地理信息系统概论第二章.ppt

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1、第三节 空间数据模型 模型模型数据建模的结果。数据建模的结果。数数据据建建模模指指把把反反映映现现实实世世界界的的数数据据按按某某种种逻逻辑辑组组合合方方式式组组织织为为有用且能反映世界现实规律的数据集过程。数据建模过程：有用且能反映世界现实规律的数据集过程。数据建模过程：（1 1）选择某种数据模型对反映现实世界的数据进行组织；）选择某种数据模型对反映现实世界的数据进行组织；（2 2）选择一种数据结构来表达该数据模型；）选择一种数据结构来表达该数据模型；（3 3）选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。）选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。例例如如，表表示示地地表表高高程程的的空空间间数数

2、据据可可以以选选用用栅栅格格模模型型进进行行组组织织，栅栅格格模模型型选选用用游游程程编编码码这这一一数数据据结结构构进进行行表表达达，处处理理后后的的数数据据则则以以诸诸如如后后缀缀名名为为.COT.COT的的文文件件进进行行存存储储；同同样样，地地表表可可用用矢矢量量模模型型来来组组织织，即即以以等等高高线线来来表表示示，数数据据以以POLYVRTPOLYVRT的的拓拓扑扑结结构构进进行行安安排排，以以DLG(Digital DLG(Digital Line Line Graph)Graph)文文件件格格式式存存储储。因因此此，对对一一种种空空间间数数据据进进行行建建模模可可能能有有几几种

3、种可可选选的的数数据据模模型型来来描描述述，而而每每一一种种数数据据模模型型则则可可能能有有若若干干种种数数据据结结构构来来表表达达，而而每每一一种种数数据据结结构构又又可可能能有有多多种种文文件格式进行存储。件格式进行存储。第三节 空间数据模型w矢量模型w栅格模型w不规则三角网模型第三节 空间数据模型w矢量模型 矢矢量量模模型型非非常常适适于于表表达达图图形形对对象象和和进进行行高高精度制图。精度制图。矢矢量量模模型型的的基基本本类类型型起起源源于于“SpaghettiSpaghetti模模型型”，点点用用坐坐标标对对表表示示，线线由由一一串串坐坐标标对对组组成成，面面是是由由线线形形成成的

4、的闭闭合合多多边边形形。拓拓扑扑属属性性是是矢矢量量模模型型操操作作的的关关键键，多多边边形形的的边边界界被被分分割割成成一一系系列列的的弧弧和和结结点点，弧弧、结结点点和多边形之间空间关系在属性表中定义。和多边形之间空间关系在属性表中定义。第三节 空间数据模型w栅格模型 栅栅格格模模型型特特别别适适用用于于刻刻画画像像地地球球重重力力场场那那样样的的连连续续空空间间变变量量。栅栅格格用用数数字字矩矩阵阵来来表表达达，它它能能以以某某种种简简单单的的顺顺序序结结构构进进行行贮贮存存，而而存存贮贮文文件件中中数数据据项项排排列列顺顺序序直直接接对对应应着着栅格单元地址。栅格单元地址。第三节 空间

5、数据模型w栅格模型在创立栅格时，像元的大小一经固定，也就丢在创立栅格时，像元的大小一经固定，也就丢失了某些高分辨率情况下的细节信息。像元通常是失了某些高分辨率情况下的细节信息。像元通常是正方形，有时也用矩形、六边形、等边三角形。像正方形，有时也用矩形、六边形、等边三角形。像元的位置由纵横坐标决定，每个像元的空间坐标并元的位置由纵横坐标决定，每个像元的空间坐标并不被直接记录，因为像元记录顺序已经隐含了空间不被直接记录，因为像元记录顺序已经隐含了空间坐标。栅格模型中每一个栅格像元层记录着不同类坐标。栅格模型中每一个栅格像元层记录着不同类型的属性，这些像元大小是一致的，而行列信息和型的属性，这些像元

6、大小是一致的，而行列信息和原点的地理位置则被记录在每一层中。原点的地理位置则被记录在每一层中。栅格空间分辨率是指一个像元所代表地面实际栅格空间分辨率是指一个像元所代表地面实际面积大小。栅格模型要精确刻画点、线、面和符号面积大小。栅格模型要精确刻画点、线、面和符号等图形要素，没有很小的像元是困难的，而有了很等图形要素，没有很小的像元是困难的，而有了很小像元，则又将占用很大空间；因此，选择栅格空小像元，则又将占用很大空间；因此，选择栅格空间分辨率时，必须考虑存贮空间和处理时间的开销。间分辨率时，必须考虑存贮空间和处理时间的开销。栅格模型需要用能通过压缩节省存贮空间的数据结栅格模型需要用能通过压缩节

7、省存贮空间的数据结构来表示，如游程编码构来表示，如游程编码 、区域四叉树和八叉树、区域四叉树和八叉树 等。等。第三节 空间数据模型w矢量模型与栅格模型的图示第三节 空间数据模型w矢量模型与栅格模型的图示第三节 空间数据模型w矢量模型的特点 优优点点（1 1）精精度度高高，数数据据存存储储冗冗余余度度低低；（2 2）可可方方便便的的进进行行网网络络分分析析；（3 3）在在矢矢量量模模型型中中，空空间间实实体体的的拓拓扑扑属属性性不不会会随随着着诸诸如如移移动动、缩缩放放、旋旋转转和和剪剪切切等等变变换换而而改改变变，而而空空间间坐坐标标，还还有有一一些些几几何何属属性性会会受受到到影影响响。矢矢

8、量量模模型型能能方方便便地地进进行行比比例尺变换、投影变换。例尺变换、投影变换。缺缺点点（1 1）矢矢量量数数据据存存贮贮结结构构比比栅栅格格的的复复杂杂，且且以以矢矢量量形形式式进进行行图图形形叠叠加加的的算算法法也也很很复复杂杂；（2 2）空空间间叠叠合合分分析析困困难难；（3 3）与与遥遥感感影影像像数数据据难易结合。难易结合。第三节 空间数据模型w栅格模型的特点 优优点点：（1 1）数数据据结结构构简简单单；（2 2）不不同同类类型型的的空空间间数数据据层层不不需需要要经经过过复复杂杂的的几几何何计计算算就就可可以以直直接接进进行行叠叠加加操操作作；（3 3）非非常常适适合合于于模模拟

9、拟空空间间属属性性的的连连续续变变化化，特特别别是是属属性性特特征征的的空空间间变变化化程程度度很很高高的的区区域域；（4 4）可方便的与遥感影像数据结合。）可方便的与遥感影像数据结合。缺缺点点：（1 1）高高分分辨辨率率的的表表示示将将占占用用很很大大空间；空间；（2 2）难以进行网络分析。）难以进行网络分析。第三节 空间数据模型w不规则三角网模型不不规规则则三三角角网网模模型型采采用用不不规规则则多多边边形形拟拟合合地地表表，它主要用来描述数字高程表面。它主要用来描述数字高程表面。在在TINTIN模模型型中中，点点的的位位置置控控制制着着三三角角形形的的顶顶点点，这这些些三三角角形形尽尽可

10、可能能接接近近等等边边，地地表表地地形形就就可可由由一一组组三三角角形形很很好好地地表表示示出出来来。三三角角网网的的一一个个优优点点是是，其其三三角角形形大大小小随随点点密密度度变变化化而而自自动动变变化化，当当数数据据点点密密集集时时生生成成的的三三角角形形小小，表表示示地地形形陡陡峭峭，数数据据点点较较稀稀时时生生成成的的三三角角形形较较大大，表表示示地地形形平平缓缓。TINTIN也也能能表表示不连续对象，如悬崖、断层、海岸线和山谷谷底。示不连续对象，如悬崖、断层、海岸线和山谷谷底。第四节 空间数据结构 空空间间数数据据结结构构是是指指对对空空间间数数据据进进行行合合理理的组织，以便于进

11、行计算机处理。的组织，以便于进行计算机处理。数数据据模模型型和和数数据据结结构构之之间间的的区区别别似似乎乎很很模模糊糊，但但事事实实上上，数数据据模模型型是是数数据据表表达达的的逻逻辑辑模模型型，数数据据结结构构是是数数据据表表达达的的物物理理实实现现，前者是后者的基础，后者是前者的具体实现。前者是后者的基础，后者是前者的具体实现。w矢量数据结构w栅格数据结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 矢矢量量数数据据结结构构是是通通过过记记录录坐坐标标的的方方式式，尽尽可可能能地地将将点点、线线、面面地地理理实实体体表表现现得得精精确确无无误误。其其坐坐标标空空间间假假定定为为连连续续空空间间，不

12、不必必象象栅栅格格数数据据结结构构那那样样进进行行量量化化处处理理。因因此此矢矢量量数数据据能能更更精精确确地地定定义义位位置置、长长度度和和大大小。小。除除数数学学上上的的精精确确坐坐标标假假设设外外，矢矢量量数数据据存存储储是是以以隐隐式式关关系系以以最最小小的的存存储储空空间间存存储储复复杂的数据。杂的数据。第四节 空间数据结构w矢量数据结构 点实体矢量编码结构点实体矢量编码结构 线实体矢量编码结构线实体矢量编码结构 多边形矢量编码结构多边形矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 点实体矢量编码结构点实体矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 线实体矢量编码结构线实体矢量

13、编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构拓扑结构编码法拓扑结构编码法双重独立式（DIME）线号左多边形右多边形起点终点aOA18

14、bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92这种数据结构除了通过线文件生这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件成面文件外，还需要点文件 第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构拓扑结构编码法拓扑结构编码法链状双重独立式链状双重独立式数据结构是链状双重独立式数据结构是DIMEDIME数据结构的数据结构的一种改进。在一种改进。在DIMEDIME中，一条边只能用直线两端点中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构的序号及相邻的面域来

15、表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。个弧段可以有许多中间点。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。点文件。第四节 空间数据结构w矢量数据结构 面实体矢量编码结构面实体矢量编码结构拓扑结构编码法拓扑结构编码法链状双重独立式第四节 空间数据结构w矢量数据结构的属性数据表达 属性特征类型属性特征类型 类别特征：是什么类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征说明信息：同类目标

16、的不同特征 属性特征表达属性特征表达 类别特征：类型编码类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格说明信息：属性数据结构和表格 属性表的内容取决于用户属性表的内容取决于用户 图形数据和属性数据的连接通过目标识别图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记符或内部记 录号实现。录号实现。第四节 空间数据结构w矢量数据结构的属性数据表达第四节 空间数据结构w栅格数据结构栅栅格格数数据据结结构构实实际际就就是是像像元元阵阵列列，每每个个像像元元由由行行列列确确定定它它的的位位置置。由由于于栅栅格格结结构构是是按按一一定定的的规规则则排排列列的的，所所表表示示的的实实体体位位置置很很容容易易隐

17、隐含含在在网网络络文文件件的的存存储储结结构构中中，且且行行列列坐坐标标可可以以很很容容易易地地转转为为其其它它坐坐标标系系下下的的坐坐标标。在在网网络络文文件件中中每每个个代代码码本本身身明明确确地代表了实体的属性或属性的编码。地代表了实体的属性或属性的编码。第四节 空间数据结构w栅格数据结构第四节 空间数据结构w栅格数据结构栅格矩阵结构链式编码结构游程编码结构块码结构四叉树编码结构八叉树编码结构第四节 空间数据结构w栅格数据结构栅格矩阵结构栅栅栅格格格矩矩矩阵阵阵数数数据据据是是是二二二维维维表表表面面面上上上地地地理理理数数数据据据的的的离离离散散散量量量化化化值值值，每每每一一一层层层

18、的的的pixelpixelpixel值值值组组组成成成像像像元元元阵阵阵列列列（即即即二二二维维维数数数组组组），其中行、列号表示它的位置。例如影像：其中行、列号表示它的位置。例如影像：其中行、列号表示它的位置。例如影像：A A A AA A A AA A A A A B B B A B B B A B B B A A B B A A B B A A B B A A A B A A A B A A A B在在在计计计算算算机机机内内内是是是一一一个个个4*44*44*4阶阶阶的的的矩矩矩阵阵阵。但但但在在在外外外部部部设设设备备备上上上，通通通常常常是是是以以以左左左上上上角角角开开开始始始逐

19、逐逐行行行逐逐逐列列列存存存贮贮贮。如如如上上上例例例存存存贮贮贮顺顺顺序序序为为为：A A A A A A A A A A A A A A A B B B B B B B B B A A A A A A B B B B B B A A A A A A A A A B B B当当当每每每个个个像像像元元元都都都有有有唯唯唯一一一一一一个个个属属属性性性值值值时时时，一一一层层层内内内的的的编编编码码码就就就需需需要要要mmm行行行nnn列列列3(x,y3(x,y3(x,y和和和属属属性性性编编编码码码值值值)个个个存存存储储储单单单元元元。数数数字地面模型就属此种情况。字地面模型就属此种情况。

20、字地面模型就属此种情况。第四节 空间数据结构w栅格数据结构链式编码结构 又称为弗里曼链码又称为弗里曼链码(Freeman)(Freeman)或边界链码。或边界链码。由由起起点点位位置置和和一一系系列列在在基基本本方方向向的的单单位位矢矢量量给给出出每每个个后后续续点点相相对对其其前前继继点点的的可可能能的的8 8个个基基本本方方向向之之一一表表示示。8 8个个基基本本方方向向自自00开开始始按按逆逆时时针针方方向向代代码码分分别别为为0 0，1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6，7 7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。12345076001 0 7

21、67 01 1 0第四节 空间数据结构w栅格数据结构链式编码结构 第四节 空间数据结构w栅格数据结构游程编码结构 只只在在各各行行（或或列列）数数据据的的代代码码发发生生变变化化时时依依次次记记录录该该代代码以及相同代码重复的个数；码以及相同代码重复的个数；第四节 空间数据结构w栅格数据结构游程编码结构 逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。第四节 空间数据结构w栅格数据结构块码结构 采采用用方方形形区区域域作作为为记记录录单单元元，数数据据编编码码由由初初始始位位置置行行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。列号加上半径，再加上

22、记录单元的代码组成。第四节 空间数据结构w栅格数据结构四叉树编码结构 是是根根据据栅栅格格数数据据二二维维空空间间分分布布的的特特点点，将将空空间间区区域域按按照照4 4个个象象限限进进行行递递归归分分割割（2 2n n22 n n，且且n1n1），直直到到子子象象限限的的数数值值单单调调为为止止，最最后后得得到到一一棵棵四四分分叉叉的的倒倒向向树树。四四叉叉树树分分解解，各各子子象象限限大大小小不不完完全全一一样样，但但都都是是同同代代码码栅栅格格单单元元组组成成的的子子块块，其其中中最最上上面面的的一一个个结结点点叫叫做做根根结结点点，它它对对应应于于整整个个图图形形。不不能能再再分分的的

23、结结点点称称为为叶叶子子结结点点，可可能能落落在在不不同同的的层层上上，该该结结点点代代表表子子象象限限单单一一的的代代码码，所所有有叶叶子子结结点点所所代代表表的的方方形形区区域域覆覆盖盖了了整整个个图图形形。从从上上到到下下，从从左左到到右右为为叶叶子子结结点点编编号号，最最下下面面的的一一排排数数字字表示各子区的代码。表示各子区的代码。为为了了保保证证四四叉叉树树分分解解能能不不断断的的进进行行下下去去，要要求求图图形形必必须须为为2 2n n22 n n的的栅栅格格阵阵列列。n n 为为极极限限分分割割次次数数，n n1 1是是四四叉叉树树最最大大层层数或最大高度数或最大高度第四节 空

24、间数据结构w栅格数据结构四叉树编码结构第四节 空间数据结构w栅格数据结构八叉树编码结构八八叉叉树树结结构构就就是是将将空空间间区区域域不不断断地地分分解解为为八八个个同同样样大大小小的的子子区区域域，同同一一区区域域的的属属性性相相同同。八八叉叉树树主主要要用用来来解解决决地地理信息系统中的三维问题。理信息系统中的三维问题。第四节 空间数据结构w栅格数据结构各类编码结构的对比 直接栅格编码直接栅格编码直接栅格编码直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；文件）；链码链码链码链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方压缩效率

25、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；便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码游程长度编码游程长度编码游程长度编码：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；系统采用；块码和四叉树编码块码和四叉树编码块码和四叉树编码块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有具有区域性质，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，较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进

26、行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。效率较高，是很有前途的编码方法。第四节 空间数据结构w栅格数据组织第四节 空间数据结构w栅格数据组织第四节 空间数据结构w矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较优点优点缺点缺点矢量矢量数据数据结构结构1.1.便于面向现象便于面向现象(土壤类、土地利用土壤类、土地利用单元等单元等)；2.2.数据结构紧凑、冗余度低；数据结构紧凑、冗余度低；3.3.有利于网络分析；有利于网络分析；4.4.图形显示质量好、精度高。图形显示质量好、精度高。1.1.数据结构复杂；数据结构复杂；2.2.软件与硬件的技术要求比软件与硬件的技术要求比较高；较高；3.

27、3.多边形叠合等分析比较困多边形叠合等分析比较困难；难；4.4.显示与绘图成本比较高。显示与绘图成本比较高。栅格栅格数据数据结构结构1.1.数据结构简单；数据结构简单；2.2.空间分析和地理现象的模拟均比空间分析和地理现象的模拟均比较容易；较容易；3.3.有利于与遥感数据的匹配应用和有利于与遥感数据的匹配应用和分析；分析；4.4.输出方法快速，成本比较低廉。输出方法快速，成本比较低廉。1.1.图形数据量大；图形数据量大；2.2.投影转换比较困难；投影转换比较困难；3.3.栅格地图的图形质量相对栅格地图的图形质量相对较低；较低；4.4.现象识别的效果不如矢量现象识别的效果不如矢量方法。方法。第五

28、节 空间数据结构的建立空空间间数数据据结结构构的的建建立立是是指指根根据据确确定定的的数数据据结结构构类类型型，形形成成与与该该数数据据结结构构相相适适应应的的GISGIS空空间间数数据据，为为空空间间数据库的建立提供物质基础。数据库的建立提供物质基础。第五节 空间数据结构的建立w系统功能与数据间的关系系统功能与数据间的关系 现现代代地地理理信信息息系系统统数数据据模模式式的的一一个个重重要要特特征征是是数数据据与与功功能能之之间间具具有有密密切切的的联联系系(见见下下表表)，因因此此，在在确确定定数数据内容时，首先必须明确系统的功能；据内容时，首先必须明确系统的功能；对对开开发发的的GISG

29、IS系系统统的的功功能能，是是通通过过用用户户需需求求调调查查来来确确定定的，因此，在开发的，因此，在开发GISGIS系统之前，首先要进行系统分析。系统之前，首先要进行系统分析。w空间数据的分类和编码空间数据的分类和编码 空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层(见下见下图图)；系统功能与数据间的关系(据Jack Dangermond等)信息层示意图 空间数据的编码：是指将

30、数据分类的结果，空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国基础地理码由数字或字符组成。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示：码结构如下所示：大类码大类码 小类码小类码 一级代码一级代码 二级代码二级代码 识别位识别位大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩数字顺序排

31、列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。充。1 1：测量控制点：测量控制点 1111：平面控制点：平面控制点1212：高程控制点：高程控制点1313：其他控制点：其他控制点11011101：三角点：三角点11021102：导线点：导线点1101111011：一等：一等1101211012：二等：二等1101311013：三等：三等1101411014：四等：四等国土基础信息数据分类与代码举例国土基础信息数据分类与代码举例 w矢量数据的输入与编辑矢量数据的输入与编辑 矢矢量量数数据据的的输输入入，是是指指将将分分类类和和编编码码的的空空间间对对象象图图形形转转换换为为一一系系列列x x、y y坐坐

32、标标，然然后后按按照照确确定定的的数数据据结结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去；构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去；空空间间数数据据编编辑辑的的目目的的是是为为了了消消除除数数字字化化过过程程中中引引入入的的各各类类错错误误和和对对数数据据进进行行拓拓扑扑关关系系检检查查等等而而进进行行的的操作。操作。w栅格数据的输入与编辑栅格数据的输入与编辑 栅栅格格数数据据的的输输入入方方法法包包括括透透明明格格网网采采集集输输入入、扫扫描描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；数字化输入及其它数据传输或转换输入等；栅栅格格数数据据编编辑辑的的目目的的同同样样是是为为了了消消除除数数字字化化过过程程中中引引入入的的各各类类错错误误，根根据据栅栅格格数数据据结结构构的的特特点点，其其编编辑辑的的内内容容还还包包括括数数据据压压缩缩和和数数据据组组织织方方式式的的变换等。变换等。