渔业信息系统课件第三次、第四次：空间数据模型及数据结构

概念：空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。类型：基于对象（要素）（Feature）的模型场（Field）模型网络（Network）模型空间数据模型

1.场模型：空间内连续分布，如污染物的集中程度、地表温度、土壤湿度。空间结构特征和属性域连续的、可微的、离散的各向同性和各向异性空间自相关在各向同性与各向异性场中的旅行时间面

强空间正负自相关模式

空间数据模型

1.1栅格数据模型栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理。三角形、方格和六角形划分

空间数据模型栅格数据模型

矢量数据模型

2.要素模型

基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其他现象之间的关系的方式来研究。基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象或实体。一个实体必须符合三个条件：

可被识别重要（与问题相关）可被描述（有特征）

对于基于要素的模型，采用面向对象的描述是合适的。空间数据模型空间数据结构

数据结构一般分为基于矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构。矢量（Vector）数据是面向地物的结构，即对于每一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。栅格（Raster）数据结构是面向位置的结构，平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。但对于某一个具体的目标又没有直接聚集所有信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也不能完整地建立地物之间的拓扑关系。空间数据结构—栅格数据栅格数据结构

数据组织图形表示栅格结构的建立

栅格数据编码

定义将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。每一个单元格对应一个相应的地块。空间数据结构—栅格数据栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。空间数据结构—栅格数据栅格数据结构

数据组织图形表示栅格结构的建立

栅格数据编码

定义空间数据结构—栅格数据

栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划分为网格阵列。位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。图形表示22122332333233323332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。面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。栅格数据的比例尺就是栅格(象元)的大小与地表相应单元的大小之比，当象元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值。333属性明显数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，因而我们可以直接得到地物的属性代码定位隐含所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。图形表示—栅格数据特点栅格数据结构图形表示栅格结构的建立

栅格数据编码

数据组织

定义空间数据结构—栅格数据栅格数据结构图形表示栅格结构的建立

栅格数据编码

数据组织

定义空间数据结构—栅格数据栅格结构的建立1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。2、扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定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）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。3、由矢量数据转换而来。4、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、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。（一）数据获取(二)栅格代码的确定栅格数据结构图形表示栅格结构的建立

栅格数据编码

数据组织

定义空间数据结构—栅格数据空间实体

数据结构

图形数据编码

数据组织结果

属性数据

存入计算机

数据编码栅格数据编码方法

直接栅格编码

行程编码（变长编码）

块码—游程编码向二维的扩展

链式编码、Freeman链码、边界链码

四叉树编码矢量数据结构

获取方式定义及图形表示矢量数据组织

编码方式空间数据结构—矢量数据矢量数据结构定义及图形显示

矢量数据用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置。

矢量数据结构的优点是:数据占存贮空间小,空间位置精度高,空间关系描述全面,容易建立拓扑关系,空间和属性数据综合查询更新方便。

矢量数据结构的主要缺点是:数据结构复杂,处理位置关系(包括相交、通过、包含等)费时,地图叠加分析较困难,边界复杂模糊的事物难以描述,不能直接处理图像信息,与DTM和RS结合困难等。矢量数据结构定义及图形显示定位明显属性隐含矢量数据组织点：坐标对（x,y）+识别符线：坐标对系列(x1,y1)..(xn,yn)及有关属性、其它属性面：首尾相同的坐标串关系表几何位置坐标文件连接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。与属性数据的联系。矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。两种数据结构的比较与转换一、矢、栅优缺点：

优点

缺点矢量1、数据结构紧凑、冗余度低

2、有利于网络和检索分析

3、图形显示质量好、精度高1、数据结构复杂

2、多边形叠置分析困难，没有栅格有效。

栅格1、数据结构简单，易于算法实现。

2、便于空间分析和地表模拟

3、

现势性强1、数据量大

2、投影转换比较复杂矢量格式向栅格格式的转换

首先必须确定栅格元素的大小，即根据原矢量图的大小，精度要求及所研究问题的性质，确定栅格的分辨率。如把某一地区的矢量数据结构的地形图向栅格数据转换时，必须考虑地形的起伏变化，当该地区的地形起伏变化很大时(如黄土高原丘陵沟壑区)，必须选用高的分辨率，否则无法反映地形变化的真实情况。栅格格式向矢量格式的转换栅格数据到矢量数据转换的一般过程可描述为：1、二值化由于扫描后的图像是以不同灰度级存储的，为了进行栅格数据矢量化的转换，需压缩为两级(0和1)，这就称为二值化。二值化的关键是在灰度级的最大和最小值之间选取一个阈值，当灰度级小于阈值时，取值为0，当灰度级大于阈值时，取值为1。2、二值图像的预处理对于扫描输入的图幅，由于原稿不干净等原因，总是会出现一些飞白、污点、线划边缘凹凸不平等。除了依靠图像编辑功能进行人机交互处理外，还可以通过一些算法来进行处理。3、细化所谓细化就是将二值图像像元阵列逐步剥除轮廓边缘的点，使之成为线划宽度只有一个像元的骨架图形。细化后的图形骨架既保留了原图形的绝大部分特征，又便于下一步的跟踪处理。细化的基本过程是：(1)确定需细化的像元集合；(2)移去不是骨架的像元；(3)重复，直到仅剩骨架像元。空间索引

空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。

索引类型

实体范围索引格网型空间索引四叉树空间索引R树和R+树索引空间信息查询查询步骤：借助空间索引，在空间数据库中快速检索出被选空间实体；根据空间数据和属性数据的连接即可得到该空间实体的属性列表A:在某条铁路的东侧B:距离该铁路不超过30kmC:城市人口大于70万D:城市在特定的选择区域内Select……from……where……空间信息查询栅格系统的确定1、栅格坐标系的确定

表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构(矢、栅)都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，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。22122332333233323332

栅格单元的尺寸1）