第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件

§2.1地理空間及其表達(dá)§2.1空間實(shí)體的表達(dá)

地理實(shí)體（抽象表達(dá)）點(diǎn)、線、面、曲面、體可以有矢量表示法與柵格表示法：§2.1地理空間及其表達(dá)§2.1空間實(shí)體的表達(dá)點(diǎn)（Point,0維）：一對坐標(biāo)（x,y)和至少一個(gè)屬性，邏輯上不能再分（幾何點(diǎn)或抽象點(diǎn)）。

如：道路交叉點(diǎn)，小比例尺地圖上的城市，LANDSAT影象上一個(gè)點(diǎn)（像元）為實(shí)地79*79m的區(qū)域。線（Line,1維）：一個(gè)（x,y)坐標(biāo)對序列，表示具有相同屬性（至少一個(gè)）的點(diǎn)的軌跡。面（Surface,2維）：由坐標(biāo)對序列或邊集表示的具有相同屬性的點(diǎn)的集合。面內(nèi)每個(gè)點(diǎn)至少具有一個(gè)相同的屬性。如土壤、植被、行政區(qū)等。點(diǎn)（Point,0維）：一對坐標(biāo)（x,y)和至少一個(gè)屬性§2.2地理（空間）數(shù)據(jù)的及其特征一.GIS的空間數(shù)據(jù)(SpatialData)：是有關(guān)地理實(shí)體在幾何空間中的位置和空間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)。

（GIS的操作對象，建立GIS的第一步）類型：（1）地圖數(shù)據(jù)：普通，專題。精度高；（2）影像數(shù)據(jù)：衛(wèi)片，航片。多時(shí)相，多光譜，多分辨率；（3）地形數(shù)據(jù)：DEM等；（4）屬性數(shù)據(jù)：來源于調(diào)查、實(shí)測、資料、解譯等；（5）元數(shù)據(jù)：有關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的有用的描述；§2.2地理（空間）數(shù)據(jù)的及其特征一.GIS的空間數(shù)據(jù)(二.空間數(shù)據(jù)的基本特征包括三個(gè)相互聯(lián)系的方面：定位數(shù)據(jù)，拓?fù)潢P(guān)系，屬性特征。（統(tǒng)稱為地理空間數(shù)據(jù)/地理數(shù)據(jù)）1、定位數(shù)據(jù)（PositioningData,某坐標(biāo)系下）：

點(diǎn)(Point)：（x，y）；線(Line)：（x1，y1）,(x2,y2)…,(xn，yn）

面(Surface)：坐標(biāo)對序列或邊集表示的閉合多邊形。二.空間數(shù)據(jù)的基本特征第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件2、實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系

(TopoRelationshipbetweenSpatialEntitIes)拓?fù)潢P(guān)系：描述空間實(shí)體之間的相互關(guān)系。包括：（1）拓?fù)溧徑樱?/p>

同類元素間；點(diǎn)、線、面的各自鄰接關(guān)系（圖2－6）2、實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系

(TopoRelationship（2）拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：不同元素之間的關(guān)聯(lián)。如：點(diǎn)與弧段的關(guān)聯(lián)；多邊形與弧段的關(guān)聯(lián)（3）拓?fù)浒和惖煌?jí)元素之間的包含。簡單包含；多層包含；等價(jià)包含（圖2－7）（2）拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：不同元素之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形之間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)結(jié)點(diǎn)弧段N1N2N3…C1,C3,C6C1,C2,C5C2,C3,C4…弧段起結(jié)點(diǎn)終結(jié)點(diǎn)左多邊形右多邊形C1C2C3…N2N3N1…N1N2N3…???…P1P2P3…多邊形弧段P1P2P3…C1,C6,-C5C2,C5,C4,C7C3,-C4,-C6…N2N1N3N5N4C1C3C6C4C5C7C2P1P2P3P4結(jié)點(diǎn)、弧段、多邊形之間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)結(jié)點(diǎn)弧段區(qū)域定義(AreaDefiniting)：由一組線來定義多邊形。（比用坐標(biāo)對序列好）

區(qū)域定義(AreaDefiniting)：

多邊形鄰接性(Adjacency)判斷1）判斷兩多邊形是否鄰接，及其公共邊界；2）判斷組成某多邊形的所有邊界。多邊形鄰接性(Adjacency)判斷1）判斷兩多邊形是否弧段連通性(Connectivity)判斷

對弧段連通性的判斷，有助于路徑搜尋和網(wǎng)絡(luò)分析。1）與某弧段連通的兩結(jié)點(diǎn)的判斷；2）與某結(jié)點(diǎn)連接的所有弧段的判斷；3）回路構(gòu)成判斷弧段連通性(Connectivity)判斷

對弧段連通性的3、實(shí)體的非幾何屬性(Non-geometricAttributeofEntities)對地理實(shí)體的有意義信息的描述。通常是給每個(gè)實(shí)體及其屬性數(shù)據(jù)賦予一個(gè)公共識(shí)別符使之聯(lián)系起來。屬性分為定性描述與定量描述兩種。

1）屬性數(shù)據(jù)的重要性：屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)是GIS中緊密聯(lián)系的兩部分內(nèi)容。在屬性數(shù)據(jù)的支持下，空間數(shù)據(jù)就不再是僅具有幾何意義的圖形或像元，而是有地理意義的實(shí)體。地理分析、地理統(tǒng)計(jì)等空間操作都是通過屬性數(shù)據(jù)（與圖形數(shù)據(jù)的結(jié)合與聯(lián)系）而得以實(shí)現(xiàn)的。3、實(shí)體的非幾何屬性(Non-geometricAttr2）屬性數(shù)據(jù)的獲得：統(tǒng)計(jì)，調(diào)查，觀測,分類編碼，遙感影像分類提取等。3）屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的聯(lián)接：通過相應(yīng)圖素（點(diǎn)，弧段，多邊形）的編號(hào)與圖形建立聯(lián)系。屬性數(shù)據(jù)的內(nèi)容要么直接記錄在圖形數(shù)據(jù)中，要么單獨(dú)以某種結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，通過指針或關(guān)鍵碼與圖形數(shù)據(jù)連接。4）屬性數(shù)據(jù)的編碼：為便于存儲(chǔ)和管理，可以對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的編碼。使之管理效率高，盡量專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化，便于共享和擴(kuò)展。2）屬性數(shù)據(jù)的獲得：三、空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)表示三、空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)表示§2.3空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念：

是指計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理和處理地學(xué)圖形的邏輯結(jié)構(gòu)?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本類型：

矢量結(jié)構(gòu)：面向地物。每個(gè)目標(biāo)都直接賦有位置、屬性和拓?fù)洹?/p>

柵格結(jié)構(gòu)：離散點(diǎn)，沒有直接建立位置與地物的關(guān)系。要建立地物，需遍歷柵格矩陣查找。不能建立拓?fù)潢P(guān)系。

（混合結(jié)構(gòu)）正研制：柵格-矢量一體化結(jié)構(gòu)

§2.3空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念：一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過記錄坐標(biāo)，用點(diǎn)、線、面等基本要素精確地表示各種地理實(shí)體。

（由于線段由具有起、終點(diǎn)坐標(biāo)的線段組成，具有方向性，故稱為矢量結(jié)構(gòu)）。1.簡單結(jié)構(gòu)(坐標(biāo)序列法)（1）以點(diǎn)、線、面為單元組織數(shù)據(jù)。直觀，數(shù)字化簡單（面條結(jié)構(gòu)）；（2）公共邊界數(shù)字化和存儲(chǔ)兩次，冗余和不一致；（3）點(diǎn)、線、面有各自的各自的數(shù)據(jù)，無拓?fù)潢P(guān)系。一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)：點(diǎn)相互獨(dú)立，點(diǎn)連成線，線連成面。定義：

弧段：構(gòu)成多邊形的線。是數(shù)據(jù)組織的基本對象。

結(jié)點(diǎn)：兩條以上弧段相交的點(diǎn)。

島：一條弧段構(gòu)成的多邊形。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

弧段：弧段標(biāo)識(shí)碼，F(xiàn)N，TN，LP，RP

結(jié)點(diǎn)：結(jié)點(diǎn)號(hào)，坐標(biāo)，與該結(jié)點(diǎn)連接的弧段標(biāo)識(shí)碼

多邊形：多邊形標(biāo)識(shí)碼，組成該多邊形的弧段標(biāo)識(shí)碼2、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)渚庉嫞ǘ噙呅芜B接，結(jié)點(diǎn)連接）（1）多邊形編輯（以P1為例）算法：在弧段文件中，檢索出與P1相關(guān)的所有記錄；調(diào)整弧段方向（起、終點(diǎn)），使之能順時(shí)針連接；以任一結(jié)點(diǎn)開始，順序連接各結(jié)點(diǎn)，使能閉合。（2）結(jié)點(diǎn)編輯（以N2為例）算法：在弧段文件中，檢出與N2相關(guān)的所有記錄；將相關(guān)弧段調(diào)整為以N2為終點(diǎn)；（方向變化的弧段同時(shí)調(diào)整左右多邊形位置）；以任一多邊形開始，順序排列各多邊形，并能回到起始多邊形。拓?fù)渚庉?.曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面：連續(xù)分布的地理現(xiàn)象的覆蓋表面。存儲(chǔ)要求：便于在任一點(diǎn)的內(nèi)插計(jì)算。常用結(jié)構(gòu)：TIN（TriangulatedIrregularNetwork）（圖2－14）原理：每個(gè)三角形可視為一平面，其方程由三個(gè)頂點(diǎn)的空間坐標(biāo)（xi,yi,zi)決定。用Z軸表示現(xiàn)象的屬性（如地形高程）。在三角形任一邊上可進(jìn)行內(nèi)插，以便自動(dòng)繪制等高線，分析坡度，計(jì)算填挖方，進(jìn)行通視分析，建立DEM等。3.曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.柵格結(jié)構(gòu)：將空間分割成正方形網(wǎng)格,每網(wǎng)格為一像元，其空間位置用行、列表示，像元值為其屬性代碼。（簡單直觀）（如：遙感數(shù)據(jù)，掃描數(shù)據(jù)，DEM）2.柵格結(jié)構(gòu)中點(diǎn)、線、面的表示

點(diǎn)：一個(gè)像元。其值與臨近網(wǎng)格值明顯不同；

線：用一串有序的相互連接的像元表示。這些像元值相同或差異較小，與臨域網(wǎng)格值差異較大。

面：具有相同屬性的相鄰像元的集合。內(nèi)部像元值相同或差異較小，與臨域網(wǎng)格值差異較大。二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件3.柵格邊長的確定：網(wǎng)格邊長決定柵格數(shù)據(jù)的精度。過大丟失信息，過小數(shù)據(jù)量太大。一般以保證最小多邊形的精度為標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)研究區(qū)最小圖斑面積A，對于邊長為H的網(wǎng)格，該圖斑肯可能丟失；而當(dāng)取H/2時(shí)，能很好表示。故取H為A的平方根的一半。3.柵格邊長的確定：照此，生成的柵格數(shù)據(jù)圖與原圖的比較照此，生成的柵格數(shù)據(jù)圖與原圖的比較4.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的幾種類型（1）柵格矩陣（無壓縮）4.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的幾種類型（2）鏈碼：用起點(diǎn)和一系列在基本方向上的走步來描述線或邊界。（2）鏈碼：用起點(diǎn)和一系列在基本方向上的走步來描述線或邊界。（3）游程編碼：將相鄰等值的像元合并，記錄屬性和游程。（通過解碼，可以恢復(fù)為原始的柵格矩陣格式）（3）游程編碼：將相鄰等值的像元合并，記錄屬性和游程。（通過索引文件有助于屬性的快速查找索引文件有助于屬性的快速查找（屬性+游程長度）（屬性+終止列號(hào)）（屬性+游程長度）（4）四叉樹：將圖象按四個(gè)象限遞歸劃分，直到屬性單一。（4）四叉樹：將圖象按四個(gè)象限遞歸劃分，直到屬性單一。建立四叉樹的兩種方法自上而下（top－down，逐層細(xì)分）要點(diǎn)：先檢測全區(qū)域，值不單調(diào)時(shí)四分，直到單調(diào)為止。對于一個(gè)n×n的方陣區(qū)域，四個(gè)子象限為：（檢測、運(yùn)算量大，速度慢）建立四叉樹的兩種方法自上而下（top－down，逐層細(xì)分）（自下而上（bottom－up，逐層集化）要點(diǎn)：按下圖所示順序檢測各個(gè)網(wǎng)格，如4個(gè)網(wǎng)格值相同，則合并；反之，作為四個(gè)葉結(jié)點(diǎn)記錄。依次逐層向上，直到根結(jié)點(diǎn)。自下而上（bottom－up，逐層集化）四叉樹存儲(chǔ)方法常規(guī)四叉樹存儲(chǔ)6個(gè)量：4個(gè)子結(jié)點(diǎn)指針，1個(gè)父結(jié)點(diǎn)指針，1個(gè)結(jié)點(diǎn)值。線性四叉樹存儲(chǔ)3個(gè)量：地址，深度，結(jié)點(diǎn)值。Addres(I,j)=2*I(B)+j(B)四叉樹存儲(chǔ)方法（5）八叉樹和十六叉樹用于表示三維數(shù)據(jù)或四維數(shù)據(jù)。八叉樹結(jié)構(gòu)將空間區(qū)域不斷分為八個(gè)同樣大小的區(qū)域，直到同一區(qū)域的屬性單一為止。（圖）常規(guī)八叉樹存儲(chǔ)10個(gè)量：8個(gè)子結(jié)點(diǎn)指針，1個(gè)父結(jié)點(diǎn)指針，1個(gè)屬性值。線性八叉樹存儲(chǔ)2個(gè)量：地址，屬性值。（5）八叉樹和十六叉樹第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件b.十六叉樹結(jié)構(gòu)b.十六叉樹結(jié)構(gòu)三、矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、概念：在數(shù)字化線狀實(shí)體時(shí)，除記錄原始取樣點(diǎn)外，還記錄所通過的柵格；面狀地物除記錄邊界外，還記錄中間包圍的柵格。既保證了矢量的特性，還具有柵格的性質(zhì)。辦法：將有點(diǎn)、線通過的基本柵格，再細(xì)分為256×256的細(xì)格網(wǎng)，用于確定點(diǎn)、線的精確位置。（圖）編碼表示：基本格網(wǎng)和細(xì)分格網(wǎng)都采用線性四叉樹的編碼方式，將點(diǎn)和線性目標(biāo)與網(wǎng)格的交點(diǎn)用兩個(gè)Morton碼表示。M1表示點(diǎn)與所在基本網(wǎng)格的地址碼；M2表示點(diǎn)對應(yīng)的細(xì)分網(wǎng)格的Morton碼。即，將x、y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)Morton碼。三、矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、概念：第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件2、矢柵一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）點(diǎn)狀目標(biāo)與結(jié)點(diǎn)：只有位置。2、矢柵一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件（2）線狀目標(biāo)與弧段將其通過的柵格地址全部記錄下來。（2）線狀目標(biāo)與弧段（3）面狀目標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過關(guān)聯(lián)弧段與弧段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的連接，可建立多邊形與弧段間的拓?fù)?；中間包圍的柵格采用四叉樹和二維行程編碼表示。（3）面狀目標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)四、矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較1）矢量結(jié)構(gòu)精度高；存儲(chǔ)量??；易建拓?fù)潢P(guān)系，擅長管理線狀地物和拓?fù)潢P(guān)系搜索，易于網(wǎng)絡(luò)分析；空間位置表達(dá)明顯，屬性隱含；圖形顯示質(zhì)量好。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，疊加操作困難，空間分析能力較差。（2）柵格結(jié)構(gòu)精度稍低；圖形數(shù)據(jù)量；難于建拓?fù)?；屬性表達(dá)明顯，位置隱含；圖形顯示的可視性不如矢量。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易于與遙感、攝影數(shù)據(jù)結(jié)合，空間操作與分析容易，有發(fā)展?jié)摿?。四、矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較1）矢量結(jié)構(gòu)精度高；存儲(chǔ)量??；易第2章GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課件§2.4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立根據(jù)確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，輸入數(shù)據(jù)，形成空間數(shù)據(jù)庫?！?.4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立一、系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)的關(guān)系一定的系統(tǒng)功能需要一定的相關(guān)數(shù)據(jù)（層）。（表2－8）二、空間數(shù)據(jù)的分類與編碼分類：將不同屬性或特征的要素，從邏輯上分為不同的信息