教育学空间数据结构.pptx

第第 2章章 GIS数据结构与数据采集数据结构与数据采集第一节 地理空间及其表达 一、地理空间 地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。但一般地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。地球表面类型二、二、地图投影与坐标系统地图投影与坐标系统 地球是个球体，是不可展的曲面，使用很不方便，解决的方法是投影。投影指的是在两个点集之间建立一一映射关系。因为地球是一个不规则的球体，将地球表面的地理坐标按一定的数学法则转换为平面坐标的过程称为地图投影地图投影。空间信息系统不能仅依靠地理坐标，必须要有平面坐标，地图投影对空间信息系统来说是不可缺少的。bca主要的地球椭球体参数：p39bcaX=f1(B,L)Y=f2(B,L）地图投影类型地图投影变形变形基本类型：长度变形 面积变形 角度变形常用地图投影-高斯-克吕格投影高斯投影分带我国地图投影基本规定1：1万1：50万比例尺地形图均采用高斯投影。1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万二、空间实体的表达1、空间实体的抽象与表达：点实体 线实体 多边形实体2、空间实体表达的两种模式：对象模型 场模型空间数据的数据模型对象模型场模型对象模型对象模型 对象模型把空间物体划分为离散的对象，用边界线以表示对象范围。对象模型适合用来表达离散的地物。场模型场模型 场在物理学上是指一种物体实施影响的范围。如磁场、电场。场在空间上是一个连续的范围，没有明显的边界。场模型用来表达连续的物体。在计算机上通常用点阵来表示。地形分布、气温分布、空气污染物分布等均属于场模型。场模型适合用来表达连续分布的地物。场模型适合用来表达连续分布的地物。第第2节节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、GIS空间数据分类 （一）按数据来源分类地图数据影像数据文本数据（二）按结构分类：矢量数据 栅格数据（三）按数据功能特征分类空间定位数据非空间数据（属性数据）（四）按几何特性分类 点、线、面、曲面、立体面、曲面、立体面：二维空间上的多边形。曲面：三维空间上的表面。立体:三维空间中的物体实体。（五）按数据发布形式分类 数字线画图（DLG）-Digital Line Graphic 数字栅格图（DRG）-Digital Raster Graphic 数字高程模型（DEM）-Digital Elevation Model 数字正射影像图（DOM）-Digital Orthophoto Map 数字线画图（DLG）是以线要素描述地图要素的矢量 数据集。数字线划地图的技术特征为：地图的地理内容、分幅、投影、精度、坐标系统与同比例尺地形图一致。数字栅格图（DRG）:是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格数据集。数字栅格图生成速度快、使用方便特点。DRG可作为背景用于数据参照或修测拟合其他地理相关信息。数字高程模型数字高程模型 是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集 二、地理空间数据特征二、地理空间数据特征(一）空间定位特征（二）多属性特征（三）时间动态变化特征三、三、空间数据的扑拓关系空间数据的扑拓关系 (一）定义 拓扑关系：指物体间的空间关系。主要类型有：邻接关系，关联关系，包含关系。(二）特点：物体的拓扑关系不受坐标系和投影类型、比例尺的影响。(三）类型1、拓扑邻接：空间图形的同类元素间的相邻关系。点：N2/N4 ,N2/N3,N2/N1 线：C2与C5、C3、C1、C4 面：P1与P2、P3；P4与P2用途：相邻地物信息的提取；2、拓扑关联：空间图形的不同元素之间的拓扑关系。结点与线段：N1与C1、C3、C6 线段与多边形：P1与C1、C6、C5 用途：路口路线选择判断；多边形封闭检验。3、拓扑包含：多边形间的包含关系。P4与P2用途：面积扣除。（三）拓扑关系的表达 p46ARC-idFrom-nodeEnd-nodeRight-polygon#Left-polygon#ARCGIS软件拓扑文件表（四）拓扑关系的作用与意义1、确定物体的空间关系。2、检索与分析空间相关地物。3、重建地理实体。路口相邻与通达判断电线通达判断四、空间数据组织的基本形式1、空间分幅2、属性分层（专题、主题）3、时间分段 空间数据与属性数据分开存放（在同一文件内不同段或不同文件），通过关联号进行连接。名称面积海拔价格ID要求：坐标系一致。属性分层：中国人口图层 中国工业图层 中国农业图层 中国外贸图层 中国旅游图层第第3节节 空间数据结构类型空间数据结构类型一、空间数据模型一、空间数据模型 spatial data model 现实空间世界空间数据模型空间数据结构空间数据库组织与管理计算机存储认知与抽象空间数据模型空间数据模型：指对空间要素认知、抽象和表达方式以及不同空间关系的定义模式。空间数据结构空间数据结构：不同空间数据模型在计算机内的存储和表达方式。空间数据组织空间数据组织：大量计算机化的空间数据的统一管理方式。现有的空间数据模型主要有两个：q 场模型：即栅格数据模型，强调空间要素的连续性q 基于对象的模型：即矢量数据模型，强调空间要素的离散性 上述二种模型主要是针对二维平面进行建模的，已经很成熟。但随着应用需求的变化，空间数据模型要求能够反映三维立体和时间维特征：q 三维空间数据模型（3D）q 时空数据模型（4D）二、矢量数据结构二、矢量数据结构 vector data structure 矢量-矢量也称向量，数学上称“具有大小和方向的的量”为向量。矢量模型的基础就是将空间要素嵌入在一个坐标空间之中，一般是欧氏空间，在该空间中可以能很好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，能方便进行距离、方位和面积的测量。空间要素在欧氏空间中主要形成三类空间实体：q 点实体 point q 线实体 line,arcq 多边形实体 polygon,region 形成矢量数据格式和栅格格式两种的两种地理信息系统,及后来的两种混合数据格式的GIS.(一）矢量数据对空间信息的表达一）矢量数据对空间信息的表达图形的坐标图形的坐标离散化表达离散化表达点状图形：用一个坐标对（X，Y）来表示。线状图形：用一组有序坐标对来表示。（X1Y1,X2,Y2 .XnYn)面状图形（多边形）：用一系列有序坐标对表示。（X1Y1,.XnYn)（XcYc,.XmYm)（XdYd,.XkYk)(二）vector data precision and control 矢量数据精度与控制*曲线都可理解为若干条折线的连接。曲线都可理解为若干条折线的连接。*结论：矢量数据对图形的表达的精度，取决于 坐标点的密度。（三）矢量数据结构类型（三）矢量数据结构类型1、实体数据结构 以点线面为单元进行单独数据组织的数据结构。点为独立坐标点 线为坐标序列 面为闭合坐标序列Spaghetti 编码法优点：以点线面为单元进行数据组织,数据文件结构简单。不足:(1）多边形公共边需要存放两次，数据冗余严重；（2）相邻多边形公共边界可能不重合，没有拓扑信息。2、拓扑数据结构、拓扑数据结构 topology structure encoding（1）构成矢量数据拓扑结构的基本元素弧段：线段 如街道、电线、网络线、河流、水管。结点：弧段的交点。如路口、变电站、车站、网络控制器多边形：弧段封闭的区域。如地类、街区。岛：孤立的多边形。多边形中的多边形。如海岛、绿洲。（2）拓扑数据结构的主要数据文件拓扑数据结构组织空间数据的基本方法：使用弧段来并通过描述其拓扑结构来组织地图数据。a、弧段拓扑结构文件：记录弧段标识码、弧段的起始结点、结束结点、左多边形、右多边形。基于拓扑结构的矢量数据组织拓扑结构分析：多边形P1拓扑邻接关系：select all 左多边形or右多边形 for 左多边形=P1 or 右多边形=P1 多边形P1的弧段关联关系：select all 弧段 for 左多边形=P1 or 右多边形=P1 b、结点文件 结点代码、X坐标、Y坐标c、弧段坐标文件 弧段代码、坐标d、多边形文件 多边形代码、组成弧段代码、面积、周长、其他特征属性三、栅格数据结构三、栅格数据结构 raster data structure （一）定义 栅格栅格(raster)是指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式，基于栅格模型的数据结构称为栅格数据结构。（二）栅格类型：划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。（三）栅格数据对地物的表达 点：一个网格（grid),或像元（pixel)线：上下左右或对角相连的单个网格。面：连续成片的网格。栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。1、栅格数据对地物的综合林矿水田林矿水田水林矿田Conclusion:栅格数据对地物表达的精度取决于网格大小。栅格数据精度提高一倍，数据量增加三倍（是原来的4倍）。2、栅格大小的确定最小地块 一般以研究区中最小的地物能表示为参照，当最小地物面积为A，则网格边长用下列方法确定，可以确保该地物可以表示在图上：矢量数据栅格化网格边长大小确定方法：1、栅格矩阵结构、栅格矩阵结构记录号 行 列 属性1 属性2 .1 1 1 林 张三2 1 2 矿 刘某3 1 3 矿 刘某12 2 1 林 张三13 2 2 林 张三（三）栅格数据编码与压缩编码方法（三）栅格数据编码与压缩编码方法2、游程长度编码、游程长度编码 Run-length encoding游程（行程）定义：指栅格矩阵一行内相邻同指（属性）的栅格数量。游程编码方法：每个游程作为一个整体记录。游程编码目的：压缩栅格数据量。游程编码性质：无损数据压缩方法。基本参数：栅格数据冗余度 冗余是指数据重复的现象，冗余度是指数据重复的程度。Q为栅格图层中相邻属性值变化次数的累加和。m，n为行列数。R越大（即Q越小），则栅格图可压缩潜力越大。当Q=m*n 时，R=0，栅格图无法压缩。游程编码压缩比k为游程总数。AABBACBBCCCBBBBB（1）游程编码原理游程编号属性编码属性长度1A22B23A14C15B26C37B18B4（2）游程编码主要数据文件 索引文件、游程数据文件3、四叉树编码、四叉树编码 Quad-tree encoding （1）过程：对2nx2n 大小的栅格图像分割，分为四个象限。若某象限的地物属性值一致，则该象限所有网格作为一个整体记录。否则继续划分为四个子象限，直到单一属性为止。0000000000000000000000000000010011111100111111001111000011110000123410第一次分割0000000000000000000000000000010011111100111111001111000011110000123410第一次分割0010000第二次分割0000000000000000000000000000010011111100111111001111000011110000123410第一次分割00100000100第二次分割第三次分割父结点：子结点不为空，有四个子结点。叶结点：为单一值，没有子结点。土地利用四叉树结构实例4、八叉树编码、八叉树编码 Octa-tree encoding 原理：原理：八叉树结构是为解决三维数据表达而提出的，其原理是从四叉树发展而来，即将空间（正六面体）分解成八个大小一样的子区域（子正六面体）,若某子六面体为同一属性，则不再划分，否则再划分为八个子六面体，直到为同一属性值为止。（四）栅格数据对地物几何特征量算（四）栅格数据对地物几何特征量算线长度：上下或左右两个网格为1单位,则对角网格为根号2单位。面积=网格数*网格元面积林矿水田*矢量数据仍是现阶段GIS主要使用的数据类型，它表达的信息有突变特征；栅格数据可以表示渐变的信息，比较符合自然环境的实际情况。四、矢量数据与栅格数据比较四、矢量数据与栅格数据比较 第四节 空间数据结构的建立一、空间数据结构建立基本步骤确定数据主题及数据源数据分类及信息编码确定数据结构类型数据采集输入矢量数据库栅格数据库数据方法准备数据输入整理建库二、空间数据编码层次分类码：三、矢量数据的输入三、矢量数据的输入1、主要设备Digitizer:(一)手扶数字化仪输入法工作原理 Working principle:数字化仪操作与图形数字化采集。（二）屏幕跟踪数字化法主要步骤：1、地图扫描2、坐标定义、图像配准3、地图跟踪4、特征属性输入（三）矢量数据获取方式（1）数字化仪采集（2）扫描矢量化（3）数字测量（4）栅格数据转换四、栅格数据输入