08矢栅一体化数据结构.ppt

第4章 空间数据结构1主要内容4.1矢量数据结构矢量数据结构4.2栅格数据结构栅格数据结构4.3矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构 4.4镶嵌数据结构镶嵌数据结构4.5栅格与矢量数据的相互转换栅格与矢量数据的相互转换 24.3 矢栅一体化数据结构 34.3 矢栅一体化数据结构 4.3.1 栅格结构与矢量数据结构的比较4.3.2 矢栅一体化数据结构数据结构44.3.1 栅格结构与矢量数据结构的比较1.栅格数据结构p栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。p栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。p栅格数据的编码方法：n n直接直接直接直接栅格编码，就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码；n n压缩压缩压缩压缩编码，包括链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据；n n游程游程游程游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现；n n四叉树四叉树四叉树四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率。52.矢量数据结构矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。矢量结构的显著特点：定位明显，属性隐含。矢量数据的编码方法：p对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息；p对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法n坐标序列法（实体式），是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边 形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息；n树状索引编码法（索引式），是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐标对，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构，消除了相邻多边形边界数据冗余问题；n拓扑结构编码法（链状双重独立式），是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。63.矢量数据结构与栅格数据结构比较7优优点点缺点缺点矢矢量量数数据据结结构构1.数据数据结结构构严严密，冗余度小，数据量小；密，冗余度小，数据量小；2.空空间间拓扑关系清晰，易于网拓扑关系清晰，易于网络络分析；分析；3.面向面向对对象目象目标标的，不的，不仅仅能表达属性能表达属性编编码码，而且能方便地，而且能方便地记录记录每个目每个目标标的具的具体的属性描述信息；体的属性描述信息；4.能能够实现图够实现图形数据的恢复、更新和形数据的恢复、更新和综综合；合；5.图图形形显显示示质质量好、精度高。量好、精度高。1.数据数据结结构构处处理算法复理算法复杂杂2.叠置分析与叠置分析与栅栅格格组组合比合比较难较难；3.数学模数学模拟拟比比较较困困难难；4.空空间间分析技分析技术术上比上比较较复复杂杂，需，需要更复要更复杂杂的的软软、硬件条件；、硬件条件；5.显显示与示与绘图绘图成本比成本比较较高。高。栅栅格格数数据据结结构构1.数据数据结结构构简单简单，易于算法，易于算法实现实现；2.空空间间数据的叠置和数据的叠置和组组合容易，有利于合容易，有利于与遥感数据的匹配与遥感数据的匹配应应用和分析；用和分析；3.各各类类空空间间分析，地理分析，地理现现象模象模拟拟均均较为较为容易；容易；4.输输出方法快速建出方法快速建议议，成本低廉。，成本低廉。1.图图形数据量大，用大像元减小形数据量大，用大像元减小数据量数据量时时，精度和信息量受，精度和信息量受损损失；失；2.难难以建立空以建立空间间网网络连络连接关系；接关系；3.投影投影变变化化实现实现困困难难；4.图图形数据形数据质质量低，地量低，地图输图输出不出不精美。精美。3.矢量数据结构与栅格数据结构比较p矢量数据的优缺点：n优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高n缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。p栅格数据的优缺点：n优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强；n缺点为数据量大，投影转换比较复杂。p两者比较：n栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂；n栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据相同的精度需要更大量的数据相同的精度需要更大量的数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；n矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。84.数据结构选择原则p要素还是位置？p可获取的数据p定位要素的必要精度p需要什么类型的要素p需要什么类型的拓扑关联p所需空间分析类型p生产地图类型95.栅格数据和矢量数据的综合p使用栅格影像作为显示背景e.g.DOQs,DRGs,grapgic files p二值扫描文件可以作为数字化线或多边性要素的输入数据p数字高程模型用作提取等高线p卫星影像在数据综合中发挥着重要作用p矢量数据作为处理卫星影像的辅助信息104.3.2 矢栅一体化数据结构1基本概念基本概念p将矢量面向对象的方法和栅格像元充填的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。n线状地物：除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格。n面状地物：除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。p一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；p另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系。p从原理上说，这是一种以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构。p其理论基础是：多级格网方法、三个基本约定和线性四叉树编码。112 三个约定p为便于组织数据，首先作如下约定：a.地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。b.地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。c.地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成。123.细分格网法p由于一体化数据结构是基于栅格的，表达目标的精度必然受栅格尺寸的限制。可利用细分格网法提高点、线（包括面状地物边界）数据的表达精度，使一体化数据结构的精度达到或接近矢量表达精度。p基本格网和细格网均采用十进制线性四叉树编码，亦即将一对X,Y坐标用两个Morton码代替。前一M1表示该点（采样点或附加的交叉点）所在基本格网的地址码，后者M2表示该点对应的细分格网的Morton码。例如X=210.00，Y=172.32，可转换为M1=275,M2=2690。p这种方法可将栅格数据的表达精度提高256倍，而存贮量仅在有点、线通过的格网上增加两个字节（当细分为1616格网时，存贮量仅增加一个字节，精度提高16倍）。13x,yM1M24.一体化数据结构设计p线性四叉树(Morton)是基本数据格式，三个约定设计点、线、面数据结构的基本依据，细分格网法保证足够精度。（1）点状地物和结点的数据结构约定1：点仅有位置、没有形状和面积，只要将点的坐标转化为地址码M1和M2,结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。14点标识号点标识号M1M2高程高程Z10025434084432100261057725463（2）线状地物的数据结构p约定2，线状地物有形状但没有面积，没有面积意味着只要用一串数据表达每个线状地物的路径即可，将该线状地物经过的所有栅格的地址全部记录下来。仿照矢量数据组织的链状双重独立式编码，以弧段为记录单位。p弧段的数据结构:p线状地物的数据结构:15弧标识号弧标识号起结点号起结点号终结点号终结点号中间点串（中间点串（M1,M2,Z）20078100251002658,7749,435,92,4377,439线标识号线标识号弧段标识号弧段标识号3003120078，200793003220092，20098，20099（3）面状地物的数据结构1)弧段文件边界弧段-形状2)带指针的四叉树二维行程码-面域p叶结点的属性值改为指向该地物的下一个子块的循环指针p循环指针指向该地物下一个子块的地址码，并在最后指向该地物本身16二维行程二维行程M码码属性值属性值005480164308314320378400448460478二维行程二维行程M码码循环指针属性值循环指针属性值0851683216313037314（属性值）（属性值）3240374440464447460（属性值）（属性值）478（属性值）（属性值）用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来p只要进入第一块就可以顺着指针直接提取该地物的所有子块，从而避免像栅格数据那样为查询某一个目标需遍历整个矩阵，大大提高了查询速度1708324046二维行程二维行程M码码循环指针属性值循环指针属性值0851683216313037314（属性值）（属性值）3240374440464447460（属性值）（属性值）478（属性值）（属性值）3）面文件p这种数据结构是面向地物的，具有矢量的特点。通过面状地物的标识号可以找到它的边界弧段并顺着指针提取所有的中间面块。p同时它又具有栅格的全部特性，二维行程本身就是面向位置的结构，带指针的二维行程码中的Morton码表达了位置的相互关系，前后M码之差隐含了该子块的大小。p给出任意一点的位置都可顺着指针找到面状地物的标识号确定是哪一个地物。18面标识号面标识号弧标识号串弧标识号串面块头指针面块头指针4000140001（属性值为（属性值为0 0）2000120001，2000220002，20003200030 04000240002（属性值为（属性值为4 4）2000220002，200042000416164000340003（属性值为（属性值为8 8）200020003737（4）复杂地物的数据结构p由几个或几种点、线、面状简单地物组成的地物称为复杂地物。例如将一条公路上的中心线、交通灯、立交桥等组合为一个复杂地物，用一个标识号表示。复杂地物的数据结构如表所示。19复杂地物标识号复杂地物标识号简单地物标识号简单地物标识号50008500081002510025，3000530005，300253002550009500093000630006，3000730007，4003240032 4.4镶嵌数据结构镶嵌数据结构 pTIN数据结构数据结构p在数据结构上，TIN可以采用类似于多边形的矢量拓扑结构，但不必要描述一般多边形中的“岛屿”或“洞”的拓扑关系。p以三角形作为基本的空间对象进行数据组织时需要两个文件：（1）点文件：每个点对应一个记录，给出该点的x,y坐标，以及属性值；（2）三角形拓扑文件：组织三角形与样点以及三角形与相邻三角形的邻接关系，每个记录依顺时针方向列出三个顶点号及三个相邻的三角形号，其中相邻三角形的顺序按每个顶点对边给定的邻接三角形。p这种数据结构能够很好地描述了三角形及其邻接关系，非常适合于需要面相邻关系的操作和分析。20不规则三角网21X-Y Coordinatesnode#coordinates12311.x1,y1x2,y2x3,y3.x11,y11Z Coordinatesnode#z_value12311.z1.z2z3z111236587911104ABCDEFGHIJKLMNEDGESadjacentABCDEFGHIJKLMNB,KA,C,LB,DC,E,LD,FE,GF,H,MG,IH,J,NI,KA,J,NB,D,MG,L,NI,K,MNODESnode#ABCDEFGHIJKLMN1,6,71,7,81,2,82,8,92,3,93,4,94,9,104,5,105,10,115,6,116,7,117,8,97,9,107,10,11不规则三角网22以三角形为基本对象的TIN数据结构 23点IDxy属性1x1y1z12x2y2z27x7y7z7三角形ID三角形顶点邻接三角形123123126236765点文件结构 三角形拓扑文件结构 13457628I4VIIIIVVIII