第二章 GIS中數(shù)據

第二章GIS中的數(shù)據

GIS的數(shù)據空間數(shù)據（圖）：表示要素的空間位置、幾何特征屬性數(shù)據（文）：表示要素的非幾何特性，包括文字屬性、表格、其他非幾何數(shù)據（聲音、動畫、影像等等）空間數(shù)據的特征空間特征：表示現(xiàn)象的空間位置或現(xiàn)在所處的地理位置?？臻g特征又稱為幾何特征或定位特征，一般以坐標數(shù)據表示，例如笛卡爾坐標等。屬性特征：表示實際現(xiàn)象或特征，例如變量、級別、數(shù)量特征和名稱等等。時間特征：指現(xiàn)象或物體隨時間的變化，其變化的周期有超短期的、短期的、中期的、長期的等等。三個側面空間特征是GIS區(qū)別于其它的軟件的根本特征是由于地物或現(xiàn)象的空間分布所帶來通常是通過特定空間參照系下的坐標直接表達基于坐標的派生數(shù)據定量的度量信息：面積、周長、質心、距離等定性的空間關系：拓撲關系、方位關系時間特征空間數(shù)據涉及時間特征的幾個方面地物的生命周期（產生、消亡）地物的移動（移動點）屬性的時效性相關的問題時間關系時空關系時態(tài)GIS數(shù)據模型是其關鍵（時空立方體模型等）屬性特征地物所固有的，不是由于地物空間分布所帶來的特征如某地的年降雨量、土地酸堿類型、人口密度、交通流量、空氣污染程度等。這類特征在其它類型的信息系統(tǒng)中均可存儲和處理專題屬性特征通常以數(shù)字、符號、文本和圖像等形式來表示空間數(shù)據與屬性數(shù)據空間數(shù)據的時態(tài)特征數(shù)據結構、數(shù)據管理設計數(shù)據結構——如何在計算機中表達空間信息，讓計算機識別設計數(shù)據管理——如何組織，整合數(shù)據——計算機的文件結構:數(shù)據存儲、排序、查詢——數(shù)據庫結構：文件的組合，較復雜的數(shù)據處理方法——圖形數(shù)據結構：表達圖形數(shù)據——GIS系統(tǒng)的數(shù)據結構、管理：管理多層數(shù)據、管理數(shù)據庫一、屬性數(shù)據的儲存和管理文件系統(tǒng)、數(shù)據庫管理系統(tǒng)1.單個文件的存儲、檢索、組織簡單文件：未按規(guī)則組織，按輸入先后順序存放，檢索使用不易順序排列文件：順序排列、檢索方便。必須按順序輸入索引文件：購物指南，字典索引。

文件系統(tǒng)和數(shù)據庫管理系統(tǒng)

2.多個文件：存儲、檢索、組織第一種方式（沒有數(shù)據庫情況下）的特點用戶必須知道文件的內部結構改進處理，往往要改進文件結構某個文件結構的變化，引起眾多程序的修改隨著數(shù)據越來越多，與其針對每一個應用開發(fā)不同的程序，還不如提取其中的共性，集中起來開發(fā)一套通用的管理工具。于是產生了數(shù)據庫。

文件系統(tǒng)和數(shù)據庫管理系統(tǒng)第二種方式（有數(shù)據庫）特點數(shù)據與應用相對獨立用戶數(shù)據共享（數(shù)據可以和DBMS相脫離）使用方便軟件復雜、效率低用戶可以直接使用文件ArcGIS可以使用這種方式文件系統(tǒng)和數(shù)據庫管理系統(tǒng)

第三種方式的特點數(shù)據保密性好軟件更復雜數(shù)據庫管理軟件要求高大型專業(yè)數(shù)據庫，Oracle,Sybase,SQLServer等用戶不能直接使用文件ArcGIS可以使用第三種方式進行管理、維護

（ArcCatalog）文件系統(tǒng)和數(shù)據庫管理系統(tǒng)數(shù)據庫：就是多個文件的集合。數(shù)據庫結構=數(shù)據庫管理系統(tǒng)(DBMS,DatabaseManageSystem)：適用于管理多個文件的數(shù)據結構屬性數(shù)據的存儲和管理就是以數(shù)據庫形式進行三種基本的數(shù)據結構：層次型數(shù)據庫、網絡型數(shù)據庫、關系型數(shù)據庫。關系型數(shù)據庫是目前使用最多的是數(shù)據庫類型基于關系模型的數(shù)據庫——關系型數(shù)據庫目前的GIS中一般都是采用關系型數(shù)據庫存儲、管理屬性數(shù)據以表為基礎：行（Record，記錄）列（Field，屬性、數(shù)據項、字段、關鍵字段）字段類型：（數(shù)值型、字符型、日期型、邏輯型…）CODELANDUSEFARDENSITYGREENHEIGHTA3-1G120.000.000.000.00A3-2C250.8025.0030.0015.00A3-3C250.8025.0030.0015.00A3-4C410.000.000.0012.00A3-5C250.8025.0030.0015.00關系型數(shù)據庫的維護行：刪除、添加、改屬性值列：更名、刪除、增加、改類型、改寬度表：增加、刪除、更名關系型數(shù)據庫的優(yōu)缺點容易理解、直觀易懂、查詢靈活維護方便查詢效率相對較慢（連接查詢處理工作量大，要靠索引數(shù)據）DBMS在GIS中的應用從1970年代開始，1981年ESRI發(fā)布的ARC/INFO，是第一個將DBMS與GIS結合在一起的系統(tǒng)。二、空間數(shù)據模型如何在GIS中表達空間數(shù)據如何在GIS中表達空間數(shù)據?需要解決的3個方面問題：對象的空間位置對象的幾何特性與其他對象之間的相對關系2維的空間要素都可以歸納為三種基本對象：點：point0維線：line,arc2維面（多邊形）：polygon2維空間對象：點有位置，無寬度和長度；抽象的點美國加利福尼亞州地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個地震位置空間對象：線有長度，但無寬度和高度用來描述線狀實體香港城市道路網分布空間對象：面具有長和寬的目標通常用來表示自然或人工的封閉多邊形一般分為連續(xù)面和不連續(xù)面中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）空間事物類型典型對象典型屬性圖形圖象表達形式1）點學校、環(huán)保監(jiān)測站規(guī)模、有關監(jiān)測指標點狀符號2）線道路、電纜、水系交通量、電壓、水質線型3）面（多邊形）地塊、行政區(qū)土地使用、人口填充符號、邊界線柵格空間數(shù)據模型柵格數(shù)據結構定義：柵格結構是最簡單、最直接的空間數(shù)據結構，是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據組織，組織中的每個數(shù)據表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。特點：屬性明顯，定位隱含數(shù)據結構簡單,易于遙感數(shù)據結合,但數(shù)據量大幾何和屬性偏差面向位置的數(shù)據結構,難以建立空間對象之間的關系abc345abcac距離:7/4(5)面積:7(6)幾何偏差屬性偏差三角形的面積為6個平方單位，而右圖中則為7個平方單位，這種誤差隨像元的增大而增加。點線面柵格數(shù)據模型坐標系與描述參數(shù)行西南角格網坐標（XWS，YWS）格網分辨率格網方向列柵格數(shù)據模型用單元填滿空間，每一個單元是一個小的正方形，稱為grid。用同一種方法，實現(xiàn)了點、線、面三種對象的表達。笛卡爾坐標系早期的GIS大多數(shù)采用柵格數(shù)據模型行西南角格網坐標（XWS，YWS）格網分辨率格網方向列柵格數(shù)據單元值確定CAB百分比法面積占優(yōu)重要性中心點法A連續(xù)分布地理要素C具有特殊意義的較小地物A分類較細、地物斑塊較小AB為了逼近原始數(shù)據精度，除了采用這幾種取值方法外，還可以采用縮小單個柵格單元的面積，增加柵格單元總數(shù)的方法柵格數(shù)據模型中，如何將屬性數(shù)據賦予空間數(shù)據方法一：每一個網格單元都賦予一個數(shù)值。（簡單，但無法有多重屬性）需要表達多重屬性就必須建立多個柵格圖層土地產權地形土地使用建筑物ZYX柵格數(shù)據模型中，如何將屬性數(shù)據賦予空間數(shù)據？方法二：網格單元與DBMS相連接，一個網格單元就可以有多重屬性。多種壓縮存儲量的數(shù)據結構

分辨率的提高和數(shù)據量之間呈平方指數(shù)關系分辨率與精度的問題。如果精度越大、分辨率大，數(shù)據量就越大。為了減少數(shù)據量，產生了多種壓縮存儲量的數(shù)據結構柵格數(shù)據的壓縮目的：減少數(shù)據量。通過某種編碼的方法，達到減少數(shù)據長度的目的。多種壓縮編碼柵格數(shù)據結構柵格數(shù)據結構：壓縮編碼方案AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起點行列號，單位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3鏈式編碼游程長度編碼逐行編碼數(shù)據結構:行號,屬性,重復次數(shù)1,A,4,R,1,A,4塊狀編碼正方形區(qū)域為記錄單元數(shù)據結構:初始位置,半徑,屬性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…NESWNWSEGGGGAGGAAGAAA四分樹編碼鏈碼優(yōu)點：

鏈式編碼對多邊形的表示具有很強的數(shù)據壓縮能力，且具有一定的運算功能，如面積和周長計算等，探測邊界急彎和凹進部分等都比較容易，比較適于存儲圖形數(shù)據。缺點：

對疊置運算如組合、相交等則很難實施，對局部修改將改變整體結構，效率較低，而且由于鏈碼以每個區(qū)域為單位存儲邊界，相鄰區(qū)域的公共邊界被重復存儲會產生冗余。游程長度編碼其實現(xiàn)方法有兩種一種編碼方案是，只在各行（或列）數(shù)據的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同的代碼重復的個數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)據的壓縮。

另一種游程長度編碼方案就是逐個記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應代碼

游程長度編碼示例按第一種編碼方法，此數(shù)據游程長度編碼：（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7，2）；（0，2），（4，1），（8，3），（7，2）；（0，2），（8，4），（7，1），（8，1）；(0，3)(8，5)，(0，4)，(8，4)；(0，5)，(8，3)。用44個整數(shù)表達了原始數(shù)據中的64個柵格。游程長度編碼示例按第二種編碼方法，此數(shù)據游程長度編碼（沿列方向）：（1，0），（2，4），（4，0），（1，4），（4，0）；（1，4），（5，8），（6，0）；（1，7），（2，4），（4，8），（7，0）；（1，7），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。

游程長度編碼優(yōu)缺點優(yōu)點壓縮效率較高，且易于進行檢索，疊加合并等操作，運算簡單，適用于機器存儲容量小，數(shù)據需大量壓縮，而又要避免復雜的編碼解碼運算增加處理和操作時間的情況

缺點對于圖斑破碎，屬性和邊界多變的數(shù)據壓縮效率較低，甚至壓縮后的數(shù)據量比原始數(shù)據還大。

3.塊碼

塊碼是游程長度編碼擴展到二維的情況，采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格，數(shù)據結構由初始位置（行、列號）和半徑，再加上記錄單位的代碼組成。塊碼編碼示例其塊碼編碼為：(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)四叉樹編碼四叉樹編碼又稱為四分樹、四元樹編碼。它是一種更有效地壓編數(shù)據的方法。它將2n×2n像元陣列連續(xù)進行4等分，一直分到正方形的大小正好與象元的大小相等為止（如下圖），而塊狀結構則用四叉樹描述，習慣上稱為四叉樹編碼。四叉樹編碼的優(yōu)缺點優(yōu)點：四叉樹編碼具有可變的分辨率，樹的深度隨數(shù)據的破碎程度而變化，并且有區(qū)域性質，壓縮數(shù)據靈活，許多數(shù)據和轉換運算可以在編碼數(shù)據上直接實現(xiàn)，大大地提高了運算效率，并支持拓撲“洞”（嵌套多邊形）的表達，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。缺點：其最大不足是其不穩(wěn)定性，即同樣的原始數(shù)據應用不同的算法進行編碼可能會得到不同的編碼結果。不利于數(shù)據分析。常見柵格壓縮編碼方法總結：鏈碼的壓縮效率較高，已經近矢量結構，對邊界的運算比較方便，但不具有區(qū)域的性質，區(qū)域運算困難。游程長度編碼既可以在很大程度上壓縮數(shù)據，又最大限度地保留了原始柵格結構，編碼解碼十分容易。但對破碎數(shù)據處理效果不好。塊碼和四叉樹編碼具有區(qū)域性質，又具有可變的分辨率，有較高的壓縮效率，但運算效率是其瓶頸。其中四叉樹編碼可以直接進行大量圖形圖像運算，效率較高，是很有前途的方法。矢量空間數(shù)據模型

矢量數(shù)據結構定義：矢量數(shù)據結構是通過記錄坐標的方式，盡可能地將點、線、面地理實體表現(xiàn)得精確無誤。矢量數(shù)據能更精確地定義位置、長度和大小。特點：定位明顯、屬性隱含。用拓撲關系描述空間對象之間的關系面向目標操作，精度高，數(shù)據冗余度小與遙感等圖象數(shù)據難以結合輸出圖形質量號，精度高矢量數(shù)據模型采用平面解析幾何的方法來描述空間對象。矢量數(shù)據模型核心是坐標點。點:只有位置沒有大小。線：一系列坐標點組成，曲線用短直線擬合。多邊形（面）：線首尾相接，圍成的閉合多邊形。點：（x，y）

線：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

面(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(x1,y2)

屬性數(shù)據與空間數(shù)據關聯(lián)使用關系型數(shù)據庫DBMS一個空間要素對應數(shù)據庫的一條記錄使用多個字段表達多重屬性。矢量數(shù)據結構的編碼坐標序列法樹狀索引編碼法拓撲結構編碼法點實體線實體矢量數(shù)據編碼唯一標識碼是系統(tǒng)排列序號；線標識碼可以標識線的類型；起始點和終止點號可直接用坐標表示；顯示信息是顯示時的文本或符號等；與線相聯(lián)系的非幾何屬性可以直接存儲于線文件中，也可單獨存儲，而由標識碼聯(lián)接查找。面實體多邊形矢量編碼，不但要表示位置和屬性，更重要的是能表達區(qū)域的拓撲特征，如形狀、鄰域和層次結構等，以便使這些基本的空間單元可以作為專題圖的資料進行顯示和操作。1、簡單的矢量數(shù)據結構—坐標序列法只記錄空間對象的位置坐標和屬性信息，不記錄拓撲關系。存儲：獨立存儲：空間對象位置直接跟隨空間對象；點位字典：點坐標獨立存儲，線、面由點號組成特征無拓撲關系，主要用于顯示、輸出及一般查詢公共邊重復存儲，存在數(shù)據冗余，難以保證數(shù)據獨立性和一致性多邊形分解和合并不易進行，鄰域處理較復雜；處理嵌套多邊形比較麻煩適用范圍：制圖及一般查詢，不適合復雜的空間分析矢量數(shù)據結構編碼的基本內容

標識碼屬性碼空間對象編碼唯一連接空間和屬性數(shù)據數(shù)據庫獨立編碼點:(x,y)線:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1

),（x2,y2

),…,(x1,y1

)點位字典點:點號文件線:點號串面:點號串點號XY1112223344………n5566存儲方法簡單的矢量數(shù)據結構—坐標序列法多邊形 數(shù)據項 A

(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)

B(x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),(x16,y16),（15,y15),(x14,y14),(x13,y13)(x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1) C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30),(x31,y31),(x24,y24) D

(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19) E

(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)坐標序列法的優(yōu)缺點優(yōu)點文件結構簡單，易于實現(xiàn)以多邊形為單位的運算和顯示缺點多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲兩次，由此產生冗余和碎屑多邊形；每個多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進行鄰域處理，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界；島只作為一個單個的圖形建造，沒有與外包多邊形的聯(lián)系；不易檢查拓撲錯誤。這種方法可用于簡單的粗精度制圖系統(tǒng)中。2、樹狀索引編碼法采用樹狀索引以減少數(shù)據冗余并間接增加鄰域信息，方法是對所有邊界點進行數(shù)字化，將坐標對以順序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結構索引式線與多邊形之間的樹狀索引點與多邊形之間的樹狀索引樹狀索引編碼法示例形成的文件記錄樹狀索引編碼法的優(yōu)勢和不足消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據冗余和不一致的問題，鄰域信息和島狀信息可以通過對多邊形文件的線索引處理得到，但是比較繁瑣，因而給相鄰函數(shù)運算，消除無用邊，處理島狀信息以及檢查拓撲關系帶來一定的困難，而且兩個編碼表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出錯。3、拓撲結構編碼法要徹底解決鄰域和島狀信息處理問題必須建立一個完整的拓撲關系結構，這種結構應包括以下內容：唯一標識，多邊形標識，外包多邊形指針，鄰接多邊形指針，邊界鏈接，范圍（最大和最小x、y坐標值，即外包矩形信息）。采用拓撲結構編碼可以較好地解決空間關系查詢等問題，但增加了算法的復雜性和數(shù)據庫的大小。1）雙重獨立坐標地圖編碼（DIME）線號左多邊形右多邊形起點終點aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92這種數(shù)據結構除了通過線文件生成面文件外，還需要點文件鏈狀雙重獨立坐標地圖編碼鏈狀雙重獨立坐標地圖編碼數(shù)據結構是DIME數(shù)據結構的一種改進。在DIME中，一條邊只能用直線兩端點的序號及相鄰的面域來表示，而在鏈狀數(shù)據結構中，將若干直線段合為一個弧段（或鏈段），每個弧段可以有許多中間點。在鏈狀雙重獨立坐標地圖編碼數(shù)據結構中，主要有四個文件：多邊形文件、弧段文件、弧段坐標文件、結點文件。鏈狀雙重獨立坐標地圖編碼多邊形文件多邊形號 弧段號 周長面積中心點坐標 A h,b,a B g,f,c,h,-j C j D e,i,f E e,i,d,b

弧段文件弧段號 起始點 終結點 左多邊形 右多邊形 a 5 1 O Ab 8 5 E Ac 16 8 E Bd 19 5 O Ee 15 19 O Df 15 16 D Bg 1 15 O Bh 8 1 A Bi 16 19 D Ej 31 31 B C 弧段坐標文件弧段號 點號 a 5,4,3,2,1 b 8,7,6,5 c 16,17,8 d 19,18,5 e 15,23,22,21,20,19 f 15,16, g 1,10,11,12,13,14,15 h 8,9,1 i 16,19 j 31,30,29,28,27,26,25,24,31 矢量數(shù)據結構的屬性數(shù)據表達屬性特征表達類別特征：類型編碼說明信息：屬性數(shù)據結構和表格屬性表的內容取決于用戶圖形數(shù)據和屬性數(shù)據的連接通過目標識別符或內部記錄號實現(xiàn)。矢量數(shù)據結構的屬性