地理信息系統(tǒng)第二章.ppt

1、地理信息系統(tǒng)概論,授課教師：賀曉慧,主講內(nèi)容,7,地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與評價,5,空間分析的原理與方法,第二章 地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在GIS中，地理空間數(shù)據(jù)時極其重要的組成部分。GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是用來解決地理空間數(shù)據(jù)以什么樣的形式存儲到GIS中的問題。,2.1 地理空間及其表達(dá),地理數(shù)據(jù)(Geo Data)：是描述地球表層一定范圍（地理圈、地理空間）內(nèi)地理事物（空間實體、地理現(xiàn)象）數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、相互關(guān)系和變化規(guī)律的數(shù)據(jù)。 地理空間（geo-spatial）：一般指上至大氣電離層，下至地殼與地幔交界的莫霍面之間的空間區(qū)域。包括地理空間定位框架及其所聯(lián)接的特征實體。 地理空間定位

2、框架：即大地測量控制，由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成。,2.1 地理空間及其表達(dá),大地測量為建立所有的地理數(shù)據(jù)的坐標(biāo)位置提供了一個通用參考系，利用該通用參考系可以將全國范圍使用的平面及高程坐標(biāo)系與所有的地理要素相連接。 大地測量控制信息的主要要素就是大地測量控制點，這些設(shè)標(biāo)點（有時為動態(tài)的GPS控制點）的平面位置和高程被精確地測量，并用于其他點位的確定。 因此，大地測量控制信息在開發(fā)所有的框架數(shù)據(jù)及用戶的應(yīng)用數(shù)據(jù)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。,2.1 地理空間及其表達(dá),目前，我國采用的大地坐標(biāo)系為1980年中國國家大地坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系選用1975年國際大地測量協(xié)會推薦的國際橢球。具體參數(shù)見P39。 198

3、0年中國國家大地坐標(biāo)系的大地原點，設(shè)在我國中部的陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，簡稱西安原點。 根據(jù)不同需求，我國現(xiàn)有三種大地坐標(biāo)系并存：一是1954年北京坐標(biāo)系（局部平差）；二是1980年國家大地坐標(biāo)系（整體平差）；三是地心坐標(biāo)系。,2.1 地理空間及其表達(dá),將橢球面上各點的大地坐標(biāo)，按照一定的數(shù)學(xué)法則，變換為平面上相應(yīng)點的平面直角坐標(biāo)，通常稱之為地圖投影。這里所說的一定的數(shù)學(xué)法則，可以用下面兩個方程式表示： x=f1（L,B） y=f2（L,B） 式中：（L,B）是橢球面上某一點的大地坐標(biāo)；（x，y）是該點投影在投影平面上的直角坐標(biāo)。 北京54和1980國家大地坐標(biāo)系中的點的坐標(biāo)，更多的是將其投影至高

4、斯-克呂格投影平面，以平面x、y形式表示，用于測繪制作地形圖。,2.1 地理空間及其表達(dá),地理信息系統(tǒng)中特征實體的位置，通常就是指經(jīng)過投影變換后平面上的直角坐標(biāo)。 高程指空間參考的高于或低于某基準(zhǔn)平面的垂直位置，主要用來提供地形信息。 高程基準(zhǔn)面即大地水準(zhǔn)面，是假設(shè)靜止的平均海水面穿過大陸、島嶼形成包圍整個地球的一個閉合曲面。 我國現(xiàn)在規(guī)定的高程起算基準(zhǔn)面為“1985國家高程基準(zhǔn)”，該基準(zhǔn)比原國務(wù)院批準(zhǔn)啟用的“黃海平均海平面”高29mm。,2.1 空間數(shù)據(jù)的相關(guān)概念,研究地理空間，除了建立地理空間的定位參考框架，還必須分析地理空間特征實體或地理空間信息的幾何形態(tài)和時空分布規(guī)律及其相互之間的關(guān)系

5、。 地理空間特征實體：指具有形狀、屬性和時序特征的空間對象或地理實體，包括點、線、面、曲面和體，它們構(gòu)成地球圈層間復(fù)雜的地理綜合體，也是地理信息系統(tǒng)表示和建庫的主要對象。,地理空間的特征實體包括點（point）、線（line）、面（polygon）、曲面（surface）和體（volume）等多種類型。 如何以有效的形式表達(dá)它們，關(guān)系到計算機識別、存儲、處理的可能性和有效性。 在計算機中，現(xiàn)實世界是以各種數(shù)字和字符形式來表達(dá)和記錄的，基于計算機的地理信息系統(tǒng)不能直接識別和處理各種以圖形形式表達(dá)的特征實體，要使計算機能識別和處理它們，必須對這些特征實體進行數(shù)據(jù)表達(dá)。,2.1 地理空間及其表達(dá),當(dāng)

6、對特征實體進行數(shù)據(jù)表達(dá)時，關(guān)鍵又看如何表達(dá)空間的一個點，因為點是構(gòu)成地理空間特征實體的基本元素。 如果采用一個沒有大小的點（坐標(biāo)）來表達(dá)基本點元素時，稱為矢量表示法。 如果采用一個有固定大小的點（面元）來表達(dá)基本點元素時，稱為柵格表示法。,2.1 地理空間及其表達(dá),2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,空間數(shù)據(jù)是GIS的核心，也有人稱它是GIS的血液，因為GIS的操作對象是空間數(shù)據(jù)，因此設(shè)計和使用GIS的第一步工作就是根據(jù)系統(tǒng)的功能，獲取所需要的空間數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,一、GIS的空間數(shù)據(jù)分類 GIS中的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)類型繁多，概括起來主要有以下幾種類型： （1）地

7、圖數(shù)據(jù)：來源于各種類型的普通地圖和專題地圖，這些地圖的內(nèi)容豐富，圖上實體間的空間關(guān)系直觀，實體的類別或?qū)傩郧逦?，實測地形圖還具有很高的精度。 （2）影像數(shù)據(jù)：主要來源于衛(wèi)星遙感和航空遙感，包括多平臺、多層面、多種傳感器、多時相、多光譜、多角度和多種分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，構(gòu)成多源海量數(shù)據(jù)，也是GIS的最有效的數(shù)據(jù)源之一。 （3）地形數(shù)據(jù)：來源于地形等高線圖的數(shù)字化，已建立的數(shù)字高程模型（DEM）和其他實測的地形數(shù)據(jù)等。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,一、GIS的空間數(shù)據(jù)分類 （4）屬性數(shù)據(jù)：來源于各種調(diào)查報告、實測數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料、解譯信息等。 （5）元數(shù)據(jù)：來源于由各類純數(shù)據(jù)通過調(diào)查、推理、分析

8、和總結(jié)得到的有關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，例如數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)權(quán)屬、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間、數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)分辨率、源數(shù)據(jù)比例尺、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法等。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,一、GIS的空間數(shù)據(jù)分類 按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分類，GIS中的空間數(shù)據(jù)可以分為以下兩種類型： （1）矢量數(shù)據(jù)：矢量數(shù)據(jù)是用歐氏空間的點、線、面等幾何元素來表達(dá)空間實體的幾何特征的數(shù)據(jù)。 （2）柵格數(shù)據(jù)：柵格數(shù)據(jù)是將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示空間實體的一種數(shù)據(jù)組織形式。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,一、GIS的空間數(shù)據(jù)分類 按照數(shù)據(jù)特征的分類，GIS中的空間數(shù)據(jù)可以分為以下兩種類型： （1）空間定位數(shù)據(jù)：是表達(dá)空間實體

9、在地球上位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 （2）非空間屬性數(shù)據(jù)：是有關(guān)空間實體自身的名稱、種類、質(zhì)量、數(shù)量等特征的數(shù)據(jù)。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,一、GIS的空間數(shù)據(jù)分類 按照數(shù)據(jù)的幾何特征的分類，GIS中的空間數(shù)據(jù)可以分為以下幾種類型： （1）點：是對0維的空間實體的抽象數(shù)據(jù)，如測量用的三角點、電視塔等。 （2）線：是對1維線性的空間實體的抽象數(shù)據(jù)，如河流、道路等。 （3）面：是對2維平面的空間實體的抽象數(shù)據(jù)，如湖泊、行政區(qū)等。 （4）曲面：是對在面上連續(xù)分布的空間實體的抽象數(shù)據(jù)，常被稱為2.5維數(shù)據(jù)，如地形、氣溫等。 （5）體：是對3維的空間實體的抽象數(shù)據(jù)，如地質(zhì)構(gòu)造、礦產(chǎn)等。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)

10、及其特征,一、GIS的空間數(shù)據(jù)分類 按照數(shù)據(jù)發(fā)布形式，GIS中的空間數(shù)據(jù)可以分為4D數(shù)據(jù)： （1）數(shù)字線畫圖（DLG）數(shù)據(jù)：是現(xiàn)有地形圖要素的矢量數(shù)據(jù)，保存各要素的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息，全面地描述地表目標(biāo)。 （2）數(shù)字柵格圖（DRG）：是現(xiàn)有紙質(zhì)地圖經(jīng)計算機處理后得到的柵格數(shù)據(jù)文件。每一幅地形圖在掃描數(shù)字化后，經(jīng)幾何糾正，并進行內(nèi)容更新和數(shù)據(jù)壓縮處理，即可以得到數(shù)字柵格圖。 （3）數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)：是數(shù)字形式表達(dá)的地形起伏數(shù)據(jù)。 （4）數(shù)字正射影像（DOM）數(shù)據(jù)：是對遙感數(shù)字影像，經(jīng)逐像元進行投影差進行改正、鑲嵌，按國家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字正射投影影像數(shù)據(jù)。,2

11、.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,二、空間數(shù)據(jù)的基本特征 空間數(shù)據(jù)或地理數(shù)據(jù)包括空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù) 空間特征數(shù)據(jù)包括地理實體或現(xiàn)象的定位數(shù)據(jù)和拓?fù)鋽?shù)據(jù) 屬性特征數(shù)據(jù)包括地理實體或現(xiàn)象的專題屬性（名稱、分類、數(shù)量等）數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,二、空間數(shù)據(jù)的基本特征 空間數(shù)據(jù)所傳遞的基本信息為： 定位信息： 屬性信息： 拓?fù)湫畔ⅲ?以一幅交通圖為例(P44圖2-5）,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,三、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系 在地理信息系統(tǒng)中，對于凡具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征的地理要素，例如自然與行政的分區(qū)、各種資源類型的空間分布以及交通網(wǎng)等，都存在結(jié)點、弧段和多邊形之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 拓?fù)?/p>

12、關(guān)系是明確定義空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法，在GIS中，它不但用于空間數(shù)據(jù)的編輯和組織，而且在空間分析和應(yīng)用中都具有非常重要的意義。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,二、空間數(shù)據(jù)的基本特征 空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系包括： （1）拓?fù)溧徑樱褐复嬖谟诳臻g圖形的同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。 （2）拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：指存在于空間圖形的不同元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。 （3）拓?fù)浒褐复嬖谟诳臻g圖形的同類，但不同級的元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。包含關(guān)系分簡單包含、多層包含和等價包含三種形式。 （P45，圖2-7）,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,三、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系 空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，對地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和空間分析，具有重要的意義，

13、因為： （1）根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或距離，可以確定一種地理實體相對于另一種地理實體的空間位置關(guān)系。因為拓?fù)鋽?shù)據(jù)已經(jīng)清楚地反映出地理實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，而且這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較之幾何數(shù)據(jù)有更大的穩(wěn)定性，即它不隨地圖變換而變化。 （2）利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)有利于空間要素的查詢。例如：某區(qū)域與哪些區(qū)域鄰接；某條河流能為哪些政區(qū)的居民提供水源；與某一湖泊鄰接的土地利用類型有哪些；特別是野生生物學(xué)家可能想確定一塊與湖泊相鄰的土地覆蓋區(qū)，用于對生物棲息環(huán)境作出評價等等，都需要利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)。 （3）可以利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)作為工具，重建地理實體。例如：建立封閉多邊形，實現(xiàn)道路的選取，進行最佳路徑的計算等等。,2.2

14、地理空間數(shù)據(jù)及其特征,四、空間數(shù)據(jù)的計算機表示 表示地理實體的空間數(shù)據(jù)包含著空間特征和屬性特征，對具有這些復(fù)雜特征的空間數(shù)據(jù)，如何組織和建立它們之間的聯(lián)系，以便計算機存儲和操作，這稱為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 GIS中空間數(shù)據(jù)計算機表示的基本方法是：（1）空間分幅：即將整個地理空間劃分為許多子空間，再選擇要表達(dá)的子空間；（2）屬性分層：即將要表達(dá)的空間數(shù)據(jù)抽象成不同類型屬性的數(shù)據(jù)層來表示；（3）時間分段：將有時間特征的地理數(shù)據(jù)按其變化規(guī)律分為不同的時間段數(shù)據(jù)，再逐一表示。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,四、空間數(shù)據(jù)的計算機表示 以ARC/INFO基于矢量數(shù)據(jù)模型的系統(tǒng)為例，為了將空間數(shù)據(jù)存入計算機， 首先，

15、按照空間位置將整個區(qū)域劃分為若干個幅面； 其次，從邏輯上將空間數(shù)據(jù)抽象為不同的專題或?qū)?，如土地利用、地形、道路、居民區(qū)、土壤單元、森林分布等，一個專題層包含指定區(qū)域內(nèi)地理要讀的位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)；,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,四、空間數(shù)據(jù)的計算機表示 然后，將一個專題層的地理要素或?qū)嶓w分解為點、線或面狀目標(biāo)，其中地理實體相鄰兩個結(jié)點間的一個弧段是基本的存儲目標(biāo)，每個目標(biāo)的數(shù)據(jù)由定位數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和拓?fù)鋽?shù)據(jù)組成； 最后，對目標(biāo)進行數(shù)字表示，其中對每個弧段或目標(biāo)分配一個用戶標(biāo)識碼，弧段的位置和形狀由一系列x、y坐標(biāo)定義，弧段的拓?fù)潢P(guān)系由始結(jié)點、終結(jié)點、左多邊形和右多邊形四個數(shù)據(jù)項組成，弧段的屬性

16、數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的屬性表中。每個弧段的空間特征和屬性特征通過用戶標(biāo)識碼進行聯(lián)接。,2.2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,四、空間數(shù)據(jù)的計算機表示 空間數(shù)據(jù)的這種表示方法，是以地理實體相鄰兩個結(jié)點間的一個弧段作為基本存儲目標(biāo)，每個弧段都是一個有向弧段，這些有向弧段的集合就構(gòu)成一類真實的實體或現(xiàn)象。計算機存儲了這些有向弧段，因此也就存儲了現(xiàn)實世界的地理實體和圖形。 當(dāng)對存儲的目標(biāo)或數(shù)據(jù)庫進行GIS操作或分析時，同一層數(shù)據(jù)可以按類型提取，重要地理實體如縣以上境界、縣以上境界、縣以上居民地、主要河流、主要交通線等可以按實體提取。同一圖幅的不同圖層的數(shù)據(jù)可以相互疊合，相鄰圖幅的各層數(shù)據(jù)可以拼接和裁切等等。,2.3

17、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計算機存儲、管理、處理的數(shù)據(jù)邏輯表達(dá)。 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種用來表達(dá)空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般分為基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 矢量數(shù)據(jù)是面向地物的結(jié)構(gòu)，即對于每一個具體的目標(biāo)都直接賦有位置和屬性信息以及目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系說明。但是矢量數(shù)據(jù)僅有一些離散點的坐標(biāo)，在空間表達(dá)方面它沒有直接建立位置與地物的關(guān)系，如多邊形的中間區(qū)域是“洞”或“島”，其間的任何一點并沒有與某個地物發(fā)生聯(lián)系。 柵格數(shù)據(jù)是面向位置的結(jié)構(gòu)，平面空間上的任何一點都直接聯(lián)系到某一個或某一類地物。但對于某一個具體的目標(biāo)又沒有直接聚集所有信息，只能通過遍歷柵

18、格矩陣逐一尋找，它也不能完整地建立地物之間的拓?fù)潢P(guān)系。,2.3空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型,一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡稱為矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是利用歐幾里得（Euclid）幾何學(xué)中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為以下幾種主要類型：簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1.簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又稱之為實體式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 在簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間數(shù)據(jù)按照以基本的空間對象（點、線或多邊形）為單元進行單獨組織，不含有拓?fù)潢P(guān)系數(shù)據(jù)，最典型的是面條（Spaghetti）結(jié)構(gòu)。 特點：（1）數(shù)據(jù)按點、線或多邊形為單元進行組織，數(shù)據(jù)編排直

19、觀，數(shù)字化操作簡單；（2）每個多邊形都以閉合線段存儲，多邊形的公共邊界被數(shù)字化兩次和存儲兩次，造成數(shù)據(jù)冗余和不一致；（3）點、線或多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)，互相之間不關(guān)聯(lián)；（4）島只作為一個單一圖形，沒有與外界多邊形的聯(lián)系。,2.拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括DIME（對偶獨立地圖編碼法）、POLYVRT（多邊形轉(zhuǎn)換器）、TIGER（地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)浼桑┑取?特點：（1）數(shù)據(jù)沒有冗余，存儲效率高；（2）所有的領(lǐng)域關(guān)系都能實現(xiàn)；（3）島與多邊形的層次關(guān)系不受限制；（4）后續(xù)的查詢檢索和查詢處理效率高。 點是相互獨立的，點連成線，線構(gòu)成面。 每條線起始于起始節(jié)點（FN），止

20、于終止結(jié)點（TN），并與左右多邊形（LP和RP）相鄰接。 構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段或弧段，兩條以上的弧段相交的點稱為結(jié)點，由一條弧段組成的多邊形為島，多邊形圖中不含島的多邊形稱為簡單多邊形，表示單連通區(qū)域；含島區(qū)的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表示復(fù)連通區(qū)域。,如何建立拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 弧段或鏈段是數(shù)據(jù)組織的基本對象。 1.弧段文件：由弧段記錄組成，每個弧段記錄包括弧段標(biāo)識碼、FN、TN、LP和RP。 2.結(jié)點文件：由結(jié)點記錄組成，包括每個結(jié)點的結(jié)點號、結(jié)點坐標(biāo)及與該結(jié)點連接的弧段標(biāo)識碼等。 3.多邊形文件：由多邊形記錄組成，包括多邊形標(biāo)識碼、組成該多邊形的弧段標(biāo)識碼以及相關(guān)屬性等。 4.弧段坐標(biāo)文件：

21、弧段號與坐標(biāo)串。,2.拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),拓?fù)潢P(guān)系圖示,意義:拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最重要的技術(shù)特征和貢獻(xiàn)是具有拓?fù)渚庉嫻δ堋＿@種拓?fù)渚庉嫻δ?，不但保證數(shù)字化原始數(shù)據(jù)的自動查錯編輯，而且可以自動形成封閉的多邊形邊界，為由各個單獨存儲的弧段組成所需要的各類多邊形及建立空間數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)。 拓?fù)渚庉嫻δ馨ǘ噙呅芜B接編輯和結(jié)點連接編輯。前者指順序連接組成封閉多邊形一組線段的編輯，后者指順序連接環(huán)繞某個結(jié)點所有多邊形的編輯。具體的編輯算法如下：（1）多邊形連接編輯；（2）結(jié)點連接編輯。,2.拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu),3.曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),曲面是指連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，具有這種覆蓋表面的要素有地形、降水量、溫度、磁場等。表示和存儲

22、這些要素的基本要求是必須便于連續(xù)現(xiàn)象在任一點的內(nèi)插計算，因此經(jīng)常采用不規(guī)則三角網(wǎng)來擬合連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，稱為TIN（Triangulated Irregular Network）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 這種基于TIN的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常用于數(shù)字地形的表示，或者按照曲面要素的實測點分布，將它們連成三角網(wǎng)，三角網(wǎng)中的每個三角形要求盡量接近等邊形狀，并保證由最鄰近的點構(gòu)成的三角形，即三角形的邊長之和最小。在所有可能的三角網(wǎng)中，狄洛尼（Delaunay）三角網(wǎng)在地形擬合方面表現(xiàn)最為出色，因此常被用于TIN的生成。 狄洛尼（Delaunay）三角網(wǎng)由三個最鄰近的點連接而成，,矢量數(shù)據(jù)的獲取方式主要有以下幾種,

23、利用各種定位儀器設(shè)備：如GPS、平板測圖儀等成為野外實地測量地圖數(shù)據(jù)的重要工具； 通過紙質(zhì)地圖數(shù)字化得到：通常的數(shù)字化方式有手扶跟蹤數(shù)字化儀和掃描矢量化兩種方式； 間接獲?。嚎梢酝ㄟ^柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來，這種方法在利用遙感數(shù)據(jù)動態(tài)更新地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫時尤為有用（柵格轉(zhuǎn)化）。此外，矢量數(shù)據(jù)還可以利用已有的數(shù)據(jù)通過模型運算得到（空間分析），如疊置分析、緩沖區(qū)分析等，空間模型運算都可以生成新的矢量數(shù)據(jù)。,矢量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立,1、對所有邊界線進行分類，通過自相交或兩兩相交使各邊界線都分割成兩結(jié)點之間的具有單一拓?fù)湫再|(zhì)弧段，建立連接指針，構(gòu)成圖形外邊界 2、檢查該外邊界構(gòu)成的多邊形是否閉合，即應(yīng)保證連接指

24、針的正確； 3、從外邊界連接各弧段構(gòu)成各內(nèi)多邊形，并給以順序編號； 4、按梯形規(guī)則計算各多邊形面積，作為附加屬性記錄； 5、向建立的多邊形連接其屬性數(shù)據(jù)，建立與屬性庫的聯(lián)系。,2.3空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型,二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡稱為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指將分析空間劃分成多個規(guī)則的、互相相鄰的網(wǎng)格單元（多為矩形區(qū)域,也偶有表示為三角形或六邊形的），然后給各個格網(wǎng)單元賦以相應(yīng)空間對象的屬性值，用這多個格網(wǎng)單元組成的規(guī)則格網(wǎng)（GRID）來表示地理現(xiàn)象的空間位置和屬性特征。,2.3空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型,二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 柵格單元：單元格的大小表示柵格數(shù)據(jù)的分辨率，單元格尺寸越小，

25、分辨率越高。 應(yīng)有效地逼近空間對象的分布特征，以保證空間數(shù)據(jù)的精度。顯然，凡是用來逼近的空間實體，不論采用的柵格多細(xì)，與原來實體比較，信息都會丟失，這是由于采用統(tǒng)一的格網(wǎng)尺寸來表示大小不同的復(fù)雜實體所造成的。但是可以根據(jù)最小地物的大小來確定柵格的尺寸，假定某個地物的面積為Ai，則柵格的邊長為： H=1/2(minAi)1/2 i=1,2,3.n(區(qū)域多邊形數(shù))。,1、柵格單元的取值,規(guī)則的網(wǎng)格單元叫做單元格(Cell)，每個單元格都有一定的尺寸和取值，尺寸對應(yīng)一定的地理空間范圍，取值可能表示不同的地物類別或同一類地物的不同屬性； 柵格取值可能表示 某一類地物，如房產(chǎn)圖； 顏色或灰度，如航空相片

26、； 某個相對值，如數(shù)字地面模型。 柵格取值的數(shù)據(jù)類型： 整型：多表示類型 浮點型：表示連續(xù)變化的地理現(xiàn)象 字符：表示類型 邏輯型,2.柵格數(shù)據(jù)模型的坐標(biāo)系統(tǒng),柵格數(shù)據(jù)模型的坐標(biāo)系統(tǒng)：坐標(biāo)系統(tǒng)由單元格尺寸、行列序號和柵格的原點坐標(biāo)所決定，坐標(biāo)軸平行于柵格的行和列； 柵格系統(tǒng)的原點：柵格系統(tǒng)的原點通常選為柵格的左上角；柵格系統(tǒng)的原點坐標(biāo)應(yīng)與國家基本比例尺公里網(wǎng)的交點相一致。 柵格方位：大多采用公里網(wǎng)的縱橫坐標(biāo)軸作為柵格系統(tǒng)的縱橫坐標(biāo)；但也有以經(jīng)緯網(wǎng)來作為柵格方位的參考軸，這樣為柵格系統(tǒng)的隱含位置編碼提供了方便。,3.柵格數(shù)據(jù)表示地理現(xiàn)象的方法(1),（1）表示點：點使用離散分布的單個單元格來表示，

27、單元格的值表示某個地理現(xiàn)象的屬性，不同的值表示不同的地理對象或同一地理現(xiàn)象的不同屬性。,（2）表示線：單條線通過一系列有序相連的具有相同值單元格來表示，不同的值表示不同的地理對象或同一地理現(xiàn)象的不同屬性。,3.柵格數(shù)據(jù)表示地理現(xiàn)象的方法(2),（3）表示多邊形（面）：單個面表示為一簇具有相同值的單元格，不同的值表示不同的地理對象或同一地理現(xiàn)象的不同屬性,3.柵格數(shù)據(jù)表示地理現(xiàn)象的方法(3),4. 柵格賦值方法（1）,中心點法(Centroid Type) ：用處于單元格中心的地物屬性值，決定單元格的取值。主要用于連續(xù)變化的地理現(xiàn)象，即曲面類型地物的取值。,柵格數(shù)據(jù)的輸入，可在地圖上均勻劃分網(wǎng)格

28、，每一單元格中的地物屬性值作為該單元格的屬性值，從而形成柵格數(shù)字文件。單元格的取值方法有：,4. 柵格賦值方法（2）,2.優(yōu)勢類型法(Predominant Type) ： 面積：對于面狀地物，以占單元格面積最大的地物類型決定單元格的取值。適合分類較細(xì)、圖斑較小的情況。 長度：對于線狀地物，以占單元格長度最大的地物類型決定單元格的取值。 3.重要性法(Most Important Type) ：根據(jù)單元格內(nèi)不同地物的重要性，選取最重要的地物來決定單元格的取值，適當(dāng)突出特別重要的地物，這些地物或者其面積較小，或不經(jīng)過單元格的中心，如稀有金屬礦點的表示；,5.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要類型(1),(1)柵

29、格矩陣結(jié)構(gòu)是一種用矩陣來存儲柵格數(shù)據(jù)單元的存儲結(jié)構(gòu)。 由點、線和面組成的矢量數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個88階的矩陣，代表空間分辨率為8行8列的一個柵格數(shù)據(jù)。 如果矩陣的每個元素在計算機里用一個雙字節(jié)的數(shù)值來存儲，則該柵格數(shù)據(jù)所需要的存儲空間為8（行）8（列）2（字節(jié)）=128字節(jié)。 柵格矩陣結(jié)構(gòu)占用存儲空間較大，而且隨著空間分辨率的進一步提高，存儲數(shù)據(jù)量將成幾何級數(shù)遞增。因此，對柵格矩陣的壓縮是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要解決的重要任務(wù)之一。,（2）游程編碼結(jié)構(gòu)： 游程指相鄰?fù)稻W(wǎng)格的數(shù)量，游程編碼結(jié)構(gòu)是逐行將相鄰?fù)档木W(wǎng)格合并，并記錄合并后網(wǎng)格的值及合并網(wǎng)格的長度，其目的是壓縮柵

30、格數(shù)據(jù)量，消除數(shù)據(jù)間的冗余。 游程編碼結(jié)構(gòu)的建立方法是：將柵格矩陣的數(shù)據(jù)序列X1X2X3Xn，映射為相應(yīng)的二元組序列（Ai，Pi），i=1，k，且Kn。其中，A為屬性值，P為游程，K為游程序號。 這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特別適用于二值圖像數(shù)據(jù)的表示。 游程編碼能否壓縮數(shù)據(jù)量，主要取決于柵格數(shù)據(jù)的性質(zhì)，通過數(shù)據(jù)冗余度Re=1-（Q/mn），式中：Q為相鄰屬性值變化次數(shù)的累加和，m為行數(shù)，n為列數(shù)。 當(dāng)Re1/5時，表示柵格數(shù)據(jù)的壓縮可取的明顯的效果。 該壓縮方法是一種無損壓縮。,5.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要類型(2),（3）四叉數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 原理：將空間區(qū)域按照四個象限進行遞歸分割（2n2n，且n1），直到子象限

31、的數(shù)值單調(diào)為止。凡數(shù)值（特征碼或類型值）呈單調(diào)的單元，不論單元大小，均作為最后的存儲單元。這樣，對同一種空間要素，其區(qū)域格網(wǎng)的大小，隨該要素分布特征而不同。,5.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要類型（3）,四叉樹編碼,（3）四叉數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 四叉樹每個結(jié)點通常存儲6個量，4個子結(jié)點指針，一個父結(jié)點指針（根結(jié)點的父指針為空，葉結(jié)點的子指針為空）和一個結(jié)點值，這就是通常說的常規(guī)四叉樹（CQT）。 另一種存儲方法是每個結(jié)點只存儲3個量：地址、深度和結(jié)點值，即稱為線性編碼四叉樹（LQT）。 線性四叉樹比常規(guī)四叉樹節(jié)省存儲空間。,5.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要類型（3）,6.柵格數(shù)據(jù)的特點,用離散的量化柵格值表示空間實體，柵

32、格數(shù)據(jù)表示某一地區(qū)的實體時，實際上是用柵格象元逼近表示，這種描述方法往往是不精確的； 描述區(qū)域?qū)傩悦黠@，定位隱含沒數(shù)據(jù)直接記錄屬性，而定位是根據(jù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中的位置得到，位置則根據(jù)行列號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)； 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易于與遙感結(jié)合，但數(shù)據(jù)量大； 難于建立地物間的拓?fù)潢P(guān)系。,7.柵格數(shù)據(jù)的獲取方式,遙感圖像解譯：遙感是利用航空和航天技術(shù)實時、動態(tài)地獲取地表信息的重要手段，圖像是遙感數(shù)據(jù)的主要表現(xiàn)形式，通過對圖像進行解譯處理，可以得到各種專題信息，如植被覆蓋等； 規(guī)則點采樣、不規(guī)則點采樣及插值：每個柵格點的數(shù)值通過觀測數(shù)值的插值計算得到，常用的內(nèi)插計算有3種方法，即網(wǎng)差值、趨勢面擬合、克里格插

33、值； 從掃描儀、攝像機等設(shè)備獲取數(shù)據(jù)； 通過矢量轉(zhuǎn)柵格運算等方法得到派生的柵格數(shù)據(jù)。,8.柵格數(shù)據(jù)組織方式,8.柵格數(shù)據(jù)組織方式,（a）以像元為記錄序列，不同層上同一像元位置上的各屬性值表示為一個列數(shù)組。N層中只記錄一層的像元位置，節(jié)省大量存儲空間，因為柵格個數(shù)很多。 （b）每層每個像元的位置、屬性一一記錄，結(jié)構(gòu)最簡單，但浪費存儲。 （c）以層為基礎(chǔ)，每層內(nèi)以多邊形為序記錄多邊形的屬性值和多邊形內(nèi)各像元的坐標(biāo)，節(jié)約用于存儲屬性的空間，將同一屬性的制圖單元的n個像元的屬性只記錄一次，便于地圖單元。,矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較,矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇,矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇： 矢量數(shù)據(jù)

34、結(jié)構(gòu)是人們最熟悉的圖形表達(dá)方式，對于線面地圖來說，用矢量數(shù)據(jù)來記錄往往比用柵格數(shù)據(jù)記錄節(jié)省存儲空間； 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于網(wǎng)絡(luò)分析（交通網(wǎng)、供、排水網(wǎng)、煤氣管道、電纜等）； 矢量數(shù)據(jù)表示的數(shù)據(jù)精度高，并易于附加上對制圖物體的屬性； 矢量數(shù)據(jù)只能在矢量式數(shù)據(jù)繪圖機上輸出。,矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇： 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種影像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，適用于遙感圖像的處理； 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與制圖物體的空間分布特征有著簡單、直觀而嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，為應(yīng)用機器視覺提供了可能性； 多邊形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的計算方法中常常采用柵格方案，例如：多邊形周長、面積、總和、平均值的計算等在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中都簡化為簡單的計數(shù)操作。 柵格坐標(biāo)是規(guī)則的，刪除和提取數(shù)據(jù)都可按位置確定窗口來實現(xiàn)，因此比矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方便的多。,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有一定的局限性。 一般來說，大范圍小比例尺的自然資源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)等區(qū)域問題的研究，城市總體規(guī)劃階段的戰(zhàn)略性布局研究等，使用柵格類型比較合適。 城