GIS原理與方法201202-2空間數(shù)據(jù)結構

中國地質(zhì)大學江城學院地理信息系統(tǒng)原理中國地質(zhì)大學江城學院GIS原理與方法1緒論2空間數(shù)據(jù)結構3

地理信息系統(tǒng)的地理數(shù)學基礎4地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入5地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理6空間數(shù)據(jù)管理8空間分析9數(shù)字高程模型10網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)11空間數(shù)據(jù)挖掘與空間決策支持系統(tǒng)12GIS輸出與地圖可視化13地理信息系統(tǒng)工程與標準14地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

中國地質(zhì)大學江城學院2空間數(shù)據(jù)結構

2.1空間認知模型2.2空間實體模型2.3柵格數(shù)據(jù)結構2.4矢量數(shù)據(jù)結構2.5矢柵結合的數(shù)據(jù)結構2.6矢量與柵格數(shù)據(jù)結構的比較中國地質(zhì)大學江城學院2.1空間認知模型1現(xiàn)實世界的認知過程現(xiàn)實世界數(shù)字世界觀察、抽象綜合取舍定義、編碼模型化概念世界以實體表達中國地質(zhì)大學江城學院2.1空間認知模型2空間認知三層模型空間概念模型空間邏輯模型物理模型現(xiàn)實世界矢量數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型矢-柵一體化數(shù)據(jù)模型層次模型網(wǎng)絡模型關系模型面向?qū)ο竽Ｐ臀锢肀硎窘M織空間數(shù)據(jù)存取中國地質(zhì)大學江城學院2.3柵格數(shù)據(jù)結構2.3.1柵格數(shù)據(jù)基本概念2.3.2柵格數(shù)據(jù)層的概念2.3.3柵格數(shù)據(jù)結構的表示2.3.4柵格數(shù)據(jù)的組織方法2.3.5柵格數(shù)據(jù)取值方法2.3.6柵格數(shù)據(jù)存儲編碼

中國地質(zhì)大學江城學院2.3.1柵格數(shù)據(jù)基本概念將工作區(qū)域的平面表象按一定分解力作行和列的規(guī)則劃分，形成許多格網(wǎng)，每個網(wǎng)格單元稱為象素。根據(jù)所表示實體的表象信息差異，各象元可用不同的“灰度值”來表示。若每個象元規(guī)定N比特，則其灰度值范圍可在0到2N—1之間；把白～灰色～黑的連續(xù)變化量化成8比特（bit），其灰度值范圍就允許在0～255之間，共256級；若每個象元只規(guī)定1比特，則灰度值僅為0和1，這就是所謂二值圖像，0代表背景。柵格數(shù)據(jù)結構實際上就是象元陣列，即象元按矩陣形式的集合，柵格中的每個象元是柵格數(shù)據(jù)中最基本的信息存儲單元，其坐標位置可以用行號和列號確定。中國地質(zhì)大學江城學院2.3.2柵格數(shù)據(jù)層的概念

在柵格數(shù)據(jù)結構中，物體的空間位置就用其在笛卡爾平面網(wǎng)格中的行號和列號坐標表示，物體的屬性用象元的取值表示，每個象元在一個網(wǎng)格中只能取值一次，同一象元要表示多重屬性的事物就要用多個笛卡爾平面網(wǎng)格，每個笛卡爾平面網(wǎng)格表示一種屬性或同一屬性的不同特征，這種平面稱為層。中國地質(zhì)大學江城學院柵格數(shù)據(jù)層的概念每個平面網(wǎng)格表示一種屬性或同一屬性的不同特征，這種平面稱為層。現(xiàn)實世界地圖分層柵格數(shù)據(jù)層疊加分析中國地質(zhì)大學江城學院中國地質(zhì)大學江城學院2.3.3柵格數(shù)據(jù)結構表示1二維數(shù)組柵格數(shù)據(jù)最常用的一種存儲方式組合方式：節(jié)約存儲量比特面方式：能在各面間進行高效率的邏輯運算，存儲設備利用率高。但處理耗時中國地質(zhì)大學江城學院2一維數(shù)組將柵格面內(nèi)的全體像素按照一定規(guī)則存儲在一維數(shù)組中，主要用于柵格數(shù)據(jù)的壓縮編碼中國地質(zhì)大學江城學院2.3.4柵格數(shù)據(jù)組織方法

1.以象元為序。記錄象元坐標和各層屬性值。節(jié)省了許多存儲空間，因為N層中實際上只存了1層的象元坐標。如圖a

2.以層為基礎。每一層又以象元為序記錄它的坐標和屬性值，一層記錄完后再記錄第二層。這種方法較為簡單，但需要的存儲空間最大。如圖b

3.以層為基礎。但每一層內(nèi)則以多邊形（也稱制圖單元）為序記錄多邊形的屬性值和充滿多邊形的各象元的坐標。則節(jié)省了許多用于存儲屬性的空間，同一屬性的制圖單元的ｎ個象元只記錄一次屬性值。如圖c

中國地質(zhì)大學江城學院中國地質(zhì)大學江城學院2.3.5柵格數(shù)據(jù)取值方法1中心歸屬法

中心歸屬法：每個柵格單元的值以網(wǎng)格中心點對應的面域?qū)傩灾祦泶_定。中國地質(zhì)大學江城學院2長度占優(yōu)法

長度占優(yōu)法：每個柵格單元的值以網(wǎng)格中線（水平或垂直）的大部分長度所對應的面域的屬性值來確定。中國地質(zhì)大學江城學院3面積占優(yōu)法面積占優(yōu)法：每個柵格單元的值以在該網(wǎng)格單元中占據(jù)最大面積的屬性值來確定。中國地質(zhì)大學江城學院4重要性法

重要性法：根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重要性程度，選取特別重要的空間實體決定對應的柵格單元值，如稀有金屬礦產(chǎn)區(qū)，其所在區(qū)域盡管面積很小或不位于中心，也應采取保留的原則。中國地質(zhì)大學江城學院2.3.6柵格數(shù)據(jù)存儲編碼(1)直接編碼(2)鏈式編碼(3)行程編碼(4)塊式編碼(5)四叉樹編碼

中國地質(zhì)大學江城學院(1)直接柵格編碼是最簡單最直觀而又非常重要的一種柵格結構編碼方法，通常稱這種編碼為圖像文件或柵格文件。直接編碼就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼，可以每行都從左到右逐象元記錄，也可奇數(shù)行從左到右，而偶數(shù)行由右向左記錄，為了特定目的還可采用其它特殊的順序

3334444433334444133344421133322211113222111122221111122211111222133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222中國地質(zhì)大學江城學院(2)鏈式編碼考慮圖2.11中的多邊形。該多邊形邊界可以表示為：由某一原點開始并按某些基本方向確定的單位矢量鏈?；痉较蚩啥x為：東＝0，南＝3，西＝2，北＝1等。特點：對多邊形的表示具有很強的數(shù)據(jù)壓縮能力；具有一定的運算功能，如面積和周長計算等；疊置運算如組合、相交等則很難實施。中國地質(zhì)大學江城學院確定原點為像元（10，1），則該多邊形界按順時方向的鏈式編碼為：0，1，02，3，02，1，0，3，0，1，03，32，2，33，02，1，05，32，22，3，23，3，23，1，22，1，22，1，22，1，22，13

基本方向可定義為：東＝0，南＝3，西＝2，北＝1。中國地質(zhì)大學江城學院(3)行程編碼

按行（或列）記錄相同代碼的始末象元的列號（或行號）和相應的代碼，左圖可沿行方向進行程編碼：

1行：（1，3，3），（4，8，4）；

2行：（3，4，3），（5，8，4）；

3行：（1，1，1），（2，4，3），（5，7，4），（8，8，2）；

4行：（1，2，1），（3，5，3），（6，8，2）；

5行：（1，4，1），（5，5，3），（6，8，2）；

6行：（1，4，1），（5，8，2）；

7行：（1，5，1），（6，8，2）；

8行：（1，5，1），（6，8，2）。

133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222

中國地質(zhì)大學江城學院(4)塊式編碼

把多邊形范圍劃分成由象元組成的正方形，然后對各個正方形進行編碼。塊式編碼數(shù)據(jù)結構中包括3個數(shù)字：塊的初始位置（行、列號）和塊的大小（塊包括的象元數(shù)），再加上記錄單元的代碼組成。（1，1，2，3），（1，3，1，3），（1，4，1，4），（1，5，3，4）,（1，8，1，4），（2，3，1，3），（2，4，1，3），（2，8，1，4），（3，1，1，1），（3，2，1，3），（3，3，2，3），（3，8，1，2），（4，1，1，1），（4，2，1，1），（4，5，1，3），（4，6，1，2），（4，7，2，2），（5，1，4，1），（5，5，1，3），（5，6，1，2），（6，5，1，2），（6，6，3，2），（7，5，1，1），（8，5，1，1）。133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222中國地質(zhì)大學江城學院(5)四叉樹編碼四叉樹分割：將圖像區(qū)域按大小相同的象限4等分，每個象限又可根據(jù)一定規(guī)則判斷是否繼續(xù)等分為次一層的4個象限。子象限只含一種屬性代碼，則停止繼續(xù)分割。圖像區(qū)域的柵格陣列應為2n×2n中國地質(zhì)大學江城學院四叉樹結構：把2n×2n象元組成的陣列當作樹的根節(jié)點，樹的高度為n，每個節(jié)點分別代表南西（SW）、南東（SE）、北西（NW）、北東（NE）。四個分支中要么是樹葉、樹叉。樹葉代表一種代碼。樹叉繼續(xù)再分。中國地質(zhì)大學江城學院（5.1）指針四叉樹指針四叉樹編碼是通過在子結點與父結點之間設立指針的方式建立起整個結構。按這種方式，四叉樹的每個結點通常存儲6個量，即四個子結點指針、一個父結點指針和該結點的屬性代碼。這種方法除了要記錄葉結點外，還要記錄中間結點，一般要占用較大存儲空間。

中國地質(zhì)大學江城學院（5.2）線性四叉樹線性四叉樹編碼為美國馬里蘭大學地理信息系統(tǒng)中采用的編碼方法，它的基本思想是：不需記錄中間結點和使用指針，僅記錄葉結點，并用地址碼（如Morton碼等）表示葉結點的位置。

中國地質(zhì)大學江城學院①基于深度和層次的線性四叉樹編碼記錄每個葉結點的地址和值，值就是子區(qū)的屬性代碼，其中地址包括兩部分，共32位（二進制）最右邊4位記錄該葉結點的深度，左邊的28位記錄路徑，從右邊第5位往左記錄從葉節(jié)點到根結點的路徑。0，1，2，3分別表示SW，SE，NW，NE。第4號結點編碼為深度為3，第一層處于SE象限，第二層處于SW象限，第三層處于NW象限。

中國地質(zhì)大學江城學院②四進制地址碼該編碼方法是從整體開始水平和垂直分隔，每分隔一次，增加一位數(shù)字。如圖2-17(b)為對圖2-17（a）進行第一次分隔后得到四個區(qū)域（0，1，2，3），即每一個位均是用一個小于4的四進制數(shù)來表示位置。因此，該碼的位數(shù)表示分隔的次數(shù)。進行第二次分隔后得到“B”的地址編碼為“03”。

中國地質(zhì)大學江城學院③十進制地址碼(Morton碼)四進制Morton碼直觀上切合四叉樹分割，但許多語言不支持四進制變量，需用十進制表示Morton碼。線性四叉樹的十進制編碼簡稱MD編碼，它同線性四叉樹的四進制編碼主要不同在于編碼值是十進制自然數(shù)，其合并過程可直接按自然數(shù)順序進行。如行為2、列為3的柵格的MD步驟：(1)行、列號為二進制

Ib=10Jb=11(2)I行J列交叉

1101=13(3)再化為十進制.實質(zhì)上是按左上、右上、左下、右下的順序，從零開始對每個柵格進行自然編碼。

A0A1A4A5A2

B3B6B7A8A9B12B13A10A11B14B15中國地質(zhì)大學江城學院在一個n×n的圖像陣列中，每個像元點都相應的給出一個Morton碼。如圖2-18為8×8的圖像陣列每一像元的Morton碼。如第7列5行的Morton碼為55，即（7）10＝（0111）2，（5）10＝（0101）2，兩二進制交換位后為（00110111）2＝（55）10。中國地質(zhì)大學江城學院把一幅2n×2n的圖像壓縮成線性四叉樹的過程為：按Morton碼把圖象讀入一維數(shù)組；相鄰的四個象元比較，一致的合并，只記錄第一個象元的Morton碼；比較所形成的大塊，相同的再合并，直到不能合并為止。

中國地質(zhì)大學江城學院如對于圖2-20為圖2-19所示圖像的Morton。該柵格圖像的壓縮處理過程為：按Morton碼讀入一維數(shù)組；

Morton碼：0123456789101112131415

象元值：AAABABBBAAAABBBB四相鄰象元合并，只記錄第一個象元的Morton碼。由于Morton碼8，9，10，11的像元均為A，故只記錄第一個Morton碼8即可，從而達到壓縮的目的；

01234567812AAABAABBAB由于不能進一步合并，則可用行程長度編碼壓縮。

0346812ABABAB在解碼時，根據(jù)Morton碼就可知道象元在圖像中的位置(左上角)，本Morton碼和下一個Morton碼之差即為象元個數(shù)。知道了象元的個數(shù)和象元的位置就可恢復出原始圖像。中國地質(zhì)大學江城學院四叉樹編碼的優(yōu)點（1）易于計算多邊形的數(shù)量特征；（2）是一種可變分辨率編碼，可用較少的存儲量精確的表示復雜的圖形；（3）柵格到四叉樹及到四叉樹到簡單柵格結構的轉(zhuǎn)換比其他壓縮方法容易

。（4）便于在多邊形中嵌套多邊形，如表示“島”

。四叉樹編碼的缺點

（1）數(shù)據(jù)結構復雜，當同時提供多種四叉樹結構時，不利于分析。

（2）未能表示物體間的拓撲關系。

（3）一個物體的圖像在構成四叉樹時會被分割到若干個象限中，使它失去

了內(nèi)在的相關性。中國地質(zhì)大學江城學院2.4矢量數(shù)據(jù)結構2.4.1矢量數(shù)據(jù)結構2.4.2拓撲數(shù)據(jù)結構2.4.3多邊形矢量編碼2.4.4索引式2.4.5ＤＩＭＥ結構2.4.6鏈狀雙重獨立式數(shù)據(jù)結構2.4.7完整的多邊形拓撲結構中國地質(zhì)大學江城學院2.4.1矢量數(shù)據(jù)結構矢量是具有一定大小和方向的量，數(shù)學上和物理上也叫向量。在紙上用筆劃一條線段，繪圖機在紙上畫一條線段，計算機圖形中一條有向線段，都是一個直觀的矢量。矢量數(shù)據(jù)就是代表地圖圖形的各離散點平面坐標（x，y）的有序集合。矢量數(shù)據(jù)結構是一種最常見的圖形數(shù)據(jù)結構，主要用于表示地圖圖形元素幾何數(shù)據(jù)之間及其與屬性數(shù)據(jù)之間的相互關系。通過記錄坐標方式，盡可能地將點、線、面地理實體表現(xiàn)得精確無誤。其坐標空間假定為連續(xù)空間，不必象柵格數(shù)據(jù)結構那樣進行量化處理，因此矢量數(shù)據(jù)更能精確地確定實體的空間位置。中國地質(zhì)大學江城學院1.點實體點實體包括由單獨一對x，y坐標定位的一切地理或制圖實體。在矢量數(shù)據(jù)結構中，除點實體的x，y坐標外還應存儲其它一些與點實體有關的數(shù)據(jù)來描述點實體的類型、制圖符號和顯示要求等。點是空間上不可再分的地理實體，可以是具體的也可以是抽象的，如地物點、文本位置點或線段網(wǎng)絡的結點等，如果點是一個與其它信息無關的符號，則記錄時應包括符號類型、大小、方向等有關信息；如果點是文本實體，記錄的數(shù)據(jù)應包括字符大小、字體、排列方式、比例、方向以及與其它非圖形屬性的聯(lián)系方式等信息。對其它類型的點實體也應做相應的處理。中國地質(zhì)大學江城學院2.線實體線實體可以定義為直線元素組成的各種線性要素，直線元素由兩對x，y坐標定義。最簡單的線實體只存儲它的起止點坐標、屬性、顯示符等有關數(shù)據(jù)。例如，線實體輸出時可能用實線或虛線描繪，這類信息屬符號信息，它說明線實體的輸出方式?；?、鏈是n個坐標對的集合，這些坐標可以描述任何連續(xù)而又復雜的曲線。組成曲線的線元素越短，x，y坐標數(shù)量越多，就越逼近于一條復雜的曲線。線的網(wǎng)絡結構：簡單的線或鏈沒有攜帶彼此互相連接的空間信息，而這種連接信息又是供排水網(wǎng)和道路網(wǎng)分析中必不可少的信息。因此要在數(shù)據(jù)結構中建立指針系統(tǒng)才能讓計算機在復雜的線網(wǎng)結構中逐線跟綜每一條線。指針的建立要以結點為基礎，如建立水網(wǎng)中每條支流之間連接關系時必須使用這種指針系統(tǒng)。指針系統(tǒng)包括結點指向線的指針，每條從結點出發(fā)的線匯于結點處的角度等，從而完整地定義線網(wǎng)絡的拓撲關系。線實體主要用來表示線狀地物（公路、水系、山脊線）、符號線和多邊形邊界，有時也稱為“弧”、“鏈”、“串”等。

中國地質(zhì)大學江城學院3.面實體多邊形（有時稱為區(qū)域）數(shù)據(jù)是描述地理空間信息的最重要的一類數(shù)據(jù)。在區(qū)域?qū)嶓w中，具有名稱屬性和分類屬性的，多用多邊形表示，如行政區(qū)、土地類型、植被分布等；具有標量屬性的有時也用等值線描述（如地形、降雨量等）。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，以便恢復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，由于要表示的信息十分豐富，基于多邊形的運算多而復雜，因此多邊形矢量編碼比點和線實體的矢量編碼要復雜得多，也更為重要。對多邊形網(wǎng)提出如下要求：（1）組成地圖的每個多邊形應有唯一的形狀、周長和面積。（2）地理分析要求的數(shù)據(jù)結構應能夠記錄每個多邊形的鄰域關系，其方法與水系網(wǎng)中記錄連接關系一樣。（3）專題地圖上的多邊形并不都是同一等級的多邊形，而可能是多邊形內(nèi)嵌套小的多邊形（次一級）。例如，湖泊的水域線在土地用圖上可算是個島狀多邊形，而湖中的島嶼為“島中之島”。這種所謂“島”或“洞”的結構是多邊形關系中較難處理的問題。中國地質(zhì)大學江城學院中國地質(zhì)大學江城學院2.4.2拓撲數(shù)據(jù)結構1.拓撲學拓撲學與歐幾里得幾何學的不同之處在于它不涉及距離、方位或曲直等性質(zhì)，即不涉及圖形的量度性質(zhì)。例如，火車站的交通示意圖、公共汽車站的路牌都可以看作拓撲圖形，因為這些圖形在比例、形狀或位置方面均有著極大的變形。

中國地質(zhì)大學江城學院2.拓撲關系空間拓撲關系是討論空間實體間拓撲屬性，即在拓撲變換如旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等下保持不變的空間關系，它是GIS中不可缺少的一種基本關系。地理空間中的點、線、面實體之間存在著各種各樣的拓撲關系，因此表示拓撲關系的數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)的重要組成部分,空間拓撲關系是空間查詢與分析的基礎。

拓撲關系是指網(wǎng)結構元素結點、弧段、面域之間的空間關系，主要表現(xiàn)為下列三種關系：拓撲鄰接關系、拓撲關聯(lián)關系、拓撲包含關系。中國地質(zhì)大學江城學院（1）拓撲鄰接拓撲鄰接指存在于空間圖形的同類元素之間的拓撲關系。結點鄰接關系有N1/N4，N1/N2···等；多邊形鄰接關系有P1/P3，P2/P3···等。

中國地質(zhì)大學江城學院（2）拓撲關聯(lián)拓撲關聯(lián)指存在于空間圖形的不同類元素之間的拓撲關系。結點與弧段關聯(lián)關系有N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5···等。多邊形與線段的關聯(lián)關系有P1/C1、C5、C6，P2/C2、C4、C5、C7等。

中國地質(zhì)大學江城學院（3）拓撲包含拓撲包含指存在于空間圖形的同類但不同級的元素之間的拓撲關系，P1包含P2和P3。

中國地質(zhì)大學江城學院3.拓撲數(shù)據(jù)結構目前，人們對拓撲關系的表達進行了大量研究，提出了更復雜的關聯(lián)和鄰接關系。實際上，許多GIS系統(tǒng)在處理使用上述表格的方式有所不同，對于上述出現(xiàn)變長記錄的表格（如結點關聯(lián)的弧段），有的系統(tǒng)使用指針方法，有的則直接存儲變長記錄(如ArcGIS)。中國地質(zhì)大學江城學院中國地質(zhì)大學江城學院2.4.3多邊形矢量編碼

一個區(qū)域或一幅地圖可以劃分成許多多邊形，每個多邊形由一條或若干條弧段組成，每條弧段由一串有序的x，y坐標對組成，每條弧段的兩端點為結點，每個結點連接兩條以上的弧段，多邊形矢量編碼主要用于表示空間圖形為多邊形的面狀要素，每個多邊形在數(shù)據(jù)庫中是相互獨立、分開存儲的。如特征值為4的多邊形由條4弧段組成，其文件編碼坐標為:x18,y18;x19,y19;x9,y9;x8,y8;x7,y7;x20,y20;x21,y21;x22,y22;x23,y23;x24,y24;x18,y18

中國地質(zhì)大學江城學院

特征值坐標位置1x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x1,y12x28,y28;x29,y29;x30,y30;x31,y31;x32,y32;x33,y33;x28,y283x1,y1;x11,y11;x12,y12;x13,y13;x14,y14;x15,y15;x16,y16;x17,y17;x18,y18;x19,y19;x9,y9x10,y10;x1,y14x18,y18;x19,y19;x9,y9;x8,y8;x7,y7;

x20,y20;x21,y21;x22,y22;x23,y23;x24,y24;x18,y185x16,y16;x17,y17;x18,y18;x24,y24;x23,y23;x27,y27;x26,y26;x25,y25;x16,y16中國地質(zhì)大學江城學院2.4.4索引式節(jié)點索引節(jié)點索引是對多邊形邊界的各個節(jié)點進行編號，建立按多邊形單元編排的節(jié)點編號索引文件。

線段索引線段索引是多邊形邊界的各個線段進行編號,建立按多邊形單元編排的線段索引隨機文件，各個線段按照序號逐段數(shù)字化