1 / 92

第二章 地理信息系统的数据结构

佛山科学技术学院课程. 第二章 地理信息系统的数据结构. 2005-08-05 李辉霞. 学习目标 · 理解地理空间的概念 · 掌握空间数据的描述方法 · 理解和掌握空间数据的拓扑关系 · 掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法 重点： 空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。. 2.1 地理空间及其表达 2.2 地理空间数据及其特征 2.3 空间数据结构的类型 2.4 空间数据结构的建立. 2.1 地理空间及其表达. 地理空间的概念.

etana
Download Presentation

第二章 地理信息系统的数据结构

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 佛山科学技术学院课程 第二章 地理信息系统的数据结构 2005-08-05 李辉霞

  2. 学习目标 ·理解地理空间的概念 ·掌握空间数据的描述方法 ·理解和掌握空间数据的拓扑关系 ·掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法 重点：空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。

  3. 2.1 地理空间及其表达 2.2 地理空间数据及其特征 2.3 空间数据结构的类型 2.4 空间数据结构的建立

  4. 2.1 地理空间及其表达 地理空间的概念 地理空间（Geographic Space）是指物质、能量、信息在形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。

  5. 空间物体的几何类型 • （1）点状分布特征 • 如城镇、企事业单位、基地、气象站、山峰、火山口等。 • （2）线状分布特征 • 河流、海岸线、铁路、公路、地下管线，行政边界等。 • （3）面状分布特征 • 如土壤、森林、草原、沙漠、湖泊等，通常称多边形。 • （4）体状分布特征 • 如高层建筑、云体、山体、矿体等。 • 总之，空间现象十分复杂，为此将其抽象到空间对象（目标）来表达空间实体。

  6. 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 点实体 • 有位置，无宽度和长度； • 抽象的点

  7. 线实体 • 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 • 度量实体距离 香港城市道路网分布

  8. 面实体 • 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 中国土地利用分布图（不连续面）

  9. 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。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。 连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化是连续的。

  10. 空间对象：体 • 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 香港理工大学校园建筑

  11. 空间实体的表达 矢量表示法：采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素。 隐式表示：由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示椅子形式的矢量，线之间的指示字，告诉计算机怎样把这些矢量连接在一起形成椅子，隐式表示的数据为： 椅子的属性——一系列矢量——连接关系

  12. 栅格表示法：采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素。栅格表示法：采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素。 显式表示：就是栅格中的一系列像元(点)，为使计算机认识这些像元描述的是某一物体而不是其它物体。 注：“c”不一定用c的形式，而可以用颜色、符号、数字、灰度值来显示。 则得到椅子的简单数据结构为： 椅子的属性——符号／颜色——像元x

  13. 空间对象（实体）的地图表达 点：位置：（x，y） 属性：符号 线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 属性：符号—形状、颜色、尺寸 面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(x1,y1) 属性：符号变化 等值线

  14. 空间对象（实体）的遥感影像表达 遥感传感器平台 传感器

  15. 空间对象的描述要素 • 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行标识，是唯一的。 • 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置 • 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成 • 行为：空间对象所具备的行为和功能 • 属性：空间对象所对应的非几何信息 • 说明：实体数据来源、精度等 • 关系：与其他实体之间的关系

  16. 空间实体 数据结构 图形数据 编码 数据组织结果 属性数据 存入计算机 空间数据的编码

  17. 数据编码的过程 分析求解问题 确定专业分类分级体系 各种标准支持 选择数据结构及编码方案 获取数据 组织数据 存入计算机

  18. 管线:7 电力线71 管线73 地下检修井74 地下电力线 与电缆72 高压711 低压712 电杆713 电塔714 电线架715 依比例7141 不依比例7142 空间对象的层次分类编码 • 分类对象的从属和层次关系 • 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系

  19. 河流特性分类与编码 河流深度 通航情况 流水季节 河流长度 河流宽度 5 ~ 10 m ： 1 10 ~ 20 m： 2 20 ~ 30 m： 3 30 ~ 60 m： 4 60 ~ 120 m： 5 120 ~300 m：6 300 ~500 m：7 >500m： 8 通航： 1 不通航：2 常年河：1 时令河：2 消失河：3 < 1 km： 1 < 2 km： 2 < 5 km： 3 < 10 km：4 > 10 km：5 <1 m ： 1 1 ~ 2 m： 2 2 ~ 5 m： 3 5 ~ 20 m： 4 20 ~ 50 m：5 >50m： 6 空间对象的多源分类编码 • 按空间对象不同特性进行分类并进编码 • 代码之间没有隶属关系，反映对象特性 • 具有较大的信息量，有利于空间分析

  20. 2.2 地理空间数据及其特征 GIS空间数据来源 • 地图数据：地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要的信息源 • 遥感数据：各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容 • 地形数据：等高线图的数字化，数字高程模型及实测地形数据 • 属性数据：各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等 • 元数据：数据来源、数据权属、数据产生时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等

  21. 元数据 • “meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。 • 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。 • 定义：地理的数据和信息资源的描述性信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。

  22. 元数据的主要作用 • 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档 • 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据 • 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 • 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断 • 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。

  23. 元数据的内容 • 对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明 • 对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等 • 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等 • 数据转换方法的描述 • 对数据库的更新、集成方法等的说明

  24. 元数据的标准 • 空间数据元数据的标准的建立是空间数据标准化的前提和保证。目前空间数据元数据已有一些区域性和部门性的标准。 目前几个空间数据元数据的标准为： • 元数据标准名 建立元数据标准的机构 • CSDGM地球空间数据元数据内容标准 FGDC 美国联邦空间数据委员会 • GDDD数据库描述方法 MEGRIN欧洲地图事务组织 • CGSB空间数据库描述 CSC加拿大标准委员会 • CEN地学信息数据描述元数 CEN/ TC287 • DIF目录交换格式 NASA • ISO地理信息 ISO/TC211 • 其中美国联邦空间数据委员会的元数据影响最大

  25. 空间数据类型 按表示对象的不同分： 1. 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。 2. 面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元 3. 网络数据：道路交叉点、街道和街区等。 4. 样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。 5. 曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。 6. 文本数据：如地名、河流名和区域名称。 7. 符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。

  26. 按表达基本信息的不同分： 1. 属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达 2. 几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达 3. 关系数据：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。

  27. 空间数据的基本特征 • 空间特征 • 表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。 • 属性特征 • 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。 • 时间特征 • 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。

  28. 空间数据的拓扑关系 • 1、描述地理要素空间性的信息 • 几何信息（理论基础是几何学geometry) • 用空间坐标的位置、方向、角度、距离、面积等信息描述物体的几何形状和数量特征； • 拓扑信息（理论基础是拓扑学topology) • 用几何关系的相连、相邻、包含等信息描述物体元素之间的关系；

  29. 2、拓扑学中空间元素 • 拓扑学是几何学的一个分支，其基本元素： • 结点（NODE）：弧段的交点。岛结点是特殊结点。 • 弧段（ARC）：相邻两结点之间的坐标链。岛边界弧段是特殊弧段。 • 多边形（polygon）（图斑或面）有限弧段组成的封闭区。 • 拓扑结构：是明确定义空间结构关系的一种数学方法。 • 关系的性质可分为：相邻、相连、相交、相离、相重、包含等。

  30. 从拓扑角度看，几何形状不同的事物其拓扑关系可能相同从拓扑角度看，几何形状不同的事物其拓扑关系可能相同 点之间拓扑关系（邻接性）的描述 面之间拓扑关系（邻接性）的描述

  31. 多边形 弧段号 弧段号 起点 终点 结点 弧段 p1 a1 a5 a6 a1 N2 N1 N1 a1 a3 a5 P2 a2 a4 a6 a2 N2 N3 N2 a1 a2 a6 P3 a3 a4 a5 a3 N3 N1 N3 a2 a3 a4 p4 a7 a4 N3 N4 N4 a4 a5 a6 a5 N1 N4 N5 a7 a6 N4 N2 a7 N5 N5 N1 a3 a5 P3 a1 P1 N4 a4 a6 N3 P4 N5 a7 P2 a2 N2 3、空间数据的拓扑关系1）拓扑的关联性表示不同类型元素（结点、弧段、多边形）之间的关系

  32. p1 p2 p3 p4 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 N1 N2 N3 N4 N5 P1 \ 1 1 0 a1 \ 1 1 0 1 1 0 N1 \ 1 1 1 0 p2 1 \ 1 1 a2 1 \ 1 1 0 1 0 N2 1 \ 1 1 0 p3 1 1 \ 0 a3 1 1 \ 1 1 0 0 N3 1 1 \ 1 0 p4 0 1 0 \ a4 0 1 1 \ 1 1 0 N4 1 1 1 \ 0 a5 1 0 1 1 \ 1 0 N5 0 0 0 0 \ a6 1 1 0 1 1 \ 0 a7 0 0 0 0 0 0 \ N1 a3 a5 P3 多边形邻接矩阵 弧段邻接矩阵 结点连通矩阵 a1 P1 N4 a4 a6 N3 P4 N5 a7 P2 a2 N2 2）拓扑的邻接性和连通性表示同类型元素（结点、弧段、 多 边形）之间的关系 多边形之间的邻接性； 弧段之间的邻接性； 结点之间的连通性

  33. 面包含点 面包含线 线包含点 P1 P1 P1 P2 P2 P3 P2 P3 面的简单包含 面的多层包含 面的等价包含 3）拓扑的包含性表示同不同级元素之间的拓扑关系

  34. 关联性 相邻（连）性 相离性 相交性 包含性 重合性 点与点 线与线 面与面 点与线 点与面 线与面 4）拓扑关系表

  35. 拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。 拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。 拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。 同 类 不 同 类 同类不同级 4、 小结 拓扑关系：拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。常用的拓扑关系有拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。

  36. N1 е1 P3 е3 P1 е6 N5 е5 N4 е7 N2 P4 е4 P2 е2 N3 拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3 拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6 拓扑包含：P3与P4

  37. 空间数据的计算机表示 1）GIS数据分层表示（P36)

  38. е1 P3 е3 P1 е6 N5 е5 N4 е7 N2 P4 е4 P2 е2 N3 指 针 结点名 坐标 第一个离开弧段 第一个到达弧段 N1 e3 e1 x1，y1 N2 e1 e2 x2，y2 N3 e2 e3 x3，y3 2）空间数据拓扑关系的表示 N1 结点集合

  39. е1 P3 е3 P1 е6 N5 е5 N4 е7 N2 P4 е4 P2 е2 N3 指 针 多边形名 属性 顺时针第一弧段 逆时针第一弧段 P1 e1 t1 P2 e2 e5 t2 P3 e3 e4 t3 P4 e7 t4 N1 多边形集合

  40. N1 е1 P3 е3 P1 е6 N5 到达终结点的下一条弧段 右多边形 左多边形 右多边形顺时针下一条弧段 离开始结点的下一条弧段 左多边形逆时针下一条弧段 坐标串 始结点 弧段名 终结点 е5 N4 е7 N2 P4 е4 e1 N2 N1 P1 P0 e6 e2 s1 P2 e2 N3 N2 e5 P2 P0 e4 e3 s2 e3 N1 N3 e6 e4 P3 P0 e1 s3 е2 e4 N4 N3 e5 e3 P2 P3 e2 e6 s4 N3 弧段集合

  41. 2.3 空间数据结构的类型 X i xn yn xi yi x1 y1 x2 y2 j Y

  42. 栅格结构 矢量结构

  43. 矢量数据结构 矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。

  44. 矢量数据结构特点 • 用离散的点描述空间对象与特征 • 定位明显，属性隐含 • 用拓扑关系描述空间对象之间的关系 • 面向目标操作，精度高，数据冗余度小 • 与遥感等图象数据难以结合 • 输出图形质量好，精度高

  45. 栅格数据结构 栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。 获取方法： (1) 手工网格法； (2) 扫描数字化法； (3) 分类影像输入法； (4) 数据结构转换法。 2 2 2 1 2 2 1 2 2 3 2 2 2 1 2 1 2 2 1 1 1 8 8 8 1 1 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 1 8 8 8 8 1 8 8 8 8 8 8 8 8 8 1 8 8 8 8 8 8 1 8 8 8 8 1 8 8 8 8 8 8 8 8

  46. 栅格数据结构特点 • 离散的量化栅格值表示空间对象 • 定位隐含,属性明显 • 数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大 • 几何和属性偏差 • 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系

  47. c c ac距离: 7/4 (5) 面积: 7 (6) 5 3 4 a b b a 如以像元边线计算则为7，以像元为单位则为4。 三角形的面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。 几何偏差 属性偏差

  48. 对于栅格数据结构 • 点：为一个像元 • 线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。 • 面：聚集在一起的相邻像元集合。 面 线 点

More Related