教育学空间数据结构PPT课件

1、地球表面类型第1页/共88页二、 地图投影与坐标系统 地球是个球体，是不可展的曲面，使用很不方便，解决的方法是投影。投影指的是在两个点集之间建立一一映射关系。因为地球是一个不规则的球体，将地球表面的地理坐标按一定的数学法则转换为平面坐标的过程称为地图投影。空间信息系统不能仅依靠地理坐标，必须要有平面坐标，地图投影对空间信息系统来说是不可缺少的。bca第2页/共88页主要的地球椭球体参数：p39bcaX=f1(B,L)Y=f2(B,L）第3页/共88页地图投影类型第4页/共88页地图投影变形变形基本类型： 长度变形 面积变形 角度变形第5页/共88页常用地图投影-高斯-克吕格投影第6页/共88页

2、第7页/共88页第8页/共88页高斯投影分带第9页/共88页我国地图投影基本规定1：1万1：50万比例尺地形图均采用高斯投影。1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万第10页/共88页二、空间实体的表达1、空间实体的抽象与表达： 点实体 线实体 多边形实体2、空间实体表达的两种模式： 对象模型 场模型第11页/共88页空间数据的数据模型对象模型场模型第12页/共88页对象模型 对象模型把空间物体划分为离散的对象，用边界线以表示对象范围。 对象模型适合用来表达离散的地物。场模型 场在物理学上是指一种物体实施影响的范围。如磁场、电场。场在空间上是一个连续的范围，没有明显

3、的边界。 场模型用来表达连续的物体。在计算机上通常用点阵来表示。 地形分布、气温分布、空气污染物分布等均属于场模型。 场模型适合用来表达连续分布的地物。第13页/共88页第2节 地理空间数据及其特征一、GIS空间数据分类 （一）按数据来源分类地图数据影像数据文本数据（二）按结构分类： 矢量数据 栅格数据第14页/共88页（三）按数据功能特征分类空间定位数据非空间数据（属性数据）（四）按几何特性分类 点、 线、面、曲面、立体第15页/共88页面：二维空间上的多边形。曲面：三维空间上的表面。立体:三维空间中的物体实体。第16页/共88页（五）按数据发布形式分类 数字线画图（DLG）- Digita

4、l Line Graphic 数字栅格图（DRG） - Digital Raster Graphic 数字高程模型（DEM） - Digital Elevation Model 数字正射影像图（DOM） - Digital Orthophoto Map 第17页/共88页数字线画图（DLG） 是以线要素描述地图要素的矢量 数据集 。 数字线划地图的技术特征为：地图的地理内容、分幅、投影、精度、坐标系统与同比例尺地形图一致。 第18页/共88页数字栅格图（DRG）: 是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格数据集。 数字栅格图生

5、成速度快、使用方便特点。DRG可作为背景用于数据参照或修测拟合其他地理相关信息 。第19页/共88页202021212424202121232320.320.3222226262122.522.52424232325252828242323242422.822.82626 27.527.5232727282823232525262618282830302525262627271928.628.6292925.725.72828 29.229.2192929303026.626.6 24.324.318182030.430.431312020212122222231313232151516161

6、51515152626272712111111111218182020109 98 81017171818数字高程模型 是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集 第20页/共88页二、地理空间数据特征(一）空间定位特征（二）多属性特征（三）时间动态变化特征第21页/共88页三、 空间数据的扑拓关系 (一）定义 拓扑关系：指物体间的空间关系。主要类型有：邻接关系，关联关系，包含关系。 (二）特点：物体的拓扑关系不受坐标系和投影类型、比例尺的影响。 (三）类型第22页/共88页1、拓扑邻接：空间图形的同类元素间的相邻关系。 点：N2/N4 ,N2/N3,N2/N1 线：C2

7、与C5、C3、C1、C4 面：P1与P2、P3； P4与P2用途：相邻地物信息的提取；第23页/共88页2、拓扑关联：空间图形的不同元素之间的拓扑关系。 结点与线段：N1与C1、C3、C6 线段与多边形：P1与C1、C6、C5 用途：路口路线选择判断；多边形封闭检验。第24页/共88页3、拓扑包含：多边形间的包含关系。 P4与P2用途：面积扣除。第25页/共88页第26页/共88页（三）拓扑关系的表达 p46ARC-idFrom-nodeEnd-nodeRight-polygon#Left-polygon#ARCGIS软件拓扑文件表第27页/共88页（四）拓扑关系的作用与意义1、确定物体的空间

8、关系。2、检索与分析空间相关地物。3、重建地理实体。第28页/共88页路口相邻与通达判断电线通达判断第29页/共88页四、空间数据组织的基本形式1、空间分幅2、属性分层（专题、主题）3、时间分段 空间数据与属性数据分开存放（在同一文件内不同段或不同文件），通过关联号进行连接。名称面积海拔价格ID第30页/共88页要求：坐标系一致。第31页/共88页属性分层： 中国人口图层 中国工业图层 中国农业图层 中国外贸图层 中国旅游图层第32页/共88页第3节 空间数据结构类型一、空间数据模型 spatial data model 现实空间世界空间数据模型空间数据结构空间数据库组织与管理计算机存储认知与

9、抽象空间数据模型：指对空间要素认知、抽象和表达方式以及不同空间关系的定义模式。空间数据结构：不同空间数据模型在计算机内的存储和表达方式。空间数据组织：大量计算机化的空间数据的统一管理方式。第33页/共88页 现有的空间数据模型主要有两个：q 场模型：即栅格数据模型，强调空间要素的连续性q 基于对象的模型：即矢量数据模型，强调空间要素的离散性 上述二种模型主要是针对二维平面进行建模的，已经很成熟。但随着应用需求的变化，空间数据模型要求能够反映三维立体和时间维特征：q 三维空间数据模型（3D）q 时空数据模型（4D）第34页/共88页第35页/共88页二、矢量数据结构 vector data st

10、ructure 矢量-矢量也称向量，数学上称“具有大小和方向的的量”为向量。 矢量模型的基础就是将空间要素嵌入在一个坐标空间之中，一般是欧氏空间，在该空间中可以能很好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，能方便进行距离、方位和面积的测量。空间要素在欧氏空间中主要形成三类空间实体：q 点实体 point q 线实体 line,arcq 多边形实体 polygon,region第36页/共88页第37页/共88页 形成矢量数据格式和栅格格式两种的两种地理信息系统,及后来的两种混合数据格式的GIS.(一）矢量数据对空间信息的表达第38页/共88页图形的坐标离散化表达第39页/

11、共88页点状图形：用一个坐标对（X，Y）来表示。线状图形：用一组有序坐标对来表示。（X1Y1, X2,Y2 .XnYn)面状图形（多边形）：用一系列有序坐标对表示。 （X1Y1, .XnYn) （XcYc, .XmYm) （XdYd, .XkYk)第40页/共88页(二）vector data precision and control 矢量数据精度与控制*曲线都可理解为若干条折线的连接。第41页/共88页* 结论：矢量数据对图形的表达的精度，取决于 坐标点的密度。第42页/共88页（三）矢量数据结构类型1、实体数据结构 以点线面为单元进行单独数据组织的数据结构。 点为独立坐标点 线为坐标序列

12、 面为闭合坐标序列第43页/共88页Spaghetti 编码法第44页/共88页优点：以点线面为单元进行数据组织,数据文件结构简单。不足:(1）多边形公共边需要存放两次，数据冗余严重； （2）相邻多边形公共边界可能不重合，没有拓扑信息。2、拓扑数据结构 topology structure encoding （1）构成矢量数据拓扑结构的基本元素第45页/共88页弧段：线段 如街道、电线、网络线、河流、水管。结点：弧段的交点。 如路口、变电站、车站、网络控制器第46页/共88页多边形：弧段封闭的区域。 如地类、街区。岛：孤立的多边形。 多边形中的多边形。如海岛、绿洲。（2）拓扑数据结构的主要数据

13、文件拓扑数据结构组织空间数据的基本方法： 使用弧段来并通过描述其拓扑结构来组织地图数据。 a、弧段拓扑结构文件： 记录弧段标识码、弧段的起始结点、结束结点、左多边形、右多边形。第47页/共88页基于拓扑结构的矢量数据组织第48页/共88页拓扑结构分析： 多边形P1拓扑邻接关系： select all 左多边形or右多边形 for 左多边形= P1 or 右多边形= P1 第49页/共88页多边形P1的弧段关联关系：select all 弧段 for 左多边形= P1 or 右多边形= P1 第50页/共88页b、结点文件 结点代码、X坐标、Y坐标c、弧段坐标文件 弧段代码、坐标d、多边形文件

14、多边形代码、组成弧段代码、面积、周长、其他特征属性第51页/共88页三、栅格数据结构 raster data structure （一）定义 栅格(raster)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，基于栅格模型的数据结构称为栅格数据结构。（二）栅格类型：划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。第52页/共88页（三）栅格数据对地物的表达 点：一个网格（grid),或像元（pixel) 线：上下左右或对角相连的单个网格。 面：连续成片的网格。 栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在

15、位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。 栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。第53页/共88页第54页/共88页1、栅格数据对地物的综合林矿水田第55页/共88页林矿水田水林矿田第56页/共88页第57页/共88页Conclusion:栅格数据对地物表达的精度取决于网格大小。栅格数据精度提高一倍，数据量增加三倍（是原来的4倍）。第58页/共88页2、栅格大小的确定最小地块第59页/共88页 一般以研究区中最小的地物能表示为参照，当最小

16、地物面积为A，则网格边长用下列方法确定，可以确保该地物可以表示在图上：矢量数据栅格化网格边长大小确定方法：第60页/共88页1、栅格矩阵结构记录号 行 列 属性1 属性2 .1 1 1 林 张三2 1 2 矿 刘某3 1 3 矿 刘某12 2 1 林 张三13 2 2 林 张三（三）栅格数据编码与压缩编码方法第61页/共88页2、游程长度编码 Run-length encoding游程（行程）定义： 指栅格矩阵一行内相邻同指（属性）的栅格数量。游程编码方法：每个游程作为一个整体记录。游程编码目的：压缩栅格数据量。游程编码性质：无损数据压缩方法。 第62页/共88页基本参数：栅格数据冗余度 冗余

17、是指数据重复的现象，冗余度是指数据重复的程度。nmQR*1Q为栅格图层中相邻属性值变化次数的累加和。m，n为行列数。R越大（即Q越小），则栅格图可压缩潜力越大。当Q=m*n 时， R=0，栅格图无法压缩。第63页/共88页游程编码压缩比kmnSk为游程总数。第64页/共88页AABBACBBCCCBBBBB（1）游程编码原理游程编号属性编码属性长度1A22B23A14C15B26C37B18B4第65页/共88页（2）游程编码主要数据文件 索引文件、游程数据文件第66页/共88页3、四叉树编码 Quad-tree encoding （1）过程：对2nx2n 大小的栅格图像分割，分为四个象限。

18、若某象限的地物属性值一致，则该象限所有网格作为一个整体记录。 否则继续划分为四个子象限，直到单一属性为止。第67页/共88页00000000000000000000000000000100111111001111110011110000111100001234第68页/共88页10第一次分割第69页/共88页00000000000000000000000000000100111111001111110011110000111100001234第70页/共88页10第一次分割0010000第二次分割第71页/共88页00000000000000000000000000000100111111001111110011110000111100001234第72页/共88页10第一次分割00100000100第二次分割第三次分割父结点：子结点不为空，有四个子结点。叶结点：为单一值，没有子结点。第73页/共88页土地利用四叉树结构实例第74页/共88页第75页/共88页第76页/共88页4、八叉树编码 Octa-tree encoding第77页/共88页 原理：八叉树结