空间信息系统
第三章 空间数据结构
北京林业大学信息学院
§3-2 矢量数据结构
§3-3 栅格数据结构
§3-1 空间实体及其描述
§3-4 矢量与栅格的比较
§3-2 矢量数据结构
§3-3 栅格数据结构
§3-1 空间实体及其描述
§3-4 矢量与栅格的比较
§3-1 空间实体及其描述
空间实体
空间实体的描述
实体的空间特征
实体的空间关系表达
§3-1 空间实体及其描述
空间实体
空间实体的描述
实体的空间特征
实体的空间关系表达
§3-1 空间实体及其描述
一. 空间实体
1、定义：
又称地理实体，空间对象，要素，地物等，是GIS处理的对象，最小的
处理单元。
指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具有概括
性，复杂性，相对意义的概念。
2、理解：
地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，GIS中的空间实
体是一个概括，复杂，相对的概念。
如：从全国各高校的角度来看，北京林业大学可以看作一个空间实体；
但如果从北京林业大学的角度来看，各建筑楼应该看作一个空间实体。
§3-1 空间实体及其描述
空间实体
空间实体的描述
实体的空间特征
实体的空间关系表达
§3-1 空间实体及其描述
二、空间实体的描述——空间数据
4、数据结构3、数据类型
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
1、描述的内容
位置、形状、尺
寸、
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
§3-1 空间实体及其描述
二、空间实体的描述——空间数据
4、数据结构3、数据类型
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
1、描述的内容
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
§3-1 空间实体及其描述
2.空间数据基本特征
1）空间特征：
定位数据，表示现象的空间位置和
空间关系；
2）属性特征：
非定位数据，表示现象或特征；
3）时间特征：
指现象或物体随时间的变化。
§3-1 空间实体及其描述
二、空间实体的描述——空间数据
4、数据结构3、数据类型
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
1、描述的内容
位置、形状
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
§3-1 空间实体及其描述
3、空间数据类型
A）地图数据
B）地形数据
C）属性数据
D）影像数据
………..
1）依据数据来源的不同分为：
§3-1 空间实体及其描述
3、空间数据类型 2）依据表示对象的不同分为：
§3-1 空间实体及其描述
3、空间数据类型 2）依据表示对象的不同分为：
§3-1 空间实体及其描述
二、空间实体的描述——空间数据
4、数据结构3、数据类型
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
1、描述的内容
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
§3-1 空间实体及其描述
空间实体
空间实体的描述
实体的空间特征
实体的空间关系表达
§3-1 空间实体及其描述
三. 实体的空间特征
（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。
（二）空间特征类型
（三）实体类型组合
1、点状实体
2、线状实体
3、面状实体
4、体状实体
§3-1 空间实体及其描述
基站、大厦、宾馆、
旅游点等；
点
线
面
三. 实体的空间特征－－空间维数
公路、铁路、河流
等；
公园、住宅小区、
行政区划等。
§3-1 空间实体及其描述
空间实体一般按地形维数进行归类划分：
点：零维
线：一维
面：二维
体：三维
时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间
属性。 (当前正在研究的时空数据模型)
三. 实体的空间特征－－空间维数
1、点状实体
点、点状实体、点状图元要素。点：有特定位置，维数为0的物体。
4）角点：表示线段上的
连接点。
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。
§3-1 空间实体及其描述
三. 实体的空间特征－－空间特征类型
5）结点：表示线段起点
和终点。
1）实体长度：
从起点到终点的总长。
2）弯曲度：
用于表示像道路拐弯时弯曲的
程度。
3）方向性：
如：水流方向，上游—下游，
公路，单、双向之分。
具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性：
§3-1 空间实体及其描述
2、线状实体
面状实体的如下特征：
1）面积范围
2）周长
3）独立性或与其它地物相邻
4）内岛
也称为多边形，是对湖泊、岛屿等一类现象的描述。由一组封闭曲线来表示。
§3-1 空间实体及其描述
3、面状实体
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。
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。
§3-1 空间实体及其描述
4、体、立体状实体
§3-1 空间实体及其描述
三. 实体的空间特征－－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
空间单元组合而成，复杂现象由简单实体组合
表达。
点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题。
§3-1 空间实体及其描述
三. 实体的空间特征－－实体类型组合
§3-1 空间实体及其描述
空间实体
空间实体的描述
实体的空间特征
实体的空间关系表达
§3-1 空间实体及其描述
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
四. 实体的空间关系－－拓扑关系
拓扑变换
（橡皮变换）
图纸平面：高质量的无边界的橡皮。
对橡皮进行任意的拉伸、压缩，但不能扭
转或折叠。
变换后原来图形的一些属性将保留，而有
些属性将会失去。
1.定义
§3-1 空间实体及其描述
非拓扑属性（几何） 拓扑属性（没发生变化的属性）
两点间距离
一点指向另一点的方
向
弧段长度、区域周长、
面积等
一个点在一条弧段的端点
一条弧是一简单弧段（自身不相交）
一个点在一个区域的边界上
一个点在一个区域的内部、外部
一个点在一个环的内、外部
一个面是一个简单面（面上没有“岛
”）
拓扑关系的意义：
1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系。
2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。
3）根据拓扑关系可重建地理实体。(如：构建多边形)
拓扑关系具体可由4个关系表来表示：
（1） 面—弧段关系： 面 构成面的弧段
（2） 弧段—面关系： 弧段 左面 右面
（3） 弧段--结点关系： 弧段 弧段两端的结点
（4） 结点—弧段关系： 结点 通过该结点的弧段
§3-1 空间实体及其描述
四. 实体的空间关系－－拓扑关系
2.表达
§3-1 空间实体及其描述
四. 实体的空间关系－－拓扑关系 2.表达
eb
c
4
1
3
2
5
A B
C
7
6
Da
d
a: 结点号 A: 多边形号1: 弧段号
弧段数字化方向
表中数字前负号为相反方向
弧-面、弧-结点拓扑
弧
段
左
面
右面 起
点
终
点
1 A — c a
2 A B b c
3 C A b a
4 — C d a
5 C B d b
6 B D e e
7 B — d c
面-弧拓扑
面
号
弧
数
弧号
A 3 -1,-2,3
B 4 2,-7,5,0,6
C 3 -3,-5,4
D 1 6
结点-弧拓扑
结点 弧
a 1,3,4
b 2,3,5
c 1,2,7
d 4,5,7
e 6
内存中空间实体的管理
点：
符号点：class CSymbol
注记点：class CNote
线： class CLine
面： class CRegion
§3-1 空间实体及其描述
CEntity
CSymbol CNote CLine CRegion
§3-2 矢量数据结构
§3-3 栅格数据结构
§3-1 空间实体及其描述
§3-4 矢量与栅格的比较
§3-2 矢量数据结构
空间数据结构：描述空间实体的数据本身的组织方法。
是研究空间数据在计算机中的组织和表示方法，以便
于计算机存储和管理。
空间数据结构是GIS中用户了解数据的桥梁。
内部数据结构基本上可分为两大类：
矢量数据结构
栅格数据结构
一. 基本概念
§3-2 矢量数据结构
点：位置：（x，y）
属性：符号
线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)
属性：符号—形状、颜色、尺寸
面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)
属性：符号—图案、颜色、面积
一. 基本概念－－矢量数据结构
§3-2 矢量数据结构
地理空间的矢量表达方式是用离散的点、线、面来表
示和描述连续地理空间中的实体。
即地理空间实体的形状和位置由一组坐标对确定，并
与一定的属性相连接。
一. 基本概念－－矢量数据结构
§3-2 矢量数据结构
二. 矢量数据的组织
矢量数据表示时应考虑以下问题：
1) 数据自身的存贮和处理。
2) 与属性数据的联系。
3) 空间实体之间的空间关系(拓扑关系)。
有关属性、其它属性
点：坐标对（x,y）
线：坐标对系列(x1,y1)..(xn,yn)
面：首尾相同的坐标串
＋ 拓扑关系
关系表
几何位置坐标文件
连
接
识别符
§3-2 矢量数据结构
1) 由外业测量获得（包括全站仪、GPS、常规测量等）
可利用测量仪器自动记录测量成果，然后转到地理数据文件中。
2) 由栅格数据转换获得
利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。
3) 跟踪数字化
用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。
三. 矢量数据的获取方式
§3-2 矢量数据结构
四. 矢量数据的编码方式－－1.实体式
面条模型：
以实体为单位记录其坐标。
多边形 坐标串
P1 ……
P2 ……
1
2
34
5
6
7 8
9 10
11
12
13 14
15 P
P
P
构成多边形边界的各个线段，以
多边形为单元进行组织。
§3-2 矢量数据结构
四. 矢量数据的编码方式－－1.实体式
A：(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)
B：(x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),(x16,y16),(x15,y15),(x14,y14),(x13,y13),(x12,y12),
(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
C：(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24)
D：(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19)
E：(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5)
1
2
3
4
5
6
7
89
10
11 12 13
14
15
16
17
18 19
20
21
22
2324 25
26
27
28
2930
31
§3-2 矢量数据结构
四. 矢量数据的编码方式－－1.实体式
优点：结构简单、直观
缺点：
1、相邻多边形的公共边界被存储两次，造成数据冗余。
2、无拓扑关系，难以进行邻域处理，多边形分解和合并不易进行。
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。
§3-2 矢量数据结构
四. 矢量数据的编码方式－－2.索引式（树状）
对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引
文件。
1、点文件： 点号 坐标
1 x1,y1
索引文件：
面号 弧段号
P1 A,B,C
3、面文件：
2、弧段文件：
弧段号 起点 终点 点号
A 5 2 7,8,9,10
1
2
34
5
6
7 8
9 10
11
12
13 14
15 P
P
P
§3-2 矢量数据结构
四. 矢量数据的编码方式－－2.索引式（树状）
N1
B2
N2
N4
N3
B3 B4
B1
A1 A2
A6
A5
A4
A3
A7 A8
N5 A8
B1 B2 B3 B4
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
N1 N2 N3 N4 N5
M
面
弧段
点
§3-2 矢量数据结构
四. 矢量数据的编码方式－－2.索引式（树状）
与实体式相比：
优点：
1）消除多边形数据的冗余和不一致
2）邻接信息、岛信息可通过查找公共弧段号的方式查询。
缺点：
1）表达拓扑关系较繁琐。
2）给相邻运算、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难。
3）以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。
§3-2 矢量数据结构
四. 矢量数据的编码方式
3.双重独立式编码
4.链状双重独立式编码--拓扑数据结构
§3-2 矢量数据结构
五. 拓扑结构－－是否需要拓扑结构
应用目的
制图或一般查询，可不要拓扑结构
空间分析，则应建立拓扑关系
§3-2 矢量数据结构
§3-3 栅格数据结构
§3-1 空间实体及其描述
§3-4 矢量与栅格的比较
§3-3 栅格数据结构
一. 基本概念
地理空间的栅格表达方式是用离散的量化的格网值来
表示和描述连续地理空间实体。每个格网叫栅格单元、
或象元，单元的大小反映了数据的分辨率。
地理空间实体的形状和位置是由一组进行坐标定位的
格网组成。每个格网有独立的编码，并载有属性。
§3-3 栅格数据结构
一. 基本概念
2
2
1 2
2 3 3
2 3 3 3
2 3 3 3
2 3 3 3
2
点：由单个栅格表达。
线：由沿线走向有相同属性取值的一
组相邻栅格表达。
面：由沿线走向有相同属性取值的一
片栅格表达。
3
3
3
§3-3 栅格数据结构
——针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。
§3-3 栅格数据结构
二. 栅格数据组织
土壤
地貌
森林
建筑物
Z
Y
X
二. 栅格数据组织－－组织方法
方法c：
方法b：
方法a：每层每个象元的位置、属性一一记录。
结构最简单，但浪费存储。
§3-3 栅格数据结构
栅格数据文件
层1 像元1
层2
…
X,Y,属性值
像元2 X,Y,属性值
… …
像元n X,Y,属性值
层n
二. 栅格数据组织－－组织方法
方法c：
方法b：以象元为记录序列，不同层上
同一象元位置上的各属性值表示为一个
列数组。
方法a：
§3-3 栅格数据结构
栅格数据文件
像元1 X坐标
Y坐标
层2属性值
层1属性值
…
层n属性值
…
像元2
像元n
二. 栅格数据组织－－组织方法
方法c：以层为基础，每层内以多边
形为序记录多边形的属性值和多边
形内各象元的坐标。
节约用于存储属性的空间。
方法b：
方法a：
§3-3 栅格数据结构
栅格数据文件
层1 多边形1
层2
…
属性值
像元1坐标
…
多边形N
像元n坐标
层n
栅格数据组织方法的示意图
二. 栅格数据组织－－组织方法
§3-3 栅格数据结构
栅格数据文件
像元1 X坐标
Y坐标
层2属性值
层1属性值
…
层n属性值
…
像元2
像元n
栅格数据文件
层1 像元1
层2
…
X,Y,属性值
像元2 X,Y,属性值
… …
像元n X,Y,属性值
层n
栅格数据文件
层1 多边形1
层2
…
属性值
像元1坐标
…
多边形N
像元n坐标
层n
1、直接栅格编码：
将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。
1）每行都从左到右记录； AAAAABBBAABBAABB
2）奇数行从左到右，偶数行从右到左；
特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任
何压缩数据处理。
A A A A
A B B B
A A B B
A A B B
三. 栅格数据编码方法－－1.直接栅格编码
§3-3 栅格数据结构
2）记下地物属性码和起点行、列后，
进行追踪，得到矢量链。
将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录。
建立步骤：
1）首先定义一个3x3窗口，对中间栅格的走
向的8种可能进行编码。
三. 栅格数据编码方法－－2.链码
§3-3 栅格数据结构
1）优点：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折
方向和边界、线段凹凸度的计算。
2）缺点：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将
改变整体结构）。
链式编码的特点：
三. 栅格数据编码方法－－2.链码
§3-3 栅格数据结构
将原图表示的数据矩阵变为数据对：
(属性码，长度)
长度：连续相同码值的栅格个数。
A A A A
A B B B
A A B B
A A B B
三. 栅格数据编码方法－－3.游程编码（变长编码）
§3-3 栅格数据结构
只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同
代码重复的个数；
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
沿行方向进行编码：( 0，1），
（2，2），（5，5）；（2，5），
（5，3）；（2，4），（3，2），
（5，2）；（0，2），（2，1），
（3，3），（5，2）；（0，2），
（3，4），（5，1），（3，1）；
（0，3），（3，5）；（0，4），
（3，4）；（0，5），（3，3）。
三. 栅格数据编码方法－－3.游程编码（变长编码）
§3-3 栅格数据结构
特点：
1）区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，适
用于同类型区域面积较大的地图。
2）在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，
编码解码运算简单，且易于检索，叠加等操作。
A A A A
A B B B
A A B B
A A B B
三. 栅格数据编码方法－－3.游程编码（变长编码）
§3-3 栅格数据结构
采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。
数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）
特点：具有可变分辨率。
1）大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。
2）小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低。
依次扫描，编过的不重复。
1 2 3 4 5 6 7 8
1 0 4 4 7 7 7 7 7
2 4 4 4 4 4 7 7 7
3 4 4 4 4 8 8 7 7
4 0 0 4 8 8 8 7 7
5 0 0 8 8 8 8 7 8
6 0 0 0 8 8 8 8 8
7 0 0 0 0 8 8 8 8
8 0 0 0 0 0 8 8 8
如：
（1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7)
……
三. 栅格数据编码方法－－4.块码（游程编码向二维扩展）
§3-3 栅格数据结构
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
（1，1，1，0），（1，2，2，2），
（1，4，1，5），（1，5，1，5），
（1，6，2，5），（1，8，1，5）；
（2，1，1，2），（2，4，1，2），
（2，5，1，2），（2，8，1，5）；
（3，3，1，2），（3，4，1，2），
（3，5，2，3），（3，7，2，5）；
（4，1，2，0），（4，3，1，2），
（4，4，1，3）；（5，3，1，3），
（5，4，2，3），（5，6，1，3），
（5，7，1，5），（5，8，1，3）；
（6，1，3，0），（6，6，3，3）；
（7，4，1，0），（7，5，1，3）；
（8，4，1，0），（8，5，1，0）。
数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。
三. 栅格数据编码方法－－4.块码（游程编码向二维扩展）
§3-3 栅格数据结构
§3-2 矢量数据结构
§3-3 栅格数据结构
§3-1 空间实体及其描述
§3-4 矢量与栅格的比较
矢量结构
地理实体的形状和位置由一组坐标对确定，
并与一定的属性相连接。
栅格结构
地理实体的形状和位置是由一组栅格(格
网)结构的坐标定位象元确定。每个象元
有独立的编码。
§3-4 矢量与栅格数据结构的比较
X,Y X,Y X,Y
X,Y
Reality
(A highway)
X,Y
Rows
Columns
§3-4 矢量与栅格数据结构的比较
矢量结构
栅格结构
§3-4 矢量与栅格数据结构的比较
矢量数据
优点：
•表示地理数据的精度较高
•严密的数据结构，数据量小
•完整的描述空间关系
•图形输出精确美观
•图形数据和属性数据的恢复、
更新、综合都能实现
•面向目标，不仅能表达属性，
而且能方便的记录每个目标
的具体属性信息
缺点：
•数据结构复杂
•矢量叠加分析较为复杂
•技术复杂，特别是软硬件
栅格数据
优点：
•数据结构简单，易交换数据
•空间数据的叠置和组合方便
•输出快速、成本低廉
缺点：
•地图数据量大
•用大像元减少数据量时，精
度和信息量受损
•地图输出不美观
•难以描述空间关系
引用说明
此讲义综合参考了下列大学及研究所的GIS学科讲义：
武汉大学
南京师范大学
北京大学
广州大学
西北大学
中科院遥感所
中科院地理所
谢 谢 ！
