧段文件中，检出与当前编辑的多边形辑的多边形p p1 1相关的所有记录：相关的所有记录：在检出的记录中，计算机检查当前编辑的多边形在检出的记录中，计算机检查当前编辑的多边形p p1 1所处的位置：所处的位置：如果如果p p1 1位在左多边形位置，将之与位于右多边形位置的多边形位在左多边形位置，将之与位于右多边形位置的多边形相交换，同时也将该记录的节点号位置作相应的变换；反之，相交换，同时也将该记录的节点号位置作相应的变换；反之，不作改变。得出下表：不作改变。得出下表：C4N4C8C6C7N6C10N3C3N1C2N2C1C5N5C9N7从经过代码位置转换的记录中，任取一个起节点为起点，从经过代码位置转换的记录中，任取一个起节点为起点，顺序连接各个节点，使连接的节点能自行封闭，下图所示：顺序连接各个节点，使连接的节点能自行封闭，下图所示： 依以上的步骤直到所有的多边形都经过编辑和修改，再依以上的步骤直到所有的多边形都经过编辑和修改，再转入节点连接编辑。转入节点连接编辑。l节点连接编辑节点连接编辑如需要对图中如需要对图中NN2 2进行编辑进行编辑, ,算法过程如下：算法过程如下：从上表的弧段文件中，检出与当前编从上表的弧段文件中，检出与当前编辑的节点辑的节点NN2 2相关的所有记录：相关的所有记录：在检出的记录中，计算机检查当前编辑的节点在检出的记录中，计算机检查当前编辑的节点NN2 2所处的位置：所处的位置：如果如果NN2 2位在起始点位置，将之与位于终节点位置的多节点号位在起始点位置，将之与位于终节点位置的多节点号相交换，同时也将该记录的多边形号位置作相应的变换；反之，相交换，同时也将该记录的多边形号位置作相应的变换；反之，不作改变。得出下表：不作改变。得出下表：C4N4C8C6C7N6C10N3C3N1C2N2C1C5N5C9N7从经过代码位置转换的记录中，任取一个左多边形作为起点，从经过代码位置转换的记录中，任取一个左多边形作为起点，顺序连接各个多边形，使连接的多边形能首尾呼应，下图所示：顺序连接各个多边形，使连接的多边形能首尾呼应，下图所示： 依以上的步骤直到所有的节点都经过编辑和修改，才能将该弧依以上的步骤直到所有的节点都经过编辑和修改，才能将该弧段文件用于节点文件和多边形文件的自动生成以及数据库建立。段文件用于节点文件和多边形文件的自动生成以及数据库建立。曲面数据结构曲面数据结构 常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，也称为表面，也称为TINTIN（Triangle Irregular NetworkTriangle Irregular Network）数据结构，常用于数字地形表示。（数据结构，常用于数字地形表示。（如图如图） 基本原则：基本原则：1.在形成的三角形网格中，扩展点与扩展边两点连线的在形成的三角形网格中，扩展点与扩展边两点连线的夹角最大（一般通过余弦定理进行判断）；夹角最大（一般通过余弦定理进行判断）；2.2.三角网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保三角网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最邻近的点构成的三角形的边长之和最小证由最邻近的点构成的三角形的边长之和最小。狄洛尼（狄洛尼（DelaunayDelaunay）三角）三角网网NVVVV,.,21基于面模型的准基于面模型的准3D3D空间构模空间构模TINTIN模型模型法法 用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码，在图中的矩形区域，中心点码，在图中的矩形区域，中心点O落在代码为落在代码为C的地物范围的地物范围内，按中心点法的规则，该矩形区域相应的栅格单元代码内，按中心点法的规则，该矩形区域相应的栅格单元代码为为C，中心点法常用于具有连续分布特性的地理要素，如，中心点法常用于具有连续分布特性的地理要素，如降雨量分布、人口密度图等。降雨量分布、人口密度图等。 以占矩形区域面积最大的地物以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代类型或现象特性决定栅格单元的代码，在图中，显见码，在图中，显见B类地物所占面类地物所占面积最大，故相应栅格代码定为积最大，故相应栅格代码定为B。面积占优法常用于分类较细，地物面积占优法常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况。类别斑块较小的情况。 根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元代码，假设图中型决定相应的栅格单元代码，假设图中A类最重要的地物类最重要的地物类型，即类型，即A比比B和和C类更为重要，则栅格单元的代码应为类更为重要，则栅格单元的代码应为A。重要性法常用于具有特殊意义而面积较小的地理要素，特重要性法常用于具有特殊意义而面积较小的地理要素，特别是点、线状地理要素，如城镇、交通枢纽、交通线、河别是点、线状地理要素，如城镇、交通枢纽、交通线、河流水系等，在栅格中代码应尽量表示这些重要地物。流水系等，在栅格中代码应尽量表示这些重要地物。 当覆盖的格网过中心部位时，横当覆盖的格网过中心部位时，横线占据该格中的大部分长度的属性线占据该格中的大部分长度的属性值定为该栅格的代码。值定为该栅格的代码。 栅格数据的应用模型栅格数据的应用模型n栅格矩阵结构栅格矩阵结构栅格矩阵结构是指一种全栅格阵列的空间数据组织形式：栅格矩阵结构是指一种全栅格阵列的空间数据组织形式：275这种结构需要很大的存储空间，而且随着空间分辨率这种结构需要很大的存储空间，而且随着空间分辨率的提高，存储空间成几何级数递增，因此，栅格数据的提高，存储空间成几何级数递增，因此，栅格数据压缩是栅格数据结构所需要解决的重要任务之一。压缩是栅格数据结构所需要解决的重要任务之一。n游程编码结构游程编码结构游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。除数据间的冗余。方法：将栅格矩阵的数据序列方法：将栅格矩阵的数据序列X X1 1X X2 2 X Xn n，映射为相应的二元，映射为相应的二元组序（组序（A Ai i，P Pi i），），i=1,k,i=1,k,且且K nK n。其中，。其中，A A为属性值，为属性值，P P为游程，为游程，K K为游程序号。为游程序号。二元映射游程编码能否压缩数据量，主要决定于栅格数据的性游程编码能否压缩数据量，主要决定于栅格数据的性质，通常可通过事先测试，估算图层的数据冗余度质，通常可通过事先测试，估算图层的数据冗余度Re：式中：式中：Q为图层相邻属性值变化次数的累加和；为图层相邻属性值变化次数的累加和； m为图层网格的行数；为图层网格的行数； n为图层网格的列数。为图层网格的列数。当当Re的值大于的值大于 的情况下，表明栅格数据的压缩可的情况下，表明栅格数据的压缩可取得明显的效果。其压缩效果，可由压缩比取得明显的效果。其压缩效果，可由压缩比 来表征，即压缩比的值愈大，表示压缩效果显著。来表征，即压缩比的值愈大，表示压缩效果显著。KnmS/n四叉树数据结构四叉树数据结构 原理：原理：将空间区域按照四个象限进行递归将空间区域按照四个象限进行递归分割（分割（2 2n n2 2n n，且，且n1n1），直到子象限的数），直到子象限的数值单调为止。值单调为止。根节点：根节点：最上面的一个节点，它对应于整个最上面的一个节点，它对应于整个图形。图形。叶节点：叶节点：不能再分的节点，可能落在不同的不能再分的节点，可能落在不同的层上，代表子象限单一的代码，所有叶节点层上，代表子象限单一的代码，所有叶节点所代表的方形区域覆盖了整个图形。所代表的方形区域覆盖了整个图形。1 1）容易而有效地计算多边形的数量特征；）容易而有效地计算多边形的数量特征；2 2）阵列各部分的分辩率是可变的，边界复杂部分）阵列各部分的分辩率是可变的，边界复杂部分分级多，分辩率也高，而不需表示许多细节的分级多，分辩率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辩率低，因而既可精确表示部分则分级少，分辩率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；图形结构又可减少存贮量；3 3）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的比其）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的比其它压缩方法容易；它压缩方法容易；4 4）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。 转换的不定性转换的不定性建立四叉树有两种方法：自上而下方式（建立四叉树有两种方法：自上而下方式（top-top-downdown）和自下而上方式）和自下而上方式(bottom-up)(bottom-up)。 常规四叉树（常规四叉树（CQTCQT）通常每个节点存储）通常每个节点存储6 6个量，个量，4 4个个子节点指针、一个父节点指针和一个节点值；线性编子节点指针、一个父节点指针和一个节点值；线性编码四叉树（码四叉树（LQTLQT）通常每个节点存储）通常每个节点存储3 3个量：地址、个量：地址、深度和节点值。深度和节点值。 常规四叉树编码的存储算法和线性四叉树编码的存常规四叉树编码的存储算法和线性四叉树编码的存储方法通常都是采用自下而上方式；线性四叉树只存储方法通常都是采用自下而上方式；线性四叉树只存储三个值比常规四叉树节省储量，但常规四叉树在处储三个值比常规四叉树节省储量，但常规四叉树在处理上更简便和灵活，特别是对数据检索、多要素叠合理上更简便和灵活，特别是对数据检索、多要素叠合分析以及求物体间的空间关系等等操作。分析以及求物体间的空间关系等等操作。n八插树结构八插树结构 二维的坐标系对于像矿山开采中的地下资源埋藏和采二维的坐标系对于像矿山开采中的地下资源埋藏和采矿巷道的空间分布无法很好表达。因此可用三位坐标数矿巷道的空间分布无法很好表达。因此可用三位坐标数据来进行表示，较好的数据结构方式是在四插树基础上据来进行表示，较好的数据结构方式是在四插树基础上发展起来的八插树。发展起来的八插树。八插树结构原理：八插树结构原理：将空间区域不断地分解为八个同样大将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域（即将一个六面立方体再分解为八个相同大小的子区域（即将一个六面立方体再分解为八个相同大小的小立方体），分解的次数越多，子区域就越小，一小的小立方体），分解的次数越多，子区域就越小，一直到同一区域的属性单一为止。直到同一区域的属性单一为止。从下向上合并方式从下向上合并方式：向按一定的分辨率将三维空间划分向按一定的分辨率将三维空间划分为三维栅格网，然后按规定的