GIS空间数据结构.ppt

第二章GIS空间数据结构 教学内容 地理信息系统的数据来源 地理数据的类型与特征 分类与编码 空间数据类型及表示方法 栅格模型与矢量模型 空间数据的拓扑关系及其表示 重点难点 地理信息系统数据类型 编码 栅格数据结构及压缩方法 拓扑数据结构 学习要求 1 理解地理信息系统的数据来源及数据特点 2 掌握栅格数据的表示及压缩方法 3 掌握拓扑数据结构 4 掌握栅格模型与矢量模型的优缺点 5 理解编码的方法 意义 原则 应注意的问题 6 掌握码位 码段的概念及其与编码的关系 第一节地理空间数据及其特征第二节空间数据结构的类型第三节属性数据的编码方法 第一节地理空间数据及其特征 GIS空间数据的来源地理空间数据的类型空间数据的基本特征 地图数据影像数据地形数据属性数据元数据 一 GIS空间数据的来源 二 地理空间数据的类型 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 空间数据的类型和表示方法 三 空间数据的基本特征空间特征空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系 属性特征属性特征是指空间对象的专题属性 时间特征指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化 空间特征 属性特征 矢量数据结构栅格数据结构矢量与栅格数据结构的比较矢量栅格一体化数据结构 第二节空间数据结构的类型 数据结构一般分为基于矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构矢量数据是面向地物的结构 即对于每一个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明 栅格数据是面向位置的结构 平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物 它不能完整地建立地物之间的拓扑关系 目前 为了设计系统能用于多种目的 正在研制矢量栅格一体化的数据结构 该数据结构具有矢量和栅格两种结构的特性 一 矢量数据结构基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构 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 特点 定位明显 属性隐含 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 矢量数据结构分为以下几种主要类型 一 简单数据结构这种数据结构的主要特点是 1 数据按点 线或多边形为单元进行组织 数据编排直观 数字化操作简单 2 每个多边形都以闭合线段存储 多边形的公共边界被数字化两次和存储两次 造成数据冗余和不一致 3 点 线和多边形有各自的坐标数据 但没有拓扑数据 互相之间不关联 4 岛只作为一个单个图形 没有与外界多边形的联系 二 拓扑数据结构1 拓扑的基本概念拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法 在GIS中 用于空间数据的组织 分析和应用 在GIS中 为了真实反映地物 不仅包括实体的大小 形状及属性 而且要反映出实体之间的相互关系 例如 自然与行政的分区 各种空间类型的分布及交通网等 都存在结点 弧段和多边形之间的拓扑关系 拓扑数据举例 拓扑邻接 元素之间的拓扑关系 拓扑关联 元素之间的拓扑关系 拓扑包含 元素之间的拓扑关系 2 空间数据的拓扑关系 不同类 同类 同类不同级 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 多边形之间的邻接性 弧段和结点之间的关系表 多边形与弧段的拓扑关联表 拓扑包含包括三种情况 简单包含多层包含等价包含 图a中多边形P1包含多边形P2 图b中多边形P3包含在多边形P2中 而多边形P2 P3又包含在多边形P1中 图c中多边形P2 P3都包含在多边形P1中 多边形P2 P3对P1而言是等价包含 3 拓扑结构的优缺点和简单矢量结构相比 拓扑型空间数据结构的主要优点有四条 1 描述点 线 面的空间关系不完全依赖于具体坐标位置 2 用拓扑表所表达的空间关系信息丰富 简洁 若采用其他办法会出现大量的重复数据 冗余 3 便于作多边形和多边形的叠合 4 便于检查数据输入过程中的错误 拓扑型空间数据结构的主要缺点有两条 1 拓扑关系的建立比较复杂 2 数据结构本身比较复杂 4 拓扑关系的意义空间数据的拓扑关系 对地理信息系统的数据处理和空间分析 具有重要的意义 因为 1 根据拓扑关系 不需要利用坐标或距离 可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系 2 利用拓扑数据有利于空间要素的查询 3 可以利用拓扑数据作为工具 重建地理实体 矢量结构编码方法 1 点实体矢量编码方法2 线实体矢量编码方法3 多边形矢量编码方法 点实体编码 线实体编码 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 多边形环路法树状索引法 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 树状索引法 树状索引法 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 树状索引法 多边形文件多边形号边界线号1 2 3 树状索引法 二 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 特点 属性明显 定位隐含 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 栅格结构编码方法 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 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 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 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 3 游程长度编码 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 对于面状数据 游程长度编码还可以进行变长编码或值点编码 如对右图所示的多边形进行直接栅格编码 游程长度编码及值点编码 01234567890AAAAAAAAAA1AAAAAAAAAA2AAAABBBBBB3AAABBBBBBB4DDDDBBBBBB5DDDDDBBBBB6DDDDDCCCCC7DDDDDCCCCC8DDDDDCCCCC9DDDDDCCCCC 变长编码 码长度行A100A101A42B62A33B73D44B64D55B55D56C56D57C57D58C58D59C59 值点编码 码点A23B29A32B39D43B49D54B59D64C69D74C79D84C89D94C99 直接栅格编码 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 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 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 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 四叉树 也称四分树 数据结构常常先把地图看成是一个正方形的单元如图所示 这是个简单的例子 在实际使用中 一幅地图上总有很多多边形 如果该单元内有不同性质的多边形 则将单元分成四个大小相同的二级单元 然后再分别判断这四个二级单元中是否还有不同性质的多边形 若其中某个二级单元中有不同性质的多边形 则再划分成四个大小相同的三级单元 这种逐级一分为四的方法 一直分到预定的最高分辨率为止 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 三 矢量与栅格数据结构的比较 四 矢量栅格一体化数据结构设在对一个线目标数字化采样时 恰好在所经过的栅格内都获取了样点 这样的取样数据就具有矢量和栅格双重性质 第三节属性数据的编码方法 一 分类 把数据输入到计算机之前 必须先按使用要求进行分类 如国家资源和环境信息系统数据规范在 专业数据分类和数据项目建议总表 中 将数据分为社会环境 自然环境和资源与能源三大类共14小项 并规定了每项数据的内容及基本数据来源 其中关于资源与能源类的划分为 地貌类型土地资源土地利用类型 资源与能源气候和水热资源生物资源 比如土地利用现状调查和农村地籍调查中土地类型划分如下 二 编码 1 概念 编码是人为地建立一种数字或符号的组合 沟通人与计算机的联系 用来表达某种特定的事物 编码由多位数字或字符组成 表达一个或多个相关的事件或事物 地物 例如 宗地界址点 土地利用分类 土地所有制的类型 行政区划等都应该有编码 2 码位 码段及其与编码的关系 码位 编码中每个字符或数字的位置称为码位码段 若干个码位组合成一个独立的意思 称为码段例 按国家 县级以下行政区划代码编码规则 对于行政村编码通常设置6位编码 其中 前三位表示乡 镇或政企合一行政单位 后三位表示乡 镇所辖村的序号 码位 码段及编码的关系 码位是编码的最小单位 码段是编码的基本单位 码位组成码段组成编码3 编码的意义 通过编码 可以准确表达地理事物的各种属性 包括自然属性与经济属性 便于系统管理人员进行分析 检索等各项操作 1 唯一性 2 可扩充性 3 易识别性 4 简单性 5 完整性 4 制定编码必须遵守以下原则 5 在信息系统设计过程中要注意进行编码的几个问题 1 凡国家正规施行的编码