Chp4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

地理信息系統(tǒng)電子教案任課教師：姚曉軍電子郵箱：yaoxj_nwnu@163.com西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院本章內(nèi)容1.矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3.曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指對空間邏輯數(shù)據(jù)模型描述的數(shù)據(jù)組織關(guān)系和編排方式。ABM1AB概念模型邏輯模型編碼建立關(guān)系物理模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡稱為矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一種利用歐幾里德幾何學(xué)中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的數(shù)據(jù)組織方式。類型實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明在實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間數(shù)據(jù)按照基本的空間對象（點、線或多邊形）為單元進行單獨組織，其中不包含拓?fù)潢P(guān)系信息。典型Spaghetti結(jié)構(gòu)應(yīng)用ArcView的Shape文件MapInfo的Tab文件矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點數(shù)據(jù)按點、線或多邊形為單元進行組織，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直觀簡單。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，容易造成數(shù)據(jù)冗余和產(chǎn)生不一致。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點點、線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)，彼此不關(guān)聯(lián)。島或洞只作為一個單個圖形，沒有建立與外界多邊形的聯(lián)系。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指具有拓?fù)潢P(guān)系的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類型索引式結(jié)構(gòu)雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)鏈狀雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本概念弧段構(gòu)成多邊形的邊稱為弧段。節(jié)點兩條弧段相交的點為節(jié)點。島（洞）由一條弧段組成的多邊形稱為島（或洞）。簡單多邊形不含島的多邊形稱為簡單多邊形。復(fù)合多邊形含島的多邊形稱為復(fù)合多邊形。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)索引式結(jié)構(gòu)索引式結(jié)構(gòu)采用樹狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息。具體方法是對所有邊界點進行數(shù)字化，將坐標(biāo)對以順序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結(jié)構(gòu)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點ID坐標(biāo)1x1,y1…………點坐標(biāo)文件線段ID組成的點IDa1,2,3,4,5…………線段文件多邊形ID組成的線段IDAa,b,c…………多邊形文件矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)美國人口統(tǒng)計系統(tǒng)采用的一種編碼方式，簡稱DIME（DualIndependentMapEncoding）編碼系統(tǒng)，它是以城市街道為編碼主體，它的特點是采用了拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最適合于城市信息系統(tǒng)。雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)是對圖上網(wǎng)狀或面狀要素的任何一條線段，用順序的點定義以及相鄰多邊形來予以定義。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)12345678910abcdefghijkl111213mnoABCDQ點ID坐標(biāo)1x1,y1…………點坐標(biāo)文件線段ID起點終點左多邊形右多邊形a16QA…………線段文件多邊形ID組成的線段IDAa,b,c,d,e…………多邊形文件矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈狀雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)鏈狀雙重獨立編碼結(jié)構(gòu)是DIME數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種改進。應(yīng)用：ArcGIS的Coverage文件矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點ID坐標(biāo)1x1,y1…………點坐標(biāo)文件弧段ID起始點終結(jié)點左多邊形右多邊形a15AΦ…………弧段文件弧段ID點IDA1,2,3,4,5…………弧段點文件多邊形ID弧段ID面積周長……Aa,b,c,d,e…………………………………………多邊形文件柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，稱為柵格單元，在各個柵格單元上給出相應(yīng)的屬性值來表示地理實體的一種數(shù)據(jù)組織形式。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織方式在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，點用一個柵格單元表示。線用一串有序的相互連接的單元網(wǎng)格表示，各個網(wǎng)格的值相同。多邊形由聚集在一起的相互連接的單元網(wǎng)格組成，區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)格值相同，但與外部網(wǎng)格的值不同。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)0000000000000000000000000002000000000000000000000000000000000000點狀地物的表示柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線狀地物的表示0000000000060000000606000000606000000060000000600000000600000000柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面狀地物的表示0447777744444777444488770048887700888878000888880000888800000888柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格單元大小柵格單元大小又稱柵格單元的尺寸，即分辨率。合理的柵格單元尺寸應(yīng)能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，通常以保證最小圖斑不丟失為原則來確定合理的柵格尺寸。設(shè)研究區(qū)域某要素的最小圖斑面積為S，柵格單元的邊長L用如下公式計算：柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格單元值的選取中心點法用位于柵格中心處的地物類型作為柵格屬性值。面積占優(yōu)法以占矩形區(qū)域面積最大的地物類型作為柵格單元的代碼。重要性法根據(jù)柵格內(nèi)不用地物的重要性，選取最重要的地物類型作為相應(yīng)的柵格單元代碼。百分比法根據(jù)矩形區(qū)域內(nèi)各地理要素所占面積的百分比數(shù)確定柵格單元的取值。HowPolygonToRaster(Conversion)worksCELL_CENTERMETHODMAXIMUM_AREAMETHODMAXIMUM_COMBINED_AREAMETHOD柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)壓縮柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈碼結(jié)構(gòu)游程編碼結(jié)構(gòu)四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)影像金字塔結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄柵格單元的值。記錄方法每行都從左到右逐個像元記錄奇數(shù)行從左到右而偶數(shù)行從右向左記錄按其他特殊順序記錄柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Morton碼計算方法將行號和列號的轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)；兩個二進制數(shù)兩兩交叉，得到新的二進制數(shù)；將新二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。例如第二行第三列對應(yīng)的柵格單元，其二進制行號分別為0010（行）、0011（列），則其莫頓碼為（00001101）2=（13）10柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)存儲方式BSQ（Bandsequential）將圖像同一波段的數(shù)據(jù)逐行存儲下來，再以相同方式存儲下一波段的數(shù)據(jù)。BIP（Bandinterleavedbypixel）按順序存儲所有波段的第一個像素，接著是所有波段的第二個像素，交叉存儲所有像素。BIL（Bandinterleavedbyline）先存儲第一個波段的第一行，接著是第二個波段的第一行，交叉存儲直到所有波段都存儲為止。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全柵格數(shù)據(jù)編碼柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算柵格數(shù)據(jù)的大小如果矩陣的每個元素用一個雙字節(jié)表示，則一個圖層的全柵格數(shù)據(jù)所需要的存儲空間為：m（行）×n（列）×2（字節(jié)）深入理解在完全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，隨著空間分辨率的提高，存儲數(shù)據(jù)量將成幾何級數(shù)遞增。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——鏈碼結(jié)構(gòu)鏈碼又稱為弗里曼鏈碼（Freeman）或邊界鏈碼，它由某一起始點和在某些基本方向上的單位矢量鏈組成?；痉较蛴袞|、東南、南、西南、西、西北、北、東北等8個，分別用0，1，2，3，4，5，6，7表示，即可按順時針也可按逆時針表示。編碼的前兩位為地物的起點坐標(biāo)。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——鏈碼結(jié)構(gòu)01234576柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——鏈碼結(jié)構(gòu)編碼過程起始點的尋找一般遵從從上到下、從左到右的原則。當(dāng)發(fā)現(xiàn)沒有記錄過的點，而且數(shù)值不為零時，就是一條線或邊界線的起點。記下該地物的特征碼及起點的行列數(shù)；然后按順時針方向?qū)ほE，找到相鄰的等值點，并按8個方向編碼。如遇不能閉合的線段，結(jié)束后可以返回到起始點再開始尋找下一個線段。已經(jīng)記錄過的柵格單元，可將屬性代碼置為零，以免重復(fù)編碼。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——鏈碼結(jié)構(gòu)優(yōu)點鏈碼可以有效地壓縮柵格數(shù)據(jù)，而且對于估算面積、長度、轉(zhuǎn)折方向的凹凸度等運輸十分方便，比較適合于存儲圖形數(shù)據(jù)。缺點對邊界進行合并和插入等修改編輯工作比較困難，對局部的修改將改變整體結(jié)構(gòu)，效率較低，而且由于鏈碼以每個區(qū)域為單位存儲邊界，相鄰區(qū)域的邊界將被重復(fù)存儲而產(chǎn)生冗余。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——游程編碼結(jié)構(gòu)游程游程是指柵格矩陣一行內(nèi)相鄰?fù)禆鸥竦臄?shù)量，也稱為行程（run-length）。游程編碼結(jié)構(gòu)游程編碼結(jié)構(gòu)是逐行將相鄰?fù)档臇鸥窈喜ⅲ涗浐喜⒑髺鸥竦闹导昂喜鸥竦臄?shù)量（即游程），其目的是壓縮柵格數(shù)據(jù)量，消除數(shù)據(jù)間的冗余。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——游程編碼結(jié)構(gòu)編碼方法將柵格數(shù)據(jù)的一行數(shù)據(jù)序列X1X2…Xn，映射為相應(yīng)的二元組序列（Ai,Pi），i=1,…,K，且K≤n。其中Ai為屬性值，Pi為游程，i為游程序號。數(shù)據(jù)冗余度其中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)Re的值大于1/5時，表示柵格數(shù)據(jù)的壓縮可取得明顯效果。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——游程編碼結(jié)構(gòu)Gridsusearun-lengthrastercompressionschemethatisadaptiveattheblocklevel.Eachblockistestedtodeterminethedepth(bitspercell)tobeusedfortheblockandtodeterminewhichstoragetechnique(cellbycellorrunlengthcoded)ismoreefficient.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——四叉樹數(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n次，每次分割形成2n×2n個子象限，直到子象限中的屬性數(shù)值都相同為止，該子象限就不再分割。凡屬性值都相同的子象限，不論大小，均作為最后的存儲單元。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成方法自上而下方式先檢測全區(qū)域，其值不相同時即四叉分割，直到最小柵格都相同為止。自下而上方式按照莫頓（Morton）碼順序掃描柵格單元，先檢測前4個單元，若這4個單元值相同，則合并；反之作為4個葉節(jié)點記錄。然后是后4個單元，依此逐層向上，直到最后生成根節(jié)點。存儲方法常規(guī)四叉樹線性四叉樹柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用四叉樹編碼時，為了保證四叉樹分解能夠不斷地進行下去，要求圖像必須為2n*2n的柵格陣列。對于非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的圖像需首先增加背景的方法將圖像擴充為2n*2n的圖像。由于四叉樹編碼能夠自動地依照圖形變化而調(diào)整象限尺寸，即具有可變的分辨率，并且有區(qū)域性質(zhì)，因此它具有極高的壓縮效率。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——影像金字塔結(jié)構(gòu)概念影像金字塔是指在統(tǒng)一的空間參照下，根據(jù)用戶需要以不同分辨率進行存儲與顯示，形成分辨率由粗到細(xì)、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)。深入理解影像金字塔結(jié)構(gòu)用于圖像編碼和漸進式圖像傳輸，是一種典型的分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，適合于柵格數(shù)據(jù)的多分辨率組織，是一種有損壓縮方式。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較位置明顯，屬性隱含屬性明顯，位置隱含柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易于算法實現(xiàn)；空間數(shù)據(jù)的疊置和組合容易，有利于與遙感數(shù)據(jù)的匹配應(yīng)用和分析；各類空間分析、地理現(xiàn)象模擬均較為容易；輸出方法快速簡便、成本低廉。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺點圖形數(shù)據(jù)量大，用大像元減小數(shù)據(jù)量時，精度和信息量受損失；難以建立空間網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系；投影變換實現(xiàn)困難；圖形數(shù)據(jù)質(zhì)量低，地圖輸出不精美。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，冗余度小，數(shù)據(jù)量?。豢臻g拓?fù)潢P(guān)系清晰，易于網(wǎng)絡(luò)分析；能夠?qū)崿F(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的恢復(fù)、更新和綜合；圖形顯示質(zhì)量好、精度高。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理算法復(fù)雜；疊置分析與柵格圖組合比較難；數(shù)學(xué)模擬比較困難；空間分析技術(shù)上比較復(fù)雜，需要更復(fù)雜的軟、硬件條件；顯示與繪圖成本比較高。曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面曲面是指連續(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、溫度和磁場等。曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TIN（TriangularIrregularNetwork）TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）是將離散分布的實測數(shù)據(jù)點連成三角網(wǎng)，網(wǎng)中的每個三角形要求盡量接近等邊形狀，并保證由最近鄰的點構(gòu)成三角形，即三角形的邊長之和最小。NodeEdgeTriangleHull曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)某區(qū)域地形等高線曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)某區(qū)域柵格DEM曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)某區(qū)域DEM(TIN)曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TIN在所有可能的三角網(wǎng)中，Delaunay三角網(wǎng)最常用。Delaunay三角網(wǎng)是一種滿足最大空圓準(zhǔn)則的三角網(wǎng)，即任一三角形的外接圓內(nèi)不包含其他樣點?！獭燎鏀?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TIN優(yōu)點三角形大小隨樣點密度的變化而自動變化，即分辨率可變，可以有效的消除數(shù)據(jù)冗余。組織形式點文件：每個樣點對應(yīng)一個記錄，給出該點的x,y坐標(biāo)，以及屬性值三角形拓?fù)湮募航M織三角形與樣點以及三角形與相鄰三角形的鄰接關(guān)系，每個記錄依順時針方向列出三個頂點號及三個相鄰的三角形號，其中相鄰三角形的順序按按每個頂點對邊給定的三角形列出。空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立概念空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立是指根據(jù)確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，形成與該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的GIS空間數(shù)據(jù)，為空間數(shù)據(jù)庫的建立提供物質(zhì)基礎(chǔ)?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)間的關(guān)系現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模式的一個重要特征是數(shù)據(jù)與功能之間具有密切的聯(lián)系。通常每一類數(shù)據(jù)都包含一系列數(shù)據(jù)實體，而每種數(shù)據(jù)實體由許多數(shù)據(jù)項組成，確定這些類型的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的功能所決定的?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)的分類概念空間數(shù)據(jù)的分類是指根據(jù)系統(tǒng)功能及國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將具有不同屬性或特征的要素區(qū)別開來的過程，以便從邏輯上將空間數(shù)據(jù)組織為不同的信息層，為數(shù)據(jù)采集、存儲、管理、查詢和共享提供依據(jù)。原則圖形原則對象原則空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)的分類我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分類測量控制點水系居民地交通管線與垣柵境界地形與土質(zhì)植被空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)的編碼概念空間數(shù)據(jù)的編碼，是指將數(shù)據(jù)分類的結(jié)果，用一種易于被計算機和人識別的符號系統(tǒng)表示出來的過程。結(jié)果編碼的結(jié)果是形成代碼，代碼由數(shù)字或字符組成，或由它們共同組成混合碼。目的用來提供空間數(shù)據(jù)的地理分類和特征描述，同時為了便于地理要素的輸入、存儲、管理，以及系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換和共享的需要?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)的編碼國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的分類代碼由六位數(shù)字碼組成，其結(jié)構(gòu)如下：空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立編碼要素名稱10000測量控制點11000平面控制點12000高程控制點13000其它控制點20000水系21000河流22000運河、渠道23000湖泊24000水利設(shè)施25000其它水系要素26000海洋要素27000水系附屬說明編碼要素名稱30000居民地31000居民地行政等級32000居民地建筑物40000