02-第二章地理信息系统的数据结构

GIS原理及其应用第二章GIS的数据结构GIS原理及其应用第一节地理空间及其表达第二节地理空间数据及其特征第三节空间数据结构的类型第四节空间数据结构的建立第二章GIS的数据结构GIS原理及其应用§1地理空间及其表达一、地理空间的概念地理空间（geo-spatial）上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围；在GIS中地理空间一般指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。GIS原理及其应用一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；定位框架即大地测量控制系统，由平面控制网和高程控制网组成。目前，我国采用的大地坐标系为2000年国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。1.1地理空间的概念GIS原理及其应用（一）平面控制网平面控制网用来确定地物在地球上的平面位置，通常用地理经纬度坐标表示。地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度φ过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度λGIS原理及其应用地球模型地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体GIS原理及其应用我国不同时期采用的旋转椭球体及其元素值采用时间大地坐标系椭球体名称长半轴/m短半轴/m1954年前南京坐标系HayFord63783886356911.9461954年-1980年北京54坐标系Krasovsky63782456356863.0181980-现在国家80坐标系IUGG7563781406356755.288现在GPS坐标系WGS846378137e=1/298.257223563现在CGCS20002000参考椭球6378137e=1/298.257222101GIS原理及其应用坐标参考系统—平面系统直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置投影GIS原理及其应用地图投影：投影实质建立地球椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标。12(,)(,)xfyfGIS原理及其应用我国常用地图投影1：100万：兰勃特投影（正轴等角割圆锥投影）大部分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯—克吕格投影（横轴等角切椭圆柱投影）。GIS原理及其应用(二)高程控制网任意水准面大地水准面H´AHA铅垂线AH´BHBBGIS原理及其应用水准原点1985国家高程基准，72.2604米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米高程基准GIS原理及其应用二、空间实体的表达地理实体（抽象表达）点、线、面、曲面、体现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达GIS原理及其应用计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的，但基于计算机的地理信息系统不能直接识别和处理各种以图形形式表达的特征实体，要想计算机识别他们，必须对这些特征实体进行数据表达。对特征实体进行数据表达时，关键是看如何表达空间的一个点。1.2空间实体的表达没有大小的点（坐标）固定大小的点（面元）---矢量表示法---栅格表示法GIS原理及其应用湖泊河道居民地路流矢量表示法1.2空间实体的表达栅格表示法GIS原理及其应用栅格数据矢量数据真实世界1.2空间实体的表达GIS原理及其应用§2地理空间数据及其特征一、GIS空间数据的分类按数据来源按数据结构按数据特征按几何特征按数据发布形式地图数据影像数据文本数据矢量数据栅格数据空间数据非空间属性数据点线面、曲面体数字线画图数字栅格图数字高程模型数字正射影像图GIS原理及其应用（一）按数据来源分类（1）地图数据普通地图、专题地图空间关系直观、定位精度高（2）影像数据卫星遥感、航空遥感（3）文本数据调查报告、实测数据GIS原理及其应用（二）按数据结构分类（1）矢量数据欧氏空间的点、线、面（2）栅格数据将空间分割成规则的格网GIS原理及其应用（三）按数据特征分类（1）空间定位数据表达空间实体在地球上的位置的坐标数据（2）非空间属性数据有关空间实体自身的名称、种类、质量、数量等特征的数据。GIS原理及其应用（四）按数据几何特征分类点、线、面、曲面、体点（Point,0维）：一对坐标（x,y)和至少一个属性，逻辑上不能再分（几何点或抽象点），有位置，无宽度和长度。1.2GIS空间数据的分类美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置GIS原理及其应用香港城市道路网分布线（Line,1维）：一个（x,y)坐标对序列，表示具有相同属性（至少一个）的点的轨迹。有长度，但无宽度和高度，用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多，可用来度量实体距离。1.2GIS空间数据的分类GIS原理及其应用中国土地利用分布图（不连续面）面\曲面（Polygon\Surface,2维）：由坐标对序列或边集表示的具有相同属性的点的集合。面内每个点至少具有一个相同的属性。具有长和宽的目标，通常用来表示自然或人工的封闭多边形，一般分为连续面和不连续面。1.2GIS空间数据的分类GIS原理及其应用连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面：如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。1.2GIS空间数据的分类GIS原理及其应用体（Volume,3维）：有长、宽、高的目标，通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标。1.2GIS空间数据的分类GIS原理及其应用（五）按数据发布形式分类4D产品数字线画图（DLG）数据；数字栅格图（DRG）数据；数字高程模型（DEM）数据；数字正射影像（DOM）数据。1.2GIS空间数据的分类GIS原理及其应用4D产品DLG（DigtialLineGraphic）数字线划图是现有地形图的矢量数据集，并且还保存有要素间的空间关系和相关属性信息，主要用于各种地理信息系统。DRG（DigitalRasterGraphic）数字栅格地图是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后，形成在内容、几何精度和色。彩上与地形图保持一致的栅格数据集。DEM（DigitalElevationModel）数字高程模型是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由地面规则格网点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构数据集。DOM（DigitalOrthophotoMap）数字正射影像图是对航空(或航天)像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。GIS原理及其应用现实世界：地理实体或现象信息世界：空间数据映射向人类传递信息因此，空间数据的特征应该包括自然界地理实体向人类传递的基本信息。传递信息二、空间数据的基本特征2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用（一）基本特征（1）空间特征几何特征：位置、形状、大小，通过坐标数据来描述；空间关系：方位、拓扑、相邻、相似等关系，称为拓扑特征或拓扑数据。（2）属性特征专属性质，包括名称、数量、质量、性质等。（3）时间特征指定区域内的地理现象和过程随时间的变化情况，称为时态数据。2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用空间特征空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的定位关系或拓扑关系。2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用属性特性属性特征是指空间对象的专题属性和时间特性，时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。专题属性时间特性2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用时间特征2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用三条呈不同分布状态的交通线；---定位信息三条分别具有不同等级的交通线；---属性信息三条互相具有关联关系的交通线。---拓扑信息N2N1C1C3C2（二）基本信息2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用拓扑什么叫拓扑？Topology一词来自希腊文，它的原意是“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保持不变的几何属性——拓扑属性。“点的内置”是拓扑属性；面积则不是拓扑属性；2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用拓扑变换示意．．．拓扑属性：在右图中，点、线和多边形之间的连接、相邻、包含等关系，无论图形如何变化，都不会改变，即不受投影关系、比例尺而变化。非拓扑属性：随着图形的变化，线的长度、面积等将发生变化。2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含。1、拓扑邻接相同类型元素之间的拓扑关系。如：点、线、面节点邻接关系：N1-N4，N1-N2,弧段邻接关系：C1-C3，C1-C6多边形邻接关系：P1-P3，P2-P3三、空间数据的拓扑关系※拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数据方法，在GIS中，可用于空间数据的编辑和组织，以及空间分析和应用。N2N3N5N4C1C3C6C4C5C7P1P2P3P4N1C22.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用2、拓扑关联不同元素之间的拓扑关联。如：点与弧段的关联；多边形与弧段的关联节点和弧段的关联关系：N1-C1,C3,C6;N2-C1,C2,C5;…多边形和弧段的关联关系：P1-C1,C5,C6；P2-C2,C4,C5,C7N2N3N5N4C1C3C6C4C5C7P1P2P3P4N1C22.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用3、拓扑包含相同类型但不同等级元素之间的拓扑关系。ID：表示当前多边形；IW：表示等价包含；IP：表示ID为岛（IP0）或非岛（IP=0）简单包含多层包含等价包含P1P2P1P2P3P2P1P3P4简单包含多层包含等价包含IDP1P2P1P2P3P1P2P3P4IW101103000IP0101101112.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用结点、弧段、多边形之间拓扑关系表达结点弧段N1N2N3…C1,C3,C6C1,C2,C5C2,C3,C4…弧段起结点终结点C1C2C3…N2N3N1…N1N2N3…多边形弧段P1P2P3…C1,C6,-C5C2,C5,C4,C7C3,-C4,-C6…弧段左多边形右多边形C1C2C3…ØØØ…P1P2P3…N2N3N5N4C1C3C6C4C5C7P1P2P3P4N1C22.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用空间数据拓扑关系的重要意义：1）确定地理实体的相对空间位置关系；逻辑结构关系具有更大的稳定性，不随地图变换而变化。2）有利于空间要素的查询；点、线、面之间的逻辑结构。3）可以重建地理实体。利用已有逻辑结构，构建新的地理实体2.2地理空间数据及其特征GIS原理及其应用表示地理实体的空间数据包含着空间特征、属性特征和时态特征等。对这些复杂的空间数据，组织和建立他们之间的联系，以便计算机存储和操作，称为空间数据结构。空间数据表示的基本方法空间分幅：将整个地理空间划分为许多个子空间；属性分层：将要表达的空间数据抽象成不同类型属性的数据层；时间分段：将时间特征的地理数据按其变化规律划分为不同的时间段数据。2.2地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示GIS原理及其应用以矢量数据结构为例，将地理数据存入数据库目标的数字结构2.2地理空间数据及其特征地理数据库幅面1幅面n……属性层1属性层n……目标1目标n……目标2空间数据属性数据空间数据属性数据IDGIS原理及其应用§3空间数据结构的类型数据结构：是数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理、处理的数据逻辑表达。空间数据结构：是一种表达空间数据的数据结构。空间数据结构分类：矢量数据结构；栅格数据结构；曲面数据结构。GIS原理及其应用矢量数据结构的优缺点：特点：定位明显、属性隐含优点：很好的表示地理实体的空间分布特征数据