空间数据结构与空间数据库.ppt

《空间数据结构与空间数据库.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《空间数据结构与空间数据库.ppt（37页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章第三章 空间数据结构与空间数据库空间数据结构与空间数据库1概述概述2矢量数据结构矢量数据结构3栅格数据结构栅格数据结构4栅格与矢量数据结构的转换栅格与矢量数据结构的转换5GIS空间数据结构的建立空间数据结构的建立二二.矢量格式向栅格格式的转换矢量格式向栅格格式的转换 三三.栅格格式向矢量格式的转换栅格格式向矢量格式的转换 四四.矢量与栅格一体化矢量与栅格一体化数据结构数据结构4矢量栅格数据结构的比较与转换矢量栅格数据结构的比较与转换栅格模型矢量模型优点：1、数据结构简单2、叠加操作易实现(空间分析比较容易)3、便于做图象的有效增强，有利于与遥感数据的匹配应用和分析4、图形显示质量好、精度

2、高优点：1、提供更严密的数据结构（紧凑、冗余度低）2、提供更有效的拓扑编码，因而对需要拓扑信息的操作更有效，如网络分析3、便于面向现象的数据表示。4、图形输出美观，接近于手绘缺点：1、数据结构不严密不紧凑，需要用压缩技术解决这个问题2、难以表达拓扑关系3、图形输出不美观，线条有锯齿，需要增加栅格数量来克服，但会增加数据量缺点：1、比栅格数据结构复杂2、叠加操作没有栅格有效3、表达空间变化性能力差4、不能象数字图形那样做增强处理一、矢量数据模型与栅格数据模型比较包括：1)点的转换点的转换:2)线段的转换线段的转换:3)多边形的转换多边形的转换:二.矢量数据结构向栅格数据结构的转换二.矢量格式向栅

3、格格式的转换 1矢量到栅格的转换(栅格化过程包括以下操作)：1）将点和线实体的角点的笛卡尔坐标转换到预定分辩率和已知位置值的矩阵中；2）对多边形而言，测试过角点后，剩下线段处理，这时只要利用二次扫描就可以知道何时到达多边形的边界，度记录其位置与属性值。二.矢量格式向栅格格式的转换 2 多边形转换(栅格化过程包括以下操作)：1）内部点扩散算法:2）射线算法:3）扫描填充法:4）边界代数算法:5）复数积分算法1）内部点扩散算法）内部点扩散算法该算法由每个多边形一个内部点（种子点）开始，向其八个方向的邻点扩散，判断各个新加入点是否在多边形边界上，如果是边界上，则该新加入点不作为种子点，否则把非边界点

4、的邻点作为新的种子点与原有种子点一起进行新的扩散运算，并将该种子点赋以该多边形的编号。重复上述过程直到所有种子点填满该多边形并遇到边界停止为止。扩散算法程序设计比较复杂，并且在一定的栅格精度上，如果复杂图形的同一多边形的两条边界落在同一个或相邻的两个栅格内，会造成多边形不连通，这样一个种子点不能完成整个多边形的填充。2）射线算法）射线算法射线算法可逐点判断数据栅格点在某多边形之外或在多边形内，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（图7-12）。采用射线算法，要注意的是：射线与多边形边界相交时

5、，有一些特殊情况会影响交点的个数，必须予以排除（图7-13）。2）射线算法）射线算法射线算法 2）射线算法）射线算法射线算法的特殊情况 3）扫描算法）扫描算法扫描算法是射线算法的改进，将射线改为沿栅格阵列列或行方向扫描线，判断与射线算法相似。扫描算法省去了计算射线与多边形边界交点的大量运算，大大提高了效率。4）边界代数算法（）边界代数算法（BAF-Boundary Algebra Filling）任伏虎边界代数多边形填充算法是一种基于积分思想的矢量格式向栅格格式转换算法，它适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换为栅格结构。图7-15表示转换单个多边形的情况，多边形编号为a，模仿积分求多边形区域

6、面积的过程，初始化的栅格阵列各栅格值为零，以栅格行列为参考坐标轴，由多边形边界上某点开始顺时针搜索边界线，当边界上行时（图7-15-a），位于该边界左侧的具有相同行坐标的所有栅格被减去a；当边界下行时（图7-15-b），该边界左边（前进方向看为右侧）所有栅格点加一个值a，边界搜索完毕则完成了多边形的转换。4）边界代数算法）边界代数算法单个多边形的转换 4）边界代数算法）边界代数算法对对于于这这种种多多个个多多边边形形的的矢矢量量向向栅栅格格转转换换问问题题，只只需需对对所所有有多多边边形形边边界界弧弧段段作作如如下下运运算算而而不不考考虑虑排排列列次次序序：当当边边界界弧弧段段上上行行时时，该

7、该弧弧段段与与左左图图框框之之间间栅栅格格增增加加一一个个值值（左左多多边边形形编编号号减减去去右右多多边边形形编编号号）；当当边边界界弧弧段段下下行行时时，该该弧弧段段与与左左图图框框之之间间栅栅格格增增加加一一个个值值（右右多多边边形形编编号号减减去去左左多多边边形形编编号号）。两两个个多多边边形形转转换换过过程如图所示。程如图所示。4）边边界界代代数数算算法法5）复数积分算法）复数积分算法对全部栅格阵列逐个栅格单元地判断该栅格归属的多边形编码，判别方法是由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分，对某个多边形，如果积分值为2r，则该待判点属于此多边形，赋以多边形编号，否则在此多边形外部，

8、不属于该多边形。1.基于图像数据的矢量化方法：1)二值化二值化:2)细化细化:3)边界线的追踪边界线的追踪:4)拓扑关系的生成拓扑关系的生成:5)去除多余点及曲线圆滑：去除多余点及曲线圆滑：多边形边界提取：采用高通滤波将栅格图像二值化或以特殊值标识边界点；边界线追踪：对每个边界弧段由一个结点向另一个结点搜索，通常对每个已知边界点需沿除了进入方向的其他7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段；拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段数据，判断其与原图上各多边形的空间关系，以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：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少

9、数据冗余；搜索结果，曲线由于栅格精度的限制可能不够圆滑，需采用一定的插补算法进行光滑处理，常用的算法有：线形迭代法；分段三次多项式插值法；正轴抛物线平均加权法；斜轴抛物线平均加权法；样条函数插值法。2.基于再生栅格数据的矢量化方法：1)设别内边界设别内边界:2)设别公共边界设别公共边界:3)追踪外边界追踪外边界:3.多边形栅格转矢量的双边界搜索算法多边形栅格转矢量的双边界搜索算法（DBDF-Double Boundary Direct Finding）：算法的基本思想是通过边界提取，将左右多边形信息算法的基本思想是通过边界提取，将左右多边形信息保存在边界点上，每条边界弧段由两个并行的边界链保存

10、在边界点上，每条边界弧段由两个并行的边界链组成，分别记录该边界弧段的左右多边形编号。边界组成，分别记录该边界弧段的左右多边形编号。边界线搜索采用线搜索采用2*2栅格窗口，在每个窗口内的四个栅格栅格窗口，在每个窗口内的四个栅格数据的模式，可以唯一地确定下一个窗口的搜索方向数据的模式，可以唯一地确定下一个窗口的搜索方向和该弧段的拓扑关系，极大地加快了搜索速度，拓扑和该弧段的拓扑关系，极大地加快了搜索速度，拓扑关系也很容易建立。关系也很容易建立。三.栅格数据结构向矢量数据结构的转换 3多边形栅格转矢量的双边界搜索算法多边形栅格转矢量的双边界搜索算法具体步骤如下：具体步骤如下：边界点和结点提取：边界点

11、和结点提取：边界线搜索与左右多边形信息记录：边界线搜索与左右多边形信息记录：多余点去除：多余点去除：边界点和结点提取：边界点和结点提取：节点的8种情形 边界点和结点提取：边界点和结点提取：边界点的6种情形 4.矢量化过程要保证以下两点：（从栅格单元转换到几何图形的过程称为矢量化）1）拓扑转换，即保持栅格表示出的连通性与）拓扑转换，即保持栅格表示出的连通性与邻接性；邻接性；2）转换物体正确的外形。）转换物体正确的外形。1.基本概念：Morton码；统一的约定（点、线、面）。2.矢量与栅格一体化数据结构设计：1)点状目标和结点的数据结构;2)线状目标和弧段数据结构;3)面状目标的数据结构.五.GI

12、S空间数据结构的建立以城市信息系统为例以城市信息系统为例1)空间数据的分类空间数据的分类:2)空间数据的编码空间数据的编码:(第四章第四章 空间数据库空间数据库)（传统的数据模型）（语义数据模型和面向对象数据模型）四.空间数据库逻辑模型设计和物理设计）五.5GIS空间时态数据库4空间数据库空间数据库数数据据库库就就是是为为一一定定目目的的服服务务，以以特特定定的的数数据据存存储储的的相相关关联联的的数数据据集集合合，它它是是数数据据管管理理的的高高级级阶阶段段，是是从从文文件件管管理理系系统统发发展展而而来来的的。地地理理信信息息系系统统的的数数据据库库（简简称称空空间间数数据据库库或或地地理

13、理数数据据库库）是是某某一一区区域域内关于一定地理要素特征的数据集合。内关于一定地理要素特征的数据集合。数据库数据库 图书馆图书馆数据数据 图书图书数据模型数据模型 书卡编目书卡编目数据的物理组织数据的物理组织 图书存放规则、书架图书存放规则、书架数据库管理系统数据库管理系统 图书管理员图书管理员外存外存 书库书库用户用户 读者读者数据存取数据存取 图书阅览图书阅览数据组织的分级数据组织的分级:数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。1）数据项）数据项数数据据项项是是可可以以定定义义数数据据的的最最小小单单

14、位位，也也叫叫元元素素、基基本本项项、字字段段等等，数数据据项项与与现现实实世世界界实实体体的的属属性性相相对对应应。每每个个数数据据项项都都有有一一个个名名称称，称称为为数数据据项项目目。数数据据项项的的值值可可以以是是数数值值的的、字字母母的的、字字母母数数字字的的、汉汉字字的的等等形形式式。数数据据项项的的物物理理特特点在于它具有确定的物理长度，可以作为整体看待。点在于它具有确定的物理长度，可以作为整体看待。2）记录）记录记记录录是是由由若若干干相相关关联联的的数数据据项项组组成成，是是处处理理和和存存储储信信息息的的基基本本单单位位，是是关关于于一一个个实实体体的的数数据据总总和和，构

15、构成成该该记记录录的的数数据据项项表表示示实实体体的的若若干干属属性性。为为了了唯唯一一标标识识每每个个记记录录，就就必必须须有有记记录录标标识识符符，也也叫叫关关键键字字。记记录录可可以以分分为为逻逻辑辑记记录录与与物物理记录。理记录。3）文件）文件文文件件是是一一给给定定类类型型的的（逻逻辑辑）记记录录的的全全部部具具体体值值的的集集合合，文文件件用用文文件件名名称称标标识识，文文件件根根据据记记录录的的组组织织方方式式和和存存取取方方法法可可以以分分为为：顺顺序序文文件件、索索引引文文件件、直直接接文件和倒排文件等。文件和倒排文件等。4）数据库）数据库数数据据库库是是比比文文件件更更大大

16、的的数数据据组组织织，数数据据库库是是具具有有特特定定联联系系的的数数据据的的集集合合，也也可可以以看看成成是是具具有有特特定定联联系系的的多多种种类类型型的的记记录录的的集集合合。数数据据库库的的内内部部构构造造是是文文件件的的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。2.GIS数据库数据库(空间数据库空间数据库)的设计的设计(1)空间数据库设计过程空间数据库设计过程;(2)空间数据库的数据模型设计空间数据库的数据模型设计;(3)空间数据库设计的原则空间数据库设计的原则步骤和技术方法步骤和技术方法.(1)空间数据库的实现空间数据库的实现;(2

17、)相关的其他设计相关的其他设计;(3)空间数据库的运行和维护空间数据库的运行和维护数据库结构关系模型（relational model）满足一定条件的二维表格层次模型（hierarchical model）以记录类型为节点的有向树（tree），其主要特征是：（1）除根节点外，任何节点都有且 只有一个“父亲”；（2）“父”节点表示的实体与“子”节点表示的实体是一对多的联系。网状模型（network model）特点：1）可以有一个以上的结点没有“父”结点；2）至少有一个结点有多于一个“父”结点；3）结点之间可以有多种联系；4）可以存在回路2.E-R模型向关系数据模型的转换模型向关系数据模型的转换五.GIS空间时态数据库(1)空间时态数据的表达空间时态数据的表达;(2)空间时态数据的更新空间时态数据的更新;(3)空间时态数据的查询空间时态数据的查询;(1)时间片快照模型时间片快照模型;(2)底图叠加模型底图叠加模型;(3)时空合成模型时空合成模型;(4)全信息对象模型全信息对象模型;