GIS数据结构与算法基础((英)Stephen Wise著;朱定局译)思维导图

GIS的空间数据结构在地理信息系统（GIS）中，空间数据结构是用于组织和描述空间信息的数据模型。

它能够将现实世界中的地理现象和空间实体转化为计算机可处理和存储的数据形式。

以下是关于GIS空间数据结构的几个主要组成部分：1、矢量数据结构：矢量数据结构以点、线和多边形来表示空间实体。

每个点由一对坐标（x,y）定义，线由一系列坐标点构成的序列定义，多边形则由一个闭合的坐标序列定义。

矢量数据结构适用于表示连续的空间现象，如地形、河流、土地利用等。

2、栅格数据结构：栅格数据结构将空间划分成均匀的网格，每个网格对应一个像素或地块。

每个网格的值通常代表该区域的一种属性，如海拔、植被类型、人口密度等。

栅格数据结构适用于表示连续的空间现象，特别是那些可以很容易转化为像素值的数据，如卫星图像。

3、不规则三角网（TIN）：这是一种用于表示三维表面的数据结构。

它由一系列不重叠的三角形构成，每个三角形表示一个地形表面。

TIN 数据结构适用于表示连续且不规则的空间现象，如地形起伏、土壤类型等。

4、对象-关系型数据结构：这种数据结构将空间实体表示为对象，并将属性、事件和其他空间关系表示为对象的属性。

对象-关系型数据结构适用于表示复杂的空间关系和具有多种属性的空间实体。

在GIS应用中，选择适当的数据结构对于提高数据处理、查询和分析的效率至关重要。

此外，不同的数据结构也具有不同的优缺点，需要根据具体的应用需求和数据特性来选择。

基于ArcSDE的GIS空间数据存储分析引言随着地理信息系统（GIS）在各个领域的广泛应用，如何有效地存储和管理空间数据成为了一个重要的问题。

ArcSDE（Spatial Data Engine）作为一种先进的空间数据存储和分析技术，为GIS应用提供了强大的支持。

本文将介绍ArcSDE的基本概念、优势及其在GIS空间数据存储分析中的应用。

ArcSDE概述ArcSDE是一种面向对象的地理数据库引擎，它由Esri公司开发，可在多种数据库管理系统（如Oracle、PostgreSQL、MySQL等）上运行。

《地理信息系统（GIS）基础》一、地理信息系统的定义与发展历程地理信息系统，简称 GIS，是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统。

它将地理空间数据与属性数据相结合，通过强大的空间分析功能，为各种领域的决策提供有力支持。

GIS 的发展历程可以追溯到 20 世纪 60 年代。

当时，计算机技术开始应用于地图制图领域，为 GIS 的诞生奠定了基础。

随着计算机技术的不断进步，GIS 也在不断发展和完善。

如今，GIS 已经广泛应用于城市规划、资源管理、环境保护、交通运输等众多领域。

二、地理信息系统的组成部分1. 硬件设备GIS 的硬件设备包括计算机、服务器、存储设备、输入输出设备等。

其中，计算机是 GIS 的核心设备，负责数据处理和分析；服务器用于存储和管理地理空间数据；存储设备包括硬盘、光盘等，用于存储数据；输入输出设备包括扫描仪、绘图仪等，用于数据的输入和输出。

2. 软件系统GIS 的软件系统包括操作系统、数据库管理系统、GIS 软件等。

其中，操作系统是计算机的基础软件，负责管理计算机的硬件资源和软件资源；数据库管理系统用于管理地理空间数据和属性数据；GIS 软件则是实现 GIS 功能的核心软件，包括数据采集、数据编辑、空间分析、地图制图等功能模块。

3. 地理空间数据地理空间数据是 GIS 的基础，包括地图数据、影像数据、地形数据、属性数据等。

地图数据是 GIS 中最基本的数据，包括点、线、面等几何图形和对应的属性信息；影像数据是通过卫星、航空等手段获取的地理图像数据；地形数据是描述地球表面地形地貌的数据；属性数据是与地理空间数据相关的非空间数据，如人口、经济、环境等数据。

4. 人员GIS 的人员包括系统开发人员、数据采集人员、数据分析人员、系统管理人员等。

他们负责 GIS 的开发、数据采集、数据分析和系统管理等工作。

三、地理信息系统的功能1. 数据采集与输入GIS 可以通过多种方式采集地理空间数据，如野外测量、地图数字化、遥感影像解译等。

第一章地理信息系统导论地理信息系统（Geographic Information System）简称“GIS”，涉及地理学、测绘学、遥感科学、信息科学、系统科学、空间科学、环境科学、城市科学、决策科学、计算机科学与技术等学科，是管理和分析空间数据的综合性技术。

它的基础是地理、测绘、系统工程与人工智能，它的支撑是计算机技术，它的应用领域最初是地理、规划、地图与管理等行业，现在已涉及到所有领域与部门。

地理信息系统、遥感系统（RS）、全球定位系统(GPS)与通信技术的结合，丰富与完善了地理信息系统的科学体系。

地理信息系统的出现与应用揭开了地理学科的新篇章，其影响之深刻是难以估量的。

如果说，用地图记载地理现象，以坐标确定空间位置是地理学的巨大进步，信息论、控制论、系统论与耗散结构、突变论、协同论的引用给地理学注入了新鲜血液，计算机技术、遥感技术的应用使地理学充满了勃勃生机，则地理信息系统的出现是地理学发展史上的革命性变革，代表了地理学发展的一个重要方向。

1.1 基本概念1.1.1 数据、信息与信息系统今天，人们都深刻地认识到，信息如同矿物资源、水资源、能源一样，是重要的与社会经济发展不可分割的特殊资源，是人与客观世界之间的媒介，对管理和决策起着直接的决定性的影响。

人们从认识客观世界中的事物到表示信息的数据，一般经历了客观世界、数据世界与信息世界三个过程。

客观世界的研究对象是实体及其有关内容，用数据世界来表达，用信息世界来反映。

数据是客观实体的表达形式，是信息的载体。

信息是数据载体所包含的实际意义。

建立信息系统的过程是将客观世界与数据世界用计算机进行密切结合的过程。

信息从客观世界经过人为的选择、加工、组织进入数据世界，最后又回到客观世界之中。

我们面临的世界是一个人文、经济、自然、社会组成的复杂巨系统，是物质、能量和信息的统一体。

地理信息系统主要的研究对象就是系统中运动的实体及其性质，对这些描述客观世界的概念是本章首先要搞清楚的概念。

GIS数据结构与算法基础1. 什么是GIS数据结构？地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种用于收集、存储、处理、分析和展示地理数据的工具。

GIS数据结构指的是在GIS中用来组织和管理地理数据的方式和形式。

1.1 矢量数据结构矢量数据结构是GIS中最常见的一种数据结构。

它通过使用点、线和面等几何要素来表示现实世界中的地理对象。

矢量数据可以分为三个主要类型：•点（Point）：代表一个离散的地理位置，比如城市的坐标点。

•线（Line）：由多个相邻点连接而成，代表一条路径或边界。

•面（Polygon）：由多个相邻线段组成的封闭区域，代表一个区域或多边形。

矢量数据结构除了几何要素外，还可以包含属性信息，如道路名称、人口数量等。

常见的矢量文件格式有Shapefile和GeoJSON等。

1.2 栅格数据结构栅格数据结构将地理空间划分为规则网格，并为每个网格单元分配一个数值或属性值。

栅格数据适用于连续变化或定量型地理现象，如高程、温度等。

栅格数据结构由像元（Pixel）组成，每个像元代表一个网格单元。

栅格数据结构的优点是能够准确表示连续型数据，并且在空间分析和模型建立方面具有较好的性能。

常见的栅格数据格式有TIFF和GRID等。

2. GIS数据算法基础GIS数据算法是指在GIS中对地理数据进行处理、分析和计算的方法和技术。

下面介绍几个常见的GIS数据算法基础：2.1 空间查询与空间索引空间查询是指在GIS中根据空间位置关系进行查询，如判断一个点是否在某个区域内。

为了提高查询效率，需要使用空间索引结构，如R树、四叉树等。

2.2 空间分析与空间运算空间分析指对地理现象进行量化和描述，并通过运算来推导新的地理信息。

常见的空间分析包括缓冲区分析、叠加分析等。

2.3 空间插值与地图代数空间插值是指通过已知的点值来推断未知位置上的数值或属性值。

常见的插值方法有反距离权重插值、克里金插值等。

GIS课件第4章空间数据结构第4章空间数据结构空间数据结构是指对空间数据逻辑模型描述的数据组织关系和编排⽅式，对地理信息系统中数据存储、查询检索和应⽤分析等操作处理的效率有着⾄关重要的影响。

同⼀空间数据逻辑模型往往采⽤多种空间数据结构，例如游程长度编码结构、四叉树结构都是栅格数据模型的具体实现。

空间数据结构是地理信息系统沟通信息的桥梁，只有充分理解地理信息系统所采⽤的特定数据结构，才能正确有效地使⽤系统。

在地理信息系统中，较常⽤的有栅格数据结构和⽮量数据结构，除此之外还有混合数据结构、镶嵌数据结构和超图数据结构等。

空间数据结构的选择取决于数据的类型、性质和使⽤的⽅式，应根据不同的任务⽬标，选择最有效和最合适的数据结构。

4.1⽮量数据结构⽮量数据结构对⽮量数据模型进⾏数据的组织。

它通过记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表⽰点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和⾯积的精确定义。

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。

按照这种数据组织⽅式，可以得到精美的地图。

另外，该结构还可以对复杂数据以最⼩的数据冗余进⾏存贮，它还具有数据精度⾼，存储空间⼩等特点，是⼀种⾼效的图形数据结构。

⽮量数据结构中，传统的⽅法是⼏何图形及其关系⽤⽂件⽅式组织，⽽属性数据通常采⽤关系型表⽂件记录，两者通过实体标识符连接。

由于这⼀特点使得在某些⽅⾯有便利和独到之处，例如在计算长度、⾯积、形状和图形编辑、⼏何变换操作中，有很⾼的效率和精度。

⽮量数据结构按其是否明确表⽰地理实体间的空间关系分为实体数据结构和拓扑数据结构两⼤类。

4.1.1实体数据结构实体数据结构也称spaghetti数据结构，是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进⾏组织。

按照这种数据结构，边界坐标数据和多边形单元实体⼀⼀对应，各个多边形边界点都单独编码并记录坐标。

例如对图4-1所⽰的多边形A、B、C、D，可以采⽤两种结构分别组织。

第三章地理信息系统的数据结构数据结构（data structure ）是指数据的组织形式，这种组织形式需满足三个条件：一是一种人为约定，要具备规范化与标准化；二是有利于存储处理；三是符合信息表达的要求。

可分为抽象数据结构与内部存储结构。

抽象数据结构是从逻辑的角度（数据间的联系和组织方式）上来观察数据、分析数据，它从概念上描述数据之间的排列与联系，不涉及数据的物理实现细节，与数据的存储位置无关；内部存储结构是为实现某一抽象数据结构而设计的数据存储管理方式，是指数据在计算机中存放的位置，即抽象数据结构在计算机中的实现形式。

典型的抽象数据结构有：串、数组、栈、表、树和有向图等；典型的内部存储结构有：向量、链表和丛表等。

抽象数据结构一般比较稳定且具理论性，而基于某种数据结构的存储结构则是依任务、软件系统和设计者的不同而可灵活改变的。

地理信息系统可采用的数据结构有多种：如拓扑矢量结构、非拓扑矢量结构、网络结构、四叉树结构与三角网结构等。

就数据库管理而言，涉及到三个问题：概念模型（真实世界）、逻辑模型（数据结构）与物理模型（数据存储装置）。

概念模型是对现实世界的抽象，在地理信息系统中是如何用点、线、多边形与拓扑关系等描述一幅地图。

逻辑模型是对数据结构的抽象，在地理信息系统中就是研究如何组织、编码与操作点、线、多边形等地图图元及其相互间的拓扑关系。

物理模型是对存储装置的抽象。

数据编码是指在数据处理过程中，用计算机与人可以识别的符号体系表示数据的过程。

在地理信息系统中，地理数据的编码是指按一定的数据结构，把地图、遥感影像和属性数据等转换成适合于计算机存储和处理形式的过程。

然而，至今数据结构并没有一个标准的定义。

但一般数据结构应包括数据的逻辑结构、存储结构与数据计算。

也即数据间的逻辑关系、存储方式和数据运算三方面。

如一个线性表，哪个元素是表中的第一个元素，哪些元素在一个给定元素之前或之后属于逻辑结构（关系）；元素在存储器中是顺序连接（邻接存放），还是用指针连在一起等属于存储结构（方式）；插入和删除元素属于数据的运算。

一、算法的时间复杂性T(n)：利用某算法处理一个问题规模为n的输入所需要的时间。

空间：为了解求问题的实例而执行的计算步骤所需要额存空间（或字）数目，不包括用来存储输入的空间。

算法空间复杂性不可能超过运行时间的复杂性。

元运算:对于任何计算步骤，不管输入数据或执行的算法，它的代价总是以一个时间常量为上界，则称该计算步骤为元运算。

基于比较的排序问题的最优算法：我们通常把在O(nlgn)时间用元素比较法排序的任何算法，称为基于比较的排序问题的最优算法。

一般来说，如果可以证明任何一个求解问题A的算法必定是Ω(f(n)),那么我们把在O(f(n))时间求解任何问题A的任何算法都称为问题A的最优算法。

算法设计原则:正确性确定性清晰性。

算法的要素：1.待解问题的描述2.算法设计的任务3.算法分析。

二、关系运算：指的是用于检验两个几何对象的特定的拓扑空间关系的逻辑方法。

两步确定两条线段是否相交：1.快速排斥实验（矩形不相交）2.跨立实验（判断线段P1P2是否和Q1Q2跨立依据是：(P1-Q1)*(Q2-Q1)*(Q2-Q1)*(P2-Q1)>=0.）判断点是否在多边形常用算法：1.射线法（又叫奇偶测试法）2.转角法。

线段在多边形的一个重要条件是线段的两个端点都在多边形，第二个必要条件是线段和多边形的所有边都不交。

线段在多边形判断步骤：1.先求出所有和线段相交的多边形的顶点2.然后按照X-Y坐标排序（X坐标小的排在前面，对于X坐标相同的点，Y坐标小的排在前面，这种排序准则也是为了保证水平和垂直情况的判断正确），这样相邻的两个点就是在线段上相邻的两交点，如果任意相邻两点的中点也在多边形，则该线段一定在多边形。

计算线段或直线与线段的交点：设一条线段为L0=P1P2，另一条线段或直线为L1=Q1Q2，要计算的就是L0和L1的交点：第一步：首先判断L0和L1是否相交2.若L1不平行与Y轴，则交点横坐标为P1的横坐标，代入到L1的直线方程中可以计算出交点纵坐标。