【正文】 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 2 第二章 地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2． 1 地圖數(shù)據(jù)的描述方法 地圖數(shù)據(jù)： 地圖諸要素的數(shù)字化表示，是以點(diǎn)、線、面等方式采用編碼技術(shù)對(duì)地理空間物體進(jìn)行特征描述及在物體間建立相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)集。 一、地圖對(duì)地理空間的描述 地圖是現(xiàn)實(shí)世界的模型，它按照一定的比例和投影原則，有選擇地將復(fù)雜的三維地理空間的某些內(nèi)容投影到二維平面介質(zhì)上，并用符號(hào)將這些內(nèi)容要素表現(xiàn)出來。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 3 地圖學(xué)中，把地理空間的實(shí)體分為點(diǎn)、線、面三種要素 (對(duì)象 )，分別用點(diǎn)狀、線狀、面狀符號(hào)來表示。 ?點(diǎn)實(shí)體 點(diǎn)實(shí)體是有特定的位置、維數(shù)為 0的實(shí)體。 實(shí)體點(diǎn)： 用來代表一個(gè)實(shí)體； 如城市 注記點(diǎn)： 用于定位注記； 北 京 內(nèi)點(diǎn)： 用于記錄多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)； 結(jié)點(diǎn)： 表示線的終點(diǎn)和起點(diǎn)； 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 4 結(jié)點(diǎn)： 表示線的終點(diǎn)和起點(diǎn)； 節(jié)點(diǎn)： 它是兩條或多條連線或鏈的拓?fù)溥B結(jié)點(diǎn) 拐點(diǎn)： 表示線段和弧段的內(nèi)部點(diǎn)（特殊的節(jié)點(diǎn)）。 (2)線實(shí)體（亦稱為線段、弧、鏈、環(huán)等） 線實(shí)體是維數(shù)為 1的實(shí)體，由一系列坐標(biāo)點(diǎn)表示。 特征： 實(shí)體長(zhǎng)度： 從起點(diǎn)到終點(diǎn)的總長(zhǎng)； 彎曲度： 用于表示如道路拐彎時(shí)彎曲的程度； 方向性： 如河流從上游到下游，公路有單雙向之分； 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 5 (3)面 (多邊形 )實(shí)體 面 (多邊形 )實(shí)體是維數(shù)為 2的實(shí)體，由一個(gè)封閉的坐標(biāo)點(diǎn)序列外加內(nèi)點(diǎn)表示， 是對(duì)湖泊、島嶼、地塊等現(xiàn)象的描述。 具有以下特征： 周長(zhǎng)； 面積；島或非島；內(nèi)島或齒狀；重疊性等 內(nèi)面： 不包括邊界的面 廣義多邊形 （其他多邊形覆蓋面的周邊以外的面，它沒有外環(huán)，有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)環(huán)） 虛多邊形 （以其他多邊形為界的多邊形） 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 6 二、地圖數(shù)據(jù)的基本特征 地圖數(shù)據(jù)具有空間特征、屬性特征及時(shí)間特征。 1．空間特征 (1)空間位置 空間位置用以描述事物或現(xiàn)象的地理位置，又稱幾何特征、定位特征。 通常用地理坐標(biāo)系、平面直角坐標(biāo)系來表示 ，也稱幾何特征，包括空間實(shí)體的 位置、大小、形狀、分布狀況 等，表明“在哪里”。 (2)空間關(guān)系 地理空間實(shí)體之間存在的一些具有空間特性的關(guān)系 拓?fù)潢P(guān)系： 拓?fù)渥兓碌耐負(fù)洳蛔兞?，如鄰接關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系和包含關(guān)系等； 方位關(guān)系： 實(shí)體在地理空間中的某種順序，如左右、東南西北等； 度量關(guān)系： 用地理空間中的度量來描述的實(shí)體之間的關(guān)系，如實(shí)體之間的距離 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 7 2．屬性特征 屬性特征用以描述事物或現(xiàn)象的特性，如事物或現(xiàn)象的類別、等級(jí)、數(shù)量、名稱等，用來說明 “ 是什么 ” 。 屬性特征通常分定性和定量?jī)煞N： （ 1）定性特征 包括名稱、類型等； （ 2）定量特征 包括數(shù)量、等級(jí)等。 3．時(shí)間特征 時(shí)間特征用以描述地理實(shí)體隨著時(shí)間而變化的特征。目前的計(jì)算機(jī)地圖制圖還較少考慮到地圖數(shù)據(jù)的時(shí)間特征，只考慮其屬性特征與空間特征的結(jié)合。由于地圖數(shù)據(jù)具有時(shí)間維，過時(shí)的信息雖不具有現(xiàn)勢(shì)性，卻可以作為歷史性數(shù)據(jù)保存起來，但這樣做會(huì)增大計(jì)算機(jī)地圖制圖表示和處理數(shù)據(jù)的難度。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 8 圖 21：空間數(shù)據(jù)的基本特性 [Jack Dangermond,1984] 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 9 三、地圖數(shù)據(jù)的基本類型 根據(jù)地圖數(shù)據(jù)的特征，可以把地圖數(shù)據(jù)分為 空間數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù) 三類 。 1．空間數(shù)據(jù) 也稱幾何數(shù)據(jù)，即描述地理現(xiàn)象或地理實(shí)體的空間位置、形狀、大小等的數(shù)據(jù)。 根據(jù)地理要素的空間分布待征和空間實(shí)體分類，可以將地理空間數(shù)據(jù)分為點(diǎn)、線、面三種類型。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 10 (1)點(diǎn)類型 點(diǎn)類型可以描述如城鄉(xiāng)居民地、工廠、學(xué)校、醫(yī)院、機(jī)關(guān)、車站、山峰、隘口等現(xiàn)象。這里， “ 點(diǎn) ” 是一個(gè)相對(duì)的抽象概念，即從較大的空間規(guī)模上來觀測(cè)這些地物，就能把它們都?xì)w結(jié)為點(diǎn)狀分布的地理現(xiàn)象，因此 能用一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(或柵格像元 )來描述其空間位置 。而如果從較小的空間尺度上來觀察這些地理現(xiàn)象，它們中的多數(shù)將可以用一個(gè)面狀特征來描述。例如同一個(gè)城市，在小比例尺地圖上表現(xiàn)為點(diǎn)狀分布，而在大比例尺地圖上則可表現(xiàn)為面狀分布，其內(nèi)部表示了十分詳細(xì)的城市街道分布狀況。 (2)線類型 線類型描述如河流、運(yùn)河、海岸、鐵路、公路、地下管網(wǎng)、行政邊界等線狀分布的地理現(xiàn)象。這里的 “ 線 ” (有時(shí)也稱 “ 弧 ” )也是一個(gè)相對(duì)的抽象概念。它們的 空間位置數(shù)據(jù)是一線狀坐標(biāo)串 (或柵格像元集合 )。 (3)面類型 面類型描述如土地、水域、森林、草原、沙漠等具有大范圍連續(xù) (或斷續(xù) )面狀分布特征的現(xiàn)象。這里的“面”是一個(gè)相對(duì)的抽象概念，有時(shí)實(shí)地上不一定有明顯的邊界。描述面狀特征的 空間數(shù)據(jù)是一封閉的面坐標(biāo)串 (或柵格像元集合 )，通常稱之為多邊形。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 11 2． 空間數(shù)據(jù)的表示方法 一般地，表示地理現(xiàn)象的空間數(shù)據(jù)可以細(xì)分為： 類型數(shù)據(jù)： 例如考古地點(diǎn)、道路線和土壤類型的分布等； 面域數(shù)據(jù)： 例如隨機(jī)多邊形的中心點(diǎn)、行政區(qū)域界線和行政單元等； 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)： 例如道路交點(diǎn)、街道和街區(qū)等； 樣本數(shù)據(jù)： 例如氣象站、航線和野外樣方的分布區(qū)等； 曲面數(shù)據(jù)： 例如高程點(diǎn)、等高線和等值區(qū)域； 文本數(shù)據(jù)： 例如地名、河流名稱和區(qū)域名稱； 符號(hào)數(shù)據(jù)： 例如點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)和面狀符號(hào)（暈線）等（如圖 22所示）。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 12 GIS中各種數(shù)據(jù)以及其表現(xiàn) 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 13 3． 關(guān)系數(shù)據(jù) 關(guān)系數(shù)據(jù)是描述空間數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系的數(shù)據(jù) 。 上述點(diǎn)、線、面空間位置數(shù)據(jù)之間存在著某種特定的拓?fù)潢P(guān)系。這類數(shù)據(jù)表達(dá)了各類地理實(shí)體空間位置之間的相互關(guān)系，如空間數(shù)據(jù)的相鄰、關(guān)聯(lián)、包含等。 各種地理要素的空間位置數(shù)據(jù)在地圖上的關(guān)系，可以概括為點(diǎn)、線、多邊形之間的 9種形式的拓?fù)潢P(guān)系： 點(diǎn) — 點(diǎn)、點(diǎn) — 線、點(diǎn) — 面； 線 — 點(diǎn)、線 — 線、線 — 面； 面與點(diǎn)、面與線、面與面。 最常用的空間實(shí)體關(guān)系有 6種，即： 點(diǎn) — 點(diǎn)、點(diǎn) — 線、點(diǎn) — 面； 線 — 線、線 — 面； 面 — 面。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 14 它們之間的相互關(guān)系： 鄰接、 關(guān)聯(lián) 、相交、相離、包含、重合 LS PS SS LL PL 相離 相交 鄰接 重合 包含 PP 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 15 4．屬性數(shù)據(jù) 屬性數(shù)據(jù)是描述空間實(shí)體屬性特征的數(shù)據(jù)，也稱非幾何數(shù)據(jù)， 即描述地理現(xiàn)象或地理實(shí)體的定性或定量指標(biāo)，包括語義與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如類型、等級(jí)、名稱、狀態(tài)等。有時(shí)也把描述時(shí)間特征的數(shù)據(jù)納入該類。 屬性數(shù)據(jù)中的定性 (或定量 )指標(biāo)通常要經(jīng)編碼轉(zhuǎn)換才能被計(jì)算機(jī)接受。為了方便計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理和使用這些編碼，需要研究統(tǒng)一的分類系統(tǒng)和編碼。有關(guān)這方面的詳細(xì)內(nèi)容將在本書第 3章中進(jìn)行介紹。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 16 第二節(jié) 地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 主要指地圖數(shù)據(jù)中 空間數(shù)據(jù) 的結(jié)構(gòu)， 是指幾何數(shù)據(jù)以什么形式在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和處理。 地圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 矢量數(shù)據(jù)的概念 矢量本身是數(shù)學(xué)上的概念運(yùn)用到地理信息系統(tǒng)中。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是表達(dá)地圖空間數(shù)據(jù)的一種常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 17 矢量數(shù)據(jù) ——它通過記錄坐標(biāo)值的方式盡可能精確地表示呈點(diǎn)、線、面狀分布的地理實(shí)體。 矢量數(shù)據(jù)的表達(dá) 在計(jì)算機(jī)地圖制圖中，各地理要素在二維平面上的矢量數(shù)據(jù)表達(dá)為： 點(diǎn) —0維矢量：由一（ x， y）坐標(biāo)值表示； 線 —1維矢量： 由一串有序的（ x， y）坐標(biāo)表示； 面 —2維矢量：由一串有序的且首尾坐標(biāo)相同的（ x， y） 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 18 其中， 一維矢量可以閉合，但不能與自身相交。如果相交，則應(yīng)以交點(diǎn)為界將一維矢量分成幾個(gè)一維矢量。 如下圖：（一維矢量可能空間關(guān)系） a b c d 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 19 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表示 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是最早用于表達(dá)地圖空間數(shù)據(jù)的一種常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)地圖制圖中， 表示矢量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮以下問題： 方便存儲(chǔ)和處理 與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系 矢量數(shù)據(jù)之間的拓?fù)潢P(guān)系 表示矢量數(shù)據(jù)的方法有多種，但基本上相似。下面按考慮問題的多寡分別介紹矢量數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其有關(guān)的編碼方法。 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 20 （ 1）簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及編碼 簡(jiǎn)單的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 不考慮拓?fù)潢P(guān)系，可用于矢量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、顯示、輸出以及一般的查詢和檢索。 有點(diǎn)、線、面三種基本的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。 ①點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式 標(biāo)志碼 屬性碼 （ x， y） 標(biāo)志碼 屬性碼 標(biāo)志碼 （ x， y） + 或 標(biāo)志碼具有唯一性， 是按某種原則進(jìn)行的編碼（如順序） 屬性碼是與點(diǎn)有關(guān)的基本屬性的編碼，可有多個(gè)。 （ x， y）是定位坐標(biāo) 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 21 ② 線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式 當(dāng)然也可采用將屬性數(shù)據(jù)單獨(dú)存放的方式 標(biāo)志碼和屬性碼的含義與點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同； 坐標(biāo)對(duì)數(shù) n：構(gòu)成該線的坐標(biāo)對(duì)個(gè)數(shù)； 坐標(biāo)串：是構(gòu)成線的矢量坐標(biāo)對(duì)序列，共有 n對(duì) 標(biāo)志碼 屬性碼 坐標(biāo)對(duì)數(shù) n 坐標(biāo)串（ x1， y1） …… 坐標(biāo)串（ x1， y1） …… 坐標(biāo)對(duì)數(shù) n 標(biāo)志碼 屬性碼 標(biāo)志碼 + 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 22 ③ 面（多邊形）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式 常見的兩種形式 標(biāo)志碼 屬性碼 坐標(biāo)對(duì)數(shù) n 坐標(biāo)串（ x1， y1） …… （ x1， y1） 標(biāo)志碼 屬性碼 弧段數(shù) n 弧段標(biāo)志碼集 弧段標(biāo)志碼 01 坐標(biāo)對(duì)數(shù) n 坐標(biāo)串（ x1， y1） …… 弧段標(biāo)志碼 n 坐標(biāo)對(duì)數(shù) m 坐標(biāo)串（ x1， y1） …… …… 有 N個(gè) 這種方法可能會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余 這種方法保證了多邊形公共邊的唯一性 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 23 簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的編碼形式 因在矢量的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中不考慮拓?fù)潢P(guān)系，故其編碼方法僅記錄空間實(shí)體的位置、標(biāo)志及屬性信息，而不記錄拓?fù)潢P(guān)系。常見的編碼方法有 獨(dú)立實(shí)體法 和 點(diǎn)位字典法 ①獨(dú)立實(shí)體法 在獨(dú)立實(shí)體法中，每個(gè)點(diǎn)線面都直接跟隨它的空間坐標(biāo)。每個(gè)實(shí)體的坐標(biāo)都獨(dú)立存儲(chǔ)，毫不顧及相鄰的多邊形或線或點(diǎn)狀地物。具體形式如下： 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 24 對(duì)面狀實(shí)體而言，最末一點(diǎn)的坐標(biāo)與第一點(diǎn)相等。使用這種方法 時(shí)，除了外輪廓線以外，多邊形的邊界線數(shù)據(jù)均獲取和存儲(chǔ)兩次，這就會(huì)產(chǎn)生重疊或列隙（當(dāng)取值誤差時(shí)）， 并產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余。為了消除裂縫，需要二次編輯。 ② 點(diǎn)位字典法 以公用點(diǎn)位字典為基礎(chǔ)建立一些系統(tǒng)，這克服了獨(dú)立實(shí)體編碼的某些局限性 。點(diǎn)位字典包含地圖上每一個(gè)邊界點(diǎn)的坐標(biāo)，然后建立點(diǎn)、線、面的邊界表，它們由點(diǎn)位序號(hào)構(gòu)成。即： 點(diǎn)位字典表：點(diǎn)號(hào)、坐標(biāo)（ X， Y） 點(diǎn)實(shí)體：標(biāo)志碼，地物編碼，點(diǎn)號(hào) 線實(shí)體：標(biāo)志碼，地物編碼，（點(diǎn)號(hào) 1， …… 點(diǎn)號(hào) n） 面實(shí)體：標(biāo)志碼，地物編碼，（點(diǎn)號(hào) 1， …… 點(diǎn)號(hào) n，點(diǎn)號(hào) 1） 第二章 地 圖 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 25 下圖是兩種表述方法的比較： A 1 2 3 7 C 6 3 4 5 B 1 7 6 3 5 8 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 A B C 1 2 3 4 5 6 7 8 多邊形 地物編碼 坐標(biāo)數(shù)據(jù)項(xiàng) A T301 X1， Y1； X2， Y2； X3， Y3； X7， Y7； X1， Y