地理信息系统(第二章 空间数据基础)

第2章空间数据结构一、地理空间数据二、地理空间数据的表达三、矢量数据结构四、栅格数据结构1、地理空间数据地理空间：广义：地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍界面。狭义：地球表层。地理事物地球上的一切自然物体和人造物体。（陆地、海洋、山川、河湖、公路、铁路、机场、寺庙等）。地理现象地理事物在发生、发展和变化中的外部形式和表面特征。地理空间数据：用符号化表示地球表层的地理事物和地理现象的记录。第一节地球椭球体地球体：极半径略短，赤道半径略长，北极略突出、南极略扁平，近似于梨形的椭球体。大地球体：由穿越陆地、岛屿的全球静止海平面连片形成,与重力方向处处正交的，连续的封闭曲面称为大地水准面，由该水准面所包含的形体称为大地球体，它是地球形体的一级逼近。地球椭球体：大地体绕短轴旋转形成的表面光滑的球体，亦称旋转椭球体。它是地球形体的二级逼近。地球椭球体的参数：长轴a，短轴b，扁率f=(a-b)/a。地球半径大概有多少公里？坐地日行八万里，巡天遥看一千河。(毛泽东诗《七律二•首送瘟神》，1958.07)R=80000/2/2/3.14=6370km椭球名称年代长半径a(m)扁率f附注德兰勃(Delambre)180063756531:334.0法国埃弗瑞斯(Everest)183063772761:300.801英国贝赛尔(Bessel)184163773971:299.152德国克拉克(Clarke)186663782061:294.978英国克拉克(Clarke)188063782491:293.459英国海福特(Hayford)191063783881:297.01942年国际第一个推荐值克拉索夫斯基(Krasovski)194063782451:298.3苏联1967年大地坐标系196763781601:298.2471967年国际第二个推荐值1975年大地坐标系197563781401:298.2571975年国际第三个推荐值1980年大地坐标系197963781371:298.2571979年国际第四个推荐值国际主要椭球参数我国的大地坐标系统1980年起采用1975年国际大地测量协会推荐参考椭球。大地坐标原点在西安市附近泾阳县境内。地理坐标系（WGS1984）投影坐标系统投影坐标系统（平面坐标系），将椭球面上的点，通过投影的方法投影到平面上时，通常使用平面坐标系统。平面坐标系统分为平面极坐标系统和平面直角坐标系统。地图投影的方法主要由圆锥投影、圆柱投影、平面（方位）投影等，它们均包括正轴、斜轴、横轴等投影方式，在此基础上又分为相切、相割方式两种情况第四节地图投影种类1、几何投影法正轴横轴斜轴方位圆柱圆锥方位投影圆柱投影圆锥投影高斯-克吕格(GaussKruger)投影属于横轴等角切椭圆柱投影。中央经线无长度变形。6°或3°分带投影。中央经线与赤道为互相垂直的直线。我国国家基本比例尺地形图中的大中比例尺地形图均采用该投影。包括第13－23带共11个投影带。内置了直角平面坐标系统：中央经线为X轴，赤道为Y轴，中央经线与赤道交点为坐标原点。坐标纵轴西移500km。40,515,652.9943,349,165.766Meters地图投影的选择在GIS中，地理数据的显示往往可以根据用户的需要，指定各种投影。但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，往往采用与国家基本系列地图所用的投影。我国常用的地图投影的情况为：(1)、我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5、1：1万、1：5000）除1：100万外均采用高斯—克吕格投影为地理基础；(2)、我国1：100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。(3)、我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）；高程坐标系高程：由高程基准面起算的地面点的高度。绝对高程（海拔）、相对高程1956黄海高程系：黄海平均海水面建立全国统一高程基准面，并以青岛观象山埋设永久性水准原点，建立高程控制系统。原点高程为72.289m1985国家高程基准:原点高程为72.260m水准原点1985国家高程基准，72.260米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米青岛验潮站示意图地理空间数据表达现实世界栅格矢量现实世界地理数据抽象1、地理空间数据1、地理空间数据把地理空间实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。1、地理空间实体几何形态点线面体三、矢量数据结构定义：矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表达点、线、面等空间实体的位置和形状的一种表达方式，常用于表现具有确定形状或边界的不连续对象。点：空间上不能再分，只有位置没有大小，由单独的一对x,y坐标定位的地理或制图实体。线：由连续的直线段组成的曲线，由一系列点组成n个坐标对的集合，可用坐标串(x1y1,x2y2…..xnyn)记录,有长度但没有宽度。面也称多边形，一个任意形状、边界完全闭合的空间区域，有一系列线段构成且具有大小与周长内何特性的空间要素。维数形状几何信息表达图形表现类型0维点状(X,Y)地物点、节点、注记1维线状(X1,Y1)(X2,Y2)…(Xn,Yn)公路、河流网络2维面状(X1,Y1)(X2,Y2)…(Xn,Yn)(X1,Y1)名称属性实体（杭州）分类属性实体（湖泊）3维体状1、简单矢量数据表示法简单矢量数据表示法就是只记录空间对象的位置，不记录相互之间的关系，每条记录都是单独实体。x,y坐标存储法（公共边冗余）树状索引存储法简单矢量数据表示法特点优点：数据直观，坐标文件简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。缺点：点、线、面各成体系，缺少邻域关系等拓扑信息，邻域处理比较复杂。2、地理空间实体特征描述空间位置信息经纬度平面坐标非空间信息识别码实体的行为与功能属性类型说明2、拓扑矢量数据表示法拓扑(Topology):在弯曲、拉伸等适当变换下仍维持不变的几何特性。基本拓扑元素：结点（Node)：弧段上的起点和终点（岛结点）顶点(Vertex):弧段上的中间点弧段(Arc):相邻两结点之间的坐标链。多边形（polygon)：若干弧段构成的封闭区。邻接相交相离包含重合点－点线－线面－面点－线点－面线－面空间对象关系C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑关联性表达弧段号起结点终结点C1N1N2C2N3N2C3N1N3C4N1N4C5N2N5C6N4N5C7N5N6C8N4N6C9N7N7C10N3N6多边形弧段P1C1,C2,C3P2C1,C4,C6,C5P3C6,C7,C8P4C7,C10,C2,C5,C9P5C9弧段号左多边形右多边形C1P2P1C2P1P4C3P1—C4—P2C5P2P4C6P3P2C7P3P4C8—P3C9P4P5C10P4—结点号弧段N1C1，C3，C4N2C1，C2，C5N3C3，C2，C10N4C4，C6，C8N5C5，C6，C7N6C7，C8，C10N7C9拓扑关联性：不同类元素间的拓扑关系。

点与线，线与面拓扑邻接性和连通性表达弧段号起结点终结点C1N1N2C2N3N2C3N1N3C4N1N4C5N2N5C6N4N5C7N5N6C8N4N6C9N7N7C10N3N6拓扑邻接性和连通性：同类元素间的拓扑关系。

多边形间邻接性，弧段间邻接性，结点间连通性结点号N1N2N3N4N5N6N7N1—111000N21—10100N311—0010N4100—110N50101—10N600111—0N7000000—结点间连通性C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑邻接性和连通性表达弧段号C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C1—111100000C21—10100001C311—1000001C4101—010100C51100—11000C600011—1100C700—C8—C9—C10—拓扑邻接性和连通性：同类元素间的拓扑关系。

多边形间邻接性，弧段间邻接性，结点间连通性弧段间邻接性结点号弧段N1C1，C3，C4N2C1，C2，C5N3C3，C2，C10N4C4，C6，C8N5C5，C6，C7N6C7，C8，C10N7C9C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑邻接性和连通性表达弧段号P1P2P3P4P5P1—1010P21—110P301—10P4111—1P50001—拓扑邻接性和连通性：同类元素间的拓扑关系。

多边形间邻接性，弧段间邻接性，结点间连通性多边形间邻接性弧段号左多边形右多边形C1P2P1C2P1P4C3P1—C4—P2C5P2P4C6P3P2C7P3P4C8—P3C9P4P5C10P4—C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑包含性的表达拓扑包含性：面状实体包含其他面状、线状或点状实体的关系。简单包含、多层包含与等价包含。拓扑关系的应用在空间要素查询分析中的应用1、与浙江省相邻的省级行政区划有哪些？多边形之间的拓扑邻接2、钱塘江能为哪些地区居民提供水源？点与线之间的拓扑关联3、从北京到杭州怎么走最快？点与点的连通4、浙江省都有几个县？面包含拓扑关系的应用在数据编辑和质量检查中的应用1、拓扑编辑中公共边与结点编辑2、拓扑质量检查欠头检查露头检查….简单数据结构与拓扑数据结构比较对比内容简单数据结构拓扑数据结构数据结构简单复杂简单查询快慢多边形相邻、嵌套关系表达难表达易网络线段与结点关系没有有数据编辑与更新公共边界、网络结点人工处理公共边、结点自动生成分析功能需生成拓扑结构多重叠合、网络分析易3、不规则三角网结构不规则三角网（TIN):用一组非叠置的三角形来近似表示地形的矢量数据三角网。TIN的基本元素节点（Node):相邻三角形的公共顶点(x,y,z)。边(Edge):两个三角形的公共边界，是Tin不光滑性的具体反映。面(Face):由最近的三个节点所组成的三角形面，是TIN描述地形表面的基本单元。TIN中的每个三角形描述了局部地形的倾斜状态，具有唯一的坡度值。TIN三角形网及其数据组织三角形结点A1，2，8B2，3，8C3，4，8D4，5，8E5，6，8F6，7，8G7，1，8结点坐标1X1y1Z12X2y2Z23X3y3Z34X4y4Z45X5y5Z56X6y6Z67x7y7Z712345678ABCDEFG三角形临近关系AB,GBA,CCB,DDC,EED,FFE,GGF,A三角形与结点结点坐标表三角形关系表TIN是特殊的矢量拓扑网络模型，数据组织具有拓扑结构TIN特点1、三角形大小随地形变化而变化，坡度陡三角形小而密集，坡度缓三角形大而稀疏。2、三角形通常采用Delaunay(狄洛尼或德劳内)三角网，最小角最大，最大限度保证网中三角形满足近似等边或等角。3、TIN表示不连续对角也具有优势，可用来表示悬崖、断层、海岸线和山谷谷底。4、TIN可与DEM进行相互转换。四、栅格数据结构1、定义：栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构(raster或gridcell)或像元结构(pixel)，是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，每个网格作为一个像元或像素，包含的代码表示该像素的属性类型或量值。栅格的大小即空间分辨率，决定着栅格的精度特殊情况下的栅格结构特殊情况下的栅格结构（a）三角形（b）菱形（c)六边形1、栅格中的点、线、面点用一个栅格像元表示；线状地物则由一定方向上连接成串的一组相邻栅格像元表示；面或区域用由相同属性的相邻栅格像元的块集合表示。任何以面状分布的对象(土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等)，都可以用栅格数据逼近。点线面2、栅格数据的取值混合像元：是指在一个像元内存在有不同类型的地物。主要出现在地类的边界处。

取值确定方法：中心归属法：以栅格单元中心点属性确定。首选方法，具连续特征分布的地理要素。面积占优法：以栅格单元最大的面域属性确定。分类较细，地物斑块较小的情况。长度占优法：以栅格单元网格中线所经的最大长度中线的面域属性。重要性法：根扭栅格内不同地物的重要性确定栅格单元代码。（采矿点、交通枢纽等）CAB长度占优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A3、栅格数据编码直接编码方式：直接将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行地记录每个栅格单元的代码。优点：简单、直观数据量随分辨率的提高成倍增长。22n1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444直接栅格数据编码栅格压缩编码压缩编码：信息有损编码和信息无损编码信息无损编码是指编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信息。链式编码（Chaincodes)（弗里曼链码)行程编码(run-lengthcode)(游程长度编码)块状编码(blockcode)四叉树编码(quad-treecode)链式编码（Chaincodes)（弗里曼链码)链式编码又称为弗里曼链码(Freeman，1961)或边界链码。链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界。它把线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东＝0，东南＝l，南＝2，西南＝3，西＝4，西北＝5，北＝6，东北＝7等八个基本方向。链式编码的方向代码链式编码（Chaincodes)（弗里曼链码)链式编码（Chaincodes)（弗里曼链码)前两个数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始表示前进方向。1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444属性2多边形：5、3、7、0、0、1、0、2、4、3、3、6、5、5.链式编码优缺点优点：链式编码对线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，类似矢量数据结构，比较适于存储图形数据。缺点：是对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。行程编码（run-lengthcode)游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法，它的基本思路是：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，因而可采取某种方法压缩那些重复的内容。变长编码：各行（列）数据变化时，记录该代码及相同代码重复个数。值点编码：记录各行代码发生变化时位置及相应代码。重复记录编码：记录各行代码发生变化时该代码及总重复个数。1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444(1,2)(5,1)(4,5)(1,2)(5,3)(4,3)(1,2)(5,3)(4,3)(5,3)(2,3)(4,2)(5,2)(2,6)(3,3)(2,5)(3,4)(2,2)(4,2)(3,4)(2,1)(4,3)1541541545245232324324变长编码值点编码:（1,1),(5,2),(4,7),(1,9),(5,12),(4,15),(1,17),(5,20),(4,23),(5,26)(2,29),(4,31),(5,33),(2,39),(3,42),(2,47),(3,51),(2,53),(4,55),(3,59),(2,60),(4,63)重复记录编码:（1,2)(5,1)(4,5)

(1,2)(5,3)(4,3)

(1,2)(5,3)(4,3)5,3)(2,3)(4,2)(5,2)(2,6)(5,2)(2,6)(3,3)(2,5)(3,4)(2,2)(4,2)(3,4)(2,1)(4,3)行程编码（run-lengthcode)行程编码压缩数据简便有效，行缩比例与图形复杂程度成反比，图件越简单，压缩比越高。优点：游程长度编码在栅格数据加密时，数据量没有明显增加，且易于检索、叠加及合并等操作，运算简单

缺点：对于图斑比破碎、属性和边界多变的数据压缩效率较低。块编码（blockcode)块编码是行程编码扩展到二维的编码方式，在做块状编码时，首先把栅格图范围内的像元分成由像元值组成的最大正方形，然后对正方形进行编码，记录初始位置（行、列号），半径及记录单元代码。1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444块状编码:（1,1,2,1),(1,3,1,5),(1,4,1,4),(1,5,1,4),(1,6,3,4),(2,3,1,5),(2,4,2,5),(3,1,1,1),(3,2,1,1),(3,3,1,5)(4,1,2,5),(4,3,1,5),(4,4,3,2),(4,7,1,4),(4,8,1,4)(5,3,1,2),(6,1,3,3),(7,4,1,3),(7,5,1,2),(7,6,1,2)(7,7,2,4)(8,4,1,3),(8,5,1,2),(8,6,1,4)1544455115552442233224324块状编码（blockcode)块状编码具有区域性质，又具有可变的分辨率，对大而简单的多边形具有较高的压缩效率，但对于碎部较多的多边形效果并不好。块状编码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作具有优越性。四叉树编码定义：将一幅栅格地图或图像等分为四部分，逐块检查其栅格属性值，如果子区内所有栅格属性值相同，则这个子区不再继续分割，否则再把子区分割成四个子区，这样依次分割，直到每个子块都只含相同的属性值或者灰度值为止。33331111333311113331111433111144322211142222111122222111222221113311331114114432211422112221121A3311331114114432211422112221121SWSENWNE3331113144411132222221141121211四叉树编码四叉树编码条件：图形必须为2n*2n栅格阵列四叉树编码划分方法：自上而下法(运算量大，耗时长)自下而上法(重复计算小，动行速度快)线性四叉树:只存储最后叶结点的信息，包括叶结点的位置、深度和属性或灰度值.其中对线性四叉树的叶结点按一定的规则进行编号，隐含叶结点的位置信息和深度信息，称之为地址码。四叉树Morton编码四进制Morton编码（Mq）十进制Morton编码(Md)四进制四叉树编码:(000,3)(4,3)(020,3)(030,3)(031,1)(032,1)(033,1)(100,1)(110,1)(120,1)(130,1)(131,4)(132,4)(133,4)(200,3)(201,2)(202,2)(203,2)(210,2)(220,2)(230,2)(300,1)(310,1)(311,4)(312,1)(313,1)(320,2)(321,1)(322,2)(323,1)(330,1)四进制Morton编码(Mq)3311331114114432211422112221121

000001010011100101110111000000001010011100101110111001002003012013102103112113010020021030031120121130131011022023032033122123132133100200201210211300301310311101202203212213302303312313110220221230231320321330331111222223232233322323332333

000001010011100101110111000000001010011100101110