gis02第二章地理信息系统的空间数据结构和数据库

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1、第二章 地理信息系统的空间数据结构和数据库,地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。本章重点介绍主要的空间数据结构和空间数据库模型。,第二章 地理信息系统的空间数据结构和数据库,2.1.1 概述 2.1.2 矢量数据结构 2.1.3 栅格数据结构 2.1.4 矢量栅格一体化数据结构 2.1.5 三维数据结构,2.1.1 概述 2.1.2 层次数据模型 2.1.3 网状数据模型 2.1.4

2、 关系数据模型 2.1.5 对象数据模型 2.1.6 时空数据模型,2.1.1 数据的管理模式 2.1.2 空间数据库的设计、建立和维护,含义：指的是人们生存的地球表面附近的地理图层中可相互区分的事物和现象。即地理空间中的事物和现象。,1、地理实体,2.1.1 概述 地理实体,2.1.1 概述 地理实体的存储,属性特征用以描述事物或现象的特性； 空间特征用以描述事物或现象的地理位置，又称几何特征、定位特征； 时间特征用以描述事物或现象随时间的变化 。,1、空间数据的特征,2.1.1 概述 空间数据,属性数据描述空间数据的属性特征的数据，也称非几何数据； 几何数据描述空间数据的空间特征的数据，也

3、称位置数据、定位数据； 关系数据描述空间数据之间的空间关系的数据，主要是指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法。,2、空间数据的类型,2.1.1 概述 空间数据,将不同类型的空间数据以不同的数据结构存储 属性数据二维关系表格形式存储； 元数据以特定的空间元数据格式 空间特征数据主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。,3、空间数据的存储,2.1.1 概述 空间数据,有零维、一维、二维、三维之分，对应着不同的空间特征类型：点、线、面、体；,1、空间维数,2.1.1 概述 实体的空间特征,1)点状实体（点或节点、点状实体）：有特定位置，维数为0的物体。具体有下列类型的点：

4、实体点、注记点、内点和节点等不同类型； 2)线状实体：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； 3)面状实体（多边形）：由一封闭曲线加内点来表示； 4)体、立体状实体：用于描述三维空间中的现象与物体。,2、空间特征类型,2.1.1 概述 实体的空间特征,现实世界的各种现象比较复杂，往往由上述不同的空间类型组合而成，复杂实体由简单实体组合表达。,3、实体类型组合,2.1.1 概述 实体的空间特征,拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸和压缩，但不能扭转或折叠，

5、这时原来图形的有些属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性，后者称为非拓扑属性或几何属性。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。,1、定义,2.1.1 概述 空间关系,2.1.1 概述 空间关系,1)关联（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,L2 2)邻接(同类元素之间) 多边形之间、结点之间。 3)包含关系(面与其它拓扑元素之间的关系) 4)层次关系 （相同拓扑元素之间的等级关系）,2、拓扑关系的种类,2.1.1 概述 空间关系,3、拓扑关系的表示,2.1.1 概述 空间关系,4、拓扑关系的意义,拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它

6、比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化； 有助于空间要素的查询； 根据拓扑关系可重建地理实体。,2.1.1 概述 空间关系,2.1.1 概述 空间关系,返回,2.1.2 矢量数据结构 矢量数据的图形表示,2.1.2 矢量数据结构 矢量数据的图形表示,1、矢量数据的图形表示,1）点实体：记录点坐标和属性代码； 2）线实体：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码； 3）面实体：记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。,2.1.2 矢量数据结构 矢量数据的获取方式,2、矢量数据的获取方式,1）由外业测量获得，可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手

7、薄)，然后转到地理数据库中。 ）由栅格数据转换获得，利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。 3）跟踪数字化，用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。,2.1.2 矢量数据结构 矢量数据表示,3、矢量数据表示,）矢量数据自身的存贮和处理。 ）与属性数据的联系。 ）矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。,2.1.2 矢量数据结构 矢量数据表示,1)简单数据结构,2.1.2 矢量数据结构 矢量数据表示,2)拓扑数据结构,1）拓扑元素 点(结点)孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点等。 线(链、弧段、边)两结点间的有序弧段。 面(多边形)若干条链构成的闭合多边形。,2.1.2 矢量

8、数据结构 矢量数据表示,拓扑数据结构,编码方式,2.1.3 栅格数据结构 基本概念,栅格结构又称为网格结构（raster、grid cell）或像元结构（pixel）。在这种数据结构中，空间的二维投影平面被划分为大小均匀紧密相邻的规则格网阵列（通常为正方形），每个格网作为一个像元或像素，由行、列号定义，并包含一个表示该像素属性类型或量值的代码，或包含一个指向其属性记录的指针。 每个栅格的大小代表了定义的空间分辨率，每个栅格对应于一个特定的空间位置，栅格的值表达了这个实际位置的状态。,1、定义,属性明显、定位隐含 操作简单、易于处理 容易与遥感数据结合处理,2、特点,2.1.3 栅格数据结构 基

9、本概念,矩形（正方形） 菱形 三角形、六边形 经纬网栅格（辐射形）,3、栅格元的分类,2.1.3 栅格数据结构 基本概念,2.1.3 栅格数据结构 栅格数据的图形表示,1、栅格数据的图形表示,点实体：表示为一个像元； 线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合； 面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。,2.1.3 栅格数据结构 栅格数据的图形表示,2.1.3 栅格数据结构 栅格数据的组织,2.1.3 栅格数据结构 栅格数据的组织,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的建立,1、栅格数据的获取途径,1）来自于遥感数据 2）来自于对图片的扫描 3）由矢量数据转换而来 4）由手工方法获取,

10、2、栅格系统的确定,1）栅格坐标系的确定 2）栅格单元的尺寸,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的建立,3、栅格代码（属性值）的确定,1）中心归属法 2）长度占优法 3）面积占优法 4）重要性法,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的建立,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,1、简单栅格数据结构,1）含义：以某种栅格数据采样方法，对空间信息逐点采样，并以一个完整的数字矩阵（或数组）进行信息记录的数据集合，称之为简单栅格数据结构（或全栅格数据结构）。,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,1、简单栅格数据结构,2）在GIS中，绝大多数栅格数据的分析运作与处理是在全栅格数据下进行的。,2.

11、1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2、压缩编码方法,1）链式编码（chain code）,链式编码又称为弗里曼编码（freeman,1961）或边界链码。 基本思想：自线状要素或面状要素边界上的某一点开始，构建其基本方向矢量链，以此实现对线状地物和面状地物的压缩编码存储。,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2、压缩编码方法,1）链式编码（chain code）,优点：1）可有效压缩存储数据 2）具有一定运算功能 缺点：1）相邻界线重复存储产生冗余 2）边界的合并、插入等操作难以进行,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2、压缩编码方法

12、,2）游程编码,游程编码又称为行程编码（run-length code）。 基本思想：当栅格图象中各行数据代码发生改变时，依次记录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。 优点：压缩效率高，对运算操作的影响不大 缺点：不适用于复杂图件,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,实例： 1）行向记录（首先记录总列数，（属性码，同类列数目） 2）行右倾记录（行号，终止右列号，属性码） 3）行左倾记录（行号，起始左列号，属性码）,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2、压缩编码方法,3）块状编码（block code）,基本思想：块状编码是游程编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记

13、录单元，每个记录单元包括想另的若干栅格。 编码格式：（初始行号，初始列号，半径，属性码） 特点：a)双向数据压缩 b)数据的组织以正方形地块完成,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,8，8，0 8*8矩阵，背景数据属性为0 2，2，1，1 2行2列，1个方格半径，属性为1 3，4，1，4 3行4列，1个方格半径，属性为4 4，4，2，4 4行4列，2个方格半径，属性为4 7，7，2，3 7行7列，2个方格半径，属性为3,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2、压缩编码方法,4）四叉树编码（quad-tree code）,基本思想：将一幅栅格

14、图象等分为四等份，逐块检查其格网属性值（或灰度）。如果某个子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则将该子区继续划分为四等份，直到每个子块都含有相同的属性值为止。,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,2、压缩编码方法,4）四叉树编码（quad-tree code）,优点：1）压缩效率高 2）不受分辨率的影响 3）可以利用树的一些性质进行运算操作 4）易于表示洞 缺点：不适用于复杂图件,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,原始栅格图象,四叉树图象,2.1.3 栅格数据结构 栅格结构的存储,返回,矢量面向目标组织数据 栅格面向空间分布组织数据,1、矢量、栅格数据结构

15、的优缺点,2.1.4 矢量栅格一体化数据结构,采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的表达方法作为一体化数据结构的基础。 概念：无论是点状地物、线状地物、还是面状地物均采用面向目标的描述方法，因而它可以完全保持矢量的特性，而元子空间充填表达建立了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质。,2、矢栅一体化的概念,2.1.4 矢量栅格一体化数据结构,地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。 地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。 地面上的面状地

16、物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成。,3、三个约定,2.1.4 矢量栅格一体化数据结构,提高点、线（包括面状地物边界）数据的表达精度，使一体化数据结构的精度达到或接近矢量表达精度。 在有点、线通过的基本格网内再细分成256256细格网（精度要求低时，可细分为1616个细格网）。为了与整体空间数据库的数据格式一致，基本格网和细格网均采用十进制线性四叉树编码，将采样点和线性目标与基本格网的交点用两个Morton码表示（简称M码）。前一M1表示该点（采样点或附加的交叉点）所在基本格网的地址码，后者M2 表示该点对应的细分格网的