新编地理信息系统的数据结构专业知识市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、第二章 地理信息系统空间数据结构第一节 简单矢量数据结构第二节 拓扑数据结构第三节 栅格数据结构第四节 栅格模型和矢量模型比较与转换第1页描述地球表面及近地空间实体位置、形状、属性和时序特征数据。空间数据2.1 简单矢量数据结构空间数据结构是指空间数据适合于计算机存放、管理、处理逻辑结构。第2页2.1 简单矢量数据结构矢量数据结构：是经过坐标值来准确表示点、线、面等地理实体。矢量数据模型 第3页 简单矢量数据表示法地图矢量数据表示法最基本要素是坐标点，最惯用是二维笛卡儿平面直角坐标系，这和平面解析几何对物体描述十分相同。第4页Example: Vector data第5页简单线 ： 用一串有次

2、序坐标表示。曲 线 ： 精度要求高曲线可用多条很短直线来拟合，也可用圆弧或更复杂数学函数和直线混合起来表示。点表示 ： 由一对坐标(x，y)表示，没有形状也没有大小。（1）简单数据结构第6页点表示 第7页线表示 第8页面 是由线围起来封闭不规则多边形。 注意：实际使用时也要受存放量限制 如小百分比尺地图数据库中河流不能表示出实际宽度改变；大百分比尺地图数据库中房屋边界，也往往略去一些小转折。面表示第9页3第10页在矢量型GIS软件中，定义多边形比定义点、线要复杂。 早期GIS软件或计算机地图制图系统常把多边形边界看作是线简单闭合这种方法可称为“环”状多边形编码或数据结构(spaghetti c

3、oding) 第11页第一个多边形第12页优点 这种结构比较简单。缺点 不能表示边界和多边形之间关系，以及相邻多边形之间关系，而且公共边界要定义两遍，制图时轻易产生重复绘制问题，且数据冗余度较大。“环”状多边形编码或数据结构第13页改进后“环”状多边形编码降低了数据冗余第14页当前GIS领域中，拓扑结构是得到最广泛应用空间数据结构。它借助了数学中拓扑学原理来描述空间事物。 2.3拓扑型数据结构第15页是研究图形在拓扑改变下不变性质一门科学，为空间点、线、面之间包含、覆盖、相离和相接等空间关系描述提供直接理论依据。拓扑学基础（补）拓扑学第16页 在地理信息系统中，对于凡含有网状结构特征地理要素，

4、都存在结点、弧段和多边形之间拓扑结构。拓扑结构 是明确定义空间结构关系一个数学方法。在地理信息系统中，它不但用于空间数据编辑和组织，而且在空间分析和应用中都含有非常主要意义。第17页空间数据拓扑关系图2-2-2 空间数据拓扑关系拓扑邻接拓扑关联拓扑包含第18页（1）拓扑邻接 指存在于空间图形同类元素 之间拓扑关系。比如结点邻接关系N1/N4, N1/N2,；多边形邻接关系P1/ P3, P2/ P3, 。空间数据拓扑关系第19页指存在于空间图形不一样元素之间拓扑关系，比如结点与弧段关联关系N1/C1、C3、C6；N2/ C1、C2、C5, ；多边形与弧段关联关系P1/C1、C5、C6； P2/

5、C2、C4、C5、C7， 。（2）拓扑关联第20页 指存在于空间图形同类，但不一样级元素之间拓扑关系。包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式（3）拓扑包含设ID表示当前多边形IW表示等价包含IP表示ID为岛（IP0）非岛（ IP =0 ）第21页非岛非岛岛第22页图2-2-3 拓扑包含关系几个形式 设ID表示当前多边形，IW表示等价包含，IP表示ID为岛（IP0）或非岛（IP =0 ），则包含关系形式如图所表示。第23页 假如要将结点、弧段和多边形之间拓扑结构表示出来，能够形成四个关系表，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所表示。第24页第25页第26页第27页拓扑包含关系应用第

6、28页第29页第30页第31页第32页拓扑属性 拓扑关系/拓扑属性 一个点在一个弧段端点 一个弧段是一个简单弧段（弧段本身不相交） 一个点在一个区域边界上 一个点在一个区域内部 拓扑关系（拓扑属性）：描述了两个对象之间关系（Topological Relation）。 第33页非拓扑属性 两点之间距离一个点指向另一个点方向 弧段长度一个区域周长 一个区域面积 第34页拓扑空间关系识别 在地理信息系统中，空间数据含有属性特征、空间特征和时间特征，基本数据类型包含属性数据、几何数据和空间关系数据。第35页第36页空间数据采取拓扑数据结构意义 (1) 依据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，能够确定一个

7、地理实体相对于另一个地理实体空间位置关系。(2) 利用拓扑数据有利于空间要素查询。(3) 能够利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。第37页 (1)描述点、线、面空间关系不完全依赖于详细坐标位置。(2)用拓扑表所表示空间关系信息丰富、简练。拓扑结构优点 (3)便于作多边形和多边形叠合。 (4)便于检验数据输入过程中错误。第38页A.拓扑关系建立比较复杂。B.数据结构本身比较复杂。 拓扑结构缺点第39页2.4 栅格 (Raster)/网格数据结构是以规则像元阵列来表示空间地物或现象分布数据结构。其阵列中每个数据表示地物或现象属性特征。2.4.1 概念 p85第40页兴国潋水河流域土壤全氮含量第41

8、页栅格数据模型使用方法举例 栅格数据模型 基于连续铺盖，将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。三角形、方格和六角形划分第42页栅格数据模型第43页网格基本单元通常是固定大小正方形空间事物就按其在网格中什么行、什么列、取什么值来表示。基本单元大小代表了栅格型地图(空间)数据库分辨率。Y：列X：行格网分辨率第44页点线面对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串相邻像元集合。面：聚集在一起相邻像元集合。第45页第46页复杂第47页图2-4-5 栅格数据迫近土地利用图第48页 可在专题地图上均匀地划分网格(相当于将一透明方格纸覆盖在地图上)，每一单位格子覆盖部分属性数据便

9、成为图中各点值，最终形成栅格数字地图文件。2.4.2栅格数据获取 普通地图是用点、线、面来表示空间事物，在栅格型数字化地图中，点在网格中占据一个基本单元，线由一系列单元联结成锯齿状折线，面边界也是锯齿状。第49页 在栅格数据结构中，点实体表示为一个像元；线实体则表示为在一定方向上连接成串相邻像元集合；面实体由聚集在一起相邻像元结合表示。2.4.3 栅格数据优缺点栅格数据优点这种数据结构很适累计算机处理。因为行列像元阵列非常轻易存放、维护和显示。第50页用栅格数据表示地表是不连续，是量化和近似离散数据，是地表一定面积内(像元地面分辨率范围内)地理数据近似性，如平均值、主成份值或按某种规则在像元内

10、提取值等。栅格数据百分比尺就是栅格大小与地表对应单元大小之比。像元大小相对于所表示面积较大时，对长度、面积等度量有较大影响，这种影响还与计算长度、面积方法相关。栅格数据缺点第51页 从直观角度，能够看出伴随基本单元缩小，像素分辨率提升，取值相同单元就显著地成团成簇地分布在网格中如图所表示：2.4.4 压缩栅格数据存贮量编码方式第52页假如地物在空间上分布均质性很好，即当基本单元缩小时，一个多边形仅在边界上变得愈加准确，内部不出现其它点、线、面，那么就可利用单元取值成团成簇特点来降低数据储存量，即所谓数据压缩方法，以缓解储存量和分辨率之间矛盾。第53页惯用压缩方法游程长度编码/行程编码法四分树结

11、构法第54页(1)游程长度编码点号行号列号第55页 也称四叉树。先把地图看成是一个正方形单元如图所表示（这是个简单例子，在实际使用中，一幅地图上总有很多多边形 ）(2) 四分树法第56页假如该单元内有不一样性质多边形，则将单元分成四个大小相同二级单元，然后再分别判断这四个二级单元中是否还有不一样性质多边形注意若其中某个二级单元中有不一样性质多边形，则再划分成四个大小相同三级单元 这种逐层一分为四方法，一直分到预定最高分辨率为止。第57页第58页第59页2.5栅格模型和矢量模型比较与转换矢量模型栅格模型优点优点1数据存放量小1数据结构简单2空间位置精度高2各种地图叠合分析方便3空间关系描述方便3

12、轻易描述边界复杂事物 4查询与更新方便4能直接处理数字图像信息5普通地图可直接手工数字化5能直接用栅格状设备输出图形缺点缺点1数据结构复杂1数据储存量大2各种地图叠合分析较困难2空间位置精度低3边界复杂事物难以描述3难以表示线状、网络状事物4不能直接处理数字图像信息4输出地图不美观2.5.1 比较第60页2.5.2转换 (P71-75)(1)矢量数据向栅格数据转换 选择单元大小和形状；将点和线实体角点笛卡尔坐标转换到预定分辨率和已知位置矩阵中；利用单根扫描线（沿行或列）或一组相连接扫描线去测试线性要素与单元边界交叉点，并统计穿过交叉点栅格单元个数；测试多边形时，先测试角点，再对剩下线段进行二次

13、扫描，抵达边界位置时，统计其位置与属性值。第61页点变换 (1) 矢量数据到栅格数据转换第62页矢量线段变换(1) 矢量数据到栅格数据转换第63页多边形数据转换 (边界代数算法、内部点扩散法、射线算法）(1) 矢量数据到栅格数据转换第64页(2)栅格数据向矢量数据转换 拓扑转换保持栅格表示连通性与邻接性；转换物体正确外形点 某个单元值与周围不一样，代表点；线 含有相同属性值连续单元格，将其搜索出来并细化处理，成为一条线；面 将全部单元编码，将含有同一属性单元归为一类，再检测两类不一样属性边界作为多边形一条边。第65页二值化 (2)栅格数据向矢量数据转换 第66页细化（剥皮法、骨架法）(2)栅格数据向矢量数据转换 第67页