空间数据组织

地理信息系统导论本讲要点定位数据的获取、表达与管理属性数据的获取、表达与管理目的：构建空间数据库1.地理数据的定位---如何定位？球体描述——投影———笛卡儿坐标系（平面，高程）2.地理数据的表达方式概念模型--------地理世界的认识与表达场模型：事物和现象是连续变化的要素模型：事物和现象的排列组合逻辑模型：栅格模型，矢量模型，栅格矢量一体化数据模型，面向对象数据模型。3.地理数据表达的基本内容1、定位信息绝对定位—实体在某一坐标系统的位置信息相对定位—实体相互关系的拓朴信息2、属性信息—实体特征的名称,等级,数量3、时间信息4.定位数据的具体表达Spaghetti结构，拓朴数据结构，栅格数据结构，TIN数据结构5.属性数据的具体表达…..关系模型1.地理空间数据的定位问题提出：地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。例1：学籍管理：年级—学院---专业---班级---序列号无须定位例2：水雨情数据管理：流域---一级子流域--。。。。类型码---序列号，连接表格数据可以无定位-----等值线？等值线-----X，Y，Z！结果满意？--------不满意-------地形修正流域水雨情特征-----需要水系拓扑结论：地理信息需要定位编码1.地理空间数据的定位---如何定位？1.1地理空间定位的概念——重点是定位1.地理空间的范围与组成特点（上下与圈层）2.地球表面几何模型(四类)3.地理空间定位框架——平面、高程大圆小圆几何模型关于椭球体与投影地理坐标经纬网----椭球体一定地图投影地图投影：将地球椭球面上的点投影到平面上的方法。其实质：建立地球椭球面上的地理坐标（经纬度）和平面直角坐标间的函数关系。投影地图投影按投影变形的性质可分为：等角投影、等面积投影、等距离投影按投影经纬网图形可分为：方位投影、圆锥投影、圆柱投影由球面到平面，必然会产生变形，在实际制图中，要根据不同要求和各种投影的特点选择合适的投影，减小投影变形。圆柱投影（切或割）切圆锥投影—局部地区割圆锥投影（平面）方位投影几种常见的投影兰勃特(Lambert)投影是等角正轴切（割）圆锥投影；墨卡托(Mercator)投影是等角圆柱正轴切投影；高斯克吕格(Gauss-Kriiger)是等角圆柱横轴切投影；亚尔勃斯(Albers)是等积正轴切（割）圆锥投影。1.2地理参照系1、经纬度坐标系（地理坐标）对空间定位有利，但难以进行距离、方向、面积量算。2、笛卡儿平面坐标系便于量算和进一步的空间数据处理和分析。经纬度--平面3、高程系统描述空间点在垂直高度上的特性--高程——由高程基准面起算的地面点的高度。地图投影“1956年黄海高程系”“1985年国家高程基准”椭球体模型1.高斯平面坐标系克拉索夫斯基椭球体—高斯投影—高斯坐标系（经纬度）2.笛卡儿平面坐标系坐标原点：北京54坐标系、西安80坐标系、今后地心坐标系3.高程基准黄海高程基准、85国家高程基准（青岛）结论：地理空间中任一点的位置可以确定地理空间中实体的几何形态、相互关系可以表述1.3我国的坐标系统数据输出（具有相应投影的地图）数据获取（不同投影的地图）数据标准化预处理（按某一参照系数字化）数据存储（统一的坐标基础）数据处理（投影转换）数据应用（检索查询、覆盖分析等）地理基础(地图投影)GIS与地图投影与坐标系的关系要进行统一定位，就要有统一的基础其它数据我国常用的地图投影的情况为：1)、我国基本比例尺地形图(1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5、1：1万、1：5000),除1：100万外均采用高斯—克吕格投影为地理基础；2)、我国1：100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。3)、我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影(正轴等面积割圆锥投影)；4)、Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离(即大圆航线)表现为近于直线，这有利于地理信息系统中空间分析量度的正确实施。1.4我国GIS常用的地图投影配置1.5空间数据的坐标变换1.几何纠正目的：图纸变形、坐标系转换，图纸变形纠正方法：相似变换—X，Y方向比例尺一致仿射变换—X，Y方向比例尺不一致2.投影变换---ESRI中30多种正解变换、反解变换、数值变换2.地理空间数据的表达2.1空间实体表达的概念概念现实世界—地理世界—计算机世界世界万象—点、线、面—BIT地理抽象模型抽象概念模型逻辑模型2.1空间实体表达的概念概念模型--------地理世界的认识与表达场模型：事物和现象是连续变化的要素模型：事物和现象的排列组合逻辑模型：栅格模型，矢量模型，栅格矢量一体化数据模型，面向对象数据模型。2.2GIS的数据源1、地图数据2、遥感数据3、DEM数据4、属性数据5、已有电子数据6、元数据7、统计、调查数据以及派生数据2.3空间数据表达的基本内容1、定位信息绝对定位—实体在某一坐标系统的位置信息相对定位—实体相互关系的拓朴信息2、属性信息—实体特征的名称,等级,数量3、时间信息2.4空间实体位置信息表达的基本形式矢量形式cellsize大小栅格形式例：2.4空间实体位置信息表达的基本形式点（point,label）线（line,arc）面（polygon）矢量数据形式栅格数据形式矢,栅数据位置关系1、点状实体类型点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。4）角点、节点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。2、线状实体1）实体长度：从起点到终点的总长2）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游—下游，公路，单、双向之分。具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性：线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。3、面状实体（多边形）面状实体的如下特征：1）面积范围2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。4、实体间空间关系返回（一）空间关系类型1、拓扑空间关系：2、顺序空间关系：（方向空间关系）用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。3、度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关，复杂,引入第二种。b、沿地球旋转椭球体的距离量算。2）距离类别：欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。北ab2.5二维矢量数据结构2.5.1简单矢量数据结构—Spaghetti结构优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。缺点：1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形—数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。如Mapinfo2.5.2拓朴数据结构一、关于拓朴1、拓朴的概念—形状的研究2、拓朴变换与性质3、拓朴结构—实体空间结构关系的定义(P24)1）结点,2）弧段,3）多边形4、拓朴关系1）拓朴邻接，2）拓朴关联，3、拓朴包含二、拓扑关系返回1、定义：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。拓扑变换（橡皮变换）非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发生变化的属性）两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、面积等一个点在一条弧段的端点一条弧是一简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面一个面的连通性面内任两点从一点可在面的内部走向另一点1、定义2、性质3、拓扑关系的表达4、意义2、性质1）关联性：（不同类要素之间）结点与弧段：如V9与L5,L6,L3多边形与弧段：P2与L3,L5,L22）邻接性：(同类元素之间)多边形之间、结点之间。邻接矩阵重叠：--邻接：1不邻接：0P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。如水系关系。连通矩阵：重叠：--连通：1不连通：0V1V2V3…V1--10V21--1V301--4）方向性：一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。5）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。6）区域定义：多边形由一组封闭的线或弧来定义。7）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。拓扑分析例：住宅区与林地或湖泊；行政区之间；子流域之间；机场与鸟的栖息地。管线与阀门。高速公路与行政区，灌溉渠与耕地大片耕地中的林地，池塘；湖中的岛屿；区域中的邮筒；（a）(b)(c)双重独立式编码—例简称DIME(DualIndependentMapEncoding)，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。1、点文件点号坐标1x1,y12、线文件:线文件是以线段为记录单位线号左多边形右多边形起点终点L210P1P2210123456789101112131415PPP3、面文件面号线号P1L210,L109…关联邻接关联连通拓扑关系明确在DIME中做如下改进：将以线段为记录单位改为以弧段为单位链状双重独立式编码返回三、拓朴结构表达基于弧段的数据组织形式—例结论：基于拓朴数据结构可以实现1、空间数据编辑2、空间数据组织3、空间数据分析基于拓朴数据结构实现数据编辑的例四、拓朴数据结构的实现1.结点匹配容差确定给定任意弧段，搜索结点（弧--结点表）结点匹配（容差确定）坐标修正2.弧段形成（按定义）3.多边形形成（右旋算法）中心点确定，垂线方程，交点确定，弧段确定顺时针，结点—弧表，方位角最小，下一弧段。4.多边形标识码输入及属性记录生成p一、几何图形数据的采集（三）扫描矢量化地图数字化（一）手工数字化（二）数字化仪数字化2.6空间数据的采集地图数字化确定数字化路线地图预处理1、手工矢量数字化2、手工栅格数字化3、数字化仪数字化用数字化软件进行数字化1、流程：4、扫描数字化扫描转换拼接子图块裁剪地图屏幕跟踪矢量化矢量图合成、接边矢量图编辑纸质地图空间数据库（1）扫描矢量化处理流程：（2）屏幕跟踪矢量化流程：准备扫描图像栅格图像配准新建数字化图层屏幕跟踪矢量化地图选择投影和单位输入控制点编辑控制点演示演示演示1.地理空间数据的定位---如何定位？球体描述——投影———笛卡儿坐标系（平面，高程）2.地理空间数据的表达---表达方式概念模型--------地理世界的认识与表达场模型：事物和现象是连续变化的要素模型：事物和现象的排列组合逻辑模型：栅格模型，矢量模型，栅格矢量一体化数据模型，面向对象数据模型。3.空间数据表达的基本内容---表达内容1、定位信息绝对定位—实体在某一坐标系统的位置信息相对定位—实体相