《GIS的数据结构》课件

GIS的数据结构地理信息系统(GIS)的数据结构是描述和存储地理空间数据的关键。数据结构的设计影响了数据的组织、查询和分析效率。RMbyRoyMiller地理信息系统的发展历程早期发展地理信息系统起源于20世纪50年代，最初用于地图制作和土地管理。早期系统主要依靠手工操作和模拟技术。计算机辅助制图20世纪60年代，计算机技术开始应用于地图制作，促进了地理信息系统的数字化发展。早期系统主要用于地理数据的存储和处理，功能有限。现代地理信息系统20世纪70年代，随着计算机技术和空间分析技术的进步，现代地理信息系统应运而生。现代系统具备强大的数据处理、分析和可视化能力，并应用于众多领域。互联网时代21世纪，互联网技术的普及推动了地理信息系统的发展，出现了互联网地图和云GIS等新兴应用。地理信息系统的基本组成1硬件电脑、扫描仪、GPS接收器、打印机等。2软件GIS软件、数据库管理系统、空间数据处理软件。3数据地理空间数据、属性数据、元数据。4人员GIS专业人员、数据采集人员、数据分析人员。空间数据的基本特点空间位置空间数据描述了地理实体的位置和形状，与时间无关。几何形状空间数据通常以点、线、面或体等几何形状表示，代表地表上的物体和区域。拓扑关系空间数据之间存在着邻接、包含、相交等拓扑关系，反映地理实体之间的空间关联。属性信息空间数据通常伴随着描述实体属性的信息，例如名称、类型、面积、人口等。空间数据的表示方式矢量数据模型利用点、线、面等几何元素表示地理实体，用坐标值表示空间位置，适用于表示离散的地理实体。栅格数据模型用网格单元表示空间位置，每个网格单元代表地面上的一个地物，适用于表示连续的地理现象。三维数据模型以三维空间坐标表示地理实体，模拟真实的地理环境，适用于对地表地形、地貌、建筑物等进行精细化描述。矢量数据模型点、线、面矢量数据模型使用点、线、面等几何元素来表示地理实体。拓扑关系矢量数据模型可描述点、线、面之间的拓扑关系，例如连接、包含等。空间分析矢量数据模型支持空间分析，如距离测量、缓冲区分析、叠加分析等。栅格数据模型栅格数据模型栅格数据模型是将地理空间划分为规则的网格。每个网格单元表示一个地物，并存储其属性值。特点栅格数据模型简单易懂，便于存储和处理。适用于连续性变化的空间数据，例如高程、温度等。三维数据模型点云模型点云模型使用大量离散点来表示三维空间，常用于地形测绘、城市建模等。网格模型网格模型利用三角形、四边形等网格来表示三维物体表面，常用于虚拟现实、游戏开发等。体素模型体素模型将三维空间划分为立方体网格，每个立方体代表一个体素，常用于医学影像、地质建模等。时空数据模型11.时空数据模型描述空间数据随时间变化的模型.22.时空数据类型包括时间序列数据、时空点数据、时空轨迹数据等.33.时空数据分析包括时空模式识别、时空预测等.44.时空数据建模建立时空数据关系，帮助理解和预测事件发展。拓扑关系拓扑关系定义拓扑关系是指地理实体之间的一种空间关系，它描述了实体之间的连接、邻接和包含等关系。拓扑关系类型连接邻接包含拓扑关系作用拓扑关系在空间数据处理、分析和建模中起着重要作用，它可以提高数据的一致性和完整性，并支持更复杂的分析。拓扑关系的应用网络分析利用拓扑关系进行网络分析，例如最短路径、流量分配等。区域分析确定区域之间的邻接关系，用于空间分析、资源管理等。地形分析利用拓扑关系进行地形分析，例如坡度、坡向等。设施管理利用拓扑关系管理各种设施，例如管道、电网等。属性数据和关系数据属性数据描述空间实体特征的非空间数据，例如人口、经济、环境等信息。关系数据用于描述空间实体之间关系的数据，例如道路网络中道路之间的连接关系。数据类型属性数据通常以表格形式存储，关系数据则采用关系数据库模型进行管理。应用场景属性数据和关系数据在GIS中广泛应用，例如分析人口分布、规划城市发展等。元数据定义元数据是对数据的描述信息，用于描述数据集的特征和内容，例如数据来源、时间、精度等。重要性元数据可以帮助用户理解和使用数据，提高数据共享和管理效率。内容元数据包含多种类型的信息，例如数据集描述、数据质量、数据格式、数据坐标系等。13.地理信息系统数据库数据库类型地理信息系统数据库通常使用关系型数据库，存储空间数据和属性数据。它们支持数据结构化和高效查询。数据模型地理信息系统数据库使用专门的数据模型，如矢量数据模型、栅格数据模型和时空数据模型。这些模型支持空间数据的有效存储和管理。数据管理工具地理信息系统数据库管理工具提供数据组织、查询、分析和可视化等功能，为用户提供便利的访问和操作接口。基于对象的地理信息系统数据模型面向对象将现实世界中的实体抽象为对象，每个对象包含属性和方法。对象间关系描述对象之间的联系，如包含、相邻、交叉等。继承和多态支持对象间的继承和多态，提高代码复用性和可扩展性。基于场景的地理信息系统数据模型1场景模型场景模型是一种基于对象和关系的模型，通过将现实世界中的实体抽象成对象，并用关系来描述它们之间的联系，来构建一个完整的地理信息系统模型。2场景描述场景模型将每个场景都定义为一个独立的单元，每个场景都包含了特定的对象和关系，可以用来描述特定的地理环境和现象。3场景构建场景模型可以用多种方法来构建，例如基于规则的模型、基于案例的模型，以及基于神经网络的模型。4场景应用场景模型在许多应用领域中都得到了广泛的应用，例如城市规划、环境监测、灾害预警等。空间数据组织方式层次结构层次结构是将空间数据按照不同的级别进行组织，例如国家、省、市、县。栅格结构栅格结构是将空间数据按照网格的形式进行组织，每个网格代表一个空间单元。矢量结构矢量结构是将空间数据按照点、线、面的形式进行组织，每个点、线、面都对应一个几何图形。对象模型对象模型是将空间数据按照对象的形式进行组织，每个对象代表一个实体。空间数据索引技术提高查询效率空间索引技术可快速定位目标数据位置，无需逐个扫描数据。空间数据组织四叉树索引将空间划分为层次结构，有效组织空间数据。多维空间索引R树索引适用于多维空间数据，如地理位置和时间戳。18.空间数据压缩无损压缩数据压缩后仍可完全恢复原始数据，不丢失任何信息。有损压缩通过去除冗余信息或不重要信息来压缩数据，会造成一定程度的失真。数据存储减少存储空间，降低存储成本，提高数据传输效率。数据分析压缩后数据更易于处理和分析，提高分析效率。19.空间数据集成数据融合将来自不同来源的地理空间数据进行整合，形成一个完整的数据集。例如，将地图数据与遥感图像、地面测量数据结合起来，形成一个综合性的地理空间数据库。数据互操作确保不同来源的数据能够相互理解和使用。例如，将不同格式的数据转换为统一的格式，以便不同软件系统之间能够交换数据。空间数据交换标准11.数据格式空间数据交换标准规定了数据格式，例如，形状文件（.shp）、地理标记文件（.gml）和地理空间数据抽象（.gda）。22.数据元数据标准还规定了元数据，包括数据来源、时间戳、精度、坐标系等信息。33.数据编码标准定义了数据编码规则，例如，字符集、数据类型和压缩算法，以确保数据在不同系统之间一致性。44.数据传输协议标准还指定了数据传输协议，例如，文件传输协议（FTP）、超文本传输协议（HTTP）和地理空间数据传输协议（OGC）。空间数据质量控制准确性是指数据与真实世界的一致程度，包括位置准确性和属性准确性。完整性是指数据是否完整和全面，是否包含所有必要的信息。一致性是指数据内部的一致性，例如不同数据源之间的协调。时效性是指数据更新的频率和及时性，以确保数据反映最新的情况。空间数据可视化地图可视化将地理信息系统数据转换为地图等可视化形式，以便更直观地理解空间数据。三维模型可视化利用三维模型展示地形、地貌等空间特征，增强对空间数据的立体感知。图表可视化通过图表形式展示空间数据的统计信息，例如人口分布、土地利用等。23.空间数据挖掘发现隐藏模式空间数据挖掘从海量空间数据中提取有价值的、隐藏的模式和关系。预测和分析用于预测未来趋势、分析空间事件和评估决策的影响。空间数据挖掘为地理信息系统提供洞察力，支持决策和解决问题。空间分析11.空间数据分析空间数据分析包括空间数据操作、空间数据挖掘和空间建模等。例如，根据地形数据计算坡度和坡向。22.空间模式识别空间模式识别指的是识别空间数据中的模式和规律。例如，发现城市扩张的模式和趋势。33.空间预测空间预测使用空间数据对未来进行预测。例如，预测未来土地利用的变化趋势。44.空间优化空间优化是指对空间资源进行优化配置。例如，优化交通网络，提高效率。地理信息系统数据的获取1遥感数据获取遥感技术是获取地理空间数据的主要手段之一。卫星、飞机和无人机搭载传感器，可以获取地球表面的影像、光谱和雷达数据。2地面测量数据获取传统的地面测量技术包括经纬仪、水准仪、全站仪等，用于精确测量地面点的位置和高程信息。3已有数据源获取利用已有数据源，例如地图、数据库、网络服务等，可以获取地理空间数据，例如土地利用数据、人口数据、道路数据等。地理信息系统数据的预处理数据预处理是地理信息系统数据处理的关键步骤，确保数据质量和一致性，为后续分析和应用奠定基础。1数据清洗消除错误、重复和缺失值，确保数据完整性。2数据转换将数据转换为统一格式，以适应不同的地理信息系统。3数据投影将数据从一种坐标系转换为另一种坐标系，以确保数据一致性。4数据融合将来自多个来源的数据整合到一个数据集中，以提高数据丰富度。经过预处理的数据可以提高分析的准确性和效率，为地理信息系统的应用提供更可靠的支撑。地理信息系统数据的管理1数据模型组织空间数据和属性数据2数据库系统存储和检索地理信息数据3数据备份确保数据安全和完整性4数据维护更新和修复数据错误地理信息系统数据的管理是确保数据质量、安全和可用性的关键。数据模型提供了结构化的框架，数据库系统提供了数据存储和检索功能，而数据备份和维护则确保了数据的完整性和一致性。28.地理信息系统数据的更新数据源更新定期更新数据源是关键，包括地图、遥感影像、统计数据等。这有助于确保数据准确性，并反映现实世界的变化。数据格式转换数据格式可能需要转换为最新标准，以与其他系统兼容。这可能需要使用专门的工具或软件进行转换。数据质量控制更新数据后，需要进行质量控制，以确保数据的准确性、完整性和一致性。这可能需要进行数据验证和校正。数据库更新将更新后的数据加载到数据库中，并更新相关索引和元数据。这需要使用数