地理信息系統(tǒng)概論 第二章

1、地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)Geographical Information System第二章第二章 地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2022-3-122第一節(jié)地理空間及其表達(dá)一、地理空間的概念一、地理空間的概念n地理空間定義2022-3-1232022-3-1241、GEOSPATIAL研究?jī)?nèi)容研究?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2022-3-125（1）定位坐標(biāo)系：平面控制網(wǎng)直接建立在球體上的地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達(dá)地理對(duì)象位置建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，

2、y）表達(dá)地理對(duì)象位置投影2022-3-126人們對(duì)平面控制網(wǎng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程人們對(duì)平面控制網(wǎng)的認(rèn)識(shí)過(guò)程地球自然表面極不規(guī)則，無(wú)法用數(shù)學(xué)表面進(jìn)行描述水準(zhǔn)面所包圍的球體大地水準(zhǔn)面所包圍的球體旋轉(zhuǎn)橢球體不規(guī)則性、動(dòng)態(tài)性、不唯一性不規(guī)則性、相對(duì)唯一性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)曲面1952：海福特橢球1953：克拉索夫斯基橢球1978：1975年國(guó)際橢球2022-3-127n不同地理空間模型之間的關(guān)系2022-3-128（2）定位坐標(biāo)系：高程控制網(wǎng)任意水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面HAHA鉛垂線AHBHBhAB水準(zhǔn)原點(diǎn)1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，比黃海平均海平面高29mm黃海海面1952-1979年平均海水面為0米2022-3-129（1）定義：

3、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2022-3-1210n投影投影為什么要進(jìn)行投影為什么要進(jìn)行投影n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n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n地球橢球體為不可展曲面n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2022-3-1211 （2）投影實(shí)質(zhì)）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)（，）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),(),(21

4、fyfx2022-3-1212（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Mercator ProjectionMollweide Projection2022-3-1213投影面地球（4）投影方法）投影方法2022-3-1214偽圓錐投影地圖投影變形規(guī)律構(gòu)成方式幾何投影非幾何投影方位投影圓柱投影圓錐投影多圓錐投影偽圓柱投影偽方位投影等積投影等角投影任意投影（5）投影分類）投影分類2022-3-1215（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2

5、022-3-12162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2022-3-1217（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)

6、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2022-3-1218二空間實(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。2022-3-1219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

7、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 2022-3-1220空間實(shí)體表達(dá)：柵格表示法2022-3-1221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2022-3-1222一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類、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

8、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。2022-3-1223一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類、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)2022-3-1224一、GIS的空間數(shù)據(jù)的分類、按數(shù)據(jù)的幾何特征分類（1）點(diǎn)：對(duì)維的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。（2）線：對(duì)維線性的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。（）面：對(duì)維平面的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。 （）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.維數(shù)據(jù)。（）體：對(duì)維的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)。2022-3-1225一、G

9、IS的空間數(shù)據(jù)的分類5、按數(shù)據(jù)的發(fā)布形式（數(shù)據(jù)）（1）數(shù)字線畫圖（）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（）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（）數(shù)字高程模型（）數(shù)據(jù)：以數(shù)字形式表達(dá)的地形起伏數(shù)據(jù) （）數(shù)字正射影像（）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)2022-3-1226GIS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?？臻g對(duì)象的維數(shù)與比例尺是相關(guān)的2022-3-1227點(diǎn)美國(guó)佛羅里達(dá)洲地震監(jiān)測(cè)站

10、2002年9月該洲可能的500個(gè)地震位置2022-3-1228線香港城市道路網(wǎng)分布2022-3-1229面中國(guó)土地利用分布圖（不連續(xù)面）2022-3-1230體香港理工大學(xué)校園立體效果圖2022-3-1231二空間數(shù)據(jù)的基本特征1、空間數(shù)據(jù)的基本特征及信息空間數(shù)據(jù)包括的基本信息空間特征數(shù)據(jù)屬性特征數(shù)據(jù)時(shí)間特征數(shù)據(jù)2022-3-1232三空間數(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：l 關(guān)聯(lián)：不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系l 鄰接：相同拓?fù)湓刂g的關(guān)系l 包含：面與其他元素之間的關(guān)系l 層次：相同拓?fù)湓刂g的層次關(guān)系弧段4起點(diǎn)終點(diǎn)中間點(diǎn)弧段1弧段3弧段2點(diǎn):面:

11、弧:鄰接相交重合相離包含點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)線點(diǎn)面線面面面線線2022-3-1233拓?fù)浒姆诸?、簡(jiǎn)單包含IDP1IW1IP0IDP2IW0IP02、多層包含IDP1IW1IP0IDP2IW1IP03、等價(jià)包含IDP1IW3IP0IDP2IW0IP0ID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） ；2022-3-1234歐拉公式c + a = n + bn: 結(jié)點(diǎn)數(shù)a: 弧段數(shù)b: 多邊形數(shù)c: 常數(shù)，為多邊形地圖特征。若b包含邊界里面和外面的多邊形，則c=2，若b僅包含邊界內(nèi)部多邊形，則c=1n = 4， a = 4b = 1， c = 1n = 6， a = 7

12、b = 2， c = 1n = 4， a = 5b = 2， c = 1n = 10， a = 12b = 3， c = 1n類型：數(shù)字、字母、數(shù)字字母混合型2022-3-1235（2）空間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)：關(guān)系表ebc41325ABC76Dada: 結(jié)點(diǎn)號(hào)A: 多邊形號(hào)1: 弧段號(hào)弧段數(shù)字化方向表中數(shù)字前負(fù)號(hào)為相反方向弧-面拓?fù)浠《巫竺嬗颐嫫瘘c(diǎn)終點(diǎn)1Aca2ABbc3CAba4Cda5CBdb6BDee7Bdc面-弧拓?fù)涿嫣?hào)弧數(shù)弧號(hào)A3-1,-2,3B42,-7,5,0,-6C3-3,-5,4D16結(jié)點(diǎn)-弧拓?fù)浣Y(jié)點(diǎn)弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6二空間數(shù)據(jù)的基本特征2022

13、-3-1236（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2022-3-1237四空間數(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)樱總€(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）202

14、2-3-1238四空間數(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。2022-3-1239四空間數(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（USEID）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

15、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)。2022-3-1240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。2022-3-1241一矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1

16、）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2022-3-1242（一）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型（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)、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

17、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。2022-3-1243例：多邊形編碼坐標(biāo)At1231，23，4Bt1245 , 6點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)123451，23，45，67，8多邊形編碼點(diǎn)號(hào)串ABT123t1241,2,3,4,7,6,11,6,7,4,5,11234567AB2022-3-1244 2、拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、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

18、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2022-3-1245拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：全顯式表達(dá)全顯式表達(dá)N1B2N2N4N3B3B4B1A1A2A6A5A4A3

19、A7A8N5A8B1 B2 B3 B4A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7N1 N2N3 N4 N5M面弧點(diǎn)面-弧拓?fù)涿婊《位?點(diǎn)拓?fù)浠∑瘘c(diǎn)弧-面拓?fù)浠∽竺纥c(diǎn)-弧拓?fù)潼c(diǎn)弧段終點(diǎn)右面2022-3-1246拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：部分顯式表達(dá)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2022-3-1247 GIS中引入拓?fù)潢P(guān)系的

20、優(yōu)缺點(diǎn)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2022-3-1248空間對(duì)象關(guān)系表達(dá)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l拓?fù)淇臻g關(guān)系：描述空間對(duì)象的相鄰、包含等l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

21、的距離等。2022-3-1249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2022-3-1250 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：是否需要拓?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)2022-3-12513、曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、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

22、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。2022-3-1252n不規(guī)則三角網(wǎng)X-Y Coordinatesnode#coordinates12311. . .x1, y1x2, y2x3, y3. . .x11, y11Z Coordinatesnode#z_value12311. . .z1. . .z2z3z111236587911104ABCDEFGHIJKLMNEDGESadjacentABCDEFGHIJKLMNB

23、, KA, C, LB, DC, E, LD, FE, GF, H, MG, IH, J, NI, KA, J, NB, D, MG, L, NI, K, MNODESnode#ABCDEFGHIJKLMN1, 6, 71, 7, 81, 2, 82, 8, 92, 3, 93, 4, 94, 9, 104, 5, 105, 10, 115, 6, 116, 7, 117, 8, 97, 9, 107, 10, 112022-3-1253不規(guī)則三角網(wǎng)下建立的3D可視化狄洛尼三角網(wǎng)遵守平面圖形的歐拉公式狄洛尼三角網(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

24、的關(guān)系式： n m + r = 2 2022-3-1255二柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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。2022-3-12563、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

25、理的選擇網(wǎng)格尺寸選擇？ H1/2(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2022-3-12574、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2022-3-1258點(diǎn)線面2022-3-1259（一）柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型1、

26、柵格矩陣結(jié)構(gòu)、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200

27、M字節(jié)的存儲(chǔ)空間。2022-3-12602、游程編碼結(jié)構(gòu)、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。2022-3-1261（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kn。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)2022-3-1262（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

28、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：10：12022-3-1263（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(wèn)效率快。2022-3-12643 四叉樹編碼結(jié)構(gòu)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：四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的原理：（1）自上而下的方法自上而下的方法 將一幅柵格

29、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：，2022-3-12652022-3-12661、對(duì)于一個(gè)nn（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

30、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：2022-3-1267（2 2）自下而上合并的方法）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：2022-3-1268柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：壓縮編碼方案壓縮編碼方案AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAAAAA

31、RAAAARAAARRAAA143258761234567801234567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)橛涗泦卧獢?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),NESWNWSEGG G G A G G A A G A A A四叉樹編碼2022-3-1269柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)柵格數(shù)據(jù)

32、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2022-3-12701 1、矢量與柵格一體化的基本概念；、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。2022-3-1271（3）矢量與

33、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?。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。2022-3-12722、矢量與柵格一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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)M1M2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，M2Mz）202

34、2-3-1273（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。2022-3-1274四、矢量柵格數(shù)據(jù)比較四、矢量柵格數(shù)據(jù)比較矢量數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)： 1、表示地理數(shù)據(jù)的精度較高 2、嚴(yán)密的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量小 3、用網(wǎng)絡(luò)連接法能完整地描述拓?fù)潢P(guān)系 4、圖形輸出精確美觀 5、圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)

35、據(jù)的恢復(fù)、更新、綜合都能實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)： 1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 2、矢量多邊形地圖或多邊形網(wǎng)很難用疊置方法與柵格圖進(jìn)行組合 3、顯示和繪圖費(fèi)用高，特別是高質(zhì)量繪圖、彩色繪圖和暈線圖等 4、數(shù)學(xué)模擬比較困難 5、技術(shù)復(fù)雜，多邊形內(nèi)的空間分析不容易實(shí)現(xiàn)2022-3-1275四、矢量柵格數(shù)據(jù)比較四、矢量柵格數(shù)據(jù)比較柵格數(shù)據(jù)優(yōu)點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單2、空間數(shù)據(jù)的疊置和組合十分容易方便3、各類空間分析都很易于進(jìn)行4、數(shù)學(xué)模擬方便5、技術(shù)開發(fā)費(fèi)用低缺點(diǎn)：1、圖形數(shù)據(jù)量大2、用大像元減少數(shù)據(jù)量時(shí)，可識(shí)別的現(xiàn)象結(jié)構(gòu)將損失大量信息3、地圖輸出不精美4、難以建立網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系5、投影變換花的時(shí)間多2022-3-1276五

36、、其它數(shù)據(jù)模型：CAD模型2022-3-1277五、其它數(shù)據(jù)模型：影像數(shù)據(jù)模型2022-3-1278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)。柵格數(shù)據(jù)輸入與編輯跟蹤數(shù)字化掃描矢量化解析測(cè)圖儀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換矢量數(shù)據(jù)輸入與編輯根據(jù)用戶需求，確定數(shù)據(jù)項(xiàng)目根據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)目，確定數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)分類和編碼確定數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)輸入與編輯操作掃描數(shù)字化透明格網(wǎng)采集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)庫(kù)矢量數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立的基本過(guò)程2022-3-1279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)

37、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。2022-3-1280表:系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)間的關(guān)系2022-3-1281二、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)2022-3-1282數(shù)據(jù)分層數(shù)據(jù)分層土壤地貌森林建筑物ZYX2022-3-1283二、空間

38、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：2022-3-1284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） 地形要素分類編碼省自治區(qū)直轄市省直轄市地區(qū)州、盟縣旗市轄市 一級(jí)代碼，一位數(shù)字三級(jí)代碼，三位數(shù)字二級(jí)代碼，二位數(shù)字四級(jí)代碼，三位數(shù)字2022-3-1285層次分類編碼分類對(duì)象的從屬和層次關(guān)系高壓711電線架715管線:7地下電力線與電纜72電力線71地下檢修井74管線73低壓712電桿713電塔714不依比例7142依比例71412022-3-1286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，有利于空間分析河流特性分類與編碼通航情況通航： 1不通航：2常年河：1時(shí)令河：2消失河：3 1 km： 1 2 km： 2 5 km： 3