新編地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)知識市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

1、第二章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第一節(jié) 簡單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第二節(jié) 拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第三節(jié) 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第四節(jié) 柵格模型和矢量模型比較與轉(zhuǎn)換第1頁描述地球表面及近地空間實體位置、形狀、屬性和時序特征數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)2.1 簡單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指空間數(shù)據(jù)適合于計算機存放、管理、處理邏輯結(jié)構(gòu)。第2頁2.1 簡單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是經(jīng)過坐標(biāo)值來準(zhǔn)確表示點、線、面等地理實體。矢量數(shù)據(jù)模型 第3頁 簡單矢量數(shù)據(jù)表示法地圖矢量數(shù)據(jù)表示法最基本要素是坐標(biāo)點，最慣用是二維笛卡兒平面直角坐標(biāo)系，這和平面解析幾何對物體描述十分相同。第4頁Example: Vector data第5頁簡單線 ： 用一串有次

2、序坐標(biāo)表示。曲 線 ： 精度要求高曲線可用多條很短直線來擬合，也可用圓弧或更復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)和直線混合起來表示。點表示 ： 由一對坐標(biāo)(x，y)表示，沒有形狀也沒有大小。（1）簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第6頁點表示 第7頁線表示 第8頁面 是由線圍起來封閉不規(guī)則多邊形。 注意：實際使用時也要受存放量限制 如小百分比尺地圖數(shù)據(jù)庫中河流不能表示出實際寬度改變；大百分比尺地圖數(shù)據(jù)庫中房屋邊界，也往往略去一些小轉(zhuǎn)折。面表示第9頁3第10頁在矢量型GIS軟件中，定義多邊形比定義點、線要復(fù)雜。 早期GIS軟件或計算機地圖制圖系統(tǒng)常把多邊形邊界看作是線簡單閉合這種方法可稱為“環(huán)”狀多邊形編碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(spaghetti c

3、oding) 第11頁第一個多邊形第12頁優(yōu)點 這種結(jié)構(gòu)比較簡單。缺點 不能表示邊界和多邊形之間關(guān)系，以及相鄰多邊形之間關(guān)系，而且公共邊界要定義兩遍，制圖時輕易產(chǎn)生重復(fù)繪制問題，且數(shù)據(jù)冗余度較大?！碍h(huán)”狀多邊形編碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第13頁改進后“環(huán)”狀多邊形編碼降低了數(shù)據(jù)冗余第14頁當(dāng)前GIS領(lǐng)域中，拓撲結(jié)構(gòu)是得到最廣泛應(yīng)用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它借助了數(shù)學(xué)中拓撲學(xué)原理來描述空間事物。 2.3拓撲型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第15頁是研究圖形在拓撲改變下不變性質(zhì)一門科學(xué)，為空間點、線、面之間包含、覆蓋、相離和相接等空間關(guān)系描述提供直接理論依據(jù)。拓撲學(xué)基礎(chǔ)（補）拓撲學(xué)第16頁 在地理信息系統(tǒng)中，對于凡含有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征地理要素，

4、都存在結(jié)點、弧段和多邊形之間拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲結(jié)構(gòu) 是明確定義空間結(jié)構(gòu)關(guān)系一個數(shù)學(xué)方法。在地理信息系統(tǒng)中，它不但用于空間數(shù)據(jù)編輯和組織，而且在空間分析和應(yīng)用中都含有非常主要意義。第17頁空間數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系圖2-2-2 空間數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系拓撲鄰接拓撲關(guān)聯(lián)拓撲包含第18頁（1）拓撲鄰接 指存在于空間圖形同類元素 之間拓撲關(guān)系。比如結(jié)點鄰接關(guān)系N1/N4, N1/N2,；多邊形鄰接關(guān)系P1/ P3, P2/ P3, ?？臻g數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系第19頁指存在于空間圖形不一樣元素之間拓撲關(guān)系，比如結(jié)點與弧段關(guān)聯(lián)關(guān)系N1/C1、C3、C6；N2/ C1、C2、C5, ；多邊形與弧段關(guān)聯(lián)關(guān)系P1/C1、C5、C6； P2/

5、C2、C4、C5、C7， 。（2）拓撲關(guān)聯(lián)第20頁 指存在于空間圖形同類，但不一樣級元素之間拓撲關(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（3）拓撲包含設(shè)ID表示當(dāng)前多邊形IW表示等價包含IP表示ID為島（IP0）非島（ IP =0 ）第21頁非島非島島第22頁圖2-2-3 拓撲包含關(guān)系幾個形式 設(shè)ID表示當(dāng)前多邊形，IW表示等價包含，IP表示ID為島（IP0）或非島（IP =0 ），則包含關(guān)系形式如圖所表示。第23頁 假如要將結(jié)點、弧段和多邊形之間拓撲結(jié)構(gòu)表示出來，能夠形成四個關(guān)系表，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所表示。第24頁第25頁第26頁第27頁拓撲包含關(guān)系應(yīng)用第

6、28頁第29頁第30頁第31頁第32頁拓撲屬性 拓撲關(guān)系/拓撲屬性 一個點在一個弧段端點 一個弧段是一個簡單弧段（弧段本身不相交） 一個點在一個區(qū)域邊界上 一個點在一個區(qū)域內(nèi)部 拓撲關(guān)系（拓撲屬性）：描述了兩個對象之間關(guān)系（Topological Relation）。 第33頁非拓撲屬性 兩點之間距離一個點指向另一個點方向 弧段長度一個區(qū)域周長 一個區(qū)域面積 第34頁拓撲空間關(guān)系識別 在地理信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)含有屬性特征、空間特征和時間特征，基本數(shù)據(jù)類型包含屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)和空間關(guān)系數(shù)據(jù)。第35頁第36頁空間數(shù)據(jù)采取拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)意義 (1) 依據(jù)拓撲關(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或距離，能夠確定一個

7、地理實體相對于另一個地理實體空間位置關(guān)系。(2) 利用拓撲數(shù)據(jù)有利于空間要素查詢。(3) 能夠利用拓撲數(shù)據(jù)作為工具，重建地理實體。第37頁 (1)描述點、線、面空間關(guān)系不完全依賴于詳細坐標(biāo)位置。(2)用拓撲表所表示空間關(guān)系信息豐富、簡練。拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)點 (3)便于作多邊形和多邊形疊合。 (4)便于檢驗數(shù)據(jù)輸入過程中錯誤。第38頁A.拓撲關(guān)系建立比較復(fù)雜。B.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身比較復(fù)雜。 拓撲結(jié)構(gòu)缺點第39頁2.4 柵格 (Raster)/網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以規(guī)則像元陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其陣列中每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象屬性特征。2.4.1 概念 p85第40頁興國瀲水河流域土壤全氮含量第41

8、頁柵格數(shù)據(jù)模型使用方法舉例 柵格數(shù)據(jù)模型 基于連續(xù)鋪蓋，將連續(xù)空間離散化，即用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個連續(xù)空間。三角形、方格和六角形劃分第42頁柵格數(shù)據(jù)模型第43頁網(wǎng)格基本單元通常是固定大小正方形空間事物就按其在網(wǎng)格中什么行、什么列、取什么值來表示?；締卧笮〈砹藮鸥裥偷貓D(空間)數(shù)據(jù)庫分辨率。Y：列X：行格網(wǎng)分辨率第44頁點線面對于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點：為一個像元線：在一定方向上連接成串相鄰像元集合。面：聚集在一起相鄰像元集合。第45頁第46頁復(fù)雜第47頁圖2-4-5 柵格數(shù)據(jù)迫近土地利用圖第48頁 可在專題地圖上均勻地劃分網(wǎng)格(相當(dāng)于將一透明方格紙覆蓋在地圖上)，每一單位格子覆蓋部分屬性數(shù)據(jù)便

9、成為圖中各點值，最終形成柵格數(shù)字地圖文件。2.4.2柵格數(shù)據(jù)獲取 普通地圖是用點、線、面來表示空間事物，在柵格型數(shù)字化地圖中，點在網(wǎng)格中占據(jù)一個基本單元，線由一系列單元聯(lián)結(jié)成鋸齒狀折線，面邊界也是鋸齒狀。第49頁 在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，點實體表示為一個像元；線實體則表示為在一定方向上連接成串相鄰像元集合；面實體由聚集在一起相鄰像元結(jié)合表示。2.4.3 柵格數(shù)據(jù)優(yōu)缺點柵格數(shù)據(jù)優(yōu)點這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很適累計算機處理。因為行列像元陣列非常輕易存放、維護和顯示。第50頁用柵格數(shù)據(jù)表示地表是不連續(xù)，是量化和近似離散數(shù)據(jù)，是地表一定面積內(nèi)(像元地面分辨率范圍內(nèi))地理數(shù)據(jù)近似性，如平均值、主成份值或按某種規(guī)則在像元內(nèi)

10、提取值等。柵格數(shù)據(jù)百分比尺就是柵格大小與地表對應(yīng)單元大小之比。像元大小相對于所表示面積較大時，對長度、面積等度量有較大影響，這種影響還與計算長度、面積方法相關(guān)。柵格數(shù)據(jù)缺點第51頁 從直觀角度，能夠看出伴隨基本單元縮小，像素分辨率提升，取值相同單元就顯著地成團成簇地分布在網(wǎng)格中如圖所表示：2.4.4 壓縮柵格數(shù)據(jù)存貯量編碼方式第52頁假如地物在空間上分布均質(zhì)性很好，即當(dāng)基本單元縮小時，一個多邊形僅在邊界上變得愈加準(zhǔn)確，內(nèi)部不出現(xiàn)其它點、線、面，那么就可利用單元取值成團成簇特點來降低數(shù)據(jù)儲存量，即所謂數(shù)據(jù)壓縮方法，以緩解儲存量和分辨率之間矛盾。第53頁慣用壓縮方法游程長度編碼/行程編碼法四分樹結(jié)

11、構(gòu)法第54頁(1)游程長度編碼點號行號列號第55頁 也稱四叉樹。先把地圖看成是一個正方形單元如圖所表示（這是個簡單例子，在實際使用中，一幅地圖上總有很多多邊形 ）(2) 四分樹法第56頁假如該單元內(nèi)有不一樣性質(zhì)多邊形，則將單元分成四個大小相同二級單元，然后再分別判斷這四個二級單元中是否還有不一樣性質(zhì)多邊形注意若其中某個二級單元中有不一樣性質(zhì)多邊形，則再劃分成四個大小相同三級單元 這種逐層一分為四方法，一直分到預(yù)定最高分辨率為止。第57頁第58頁第59頁2.5柵格模型和矢量模型比較與轉(zhuǎn)換矢量模型柵格模型優(yōu)點優(yōu)點1數(shù)據(jù)存放量小1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單2空間位置精度高2各種地圖疊合分析方便3空間關(guān)系描述方便3

12、輕易描述邊界復(fù)雜事物 4查詢與更新方便4能直接處理數(shù)字圖像信息5普通地圖可直接手工數(shù)字化5能直接用柵格狀設(shè)備輸出圖形缺點缺點1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜1數(shù)據(jù)儲存量大2各種地圖疊合分析較困難2空間位置精度低3邊界復(fù)雜事物難以描述3難以表示線狀、網(wǎng)絡(luò)狀事物4不能直接處理數(shù)字圖像信息4輸出地圖不美觀2.5.1 比較第60頁2.5.2轉(zhuǎn)換 (P71-75)(1)矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 選擇單元大小和形狀；將點和線實體角點笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到預(yù)定分辨率和已知位置矩陣中；利用單根掃描線（沿行或列）或一組相連接掃描線去測試線性要素與單元邊界交叉點，并統(tǒng)計穿過交叉點柵格單元個數(shù)；測試多邊形時，先測試角點，再對剩下線段進行二次

13、掃描，抵達邊界位置時，統(tǒng)計其位置與屬性值。第61頁點變換 (1) 矢量數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換第62頁矢量線段變換(1) 矢量數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換第63頁多邊形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 (邊界代數(shù)算法、內(nèi)部點擴散法、射線算法）(1) 矢量數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換第64頁(2)柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 拓撲轉(zhuǎn)換保持柵格表示連通性與鄰接性；轉(zhuǎn)換物體正確外形點 某個單元值與周圍不一樣，代表點；線 含有相同屬性值連續(xù)單元格，將其搜索出來并細化處理，成為一條線；面 將全部單元編碼，將含有同一屬性單元歸為一類，再檢測兩類不一樣屬性邊界作為多邊形一條邊。第65頁二值化 (2)柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 第66頁細化（剝皮法、骨架法）(2)柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 第67頁