计算机地图制图课件【1】地图数据描述方法

1、第六讲：计算机制图工艺流程与软件系统第六讲：计算机制图工艺流程与软件系统实习课：上机实习（利用实习课：上机实习（利用ArcMapArcMap制作地图）制作地图）课程内容课程内容0_0_概念：什么是计算机地图制图？概念：什么是计算机地图制图？第一讲：计算机地图制图概述第一讲：计算机地图制图概述1_1_逻辑：如何实施计算机地图制图？逻辑：如何实施计算机地图制图？第二讲：地图数据描述与数据结构第二讲：地图数据描述与数据结构第三讲：地图数据采集与与质量控制第三讲：地图数据采集与与质量控制第四讲：地图数据处理第四讲：地图数据处理第五讲：地图数据可视化第五讲：地图数据可视化2_2_物理：怎样利用软件系统完

2、成地图制作？物理：怎样利用软件系统完成地图制作？第二讲第二讲 地图数据描述与数据结构地图数据描述与数据结构主要内容：主要内容： 空间实体及其描述空间实体及其描述（地图数据是怎么样描述客观（地图数据是怎么样描述客观世界的？）世界的？） 数据结构数据结构（地图数据在计算机中如何组织？）（地图数据在计算机中如何组织？）客观世界客观世界地图数据地图数据 地图表达地图表达客观世界客观世界地图数据地图数据地图表达地图表达符号可视化符号可视化数字建模数字建模2.1 2.1 地图数据的描述方法地图数据的描述方法一、地理实体一、地理实体定义：定义：指自然界现象和社会经济事件中指自然界现象和社会经济事件中不能再分

3、割不能再分割的单元，的单元，它是一个具体有它是一个具体有概括性，相对意义概括性，相对意义的概念。的概念。二、地图数据定义、特征与类型二、地图数据定义、特征与类型1 1、描述的内容、描述的内容 3 3、数据类型数据类型 4 4、数据结构、数据结构几何数据（空间几何数据（空间数据、图形数据）数据、图形数据） 关系数据关系数据实体实体间的邻接、关联间的邻接、关联包含等相互关系包含等相互关系 属性数据属性数据各种各种属性特征和时间属性特征和时间元数据元数据 矢量、栅格、矢量、栅格、TINTIN（专用于地（专用于地表或特殊造型）表或特殊造型） RDBMSRDBMS属性表属性表- -采用采用MISMIS较

4、成熟较成熟 空间元数据空间元数据位置、形状、尺位置、形状、尺寸、分布寸、分布 实体的角色、功实体的角色、功能、行为、实体能、行为、实体的衍生信息的衍生信息时间时间测量方法、编码测量方法、编码方法、空间参考方法、空间参考系等系等 空间特征：地理空间特征：地理位置和空间关系位置和空间关系属性特征属性特征名称、名称、等级、类别等等级、类别等时间特征时间特征2 2、基本特征基本特征 地图数据地图数据: 地理实体及相互间关系的描述。地理实体及相互间关系的描述。1 1、地图数据的基本特征、地图数据的基本特征时间特征时间特征( (时间尺度时间尺度) ): : 指地理现指地理现象或实体象或实体随时间的变化，变

5、化周随时间的变化，变化周期有短期、中期、长期。期有短期、中期、长期。空间特征空间特征( (定位数据定位数据) ): : 表示地理表示地理现象或实体某时刻现象或实体某时刻所处的地理位所处的地理位置，置，以及分布上的空间关系。以及分布上的空间关系。属性特征属性特征( (非定位数据非定位数据) ): :地理现象地理现象或实体或实体的特性，如类别、等级、的特性，如类别、等级、数量、名称等数量、名称等。WhenWhen？WhereWhere？WhatWhat？2 2、地图数据的基本类型、地图数据的基本类型（1 1）空间数据：即描述地理实体空间特征部分的数据。）空间数据：即描述地理实体空间特征部分的数据。

6、 多点表示一组属性值相同多点表示一组属性值相同的点，如一个单位的一组钻井。的点，如一个单位的一组钻井。简单的线状实体用只有简单的线状实体用只有1条路径的多线表示，复杂的实体条路径的多线表示，复杂的实体则用具有多条路径的多线表示。则用具有多条路径的多线表示。 简单面实体用只有一个环的多边形表示，复杂面实体简单面实体用只有一个环的多边形表示，复杂面实体如岛屿，需要多环复杂的多边形表示。如岛屿，需要多环复杂的多边形表示。（2 2）关系数据：即描述地理实体间空间分布关系的数据。）关系数据：即描述地理实体间空间分布关系的数据。分离（分离（A，B）相切（相切（A, B）分离（分离（A，C）分离（分离（A,

7、 C）分离（分离（B，C）分离（分离（B, C）西北（西北（A, B） 北（北（A, B），），西（西（A，C）西南（西南（A, C），），西南（西南（B，C）西南（西南（B, C）近（近（A，B）零距离（零距离（A, B）近（近（A，C）远（远（A, C）近（近（B，C）远（远（B, C）拓扑关系拓扑关系 方向关系方向关系 距离关系距离关系基础空间关系分为三种：距离关系、方向关系、基础空间关系分为三种：距离关系、方向关系、拓扑关系拓扑关系 拓扑关系拓扑关系定义：空间目标在拓扑变换下保持不变的空间关系定义：空间目标在拓扑变换下保持不变的空间关系 拓扑关系表现为：拓扑关系表现为：邻接性、连通性、

8、在内、在外邻接性、连通性、在内、在外 拓扑变换：拓扑变换：拉伸、扭曲、旋转、偏移、缩放等拉伸、扭曲、旋转、偏移、缩放等 在三种空间关系中，可认为在三种空间关系中，可认为拓扑关系是定性拓扑关系是定性（本质）的关系，而（本质）的关系，而距离、方位关系是定量的进一步描述距离、方位关系是定量的进一步描述非拓扑变换非拓扑变换拓扑变换拓扑变换0 0 10 0 11 1 11 1 10 0 10 0 11 0 01 0 01 1 11 0 00 1 00 0 10 0 10 1 11 1 11 1 10 1 10 0 11 0 01 1 01 1 11 1 11 1 11 1 1 disjoint cont

9、ains inside equal meet covers covered by overlap 拓扑关系拓扑关系面面-面拓扑关系示例（点面拓扑关系示例（点-点、点点、点-线、点线、点-面、线面、线-线、线线、线-面）面）对于地图数据处理及分析而言，拓扑关系具有重要的意义：对于地图数据处理及分析而言，拓扑关系具有重要的意义：1 1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。2 2）有助于空间要素的查询、分析，利用拓扑关系可以解决许多实）有助于空间要

10、素的查询、分析，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。际问题。如搜索某县的邻接县，面如搜索某县的邻接县，面- -面相邻问题。又如供水管网系面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。哪些点（阀门）关联。3 3）根据拓扑关系可重建地理实体。）根据拓扑关系可重建地理实体。 拓扑关系拓扑关系（3 3）属性数据：即描述地理实体属性特征的数据。）属性数据：即描述地理实体属性特征的数据。 （性质、类型、等级、名称、状态等）（性质、类型、等级、名称、状态等）地块图斑性质地块图斑性质类型属性类型属性2

11、.2 2.2 地图数据结构地图数据结构 地图的数据结构指地图数据中空间数据的组织结构，地图的数据结构指地图数据中空间数据的组织结构，即指空间数据适合于计算机存储、管理及处理的逻辑结即指空间数据适合于计算机存储、管理及处理的逻辑结构。构。 地图数据以什么样的形式在计算机中存储和处理。地图数据以什么样的形式在计算机中存储和处理。实体世界地理现象实体世界地理现象矢量数据结构模型矢量数据结构模型栅格数据结构模型栅格数据结构模型两种常见的数据结构两种常见的数据结构一、栅格数据结构一、栅格数据结构 栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划分为

12、网格阵列。地理实体位置由行，列号定义，属性为栅格单元分为网格阵列。地理实体位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。的值。点：由单个栅格表达。点：由单个栅格表达。线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。1 1、图形表示、图形表示1 1、手工获取：手工获取：专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。2 2、扫描仪扫描：扫描仪扫描：专题图的图像数据专题图的图像数据 行、列、颜色（灰度）行、列、颜色（灰度） ，定义，定

13、义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。3 3、由矢量数据转换而来由矢量数据转换而来。4 4、遥感影像数据：遥感影像数据：对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。5 5、格网格网DEMDEM数据：数据：当属性值为地面高程，则为格网当属性值为地面高程，则为格网DEMDEM，通

14、过，通过DEMDEM内插内插得到。得到。2 2、栅格数据的来源、栅格数据的来源2 2、栅格数据组织、栅格数据组织2 2、栅格数据组织（续）、栅格数据组织（续）方法方法1 1：以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组。为一个列数组。N层中层中只记录一层的象元位置，节约存储空间。只记录一层的象元位置，节约存储空间。方法方法2：每层每个象元的位置、属性一一记录，每层每个象元的位置、属性一一记录，结构简单，浪费存储。结构简单，浪费存储。方法方法3：以层为基础，每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边以层为基础，每层内以多

15、边形为序记录多边形的属性值和多边形内各象元的坐标。形内各象元的坐标。节约存储属性的空间，便于地图分析处理。节约存储属性的空间，便于地图分析处理。3 3、栅格数据结构的建立、栅格数据结构的建立（1 1）栅格坐标系的建立）栅格坐标系的建立 不论采用什么编码系统，什么数据结构不论采用什么编码系统，什么数据结构( (矢、栅矢、栅) )，都应在统，都应在统一的坐标系统下（坐标原点、坐标轴）。一的坐标系统下（坐标原点、坐标轴）。 栅格编码一般用于区域性地图数据，为了栅格编码一般用于区域性地图数据，为了便于区域的拼接便于区域的拼接，栅格系统的栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相起始坐标应

16、与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。（2 2）栅格单元的尺寸）栅格单元的尺寸1 1）原则：原则：有效地逼近空间对象的分布特有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。征，又减少数据的冗余度。 栅格尺寸越小，精度愈高，但栅格数栅格尺寸越小，精度愈高，但栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）；据量愈大（按分辨率的平方指数增加）；反之，精度低，数据量小。反之，精度低，数据量小。2 2）确定尺寸经验公式：）确定尺寸经验公式： h h为栅格单元边长为栅格单元边长 A Ai i为区域所有

17、多边形的面积为区域所有多边形的面积1min()2ihACABACA 当一个栅格单元内有多个可选属性值时，当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。按一定方法来确定栅格属性值。1 1、中心点法中心点法：取位于栅格中心的属性值为该：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。栅格的属性值。3 3、重要性法重要性法：定义属性类型的重要级别，取：定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素要素。 2 2、面积占优法面积占优法：栅格单元属性值为面积最

18、大：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。4 4、长度占优法长度占优法每个栅格单元的值由该栅每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。格中线段最长的实体的属性来确定。4 4、栅格单元属性值确定、栅格单元属性值确定5 5、栅格数据编码方法、栅格数据编码方法（1 1）直接栅格编码：）直接栅格编码： 将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。码数据。 1 1）每行都从左到右记录；）每行都从左到右记录； AAAAABBBAABBAABBAAAAABBBAABBAABB 2 2）奇数行

19、从左到右，偶数行从右到左；）奇数行从左到右，偶数行从右到左；特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。任何压缩数据处理。 栅格数据量大，格网数多，不便于存储及传输。由于地栅格数据量大，格网数多，不便于存储及传输。由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。（2 2）行程编码（变长编码）行程编码（变长编码）将原图表示的数据矩阵变为数据对：将原图表示的数据矩阵变为数据对：1 1）属性码，长度，行号属

20、性码，长度，行号 长度：连续相同码值的栅格个数。长度：连续相同码值的栅格个数。如如(A,4,1)(A,1,2)(B,3,2)(A,4,1)(A,1,2)(B,3,2) 对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化大，适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。 这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，并这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压

21、缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。（3 3）块码（游程编码向二维扩展）块码（游程编码向二维扩展） 采用方形区域作为记录单元，每个记录采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。单元包括相邻的若干栅格。数据对数据对：（：（初始行初始行，列列，半径半径，属性值属性值）如：如：（1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7) 具有可变分辨率，即当属性变化小时图块大，对于大块图斑具有可变分辨率，即

22、当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。记录单元大，分辨率低，压缩比高。 小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低。所以，与行程小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低。所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辩率。编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辩率。（4 4）四叉树编码）四叉树编码一种可变分率的非均匀网格系统。是最有效的栅格数据压缩编一种可变分率的非均匀网格系统。是最有效的栅格数据压缩编码方法之一码方法之一 1 1） 基本思想：基本思想：将将2 2n n2 2n n象元组成的图像象元组成的图像( (不足的用背景补上不足的用背景补上) ) 按四个象限进行

23、递归分割；并判断属性是否单按四个象限进行递归分割；并判断属性是否单一，一，单一，不分，不单一，递归分割单一，不分，不单一，递归分割；最后得；最后得到一颗四分叉的倒向树。到一颗四分叉的倒向树。2 2） 四叉树的树形表示：四叉树的树形表示：用一倒立树表示这种分割和分割结果。用一倒立树表示这种分割和分割结果。根：整个区域根：整个区域高：深度、分几级，几次分割高：深度、分几级，几次分割叶：不能再分割的块叶：不能再分割的块树叉：还需分割的块树叉：还需分割的块二、矢量数据结构二、矢量数据结构 矢量是具有一定长度和方向的量，二维空间内表示为（矢量是具有一定长度和方向的量，二维空间内表示为（dx,dydx,d

24、y）。）。矢量数据是通过记录坐标值的方式，尽可能精确地表示地理实体。矢量数据是通过记录坐标值的方式，尽可能精确地表示地理实体。点：由一对点：由一对x，y坐标表示。坐标表示。线：由一串有序的线：由一串有序的x，y坐标对表示。坐标对表示。面：由一串有序的且首尾坐标相同的面：由一串有序的且首尾坐标相同的x，y坐标对表示。坐标对表示。1 1、图形表示、图形表示2 2、矢量数据的获取方式、矢量数据的获取方式1) 由外业测量获得由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄常称为电子手薄)，然后，然后转到地理数据库中。转到地理数据库中。2)由栅格数据转换获得由

25、栅格数据转换获得利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3)跟踪数字化跟踪数字化用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。3 3、矢量数据组织、矢量数据组织标识码标识码属性码属性码空间对象编码空间对象编码唯一唯一连接空间和属性数据连接空间和属性数据数据库数据库独立编码独立编码点点: ( x ,y )线线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn )面面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 )点位字典点位字

26、典点点: 点号文件点号文件线线: 点号串点号串面面: 点号串点号串6655n4433222111YX点号点号矢量坐标矢量坐标3 3、矢量数据编码方法、矢量数据编码方法（1 1）实体式：）实体式：以实体为单位记录其坐标。以实体为单位记录其坐标。优点：优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。缺点：缺点：1 1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形冗余和碎屑多边形; ; 2 2、无拓扑关系，难以进行邻域处理、无拓扑关系，难以进行邻域处理; ; 3 3、岛作为一个

27、单个图形，没有与外界多边形联系。、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。多边形多边形坐标串坐标串P1P2（2 2）索引式）索引式 对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。线与多边形的索引文件。1234567891011 1213 1415P PP PP PMap1、点文件：、点文件：点号点号坐标坐标1x1,y1面号面号弧段号弧段号P1A,B,C3、面文件：、面文件：2、弧段文件、弧段文件:弧段号弧段号起点起点终点终点点号点号A527,8,9,10与实体式相比：与实体式相比：优点：优点：用建索引的方法消除多边形

28、数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。缺点：缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。（3 3）双重独立式编码）双重独立式编码 简称简称DIME(Dual Independent Map Encoding)DIME(Dual Independen

29、t Map Encoding)，是美国人口统，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。1 1、点文件、点文件点号点号坐标坐标1x1,y1线号线号左多边形左多边形 右多边形右多边形 起点起点终点终点L210P1P2210面号面号线号线号P1L210,L1092 2、线文件、线文件: :线文件是以线段为记录单位线文件是以线段为记录单位 3 3、面文件、面文件1234567891011 1213 1415P PP PP P（4 4）链式双重独立式编码）链式双重独立式编码( (拓扑数据结构拓扑数据结构 ) ) 将将双重独立式编码，双重独立

30、式编码，以以线段线段为记录单位改为以为记录单位改为以弧段弧段为单位。为单位。1、弧段坐标文件：、弧段坐标文件：弧段号弧段号坐标系列（串坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y102 2、弧段文件：链、弧段文件：链面，链面，链结点关系结点关系 1234567891011 1213 1415P PP PP P3、面文件、面文件弧段号弧段号 左多边形左多边形 右多边形右多边形 起点起点终点终点AP1P2254 4、点拓扑文件：、点拓扑文件： 结点结点链关系链关系 面号面号弧段号弧段号 P1A,B,-C点号点号 弧段号弧段号 2A,B,D 拓扑关系明确，也能表达拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。位，满足实际应用需要。 优点优点 缺点缺点矢矢量量1 1、便于面向现象（土壤类，土地、便于面向现象（土壤类，土地利用单元等）利用单元等）2 2、结构紧凑，冗余度低，便于描、结构紧凑，冗余