GIS的数据结构学习

点（Point,0维）：一对坐标（x,y)和至少一个属性，逻辑上不能再分（几何点或抽象点）。如：道路交叉点，小比例尺地图上的城市，LANDSAT影象上一个点（像元）为实地79*79m的区域。线（Line,1维）：一个（x,y)坐标对序列，表示具有相同属性（至少一个）的点的轨迹。面（Surface,2维）：由坐标对序列或边集表示的具有相同属性的点的集合。面内每个点至少具有一个相同的属性。如土壤、植被、行政区等。第1页/共54页第一页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2.2 地理（空间）数据的及其特征一.GIS的空间数据(Spatial Data)：是有关地理实体在几何空间中的位置和空间相互关系的数据。（GIS的操作对象，建立GIS的第一步）类型：（1）地图数据：普通，专题。精度高；（2）影像数据：卫片，航片。多时相，多光谱，多分辨率；（3）地形数据：DEM等；（4）属性数据：来源于调查、实测、资料、解译等；（5）元数据：有关数据的数据，对数据的有用的描述；第2页/共54页第二页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。二.空间数据的基本特征包括三个相互联系的方面：定位数据，拓扑关系，属性特征。（统称为地理空间数据/地理数据）1、定位数据（Positioning Data,某坐标系下）：点(Point)：（x，y）；线(Line)：（x1，y1）,(x2,y2),(xn，yn）面(Surface)：坐标对序列或边集表示的闭合多边形。第3页/共54页第三页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第4页/共54页第四页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2、实体间的拓扑关系(Topo Relationship between Spatial EntitIes)拓扑关系：描述空间实体之间的相互关系。包括：（1）拓扑邻接：同类元素间；点、线、面的各自邻接关系 （图26）第5页/共54页第五页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（2）拓扑关联：不同元素之间的关联。如：点与弧段的关联；多边形与弧段的关联（3）拓扑包含：同类但不同级元素之间的包含。简单包含；多层包含；等价包含（图27）第6页/共54页第六页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。结点、弧段、多边形之间拓扑关系表达 结点 弧段 N1 N2 N3C1,C3,C6C1,C2,C5C2,C3,C4弧段起结点终结点左多边形右多边形C1C2C3N2N3N1N1N2N3P1P2P3 多边形 弧段 P1 P2 P3C1,C6,-C5C2,C5,C4,C7C3,-C4,-C6N2N1N3N5N4C1C3C6C4C5C7C2P1P2P3P4第7页/共54页第七页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。区域定义(Area Definiting)：由一组线来定义多边形。（比用坐标对序列好）第8页/共54页第八页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。多边形邻接性(Adjacency)判断1）判断两多边形是否邻接，及其公共边界；2）判断组成某多边形的所有边界。第9页/共54页第九页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。弧段连通性(Connectivity)判断对弧段连通性的判断，有助于路径搜寻和网络分析。1）与某弧段连通的两结点的判断；2）与某结点连接的所有弧段的判断；3）回路构成判断第10页/共54页第十页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。3、实体的非几何属性(Non-geometric Attribute of Entities)对地理实体的有意义信息的描述。通常是给每个实体及其属性数据赋予一个公共识别符使之联系起来。属性分为定性描述与定量描述两种。1）属性数据的重要性：属性数据和空间数据是GIS中紧密联系的两部分内容。在属性数据的支持下，空间数据就不再是仅具有几何意义的图形或像元，而是有地理意义的实体。地理分析、地理统计等空间操作都是通过属性数据（与图形数据的结合与联系）而得以实现的。第11页/共54页第十一页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2）属性数据的获得：统计，调查，观测,分类编码，遥感影像分类提取等。3）属性数据与图形数据的联接：通过相应图素（点，弧段，多边形）的编号与图形建立联系。属性数据的内容要么直接记录在图形数据中，要么单独以某种结构存储，通过指针或关键码与图形数据连接。4）属性数据的编码：为便于存储和管理，可以对属性数据进行必要的编码。使之管理效率高，尽量专业化、标准化，便于共享和扩展。第12页/共54页第十二页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。三、空间数据的计算机表示第13页/共54页第十三页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2.3 空间数据结构的类型空间数据结构的概念：是指计算机存储、管理和处理地学图形的逻辑结构。空间数据结构的基本类型：矢量结构：面向地物。每个目标都直接赋有位置、属性和拓扑。栅格结构：离散点，没有直接建立位置与地物的关系。要建立 地物，需遍历栅格矩阵查找。不能建立拓扑关系。（混合结构）正研制：栅格-矢量一体化结构 第14页/共54页第十四页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。一、矢量数据结构通过记录坐标，用点、线、面等基本要素精确地表示各种地理实体。（由于线段由具有起、终点坐标的线段组成，具有方向性，故称为矢量结构）。1.简单结构(坐标序列法)（1）以点、线、面为单元组织数据。直观，数字化简单（面条结构）；（2）公共边界数字化和存储两次，冗余和不一致；（3）点、线、面有各自的各自的数据，无拓扑关系。第15页/共54页第十五页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2、拓扑结构特点：点相互独立，点连成线，线连成面。定义：弧段：构成多边形的线。是数据组织的基本对象。结点：两条以上弧段相交的点。岛：一条弧段构成的多边形。数据结构：弧段：弧段标识码，FN，TN，LP，RP 结点：结点号，坐标，与该结点连接的弧段标识码 多边形：多边形标识码，组成该多边形的弧段标识码第16页/共54页第十六页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。拓扑编辑（多边形连接，结点连接）（1）多边形编辑（以P1为例）算法：在弧段文件中，检索出与P1相关的所有记录；调整弧段方向（起、终点），使之能顺时针连接；以任一结点开始，顺序连接各结点，使能闭合。（2）结点编辑（以N2为例）算法：在弧段文件中，检出与N2相关的所有记录；将相关弧段调整为以N2为终点；（方向变化的弧段同时调整左右多边形位置）；以任一多边形开始，顺序排列各多边形，并能回到起始多边形。第17页/共54页第十七页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。3.曲面数据结构曲面：连续分布的地理现象的覆盖表面。存储要求：便于在任一点的内插计算。常用结构：TIN（Triangulated Irregular Network）（图214）原理：每个三角形可视为一平面，其方程由三个顶点的空间坐标（xi,yi,zi)决定。用Z轴表示现象的属性（如地形高程）。在三角形任一边上可进行内插，以便自动绘制等高线，分析坡度，计算填挖方，进行通视分析，建立DEM等。第18页/共54页第十八页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第19页/共54页第十九页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。二、栅格数据结构1.栅格结构：将空间分割成正方形网格,每网格为一像元，其空间位置用行、列表示，像元值为其属性代码。（简单直观）（如：遥感数据，扫描数据，DEM）2.栅格结构中点、线、面的表示 点：一个像元。其值与临近网格值明显不同；线：用一串有序的相互连接的像元表示。这些像元值相同或差异较小，与临域网格值差异较大。面：具有相同属性的相邻像元的集合。内部像元值相同或差异较小，与临域网格值差异较大。第20页/共54页第二十页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第21页/共54页第二十一页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。3.栅格边长的确定：网格边长决定栅格数据的精度。过大丢失信息，过小数据量太大。一般以保证最小多边形的精度为标准。设研究区最小图斑面积A，对于边长为H的网格，该图斑肯可能丢失；而当取H/2时，能很好表示。故取H为A的平方根的一半。第22页/共54页第二十二页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。照此，生成的栅格数据图与原图的比较第23页/共54页第二十三页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。4.栅格数据结构的几种类型（1）栅格矩阵（无压缩）第24页/共54页第二十四页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（2）链码：用起点和一系列在基本方向上的走步来描述线或边界。第25页/共54页第二十五页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（3）游程编码：将相邻等值的像元合并，记录属性和游程。（通过解码，可以恢复为原始的栅格矩阵格式）第26页/共54页第二十六页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。索引文件有助于属性的快速查找第27页/共54页第二十七页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（属性+游程长度）（属性+终止列号）第28页/共54页第二十八页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（4）四叉树：将图象按四个象限递归划分，直到属性单一。第29页/共54页第二十九页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。建立四叉树的两种方法自上而下（topdown，逐层细分）要点：先检测全区域，值不单调时四分，直到单调为止。对于一个nn的方阵区域，四个子象限为：（检测、运算量大，速度慢）第30页/共54页第三十页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。自下而上（bottomup，逐层集化）要点：按下图所示顺序检测各个网格，如4个网格值相同，则合并；反之，作为四个叶结点记录。依次逐层向上，直到根结点。第31页/共54页第三十一页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。四叉树存储方法常规四叉树存储6个量：4个子结点指针，1个父结点指针，1个结点值。线性四叉树存储3个量：地址，深度，结点值。Addres(I,j)=2*I(B)+j(B)第32页/共54页第三十二页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（5）八叉树和十六叉树用于表示三维数据或四维数据。a.八叉树结构将空间区域不断分为八个同样大小的区域，直到同一区域的属性单一为止。（图）常规八叉树存储10个量：8个子结点指针，1个父结点指针，1个属性值。线性八叉树存储2个量：地址，属性值。第33页/共54页第三十三页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第34页/共54页第三十四页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。b.十六叉树结构第35页/共54页第三十五页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。三、矢栅一体化数据结构1、概念：在数字化线状实体时，除记录原始取样点外，还记录所通过的栅格；面状地物除记录边界外，还记录中间包围的栅格。既保证了矢量的特性，还具有栅格的性质。办法：将有点、线通过的基本栅格，再细分为256256的细格网，用于确定点、线的精确位置。（图）编码表示：基本格网和细分格网都采用线性四叉树的编码方式，将点和线性目标与网格的交点用两个Morton码表示。M1表示点与所在基本网格的地址码；M2表示点对应的细分网格的Morton码。即，将x、y坐标转换为两个Morton码。第36页/共54页第三十六页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第37页/共54页第三十七页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2、矢栅一体化结构设计（1）点状目标与结点：只有位置。第38页/共54页第三十八页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第39页/共54页第三十九页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（2）线状目标与弧段将其通过的栅格地址全部记录下来。第40页/共54页第四十页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。（3）面状目标的数据结构通过关联弧段与弧段数据结构的连接，可建立多边形与弧段间的拓扑；中间包围的栅格采用四叉树和二维行程编码表示。第41页/共54页第四十一页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。四、矢量与栅格数据结构的比较1）矢量结构精度高；存储量小；易建拓扑关系，擅长管理线状地物和拓扑关系搜索，易于网络分析；空间位置表达明显，属性隐含；图形显示质量好。但数据结构复杂，叠加操作困难，空间分析能力较差。（2）栅格结构精度稍低；图形数据量；难于建拓扑；属性表达明显，位置隐含；图形显示的可视性不如矢量。但数据结构简单，易于与遥感、摄影数据结合，空间操作与分析容易，有发展潜力。第42页/共54页第四十二页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第43页/共54页第四十三页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2.4 空间数据结构的建立空间数据结构的建立根据确定的数据结构类型，输入数据，形成空间数据库。第44页/共54页第四十四页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。一、系统功能与数据的关系一定的系统功能需要一定的相关数据（层）。（表28）二、空间数据的分类与编码1.分类：将不同属性或特征的要素，从逻辑上分为不同的信息层进行管理。分类原则：图形原则：分为点、线、面 对象原则：区别不同的地理对象我国基础地理信息数据分类：八大类，再细分小类、一级类、二级类。第45页/共54页第四十五页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第46页/共54页第四十六页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。2.空间数据的编码将数据分类的结果，用代码表示。利于计算机存储和利用。如：我国基础地理信息数据分类代码：第47页/共54页第四十七页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。3.矢量数据的输入与编辑矢量数据输入的过程实际上矢产生和矢量数据结构相适应的GIS空间数据的过程，即将经分类和编码的地理要素的图形，转换为一系列x，y坐标，按照确定的数据结构格式，加入到线段或点的计算机文件中去。输入方法有：手扶跟踪数字化 扫面矢量化 解析测图仪 其他数据的转换输入。第48页/共54页第四十八页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。矢量数据的编辑：修正数字化过程中的错误，将数字化数据重新组织以便利用。第49页/共54页第四十九页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。多工序编辑检查：目视检查：明显错误机器检查：拓扑检查图形检查：蒙在原图上检查第50页/共54页第五十页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。4.栅格数据的输入与编辑栅格数据输入过程是产生和栅格数据结构相适应的GIS空间数据的过程。方法有：透明网格采集输入；扫描数字化输入；其他数据转换输入（如：矢栅）。第51页/共54页第五十一页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。透明网格采集输入简介第52页/共54页第五十二页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。第53页/共54页第五十三页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。感谢您的观看。第54页/共54页第五十四页，编辑于星期五：二十一点 二十八分。