新編地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)專業(yè)知識(shí)市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、第二章 地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第一節(jié) 簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第二節(jié) 拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第三節(jié) 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第四節(jié) 柵格模型和矢量模型比較與轉(zhuǎn)換第1頁(yè)描述地球表面及近地空間實(shí)體位置、形狀、屬性和時(shí)序特征數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)2.1 簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指空間數(shù)據(jù)適合于計(jì)算機(jī)存放、管理、處理邏輯結(jié)構(gòu)。第2頁(yè)2.1 簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是經(jīng)過(guò)坐標(biāo)值來(lái)準(zhǔn)確表示點(diǎn)、線、面等地理實(shí)體。矢量數(shù)據(jù)模型 第3頁(yè) 簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù)表示法地圖矢量數(shù)據(jù)表示法最基本要素是坐標(biāo)點(diǎn)，最慣用是二維笛卡兒平面直角坐標(biāo)系，這和平面解析幾何對(duì)物體描述十分相同。第4頁(yè)Example: Vector data第5頁(yè)簡(jiǎn)單線 ： 用一串有次

2、序坐標(biāo)表示。曲 線 ： 精度要求高曲線可用多條很短直線來(lái)擬合，也可用圓弧或更復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)和直線混合起來(lái)表示。點(diǎn)表示 ： 由一對(duì)坐標(biāo)(x，y)表示，沒(méi)有形狀也沒(méi)有大小。（1）簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第6頁(yè)點(diǎn)表示 第7頁(yè)線表示 第8頁(yè)面 是由線圍起來(lái)封閉不規(guī)則多邊形。 注意：實(shí)際使用時(shí)也要受存放量限制 如小百分比尺地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中河流不能表示出實(shí)際寬度改變；大百分比尺地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中房屋邊界，也往往略去一些小轉(zhuǎn)折。面表示第9頁(yè)3第10頁(yè)在矢量型GIS軟件中，定義多邊形比定義點(diǎn)、線要復(fù)雜。 早期GIS軟件或計(jì)算機(jī)地圖制圖系統(tǒng)常把多邊形邊界看作是線簡(jiǎn)單閉合這種方法可稱為“環(huán)”狀多邊形編碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(spaghetti c

3、oding) 第11頁(yè)第一個(gè)多邊形第12頁(yè)優(yōu)點(diǎn) 這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn) 不能表示邊界和多邊形之間關(guān)系，以及相鄰多邊形之間關(guān)系，而且公共邊界要定義兩遍，制圖時(shí)輕易產(chǎn)生重復(fù)繪制問(wèn)題，且數(shù)據(jù)冗余度較大?！碍h(huán)”狀多邊形編碼或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第13頁(yè)改進(jìn)后“環(huán)”狀多邊形編碼降低了數(shù)據(jù)冗余第14頁(yè)當(dāng)前GIS領(lǐng)域中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是得到最廣泛應(yīng)用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它借助了數(shù)學(xué)中拓?fù)鋵W(xué)原理來(lái)描述空間事物。 2.3拓?fù)湫蛿?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第15頁(yè)是研究圖形在拓?fù)涓淖兿虏蛔冃再|(zhì)一門科學(xué)，為空間點(diǎn)、線、面之間包含、覆蓋、相離和相接等空間關(guān)系描述提供直接理論依據(jù)。拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)（補(bǔ)）拓?fù)鋵W(xué)第16頁(yè) 在地理信息系統(tǒng)中，對(duì)于凡含有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征地理要素，

4、都存在結(jié)點(diǎn)、弧段和多邊形之間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 是明確定義空間結(jié)構(gòu)關(guān)系一個(gè)數(shù)學(xué)方法。在地理信息系統(tǒng)中，它不但用于空間數(shù)據(jù)編輯和組織，而且在空間分析和應(yīng)用中都含有非常主要意義。第17頁(yè)空間數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系圖2-2-2 空間數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)溧徑油負(fù)潢P(guān)聯(lián)拓?fù)浒?8頁(yè)（1）拓?fù)溧徑?指存在于空間圖形同類元素 之間拓?fù)潢P(guān)系。比如結(jié)點(diǎn)鄰接關(guān)系N1/N4, N1/N2,；多邊形鄰接關(guān)系P1/ P3, P2/ P3, ?？臻g數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系第19頁(yè)指存在于空間圖形不一樣元素之間拓?fù)潢P(guān)系，比如結(jié)點(diǎn)與弧段關(guān)聯(lián)關(guān)系N1/C1、C3、C6；N2/ C1、C2、C5, ；多邊形與弧段關(guān)聯(lián)關(guān)系P1/C1、C5、C6； P2/

5、C2、C4、C5、C7， 。（2）拓?fù)潢P(guān)聯(lián)第20頁(yè) 指存在于空間圖形同類，但不一樣級(jí)元素之間拓?fù)潢P(guān)系。包含關(guān)系分簡(jiǎn)單包含、多層包含和等價(jià)包含三種形式（3）拓?fù)浒O(shè)ID表示當(dāng)前多邊形IW表示等價(jià)包含IP表示ID為島（IP0）非島（ IP =0 ）第21頁(yè)非島非島島第22頁(yè)圖2-2-3 拓?fù)浒P(guān)系幾個(gè)形式 設(shè)ID表示當(dāng)前多邊形，IW表示等價(jià)包含，IP表示ID為島（IP0）或非島（IP =0 ），則包含關(guān)系形式如圖所表示。第23頁(yè) 假如要將結(jié)點(diǎn)、弧段和多邊形之間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示出來(lái)，能夠形成四個(gè)關(guān)系表，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所表示。第24頁(yè)第25頁(yè)第26頁(yè)第27頁(yè)拓?fù)浒P(guān)系應(yīng)用第

6、28頁(yè)第29頁(yè)第30頁(yè)第31頁(yè)第32頁(yè)拓?fù)鋵傩?拓?fù)潢P(guān)系/拓?fù)鋵傩?一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段端點(diǎn) 一個(gè)弧段是一個(gè)簡(jiǎn)單弧段（弧段本身不相交） 一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域邊界上 一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)部 拓?fù)潢P(guān)系（拓?fù)鋵傩裕好枋隽藘蓚€(gè)對(duì)象之間關(guān)系（Topological Relation）。 第33頁(yè)非拓?fù)鋵傩?兩點(diǎn)之間距離一個(gè)點(diǎn)指向另一個(gè)點(diǎn)方向 弧段長(zhǎng)度一個(gè)區(qū)域周長(zhǎng) 一個(gè)區(qū)域面積 第34頁(yè)拓?fù)淇臻g關(guān)系識(shí)別 在地理信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)含有屬性特征、空間特征和時(shí)間特征，基本數(shù)據(jù)類型包含屬性數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)和空間關(guān)系數(shù)據(jù)。第35頁(yè)第36頁(yè)空間數(shù)據(jù)采取拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)意義 (1) 依據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或距離，能夠確定一個(gè)

7、地理實(shí)體相對(duì)于另一個(gè)地理實(shí)體空間位置關(guān)系。(2) 利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)有利于空間要素查詢。(3) 能夠利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)作為工具，重建地理實(shí)體。第37頁(yè) (1)描述點(diǎn)、線、面空間關(guān)系不完全依賴于詳細(xì)坐標(biāo)位置。(2)用拓?fù)浔硭硎究臻g關(guān)系信息豐富、簡(jiǎn)練。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn) (3)便于作多邊形和多邊形疊合。 (4)便于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入過(guò)程中錯(cuò)誤。第38頁(yè)A.拓?fù)潢P(guān)系建立比較復(fù)雜。B.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身比較復(fù)雜。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺點(diǎn)第39頁(yè)2.4 柵格 (Raster)/網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以規(guī)則像元陣列來(lái)表示空間地物或現(xiàn)象分布數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其陣列中每個(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象屬性特征。2.4.1 概念 p85第40頁(yè)興國(guó)瀲水河流域土壤全氮含量第41

8、頁(yè)柵格數(shù)據(jù)模型使用方法舉例 柵格數(shù)據(jù)模型 基于連續(xù)鋪蓋，將連續(xù)空間離散化，即用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個(gè)連續(xù)空間。三角形、方格和六角形劃分第42頁(yè)柵格數(shù)據(jù)模型第43頁(yè)網(wǎng)格基本單元通常是固定大小正方形空間事物就按其在網(wǎng)格中什么行、什么列、取什么值來(lái)表示?；締卧笮〈砹藮鸥裥偷貓D(空間)數(shù)據(jù)庫(kù)分辨率。Y：列X：行格網(wǎng)分辨率第44頁(yè)點(diǎn)線面對(duì)于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點(diǎn)：為一個(gè)像元線：在一定方向上連接成串相鄰像元集合。面：聚集在一起相鄰像元集合。第45頁(yè)第46頁(yè)復(fù)雜第47頁(yè)圖2-4-5 柵格數(shù)據(jù)迫近土地利用圖第48頁(yè) 可在專題地圖上均勻地劃分網(wǎng)格(相當(dāng)于將一透明方格紙覆蓋在地圖上)，每一單位格子覆蓋部分屬性數(shù)據(jù)便

9、成為圖中各點(diǎn)值，最終形成柵格數(shù)字地圖文件。2.4.2柵格數(shù)據(jù)獲取 普通地圖是用點(diǎn)、線、面來(lái)表示空間事物，在柵格型數(shù)字化地圖中，點(diǎn)在網(wǎng)格中占據(jù)一個(gè)基本單元，線由一系列單元聯(lián)結(jié)成鋸齒狀折線，面邊界也是鋸齒狀。第49頁(yè) 在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)實(shí)體表示為一個(gè)像元；線實(shí)體則表示為在一定方向上連接成串相鄰像元集合；面實(shí)體由聚集在一起相鄰像元結(jié)合表示。2.4.3 柵格數(shù)據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)柵格數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很適累計(jì)算機(jī)處理。因?yàn)樾辛邢裨嚵蟹浅］p易存放、維護(hù)和顯示。第50頁(yè)用柵格數(shù)據(jù)表示地表是不連續(xù)，是量化和近似離散數(shù)據(jù)，是地表一定面積內(nèi)(像元地面分辨率范圍內(nèi))地理數(shù)據(jù)近似性，如平均值、主成份值或按某種規(guī)則在像元內(nèi)

10、提取值等。柵格數(shù)據(jù)百分比尺就是柵格大小與地表對(duì)應(yīng)單元大小之比。像元大小相對(duì)于所表示面積較大時(shí)，對(duì)長(zhǎng)度、面積等度量有較大影響，這種影響還與計(jì)算長(zhǎng)度、面積方法相關(guān)。柵格數(shù)據(jù)缺點(diǎn)第51頁(yè) 從直觀角度，能夠看出伴隨基本單元縮小，像素分辨率提升，取值相同單元就顯著地成團(tuán)成簇地分布在網(wǎng)格中如圖所表示：2.4.4 壓縮柵格數(shù)據(jù)存貯量編碼方式第52頁(yè)假如地物在空間上分布均質(zhì)性很好，即當(dāng)基本單元縮小時(shí)，一個(gè)多邊形僅在邊界上變得愈加準(zhǔn)確，內(nèi)部不出現(xiàn)其它點(diǎn)、線、面，那么就可利用單元取值成團(tuán)成簇特點(diǎn)來(lái)降低數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量，即所謂數(shù)據(jù)壓縮方法，以緩解儲(chǔ)存量和分辨率之間矛盾。第53頁(yè)慣用壓縮方法游程長(zhǎng)度編碼/行程編碼法四分樹結(jié)

11、構(gòu)法第54頁(yè)(1)游程長(zhǎng)度編碼點(diǎn)號(hào)行號(hào)列號(hào)第55頁(yè) 也稱四叉樹。先把地圖看成是一個(gè)正方形單元如圖所表示（這是個(gè)簡(jiǎn)單例子，在實(shí)際使用中，一幅地圖上總有很多多邊形 ）(2) 四分樹法第56頁(yè)假如該單元內(nèi)有不一樣性質(zhì)多邊形，則將單元分成四個(gè)大小相同二級(jí)單元，然后再分別判斷這四個(gè)二級(jí)單元中是否還有不一樣性質(zhì)多邊形注意若其中某個(gè)二級(jí)單元中有不一樣性質(zhì)多邊形，則再劃分成四個(gè)大小相同三級(jí)單元 這種逐層一分為四方法，一直分到預(yù)定最高分辨率為止。第57頁(yè)第58頁(yè)第59頁(yè)2.5柵格模型和矢量模型比較與轉(zhuǎn)換矢量模型柵格模型優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1數(shù)據(jù)存放量小1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單2空間位置精度高2各種地圖疊合分析方便3空間關(guān)系描述方便3

12、輕易描述邊界復(fù)雜事物 4查詢與更新方便4能直接處理數(shù)字圖像信息5普通地圖可直接手工數(shù)字化5能直接用柵格狀設(shè)備輸出圖形缺點(diǎn)缺點(diǎn)1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜1數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量大2各種地圖疊合分析較困難2空間位置精度低3邊界復(fù)雜事物難以描述3難以表示線狀、網(wǎng)絡(luò)狀事物4不能直接處理數(shù)字圖像信息4輸出地圖不美觀2.5.1 比較第60頁(yè)2.5.2轉(zhuǎn)換 (P71-75)(1)矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 選擇單元大小和形狀；將點(diǎn)和線實(shí)體角點(diǎn)笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到預(yù)定分辨率和已知位置矩陣中；利用單根掃描線（沿行或列）或一組相連接掃描線去測(cè)試線性要素與單元邊界交叉點(diǎn)，并統(tǒng)計(jì)穿過(guò)交叉點(diǎn)柵格單元個(gè)數(shù)；測(cè)試多邊形時(shí)，先測(cè)試角點(diǎn)，再對(duì)剩下線段進(jìn)行二次

13、掃描，抵達(dá)邊界位置時(shí)，統(tǒng)計(jì)其位置與屬性值。第61頁(yè)點(diǎn)變換 (1) 矢量數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換第62頁(yè)矢量線段變換(1) 矢量數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換第63頁(yè)多邊形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 (邊界代數(shù)算法、內(nèi)部點(diǎn)擴(kuò)散法、射線算法）(1) 矢量數(shù)據(jù)到柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換第64頁(yè)(2)柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 拓?fù)滢D(zhuǎn)換保持柵格表示連通性與鄰接性；轉(zhuǎn)換物體正確外形點(diǎn) 某個(gè)單元值與周圍不一樣，代表點(diǎn)；線 含有相同屬性值連續(xù)單元格，將其搜索出來(lái)并細(xì)化處理，成為一條線；面 將全部單元編碼，將含有同一屬性單元?dú)w為一類，再檢測(cè)兩類不一樣屬性邊界作為多邊形一條邊。第65頁(yè)二值化 (2)柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 第66頁(yè)細(xì)化（剝皮法、骨架法）(2)柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 第67頁(yè)