第二章地理信息系统的数据结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 地理信息系统的数据结构,1,地理空间及其表达,2,地理空间数据及其特征,3,空间数据结构的类型,4,空间数据结构的建立,1,地理空间及其表达,一、地理空间,（,Geo-spatial,）,的概念：是指上至大气电离层，下至地幔莫霍面的广大区域，其定位一般采用,空间定位框架,来实现，包括：,（一）平面控制网：,中国有：,1954,北京坐标系，,1980,国家大地坐标系，地心坐标系；可用大地坐标表示（,L,B,H,）（经度、维度、高程），也可用大地直角坐标表示（,x,y,z,）；,地图投影：将地球面上各点的大地坐标（,L,B,H,），按照一定的数学法则变换为平面上相应点的平面直角坐标（,x,y,z,）的过程；我国多采用高斯,克吕格投影。,各种坐标通过一定的数学模型的转换参数，在一定的精度范围内可以互相转换。,（二）高程控制网：,现在采用青岛验潮站,1953,至,1979,年验潮资料计算确定的比黄海平均海面高,29mm,。,二、空间实体的表达,空间实体：是指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体。,其主要类型包括点,(point),、线,(line),、面,(polygon),、曲面,(surface),和体,(volume),。,空间实体的表达,1,、矢量表示法：,采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素；构建矢量数据模型；,2,、栅格表示法：,采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素；,构建栅格数据模型。,2,地理空间数据及其特征,一、,GIS,空间数据的分类,（一）按照数据来源分类：,地图数据：普通地图和专题地图；,影像数据：遥感影像；,文本数据：调查报告，实测数据，文献等；,（二）按照数据结构分类：,矢量数据：,栅格数据：,（三）按照数据特征分类：,空间定位数据：指表达空间实体在地球上位置的坐标数据；,非空间属性数据：指有关空间实体自身的名称、种类、质量、数量等特征的数据。,（四）按照数据几何特征分类：,点：,0,维数据，如电视塔、三角点等；,线：,1,维数据，如河流、道路等；,面：,2,维数据，如湖泊、行政区等；,曲面：,2.5,维数据，如地形、气温等；,体：,3,维数据，如地质构造、矿产等。,（五）按照数据分布形式分类：,数字线画图（,DLG,）数据：是现有地形图要素的矢量数据，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述目标；,数字栅格图（,DRG,）数据：现有纸质地图经计算机处理后（扫描）得到的栅格数据文件；,数字高程模型（,DEM,）数据：以数字的形式表达地形起伏的数据。,数字正射影像（,DOM,）数据：对遥感数字影像进行处理形成的数字正射投影影像数据。,二、空间数据的基本特征,基本特征,空间特征,定位特征,：空间实体在地球表面上的分布、形状、大小等几何特征,拓扑特征,：空间实体间的关系,属性特征,时间特征,空间特征,是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系,；,属性特征,是指空间对象的专题属性；,描述现象的特征，如空间实体的类别、属性等,时间特征,是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化,。,三、空间数据的拓扑关系,拓扑结构：,明确定义空间结构关系的一种数学方法。,1,、拓扑关系的类型：,拓扑邻接：指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系；,拓扑关联：指存在于空间图形的不同类型元素之间的拓扑关系；,拓扑包含：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,a a,b e b e,c d c d,结点之间拓扑关系,a b c,d,面块之间拓扑关系,d,a,b,c,拓扑关系可以用一系列二维表表示：,a,3,N,1,a,1,P,3,a,5,N,4,P,1,a,4,a,6,N,3,P,4,a,7,N,2,P,2,a,2,图形的拓扑关联性,多边形邻接矩阵 多边形邻接表,多边形之间邻接性,2,、空间拓扑关系的意义：,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；,不受比例尺限制，也不随投影关系变化；几何形状不同，它们的拓扑关系可能相同。,利用拓扑数据有利于空间要素的查询；,可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。,四、空间数据的计算机表示,定位特征,拓扑特征,属性特征,3,空间数据结构的类型,矢量数据结构,栅格数据结构,曲面数据结构,矢量结构,栅格结构,一、矢量数据结构,矢量数据结构是一种利用欧几里德几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织形式。,FN,：,始结点；,TN,：,终结点；,LP,：,左,多边形；,RP,：,右多边形。,（一）实体数据结构,点、线、面各自独立组织，直观；,多边形以闭合线段存储，公共边界被数字化两次，造成数据冗余和不一致；,没有拓扑数据，相互间不关联；,岛只作为一个单个图形，与外界多边形无联系,。,2,、拓扑数据结构,点,是,相互独立的；,点连成线；,线构成面。,结点文件：,包括每个结点的结点号、结点坐标、与该结点连接的弧段标识码，见下表：,结点号,结点坐标,弧段标识码,N1,(x1,y1),C4,C1,C3,N2,(x2,y2),C1,C5,C2,N3,(x3,y3),C2,C3,C10,定位特征,拓扑特征,拓扑数据的弧段文件：,由弧段标识码、,FN,、,TN,、,LP,、,RP,构成。,拓扑特征,拓扑数据的多边形文件：,由多边形标志码、组成多边形的弧段标识码以及相关属性。,多边形标志码,弧段标识码,属性（特征）,P1,C1,C2,C3,农田,P2,C1,C5,C6,C4,森林,P3,C6,C7,C8,建筑,二、栅格数据结构,栅格数据结构：,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。,点：,一个单元网格表示，其数值与近邻网格值明显不同；,线：,一串有序的 相互连接的单元网格表示，各个网格值比较一致但与邻域值差异较大；,多边形：,由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部的网格值相同或差异较小，但与邻域值差异较大。,栅格数据的取值：,面积占优法：,C,中 心 点 法：,A,长度占优法：,A,重 要 性 法：,D,为突出某些主要属性，只要在栅格中出现，便视为该值，如,D,具有重要特性。,栅格尺寸的确定：,应小于最小图斑的最小距离的一半。,A,既不属于左栅格单元，也不属于右栅格单元，所以消失,细分以后，,4,个更小单元能很好反应该图斑,（一）栅格矩阵结构,存储容量大，冗余度大,，若再细分，存储空间呈几何级数递增，且冗余度更大，须压缩。,（二）游程编码结构：,逐,行,将相邻同值网格合并，并记录合并后网格的值及其长度。,游程：,指相邻同值网格的数量。,这种方法降低了数据的冗余度,R,e,（,1/5,即有良好压缩效果）,R,e,=1,；其中是相邻属性值变化总次数，、是网格行列数。如本例,R,e,1,7/4*4=0.5625,为了 提高系统对数据的访问效率，通常采用索引顺序文件的方法来组织数据。,3,、四叉树数据结构：,将空间区域按照四个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止，凡数值呈单调的单元，不论单元大小，均作为 最后的存储单元。,四叉树十进制编码及其,Morton,码（,M,D,码）,三、曲面数据结构,曲面是指,连续分布,现象的覆盖表面，如地形、降水量、磁场等。,通常采用不规则三角网,TIN,(Triangulated Irregular Network),来拟合，使得其,表面任意一点的数据均能自动求得,。,4,空间数据结构的建立,根据用户需求，确定数据项目,根据数据项，确定数据源,数据分类和编码,确定数据模型和数据结构类型,数据输入与编辑操作,矢量数据输入与编辑,栅格数据输入与编辑,跟踪数字化,扫描矢量化,解析测图仪,数据结构转换,数据结构转换,透明格网采集,扫描数字化,矢量数据库,栅格数据库,数据结构建立,的基本过程,根据系统工程的方法和步骤进行。,一、系统功能与数据间的关系,（,P61,）,现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系,(,见下,表,),，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；,对开发的,GIS,系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发,GIS,系统之前，首先要进行系统分析。,系统功能与数据间的关系,(,据,Jack,Dangermond,等,),二、空间数据的分类和编码,（一）,空间数据的分类：,是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据,组织,为不同的信息层,(,见下图,),；,数据分类原则：,图形原则,（点、线、面）、,对象原则,以我国基础地理信息数据分类为例，分为测量控制点、水系、居民地、交通、管线、境界、地形与土质和植被八大类，然后再依次细分为小类、一级类、二级类。,如建立某风景区空间数据库可分为景点、景区、道路、居民点、河流、水库、管线、地形、植被、境界等类别，建立各自对应的图层。,（二）空间数据的编码：,是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示：,大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别位,大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。,国土基础信息数据分类与代码举例,三、矢量数据的输入,手扶跟踪数字化仪输入,扫描矢量化输入,解析测图仪数据输入,数据传输和转换输入,四、栅格数据的输入,透明格网采集输入,扫描数字化输入,数据传输和转换输入,五、曲面数据的输入,利用已知的离散点进行空间插值,