地理信息系统原理及应用第四章.doc

抽象、综合现实世界空间对象（空间实体、空间目标）第四章 空间数据表达4.1空间对象及其定义1.零维空间对象：点状地物；结（节）点2.一维空间对象：拓扑弧段；无拓扑弧段；线状地物3.二维空间对象：无拓扑面片；有拓扑面片；面状地物；象元4.三维空间对象：体状地物；体元4.2 空间对象关系1）点点关系相合；分离；一点为其它诸点的几何中心；一点为其它诸点的地理重心。2）点线关系点在线上：可以计算点的性质，如拐点等；线的端点：起点和终点；线的交点；点与线分离：可计算点到线的距离。3）点面关系点在区域内，可以记数和统计；点为区域的几何中心；点为区域的地理重心；点在区域的边界上；点在区域外部。4）线线关系重合；相接；首尾环接或顺序相接；相交；平行。5）线面关系区域包含线：可计算区域内线的密度；线穿过区域；线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称；线与区域分离。6）面面关系包含：如岛的情形；相交：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或；相邻：计算相邻边界的性质和长度；分离：计算距离、引力等。 4.3空间数据的计算机表示* 现实世界* 模型* 实物模型、符号模型、数学模型* 数据建模 * 数据组织方式（如：数据分层，属性组织）、选择数据结构（矢量/ 栅格）、数据结构编码（数据结构的实现） 4.4空间数据结构的类型数据结构：矢量结构：用点、线、面表现地理实体，其空间位置由所在的坐标参考系中的坐标定义。栅格结构：空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）；地理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义；栅格的值代表该位置的属性值；栅格的大小代表空间分解能力。4.5空间数据结构的建立 数据结构在GIS中对于数据采集、存储、查询、检索、应用分析等操作方式有着重要的影响。 空间数据编码是空间数据结构的实现。 高效的数据结构，应具备如下几个方面的要求(P54):4.6空间对象的矢量表达* 矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、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方式；* 通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体；* 点：只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码 ；* 线段：用一系列有序的、足够短的直线、顺序相接表示，为一个有序的坐标对序列。* 多边形：由一系列多而短的直线段组成的、首尾相连的坐标对 。 矢量表示法 定义：矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。* 点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形； 获取方法* 定位设备（全站仪、GPS、常规测量等）；地图数字化；间接获取；栅格数据转换；空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据） 矢量数据表达考虑内容* 矢量数据自身的存储和管理；几何数据和属性数据的联系；空间对象的空间关系（拓扑关系） 矢量数据表达* 简单数据结构、拓扑数据结构、属性数据组织面实体：多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。 矢量数据结构分为简单数据结构（也称面条数据结构）、拓扑数据结构和曲面数据结构；拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。 （一）实体数据结构* 只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。又称简单数据结构或面条（Spaghetti）结构。 存储：* 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；* 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 特征* 数据按点、线、面为单元进行组织，数据结构直观简单；* 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性；* 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询；* 岛或洞只作为一个简单图形，没有与外界多边形的联系；* 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 适用范围：* 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析 实例：* ArcView的Shape文件、MapInfo的Tab文件简单的矢量数据结构面条结构（Spaghetti）矢量数据表达拓扑数据结构* 不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系* 表达对象：关联关系* 表达方式：全显式表达、部分显式表达* 拓扑关系物理实现：直接存储、串行指针* 拓扑关系与数据共享* 采用拓扑关系的原则空间数据的拓扑关系在GIS中，凡具有网状结构特征的地理要素，都存在节点、弧段和多边形之间的拓扑关系。拓扑定义：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。 将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。拓扑变换（橡皮变换）：拓扑种类： 拓扑关联： （不同类要素之间）如：结点与弧段：V9与L5,L6,L3；多边形与弧段：P2与L3,L5,L2。拓扑邻接： (同类元素之间)多边形之间、结点之间；邻接矩阵；重叠：邻接：1 、不邻接：0拓扑包含：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。 简单包含、多层包含、等价包含拓扑关系的意义： 对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：* 1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。* 2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。* 3）根据拓扑关系可重建地理实体。拓扑结构：全显式表达拓扑结构：部分显式表达 双重独立式 编码（DIME）：这种数据结构最早是由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，简称为DIME(Dual Independent Map Encoding)系统或双重独立式的地图编码法。链状双重独立式编码-拓扑数据结构1、 弧段文件：弧面，弧结点关系2、 节点文件： 结点链关系3、 弧段坐标文件4、 面文件在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。拓扑结构：拓扑关系与数据共享；维护数据的一致性拓扑结构：是否需要拓扑结构? 应用目的：制图或一般查询，可不要拓扑结构；空间分析，则应建立拓扑关系 服务对象和系统数据结构： 面状目标：面-弧、弧-面； 网络目标：点-弧、弧-点。矢量数据结构：属性数据表达与组织属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格属性表的内容取决于用户图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记 录号实现。矢量数据结构：特点* 用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含* 用拓扑关系描述空间对象之间的关系* 面向目标操作，精度高，数据冗余度小* 输出图形质量好，精度高* 与遥感等图象数据难以结合4.7 空间对象的栅格表达栅格数据模型是基于连续铺盖（Regular Tessellations）的，它是将连续空间离散化，以规则或不规则的铺盖覆盖整个空间。栅格数据结构：基于栅格模型的数据结构。1、 定义：栅格数据结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。 点用一个栅格单元表示； 线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上，各栅格的值相同； 面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。二、栅格数据的特点用离散的量化栅格值表示空间实体；属性明确，位置隐含；栅格边长决定了栅格数据的精度；数据结构简单，易与遥感结合；多层数据叠合操作简单；图形质量低且数据量巨大；难以建立地物间的拓扑关系，网络分析比较困难。(a)中a点与c点之间的距离是5个单位，但在 (b)中，ac之间的距离可能是7，也可能是4，取决于算法。如以像元边线计算则为7，以像元为单金大会则为4。同样， (a)中三角形的面积为6个平方单位，而 (b)中则为7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。 三、数据获取方式* 目读法* 从扫描仪获取数据；* 从摄象机获取数据；* 从遥感获取数据；* 从矢量数据转换为栅格数据。四、栅格取值原则栅格是均质（只能取一个值）、最小的单元；但实际上，一个栅格可能对应与实体中几个不同的属性。中心点法：用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码 （C）；（上图）面积占优法：以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代码 （B）（上图）长度占优法：通过栅格中心画一横线，用横线所占最长部分的属性作为本栅格元素的代码（C）；重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型