地理信息系统课件 08栅矢一体化 来自华北科技学院魏志刚.ppt

1、1,第三章 空间数据模型与数据库,2,3.5 栅格与矢量数据模型的比较,3,3.5.1栅格数据结构,栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。 栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。 栅格数据的编码方法： 直接栅格编码，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； 压缩编码，包括链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据； 游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现； 四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形

2、操作效率，具有可变的分辨率。,4,3.5.2矢量数据结构,矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。 矢量结构的显著特点：定位明显，属性隐含。 矢量数据的编码方法： 对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息； 对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法 坐标序列法（实体式），是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边 形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息； 树状索引编码法（索引式），是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐

3、标对，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构，消除了相邻多边形边界数据冗余问题； 拓扑结构编码法（链状双重独立式），是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。,5,3.5.3矢量数据模型与栅格数据模型比较,6,3.5.3矢量栅格数据的比较,矢量数据的优缺点： 优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高 缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。 栅格数据的优缺点： 优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强； 缺点为数据量大，投影转换比较复杂。 两者比较

4、： 栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂； 栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享； 矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。对于地理信息系统软件来说，两者共存，各自发挥优势是十分有效的。,7,3.5.4数据结构选择原则,要素还是位置？ 可获取的数据 定位要素的必要精度 需要什么类型的要素 需要什么类型的拓扑关联 所需空间分析类型 生产地图类型,8,3.5.5栅格数据和矢量数据的综合,使用

5、栅格影像作为显示背景e.g. DOQs, DRGs, grapgic files 二值扫描文件可以作为数字化线或多边性要素的输入数据 数字高程模型用作提取等高线 卫星影像在数据综合中发挥着重要作用 矢量数据作为处理卫星影像的辅助信息,9,3.6 矢栅一体化数据结构,3.6.1基本概念 将矢量面向对象的方法和栅格像元充填的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。 线状地物：除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格。 面状地物：除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。 一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能

6、建立拓扑关系； 另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系。 从原理上说，这是一种以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构。,10,3.6.2 三个约定和细分格网法,为便于组织数据，首先作如下约定： a. 地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。 b. 地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。 c. 地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元

7、子表达的边界组成。,11,3.6.2 三个约定和细分格网法,由于一体化数据结构是基于栅格的，表达目标的精度必然受栅格尺寸的限制。可利用细分格网法提高点、线（包括面状地物边界）数据的表达精度，使一体化数据结构的精度达到或接近矢量表达精度。 基本格网和细格网均采用十进制线性四叉树编码，亦即将一对X,Y坐标用两个Morton码代替。前一M1表示该点（采样点或附加的交叉点）所在基本格网的地址码，后者M2表示该点对应的细分格网的Morton码。 例如X=210.00，Y=172.32，可转换为M1=275,M2=2690。 这种方法可将栅格数据的表达精度提高256倍，而存贮量仅在有点、线通过的格网上增加

8、两个字节 （当细分为1616格网时，存贮量仅增加一 个字节，精度提高16倍）。,x,y,M1 M2,12,3.6.3 一体化数据结构设计,线性四叉树(Morton)是基本数据格式，三个约定设计点、线、面数据结构的基本依据，细分格网法保证足够精度。 1、点状地物和结点的数据结构 约定1：点仅有位置、没有形状和面积，只要将点的坐标转化为地址码M1和M2,结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。,13,2、线状地物的数据结构,约定2，线状地物有形状但没有面积，没有面积意味着只要用一串数据表达每个线状地物的路径即可，将该线状地物经过的所有栅格的地址全部记录下来。仿照

9、矢量数据组织的链状双重独立式编码，以弧段为记录单位。 弧段的数据结构: 线状地物的数据结构:,14,3、面状地物的数据结构,1) 弧段文件边界弧段-形状 2) 带指针的四叉树二维行程码-面域 叶结点的属性值改为指向该地物的下一个子块的循环指针 循环指针指向该地物下一个子块的地址码，并在最后指向该地物本身,15,用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来,只要进入第一块就可以顺着指针直接提取该地物的所有子块，从而避免像栅格数据那样为查询某一个目标需遍历整个矩阵，大大提高了查询速度,0,8,32,40,46,16,3）面文件,这种数据结构是面向地物的，具有矢量的特点。通过面状地物的标识号可以找到它

10、的边界弧段并顺着指针提取所有的中间面块。同时它又具有栅格的全部特性，二维行程本身就是面向位置的结构，带指针的二维行程码中的Morton码表达了位置的相互关系，前后M码之差隐含了该子块的大小。给出任意一点的位置都可顺着指针找到面状地物的标识号确定是哪一个地物。,17,4、复杂地物的数据结构,由几个或几种点、线、面状简单地物组成的地物称为复杂地物。例如将一条公路上的中心线、交通灯、立交桥等组合为一个复杂地物，用一个标识号表示。复杂地物的数据结构如表所示。,18,课本本讲内容更正,P114 图3-28 P115 图3-29 P135 MQ P137 MD,19,3.7 元数据,元数据的概念及其重要性

11、 “meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。 一般都认为元数据就是“关于数据的数据”。 元数据(Metadata)是关于数据集的数据，是数据集的说明或描述。 在地理信息系统中元数据用于描述地理数据集的内容，质量等数据的一些特征。它可以帮助人们查找和理解数据。,20,3.7.1 元数据的主要作用,帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法

12、或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。,21,3.7.2元数据的内容,对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明 对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等 数据转换方法的描述 对数据库的更新、集成方法等的说明,22,3.7.3 在地理信息系统中使用元数据的原因,（1）完整性（completeness）面向对象的地理信息系统和空间数据库的目标之一，是把事物的有关数据都表示为类的形式，而这

13、些类也包括类自身，即复杂的“类的类”结构。这就要求有支持类与类之间相互印证和操作的机制，而元数据可以帮助这个机制的实现。 （2）可扩展性（extensibility）有意地延伸一种计算机语言或者数据库特征的语义是很有用途的，如把跟踪或引擎信息的生成结果添加到操作请求中，通过动态改变元数据信息可以实现这种功能。 （3）特殊化（specialization）继承机制是靠动态连接操作请求和操作体来实现的，语言及数据库以结构化和语义信息的关联文件（context）方式把操作请求传递给操作体，而这些信息可以通过元数据表达。,23,3.7.3 在地理信息系统中使用元数据的原因,（4）安全性（safety）

14、分类完好的语言和数据库都支持动态类型检测，类的信息表示为元数据，这样在系统运行时，可以被类检测者访问。 （5）查错功能（debugging）在查错时使用元数据信息，有助于检测可运行应用系统的解释和修改状态。 （6）浏览功能（browsing）为数据的控制类开发浏览器时，为显示数据，要求能解译数据的结构，而这些信息是以元数据来表达的。 （7）程序生成（program generation）如果允许访问元数据，则可以利用关于结构的信息自动生成程序。如数据库查询的优化处理和远程过程调用残体（stub）生成。,24,3.7.4 空间数据元数据的应用,（1） 帮助用户获取数据 通过元数据，用户可对空间数

15、据库进行浏览、检索和研究等。一个完整的地学数据库除应提供空间数据和属性数据外，还应提供丰富的引导信息，以及由纯数据得到的分析、综述和索引等。通过这些信息，用户可以明白诸如：“这些数据是什么数据？”“这个数据库对我有用吗？”“这是我需要的数据吗？”“怎样得到这些数据”等一系列情况。,25,3.7.4 空间数据元数据的应用,（2） 空间数据质量控制 不论是统计数据还是空间数据都存在数据精度问题，影响空间数据精度的原因主要有两个方面：一是源数据的精度；一是数据加工处理过程中精度质量的控制情况。空间数据质量控制包括：有准确的数据字典，以说明数据的组成，各部分的名称，表征的内容等；保证数据逻辑、科学地集

16、成，如植被数据库中不同亚类的区域组合成大类区，这要求数据按一定逻辑关系有效地组合；有足够的说明数据来源、数据的加工处理流程、数据解译的信息。 这些要求可通过元数据来实现，这类元数据的获取往往由地学和计算机领域的工作者来完成。数据逻辑关系在数据中的表达要由地学工作者来设计，空间数据库的编码要求有一定的地学基础，数据质量的控制和提高要有数据输入、数据查错、数据处理专业背景知识的工作人员，而数据再生产要由计算机基础较好的人员来实现。所有这些方面的元数据，按一定的组织机构集成到数据库中，构成数据库的元数据信息信息系统来实现上述功能。,26,3.7.4 空间数据元数据的应用,（3） 在数据集成中的应用

17、数据库层次的元数据记录了数据格式、空间坐标体系、数据的表达形式、数据类型等信息；系统层次和应用层次的元数据则记录了数据使用软硬件环境、数据使用规范、数据标准等信息。这些信息在数据集成的一系列处理中，如数据空间匹配、属性一致化处理、数据在各平台之间的转换使用中都是必需的。这些信息能够使系统有效地控制系统中的数据流。,27,3.7.4 空间数据元数据的应用,（4） 数据存储和功能实现 元数据系统 用于数据库的管理，可以避免数据的重复存储，通过元数据建立的逻辑数据索引可以高效查询检索分布式数据库中任何物理存储的数据，减少用户查询数据库及获取数据的时间，从而降低数据库的费用。数据库的建设和管理费用是数据库整体性能的反映，通过元数据可以实现数 据库设计和系统资源利用方面开支的合理分配，数据库许多功能（如数据库检索、数据转换、数据分析等）的实现是靠系统资源的开发来实现的，因而这类元数据的开发和利用将大大增强数据库的功能并降低数据库的建设费用。,28,地理信息元