地理信息系统概论第二章.ppt

第三节空间数据模型 模型 数据建模的结果 数据建模指把反映现实世界的数据按某种逻辑组合方式组织为有用且能反映世界现实规律的数据集过程 数据建模过程 1 选择某种数据模型对反映现实世界的数据进行组织 2 选择一种数据结构来表达该数据模型 3 选择一种适合于记录该数据结构的文件格式 例如 表示地表高程的空间数据可以选用栅格模型进行组织 栅格模型选用游程编码这一数据结构进行表达 处理后的数据则以诸如后缀名为 COT的文件进行存储 同样 地表可用矢量模型来组织 即以等高线来表示 数据以POLYVRT的拓扑结构进行安排 以DLG DigitalLineGraph 文件格式存储 因此 对一种空间数据进行建模可能有几种可选的数据模型来描述 而每一种数据模型则可能有若干种数据结构来表达 而每一种数据结构又可能有多种文件格式进行存储 第三节空间数据模型 矢量模型栅格模型不规则三角网模型 第三节空间数据模型 矢量模型矢量模型非常适于表达图形对象和进行高精度制图 矢量模型的基本类型起源于 Spaghetti模型 点用坐标对表示 线由一串坐标对组成 面是由线形成的闭合多边形 拓扑属性是矢量模型操作的关键 多边形的边界被分割成一系列的弧和结点 弧 结点和多边形之间空间关系在属性表中定义 第三节空间数据模型 栅格模型栅格模型特别适用于刻画像地球重力场那样的连续空间变量 栅格用数字矩阵来表达 它能以某种简单的顺序结构进行贮存 而存贮文件中数据项排列顺序直接对应着栅格单元地址 第三节空间数据模型 栅格模型在创立栅格时 像元的大小一经固定 也就丢失了某些高分辨率情况下的细节信息 像元通常是正方形 有时也用矩形 六边形 等边三角形 像元的位置由纵横坐标决定 每个像元的空间坐标并不被直接记录 因为像元记录顺序已经隐含了空间坐标 栅格模型中每一个栅格像元层记录着不同类型的属性 这些像元大小是一致的 而行列信息和原点的地理位置则被记录在每一层中 栅格空间分辨率是指一个像元所代表地面实际面积大小 栅格模型要精确刻画点 线 面和符号等图形要素 没有很小的像元是困难的 而有了很小像元 则又将占用很大空间 因此 选择栅格空间分辨率时 必须考虑存贮空间和处理时间的开销 栅格模型需要用能通过压缩节省存贮空间的数据结构来表示 如游程编码 区域四叉树和八叉树等 第三节空间数据模型 矢量模型与栅格模型的图示 第三节空间数据模型 矢量模型与栅格模型的图示 第三节空间数据模型 矢量模型的特点优点 1 精度高 数据存储冗余度低 2 可方便的进行网络分析 3 在矢量模型中 空间实体的拓扑属性不会随着诸如移动 缩放 旋转和剪切等变换而改变 而空间坐标 还有一些几何属性会受到影响 矢量模型能方便地进行比例尺变换 投影变换 缺点 1 矢量数据存贮结构比栅格的复杂 且以矢量形式进行图形叠加的算法也很复杂 2 空间叠合分析困难 3 与遥感影像数据难易结合 第三节空间数据模型 栅格模型的特点优点 1 数据结构简单 2 不同类型的空间数据层不需要经过复杂的几何计算就可以直接进行叠加操作 3 非常适合于模拟空间属性的连续变化 特别是属性特征的空间变化程度很高的区域 4 可方便的与遥感影像数据结合 缺点 1 高分辨率的表示将占用很大空间 2 难以进行网络分析 第三节空间数据模型 不规则三角网模型不规则三角网模型采用不规则多边形拟合地表 它主要用来描述数字高程表面 在TIN模型中 点的位置控制着三角形的顶点 这些三角形尽可能接近等边 地表地形就可由一组三角形很好地表示出来 三角网的一个优点是 其三角形大小随点密度变化而自动变化 当数据点密集时生成的三角形小 表示地形陡峭 数据点较稀时生成的三角形较大 表示地形平缓 TIN也能表示不连续对象 如悬崖 断层 海岸线和山谷谷底 第四节空间数据结构 空间数据结构是指对空间数据进行合理的组织 以便于进行计算机处理 数据模型和数据结构之间的区别似乎很模糊 但事实上 数据模型是数据表达的逻辑模型 数据结构是数据表达的物理实现 前者是后者的基础 后者是前者的具体实现 矢量数据结构栅格数据结构 第四节空间数据结构 矢量数据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以最小的存储空间存储复杂的数据 第四节空间数据结构 矢量数据结构点实体矢量编码结构线实体矢量编码结构多边形矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构点实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构线实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 拓扑结构编码法双重独立式 DIME 这种数据结构除了通过线文件生成面文件外 还需要点文件 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 拓扑结构编码法链状双重独立式 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 第四节空间数据结构 矢量数据结构面实体矢量编码结构 拓扑结构编码法链状双重独立式 第四节空间数据结构 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 第四节空间数据结构 矢量数据结构的属性数据表达 第四节空间数据结构 栅格数据结构栅格数据结构实际就是像元阵列 每个像元由行列确定它的位置 由于栅格结构是按一定的规则排列的 所表示的实体位置很容易隐含在网络文件的存储结构中 且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标 在网络文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码 第四节空间数据结构 栅格数据结构 第四节空间数据结构 栅格数据结构栅格矩阵结构链式编码结构游程编码结构块码结构四叉树编码结构八叉树编码结构 第四节空间数据结构 栅格数据结构栅格矩阵结构 栅格矩阵数据是二维表面上地理数据的离散量化值 每一层的pixel值组成像元阵列 即二维数组 其中行 列号表示它的位置 例如影像 AAAAABBBAABBAAAB在计算机内是一个4 4阶的矩阵 但在外部设备上 通常是以左上角开始逐行逐列存贮 如上例存贮顺序为 AAAAABBBAABBAAAB当每个像元都有唯一一个属性值时 一层内的编码就需要m行 n列 3 x y和属性编码值 个存储单元 数字地面模型就属此种情况 第四节空间数据结构 栅格数据结构链式编码结构 又称为弗里曼链码 Freeman 或边界链码 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 开始按逆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 第四节空间数据结构 栅格数据结构链式编码结构 第四节空间数据结构 栅格数据结构游程编码结构 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 第四节空间数据结构 栅格数据结构游程编码结构 逐个记录各行 或列 代码发生变化的位置和相应代码 第四节空间数据结构 栅格数据结构块码结构 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 第四节空间数据结构 栅格数据结构四叉树编码结构 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 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 第四节空间数据结构 栅格数据结构四叉树编码结构 第四节空间数据结构 栅格数据结构八叉树编码结构八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域 同一区域的属性相同 八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题 第四节空间数据结构 栅格数据结构各类编码结构的对比 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 第四节空间数据结构 栅格数据组织 第四节空间数据结构 栅格数据组织 第四节空间数据结构 矢量与栅格数据结构的比较 第五节空间数据结构的建立 空间数据结构的建立是指根据确定的数据结构类型 形成与该数据结构相适应的GIS空间数据 为空间数据库的建立提供物质基础 第五节空间数据结构的建立 系统功能与数据间的关系现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系 见下表 因此 在确定数据内容时 首先必须明确系统的功能 对开发的GIS系统的功能 是通过用户需求调查来确定的 因此 在开发GIS系统之前 首先要进行系统分析 空间数据的分类和编码 空间数据的分类 是指根据系统功能及国家规范和标准 将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程 以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层 见下图 系统功能与数据间的关系 据JackDangermond等 信息层示意图 空间数据的编码 是指将数据分类的结果 用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程 编码的结果是形成代码 代码由数字或字符组成 例如 我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成 其代码结构如下所示 大类码小类码一级代码二级代码识别位大类码 小类码 一级代码和二级代码分别用数字顺序排列 识别位由用户自行定义 以便于扩充 国土基础信息数据分类与代码举例 矢量