02新GIS原理第二章

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1、第二章 空间数据结构与编码,学习目标 掌握地理空间数据的特征，了解GIS的数据源 理解GIS数据的测量尺度 理解拓扑的概念和意义 掌握地理空间数据的拓扑关系与表示 掌握栅格数据结构特点及其编码方法 掌握矢量数据结构特点及其编码方法 了解栅格与矢量数据之间得转化方法重点：地理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。难 点：拓扑结构、栅格数据编码,第一节 地理空间数据及其特征,一、GIS的空间数据 1、地理空间 地理空间 是指物质、能量、信息的形式与形态、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，地球表层构成了地理空间。 地理数据 表征地理空间内事物的数量、质量、分布

2、、内在联系和变化规律的图形、图像、符号、文字和数据等统称为地理（空间）数据。 地理数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液，因为GIS操作对象是地理数据，因此，设计和使用GIS的第一步工作就是根据系统的功能，获取所需要的地理数据，并创建地理空间数据库 。,2、GIS中的数据类型,1. 地图数据 各种类型的地图（包括电子的与非电子的地图）都是对空间事物和现象的一种相似或抽象模拟，它有严密的数学基础，并经过制图综合，利用符号系统所表示出来的丰富地理内容，明晰的再现了客观实体的空间关系和要素之间的内在联系，所以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。,2. 遥感数据,各种遥

3、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，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据。所以遥感数据是地理信息系统另一个重要的信息源。3. 统计数据、实测数据及各种文字报告 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，是地理信息系统不可缺少的重要或补充数据源。,二、地理数据的基本特征,1、空间特征 空间特征又称定位特征或几何特征。数据的空间性是指这些数据反映现象的空间位置及空间位置关系。通常以坐标数据形式来表示空间位置，以拓扑关系来表示空间位置关系。 2、属性特征 数据的属性是指描述实体的特征，如实体的名称、类别、质量特

4、征和数量特征等。属性数据本身属于非空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分。,二、地理数据的基本特征,3、时间特征 空间数据的时间性是指空间数据的空间特征和属性特征随时间而变化。它们可以同时随时间变化，也可以分别独立随时间变化。 实体随时间的变化具有周期性，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。 空间特征是地理信息区别于其他信息的最重要的特征之一，地理信息的定位特征与时间过程相结合，大大提高了地理信息的应用价值。,三、地理空间数据的类型,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.

5、 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。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,定性而非定量地对众多地理事物进行区分和标识。如北京、天津、石家庄等；长江、黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪泽湖和太湖等。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,通过排序来区分和标识地理现象的量称为顺

6、序量。它是按照地理数据的等级序列，由低到高（或由高到低）进一步细分的。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,利用某种标准单位（可以是任意的）作为间隔量来表示不同的量，是一种较精确区分和标识地理现象的测量方法。,四、数据的测量尺度,1、定名（Nominol）量2、顺序（Ordinal）量3、间隔（Interval）量4、比率（Ratio）量,比率量是间隔量的精确化。它提供的定量值是具有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据。,第二节 地理空间数据的拓扑关系,一、拓扑的概念和意义1. 拓扑的概念 拓扑学是

7、几何学的一个分支，它研究图形在连续变形下（拓扑变换）的那些不变的几何属性。组成一个图形的各元素（结点、弧段、面域）之间都存在着二元关系，即邻接关系和关联关系。在地图上这种关系可以借助图形来识别，而在计算机中这种关系需用拓扑关系加以定义。拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法。,2. 拓扑关系的重要意义 在地理信息系统中，空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空间分析具有重要的意义，主要表现在如下三个方面：（1）根据拓扑关系可以确定地理实体间的相对空间位置， 而无需利用坐标和距离；（2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询；（3）可以利用拓扑数据重建地理事体。 如建立封闭多边形，实现道

8、路的选取，进行最佳路径的计算等。,1、拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。2、拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。3、拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。,二、空间数据的拓扑关系,不 同 类,同 类,同类不同级,拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3拓扑关联：N1/1、3 、6 ；P1/1、5 、6 拓扑包含：P3与P4,2.地理空间数据拓扑关系应用价值,（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离（2）利于空间要素查询（3）重建地理实体,三、拓扑结构的表达,N1,结 点,弧 段,N1,N3,N2,1,3,6,1,2,5,3,2,4,1、结点与弧段的拓扑关系,P

9、0,N1,弧段,结 点,始结点,终结点,123,N2N3N1,N1 N2N3,2、弧段与结点的拓扑关系,P0,N1,弧段,多 边 形,左多边形,右多边形,123,P1 P2P3,3、弧段与多边形的拓扑关系,P0,P0P0P0,多边形,弧 段,1,5,6,4,2,5,3,6,4,4、多边形与弧段的拓扑关系,P0,P1 P2P3,7,N1,二、地理空间信息的方向关系,方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹角称为连线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种。同样计算点状和

10、线状空间实体、点状和面状空间实体时，只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体，然后按点状实体来求解方向关系即可。,三、地理空间信息的度量关系,度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距离，如A实体距离B实体100m。也可以应用与距离概念相关的术语，如远近等进行定性的描述。,第三节 空间数据结构,一、空间数据结构的概念和类型 空间数据结构 也称为图形数据格式，是指适用于计算机系统存贮、管理和处理的地理图形数据的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 在地理信息系统中，常用的空间数据结构有两种，即栅格数据结构和矢量数

11、据结构。 在矢量表示中，曲线是由一系列带有x，y坐标的特征点所组成的一条近似折线来表示。 而在栅格形式中则借助于把该线通过的按行和列(矩阵形式)作为规则划分的栅格中的每个小格(像元)标以数字或代码来表示。 这两种不同形式的数据被称为计算机的两种兼容数据。这是因为计算机不仅能存贮、识别和处理它们，而且可以对它们进行互相转换。,常用的空间数据结构,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,同一条曲线的矢量与栅格表示法,二、矢量数据结构 1 定义： 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。 2 特点：定位明显，属性隐含。 3 获取方法： (1) 手工数字化法；

12、(2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。,三、栅格数据结构 1 定义：栅格结构是一种简单直观的空间数据结构，又称网格结构或像元结构，是将地球表面划分为大小相等的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素由行、列定义，并包含一个代码表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。 2 特点：属性明显，定位隐含。 3 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。,4、提高栅格数据精度的方法 在栅格结构数据获取过程中，应尽可能保持原图或原始数据的精度，为减少信息损失提高精度，通常采取两种方法：,方案一： 提高决定混合像

13、元代码的精度，其方式 如图所示。,方案二：缩小栅格单元的面积。,第四节 矢量结构与栅格结构的比较及转化,一、栅格结构与矢量结构的比较：,二、矢量数据与栅格数据的相互转换 1. 矢量数据向栅格数据的转换（1）确定栅格单元的大小 栅格单元的大小就是它的分辨率，应根据原图的精度，变换后的用途及存储空间等因素予以决定。栅格单元的边长在X，Y坐标系中的大小用X和Y表示。设Xmax、Xmin和Ymax、Ymin分别表示全图X坐标和Y坐标的最大值与最小值，I，J表示全图格网的行数和列数。,X,Y,（0，0）,J,I,xmin,xmax,ymin,ymax,X,Y,它们之间的关系为：X=（Xmax-Xmin）

14、/JY=（Ymax-Ymin）/I,（2）点的栅格化 点的变换只要这个点落在某一个栅格中，就属于那个栅格单元，其行、列号I、J可由下式求出：I=1+INT（Ymax-Y）/YJ=1+INT（X-Xmin）/X式中INT表示取整函数。栅格点的值用点的属性表示。（3）线的栅格化如图所示， 设两个端点的行、列号已经求出，其行号为3和7，则中间网格的行号必为4、5、6。其网格中心线的Y坐标应为：Yi=Ymax-Y(I-1/2) 而与直线段交点的X坐标为： Xi=(X2-X1)/(Y2-Y1)(Yi-Y1)+X1,Y,X,3,4,5,6,7,（X1，Y1）,（X2，Y2）,（4）多边形（面域）栅格化 .左码记录法：要完成面域的栅格化，其首要前提是实现以多边形线段反映其周围面域的属性特征。目前一般采用的是左码记录法。其原理如图所示，有一闭合多边形，它将整个矩形面域分割成属性为1和0的两部分。转换的第一步工作即是要实现这个目标。,第一步，从数字化数据的第一点开始依次记录每一点左边面域的属性值（面域外为0，面域内为1）。记录方法可由计算机自动完成，这样，每一个多边形数字化点便实现了“三值化”，即坐标值、线段自身属性值及左侧面域属性值。 第二步，对多边形每一条边，按以上所述的线段栅格化的方法进行转换，得到如图所示的数据组成。,