第二章-2 空间数据结构的类型资料

二章空间数据结构及编码在当今数字化的时代，空间数据的处理和管理变得越来越重要。

空间数据结构及编码作为地理信息系统（GIS）、计算机图形学等领域的基础，对于有效地存储、组织和检索空间数据起着关键作用。

首先，让我们来理解一下什么是空间数据。

简单来说，空间数据就是具有空间位置和几何特征的数据，比如地图上的点、线、面等要素。

这些数据不仅包含了位置信息，还可能包括属性信息，如土地利用类型、建筑物高度等。

空间数据结构则是指空间数据在计算机中的组织方式。

常见的空间数据结构有矢量数据结构和栅格数据结构。

矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等几何对象。

例如，一个点可以用一对坐标（x, y）来表示，一条线可以由一系列有序的坐标对来定义，而一个面则是由一个封闭的线来界定。

矢量数据结构的优点在于数据精度高、存储空间小、便于进行几何变换和拓扑分析。

但它在处理复杂的空间关系和大规模数据时，计算量可能较大。

相比之下，栅格数据结构将空间区域划分为规则的网格单元，每个单元对应一个数值。

这种结构适合表示连续变化的数据，如地形高程、温度分布等。

栅格数据结构的处理相对简单，但数据冗余度较高，精度可能会受到网格大小的限制。

在实际应用中，选择合适的空间数据结构取决于具体的需求和数据特点。

如果需要精确表示地理要素的形状和边界，矢量数据结构可能更合适；而对于大面积的、连续变化的数据，栅格数据结构可能更为有效。

接下来，我们谈谈空间数据编码。

空间数据编码的目的是为了提高数据存储和传输的效率，便于数据的管理和处理。

常见的空间数据编码方法有很多。

比如，对于矢量数据，常见的编码方式有坐标序列编码、多边形编码等。

坐标序列编码直接记录点的坐标，简单直观，但存储空间较大。

多边形编码则通过一些规则来减少数据存储量，提高处理效率。

对于栅格数据，常见的编码方式有直接编码、行程编码、四叉树编码等。

直接编码就是将每个网格单元的值直接存储，简单但效率低。

行程编码通过记录相同值的连续段来压缩数据。

§2.1 地理实体及其描述地理信息系统是以地理实体作为描述、反映现实世界中空间对象的单体。

在地理信息系统中需要描述地理实体的名称、位置、形状、功能等内容，这些内容反映了地理实体的时间、空间和属性三种特性，其中空间特性是地理信息所特有的，也是造成空间数据结构和数据库模型异常复杂的原因所在。

此外，实体间的空间关系对空间查询和分析具有重要意义。

一、地理系统和地理实体介绍地理系统和地理实体的概念。

二、实体的描述及存储介绍空间实体描述的内容，空间数据的基本特征、空间数据类型和空间数据存储方式。

三、实体的空间特征空间特征是地理实体所特有的特征，是GIS数据组织、处理和维护的难点所在，可以从空间维数，空间特征类型和实体类型组合三个方面来考察。

四、实体间的空间关系实体间空间关系对于地理信息系统查询和空间分析具有重要意义。

在此阐述空间关系的类型，和拓扑空间关系的定义、种类、表达及意义。

一、地理系统和地理实体地理信息来源于地理系统。

著名数学家钱学森曾指出：地理系统是一个开放的复杂巨系统。

所谓开放性是指地理系统与其它系统有关联，有物质和信息的交往，不是一个封闭系统；复杂巨系统是指地理系统有成千上万的种类繁多的子系统。

抽象是人们观察和分析复杂事物和现象的常用手段之一。

将地理系统中复杂的地理现象进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空间目标，简称实体(Entity)。

实体现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。

实体可以指个体，也可以指总体，即个体的集合.抽象的程度与研究区域的大小、规模不同而有所不同，如在一张小比例尺的全国地图中，武汉市被抽象为一个点状实体，抽象程度很大；而在较大比例尺的武汉市地图上，需要将武汉市的街道、房屋详尽地表示出来，武汉市则被抽象为一个由简单点、线、面实体组成的庞大复杂组合实体，其抽象程度较前者而言较小。

所以说，实体是一个具体有概括性、复杂性、相对意义的概念。

返回二、实体的描述和存储从实体需要描述的内容到计算机具体如何存储实体的过程见图2-1-1。

空间数据结构的类型空间数据结构的类型一、点数据结构●单个点：表示一个位置或特定的实体坐标，常用于地理定位等应用。

●多个点：表示多个位置或实体坐标的集合，可以用于点云数据等应用。

●网格点：表示点在规则网格中的分布，常用于栅格数据结构。

二、线数据结构●线段：表示连接两个点的线段，常用于道路、河流等线状实体的表示。

●多段线：表示多个线段的集合，可以用于表示道路网络、管线等复杂线状实体。

●曲线：表示非直线的线段，常用于河流弯曲等需要弯曲路径的表示。

三、面数据结构●多边形：表示有限面积的几何形状，常用于地块、建筑物等实体的表示。

●公差多边形：表示有限面积的几何形状，并可容忍一定误差，用于拓扑匹配等应用。

●多面体：表示由平面构成的立体空间，常用于建筑、地下管线等实体的表示。

四、体数据结构●三维网格：表示立体空间中的网格，常用于体积模型重建、有限元分析等应用。

●八叉树：通过递归划分空间，将三维空间表示为树状结构，常用于空间索引和快速搜索。

●四叉树：将二维空间递归划分为四个象限，常用于地理信息系统等应用。

五、高级数据结构●栅格：将空间划分为规则的网格，用于栅格数据模型，常用于遥感影像、地理信息系统等。

●拓扑关系图：记录空间要素之间的拓扑关系，常用于空间网络分析、路径规划等应用。

●网状图：表示网络结构中连接关系的图形表示，常用于交通流动分析、网络优化等应用。

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法律名词及注释：⒈拓扑关系：空间要素之间的空间关系，例如邻接、相交、包含等关系。

⒉栅格数据模型：一种将空间分为规则网格的数据模型，适用于遥感影像等栅格数据的表示和处理。

⒊有限元分析：在工程结构分析中，使用有限元法对复杂结构进行数值计算和分析的方法。

《地理信息系统概论》课程笔记第一章地理信息系统基本概念1.1 数据与信息数据是原始的、未经处理的素材，它是信息的表现形式。

信息是从数据中提取的有意义的内容，它能够帮助人们做出决策。

在地理信息系统中，数据主要指的是空间数据，而信息则是通过对空间数据进行分析和处理得到的结果。

例如，一个地区的土地利用数据是原始数据，而通过分析这些数据得出的土地利用分布情况就是信息。

1.2 地理信息与地理信息系统地理信息指的是与地球表面位置相关的信息，包括自然地理信息（如地形、气候等）和人文地理信息（如人口、交通等）。

地理信息系统（GIS）是一种专门用于获取、存储、管理、分析和展示地理信息的计算机系统。

GIS能够将空间数据与属性数据结合起来，为用户提供强大的空间分析和决策支持功能。

例如，GIS可以用来分析城市交通拥堵情况，帮助规划交通路线。

1.3 地理信息系统的基本构成GIS由硬件、软件、空间数据、应用人员和应用模型五个基本部分组成。

硬件包括计算机、输入输出设备（如扫描仪、打印机等）；软件包括操作系统、数据库管理系统、GIS软件等；空间数据是GIS的核心，包括地图数据、遥感数据等；应用人员是使用GIS进行空间分析和决策的主体；应用模型则是根据实际问题构建的模型，用于解决具体问题。

例如，一个GIS系统可能包括一台计算机、GIS软件、地图数据和应用模型，用于分析土地利用变化。

1.4 地理信息系统的功能简介GIS的基本功能包括数据采集、数据管理、空间分析、可视化表达和输出等。

数据采集主要是获取空间数据和属性数据，可以通过遥感、野外调查等方式获取；数据管理主要是对数据进行存储、查询、更新和维护，确保数据的准确性和完整性；空间分析主要包括空间查询、空间叠合、空间邻近度分析等，用于解决实际问题；可视化表达主要是将空间数据以图形或图像的形式展示给用户，增强数据的可读性和可理解性；输出则是将分析结果以报表、地图等形式输出，为决策提供支持。

数据结构分类数据结构是计算机科学中的一个重要概念，它用于存储和组织数据以便有效地访问和操作。

根据数据元素之间的关系和操作的性质，数据结构可以被分为不同的类型。

本文将介绍常见的数据结构分类，并讨论每种分类的特点和应用。

1. 线性结构线性结构是最简单且最常见的数据结构之一，其特点是所有的数据元素都排列成一条直线。

线性结构包括顺序表、链表、栈和队列等。

顺序表是一种用连续的存储单元依次存储数据元素的结构，可以通过下标直接访问元素。

链表则是通过指针将元素链接在一起，允许在任意位置插入和删除元素。

栈是一种特殊的线性结构，只允许在一端插入和删除元素，满足后进先出（LIFO）的原则。

队列也是一种特殊的线性结构，只允许在一端插入，在另一端删除，满足先进先出（FIFO）的原则。

2. 非线性结构非线性结构中的数据元素并不是一对一的关系，而是多对多的关系。

其中最常见的非线性结构是树和图。

树结构由一组节点和边组成，每个节点可以有多个子节点，但只有一个父节点，顶端的节点称为根节点。

树结构常用于表示层次关系，例如文件系统。

图结构是一种包含节点和边的集合，节点之间的连接关系可以是任意的，图结构可以用来表示各种复杂的关系网络，比如社交网络和网页链接。

3. 数据结构的扩展除了线性结构和非线性结构，还有一些特殊的数据结构用于解决特定的问题。

常见的扩展结构包括散列表、堆、树状数组和并查集等。

散列表采用哈希函数将元素映射到一个存储位置，以实现快速的插入、删除和查找操作。

堆是一种优先级队列的实现方式，可以高效地找到最大或最小元素。

树状数组可以用于快速求取前缀和等操作。

并查集用于维护不相交集合的数据结构，常用于解决连通性问题。

总结数据结构是计算机科学中非常重要的概念，不同的数据结构适用于解决不同类型的问题。

线性结构适用于有序的数据关系，非线性结构适用于多对多的关系。

此外，扩展的数据结构可以帮助我们更高效地解决一些特殊问题。

掌握不同数据结构的特点和应用，对于算法设计和程序优化至关重要。

简述空间数据的特征和分类空间数据是指描述物体、事物或现象在空间中分布、关联和变化的数据。

它包含了地理位置和属性信息，可以用来分析和理解地理空间中的相关现象和关系。

空间数据的特征主要包括以下几个方面：1.地理位置：空间数据是以地理位置为基础的数据，每个数据点都有一个地理位置坐标来表示其在地球表面的位置。

2.属性信息：空间数据除了地理位置之外，还包含一些属性信息，比如人口数量、土地利用类型、温度等。

属性信息可以对地理位置进行描述和补充，以便更好地分析地理空间中的现象和关系。

3.空间关系：空间数据可以描述不同地理要素之间的关系，比如道路与建筑物的关系，湖泊与山脉的关系等。

空间关系可以帮助我们理解地理空间中的相互作用和影响。

4.分布和变化：空间数据可以描述地理要素的分布情况和变化趋势。

通过对空间数据的分析，可以发现地理空间中的分布规律和变化趋势，从而帮助我们更好地了解地理现象和预测未来的变化。

根据数据的不同特征和应用需求，空间数据可以分为不同的分类。

以下是常见的空间数据分类：1.矢量数据：矢量数据是由点、线和面等几何要素组成的数据。

通过坐标和属性信息来描述地理要素的位置和属性。

矢量数据主要用于描述离散型的地理要素，如道路、建筑物和行政边界等。

2.栅格数据：栅格数据是由像素或网格单元组成的数据。

每个像素或网格单元都有一个固定的大小和数值来表示地理要素的属性。

栅格数据主要用于描述连续型的地理要素，如高程、温度和降雨等。

3. DEM数据：DEM（Digital Elevation Model）数据是描述地球表面高程的栅格数据。

它用于制作山脉、山峰、河流等地形图，并在地质、地理等领域中进行分析和模拟。

4.遥感数据：遥感数据是通过遥感技术获取的地球表面的图像数据。

遥感数据可以是光学遥感数据（如卫星图像、航空影像）或雷达遥感数据（如合成孔径雷达图像）。

遥感数据可以用于提取地表特征、监测环境变化、进行地灾评估等。

5.时空数据：时空数据是包含时间和空间信息的数据。

空间数据结构的相关概念
空间数据结构是指用来组织和管理在计算机存储空间中存储的数据的一种数据结构。

它主要包括以下几个概念：
1. 空间分配：空间分配是指将计算机的存储空间划分为不同的存储单元，并对这些存储单元进行分配和管理。

常用的空间分配方法有连续分配、链式分配和索引分配等。

2. 空间管理：空间管理是指对分配的存储空间进行动态管理和维护，以实现高效的存储空间利用。

常见的空间管理技术包括碎片整理、空闲空间管理和存储分配算法等。

3. 空间碎片：空间碎片是指存储空间中未被使用的小块存储空间。

空间碎片的存在会降低存储空间的利用率和效率，因此需要采取合适的空间分配和管理方法来减少碎片。

4. 存储管理：存储管理是指对数据在存储空间中的存储和访问进行管理和操作。

常用的存储管理技术有存储器层次结构的设计、缓存管理和页面置换算法等。

5. 文件系统：文件系统是一种用来组织和管理文件的空间数据结构。

它可以提供文件的存储、检索、保护和共享等功能。

常见的文件系统有常见的文件系统有FAT、NTFS、EXT4等。

总之，空间数据结构是一种对存储空间进行组织、管理和操作的数据结构，它涉及到空间分配、空间管理、存储管理和文件
系统等概念。

这些概念在计算机系统设计和数据管理中起着重要的作用。

地理信息系统概论第一章导论数据与信息的关系：数据：是通过数字化或记录下来可以可以被鉴别的符号，不仅数字是数据，而且文字、符号、图象也是数据，数据本身没有意义；信息：是对数据的解释、运用与解算，数据即使是经过处理以后的数据，只有经过解释才有意义，才成为信息。

数据（data）是信息(information)的表达，而信息是数据的内容。

数据是未经加工的原始材料，地理信息系统的设计和建立，首先是收集数据和处理数据。

就本质而言数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，只有数据对实体行为产生影响时才成为信息。

信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。

数据处理：是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算，以及分析、模拟和预测等操作。

信息的特点：客观性、适用性、传输性、共享性。

地理信息：是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图象和图形的总称。

地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。

地理信息系统（Geographical Information System）：地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。

其技术系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

GIS的基本构成：GIS一般包括以下5个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。

1、系统硬件：（1）GIS主机：包括大型、中型、小型机，工作站∕服务器和微型计算机，其中各种类型的工作站∕服务器成为GIS的主流。

（2）GIS外部设备：包括各种输入（如图形数字化仪、图形扫描仪、解析和数字摄影测量设备等）和输出设备（如各种绘图仪、图形显示终端和打印机）。

第一章导论：1.GIS基本概念：数据、信息、数据与信息的关系、信息的特点、地理信息的定义与特征、地理信息系统定义。

2.GIS基本构成：五个组成部分及每个组成部分具体包含的内容。

3.GIS功能简介：基本功能、应用功能。

4.GIS发展概况：国内外发展概况、未来发展态势。

第二章 GIS的数据结构1.地理空间及其表达：地理空间概念、空间实体的表达。

2.地理空间数据及其特征：分类（4D）、基本特征、拓扑关系、计算机表示。

3.空间数据结构的类型：矢量数据结构的定义、实体数据结构、拓扑数据结构——数据记录格式和拓扑编辑功能；栅格数据结构的定义、栅格矩阵结构、链式编码、游程编码结构、块码、行程编码结构、四叉树结构；曲面数据结构。

4.空间数据结构的建立：系统功能与数据源的关系、空间数据的分类与编码、矢量数据的输入与编辑、栅格数据的输入。

第三章空间数据处理数据变换、数据重构、数据提取（概念）1.空间数据的变换：几何纠正（仿射变换）、投影变换。

2.空间数据结构的转换：矢量——栅格：栅格单元的确定、点的栅格化、线的栅格化、面的栅格化（基于弧段的栅格化方法、基于多边形的栅格化方法——内部点扩散算法、射线算法与扫描算法、边界代数算法、边界点跟踪算法、复数积分算法）栅格——矢量：基于图像数据的矢量化（二值化、细化：剥皮法与骨架法、跟踪、去除多余点及曲线光滑、拓扑关系的生成）、栅格数据的矢量化。

3.多元空间数据的融合：RS与GIS的融合、不同格式的融合（转换器、数据标准、公共接口、直接访问）4.空间数据的压缩与重分类：基于矢量的压缩（间隔取点法、道格拉斯-普克法、垂距法、偏角法、光栏法）5.空间数据的内插方法：定义、点的内插、区域的内插（叠置法、比重法）6.开窗处理：点、线、面7.图幅边沿的匹配处理：逻辑一致性检验、识别和检索相邻图幅、相邻图幅边界点坐标数据的匹配、相同属性多边形公共边界的删除。

第四章 GIS空间数据库1.空间数据库概述：数据管理模式及发展、空间数据库的概念（空间数据存储和管理发展的阶段）、空间数据库设计的过程和步骤、空间数据库的实现和维护。

空间数据结构的类型空间数据结构的类型：________1.点（Point）：________●描述：________点是最基本的空间数据结构，由二维或三维坐标表示。

在空间分析中，点可用于表示具体的地理位置或是其他离散的空间实体。

●例子：________一个城市的中心位置、一颗树的坐标、一个建筑物的位置等。

2.线（Line）：________●描述：________线是一个连接两个或多个点的曲线。

在地理空间分析中，线可以表示河流、道路、管道等线性特征。

●例子：________一条公路的路径、一条河流的轮廓、两个城市之间的飞行线路等。

3.面（Polygon）：________●描述：________面是由一组相连的线所围成的封闭区域。

在地理空间分析中，面可以表示国家、城市、湖泊等区域性特征。

●例子：________一个城市的边界、一块土地的轮廓、一个湖泊的形状等。

4.网格（Grid）：________●描述：________网格是由规则的矩形单元组成的离散空间分割。

每个网格单元可以表示一个特定的空间属性值或是其他数据。

●例子：________地图栅格、卫星影像像素、气象网格等。

5.三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）：________●描述：________三角网是由一组相连的三角形所构成的不规则网状结构。

TIN可以被用于表示地形表面、地形等高线等。

●例子：________地形模型、三角网格地图等。

6.KD树（K-Dimensional Tree）：________●描述：________KD树是一种多维空间数据结构，用于对高维数据进行划分和搜索。

通过使用KD树，可以加快高维数据的索引和查询速度。

●例子：________范围查询、最近邻搜索等。

7.四叉树（Quadtree）：________●描述：________四叉树是一种二维空间数据结构，通过将空间划分为四个象限来组织数据。

第五章空间数据结构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。

地理信息系统空间数据结构是指空间数据在系统内的组织和编码形式（GIS数据结构也可称为图形数据格式），它是指适合于计算机系统存储、管理和处理地理图形的逻辑结构。

GIS中，空间数据一般有着较为复杂的数据结构，目前，主要有两种数据模型表示空间数据，即矢量数据模型和栅格数据模型。

4.1 栅格数据结构4.1.1概述栅格数据是计算机和其它信息输入输出设备广泛使用的一种数据模型，如电视机、显示器、打印机等的空间寻址。

甚至专门用于矢量图形的输入输出设备，如数字化仪、矢量绘图仪及扫描仪等，其内部结构实质上是栅格的。

遥感数据也是采用特殊扫描平台获得的栅格数据。

栅格数据就是用数字表示的像元阵列，其中，栅格的行和列规定了实体所在的坐标空间，而数字矩阵本身则描述了实体的属性或属性编码。

栅格数据最显著的特点就是存在着最小的、不能再分的栅格单元，在形式上常表现为整齐的数字矩阵，因而便于计算机进行处理，特别是存储和显示。

4.1.2编码方案以图4-1为例，介绍几种编码方法的编码思路、方案和特点。

图4-1 栅格数据结构1. 游程长度编码地理数据往往有较强的相关性，也就是说相邻象元的值往往是相同的。

游程长度编码的基本思想是：按行扫描，将相邻等值的象元合并，并记录代码的重复个数。

游程长度编码的数据结构: 行号,属性,重复次数。

图4-1的游程长度编码为：1,A,4,R,1,A,6…对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大。

其特点是，压缩效率较高，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快。

2. 块式编码块式编码是将游程扩大到二维情况，把多边形范围划分成若干具有同一属性的正方形，然后对各个正方形进行编码。

块式编码的基本思想：由初始位置（行列号）、半径和属性代码组成。

图4-1的块状编码为：(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…块状编码对大而简单的多边形更为有效，对一些虽不较多的复杂多边形效果并不好。