GIS数据结构

第二章GIS数据结构•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一节地理空间及其表达一、地理空间的概念“地理空间”(geo-spatial)一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成；GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。湖泊河道居民地流路二、空间实体的表达在计算机中，现实世界是以数字和字符形式来表达和记录的；对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法和栅格表示法。•属性信息或专题信息•空间信息地理坐标直角坐标数字代码两者通过序号或关键字段连接栅格结构矢量结构地理编码空间数据的计算机表示：指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。三、地理信息的地图表示1、地图坐标地图坐标地理坐标（球面坐标）平面坐标椭球体椭球体定位国家坐标系地方坐标系：椭球面与地表面或局域地面更吻合，且短轴与地轴一致。北京坐标系、西安坐标系、WGS84坐标系……地球质心Z轴X轴指向零子午线Y轴a=6378137=298.257223563世界大地测量坐标系WGS－84全球定位系统GPS的卫星星历数据和定位解都是以1984年建立的世界大地测量坐标系WGS－84作为坐标框架，目前已被普遍采用于工程测量和定位导航。WGS－84坐标系的几何定义如下图2、地图上各要素的表示2）属性特征的表示1）空间特征的表示地理要素的空间分布特点点状线状面状地图符号分类点状符号线状符号面状符号地图符号不仅通过其定位性反映地理要素的空间特性，而且通过符号的形状、结构、颜色、尺寸来表示各要素的不同属性。一、GIS的空间数据空间数据可以按照数据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型空间对象的三大基本特征：空间、属性和时间特征第二节地理空间数据及其特征1、空间特征：是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。2、属性特征：是指空间对象的专题属性二、空间数据结构基础必然要与空间数据挂钩地理要素特征空间位置定性特征定量特征名称空间数据属性数据必然带有一定的属性3、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。数据结构：数据记录的编排方式以及它们相互关系的描述。不同类型的数据，只有按照一定的数据结构进行组织，并将它映射到计算机存储器中，才能进行存贮、检索、处理和分析。在GIS中，数据结构是系统完善的一个关键，它不仅决定了数据操作的效率，同时也影响了系统的灵活性和通用性。第三节空间数据结构的类型一、矢量数据结构概念：矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。类型：矢量数据结构分为简单数据结构（也称面条数据结构）、拓扑数据结构和曲面数据结构。特点：属性隐含，定位明显。拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。一）简单型数据结构1、实体是指地图的基本元素：点、线、面PLR1R2P（x1,y1)L(x2,y2)……(xn,yn)R1(xn+1,yn+1)……(xn+1,yn+1)R2(xm+1,ym+1)……(xm+1,ym+1)对象坐标表示和属性表示之间共享同一识别码2、简单数据结构的优点结构简单、直观，编码容易3、简单数据结构的缺点①数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧②实体互相独立，缺乏联系③岛弧处理比较困难二）拓扑型数据结构1.拓扑概念•拓扑一词来自于希腊文，意思是“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够保持不变的几何属性——拓扑属性拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法2.拓扑关系非拓扑属性：两点之间的距离；一个点指向另一个点的方向；弧段的长度；一个区域的周长；一个区域的面积。拓扑属性（拓扑关系）：一个点在一个弧段的端点；一个简单弧段不会自相交；一个点在一个区域的边界上；一个点在一个区域的内部；一个点在一个区域的外部；一个点在一个环的内部；一个简单面是一个连续的面。3.拓扑数据结构1)拓扑结构的基本元素①拓扑线段（arc）②结点(node）③多边形（poly）该线段中间不与其它线段存在联系拓扑线段的两个端点，分别为首结点、尾结点由数条拓扑线段连接而成C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑数据举例弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1N1N2P2P1C2N3N2P1P4C3N1N3P1ØC4N1N4ØP2C5N2N5P2P4C6N4N5P3P2C7N5N6P3P4C8N4N6ØP3C9N7N7P4P5C10N3N6P4Ø2)拓扑关系表的建立结点编码：①②③④⑤⑥线段编码：123456789多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5)①②③④⑤⑥(2)(3)(5)(4)(1)124567893表2：线段－多边形关系表(2)(3)(5)(4)(1)124567893线段左区码右区码1(1)(2)2(1)(3)………线段坐标对1(x3,y3)厖(x1,y1)2(x1,y1)厖(x2,y2)3……表1：线段坐标表表3：线段－结点关系表线段首结点尾结点1③①2①②………③①②④⑤⑥(5)124567839表4：多边形－线段关系表多边形线段(1)1,2,3(2)1,4,7,9………4、简单型与拓扑型数据结构比较1）两者都是目前最常用的数据结构模型简单（实体）型代表软件为MapInfo拓扑型代表软件为ARC/INFO2）它们各具特色：简单型虽然会产生数据冗余和歧异，但易于编辑；拓扑型消除了数据的冗余和歧异，但操作复杂，甚至会产生新的数据冗余。三）TIN结构1、不规则三角网（TIN）——表达地形表面TriangulatedIrregularNetworkAEDCB1654322、TIN的主要特征1）TIN由一系列三角形组成2）三角形顶点都是一些特征点3）每个三角形的坡度、坡向均一4）三角形大小随地形变化而变5）尽可能是等边三角形6）三角形外接圆内没有其它点7）与Voronoi多边形(泰森多边形)对偶8）以拓扑方式存储3、TIN关系表AEDCB165432三角形临近关系AB,EBA,CCB,DDC,EEA,D三角形节点A1，5，6B4，5，6C3，4，6D2，3，6E1，2，6三角形关系表三角形/节点关系表坐标表节点坐标1X1，Y1，Z12X2，Y2，Z23X3，Y3，Z34X4，Y4，,Z45X5，Y5，Z56X6，Y6，Z6二、栅格数据结构概念：栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式；类型：栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。特点：属性明显，定位隐含。一）栅格数据的取值方法栅格结构的数据获取途径：人工采样、将矢量地图转换为栅格地图、扫描、影像栅格数据的取值方法：①中心点法；②面积占优法；③长度占优法；④重要性法1、中心点法中心点法是将栅格中心点的值作为本栅格元素的值。多用于连续分布地理要素。图所示的栅格结构，用中心点法得编码方案如下：2、面积占优法面积占优法是把栅格中占有最大面积的属性值定为本栅格元素的值。图所示的栅格结构用面积占优法得编码方案为：3、长度占优法长度占优法是将网格中心画一横线，然后用横线所占最长部分的属性值作为本栅格元素的值。图3-10所示的栅格结构，用长度占优法得编码方案如下：4、重要性法重要性法往往突出某些主要属性，对于这些属性，只要在栅格中出现，不管所占比例大小，就把该属性作为本栅格元素的值，在图3-10中假设D属性具有特殊的重要性，则用重要性法得编码方案如下二）栅格数据的编码方法1.直接编码－－无压缩编码将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码A,A,B,B,BA,C,C,C,AD,C,C,A,AD,D,C,A,AD,D,A,A,AE/0EN/7N/6WN/5W/4WS/3ES/1S/23,1,7,0,1,2,3,4,5,64,1,6,7,0,1,2,3,4,52.链式编码（边界链码）：它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。3.游程长度编码•所谓游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。•游程长度的记录方式有两种①记录每个游程起（迄）列号②记录每个游程象元数①逐行记录每个游程的迄点列号A，2，B，5A，1，C，4，A，5D，1，C，3，A，5D，2，C，3，A，5D，2，A，5②记录每个游程象元数A，2，B，3A，1，C，3，A，1D，1，C，2，A，2D，2，C，1，A，2D，2，A，34、块式编码•块式编码是将游程扩大到两维情况，把多边形范围划分成若干具有同一属性的正方形，然后对各个正方形进行编码。•块式编码的数据结构由初始位置（行列号）、半径和属性代码组成。如（1，2，2，4）表示1行2列，半径为2，属性为4。从上表可知，图3-13栅格数据可用22个1单位方块，6个4单位方块及2个9单位方块来描述。5.四叉树编码•四叉树分割的基本思想:首先把一幅栅格地图(2nx2n,n1)等分成4等分，逐块检查其栅格值，若每个子区中所有栅格都含有相同值，则该子区不再往下分割，否则，将该区域再分割成4个子区域，如此递归地分割，直到每个子块都含有相同的灰度或属性值为止。这样的数据组织称为自上往下四叉树。四叉树也可自下而上的建立。这时，从底层开始对每个数据的值进行检测，对具有相同灰度或属性的四等分的子区进行合并，如此递归向上合并。1）常规四叉树编码常规四叉树编码的基本思想:不仅记录每个结点值，还记录中间结点(结点的一个前趋结点及4个后继结点)，以反映结点之间联系。因此，常规四叉树所占内外存空间比较大，同时还增加了操作的复杂性。所以它主要用在数据索引和图象索引等方面。•2）线性四叉树编码•线性四叉树编码的基本思想：不需记录中间节点和使用指针，仅记录叶节点，并用地址码表示叶节点的位置。•线性四叉树有四进制和十进制两种，十进制四叉树的地址码又称Morton码。•3）四叉树优点•a具有可变分辨率。它能够按图形特征、自动调整分割尺寸和层次，即能精确表示图形的细节部分，又可以根据图形结构除去不必要存储量，所以这样编码效率高；•b具有区域性质，适合于图形图象的分析运算；•c便于岛的分析，便于同栅格矩阵之间进行转换。因此越来越受到GIS工作人员的关注。6.八叉树（三维空间信息的数据结构）许多问题要求GIS能处理三维的空间信息。例如，研究矿藏资源地下分布情况、研究不同深度土壤肥力情况等。在二维数据结构中，将第三维坐标，如高程，作为属性值来处理。由于它只能对地形表面进行模拟，无法对模型进行三维操作，因此常称它为2.5维空间信息。真三维空间信息，z值必须成为位置坐标，即任何一个空间数据点用(x,y,z)来表示，另一组属性值来描述其空间特性。•描述三维空间信息的一种数据结构是八叉树数据结构，它是从四叉树数据发展而来的。其原理是将空间区域不断分解成8个同样大小立方体，直到同一区域的属性相同为止。或者说，将空间区域先按一定分辨率划分成三维的栅格，然后，按顺序每次比较8个相邻栅格区域，若属性相同则合并，依次递归，直到每个子区均为单值为止。如同线性四叉树一样，这里的八叉树数据结构用线性八叉树，对其用八进制或十进制进行编码。•三）栅格数据的应用模型四）栅格结构数据应用实例•遥感图像处理•数字高程模型DEM与数字地形模型DTMDigitalElevationModelDigitalTerrainModel•空间分析三、矢量与栅格数据结构一）矢量与栅格一