地理信息系统 第四章地理空间数据结构和数据库

第二部分主要内容第四章地理空间数据结构和数据库第四章地理空间数据结构和数据库无拓扑矢量数据结构拓扑数据结构栅格数据结构DEM结构四叉树和八叉树其它数据结构4.1无拓扑矢量数据结构点的矢量结构链的矢量结构面的矢量结构点：节点结点链：弧边线线段面：多边形区域面体：简单结构拓扑数据结构矢量数据的获取方式1)由外业测量获得2)由栅格数据转换获得3)跟踪数字化301学校编号名称班级性质301405279125城中小学上群中学中心小学实验中学24142228普通小学初中重点小学高中4052791251012031877778598746324519219320179............路段编号类型路面材料宽度101203187...主干道次干道支路沥青水泥沥青402416.........地块编号土地使用建筑密度容积率77798746...住宅商业办公工业...0.40.80.70.3...1.52.13.00.8...属性数据与空间数据关联使用关系型数据库DBMS一个空间要素对应数据库的一条记录使用多个字段表达多重属性。点弧面的矢量表示点号XYH1237623426521235弧表1链号坐标串1xyhxyh…2xyhxyh…弧表2链号点号串1点号点号…2点号点号…面表1面表2面表3面号坐标串1xyhxyh…2xyhxyh…面号点号串1点号点号…2点号点号…面号弧号串1弧号弧号…2弧号弧号…点表各种表示法的比较点号—弧、弧号——面冗余小、维护方便、调用复杂弧——坐标、面——坐标冗余大、维护不便、调用简单易产生多重坐标简单矢量数据表示法特点：直接将地图翻译描述，只记录空间对象的位置坐标。不记录相互之间的关系。结构简单，但无法表达边界和多边形之间的关系。每条记录都有首末坐标，每条记录都是单独的实体没有共享的公共边。矢量型多边形公共边界需重复输入。重复存储，存在数据冗余，难以确保数据独立性和一致性。不适合复杂的空间分析，在不以分析为目的CAD系统中广泛使用。ArcGIS的Shape文件：非拓扑的点、线、面。显示速度快，但是编辑不便。简单矢量数据表示法数据结构拓扑结构在GIS中，为了真实地反映地理实体，不仅要存储实体的位置、形状、大小和属性，还必须存储实体间的相互关系。由于描述空间实体的这种关系不需要考虑空间坐标和距离因素，所以，这种点、线、面之间的空间关系又称为拓扑关系。4.2拓扑数据结构在GIS中，为了真实地反映地理实体，不仅要存储实体的位置、形状、大小和属性，还必须存储实体间的相互关系。拓扑元素点、弧、面拓扑关系拓扑型数据结构TopologicalDataStructure最广泛使用的矢量数据模型，借用了拓扑学（Topology）的原理来描述空间事物。通过拓扑关系，识别地图中的空间数据关系。不仅记录空间位置和几何特性，还记录空间关系全显式和半隐式全显式半隐式拓扑关系的表示拓扑关系表示实例面块ID弧段串AL6BL7、-L8、L9、L10CL1、-L11、-L7、-L5DL11、L2、L12、L8EL13、-L9、-L12、L3FL4、L5、-L10、-L13L1P9、P2L2P2、P3L3P3、P6L4P6、P9┇┇P1L6P2L1、L11、L2P3L2、L12、L3P4L12、L8、L9┇┇L1OCL2ODL3OEL4OFL5CF┇┇┇弧段ID起点，终点结点ID弧段串弧段ID左多边形右多边形拓扑数据结构在图中，有面A、B、C、D、E、F，有链L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13，有结点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9。则拓扑关系表示为（10分）其中O为制图区域外部的多边形，常称为包络多边形。其“－”号表示边的方向与构成面的方向相反。答案：链——结点关系：L1P9、P2L2P2、P3L3P3、P6L4P6、P9┇┇结点——链关系：P1L6P2L1、L11、L2P3L2、L12、L3P4L12、L8、L9┇┇面——链关系：AL6BL7、-L8、L9、L10CL1、-L11、-L7、-L5DL11、L2、L12、L8EL13、-L9、-L12、L3FL4、L5、-L10、-L13L1OCL2ODL3OEL4OFL5CF┇┇┇链——面关系：矢量型数据结构的比较简单（环状）数据结构拓扑数据结构数据结构简单复杂简单查询快慢多边形的相邻、嵌套关系表达难表达易网络线段与结点的关系没有有数据编辑、更新公共边界、网络结点靠人工处理公共边界、网络结点由软件自动产生分析功能有限，或者先临时产生拓扑结构再作分析多重叠合、网络分析容易以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。4.3栅格数据结构栅格数据的获取来自于遥感数据来自于对图片的扫描由矢量数据转换而来由手工方法获取基于像元基于层基于多边形栅格数据结构的存储顺序栅格数据单元值确定CAB面积占优重要性A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小A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。面积占优法——每个栅格单元的值由该栅格中单元面积最大的实体的属性来确定。重要性法——根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物的类型作为栅格单元的属性值。这种方法适用于具有特殊意义而面积较小的实体要素中心归属法——每个栅格单元的值由该栅格的中心点所在的面域的属性来确定。栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。（a）三角形（b）菱形（c)六边形IKONOS卫星多光谱影像（4米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍隐约可见，花坛信息没有，背景草坪不清晰）IKONOS卫星融合影像（1米）（排队参观毛主席纪念堂的队伍清晰可见，花坛和背景草坪显示出来，色调自然逼真，连纪念堂柱子的阴影都很清楚）栅格数据模型中，如何将属性数据赋予空间数据？方法一：每一个网格单元都赋予一个数值。（简单，但无法有多重属性）需要表达多重属性就必须建立多个栅格图层土地产权地形土地使用建筑物ZYX栅格数据模型中，如何将属性数据赋予空间数据？方法二：网格单元与DBMS相连接，一个网格单元就可以有多重属性。111111111111112222222444444443333333333333ValueCount1234147138栅格数据结构小结基本概念像元及像元阵列、像元属性及属性取值方法像元越小，分辨率越高，图斑越精细理解栅格编码同样的数据可以有不同的编码方式，不影响结果的显示实地、栅格、矢量矢量模型和栅格模型的比较矢量模型栅格模型数据量小大位置精度高低数据结构复杂简单点、线、面相互关系全面，缺乏多重属性方便成组分类图形运算复杂、高效简单、低效数据更新图形和属性数据的恢复、更新、综合都能实现成片的分析功能对线状和网络状的事物分析方便，多种地图叠合分析较困难边界模糊的连续表面的分析、多层叠合分析方便投影变换容易复杂绘图输出精细、丰富概括的、简化的、反映连续表面的适用对象几何形态明确、边界确切几何形态不明确、边界模糊4.4DEM结构矩形格网结构不规则三角网结构DEM的生成DEM的概念☆数字高程模型（DEM)：DTM中属性为高程的要素称为数字高程模型,它是地表单元上的高程集合,通常用矩阵来表示。☆DEM是建立DTM的“基础数据”或称为单要素图;其它要素均可以从DEM数据直接或间接导出,这些“派生数据”通常包括:平均高程、坡度、坡向等。矩形格网结构矩形格网GRID是一个高程矩阵可以由高程点、等高线内插产生，也可以由全数字摄影测量模式产生，直接接收数字高程模型和正射影像数据。同时，也接受解析测图仪实测的随机采样数据和既有地形图数字化等高线数据对于特殊地形，还存在地形地物特征点线数据。随机栅格转换的算法包括距离加权平均（又称移动曲面法）和基于TIN的两种方法内插矩形格网TIN结构点号XYH△号顶点邻△1231231A1260B02B276CEA3C287DFB4D3380GC5E679BFH6F789CGE7G388JFD8H5690EI9I4590HJJ3490IGTIN的主要特征TIN由一系列三角形组成三角形顶点都是一些特征点每个三角形的坡度、坡向均一三角形大小随地形变化而变尽可能是等边三角形三角形外接圆内没有其它点以拓扑方式存储TIN的生成rTIN模型建模的基本要求建立模型TIN基本要求三角形之间互不相交(唯一性)三角形的外切圆内不含离散点(Delaunay)控制线及其约束作用三角形不能超过边界线范围TIN基本要求边界线的约束作用4.5四叉树和八叉树将栅格数据二维空间区域按照4个象限进行递归分割（2n×2n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n×2n的栅格阵列。n为极限分割次数，n＋1是四叉树最大层数或最大高度四叉树编码①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400000333033333530022232222022225255533355西南东南西北东北八叉树V的长、宽、高均为2n，用3个面将其分为8块0000010100111001011101110020030120131021031121130200210300311201211301310220230320331221231321332002012102113003013103112022032122133023033123132202212302313203213303312222232322333223233323334444545545555414055055154004155005100440540400410500511401411501510040050140151041050040050123745012345671234567I（X）K（Z）J（Y）4.6其它数据结构区域数据结构动态分段区域数据结构由线和面建立，由区域层和区域构成区域层内的区域具有相同属性区域可以重叠一个区域可以由分离的面构成区域的数据表：区域号多边形号区域号圈号弧段号动态分段动态分段(DynamicSegmentation)思想是由美国威斯康星交通厅戴维.复莱特于1987年首先提出的。该思想解决了传统的GIS在处理线性特征时所遇到的问题，是一种新的线性特征的动态分析、现实和绘图技术。它是在传统GIS数据模型的基础上利用线性参考系统和相应算法，在需要分析、现实、查询及输出时，动态计算出属性数据的空间位置，即动态地完成各种属性数据集的显示、分析及绘图的一种方法。动态分段区段表点事件表线事件表50100150200250红旗大街东直路XX路里程桩事件P-IDID路名距离属性事件号红旗大街180公交站路径链号弧段链号始测度到测度始位置到位置P#P-IDP-IDID路名始至属性习题根据下图，（1）列出点、线（链）、面（多边形）的简单数据结构表；（2）列出面-链、链-结点、结点-链、链-面拓扑数据结构表注：黑点为结点圆圈为节点第二部分地理空间数据库数据库概念数据库系统结构数据库管理系统的功能与组成空间数据库管理系统的管理模式地理数据库中的时间维数据库的定义：为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。数据库可以看作是与现实世界有一定相似性的模型，是认识世界的基础，是集中、统一地存储和管理某个领域信息的系统，它根据数据间的自然联系而构成，数据较少冗余，且