邬国锋 武汉大学资源与环境科学学院 guofengwu@gmail.com 地理信息系统原理 邬国锋 武汉大学资源与环境科学学院 guofengwu@gmail.com.

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1 邬国锋 武汉大学资源与环境科学学院 guofengwu@gmail.com
地理信息系统原理 邬国锋 武汉大学资源与环境科学学院

2 第三讲 空间数据的表达 地理系统（地理空间） 地理现象（地理空间实体） 地理空间认知模型 地理空间实体(对象)的描述方法
地理空间实体（对象）的矢量表达（矢量结构） 地理空间实体（对象）的栅格表达（栅格结构） TIN

3 地理系统（地理空间） 地理系统是一个开放的复杂巨系统，主要涉及地球表层空间，按照层次划分，可分为岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层。地理信息系统目前所涉及的范围主要在岩石圈和大气圈之间的地理现象。 地理系统表现出来的各种各样的地理现象代表了现实世界，地理信息系统即是人们通过对各种地理现象的观察、抽象、综合取舍，得到实体目标，然后对实体目标进行定义、编码结构化和模型化，以数据形式存入计算机内，建立地理数据库。

4 地理系统（地理空间） 地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。但一般地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。 设E1,E2,…,En为n个不同类的地理空间实体， E={E1,E2,…,En}表示地理空间中各组成部分的集合；R表示地理空间实体之间的相互联系、相互制约关系，那么地理空间可以表为为S={E,R}

5 地理现象（地理空间实体） 地理空间实体是依附于地理空间存在的各种事物或者现象，它们可能是物质的，也可能是非物质的，它们的一个典型特征是与一定的地理空间位置有关，都具有一定的几何形态。

6 地理现象（地理空间实体） 空间特征 空间位置:表示地理空间实体在一定的坐标参考系中的空间位置，通常用地理坐标系、平面直角坐标系来表示。也称几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状、分布状况等。 空间关系：指地理空间实体之间存在的一些具有空间特性的关系. 拓扑关系：拓扑变化下的拓扑不变量，如邻接关系、关联关系和包含关系等 方位关系：实体在地理空间中的某种顺序，如左右、东南西北等 度量关系：用地理空间中的度量来描述的实体之间的关系，实体之间的距离

7 地理现象（地理空间实体） 属性特征:是与地理空间实体相联系的、具有地理意义的数据或变量。属性通常分定性和定量两种，定性属性包括名称、类型、特征等；定量属性包括数量、等级等。 时间特征：指地理实体随着时间而变化的特征。地理空间实体的位置属性和属性相对于时间来说，常常呈现相互独立的变化。

8 地理现象（地理空间实体） 特征 关系 行为 选择 抽象 综合 估计 模拟 测量 表达 编码 组织 建立关系 观察 人对地理现象的认识方法
影像图 测量 表达 编码 组织 建立关系 特征 关系 行为 选择 抽象 综合 估计 模拟 观察 人对地理现象的认识方法 获取数据操作 结果 地理现象的状态 类型 名称 坐标 机场 白云 235，276… 道路 机场路 274，326… 建筑物 阳光大厦 774，362…

9 地理空间认知模型 概念数据模型 (地理空间认知模型) 概念世界 设计 逻辑数据模型 （地理数据模型） 实现 数据世界 物理数据模型 现实世界
地理实体或者现象 概念数据模型 (地理空间认知模型) 概念世界 设计 逻辑数据模型 （地理数据模型） 实现 数据世界 物理数据模型

10 地理空间认知模型 现有的地理空间认知模型主要有三个： 场模型：强调空间要素的连续性 基于对象的模型：强调空间要素的离散性
网络模型：强调空间要素的交互

11 地理空间认知模型 基于域（场）（field-based）的地理空间认知模型
把地理空间中的事物和现象作为连续的变量或体来看待，根据不同的应用可以表示为二维的，也可表示为三维的

12 地理空间认知模型 基于域（场）的地理空间认知模型
在空间信息系统中，场模型一般指的是栅格模型，其主要特点就是用二维划分覆盖整个连续空间。划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。

13 地理空间认知模型 基于域（场）的地理空间认知模型
栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。 栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。

14 地理空间认知模型 基于实体或对象(object-based)的地理空间认知模型
将研究的整个地理空间看成一个空域，地理实体和现象作为独立的对象分布在该空域中。按照其空间特征的分为点、线和面三种基本对象，对象也可能是由其它的对象构成构成的复杂对象，并且与其它的对象保持着特定的关系。每个对象对应着一组相关的属性以区分出各个不同的对象。只适合于那些具有完整边界的地理现象。

15 地理空间认知模型 点实体：有特定的位置，维数为0的实体
如城镇、乡村居民地、交通枢纽、车站、工厂、学校、医院、机关、火山口、震中、山峰、隘口、基地等等 从较大的空间规模上来观测这些地物，就能把它们都归结为呈点状分布的地理现象。

16 地理空间认知模型 点实体 1）实体点：用来代表一个实体。 2）注记点：用于定位注记。 3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。
4）角点、节点Vertex： 表示线段和弧段上的连接点。

17 地理空间认知模型 线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以下特征： 实体长度：从起点到终点的总长；
弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度； 方向性：如水流从上游到下游，公路则有单双向之分； 如河流、海岸、铁路、公路、地下管网、街道、行政边界等

18 地理空间认知模型 多边形实体：维数为2的实体，，有以下特征： 面积范围； 周长； 独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市；
内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线； 重叠性与非重叠性。 如土壤、森林、草原、沙漠等等，属于大范围连续分布的自然地理现象，此外城市区划、耕地等属于社会经济现象

19 地理空间认知模型 体实体：维数为3的实体，，有以下特征：
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、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征： ·体积，如工程开控和填充的土方量 ·每个二维平面的面积 ·周长 ·内岛 ·含有弧立块或相邻块 · 断面图与剖面图

20 地理空间认知模型 对象模型强调的是空间要素的个体现象，研究的是个体现象本身或与其他个体现象的关系。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个实体。如人为现象：建筑物、道路、管理区域等；自然现象：河流、湖泊、森林等。空间实体必须符合三个条件： 可被识别 重要（与问题相关） 可被描述：位置、属性等

21 地理空间认知模型 在对象模型中，空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要的。空间实体见的空间关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关系： 点—点： 点—线： 点—多边形： 线—线： 线—多边形： 多边形—多边形： 拓扑空间关系 方位空间关系； 度量空间关系

22 地理空间认知模型 拓扑空间关系描述——9交模型
现实世界中的两个实体A和B：用B(X)表示实体X的边界，I(X)表示实体X的内部，用E(X)表示实体X的外部。基于上述概念，Egenhofer在1993年为空间实体间的拓扑关系描述构造了“9交空间关系模型”（9-Intersection Model，9-IM）： B(A)ПB(B) B(A)ПI(B) B(A)ПE(B) I(A)ПB(B) I(A)ПI(B) I(A)ПE(B) E(A)ПB(B) E(A)ПI(B) E(A)ПE(B) 矩阵中每个元素的取值可为“空”和“非空”，9个元素共可以产生29 ＝ 512种情形，即可描述512种空间关系。

23 地理空间认知模型 邻接关系 相交关系 相离关系 包含关系 重合关系 点-点 * 点-线 点-面 线-线 线-面 面-面

24 地理空间认知模型 拓扑关系 邻接：指空间图形中同类元素之间的拓扑关系，结点与结点，弧段与弧段，多边形与多边形
关联：指空间图形中不同类元素之间的拓扑关系，如结点与弧段，多边形与弧段 包含：指空间图形中同类但不同级元素之间的拓扑关系

25 地理空间认知模型 方位空间关系 方位空间关系指的是空间实体之间的上下、前后、左右、东西南北等顺序关系。可以根据实体类型分为：多边形－多边形、多边形－线、多边形－点、线－线、线－点、点－点之间的方位空间关系。 点－点方位空间关系最好确定，只需计算两点连线与某一基准方向的夹角即可。多边形－点、线－点方位空间关系也可以在一定程度上简化为点－点方位空间关系。 其余方位空间关系的计算就相对复杂得多了，目前尚未有很好的解决办法。

26 地理空间认知模型 度量空间关系 基本度量空间关系指的是空间实体之间的距离，在此基础上，还可以构造出实体群之间的度量关系。距离度量有不同的计算方式：大地测量距离、曼哈顿距离（经度差加上纬度差）、时间距离等。 此外，还有其他的一些空间量算的指标： 几何指标：位置、距离、面积、体积形状、方位等 自然地理参数：坡度、坡向、地表辐射度、地形起伏度、通达度等 人文地理指标：交通便利程度、吸引范围、人口密度等

27 地理空间认知模型 空间关系的应用 点—点 点—线 点—面 住宅 学校 海岸线 码头 肺癌病例 区域 学校和住宅接近吗？ 码头在海岸线上吗？
肺癌病在区内分布

28 地理空间认知模型 空间关系的应用 线—点 线—线 线—面 镇 乘车线路 河流 小路 这条线路过镇上吗？ 小路穿过河流吗？ 河流在区域内吗？

29 地理空间认知模型 空间关系的应用 面—点 面—线 面—面 该邮政区包括学校吗？ 该区域包括铁路吗？ 区域彼此影响吗？ 区域重叠吗？

30 地理空间认知模型 基于网络的地理空间认知模型 描述不连续的地理现象 考虑通过路径相互连接多个地理现象之间的相交情况
是基于对象的模型的一个特例，它是由点对象和线对象之间的拓扑关系所构成

31 地理空间认知模型 基于网络的地理空间认知模型
网络模型是从图论中发展而来。在网络模型中，空间要素被抽象为链、节点等对象，同时还要关注其间的连通关系。这种模型适合用于对相互连接的线状现象进行建模，如交通线路、电力网线等。网络模型可以形式化定义为： 网络图 ＝ （节点，{节点间的关系，即链}）

32 地理信息的描述方法 地球空间模型 为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。根据大地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类： 地球的自然表面：起伏不定，十分不规则的表面,马利亚纳海沟-11022米,珠穆朗玛峰 米)。非常复杂，难以用一个简单的数学表达式描述出来，所以不适合于数学建模。

33 地理信息的描述方法 地球空间模型 相对抽象的面，即大地水准面：假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面。它有高达百米以上的起伏变化。

34 地理信息的描述方法 地球空间模型 模型，地球椭球体模型：绕地球自转轴旋转而成的椭球体。它是一个规则的数学表面。长半径、短半径和扁率成为地球椭球体的基本元素。 数学模型：为解决大地测量中其他一些问题提出的。

35 地理信息的描述方法 地球椭球体模型 b c a 三轴椭球体模型 x2 a2 y2 b2 z2 c2 + = 1 双轴椭球体模型（旋转椭球体）

36 地理信息的描述方法 旋转椭球体 c a 长半径(a) 短半径(b) 扁率(α) 第一偏心率(e) 第二偏心率(e’) 其中:
椭球体元素 长半径(a) 短半径(b) 扁率(α) 第一偏心率(e) 第二偏心率(e’) 其中: α =(a-b)/b e2=(a2-b2)/a2 e’2=(a2-b2)/b2 a c

37 地理信息的描述方法 旋转椭球体-我国的情况 1952年以前: 海福特椭球体(1910) (a=6378388m,b=6356912m)

38 地理信息的描述方法 地理坐标系的建立 建立地理空间坐标系，主要的目的是确定地面点的位置，也就是求出地面点与大地水准面的关系，它包括地面点在大地水准面上的平面位置和地面点到大地水准面的高度。 地理坐标系：地球上任意一点都可以用该点经度和纬度来表示。但地理坐标系是一种球面坐标，难以进行距离、方向、面积等参数的计算。

39 地理信息的描述方法 地理坐标系的建立 地面上任一点的位置，通常用经度和纬度来决定。经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为90度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，称为地理坐标系。地表面某两点经度值之差称为经差，某两点纬度值之差称为纬差。例如北京在地球上的位置可由北纬39°56'和东经116°24'来确定。 设椭球面上有一点P，通过P点作椭球面的垂线，称之为过P点的法线。法线与赤道面的交角，叫做P点的地理纬度（简称纬度），通常以字母φ表示。纬度从赤道起算，在赤道上纬度为0度，纬线离赤道愈远，纬度愈大，至极点纬度为90度。赤道以北叫北纬、以南叫南纬 过P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P点的地理经度（简称经度），通常用字母λ表示。国际规定通过英国格林尼治天文台的子午线为本初子午线（或叫首子午线），作为计算经度的起点，该线的经度为0度，向东0-180度叫东经，向西0-180度叫西经。

40 地理信息的描述方法 地理坐标系的建立 笛卡尔平面直角坐标系：运用地图投影的方法，建立地球表面和平面上点的函数关系，使地球表面上任意一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与其相对应的点。地图投影变换引起了地理空间要素在平面形态上的变换，包括长度变换、方向变换和面积变化。但是，平面直角坐标系却建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向和面积等空间参数的量算，以及进一步空间数据处理和分析。

41 地理信息的描述方法 地图对地理空间的描述 地图是现实世界的模型，它按照一定的比例、一定的投影原则，又选择地将复杂的三维世界的某些内容投影到二维平面介质上，并用符号将这些内容要素表现出来。在地图学上，把地理空间的实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。

42 地理信息的描述方法 遥感影像对地理空间的描述
遥感影像对空间信息的描述主要通过不同的颜色和灰度来表示的。这是因为地物的结构、成分、分布等的不同，其反射光谱特性和发射光谱特性也各不相同，传感器记录的各种地物在某一波段的电磁辐射反射能量也各不相同，反映在影像上则表现为不同的颜色和灰度信息。所以说，通过遥感影像可以获取大量的空间地物的特征信息。

43 地理信息的描述方法 GIS对地理空间的描述 1、描述的内容 3、数据类型 4、数据结构 2、基本特征 几何数据（空间数据、图形数据）
关系数据—实体间的邻接、关联包含等相互关系 属性数据—各种属性特征和时间 元数据 矢量、栅格、TIN（专用于地表或特殊造型） RDBMS属性表----采用MIS较成熟 空间元数据 位置、形状、尺寸 、 识别码（名称）实体的角色、功能、行为、实体的衍生信息 时间 测量方法、编码方法、空间参考系等 空间特征：地理位置和空间关系 属性特征—名称、等级、类别等 时间特征 2、基本特征

44 地理信息的描述方法 栅格表达形式

45 地理信息的描述方法 栅格表达形式 点：所在的栅格表示 线：经过的栅格表示 面：覆盖的栅格表示 适合于表达连续的实体或现象

46 地理信息的描述方法 矢量表达形式

47 地理信息的描述方法 矢量表达形式 点：坐标(x、y)表示 线：坐标(x1、y1)， (x2、y2),… (xn、yn)表示
面：坐标(x1、y1)， (x2、y2),… (xn、yn), (x1、y1)表示 适合于表达有精确的形状和边界的离散实体

48 地理信息的描述方法 TIN(Triangulated Irregular Networks)表达形式

49 矢量结构 一、定义 矢量结构是表达空间数据的另一种常见的数据结构，它通过记录坐标的方式尽可能精确地表示呈点、线和面等分布的地理实体。
空间信息 标识码 属性信息

50 矢量结构 二、空间实体的表示方法－空间对象 将空间现象进行抽象得到空间对象或空间目标
空间对象的定义与数据模型和数据结构有关，不同的系统有所不同

51 矢量结构 二、空间实体的表示方法－空间对象 点实体：唯一标识码，一对(X,Y)坐标，地物编码，制图符号等。
线实体：唯一标识码，起始结点，终止结点，中间拐点，地物编码，制图符号等。 面实体：唯一标识码，组成面的点或者线，地物编码，制图符号等。

52 矢量结构 三、数据获取途径 矢量数字化法：矢量数据 扫描数字化法：栅格数据-〉矢量数据 野外测量数据（全站仪、GPS等）：矢量数据
影像：栅格数据-〉矢量数据 手工输入：矢量数据

53 矢量结构 四、编码方法 Spaghetti模型(独立实体法) 点位字典法 网络模型(Network Model)
无拓扑关系的编码方法：仅记录空间目标的位置和属性信息，而不记录拓扑关系。 Spaghetti模型(独立实体法) 点位字典法 拓扑关系的编码方法：不仅记录空间目标的位置和属性信息，而且记录拓扑关系。 网络模型(Network Model) 拓扑模型(Topological Model)

54 矢量结构 OpenGIS－Geometry Object Model Geometry Class Hierarchy

55 矢量结构 OpenGIS－Geometry Object Model (1) a simple LineString,
(2) a non-simple LineString, (3) a simple, closed LineString (aLinearRing), (4) a non-simple closed LineString

56 矢量结构 OpenGIS－Geometry Object Model
(1) a simple MultiLineString, (2) a non-simple MultiLineString with 2 elements, (3) a simple, closed MultiLineString with 2 elements

57 矢量结构 OpenGIS－Geometry Object Model
Polygons with 1, 2 and 3 rings respectively

58 矢量结构 OpenGIS－Geometry Object Model Examples of MultiPolygons

59 §3.2 矢量结构 OpenGIS Feature

60 矢量结构 Spaghetti模型 Spaghetti模型：以实体为单位进行编码 点目标：唯一标识码，地物编码，(X,Y)
线目标：唯一标识码，地物编码，(X1,Y1…Xn,Yn) 面目标：唯一标识码，地物编码，(X1,Y1…Xn,Yn,X1,Y1)

61 矢量结构 优点：编码容易，数字化操作简单，数据编码直观，易实现以实体为单位的运算和显示 缺点：
1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余(Redundancy)和碎屑多边形—数据不一致(Inconsistency) ，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。 2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系(Topological Relationship) ，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。 3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。 所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。

62 矢量结构 点位字典法 点位字典法：点坐标作为一个文件，点、线和多边形由点号组成，即 点位字典：点号、(X,Y)
点目标：唯一标识码，地物编码，点号 线目标：唯一标识码，地物编码，(点号1…点号n) 面目标：唯一标识码，地物编码，(点号1…点号n, 点号1) 优点：编码比较容易，数字化操作比较简单，数据编码比 较直观 缺点：操作比较困难，拓扑关系不完整.

63 矢量结构 点位字典法

64 矢量结构 网络模型 应用 网络模型(Network Model) 节点(Node):连接弧段的点
概念 节点(Node):连接弧段的点 弧段(Arc)：开始于节点，而终止于节点的线 应用

65 矢量结构 网络模型 节点表：唯一标识码，(X,Y) 弧段表：唯一标识码，起始结点，终止结点， 左多边形，右多边形,中间点坐标串。
网络模型(Network Model) 主要包含两个表： 节点表：唯一标识码，(X,Y) 弧段表：唯一标识码，起始结点，终止结点， 左多边形，右多边形,中间点坐标串。 表示的拓扑关系： 节点-节点之间的邻接关系， 多边形-多边形之间的邻接关系， 节点-弧段之间的关联关系， 弧段-多边形之间的关联关系

66 矢量结构 网络模型 DIME(Dual Independent Map Encoding)-双重独立地图编码
网络模型(Network Model) DIME(Dual Independent Map Encoding)-双重独立地图编码 美国人口统计系统采用的一种编码方式，以城市街道为编码的主体。在1990年的人口普查中，TIGER取代了DIME文件。

67 矢量结构 网络模型 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 节点表 弧段表 节点号 坐标 1 x,y 2 3 4 5 6 7
弧段号 起始节点 左多边形 右多边形 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 节点表 弧段表

68 矢量结构 拓扑模型 拓扑模型(Topological Model） 包含三或四个个文件： 结点文件：唯一标识码，(X,Y)
弧段文件：唯一标识码，起始结点，终止结点，左多边形，右多边形，指向中间点坐标的指针或者坐标串 多边形文件：唯一标识码，组成多边形的弧段号及面积、周长及中心点坐标等 弧段坐标：如果弧段中的中间点为指针 四个 三个

69 矢量结构 拓扑模型 拓扑模型(Topological Model)
表示的拓扑关系：节点-节点之间的邻接关系，多边形-多边形之间的邻接关系，节点-线段之间的关联关系，线段-多边形之间的关联关系。 优点：数据结构紧凑、数据冗余小；拓扑关系明晰使得拓扑查询、拓扑分析效率高 缺点：对单个地理实体的操作的效率低、难以表达复杂的地理实体、查询效率低、局部更新困难。

70 矢量结构 POLYVRT（Polygon-Converter)结构:
美国计算机图形及空间分析实验室研制，是当今各种图形数据结构的基本框架（链状双重独立式 ）。

71 矢量结构 POLYVRT（Polygon-Converter)结构: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 弧段文件
节点文件 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 节点号 坐标 1 x,y 2 3 4 5 6 7 8 9 弧段号 起始节点 左多边形 右多边形 中间点 1 2 p1 3 p2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 p12 多边形号 弧段号 面积 周长 1 1, 9, 3, 7 2 2, 11, 4, 9 3 3, 10, 5, 8 4 4, 12, 6, 10 弧段坐标文件 ID 坐标 1 2 多边形文件

72 矢量结构 基于矢量数据结构的基本操作 长度： 面积： 查询：（后面详细讲解）

73 拓扑关系的建立 采用人机交互的方式建立拓扑关系 邻接关系:同类目标之间，如点－点之间的邻接关系
关联关系:异类目标之间，如点－线之间的关联关系

74 拓扑关系的建立 1 核心 2 数据预处理 空间拓扑关系的核心是建立点(结点)、线（弧段）、面（多边形）之间的邻接关系和关联关系。
在建立拓扑关系的过程中，一些在数字化输入过程中的错误需要被改正，否则，建立的拓扑关系将不能正确地反映地物之间的关系。

75 拓扑关系的建立 2 数据预处理 伪节点（Pseudo Node）：伪节点使一条完整的线变成两段，造成伪节点的原因常常是没有一次录入完毕一条线。编辑：去处伪节点。 悬挂节点（Dangling Node）：如果一个节点只与一条线相连接，那么该节点称为悬挂节点，悬挂节点有多边形不封闭、不及和过头、节点不重合等几种情形。编辑：移位、咬合、节点匹配等 多边形不封闭 节点不重合 不及 过头

76 拓扑关系的建立 2 数据预处理 “碎屑”多边形或“条带”多边形（Sliver Polygon）：条带多边形一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条线的位置不可能完全一致，造成了“碎屑”多边形。另外，由于用不同比例尺的地图进行数据更新，也可能产生“碎屑”多边形。 编辑：删除重复线 碎屑多边形

77 拓扑关系的建立 2 数据预处理 不正规的多边形（Weird Polygon）
不正规的多边形是由于输入线时，点的次序倒置或者位置不准确引起的。在进行拓扑生成时，同样会产生“碎屑”多边形。 编辑：移位 正常多边形 不规则多边形

78 拓扑关系的建立 3 点线拓扑关系的自动建立 与弧段相连接的节点（ArcID，FromNode,ToNode）
主要内容 与弧段相连接的节点（ArcID，FromNode,ToNode） 与节点相连接的弧段（NodeID，*ArcIDs） 与弧段相连接的弧段（ArcID1，*ArcIDs） 建立方法 一种在图形采集和编辑的时候自动建立 一种是在图形采集和编辑之后自动建立。 相关的文件表， 节点表：NodeID,X,Y, LinkedArcCount *LinkedArcIDs 弧段表：ArcID， FromNode,ToNode， innerPointsCount, *innerPoints

79 拓扑关系的建立 4 多边形的自动建立（多边形与弧段拓扑关系) 主要内容 组成多边形的弧段（PolygonID，*ArcIDs）
弧段的左右多边形（ArcID，LeftPolygonID, RightPolygonID） 建立方法 左旋算法 右旋算法 相关的文件表， 节点表：NodeID,X,Y, LinkedArcCount *LinkedArcIDs 弧段表：ArcID，FromNode,ToNode, LeftPolygonID, RightPolygonID,innerPointsCount,*innerPoints 多边形表:PolygonID, ArcCountCount, *ArcIDs

80 拓扑关系的建立 4 多边形的自动建立（多边形与弧段拓扑关系) 顺时针方向构多边形 a最靠右边的链为b 多边形面积计算

81 4 多边形的自动建立（多边形与弧段拓扑关系)
拓扑关系的建立 4 多边形的自动建立（多边形与弧段拓扑关系) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a9 a10 a7 a8 s1 s2 s3 s4 a11 a12

82 拓扑关系的建立 5 岛屿问题 对于岛屿 找出正面积多边形包含的负面积多边形的基本过程
每条链关联的多边形，一面积为正，一面积为负，面积正的必然包含面积负的。步骤为： 计算多边形的面积。 分别对面积为正的多边形和面积为负的多边形排序。 从面积为正的多边形中，顺序取每个多边形，取完为止。若负面积多边形个数为0，则结束。 找出该多边形所包含的所有面积为负的多边形，并把这些面积为负的多边形加人到包含它们的多边形中，转上一步。 找出正面积多边形包含的负面积多边形的基本过程 （1）找出所有比该正面积多边形面积小的负面积多边形。 （2）用外接矩形法去掉不可能包含的多边形。 （3）取负面积多边形上的一点,看是否在正面积多边形内，若在内，则被包含；若在外，则不被包含。

83 拓扑关系的建立 6 确定多边形的属性 在追踪出每个多边形的坐标后,经常需确定该多边形的属性。如果在原始矢量数据中, 每个多边形有内点,则可以把内点与多边形匹配后,把内点的属性赋于多边形。由于内点个数必然与多边形的个数一致,所以,还可用来检查拓扑的正确性。如果没有内点, 必须通过人机交互,对每个多边形赋属性。

84 栅格结构 一、定义 栅格结构是最简单、最直观的空间数据结构，又称网格结构或者像元结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或者像素，有行、列号定义，并包含一个代码，表示该网格的属性值或者量值，或者仅仅包含指向其他属性记录的指针。

85 栅格结构 一、定义 栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。在文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。

86 栅格结构 一、定义 栅格数据的比例尺就是栅格(象元)的大小与地表相应单元的大小之比，当象元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方面的偏差。

87 栅格结构

88 栅格结构 二、空间目标的表示方法 点：用一个栅格单元表示； 线：用沿线走向的一组相邻栅格单元表示； 面：用相邻栅格单元的集合表示。

89 栅格结构 二、空间目标的表示方法

90 栅格结构 三、特点 属性明显：数据直接记录属性的指针或者属性本身； 定位隐含：位置根据行列号转换为相应的坐标给出。

91 栅格结构 四、数据获得途径 目读法： 矢量数字化法： 扫描数字化法： 分类影像输入：

92 栅格结构 五、决定栅格单元代码的方法 中心点法：用处于栅格中心处的地物类型或现象特征决定栅格代码 C

93 栅格结构 五、决定栅格单元代码的方法 面积占优法：以占据栅格单元面积最大的地物类型或现象特征决定栅格代码，常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况； (不做统计) B

94 栅格结构 五、决定栅格单元代码的方法 重要性法：选取最重要的地物类型或现象特征决定栅格代码，如城镇，交通枢纽等； A

95 栅格结构 五、决定栅格单元代码的方法 百分比法：根据栅格内各地理要素所占面积的百分比确定栅格单元的代码。 (统计) A

96 栅格结构 六、编码方法 直接栅格编码 压缩编码方法 链码（Chain Encoding）
游程长度编码(Run-length Encoding) 块状编码(Block Encoding) 四叉树编码(Quadtree Encoding)

97 栅格结构 直接栅格编码 最简单最直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法。直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码。

98 栅格结构 直接栅格编码 2 1 3

99 栅格结构 直接栅格编码 50*60cm的图幅-〉19.6*23.6inch (1 inch = 2.54cm)
数据量 50*60cm的图幅-〉19.6*23.6inch (1 inch = 2.54cm) 300dpi，256色，数据量19.6*23.6*300*300 ≈ 字节≈42兆 300dpi，真彩色，数据量19.6*23.6*300*300*3 ≈ *3字节≈125兆 优点 编码简单，信息无压缩、无丢失 缺点 数据量大

100 栅格结构 链码（Chain Codes） 又称Freeman编码或边界编码。主要记录线状地物或面状地物的边界。它把线状地物或面状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。前两个数字表示起点的行列号，从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向。 优点：很强的数据压缩能力，并具有一定的运算功能，如面积，周长等的计算，类似于矢量数据结构，比较适合于存储线和面图形数据。 缺点：叠置运算，如组合、相交等很难实施，对局部的改动涉及到整体结构，而且相邻区域的边界重复存储。

101 栅格结构 链码（Chain Codes） 目标2的表达 1,4,5,4,5,6,6,6,6,4,4 6,7,6,5,4,3,2,1,7

102 栅格结构 游程长度编码 栅格数据压缩的重要编码方法。它的基本思路是：对于一个栅格图形，常常有行（列）方向上相邻的若干栅格单元具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的内容。编码方案为：只是在各行（列）栅格单元的代码发生变化时依此记录该代码以及相同代码重复的个数①或者记录代码及变化的位置（列数）② 。

103 栅格结构 游程长度编码 ①代码,个数，代码,个数…… 0,7,2,1,0,2 0,1,1,1,0,4,2,1,0,1,3,2
0,5,2,1,0,1,3,3 0,2,2,4,0,1,3,1,0,1,2,1 0,1,2,5,0,2,2,1,0,1 0,1,2,7,0,2 0,2,2,4,0,1,3,2,0,1 0,1,2,1,0,4,3,4 2,1,0,5,3,4 2,1,0,9

104 栅格结构 游程长度编码 ②代码,（终止）位置，代码, （终止）位置…… 0,7,2,8,0,10
0,1,1,2,0,6,2,7,0,8,3,10 0,5,2,6,0,7,3,10 0,2,2,6,0,7,3,8,0,9,2,10 0,1,2,6,0,8,2,9,0,10 0,1,2,8,0,10 0,2,2,6,0,7,3,9,0,10 0,1,2,2,0,6,3,10 2,1,0,6,3,10 2,1,0,10

105 栅格结构 游程长度编码 特点： 优点： 缺点： 属性的变化愈少，行程愈长，压缩比例越大，即压缩比的大小与图的复杂程度成反比。
压缩效率高（保证原始信息不丢失）；易于检索、叠加、合并操作。 缺点： 只顾及单行单列，没有考虑周围的其他方向的代码值是否相同。压缩受到一定限制。

106 栅格结构 块状编码： 是将游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包含相邻的若干栅格，数据结构有初始位置和半径，再加上记录单元的代码组成。

107 栅格结构 四叉树编码： 基本思想是将一幅栅格图象等分为四部分。逐块检查其格网属性值。如果某一子区的所有栅格的属性值相同，则这个子区不再继续分割，否则还要把这个子区再分割为四个子区。这样依此地分割，直到每个子区都有相同的属性值。

108 栅格结构 四叉树编码：

109 栅格结构 七、基本算法 距离的计算 面积的计算

110 栅格结构 七、基本算法 叠置分析 土地利用 行政区划

111 栅格结构 优点： 在栅格数据结构中，点实体表示为一个像元；线实体则表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合；面实体由聚集在一起的相邻像元集合表示。这种数据结构很适合计算机处理，因为行列像元阵列非常容易存储、维护和显示。

112 栅格结构 缺点： 用栅格数据表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据，是地表一定面积内(像元地面分辨率范围内)地理数据的近似性，如平均值、主成分值或按某种规则在像元内提取的值等；另一方面，栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。像元大小相对于所表示的面积较大时，对长度，面积等的度量有较大影响。

113 栅格、矢量结构的比较与转换 1、两种数据结构的比较 *两者结合，优势互补 栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两种不同的方法。
栅格数据结构具有“属性明显、位置隐含”的特点，它易于实现，操作简单，有利于栅格的空间信息模型的分析，但栅格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率低。因此基于栅格结构的应用来说，需要根据应用项目的自身特及其精度要求来恰当地平衡栅格数据结构的表达精度和工作效率两者之间的关系。 矢量数据结构具有“位置明显、信息隐含”的特点，它操作起来比较复杂，许多分析操作（如叠置分析）用矢量数据结构难于实现；但它的数据表达精度高，数据存储量小，输出图形美观却工作效率高。 *两者结合，优势互补

114 两种数据结构的对照表 比较内容 矢量结构 栅格结构 数据结构 结构复杂、紧凑、冗余度低 简单、冗余度高 数据量 小 大 图形精度 高 低
遥感影像格式 不一致 一致或接近 数据共享 不易实现 容易实现 拓扑和网络分析 叠置分析

115 场模型的数字表达 栅格 等高线 不规则三角网

116 不规则三角网（TIN）模型 不规则三角网（Triangulated Irregular Network, TIN）是另外一种表示连续地理实体或者现象的方法，它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。

117 不规则三角网（TIN）模型 TIN是一个三维空间的分段线性模型

118 不规则三角网（TIN）模型 TIN数据组织 存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。

119 TIN的数据组织 TIN数据模型 三角形 + 边 + 顶点 三角形：三个指向它三个组成边的ID
边：两个指向相邻三角形记录的ID和它的两个顶点的记录的ID 顶点：坐标（X,Y,Z）

120 TIN的数据组织 TIN数据模型 顶点 + 相邻三角形 三角形：三个顶点和三个相邻三角形 顶点：坐标（X,Y,Z）