新编地理信息系统的数据结构专业知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第二章第二章 地理信息系统空间数据结构地理信息系统空间数据结构第一节第一节 简单矢量数据结构简单矢量数据结构第二节第二节 拓扑数据结构拓扑数据结构第三节第三节 栅格数据结构栅格数据结构第四节第四节 栅格模型和矢量模型比较与转换栅格模型和矢量模型比较与转换第1页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理描述地球表面及近地空间实体位置、形状、属性和时序特征数据。空间数据空间数据2.1 简单简单矢量数据结构矢量数据结构空间数据空间数据结构结构是指空间数据适合于计算机存放、管理、处理逻辑结构。第2页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理2.1 简单简单矢量数据结构矢量数据结构矢量数据结构：矢量数据结构：是经过坐标值来准确表示点、线、面等地理实体。矢量数据模型 第3页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 简单矢量数据表示法地图矢量数据表示法最基本要素是坐地图矢量数据表示法最基本要素是坐标点，最惯用是标点，最惯用是二维笛卡儿平面直角坐标二维笛卡儿平面直角坐标系系，这和平面解析几何对物体描述十分相，这和平面解析几何对物体描述十分相同。同。第4页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理Example:Vector data第5页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理简单线简单线：用一串有次序坐标表示。曲曲 线线 ：精度要求高曲线可用多条很短直线来拟合，也可用圆弧或更复杂数学函数和直线混合起来表示。点表示点表示：由一对坐标(x，y)表示，没有形状也没有大小。（1）简单数据结构）简单数据结构第6页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理点表示点表示 第7页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理线表示线表示 第8页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理面面 是由线围起来封闭不规则多边形。是由线围起来封闭不规则多边形。注意：实际使用时也要受存放量限制 如小百分比尺地图数据库中河流不能表示出实际宽度改变；大百分比尺地图数据库中房屋边界，也往往略去一些小转折。面表示面表示第9页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理3第10页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理在矢量型GIS软件中，定义多边形比定义点、线要复杂。早期GIS软件或计算机地图制图系统常把多边形边界看作是线简单闭合这种方法可称为“环”状多边形编码或数据结构(spaghetti coding)第11页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第一个多边形第一个多边形第12页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理优点 这种结构比较简单。缺点 不能表示边界和多边形之间关系，以及相邻多边形之间关系，而且公共边界要定义两遍，制图时轻易产生重复绘制问题，且数据冗余度较大。“环”状多边形编码或数据结构第13页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理改进后“环”状多边形编码降低了数据冗余第14页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理当前当前GISGIS领领域中，拓扑结域中，拓扑结构是得到最广构是得到最广泛应用空间数泛应用空间数据结构。它借据结构。它借助了数学中拓助了数学中拓扑学原理来描扑学原理来描述空间事物。述空间事物。2.3拓扑型数据结构拓扑型数据结构第15页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理是研究图形在拓扑改变下不变性质一门是研究图形在拓扑改变下不变性质一门科学，为空间点、线、面之间包含、覆科学，为空间点、线、面之间包含、覆盖、相离和相接等空间关系描述提供直盖、相离和相接等空间关系描述提供直接理论依据。接理论依据。拓扑学基础（补）拓扑学基础（补）拓扑学拓扑学第16页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 在地理信息系统中，对于凡含有网状结构特征地理要素，都存在结点、弧段和多边形之间拓扑结构。拓扑结构 是明确定义空间结构关系一个数学方法。在地理信息系统中，它不但用于空间数据编辑和组织，而且在空间分析和应用中都含有非常主要意义。第17页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理空间数据拓扑关系空间数据拓扑关系图2-2-2 空间数据拓扑关系拓扑邻接拓扑邻接拓扑关联拓扑关联拓扑包含拓扑包含第18页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理（1）拓扑邻接拓扑邻接 指存在于空间图形同类元素 之间拓扑关系。比如结点邻接关系N1/N4,N1/N2,；多边形邻接关系P1/P3,P2/P3,。空间数据拓扑关系空间数据拓扑关系第19页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理指存在于空间图形不一样元素之间拓扑关系，比如结点与弧段关联关系N1/C1、C3、C6；N2/C1、C2、C5,；多边形与弧段关联关系P1/C1、C5、C6；P2/C2、C4、C5、C7，。（2）拓扑关联拓扑关联第20页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 指存在于空间图形同类，但不一样级元素之间拓扑关系。包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式（3）拓扑包含拓扑包含设设IDID表示当前多边形表示当前多边形IWIW表示等价包含表示等价包含IPIP表示表示IDID为岛（为岛（IPIP0 0）非岛（非岛（IP=0 IP=0）第21页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理非岛非岛岛第22页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理图2-2-3 拓扑包含关系几个形式 设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），则包含关系形式如图所表示。第23页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 假如要将结点、弧段和多边形之间拓扑结构表示出来，能够形成四个关系表，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所表示。第24页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第25页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第26页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第27页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理拓扑包含关系应用第28页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第29页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第30页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第31页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第32页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理拓扑属性 拓扑关系/拓扑属性 一个点在一个弧段端点一个点在一个弧段端点 一个弧段是一个简单弧段（弧段本身不一个弧段是一个简单弧段（弧段本身不相交）相交）一个点在一个区域边界上一个点在一个区域边界上 一个点在一个区域内部一个点在一个区域内部 拓扑关系拓扑关系（拓扑属性）：描述了两个对（拓扑属性）：描述了两个对象之间关系象之间关系（Topological Relation）。）。第33页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理非拓扑属性 两点之间距离两点之间距离一个点指向另一个点方向一个点指向另一个点方向 弧段长度弧段长度一个区域周长一个区域周长 一个区域面积一个区域面积 第34页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理拓扑空间关系识别拓扑空间关系识别 在地理信息系统中，空间数据含有属性特征、空间特征和时间特征，基本数据类型包含属性数据、几何数据和空间关系数据。第35页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第36页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理空间数据采取拓扑数据结构意义空间数据采取拓扑数据结构意义(1)依据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，能够确定一个地理实体相对于另一个地理实体空间位置关系。(2)利用拓扑数据有利于空间要素查询。(3)能够利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。第37页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 (1)(1)描述点、线、面空间关系不完全依描述点、线、面空间关系不完全依赖于详细坐标位置。赖于详细坐标位置。(2)(2)用拓扑表所表示空间关系信息丰富、用拓扑表所表示空间关系信息丰富、简练。简练。拓扑结构优点拓扑结构优点 (3)(3)便于作多边形和多边形叠合。便于作多边形和多边形叠合。(4)(4)便于检验数据输入过程中错误。便于检验数据输入过程中错误。第38页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理A.A.拓扑关系建立比较复杂。拓扑关系建立比较复杂。B.B.数据结构本身比较复杂。数据结构本身比较复杂。拓扑结构缺点拓扑结构缺点第39页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理2.4 栅格(Raster)/网格数据结构是以规则像元阵列来表示空间地物或现象分布数据结构。其阵列中每个数据表示地物或现象属性特征。2.4.1 概念 p85第40页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理兴国潋水河流域土壤全氮含量兴国潋水河流域土壤全氮含量第41页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理栅格数据模型使用方法举栅格数据模型使用方法举例例 栅格数据模型 基于连续铺盖，将连续基于连续铺盖，将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。个连续空间。三角形、方格和六角形划分第42页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理栅格数据模型第43页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理网格基本单元通常是固定大小正方形空间事物就按其在网格中什么行、什么列、取什么值来表示。基本单元大小代表了栅格型地图(空间)数据库分辨率。Y Y Y：列：列：列：列：列：列X X X：行：行：行：行：行：行格网格网格网格网格网格网分辨分辨分辨分辨分辨分辨率率率率率率第44页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理点点线线面面对于栅格数据结构对于栅格数据结构对于栅格数据结构对于栅格数据结构 点：为一个像元点：为一个像元点：为一个像元点：为一个像元 线：在一定方向线：在一定方向线：在一定方向线：在一定方向上连接成串相邻上连接成串相邻上连接成串相邻上连接成串相邻像元集合。像元集合。像元集合。像元集合。面：聚集在一起面：聚集在一起面：聚集在一起面：聚集在一起相邻像元集合。相邻像元集合。相邻像元集合。相邻像元集合。第45页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第46页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理复杂第47页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理图2-4-5 栅格数据迫近土地利用图第48页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 可在专题地图上均匀地划分网格(相当于将一透明方格纸覆盖在地图上)，每一单位格子覆盖部分属性数据便成为图中各点值，最终形成栅格数字地图文件。2.4.22.4.2栅格数据获取 普通地图是用点、线、面来表示空间事普通地图是用点、线、面来表示空间事物，在栅格型数字化地图中，点在网格中占物，在栅格型数字化地图中，点在网格中占据一个基本单元，线由一系列单元联结成锯据一个基本单元，线由一系列单元联结成锯齿状折线，面边界也是锯齿状。齿状折线，面边界也是锯齿状。第49页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 在栅格数据结构中，点实体表示为一个在栅格数据结构中，点实体表示为一个像元；线实体则表示为在一定方向上连接成像元；线实体则表示为在一定方向上连接成串相邻像元集合；面实体由聚集在一起相邻串相邻像元集合；面实体由聚集在一起相邻像元结合表示。像元结合表示。2.4.3 栅格数据优缺点栅格数据优缺点栅格数据优点栅格数据优点这种数据结构很适累计算机处理。因为这种数据结构很适累计算机处理。因为行列像元阵列非常轻易存放、维护和显示。行列像元阵列非常轻易存放、维护和显示。第50页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理用栅格数据表示地表是不连续，是量化和近似离散数据，是地表一定面积内(像元地面分辨率范围内)地理数据近似性，如平均值、主成份值或按某种规则在像元内提取值等。栅格数据百分比尺就是栅格大小与地表对应单元大小之比。像元大小相对于所表示面积较大时，对长度、面积等度量有较大影响，这种影响还与计算长度、面积方法相关。栅格数据缺点栅格数据缺点第51页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 从直观角度，能够看出伴随基本单元缩小，像素分辨率提升，取值相同单元就显著地成团成簇地分布在网格中如图所表示：2.4.42.4.4 压缩栅格数据存贮量编码方式压缩栅格数据存贮量编码方式第52页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理假如地物在空间上分布均质性很好，即当基本单元缩小时，一个多边形仅在边界上变得愈加准确，内部不出现其它点、线、面，那么就可利用单元取值成团成簇特点来降低数据储存量，即所谓数据压缩方法，以缓解储存量和分辨率之间矛盾。第53页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理惯用压缩方法惯用压缩方法游程长度编码/行程编码法四分树结构法第54页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理(1)游程长度编码点号行号列号点号行号列号第55页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 也称四叉树。先把地图看成是一个正方形单元如图所表示（这是个简单例子，在实际使用中，一幅地图上总有很多多边形）(2)(2)四分树法四分树法第56页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理假如该单元内有不一样性质多边形，则将单元分成四个大小相同二级单元，然后再分别判断这四个二级单元中是否还有不一样性质多边形注意注意若其中某个二级单元中有不一样性质多边形，若其中某个二级单元中有不一样性质多边形，则再划分成四个大小相同三级单元则再划分成四个大小相同三级单元 这种逐层一分为四方法，一直分到预定最这种逐层一分为四方法，一直分到预定最高分辨率为止。高分辨率为止。第57页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第58页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理第59页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理2.5栅格模型和矢量模型比较与转换栅格模型和矢量模型比较与转换矢量模型矢量模型栅格模型栅格模型优点优点优点优点1数据存放量小1数据结构简单数据结构简单2空间位置精度高空间位置精度高2各种地图叠合分析方便3空间关系描述方便空间关系描述方便3轻易描述边界复杂事物 4查询与更新方便查询与更新方便4能直接处理数字图像信息能直接处理数字图像信息5普通地图可直接手工数字化普通地图可直接手工数字化5能直接用栅格状设备输出图形能直接用栅格状设备输出图形缺点缺点缺点缺点1数据结构复杂数据结构复杂1数据储存量大数据储存量大2各种地图叠合分析较困难2空间位置精度低空间位置精度低3边界复杂事物难以描述3难以表示线状、网络状事物4不能直接处理数字图像信息不能直接处理数字图像信息4输出地图不美观输出地图不美观2.5.1 比较第60页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理2.5.2转换转换(P71-75)(1)矢量数据向栅格数据转换 选择单元大小和形状；选择单元大小和形状；将将点和线点和线实体角点笛卡尔坐标转换到预定分辨率和已知位置实体角点笛卡尔坐标转换到预定分辨率和已知位置矩阵中；矩阵中；利用单根扫描线（沿行或列）或一组相连接扫描线去测试利用单根扫描线（沿行或列）或一组相连接扫描线去测试线线性要素性要素与单元边界交叉点，并统计穿过交叉点栅格单元个数；与单元边界交叉点，并统计穿过交叉点栅格单元个数；测试测试多边形多边形时，先测试角点，再对剩下线段进行二次扫描，时，先测试角点，再对剩下线段进行二次扫描，抵达边界位置时，统计其位置与属性值。抵达边界位置时，统计其位置与属性值。第61页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n点变换点变换(1)矢量矢量数据数据到栅格数据转换到栅格数据转换第62页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n矢量线段变换(1)矢量矢量数据数据到栅格数据转换到栅格数据转换第63页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n多边形数据转换多边形数据转换(边界代数算法、内部点扩散法、射线算法）(1)矢量矢量数据数据到栅格数据转换到栅格数据转换第64页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理(2)栅格数据向矢量数据转换 n拓扑转换拓扑转换n保持栅格表示连通性与邻接性；保持栅格表示连通性与邻接性；n转换物体正确外形转换物体正确外形n点点 某个单元值与周围不一样，代表点；某个单元值与周围不一样，代表点；n线线 含有相同属性值连续单元格，将其搜索出来并细化含有相同属性值连续单元格，将其搜索出来并细化处理，成为一条线；处理，成为一条线；n面面 将全部单元编码，将含有同一属性单元归为一类，将全部单元编码，将含有同一属性单元归为一类，再检测两类不一样属性边界作为多边形一条边。再检测两类不一样属性边界作为多边形一条边。第65页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n二值化(2)栅格数据向矢量数据转换 第66页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n细化（剥皮法、骨架法）(2)栅格数据向矢量数据转换 第67页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理n跟踪(2)栅格数据向矢量数据转换 第68页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 1、什么是矢量数据和栅格空间数据结构?它们有哪些优点、缺点？2、拓扑关系包含哪些？3、矢量数据结构和栅格数据结构间怎样相互转换？复习思索题第69页土土 地地 信信 息息 系系 统统四川农业大学资源环境学院地 理 信 息 系 统 原理 v修文群，池天河等.城市地理信息系统(GIS).北京：希望电子出版社，1999，6v郭仁忠.空间分析.北京：高等教育出版社，10v江斌，黄波等.GIS环境下空间分析和地学视觉化.北京：高等教育出版社，5参考文件参考文件第70页