GIS的空间数据结构ppt课件.pptx

1第1节 地理实体及其表达第2节 矢量数据结构第3节 栅格数据结构第4节 矢量与栅格数据结构的比较 教学要求 教学重点 教学活动 作 业2GIS空间数据空间数据分为以下几种类型分为以下几种类型 :1、按数据来源分类、按数据来源分类 （1）地图数据地图数据 ; （2）影像数据影像数据 ; （3）地形数据地形数据 ; （4）属性数据属性数据 ; （5）元数据：）元数据：数据的数据；数据的数据；2、按数据所表达的、按数据所表达的地理实体地理实体几何形状分类几何形状分类 （1）点数据；（）点数据；（2）线数据；（）线数据；（3）面数据）面数据3第第1节节 地理实体及其表达地理实体及其表达第第2节节 矢量数据结构矢量数据结构第第3节节 栅格数据结构栅格数据结构第第4节节 矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较第第5节节 矢矢-栅一体化数据结构和三维数据结构栅一体化数据结构和三维数据结构4一、地理实体一、地理实体 1. 地理实体与地理目标地理实体与地理目标 地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。 地理目标：实体在地理数据库中的表示 2. 地理实体地理实体特征特征（空间特征、属性特征、时间特征空间特征、属性特征、时间特征） 3. 地理实体的地理实体的类型类型（点、线、面、体）（点、线、面、体） 4. 地理目标地理目标的类型（的类型（0、1、2、3维）维）二、地理实体的描述二、地理实体的描述 A.地理实体的描述地理实体的描述内容（内容（ 编码（分类码、 识别码）, 位置, 类型 行为, 属性 , 说明, 时间维描述, 关系) B. 地理实体数据地理实体数据类型类型(属性数据,几何数据, 关系数据) C.地理实体的描述地理实体的描述空间数据结构空间数据结构第第1 1 节节 地理实体及其表达地理实体及其表达5一、空间数据结构的概念一、空间数据结构的概念:二、二、矢量矢量数据结构数据结构 (一一)矢量数据结构矢量数据结构: (二二)矢量数据获取方式矢量数据获取方式 (三三)矢量数据表达需要考虑的内容矢量数据表达需要考虑的内容 (四四)矢量数据表达矢量数据表达 1 简单数据结构简单数据结构 2 拓扑数据结构拓扑数据结构 索引式数据结构索引式数据结构 双重独立式数据结构双重独立式数据结构 链状双重独立式数据结构链状双重独立式数据结构第第2 节节 空间数据结构空间数据结构6第第1 节节 地理实体及其表达地理实体及其表达一、地理实体一、地理实体 1. 1. 地理实体与地理目标地理实体与地理目标 地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。 如城市是实体，其各组成部分则不能称为城市，而称为区、街道等 实体是自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，是一个具有概括性和 相对意义的概念。实体是现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。 GIS地理数据库是地理实体的集合，是一种与现实世界保持一定相似性的实体模型 地理目标：实体在地理数据库中的表示。 地理目标是一个概括、复杂、相对、抽象的概念，其具体类别和内容的确定是 从具体需要出发的，并随表示方法的比例尺、目的等情况而变化。 7第第1 节节 地理实体及其表达地理实体及其表达一、地理实体一、地理实体 2. 2. 地理实体地理实体特征特征 时间特征时间特征空间特征空间特征属性特征属性特征 属性特征用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等 空间特征用以描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑 特征，如中国与印度之间边界界桩的经纬度，中国与印度之间的邻接关系 时间特征用以描述事物或现象随时间的变化，如学生人数的逐年变化。 8第第1 节节 地理实体及其表达地理实体及其表达二、地理实体的描述二、地理实体的描述 B. B. 地理实体地理实体数据类型数据类型根据地理实体的特征，把地理实体数据分为三类 属性数据描述空间对象的属性特征的数据，也称非几何数据。 即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等 描述时间特征的数据也可以归为这一类。 几何数据描述空间对象的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。 即说明“在哪里”，一般用经纬度或X、Y坐标来表示。 关系数据描述空间对象之间的空间关系的数据，一般通过拓扑关系表达。 如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。 拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法9第第2 节节 空间数据结构空间数据结构一、空间数据结构的概念一、空间数据结构的概念 空间数据结构是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构,也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理. 空间数据结构分为基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构两种基本类型 22123233233323332333212310二、二、矢量矢量数据结构数据结构 (一)矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构。 矢量结构的特点：属性隐含，定位明显 A. 点实体：记录点坐标和属性代码； B. 线实体：记录两个或一系列采样 点的坐标，并加属性代码； C. 面实体：记录边界上一系列采样点 的坐标，由于多边形封闭， 边界为闭合环，加面域属性代码。第第2 节节 空间数据结构空间数据结构特性 数据 位 置 点 10 x, y 线 23 x1, y1 x2,y2 xn,yn串 面 63 x1, y1 x2, y2 xn,yn闭合环 64 x1, y1 x2 ,y2 xn,yn闭合环1063642310636423用笛卡尔坐标表示的地图11二、矢量数据结构二、矢量数据结构 (二)矢量数据获取方式q通过外业测量获得，利用测量仪器（全站仪、GPS、常规测量等）记录测量结果，然后转到地理数据库中q跟踪数字化，用跟踪数字化的方式把地图变成离散的矢量数据q间接获取l栅格数据转换l空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）第第2 节节 空间数据结构空间数据结构12二、矢量数据结构二、矢量数据结构 (三)矢量数据表达需要考虑的内容矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）第第2 节节 空间数据结构空间数据结构13(四四) 矢量数据表达矢量数据表达拓扑拓扑数据结构数据结构拓扑概念： 拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。 拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性 拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法14(四四) 矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构拓扑关系 拓扑关系拓扑关系：指图形保持连续状态下变形， 但图形关系不变的性质。 拓扑变换(橡皮变换)非拓扑属性(几何)拓扑属性(没发生变化的属性)两点间距离 一点指向另一点的方向 弧段长度、区域周长、面积 等 一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段(自身不相交) 一个点在一个区域的边界上 一个点在一个区域的内部/外部 一个点在一个环的内/外部 一个面是一个简单面;一个面的连通性 建立拓扑关系是对一种空间结构关系进行明确定义的数学方法。具有某些拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构，拓扑数据结构是GIS的分析和应用 功能所必需的。拓扑数据结构的表示方式没有固定的格式，也还没有形成标准，但基本原理是相同的。15矢量数据表达拓扑数据结构拓扑关系 拓扑元素拓扑元素拓扑线段（arc）结点(node）多边形（poly）该线段中间不与其它线段存在联系拓扑线段的两个端点，分别为首结点、尾结点由数条拓扑线段连接而成16 拓扑关系 最基本拓扑关系 拓扑关联：指存在于空间图形中的不同拓扑元素 之间的关系 结点与弧段：如结b与弧3,2,5 多边形与弧段：面C与弧4,5,3拓扑邻接：指存在于空间图形中的相同拓扑元素 之间的关系。多边形之间,结点之间 邻接矩阵,1邻结；0不邻结 其它拓扑关系拓扑包含：指存在于空间图形中的面与其它元素 之间的关系,如面状实体包含哪些点、线状实体层次关系：指存在于空间图形中的相同拓扑元素 之间的等级关系，如连云港市各个区拓扑连通：拓扑元素之间的通达关系，如点连通度，面连通度bec41325ABC76Dada: 结点号A: 多边形号1: 弧段号弧段数字化方向ABCDA-110B1-11C11-0D100-矢量数据表达拓扑数据结构17b矢量数据表达拓扑数据结构1、拓扑、拓扑邻接邻接：拓扑邻接是指空间图形的：拓扑邻接是指空间图形的同类元素同类元素之间之间的拓扑关系。的拓扑关系。 a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5多边形之间的邻接关系多边形之间的邻接关系P1/P2，P2/P3，弧段之间的邻接关系，弧段之间的邻接关系a1/a2，a2/a3，性以及结点之间的邻接关系性以及结点之间的邻接关系N1/N2，N2/N3，。18b矢量数据表达拓扑数据结构2 拓扑拓扑关联关联 ：拓扑关联是指空间图形的：拓扑关联是指空间图形的不同元素不同元素之间的之间的拓扑关系拓扑关系 。 a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5 结点与弧段的关联关系结点与弧段的关联关系N1/a1,a5,a3；N2/a1,a6,a2；多边形与弧段；多边形与弧段的关联关系的关联关系P1/a1,a6,a5；P2/a4,a6,a2，。19b矢量数据表达拓扑数据结构3、拓扑包含：拓扑包含是指空间图形的、拓扑包含：拓扑包含是指空间图形的同类同类，但，但不同级不同级的的元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。 （a）简单包含）简单包含 （b)多层包含多层包含 （c)等价包含等价包含 图图 (a)中多边形中多边形P1中包含多边形中包含多边形P2，图（，图（b）中多边形）中多边形P3包包含在多边形含在多边形P2中，而多边形中，而多边形P2，P3又都包含在多边形又都包含在多边形P1中。中。图图 （c）多边形）多边形P2，P3都包含在多边形都包含在多边形P1中，多边形中，多边形P2，P3对对P1而言是等价包含而言是等价包含 .20 拓扑关系 拓扑关系的表达拓扑关系的表达- -关系表关系表 矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构结点编码：多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5)线段编码：1 2 3 4 5 6 7 8 9(2)(3)(5)(4)12456789321 拓扑关系 拓扑关系的表达拓扑关系的表达- -关系表关系表 如果将空间图形的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形如果将空间图形的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形成成四个关系四个关系表达：表达： 结点结点- -弧拓扑弧拓扑 弧弧-结点拓结点拓 弧弧-面拓扑面拓扑 面面-弧拓扑弧拓扑 矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构22 拓扑关系 拓扑关系的表达拓扑关系的表达关系表关系表 eb表中数字前负号为相反方向dc41325ABC76Daa: 结点号A: 多边形号1: 弧段号弧段数字化方向弧-面拓扑弧段左面右面1AO2AB3CA4OC5CD6BD7BO结点-弧拓扑结点弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6面-弧拓扑面号弧数弧号A3-1,-2,3B42,-7,5,-6C3-3,-5,4D16矢量数据表达拓扑数据结构弧-结点拓扑弧段起点终点1ca2bc3ba4da5dB6ee7dc23 拓扑关系 拓扑关系的意义 空间数据的拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析具有重要意义 A. 拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系 不需要利用坐标或距离就可以确定一个地理实体相对于另一个地理实体的空间位置关系;并且这种拓扑数据较之几何数据具有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化 B. 有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题 C. 根据拓扑关系可重建地理实体。 矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构24第第1节节 地理实体及其表达地理实体及其表达第第2节节 矢量数据结构矢量数据结构第第3节节 栅格数据结构栅格数据结构第第4节节 矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较第第5节节 矢矢-栅一体化数据结构和三维数据结构栅一体化数据结构和三维数据结构上节内容回顾上节内容回顾25一、空间数据结构的概念一、空间数据结构的概念:(是指空间数据适合于计算机存储、管理、处 理的逻辑结构,也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理)二、二、矢量矢量数据结构数据结构 (一一)矢量数据结构矢量数据结构(通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一 种数据结构) (二二)矢量数据矢量数据获取方式获取方式: 1 外业测量, 2 跟踪数字化， 3 间接获取(栅格数据转换,空间分析) (三三)矢量数据表达需要考虑的内容矢量数据表达需要考虑的内容 1 矢量数据自身的存储和管理, 2 几何数据和属性数据的联系, 3 空间对象的空间关系（拓扑关系）) 第第2 节节 空间数据结构空间数据结构26三、栅格数据结构三、栅格数据结构( (Raster) ) ( (一一) )栅格数据结构栅格数据结构 1 1 概念：概念：是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值。 也即: 栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元的行列号确定位置，用每个像元的值表示实体的类型、等级等属性 第第2 节节 空间数据结构空间数据结构27三、栅格数据结构三、栅格数据结构( (Raster) ) ( (一一) )栅格数据结构栅格数据结构 A. 点实体：由单个像元来表达 B. 线实体：由在一定方向上连接成串的相邻像元的集合来表达。 C. 面实体：由聚集在一起的相邻像元的集合来表达 第2 节 空间数据结构22123233233323332333212328栅格数据单元格经常是栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形三角形。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，则造成较大的误差若栅格尺寸较大，则造成较大的误差 。由于栅格单元中存在多种地物，而数据中常常只记录一个属性值，这会导致由于栅格单元中存在多种地物，而数据中常常只记录一个属性值，这会导致属性误差。比如，遥感数据中的属性误差。比如，遥感数据中的“混合像元混合像元”问题。问题。2 栅格数据的形状、尺寸及相关问题栅格数据的形状、尺寸及相关问题第2 节 空间数据结构三、栅格数据结构三、栅格数据结构( (RasterRaster) )29三、栅格数据结构三、栅格数据结构 (二二)栅格数据获取的途径栅格数据获取的途径 1、 手工获取 2、 扫描仪扫描 3、 由矢量数据转换而来 4、 遥感影像数据 5、 格网DEM数据 (三三)栅格系统的确定栅格系统的确定 栅格坐标系统的确定 由于栅格编码一般用于区域性GIS， 原点的选择常具有局部性质。 但为了便于区域的拼接，栅格系统 的起始坐标应与国家基本比例尺 地形图 公里网的交点相一致，并分别采用公里网 的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。 第2 节 空间数据结构221232332333233323332yxO30第2 节 空间数据结构三、栅格数据结构三、栅格数据结构 (四四) 栅格代码栅格代码(属性值属性值)的确定的确定 1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者。 3、重要性法：取重要的属性值为栅格属性值。 4、长度占优法：每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。 ABCO中心点法，该栅格单元的值：中心点法，该栅格单元的值： 面积占优法，该栅格单元的值为：面积占优法，该栅格单元的值为：重要性法，该栅格单元的值为：重要性法，该栅格单元的值为：长度占优法，该栅格单元的值为：长度占优法，该栅格单元的值为： 31第2 节 空间数据结构三、栅格数据结构三、栅格数据结构 (六六) 栅格数据结构的特点栅格数据结构的特点 l 用离散的量化栅格值表示空间对象(通常是规则格网)l 位置隐含，属性明显l 数据结构简单，易于遥感数据结合，但数据量大l 存在几何和属性偏差l 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系l 比例尺大小为栅格(像元)的大小与地表相应单元的大小之比。 像元较大时，对地物的面积、长度等的量测有较大影响 abc345abc面积:6 7几何偏差属性偏差