GIS空间数据结构.ppt
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1、,第二章 GIS空间数据结构,2-1地理空间及其表达,2-2地理空间数据及其特征,2-3空间数据的结构类型,2-4 空间数据结构的建立,2-1地理空间极其表达,第二章 GIS 数据结构,一 地理空间的概念,地理空间(geo-spatial)一般是指上至大气电离层、下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。,返回,空间定位框架:大地测量控制系统,大地测量控制点,平面控制网,目的:确定地物在平面点的位置。,从太空看到的地球,平面控制网,静止海水面,陆地,大地水准面,为了寻求一种规则的曲面来代替地球的自然表面,设想当海洋静止时,平均海水面穿过大陆和岛屿,形成一个闭合的曲面,该面上的各点与重力方向(铅
2、垂线)成正交,这就是大地水准面(大地体)。,大地水准面,E,大地水准面的形状接近一个两极略扁的旋转椭球,通常采用旋转椭球作为大地坐标系的基准,称其为地球椭球。,b,a,法线,K,椭球中心O,旋转轴NS,椭球扁率,T,G,地 球 椭 球 参 数,世界上存在很多地球椭球,我国不同时期采用的椭球体及其参数,大地原点,“1980西安坐标系”大地坐标的起算点大地原点在陕西省泾阳县永乐镇。,(一)平面控制网,我国目前存在三套坐标系:,1、1954年北京坐标系统2、1980年国家大地坐标系3、地心坐标系,地心坐标系,(一)平面控制网,平面位置,常用平面直角投影:高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger P
3、rojection),高斯-克吕格投影是一种横轴等角切椭圆柱投影。它是假设一个椭圆柱面与地球椭球体面横切于某一条经线上,按照等角条件将中央经线东、西各3或1.5经线范围内的经纬线投影到椭圆柱面上,然后将椭圆柱面展开成平面即成。,高斯直角坐标系统,经度B和纬度L,平面位置(x、y),位置,x=f1(B,L),y=f2(B,L),地图投影,墨卡托投影(正轴等角圆柱投影),(二)高程控制网,高程:是指空间某点高于或低于基准面的垂直距离,用来提供地形信息。这个基准面就是大地水准面,是一个重力等位面。高程基准面的确定:取验潮站长期观测结果计算出来的平均海水面。“1985年国家高程基准”(1953-197
4、9验潮资料)高出“黄海平均海水面”29mm,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,二 空间实体的表达,1、定义:指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元,它是一个具体有概括性,复杂性,相对意义的概念。2、理解:地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的,例如,在全国地图上由于比例尺很小,武汉就是一个点,这个点不能再分割,可以把武汉定为一个空间实体,而在大比例尺的武汉市地图上,武汉的许多房屋,街道都要表达出来,所以武汉必须再分割,不能作为一个空间实体,应将房屋,街道等作为研究的地理实体,由此可见,GIS中的空间实体是一个概括,复杂,相对的概念。,返回,2-1空间实体及其描述,
5、第二章 GIS 数据结构,返回,地理空间的特征实体:点(piont)、线(line)、面(polygon)、曲面(surface)和体(volume)。地理空间特征实体的基本元素点的表达:矢量表示:采用一个没有大小的点(坐标)来表达基本点元素,称为矢量表示法,其对应的数据模型称为矢量数据模型栅格表示:采用一个有固定大小的点(面元)来表达基本点元素,称为栅格表示法,其对应的数据模型称为栅格数据模型,点实体:在栅格数据中表示为一个像元。,栅格数据结构,线实体:表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合。,面实体:由聚集在一起的相邻像元集合表示。,矢量数据,矢量结构,栅格结构,1)依据数据来源的不同分
6、为:地图数据 影像数据文本数据,2-2地理空间数据及其特征,一 GIS空间数据分类,地图数据,文本数据,2)依据数据结构分类:矢量数据 栅格数据,2-2地理空间数据及其特征,一 GIS空间数据分类,2-2地理空间数据及其特征,一 GIS空间数据分类,矢量数据,栅格数据,3)依据数据特征分类:空间定位数据非空间属性数据,2-2地理空间数据及其特征,一 GIS空间数据分类,2-2地理空间数据及其特征,非空间属性数据,空间定位数据,一 GIS空间数据分类,4)依据数据几何特点:点:如测量中三角形、电视塔等线:如河流、道路等面:如湖泊、行政区等曲面:2.5维,如地形、气温等体:对3维的空间实体的抽象数
7、据,如地质构造、矿产等。,2-2地理空间数据及其特征,点实体,有位置,无宽度和长度;抽象的点,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,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,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),空间对象:面(续),连续变化曲面:如地形起伏,整个曲面在空间上曲率变化连续。,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。,空间对象:体,有长、宽、高的目标通常用来表
8、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,5)依据数据特征分类:DLG数据:数字线画图(Digital Line Graphic)数据 DRG数据:数字栅格图(Digital Raster Graphic)数据 DEM数据:数字高程模型(Digital Elevation Model)数据 DOM数据:数字正射影像(Digital Orthophoto Map)数据,2-2地理空间数据及其特征,DLG数据,DRG数据,DEM数据,DEM数据,DOM数据,DOM数据,地图分幅,二 空间数据基本特征,返回,空间特征:描述空间对象的位置、形状和大小等几何特征、以及相邻地理
9、现象和过程的空间关系(包括方位关系、拓扑关系、相邻关系、相似关系等)。空间位置可以通过坐标数据来描述,称为定位特征和定位数据,空间关系称为拓扑特征或拓扑数据。,(一)基本特征,钓鱼岛 北纬2544.6 东经12328.4,二 空间数据基本特征,返回,属性特征:空间现象和过程所具有的专属性质,包括对象的名称、数量、质量、性质等,成为属性数据。钓鱼岛岛上基岩裸露、土层较薄,有4条溪流、有淡水,最高山峰海拔362米,附近海域有大量鱼群、强风的自然环境,特有种的动植物。时间特征:指一定区域内的地理现象和过程随时间变化情况,称为时态数据。1562年明朝浙江提督胡宗宪编纂的筹海图编标明了钓鱼岛作为中国领土
10、并列入中国的防区。清光绪十九年(1893年),即甲午战争的前一年,慈禧太后下诏书,将钓鱼岛赏给邮传部尚书盛宣怀,作为采药用地。,(一)基本特征,二 空间数据基本特征,返回,(一)基本特征,(二)、基本信息,定位信息:三条交通线的形状与位置(直线、S线、环状线),相应的数据称为定位特征数据。属性信息:三条交通线的级别(主干道、次干道、支路),相应的数据称为属性特征数据。拓朴信息:三条交通线的连接结点及其相邻关系,相应的数据称为拓朴特征数据。,三、空间数据的拓扑关系,2-2地理空间数据及其特征,第二章 GIS 数据结构,(一)空间关系类型,1、顺序空间关系:(方向空间关系)用上下左右、前后、东南西
11、北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系,算法复杂,至今没有很好的解决方法。2、度量空间关系,主要指实体间的距离关系,远近。距离类别:欧氏距离(笛卡尔坐标系)、曼哈顿(出租车)距离、时间距离(纬度差)、大地测量距离(大地线)(沿地球大圆经过两个城市中心的距离)。,(二)拓扑关系,第二章 GIS 数据结构,1、定义:指图形保持连续状态下变形,但图形关系不变的性质。将橡皮任意拉伸,压缩,但不能扭转或折叠。,(3)拓扑关系,2-2地理空间数据及其特征,第二章 GIS 数据结构,表示节点,表示多边形,表示弧段,拓扑关系是指网结构元素结点(Node)、弧段(Arc)、多边形(Polygon)之间的空间关系
12、。,拓扑关系主要表现为下列三种关系:,2-2地理空间数据及其特征,第二章 GIS 数据结构,拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包含关系。,拓扑邻接,拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4,N1/N2等;多边形邻接关系有P1/P3,P2/P3 等。,与湖北省相邻的省,2-2地理空间数据及其特征,第二章 GIS 数据结构,拓扑邻接的表达:邻接矩阵 重叠:-邻接:1 不邻接:0,拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有N1/C1、C3、C6,N2/C1、C2、C5 等。多边形与弧段的关联关系有P1/C1、C5、C6,P2/C2、C4、
13、C5、C7等。,拓扑关联,拓扑包含指存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系,P2包含P4。,拓扑包含,拓扑包含关系,特殊的邻接关系,3-2地理空间数据及其特征,第二章 GIS 数据结构,设 ID表示当前多边形 IW表示表示包含面的个数 IP表示ID为岛(IP=1)或非岛(IP0)则包含关系的形式如下图。,拓扑关系具体可由4个关系表来表示:(1)节点弧段(链)关系:节点 通过该节点的链(2)弧段(链)-节点关系:弧段 弧段两端的节点(3)弧段多边形关系:弧段 左面 右面(4)多边形弧段关系:多边形 构成面的弧段,3、拓扑关系的表达,3-2地理空间数据及其特征,第二章 GIS 数据结构,
14、返回,空间拓扑关系表达关系表,表1 节点与弧段的拓扑关系,空间拓扑关系表达关系表,表2 弧段与节点的拓扑关系,空间拓扑关系表达关系表,表3 弧段与多边形的拓扑关系,空间拓扑关系表达关系表,表4多边形与弧段的拓扑关系,对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义,因为:1)拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系,它比几何关系具有更大的稳定性,不随地图投影而变化。2)有助于空间要素的查询,利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县,-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门,就需要查询该线(管道)与哪些点(阀门)关联。3)根据拓扑关系可重建地理实体。,2-2地理空间数据及
15、其特征,第二章 GIS 数据结构,返回,4、拓扑关系的意义:,拓扑关系重建地理实体,如何根据弧段(链)建立多边形,1)概念a、顺时针方向构多边形:指多边形是在链的右侧。b、最靠右边的链:指从链的一个端点出发,在这条链的方向上最右边的第一条链,实质上它也是左边最近链。a的最右边的链为d c、多边形面积的计算,2-2 拓扑关系的自动建立,第二章 GIS的数据结构,当多边形由顺时针方向构成时,面积为正;反之,面积为负。,2)建立多边形的基本过程,1 顺序取一个结点为起始结点,取完为止;取过该结点的任一条链作为起始链。2 取这条链的另一结点,找这个结点上,靠这条链最右边的链,作为下一条链。3 是否回到
16、起点:是,已形成一多边形,记录之,并转4;否,转2。4取起始点上开始的,刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链,转2;若这条链已用过两次,即已成为两个多边形的边,则转1。,5-3 拓扑关系的自动建立,第五章 空间数据的处理,例:1从P1开始,起始链定为P1P2,从P2点算起,P1P2最右边的链为P2P5;从P5算起,P2P5最右边 的链为P5P1,.形成的多边形为P1P2P5P1。2从P1开始,以P1P5为起始链,形成的多边形为P1P5P4P1。3从P1开始,以P1P4为起始链,形成的多边形为P1P4P3P2P1。4 这时P1为结点的所有链均被使用了两次,因而转向下一个结点P2,继续进行多
17、边形追踪,直至所有的结点取完。共可追踪出五个多边形,即A1、A2、A3、A4、A5。,5、岛的判断,找出多边形互相包含的情况.1、计算所有多边形的面积。2、分别对面积为正的多边形和面积为负的多边形排序。3、从面积为正的多边形中,顺序取每个多边形,取完为止。若负面积多边形个数为0,则结束。4、找出该多边形所包含的所有面积为负的多边形,并把这些面积为负的多边形加入到包含它们的多边形中,转3。正面积多边形包含的负面积多边形是关键.1、找出所有比该正面积多边形面积小的负面积多边形。2、用外接矩形法去掉不可能包含的多边形。即负面积多边形的外接矩形不和该正面积多边形的外接矩形相交或被包含时,则不可能为该正
18、面积多边形包含。3、取负面积多边形上的一点,看是否在正面积多边形内,若在内,则被包含;若在外,则不被包含。,5-3 拓扑关系的自动建立,第五章 空间数据的处理,单多边形被追踪两次,p1,p2,p3,p1,p2,p3,-p1,-p2,-p3,四、空间数据的组织,2-2地理空间数据及其特征,第二章 GIS 数据结构,(一)空间分幅,(二)属性分层,(三)时间分段,2-3 空间数据结构的类型,第二章 GIS 数据结构,数据结构即数据组织的形式,是适合于计算机存储、管理、处理的数据逻辑表达。,空间数据结构是一种用来表达空间数据的数据结构。对现实世界的空间数据表示可以采用矢量数据模型和栅格数据模型。相应
19、的,空间数据结构也可以划分为基于矢量模型和基于栅格模型的数据结构。,本节还将介绍曲面数据结构。,曲面数据结构是一种用来表示空间曲面、体的数据结构。,(spaghetti)-面条模型:以实体为单位记录其坐标,2-3-1 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,(一)实体数据结构,返回,一、矢量数据结构,2-3-1矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,缺点:1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次,造成数据冗余和碎屑多边形数据不一致,浪费空间,导致双重边界不能精确匹配。2、自成体系,缺少多边形的邻接信息,无拓扑关系,难以进行邻域处理,如消除多边形公共边界,合并多边形。3、岛作为一个单个图形,没
20、有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。所以,这种结构只用于简单的制图系统中,显示图形。,优点:结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。,返回,(二)拓扑数据结构,矢量数据结构,第三章 GIS 数据结构,拓扑数据的特点:点是独立的,点连成线、线构成面。每条线始于起节点,止于中止节点,弧段的左右多边形邻接。构成多边形的线又称弧段,两条以上的弧段相交的点为节点。由一条弧段组成的多边形称为岛或洞。简单多边形 复合多边形:外边界和内边界,节点,弧段,多边形,岛,(二)拓扑数据结构,矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,弧段文件 弧段坐标文件 节点文件 多边形文件,弧段文件,弧段记录:标示号、起
21、始节点、终止节点、左多边形、右多边形,C1 N1 N2 P2 P1,C2 N3 N2 P1 P4,C3 N1 N3 P1,C4 N1 N4 P2,节点文件,节点代码 横坐标 纵坐标,N1 x1 y1 N2 x2 y2.,弧段坐标文件,弧段代码、坐标值,C1 x1,y1 x2,y2 x3,y3,xn,yn,C2.,多边形文件,多边形代码、组成弧段 面积 周长,P1-C1,C2,C3.P2 C1,C5,-C6,-C4.,2-3-2 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,栅格结构是将空间分割成有规则的网格(栅格单元,三角形,多边形),在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种组织形
22、式。用位置由行,列号定义,属性为栅格单元的值。,一、图形表示,正六边形栅格,点实体:由一个单位网格表示表达,栅格数据结构,线实体:由一串有序的相互连接的单位网格表示,各个网格的值相同。,面实体:由聚集在一起的相互连接的单元网格组成。区域内部的网格值相同,但与外部网格的值不同。,2、栅格单元的尺寸,栅格数据结构,第三章 GIS 数据结构,返回,1)原则:应能有效地逼近空间对象的分布特征,又减少数据的冗余度。格网太大,忽略较小图斑,信息丢失。实体特征愈复杂,栅格尺寸越小,分辨率愈高,然而栅格数据量愈大(按分辨率的平方指数增加)计算机成本就越高,处理速度越慢。2)方法:,栅格数据存储类型,栅格数据结
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