空间数据的结构

2.1.4　空间数据的结构

数据结构是数据组织的形式，是适合于计算机存贮、管理和处理的数据逻辑结构。而空间数据是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。数据如果不按一定的规律存储在计算机中，不仅用户无法理解，计算机也不能正确处理。主要分为矢量数据结构和栅格数据结构。下面介绍一下这两种空间数据结构以及这两种结构直接的差异。

1．矢量数据结构

矢量数据结构是通过记录坐标的方式，用点、线、面等基本要素尽可能精确地来表示各种地理实体。矢量数据表示的坐标空间是连续的，因此可以精确定义地理实体的任意位置、长度、面积等，其显示精度较栅格结构高。事实上，它主要受数字化设备的精度和数值记录字长的限制。

在矢量结构中，对于点实体只是记录其在某特定坐标系下的坐标和属性代码。可以将其空间数据和属性数据结合在一起，将点的坐标直接作为点实体的两个属性值对待。在对线实体进行数字化时，就是用一系列足够短的直线段首尾相接表示一条曲线，当曲线被分割成多而短的线段后，这些小线段可以近似地看成直线段，而这条曲线也可以足够精确地由这些小直线段序列表示。在矢量结构中，只记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列，坐标之间认为是以直线段相接，在某一精度范围内可以逼真地表示出各种形状的线状地物。对于面实体而言，在GIS中常用所谓“多边形”的概念来表述一个任意形状，并且边界完全闭合的空间区域。该闭合区域的边界线同前面介绍的线实体一样，也可以被看做是由一系列多而短的直线段组成的，每个小线段作为这个区域的一条边，因此该区域也可看成是这些边组成的多边形。

矢量数据结构直接以几何空间坐标为基础。记录取样点坐标，可以将目标表示得精确无误。对于一个数字制图系统而言，按照这种简单的记录方式，再适当增加目标的注记名称、输出的线型和符号等，在矢量绘图仪上就可以得到精美的地图。另外，该结构还可以对复杂数据以最小的数据冗余进行存贮，相对于栅格来说，它还具有数据精度高，存贮空间小等特点，是一种高效的图形数据结构。

2．栅格数据结构

栅格数据结构由像元阵列构成，每个像元用网格单元的行和列来确定它的位置，常用于表示地质、气候、土地利用或地形等面状要素。任何面状的对缘，如土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等，都可以用栅格数据米表示。栅格数据的获取方法比较简单，即在专题地图上均匀地划分网格，相当于将一透明的方格纸覆盖在地图上，网格的尺寸大小依要求设定。根据单位格网交点归属法（中心点法）、单位格网面积占优法、长度占优法、重要性法等方法，直接获取相应的栅格数据。这类方法称之为手工栅格数据编码法，它是用于区域范围不大或栅格单元的尺寸较大的情况。但是当区域范围较大或者栅格单元的分辨率较高时，需要采用数据类型的转换方法，即由矢量数据向栅格数据作自动转换。

3．矢量数据与栅格数据结构的比较

因为矢量结构的空间定位是根据坐标直接存贮的，而属性数据现在通常是建立表结构文件，用关系数据库管理。因此，矢量数据结构具有定位明显、属性隐含的特点。由于这一特点使其在某些方面有便利和独到之处，例如在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度。但是同样由于这一特点，也使其图形运算的算法较栅格结构复杂。在涉及叠加运算、邻域搜索等操作方面也不及栅格结构简单。

目前，有的GIS软件同时具有矢量和栅格两种数据结构，并能实现两种数据结构之间的转换。但这需要增加很多的存储空间和运算处理时间，因而并非是理想的方案。因此，最好的解决方法研究一种同时具有矢量和栅格两种特性的一体化数据结构。

4．空间数据之间的拓扑关系

在地理信息系统中，不但要描述实体的空间位置、形状、大小和其他所具有的属性，还要反映实体与实体之间的相互空间关系，即拓扑关系。拓扑关系是指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系，是明确定义空间关系的一种数学方法。

拓扑关系主要包括：邻接关系、关联关系和包含关系。

（1）邻接关系：用以表示空间图形中同类元素之间的拓扑关系，包括节点与节点、线与线以及面与面的邻接关系，分别存在于同一弧段上相邻的节点之间、具有公共节点的弧段之间、具有公共弧段的面之间。

（2）关联关系：用以表示空间图形中不同类型元素之间的拓扑关系，包括节点与弧段、弧段与面之间的关联关系。

（3）包含关系：用以表示空间图形中面中包含其他的点、线或面的关系。不需要各实体的具体位置信息，依据拓扑关系就可以确定实体之间相对空间位置。拓扑关系不会受到投影关系、比例尺发生变化带来的影响，总能反映实体之间的相对位置，较几何数据有更大的稳定性。

二维矢量数据模型中，点、线、面是基本要素，点、线、面之间的关系，代表了空间实体之间的位置关系，其可能存在的空间关系有：点与点，点与线，点与面，线与线，线与面，面与面等多种形式，而每一种形式的空间关系又包含更多的子形式。

为了更具体地说明空间拓扑关系，针对基本的空间目标点、线、面分别建立它们相互之间的基本空间目标关系，为每一种基本的空间拓扑关系都取定一个单独的名称，该名称中开始的两个大写字母是空间目标类型的缩写：P表示点（Point），L表示线（Line），A表示面（Area，或者称区域），并且两个字母有先后顺序之分，第一个字母代表A目标的类型，第二个字母代表B目标的类型。后面的单词组合表示具体的拓扑关系类型，例如PPEquals表示A点与B点重叠（相等）。

则基本空间目标拓扑关系形式化表示及含义如下：

（1）点与点

PPEquals（A，B）A点B点重叠（相等）；

PPNotEquals（A，B）A点B点相离。

（2）点与线

PLSubset（A，B）A点在B线上；

PLNotsubset（A，B）A点不在B线上。

线与点

LPSuPerset（A，B）B点在线A上；

LPNotSuerset（A，B）B点不在A线上。

（3）点与面

PASubset（A，B）A点在B面内；

PANotsubset（A，B）A点不在B面内。

面与点

APSuerset（A，B）B点在A面内；

APNotsuPerset（A，B）B点不在A面内。

（4）线与线

LLEquals（A，B）A线B线相等；

LLNotEquals（A，B）A线B线不相等；

LLInterseet（A，B）A线B线相交；

LLNotIntersect（A，B）A线B线不相交；

LLSubset（A，B）A线是B线的真子集；

LLNotsubset（A，B）A线不是B线的真子集；

LLSubsetOrEqual（A，B）A线是B线的子集；

LLNotsubsetOrEqual（A，B）A线不是B线的子集；

LLSuPerset（A，B）B线是A线的真子集；

LLNotSuperset（A，B）B线不是A线的真子集；

LLSuPersetOrEqual（A，B）B线是A线的子集；

LLNotSupersetOrEqual（A，B）B线不是A线的子集。（5）线与面

LAIntersect（A，B）A线B面相交；

LANotIntersect（A，B）A线B面不相交；

LASubset（A，B）A线是B面的真子集；

LANotSubset（A，B）A线不是B面的真子集。

面与线

ALIntersect（A，B）A面B线相交；

ALNotIntersect（A，B）A面B线不相交；

ALSuperset（A，B）B线是A面的真子集；

ALNotSuperset（A，B）B线不是A面的真子集。

（6）面与面

AAEquals（A，B）A面B面相等；

AANotEquals（A，B）A面B面不相等；

AAIntersect（A，B）A面B面相交；

AANotIntersect（A，B）A面B面不相交；

AASubset（A，B）A面是B面的真子集；

AANotSubset（A，B）A面不是B面的真子集；

AASubsetOrEqual（A，B）A面是B面的子集；

AANotSubsetOrEqual（A，B）A面不是B面的子集；

AASuperset（A，B）B面是A面的真子集；

AANotSuperset（A，B）B面不是A面的真子集；

AASupersetOrEqual（A，B）B面是A面的子集；

AANotSupersetOrEqual（A，B）B面不是A面的子集。

拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，与几何关系相比，它具有更大的稳定性，能够不随地图投影而变化。利用拓扑关系可以更方便地查询某些空间要素，而且根据拓扑数据可以重建实体。所以，理解空间数据的拓扑关系对空间数据的处理和分析有着重要的意义。