矢量数据结构

1 矢量数据结构 2 空间关系矢量数据结构 3 从地理空间现象或事物到计算机世界 需要构建空间数据模型GIS如何组织数据以模拟地理事物和现象的呢 GIS所抽象 表达的地理事物和现象 称为空间要素 空间对象的位置相互关系 称为空间关系 4 空间要素 空间对象 点状空间要素 0维 线状空间对象 1维 面状空间对象 2维 5 空间关系通常分为3类拓扑空间关系方向空间关系度量空间关系 6 拓扑关系 拓扑 Topology 一词来自于希腊文 它的原意是 形状的研究 拓扑学是几何学的一个分支 它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性 拓扑属性 我们称 点的内置 是拓扑属性 面积则不是拓扑属性 而拉伸和压缩这样的变换就是拓扑变换 7 8 拓扑关系拓扑学为空间关系的研究提供了数学方法 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有非常重要的意义 拓扑空间关系 用来描述空间实体之间的相邻 包含和相交等空间关系 地理空间研究中的三个重要拓扑关系为 邻接关系 空间图形中同类元素之间的拓扑关系关联关系 空间图形中不同类元素之间的拓扑关系包含关系 空间图形中不同级元素之间的拓扑关系 9 图中 N1 N2 N3 N4 N5为结点 1 2 3 4 5 6 7为弧段 P0 P1 P2 P3 P4 为多边形 拓扑关系的表示邻接关系 多边形的邻接关系为P1 P2 P2 P3结点的邻接关系为 N1 N2 N1 N4 10 关联关系 结点和弧段 N1 1 3 6多边形和弧段P1 1 5 6包含关系 多边形P3包含P4 11 结点 弧段 多边形相互之间的拓扑关系可以表示为 多边形与弧段 结点与弧段 12 结点 弧段 多边形相互之间的拓扑关系可以表示为 弧段与结点 13 结点 弧段 多边形相互之间的拓扑关系可以表示为 弧段与多边形 14 点 线 面基本数据之间的关系代表了空间实体之间的位置关系 这三种类型的数据存在多种形式上的空间关系 点 点 点 线 点 面 线 线 线 面 面 面 15 方向关系 地理事物在空间中的相互方位和排列顺序 对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可 该夹角称为连线的方位角 基准方向通常有真子午线方向 磁子午线方向和坐标纵线方向三种 同样计算点状和线状空间实体 点状和面状空间实体时 只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体 然后按点状实体来求解方向关系即可 16 度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系 这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距离 如A实体距离B实体100m 也可以应用与距离概念相关的术语 如远近等进行定性的描述 17 矢量数据结构的概念 矢量数据结构是通过记录坐标的方式 尽可能精确地表现点 线 面等地理实体 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 18 矢量数据模型 19 矢量数据结构的表达 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 线 面 点 线 面数据 矢量表示 20 点 没有长度和宽度 只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码 线 只有长度没有宽度 用一系列足够短的直线首尾相接表示一条曲线 矢量结构中只记录这些小线段的端点坐标 将曲线表示为一个坐标序列 坐标之间认为是以直线段相连 在一定精度范围内可以逼真地表示各种形状的线状地物 多边形 在地理信息系统中是指一个任意形状 边界完全闭合的空间区域 其边界将整个空间划分为两个部分 包含无穷远点的部分称为外部 另一部分称为多边形内部 多边形的边界线同线实体一样 可以被看作是由一系列多而短的直线段组成 21 矢量结构的特点及获取方式特点 获取方式 手工数字化法 手扶跟踪数字化法 数据结构转换法 定位明显 属性隐含 即用离散的点描述空间对象与特征 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 输出图形质量好但与遥感等图像数据难以结合 22 矢量数据结构的类型 拓扑数据结构Arc Info coverages非拓扑数据结构ArcView shapefiles曲面数据结构TIN 区域面向对象数据结构ArcGIS geodatabase 23 拓扑数据结构 拓扑型数据结构由弧段坐标文件 结点文件和多边形文件等一系列含拓扑关系的数据文件组成结点文件由结点记录组成 存贮每个结点的结点号 结点坐标及与该结点连接的弧段等弧段坐标文件存贮组成弧段的点的坐标弧段文件由弧段记录组成 存贮弧段的起止结点号和左右多边形号 多边形文件由多边形记录组成 存贮多边形号 组成多边形的弧段号以及多边形的周长 面积 中心点坐标 24 DIME 双重独立坐标地图编码 DualIndependentMapEncoding 编码系统DIME是美国人口普查局在1970年代人口调查的基础上发展起来的 它通过有向编码建立了多边形 边界 节点之间的拓扑关系 DIME编码成为其它拓扑编码结构的基础 25 TIGER TopologicallyIntegratedGeographicEncodingandReferencing 拓扑集成的地理编码与参照系统八十年代后期 为了准备1990年的国情普查 美国人口普查局将DIME系统发展为TIGER TIGER数据库作为地址编码的参照系 在美国已经成为一种公认的标准 26 TIGER数据库中的拓扑存储结构 包括点 线 面 27 在TIGER数据库中沿着街道方向规定右侧或左侧的地址范围和邮政编码 28 ESRI sCoverage数据模型 1980年代发展起来的支持以下三种拓扑关系关联性面定义邻接性 29 点要素可用标识号码 IDs 和成对的x和y坐标来编码一条线段叫做一条弧段 30 具有x y坐标的点 31 线数据模型的数据结构 32 面数据模型的数据结构 区分内外边界 33 拓扑数据结构的优势 拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能 保证数字化原始数据的自动差错编辑 减少数据冗余可以自动形成封闭多边形边界 为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础 增强GIS分析能力 特别是网络分析 34 有拓扑错误的多边形Coverage文件 a 转换到shapefile格式 b 后 弧段丢失 35 非拓扑数据结构简单数据结构树状索引编码法 36 1 简单数据结构a 面条 Spaghetti方式 在简单数据结构中 空间数据按照以基本的空间对象 点 线 多边形 为单位进行单独组织 不含有拓扑关系数据 最典型的是面条 Spaghetti方式 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 37 坐标序列法文件结构简单 易于实现以多边形为单位的运算和显示 特点 无拓扑关系 主要用于显示 输出及一般查询公共边重复存储 存在数据冗余 难以保证数据独立性和一致性每个多边形自成体系而缺少邻域信息 难以进行邻域处理 如消除某两个多边形之间的共同边界 岛只作为一个单个的图形建造 没有与外包多边形的联系 不易检查拓扑错误 这种方法可用于简单的粗精度制图系统中 38 2 树状索引编码法 索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息 具体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 形成树状索引结构 39 优点 树状索引结构消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题 在简化过于复杂的边界线或合并多边形时可不必改造索引表 邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到 40 缺点 比较繁琐 因而给邻域函数运算 消除无用边 处理岛状信息以及检查拓扑关系等带来一定的困难 编码表都要以人工方式建立 工作量大且容易出错 41 树状索引编码法 多边形线索引文件 边界线点索引文件 42 树状索引编码法点文件 43 树状索引编码法线文件 边界线点索引文件 44 树状索引编码法多边形文件 多边形线索引文件 45 非拓扑数据结构 Shapefile ESRI 该文件中不存在描述几何对象空间关系的文件对于共享边界需要重复存储与Coverage文件可相互转换操作速度快与其他非拓扑数据结构的文件容易相互转换 46 Shapefile文件 coverage文件 图形文件 属性文件 47 曲面数据结构 高级对象 曲面是指连续分布现象的覆盖表面 具有这种覆盖表面的要素有地形 降水量 温度 磁场等 表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算 因此经常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面 称为TIN TriangulatedIrregularNetwork 数据结构 48 这种基于TIN的曲面数据结构 通常用于数字地形的表示 或者按照曲面要素的实测点分布 将它们连成三角网 三角网中每个三角形要求尽量接近等边形状 并保证由最邻近的点构成的三角形 即三角形的边长之和最小 在所有可能的三角网中 德劳内 Delaunay 三角网在地形拟合方面表现最为出色 49 德劳内 Delaunay 三角网 为相互邻接且互相不重叠的三角形的集合 每一个三角形的外接圆内不含其他的点 德劳内三角形外接圆不包含其他点的特性被用作从一系列不重合的平面点建立德劳内三角网的基本法则 可以称为德劳内法则 50 TIN使用一系列不重叠的三角形来逼近地形 51 TIN的数据结构 52 面向对象数据结构 用对象来组织空间数据 对象定义为一组性质 并能根据要求完成操作 如一条路 53 类 是对多个相似对象共同特性的描述 方法和消息 方法是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述 消息是对象之间通信的手段 用来指示对象的操作 协议与封装 协议是一个对象所能接受的所有公有消息的集合 封装就是将某件事物包围起来 使外界不必知道其实际内容 54 2 面向对象数据模型的四种核心技术 分类 把一组具有相同结构的实体归纳成类的过程 称为分类 而这些实体就是属于这个类的实例对象 属于