《地理信息的表达》PPT课件.ppt

地理信息的表达,对现实世界的认识，首先要认识到现实世界是由空间实体构成，然后要理解空间实体的定位方式，最后理解空间实体的描述及其表达。,空间信息、地理空间、空间现象,地理(地球)空间的定义,地理空间的数学建模,地理空间的构成要素？,空间要素进行定位？(参照),选择一个合适的坐标系？,平面上？,地图投影,地图,GIS中地图投影的一般原则,地理坐标系的建立？,空间要素表达？,1、优点 2、缺点,地理空间定位框架,GIS基本框架,地理信息系统,地理信息,空间数据,地理信息,地理信息的表达,1、地理信息系统的基本运行模式 2、什么叫地理信息系统(技术角度),1、地理信息的三个基本特征？,1、对现实世界的理解？ 2、现实世界的描述方式？ 3、现实世界的定位体系？,1、空间数据是有误差的。 2、空间数据在计算机中的表达。 3、属性数据在计算机中的组织。,1、原始数据的分类整理 2、原始数据的预处理 3、空间数据的编辑处理 4、空间数据的分析处理,GIS真正的功能在于它利用空间分析技术，对空间数据的分析。,1、统计图表： 2、专题地图： 3、三维可视化和虚拟地理环境等。,地理空间由什么组成？,地理空间是由地理实体构成(或说组成)的。 地理实体(或叫空间实体)是GIS的处理对象。,(第1章)空间实体(空间数据),栅格结构,矢量结构,定位 拓扑关系 属性,1、数据结构：数据记录的编排方式以及它们相互关系的描述。 2、数据结构的基础：地球坐标系、地图坐标系。 3、栅格数据结构 4、矢量数据结构,现实世界到数据世界,客观事物变化多样，要研究、认识它们，就必须对它们进行抽象和概括，需要经历一个信息的获取、分析、处理、利用的过程。,信息世界 概念模型 (不依赖计算机),转换,机器世界 DBMS支持的 数据模型,现实世界 的信息,SD：Spatial Data,第一部分,现实世界的认识和抽象,空间实体,Feature？,一、空间实体的概念？ 二、空间实体的空间特性？ 三、空间实体之间的空间关系？,一、空间实体的概念,1、空间实体的定义； 2、空间实体的表达空间数据。,1、空间实体的定义,1、定义： 指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性、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，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括、复杂、相对的概念。,2、实体表达空间数据,1、描述的内容,2、基本特征,3、数据类型,4、数据结构,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,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,3、空间数据类型,1）依据数据来源的不同分为： 地图数据、地形数据、属性数据、元数据、影象数据,2）依据表示对象的不同分为： 点、线、面、体,二、空间实体的空间特性,（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。 （二）简单空间特性的实体划分空间单元,点状实体,线状实体,面状实体,体状实体,空间实体,（三）简单几何特征组合形成空间实体。,规则形体组合实体实例,三、空间实体之间的关系,描述空间实体之间的空间相互作用关系。,相对关系类型 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等； 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等； 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。,地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。,空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述。,方法 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等； 相对关系：相邻、包含、关联等。,第二部分,GIS数据模型,空间数据的(模型、结构及组织),现实空间世界,空间数据模型,空间数据结构,空间数据库,组织与管理,计算机存储,认知与抽象,空间数据模型：不同的模型下有不同的空间要素认知、抽象和表达方式以及不同的空间关系定义。 空间数据结构：不同空间数据模型在计算机内的存储和表达方式。 空间数据组织：大量计算机化的空间数据的统一管理方式。,空间数据模型与结构空间数据模型,现有的空间数据模型主要有三个： 场模型：强调空间要素的连续性 基于对象的模型：强调空间要素的离散性 网络模型：强调空间要素的交互 上述三种模型主要是针对二维平面进行建模的，已经很成熟。但随着应用需求的变化，空间数据模型要求能够反映三维立体和时间维特征： 三维空间数据模型 时空数据模型,空间数据模型与结构空间数据模型：场模型,在空间信息系统中，场模型一般指的是栅格模型，其主要特点就是用二维划分覆盖整个连续空间。划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。,空间数据模型与结构空间数据模型：场模型,栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。 栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。,场模型实例1,场模型实例2,空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型1,点实体：有特定的位置，维数为0的实体 点(Point)：有特定位置，维数为0的物体； 实体点(Entity point)：用来代表一个实体； 注记点(Text point)：用于定位注记； 内点(Label point)：用于记录多边形的属性，存在于多边形内； 结点(Node)：表示线的终点和起点； 角点(Vertex)：表示线段和弧段的内部点。,空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型2,线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以 下特征： 实体长度：从起点到终点的总长； 弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度； 方向性：如水流从上游到下游，公路则有单双向之分； 线实体包括：线段、边界、链、网络、多边线等。,空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型3,多边形实体：维数为2的实体，由一个封闭的坐标点序列外加内点表示，是对湖泊、岛屿、地块等现象的描述，有以下特征： 面积范围； 周长； 独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市； 内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线； 重叠性与非重叠性。,内部区域,简单多边形,复杂多边形,格网/像素阵列,空间数据模型与结构空间数据模型：对象模型4,对象模型强调的是空间要素的个体现象，研究的是个体现象本身或与其他个体现象的关系。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个实体。如人为现象：建筑物、道路、管理区域等；自然现象：河流、湖泊、森林等。空间实体必须符合三个条件： 可被识别 重要（与问题相关） 可被描述：位置、属性等,空间数据模型与结构对象模型与场模型比较,对象模型和场模型的比较,现实世界,选择实体,它在哪里,数据,选择一个位置,那里怎么样,对象模型,场模型,两种模型相互之间并不排斥，各有特点，各有应用长处。通常需要有机地综合应用这两种方法来建模。,空间数据模型与结构空间数据模型：网络模型,网络模型是从图论中发展而来。在网络模型中，空间要素被抽象为链、节点等对象，同时还要关注其间的连通关系。这种模型适合用于对相互连接的线状现象进行建模，如交通线路、电力网线等。网络模型可以形式化定义为： 网络图 （节点，节点间的关系，即链） 网络图由于其复杂性，使得它不易在空间数据库中表达，一般是在进行网络分析时基于对象模型数据（矢量数据）进行重构。,空间数据模型与结构空间数据模型：三维模型,目前，空间信息系统表现的更多的是二维平面效果。事实上，随着计算机图形学的发展，人们希望空间信息系统能够反映真实的三维空间现象。 虽然目前的空间信息系统能够在二维模型的基础上通过高程信息来模拟三维效果（如利用DEM数据），但这种模拟并不能真正反映现实现象。 三维模型在建模方法上与二维的场模型和对象模型相似，但在数据采集、系统维护和界面设计等方面却复杂得多。,空间数据模型与结构空间数据模型：时空模型,时空数据模型主要关注的是空间要素随时间变化时的建模。空间要素随时间的变化包含两个方面：属性数据的变化和空间位置的变化，前者如一个村镇的人口随时间的变化，后者如海岸线随时间的变化。 最简单的时空数据建模就是将不同时期的测量结果存储起来，在使用时基于时间关系将它们串起来。当然还有其他更加复杂的建模方法，如增量修正模型等。 时空数据模型的特点是语义更加丰富，对现实世界的描述更加准确，但它必然带来数据量的激增，因此，在这里，海量数据的组织和存取是非常关键的。,第三部分,GIS空间数据结构,数据结构,数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。,在地理信息系统中描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括空间位置、拓扑关系和属性三个方面的内容。,栅格结构,矢量结构,定位 拓扑关系 属性,空间数据模型与结构空间数据结构：栅格结构,栅格数据结构： 一、图形表示 二、栅格数据的组织-组织方法 三、栅格数据的建立 （3.1）栅格数据的获取 （3.2）栅格系统的确定 坐标系统的确定 栅格单元的尺寸分辨率 栅格代码（属性值）的确定 （3.3）栅格数据的编码方法（后面讲） 四、栅格数据的应用方式 五、栅格数据结构的特点,1、栅格数据结构图形表示,关于栅格结构 栅格结构是将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个象元阵列，其最小单元称为象元或象素。每个象元的位置由行列号确定，其属性则以代码表示。 以栅格数据结构表示的地理空间关系称为图象。,栅格结构的图像表示,栅格结构点线面,对于栅格数据结构点：为一个像元。 线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。 面：聚集在一起的相邻像元集合。,像元阵列,象元阵列：反映某一空间分布的系列象元队列，其行、列确定每个象元的空间位置。,像元属性,象元属性：栅格单元值 地理要素的属性特征,栅格结构的特点：属性明显，定位隐含,栅格数据结构的表达方式,三角形,菱 形,正六边形,表达方式 规则的正方形或矩形栅格； 其它规则的栅格图形单元，如三角形或多边形； 在栅格文件中，每个栅格只能赋予唯一的值； 若某一栅格有多个不同的属性，则分别存贮于不同文件，如图； 在栅格数据模型中，总的属性个数可以通过计算得到；,2、栅格数据的组织,组织方法 以像元为记录的序列，可节省存贮空间，如图； 以层为基础，每层以像元为记录序列，形式简单，如图； 以层为主，每层以像元多边形为序列，可节省用于存贮属性的空间。,3、栅格数据的建立,（1）建立途径 （2）栅格系统的确定 （3）栅格代码的确定,3.1建立途径(获取方法),1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。 2、扫描仪扫描专题图的图像数据行、列、颜色（灰度），定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 3、由矢量数据转换而来。 4、遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。 5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。,3.2栅格系统的确定,、栅格坐标系的确定 、栅格单元的尺寸(分辨率) 、栅格代码(属性值)的确定 、栅格数据的编码方法,X：行,西南角格网坐标 （XWS，YWS）,格网分辨率,Y：列,、栅格坐标系的确定,表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构(矢、栅)都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。 由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。,、栅格单元的尺寸(分辨率),1）原则：应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。 格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。 一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。 2）方法：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式： h为栅格单元边长 Ai为区域所有多边形的面积。,、栅格代码(属性值)的确定,当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。 1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。 3、 重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。 4、长度占优法每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。,确定实例,百分比法,面 积 占 优,重 要 性,中心点法,A 连续分布地理要素,C 具有特殊意义 的较小地物,A 分类较细、 地物斑块较小,AB,为了逼近原始数据精度，除了采用这几种取值方法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格单元总数的方法。,、栅格数据的编码方法,栅格数据为什么要编码？ 常见的编码方法有哪些？,直接栅格编码 行程编码（变长编码） 块码（游程编码向二维扩展） 链式编码、Freeman链码、边界链码 四叉树编码,教材P107,4、栅格数据的应用方式,遥感图象处理 数字高程模型DEM与数字地形模型DTM,Digital Elevation Model,Digital Terrain Model,西班牙马德里体育场（0.61m）,5、栅格数据结构的特点,离散的量化栅格值表示空间对象。 位置隐含,属性明显。 数据结构简单,易与遥感数据结合,但数据量大。 几何和属性偏差。 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系。,空间数据模型与结构空间数据结构：矢量结构,矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。 除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系和以最小的存储空间存储复杂的数据。,矢量数据结构简介,矢量数据结构是另一种常见的图形数据结构，它是用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置 矢量结构的特点：属性隐含，定位明显 矢量型数据结构按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为实体型和拓扑型两大类。,实体型数据结构,实体是指地图的基本元素：点、线、面,P,L,R1,R2,P（x1,y1) L (x2,y2)(xn,yn) R1 (xn+1,yn+1) (xn+1,yn+1) R2 (xm+1,ym+1) (xm+1,ym+1),实体型数据结构的优缺点,实体型数据结构的优点 结构简单、直观，编码容易 实体型数据结构的缺点 数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧； 实体互相独立，缺乏联系； 岛弧处理比较困难,拓扑型数据结构,空间信息,属性信息,各自位置,相互关系,拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法。在GIS中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。, GIS反映的地理信息应包括,实体型与拓扑型数据结构比较,两者都是目前最常用的数据结构模型 实体型代表软件为MapInfo 拓扑型代表软件为ARC/INFO 它们各具特色:,实体型虽然会产生数据冗余和歧异，但易于编辑。,拓扑型消除了数据的冗余和歧异，但操作复杂，甚至会产生新的数据冗余。,矢量结构要点,矢量数据结构,二、获取方式,三、数据组织,一、图形表示,四、编码方法,矢量数据结构的属性表达,矢量数据结构的特点,1、矢量数据图形表示,矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。 点：空间的一个坐标点； 线：多个点组成的弧段； 面：多个弧段组成的封闭多边形；,点、线、面等实体的具体表达,点实体 由单独一对坐标定位的一切地理或制图实体，及属性，显示符号。 线实体 1、直线：起、止点坐标，属性，显示符号。 2、弧、链：n个坐标对的集合，属性，指针系统，显示符号。 面实体 1、无拓扑结构的点、线、面的矢量结构数据组织，如图； 2、具有拓扑结构的矢量结构，如图； 3、TIN（Triangle Irregular Network）结构的拓扑表达，如图；,2、矢量数据获取方法,1) 由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。 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。,3、矢量数据组织,矢量数据表示时应考虑以下问题： 矢量数据自身的存贮和处理。 与属性数据的联系。 矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。,连接,识别符,矢量数据在计算机中的组织,标识码,属性码,空间对象编码; 唯一; 连接空间和属性数据,数据库,独立编码,点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 ),点位字典,点: 点号文件,线: 点号串,面: 点号串,存储方法,4、矢量数据编码方法,矢量数据编码方式主要有以下几种： 1、实体式编码 2、索引式(树状)编码 3、双重独立式编码 4、链状双重独立式编码拓扑数据结构,4.1 实体式编码,实体式(spaghetti)面条模型:以实体为单位记录其坐标,优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。,缺点： 1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。,2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。 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。,简单的矢量数据结构实体式,多边形 数据项 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),4.2索引式编码,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：,索引文件：,3、面文件：,2、弧段文件:,与实体式相比： 优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。 缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。,Map,索引式编码实例,点与线之间的树状索引,线与多边形之间的树状索引,4.3双重独立式编码,简称DIME(Dual Independent Map Encoding)，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。,1、点文件,2、线文件:线文件是以线段为记录单位,3、面文件,关联,邻接,关联,连通,拓扑关系明确,在DIME中做如下改进： 将以线段为记录单位改为以弧段为单位,链状双重独立式编码,4.4链状双重独立式编码(拓扑数据结构),链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。 在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。,链状双重独立式编码四个文件,1、弧段坐标文件：,2、弧段文件：链面，链结点关系,3、多边形文件,4、点拓扑文件： 结点链关系,在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。,Map,链状双重独立编码实例,弧段文件 弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形 a 5 1 O A b 8 5 E A c 16 8 E B d 19 5 O E e 15 19 O D f 15 16 D B g 1 15 O B h 8 1 A B i 16 19 D E j 31 31 B C 弧段坐标文件 弧段号 点 号 a 5,4,3,2,1 b 8,7,6,5 c 16,17,8 d 19,18,5 e 15,23,22,21,20,19 f 15,16, g 1,10,11,12,13,14,15 h 8,9,1 i 16,19 j 31,30,29,28,27,26,25,24,31,多边形文件 多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐标 A h,b,a B g,f,c,h,-j C j D e,i,f E c,i,d,b,链状双重独立式编码的特点,拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象. 被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件。 例：ARC文件：二进制文件: 弧段号 点数 坐标串 在GIS数据输入中，建拓扑是指给图形数据（点、线、面）增加拓扑结构，如ARC/INFO中，在ARCEDIT中输入图形后，需用BUILD 建图形拓扑，具体生成许多文件，如AAT，PAT等. INFO：属性表 如AAT（Arc Attribute Table）,用户标识码，表明地物类型 当图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，需重新建拓扑。,4.5矢量数据结构中的属性表达,属性特征类型 类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征 属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数