第三章-地理信息系统的空间数据结构汇总课件

土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第三章第三章 地理信息系统的空间数据结构地理信息系统的空间数据结构33.1 1 空间实体及其表达空间实体及其表达33.2 2 空间数据模型空间数据模型33.3 3 矢量数据结构矢量数据结构33.4 4 栅格数据结构栅格数据结构33.5 5 矢栅一体化数据结构矢栅一体化数据结构33.6 6 曲面数据结构曲面数据结构土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理地理空间(现实世界)(Geographic Space)是指地球表面及近地表空间，上至大气电离层、下至地壳与地幔交界的莫霍界面。地理空间存在着复杂的空间事物或地理现象。地理空间实体(空间实体)是对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的结果。空间实体具有4个基本特征：空间位置特征（位置、大小、形状、分布）、属性特征、时间特征和空间关系（如拓扑关系、顺序关系、度量关系）。3.1 空间实体及其表达空间实体及其表达土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理现实世界现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达表达 空间实体的认知与抽象过程空间实体的认知与抽象过程土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理点：位置：（x，y）属性：符号线：位置:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)属性：符号形状、颜色、尺寸面：位置:(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn)属性：符号变化 等值线 空间实体地图表达空间实体地图表达 (矢量法）矢量法）土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理遥感传感器平台传感器空间实体遥感表达空间实体遥感表达 (栅格法）栅格法）土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理点状实体点状实体 ：零维：零维线状实体：一维线状实体：一维面状实体：二维面状实体：二维体状实体：三维体状实体：三维3.1.1 3.1.1 空间实体类型空间实体类型时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。空间实体维数与比例尺相关！土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理(1)点实体 有位置，无宽度和长度；有位置，无宽度和长度；抽象的点抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 有长度、方向、曲率，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离香港城市道路网分布香港城市道路网分布(2)线实体土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面(3)面实体中国土地利用现状图(不连续面）土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑(4)体实体土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理00编码编码编码编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码码码码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行标识，是唯一的。行标识，是唯一的。行标识，是唯一的。行标识，是唯一的。00位置：坐标形式给出空间对象的空间位置位置：坐标形式给出空间对象的空间位置位置：坐标形式给出空间对象的空间位置位置：坐标形式给出空间对象的空间位置00类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成00行为：空间对象所具备的行为和功能行为：空间对象所具备的行为和功能行为：空间对象所具备的行为和功能行为：空间对象所具备的行为和功能00属性属性属性属性：空间对象所对应的非几何信息：空间对象所对应的非几何信息：空间对象所对应的非几何信息：空间对象所对应的非几何信息00说明：实体数据来源、精度等说明：实体数据来源、精度等说明：实体数据来源、精度等说明：实体数据来源、精度等00关系关系关系关系：与其他实体之间的关系：与其他实体之间的关系：与其他实体之间的关系：与其他实体之间的关系3.1.2 3.1.2 空间实体的描述空间实体的描述土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n编码对象：属性数据n编码过程：分类、分级、编码 分类，将具有共同属性或特征的事物或现象归并在一起；分级，对事物或现象的数量或特征进行等级划分，包括确定分级数和分级线；编码，指定属性数据的代码的方法和过程。1.空间对象编码空间对象编码土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理（1 1）空间对象分类）空间对象分类科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性稳定性、不受比例尺限制、灵活性稳定性、不受比例尺限制、灵活性 分类的原则分类的原则 线分类法线分类法 是按照分类对象的从属和层是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系。的隶属关系。分类的方法分类的方法土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理耕地耕地71园地园地 72林地林地 73牧草地牧草地74居民点及公矿用地居民点及公矿用地 75交通用地交通用地75水域水域 76未利用地未利用地 77土地利用类型土地利用类型7有林地有林地 731灌木地灌木地 732疏林地疏林地733迹地迹地 735针叶树疏林地针叶树疏林地7331阔叶树疏林地阔叶树疏林地7332未成林林地未成林林地734土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 面分类法面分类法 是将给定的分类对象按选定是将给定的分类对象按选定的若干个属性或特征分成彼此互不依赖的若干的若干个属性或特征分成彼此互不依赖的若干方面，每个面中又可以分成很多彼此独立的若方面，每个面中又可以分成很多彼此独立的若干个类目。优点是具有较大的弹性，易于添加干个类目。优点是具有较大的弹性，易于添加和修改类目。和修改类目。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理河流特性分类与编码通航情况通航：1不通航：2常年河：1时令河：2消失河：3 1 km：1 2 km：2 5 km：3 10 km：5流水季节河流宽度河流长度河流深度 5 10 m：110 20 m：220 30 m：330 60 m：460 120 m：5120 300 m：6300 500 m：7500m：8 50m：6土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 在空间对象的属性数据中，有一部分是与几何数据的在空间对象的属性数据中，有一部分是与几何数据的表示表示密切有关密切有关的。的。例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的形状、色彩、尺寸等。形状、色彩、尺寸等。在在GISGIS中，通常把中，通常把这部分属性数据这部分属性数据用用编编码码的形式表示，并与几何数据的形式表示，并与几何数据一起管理一起管理起来。起来。编码原则编码原则：唯一性唯一性 合理性合理性 可扩性可扩性 简单性简单性 适用性适用性 规范性规范性类型：类型：数字数字 字母字母 数字字母混合型数字字母混合型GISGIS中的代码类型：中的代码类型：分类码分类码(主码）主码）识别码（子码）识别码（子码）编码方案：编码方案：层次分类码层次分类码 多源分类码多源分类码（2 2）空间对象编码）空间对象编码国家基础地理信息数据分类码国家基础地理信息数据分类码 p63-64!土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 分类码分类码 分类码分类码是根据地理信息分类体系设计出的各专业信是根据地理信息分类体系设计出的各专业信息的分类代码，用以标识不同类别的数据，根据它可息的分类代码，用以标识不同类别的数据，根据它可以从数据中查询出所需类别的全部数据。分类码一般以从数据中查询出所需类别的全部数据。分类码一般由数字或字符或数字字符混合构成。由数字或字符或数字字符混合构成。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 右图是上海市地理信右图是上海市地理信息系统的分类码示例。息系统的分类码示例。其中，第一位为库码，其中，第一位为库码，分别以分别以ABCD表示表示1:5001:500、1:20001:2000、1:100001:10000、1:500001:50000等不等不同的库要素。第二和第同的库要素。第二和第三位为特征码，按数据三位为特征码，按数据规范中定义的基础特征规范中定义的基础特征按顺序进行。第四和第按顺序进行。第四和第五位为类型码，以基础五位为类型码，以基础特征中的属性域的类型特征中的属性域的类型进行定义。进行定义。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 标识码标识码 标识码标识码间接利用信息分类的结果，在分类的基础上，间接利用信息分类的结果，在分类的基础上，对某一类数据中各个实体进行标识，以便能按实体进对某一类数据中各个实体进行标识，以便能按实体进行存储和逐个进行查询检索。行存储和逐个进行查询检索。标识码通常由标识码通常由定位分区和各要素实体代码定位分区和各要素实体代码两个两个码段构成。码段构成。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理拓扑属性 A.拓扑关系/拓扑属性 p45-4 7一个点在一个弧段的端点一个点在一个弧段的端点 一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上 一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部 描述空间实体对象之间相互作用的关系（描述空间实体对象之间相互作用的关系（Topological Relation）。）。2.空间关系空间关系土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理非拓扑属性 两点之间的距离两点之间的距离一个点指向另一个点的方向一个点指向另一个点的方向 弧段的长度弧段的长度一个区域的周长一个区域的周长 一个区域的面积一个区域的面积 土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理（1）拓扑邻接拓扑邻接 指存在于空间图形的同类元素 之间的拓扑关系。例如结点邻接关系N1/N4,N1/N2,；多边形邻接关系P1/P3,P2/P3,。空间数据的拓扑关系空间数据的拓扑关系土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系，例如结点与弧段的关联关系N1/C1、C3、C6；N2/C1、C2、C5,；多边形与弧段的关联关系P1/C1、C5、C6；P2/C2、C4、C5、C7，。（2）拓扑关联拓扑关联土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理非岛非岛岛 指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式（3）拓扑包含拓扑包含土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理拓扑包含关系的几种形式 设ID表示当前多边形，IW表示等价包含，IP表示ID为岛（IP0）或非岛（IP=0），则包含关系的形式如图所示。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n空间图形中弧段之间的拓扑关系。例如C1与C2、和C3连通。（4）拓扑连通拓扑连通土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 如果要将结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形成四个关系表，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所示。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n除了在逻辑上定义结点、弧段和多边形来描述图形要素的拓扑关系外，不同类型的空间实体间也存在着拓扑关系。分析点、线、面三种类型的空间实体，它们两两之间存在着分离、相邻、重合、包含或覆盖、相交5种可能的关系。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理空间拓扑关系的意义空间拓扑关系的意义(1)根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。(2)利用拓扑数据有利于空间要素的查询。(3)可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n顺序空间关系是基于空间实体在地理空间的分布，采用上顺序空间关系是基于空间实体在地理空间的分布，采用上下、左右、前后、东南西北等方向性名词来描述。也可以下、左右、前后、东南西北等方向性名词来描述。也可以按点点、点线、点面、线线、线面和面面等按点点、点线、点面、线线、线面和面面等多种组合来考察不同类型空间实体间的顺序关系多种组合来考察不同类型空间实体间的顺序关系 ；n由于顺序空间关系必须是在对空间实体间方位进行计算后由于顺序空间关系必须是在对空间实体间方位进行计算后才能得出相应的方位描述，而这种计算非常复杂。实体间才能得出相应的方位描述，而这种计算非常复杂。实体间的顺序空间关系的构建目前尚没有很好的解决方法，另外的顺序空间关系的构建目前尚没有很好的解决方法，另外随着空间数据的投影、几何变换，顺序空间关系也会发生随着空间数据的投影、几何变换，顺序空间关系也会发生变化，所以在变化，所以在现在的现在的GISGIS中，并不对顺序空间关系进行描中，并不对顺序空间关系进行描述和表达述和表达。B.空间顺序关系土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n度量空间关系主要指空间实体间的距离关系。度量空间关系主要指空间实体间的距离关系。n与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换而变化。与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换而变化。建立点点的度量关系容易、点线和点面的度量关系建立点点的度量关系容易、点线和点面的度量关系较难，而线线、线面和面面的度量关系更为困难，较难，而线线、线面和面面的度量关系更为困难，涉及大量的判断和计算。在涉及大量的判断和计算。在GISGIS中，一般也不明确描述度中，一般也不明确描述度量空间关系。量空间关系。C.空间度量关系土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理空间实体认知与抽象的层次空间实体认知与抽象的层次3.2 空间实体模型空间实体模型土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n地理空间中地理事物与现象的抽象概念集，是地理数据的语义解释，抽象的最高层；n考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图；n模型构造的基本原则是：语义表达能力强；作为用户与GIS软件之间交流的形式化语言，应易于用户理解（如ER模型）；独立于具体计算机实现；尽量与系统的逻辑模型保持同一的表达形式，不需要任何转换，或者容易向逻辑数据模型转换；n概念模型只能体现地理空间的某一方面。根据GIS数据组织和处理方式，大体上分为三类，即对象模型(离散对象)、网络模型（道路、输水等网络）和场模型（连续对象）。1.1.概念数据模型概念数据模型土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理nGIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构，概念模型向物理模型转换的桥梁，系统抽象的中间层；n模型的建立既要考虑用户易理解，又要考虑易于物理实现，易于转换成物理数据模型；n通常所称的空间数据模型其实是空间数据的逻辑模型（矢量数据模型、栅格数据模型、矢量-栅格一体化模型，面向对象模型）；n空间数据概念模型与逻辑模型不是一一对应的，而是存在着一定的交叉关系。2.2.逻辑数据模逻辑数据模型型3.3.物理数据模物理数据模型型n概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，即在物理磁盘上如何存放和存取，是系统抽象的最底层。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理u 空间数据结构即数据的组织形式，是指适合于计算机存储、管理、处理的空间数据逻辑模型表达。u是逻辑数据模型映射为物理数据模型的桥梁。u 空间数据结构对地理信息系统中数据存储、查询检索和应用分析等操作处理的效率有着至关重要的影响。u 同一空间数据逻辑模型往往采用多种空间数据结构，例如游程长度编码结构、四叉树结构都是栅格数据模型的具体实现。4.4.空间数据结空间数据结构构土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理矢量数据结构：矢量数据结构：对矢量数据模型进行数据的组织。它通过记录坐标值及其关系来精确表示点、线、面等地理实体的。矢量数据模型 3.3 矢量数据结构矢量数据结构 p48-52矢量数据结构按其是矢量数据结构按其是否明确表示地理实体间否明确表示地理实体间的空间关系分为的空间关系分为实体数实体数据结构据结构和和拓扑数据结构拓扑数据结构两大类。两大类。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 实体型数据结构中空间数据按照基本的空间对象(点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含拓扑关系的信息，最典型的是所谓面条(Spaghetti）结构。如ArcView GIS的Shape 文件和MapInfo的Tab文件。3.3.1 3.3.1 实体数据结实体数据结构构土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理Spaghetti数据结构中构成多边形边界的各个线段，以多边形多边形为单元进行组织。边界坐标数据和多边形单元实体一一对应，各个多边形边界点都单独编码并记录坐标。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 Spaghetti数据结构具有编码容易、数字化操作简单和数据编排直观等优点；但有以下缺点：相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出的公共边界出现间隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系；岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理3.3.2 3.3.2 拓扑型矢量数据结拓扑型矢量数据结构构拓扑数据结构没有固定的格式，还没有形成标准，但基本原理相同的。共同的特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面。每条线始于起始结点，止于终止结点，并与左右多边形相邻接。拓扑数据结构包括：索引式、双重独立编码结构(DIME)、链状双重独立编码结构。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理1.1.索引式结索引式结构构 可以解决数据冗余，但不利于邻域函数运算、消除无用边、处理岛状信息、检查拓扑关系，编码表以人工方式建立，工作量大且容易出错。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理2.2.双重独立编码结双重独立编码结构构除线段拓扑关系文件外，还需要点文件和面文件(略）。DIME适用于城市地理信息系统，尤其是城市地籍宗地管理。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的多边形来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。n在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段点文件、点坐标文件。n ARCGIS产品中的COVERAGE数据模型就是采用链状双重独立编码数据结构的。3.3.链状双重独立编码结链状双重独立编码结构构土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 (1)(1)描述点、线、面的空间关系不完全依描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体坐标位置。赖于具体坐标位置。(2)(2)用拓扑表所表达的空间关系信息丰富、用拓扑表所表达的空间关系信息丰富、简洁。简洁。拓扑结构的优点拓扑结构的优点 (3)(3)便于作多边形和多边形的叠合。便于作多边形和多边形的叠合。(4)(4)便于检查数据输入过程中的错误。便于检查数据输入过程中的错误。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理A.A.拓扑关系的建立比较复杂。拓扑关系的建立比较复杂。B.B.数据结构本身比较复杂。数据结构本身比较复杂。拓扑结构的缺点拓扑结构的缺点土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理3.4 栅格(Raster)数据结构 p52-58栅格数据结构是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构。其阵列中的每个数值表示地物或现象的属性特征。3.4.1 3.4.1 概概述述栅格数据模型栅格数据结构表示的地表是不连续的，是量化和近似的离散数据。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理点点线线面面对于栅格数据结构对于栅格数据结构对于栅格数据结构对于栅格数据结构 点点点点：为一个像元：为一个像元：为一个像元：为一个像元 线线线线：在一定方向：在一定方向：在一定方向：在一定方向上连接成串的相邻上连接成串的相邻上连接成串的相邻上连接成串的相邻像元集合。像元集合。像元集合。像元集合。面面面面：聚集在一起：聚集在一起：聚集在一起：聚集在一起的相邻像元集合。的相邻像元集合。的相邻像元集合。的相邻像元集合。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理1.栅格坐标系的确定栅格坐标系的确定 坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。3.4.2 3.4.2 栅格单元的确定栅格单元的确定3.栅格单元的栅格单元的形状形状栅格单位形状可以是正方形、三角形、六角形划分和长方形，但一般是正方形。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理网格的基本单元通常是固定大小的正方形空间事物就按其在网格中什么行、什么列、取什么值来表示。基本单元的大小代表了栅格型地图(空间)数据库的分辨率。Y Y Y：列：列：列：列：列：列X X X：行：行：行：行：行：行格网格网格网格网格网格网分辨分辨分辨分辨分辨分辨率率率率率率3.栅格单元的尺寸栅格单元的尺寸 栅格单元的尺寸确定的原则是应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理图2-4-5 栅格数据逼近的土地利用图土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理4.栅格数据单元值的选取栅格数据单元值的选取CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n逐行逐个记录栅格单元的值。可以每行都从左到右，也可奇数行从左到右而偶数行从右到左。n栅格矩阵结构最简单最直接的一种栅格编码方法,不采用任何压缩数据的处理，是最直观最基本的栅格数据组织方式。n数据组织方式有三种：基于象元、基于层和基于面域。n存在分辨率增加，存存储数据量急剧增大。3.4.3 3.4.3 栅格数据结构类栅格数据结构类型型1.栅格矩阵结构栅格矩阵结构 p54土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 从直观的角度，可以看出随着基本单元的缩小，像素分辨率的提高，取值相同的单元就明显地成团成簇地分布在网格中如图所示：土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理如果地物在空间上分布的均质性较好，即当基本单元缩小时，一个多边形仅在边界上变得更加精确，内部不出现其他点、线、面，那么就可利用单元取值成团成簇的特点来减少数据的储存量，即所谓数据压缩方法，以缓和储存量和分辨率之间的矛盾。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理游程长度编码/行程编码法四分树结构法2.2.压缩栅格数据编码压缩栅格数据编码土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理(1)游程长度编码点号行号列号点号行号列号土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 也称四叉树。先把地图看成是一个正方形的单元如图所示（这是个简单的例子，在实际使用中，一幅地图上总有很多多边形）(2)(2)四分树法四分树法土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理如果该单元内有不同性质的多边形，则将单元分成四个大小相同的二级单元，然后再分别判断这四个二级单元中是否还有不同性质的多边形若其中某个二级单元中有不同性质的多边形，若其中某个二级单元中有不同性质的多边形，则则再再划分成四个大小相同的三级单元划分成四个大小相同的三级单元 这种逐级一分为四的方法，一直分到预定这种逐级一分为四的方法，一直分到预定的最高分辨率为止。的最高分辨率为止。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n四叉数的建立方式：四叉数的建立方式：自上而下式的运算量大，速度慢；自下而上式的重复计算少，运算速度较快。n四叉数的存储方法：四叉数的存储方法：常规四叉数记录叶节点与中间节点。需六个变量表达，存储四个叶结点指针，一个父结点指针和一个结点的属性或灰度值。主要在数据索引和图幅索引等方面应用。线性四叉数仅记录最后叶节点信息，包括叶结点的位置、深度和本结点的属性或灰度值。所谓深度是指处于四叉树的第几层上，由深度可推知子区的大小。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理矢量模型矢量模型（位置明显，属性隐含）（位置明显，属性隐含）栅格模型栅格模型（位置隐含，属性明显）（位置隐含，属性明显）优点优点优点优点1数据存储量小数据存储量小1数据结构简单数据结构简单2空间位置精度高空间位置精度高2多种地图叠合分析方便多种地图叠合分析方便3空间关系描述方便空间关系描述方便3容易描述边界复杂的事物容易描述边界复杂的事物 4查询与更新方便查询与更新方便4能直接处理数字图像信息能直接处理数字图像信息5普通地图可直接手工数字化普通地图可直接手工数字化5能直接用栅格状设备输出图形能直接用栅格状设备输出图形缺点缺点缺点缺点1数据结构复杂数据结构复杂1数据储存量大数据储存量大2多种地图叠合分析较困难多种地图叠合分析较困难2空间位置精度低空间位置精度低3边界复杂的事物难以描述边界复杂的事物难以描述3难以表达线状、网络状的事物难以表达线状、网络状的事物4不能直接处理数字图像信息不能直接处理数字图像信息4输出地图不美观输出地图不美观3.5 矢栅格一体化数据结构矢栅格一体化数据结构3.5.1 3.5.1 矢量数据与栅格数据结构比较矢量数据与栅格数据结构比较土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理复杂土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n矢栅一体化结构（龚建雅，1993）同时具有矢量实体的概念，又具有栅格覆盖的思想。其理论基础是：多级格网方法、三个基本约定和线性四叉多级格网方法、三个基本约定和线性四叉树编码树编码。n多级格网的方法是将栅格划分成多级格网：粗格粗格网、基本格网和细分格网网、基本格网和细分格网。粗格网用于建立空间索引，基本格网的大小按通常栅格划分原则一致。细格网用于增加栅格的空间分辨率，从而提高点、线、面目标边界线的数据表达精度。3.5.2 3.5.2 矢量一体化数据结矢量一体化数据结构构土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n粗格网、基本格网和细分格网都采用线性四叉树编码的方法，用三个Morton码（M0、M1、M2）表示。n点、线和面的三个约定：（1）点状地物仅有空间位置而无形状和面积，在计算机中仅有一个坐标数据；（2）线状地物有形状但无面积，在计算机中需要组织一组元子（即栅格单元）填满的路径表达；（3）面状地物有形状和面积，在计算机中有一组元子表达的填满路径的边界线和内部（空洞外均填满）的区域组成。土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n点状地物、线状地物、面状地物的数据组织方式：土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理3.5 曲面数据结构曲面数据结构 p58-603.6.1 TIN3.6.1 TIN的曲面数据结构的曲面数据结构3.6.2 3.6.2 规则格网的曲面数据结构规则格网的曲面数据结构土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 1、拓扑关系包括哪些？2、什么是矢量数据和栅格空间数据结构?它们有哪些优点、缺点？3、简述矢量数据编码的几种方式和各自优缺点。4、简述栅格数据压缩编码的几种方式和各自优缺点。5、简述矢栅一体化数据结构的理论基础。复习思考题