《GIS空间数据结构》课件

空间数据结构GIS地理信息系统GIS是管理和分析地理空间数据的强大工具数据结构是GIS的基础，它决定着如何存储、组织和处理地理空间数据RM byRoy Miller简介GIS地理信息系统空间数据GIS是地理信息系统（GIS处理的主要数据类型是空间Geographic Information数据，包括地理位置信息、属性System）的简称，是用于采集信息以及空间特征和关系、存储、管理、分析和显示地理空间数据的计算机系统空间分析应用广泛GIS的核心功能之一是空间分析GIS在众多领域得到广泛应用，，通过对空间数据进行分析，可包括地图学、土地管理、资源管以解决各种地理问题，如土地利理、城市规划、环境保护、交通用规划、城市规划和环境监测运输和灾害应急管理空间数据模型的发展历程地理信息系统1早期GIS系统主要使用矢量数据模型栅格数据模型2随着计算机技术发展，栅格数据模型逐渐成熟混合数据模型3结合矢量和栅格模型的优势，解决实际应用问题对象模型4面向对象技术引入GIS，更灵活，更强大空间数据模型的发展与计算机技术紧密相关从早期简单的矢量模型到如今的混合模型和对象模型，空间数据模型不断发展，满足着不同时代的需求栅格数据模型栅格数据模型是一种重要的空间数据模型它将空间数据组织成规则的网格，将连续的空间数据离散化成一系列格网单元每个格网单元包含一个特定的属性值，代表其对应区域的特征栅格数据模型简单直观，易于理解和处理，在遥感图像处理、数字高程模型构建、地理信息系统中应用广泛栅格数据的存储结构栅格数据的存储结构是指将栅格数据在计算机中存储的方式，主要有以下几种1矩阵存储将栅格数据存储为矩阵，每个矩阵元素代表一个栅格单元的值2运行长度编码将具有相同值的连续栅格单元存储为一个运行长度，减少存储空间3四叉树将栅格数据划分为四叉树，每个节点代表一个区域，存储该区域的平均值或其他统计信息不同的存储结构具有不同的优缺点，需要根据具体的应用场景选择合适的存储结构栅格数据的分类按数据类型分类按数据获取方式分类栅格数据可以根据数据类型分为两类连续型数据和离散型数据栅格数据可以根据数据获取方式分为两类直接获取数据和间接获取数据连续型数据指数据值可以无限细分，例如高程数据、温度数据等直接获取数据指直接从传感器获取数据，例如遥感影像数据间离散型数据指数据值只能取特定值，例如土地利用数据、土壤接获取数据指通过其他方式获取数据，例如数字化地形图数据类型数据等栅格数据的应用地形分析可以用于地形起伏、坡度和坡向分析城市规划用于城市人口密度、土地利用分析遥感影像分析分析地表覆盖、植被状况、水体变化等矢量数据模型点、线、面坐标信息拓扑关系矢量数据模型以点、线、面等几何元素来表每个几何元素都由坐标信息定义，从而确定矢量数据模型可以描述地理实体之间的拓扑示地理实体其位置和形状关系，例如相邻、包含、相交等矢量数据的几何类型点线点表示空间中单个位置，没有尺线表示空间中具有长度但没有宽寸或形状，例如，城市、道路交度的一维特征，例如，河流、道叉口路面体面表示空间中具有面积的二维特体表示空间中具有体积的三维特征，例如，湖泊、森林征，例如，建筑物、山体矢量数据的拓扑关系

11.邻接关系

22.包含关系描述两个几何图形之间的连接描述一个几何图形在另一个几关系，例如，两个多边形共享何图形内部的关系，例如，一一条公共边个点位于一个多边形内

33.相交关系

44.关联关系描述两个几何图形相交但没有描述不同类型几何图形之间的包含关系，例如，两条线段相关系，例如，一个点与一条线交于一点段相关联矢量数据的数据结构矢量数据模型是将地理空间数据表示为点、线和面等几何图形，并使用坐标来描述其位置和形状矢量数据模型的优点是可以精确地表示地理实体，并且可以方便地进行空间分析和操作矢量数据的数据结构主要包括几何数据和属性数据两部分几何数据用来描述地理实体的形状和位置，而属性数据用来描述地理实体的特征和属性矢量数据的存储方式文件存储数据库存储对象存储文件存储是指将矢量数据存储在单个或多数据库存储将矢量数据存储在关系数据库对象存储将矢量数据存储为对象，并将其个文件中，例如shapefile格式它是一中，例如PostgreSQL、MySQL等，可以存储在对象存储服务中，例如Amazon S3种简单、易于管理的存储方式，适合小型实现数据的有效管理和查询、Google CloudStorage等，适合大型数数据集据集的存储混合数据模型混合数据模型结合栅格数据模型和矢量数据模型的优点，并克服了各自的缺点混合数据模型将地理空间数据表示为多种类型，并通过层次结构组织数据混合数据模型通过整合不同的数据表示方法，有效地管理和分析地理空间数据这种模型在城市规划、环境监测、资源管理等领域得到广泛应用对象模型面向对象继承与多态复杂数据结构对象模型将空间数据视为对象，每个对象具对象模型支持继承和多态，可以有效地组织对象模型可以表示各种复杂的地理实体，例有属性和方法和管理空间数据如城市、河流和道路对象模型的特点面向对象封装性对象模型将空间数据视为对象，对象模型封装了数据和操作，提每个对象都有其属性和方法高了数据的安全性继承性多态性对象模型支持继承机制，可以创对象模型支持多态性，允许同一建更复杂的空间数据结构操作在不同对象上具有不同的行为对象模型的应用城市规划对象模型可以有效地描述城市中各种要素之间的关系，例如道路、建筑物、绿地等，便于进行城市规划和管理地理信息系统对象模型可用于建立GIS数据库，以存储和管理空间数据，并提供各种空间分析和查询功能遥感图像处理对象模型可以用于分析和解释遥感图像，提取目标信息，例如土地利用类型、植被覆盖等网络数据模型网络数据模型是一种用于表示地理空间网络的模型网络数据模型将空间实体视为节点，并使用线段表示这些节点之间的连接它广泛用于交通网络、电力网络、管网等领域网络数据模型的特点拓扑结构节点和边网络数据模型表示地理实体之间的连接关系例如，道路网络、网络数据模型由节点和边组成，节点表示网络中的连接点，边表河流网络和地下管道网络示节点之间的连接关系网络数据模型的应用交通网络公用设施例如道路、铁路和航空网络，可如电力、燃气和水管网，可以用以用于路线规划、交通流量分析于设施管理、维护和优化和紧急救援调度物流网络社会网络可以用于供应链管理、货物跟踪如社交媒体和互联网，可以用于和配送路线优化分析用户行为、传播模式和趋势数据模型TINTIN模型是一种基于三角形的空间数据模型，它将不规则的地理空间数据用三角形网格表示三角形的顶点通常是地面特征点，如高程点、水井、控制点等每个三角形代表一个平坦的表面，通过这些三角形可以逼近地形的起伏变化数据模型的特点TIN表面表示数据结构TIN模型能够有效地表达地形地貌，并可用于地TIN模型利用三角形网络结构，能够更好地描述表模拟、坡度坡向分析等应用复杂地形的起伏变化可视化几何灵活通过TIN模型可以生成逼真的三维地形表面，TIN模型可适应多种地形类型，如山区、平原、为空间分析和可视化提供直观展示丘陵等，并能有效处理复杂地形数据模型的应用TIN地形模拟地形表面分析三维景观设计TIN模型用于创建逼真的地形表面模型，在通过TIN模型进行地形的表面分析，计算坡TIN模型可用于三维景观设计，创建逼真的城市规划、水利工程等领域应用广泛度、坡向等信息，用于土地利用规划和自然地形和植被，提高景观设计的效果资源管理空间数据存储格式

11.矢量数据存储格式

22.栅格数据存储格式主要包括shapefile、GeoJSON主要包括GeoTIFF、GRID、、GML等格式，适用于点、线ERDAS IMAGINE等格式，适用、面等几何要素的存储和管理于遥感图像、DEM等数据的存储和管理

33.数据库存储格式

44.其他存储格式主要包括PostGIS、Oracle还有包括KML、CSV等格式，Spatial等空间数据库，适用于可以用于不同软件之间的空间大规模空间数据的管理和分析数据交换和共享空间数据存储格式的分类矢量数据格式栅格数据格式矢量数据格式以点、线、面等几何元素来描述地理空间实体，它适栅格数据格式将空间划分为规则的网格，每个网格单元存储一个属用于表示离散特征，例如道路、河流和建筑物性值，它适用于表示连续特征，例如地形、土壤和温度空间数据存储格式的应用矢量数据存储格式栅格数据存储格式Shapefile、GeoJSON、KML等格式适用于存储点、线、面等几何图形GeoTIFF、GRID等格式适用于存储影像数据、DEM等数据，以矩阵形式，支持拓扑关系，常用于地理信息系统，例如地图制作、空间分析存储，常用于遥感、地理信息系统，例如土地利用分类、地形分析空间数据的压缩技术存储空间传输效率压缩技术可以有效减少空间数据存储压缩数据可以提高传输效率，缩短数所需的空间，降低存储成本据传输时间处理速度数据可视化压缩数据可以减轻处理负担，提高数压缩技术可以提高数据可视化的效率据处理速度，并减少渲染时间空间数据的索引技术

11.空间索引

22.空间数据组织快速定位空间数据，提高查询效率索引结构支持快速搜索和访问数据

33.索引类型

44.应用场景R树、四叉树、格网索引等，根据数据特空间数据查询、分析、可视化等操作中点选择空间数据的检索技术空间索引空间查询空间索引加速了空间数据检索过空间查询用于检索满足特定空间程，提高查询效率，减少了数据条件的数据，例如距离查询、范访问量围查询、邻域查询等空间分析空间分析通过结合空间信息和属性信息，揭示地理数据的空间关系和规律空间数据的管理数据采集数据处理数据存储数据共享获取真实世界信息并将其转化对采集到的数据进行清理、转将处理后的数据存储在数据库提供数据访问权限，允许不同为数字格式，如遥感影像、换、投影等操作，使其符合或文件系统中，方便检索和管用户共享数据，促进数据应用GPS数据等GIS系统要求理空间数据结构的发展趋势GIS面向对象1提高数据模型的表达能力，增强数据的语义信息多维数据2适应多源数据集成，满足三维及更高维空间数据表达时空数据3整合时间维度，对空间数据进行动态分析和模拟云计算4实现数据存储、处理、分析的云端化近年来，GIS空间数据结构不断发展，以满足日益增长的数据量、复杂性和应用需求新的数据模型和存储格式不断涌现，以提高数据模型的表达能力，适应多源数据集成，整合时间维度，实现数据存储、处理、分析的云端化总结空间数据模型数据结构GIS应用的核心是空间数据模型，它是空间矢量、栅格、混合、网络、TIN等模型各有数据组织和表达的基础优缺点，适用于不同的应用场景数据存储数据管理各种空间数据存储格式和压缩技术，提高存索引、检索、管理等技术，实现对海量空间储效率，确保数据完整性和可用性数据的有效组织和管理。