第三讲 空间数据的结构与组织.ppt

1、第3讲 GIS的空间数据结构与组织,内容,3.1 空间数据的拓扑关系 3.2 空间数据结构 3.3 栅格结构 3.4 矢量结构 3.5 数据变换 3.6 空间数据的分层组织,一、地理空间数据的拓扑关系,（一）拓扑的概念和意义 1. 拓扑的概念 拓扑学是几何学的一个分支，它研究图形在连续变形下（拓扑变换）的那些不变的几何属性。组成一个图形的各元素（结点、弧段、面域）之间都存在着二元关系，即邻接关系和关联关系。在地图上这种关系可以借助图形来识别，而在计算机中这种关系需用拓扑关系加以定义。拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法。,拓扑的感性认识,假设欧氏平面是一张高质量无边界的橡皮，该橡皮能够

2、伸长和缩短到任何理想的程度。想象一下基于这张橡皮所绘制的图形，允许这张纸伸长但是不能撕破或者重叠，这样原来图形的一些属性将保留，而有些属性将会失去。,一、地理空间数据的拓扑关系,例如，在橡皮表面有一个多边形，多边形内部有一个点。无论对橡皮进行压缩或拉伸，点依然存在于多边形内部，点和多边形之间的空间位置关系不改变，而多边形的面积则会发生变化。前者则是空间的拓扑属性，后者则不是拓扑属性。,欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性,一、地理空间数据的拓扑关系,2. 拓扑关系的重要意义 在地理信息系统中，空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空间分析具有重要的意义，主要表现在如下三个方面：

3、（1）根据拓扑关系可以确定地理实体间的相对空间位置， 而无需利用坐标和距离； （2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询； （3）可以利用拓扑数据重建地理事体。 如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等。,通过拓扑关系，识别地图中的空间数据关系。 不仅记录空间位置和几何特性，还记录空间关系。,一、地理空间数据的拓扑关系,1、拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。 如多边形之间；结点之间的邻接关系。 2、拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。 如结点与弧段；多边形与弧段的关联关系。 3、拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。 如多边形与多边形的包含关系。,（二）空间数据的拓扑关系,不 同 类,同 类,同

4、类不同级,一、地理空间数据的拓扑关系,拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3 拓扑关联：N1/1、3 、6 ；P1/1、5 、6 拓扑包含：P3与P4,一、地理空间数据的拓扑关系,（三）拓扑结构的表达,1、结点与弧段的拓扑关系,一、地理空间数据的拓扑关系,2、弧段与结点的拓扑关系,一、地理空间数据的拓扑关系,3、弧段与多边形的拓扑关系,一、地理空间数据的拓扑关系,4、多边形与弧段的拓扑关系,一、地理空间数据的拓扑关系,地理要素之间的空间区位关系,1）点-点关系： 相合； 分离； 一点为其他诸点的几何中心； 一点为其他诸点的地理重心； 2）点-线关系： 点在

5、线上：可以计算点的性质，如拐点等； 线的端点：起点和终点； 线的交点； 点与线分离：可计算点到线的距离。,一、地理空间数据的拓扑关系,3）点-面关系： 点在区域内，可以记数和统计； 点为区域的几何中心； 点为区域的地理重心； 点在区域的边界上； 点在区域外部。,4）线-线关系： 重合； 相接：首尾环接或顺序相接； 相交： 相切； 并行。,一、地理空间数据的拓扑关系,5）线-面关系： 区域包含线：可计算区域内线的密度； 线穿过区域： 线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称； 线与区域分离。 6）面-面关系：包含：如岛的情形； 相合： 相交：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或； 相

6、邻：计算相邻边界的性质和长度； 分离：计算距离、引力等。,一、地理空间数据的拓扑关系,二、空间数据结构,（一）数据结构概念： 数据结构即指数据组织的形式，是适于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。 对空间数据而言，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。 在地理系统中描述地理要素和地理现象的空间数据主要包括：空间位置、拓扑关系和属性三个方面的内容。,（二）GIS的数据(空间信息),1、空间数据（图）：表示要素的空间位置、几何特征 2、属性数据（文）：表示要素的非几何特性，包括文字属性、表格、其他非几何数据（声音、动画、影像等等）,二、空间数据结构,（三）空间对象（实体）的地图

7、表达,1、点状要素：表达为空间上一个点位的符号。具定位特征，为不依比例符号。 2、线状要素：表达为空间上沿某个方向延伸的线状或带状现象的符号。具定位特征，为半依比例符号。 3、面状要素：表达为空间上具连续两维分布的现象的符号。具定位特征，为依比例符号。 4、体积要素：表达为空间上具三维特征的现象的符号。具定位特征，与比例尺相关。,二、空间数据结构,空间对象（实体）的遥感影像表达,遥感传感器平台,传感器,二、空间数据结构,空间对象（实体）的GIS数字化表达,二、空间数据结构,（四）GIS的数据结构,1、栅格数据结构(Raster ): 指将分析空间划分成多个规则的网格单元（多为矩形区域，偶有表示

8、为三角形、菱形或六边形的）然后给各个格网单元赋以相应空间对象的属性值，用这多个格网单元组成的规则格网（GRID)来表示地理现象的空间位置和属性特征。 栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。,栅格模式,矢量模式,真实世界,二、空间数据结构,2、矢量数据结构(Vector): 利用欧几里得（Euclid）几何学中的点、线、面及其组合体来表示实体空间分布的一种数据组织方式。 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和形状。,二、空间数据结构,栅格,矢量,图形栅格单元（又称像元或像素）按矩阵形式的集合,图形的各离散点平面坐标（x,

9、y）的有序集合,二、空间数据结构,二、空间数据结构,栅格数据-遥感数据,二、空间数据结构,五角大楼1:4万影像,五角大楼1:2万影像,五角大楼1:1万影像,二、空间数据结构,金字塔“皇后墓室”通道考古。中国科学院中国遥感卫星地面站送来一幅从450公里高空拍摄的胡夫大金字塔照片。“世界上没有多少人从这个角度看过金字塔。” 这幅卫星照片是20022月2日通过美国“快鸟”遥感卫星拍摄的。“快鸟”是世界上最高分辨率的遥感卫星，每93分钟可绕地球一圈，可以分辨出地面上两个相距61厘米的物体,栅格数据-数字高程模型（DEM),二、空间数据结构,矢量数据,二、空间数据结构,二、空间数据结构,二、空间数据结构

10、,矢量+栅格,二、空间数据结构,矢量+栅格,二、空间数据结构,三、栅格结构,1、栅格结构的特征 2、栅格数据的坐标系及描述参数 3、栅格数据的获取 4、栅格数据的基本运算 5、栅格数据的宏运算 6、栅格数据的应用 7、栅格数据的组织与存储 8、栅格数据的压缩编码,主要内容：,（一）栅格数据模型,用单元填满空间，每一个单元是一个小的正方形，称为grid。 用同一种方法，实现了点、线、面三种对象的表达。 地理实体的位置用它们占据的行列号(I,J)表示,每一格称为一个像元，像元是用灰度值来表示的（0255）。 每个栅格单元只能存在一个值。 笛卡尔坐标系 早期的GIS大多数采用栅格数据模型,三、栅格结

11、构,栅格数据模型的其他表示方式,1、栅格数据中的点线面,点：表示为单个像元。 线：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。 面：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。,三、栅格结构,2、栅格数据模型中，如何将属性数据赋予空间数据？,方法一： 每一个网格单元都赋予一个数值。（简单，但无法有多重属性） 需要表达多重属性就必须建立多个栅格图层,三、栅格结构,方法二： 网格单元与DBMS（数据库管理系统）相连接，一个网格单元就可以有多重属性。 多重属性的局限。,三、栅格结构,三、栅格结构,（二）栅格数据的获取,1、遥感方法获取(航天与航空); 2、图片扫描获取(纸介质的地图等扫描)； 3、矢量数据转换

12、而来； 4、由平面上行距、列距固定的点抽样而来。,三、栅格结构,三、栅格结构,（三）网格单元的取值方法： 1、中心归属法 2、长度占优法 3、面积占优法 4、重要性法 5、缩小单个栅格单元的面积 6、其他,三、栅格结构,取值的基本原则： 尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量。,（三）栅格数据的基本运算,1. 栅格图像的平移(向右一格,再向上一格),三、栅格结构,2. 两个栅格图像的算术组合 将两个栅格图像叠加,使它们对应像元的灰度值相加,相减,相乘,相除,开方和,平方和等等.,三、栅格结构,3.两个栅格图像的布尔逻辑组合,三、栅格结构,4.其它栅格图像的基本运算(1)栅格灰度值乘上或加上一

13、个常数;(2)栅格灰度值求其正弦,余弦等,方根,对数,指数等;(3)将某些栅格灰度值置成常数等;(4)求一个栅格图像中元素灰度值之和;(5)找出一个栅格图像中元素灰度值最大和最小等;(6)求出两个栅格图像对应灰度值的数量积;(7)将两层栅格图像对应灰度值比较,并把一个较大的元素记录到结果栅格图像中;(8)进行”二值图像”处理等等.,三、栅格结构,5. 栅格图像的叠置分析,三、栅格结构,计算B行政区里类土壤的面积？,计算机实现流程图：,三、栅格结构,（四）栅格数据的组织,三、栅格结构,（五）栅格数据的存储直接栅格编码,Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的pixel值组成像元

14、阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。例如影像： A A A A A B B B A A B B A A A B在计算机内是一个4*4阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为：A A A A A B B B A A B B A A A B 当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要m行n列3(x,y和属性编码值)个存储单元。数字地面模型就属此种情况。,三、栅格结构,（六）栅格数据的存储压缩编码,1、链式编码(Chain Codes) 2、游程长度编码(Run-Length Codes) 3、块式编码(Block Codes) 4、四叉树编码(Q

15、uadtree Encoding),三、栅格结构,1、链式编码(ChainCodes),又称为弗里曼链码(Freeman)或边界链码。 基本方向可定义为：东0，东南l，南=2，西南3，西4，西北5，北6，东北7等八个基本方向。如果再确定原点为像元(10，1)，则该多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10，l，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6,三、栅格结构,链式编码优缺点 优点：可以有效地压缩栅格数据，而且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度等运算十分方便，比较适合与存储图形数据

16、； 缺点：对边界进行合并和插入等修改编辑工作比较困难，对局部的修改将改变整体结构，效率较低，而且由于以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界将被重复存储而产生冗余。,三、栅格结构,2、游程长度编码(Run-Length Codes),游程长度编码是按行存储多边形内的各个像元的列号，即在某行上从左至右存储属该多边形的始末像元的列号。 对右图的进行游程长度编码 (格A,空B)。,三、栅格结构,或表示为：(A,1),(B,2),(A,2),(B,1),游程长度编码特点： 压缩数据十分有效又简便； 压缩比的大小与图的复杂程度成反比； 压缩效率较高，易于检索、叠加合并等操作； 运算简单。,1、针对下图：

17、（1） 设基本方向的定义为：东=0、东南=1、南=2、西南=3、西=4、西北=5、北=6、东北=7等八个基本方向确定的原点为像元（3，1），试写出该多边形的链式编码； （2）试写出该多边形的游程长度编码(格A,空B) 。,（1）首先是 像元 即 3 1 然后是下一个 像元和这个像元的位置关系 可以是 顺时针 也可以是逆时针 顺时针3 1 +方向 7 1 7 1 7 1 7 1 3 3 1 0 2 4 4 5 5 4 5 6 逆时针3 1 +方向 2 1 0 1 1 0 0 6 4 4 6 0 7 7 5 3 5 3 5 3,练习题,（2）第2行 A,1,B,1,A,1,B,1,A,1,B,1,

18、A,2 第3行 B,7,A,1 第4行 B,6,A,2 第5行 A,1,B,4,A,3 第6行 A,3,B,4,A,1 第7行 A,4,B,3,A,1,三、栅格结构,3、块式编码(Block Codes),块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。具有可变的分辨率。如图：,块式编码的数据结构由初始位置(行号，列号)和半径，再加上记录单元的代码组成。根据这一编码原则，上述多边形只需17个单位正方形。9个4单位的正方形和1个16单位的正方形就能完整表示，总共要57个数据，其中27对坐标，3个块的半径。,三、栅格结构,0 4 4 7 7

19、 7 7 7 4 4 4 4 4 7 7 7 4 4 4 4 8 8 7 7 0 0 4 8 8 8 7 7 0 0 8 8 8 8 7 8 0 0 0 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8,2、针对下图（1）试写出该多边形的游程长度编码；（2）写出其块码 。,（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7，2）；（0，2），（4，1），（8，3），（7，2）；（0，2），（8，4），（7，1），（8，1）；(0，3)，(8，5)；(0，4)，(8，4)；(0，5)，(8，3)。,块码编码如下： (1,1,

20、1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7), (1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4), (2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4), (3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7), (4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8), (5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8), (6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8), (8,4,1,0),(8,5,1,0

21、)。,三、栅格结构,练习题,可变分辨率的方法。通过变化分辨率来达到压缩的目的。 栅格连续四分，直到每一个4分后的块都是同一数值为止。 采用不同的分辨率存储4分后的每一个块。 易于查询、适应于存储数据量大的地图,4、四分树编码（Quadtree codes）,三、栅格结构,栅格数据压缩编码-四分树编码,三、栅格结构,（a）块码分割 （b）四叉树分割,三、栅格结构,（c）b的四叉树编码,三、栅格结构,容易而有效地计算多边形的数量特征； 阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树分级多，分辨率也高，而不需要表示的细节部分则分级少，分辨率低。因而既可精确表示图形结构，又可减少存储量。 直接栅格编码

22、到四叉树编码及四叉树到简单栅格编码的转换比块式编码等其它压缩方法容易。 多边形中嵌套不同类型小多边形的表示较方便。,四叉树编码的优点,三、栅格结构,四叉树编码的缺点,四叉树编码的最大缺点是转换的不确定性，用同一形状和大小的多边形可能得出多种不同的四叉树结构，故不利于形状分析和模式识别。但因它允许多边形中嵌套多边形即所谓“空洞”这种结构存在，故越来越多的GIS工作者都对四叉树结构很感兴趣。,三、栅格结构,四、矢量结构,矢量结构的特点 空间关系及其表达 矢量结构的组织与编码 矢量数据的压缩技术,（一）矢量数据概念,矢量数据是指在直角坐标系中，用X、Y坐标（点、线、多边形及其组合）表示地图图形或地理

23、实体的位置和形状的数据。 矢量数据一般通过记录坐标的方式来尽可能将地理实体的空间位置表现的准确无误。,四、矢量结构,1、矢量模型的基本元素点,有位置，无宽度和长度； 抽象的点,美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置,四、矢量结构,2、线,有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离,香港城市道路网分布,四、矢量结构,3、面,具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面,中国土地利用分布图（不连续面）,四、矢量结构,点： （x，y）,线：(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn),面(x1,y1)

24、,(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn),四、矢量结构,属性数据与空间数据关联,使用关系型数据库DBMS 一个空间要素对应数据库的一条记录 使用多个字段表达多重属性。,四、矢量结构,四、矢量结构,（二）矢量结构的特点,1、用点、线、面表示现实世界的物体，用每一个实体在坐标参考系统中的坐标定义它们的空间位置； 2、用属性表示物体的数量和质量特征； 例如，用一条线表达一条道路；一个多边形表示一个湖泊。 3、用拓扑关系来描述矢量数据之间的位置关系； 4、面向目标的操作； 5、数据结构复杂难以同遥感数据结合； 6、位置关系较难处理。,四、矢量结构,拓扑数据结构的优缺点,图形的修改方便，可由软件

25、检查数据输入的错误，容易保证数据质量； 便于叠合分析、网络分析等； 数据结构复杂，软件复杂； 建立拓扑关系需花计算时间（当地图覆盖范围很大，数据量很大时）。,四、矢量结构,（三）空间关系及其表达,绝对空间关系: 坐标、角度、方位、距离等； 相对空间关系：相邻、包含、关联等 相对空间关系的类型 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。 地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。 空间关系的描述有多种多样，目前尚未有具体的标准和

26、固定的格式。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述,四、矢量结构,四、矢量结构,（四）矢量结构数据的组织与编码,标识码,属性码,空间对象编码 唯一 连接空间和属性数据,数据库,独立编码,点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn ),点位字典,点: 点号文件,线: 点号串,面: 点号串,存储方法,1、点实体,四、矢量结构,2、线实体,四、矢量结构,3、面实体,多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。,四、矢量结构,（五）矢量数据压缩技术,间隔取点法； 垂距法和偏角法； 道格拉斯普克（DouglasPeucker)法； 光栏法,四、矢量结构,1、间隔取点法,四、矢量结构,2、垂距法和偏角法,四、矢量结构,3、道格拉斯普克法,四、矢量结构,4、光栏法,四、矢量结构,矢量模式与栅格模式比较,四、矢量结构,（一）栅格与矢量模式的选择与转换,1、栅格和矢