第三讲 GIS数据组织与结构
中南大学测绘与国土管理工程系
内容提纲
? 栅格数据结构
? 矢量数据结构
? 栅格与矢量数据结构的选择与转换
? 空间数据分层组织
3.1 地理信息系统空间数据
? GIS的主要数据为一维, 二维或三维的空间型地图数据,
包括空间位置, 拓扑关系和属性三个方面的内容 。
? 点 （ Point）,又称为元素 （ Element） 或象元 （ Pixel）,
是一个数据点, 具有一对 （ x,y） 坐标和至少一个属
性 。
? 线,（ Line）,是具有相同属性的点的轨迹, 由一个
坐标对序列表示, 坐标对顺序与线的开头有关, 线上
每个点有不多于二个邻点 。
? 面 （ Area）,是具有相同属性的点的轨迹, 以 （ x,y）
坐标对的集合表示, 坐标对的排列顺序不影响面的形
态, 具内部点可以有多于三个的邻点, 面内点具有至
少一个相同属性 。
? 区域 （ Region）,空间上相邻或重叠的点, 线, 面要
素可以按一定的地理意义组成区域 。
3.1.1 数据库结构
? 关系模型 （ relational model） 满足一定条件的二维表格
? 层次模型 （ hierarchical model） 以记录类型为节点的有
向树 （ tree）, 其主要特征是,（ 1） 除根节点外, 任
何节点都有且 只有一个, 父亲, ； （ 2）, 父, 节点表
示的实体与, 子, 节点表示的实体是一对多的联系 。
? 网状模型 （ network model）
? 特点,1） 可以有一个以上的结点没有, 父, 结点；
? 2） 至少有一个结点有多于一个, 父, 结点；
? 3） 结点之间可以有多种联系；
? 4） 可以存在回路
3.2 空间数据组织与结构
? 栅格数据结构
? 矢量数据结构
? 栅格与矢量数据结构的选择与转换
? 空间数据分层组织
3.2.1栅格与矢量的基本概念
? 描述地理实体的数据本身的组织方法,
称为内部数据结构 。
? 内部数据结构基本上可分为两大类,
即矢量结构和栅格结构 。
GIS的内部数据结构如图 3-1所示。
图 3-1 矢量结构和栅格结构
栅格模型 矢量模型
优点,
1、数据结构简单
2、叠加操作易实现
3、能有效表达空间可变性
4、栅格图象便于做图象的有效增强
优点,
1、提供更严密的数据结构
2、提供更有效的拓扑编码，因而对
需要拓扑信息的操作更有效，如
网络分析
3、图形输出美观，接近于手绘
缺点,
1、数据结构不严密不紧凑，需要用
压缩技术解决这个问题
2、难以表达拓扑关系
3、图形输出不美观，线条有锯齿,
需要增加栅格数量来克服，但会
增加数据量
缺点,
1、比栅格数据结构复杂
2、叠加操作没有栅格有效
3、表达空间变化性能力差
4、不能象数字图形那样做增强处理
3.2.2 矢量数据模型与栅格数据模型比较
3.2.3 栅格数据结构及其编码
? 1 栅格数据的应用模型
2 栅格数据结构
?3 栅格数据的组织方法
?4 决定栅格单元代码的方式
? 1）中心点法
? 中心点法常用于具有连续分布特性的地
理要素，如降雨量分布、人口密度图等。
? 2）面积占优法
? 面积占优法常用于分类较细，地物类别
斑块较小的情况。
? 3）重要性法
? 重要性法常用于具有特殊意义而面积较
小的地理要素，特别是点、线状地理要
素，在栅格中代码应尽量表示这些重要
第五。
? 4）百分比法
? 根据矩形区域内地理要素所占面积的百
分比确定栅格单元的代码。
5 栅格数据的压缩编码方法
四叉树编码法有许多有趣的优点,
1） 容易而有效地计算多边形的数量特征；
2） 阵列各部分的分辩率是可变的, 边界复杂部分四
叉树较高即分级多, 分辩率也高, 而不需表示许多细
节的部分则分级少, 分辩率低, 因而既可精确表示图
形结构又可减少存贮量；
3） 栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的比其它
压缩方法容易；
4） 多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便 。
线性四叉树
龚健雅
基于按位彩操作的运算法
3.2.4 矢量数据结构
? 点实体
? 线实体
? 面实体
1 栅格到矢量
从栅格单元转换到几何图形的过程称为矢量化 。
?1) 栅格格式向矢量格式转换的目的
?（ 1） 将栅格数据分析的结果, 通过矢量绘图设备输出；
?（ 2） 数据压缩的需要, 将大量的面状栅格数据转换为由小量
数据表示的多边形的边界；
?（ 3） 将自动扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库 。
2） 矢量化过程要保证以下两点
1） 拓扑转换, 即保持栅格表示出的连通性与邻接性；
2） 转换物体正确的外形 。
3 ） 多边形栅格格式向矢量格式转换
3.2.5 栅格与矢量数据结构的选择与转换
? 多边形栅格格式向矢量格式转换，就是提取以相同编码的栅格集合表示
的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成多个小直线短的矢量
格式边界线的过程。
? 多边形栅格格式向矢量格式转换的步骤
? （ 1）多边形边界提取
? 采用高通滤波将栅格图像二值化或异特殊值表示边界点。
? （ 2）边界跟踪
? 对每个边界弧段由一个节点向另一个节点搜索，通常对每个已知边界点
需沿除进入方向的其他 7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段。
? （ 3）拓扑关系生成
? 对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形的空间关系，形成
完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。
? （ 4）去除多余点及曲线圆滑
? 曲线光滑处理的承用算法有线性叠代法、分段三次多项视插值法、样条
函数插值法、正轴抛物等线平均加权法、斜轴抛物等线平均加权法等。
? 栅格格式向矢量格式转换最为困难的是边界线搜索、拓扑结构生成和多
余点去除。任伏虎博士发展了一种 Double Boundary Direct Finding较好地
解决上述问题。
2 矢量格式向栅格格式的转换
? 矢量格式向栅格格式的转换又称为多边形填充,
就是在矢量表示的多边形内部的所有栅格赋予相
应的多边形编号, 从而形成栅格数据阵列 。
? 矢量格式向栅格格式的转换的常用算法
? ① 内部点扩散法
? ② 复数积分算法
? ③ 射线算法
? ④ 扫描算法
? ⑤ 边界代数算法 （ Boundary Algebra Filling)[任伏虎博士 ]
3.3 空间数据分层组织
? 空间数据分层的方法
? 1） 按专题分层
? 2） 按时间序列分层
? 3） 以地面垂直高度分层
空间数据的组织
? 由专题和分块组织
? 面向对象的组织
中南大学测绘与国土管理工程系
内容提纲
? 栅格数据结构
? 矢量数据结构
? 栅格与矢量数据结构的选择与转换
? 空间数据分层组织
3.1 地理信息系统空间数据
? GIS的主要数据为一维, 二维或三维的空间型地图数据,
包括空间位置, 拓扑关系和属性三个方面的内容 。
? 点 （ Point）,又称为元素 （ Element） 或象元 （ Pixel）,
是一个数据点, 具有一对 （ x,y） 坐标和至少一个属
性 。
? 线,（ Line）,是具有相同属性的点的轨迹, 由一个
坐标对序列表示, 坐标对顺序与线的开头有关, 线上
每个点有不多于二个邻点 。
? 面 （ Area）,是具有相同属性的点的轨迹, 以 （ x,y）
坐标对的集合表示, 坐标对的排列顺序不影响面的形
态, 具内部点可以有多于三个的邻点, 面内点具有至
少一个相同属性 。
? 区域 （ Region）,空间上相邻或重叠的点, 线, 面要
素可以按一定的地理意义组成区域 。
3.1.1 数据库结构
? 关系模型 （ relational model） 满足一定条件的二维表格
? 层次模型 （ hierarchical model） 以记录类型为节点的有
向树 （ tree）, 其主要特征是,（ 1） 除根节点外, 任
何节点都有且 只有一个, 父亲, ； （ 2）, 父, 节点表
示的实体与, 子, 节点表示的实体是一对多的联系 。
? 网状模型 （ network model）
? 特点,1） 可以有一个以上的结点没有, 父, 结点；
? 2） 至少有一个结点有多于一个, 父, 结点；
? 3） 结点之间可以有多种联系；
? 4） 可以存在回路
3.2 空间数据组织与结构
? 栅格数据结构
? 矢量数据结构
? 栅格与矢量数据结构的选择与转换
? 空间数据分层组织
3.2.1栅格与矢量的基本概念
? 描述地理实体的数据本身的组织方法,
称为内部数据结构 。
? 内部数据结构基本上可分为两大类,
即矢量结构和栅格结构 。
GIS的内部数据结构如图 3-1所示。
图 3-1 矢量结构和栅格结构
栅格模型 矢量模型
优点,
1、数据结构简单
2、叠加操作易实现
3、能有效表达空间可变性
4、栅格图象便于做图象的有效增强
优点,
1、提供更严密的数据结构
2、提供更有效的拓扑编码，因而对
需要拓扑信息的操作更有效，如
网络分析
3、图形输出美观，接近于手绘
缺点,
1、数据结构不严密不紧凑，需要用
压缩技术解决这个问题
2、难以表达拓扑关系
3、图形输出不美观，线条有锯齿,
需要增加栅格数量来克服，但会
增加数据量
缺点,
1、比栅格数据结构复杂
2、叠加操作没有栅格有效
3、表达空间变化性能力差
4、不能象数字图形那样做增强处理
3.2.2 矢量数据模型与栅格数据模型比较
3.2.3 栅格数据结构及其编码
? 1 栅格数据的应用模型
2 栅格数据结构
?3 栅格数据的组织方法
?4 决定栅格单元代码的方式
? 1）中心点法
? 中心点法常用于具有连续分布特性的地
理要素，如降雨量分布、人口密度图等。
? 2）面积占优法
? 面积占优法常用于分类较细，地物类别
斑块较小的情况。
? 3）重要性法
? 重要性法常用于具有特殊意义而面积较
小的地理要素，特别是点、线状地理要
素，在栅格中代码应尽量表示这些重要
第五。
? 4）百分比法
? 根据矩形区域内地理要素所占面积的百
分比确定栅格单元的代码。
5 栅格数据的压缩编码方法
四叉树编码法有许多有趣的优点,
1） 容易而有效地计算多边形的数量特征；
2） 阵列各部分的分辩率是可变的, 边界复杂部分四
叉树较高即分级多, 分辩率也高, 而不需表示许多细
节的部分则分级少, 分辩率低, 因而既可精确表示图
形结构又可减少存贮量；
3） 栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的比其它
压缩方法容易；
4） 多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便 。
线性四叉树
龚健雅
基于按位彩操作的运算法
3.2.4 矢量数据结构
? 点实体
? 线实体
? 面实体
1 栅格到矢量
从栅格单元转换到几何图形的过程称为矢量化 。
?1) 栅格格式向矢量格式转换的目的
?（ 1） 将栅格数据分析的结果, 通过矢量绘图设备输出；
?（ 2） 数据压缩的需要, 将大量的面状栅格数据转换为由小量
数据表示的多边形的边界；
?（ 3） 将自动扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库 。
2） 矢量化过程要保证以下两点
1） 拓扑转换, 即保持栅格表示出的连通性与邻接性；
2） 转换物体正确的外形 。
3 ） 多边形栅格格式向矢量格式转换
3.2.5 栅格与矢量数据结构的选择与转换
? 多边形栅格格式向矢量格式转换，就是提取以相同编码的栅格集合表示
的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成多个小直线短的矢量
格式边界线的过程。
? 多边形栅格格式向矢量格式转换的步骤
? （ 1）多边形边界提取
? 采用高通滤波将栅格图像二值化或异特殊值表示边界点。
? （ 2）边界跟踪
? 对每个边界弧段由一个节点向另一个节点搜索，通常对每个已知边界点
需沿除进入方向的其他 7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段。
? （ 3）拓扑关系生成
? 对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形的空间关系，形成
完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。
? （ 4）去除多余点及曲线圆滑
? 曲线光滑处理的承用算法有线性叠代法、分段三次多项视插值法、样条
函数插值法、正轴抛物等线平均加权法、斜轴抛物等线平均加权法等。
? 栅格格式向矢量格式转换最为困难的是边界线搜索、拓扑结构生成和多
余点去除。任伏虎博士发展了一种 Double Boundary Direct Finding较好地
解决上述问题。
2 矢量格式向栅格格式的转换
? 矢量格式向栅格格式的转换又称为多边形填充,
就是在矢量表示的多边形内部的所有栅格赋予相
应的多边形编号, 从而形成栅格数据阵列 。
? 矢量格式向栅格格式的转换的常用算法
? ① 内部点扩散法
? ② 复数积分算法
? ③ 射线算法
? ④ 扫描算法
? ⑤ 边界代数算法 （ Boundary Algebra Filling)[任伏虎博士 ]
3.3 空间数据分层组织
? 空间数据分层的方法
? 1） 按专题分层
? 2） 按时间序列分层
? 3） 以地面垂直高度分层
空间数据的组织
? 由专题和分块组织
? 面向对象的组织
