《GIS空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課件

GIS空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)地理信息系統(tǒng)(GIS)是管理和分析地理空間數(shù)據(jù)的強(qiáng)大工具。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是GIS的基礎(chǔ)，它決定著如何存儲(chǔ)、組織和處理地理空間數(shù)據(jù)。RMbyRoyMillerGIS簡(jiǎn)介地理信息系統(tǒng)GIS是地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是用于采集、存儲(chǔ)、管理、分析和顯示地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？臻g數(shù)據(jù)GIS處理的主要數(shù)據(jù)類(lèi)型是空間數(shù)據(jù)，包括地理位置信息、屬性信息以及空間特征和關(guān)系?？臻g分析GIS的核心功能之一是空間分析，通過(guò)對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以解決各種地理問(wèn)題，如土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃和環(huán)境監(jiān)測(cè)。應(yīng)用廣泛GIS在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括地圖學(xué)、土地管理、資源管理、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸和災(zāi)害應(yīng)急管理?？臻g數(shù)據(jù)模型的發(fā)展歷程1地理信息系統(tǒng)早期GIS系統(tǒng)主要使用矢量數(shù)據(jù)模型。2柵格數(shù)據(jù)模型隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，柵格數(shù)據(jù)模型逐漸成熟。3混合數(shù)據(jù)模型結(jié)合矢量和柵格模型的優(yōu)勢(shì)，解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。4對(duì)象模型面向?qū)ο蠹夹g(shù)引入GIS，更靈活，更強(qiáng)大。空間數(shù)據(jù)模型的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密相關(guān)。從早期簡(jiǎn)單的矢量模型到如今的混合模型和對(duì)象模型，空間數(shù)據(jù)模型不斷發(fā)展，滿(mǎn)足著不同時(shí)代的需求。柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型是一種重要的空間數(shù)據(jù)模型。它將空間數(shù)據(jù)組織成規(guī)則的網(wǎng)格，將連續(xù)的空間數(shù)據(jù)離散化成一系列格網(wǎng)單元。每個(gè)格網(wǎng)單元包含一個(gè)特定的屬性值，代表其對(duì)應(yīng)區(qū)域的特征。柵格數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)單直觀，易于理解和處理，在遙感圖像處理、數(shù)字高程模型構(gòu)建、地理信息系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。柵格數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是指將柵格數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的方式，主要有以下幾種。1矩陣存儲(chǔ)將柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為矩陣，每個(gè)矩陣元素代表一個(gè)柵格單元的值。2運(yùn)行長(zhǎng)度編碼將具有相同值的連續(xù)柵格單元存儲(chǔ)為一個(gè)運(yùn)行長(zhǎng)度，減少存儲(chǔ)空間。3四叉樹(shù)將柵格數(shù)據(jù)劃分為四叉樹(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)區(qū)域，存儲(chǔ)該區(qū)域的平均值或其他統(tǒng)計(jì)信息。不同的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。柵格數(shù)據(jù)的分類(lèi)按數(shù)據(jù)類(lèi)型分類(lèi)柵格數(shù)據(jù)可以根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型分為兩類(lèi)：連續(xù)型數(shù)據(jù)和離散型數(shù)據(jù)。連續(xù)型數(shù)據(jù)指數(shù)據(jù)值可以無(wú)限細(xì)分，例如高程數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)等。離散型數(shù)據(jù)指數(shù)據(jù)值只能取特定值，例如土地利用數(shù)據(jù)、土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)等。按數(shù)據(jù)獲取方式分類(lèi)柵格數(shù)據(jù)可以根據(jù)數(shù)據(jù)獲取方式分為兩類(lèi)：直接獲取數(shù)據(jù)和間接獲取數(shù)據(jù)。直接獲取數(shù)據(jù)指直接從傳感器獲取數(shù)據(jù)，例如遙感影像數(shù)據(jù)。間接獲取數(shù)據(jù)指通過(guò)其他方式獲取數(shù)據(jù)，例如數(shù)字化地形圖數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)的應(yīng)用地形分析可以用于地形起伏、坡度和坡向分析。城市規(guī)劃用于城市人口密度、土地利用分析。遙感影像分析分析地表覆蓋、植被狀況、水體變化等。矢量數(shù)據(jù)模型點(diǎn)、線(xiàn)、面矢量數(shù)據(jù)模型以點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何元素來(lái)表示地理實(shí)體。坐標(biāo)信息每個(gè)幾何元素都由坐標(biāo)信息定義，從而確定其位置和形狀。拓?fù)潢P(guān)系矢量數(shù)據(jù)模型可以描述地理實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系，例如相鄰、包含、相交等。矢量數(shù)據(jù)的幾何類(lèi)型點(diǎn)點(diǎn)表示空間中單個(gè)位置，沒(méi)有尺寸或形狀，例如，城市、道路交叉口。線(xiàn)線(xiàn)表示空間中具有長(zhǎng)度但沒(méi)有寬度的一維特征，例如，河流、道路。面面表示空間中具有面積的二維特征，例如，湖泊、森林。體體表示空間中具有體積的三維特征，例如，建筑物、山體。矢量數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系11.鄰接關(guān)系描述兩個(gè)幾何圖形之間的連接關(guān)系，例如，兩個(gè)多邊形共享一條公共邊。22.包含關(guān)系描述一個(gè)幾何圖形在另一個(gè)幾何圖形內(nèi)部的關(guān)系，例如，一個(gè)點(diǎn)位于一個(gè)多邊形內(nèi)。33.相交關(guān)系描述兩個(gè)幾何圖形相交但沒(méi)有包含關(guān)系，例如，兩條線(xiàn)段相交于一點(diǎn)。44.關(guān)聯(lián)關(guān)系描述不同類(lèi)型幾何圖形之間的關(guān)系，例如，一個(gè)點(diǎn)與一條線(xiàn)段相關(guān)聯(lián)。矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)模型是將地理空間數(shù)據(jù)表示為點(diǎn)、線(xiàn)和面等幾何圖形，并使用坐標(biāo)來(lái)描述其位置和形狀。矢量數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)是可以精確地表示地理實(shí)體，并且可以方便地進(jìn)行空間分析和操作。矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要包括幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分。幾何數(shù)據(jù)用來(lái)描述地理實(shí)體的形狀和位置，而屬性數(shù)據(jù)用來(lái)描述地理實(shí)體的特征和屬性。矢量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式文件存儲(chǔ)文件存儲(chǔ)是指將矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單個(gè)或多個(gè)文件中，例如shapefile格式。它是一種簡(jiǎn)單、易于管理的存儲(chǔ)方式，適合小型數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)將矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，例如PostgreSQL、MySQL等，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理和查詢(xún)。對(duì)象存儲(chǔ)對(duì)象存儲(chǔ)將矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為對(duì)象，并將其存儲(chǔ)在對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)中，例如AmazonS3、GoogleCloudStorage等，適合大型數(shù)據(jù)集的存儲(chǔ)?；旌蠑?shù)據(jù)模型混合數(shù)據(jù)模型結(jié)合柵格數(shù)據(jù)模型和矢量數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)，并克服了各自的缺點(diǎn)。混合數(shù)據(jù)模型將地理空間數(shù)據(jù)表示為多種類(lèi)型，并通過(guò)層次結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)?；旌蠑?shù)據(jù)模型通過(guò)整合不同的數(shù)據(jù)表示方法，有效地管理和分析地理空間數(shù)據(jù)。這種模型在城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對(duì)象模型面向?qū)ο髮?duì)象模型將空間數(shù)據(jù)視為對(duì)象，每個(gè)對(duì)象具有屬性和方法。繼承與多態(tài)對(duì)象模型支持繼承和多態(tài)，可以有效地組織和管理空間數(shù)據(jù)。復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)象模型可以表示各種復(fù)雜的地理實(shí)體，例如城市、河流和道路。對(duì)象模型的特點(diǎn)面向?qū)ο髮?duì)象模型將空間數(shù)據(jù)視為對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都有其屬性和方法。封裝性對(duì)象模型封裝了數(shù)據(jù)和操作，提高了數(shù)據(jù)的安全性。繼承性對(duì)象模型支持繼承機(jī)制，可以創(chuàng)建更復(fù)雜的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。多態(tài)性對(duì)象模型支持多態(tài)性，允許同一操作在不同對(duì)象上具有不同的行為。對(duì)象模型的應(yīng)用城市規(guī)劃對(duì)象模型可以有效地描述城市中各種要素之間的關(guān)系，例如道路、建筑物、綠地等，便于進(jìn)行城市規(guī)劃和管理。地理信息系統(tǒng)對(duì)象模型可用于建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，以存儲(chǔ)和管理空間數(shù)據(jù)，并提供各種空間分析和查詢(xún)功能。遙感圖像處理對(duì)象模型可以用于分析和解釋遙感圖像，提取目標(biāo)信息，例如土地利用類(lèi)型、植被覆蓋等。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型是一種用于表示地理空間網(wǎng)絡(luò)的模型。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型將空間實(shí)體視為節(jié)點(diǎn)，并使用線(xiàn)段表示這些節(jié)點(diǎn)之間的連接。它廣泛用于交通網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、管網(wǎng)等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型表示地理實(shí)體之間的連接關(guān)系。例如，道路網(wǎng)絡(luò)、河流網(wǎng)絡(luò)和地下管道網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)和邊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型由節(jié)點(diǎn)和邊組成，節(jié)點(diǎn)表示網(wǎng)絡(luò)中的連接點(diǎn)，邊表示節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用交通網(wǎng)絡(luò)例如道路、鐵路和航空網(wǎng)絡(luò)，可以用于路線(xiàn)規(guī)劃、交通流量分析和緊急救援調(diào)度。公用設(shè)施如電力、燃?xì)夂退芫W(wǎng)，可以用于設(shè)施管理、維護(hù)和優(yōu)化。物流網(wǎng)絡(luò)可以用于供應(yīng)鏈管理、貨物跟蹤和配送路線(xiàn)優(yōu)化。社會(huì)網(wǎng)絡(luò)如社交媒體和互聯(lián)網(wǎng)，可以用于分析用戶(hù)行為、傳播模式和趨勢(shì)。TIN數(shù)據(jù)模型TIN模型是一種基于三角形的空間數(shù)據(jù)模型，它將不規(guī)則的地理空間數(shù)據(jù)用三角形網(wǎng)格表示。三角形的頂點(diǎn)通常是地面特征點(diǎn)，如高程點(diǎn)、水井、控制點(diǎn)等。每個(gè)三角形代表一個(gè)平坦的表面，通過(guò)這些三角形可以逼近地形的起伏變化。TIN數(shù)據(jù)模型的特點(diǎn)表面表示TIN模型能夠有效地表達(dá)地形地貌，并可用于地表模擬、坡度坡向分析等應(yīng)用。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)TIN模型利用三角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠更好地描述復(fù)雜地形的起伏變化?？梢暬ㄟ^(guò)TIN模型可以生成逼真的三維地形表面，為空間分析和可視化提供直觀展示。幾何靈活TIN模型可適應(yīng)多種地形類(lèi)型，如山區(qū)、平原、丘陵等，并能有效處理復(fù)雜地形。TIN數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用地形模擬TIN模型用于創(chuàng)建逼真的地形表面模型，在城市規(guī)劃、水利工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。地形表面分析通過(guò)TIN模型進(jìn)行地形的表面分析，計(jì)算坡度、坡向等信息，用于土地利用規(guī)劃和自然資源管理。三維景觀設(shè)計(jì)TIN模型可用于三維景觀設(shè)計(jì)，創(chuàng)建逼真的地形和植被，提高景觀設(shè)計(jì)的效果?？臻g數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式11.矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式主要包括shapefile、GeoJSON、GML等格式，適用于點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何要素的存儲(chǔ)和管理。22.柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式主要包括GeoTIFF、GRID、ERDASIMAGINE等格式，適用于遙感圖像、DEM等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。33.數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)格式主要包括PostGIS、OracleSpatial等空間數(shù)據(jù)庫(kù)，適用于大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的管理和分析。44.其他存儲(chǔ)格式還有包括KML、CSV等格式，可以用于不同軟件之間的空間數(shù)據(jù)交換和共享?？臻g數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的分類(lèi)矢量數(shù)據(jù)格式矢量數(shù)據(jù)格式以點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何元素來(lái)描述地理空間實(shí)體，它適用于表示離散特征，例如道路、河流和建筑物。柵格數(shù)據(jù)格式柵格數(shù)據(jù)格式將空間劃分為規(guī)則的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格單元存儲(chǔ)一個(gè)屬性值，它適用于表示連續(xù)特征，例如地形、土壤和溫度?？臻g數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的應(yīng)用矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式Shapefile、GeoJSON、KML等格式適用于存儲(chǔ)點(diǎn)、線(xiàn)、面等幾何圖形，支持拓?fù)潢P(guān)系，常用于地理信息系統(tǒng)，例如地圖制作、空間分析。柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式GeoTIFF、GRID等格式適用于存儲(chǔ)影像數(shù)據(jù)、DEM等數(shù)據(jù)，以矩陣形式存儲(chǔ)，常用于遙感、地理信息系統(tǒng)，例如土地利用分類(lèi)、地形分析。空間數(shù)據(jù)的壓縮技術(shù)存儲(chǔ)空間壓縮技術(shù)可以有效減少空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需的空間，降低存儲(chǔ)成本。傳輸效率壓縮數(shù)據(jù)可以提高傳輸效率，縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。處理速度壓縮數(shù)據(jù)可以減輕處理負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理速度。數(shù)據(jù)可視化壓縮技術(shù)可以提高數(shù)據(jù)可視化的效率，并減少渲染時(shí)間?？臻g數(shù)據(jù)的索引技術(shù)11.空間索引快速定位空間數(shù)據(jù)，提高查詢(xún)效率。22.空間數(shù)據(jù)組織索引結(jié)構(gòu)支持快速搜索和訪問(wèn)數(shù)據(jù)。33.索引類(lèi)型R樹(shù)、四叉樹(shù)、格網(wǎng)索引等，根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇。44.應(yīng)用場(chǎng)景空間數(shù)據(jù)查詢(xún)、分析、可視化等操作中?？臻g數(shù)據(jù)的檢索技術(shù)空間索引空間索引加速了空間數(shù)據(jù)檢索過(guò)程，提高查詢(xún)效率，減少了數(shù)據(jù)訪問(wèn)量。空間查詢(xún)空間查詢(xún)用于檢索滿(mǎn)足特定空間條件的數(shù)據(jù)，例如距離查詢(xún)、范圍查詢(xún)、鄰域查詢(xún)等?？臻g分析空間分析通過(guò)結(jié)合空間信息和屬性信息，揭示地理數(shù)據(jù)的空間關(guān)系和規(guī)律?？臻g數(shù)據(jù)的管理數(shù)據(jù)采集獲取真實(shí)世界信息并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字格式，如遙感影像、GPS數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理、轉(zhuǎn)換、投影等操作，使其符合GIS系統(tǒng)要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)或文件系統(tǒng)中，方便檢索和管理。數(shù)據(jù)共享提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限，允許不同用戶(hù)共享數(shù)據(jù)，促進(jìn)數(shù)據(jù)應(yīng)用。GIS空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)1面向?qū)ο筇岣邤?shù)據(jù)模型的表達(dá)能力，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的語(yǔ)義信息2多維數(shù)據(jù)適應(yīng)多源數(shù)據(jù)集成，滿(mǎn)足三維及更高維空間數(shù)據(jù)表達(dá)3時(shí)空數(shù)據(jù)整合時(shí)間維度，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和模擬4云計(jì)算實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、分析的云端化近年來(lái)，GIS空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，以滿(mǎn)足日