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地理信息系統(tǒng) Geographical Information System,,,第二章 地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1,2019/10/13,2,第一節(jié) 地理空間及其表達(dá),一、地理空間的概念,地理空間定義 不同學(xué)科dui “空間”（Space）概念的解釋： 物理學(xué)，空間是指宇宙在三個(gè)相互垂直方向上所具有的廣延性；天文學(xué)，空間是指時(shí)/空連續(xù)體的一部分； 地理學(xué)，地理空間（Geographic space）是指物質(zhì)、能量、信息的存在形式在空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)過(guò)程、功能關(guān)系上的分布、格局及其在時(shí)間上的延續(xù)。 地理信息系統(tǒng)中的“地理空間”，一般包括地理空間定位框架及其所關(guān)聯(lián)的空間對(duì)象。,2,2019/10/13,3,地理空間定位框架即大地測(cè)量控制，由平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)組成（空間參考）； GIS的任何空間數(shù)據(jù)都必須納入一個(gè)統(tǒng)一的空間參照系中，以實(shí)現(xiàn)不同來(lái)源數(shù)據(jù)的融合、連接與統(tǒng)一；,3,2019/10/13,4,1、GEO－SPATIAL研究?jī)?nèi)容,GEO-SPATIAL,地理空間 定位框架,平面控制網(wǎng),高程控制網(wǎng),參考橢球體,空間實(shí)體,地理空間信息的幾何形態(tài),地理空間信息時(shí)空分布規(guī)律,地理空間信息相互關(guān)系,,,,,,,,,4,2019/10/13,5,（1）定位坐標(biāo)系：平面控制網(wǎng),5,2019/10/13,6,人們對(duì)平面控制網(wǎng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程,6,2019/10/13,7,不同地理空間模型之間的關(guān)系 固體地球表面、大地水準(zhǔn)面和橢球體模型之間的關(guān)系,7,2019/10/13,8,（2）定位坐標(biāo)系：高程控制網(wǎng),8,2019/10/13,9,（1）定義：將地球橢球面上的點(diǎn)映射到平面上的 方法，稱為地圖投影,2、地圖投影,9,2019/10/13,10,投影—為什么要進(jìn)行投影 將地球橢球面上的點(diǎn)映射到平面上的方法，稱為地圖投影 地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo)，不方便進(jìn)行距離、方位、面積等參數(shù)的量算 地球橢球體為不可展曲面 地圖為平面，符合視覺心理，并易于進(jìn)行距離、方位、面積等量算和各種空間分析,10,2019/10/13,11,（2）投影實(shí)質(zhì) 建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和平面上相應(yīng)經(jīng)緯線網(wǎng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也就是建立地球橢球面上的點(diǎn)的地理坐標(biāo)（λ，φ）與平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（x，y）之間的函數(shù)關(guān)系： 當(dāng)給定不同的具體條件時(shí)，將得到不同類型的投影方式,11,2019/10/13,12,（3）投影變形 將不可展的地球橢球面展開成平面，并且不能有斷裂，則圖形必將在某些地方被拉伸，某些地方被壓縮，故投影變形是不可避免的。 長(zhǎng)度變形 面積變形 角度變形,,,12,2019/10/13,13,,,,,,,,（4）投影方法,,13,2019/10/13,14,（5）投影分類,,14,2019/10/13,15,（6）投影影響因素 制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍 制圖比例尺 地圖內(nèi)容 出版方式,,15,2019/10/13,16,2 地圖投影,GIS以地圖方式顯示地理信息。地圖是平面，而地理信息則是在地球橢球上，因此地圖投影在GIS中不可缺少。 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲(chǔ)時(shí)，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過(guò)投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)；而輸出或顯示時(shí)，則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過(guò)投影變換變換成指定投影的平面坐標(biāo)。 GIS中，地理數(shù)據(jù)的顯示可根據(jù)用戶的需要而指定投影方式，但當(dāng)所顯示的地圖與國(guó)家基本地圖系列的比例尺一致時(shí)，一般采用國(guó)家基本系列地圖所用的投影。,(7)GIS中的地圖投影,16,2019/10/13,17,（8）我國(guó)常用的地圖投影,小比例尺的中國(guó)行政區(qū)劃圖：蘭勃投影（正軸等積割圓錐投影） 大部分分省圖、大多數(shù)同級(jí)比例尺也采用蘭勃投影 1：50萬(wàn)、1：25萬(wàn)、1：10萬(wàn)、1：5萬(wàn)、1：2.5萬(wàn)、1:1萬(wàn)、1：5000采用高斯—克呂格投影。 世界政區(qū)圖：等差分緯線多圓錐投影；正切差分緯線多圓錐投影 世界交通圖、時(shí)區(qū)圖：墨卡托投影（等角正軸圓柱投影）,2地圖投影,17,2019/10/13,18,二 空間實(shí)體的表達(dá),1、矢量表示法：如果采用一個(gè)沒有大小的點(diǎn)（坐標(biāo)）來(lái)表示點(diǎn)元素時(shí)，就稱為矢量表示法。 2、柵格表示法：如果采用一個(gè)有固定大小的點(diǎn)（面元）來(lái)表達(dá)基本點(diǎn)元素時(shí)，就稱為柵格表示法。,18,2019/10/13,19,空間實(shí)體表達(dá)：矢量表示法,,點(diǎn)：位置：（x，y） 屬性：符號(hào),線：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 屬性：符號(hào)—形狀、顏色、尺寸,面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…, (xn,yn),(x1,y1) 屬性：符號(hào)變化， 等值線,19,2019/10/13,20,空間實(shí)體表達(dá)：柵格表示法,,20,2019/10/13,21,第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)及其特征,一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類 1、按數(shù)據(jù)來(lái)源 （1）地圖數(shù)據(jù) 普通地圖和專題地圖 （2）影像數(shù)據(jù) 衛(wèi)星遙感和航空遙感數(shù)據(jù) （3）文本數(shù)據(jù) 來(lái)源于各類調(diào)查報(bào)告，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)資料，解譯信息等．,21,2019/10/13,22,一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類,２、按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類 （1）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 是利用歐幾里得幾何學(xué)中的點(diǎn)、線、面及其組合體來(lái)表示地理實(shí)體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。 （2）柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即指將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個(gè)網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來(lái)表示地理實(shí)體的一種數(shù)據(jù)組織形式。,22,2019/10/13,23,一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類,３、按數(shù)據(jù)特征分類 （1）空間定位數(shù)據(jù) 表達(dá)空間實(shí)體在地球上位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)． （2）非空間數(shù)據(jù) 是關(guān)于空間實(shí)體自身的名稱，種類，質(zhì)量，數(shù)量等特征的數(shù)據(jù)．,23,2019/10/13,24,一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類,４、按數(shù)據(jù)的幾何特征分類 （1）點(diǎn)：對(duì)０維的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。 （2）線：對(duì)１維線性的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。 （３）面：對(duì)２維平面的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。 （４）曲面：對(duì)在面上連續(xù)分布的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)，通常稱２.５維數(shù)據(jù)。 （５）體：對(duì)３維的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。,24,2019/10/13,25,一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類,5、按數(shù)據(jù)的發(fā)布形式（４Ｄ數(shù)據(jù)） （1）數(shù)字線畫圖（ＤＬＧ）數(shù)據(jù)： 對(duì)現(xiàn)有地形要素的矢量數(shù)據(jù)，保存?zhèn)€要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息，全面地描述地表目標(biāo)． （2）數(shù)字柵格圖（ＤＲＧ）數(shù)據(jù)： 現(xiàn)有紙質(zhì)地圖經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到的柵格數(shù)據(jù)文件． （３）數(shù)字高程模型（ＤＥＭ）數(shù)據(jù)： 以數(shù)字形式表達(dá)的地形起伏數(shù)據(jù)． （４）數(shù)字正射影像（ＤＯＭ）數(shù)據(jù)：對(duì)遙感數(shù)字影像，經(jīng)逐像元進(jìn)行投影差改正，鑲嵌，按國(guó)家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字正射投影影像數(shù)據(jù)．,25,2019/10/13,26,GIS的空間數(shù)據(jù)類型,點(diǎn) 線 面 體 時(shí)間：通常以第四維表達(dá)，但目前GIS還很難處理時(shí)間屬性。 空間對(duì)象的維數(shù)與比例尺是相關(guān)的,26,2019/10/13,27,點(diǎn),美國(guó)佛羅里達(dá)洲地震監(jiān)測(cè)站2002年9月該洲可能的500個(gè)地震位置,27,2019/10/13,28,線,香港城市道路網(wǎng)分布,28,2019/10/13,29,面,中國(guó)土地利用分布圖（不連續(xù)面）,29,2019/10/13,30,體,香港理工大學(xué)校園立體效果圖,30,2019/10/13,31,二 空間數(shù)據(jù)的基本特征,1、空間數(shù)據(jù)的基本特征及信息,,31,2019/10/13,32,三 空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系,2、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系 （1）分類 拓?fù)湓兀狐c(diǎn)、線、面 基本拓?fù)潢P(guān)系： 關(guān)聯(lián)：不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系 鄰接：相同拓?fù)湓刂g的關(guān)系 包含：面與其他元素之間的關(guān)系 層次：相同拓?fù)湓刂g的層次關(guān)系,32,2019/10/13,33,拓?fù)浒姆诸?1、簡(jiǎn)單包含 ID＝P1 IW＝1 IP＝0 ID＝P2 IW＝0 IP?0 2、多層包含 ID＝P1 IW＝1 IP＝0 ID＝P2 IW＝1 IP?0 3、等價(jià)包含 ID＝P1 IW＝3 IP＝0 ID＝P2 IW＝0 IP?0 ID代表當(dāng)前多邊形；IW表示等價(jià)包含；IP表示ID為島（IP ? 0）或非島（IP ＝ 0） ；,33,2019/10/13,34,歐拉公式,,,,,,,,,,,,,,,n = 4， a = 4 b = 1， c = 1,n = 6， a = 7 b = 2， c = 1,n = 4， a = 5 b = 2， c = 1,n = 10， a = 12 b = 3， c = 1,,,,,,,,,,,,,,,,類型：數(shù)字、字母、數(shù)字字母混合型,34,2019/10/13,35,（2）空間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)：關(guān)系表,,二 空間數(shù)據(jù)的基本特征,,35,2019/10/13,36,（3）構(gòu)建拓?fù)潢P(guān)系的意義 A根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或距離，可以確定地理實(shí)體相對(duì)于另一種地理實(shí)體的空間位置關(guān)系。 B利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)有利于空間要素的查詢。 C可以利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)作為工具，重建地理實(shí)體。 D保證數(shù)字化原始數(shù)據(jù)的自動(dòng)查錯(cuò)編輯。,三 空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系,36,2019/10/13,37,四 空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)表示,ARC/INFO 矢量數(shù)據(jù)模型的系統(tǒng) 1、將空間數(shù)據(jù)抽象為不同的專題或?qū)?（每個(gè)專題層包含指定區(qū)域內(nèi)地理要素的位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)） 2、將一個(gè)專題層的地理要素或?qū)嶓w分解為點(diǎn)、線或面狀目標(biāo)。（地理實(shí)體相鄰兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的一個(gè)弧段是基本的存儲(chǔ)目標(biāo)，每個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)包括由定位數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成）,37,2019/10/13,38,四 空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)表示,3、空間數(shù)據(jù)表示方法： （1）空間分幅：將整個(gè)地理空間劃分為許多子空間，再選擇要表達(dá)的子空間。 （2）屬性分層：將要表達(dá)的空間數(shù)據(jù)抽象成不同類型屬性的數(shù)據(jù)層來(lái)表示。 （3）時(shí)間分段：將有時(shí)間特征的地理數(shù)據(jù)按其變化規(guī)律劃分為不同的時(shí)間段數(shù)據(jù)，再逐一表示。,38,2019/10/13,39,四 空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)表示,4、空間數(shù)據(jù)表示 類型：具有相同的分類碼的同類目標(biāo)組成類型 ID 圖層：一類或相近的若干類構(gòu)成數(shù)據(jù)層； 圖幅：若干數(shù)據(jù)層構(gòu)成圖幅； 數(shù)據(jù)庫(kù)：全部數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)庫(kù)。 目標(biāo)的數(shù)字表示： A每個(gè)弧段或目標(biāo)分配一個(gè)用戶標(biāo)識(shí)碼（USE－ID）） B弧段的位置和形狀由一系列x,y坐標(biāo)定義 C弧段的拓?fù)潢P(guān)系由始結(jié)點(diǎn)、終結(jié)點(diǎn)、左多邊形和右多邊形數(shù)據(jù)項(xiàng)組成 D弧段的屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的屬性表中 E每個(gè)弧段的空間特征和屬性特征通過(guò)用戶標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行聯(lián)結(jié)。,,,39,2019/10/13,40,第三節(jié) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型,1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是適合于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理、處理的數(shù)據(jù)邏輯表達(dá)。（指數(shù)據(jù)以什么形式在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和管理） （矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)） 2、矢量數(shù)據(jù)：是面向地物的結(jié)構(gòu)，即對(duì)于每一個(gè)具體的目標(biāo)都會(huì)直接賦有位置和屬性信息以及目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系說(shuō)明。 3、柵格數(shù)據(jù)：面向位置的結(jié)構(gòu)，平面空間上的任何一點(diǎn)都直接聯(lián)系到某一個(gè)或某一類地物。 4、矢－柵一體化結(jié)構(gòu)：矢量和柵格兩格結(jié)構(gòu)的特征。,40,2019/10/13,41,一 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （1）矢量：具有大小和方向的量的向量 （2）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即為矢量數(shù)據(jù)，是利用歐幾里得幾何學(xué)中的點(diǎn)、線、面及其組合體來(lái)表示地理實(shí)體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。 （3）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： A 能最好地逼近地理實(shí)體的空間分布特征 B 數(shù)據(jù)精度高 C 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的冗余度低 D 便于進(jìn)行地理實(shí)體的網(wǎng)絡(luò)分析 E 對(duì)于多層數(shù)據(jù)的疊合分析比較困難,41,2019/10/13,42,（一）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型 1、簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 只記錄空間對(duì)象的位置坐標(biāo)和屬性信息，不記錄拓?fù)潢P(guān)系（又稱面條結(jié)構(gòu)）。 存儲(chǔ):（1）獨(dú)立存儲(chǔ)：空間對(duì)象位置直接跟隨空間對(duì)象； （2）點(diǎn)位：點(diǎn)坐標(biāo)獨(dú)立存儲(chǔ)，線、面由點(diǎn)號(hào)組成 特征:（1）無(wú)拓?fù)潢P(guān)系，主要用于顯示、輸出及一般查詢； （2）公共邊重復(fù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)冗余，難以保證數(shù)據(jù)獨(dú)立性； 和一致性多邊形分解和合并不易進(jìn)行，鄰域處理較復(fù)雜 （3）處理嵌套多邊形比較麻煩。 簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)適用范圍：制圖及一般查詢，不適合復(fù)雜的空間分析。,42,2019/10/13,43,,,例：,43,2019/10/13,44,2、拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 包括DIME（對(duì)偶獨(dú)立地圖編碼法，由美國(guó)人口調(diào)查局建立）、POLYVRT（多邊形轉(zhuǎn)換器，由美國(guó)計(jì)算機(jī)圖形及空間分析實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)立）、TIGER(地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)浼桑┑取?特點(diǎn):（1）點(diǎn)是相互獨(dú)立的，點(diǎn)連成線，線構(gòu)成面。 （2）每條線始于起始結(jié)點(diǎn)（FN）止于終止結(jié)點(diǎn)（TN）并 與左右多邊形（LP和RP）相鄰接。 （3）構(gòu)成多邊形的線又稱為鏈段和弧段，兩條以上的弧 段相交的點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)，由一條弧組成的多邊形稱為島， 多邊形中不含島的多邊形稱為簡(jiǎn)單多邊形，表示單連 通區(qū)域含島的多邊形稱為復(fù)合多邊形，表示復(fù)連通 區(qū)域。如下圖,44,2019/10/13,45,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全顯式表達(dá),45,2019/10/13,46,,,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：部分顯式表達(dá),用上述部分表格表示空間目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系： （1）System9：面-弧 、弧-點(diǎn) （2）DIME：弧-點(diǎn)、弧-面 DIME是美國(guó)人口調(diào)查局在人口調(diào)查的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它通過(guò)有向編碼建立了多邊形、邊界、節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，DIME編碼成為其它拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。 目前商用GIS還沒有超出上述四個(gè)表格的拓?fù)潢P(guān)系,46,2019/10/13,47,GIS中引入拓?fù)潢P(guān)系的優(yōu)缺點(diǎn),（1）優(yōu)點(diǎn) A 描述點(diǎn)、線、面的空間關(guān)系不完全依賴于具體的坐標(biāo)位置。 B 空間關(guān)系信息豐富、簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)冗余小。 C 方便多邊形和多邊形的疊合。 D 便于檢查數(shù)據(jù)輸入過(guò)程中的錯(cuò)誤。 （2）缺點(diǎn) A 拓?fù)潢P(guān)系建立過(guò)程比較復(fù)雜 B 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身復(fù)雜,47,2019/10/13,48,空間對(duì)象關(guān)系表達(dá),如何描述空間對(duì)象之間的空間相互作用關(guān)系？ 1、方法 絕對(duì)關(guān)系: 坐標(biāo)、角度、方位、距離等； 相對(duì)關(guān)系：相鄰、包含、關(guān)聯(lián)等 2、 相對(duì)關(guān)系類型 拓?fù)淇臻g關(guān)系：描述空間對(duì)象的相鄰、包含等 順序空間關(guān)系：描述空間對(duì)象在空間上的排列次序，如前后、左右、東、西、南、北等。 度量空間關(guān)系：描述空間對(duì)象之間的距離等。,48,2019/10/13,49,空間對(duì)象關(guān)系表達(dá),A：地圖、遙感影象上的空間關(guān)系是通過(guò)圖形識(shí)別的，在GIS中的空間關(guān)系則必須顯式的進(jìn)行定義和表達(dá)。 B：空間關(guān)系的描述多種多樣，目前尚未有具體的標(biāo)準(zhǔn)和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法進(jìn)行描述,49,2019/10/13,50,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：是否需要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?,可以根據(jù)應(yīng)用目的： 制圖或一般查詢，可不要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 空間分析，則應(yīng)建立拓?fù)潢P(guān)系 也可以根據(jù)服務(wù)對(duì)象和系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 面狀目標(biāo)：面-弧、弧-面 網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)：點(diǎn)-弧、弧-點(diǎn),50,2019/10/13,51,3、曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 曲面指連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，具有這種覆蓋表面的地理要素有地形、降水量、溫度、磁場(chǎng)等。 表示和存儲(chǔ)這些要素的基本要求是必須便于連續(xù)現(xiàn)象在任一點(diǎn)的的內(nèi)插計(jì)算。常用不規(guī)則三角網(wǎng)來(lái)擬合連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，稱為TIN。 主要采用狄洛尼三角網(wǎng)來(lái)擬合地形信息。,51,2019/10/13,52,,,不規(guī)則三角網(wǎng),52,2019/10/13,53,不規(guī)則三角網(wǎng)下建立的3D可視化,53,狄洛尼三角網(wǎng)遵守平面圖形的歐拉公式,歐拉公式：凸多面體的頂點(diǎn)數(shù)（n），棱數(shù)（m）及面數(shù)（r）之間的關(guān)系式： n – m + r = 2,54,2019/10/13,55,二 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即指將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個(gè)網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來(lái)表示地理實(shí)體的一種數(shù)據(jù)組織形式。 2、地理要素的表示方法： (1)點(diǎn)：由一個(gè)單元網(wǎng)格表示，其數(shù)值與近鄰網(wǎng)格值明顯不同； (2)線：線段由一串有序的相互連續(xù)的單元網(wǎng)格表示，各個(gè)網(wǎng)格的值比較一致，但與領(lǐng)域的值差異較大； (3)多邊形：由聚集在一起的相互連接的單元網(wǎng)格組成，區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)格值相同或差異較小，與領(lǐng)域網(wǎng)格的值差異較大。,55,2019/10/13,56,3、網(wǎng)格邊長(zhǎng)決定柵格數(shù)據(jù)的精度，通常，網(wǎng)格越大，精度越小。 如何合理的選擇網(wǎng)格尺寸選擇？ H＝1/2({Ai })1/2 式中：i=1,2,……n(區(qū)域多邊形數(shù))，A是研究區(qū)域最小圖斑的面積,56,2019/10/13,57,4、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相比較） 優(yōu)點(diǎn)：(1)表達(dá)地理要素比較直觀；(2)容易實(shí)現(xiàn)多元數(shù) 據(jù)的疊合操作；(3)便于與遙感圖像及掃描輸入 數(shù)據(jù)相匹配建庫(kù)和使用等。 缺點(diǎn)：(1)存儲(chǔ)空間大；(2)由于相鄰柵格單元屬性值的 相關(guān)性，造成柵格數(shù)據(jù)的冗余度；(3)柵格數(shù)據(jù) 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析和建立網(wǎng)絡(luò)連接 關(guān)系比較困難。 5、柵格數(shù)據(jù)獲取方式：遙感數(shù)據(jù)；圖片掃描數(shù)據(jù)；矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；手工方式,57,2019/10/13,58,點(diǎn),,,線,,,面,,,58,2019/10/13,59,（一）柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型,1、柵格矩陣結(jié)構(gòu) 是一種全柵格陣列的空間數(shù)據(jù)組織形式。特點(diǎn)：儲(chǔ)存需占空間大。若一個(gè)柵格單元為2個(gè)字節(jié)，則一個(gè)矩陣M行，N列的柵格圖像存儲(chǔ)空間為：M*N*2（字節(jié)）。例如影像： A B B A A B A A A 在計(jì)算機(jī)內(nèi)是一個(gè)3*3階的矩陣。但在外部設(shè)備上，通常是以左上角開始逐行逐列存貯。如上例存貯順序?yàn)椋篈 B B A A B A A A 當(dāng)每個(gè)像元都有唯一一個(gè)屬性值時(shí)，一層內(nèi)的編碼就需要m行×n列×每個(gè)單元占的字節(jié)數(shù)(x,y和屬性編碼值)個(gè)存儲(chǔ)單元。數(shù)字地面模型就屬此種情況。 例：若一個(gè)面積為100km2的區(qū)域，如果網(wǎng)格的邊長(zhǎng)取1m，每個(gè)網(wǎng)格用一個(gè)字節(jié)表示，剛一個(gè)圖層的要素占200M字節(jié)的存儲(chǔ)空間。,59,2019/10/13,60,2、游程編碼結(jié)構(gòu) 游程：指相鄰?fù)稻W(wǎng)格的數(shù)量。 游程編碼結(jié)構(gòu)：是逐行將相鄰?fù)档木W(wǎng)格合并，并記錄 合并后網(wǎng)格的值及合并網(wǎng)格的長(zhǎng)度。 目的：壓縮柵格數(shù)據(jù)量，消除數(shù)據(jù)間的冗余。,60,2019/10/13,61,（1）游程編碼建立的方法：將柵格矩陣的數(shù)據(jù)序列X1， X2 …… Xn ，映射為相應(yīng)的二元組序列（Ai，Pi ），i=1，k,且k《n。A為屬性值，P為游程，K為游程序號(hào)。 游程編碼表示柵格矩陣數(shù)據(jù),61,2019/10/13,62,（2）圖層的數(shù)據(jù)冗余度Re： Q為圖層內(nèi)相鄰屬性值變化次數(shù)的累加和；M為圖層網(wǎng)格的行數(shù)； N為圖層網(wǎng)格的列數(shù)。若Re大于20%柵格數(shù)據(jù)的壓縮效果明顯。 壓縮效果用壓縮比: 這里n表示壓縮前的存儲(chǔ)容量，k表示壓縮后的存儲(chǔ)容量。 例：一平方公里的正方形區(qū)域，建立柵格數(shù)據(jù)，取柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)格邊長(zhǎng)為10米，建立了一個(gè)100*100的柵格矩陣，若每個(gè)柵格矩陣的數(shù)據(jù)用一個(gè)8位碼表示，需用空間10000個(gè)字節(jié)，而采用游程長(zhǎng)度壓縮碼表示時(shí)，建立的游程總數(shù)為500個(gè)，每個(gè)游程用一個(gè)雙字節(jié)來(lái)表示，則壓縮比：10：1,62,2019/10/13,63,（3）游程編碼數(shù)據(jù)的組織形式 采用索引文件的方法來(lái)組織數(shù)據(jù)，訪問效率快。,63,2019/10/13,64,3 四叉樹編碼結(jié)構(gòu),四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的原理： （1）自上而下的方法 將一幅柵格地圖或圖象等分為四部分。逐塊檢查其格網(wǎng)屬性值（或灰度）。如果某個(gè)子區(qū)的所有格網(wǎng)值都具有相同的值，則這個(gè)子區(qū)就不再繼續(xù)分割，否則還要把這個(gè)子區(qū)再分割成四個(gè)子區(qū)。這樣遞次地分割，直到每個(gè)子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。 凡數(shù)值呈單調(diào)的單元，不論單元大小，均作最后的存儲(chǔ)單位。這四個(gè)等分區(qū)稱為四個(gè)子象限，按順序?yàn)樽笊希∟W）、右上（NE）、左下（SW）、右下（SE）。用一個(gè)樹結(jié)構(gòu)表示，如前所述，這種自上而下分割的方法需要大量重復(fù)運(yùn)算，因而應(yīng)用得比較少。如下圖：，,64,2019/10/13,65,65,2019/10/13,66,1、對(duì)于一個(gè)n×n（n=2k，k1）的柵格方陣組成的區(qū)域作四叉樹編碼，其中k稱為分辨率。第一分割四個(gè)子象限，它們分別包括： 2、如果要再分割下一層，其子象限分別為：,66,2019/10/13,67,（2）自下而上合并的方法 是將二維矩陣的每個(gè)元素的下標(biāo)轉(zhuǎn)換成Morton地址碼，并將元素按碼的升序排列成線性表。其建立的過(guò)程如下： 先將十進(jìn)制的行列號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)表示，然后按下式計(jì)算每個(gè)柵格單元對(duì)應(yīng)的 Morton碼：Mo=2Ib+Jb 式中Ib為二進(jìn)制行號(hào)，Jb為二進(jìn)制列號(hào)。如下圖7*7柵格的Morton碼表：,67,2019/10/13,68,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：壓縮編碼方案,起點(diǎn)行列號(hào)，單位矢量 R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3,鏈?zhǔn)骄幋a,游程長(zhǎng)度編碼,逐行編碼 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu): 行號(hào), 屬性, 重復(fù)次數(shù) 1, A, 4; R, 1; A, 3 按游程序號(hào)編碼： 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：游程序號(hào),（屬性值，游程） 1,（A，4）；2,（R，1）；3,（A, 6)……,塊狀編碼,正方形區(qū)域?yàn)橛涗泦卧?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu): 初始位置, 半徑, 屬性 (1,1,3,A),(1,4,1,A)(1,5,1,R),(1,6,2,A),…,,,,,,,,,,,四叉樹編碼,,,,,68,2019/10/13,69,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),1、離散的量化柵格值表示空間對(duì)象 2、位置隱含,屬性明顯 3、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于遙感數(shù)據(jù)結(jié)合,但數(shù)據(jù)量大 4、幾何和屬性偏差 5、面向位置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),難以建立空間對(duì)象之間的關(guān)系,69,2019/10/13,70,三、矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1、矢量與柵格一體化的基本概念； （1）四庫(kù)合一： 新一代集成化的地理信息系統(tǒng)，能夠統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。 （2）矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 矢量與柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來(lái)，既具有矢量特性，又具有柵格性質(zhì)。 如線狀實(shí)體：除記錄原始取樣點(diǎn)，還要記錄所通過(guò)的柵格。面狀地物：除記錄它的多邊形邊界外，還記錄中間包含的柵格。,70,2019/10/13,71,（3）矢量與柵格化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)： A 點(diǎn)狀目標(biāo)：表示點(diǎn)的一個(gè)位置數(shù)據(jù)及與結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的弧段信息。 B 線狀目標(biāo)：用一組土元子來(lái)填滿整個(gè)路徑，并表示該弧段相關(guān)的拓?fù)湫畔ⅰ?C 面狀目標(biāo)：由元子填滿路徑的一組邊界和邊界組成的空間。,71,2019/10/13,72,三、矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2、矢量與柵格一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）點(diǎn)狀目標(biāo)和結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 將點(diǎn)坐標(biāo)化為兩個(gè)地址碼。其結(jié)構(gòu)如： 結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào) M1 M2 高程Z 關(guān)聯(lián)弧段 （2）線狀目標(biāo)和弧段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 線狀目標(biāo)點(diǎn)要將其通過(guò)的柵格地址全部記錄下來(lái)，先記錄線狀地物的弧段的數(shù)據(jù)文件。其文件結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為： 弧標(biāo)識(shí)號(hào) 始結(jié)點(diǎn) 終結(jié)點(diǎn) 左區(qū) 右區(qū) 中間點(diǎn)串（M1，M2…Mz）,72,2019/10/13,73,（3）面狀目標(biāo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 面狀目標(biāo)應(yīng)包含邊界和邊界所包圍的整個(gè)區(qū)域。邊界由弧段組成，關(guān)聯(lián)弧段構(gòu)成多邊形區(qū)域，通過(guò)關(guān)聯(lián)弧段與弧段數(shù)據(jù)的連接，可建立多邊形與弧段之間的拓?fù)潢P(guān)系。面狀目標(biāo)的中間采用柵格或者游程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。 面狀目標(biāo)及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：多邊形標(biāo)識(shí)號(hào) 關(guān)聯(lián)弧段 面塊頭指針（M碼） 面塊頭指針：是指向該目標(biāo)的下一個(gè)子塊的記錄或地址碼，并在最后指向該目標(biāo)的對(duì)應(yīng)屬性值。,73,矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較,,2019/10/13,74,74,2019/10/13,75,五、其它數(shù)據(jù)模型：CAD模型,75,2019/10/13,76,五、其它數(shù)據(jù)模型：影像數(shù)據(jù)模型,76,2019/10/13,77,第四節(jié) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立,空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立：是指根據(jù) 確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，形成與該 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的GIS空間數(shù)據(jù)， 為空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供物質(zhì)基 礎(chǔ)。,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立的基本過(guò)程,77,2019/10/13,78,第四節(jié) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立,一、系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)間的關(guān)系 現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)模式的一個(gè)重要特征是數(shù)據(jù)與功能之間具有密切的聯(lián)系(見下表)，因此，在確定數(shù)據(jù)內(nèi)容時(shí)，首先必須明確系統(tǒng)的功能； 對(duì)開發(fā)的GIS系統(tǒng)的功能，是通過(guò)用戶需求調(diào)查來(lái)確定的，因此，在開發(fā)GIS系統(tǒng)之前，首先要進(jìn)行系統(tǒng)分析。,78,2019/10/13,79,表:系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)間的關(guān)系,79,2019/10/13,80,二、空間數(shù)據(jù)的分類和編碼,（一）空間數(shù)據(jù)的分類： 是指根據(jù)系統(tǒng)功能及國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將具有不同屬性或特征的要素區(qū)別開來(lái)的過(guò)程，以便從邏輯上將空間數(shù)據(jù)組織為不同的信息層，為數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理、查詢和共享提供依據(jù)。(見下圖),80,2019/10/13,81,數(shù)據(jù)分層,土壤,地貌,森林,建筑物,,,,Z,Y,X,81,2019/10/13,82,二、空間數(shù)據(jù)的分類和編碼,（二）空間數(shù)據(jù)的編碼： 是指將數(shù)據(jù)分類的結(jié)果，用一種易于被計(jì)算機(jī)和人識(shí)別的符號(hào)系統(tǒng)表示出來(lái)的過(guò)程。 編碼的結(jié)果是形成代碼。代碼由數(shù)字或字符組成。 例如，我國(guó)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的分類代碼由六位數(shù)字組成，其代碼結(jié)構(gòu)如下所示：,82,2019/10/13,83,空間數(shù)據(jù)編碼（續(xù)）：例,國(guó)標(biāo)行政區(qū)劃代碼（GB-2260-91） 地形要素分類編碼,83,2019/10/13,84,層次分類編碼,分類對(duì)象的從屬和層次關(guān)系,84,2019/10/13,85,多源分類編碼,按空間對(duì)象不同特性進(jìn)行分類并進(jìn)編碼代碼之間沒有隸屬關(guān)系，反映對(duì)象特性具有較大的信息量，有利于空間分析,85,2019/10/13,86,三 數(shù)據(jù)的輸入與編輯,（一）矢量數(shù)據(jù)的輸入與編輯 1、矢量的輸入，是指將分類和編碼的空間對(duì)象圖形轉(zhuǎn)換為一系列x、y坐標(biāo)，然后按照確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加入到線段或標(biāo)示點(diǎn)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件中去； 2、空間數(shù)據(jù)編輯的目的是為了消除數(shù)字化過(guò)程中引入的各類錯(cuò)誤和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系檢查等而進(jìn)行的操作。,86,2019/10/13,87,（一）矢量數(shù)據(jù)的輸入與編輯,3、矢量數(shù)據(jù)的輸入與編輯過(guò)程舉例 （1）原圖準(zhǔn)備 （2）輸入初始化參數(shù) （3）輸入數(shù)字化圖幅四角點(diǎn)的坐標(biāo)和經(jīng)標(biāo)識(shí)的控制點(diǎn)。（包括圖名、圖號(hào)、圖例等） （4）輸入數(shù)字化圖幅內(nèi)的圖形，直到形成一個(gè)數(shù)字化信息存儲(chǔ)層 （5）檢查和修改數(shù)字化錯(cuò)誤。 （6）建立拓?fù)潢P(guān)系和輸入屬性。 （7）檢查和修改拓?fù)溴e(cuò)誤。 （8）檢查和修改屬性表錯(cuò)誤。,87,2019/10/13,88,（二) 柵格數(shù)據(jù)的輸入與編輯,1、柵格數(shù)據(jù)的輸入過(guò)程是產(chǎn)生和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的GIS空間數(shù)據(jù)的過(guò)程。 2、柵格數(shù)據(jù)的輸入方法包括透明格網(wǎng)采集輸入、掃描數(shù)字化輸入及其它數(shù)據(jù)傳輸或轉(zhuǎn)換輸入等； 透明格網(wǎng)采集輸入的步驟：A：首先準(zhǔn)備一張聚脂薄膜透明網(wǎng)格，格網(wǎng)的尺寸依要求而定； B：將此格網(wǎng)疊置于原圖上，根據(jù)單位格網(wǎng)交點(diǎn)歸屬法，單位格網(wǎng)面積占優(yōu)法等可以直接獲取相應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)。,88,2019/10/13,89,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)卧荡_定,百分比法,面 積 占 優(yōu),重 要 性,中心點(diǎn)法,A 連續(xù)分布地理要素,C 具有特殊意義 的較小地物,A 分類較細(xì)、 地物斑塊較小,AB,89,2019/10/13,90,數(shù)據(jù)采集在GIS中的地位,以數(shù)據(jù)為處理線索 硬件∶軟件∶數(shù)據(jù) = 1∶2 ∶7,90,2019/10/13,91,常見數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤,圖紙移動(dòng) 圖紙變形 制圖誤差 數(shù)字化誤差 各種誤差將影響到GIS數(shù)據(jù)處理的各個(gè)環(huán)節(jié),91,2019/10/13,92,圖幅接邊誤差,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,92,2019/10/13,93,數(shù)字化誤差,93,2019/10/13,94,地圖綜合（矢量數(shù)據(jù)概化）,94,2019/10/13,95,柵格數(shù)據(jù)重采樣,,1MMU = 1公頃,1MMU = 9公頃,MMU：最小制圖單位,95,2019/10/13,96,邊界匹配,不同圖幅的連接 自動(dòng)、手工,,,96,2019/10/13,97,思考題,1、名詞解釋：矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、4D數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)的編碼、空間數(shù)據(jù)的分類 2、問答題 （1）在GIS中引入拓?fù)潢P(guān)系的優(yōu)、缺點(diǎn)。 （2）矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)比較。 （3）試建立（A）P55圖的拓?fù)湮募ɑ。妫幻妫?；點(diǎn)－弧，線的方向定義為點(diǎn)標(biāo)號(hào)從小到大的方向）；若將該圖邊長(zhǎng)等分為8份，以面積最大法取屬性，試建立（B）該圖層的柵格數(shù)據(jù)文件；（C）該圖層的游程編碼，并計(jì)算該柵格文件的數(shù)據(jù)冗余度；（D）建立該圖層的左上四分之一線性四叉樹編碼。（E）建立114邊界線（邊界線的屬性為BJ，將邊界線均柵格化后完成編碼）的鏈?zhǔn)骄幋a；（F）建立柵格圖的塊式編碼（上半部份）。 （4）試述GIS空間數(shù)據(jù)的基本特征及其計(jì)算機(jī)中的表示方法。,97,