《GIS的数据结构》PPT课件.ppt

第二章 地理信息系统的数据结构,佛山科学技术学院课程,2005-08-05 李辉霞,学习目标 理解地理空间的概念 掌握空间数据的描述方法 理解和掌握空间数据的拓扑关系 掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法 重点：空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。,2.1 地理空间及其表达 2.2 地理空间数据及其特征 2.3 空间数据结构的类型 2.4 空间数据结构的建立,地理空间（Geographic Space）是指物质、能量、信息在形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。,地理空间的概念,2.1 地理空间及其表达,（1）点状分布特征 如城镇、企事业单位、基地、气象站、山峰、火山口等。 （2）线状分布特征 河流、海岸线、铁路、公路、地下管线，行政边界等。 （3）面状分布特征 如土壤、森林、草原、沙漠、湖泊等，通常称多边形。 （4）体状分布特征 如高层建筑、云体、山体、矿体等。 总之，空间现象十分复杂，为此将其抽象到空间对象（目标）来表达空间实体。,空间物体的几何类型,点实体,有位置，无宽度和长度； 抽象的点,美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置,线实体,有长度，但无宽度和高度； 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离,香港城市道路网分布,面实体,具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面,中国土地利用分布图（不连续面）,不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。,连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化是连续的。,空间对象：体,有长、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标,香港理工大学校园建筑,空间实体的表达,矢量表示法：采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素。 隐式表示：由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示椅子形式的矢量，线之间的指示字，告诉计算机怎样把这些矢量连接在一起形成椅子，隐式表示的数据为： 椅子的属性一系列矢量连接关系,栅格表示法：采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素。 显式表示：就是栅格中的一系列像元(点)，为使计算机认识这些像元描述的是某一物体而不是其它物体。 注：“c”不一定用c的形式，而可以用颜色、符号、数字、灰度值来显示。 则得到椅子的简单数据结构为： 椅子的属性符号颜色像元x,空间对象（实体）的地图表达,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),(x1,y1) 属性：符号变化 等值线,空间对象（实体）的遥感影像表达,遥感传感器平台,传感器,空间对象的描述要素,编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行标识，是唯一的。 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成 行为：空间对象所具备的行为和功能 属性：空间对象所对应的非几何信息 说明：实体数据来源、精度等 关系：与其他实体之间的关系,空间数据的编码,数据编码的过程,空间对象的层次分类编码,分类对象的从属和层次关系 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系,空间对象的多源分类编码,按空间对象不同特性进行分类并进编码 代码之间没有隶属关系，反映对象特性 具有较大的信息量，有利于空间分析,GIS空间数据来源,地图数据 ： 地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要的信息源 遥感数据： 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容 地形数据：等高线图的数字化，数字高程模型及实测地形数据 属性数据： 各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等 元数据： 数据来源、数据权属、数据产生时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等,2.2 地理空间数据及其特征,元数据,“meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。 定义：地理的数据和信息资源的描述性信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。,元数据的主要作用,帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。,元数据的内容,对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明 对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等 数据转换方法的描述 对数据库的更新、集成方法等的说明,元数据的标准,空间数据元数据的标准的建立是空间数据标准化的前提和保证。目前空间数据元数据已有一些区域性和部门性的标准。 目前几个空间数据元数据的标准为： 元数据标准名 建立元数据标准的机构 CSDGM地球空间数据元数据内容标准 FGDC 美国联邦空间数据委员会 GDDD数据库描述方法 MEGRIN欧洲地图事务组织 CGSB空间数据库描述 CSC加拿大标准委员会 CEN地学信息数据描述元数 CEN/ TC287 DIF目录交换格式 NASA ISO地理信息 ISO/TC211 其中美国联邦空间数据委员会的元数据影响最大,空间数据类型,按表示对象的不同分： 1. 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。 2. 面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元 3. 网络数据：道路交叉点、街道和街区等。 4. 样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。 5. 曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。 6. 文本数据：如地名、河流名和区域名称。 7. 符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。,按表达基本信息的不同分： 1. 属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达 2. 几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达 3. 关系数据：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。,空间数据的基本特征,空间特征 表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。 属性特征 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。 时间特征 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。,空间数据的拓扑关系,1、描述地理要素空间性的信息 几何信息（理论基础是几何学geometry) 用空间坐标的位置、方向、角度、距离、面积等信息描述物体的几何形状和数量特征； 拓扑信息（理论基础是拓扑学topology) 用几何关系的相连、相邻、包含等信息描述物体元素之间的关系；,2、拓扑学中空间元素,拓扑学是几何学的一个分支，其基本元素： 结点（NODE）：弧段的交点。岛结点是特殊结点。 弧段（ARC）：相邻两结点之间的坐标链。岛边界弧段是特殊弧段。 多边形（polygon）（图斑或面）有限弧段组成的封闭区。 拓扑结构 ： 是明确定义空间结构关系的一种数学方法。 关系的性质可分为：相邻、相连、相交、相离、相重、包含等。,从拓扑角度看，几何形状不同的事物其拓扑关系可能相同,点之间拓扑关系（邻接性）的描述,面之间拓扑关系（邻接性）的描述,3、空间数据的拓扑关系 1）拓扑的关联性 表示不同类型元素（结点、弧段、多边形）之间的关系,2）拓扑的邻接性和连通性 表示同类型元素（结点、弧段、 多 边形）之间的关系,多边形之间的邻接性； 弧段之间的邻接性； 结点之间的连通性,3）拓扑的包含性 表示同不同级元素之间的拓扑关系,4）拓扑关系表,关联性 相邻（连）性 相离性 相交性 包含性 重合性 点与点 线与线 面与面 点与线 点与面 线与面,4、 小结 拓扑关系：拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。常用的拓扑关系有拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。,拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3 拓扑关联：N1/1、3 、6 ；P1/1、5 、6 拓扑包含：P3与P4,空间数据的计算机表示,1）GIS数据分层表示（P36),2）空间数据拓扑关系的表示,结点集合,N1,顺时针第一弧段,逆时针第一弧段,指 针,属性,P1 e1 t1,P2 e2 e5 t2,多边形名,P3 e3 e4 t3,多边形集合,P4 e7 t4,N1,弧段集合,N1,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,2.3 空间数据结构的类型,矢量结构,栅格结构,矢量数据结构 矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。,矢量数据结构特点,用离散的点描述空间对象与特征 定位明显，属性隐含 用拓扑关系描述空间对象之间的关系 面向目标操作，精度高，数据冗余度小 与遥感等图象数据难以结合 输出图形质量好，精度高,栅格数据结构 栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。 获取方法： (1) 手工网格法； (2) 扫描数字化法； (3) 分类影像输入法； (4) 数据结构转换法。,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,8,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,3,2,2,离散的量化栅格值表示空间对象 定位隐含,属性明显 数据结构简单,易于遥感数据结合,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,栅格数据结构特点,几何偏差,属性偏差,如以像元边线计算则为7，以像元为单位则为4。 三角形的面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。,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。,栅格数据结构：坐标系与描述参数,栅格结构数据中混合像元的处理,方案一,方案二：缩小栅格单元的面积,栅格数据组织,矢量与栅格一体化结构,矢量与栅格一体化的基本概念：在数字化线状实体时，除记录原始取样点外，还记录所通过的栅格；每个面状地物除记录它的多边形边界外，还记录中间包含的栅格。即保持了矢量特性，又具有栅格的性质，将矢量与栅格统一起来。 矢量与栅格一体化数据结构设计：P58,矢量结构与栅格结构的比较（P61）,优点 缺点 1）数据结构紧凑 1）数据结构复杂 矢量数据 2）便于网络分析 2）不利于叠加分析 3）图形显示质量好精度高 3）不易同 RS结合 4）便于面向对象的数据表示 4）硬软件技术要求高 1）数据结构简单 1） 数据量大 栅格数据 2）便于空间分析和系统模拟 2） 投影转换复杂 3）易同RS结合 3） 图形质量差 4）输出快、成本低 4） 现象识别效果差,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,矢量数据结构编码,矢量数据结构编码的基本内容,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,点实体编码,比例 朝向,比例 朝向 字体 文句,x,y 坐标,其它非几何属性,建立和显示数据库联系的属性,简单点符号 文本点字符 结 点符号,唯一标识,类别或系列号,点类型,简单点 文本点 结 点,线实体编码,唯一标识码 线标识码 起始点 终止点 坐标对序列 显示信息 非几何属性,多边形矢量编码,多边形环路法 树状索引编码法 拓扑结构编码法,由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成,对所有边界点数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系,形成完整的拓扑结构,多边形环路法,P1 x1，y1；x2，y2；x3，y3； x4，y4；x5，y5；x6，y6 ；x1，y1,P2 x6，y6; x7，y7；x8，y8； x9，y9；x10，y10； x11，y11；x5，y5；x6，y6,P3 x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15 ；x12，y12,树状索引法,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,P1,P2,P3, ,P1,P3,P2, ,1 2 3 4 5 6,5 6,5 6 7 8 9 10, ,树状索引法,1 2 3 4 5 6,5 6,5 6 7 8 9 10,12 13 14 15, ,线号 起点 终点 点号 6 5 6,1,2,3,4,5 5 6 5,6 6 5 6,7,8,9,10,11,5 12 12 12,15,14,13,树状索引法,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,P1,P2,P3,多边形文件 多边形号 边界线号 1 ， 2 ， 3 ,树状索引法,拓扑结构编码法,唯一标识 多边形标识 外包多边形指针 邻接多边形指针 边界链接 范围,较好的解决了空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂度,矢量数据结构的属性数据表达,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：属性数据结构和表格 属性表的内容取决于用户 图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记 录号实现。,属性数据的编码编码原则,系统性和科学性：满足所涉及学科的科学分类方法，能反映出同一类型中不同的级别特点。 一致性：对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。 标准化和通用性：有国家或行业标准的要按标准进行，没有标准的必须考虑在有可能的条件下实现标准化。 简捷性：在满足国家标准的前提下、每一种编码应该是以最小的数据量载负最大的信息量。 可扩展性：编码的设置应留有扩展的余地，避免新对象的出现而使原编码系统失效、造成编码错乱现象。,属性数据的编码编码内容,登记部分：用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序编码； 分类部分：用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征； 控制部分：用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据量较大情况下具有重要意义。,属性数据的编码编码方法,层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系。,属性数据的编码编码方法,多源分类编码法：对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代码之间并没有隶属关系。,栅格数据结构的编码,1、直接栅格编码,直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,0，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；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；0，0，0，0，0，3，3，3。,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按顺时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。,2、链码,0,0,1,0,7,6,7,0,1,1,0,0,链码编码： 2，2 ，2，1，2，0，2，3,链码编码示例,3、游程长度编码,(1)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；,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）。,(2)逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。,沿列方向进行编码：( 1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。,4、块码,采用方形区域作为记录单元，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。,（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）。,5、四叉树编码,是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。 为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度, ,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,0 0 0,0 3 3 3 0 3 3 3,3 3 5 3 0 0 2 2,2 3 2 2 2 2 0 2,2 2 2 5 2 5 5 5,3 3,3 5 5,西南,东南,西北,东北,0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1,22位,6位,4位,直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）； 链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难； 游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用； 块码和四叉