邬伦_第7章 空间数据管理.ppt

第7章空间数据管理，1空间数据库2网格数据结构及其编码3矢量数据结构及其编码4矢量网格结构的比较和变换算法5空间索引机构6空间信息查询，1空间数据库、 1.1地理信息系统和一般管理信息系统的比较1.2空间数据库1.3数据和文件组织1.4GIS内部数据结构矢量结构和网格结构1.1地理信息系统和一般管理信息系统的比较，两者的差异1 ) 硬件上专用的图形输入输出设备的模拟数字转换设备的硬件性能要求2 )软件上的图形图像数据的分析和处理软件3 )为了信息处理的内容和采用目的，两者的共同点是人-机系统的数据大小大，数据关系复杂， 1.2空间数据库1.2.1数据库概念1.2.2空间数据库特征1.2.3数据库管理系统，1.2.1数据库概念，概念空间数据库是一种应用于地理空间数据处理和信息分析领域的工程性质的数据库， 管理对象主要是地理空间数据(包括空间数据和属性数据)，是有关某地区内一定地理要素及其特征的数据集合。 此外，空间数据库中可以做什么，空间数据库中典型的事例卫星影像保存要求(时间序列、大容量)是(NASA、QuickBird、GoogleEarth) GoogleMap ) 车辆GPS监测土地部门规划管理传统数据库长沙市销售量最高的十家果店空间数据库长沙市内附近约500m发现了所有有小学的销售室，1.2.2空间数据库特征，1 )数据量特别大，2 )空间数据和属性数据紧密结合，3 数据被广泛应用的1.2.3数据库管理系统，采用标准DBMS存储空间数据的主要问题：空间数据记录变长的关联、连通、包含、重叠等基本操作不支持复杂图形功能的地理实体表现复杂，交叉表、交叉文件数据安全开发具有高度完整性要求的GIS数据管理方法，独立的基于文件的数据管理服务，开发存储和管理空间数据和空间分析的附加软件，使用DBMS管理属性数据。 (混合型)需要扩展系统的功能，空间数据和属性数据在同一DBMS管理下。 (扩展模型)重新设计具有管理和分析空间数据和属性数据功能的数据库系统，目前大多数商业化的GIS软件不采用传统的单一数据模型，而是构建在关系数据库管理系统(RDBMS )中1.3数据和文件组织，1.3.1数据组织的等级1.3.2数据之间的逻辑联系1.3.3常用数据文件，1.3.1数据组织的等级，1 )数据项目2 )记录3 )文件4 )数据库，1.3.2数据之间的逻辑联系是指数据之间的逻辑联系一对多的联系；多对多的联系。 1.3.3常用数据文件，1 )序列文件，2 )索引文件，3 )直接文件(随机文件)4)转置文件，1.4矢量结构和网格结构，地理实体数据本身的组织方法，称为内部数据结构。 空间数据结构是适用于计算机系统存储、管理和处理的地理图形逻辑结构，是地理实体空间布局方式与相互关系的抽象描述。 内部数据结构基本上分为向量结构和网格结构(也称为向量模型和网格模型)两个类别。 两种结构可用于描述三种基本类型：地理图元点、线条和面。 空间数据编码是空间数据结构的实现。 另外，网格和矢量数据的主要编码方法，在地理信息系统的空间数据结构中，在网格结构的编码方式主要是网格编码、链码、行程编码、块码、四叉树码等矢量结构中，主要有坐标系列码、树索引码、双端口1.4.1向量模型和向量模型通过点、线或平面表示现实世界元素的位置和范围，其中各个实体的位置在坐标参考系统中由空间位置(坐标)来定义。 地图空间内的每个位置都有唯一的坐标值。 优点：向量模型中的空间实体与表现的现实世界中的空间实体有一定的对应关系。 1.4.2网格模型和网格模型规则地将空间分割为网格(通常为正方形)。 地理实体的位置和状态由它们占据的网格的行和列定义。 每个网格的大小表示定义的空间分辨率。 由于位置由网格矩阵编号定义，所以特定位置由最接近它的网格记录决定。 网格模型的最小单元与其表现的现实世界空间实体不直接对应。 网格数据结构特征、网格数据结构容易实现，算法简单，扩展、修改容易，直观，特别是与遥感影像的结合处理容易，使地理空间数据处理变得非常方便。 特别适用于FORTRAN、BASIC、c等高级语言的文件和矩阵处理，也是网格结构为许多地理信息系统设计者所容易接受的理由之一。 2.1网格数据结构及其代码，2.1网格数据结构2.2决定网格单元代码的方式2.3代码方法，2.1网格数据结构，规则排列定义表示空间图形和现象分布的数据组织，组织中的各数据表示图形和现象的非几何属性特征。 特征网格结构的显着特征是属性明显、定位隐含、数据直接记录属性的指针和属性本身，位置通过矩阵编号转换为对应坐标。 栅格数据的形状、大小及相关问题，栅格结构表示的地表不连续，是量化和近似离散的数据。 网格大小越小，分辨率越高，数据量也越大。网格数据的形状、大小以及相关问题通常不是矩形(主要是正方形)。 您可以根据需要特定单元格的形状，例如，将其设置为三角形。 另外，网格数据的形状、大小及相关问题表示相应网格结构中始终只有一个代码，因为网格大小可能导致大误差，同时在一个网格的地表范围内存在多个地物。 这是遥感影像的混合小区问题，例如，landsatMSS卫星影像的单个小区对应于地表7979m2的矩形区域，影像中记录的频谱数据是地表区域内对应于各小区的所有地物类型的频谱辐射的总和效果，即，网格数据的形状、尺寸和尺寸网格数据在转换和重采样时必须尽可能保持原始图形的数据精度的常规方法：在不改变网格单元大小的情况下，通过不同方法提取网格单元的代码，以缩小单个网格单元的面积，即增加单元的总数，矩阵数也是如此2.2网格单元的代码取法，中心点法面积优先级法百分比法，2.3编码方法，直接网格编码，压缩编码方法1 )链码(ChainCodes)2)行程代码(Run-LengthCodes)3)块代码4 )四叉树， 常见的网格数据压缩码归纳，链码压缩效率高，已接近向量结构，边界运算比较方便，但缺乏区域性质，区域运算困难。 行程长度编码可大大压缩数据，最大限度地保持原始网格结构，并且易于编码和解码。 但是，破碎数据的处理没有效果。 块码和四叉树码具有区域性质，分辨率可变，压缩效率高，但运算效率是瓶颈。 其中四叉树码能够直接进行大量的图像运算，是一种高效、有前途的方法。 与所有数据结构问题一样，压缩编码过程中的主要矛盾也是数据量的压缩和运算时间的矛盾：为了更有效地利用空间资源并减少数据冗馀，压缩编码必须花更多的运算时间进行编码。良好的压缩编码方法是尽可能减少运算时间并达到最大的数据压缩效率，算法适应性强，容易实现的三向量数据结构及其编码，3.1向量数据结构，3.2编码方法，3.1向量数据结构，定义：记录坐标的方式，尽可能准确地特点：定位显而易见，属性是隐式的，其定位是直接基于坐标存储的，但属性通常存在于文件标题或数据结构的特定位置。 此外，向量数据结构的基本概念、前导码概念：向量(起点与终点)向量数据结构：通过记录坐标，尽可能精确地代表点、线、多边形等地理实体并且允许坐标空间的连续性的任何位置、长度、面积的精确定义。 一般来说，其精度比网格数据结构高得多。 其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制。 向量数据结构的基本概念、几何图形的类型、向量数据结构的基本概念、向量数据的类型、向量数据结构的特征、向量数据结构的图形运算的算法整体上比网格数据结构复杂，重叠运算、邻域搜索等操作困难，有时难以实现但也有方便独特的优点，在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作方面，矢量结构具有较高的效率和精度。 3.2编码方法，点实体多边形1 )坐标系统排列方法(Spaghetti方法)2)树索引编码方法3 )拓扑编码方法，点实体或点是空间上不可分离的地理实体，并且可以用一对x和y坐标表示，具体地或抽象地，例如地上点、文本位置点或线段网络的节点。 对于点图元，向量结构仅记录特定坐标系中的坐标和属性代码。 对于点实体数据的编码-组织方式、线实体、线实体，在数字化时进行量化是用足够短的直线的首尾表示曲线，如果曲线被分割为多条短的线段，则这些小的线段可以与直线段近似，该曲线也可以用足够准确的这些小的直线段的系列表示， 矢量构造中只记录了这些小线段的端点坐标，曲线表示为一个坐标系列，坐标间被认为是用直线段连接的，在一定的精度范围内能够真实地表现各种形状的线状图形。 另外，线实体数据代码-组织方式，唯一的识别代码是系统的排列号的线识别代码或线的种类可以由起点和终点的号码直接坐标表示的显示信息是与线相关联的非几何属性，例如显示时的文本或符号。 可以直接存储在线文件中，也可以单独存储，但是通过组合标识代码进行搜索，多边形图元在地理信息系统中是指任意形状、边界完全封闭的空间区域。 其边界将整个空间划分为外部和内部。 多边形数据是描述地理信息的最重要数据之一。 区域实体多采用具有名称属性和分类属性的多边形表示法，如行政区、土地类型和植被分布。 此外，多边形实体码、多边形向量码不仅表示位置和属性，更重要的是能够表现区域的拓扑性质，使这些基本空间单元能够作为主题的图形数据进行显示和操作，表现的信息非常丰富，多边形的运算比较复杂，因此矢量数据结构编码方法，由坐标系列法(Spaghetti方式)(实体式)索引式双独立链状双独立，坐标系列法(Spaghetti方式)(实体式)多边形边界的x，y坐标对集和说明信息构成，是最简单的多边形矢量编码。另外，具体的编码方法的例子，具体的编码方法，具体的编码的优点和缺点，优点文件结构简单，多边形单位的运算和缺点多边形之间的共同的边界被数字化并存储两次，由此容易生成冗馀性和片段多边形的各多边形成为体系，邻近信息不足， 把某两个多边形之间的共同边界消失等，邻近处理困难的岛作为单一的图形建设，不会外接多边形，很难检查拓扑错误。 该方法可在简单的粗精度制图系统中使用。 另外，基于索引的编码方法、基于索引的数据结构或采用树索引来减少数据冗馀并间接增加相邻信息。 具体方法是将所有边界点数字化以顺序存储坐标对，点索引与边界号相连接，线索引与各多边形相连接，从而形成树索引结构。 另外，索引编码方法的例子、索引编码方法的例子、线与多边形之间的树索引、索引编码方法的例子、点与线之间的树索引、索引编码方法的例子、所形成的文件记录、索引编码方法的优点和缺点， 树索引编码能够消除与邻接多边形边界的数据冗馀性不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或者统合邻接多边形时无需改造索引表的邻近信息和岛状信息通过对多边形文件的线索引处理得到，但是很麻烦， 邻接函数运算中没有不必要的边，处理岛状信息，检查拓扑关系很困难，而且两个代码表都需要人工确立，工作量大，容易出错，双独立代码，简称dime (dualindependentmapencoding )，是美国人口统计学家1、点文件、2、线文件：的线文件以线为记录单位，3、面文件、关联、相邻、关联、连通、拓扑关系明确。 在、DIME中，以线段作为记录单位，链状双独立码是链状双独立数据结构或DIME数据结构的改进。 在DIME中，边只能表示直线两端点的序号和相邻区域。 另一方面，在链数据结构中，可以将多个直线段合并为一个圆弧段(或链段)，并为每个圆弧段设置多个中点。 链式双独立数据结构主要包括四个文件：多边形文件、圆弧段文件、圆弧段坐标文件和节点文件。链状双独立编码的4个文件、1、圆弧段坐标文件：2、圆弧段文件：链-面、链-节点关系、3、多边形文件、4、点拓扑文件：节点链关系、拓扑结构中，多边形(面)边界为一系列线(弧、链、边)和点、Map、链式双独立代码示例、圆弧段文件圆弧段编号起点左多边形a 51oa 85 OA 168 e BD 195 OEE 1519 ODF 1516 dbg 115 obh 81 abij 1619 dej 3131 BC圆弧段坐标文件圆弧段编号abij 7、6、5 c 16、17、8 d 19、18、5 e 15 23、22、21、20、19 f 15、16、g 1、10、11、12、13、14、15 h 8、9、1 I 16、19 j 31、30、29、28、27、26、25、24、31、多边形文档编号圆弧段编号周长面积中心点坐标Ah -jCjDe，I，fEc，I，d，b，链状双独立代码的特征是拓扑关系明确的，岛信息也可以表现，把圆弧段作为记录单位满足一般的街道数字化时，必然有很多中间点，但在进行空间分析时，研究对象是由这些中间点构成的折线几个成熟的商品化软件，例如ARC/INFO软件。例如： ARC文件：在输入二进制文件：圆弧段编号的点坐标系GIS数据时，构建拓扑是指向图形数据(点、线、面)添加拓扑结构，在ARC/INFO中，在ARCEDIT中输入图形后，使用构建