《GIS空间数据结构》PPT课件

2地理信息系统的数据结构,1地理空间及其表达2地理空间数据及其特征3空间数据结构的类型4空间数据结构的建立,1地理空间及其表达,1.1地理空间的概念一、地理空间（geo-spatial）二、我国大地坐标系1.2空间实体的表达一、空间实体类型二、表示方法,1地理空间及其表达,1.1地理空间的概念一、地理空间（geo-spatial）1、定义为绝对空间与相对空间两种形式。（1）绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列的空间坐标值组成。（2）相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成。2、包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。,1、地理空间定位框架：大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。为建立所有的地理数据的坐标位置提供了一个通用参考系，可以将全国范围使用的平面及高程坐标系与所有的地理要素相连接。2、大地测量控制点：大地控制信息的主要要素，其平面位置和高程被精确地测量，并用于其他点位的确定。,二、我国大地坐标系,GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。,基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系-西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系。,椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的基准面，如前苏联的Pulkovo1942、非洲索马里的Afgooye基准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们的基准面显然是不同的。我国3个椭球体参数如下,地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换。,1、三种大地坐标系：1954年北京坐标系；1980年国家大地坐标系；地心坐标系。（1）我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由此计算出来的各大地控制点的坐标，称为1954年北京坐标系。（2）我国1978年宣布在陕西省泾阳县永乐镇设立新的大地坐标原点，并采用1975年国际大地测量协会IAG推荐的大地参考椭球体，由此计算出来的各大地控制点坐标，称为1980年大地坐标系。（3）地心坐标系即以地心作为椭球体中心。如WGS1984基准面采用WGS84椭球体，是地心坐标系，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。,2、1980年中国国家大地坐标系，具体参数为：赤道半径（a）6378140.0000000000m极半径（b）6356755.2881575287m地球扁率（f）（ab）/a1/298.2571980年中国国家大地坐标系的大地原点，设在陕西省泾阳县永乐镇，称西安原点。,3、大地原点,大地原点亦称大地基准点，即国家水平控制网中推算大地座标的起标点。中华人民共和国大地原点，位于陕西省泾阳县永乐镇石际寺村境内，距西安36公里，1978年建成，是我国地理坐标的起点和基准点。它不但在各项建设和科学技术上有重要作用，而且象征着国家的尊严。大地的地面海拔417.7米，它距我国陆边正北880公里，东北2500公里，正东1000公里，正南1750公里，西南2250公里，正西2930公里，西北2500公里。,4、坐标系转换,xf1（L，B）yf2（L，B）,5、高程,指空间参考的高于或低于某基准平面的垂直位置，主要用来提供地形信息。我国现规定的高程基准面为“1985国家高程基准”，比原“黄海平均海平面”高29mm。我国高程的起算面是黄海平均海水面。1956年在青岛设立了水准原点，称此为1956年黄海高程系。1987年国家测绘局公布：中国的高程基准面启用1985国家高程基准取代国务院1959年批准启用的黄海平均海水面。1985国家高程基准比黄海平均海水面上升29毫米。,12空间实体的表达,一、地理空间的特征实体包括点（point）、线(line)、面(polygon)、曲面(surface)和体(volume)等多种类型。二、表示方法：1、矢量表示法：用一个没有大小的点(坐标)来表达基本点元素。矢量数据模型2、栅格表示法：用一个有固定大小的点(面元)来表达基本点元素。栅格数据模型,2地理空间数据及其特征,2.1GIS的空间数据一、根据GIS的数据来源和数据类型分类二、元数据三、根据表示对象的不同分类2.2空间数据的基本特征一、基本信息二、空间数据的拓扑关系三、拓扑关系的意义2.3空间数据的计算机表示,2地理空间数据及其特征,2.1GIS的空间数据一、根据GIS的数据来源和数据类型分类1、地图数据。2、影像数据。3、地形数据。4、属性数据。5、元数据。,2.1GIS的空间数据二、元数据（Metadata）,1、概念：是描述数据的数据。是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。传统的图书馆卡片、出版图书的版权说明、磁盘的标签等都是元数据。纸质地图的元数据主要表现为地图类型、地图图例，包括图名、空间参照系和图廓坐标、地图内容说明、比例尺和精度、编制出版单位和日期或更新日期、销售信息等。用户通过它可以非常容易地确定该书或地图是否能够满足其应用的需要。,元数据的目的就是促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程（CASE）服务。2、元数据的内容包括：1）对数据集的描述，对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（数据生产历史）等的说明；2）对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等；3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；4）对数据转换方法的描述；5）对数据库的更新、集成等的说明。,3、元数据的主要作用,1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情况的了解；2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；3）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的判断；4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。,2.1GIS的空间数据三、根据表示对象的不同分类,类型数据。面域数据。网络数据。样本数据。曲面数据。文本数据。符号数据。,22空间数据的基本特征,一、基本信息定位信息：不同分布状态定位特征数据属性信息：不同等级属性特征数据拓扑信息：关联关系拓扑特征数据,二、空间数据的拓扑关系,1、拓扑邻接。指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。如结点邻接关系；多边形邻接关系。,2、拓扑关联。指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。如结点与弧段的关联关系N1/C1、C3、C6；N2/C1、C2、C5；多边形与弧段的关联关系P1/C1、C5、C6；P2/C2、C4、C5、C7。,3、拓扑包含。指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式。设ID表示当前多边形，IW表示等价包含，IP表示ID为岛(IP0)或非岛(IP0)，则包含关系的形式如图27所示。,三、拓扑关系的意义,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。利用拓扑数据有利于空间要素的查询。如某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些政区的居民提供水源；与某一湖泊邻接的土地利用类别有哪些；特别是野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于对生物栖息环境作出评价等等。可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。例如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等等。,23空间数据的计算机表示,以ARC/INFO矢量数据模型的系统为例首先，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层。,其次，将一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标。每个目标的数据由定位数据、属性数据和拓扑数据组成。具有相同的分类码的同类目标组成类型，类或相近的若干类构成数据层，若干数据层构成图幅，全部数据组成数据库。,最后，对目标进行数字表示，其中对每个弧段或目标分配一个用户标识码(UserID)，弧段的位置和形状由一系列x，y坐标定义，弧段的拓扑关系由始结点、终结点、左多边形和右多边形四个数据项组成，弧段的属性数据存储在相应的属性表中。每个弧段的空间特征和属性特征通过用户标识码进行联接,3空间数据结构的类型,31矢量数据结构32栅格数据结构33矢量与栅格数据结构的比较,3空间数据结构的类型,数据结构一般分为矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构。,31矢量数据结构矢量数据是面向地物的结构，即对于每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。但是矢量数据仅有些离散点的坐标，在空间表达方面它没有直接建立位置与地物的关系。,一、定义矢量数据结构：基于矢量模型的数据结构。矢量数据结构是利用欧几里得(Euclid)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。这种数据组织方式能最好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析，但对于多层空间数据的叠合分析比较困难。,定义矢量数据结构是通过记录坐标值，尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。点由一对X、Y坐标表示；线由一串的X、Y坐标表示；面由一串或几串有序的且首尾坐标相同的X、Y坐标对及面标识表示。,二、矢量数据的特点,定位明显、属性隐含。其定位是根据坐标直接存储的，而属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上。在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度，而在叠加运算、邻域搜索等操作时则比较困难。这种特点使得其图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，有些甚至难以实现。,三、矢量数据结构的类型,1、简单数据结构空间数据按照以基本的空间对象(点、线或多边形)为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条(Spaghetti)结构。,主要特点：,(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。,优、缺点,优点文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。缺点(1)邻接多边形的公共边被数字化和存储两次(如图219a中的7、8、9三个点)，由此会产生数据冗余和边界不重合(由于数字化误差等因素造成)。(2)每个多边形自成体系，缺少有关邻域关系的信息，难以进行邻域处理。如合并同类时要消除公共边。(3)不能解决“洞”或“岛”之类的多边形嵌套问题，岛只作为单个的图形建造，没有与外包多边形的联系。（4）不易检查多边形边界的拓扑关系是否正确，如无法判断有无不完整的多边形。,2、拓扑数据结构拓扑是英文topology的音译，原意是地志学、地形地貌学，局部解剖学的意思。隐含有构造、结构研究的含义。后来用到数学上、几何上，含有研究数的结构、几何构造关系等含义。主要是用抽象的方法来研究某种数或几何，或集合的构造的不变性，就是所谓的同构问题。这里的拓扑性质是指一个构造在拉伸、扭曲中的整体不变性，即某个构造在拉伸、扭曲前后是否同构同一的问题，即某一个点在整体拉伸、扭曲前后是否与邻近的点的关系是不变的。,拓扑(Topology)结构所谓拓扑结构是确定各地理实体之间空间关系的数学方法。为了准确地描述空间目标的位置和空间关系，在几何上主要从两个方面进行。在几何形态方面，常采用解析几何方法来分析，即以几何坐标为基础，涉及空间目标的角度、周长、方向、距离和面积等；在空间关系方面，则采用拓扑几何方法来描述，主要涉及的是空间目标之间的“相邻”、“相连”、“包容”、“在里面”和“在外面”等关系。,（1）包括DIME(对偶独立地图编码法)、POLYVRT(多边形转换器)、TIGER(地理编码和参照系统的拓扑集成)等。（2）特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面。每条线始于起始结点(FN)，止于终止结点(TN)，并与左右多边形(LP和RP)相邻接。构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的弧段相交的点称为结点，由一条弧段组成的多边形称为岛，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域；含岛区的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。在复连通区域中，包括有外边界和内边界，岛区多边形看作是复连通区域的内边界，复连通区域的内边界多边形对应的区域含有平面上的无穷远点。,（3）弧段或链段是数据组织的基本对象弧段文件由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、FN、TN、LP和RP。结点文件由结点记录组成，包括每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。多边形文件由多边形记录组成，包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。,（4）拓扑编辑功能是拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献。不但保证数字化原始数据的自动查错编辑，而且可以自动形成封闭的多边形边界，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。多边形连接编辑：指顺序连接组成封闭多边形一组线段的编辑。结点连接编辑：指顺序连接环绕某个结点所有多边形的编辑。,1)多边形连接编辑,如设需要对多边形P1进行编辑，其算法过程为：检出与当前编辑的多边形P1相关的所有记录：,检查当前编辑的多边形Pl所处的位置：如果P1位在左多边形位置。将之与位于右多边形位置的多边形号相交换，同时也将该记录的结点号位置作相应的交换；反之，如果当前编辑的多边形P1位于右多边形位置，则该记录的所有数据项顺序不作改变。,从经过代码位置转换的记录中，任取一个起结点作为起点，顺序连接各个结点，必要时可对记录的前后顺序作调整，使得连接的结点能自行封闭。,2)结点连接编辑,如设需要对结点N2进行编辑，其算法过程为：检出与当前编辑的结点N2相关的所有记录：,检查当前编辑的结点N2所处的位置：如果N2位在起结点位置，将之与位于终结点位置的结点号相交换，同时也将该记录的多边形号位置作相应的交换；反之，如果当前编辑的结点N2位于终结点位置，则该记录的所有数据项顺序不作改变。,任取一个左多边形作为起点，顺序连接各个多边形，同样，必要时可对记录的前后顺序作调整，使得连接的多边形能首尾呼应,3、曲面数据结构,曲面是指连续分布现象的覆盖表面，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。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，三角网中的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，狄洛尼(Delaunay)三角网在地形拟合方面表现最为出色，因此常被用于TIN的生成。,32栅格数据结构,一、栅格数据结构：基于栅格模型的数据结构，指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。1、点由一个单元网格表示，其数值与近邻网格值明显不同。2、线段由一串有序的相互连接的单元网格表示，各个网格的值比较一致，但与邻域的值差异较大。3、多边形由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部的网格值相同或差异较小，但与邻域网格的值差异较大。,栅格数据结构,定义栅格数据结构又称网格结构（RasterorGrid）或像元结构（Pixel），是以规则的网格阵列来表示空间地物或现象分布的数据结构，其中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，用每个像元的的值表示实体的类型、等级等属性。,二、栅格数据结构与地理实体,栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，网格边长决定了栅格数据的精度，但是，不论网格边长多细，与原实体特征相比较，信息都有丢失。为什么？网格边长是否越小越好呢？合理的网格尺寸为：H1/2*(minAi)1/2式中：i1，2，n(区域多边形数)。,三、栅格数据的获取方式,航空、航天遥感数据扫描仪对地图或其他图件的扫描获取由矢量数据转换而来网格化数据文件的转入,四、栅格数据结构特点,属性明显，定位隐含。由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体的位置很容易隐含在格网文件的存储结构中，每个存储单元的行列位置可以方便地根据其在文件中的记录位置得到，且行列坐标可以很容易地转为其他坐标系下的坐标。在格网文件中每个代码明确地代表了实体的属性或属性的编码，如果为属性的编码，则该编码可作为指向实体属性表的指针。栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似的离散数据。,七、栅格数据结构的类型,1、栅格矩阵结构：指种全栅格阵列的空间数据组织形式。,缺点：数据量庞大。存储空间为m（行）*n（列）*2（字节），如100km2，网格边长为1m，则要占用200兆字节。,直接栅格编码，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；可以每行都从左到右逐个像元记录，也可以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录，为了特定目的还可采用其他特殊的顺序。,2、压缩编码方法用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型又有信息无损编码和有损编码之分。无损编码是指编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信息。有损编码是指为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过程中损失一部分相对不太重要的信息，解码时这部分难以恢复。在地理信息系统中多采用信息无损编码，而对原始遥感影像进行压缩编码时，有时也采取有损压缩编码方法。目前有一系列栅格数据压缩编码方法，如链码、游程长度编码、块码和四叉树编码等。,1）链码（ChainCodes）,链式编码(Chaincodes)又称为弗里曼(Freeman)链码或边界链码它将线状地物或区域边界表示为由某一起始点和在某些基本方向上的单位矢量链。单位矢量的长度为一个栅格单元，每个后继点可能位于其前继点的八个基本方向之一，并按八个方向编码。缺点是对边界作合并和插入等修改、编辑比较困难。不具有区域的性质，因此对区域空间分析运算比较困难。,2）游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度。游程指相邻同值网格的数量。游程编码结构的建立方法是：将栅格矩阵的数据序列X1，X2，Xn，映射为相应的二元组序列(Ai，Pi)，i1，K，且Kn。其中，A为属性值，P为游程，K为游程序号。,游程长度编码（Run-LengthCodes）,游程长度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的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。又叫行程编码或变长编码,游程编码结构的目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。,特别适用于二值图像数据的表示,3）四叉树数据结构,四元数或四分树（1）原理：将空间区域按照四个象限进行递归分割(2nx2n，且n1)，直到子象限的数值单调为止。凡数值(特征码或类型值)里单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。如图所示，图(a)为区域(晕线部分)四分划的过程；图(b)为该区域对应的四叉树，其中树根代表整个区域，树的每个结点有四个儿子或者空，为空的结点称为叫叶结点，叶结点对应于区域分割时数值单调的子象限。,四叉树结构的基本思想是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其格网属性值(或灰度)，如果某个子区的所有格网值都相同，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样逐次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。,（2）建立四叉树的方法,自上而下方式(“topdown”)：先检测全区域，其值不单调时再四分划，直到数值或内容单调为止。,其中a、b、c、d标号分别表示西北(WN)、东北(EN)、西南(WS)、东南(ES)四个子象限。可以求得任一层的某个子象限在全区的行列位置，并对这个位置范围内的网格值进行检测。若数值单调，就不再细分。按照这种方法，可以完成整个区域四叉树的建立，但是需要大量的运算，因为一些已经划分好的区块会被重复检测，特别是当nxn的矩阵比较大，区域内容要素比较复杂时，用这种方法建立四叉树的速度比较慢。,自下而上方式(“bottomup”),先检测A(1，1)、A(1，2)、A(2，1)、A(2，2)，然后是A(1，3)、A(1，4)、A(2，3)、A(2，4)等等。若4个格网值相同，则合并；反之，作为4个叶结点记录。依此逐层向上，直到最后生成根结点。,（3）四叉数的类型,线性四叉树编码，计算好每个网格单元的地址，ADDRES（I、J）2*IBJB，IB、JB分别为行（I）和列（J）的二进制数形式。每个结点只存储3个量，即地址、深度和结点值。常规四叉树编码，四叉树每个结点通常存储6个量，4个子结点指针、一个父结点指针(根结点的父指针为空，叶结点的子指针为空)和一个结点值。,（4）四叉树编码法的优点：1）容易而有效地计算多边形的数量特征；2）阵列各部分的分辩率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分辩率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辩率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；3）简单栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构比其它压缩方法容易；4）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。,4）八叉