《地理信息系统》教学课件.ppt

第二章第二章第二章第二章 空间空间空间空间数据结构与编码数据结构与编码学习目标学习目标 掌握地理空间数据的特征，了解掌握地理空间数据的特征，了解GISGIS的数据源的数据源 理解理解GISGIS数据的测量尺度数据的测量尺度 理解拓扑的概念和意义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了解栅格与矢量数据之间得转化方法重点：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难 点点：拓扑结构、栅格数据编码第1页，共54页第一节第一节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GISGIS的空间数据的空间数据1 1、地理空间、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、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第2页，共54页2 2 2 2、GISGISGISGIS中的数据类型中的数据类型中的数据类型中的数据类型1.1.地图数据地图数据 l 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第3页，共54页2.2.遥感数据遥感数据遥感数据遥感数据 l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，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l3.3.统计数据、实测数据及各种文字报告统计数据、实测数据及各种文字报告 l 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。

第4页，共54页二、地理数据的基本特征二、地理数据的基本特征1、空间特征、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、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第5页，共54页二、地理数据的基本特征二、地理数据的基本特征 3 3、时间特征时间特征 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第6页，共54页第二节第二节 地理空间数据地理空间数据的拓扑关系的拓扑关系一、拓扑的概念和意义一、拓扑的概念和意义1.拓扑的概念 拓扑学是几何学的一个分支，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第7页，共54页2.拓扑关系的重要意义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，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等第8页，共54页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二、空间数据的拓扑关系不不 同同 类类同同 类类同类不同级同类不同级第9页，共54页N11256473P1P3P2P4N4N3N5N2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第10页，共54页2.2.2.2.地理空间数据拓扑关系应用价值地理空间数据拓扑关系应用价值地理空间数据拓扑关系应用价值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）重建地理实体第11页，共54页。

三、拓扑结构的表达三、拓扑结构的表达1256473P1P3P2P4N4N3N5N2N1结点弧段N1N3N21361253241 1、结点与弧段的拓扑关系、结点与弧段的拓扑关系P0第12页，共54页1256473P1P3P2P4N4N3N5N2N1弧段结点始结点终结点123N2N3N1N1 N2N32、弧段与结点的拓扑关系、弧段与结点的拓扑关系P0第13页，共54页1256473P1P3P2P4N4N3N5N2N1弧段多边形左多边形多边形右多边形多边形123P1 P2P33、弧段与多边形的拓扑关系、弧段与多边形的拓扑关系P0P0P0P0第14页，共54页1256473P1P3P2P4N4N3N5N2多边形多边形弧段1564253644 4、多边形多边形与弧段的拓扑关系与弧段的拓扑关系P0P1P2P37N1第15页，共54页第三节第三节 空间数据结构空间数据结构 一、空间数据结构的概念和类型一、空间数据结构的概念和类型 空空间间数数据据结结构构 也也称称为为图图形形数数据据格格式式，是是指指适适用用于于计计算算机机系系统统存存贮贮、管管理理和和处处理理的的地地理理图图形形数数据的逻辑结构，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据结构栅格数据结构和矢量数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第16页，共54页常用的空间数据结构常用的空间数据结构常用的空间数据结构常用的空间数据结构XYijx1 y1x2 y2xi yixn yn同一条曲线的矢量与栅格表示法栅格表示法第17页，共54页二、矢量数据结构二、矢量数据结构 1 定义：矢矢量量结结构构是是通通过过记记录录坐坐标标的的方方式式来来表表示示点点、线线、面面等等地地理实体2 特点：定位明显，属性隐含定位明显，属性隐含3 获取方法：(1)手工数字化法；(2)手扶跟踪数字化法；(3)数据结构转换法第18页，共54页三、栅格数据结构三、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，是是将将地地球球表表面面划划分分为为大大小小相相等等的的网网格格阵阵列列，每每个个网网格格作作为为一一个个像像元元或或像像素素由由行行、列列定定义义，并并包包含含一一个个代代码码表表示示该该像像素素的的属属性性类类型型或或量量值值，或或仅仅仅仅包包含含指指向向其属性记录的指针其属性记录的指针。

2 特点：属性明显，定位隐含属性明显，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8 8 8 88 8 8 88 8 8 88 8 8 888 8 88 8 8 88 8 88 8 888888888888 8 8881111111111111122222222222322第19页，共54页A.OBC中心点法重要性法长度占优法面积占优法4、提高栅格数据精度的方法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：提高决定混提高决定混合像元代码的合像元代码的精度，其方式精度，其方式 如图所示如图所示方案二：缩小栅格单元的面积缩小栅格单元的面积第20页，共54页比较内容比较内容矢矢 量量 结结 构构栅栅 格格 结结 构构数据结构数据结构复杂复杂简单简单数据量数据量小小大大图形精度图形精度高高低低图形运算、搜索图形运算、搜索复杂、高效复杂、高效简单、低效简单、低效软件与硬件技术软件与硬件技术不一致不一致一致或接近一致或接近遥感影像格式遥感影像格式要求比较高要求比较高不高不高图形输出图形输出显示质量好、精度高，显示质量好、精度高，但但 成本比较高成本比较高输出方法快速，质量低，输出方法快速，质量低，成本比较低廉成本比较低廉数据共享数据共享不易实现不易实现容易实现容易实现拓扑和网络分析拓扑和网络分析容易实现容易实现不易实现不易实现第四节第四节 矢量结构与栅格结构的比较及转化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：一、栅格结构与矢量结构的比较：第21页，共54页。

二、矢量数据与栅格数据的相互转换二、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）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XY（0，0）JIxminxmaxyminymaxXY第22页，共54页它们之间的关系为：它们之间的关系为：X=X=（Xmax-XminXmax-Xmin）/J/JY=Y=（Ymax-YminYmax-Ymin）/I/I XY（0，0）JIxminxmaxyminymaxXY第23页，共54页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 YX34567（X1，Y1）（X2，Y2）第24页，共54页。

4 4）多边形（面域）栅格化）多边形（面域）栅格化 .左左码码记记录录法法：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ABCDEF01第25页，共54页第第一一步步，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，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。