武汉大学GIS地理信息系统第3部分.ppt

第三部分 数据模型及结构 认识地理现象的抽象过程 章节安排 3 1地理空间数据的类型3 2空间数据数字表示流程3 3矢量数据模型3 4栅格数据模型3 5其它的数据模型 3 1地理空间数据的类型 地图数据影像数据地形数据属性数据元数据 3 1 1地图数据 按照一定的比例 一定的投影原则 有选择地将复杂的三维地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上 并用符号将这些内容要素表现出来 地图用符号在地图上准确表达空间各要素的关系和分布规律 反映它们之间的方向 距离和面积 线划地图示例 地图上的点 线 面三种要素 分别用点状 线状 面状符号来表示 3 1 2影像数据 记录了地理实体连续分布 精度 用空间分辨率反映特点 实时性强 是实时监控的主要数据来源 3 1 3地形数据 用来表示地面起伏的数据 数据形式 DEM和TIN 3 1 4属性数据 用来表示空间目标状态的数据 分类 主导属性 描述一个地理实体或现象所必须的基本内容 道路的属性 标识码 分类码 名称 宽度 长度 路面材料 等级等扩展属性 根据用户需要添加的属性 车流量 车道数量 建设年代 权属等 3 1 5元数据 描述数据的数据 内容 数据的生产日期数据质量生产者数据格式 3 2空间数据数字表示流程 将空间数据抽象为不同的专题或层 将一个专题的地理要素分解 成为点 线 面三种基本类型目标 将弧段作为存储的基本单位 每个存储单元基本内容包括 定位数据属性数据拓扑数据对空间目标进行编码 赋予每个目标一个用户标识码 弧段的图形数据 空间特征 和属性数据 属性特征 通过用户标识码进行链接 层的定义及分层依据 P93 94 定义 描述某一地理区域的某一属性特征或多个属性特征的数据集合 分层依据 按专题按时间序列按几何类型按实体属性结构工作区含有 工作层逻辑层地物类 3 3矢量数据模型 简单几何对象包括哪些类型 点 线 面 什么是带拓扑的矢量数据模型 表示模型 点 有向线 基本拓扑关系 关联 邻接 常见种类 规则及应用 优点 矢量数据是以什么数据结构存储的 简单的矢量数据结构 无拓扑关系矢量数据模型 拓扑矢量数据模型 高级对象 不规则三角网 区域 如何对矢量数据进行压缩 简化 道格拉斯 普克法 垂距法 光栏法 3 3 1简单几何对象包括哪些类型 点对象线对象面对象 1 点对象 定义 只有特定位置 没有长度的实体 实例 水井 水准点 采石场 建筑物等 特点 维数为零 只有位置 矢量数据模型中几何对象的种类 点对象的分类 实体点 用于表示一个实体 注记点 用于定位注记 内点 用于负载相应的多边形的属性 结点 线的起点和终点 节点 线或弧线的内部点 2 线对象 定义 有长度而没有面积的实体 实例 道路 河流 行政区划等 特性 长度 从起点到终点的总长 曲率 用于表示线状实体的弯曲程度 方向 有向线实体的方向 矢量数据模型中几何对象的种类 线对象的分类 线段 两点间的直线 弧段 相互连接无分支的线段 链 有方向的线段或弧段 3 面对象 定义 有界连续的二维对象 实例 菜地 水体等 空间特征 面积 面状实体所占有的范围的大小 周长 面状实体所占有区域的周长 独立或相邻 是独立存在 还是与其它面状实体相邻 岛或洞重叠 面状实体间是否有重叠 矢量数据模型中几何对象的种类 面对象分类 简单多边形复杂多边形 带有岛或洞 3 3 2什么是拓扑特性 拓扑 研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质 拓扑的表示模型 有向图点有向线 弧线 1 最基本的拓扑关系 关联 不同拓扑元素之间的关系 结点与链链与多边形邻接 相同拓扑元素之间的关系 结点与结点链与链面与面 关联矩阵示例 邻接矩阵 2 常见的拓扑关系种类 重合包含位于内部相交相离重叠相切 基本几何体与比较几何体完全重合 条件 相同维数 重合关系 包含关系 基本几何体包含比较几何体 是基本几何体的一部分 条件 不能包含比自身维数高的几何体 位于内部关系 基本几何体处于比较几何体之内 条件 不可能位于比自身维数低的几何体内 相离关系 基本几何体与比较几何体无共享点 空间数据的拓扑关系 相交关系 两条线之间存在交叉点 多边形交叉被认为是重叠关系 重叠关系 比较几何体覆盖比较几何体 条件 必须是相同维数 相切关系 具有公共边或点 3 拓扑规则 定义 空间目标间约定的拓扑关系特征 Geodatabase中的拓扑规则 多边形 不重叠 没有间隙 线 不重叠 不相交 没有悬挂弧段 点 必须被另一图层的边界覆盖 位于多边形内 拓扑规则的应用 国家间不能重叠 国家间不能存在间隙 国界必须封闭 等高线不能相交 标识点必须落在多边形内 4 构建拓扑有什么优点 能确保数据质量和完整性检查未闭合的多边形消除数据裂隙可以强化GIS分析交通和网络设施分析 3 3 3矢量数据是以什么数据结构存储的 简单的矢量数据结构无拓扑关系矢量数据模型 多边形环路法 点位字典法 拓扑矢量数据模型 全显示表达 半隐含表达 高级对象不规则三角网 TIN数据 区域 Coverage分区数据的实现 1 无拓扑关系矢量数据模型 定义 只记录空间目标的位置和属性信息 不记录它的拓扑关系 分类 多边形环路法 每个实体的坐标都独立存储 不顾及相邻多边形 线 点等要素 点位字典法 建立公共边点位字典 消除独立编码的局限性 实体要素由点序组成 矢量数据结构 多边形环路法 坐标序列法 点位字典法 无拓扑关系模型法的不足 多边形环路法除了多边形轮廓外 其它公共边均获取和存储了两次 产生了数据冗余 且易产生裂缝和重叠 点位字典法虽然消除了环路法的缺陷 但仍然没有建立多边形之间的拓扑关系 ArcView中非拓扑数据格式 Shapefile文件格式点 一对坐标线 一系列坐标串多边形 一系列的线组成 shp文件 存储要素的几何学特征 shx文件 存储要素几何学特征的索引 非拓扑数据格式优点 相比拓扑数据格式 其显示速度更快 具有更好的软件通用性 2 拓扑矢量数据模型 定义 不仅记录位置 还记录目标的拓扑关系 分类 全显式表达半隐含表达 矢量数据结构 全显式表达 拓扑矢量数据模型 全显式表达 拓扑矢量数据模型 Coverage拓扑数据格式 点对象文件 线对象文件 Coverage的拓扑矢量数据模型 弧段 节点 面对象文件 左右多边形清单 多边形 弧段 Coverage中的拓扑矢量数据模型 拓扑矢量数据模型的优点 有利于数据文件的组织 减少数据冗余 为空间分析操作提供基础 shapefile与coverage间的转换 两者可以相互转换 从coverage到shapefile 从shapefile到coverage 需要建立拓扑关系 去掉重复的弧段 如果存在拓扑错误 会出现要素丢失问题 3 基于对象的矢量数据结构 将地理空间目标看作为不同的对象 特点 将空间数据和属性数据存储在同一个系统中 允许一个空间要素拥有一系列属性和方法属性 对象的性质或特征 方法 特定的操作 类与类间的关系 联合聚合合成类继承实例化 接口 定义 类或对象的一系列外部可视化操作 可以通过接口访问对象 Geodatabase ArcGIS中的基于对象的数据结构形式组成 要素类 相同几何类型的空间要素 要素数据集 相同的坐标系和范围的要素类 4 高级对象 不规则三角网区域 矢量数据结构 1 不规则三角网 TIN 主要用途 地形制图和分析 基本思想 把地表抽象为一组互不重叠的三角面 三角面的构造法 Delaunay三角测量 Delaunay三角形 与某个点最近两个相邻点连接以尽可能形成等角三角形的反复过程 TIN数据的基本数据元素 高程点边界线 TIN数据的数据结构 三角形编号 每个邻接三角形的编号及数据文件 数据文件列表显示点 边界 每个高程点的x y z值 2 分区数据模型 定义 具有相似特征的地域范围 应用 人口普查单元水文单元生态单元特点 区域层可以重叠或涵盖相同的范围 一个区域可以有分离或隔开的组分 Coverage分区数据的实现 区域层为一个多边形亚类 每个区域亚类有自己的属性 以同一个多边形图层为基础的一系列区域层称为综合图层 示例 某个国家林地所建立的不同年份的火情记录的综合图层 其中 每个火灾年份或时期都是一个区域亚类 区域数据模型的文件结构 区域 多边形清单 区域数据模型的文件结构 区域 弧段清单 3 3 4如何对矢量数据进行压缩 目的 删除冗余数据 减少数据的存贮量 加快后继处理的速度 常用算法 道格拉斯 普克法垂距法光栏法 1 道格拉斯 普克法 Douglas Peucker 基本思想 对每条曲线的首末点虚连一条直线 求所有点与直线的距离 并找出最大距离值dmax 用dmax与限差D相比 dmax D 这条曲线上的中间点全部舍去 dmax D 保留dmax对应的坐标点 并以该点为界 把曲线分为两部分 对这两部分重复使用该方法 道格拉斯 普克法 道格拉斯 普克法 道格拉斯 普克法 2 垂距法 基本思想 每次顺序取曲线上的三个点 计算中间点与其它两点连线的垂线距离d 并与限差D比较 d D 则去掉中间点 d D 则中间点保留 然后再取下三点 直到这条线结束 3 光栏法 基本思想 定义一个扇形区域 通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内 确定保留还是舍去 设曲线上的点列为 pi I 1 2 n 光栏口径为d 可根据需要自己定义 第一步 光栏法 第二步 光栏法 第三步 检查下一节点 若该点在新扇形内 重复上一步 起到发现有一个节点在最新定义的扇形外为止 光栏法 第四步 光栏法 三种方法的比较 衡量尺度 既能精确地表示数据 又能最大限度地淘汰不必要的点 具体依据简化后曲线的总长度 总面积 坐标平均值与原始曲线的相应的数据项对比来判断 比较结果 大多数情况下道格拉斯 普克法的压缩算法较好 但须对整条曲线数字化完成后才能进行 且计算量较大 光栏法的压缩算法也很好 并可在数字化时实时处理 计算量较小 垂距法算法最简单 速度快 但有时会失真 3 4栅格数据模型 栅格数据模型要素栅格数据类型栅格数据结构栅格数据的压缩栅格数据文件 3 4 1栅格数据模型要素 像元值 像元位置的属性取值 像元大小 决定了数据的分辨率 栅格数据的波段空间参考 行对应Y坐标列对应X坐标 3 4 2栅格数据类型 卫星影像数字高程模型 数字正射影像 二值扫描文件数字栅格图 图像文件 1 卫星影像 遥感卫星一个影像格式 栅格表示原理 卫星影像像元值代表从地球表面反射或发射的光能 光能的量测基于光谱波段 电磁光谱 通过分析像元值 影像处理系统从卫星影像中提取各种专题的数据 栅格数据类型 2 数字高程模型 由等间隔海拔数据的排列组成 DEM转换为栅格数据的方法 将以点为基础的DEM数据通过将高程点置于格网单元中心 栅格数据类型 3 数字正射影像 来源 航片或其他遥感数据 特征 已消除了相机镜头倾斜和地形起伏引起的位移 以地理坐标作为参考坐标系 用途 数字正射影像将相片的影像特征与地图的几何特征结合起来 可以作为数据显示和数字更新的理想背景 栅格数据类型 4 二进制扫描文件 定义 含数值0或1的扫描图像 例子 用于扫描数字化的扫描文件 栅格数据类型 5 数字栅格图形 地形图的扫描图像 可以有多种颜色 栅格数据类型 6 图形文件 地图 照片和影像可存储为数字图形文件 常用的图形文件格式 TIFF GeoTIFF GIFJPEG 栅格数据类型 3 4 3栅格数据结构 直接栅格编码游程长度 行程 编码四叉树编码 1 直接栅格编码 基本思想 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 也可奇数行从左到右 偶数行从右到左 特点 处理方便 但没有压缩 直接栅格编码例子 右图可记为 11112211121122121111112212112122 2 游程长度 行程 编码 基本思想 按行扫描 将相邻等值的象元合并 并记录代码的重复个数 特点 这种方法区域越大 数据的相关性越强 则压缩越大 压缩效率较高 叠加 合并等运算简单 编码和解码运算快 行程编码例子 如图的编码为 A4A1B3A2B2A2B2A5B3A2B2A2B2 3 四叉树编码 基本思路 将2n 2n象元组成的图像 不足的用背景补上 所构成的二维平面按四个象限进行递归分割 起到子象限的数值单调为止 最后得到一棵四分叉的倒向树 该树最高为n级 四叉树的分解过程 自上而下 四叉树的分解过程 四进制线性四叉树的编码过程 1 编码方向 四进制线性四叉树的编码过程 2 四进制线性四叉树的编码过程 3 四进制线性四叉树的编码过程 4 四进制线性四叉树的编码过程 5 十进制线性四叉树的编码过程 1 如图为四进制线性四叉树的编码结果 据此写出其十进制线性四叉树编码结果 编码方向 十进制线性四叉树的编码过程 2 如图 按四进制线性四叉树编码结果 从小到大对64个基本单位编号 十进制线性四叉树的编码过程 3 将可以合并的模块合并 以其最小编号作为模块编号 优点 压缩效率高 压缩和解压缩较方便 阵列各部分的分辨率可不同 既可精确地表示图形结构 又可减少存贮量 易于进行大部分图形操作和运算 缺点 具有图形编码的不定性 同一形状和大小的多边形可得出完全不同的四叉树结构 因此 不利于形状分析和模式识别 线性四叉树的特点 思考题 怎样用游程压缩编码对线性四叉树进行进一步的压缩 3 4 4栅格数据的压缩 分类 无损压缩 TIFF GIF 有损压缩 JPEG 多分辨率无缝图像数据库 MrSID 以不同的分辨率恢复图像数据在压缩大图像过程中可消除人为区域边界 3 4 5栅格数据文件 栅格数据文件中的头文件一般包含了以下几个方面的影像数据信息 数据结构方法行列数光谱波段数每个波段每一像元的比特数卫星影像的相关文件 统计文件 stx 色彩文件 clr 3 5其它的数据模型 矢量栅格混合数据结构矢量栅格一体化结构超图数据结构 3 5 1矢量栅格混合数据结构 不改变矢量和栅格数据的数据结构 只将两者简单的组合起来应用 最简单的形式 矢量和栅格数据不作任何特殊处理 分别用它们各自的数据结构处理 需要时将它们调入内存 进行统一的显示 查询和分析 两者互为背景层 3 5 2矢量栅格一体化结构 基本格网 细分格网 粗格网 基本思想 多级网格三个基本约定线性四叉树编码 矢量栅格一体化结构 多级格网 栅格特征 粗