第2章地理空间现象的计算机表达

1、1空间数据库技术空间数据库技术 李瑞改李瑞改2第二章第二章 地理空间现象的计算机表达地理空间现象的计算机表达3地理现象的表达地理现象的表达现实世界现实世界 空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达 4第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达5地理空间坐标系（LatitudeLatitude）（LongitudeLongitude）6地图坐标系地图坐标系7国家高程基准国家高程基准8地图投影：投影实质地图投影：投影实质投影面地球9地图投影地图投影10地图坐标系地图坐标系11我国的大地坐标系我国的大地坐标系12高斯高斯-克吕格投影克吕格投影高斯高斯-克

2、吕格投影克吕格投影13高斯高斯- 克吕格投影克吕格投影14高斯高斯-克吕格投影克吕格投影15高斯投影分带高斯投影分带1622带投影参数带投影参数17地形图分幅编号地形图分幅编号18第二节 地理空间实体19第二节 地理空间实体及地图表示20第二节 地理空间实体及地图表示21二、空间实体二、空间实体22第二节 地理空间实体n2、延展度 空间物体的延展度反映了空间实体的空间延展特性。23第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述现实世界概念（数据）模型信息世界（逻辑）数据模型机器世界认识抽象转换 信息的抽象过程实际上涉及到信息的三种不同世界：现实世界现实世界、信息世界信息世界和机器世界机器世

3、界。按照不同的应用层次可以把数据模型划分为概念（数据）模型概念（数据）模型和（逻辑）数据模型（逻辑）数据模型。24第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述25（1）对象模型）对象模型26（2）场模型27（3）网络模型28第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述1.实体对象的概念：实体对象（entity object ）：被定义了特定编号的实体称为实体对象。实体具备的三个基本条件： （1）被识别； （2）重要（与问题相关） （3）可被描述（有特征）29第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述30点点（point）实体实体 有位置，无宽度和长度；有位置，无宽度和长度；

4、 抽象的点抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站美国佛罗里达洲地震监测站2002年年9月月该洲可能的该洲可能的500个地震位置个地震位置31n2、主要的实体对象（2）线对象 线对象是维度为1的空间实体， 由一系列坐标表示，并有如下特征。n实体长度：从起点到终点的总长。n弯曲度：用于表示弯曲的程度，如道路拐弯时。n方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。 线状实体包括线段、边界、链、 弧段、网络等。第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述32线线(line)实体实体 有长度，但无宽度和高度有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多用来描述线状实体，通常

5、在网络分析中使用较多 度量实体距离度量实体距离香港城市道路网分布香港城市道路网分布33n2、主要的三类实体对象（3）多边形对象 面状实体也称为多边形，是对 湖泊、岛屿、地块等一类现象的描 述。通常由一封闭曲线加内点来表示。n1)面积范围;n2)周长;n3)独立性或与其他的地物相邻，如中国及其周边国家;n4)内岛，如岛屿的海岸线封闭所围成的区域等。u重叠与非重叠现象第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述34面面(polygon)实体实体 具有长和宽的目标具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面一般分为连续面和不连

6、续面中国土地利用分布图（不连续面）中国土地利用分布图（不连续面） 35空间对象：面(surface)连续变化曲面：如地形起连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。的内部是同质的。36空间对象：体空间对象：体(Solid)有长、宽、高的目标有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标建筑、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑3

7、7第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述把地理空间的事物和现象作为连续的变量看待。主要作用：模拟具有一定空间内连续分布特点的现象。二维场模型、三维场模型。类型： （1）图斑模型（用数学函数表示某一属性的变化）； （2）等值线模型（等高、等温）； （3）选样模型（离散点、断面线、不规则三角网、规则网格）381、图斑模型 图斑模型将一个地理空间划分成一些简单的连通域，每个区域 用一个简单的数学函数表示一种主要属性的变化。根据表示地理现 象的不同，可以对应不同类型的属性函数。u（1）常量最简单 每个区域中的属性函数值保持一个常数。图斑模型常常被用于 描述土壤类型、土地利用现状、植被以及生

8、物的空间分布。除了单 一属性值，还有多属性值的情况。u（2）线性函数 对平面上划分的每个区域，对应的属性函数值的变化不是常 量，而是一个线性函数。如：地表模拟u（3）高阶函数 有些情况下，在一个区域内，要求属性函数为一个高阶函数， 用以提高表示的精确性。第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述392、等值线模型等值线的特点：u（1）场经常被视为由一系列等值线组成；u（2）一条等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序 集合；u（3）用一组等值线将地理空间划分成一些区域，每个区域中 的属性值的变化是相邻的两条等值线的连续插值；u（4）每条线唯一值；u（5）两条等值线不相交；例如：地形

9、等高线；海底地形等深线第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述403、选样模型 地理空间上的属性值是通过采集有限个点的属性值来确 定的。n（1）离散点 X、Y：绝对坐标值；Z由周围高程值插值计算n（2）断面线 记录的内容包括：DEM起始点坐标X0、 Y0 ，断面线间隔DX或DYn（3）不规则三角网（TIN）n（4）规则网格全覆盖、不重叠第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述41424344第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述45第三节第三节 空间实体的数据描述空间实体的数据描述n场模型栅格数据表示n实体对象模型矢量数据表示46第四节第四节 空间数据结构的类型

10、空间数据结构的类型47常用的空间数据结构常用的空间数据结构XYijx1 y1x2 y2xi yixn yn48一、矢量数据结构一、矢量数据结构 矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。等地理实体。u定位明显、属性隐含定位明显、属性隐含u能最好地逼近地理实体的空间分布特征能最好地逼近地理实体的空间分布特征u数据精度高数据精度高u数据存储冗余度低数据存储冗余度低u便于进行地理实体的网络分析便于进行地理实体的网络分析u对多层空间数据的叠合分析比较困难对多层空间数据的叠合分析比较困难491. Spaghetti矢量矢量数据结构数据结构 P1

11、P1 (79,72) R1 R1 (6,0) (6,0) (37,32) (37,32) P1,(79,72) P1,(79,72) R1,(6,0),(37,32) R1,(6,0),(37,32) (44,95) (64,95) P2 P3 (44,70) F1 F1 F1,F1,(44,95)(44,95),(64,95), ,(64,95), (64,70),(44,70), (64,70),(44,70), (44,95) (44,95) (64,70) 501. Spaghetti矢量矢量数据结构数据结构 511. Spaghetti矢量矢量数据结构数据结构52一、矢量数据结构结点

12、结点 折点折点线段线段 多边形多边形53F1 F1 F2 F2 F3 F3 L1 L1 L2 L2 L3 L3 L4 L4 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P4 P4 P5 P5 P6 P6 P7 P7 P8 P8 P9 P9 P10 P10 P11 P11 结点结点 折点折点 线段线段 多边形多边形 2. 索引数据结构索引数据结构F1 F1 F2 F2 F3 F3 L4 L4 L2 L2 L3 L3 L1 L1 P3 P9 P10 P11 P3 P3 P9 P10 P11 P3 P1 P6 P5 P4 P2 P1 P6 P5 P4 P2 P2 P7 P8 P1 P2 P7 P8 P1 P

13、1 P2P1 P254BCDEabcfghefibcij12345678910111213141516171819202122232425262728293031555512345678910111213141516171819202122232425262728293031563. 拓扑矢量数据结构拓扑矢量数据结构 结点结点 折点折点弧段弧段 多边形多边形点、弧点、弧段和多段和多边形的边形的拓扑关拓扑关系系(1)(1)拓扑矢量数据组织拓扑矢量数据组织57(1)拓扑矢量数据组织拓扑矢量数据组织3. 拓扑矢量数据结构拓扑矢量数据结构 58F1 F1 F2 F2 F3 F3 L1 L1 L2 L2

14、 L3 L3 L4 L4 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P4 P4 P5 P5 P6 P6 P7 P7 P8 P8 P9 P9 P10 P10 P11 P11 结点结点 折点折点 弧段弧段 多边形多边形 三、三、 拓扑矢量数据结构拓扑矢量数据结构 593. 拓扑矢量数据结构拓扑矢量数据结构 60F1 F1 F2 F2 F3 F3 L1 L1 L2 L2 L3 L3 L4 L4 P1 P1 P2 P2 P3 P3 3. 拓扑矢量数据结构拓扑矢量数据结构 61F1 F1 F2 F2 F3 F3 L1 L1 L2 L2 L3 L3 L4 L4 P1 P1 P2 P2 P3 P3 3. 拓扑矢量

15、数据结构拓扑矢量数据结构 62F1 F1 F2 F2 F3 F3 L1 L1 L2 L2 L3 L3 L4 L4 P1 P1 P2 P2 P3 P3 三、三、 拓扑矢量数据结构拓扑矢量数据结构 63点文件点号 弧段号N1 C3 C1 N4N2 -C1 -C2 C5N3 -C3 C2 C10N4 -C4 C6 C8N5 -C6 -C5 C7N6 -C7 -C8 -C10N7 C9C4N4C8C6C7N6C10N3C3N1C2N2C1C5N5C9N764q 拓扑数据结构拓扑数据结构C4N4C8C6C7N6C10N3C3N1C2N2C1C5N5C9N7弧段文件65多边形文件多边形号弧段号P1 C1,

16、-C2,-C3P2 C6,-C5,-C1,C4P3 C8,-C7,-C6P4 -C10,C2,C5,C7,-C9P5 C9C4N4C8C6C7N6C10N3C3N1C2N2C1C5N5C9N766q 拓扑数据结构拓扑数据结构C4N4C8C6C7N6C10N3C3N1C2N2C1C5N5C9N7弧段文件67矢量数据结构的属性数据表达点状对象目标标识目标标识地物编码坐 标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐 标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构空间对象地物编码地

17、物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性68矢量数据（矢量数据（1）69矢量数据（矢量数据（2）70二、栅格数据结构二、栅格数据结构ij71二、栅格数据结构二、栅格数据结构栅格单元的值栅格单元的值中心取值和区域取值中心取值和区域取值72二、栅格数据结构二、栅格数据结构73二、栅格数据结构二、栅格数据结构3.实体表示74表示点点使用点使用离散分布的单个单元格离散分布的单个单元格来表示，单元格的值表示某来表示，单元格的值表示某个地理现象的属性，不同的值表示不同的地理对象或同一个地理现象的属性，不同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性。地理现象的不同属性。75表示线

18、单条线单条线通过一系列通过一系列有序相连有序相连的的具有相同值具有相同值单元格来表示，单元格来表示，不同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性。不同的值表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性。76表示多边形单个单个面表示为面表示为一簇具有相同值一簇具有相同值的单元格，不同的值的单元格，不同的值表示不同的地理对象表示不同的地理对象或同一地理现象的不同属性或同一地理现象的不同属性 774.栅格数据显示785.栅格数据单元值确定CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小ABC796.栅格数据结构：栅格数据结构：坐标系与描述参数坐

19、标系与描述参数Y：列：列X：行：行西南角格网坐标西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率格网分辨率80栅格数据（1）81栅格数据（2）82栅格数据（3）83上海东方明珠电视塔上海东方明珠电视塔故宫故宫栅格数据（4）84栅格数据（5）85二、栅格数据结构二、栅格数据结构86（1 1）直接栅格编码）直接栅格编码 直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他从左到右而偶数行由右

20、向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。特殊的顺序。 0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 30，2，2，5，5，5，5，5；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。87 由起点位置和一系列在基本方向的单位矢

21、量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。（2 2）链码）链码12345076001 0 767 01 1 0 088链码编码链码编码： 2，2 ，6 ，7，6，0，6，5123450760 5 0 0 0 0 0 00 0 5 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 5 0 0 0 0 0 00 0 5 5 0 0 0 00 0 0 5 0 0 0 00 0 5 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0链码编码示例链码编码示例89（3 3）游程长度编

22、码）游程长度编码只在各行（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；0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3沿行方向进行编码沿行方向进行编码：( 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

23、），（），（5，1），（），（3，1）；）；（0，3），（），（3，5）；（）；（0，4），），（3，4）；（）；（0，5），（），（3，3）。）。90 （4 4）块码）块码 采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。号加上半径，再加上记录单元的代码组成。0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3（1 1，1

24、 1，1 1，0 0），（），（1 1，2 2，2 2，2 2），），（1 1，4 4，1 1，5 5），（），（1 1，5 5，1 1，5 5），），（1 1，6 6，2 2，5 5），（），（1 1，8 8，1 1，5 5）；）；（2 2，1 1，1 1，2 2），（），（2 2，4 4，1 1，2 2），），（2 2，5 5，1 1，2 2），（），（2 2，8 8，1 1，5 5）；）；（3 3，3 3，1 1，2 2），（），（3 3，4 4，1 1，2 2），），（3 3，5 5，2 2，3 3），（），（3 3，7 7，2 2，5 5）；）；（4 4，1 1，2 2，0 0），（

25、），（4 4，3 3，1 1，2 2），），（4 4，4 4，1 1，3 3）；（）；（5 5，3 3，1 1，3 3），），（5 5，4 4，2 2，3 3），（），（5 5，6 6，1 1，3 3），），（5 5，7 7，1 1，5 5），（），（5 5，8 8，1 1，3 3）；）；（6 6，1 1，3 3，0 0），（），（6 6，6 6，3 3，3 3）；）；（7 7，4 4，1 1，0 0），（），（7 7，5 5，1 1，3 3）；）；（8 8，4 4，1 1，0 0），（），（8 8，5 5，1 1，0 0）。）。91（5） 四叉树编码 将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n

26、2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。u方法：自上而下、自下而上二、栅格数据结构二、栅格数据结构92（5 5）四叉树编码）四叉树编码M M R M M M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8区域分割方法M M R M M M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM

27、 R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M93在四叉树中，不能再分的结点称为叶子结点，可再分的结点称为树杈结点树杈结点叶子结点1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 8M M R M M M M MM M R R M R M MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM R R R R R R MM M R R R R R MM M M R R M M M（5 5）四叉树编码四叉树编码9422四叉树编码方法NW （2） NE （3）SW （0） SE

28、（1）0层1层2层3层记录每个叶子结点的地址和属性0123202123200201202 203 230231 232233（5 5）四叉树编码四叉树编码950 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3 1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400 0 00 3 3 3 0 3 3 33 3 5 3 0 0 2 2 2 3

29、2 2 2 2 0 22 2 2 5 2 5 5 53 33 5 5西南东南西北东北 96 5、四叉树编码97第五节第五节 矢量数据与栅格数据的比较和转换矢量数据与栅格数据的比较和转换98第五节第五节 矢量数据与栅格数据的比较和转换矢量数据与栅格数据的比较和转换99第五节第五节 矢量数据与栅格数据的比较和转换矢量数据与栅格数据的比较和转换100（1）内部点扩散算法内部点扩散原理内部点扩散原理101（1）内部点扩散算法多边形不连通实例多边形不连通实例102（2）射线算法 射线法判断原理射线法判断原理103（2）射线算法104（3）扫描算法 105行扫描算法行扫描原理行扫描原理106（4）复数积分算法 10