第二章 地理信息系统的数据结构.ppt

1、GIS,地理信息系统原理,第一章 导论,1 地理信息系统的基本概念 2 地理信息系统的基本构成 3 地理信息系统的功能简介 4 地理信息系统的发展透视,地理信息系统的科学定义为： 地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。,1 地理信息系统的基本概念,GIS构成： 系统硬件 系统软件 空间数据 应用人员 应用模型,2 地理信息系统的基本构成,GIS的功能遍历数据采集分析决策应用的全部过程，并能回答和解

2、决以下五类问题： (1)位置，即在某个地方有什么样的问题。 (2)条件，即符合某些条件的实体在哪里的问题。 (3)趋势，即某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程。 (4)模式，即某个地方存在的空间实体的分布规律的问题。 (5)模拟，即某个地方如果具备某种条件会发生什么的问题。,3 地理信息系统的功能简介,（1）空间检索分析,包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的关键技术。 （2）空间拓扑关系分析，空间拓扑实现了输入特征的属性的合并以及特征属性在空间上的连接。 （3）空间模拟分析，空间模拟分析刚刚起步，目前多数研究工作着重于如何将地理信息系统与

3、空间模型分析相结合。,3 地理信息系统的功能简介,应用功能 资源管理 区域规划 国土监测 辅助决策,GIS基本功能 数据采集与编辑； 数据存储与管理； 数据处理和变换； 空间分析和统计； 产品制作与显示； 二次开发和编程。,3 地理信息系统的功能简介,4 GIS的发展透视,GIS相关学科,第二章 地理信息系统的数据结构,第一节 地理空间及其表达 第二节 地理空间数据及其特征 第三节 空间数据结构的类型 第四节 空间数据结构的建立,1 地理空间及其表达,1、地理空间 地理学中的地理空间位于地球表层，范围是上至大气电离层下至地幔莫霍面的地球空间范围是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、土壤圈和智慧圈交互

4、作用的区域；是地球上物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程最复杂区域；是宇宙过程对地球影响最大的区域 。 地理空间可定义为绝对空间和相对空间两种形式： 绝对空间:具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成； 相对空间: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。,1.1 地理空间的概念,地球的自然表面，它是一个起伏不平，十分不规则的表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。 相对抽象的面，即大地水准面。假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面。以大地水准面

5、为基准，可以方便地用水准仪完成地球自然表面上任意一点高程的测量 模型，就是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。,2、地理空间坐标系,1 地理空间及其表达,1.1 地理空间的概念,2、地理空间坐标系 地球的自然表面抽象为大地水准面地球椭球体地理空间坐标系（纬度、经度）平面坐标系 （地图投影变换 ）,1 地理空间及其表达,1.1 地理空间的概念,2、地理空间坐标系,1 地理空间及其表达,1.1 地理空间的概念,3、GIS中的地理空间 GIS中空间的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象； 地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制

6、网和高程控制网组成； GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一； 目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。该基准比原国务院批准启用的“黄海平均海平面”高29mm。,1.1 地理空间的概念,1 地理空间及其表达,1.2 空间实体的表达 在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的； 对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格表示法（栅格数据模型）,如下图。,流,路,1 地理空间及其表达,2.1 GIS的空间数据 空间数据可以按照数

7、据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型。 根据来源分： 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 地理空间数据及其特征,按其表示对象分为：,可分为点、线、面三种不同的图形，并可以用平面坐标、经纬度、网格法表示。,1、类型数据 2、面域数据 3、网络数量 4、样本数量 5、曲面数据 6、文本数据 7、符号数据,2.1 GIS的空间数据,2 地理空间数据及其特征,要完整地描述空间实体或现象的状态，一般需要同时有空间数据和属性数据。如果要描述空间实体或的变化，则还需记录空间实体或现象在某一个时间的状态。 1、空间特征 2、属性特征 3、时间特征,2.2 空间

8、数据的基本特征,2 地理空间数据及其特征,空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；,2.2 空间数据的基本特征,2 地理空间数据及其特征,属性特征是指空间对象的专题属性；,2.2 空间数据的基本特征,2 地理空间数据及其特征,时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。,2.2 空间数据的基本特征,2 地理空间数据及其特征,空间数据的基本特征,1、空 间 关 系,空间关系是指地理空间实体对象之间的空间相互作用的关系，通常将空间关系分为三大类： 拓扑空间关系：用来描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系； 顺序空间关系：描述空间实体之间在空间上的排列次序

9、，如实体之间的前后、左右和东、南北等方位关系； 度量空间关系：用于描述空间实体之间的距离等关系。,2.3 空间数据的拓扑关系,2 地理空间数据及其特征,空间关系有以下几种：,1、点点关系 2、点线关系 3、点面关系 4、线线关系 5、线面关系 6、面面关系,2.3 空间数据的拓扑关系,2 地理空间数据及其特征,空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。 邻接关系：空间图形中同类元素之间的拓扑关系 关联关系：空间图形中不同元素之间的拓扑关系。 包含关系：空间图形中同类但不同级元素之间的 拓扑关系。,2、空间数据的

10、拓扑关系,2.3 空间数据的拓扑关系,2 地理空间数据及其特征,拓扑空间关系 面与面的空间拓扑关系 面与点的空间拓扑关系 面与线的空间拓扑关系 线与线的空间拓扑关系 线与点的空间拓扑关系 点与点的空间拓扑关系,2.3 空间数据的拓扑关系,2 地理空间数据及其特征,2、空间数据的拓扑关系,拓扑空间关系,拓扑空间关系,2、空间数据的拓扑关系,2、空间数据的拓扑关系,2、空间数据的拓扑关系,拓扑变量与不变量,2、空间数据的拓扑关系,2.3 空间数据的拓扑关系,拓扑关系对数据处理和空间分析的意义,(1)根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。 (2)利用

11、拓扑关系有利于空间要素的查询。 (3)可以根据拓扑关系重建地理实体。,2.3 空间数据的拓扑关系,2 地理空间数据及其特征,2、空间数据的拓扑关系,空间数据的计算机表示 指通过利用确定的数据结构和数据模型来表 达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。 将空间数据存入计算机的过程： （1）从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层。 （2）将一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标，并以弧段为基本存储目标。 （3）对目标进行数字化表示。,2 地理空间数据及其特征,2.4 空间数据的计算机表示,点、线、面,空间特征 拓扑关系 属性特征 时间特征,空间数 据模型,3 空间数据结构类型,空间 数

12、据 结构,一、矢量数据结构,（一）简单数据结构 （二）拓扑数据结构 （三）曲面数据结构,（一）栅格矩阵结构 （二）游程编码结构 （三）四叉树数据结构 （四）八叉树和十六叉树数据结构,三、矢栅一体化数据结构,二、栅格数据结构,3 空间数据结构类型,数据结构就是指数据组织的形式，是适合计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据结构则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 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。,矢量模型中 点用空间坐标来表示； 线由一串坐标对组成； 面是由线所形成的闭合多边形。,栅格模型中 点是一个像元； 线由一定方向上连接成串的相邻像元组成； 面由聚

13、集在一起的相邻像元集合来表示。,矢 量 数 据 模 型,栅 格 数 据 模 型,矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地里实体空间分布的一种数据组织方式。,3.1 矢量数据结构,3 空间数据结构类型,（一）简单数据结构 （二）拓扑数据结构 （三）曲面数据结构,矢量数据结构分为,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,3.1.1 简单数据结构（Spagetti结构）,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,1. 数据结构 在简单数据结构中，空间数据以基本的空间对象（点、线、多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系。 Spagetti结构：点、线、多边形有各自的坐

14、标表，互相之间并不相连。,Spagetti结构中，点的坐标表： X,Y是位置坐标，A1, A2, , An是专题属性。,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,Spagetti结构中，线的坐标表： 线表由线段记录相连而成，每条线段由顺次相连的点或中间点来定义。 线表记录信息分为两类：,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,Spagetti结构中，多边形的坐标表： 与线表相似，但它最后一个结点坐标值与第一个结点坐标值相同。,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,3.1.1 简单数据结构,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,2、主要特点： （1）数据编排很直观； （2）造成

15、数据冗余或不一致； （3）没有拓扑数据，互相之间不关联； （4）岛只作为一个单个图形，与外界多边形没有联系。,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,3.1.2 拓扑数据结构,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,数据结构 拓扑数据结构中，点是互相独立的。点连成线，线构成面。 线又称为弧段或链段； 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。 弧段是数据组织的基本对象。,拓扑数据结构图形基本元素,拓扑数据结构的弧段文件构成,3.1.2 拓扑数据结构,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,2. 主要特点： 具有拓扑编辑功能：能保证数字化原始数据的自动查错 编辑

16、；可以自动形成封闭的多边形边界。 拓扑编辑功能包括： （1）多边形连接编辑：指顺序连接组成封闭多边形的一 组线段的编辑。 （2）结点连接编辑：指顺序连接环绕某个结点的所有多 边形的编辑。,多边形连接编辑,（1）检出与当前编辑的对象有关的记录,（2）检查当前编辑对象的位置，并进行代码位置调换,多边形连接编辑,（3）调整记录先后顺序,（4）顺序连接各个结点,结点连接编辑,（1）检出与当前编辑的对象有关的记录,（2）检查当前编辑对象的位置，并进行代码位置调换,（3）顺序连接各个结点,4、拓扑数据结构优缺点（与Spaghetti结构相比）,优点： （1）一个多边形和另一个多边形之间公共边没有重复，减少

17、了数据冗余； （2）拓扑信息与空间坐标分别存贮，这有利于拓扑编辑 。 不足： （1）拓扑表必须在一开始时就创建，这需要一定时间和存储空间； （2）一些简单的操作，如图形显示比较慢。,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,4、拓扑数据结构优缺点（与Spaghetti结构相比）,是否创建拓扑结构需要考虑数据是用于分析还是简单的显示。,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,3.1.3 曲面数据结构,3 空间数据结构类型,3.1 矢量数据结构,曲面数据结构又称为TIN（Triangulated Irregular Network)数据结构，即采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，主

18、要用来描述数字高程表面拟合。 x, y 坐标表示三角网中三角形顶点的空间位置；z轴一般用于表示现象的属性，如地形高程。,每个三角形构成一条记录， 包括： 三角形标识码； 相邻三角形号； 三角形顶点号； 各定点的空间坐标值（x,y,z）。,地理实体与地理现象的不规则三角网表示,地理实体与地理现象的不规则三角网表示,地理实体与地理现象的不规则三角网表示,不规则三角网模型特点,TIN的连续面模型能够有效的描述河流、峡谷、地势等地形区域特征。 按照河谷或者绝壁边缘方向连接结点而形成的分切线（breakline）可用来表示悬崖、断层、海岸和山谷谷底。 三角形大小随点密度变化而自动变化，当数据点密集时生成

19、的三角形小，数据点较稀时生成的三角形较大。 可以方便的进行地形分析，如坡度、坡向信息提取，填挖方计算，等高线自动生成和2.5维显示,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,3.2.1 定义,栅格数据结构是指将空间分割为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码来表示该像元的属性类型或量值。,6,9,7,栅格数据表示地物的方式,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,混合像元和精度问题,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,3.2.2 栅格单元的代码的确定,中心点法：用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码。 面积占优法：以占矩形区域

20、面积最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代码。 重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元代码。 百分比法：根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代码。,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,A,B,3.2.3 栅格数据精度,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,一般采用以下公式计算出合适的网格边长,；,A,A,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,3.2.4 栅格数据的主要类型,栅格矩阵结构 游程编码结构 四叉树数据结构,1. 栅格矩阵结构,栅格矩阵结构是指一种全 栅格阵列的数据组织形式。,每个网格对应一种属性； 空间位

21、置用行和列来标识。,存储空间=,每个元素的存储空间 x 行数 x 列数,3.2.4 栅格数据的主要类型,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,2、栅格矩阵结构编码方法,3 空间数据结构类型,3.2 栅格数据结构,2. 游程编码结构,（1）压缩规则： 逐行读取栅格矩阵数据，将相邻的同值网格合并，并记录合并后的网格值及被合并的网格数。 具体的数据记录方法如下： 用一个二元组来表示一个记录（A，P）,合并网格的属性值,游程,3.2.4 栅格数据的主要类型,3 空间数据结构类型,经过压缩后的所有记录组成二元组序列（Ai，Pi），i=1，K，且KN.,（2）游程编码结构编码方法,3 空间数据结构类

22、型,3.2 栅格数据结构,（3）差分映射预处理,（4）文件组织方法,分别建立“索引文件”和“数据文件”索引文件中，记录了栅格矩阵结构中的每一行所对应的游程累计数K。 数据文件中，记录着每个游程序号所对应的二元组的属性值。,从位置参数访问属性特征,从属性查访分布位置,3.2.3 栅格数据的主要类型,3.2 栅格数据结构, Morton顺序把影像中的像素相连得到的轨迹呈“Z”字形 “Z”方形影像中的像元可以用Morton地址来建立索引 每个Morton坐标是Morton轨迹中表示空间位置的一个简单的数值,Morton顺序和Morton坐标, Morton坐标有利于空间查询，两个坐标值合成了一个值，

23、不再需要分别查找行和列 Morton索引可大大提高某些操作的效率，如查找地图上靠近某一特定位置的类别值等。 在Morton序列中的像元从不交叉，从而减少了数值的跳跃 该轨迹以22的模式递推排序，各层均如此,栅格数据结构,栅格数据结构,区域四叉树和八叉树： 四叉树和八叉树都是层型树状的数据结构 它们分别把某像元块连续等分成四块或八块。 运用四叉树或八叉树来代替完整的栅格结构的目的，是为了节省栅格数据的空间需求 。,栅格数据结构,栅格数据结构, 一般而言，如果空间精度增加一倍，栅格数据增加将到原先的四倍，无论是从栅格数据或从矢量数据构建四叉树或八叉树都比较费时，特别是对层次较多而且空间变化复杂的树

24、。同样，某些操作运用四叉树结构时与完全栅格相比反而更慢。 四叉树数据的显示比游程编码数据要慢。四叉树不利于需要创建新树的操作，如转置、旋转或比例尺变换。 选择是否运用四叉树表示栅格数据，需要在处理速度和存贮容限之间作折衷 。,3. 四叉树数据结构,（1）原理：将空间区域按照四个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止。凡数值呈单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。,2.2.3 栅格数据的主要类型,2.2 栅格数据结构,这种数据结构可以用树状图来表示： 树根代表整个区域；树的每个结点有四个分枝。,3.2.3 栅格数据的主要类型,3.2 栅格数据结构,3. 四叉树数据结构,（2）四分化

25、的方式 自上而下方式：先检验全区域，其值不单调时再四分划，直到数值或内容单调为止 自下而上方式：对栅格矩阵结构的每四个网格进行顺序扫描，如果四个网格值相同，则合并；不同，则作为四个叶结点记录。依此逐层向上，直到生成根结点。,3.2.3 栅格数据的主要类型,3.2 栅格数据结构,四叉树分割,3. 四叉树数据结构,（3）建立四叉树的方法,常规四叉树编码：每个结点存储6个量，即4个子结点指针，1个父结点指针和1个结点值。 线性四叉树编码：每个结点存储3个量，即地址、深度和结点值。,3.2.3 栅格数据的主要类型,3.2 栅格数据结构,线性四叉树编码算法：,计算地址：ADDRES( I, J ) =

26、2 x I + J； 按地址由小到大排序，正是自下而上的扫描顺序； 扫描检测，判断相邻四个网格值是否完全相同， 同则合并，地址为原来四个单元的第一个单元地址； 若不同，则作为叶结点记录下来； 对于不是方阵的栅格数据，则以0补足进行计算。,3.2.3 栅格数据的主要类型,3.2 栅格数据结构,八叉树编码,八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域(即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小立方体)，同区域的属性相同。八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题。,3 空间数据结构类型,3.3 矢量与栅格一体化数据结构,3.3.1 矢量数据模型与栅格数据模型比较 3.3.2 矢量与栅格一体化数据结构概念 3.3.3 矢量与栅格一体化数据结构设计,3.3.1 矢量数据模型与栅格数据模型比较,3.3.2 矢量与栅格一体化数据结构概念,理论基础,三个基本约定 分别针对点、线、面目标数据结构的存储要求作三个约定。 2. 多级格网法 所谓多级格网法，就是将栅格划分为多个级别的格网， 主要分为基本格网和细格网 3. 线性四叉树编码法（Morton码） 对基本格网和细格网都采用线性四叉树编码