GIS原理第二章.ppt

第二章 空间数据结构与编码,学习目标 掌握地理空间数据的特征，了解GIS的数据源 理解GIS数据的测量尺度 理解拓扑的概念和意义 掌握地理空间数据的拓扑关系与表示 掌握栅格数据结构特点及其编码方法 掌握矢量数据结构特点及其编码方法 了解栅格与矢量数据之间得转化方法重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。难 点：拓扑结构、栅格数据编码,第一节 地理空间数据及其特征,一、GIS的空间数据 1、地理空间 地理空间 是指物质、能量、信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续，地球表层构成了地理空间。地理数据 表征地理空间内事物的数量、质量、分布、内在联系和变化规律的图形、图像、符号、文字和数据等统称为地理（空间）数据。地理数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液，因为GIS操作对象是地理数据，因此，设计和使用GIS的第一步工作就是根据系统的功能，获取所需要的地理数据，并创建地理空间数据库。,2、GIS中的数据类型,1.地图数据 各种类型的地图（包括电子的与非电子的地图）都是对空间事物和现象的一种相似或抽象模拟，它有严密的数学基础，并经过制图综合，利用符号系统所表示出来的丰富地理内容，明晰的再现了客观实体的空间关系和要素之间的内在联系，所以地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要的信息源。,2.遥感数据,各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据。所以遥感数据是地理信息系统另一个重要的信息源。3.统计数据、实测数据及各种文字报告 各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等，是地理信息系统不可缺少的重要或补充数据源。,二、地理数据的基本特征,1、空间特征 空间特征又称定位特征或几何特征。数据的空间性是指这些数据反映现象的空间位置及空间位置关系。通常以坐标数据形式来表示空间位置，以拓扑关系来表示空间位置关系。2、属性特征 数据的属性是指描述实体的特征，如实体的名称、类别、质量特征和数量特征等。属性数据本身属于非空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分。,二、地理数据的基本特征,3、时间特征 空间数据的时间性是指空间数据的空间特征和属性特征随时间而变化。它们可以同时随时间变化，也可以分别独立随时间变化。实体随时间的变化具有周期性，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。空间特征是地理信息区别于其他信息的最重要的特征之一，地理信息的定位特征与时间过程相结合，大大提高了地理信息的应用价值。,三、地理空间数据的类型,1.类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。2.面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3.网络数据：道路交叉点、街道和街区等。4.样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。5.曲面数据：高程点、等高线和等值区域。6.文本数据：如地名、河流名和区域名称。7.符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,定性而非定量地对众多地理事物进行区分和标识。如北京、天津、石家庄等；长江、黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪泽湖和太湖等。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,通过排序来区分和标识地理现象的量称为顺序量。它是按照地理数据的等级序列，由低到高（或由高到低）进一步细分的。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,利用某种标准单位（可以是任意的）作为间隔量来表示不同的量，是一种较精确区分和标识地理现象的测量方法。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,比率量是间隔量的精确化。它提供的定量值是具有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据。,第二节 地理空间数据的拓扑关系,一、拓扑的概念和意义1.拓扑的概念 拓扑学是几何学的一个分支，它研究图形在连续变形下（拓扑变换）的那些不变的几何属性。组成一个图形的各元素（结点、弧段、面域）之间都存在着二元关系，即邻接关系和关联关系。在地图上这种关系可以借助图形来识别，而在计算机中这种关系需用拓扑关系加以定义。拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法。,2.拓扑关系的重要意义 在地理信息系统中，空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空间分析具有重要的意义，主要表现在如下三个方面：（1）根据拓扑关系可以确定地理实体间的相对空间位置，而无需利用坐标和距离；（2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询；（3）可以利用拓扑数据重建地理事体。如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等。,1、拓扑邻接：元素之间的拓扑关系。2、拓扑关联：元素之间的拓扑关系。3、拓扑包含：元素之间的拓扑关系。,二、空间数据的拓扑关系,不 同 类,同 类,同类不同级,拓扑邻接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：N1/1、3、6；P1/1、5、6 拓扑包含：P3与P4,三、拓扑结构的表达,N1,结 点,弧 段,N1,N3,N2,1,3,6,1,2,5,3,2,4,1、结点与弧段的拓扑关系,P0,N1,弧段,结 点,始结点,终结点,123,N2N3N1,N1 N2N3,2、弧段与结点的拓扑关系,P0,N1,弧段,多 边 形,左多边形,右多边形,123,P1 P2P3,3、弧段与多边形的拓扑关系,P0,P0P0P0,多边形,弧 段,1,5,6,4,2,5,3,6,4,4、多边形与弧段的拓扑关系,P0,P1 P2P3,7,N1,二、地理空间信息的方向关系,方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹角称为连线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种。同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时，只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体，然后按点状实体来求解方向关系即可。,三、地理空间信息的度量关系,度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距离，如A实体距离B实体100m。也可以应用与距离概念相关的术语，如远近等进行定性的描述。,第三节 空间数据结构,一、空间数据结构的概念和类型 空间数据结构 也称为图形数据格式，是指适用于计算机系统存贮、管理和处理的地理图形数据的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。在地理信息系统中，常用的空间数据结构有两种，即栅格数据结构和矢量数据结构。在矢量表示中，曲线是由一系列带有x，y坐标的特征点所组成的一条近似折线来表示。而在栅格形式中则借助于把该线通过的按行和列(矩阵形式)作为规则划分的栅格中的每个小格(像元)标以数字或代码来表示。这两种不同形式的数据被称为计算机的两种兼容数据。这是因为计算机不仅能存贮、识别和处理它们，而且可以对它们进行互相转换。,常用的空间数据结构,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,同一条曲线的矢量与栅格表示法,二、矢量数据结构 1 定义：矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。2 特点：定位明显，属性隐含。3 获取方法：(1)手工数字化法；(2)手扶跟踪数字化法；(3)数据结构转换法。,三、栅格数据结构 1 定义：栅格结构是一种简单直观的空间数据结构，又称网格结构或像元结构，是将地球表面划分为大小相等的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。2 特点：属性明显，定位隐含。3 获取方法：(1)手工网格法；(2)扫描数字化法；(3)分类影像输入法；(4)数据结构转换法。,4、提高栅格数据精度的方法 在栅格结构数据获取过程中，应尽可能保持原图或原始数据的精度，为减少信息损失提高精度，通常采取两种方法：,方案一：提高决定混合像元代码的精度，其方式 如图所示。,方案二：缩小栅格单元的面积。,第四节 矢量结构与栅格结构的比较及转化,一、栅格结构与矢量结构的比较：,二、矢量数据与栅格数据的相互转换 1.矢量数据向栅格数据的转换（1）确定栅格单元的大小 栅格单元的大小就是它的分辨率，应根据原图的精度，变换后的用途及存储空间等因素予以决定。栅格单元的边长在X，Y坐标系中的大小用X和Y表示。设Xmax、Xmin和Ymax、Ymin分别表示全图X坐标和Y坐标的最大值与最小值，I，J表示全图格网的行数和列数。,X,Y,（0，0）,J,I,xmin,xmax,ymin,ymax,X,Y,它们之间的关系为：X=（Xmax-Xmin）/JY=（Ymax-Ymin）/I,（2）点的栅格化 点的变换只要这个点落在某一个栅格中，就属于那个栅格单元，其行、列号I、J可由下式求出：I=1+INT（Ymax-Y）/YJ=1+INT（X-Xmin）/X式中INT表示取整函数。栅格点的值用点的属性表示。（3）线的栅格化如图所示，设两个端点的行、列号已经求出，其行号为3和7，则中间网格的行号必为4、5、6。其网格中心线的Y坐标应为：Yi=Ymax-Y(I-1/2)而与直线段交点的X坐标为：Xi=(X2-X1)/(Y2-Y1)(Yi-Y1)+X1,Y,X,3,4,5,6,7,（X1，Y1）,（X2，Y2）,（4）多边形（面域）栅格化.左码记录法：要完成面域的栅格化，其首要前提是实现以多边形线段反映其周围面域的属性特征。目前一般采用的是左码记录法。其原理如图所示，有一闭合多边形，它将整个矩形面域分割成属性为1和0的两部分。转换的第一步工作即是要实现这个目标。,第一步，从数字化数据的第一点开始依次记录每一点左边面域的属性值（面域外为0，面域内为1）。记录方法可由计算机自动完成，这样，每一个多边形数字化点便实现了“三值化”，即坐标值、线段自身属性值及左侧面域属性值。第二步，对多边形每一条边，按以上所述的线段栅格化的方法进行转换，得到如图所示的数据组成。,第三步，节点处理，使节点的栅格值惟一而准确。第四步，排序，从第一行起逐行按列的先后顺序排序，这时，所得到的数据结构完全等同于栅格数据压缩编码的数据结构形式。最后，展开为全栅格数据结构，完成由矢量数据系统向栅格数据系统转换如图所示。,.部点扩散算法：.射线算法：由待判点向图外某点引射线，判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数，如果相交偶数次，则待判点在该多边形外部，如为奇数次，则待判点在该多边形内部如图所示。,2.栅格数据向矢量数据的转换 栅格数据向矢量数据转换通常包括以下四个基本步骤：多边形边界提取 采用高通滤波将栅格图像二值化，并经过细化标识边界点，如图所示 二值化。线划图形扫描后产生栅格数据，这些数据是按从0255的灰度值量度的，设以G（i，j）表示，为了将这种256或128级不同的灰阶压缩到2两个灰阶，即0和1两级，首先要在最大和最小灰阶之间定义一个阙值，设阙值为T，则如果G（i，j）大于等于T，则记此栅格的值为1。如果G（i，j）小于T则记此栅格的值为0，得到一幅二值图，如图下图（a）。,(a),(b),(c),(d),细化。细化是消除线划横断面栅格数的差异，使得每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线（对面状符号而言）位置的单个栅格的宽度，对于栅格线划的“细化”方法，可分为“剥皮法”和“骨架法”两大类。剥皮法的实质是从曲线的边缘开始，每次剥掉等于一个栅格宽的一层，直到最后留下彼此连通的由栅格点组成的图形。因为一条线在不同位置可能有不同的宽度，故在剥皮过程中必须注意一个条件，即不允许剥去会导致曲线不连通的栅格。这是这一方法的关键所在。其解决方法是，借助一个在计算机中存储的，由待剥栅格为中心的33栅格组合图（图下图）来决定。通过研究，其中只有格式2，3，4，5，10，11，12，16，21，24，28，33，34，35，38，42，43，46和50，可以将中心点剥去。这样，通过最多核查2568个栅格，便可确定中间栅格点保留或删除，直到最后得到经细化处理后应予保留的栅格系列,边界线追踪 边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标如图所示。跟踪时，从图幅西北角开始，按顺时针或逆时针方向，从起始点开始，根据八个邻域进行搜索，依次跟踪相邻点。并记录结点坐标，然后搜索闭曲线，直到完成全部栅格数据的矢量化，写入矢量数据库。拓扑关系生成对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。去除多余点及曲线圆滑,三、矢量与栅格一体化矢量栅格一体化，对于提高GIS的空间分辨率、数据压缩和增强系统分析、输入输出的灵活性十分重要。1.传统的矢量与栅格一体化方案 栅格结构和矢量结构在表示空间数据上是同样有效的，栅格结构与矢量结构相结合是较为理想的方案，用计算机程序实现两种结构的高效转换。由程序自动根据操作需要选取合适的结构，以获取最强的分析能力和时间效率，用户不必介入结构类型的选择。2.矢量与栅格一体化数据结构 新一代的集成化地理信息系统，要求能够统一管理图形数据、属性数据、影像数据和数字高程模型（DEM）数据，称为四库合一。图形数据与属性数据的统一管理，近年来已取得突破性的进展，通过空间数据库引擎（SDE），初步解决了图形数据与属性数据的一体化管理。矢量与栅格一体化数据结构的思路是用矢量方法表示的线状实体，也可以采用元子空间填充法来表示，即在数字化一个线状实体时，除记录原始采样点外，还记录所通过的栅格。同样，每个面状地物除记录它的多边形边界外，还记录中间包含的栅格。这样，既保持了矢量特性，又具有栅格的性质，就能将矢量与栅格统一起来，这就是矢量与栅格一体化数据结构的基本内涵。由于栅格数据结构的精度较低，需利用细分格网的方法，来提高点、线和面状目标边界线的数据表达精度。如在有点、线目标通过的基本格网内，在细分成256256个细格网。当精度要求较低时，也可以细分成1616个细格网。,第五节 空间数据的编码方法,编码的概念和意义栅格结构编码方法矢量结构编码方法属性数据编码方法,地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。,一、编码的概念和意义,栅格结构编码方法,1、直接栅格编码,直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,0，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7，如下图所示。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。,2、链码,0,0,1,0,7,6,7,0,1,1,0,0,链码编码：2，2，6，7，6，0，6，5,链码编码示例,3、游程长度编码,(1)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录 该代码以及相同代码重复的个数；,沿行方向进行编码：(0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,3、游程长度编码,逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。,沿列方向进行编码：(1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。,4、块码,采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。,（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。,5、四叉树编码,是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,0 0 0,0 3 3 3 0 3 3 3,3 3 5 3 0 0 2 2,2 3 2 2 2 2 0 2,2 2 2 5 2 5 5 5,3 3,3 5 5,西南,东南,西北,东北,3,直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。,三 矢量数据编码方法,1、点实体矢量编码方法2、线实体矢量编码方法3、多边形矢量编码方法,1.点实体编码,三、矢量数据编码方法,2.线实体编码,3.多边形矢量编码,由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成,对所有边界点数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系,形成完整的拓扑结构,（1）多边形环路法,P1 x1，y1；x2，y2；x3，y3；x4，y4；x5，y5；x6，y6；,P2 x7，y7；x8，y8；x9，y9；x10，y10；x11，y11；x5，y5；x6，y6,P3 x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15,2.树状索引法,2.树状索引法,线号 起点 终点 点号 6 5 6,1,2,3,4,5 5 6 5,6 6 5 6,7,8,9,10,11,5 12 13 12,15,14,13,2.树状索引法,多边形文件多边形号 边界线号 1，2，3,2.树状索引法,3.拓扑结构编码法,唯一标示多边形标示外包多边形指针邻接多边形指针边界链接范围,较好的解决了空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂度,