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第二章 地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1,,§1 地理空間及其表達 §2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征 §3 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型 §4 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立,2,,上至大氣電離層，下至地幔莫霍面，有著廣闊的范圍。 但在GIS中地理空間一般指的是地球表層，其基準(zhǔn)是陸地表面和大洋表面，它是人類活動頻繁發(fā)生的區(qū)域，是人地關(guān)系最為復(fù)雜、緊密的區(qū)域。,一、地理空間(geo-spatial),3,一般包括地理空間定位框架及其所連接的空間對象； 定位框架即大地測量控制系統(tǒng)，由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成； 目前，我國采用的大地坐標(biāo)系為1980年中國國家大地坐標(biāo)系，現(xiàn)在規(guī)定的高程起算基準(zhǔn)面為1985國家高程基準(zhǔn)。,4,地球模型,,地球表面,,大地水準(zhǔn)面,5,地理坐標(biāo)系,,6,平面坐標(biāo)系,直接建立在球體上的地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達地理對象位置,,,建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，y）表達地理對象位置,投影,7,坐標(biāo)系統(tǒng)—高程系統(tǒng),,8,9,地圖投影：投影實質(zhì),建立地球橢球面上各點的大地坐標(biāo)，按照一定的數(shù)學(xué)法則，變換為平面上相應(yīng)點的平面直角坐標(biāo)。,10,我國常用地圖投影,1：100萬：蘭勃投影（正軸等積割圓錐投影） 大部分分省圖、大多數(shù)同級比例尺也 采用蘭勃投影 1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1:1萬、1：5000：高斯—克呂格投影。,11,二、地理空間現(xiàn)象分類,自然現(xiàn)象 可采樣測定的自然現(xiàn)象：河流邊界、地形起伏、土壤厚度 難以采樣測定的自然現(xiàn)象：云團、潮汐 受定義限制的自然現(xiàn)象：植被覆蓋率的大小和范圍 偶然發(fā)生的自然現(xiàn)象：地震、滑坡等,12,,人文現(xiàn)象 可精確測定的人文現(xiàn)象：如建筑物邊界、道路中線等； 可測定的不規(guī)則的人文現(xiàn)象：如行政邊界 個體和種群相互作用復(fù)雜的人文現(xiàn)象：人的遷徙、疾病的傳播等,13,三、空間認知與表達,空間實體: 對復(fù)雜地理事物和現(xiàn)象進行簡化、抽象得到不可再分的同類對象，即為地理空間實體。,14,15,,,,16,17,,場模型,,,,對象模型,網(wǎng)絡(luò)模型,四、概念模型,18,對象模型/要素模型,將研究的整個地理空間看成一個空域，地理現(xiàn)象和空間實體作為獨立的對象分布在該空域中，對象模型強調(diào)地理空間中的單個地理現(xiàn)象。 按照其空間特征分為點、線、面、體四種基本對象； 對象也可能由其他對象構(gòu)成復(fù)雜對象，并且與其他分離的對象保持特定的關(guān)系，如點、線、面、體之間的拓撲關(guān)系； 每個對象對應(yīng)著一組相關(guān)屬性以區(qū)分各個不同的對象；,19,,對象模型把地理現(xiàn)象當(dāng)作空間要素或空間實體，一個空間要素必須同時符合三個條件： 可被標(biāo)識； 在觀察中的重要程度； 有明確的特征且可被描述 傳統(tǒng)的地圖是以對象模型進行地理空間抽象和建模的實例。,20,場/域模型,把地理空間中的現(xiàn)象作為連續(xù)的變量或體來看待，如大氣污染程度、地表溫度、土壤濕度、地形高度以及大面積空氣和水域的流速和方向等； 根據(jù)不同的應(yīng)用，場可以表現(xiàn)為二維或三維； 一個二維場就是在二維空間中任意給定的一個空間位置上，都有一個表現(xiàn)某現(xiàn)象的屬性值，即 A=f(x,y),21,,一個三維場是在三維空間中任意給定一個空間位置上都對應(yīng)一個屬性值，即 A=f(x,y,z),22,,二維空間場一般采用6種具體的場模型來描述： 規(guī)則分布的點 不規(guī)則分布的點 規(guī)則矩形區(qū) 不規(guī)則多邊形區(qū) 不規(guī)則三角形區(qū) 等值線,23,網(wǎng)絡(luò)模型,網(wǎng)絡(luò)是由歐式空間中的若干點及它們之間相互連接的線（段）構(gòu)成。 網(wǎng)絡(luò)是由一系列節(jié)點和環(huán)鏈組成的，在本質(zhì)上，網(wǎng)絡(luò)模型可看成對象模型的一個特例，它是由點對象和線對象之間的拓撲空間關(guān)系構(gòu)成的。,,24,§2 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,空間數(shù)據(jù)類型：,25,空間實體基本特征,空間特征（位置、空間關(guān)系） 屬 性 特 征 時 間 特 征,26,空間特征是指空間對象的位置及與相鄰對象的空間關(guān)系或拓撲關(guān)系，一般用經(jīng)緯度、坐標(biāo)、拓撲關(guān)系表達,27,屬性特征是指空間對象的專題屬性,28,,時間特征是指空間對象隨著時間演變而引起的空間和屬性特征的變化。,29,空間數(shù)據(jù)關(guān)系,拓撲空間關(guān)系：用來描述實體間的相鄰、連通、包含和相交等關(guān)系； 順序空間關(guān)系：用于描述實體在地理空間上的排列順序，如實體之間前后、上下、左右和東、南、西、北等方位關(guān)系； 度量空間關(guān)系：用于描述空間實體之間的距離遠近等關(guān)系。,30,空間數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系,什么叫拓撲？ Topology一詞來自希臘文，它的原意是“形狀的研究”。拓撲學(xué)是幾何學(xué)的一個分支，它研究在拓撲變換下能保持不變的幾何屬性——拓撲屬性。,,31,拓撲鄰接： 元素之間的拓撲關(guān)系。 拓撲關(guān)聯(lián)： 元素之間的拓撲關(guān)系。 拓撲包含： 元素之間的拓撲關(guān)系。,拓撲關(guān)系的類型,不 同 類,同 類,同類不同級,32,拓撲鄰接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3 拓撲關(guān)聯(lián)：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6 拓撲包含：P3與P4,33,空間拓撲關(guān)系表達—關(guān)系表,,多邊形與弧段的拓撲關(guān)系 多邊形 弧 段 P1 a, b, c, -g P2 b, d, f P3 c, f, e P4 g,節(jié)點與弧段的拓撲關(guān)系 節(jié) 點 弧 段 A a, c, e B a, d, b C d, e, f D b, f, c E g,弧段與節(jié)點的拓撲關(guān)系 弧 段 節(jié) 點 a A , B b B , D c D , A d B , C e C , A f C , D g E , E,弧段與多邊形的拓撲關(guān)系 弧段 左多邊形 右多邊形 a P0 P1 b P2 P1 c P3 P1 d P0 P2 e P0 P3 f P3 P2 g P1,34,,空間數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系，對數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要的意義： 拓撲關(guān)系能清楚地反映實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何坐標(biāo)關(guān)系有更大的穩(wěn)定性，不隨投影變換而變化； 利用拓撲關(guān)系有利于空間要素的查詢； 可以根據(jù)拓撲關(guān)系重建地理實體。例如根據(jù)弧段構(gòu)建多邊形，實現(xiàn)道路的選取，進行最佳路徑的選擇等。,,35,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即指數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計算機存儲、管理和處理的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。對空間數(shù)據(jù)則是地理實體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述。,第三節(jié) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型,36,矢量數(shù)據(jù)模型 柵格數(shù)據(jù)模型 柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)的比較,空間數(shù)據(jù)（邏輯）模型,37,矢量結(jié)構(gòu),柵格結(jié)構(gòu),38,一、矢量數(shù)據(jù)模型,基本概念：通過記錄地理實體坐標(biāo)的方式精確表達點、線、面等實體的空間位置和形狀。 按一定規(guī)則，系統(tǒng)表達以下內(nèi)容： 定義地理要素的幾何形狀； 描述性信息與對應(yīng)地物聯(lián)系起來。,39,二、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),(一)實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 矢量數(shù)據(jù)的簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別按點、線、面三種基本形式，用某一坐標(biāo)體系中的坐標(biāo)（x,y）來表示。,簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),,40,實例,ArcView –Shape文件: .shp 主文件 .shx 索引文件 .dbf 表文件 Mapinfo—Tab文件,41,缺點,數(shù)據(jù)冗余、匹配誤差 難以表達鄰域特征 難以解決嵌套問題,42,(二)拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是拓撲關(guān)系的表示，而幾何數(shù)據(jù)的表示可參照矢量數(shù)據(jù)的簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在目前的GIS中，主要表示基本的拓撲關(guān)系，而且表示方法不盡相同。下面舉一表示矢量數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系的例子。,43,,拓撲關(guān)系應(yīng)用于數(shù)據(jù)編碼 輸入數(shù)據(jù)的同時輸入拓撲連接關(guān)系 從一系列相互關(guān)聯(lián)的鏈建立拓撲結(jié)構(gòu) 解決多邊形嵌套和鄰域關(guān)系,44,,數(shù)據(jù)文件的基本元素是由始末點定義的弧段，復(fù)雜曲線可由多條弧段組成。每條弧段有兩個指向結(jié)點的指針，和兩邊多邊形的編碼。 查詢多邊形各條邊的效率比較低。,45,鏈狀雙重獨立式編碼--拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1、弧段坐標(biāo)文件：,2、弧段文件：鏈—面，鏈—結(jié)點關(guān)系,3、面文件,4、點拓撲文件： 結(jié)點—鏈關(guān)系,,46,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),柵格數(shù)據(jù):柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是像元陣列，每個像元的行列號確定位置，用像元值表示空間對象的類型、等級等特征。每個柵格單元只能存在一個值。 位置很容易隱含 代碼代表實體的屬性或?qū)傩缘木幋a,47,點,,,線,,,面,,,對于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點：為一個像元 線：在一定方向上連接成串的相鄰像元集合。 面：聚集在一起的相鄰像元集合。,48,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：坐標(biāo)系與描述參數(shù),,,Y：列,X：行,西南角格網(wǎng)坐標(biāo) （XWS，YWS）,,,,格網(wǎng)分辨率,49,柵格數(shù)據(jù)單元值確定,面 積 占 優(yōu),重 要 性,中心點法,A 連續(xù)分布地理要素,C 具有特殊意義 的較小地物,A 分類較細、 地物斑塊較小,為了逼近原始數(shù)據(jù)精度，除了采用這幾種取值方法外，還可以采用縮小單個柵格單元的面積，增加?xùn)鸥駟卧倲?shù)的方法,50,幾何偏差,屬性偏差,,,,,三角形的面積為6個平方單位，而右圖中則為7個平方單位，這種誤差隨像元的增大而增加。,51,編碼方法,直接編碼方法 壓縮編碼方法,52,直接編碼方法,將柵格數(shù)據(jù)看成一個矩陣，逐行逐列記錄代碼。 缺點：隨著柵格尺寸的縮小，數(shù)據(jù)量也將呈幾何級數(shù)遞增。,53,0 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 0 2 0 0 0 0 0 2 0 0 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3 0 3 0 0 3 3 3 3 3 3,54,55,壓縮編碼,為了能以盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的信息，目前有一系列柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，如鏈碼、游程長度編碼、塊碼、四叉樹編碼等，其類型又有無損壓縮編碼和有損壓縮編碼之分。 無損壓縮編碼是指編碼過程中沒有任何信息損失，通過解碼可以恢復(fù)原來的信息。有損壓縮編碼是指為了提高編碼效率，最大限度地壓縮數(shù)據(jù)，在壓縮過程中損失一部分信息。,56,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：壓縮編碼方案,起點行列號，單位矢量 R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3,鏈?zhǔn)骄幋a,游程長度編碼,逐行編碼 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu): 行號, 屬性, 重復(fù)次數(shù) 1：A, 4； R, 5；A, 8,塊狀編碼,正方形區(qū)域為記錄單元 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu): 初始位置, 半徑, 屬性 (1,1,3,A),(1,4,1,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…,,,,,,,,,,,四叉樹編碼,,,,,57,1.鏈?zhǔn)骄幋a－－邊界鏈碼,,,,,E / 0,EN /7,N / 6,WN / 5,W / 4,WS / 3,ES / 1,S / 2,3,1,7,0,1,2,3,4,5,6,4,1,6,7,0,1,2,3,4,5,58,2.游程長度編碼,所謂游程是指按行的順序連續(xù)且屬性值相同的若干柵格。 游程長度的記錄方式有兩種 ①記錄每個游程起（迄）列號 ②記錄每個游程象元數(shù),59,2.游程長度編碼,① 逐行記錄每個游程的迄點列號,5，5 A，2，B，5 A，1，C，4，A，5 D，1，C，3，A，5 D，2，C，3，A，5 D，2，A，5,60,2.游程長度編碼,②記錄每個游程象元數(shù),5，5 A，2，B，3 A，1，C，3，A，1 D，1，C，2，A，2 D，2，C，1，A，2 D，2，A，3,61,2.游程長度編碼,記錄每個游程象元數(shù),5，5 2，A 3，B 1，A 3，C 1，A 1，D 2，C 2，A … …,62,2.游程長度編碼,這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特別適用于二值圖像的表示，如下圖所示,63,2.游程長度編碼,游程編碼能否壓縮數(shù)據(jù)量，主要決定于柵格數(shù)據(jù)的性質(zhì)，通常可通過事先測試，計算圖的數(shù)據(jù)冗余度Re,64,3. 塊式編碼,塊式編碼是將游程擴大到兩維情況，把多邊形范圍劃分成若干具有同一屬性的正方形，然后對各個正方形進行編碼。 塊式編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由初始位置（行列號）、半徑和屬性代碼組成。,65,3. 塊式編碼,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M M R M M M M M,M M M R R M M M,1 2 3 4 5 6 7 8,1 2 3 4 5 6 7 8,M M R M M M M M,M M R R M R M M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,M M R R R R R M,M M M R R M M M,,,,,,,,M M R R R R R M,M M R R M R M M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,66,3. 塊式編碼,1，1，2，M；1，3，1，R；1，4，1，M；1，5，1，M；1，6，1，M；1，7，2，M 2，3，2，R；2，5，1，M；2，6，1，R 3，1，1，M；3，2，1，R；3，5，3，R；3，8，1，M 4，1，1，M；4，2，2，R; 4，4，1，R ； 4，8，1，M 5，1，1，M；5，4，1，R；5，8，1，M ……,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M M R M M M M M,M M M R R M M M,1 2 3 4 5 6 7 8,1 2 3 4 5 6 7 8,,,,,,,,M M R R R R R M,M M R R M R M M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,M R R R R R R M,67,4.四叉樹編碼結(jié)構(gòu),四叉樹編碼結(jié)構(gòu)的基本思想是首先把一幅圖像或一幅柵格地圖（2n*2n,n1）等分成四部分,逐塊檢查其格網(wǎng)值，如果某個子區(qū)的所有格網(wǎng)都具有相同的值，則這個子區(qū)就不再往下分割，否則，把這個區(qū)域在分割成四個子區(qū)域，遞歸的分割下去，直到每個子塊都只含有相同的灰度或?qū)傩灾禐橹埂＿@樣最后結(jié)果可得到一顆四分叉的倒向樹。四叉樹編碼正是通過這種樹狀結(jié)構(gòu)來記錄和壓縮柵格數(shù)據(jù)，以此種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)查詢，修改和量算等操作。如圖4-19所示的柵格數(shù)據(jù)，經(jīng)過四叉樹編碼得到圖4-20所示。,68,4.四叉樹編碼結(jié)構(gòu),69,4.四叉樹編碼結(jié)構(gòu),在圖4-20中,各個子圖像的大小不同，它們是由組成該子象限的具有相同代碼的柵格像元構(gòu)成的子塊而決定。在圖4-21中最上面的結(jié)點稱作根結(jié)點。它對應(yīng)于整個圖形區(qū)域。在此例中，共劃出四層結(jié)點，每層結(jié)點對應(yīng)于不同尺寸的子象限。,70,4.四叉樹編碼結(jié)構(gòu),在對圖4-21圖形的四叉樹編碼過程中，位于結(jié)點層次較高的子象限尺寸較大，說明其分解深度小，也即分割次數(shù)少，而低層次上的象限尺寸就較小，反映其分解深度大即分割次數(shù)多。這樣編碼后，可反映出整個圖形區(qū)域的空間地物分布情況，在某些位置上單一地物分布較廣，則采用較少的分割次數(shù)。在地物較復(fù)雜，變化較大的區(qū)域，則用加深分解深度，增加分割次數(shù)的方式編碼。,71,四叉樹的存儲方法,常規(guī)四叉樹 每個節(jié)點存儲6個量：1個父節(jié)點指針 4個子節(jié)點指針 1個節(jié)點值 線性四叉樹 每個節(jié)點存儲3個量：莫頓碼 深度 值,72,把一幅2n×2n的圖像壓縮成線性四叉樹的過程,1°、按Morton碼把圖象讀入一維數(shù)組。 2°、相鄰的四個象元比較，一致的合并，只記錄第一個象元的Morton碼。循環(huán)比較所形成的大塊，相同的再合并，直到不能合并為止。 3°、進一步用游程長度編碼壓縮。壓縮時只記錄第一個象元的Morton碼。,,,,,右圖的壓縮處理過程為： 1°、按Morton碼讀入一維數(shù)組。 Morton碼：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 象 元 值： A A A B A A B B A A A A B B B B 2°、四相鄰象元合并，只記錄第一個象元的Morton碼。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 12 A A A B A A B B A B 3°、由于不能進一步合并，則用游程長度編碼壓縮。 0 3 4 6 8 12 A B A B A B,,,,,73,柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)的比較,74,曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是指對連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋要素，如地形、降水量、溫度、磁場等連續(xù)現(xiàn)象在任一點的內(nèi)插計算。為了進行內(nèi)插計算，經(jīng)常采用不規(guī)則三角網(wǎng)來擬和連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，稱為TIN(Triangulated Irregular Network)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 這種在TIN中的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，常用于數(shù)字地形的表示。 利用TIN的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以方便的進行地形分析，如坡度和坡向信息提取，填挖方計算，陰影和地形通視分析，等高線生成。,返回,75,,數(shù)據(jù)編碼：把需要加工處理的信息，根據(jù)一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)的特性，用特定的代碼或編碼字符表示，以便計算機識別。,76,樹狀索引編碼法,點的坐標(biāo)只記錄一次 線記錄由哪些點組成 面記錄由哪些線組成 有效解決常規(guī)編碼的前兩個問題,77,