地理信息系統(tǒng)(第二章 空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ))

第2章空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、地理空間數(shù)據(jù)二、地理空間數(shù)據(jù)的表達(dá)三、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)四、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、地理空間數(shù)據(jù)地理空間：廣義：地理空間上至大氣電離層，下至地幔莫霍界面。狹義：地球表層。地理事物地球上的一切自然物體和人造物體。（陸地、海洋、山川、河湖、公路、鐵路、機(jī)場、寺廟等）。地理現(xiàn)象地理事物在發(fā)生、發(fā)展和變化中的外部形式和表面特征。地理空間數(shù)據(jù)：用符號化表示地球表層的地理事物和地理現(xiàn)象的記錄。第一節(jié)地球橢球體地球體：極半徑略短，赤道半徑略長，北極略突出、南極略扁平，近似于梨形的橢球體。大地球體：由穿越陸地、島嶼的全球靜止海平面連片形成,與重力方向處處正交的，連續(xù)的封閉曲面稱為大地水準(zhǔn)面，由該水準(zhǔn)面所包含的形體稱為大地球體，它是地球形體的一級逼近。地球橢球體：大地體繞短軸旋轉(zhuǎn)形成的表面光滑的球體，亦稱旋轉(zhuǎn)橢球體。它是地球形體的二級逼近。地球橢球體的參數(shù)：長軸a，短軸b，扁率f=(a-b)/a。地球半徑大概有多少公里？坐地日行八萬里，巡天遙看一千河。(毛澤東詩《七律二?首送瘟神》，1958.07)R=80000/2/2/3.14=6370km橢球名稱年代長半徑a(m)扁率f附注德蘭勃(Delambre)180063756531:334.0法國埃弗瑞斯(Everest)183063772761:300.801英國貝賽爾(Bessel)184163773971:299.152德國克拉克(Clarke)186663782061:294.978英國克拉克(Clarke)188063782491:293.459英國海福特(Hayford)191063783881:297.01942年國際第一個推薦值克拉索夫斯基(Krasovski)194063782451:298.3蘇聯(lián)1967年大地坐標(biāo)系196763781601:298.2471967年國際第二個推薦值1975年大地坐標(biāo)系197563781401:298.2571975年國際第三個推薦值1980年大地坐標(biāo)系197963781371:298.2571979年國際第四個推薦值國際主要橢球參數(shù)我國的大地坐標(biāo)系統(tǒng)1980年起采用1975年國際大地測量協(xié)會推薦參考橢球。大地坐標(biāo)原點在西安市附近涇陽縣境內(nèi)。地理坐標(biāo)系（WGS1984）投影坐標(biāo)系統(tǒng)投影坐標(biāo)系統(tǒng)（平面坐標(biāo)系），將橢球面上的點，通過投影的方法投影到平面上時，通常使用平面坐標(biāo)系統(tǒng)。平面坐標(biāo)系統(tǒng)分為平面極坐標(biāo)系統(tǒng)和平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。地圖投影的方法主要由圓錐投影、圓柱投影、平面（方位）投影等，它們均包括正軸、斜軸、橫軸等投影方式，在此基礎(chǔ)上又分為相切、相割方式兩種情況第四節(jié)地圖投影種類1、幾何投影法正軸橫軸斜軸方位圓柱圓錐方位投影圓柱投影圓錐投影高斯-克呂格(GaussKruger)投影屬于橫軸等角切橢圓柱投影。中央經(jīng)線無長度變形。6°或3°分帶投影。中央經(jīng)線與赤道為互相垂直的直線。我國國家基本比例尺地形圖中的大中比例尺地形圖均采用該投影。包括第13－23帶共11個投影帶。內(nèi)置了直角平面坐標(biāo)系統(tǒng)：中央經(jīng)線為X軸，赤道為Y軸，中央經(jīng)線與赤道交點為坐標(biāo)原點。坐標(biāo)縱軸西移500km。40,515,652.9943,349,165.766Meters地圖投影的選擇在GIS中，地理數(shù)據(jù)的顯示往往可以根據(jù)用戶的需要，指定各種投影。但當(dāng)所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時，往往采用與國家基本系列地圖所用的投影。我國常用的地圖投影的情況為：(1)、我國基本比例尺地形圖（1：100萬、1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5、1：1萬、1：5000）除1：100萬外均采用高斯—克呂格投影為地理基礎(chǔ)；(2)、我國1：100萬地形圖采用了Lambert投影，其分幅原則與國際地理學(xué)會規(guī)定的全球統(tǒng)一使用的國際百萬分之一地圖投影保持一致。(3)、我國大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)的Albers投影（正軸等面積割圓錐投影）；高程坐標(biāo)系高程：由高程基準(zhǔn)面起算的地面點的高度。絕對高程（海拔）、相對高程1956黃海高程系：黃海平均海水面建立全國統(tǒng)一高程基準(zhǔn)面，并以青島觀象山埋設(shè)永久性水準(zhǔn)原點，建立高程控制系統(tǒng)。原點高程為72.289m1985國家高程基準(zhǔn):原點高程為72.260m水準(zhǔn)原點1985國家高程基準(zhǔn)，72.260米黃海海面1952-1979年平均海水面為0米青島驗潮站示意圖地理空間數(shù)據(jù)表達(dá)現(xiàn)實世界柵格矢量現(xiàn)實世界地理數(shù)據(jù)抽象1、地理空間數(shù)據(jù)1、地理空間數(shù)據(jù)把地理空間實體分為點、線、面三種要素，分別用點狀、線狀、面狀符號來表示。1、地理空間實體幾何形態(tài)點線面體三、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義：矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標(biāo)的方式來表達(dá)點、線、面等空間實體的位置和形狀的一種表達(dá)方式，常用于表現(xiàn)具有確定形狀或邊界的不連續(xù)對象。點：空間上不能再分，只有位置沒有大小，由單獨的一對x,y坐標(biāo)定位的地理或制圖實體。線：由連續(xù)的直線段組成的曲線，由一系列點組成n個坐標(biāo)對的集合，可用坐標(biāo)串(x1y1,x2y2…..xnyn)記錄,有長度但沒有寬度。面也稱多邊形，一個任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域，有一系列線段構(gòu)成且具有大小與周長內(nèi)何特性的空間要素。維數(shù)形狀幾何信息表達(dá)圖形表現(xiàn)類型0維點狀(X,Y)地物點、節(jié)點、注記1維線狀(X1,Y1)(X2,Y2)…(Xn,Yn)公路、河流網(wǎng)絡(luò)2維面狀(X1,Y1)(X2,Y2)…(Xn,Yn)(X1,Y1)名稱屬性實體（杭州）分類屬性實體（湖泊）3維體狀1、簡單矢量數(shù)據(jù)表示法簡單矢量數(shù)據(jù)表示法就是只記錄空間對象的位置，不記錄相互之間的關(guān)系，每條記錄都是單獨實體。x,y坐標(biāo)存儲法（公共邊冗余）樹狀索引存儲法簡單矢量數(shù)據(jù)表示法特點優(yōu)點：數(shù)據(jù)直觀，坐標(biāo)文件簡單，易于實現(xiàn)以多邊形為單位的運算和顯示。缺點：點、線、面各成體系，缺少鄰域關(guān)系等拓?fù)湫畔ⅲ徲蛱幚肀容^復(fù)雜。2、地理空間實體特征描述空間位置信息經(jīng)緯度平面坐標(biāo)非空間信息識別碼實體的行為與功能屬性類型說明2、拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)表示法拓?fù)?Topology):在彎曲、拉伸等適當(dāng)變換下仍維持不變的幾何特性?；就?fù)湓兀航Y(jié)點（Node)：弧段上的起點和終點（島結(jié)點）頂點(Vertex):弧段上的中間點弧段(Arc):相鄰兩結(jié)點之間的坐標(biāo)鏈。多邊形（polygon)：若干弧段構(gòu)成的封閉區(qū)。鄰接相交相離包含重合點－點線－線面－面點－線點－面線－面空間對象關(guān)系C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性表達(dá)弧段號起結(jié)點終結(jié)點C1N1N2C2N3N2C3N1N3C4N1N4C5N2N5C6N4N5C7N5N6C8N4N6C9N7N7C10N3N6多邊形弧段P1C1,C2,C3P2C1,C4,C6,C5P3C6,C7,C8P4C7,C10,C2,C5,C9P5C9弧段號左多邊形右多邊形C1P2P1C2P1P4C3P1—C4—P2C5P2P4C6P3P2C7P3P4C8—P3C9P4P5C10P4—結(jié)點號弧段N1C1，C3，C4N2C1，C2，C5N3C3，C2，C10N4C4，C6，C8N5C5，C6，C7N6C7，C8，C10N7C9拓?fù)潢P(guān)聯(lián)性：不同類元素間的拓?fù)潢P(guān)系。

點與線，線與面拓?fù)溧徑有院瓦B通性表達(dá)弧段號起結(jié)點終結(jié)點C1N1N2C2N3N2C3N1N3C4N1N4C5N2N5C6N4N5C7N5N6C8N4N6C9N7N7C10N3N6拓?fù)溧徑有院瓦B通性：同類元素間的拓?fù)潢P(guān)系。

多邊形間鄰接性，弧段間鄰接性，結(jié)點間連通性結(jié)點號N1N2N3N4N5N6N7N1—111000N21—10100N311—0010N4100—110N50101—10N600111—0N7000000—結(jié)點間連通性C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓?fù)溧徑有院瓦B通性表達(dá)弧段號C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C1—111100000C21—10100001C311—1000001C4101—010100C51100—11000C600011—1100C700—C8—C9—C10—拓?fù)溧徑有院瓦B通性：同類元素間的拓?fù)潢P(guān)系。

多邊形間鄰接性，弧段間鄰接性，結(jié)點間連通性弧段間鄰接性結(jié)點號弧段N1C1，C3，C4N2C1，C2，C5N3C3，C2，C10N4C4，C6，C8N5C5，C6，C7N6C7，C8，C10N7C9C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓?fù)溧徑有院瓦B通性表達(dá)弧段號P1P2P3P4P5P1—1010P21—110P301—10P4111—1P50001—拓?fù)溧徑有院瓦B通性：同類元素間的拓?fù)潢P(guān)系。

多邊形間鄰接性，弧段間鄰接性，結(jié)點間連通性多邊形間鄰接性弧段號左多邊形右多邊形C1P2P1C2P1P4C3P1—C4—P2C5P2P4C6P3P2C7P3P4C8—P3C9P4P5C10P4—C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓?fù)浒缘谋磉_(dá)拓?fù)浒裕好鏍顚嶓w包含其他面狀、線狀或點狀實體的關(guān)系。簡單包含、多層包含與等價包含。拓?fù)潢P(guān)系的應(yīng)用在空間要素查詢分析中的應(yīng)用1、與浙江省相鄰的省級行政區(qū)劃有哪些？多邊形之間的拓?fù)溧徑?、錢塘江能為哪些地區(qū)居民提供水源？點與線之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)3、從北京到杭州怎么走最快？點與點的連通4、浙江省都有幾個縣？面包含拓?fù)潢P(guān)系的應(yīng)用在數(shù)據(jù)編輯和質(zhì)量檢查中的應(yīng)用1、拓?fù)渚庉嬛泄策吪c結(jié)點編輯2、拓?fù)滟|(zhì)量檢查欠頭檢查露頭檢查….簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較對比內(nèi)容簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜簡單查詢快慢多邊形相鄰、嵌套關(guān)系表達(dá)難表達(dá)易網(wǎng)絡(luò)線段與結(jié)點關(guān)系沒有有數(shù)據(jù)編輯與更新公共邊界、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點人工處理公共邊、結(jié)點自動生成分析功能需生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多重疊合、網(wǎng)絡(luò)分析易3、不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN):用一組非疊置的三角形來近似表示地形的矢量數(shù)據(jù)三角網(wǎng)。TIN的基本元素節(jié)點（Node):相鄰三角形的公共頂點(x,y,z)。邊(Edge):兩個三角形的公共邊界，是Tin不光滑性的具體反映。面(Face):由最近的三個節(jié)點所組成的三角形面，是TIN描述地形表面的基本單元。TIN中的每個三角形描述了局部地形的傾斜狀態(tài)，具有唯一的坡度值。TIN三角形網(wǎng)及其數(shù)據(jù)組織三角形結(jié)點A1，2，8B2，3，8C3，4，8D4，5，8E5，6，8F6，7，8G7，1，8結(jié)點坐標(biāo)1X1y1Z12X2y2Z23X3y3Z34X4y4Z45X5y5Z56X6y6Z67x7y7Z712345678ABCDEFG三角形臨近關(guān)系A(chǔ)B,GBA,CCB,DDC,EED,FFE,GGF,A三角形與結(jié)點結(jié)點坐標(biāo)表三角形關(guān)系表TIN是特殊的矢量拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型，數(shù)據(jù)組織具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)TIN特點1、三角形大小隨地形變化而變化，坡度陡三角形小而密集，坡度緩三角形大而稀疏。2、三角形通常采用Delaunay(狄洛尼或德勞內(nèi))三角網(wǎng)，最小角最大，最大限度保證網(wǎng)中三角形滿足近似等邊或等角。3、TIN表示不連續(xù)對角也具有優(yōu)勢，可用來表示懸崖、斷層、海岸線和山谷谷底。4、TIN可與DEM進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。四、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、定義：柵格結(jié)構(gòu)是最簡單最直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又稱為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(raster或gridcell)或像元結(jié)構(gòu)(pixel)，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(jù)組織，每個網(wǎng)格作為一個像元或像素，包含的代碼表示該像素的屬性類型或量值。柵格的大小即空間分辨率，決定著柵格的精度特殊情況下的柵格結(jié)構(gòu)特殊情況下的柵格結(jié)構(gòu)（a）三角形（b）菱形（c)六邊形1、柵格中的點、線、面點用一個柵格像元表示；線狀地物則由一定方向上連接成串的一組相鄰柵格像元表示；面或區(qū)域用由相同屬性的相鄰柵格像元的塊集合表示。任何以面狀分布的對象(土地利用、土壤類型、地勢起伏、環(huán)境污染等)，都可以用柵格數(shù)據(jù)逼近。點線面2、柵格數(shù)據(jù)的取值混合像元：是指在一個像元內(nèi)存在有不同類型的地物。主要出現(xiàn)在地類的邊界處。

取值確定方法：中心歸屬法：以柵格單元中心點屬性確定。首選方法，具連續(xù)特征分布的地理要素。面積占優(yōu)法：以柵格單元最大的面域?qū)傩源_定。分類較細(xì)，地物斑塊較小的情況。長度占優(yōu)法：以柵格單元網(wǎng)格中線所經(jīng)的最大長度中線的面域?qū)傩?。重要性法：根扭柵格?nèi)不同地物的重要性確定柵格單元代碼。（采礦點、交通樞紐等）CAB長度占優(yōu)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(xì)、地物斑塊較小A3、柵格數(shù)據(jù)編碼直接編碼方式：直接將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行地記錄每個柵格單元的代碼。優(yōu)點：簡單、直觀數(shù)據(jù)量隨分辨率的提高成倍增長。22n1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444直接?xùn)鸥駭?shù)據(jù)編碼柵格壓縮編碼壓縮編碼：信息有損編碼和信息無損編碼信息無損編碼是指編碼過程中沒有任何信息損失，通過解碼操作可以完全恢復(fù)原來的信息。鏈?zhǔn)骄幋a（Chaincodes)（弗里曼鏈碼)行程編碼(run-lengthcode)(游程長度編碼)塊狀編碼(blockcode)四叉樹編碼(quad-treecode)鏈?zhǔn)骄幋a（Chaincodes)（弗里曼鏈碼)鏈?zhǔn)骄幋a又稱為弗里曼鏈碼(Freeman，1961)或邊界鏈碼。鏈?zhǔn)骄幋a主要是記錄線狀地物和面狀地物的邊界。它把線狀地物和面狀地物的邊界表示為：由某一起始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，東南＝l，南＝2，西南＝3，西＝4，西北＝5，北＝6，東北＝7等八個基本方向。鏈?zhǔn)骄幋a的方向代碼鏈?zhǔn)骄幋a（Chaincodes)（弗里曼鏈碼)鏈?zhǔn)骄幋a（Chaincodes)（弗里曼鏈碼)前兩個數(shù)字表示起點的行、列數(shù)，從第三個數(shù)字開始表示前進(jìn)方向。1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444屬性2多邊形：5、3、7、0、0、1、0、2、4、3、3、6、5、5.鏈?zhǔn)骄幋a優(yōu)缺點優(yōu)點：鏈?zhǔn)骄幋a對線狀和多邊形的表示具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)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(jìn)部分等都比較容易，類似矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比較適于存儲圖形數(shù)據(jù)。缺點：是對疊置運算如組合、相交等則很難實施，對局部修改將改變整體結(jié)構(gòu)，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)域的邊界則被重復(fù)存儲而產(chǎn)生冗余。行程編碼（run-lengthcode)游程長度編碼是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法，它的基本思路是：對于一幅柵格圖像，常常有行(或列)方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復(fù)的內(nèi)容。變長編碼：各行（列）數(shù)據(jù)變化時，記錄該代碼及相同代碼重復(fù)個數(shù)。值點編碼：記錄各行代碼發(fā)生變化時位置及相應(yīng)代碼。重復(fù)記錄編碼：記錄各行代碼發(fā)生變化時該代碼及總重復(fù)個數(shù)。1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444(1,2)(5,1)(4,5)(1,2)(5,3)(4,3)(1,2)(5,3)(4,3)(5,3)(2,3)(4,2)(5,2)(2,6)(3,3)(2,5)(3,4)(2,2)(4,2)(3,4)(2,1)(4,3)1541541545245232324324變長編碼值點編碼:（1,1),(5,2),(4,7),(1,9),(5,12),(4,15),(1,17),(5,20),(4,23),(5,26)(2,29),(4,31),(5,33),(2,39),(3,42),(2,47),(3,51),(2,53),(4,55),(3,59),(2,60),(4,63)重復(fù)記錄編碼:（1,2)(5,1)(4,5)

(1,2)(5,3)(4,3)

(1,2)(5,3)(4,3)5,3)(2,3)(4,2)(5,2)(2,6)(5,2)(2,6)(3,3)(2,5)(3,4)(2,2)(4,2)(3,4)(2,1)(4,3)行程編碼（run-lengthcode)行程編碼壓縮數(shù)據(jù)簡便有效，行縮比例與圖形復(fù)雜程度成反比，圖件越簡單，壓縮比越高。優(yōu)點：游程長度編碼在柵格數(shù)據(jù)加密時，數(shù)據(jù)量沒有明顯增加，且易于檢索、疊加及合并等操作，運算簡單

缺點：對于圖斑比破碎、屬性和邊界多變的數(shù)據(jù)壓縮效率較低。塊編碼（blockcode)塊編碼是行程編碼擴(kuò)展到二維的編碼方式，在做塊狀編碼時，首先把柵格圖范圍內(nèi)的像元分成由像元值組成的最大正方形，然后對正方形進(jìn)行編碼，記錄初始位置（行、列號），半徑及記錄單元代碼。1154444411555444115554445552224455222222333222223333224433332444塊狀編碼:（1,1,2,1),(1,3,1,5),(1,4,1,4),(1,5,1,4),(1,6,3,4),(2,3,1,5),(2,4,2,5),(3,1,1,1),(3,2,1,1),(3,3,1,5)(4,1,2,5),(4,3,1,5),(4,4,3,2),(4,7,1,4),(4,8,1,4)(5,3,1,2),(6,1,3,3),(7,4,1,3),(7,5,1,2),(7,6,1,2)(7,7,2,4)(8,4,1,3),(8,5,1,2),(8,6,1,4)1544455115552442233224324塊狀編碼（blockcode)塊狀編碼具有區(qū)域性質(zhì)，又具有可變的分辨率，對大而簡單的多邊形具有較高的壓縮效率，但對于碎部較多的多邊形效果并不好。塊狀編碼在合并、插入、檢查延伸性、計算面積等操作具有優(yōu)越性。四叉樹編碼定義：將一幅柵格地圖或圖像等分為四部分，逐塊檢查其柵格屬性值，如果子區(qū)內(nèi)所有柵格屬性值相同，則這個子區(qū)不再繼續(xù)分割，否則再把子區(qū)分割成四個子區(qū)，這樣依次分割，直到每個子塊都只含相同的屬性值或者灰度值為止。33331111333311113331111433111144322211142222111122222111222221113311331114114432211422112221121A3311331114114432211422112221121SWSENWNE3331113144411132222221141121211四叉樹編碼四叉樹編碼條件：圖形必須為2n*2n柵格陣列四叉樹編碼劃分方法：自上而下法(運算量大，耗時長)自下而上法(重復(fù)計算小，動行速度快)線性四叉樹:只存儲最后葉結(jié)點的信息，包括葉結(jié)點的位置、深度和屬性或灰度值.其中對線性四叉樹的葉結(jié)點按一定的規(guī)則進(jìn)行編號，隱含葉結(jié)點的位置信息和深度信息，稱之為地址碼。四叉樹Morton編碼四進(jìn)制Morton編碼（Mq）十進(jìn)制Morton編碼(Md)四進(jìn)制四叉樹編碼:(000,3)(4,3)(020,3)(030,3)(031,1)(032,1)(033,1)(100,1)(110,1)(120,1)(130,1)(131,4)(132,4)(133,4)(200,3)(201,2)(202,2)(203,2)(210,2)(220,2)(230,2)(300,1)(310,1)(311,4)(312,1)(313,1)(320,2)(321,1)(322,2)(323,1)(330,1)四進(jìn)制Morton編碼(Mq)3311331114114432211422112221121

000001010011100101110111000000001010011100101110111001002003012013102103112113010020021030031120121130131011022023032033122123132133100200201210211300301310311101202203212213302303312313110220221230231320321330331111222223232233322323332333

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