课件：第二章GIS的数据结构南京信息工程大学地理信息系统GIS.ppt

第二章 GIS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,1.1 地理空间的概念 GIS的地理空间 GIS 在空间定位采用空间定位框架来实现，大地测量控制系统，用以建立地球的几何模型来精确的测量地球上任一点，包括平面位置和高程。,GIS的地理空间,定位框架,空间特征实体,空间位置确定,高程确定,地理 坐标 （，）,平面 坐标 （x，y）,1985国家高程基准,几何形态,属性特征,空间关系,投 影,时序特征,定位框架,地理坐标系是以参考椭球面为基准面，用以表示地面点位置的参考系，在这地球椭球面采用经纬度来表示地面点或空间目标的位置，记作（ ， ）,坐标参考系统平面系统,直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置,建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置,投影,将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影,定位框架,地图投影：投影理解,A,B,C,a,b,c,S,定位框架,地图投影：投影实质,建立地球椭球面上的点的地理坐标（，）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。,地球椭球面上经纬线网,平面上相应经纬线网,数学法则,定位框架,地图投影：投影变形,将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。,长度变形 面积变形 角度变形,定位框架,地图投影变形的图解示例 （摩尔维特投影等积伪圆柱投影）,定位框架,地图投影变形的图解示例 （UTM横轴等角割圆柱投影）,定位框架,常识：我国常用地图投影,1：100万： Lambert投影（正轴等积割圆锥投影） 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯克吕格投影（横轴等角切椭圆柱投影） 大部分省区图及大多数同级比例尺也采用Lambert投影,x,y,定位框架,大地水准面,任意水准面,铅垂线,空间数据的地理参照系高程系统,用来量测由高程基准面起算的地面点的高度,定位框架,1987年以前，我国高程的起算面是黄海平均海水面； 1987 年我国的高程基准面启用1985国家高程基准； 1985国家高程基准比黄海平均海水面上升29毫米。,GIS的地理空间,定位框架,空间特征实体,空间位置确定,高程确定,地理 坐标 （，）,平面 坐标 （x，y）,1985国家高程基准,几何形态,属性特征,空间关系,投 影,时序特征,1.2 地理空间实体及其表达,空间实体及其表达 地理空间实体指具有形状、属性、空间和时序特征的空间对象或地理实体，包括点、线、面、曲面和体。,空间特征实体,2 地理空间数据及其特征,一、 GIS空间数据的分类 二、空间数据的基本特征 三、空间数据的拓扑关系 四、空间数据的计算机表示,一、空间数据的分类,（一）按数据来源分： 地图数据：主要的数据来源 影像数据：重要的数据来源 文本数据：各类调查报告、实测数据、文献资料等,空间数据的分类,（二）按数据结构分： 矢量数据：用欧氏空间的点、线、面等几何要素来表达实体的几何特征的数据； 栅格数据：是将空间分成规则的网格，在各个网格上给出相应的数据值来表示空间实体的一种数据组织形式。,空间数据的分类,（三）按数据特征分： 空间数据：表达空间实体在地球上位置的数据； 非空间属性数据：有关空间实体自身名称、种类、 质量、数据量等特征的数据。,空间数据的分类,（四）按几何特征分： 点：零维 线：一维 面：二维 体：三维 时间：通常以第四维表达，但目前时态GIS还不够成熟。 空间对象的维数与比例尺是相关的。,香港城市道路网分布,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,中国土地利用分布图（不连续面）,空间数据的分类,（五）按数据发布形式分： 数字线画图（DLG)数据： 数字栅格图（DRG)数据： 数据高程模型（DEM)数据： 数字正射影像（DOM)数据:,2 地理空间数据及其特征,一、 GIS空间数据的分类 二、空间数据的基本特征 三、空间数据的拓扑关系 四、空间数据的计算机表示,二、空间数据的基本特征,1、空间数据的基本特征 空间特征（定位特征和拓扑特征） 表示空间对象的地理位置及其空间相互关系。 属性特征 表示实体的特征，用来说明是什么。如事物的名称、类型、等级、数量等。 时间特征 描述实体随时间的变化。,2、空间数据的基本信息 属性信息 定位信息（理论基础是几何学geometry) 用空间坐标的位置、方向、角度、距离、面积等信息描述物体的几何形状和数量特征； 拓扑信息（理论基础是拓扑学topology) 用几何关系的相连、相邻、包含等信息描述物体元素之间的关系；,A,C,B,2 地理空间数据及其特征,一、 GIS空间数据的分类 二、空间数据的基本特征 三、空间数据的拓扑关系 四、空间数据的计算机表示,三、空间数据的拓扑关系,描述空间对象之间的空间相互作用关系，拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法。,从拓扑的观点看只关心空间点、线、面之间的关系，以反映其逻辑关系，而不关心其几何形状。因此，拓扑信息是一种性能比较稳定的信息.如它不受投影关系、比例尺而变化。,起点,终点,中间点,弧段1,弧段3,弧段2,弧段4,点:,面:,弧:,孤立点,拓扑构成元素,三、 空间数据的拓扑关系 1、拓扑关系的类型 拓扑邻接：空间图形中同类元素之间的拓扑关系。 拓扑关联：空间图形中不同元素之间的拓扑关系。 拓扑包含：空间图形中同类但不同级元素之间的 拓扑 关系。,P0,表2-1 面域 弧段 P1 e1,e6,e5 P2 e5,e4,e2 P3 e3,e4,e6,-e7 P4 e7,表2-2 节点 弧段 N1 e1,e3,e6 N2 e1,e5,e2 N3 e2,e4,e3 N4 e4,e5,e6 N5 e7,表2-3 弧段 节点 e1 N2,N1 e2 N3,N2 e3 N1,N3 e4 N4,N3 e5 N4,N2 e6 N1,N4 e7 N5,N5,表2-4 弧段 左邻面 右邻面 e1 P0 P1 e2 P0 P2 e3 P0 P3 e4 P3 P2 e5 P2 P1 e6 P3 P1 e7 P4 P3,P0,2、空间数据（特征）的拓扑关系的意义？ 可以确定相对的位置关系。拓扑不随地图投影而变化。 有利于空间要素的查询。 可以重建地理实体。如最佳路径选择、弧段构建多边形。,2 地理空间数据及其特征,一、 GIS空间数据的分类 二、空间数据的基本特征 三、空间数据的拓扑关系 四、空间数据的计算机表示,现实世界到信息世界通过对空间实体进行数据表达。 空间实体的两种数据表达方法：矢量表示法和栅格表示法。,1、计算机中的地理信息,属性信息或 专题信息,空间信息,地理坐标 直角坐标,数字 代码,两者通过标识或关键字段连接,栅格结构 矢量结构,空间对象的表达：矢量数据模型和栅格数据模型,四、 空间数据的计算机表示,矢量结构中 点用空间坐标来表示； 线由一串坐标对组成； 面是由线所形成的闭合多边形。,栅格结构中 点是一个像元； 线由一定方向上连接成串的相邻像元组成； 面由聚集在一起的相邻像元集合来表示。,矢 量 数 据 结 构,栅 格 数 据 结 构,矢量数据结构 数据结构 栅格数据结构 2、空间数据表示的基本方法 （1）空间分幅 （2）属性分层：从逻辑上将空间数据抽象为 不同的专题或层。 （3)时间分段：将地理数据按变化规律分成不同的时间段数据。,空间数据的计算机表示,四、空间数据的计算机表示,图幅1,图幅M,图层1,图层L,类型1,类型2,类型K,目标1,目标2,目标N,点目标：(x，y） 线目标： (x1，y1， xn，yn ） 面目标： (x1，y1， xn，yn x1，y1 ）,属性+关系,DB,由目标构成的数据库的逻辑过程,以矢量数据结构为例 （1）首先分幅、分层；（2）将每一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标，其中弧段为基本存储目标（由定位数据、属性数据和拓扑数据组成）。,N1,N2,N5,N4,N3,N6,P1,P2,P4,P3,C1,C5,C3,C2,C4,ID,（3）对目标进行数字化表示：,思考与练习,GIS中为什么要考虑地图投影？投影的实质？ GIS中空间数据来源有哪些？ 空间数据的基本特征是什么？ 如何来理解拓扑关系？空间数据的拓扑关系是怎样建立 和表达的？ 如何实现地理空间数据在计算机中的表示？,点、线、面,空间特征 拓扑关系 属性特征 时间特征,空间数 据模型,空间 数据 结构,3 空间数据结构类型,空间数据结构则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 一般分为基于矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构。,3 空间数据结构类型,一、矢量数据结构 二、栅格数据结构 三、曲面数据结构,3 空间数据结构类型,矢量数据结构 利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地里实体空间分布的一种数据组织方式。是通过记录坐标的方式来表示点、线、面及其组合体等地理实体。 点：用空间坐标来表示； 线：由一串坐标对组成； 面：是由线所形成的闭合多边形 特点：定位明显，属性隐含 主要分类：实体数据结构、 拓扑数据结构,一、矢量数据结构,（一）矢量数据结构实体数据结构,实体数据结构（简单数据结构） 在实体数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线、面）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系。 最典型的是面条（ Spaghetti）结构。,实体型数据结构,实体是指地图的基本元素：点、线、面,P,L,R1,R2,P（x1,y1) L (x2,y2)(xn,yn) R1 (xn+1,yn+1) (xn+1,yn+1) R2 (xm+1,ym+1) (xm+1,ym+1),对象,Spaghetti结构：点、线、多边形有各自的坐标表，互相之间并不相连。,（2）有各自坐标，没有拓扑数据，互相之间不关联；,矢量数据结构实体数据结构,主要特点：,（3）多边形公共边存储两次，造成数据冗余和不一致；,（1）数据按单元组织，数据直观简单；,（4）岛只作为一个单个图形，与外界多边形没有联系。,拓扑数据结构的组织 节点文件 节点记录 每个节点的节点标识码、节点坐标及与该节点联接的弧段标识码等 弧段文件 弧段记录 每个弧段记录包括弧段标识码、FN、TN、LP、RP 多边形文件 多边形记录 多边形标识码、组成多边形的弧段标识码以及相关属性等,3.1 矢量数据结构拓扑数据结构,拓扑数据结构的弧段文件构成,节点文件构成、弧段坐标文件构成、多边形文件构成怎么表示？,一、矢量数据结构 二、栅格数据结构 三、曲面数据结构,3 空间数据结构类型,1、栅格数据结构的概念 指基于栅格模型的数据结构，是将地球表面划分为大小相等的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码表示该像素的属性类型或量值。,1,2,3,二、栅格数据结构,点是一个像元； 线由一定方向上连接成串的相邻像元组成； 面由聚集在一起的相邻像元集合来表示；,地物的栅格表示：,1,2,3,特点：属性明显，定位隐含。,2、栅格相关的参数,栅格的行列坐标系 栅格的尺寸 栅格的属性确定,2019/8/5,57,可编辑,它们之间的关系为： X=（Xmax-Xmin）/J Y=（Ymax-Ymin）/I,X和Y表示栅格单元的边长；Xmax、Xmin；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。,栅格的尺寸确定,栅格单元的大小 栅格单元的大小就是它的分辨率。 栅格数据精度 网格边长决定了栅格数据的精度。,1,2,3,1,2,3,尺寸确定原则： 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。 格网尺寸太大，忽略较小图斑，信息丢失。 一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。 一般可通过保证最小多边形的精度标准来确定网格尺寸,栅格的尺寸确定,；,A,A,一般采用以下公式计算出合适的网格边长,H,H/2,栅格的尺寸确定,栅格属性的确定,中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。 重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。 长度占优法：每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。,栅格属性的确定,栅格数据结构主要存储类型,（一）栅格矩阵结构 （二）游程编码结构 （三）四叉树数据结构,栅格矩阵结构的概念 栅格矩阵结构是用一种矩阵来存储栅格数据单元的存储结构。栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码。每个网格对应一种属性，空间位置用行和列来标识。 文件存储方式： 显式存储：指每个栅格单元同时存储其行，列号及属性值。 隐式存储：行列号不予存储，即隐含行列号，从上到下， 从左到右顺序存储栅格属性值，以节省存储单元。,（一） 栅格矩阵结构,存储空间= 每个元素的存储空间 x 行数 x 列数. 用此方法存储栅格数据时，在阵列中存在大量相同属性数据，其存储量可以大大压缩。,0，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。,（a）点 （b）线 （c）面 图：点、线、区域的格网 对于这种情况，逐行逐列存储像元信息，太浪费存储空间了！,游程：栅格矩阵一行（列）相邻同值栅格的数量称为一个游程，也成为行程。 游程编码结构：对于一幅栅格图像，常常有行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，逐行（列）将相邻同值的栅格合并，记录合并后栅格的值及合并栅格的数量。目的压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。,（二）游程编码结构,游程编码结构建立的方法： 游程长度编码：是逐行将相邻的同值网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度。即 （栅格元素的属性值，游程的连续长度),（2，2）（5，2）,（2，2）（5，4）,以第一行为例：,合并网格的属性值,游程,经过压缩后的所有记录组成二元组序列（Ai，Pi），i=1，K，且KN.,用一个二元组来表示一个记录，（A，P）,沿行方向进行编码：( 0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,（a）,（b）,记录方式：只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录 该代码以及相同代码重复的个数；,二元映射,下图 游程编码表示栅格矩阵数据,沿行方向进行编码：( 0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,（b）,（c）,数据压缩率 压缩前的数据记录数为N，压缩后简化为K条记录， KN 公式 上例，像元记录次数的压缩前为64条，压缩后为22条 即压缩率：(64-22）/64*100%=65.625%,数据压缩率 =, 100%,压缩率的大小取决于栅格数据的性质； 是与图的复杂程度成反比的。,冗余度Re： Re =1-（Q/m*n） 其中：Q为图层内相邻数据值变化次数的累加和； m、n分别为图层网格的行数、列数。 压缩比S: S=m*n/K 例：64/223：1 其中：k为游程总数。,Re1/5时，栅格压缩的效果明显。例：1-21/64,差分映射预处理,文件组织方法,分别建立“索引文件”和“数据文件” 索引文件中，记录了栅格矩阵结构中的每一行所对应的游程累计数K。 数据文件中，记录着每个游程序号所对应的二元组的编码值。,从位置参数访问属性特征,从属性查访分布位置,（二）游程编码结构,数据文件,索引文件,例如：3行3列 属性值7 属性值7 2行2列、3行前3列,四叉树数据结构原理：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。这四个等分区称为四个子象限。,NW 0 NE 1 SW 2 SE 3,（三）四叉树编码结构, ,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,0 0 0,0 3 3 3 0 3 3 3,3 3 5 3 0 0 2 2,2 3 2 2 2 2 0 2,2 2 2 5 2 5 5 5,3 3,3 5 5,西南,东南,西北,东北,四分化的方式： 自上而下方式：先检验全区域，其值不单调时继续四分划，直到 数值或内容单调为止。,（三）四叉树编码结构,自下而上方式：对栅格矩阵结构的每四个网格进行顺序扫描，如果四个网格值相同，则合并；不同，则作为四个叶结点记录。依此逐层向上，直到生成根结点。P49图2-27,从上而下的分割因需要重复检查有大量的运算; 从下而上的方法重复计算较少，运算速度较快。,四叉树编码的方法,常规四叉树编码：每个节点存储6个量，即4个子节点指针，1个父节点指针和1个节点属性代码。 线性四叉树编码：只存储最后叶节点的信息，不用指针。 每个节点存储3个量， 即莫顿码、深度和节点 值。,（三）四叉树编码结构,线性四叉树编码算法：,计算地址：ADDRES( I, J ) = 2 x I + J； 按地址由小到大排序，正是自下而上的扫描顺序； 扫描检测，判断相邻四个网格值是否完全相同，同则合并，地址为原来四个 单元的第一个单元地址；若不同，则作为叶结点记录下来； 注意：对于不是方阵的栅格数据，则以0补足进行计算。 线性四叉树编码方法即通过格网所在的行列号来计算它的地址编码。,5行*6列,8行*8列,基于十进制的Morton码MD的算法,按位操作,线性四叉树压缩算法,线性四叉树压缩算法,5行*6列,8行*8列,一、矢量数据结构 二、栅格数据结构 三、曲面数据结构,3 空间数据结构类型,曲面数据结构 对于曲面要素（如地形、降水、温度和磁场等）它们覆盖连续表面，表达和存储这些要素的基本要求是必须便于计算连续现象在任意点的数值。 通常采用不规则三角网（Triangulated Irregular Network ，TIN ）和规则格网（Grid)来表达。,三、曲面数据结构,（一）TIN曲面数据结构的组织 每个三角形构成一条记录，包括： 三角形标识码； 相邻三角形号； 三角形顶点号； 各顶点的空间坐标值（x,y,z） x, y 坐标表示三 角网中三角形顶点的空间位置； z轴一般用于表示现 象的属性，如地形高程。,三、曲面数据结构,（二）Grid曲面数据结构的组织 类似于矩阵形式的栅格数据，其属性值为地面的高程或其他连续分布现象的数值。,指根据确定的数据结构类型，形成该数据结构相适应的GIS空间数据的整个过程。 其主要内容与步骤如书上图2-38。主要为以下几个步骤： 根据用户需求，确定数据项目； 确定数据源；（本章2） 数据分类和编码； 确定数据结构类型；（本章3） 数据输入与编辑操作。,4 空间数据结构的建立,根据用户需求，确定数据项目,根据用户需求，确定数据源,数据分类与编码,数据输入和编辑操作,确定数据模型和数据结构类型,矢量数据输入与编辑,栅格数据输入与编辑,矢量数据,栅格数据,跟踪数字化,扫描矢量化,数字测图仪,数据结构转换,图像扫描,遥感解译,数据结构转换,4.1 系统功能与数据间的关系 系统的功能需求决定需要哪些数据,4 空间数据结构的建立,4.2 空间数据的分类和编码 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)。,4 空间数据结构的建立,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。 空间数据的编码： （1）编码原则 （2）编码方法:层次分类编码法 多元分类编码法,GIS中的代码类型： 分类码 识别码 编码方法： a、层次分类编码 b、多源分类编码,空间对象的编码（续）,a、空间对象的层次分类编码,按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系,高压711,