空间数据ppt课件.ppt

4 5空间数据结构4 6矢量数据结构与栅格数据结构4 7两者的转换简述4 8空间数据库 第四章空间数据 1 1 数据结构 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 对空间数据而言 则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述 空间数据结构基本上分为两大类 矢量结构 矢量模型 栅格结构 栅格模型 4 5空间数据结构 2 常用的空间数据结构 X Y i j x1y1 x2y2 xiyi xnyn 3 常用的空间数据结构 矢量结构 栅格结构 4 2 空间数据编码 是指在空间数据实现中 将空间实体按一定的数据结构 转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程 因为空间数据包括矢量结构和栅格结构 所以 有矢量数据编码和栅格数据编码 空间实体 抽象描述 点 线 面 体 按数据结构进行转换 数据编码 计算机处理的数据 4 5空间数据结构 5 栅格图 位图 6 嘉应学院地理科学与旅游学院省IT重点实验室 GIS分室 矢量图 7 8 3 空间数据的来源 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得信息源 遥感数据各种遥感数据及其制成的图像资料 航片 卫片 尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用 能为地理信息系统提供现势性很强的数据 统计数据 实测数据及各种文字报告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 9 4 空间数据的类型 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 10 4 6矢量数据结构与栅格数据结构 1 矢量数据结构矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点 线 面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式 是通过记录坐标的方式精确地表示点 线 面和体的位置 矢量方法强调离散现象的存在 将线离散为一串采样点的坐标串 面状区域由边界线确定 显著特点 定位明显 属性隐含 基本单位 坐标记录点 11 对几种实体用矢量数据结构表示 1 点实体 用一对坐标对 X Y 表示 2 线实体 用一串有序的坐标对 X1 Y1 Xn Yn 表示 3 面实体 由一串或几串有序的且首尾坐标相同的坐标对 X1 Y1 Xn Yn 及面标识表示 12 2 矢量数据的获取方式 矢量数据的获取方式通常有 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 由于栅格数据自动矢量化技术还不成熟 人工跟踪数字化是当前获取矢量数据的最主要方法 但存在工作量大 数据获取困难等缺点 13 1 实体式 坐标序列法 坐标表是与每一个基本的空间对象 点 线 面 相联系的 即用坐标 x y 来表示每一个基本空间对象 它不用拓扑属性 因而对地图的遍历需要查找所有的空间坐标 2 索引式树状索引方式 其方法是 对所有边界点进行数字化 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 开成树状索引结构 3 矢量数据结构的编码方式 14 3 拓扑结构编码在地理数据中建立拓扑关系 这种结构应包括 惟一标识 多边形标识 外包多边形指针 邻接多边形指针 边界链接等 采用拓扑结构编码 可以较好地解决空间关系查询等问题 但增加了算法的复杂性和数据库的大小 首先在地理数据中建立拓扑关系的是美国人口调查局建立的双重独立地图编码系统 1980年人口普查 简称DIME 其次是1990年建立的综合拓扑地理编码参考系统 TIGER 3 矢量数据结构的编码方式 15 多边形矢量编码 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 16 1 多边形环路法 P1x1 y1 x2 y2 x3 y3 x4 y4 x5 y5 x6 y6 P2x7 y7 x8 y8 x9 y9 x10 y10 x11 y11 x5 y5 x6 y6 P3x12 y12 x13 y13 x14 y14 x15 y15 17 2 树状索引法 18 2 树状索引法 19 线号起点终点点号 656 1 2 3 4 5 565 6 656 7 8 9 10 11 5 121312 15 14 13 2 树状索引法 20 多边形文件多边形号边界线号1 2 3 2 树状索引法 21 3 拓扑结构编码法 22 3 拓扑结构编码法 23 3 拓扑结构编码法 24 四 栅格数据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 其数据结构简单 定位存取性能好 可以与影像和DEM数据进行联合空间分析 数据共享容易实现 是地理信息系统重要的一种空间数据存储结构 又称为网格结构 像元结点 显著特点 属性明显 定位隐含 基本单位 网络单元 或称为像元 25 1 栅格数据的图形表示 栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元 然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式 栅格数据结构是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构 其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征 换句话说 栅格数据结构就是像元阵列 用每个像元的行列号确定位置 用每个像元的值表示实体的类型 等级等的属性编码 见下页图 26 1 点实体 表示为一个像元 2 线实体 表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合 3 面实体 表示为聚集在一起的相邻像元的集合 栅格数据的比例尺就是栅格 像元 的大小与地表相应单元的大小之比 栅格数据的图形表示 27 2 栅格数据组织由于地理信息具有多维结构 而栅格结构中赋予每一个栅格的属性值是唯一的 这就要用多个栅格层数据来存储同一个地理区域的不同侧面信息 见下图 分层编排 一个层通常用一个属性特征代码 多层栅格数据 28 空间数据分层的方法按专题分层按时间序列分层以地面垂直高度分层 29 分层的数据库概念 30 栅格地图的分层与叠合 据Aronoff 31 如何在计算机中合理地组织这些栅格层数据以达到最优存储 空间最小 存取效率最高 如果每层像元的位置一一对应 则有3种可能的组织方式 见下页图 32 方法a 以像元为记录序列 不同层上同一像元位置上的各属性值表示为一个列数组 N层中只记录一层的像元位置 节约大量存储空间 因为栅格个数很多 栅格数据组织方法 33 方法b 每层每个像元的位置 属性一一记录 结构最简单 但浪费存储 栅格数据组织方法 34 方法c 以层为基础 每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内各像元的坐标 节约用于存储属性的空间 将同一属性的制图单元的n个像元的属性只记录一次 便于地图分析和制图处理 栅格数据组织方法 35 3 栅格数据的获取途径1 来自于遥感数据通过遥感手段获得的数字图像就是一种栅格数据 它是遥感传感器在某个特定的时间 对一个区域地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样 并按不同的光谱段分光并量化后 以数字形式记录下来的象素值序列 36 2 来自于对图片的扫描通过扫描仪对地图或其它图件的扫描 可把资料转换为栅格形式的数据 具体为 扫描仪扫描专题图的图像数据得到每个像元的 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 得到每个像元的 行 列 属性 再进行栅格编码 存贮 即得到该专题图的栅格数据 37 3 由矢量数据转换而来通过运用矢量数据栅格化技术 把矢量数据转换成栅格数据 这种情况通常是为了有利于GIS中的某些操作 如叠加分析等 或者是为了有利于输出 4 由手工方法获取在专题图上均匀划分网格 逐个网格地确定其属性代码的值 最后形成栅格数据文件 38 4 栅格数据结构的表示将栅格数据看作一个数据矩阵 逐行 或逐列 记录代码 可以每行都从左到右记录 也可以奇数行从左到右 偶数行从右到左 这种记录栅格数据的文件常称为栅格文件 见下图 且常在文件头中存有该栅格数据的长和宽 即行数和列数 这样 具体的像元值就可连续存储了 其特点是处理方便 但没有压缩 由于地理数据往往有较强的相关性 也就是说相邻像元的值往往是相同的 因此 为了节省存储空间 需要进行栅格数据的压缩存储 栅格数据的表示 39 5 栅格结构编码方法 1 直接栅格编码 3 游程长度编码 Run lengthEncoding 5 四叉树编码 quarter treeEncoding 4 块码 2 链码 chainEncoding 40 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 41 链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界 他把线状地物和面状地物的边界表示为 由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链 基本方向可定义为 东 0 东南 l 南 2 西南 3 西 4 西北 5 北 6 东北 7等八个基本方向 如图所示 2 链码 0 0 7 0 1 2 1 0 7 7 0 0 42 链码编码 2 2 6 7 6 0 6 5 链码编码示例 链式编码的前两个数字表示起点的行 列数 从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向 八个方向以0 7的整数代表 43 3 游程长度编码 游程长编码是栅格数据压缩的重要编码方法 它的基本思路是 对于一幅栅格图像 常常有行 或列 方向上相邻的若干点具有相同的属性代码 因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容 其编码方案是 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 从而实现数据的压缩 44 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 3 游程长度编码 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 45 沿列方向进行编码 0 1 2 2 0 5 2 3 0 5 2 4 3 1 0 3 5 1 2 2 3 3 0 2 5 1 2 1 3 5 0 1 5 2 3 6 5 5 3 3 5 4 3 4 3 游程长度编码 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 46 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 1 1 2 3 2 1 2 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 47 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 2n 2n 且n 1 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 根结点 最上面的一个结点 它对应于整个图形 叶子结点 不能再分的结点 可能落在不同的层上 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 48 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 40 000 03330333 33530022 23222202 22252555 33 355 西南 东南 西北 东北 为了保证四叉树分解能不断的进行下去 要求图形必须为2n 2n的栅格阵列 n为极限分割次数 n 1是四叉树最大层数或最大高度 49 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 已接近矢量结构 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 块码和四叉树编码 具有区域性质 又具有可变的分辨率 有较高的压缩效率 四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算 效率较高 是很有前途的编码方法 6 栅格结构编码方法比较 50 7 矢量与栅格数据结构的比较 51 8 矢量 栅格数据结构的选择 栅格结构 大范围小比例尺的自然资源 环境 农林业等区域问题的研究 矢量结构 城市分区或详细规划 土地管理 公用事业管理等方面的应用 在GIS建立过程中 应根据应用目的和应用特点 可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况 选择合适的数据结构 52 4 7空间数据结构的转换 一 由矢量向栅格的转换当数据采集采用矢量数据 而空间分析采用栅格数据时 需要将矢量数据转换为栅格数据 由矢量向栅格转换时 涉及到坐标转换 这是因为矢量数据的坐标是平面直角坐标 坐标起始点一般取图的左下方 栅格数据的基本坐标是行和列 其坐标起始点是图的左上方 53 按实体类型 点的转换 点坐标的转换 看位于哪个栅格单元线的转换 直线转换的算法 直线生成的算法 DDA 数字微分分析法 法和Bresenham法面的转换 内部点扩散法 扫描法 边填充算法 54 矢量数据向栅格转换图 线的栅格化方法包括DDA法 数字微分分析法 和Bresenham算法 面 多边形 的栅格化方法有内部点扩散法 扫描法 边填充算法 55 1 线的栅格化方法线是由多个直线段组成的 因此 线的栅格化的核心就是直线段如何由矢量数据转换为栅格数据 设直线段的两端点坐标转换到栅格数据的坐标系后为 xA yA xB yB 则栅格化的两种常用方法为DDA法 数字微分分析法 和Bresenham法 56 DDA法 数字微分分析法 设 xA yA xB yB 与栅格网的交点为 xi yi 则 这样从i 0计算到i n 1 即可得直线与格网的n个交点坐标 对其取整就是该点的栅格数据了 该方法的基本依据是直线的微分方程 即dy dx 常数 其本质是用数值方法解微分方程 通过同时对x和y各增加一个小增量来计算下一步的x y值 即这是一种增量算法 在该算法中 必须以浮点数表示坐标 且每次都要舍入取整 因此 尽管算法正确 但速度不够快 57 2 面 多边形 的栅格化方法1 内部点扩散法由一个内部的种子点 向其4个方向的邻点扩散 判断新加入的点是否在多边形边界上 如果是 不作为种子点 否则当作新的种子点 直到区域填满 无种子点为止 2 扫描法如图4 5 6 按扫描线的顺序 计算多边形与扫描线的相交区间 再用相应的属性值填充这些区间 即完成了多边形的栅格化 这种算法的缺点是计算量较大 58 3 边填充算法 其基本思想是 对于每一条扫描线和每条多边形边上的交点 将该扫描线上交点右方的所有象素取原属性值之补 对多边形的每条边作此处理 多边形的方向任意 本算法的优点是算法简单 缺点是对于复杂图形 每一象素可能被访问多次 增加了运算量 59 二 由栅格向矢量的转换当由栅格数据分析的结果通过矢量绘图机输出 或者将栅格数据加入矢量数据库时 都需要将栅格数据转换为矢量数据 栅格数据到矢量数据转换的一般过程二值化 二值图像的预处理 细化 追踪 拓扑化 图像的二值化 将图像上的像素点的灰度值设置为0或255 也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果 全局 局部 局部自适应 60 栅格数据向矢量转换图 61 栅格矢量化举例 栅格数据 62 栅格矢量化得到的弧段数据 63 弧段数据自动生成多边形 64 地理信息系统中 不仅数据本身具有空间属性 系统的分析和应用也无不与地理环境直接关联 系统的这一基本特征 深刻地影响着数据的结构 数据库的设计 分析算法和软件 以及系统的输入和输出 GIS与MIS的区别是什么 4 8空间数据库 GIS数据库 65 1 定义 是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总和 GIS数据库是指以特定的信息结构和数据模型 关系模型 面向对象模型等 表达 存储和管理从地理空间中获取的某类空间信息 以满足不同用户对空间信息需求的数据库 4 8空间数据库 GIS数据库 66 2 GIS空间数据库的七个特点1 空间特征 是空间数据最主要的特征 一般需要建立空间索引 2 抽象特征 空间数据描述的是真实世界所具有的综合特征 非常复杂 必须经过抽象处理 3 空间关系特征 拓扑数据方便空间数据查询和空间分析 但增加了空间数据的一致性和完整性维护的复杂性 4 多尺度和多态性 不同观察尺度具有不同的比例尺和精度 同一地物在不同情况下会有形态差异 4 8空间数据库 GIS数据库 67 5 非结构化特征 空间数据数据项变长 对象包含一个或多个对象 需要嵌套记录 不满足关系数据模型的范式要求 6 分类编码特征 一般而言 每一个空间对象都有一个分类编码 一种地物类型对应一个属性数据表文件 多种地物类型共用一个属性数据表文件 7 海量数据特征 数据量比一般的通用数据库要大得多 在建立地理空间数据库时 一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法 另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题 68 3 空间数据库管理系统 能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义 提供必须的空间数据查询 检索和存取功能 能够空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统 核心 4 空间数据库应用系统 提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面 是应用户数据处理需求而建立的具有数据库访问功能的应用软件 一般需要进行二次开发 一般由专业GIS软件提供 69 5 GIS空间数据库的主要管理方法 缺点 1 程序依赖于数据文件的存储结构 数据文件修改时 应用程序也随之改变 2 以文件形式共享 当多个程序共享一数据文件时 文件的修改 需得到所有应用的许可 不能达到真正的共享 即数据项 记录项的共享 GIS应用1 空间 属性数据文件1 GIS应用2 空间 属性数据文件2 空间 属性数据文件3 1 基于文件管理的方式 70 2 文件与关系数据库混合管理系统 双元模型 除oid 内部码 作为连接关键字以外 几乎是两者独立地组织 管理和检索 1 图形与属性结合的各自分开处理模式 早期系统 图形处理的用户界面和属性的用户界面是分开的 它们只是通过一个内部码连接 通常要同时启动两个系统 甚至两个系统来回切换 不方便 几何图形 图形用户界面与图形文件处理是一体的 中间没有裂缝 属性数据 则因系统和历史发展而异 71 2 图形与属性结合的混合处理模式 GIS通过DBMS提供的高级编程语言C或Fortran等接口 在C语言的环境下 直接操纵属性数据 查询属性数据库 并在GIS的用户界面下 显示查询结果 在ODBC OpenDataBaseConnectivity 开放式数据库互连 推出后 GIS软件商只需开发GIS与ODBC的接口软件 就可将属性数据与任何一个支持ODBC的RDBMS连接 这样用户可在一个界面下处理图形和属性数据 采用文件与RDBMS的混合管理模式中文件管理系统的功能较弱 特别是在数据的安全性 一致性 完整性 并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本的功能 因而GIS软件商需要寻找能同时管理图形和属性数据的商用DBMS 72 3 全关系型GIS数据库管理系统 分层模型 GIS软件商在标准DBMS顶层开发一个能容纳 管理空间数据的系统功能 代表软件System9 GeoView等 用RDBMS管理图形数据有两种模式 a 基于关系模型的方式 图形数据按关系数据模型组织 由于涉及一系列关系连接运算 费时 如下页图示 b 将图形数据的变长部分处理成BinaryBlock字段 多媒体或变长文本 省去大量关系连接操作 但BinaryBlock的读写效率比定长的属性字段慢得多 特别涉及对象的嵌套时 更慢 73 关系模型组织图形数据 要找出组成多边形的采样点坐标 涉及多个关系表 作多次连接投影运算 P1 P2 C N E 74 4 对象 关系数据库管理系统 DBMS软件商在RDBMS中进行扩展 使之能直接存储和管理非结构化的空间数据 如Informix和Oracle等都推出了空间数据管理的专用模块 定义了操纵点