城市信息系统(第3讲)

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,第三讲,地理信息系统原理,1,空间数据结构（矢量数据）,空间数据结构转换,地理信息系统理论,2,数据结构：,数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。如,顺序存储结构和链式存储结构,。,空间数据结构：,对于空间数据而言，则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，包括矢量数据结构和栅格数据结构等。,空间数据编码：,是实现空间数据的计算机存储、处理和管理，将空间实体（地理要素）按一定的数据结构转换为适合于计算机操作的过程。,概念,3,1,1.,外业数字画测图获得，,如全站仪,GPS,、三维激光扫描仪等；,2.,扫描数字化方法获取；,3,3.,由数字摄影测量或遥感获得；,矢量,栅格,4.,栅格数据转成矢量数据。,矢量数据获取,4,矢量数据结构,定义：,矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等空间实体的位置和形状的一种数据组织方式。,特点：,矢量数据表示的坐标空间是连续的，因此可以精确地定义地理实体的空间位置、长度、面积等。,还可以对复杂数据以最小的数据冗余进行存贮，具有,数据精度高、存储空间小,的特点，是一种高效的图形数据结构。,类型：,按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为,简单数据结构,和,拓扑,数据结构,两大类。,5,矢量,数据编码内容,点实体,:,包括由单独一对,x,，,y,坐标定位的一切地理或制图实体。,线实体,:,可以定义为直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对以上的,x,，,y,坐标定义。,面实体,:,多边形、区域,矢量数据结构主要以,点、线、面,为单元来表现空间实体，矢量数据编码也是以点、线、面为单位进行存储。,点,(Point),实体,7,零维,没有长度、宽度和高度，只含位置属性,由,x,，,y,坐标来定义,也可称为结点,(node),顶点,(Vertex),或,0-,单元,(0-cell),例如：井、建筑物、测量标记,存储内容：,位置：坐标,属性：名称、类型、编码,线,(Line),实体,一维,具有长度和位置属性,由端点和所经过的节点的,x,，,y,坐标定义,也可称为边,(edge),，链,(chain),，,1-,单元,(1-cell),例如：道路、河流、等高线,存储内容：,位置：坐标,属性：名称、类型、长度,拓扑特征：连接,面,(Area),实体,二维（长度和宽度）,具有面积和周长的属性,由相连接的线定义,也可称为多边形,(polygon),区域,(zone),2-,单元,(2-cell),例如：行政区、水体、植被分布,存储内容：,位置：坐标,属性：名称、类型、面积、周长、编码,拓扑特征：邻域、层次结构（岛、洞）,矢量数据编码方法,简单矢量数据结构,坐标序列法,树状索引法,拓扑数据结构,双重独立式,链状双重独立式,坐标序列法,特点：,以基本的空间实体（点、线、多边形）为单位进行组织。,只记录空间对象的位置坐标和属性信息。,不记录拓扑关系的矢量数据模型（面条结构）,。,优点：,编码容易，数字化操作简单，数据编排直观,缺点：,相邻多边形公共边界数字化两遍，造成数据,冗余,，边界易出现,间隙和重叠,。,缺少,邻域多边形信息和图形的,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,。,坐标序列法,12,点表（,Spaghetti,）,A,点实体结构：,唯一的标识码,ID,号,空间位置,(,X,，,Y,）,非空间属性,(,A,1,，,A,2,，,，,A,n,),线表（,Spaghetti,）,B,线实体结构：,唯一的标识码,ID,号,中间点数,非空间属性,坐标序列法,13,多边形,数据项,A,(x,1,y,1,),(x,2,y,2,),(x,3,y,3,),(x,4,y,4,),(x,5,y,5,),(x,6,y,6,),(x,7,y,7,),(x,8,y,8,),(x,9,y,9,),(x,1,y,1,),B,(x,1,y,1,), (x,9,y,9,), (x,8,y,8,), (x,17,y,17,), (x,16,y,16,), (x,15,y,15,),(x,14,y,14,) ,(x,13,y,13,), (x,12,y,12,), (x,11,y,11,),(x,10,y,10,),(x,1,y,1,),C,(x,24,y,24,),(x,25,y,25,),(x,26,y,26,),(x,27,y,27,),(x,28,y,28,),(x,29,y,29,),(x,30,y,30,) ,(x,31,y,31,), (x,24,y,24,),D,(x,19,y,19,),(x,20,y,20,),(x,21,y,21,),(x,22,y,22,),(x,23,y,23,),(x,15,y,15,),(x,16,y,16,) ,(x,19,y,19,),E,(x,5,y,5,),(x,18,y,18,),(x,19,y,19,),(x,16,y,16,),(x,17,y,17,),(x,8,y,8,),(x,7,y,7,) ,(x,6,y,6,), (x,5,y,5,),多边形原始数据,多边形数据文件,坐标序列法,C,多边形实体结构,对于多边形中的“岛”，处理方法是在每个多边形头记录中增加一条,“岛”的属性,来表示优先级，低优先级的多边形先绘置先充填，高优先级的多边形后绘置，这样岛多边形就覆盖了原先的多边形。,14,树状索引法,采用,树状,索引以,减少,数据冗余并间接,增加,邻域信息,具体方法：,将所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，,点,索引与,边界线,号联系，,线,索引与,多边形,相联系，形成树状索引结构。, ,P,1,P,3,P,2, ,1 2 3 4 5,4 5,4 5 6 7 8,9, ,线与多边形之间的树状索引,点与边界线之间的树状索引,1,2,3,4,6,7,8,9,5,P,1,P,2,P,3,10,11,树状索引法,点文件,：,点号 坐标,1,x,1,，,y,1,2,x,2,，,y,2,9,x,9,，,y,9,线号 起点 终点 点号, 4 5 1,2,3,4,，,5, 4 5,4,，,5,5,4 5,，,6,7,8,4, 9 9 9,，,10,11,线文件,1,2,3,4,6,7,8,9,5,P,1,P,2,P,3,10,11,多边形文件：,多边形号 边界线号,P1 ,，,P2 ,，,P3 ,16,优点：,消除多边形数据的冗余和不一致,邻接信息、岛信息可通过查找公共弧段号的方式查询。,缺点：,表达拓扑关系较繁琐,给相邻运算、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难,以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。,树状索引法,空间拓扑关系,拓扑,是研究在弯曲和数学的一个分支,，用于研究那些经历特定变换之后仍然,保持不变,的,几何性质,，特定的变换包括拉伸、弯曲等,。从拓扑角度看，几何形状不同的事物其,拓扑关系仍可能相同,。在,GIS,中，用来描述并确定空间的,点、线、面之间的关系及属性，并可实现相关的查询和检索。,为真实反映地物，不仅要包括实体的大小、形状及属性，而且要反映出,实体之间的相互关系,。如行政分区、用地的分布及交通网络等，都存在,结点、弧段和多边形之间,的拓扑关系。在地图上，我们借助图形来识别和解释要素之间的邻接、包含等关系。而在计算机中，是通过建立,拓扑结构,进行定义的。,矢量数据可抽象为点,(,结点,),、线,(,链、弧段、边,),、面,(,多边形,),三种要素，即称为,拓扑元素,。,点,(,结点,),：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点,线,(,链、弧段、边,),：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段,面,(,多边形,),：,若干条链构成的闭合多边形,。,空间拓扑关系,19,基本拓扑关系,关联：,不同拓扑元素之间的关系，,如结点与链，链与多边形等。,邻接：,相同拓扑元素之间的关系，,如结点与结点，链与链，面与面等。,包含：,面与其他元素之间的关系，,如果点、线、面在该面内，则称为被该面包含。如某省包含的湖泊、河流等。,层次：,相同拓扑元素之间的层次关系，,如国家由省,(,自治区、直辖市,),组成，省,(,自治区、直辖市,),由县组成等。,几何：,拓扑元素之间的距离关系,，,如拓扑元素之间距离不超过某一半径的关系。,拓扑元素可参考下图,空间拓扑关系,20,起点,中间点,弧段,3,弧段,2,终点,弧段,1,点,面,线,点：孤立点、线的节点,node,、中间点,Vertex,线：两节点之间的有序弧段,面：若干弧段组成的多边形,空间拓扑关系,21,空间拓扑关系,22,点、线、面之间的基本拓扑关系,相邻,相交,重叠,分离,包含,点,点,点,线,点,面,线,面,面,面,线,线,23,N,1,1,2,5,6,4,7,3,P,1,P,3,P,2,P,4,N,4,N,3,N,5,N,2,拓扑邻接：,N,1,/,N,2,N,1,/,N,3,N,1,/,N,4,;,P,1,/,P,3,;,P,2,/,P,3,拓扑关联：,N,1,/,1,、,3,、,6,；,P,1,/,1,、,5,、,6,拓扑包含：,P,3,与,P,4,拓扑关系示例,24,拓扑,:,移动结点,无拓扑,:,移动结点,有无拓扑关系数据的操作差别,空间拓扑关系,25,双重独立编码结构,最早是由美国人口统计系统采用的一种编码方式，简称,DIME,（,Dual Independent Map Encoding,）编码系统，它是以,城市街道,为编码主体，它的特点是采用了拓扑编码结构，这种结构最适合于,城市信息系统,。,双重独立编码结构是对图上网状或面状要素的,任何一条线段，用顺序的两点定义以及相邻多边形,来予以定义。,除,线段拓扑关系文件,外，双重独立编码结构还需要,点文件和面文件,；,DIME,编码结构尤其适用于,城市地籍宗地的管理,，在宗地管理中，界址点对应于点、界址边对应于线段，面对应于多边形，各种要素都有惟一的标识符。,2,9,A,B,n,11,10,D,C,m,12,11,D,C,l,10,12,D,C,k,5,9,B,C,j,9,8,A,C,i,7,8,C,O,h,6,7,C,O,g,5,6,C,O,f,4,5,B,O,e,3,4,B,O,d,2,3,B,O,c,1,2,A,O,b,8,1,A,O,a,终点,起点,右多边形,左多边形,线号,A,B,C,D,O,a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1,点文件,点,号,坐标,1,x,1,y,1,3,多边形文件,多边形,号,线,号,A,a,b,n,i,2,线文件,双重独立编码结构,27,链状双重独立式,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面域来表示，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,。,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、弧段坐标文件、结点文件,ARC/INFO,29,弧段文件,弧段号,起始点,终结点,左多边形,右多边形,a51OA,b85EA,c168EB,d195OE,e1519OD,f1516DB,g115OB,h81AB,i1619DE,j3131BC,弧段,点文件,弧段号点 号,a,5,4,3,2,1,b8,7,6,5,c16,17,8,d19,18,5,e15,23,22,21,20,19,f15,16,g1,10,11,12,13,14,15,h8,9,1,i16,19,j31,30,29,28,27,26,25,24,31,多边形文件,多边形号弧段号属性（如周长、面积等）,Ah,b,a,Bg,f,c,h,-j,Cj,De,i,f,Ee,i,d,b,点坐标文件,点号 坐标,1,（,x1,y1),2,（,x2,y2),3,（,x3,y3), ,优点,：,1.,空间关系明确，不完全依赖于具体的坐标位置。,多边形的,公共边界、网络的结点表达简单，,2.,便于分析、查询，尤其是点、线、面之间的相邻关系,的查询,和分析。,3.,图形的修改方便，可由软件检查数据输入的错误，,容易保证,数据质量,4.,便于叠合分析、网络分析等,缺点：,1.,数据结构复杂，软件复杂,2.,建立拓扑关系需花计算时间（当地图覆盖范围很大，,数据,量,很时,）,拓扑数据结构优缺点,30,栅格结构与矢量结构似乎是两种截然不同的空间数据结构，栅格结构“,属性明显、位置隐含,”，而矢量结构“,位置明显、属性隐含,”。,栅格数据操作总的来说比较,容易实现,，尤其是作为斑块图件的表示更易于为人们接受；而矢量数据操作则,比较复杂,，许多分析操作（如两张地图的覆盖操作，点或线状地物的邻域搜索等）用矢量结构实现十分困难。,空间数据结构转换,矢量与栅格数据的特点概述,31,矢量数据结构,优点,：,表示地理数据的精度较高,严密的数据结构，数据量小,完整的描述空间关系,图形输出精确美观,图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现,面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息,缺点：,数据结构复杂,矢量叠置较为复杂,数学模拟比较困难,技术复杂，特别是软硬件,栅格数据结构,优点,：,数据结构简单,空间数据的叠置和组合方便,各类空间分析很易于进行,数学模拟方便,缺点：,图形数据量大,用大像元减少数据量时，精度和信息量受损,地图输出不美观,难以建立网络连接关系,投影变换比较费时,空间数据结构转换,矢量与栅格数据的优缺点,32,比较内容,矢量格式,栅格格式,数据量,小,大,图形精度,高,低,图形运算,复杂、高效,简单、低效,遥感影像格式,不一致,一致或接近,输出表示,抽象、昂贵,直观、便宜,数据共享,不易实现,容易实现,拓扑和网络分析,容易实现,不易实现,空间数据结构转换,矢量与栅格数据的特点,33,无论哪种结构，数据精度和数据量都是,一对矛盾,，要提高精度，栅格结构需要更多的栅格单元，而矢量结构则需记录更多的线段结点。,一般来说，栅格结构只是矢量结构在某种程度上的一种,近似,，如果要使栅格结构描述的图件取得与矢量结构同样的精度，甚至仅仅在量值上接近，则数据也要比后者大得多。,空间数据结构转换,矢量与栅格数据的比较,34,栅格结构在某些操作上比矢量结构更有效更易于实现，如按,空间坐标位置的搜索,，对于栅格结构是极为方便的，而对矢量结构则搜索时间要长得多；,在给定区域内的,统计指标运算,，包括计算多边形形状、面积、线密度、点密度，栅格结构可以很快算得出结果，而采用矢量结构则由于所在区域边界限制条件难以提取而降低效率，,对于给定范围的,开窗、缩放,栅格结构也比矢量结构优越；,空间数据结构转换,矢量与栅格数据的比较,35,另一方面，矢量结构用于,拓扑关系的搜索,则更为高效，即诸如计算多边形邻域搜索、层次信息等；,对于,网络信息,只有矢量结构才能完全描述；,矢量结构在,计算精度与数据量方面,的优势也是矢量结构比栅格结构受到欢迎的原因之一。,空间数据结构转换,矢量与栅格数据的比较,36,矢量结构与栅格结构的相互转换，是地理信息系统的基本功能之一，目前已经发展了许多高效的转换算法；但是，从,栅格数据到矢量数据的转换,，特别是扫描图像的自动识别，仍然是目前研究的重点。,空间数据结构转换,37,1,、了解,矢量数据和栅格数据的坐标。,如矢量数据的坐标是直角坐标系，原点在图的左下方，栅格数据坐标是行列坐标，原点在图左上方，转换时，一般使直角坐标,x,y,轴与栅格数据行列平行,(0,0),x,y,x,min,x,max,y,max,y,min,(0,0),J,I,x,y,矢量数据,向栅格数据的转换,空间数据结构转换,2,、确定栅格单元的大小。,栅格单元的大小就是它的分辨率，应根据原图的精度，变换后的用途及存储空间等因素予以决定。栅格单元的边长在,X,，,Y,坐标系中的大小用,X,和,Y,表示。设,Xmax,、,Xmin,和,Ymax,、,Ymin,分别表示全图,X,坐标和,Y,坐标的最大值与最小值，,I,，,J,表示全图格网的行数和列数。,矢量数据,向栅格数据的转换,空间数据结构转换,这里,I,和,J,可以由原地图比例尺根据地图对应的地面长宽和网格分辨率相除求得，并取整数,J=(,Xmax-Xmin),/X,I=(,ymax-ymin,) /Y,X,Y,（,0,，,0,）,J,I,x,min,x,max,y,min,y,max,X,Y,矢量数据,向栅格数据的转换,空间数据结构转换,3,、点,的栅格化,点的变换只要这个点落在某一个栅格中，就属于那个栅格单元，其行、列号,I,、,J,可由下式求出：,I=1+INT,（,Ymax-Y,）,/,Y ,J=1+INT,（,X-Xmin,）,/,X ,式中,INT,表示取整函数。栅格点的值用点的属性表示。,4,、线,的栅格,化,如,图所示,，设,两个端点的行、列号已经求出，,其行号为,3,和,7,，则中间网格的行号必,为,4,、,5,、,6,。其网格中心线的,Y,坐标,应为：,Y,i,=Ymax-Y(I-1/2),而与直线段交点的,X,坐标为：,X,i,=(X,2,-X,1,)/(Y,2,-Y,1,)(Y,i,-Y,1,)+X,1,Y,X,3,4,5,6,7,（,X1,，,Y1,）,（,X2,，,Y2,）,5,、多边形（面域）栅格化。,（,1,）射线,算法。,由,待判点向图外某点引射线，判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数，,如果相交偶数次，则待判点在该多边形外部，如为奇数次，则待判点在该多边形内部,，如下图所示。,矢量数据向栅格数据的转换,空间数据结构转换,（,3,）平行线扫描法与铅垂线跌落法,5,、多边形（面域）栅格化。,（,2,）射线算法的改进（平行线扫描法和铅垂线跌落法）。,将射线改为,沿栅格阵列列方向或行方向扫描线,，判断与射线算法相似。省去了计算射线与多边形边界交点的大量运算，大大提高了效率。,矢量数据向栅格数据的转换,空间数据结构转换,行扫描原理,每,两次,遇到同一多边形的边界时，其间的栅格属于该多边形！,内部点扩散原理,矢量数据向栅格数据的转换,空间数据结构转换,5,、多边形（面域）栅格化。,（,3,）内部点扩散算法。,将矢量图 栅格化，每个面域多边形选择一个种子点；判断种子点的,8,个相邻栅格是否在多边形的边界上；进行新的扩散运算，直至所有新老种子点填满该多边形并遇到边界为止。,第二步：,从边界上某一点栅格单元开始按,顺时针,方向跟踪边界上各栅格，对多边形中,岛,则按逆时针方向跟踪，将跟踪的每个栅格分别赋予,R,，,L,，,N,。,5,、多边形（面域）栅格化。,（,4,）扫描算法,/,边界点跟踪法（顺正逆负）,第一步：,边界弧段栅格化,第三步：,逐行扫描，,以多边形,属性充填“,L,与,R”,之间的,栅格单元。,矢量数据向栅格数据的转换,空间数据结构转换,44,主要步骤：,边界提取,二值化,细化,边界追踪,线的简化及曲线圆滑,拓扑关系生成,栅格,数据向矢量数据的转换,空间数据结构转换,1,、多边形,边界提取,采用高通滤波将栅格图像二值化，并经过细化标识边界点，如图所示,二值化。,线划图形扫描后产生栅格数据，这些数据是按从,0,255,的灰度值量度的，设以,G,（,i,，,j,）表示，为了将这种,256,或,128,级不同的灰阶压缩到,2,两个灰阶，即,0,和,1,两级，首先要在最大和最小灰阶之间定义一个阙值，设阙值为,T,，则如果,G,（,i,，,j,）大于等于,T,，则记此栅格的值为,1,。如果,G,（,i,，,j,）小于,T,则记此栅格的值为,0,，得到一幅二值,图,.,空间数据结构转换,栅格,数据向矢量数据的转换,G(i,j)=,1 f(i,j)= T,0 f(i,j)= T,46,1,、多边形边界提取。,细化。,细化是消除线划,横断面的多余栅格，,使得每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线（对面状符号而言）位置的单个栅格的,宽度。即：,将占有多个栅格宽的图形要素缩减为只有,1,个像素,。在此，“细化”可,分为,“剥皮法”和“骨架法”,两大类,。,空间数据结构转换,栅格,数据向矢量数据的转换,(a),(b),(c),(d),50,剥皮法,:,实质是从曲线的边缘开始，,每次剥掉等于一个栅格宽的一,层，直到最后,仅剩下彼此相连的两个栅格宽或恰好一个栅格宽的线划图形,为止。因为一条线在不同位置可能有不同的宽度，故在剥皮过程中必须注意一个条件，,即不允许剥去会导致曲线不连通的栅格,。这是这一方法的关键所在。其解决方法是，借助一个在计算机中存储的，由待剥栅格为中心的,33,栅格组合图（如下图）来决定。判断待剥栅格八邻域是否符合组合图中的可剥中心点的排列形式，如果符合，则剥掉该像元，否则，保留该像元属性值。,51,骨架法：,确定图形的骨架，而将非骨架上的多余栅格删除。,具体做法是扫描全图，,凡是像元值为,1,的栅格用,V,值取代,。,V,值是该栅格与北、东和北东三个相邻栅格像元值之和，即,在,V,值图上保留最大,V,值的栅格，删去其他栅格，但必须保证连通。因为最大,V,值的栅格只能分布在图形的中心线上（骨架上），因此选取最大值栅格的过程就是细化的过程 。,2,、边界线追踪,边界线,跟踪的,目的将细化,处理后的栅格数据,，转化为,从结点出发的线段或闭合的,线条,。,跟踪,时，从,图幅左上角开始,，按顺时针或逆时针方向，从起始点开始，根据八个邻域进行搜索，依次跟踪相邻点,。,并以矢量形式存储,结点,坐标，然后搜索闭曲线，直到完成全部栅格数据的矢量化，写入矢量数据库,。,3,、去除多余点及曲线圆滑,由于搜索是逐个栅格进行的，所以弧段或多边形的数据列十分密集。为了减少存储量，在保证线段精度的情况下可以,删除部分数据点,。,4,、拓扑关系生成,对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。,53,Click to edit company slogan .,Thank You !,54,