矢量数据结构课件

1、1内容概览第一节 空间数据的表达第二节 空间数据模型第三节 空间数据管理2重要内容回顾（拓扑元素）起点终点中间点点:面:弧:弧段1弧段3弧段2弧段432.拓扑关系重要内容回顾（拓扑关系）4点点点线点面住宅学校海岸线码头肺癌病例区域学校和住宅接近吗？码头在海岸线上吗？肺癌病例在区内分布 空间关系的应用5线点线线线面镇乘车线路河流小路这条线路过镇上吗？小路穿过河流吗？河流在区域内吗？空间关系的应用6面点面线面面该邮政区包括学校吗？该区域包括铁路吗？区域彼此影响吗？区域重叠吗？空间关系的应用7内容概览第一节 空间数据的表达第二节 空间数据模型2.2.1 空间数据结构2.2.2 栅格数据模型2.2.3

2、 矢量数据模型第三节 空间数据管理82.2.1 空间数据结构数据结构是数据组织的形式。是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据结构是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。地理数据库中采用空间数据结构来数字化表达地理空间信息。空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。92.2.1 空间数据结构一、数据结构数据结构是数据组织的形式。是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。数据结构研究三个方面的内容： 数据的逻辑结构-数据关系之间的逻辑关系。 数据的存储结构-数据的逻辑结构在计算机中的表示。 操作算法-插入、删除、修改、查询、排序等 。102.2.1 空间数据结构一、数据结构举

3、例：学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）112.2.1 空间数据结构一、数据结构举例：音频文件WAVE文件 是一种通用的音频数据文件，文件扩展名为“WAV”，Windows系统和一般的音频卡都支持这种格式文件的生成、编辑和播放。 WAVE文件由三部分组成：文件头（WAVE，结构，大小）数字化参数（Hz，bit, Channel,Coding）波形数据(Data)12WAVE文件结构132.2.1 空间数据结构一、数据结构举例：图像文件BMP文件 BMP文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据四部分组成.BMP文件头数据结构含有BMP文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息。位图信息图

4、头,用于说明位图的尺寸等信息 信息头之后是颜色表用于说明位图中的颜色它有若干个表项，每一个表项定义一种颜色数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右,扫描行之间是从下到上（倒放的）142.2.1 空间数据结构二、空间数据结构空间数据结构是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。地理数据库中采用空间数据结构来数字化表达地理空间信息。空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。15i栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、面地理实体表现得精确无误XYx1 y1x2 y2xi y

5、ixn yn2.2.2 栅格数据模型16栅格数据模型学习要点基本概念：点、线、面的表达像元像元阵列像元属性栅格数据获取方式栅格数据属性取值栅格数据编码方法直接编码压缩编码链码、块码、游程编码、四叉树栅格数据特点2.2.2 栅格数据模型172.2.2 栅格数据模型一、相关概念1、定义：栅格结构是将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个象元阵列，其最小单元称为象元或象素。每个象元的位置由行列号确定，其属性则以代码表示。Y：列X：行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率18点线面 对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。192. 像元栅

6、格单元 网格基本单元的大小，对地图的分辨率和计算精度起关键作用。 遥感影像：影像分辨率扫描图象：150DPI、300DPI、600DPI计算机屏幕分辨率：640780 800600 10247682.2.2 栅格数据模型20SPOT XS 20m*20m 某水库band G, R, IR網格資料2.2.2 栅格数据模型21矢量结构记录点线面坐标表达空间实体，表达精细。栅格结构用有限的网格逼近某个图形 ，网格单元越细栅格数据越精确，但如果太细则数据量太大。 2.2.2 栅格数据模型223.象元阵列：反映某一空间分布的系列象元队列，其行、列确定每个象元的空间位置。 2.2.2 栅格数据模型234.

7、 象元属性：栅格单元值 地理要素的属性特征 5. 栅格结构的特点：属性明显，定位隐含2.2.2 栅格数据模型242.2.2 栅格数据模型二、栅格数据取值的确定每个栅格元素只能取一个值，实际上一个栅格可能对应于实体中几种不同属性值，存在栅格数据取值问题252.2.2 栅格数据模型二、栅格数据取值的确定1、中心点法2、面积占优法3、重要性法4、长度占优法262.2.2 栅格数据模型二、栅格数据取值的确定1、中心点法取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法 栅格单元属性值为面积最大者。ABBA272.2.2 栅格数据模型二、栅格数据取值的确定3、重要性法 取重要的属性值为栅格属性值。

8、用于具有特殊意义的较小地物。4、长度占优法 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。2 1282.2.2 栅格数据模型三、栅格数据的获取1、目读法2、从扫描仪获取3、从摄像机获取4、从遥感中获取5、从矢量数据转换292.2.2 栅格数据模型三、栅格数据的获取1、目读法将一张透明格网纸叠置于某图件上，根据某种占优法，直接用人工方法获取相应的栅格数据属性。当区域范围较大，或要求栅格单元尺寸比较小时，工作量大到使人很难忍受。（例如1幅1010km区域图要以10m的间隔取数，有约100万个数据需读取。 ）适用于所选区域范围小，栅格单元尺寸大的情况。2、从扫描仪获取是获取栅格数据的主要设备

9、。高精度，快速度，数据格式标准化。302.2.2 栅格数据模型三、栅格数据的获取3、从摄像机获取用摄像机可以获取各种景物的视频数据。从摄像机数字化输入的栅格元素数是相对固定的，例如512512，10241024等。312.2.2 栅格数据模型三、栅格数据的获取4、从遥感获取遥感是利用航空，航天技术获取地球资源和环境信息的重要途径。能周期性，动态的获取丰富的信息，并可直接以数字方式记录和传送。322.2.2 栅格数据模型三、栅格数据的获取4、从矢量数据转换把矢量结构的数据通过适当算法，用软件把矢量结构数据转换成栅格结构数据。例如从专题图上获取的矢量数据结构的地块图，积温度或降雨量分布图，用软件方

10、法将其转成栅格结构数据图，并对其进行叠置分析。332.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码1、直接编码2、链式编码3、游程长度编码4、块式编码5、四叉树编码342.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码1、直接编码无压缩编码。将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码。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。存储量大。5,5A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,A352.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码数据压缩栅格数据量大，格网数多，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。所以，出现了

11、各种栅格数据压缩方法。数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为：无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息-信息 保持编码。有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。-信息不保持编码。 362.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码2、游程长度编码游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法。游程长度的记录方式有两种 记录每个游程起（迄）列号 记录每个游程象元数37游程长度编码 逐行记录每个游程的迄点列号5，5A，2，B，5A，1，C，4，A，5D，1，C，3

12、，A，5D，2，C，3，A，5D，2，A，538游程长度编码记录每个游程象元数目5，5A，2，B，3A，1，C，3，A，1D，1，C，2，A，2D，2，C，1，A，2D，2，A，339游程长度编码记录每个游程象元数5，52，A3，B1，A3，C1，A1，D2，C2，A402.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码2、游程长度编码游程长度编码的特点：在各行数据代码发生变化时候记录代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。压缩方法有效便捷。压缩比和图的复杂程度成反比。变化多的部分游程数多，变化少的部分游程数少。因此，图越简单，压缩效率越高。412.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码3、块

13、式编码将游程编码扩大到二维的情况。把多边形范围划分成若干具有同一属性值的正方形，然后对各个正方形进行编码。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。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7 7 7 72 4 4 4 4 4 7 7 73 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 75 0 0 8 8 8 8 7 86 0 0 0 8 8 8 8 87 0 0 0 0 8 8 8 88 0 0 0 0 0 8 8 8422.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码3、块式编码数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）依次扫描，编过的不重复。 1

14、2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7 7 7 72 4 4 4 4 4 7 7 73 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 75 0 0 8 8 8 8 7 86 0 0 0 8 8 8 8 87 0 0 0 0 8 8 8 88 0 0 0 0 0 8 8 8如：（1,1,1,0), (1,2,2,4), (1,4,1,7), (1,5,1,7)43块式编码例：0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3

15、 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 344块式编码例：0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0）

16、，（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。452.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码3、块状编码块状编码的特点：一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块式编码的效果就越好；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。小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低。利于计算面积、合并插入等操作。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7

17、 7 7 72 4 4 4 4 4 7 7 73 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 75 0 0 8 8 8 8 7 86 0 0 0 8 8 8 8 87 0 0 0 0 8 8 8 88 0 0 0 0 0 8 8 8462.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码4、链式编码又称为弗里曼（Freeman） 链码、边界链码它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。01234567方向E SE S SW W NW N NE 编号0 1 2 3 4 5 6 7472.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码4、链式编码 将栅格数据

18、（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录。步骤如下：（1）首先定义一个3x3窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这8种可能07进行编码。 （2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链.01234567aaaaaaab链式编码表属性码起点行起点列链码a14223323b3725332107065482.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码4、链式编码链式编码的特点：对于线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力。具有一定的运算功能，计算周长和面积。探测边界急促弯曲和凹进部分比较容易。缺点是效率较低；局部改动对整体影响大；由于以区域为单位存储边界，相邻区域边界容易被重复存储产生冗余。aa

19、aaaaab01234567492.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码5、四叉树编码 四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。 基本思想：将区域等分为四个象限，根据各个象限的象元属性值是否单一决定要不要再分割。如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性值相同为止。最小区域为一个象元。0123502.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码5、四叉树编码AAAAABBBAABBAABB0123在四叉树中，不能再分的结点称为叶子结点可再分的结点称为树杈结点51树杈结点叶子结点1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8M M R M M M M

20、 MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M2.2.2 栅格数据模型5、四叉树编码52四叉树编码方法（0）（1）（2）（3）0层1层2层3层记录每个叶子结点的地址和属性0123202122232002012022032302312322332.2.2 栅格数据模型532.2.2 栅格数据模型四、栅格数据的编码5、四叉树编码四叉树编码的特点：高效、可变的分辨率，适应不同分辨率的数据管理。有效减少栅格数据的存储量。缺点是复杂，难于

21、修改和更新。不存储拓扑关系。如果数据种类不同，处理效率低。54各种编码方式的特点直接栅格编码： 简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型；行程编码： 在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，适合于地理信息系统采用；链式编码： 压缩效率较高，最为接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；块式编码和四叉树编码： 具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，是很常用的编码方法。55栅格数据结构的特点离散的量化栅格值表示空间对象。位置隐含,属性明显。数据结构简单,易与遥感数据结合,但数据量大。难以建立空间对象之间的关系。56i栅格数据结构就是

22、像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能 地将点、线、面地理实体表现得精确无误。2.2.3 矢量数据模型XYx1 y1x2 y2xi yixn yn57矢量数据模型学习要点基本概念：点、线、面的表达矢量数据获取矢量数据模型分类和表达实体型拓扑型矢量数据模型特点矢量数据模型中的属性表达栅格和矢量数据模型的比较2.2.3 矢量数据模型58 矢量结构 栅格结构 2.2.3 矢量数据模型59定义：用一系列有序的x、y坐标对来表示点、线、面等地理实体的空间位置。特点：属性隐含，定位明显其定位是根据坐标直接存储的，无需任何推算。属

23、性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上 坐标空间假定为连续空间，能比栅格模型更精确地定义位置、长度和大小。矢量数据2.2.3 矢量数据模型60矢量数据模型对空间实体的表达 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：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；2.2.3 矢量数据模型611) 由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。2) 由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3) 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。矢量数据获取方法

24、2.2.3 矢量数据模型62 按矢量数据是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为实体型和拓扑型两大类。矢量数据模型分类2.2.3 矢量数据模型63(X1,Y1)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)线 L点 P(X5,Y5)(X1,Y1)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)多边形 A(X,Y)P（x,y)L (x1,y1)(x5,y5)实体是指地图的基本元素：点、线、面一、实体型数据结构A (x1,y1)(x1,y1)64一、实体型数据结构1、Spaghtetti模型仅记录空间对象位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。优点：编码容易，数字化简单，显示速度快。缺点：数据冗

25、余，可能出现重叠或者裂缝，引起数据不一致。缺少拓扑关系，空间分析困难。65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,

26、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)一、实体型数据结构66一、实体型数据结构数据冗余和匹配误差。 ABA： 空白B： 重叠可能引起的问题：67一、实体型数据结构2、点位字典法记录空间对象每个点坐标。建立点、线、多边形的边界表。消除裂隙和存

27、储冗余。但仍然没有拓扑关系。23456线 L点 P78910多边形 A1点号坐标1x1,y12X2,y23X3,y3目标序号P1L2，3，4，5A7，8，9，1068实体型数据结构的优缺点优点 结构简单、直观，编码容易缺点 数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧； 实体互相独立，缺乏联系； 岛弧处理比较困难一、实体型数据结构69一、实体型数据结构实体式拓扑结构的典型应用：MapInfo一个典型的MapInfo表将由下列文件构成文件名tab：描述表的数据结构。描述包含数据文件的格式。文件名Dat，这些文件包含表格数据。若工作中采用dBASE/FoxBASE、Excel等文件，MapInfo将由一

28、个tab 文件和以上数据或电子表格文件组成。对于栅格数据文件，该等效扩展名就是bmp、tif、gif等。文件名map：该文件描述图形对象。文件名id：这是一个交叉引用文件，用于连接数据和图形对象。此外，表还可以包含一个索引文件（文件名ind），索引文件用于查找地图对象，如果用户在表中确定了用于查找的关键字段，该索引就存在与索引文件中。70空间信息属性信息各自位置相互关系 拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法。在地理数据库中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。 一幅地图可以分解成若干个多边形，一个多边形可以按边界相交的结点分解成若干弧段。一个弧段是一组X、

29、Y坐标定义的线段，邻接多边形的公共边界线只被数字化和储存一次。同时，单独记录地图、多边形、边（弧）之间关系的信息。可以构造一种数据结构，把各条弧的坐标及地图要素之间的关系分开储存。地理数据库中存储的地理信息包括二、拓扑型数据结构71二、拓扑型数据结构1、索引法记录空间对象每个点坐标。建立点与边（线）、线与多边形的索引文件。用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。表达拓扑关系繁琐。1、点文件：点号坐标1x1,y1索引文件：面号弧段号P3B,C3、面文件：2、弧段文件:弧段号起点 终点点号A527,8,9,101234567891011 1

30、213 1415PPP72二、拓扑型数据结构索引式拓扑结构的典型应用：在ArcView中，每个图形文件包括三个数据文件：1、.shp文件：存储各地图要素的坐标数据和几何数据；2、.shx文件：存储地图要素间的隶属关系；3、.dbf文件：存储地图要素的属性数据。73索引式 BCDEabcfghefibcij12345678910111213141516171819202122232425262728293031线与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引 7412345675二、拓扑型数据结构2、链状双重独立式编码以弧段为单位记录。记录（1）弧段坐标文件、（2）弧段文件：链面，链结点关系

31、、（3）面文件、（4）点拓扑文件： 结点链关系 表达拓扑关系明确。被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件。弧段号坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y10弧段号 左多边形 右多边形 起点终点AP1P225面号弧段号 P1A,B,C点号 弧段号 2A,B,D76二、拓扑型数据结构拓扑结构的基本元素：拓扑线段（arc）结点(node）多边形（poly）该线段中间不与其它线段存在联系拓扑线段的两个端点，分别为首结点、尾结点由数条拓扑线段连接而成77结点编码：线段编码：1 2 3 4 5 6 7 8 9多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5)(2)(3)(5)(4)(1)12456789

32、3 拓扑关系表的建立78表1：线段坐标表线段坐标对(x3,y3)(x1,y1)(x1,y1)(x2,y2)12456789312379表2：线段多边形关系表线段左多边形1 (1) (2)2 (1) (3)3右多边形(2)(3)(5)(4)124567893(1)80线段首结点尾结点表3：线段结点关系表12312456789381(2)(3)(5)(4)124567893表4：多边形线段关系表多边形线段(1)(2)(3)1,2,31,4,7,9(1)8283拓扑型数据结构的特点优点： 数据结构紧凑，数据冗余小； 拓扑关系明晰使得空间查询、空间分析效率高 缺点： 对单个地理实体操作的效率低； 难以表达复杂的地理实体； 局部更新困难 84数据拓扑关系应用价值确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离利于空间要素查询重建地理实体85实体型与拓扑型数据结构比较两者都是目前最常用的数据结构模型 实体型代表软件为MapInfo 拓扑型代表软件为ARC/INFO易于编辑会产生数据冗余和歧异消除了数据的冗余和歧异操作复杂，甚至会产生新的数据冗余实体型拓扑型86矢量数据组织矢量数据表示时应考虑以下问题：矢量数据自身的存贮和处理。属性数据及几何数据与属性数据的联系。矢量数据之