地理信息系統(tǒng)概論教案

1、地理信息系統(tǒng)概論教案第1頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第二章 GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是用來解決地理空間數(shù)據(jù)以什么樣的形式存儲(chǔ)到GIS中的問題。目標(biāo)要求：地理空間及其表達(dá) 地理空間數(shù)據(jù)及其特征空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立第2頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第一節(jié) 地理空間及其表達(dá)1.1地理空間的概念地理空間一般指上至大氣電離層，下至地殼與地幔交界的莫霍面之間的空間區(qū)域。包括：大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈。為在地理空間中準(zhǔn)確定位需要采用一種空間定位框架來實(shí)現(xiàn)注：地殼同地幔間的分界面，是南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇于

2、1909年發(fā)現(xiàn)，故以他的名字命名，稱為莫霍洛維奇不連續(xù)面，簡稱莫霍面（或莫氏面）。第3頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二大地測(cè)量控制系統(tǒng)地理空間定位框架用以建立地球的幾何模型來精確測(cè)量地球上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)，包括平面位置坐標(biāo)和高度值坐標(biāo)為建立地理空間數(shù)據(jù)的坐標(biāo)位置提供了一個(gè)通用參照系大地測(cè)量控制信息的主要要素：大地測(cè)量控制點(diǎn)，由已知點(diǎn)可以推測(cè)未知點(diǎn)的坐標(biāo)位置信息第4頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二（一）平面控制網(wǎng)用以確定物體在地球上的平面位置通常用地理坐標(biāo)（經(jīng)緯度）來表示基準(zhǔn)面測(cè)量的依據(jù)；由于地球的自然是一個(gè)高低起伏很大的不規(guī)則的表面，不能作為測(cè)

3、量的依據(jù)，于是人們對(duì)地球表面進(jìn)行近似的處理，用大地水準(zhǔn)面來代表地球表面的形狀。第5頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二大地水準(zhǔn)面：是假設(shè)靜止的平均海水面穿過大陸、島嶼形成包圍整個(gè)地球的一個(gè)閉合曲面。由于地球內(nèi)部物質(zhì)分布的不均勻，導(dǎo)致大地水準(zhǔn)面仍然不是一個(gè)光滑的表面，而是一個(gè)極半徑略短、赤道半徑略長、北極略突出、南極略扁平的近于梨形的一個(gè)球體。大地水準(zhǔn)面不是一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)曲面，無法在其上直接進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。第6頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二旋轉(zhuǎn)橢球體：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立起來的地球橢球體模型。是一個(gè)橢圓圍繞其短軸旋轉(zhuǎn)形成的形狀，其赤道半徑大

4、于極半徑b。旋轉(zhuǎn)橢球體是一個(gè)可以用數(shù)學(xué)公式描述的規(guī)則的幾何表面可以作為平面坐標(biāo)的基準(zhǔn)。圖 2-1 三軸橢球體模型第7頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二地球表面大地水準(zhǔn)面鉛垂線地球橢球體地球模型第8頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二不同的歷史時(shí)期，不同的國家和地區(qū)，會(huì)根據(jù)不同的資料推算出不同大小的旋轉(zhuǎn)橢球體來近似代表大地水準(zhǔn)面。我國在不同時(shí)期采用的旋轉(zhuǎn)橢球體及其元素值如表2-1（P39）目前我國采用的大地坐標(biāo)系為1980年中國國家大地坐標(biāo)系。1980年中國國家大地坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)，及國家水平控制網(wǎng)中推算的大地坐標(biāo)起標(biāo)點(diǎn)，設(shè)在我國中部地區(qū)的陜西省涇陽

5、縣永樂鎮(zhèn)。第9頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二根據(jù)不同需求，我國現(xiàn)有三種大地坐標(biāo)系并存：一、北京-54（局部平差）二、1980年國家大地坐標(biāo)系（西安-80，整體平差）三、地心坐標(biāo)系，即以地球的質(zhì)心作為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系第10頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二對(duì)應(yīng)于每一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)點(diǎn)的坐標(biāo)：可以用大地坐標(biāo)形式表示，即用緯度、經(jīng)度和高層（B,L,H）；也可以用空間大地直角坐標(biāo)形式表示，即用（x,y,z）表示。不同坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)，通過一定的數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換參數(shù)，在一定的精度范圍內(nèi)可以互相轉(zhuǎn)換。其中北京-54和西安-80坐標(biāo)系中的點(diǎn)的坐標(biāo)，更多的是將其投影至

6、高斯-克呂格投影平面，以平面坐標(biāo)x,y,z形式表示，用于測(cè)繪制作地形圖第11頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二在高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)系中：x表示縱軸，y表示橫軸。點(diǎn)的高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)是通過高斯-克呂格投影計(jì)算得到的。我國各個(gè)等級(jí)大地點(diǎn)成果表中所載的坐標(biāo)即為高斯-克呂格平面直角坐標(biāo)。第12頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二地圖投影：將橢圓面上各點(diǎn)的大地坐標(biāo)，按照一定的數(shù)學(xué)法則，變換為平面上相應(yīng)點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)，統(tǒng)稱為地圖投影。轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)法則可以用下面的兩個(gè)函數(shù)表示：x=f1（B,L）y=f2（B,L）式中： （B,L）為橢球面上某一點(diǎn)的

7、大地坐標(biāo)；（x，y）為該點(diǎn)投影在投影平面上的直角坐標(biāo)。第13頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二二、高程控制網(wǎng)高程：指空間某點(diǎn)高于或低于基準(zhǔn)面的垂直距離，主要用來提供地形信息。高程的基準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面我國現(xiàn)在規(guī)定的高程基準(zhǔn)面為“1985國家高程基準(zhǔn)”采用青島驗(yàn)潮站1953年至1979年驗(yàn)潮資料計(jì)算確定，1985年5月經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)。比“黃海平均海平面”高29mm第14頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二研究地理空間，除了建立地理空間的定位參考框架，還必須分析地理空間特征實(shí)體或地理空間信息的幾何形態(tài)和時(shí)空分布規(guī)律及其相互之間的關(guān)系。地理空間特征實(shí)體：指具有

8、形狀、屬性和時(shí)序特征的空間對(duì)象或地理實(shí)體。包括點(diǎn)、線、面、曲面和體，他們構(gòu)成地球圈層間復(fù)雜的地理綜合體，也是GIS表示和建立空間數(shù)據(jù)庫的主要對(duì)象。第15頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二二、空間實(shí)體的表達(dá)地理空間的表達(dá)是地理數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析的基礎(chǔ)。地理空間中的地理實(shí)體、地理現(xiàn)象可以抽象為點(diǎn)、線、面、體四種類型。地理空間的表達(dá)方法可以概括為矢量柵格三角形不規(guī)則網(wǎng)等以此為基礎(chǔ)，可以構(gòu)造地理空間各種不同的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 第16頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二矢量表示法（矢量數(shù)據(jù)模型）：采用一個(gè)沒有大小的點(diǎn)（坐標(biāo)）來表達(dá)基本點(diǎn)元素。第1

9、7頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二柵格表示法（柵格數(shù)據(jù)模型）：采用一個(gè)有固定大小的點(diǎn)（面元）來表達(dá)基本元素。第18頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)模型，代表著從信息世界觀點(diǎn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界空間實(shí)體的兩種不同的數(shù)據(jù)表達(dá)方法，其功能、使用方法及應(yīng)用對(duì)象上都有一定的差異，這在一定程度上反映出GIS表示現(xiàn)實(shí)世界的不同概念。第19頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二對(duì)于地理連續(xù)面的表達(dá)，還可利用三角形不規(guī)則網(wǎng)表示（Triangulated irregular Network，TIN）?；赥IN的連續(xù)面模型能夠有效

10、地描述河流、峽谷、地勢(shì)等地形區(qū)域特征。TIN的構(gòu)成：將地面一系列離散點(diǎn)，按照一定的規(guī)則和條件連接成互不交叉的三角網(wǎng)。第20頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)及其特征空間數(shù)據(jù)：GIS的核心，是GIS的血液；GIS的操作對(duì)象；占據(jù)整個(gè)GIS工程的70%甚至更多 第21頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二一、GIS空間數(shù)據(jù)的分類按數(shù)據(jù)來源分類：地圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類：矢量數(shù)據(jù)：是用歐氏空間的點(diǎn)線面等幾何元素來表達(dá)空間實(shí)體的幾何特征的數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)：是將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個(gè)網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示空間實(shí)體

11、的一種數(shù)據(jù)組織形式。第22頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二按數(shù)據(jù)特征分類：空間定位數(shù)據(jù)：是表達(dá)空間實(shí)體在地球上位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)非空間屬性數(shù)據(jù)：是有關(guān)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)按數(shù)據(jù)幾何特征分類：點(diǎn)、線、面、曲面、體第23頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二按數(shù)據(jù)發(fā)布形式：按數(shù)據(jù)發(fā)布形式，GIS中的空間數(shù)據(jù)可分為4D數(shù)據(jù)：1、數(shù)字線畫圖（DLG）：DLG數(shù)據(jù)是現(xiàn)有地形圖要素的矢量數(shù)據(jù)，保存各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)屬性信息，全面地描述地表目標(biāo)。2、數(shù)字柵格圖（DRG）：是現(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。每一幅地形圖在

12、掃描數(shù)字化后，經(jīng)幾何糾正，并進(jìn)行內(nèi)容更新和數(shù)據(jù)壓縮處理，既可以得到數(shù)字柵格圖。3、數(shù)字高程模型（DEM）：是以數(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)：是對(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)。第24頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二二、空間數(shù)據(jù)的基本特征（一）基本特征：空間特征：是指地理現(xiàn)象和過程所在的位置、形狀和大小等幾何特征，以及與相鄰地理現(xiàn)象和過程的空間關(guān)系（包括方位關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系、相鄰關(guān)系、相似關(guān)系等）空間位置可以通過坐標(biāo)數(shù)據(jù)來描述稱為定位特征或定位數(shù)據(jù)?？臻g關(guān)系稱為拓?fù)涮卣骰?/p>

13、拓?fù)鋽?shù)據(jù)。屬性特征：是指地理現(xiàn)象和過程所具有的專屬性質(zhì)，包括名稱、數(shù)量、質(zhì)量、性質(zhì)等，稱為屬性數(shù)據(jù)時(shí)間特征：是指一定區(qū)域內(nèi)的地理現(xiàn)象和過程隨時(shí)間的變化情況，稱為時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)。第25頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二（二）基本信息定位信息：表示在地球表面上呈不同分布狀態(tài)。屬性信息：地理現(xiàn)象和過程本身具有的描述性信息拓?fù)湫畔ⅲ旱乩韺?duì)象之間的相互關(guān)系。在GIS中基本信息通過空間數(shù)據(jù)表達(dá)，分別對(duì)應(yīng)定位特征數(shù)據(jù)、屬性特征數(shù)據(jù)和拓?fù)涮卣鲾?shù)據(jù)，對(duì)于隨時(shí)間變化的地理實(shí)體或現(xiàn)象，還同時(shí)對(duì)應(yīng)著時(shí)序或時(shí)間特征數(shù)據(jù)。第26頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二三、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)?/p>

14、關(guān)系“拓?fù)洹保═opology）一詞來自于希臘文，它的原意是“形狀的研究”。拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，它研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性拓?fù)鋵傩浴Ｍ負(fù)鋵傩?、拓?fù)渥儞Q的理解：設(shè)想一塊高質(zhì)量的橡皮，這塊橡皮可以任意地被拉伸、壓縮，但不能被扭轉(zhuǎn)或者折疊，表面上有由結(jié)點(diǎn)、弧、環(huán)和區(qū)域組成的任何可能的圖形。第27頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二對(duì)這塊橡皮進(jìn)行任意地拉伸、壓縮，圖形原有的一些屬性將得到保留而繼續(xù)存在，而有些屬性則將消失。設(shè)想橡皮表面上有一個(gè)多邊形,并且還有一個(gè)點(diǎn)在多邊形中，當(dāng)對(duì)橡皮進(jìn)行任意的拉伸、壓縮后，點(diǎn)依舊存在于多邊形內(nèi)部，點(diǎn)和多邊形之間的空間位置關(guān)系不

15、會(huì)改變，但是多邊形的面積將會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)，我們稱“點(diǎn)的內(nèi)置”是拓?fù)鋵傩?，面積則不是拓?fù)鋵傩?，而拉伸和壓縮這樣的變換就是拓?fù)渥儞Q。第28頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二常見的拓?fù)鋵傩耘c非拓?fù)鋵傩酝負(fù)鋵傩砸粋€(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段的端點(diǎn)一個(gè)弧段是一個(gè)簡單弧段 （弧段自身不相交）一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的外部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)環(huán)的內(nèi)部一個(gè)面是一個(gè)簡單面（面上沒有“島”）一個(gè)面的連通性（給定面上任意兩點(diǎn)，從一點(diǎn)可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點(diǎn)）非拓?fù)鋵傩詢牲c(diǎn)之間的距離一個(gè)點(diǎn)指向另一個(gè)點(diǎn)的方向弧段的長度一個(gè)區(qū)域的周長一個(gè)區(qū)域的面積第29頁，共87頁

16、，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二拓?fù)湓兀?點(diǎn)：孤立點(diǎn)、線的端點(diǎn)、面的首尾點(diǎn)、鏈的連接點(diǎn) 線：兩結(jié)點(diǎn)之間的有序弧段 面：若干弧段組成的多邊形在GIS中，對(duì)于凡具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征的地理要素，如自然與行政的分區(qū)、各種資源類型的空間分布以及交通網(wǎng)等，都存在節(jié)點(diǎn)、弧段和多邊形之間的拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系是明確定義空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法。在GIS中，拓?fù)洳坏糜跀?shù)據(jù)的編輯和組織，而且在空間分析和應(yīng)用中都具有非常重要的意義。第30頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二1、拓?fù)潢P(guān)系的類型（1）拓?fù)溧徑邮侵复嬖谟诳臻g圖形的相同類型元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。（2）拓?fù)潢P(guān)聯(lián)是指存在于不同

17、類型空間元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。如節(jié)點(diǎn)與弧段的關(guān)聯(lián)關(guān)系、多邊形與弧段的關(guān)聯(lián)關(guān)系（3）拓?fù)浒侵复嬖谟诳臻g圖形的相同類型但不同等級(jí)的元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。包含關(guān)系分簡單包含、多層包含和等價(jià)包含三種形式。第31頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二如果要將節(jié)點(diǎn)、弧段和多邊形之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表達(dá)出來，可以形式四個(gè)關(guān)系表：節(jié)點(diǎn)與弧段的拓?fù)潢P(guān)系、弧段與節(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系弧段與多邊形的拓?fù)潢P(guān)系、多邊形與弧段的拓?fù)潢P(guān)系第32頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二2、空間拓?fù)潢P(guān)系的意義根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或者計(jì)算距離，就可以確定一種地理實(shí)體相當(dāng)于另一種地理實(shí)體的空間位置關(guān)

18、系。因?yàn)橥負(fù)鋽?shù)據(jù)已經(jīng)清楚地反映出地理實(shí)體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，而且這種拓?fù)鋽?shù)據(jù)較之幾何數(shù)據(jù)有更大的穩(wěn)定性，即不隨地圖變換二變化。利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)有利于空間要素的查詢。如，查詢與畢節(jié)地區(qū)相鄰的行政區(qū)；查詢某條河流能為哪些行政區(qū)的居民提供水源；查詢與某一湖泊想鄰接的土地利用類型有哪些；確定一塊與湖泊相鄰的土地覆蓋區(qū)，用于生物棲息環(huán)境做出評(píng)價(jià)等問題可以利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)作為感覺，重建地理實(shí)體。如建立封閉多邊形、實(shí)現(xiàn)道路的選取，進(jìn)行最佳路徑的計(jì)算等第33頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二四、空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)表示表示地理實(shí)體的空間數(shù)據(jù)包含空間特征、屬性特征和時(shí)態(tài)特征。空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：對(duì)于具有復(fù)

19、雜特征的空間數(shù)據(jù)，組織和建立起它們之間的聯(lián)系，以便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和操作?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是GIS的核心技術(shù)，一直是GIS領(lǐng)域的重要研究課題。第34頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二空間數(shù)據(jù)表示的基本方法：空間分幅：即將整個(gè)地理空間劃分為許多子空間，再選擇要表達(dá)的子空間。屬性分層：即將要表達(dá)的空間數(shù)據(jù)抽象成不同類型屬性的數(shù)據(jù)層來表示。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。第35頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二以矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，為把地理數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫：首先，按空間位置將整個(gè)區(qū)域劃分為若干個(gè)幅面；其次，對(duì)每一個(gè)幅

20、面從邏輯上將空間數(shù)據(jù)分為不同的專題層，如土地利用、地形、道路、居民區(qū)、森林分布等；最后，將一個(gè)專題層的地理要素或?qū)嶓w安裝點(diǎn)、線或面狀目標(biāo)存儲(chǔ)，每個(gè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)由空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)組成。目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)可以分別存儲(chǔ)，每個(gè)目標(biāo)具有一個(gè)數(shù)值不重復(fù)的標(biāo)識(shí)碼（ID），同一個(gè)目標(biāo)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過相同的標(biāo)識(shí)碼連接起來。第36頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第三節(jié) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：即數(shù)據(jù)組織的形式，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)。下面分別介紹：矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第37頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二一

21、、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量：也叫向量，數(shù)學(xué)上稱具有大小和方向的量為矢量。在GIS的圖形中，相鄰兩點(diǎn)間的弧段長度表示矢量的大小，弧段兩端點(diǎn)的順序表示矢量的方向。利用歐幾里得幾何學(xué)中的點(diǎn)線面及其組合體來表示地理實(shí)體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。優(yōu)點(diǎn)：能很好的表達(dá)地理實(shí)體的空間分布特征數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的冗余度低。缺點(diǎn)：多層空間數(shù)據(jù)疊合分析比較困難。第38頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為以下幾種主要類型：1、實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間數(shù)據(jù)按照基本的空間對(duì)象（點(diǎn)線或多邊形）為單元進(jìn)行單獨(dú)組織不含有拓?fù)潢P(guān)系最典型的是所謂面條（Spaghetti）結(jié)構(gòu)采用這種數(shù)據(jù)

22、結(jié)構(gòu)的有ArcGIS的shapefile文件和MapInfo的Tab文件第39頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：數(shù)據(jù)按點(diǎn)線或多邊形為單元進(jìn)行組織，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直觀簡單。每個(gè)多邊形都以閉合線段存儲(chǔ)，多邊形的公共邊界被數(shù)字化兩次和存儲(chǔ)兩次，容易造成數(shù)據(jù)冗余和產(chǎn)生不一致性。點(diǎn)線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)，彼此不關(guān)聯(lián)。島或洞只作為一個(gè)單個(gè)圖形，沒有與外界多邊形的聯(lián)系第40頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二ESRI公司的shapefile文件是描述空間數(shù)據(jù)的幾何和屬性特征的非拓?fù)鋵?shí)體矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種格式一個(gè)shapefile

23、文件包括一個(gè)主文件（*.shp）、一個(gè)索引文件（*.shx）和一個(gè)dBase表文件（*.dbf）第41頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二2、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)偶對(duì)立地圖編碼法)、POLYVRT(多邊形轉(zhuǎn)換器)、TIGER(地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)浼?共同特點(diǎn)：點(diǎn)是相互獨(dú)立的點(diǎn)連成線、線構(gòu)成面每條線始于起始節(jié)點(diǎn)，止于終止節(jié)點(diǎn)，并與左右多邊形相鄰接。第42頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成元素構(gòu)成多邊形的線稱為弧段兩條以上的弧段相交的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)由一條弧段組成的多邊形稱為島或洞。多邊形圖中不含島的多邊形稱為簡

24、單多邊形含島的多邊形稱為復(fù)合多邊形，在復(fù)合多邊形中包含有外邊界和內(nèi)邊界，島看作是復(fù)合多邊形的內(nèi)邊界第43頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二在拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中：（1）弧段是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本對(duì)象弧段文件由弧段記錄組成，每個(gè)弧段記錄包括弧段標(biāo)識(shí)碼、起始節(jié)點(diǎn)、終止節(jié)點(diǎn)、左多邊形和右多邊形（2）節(jié)點(diǎn)文件由節(jié)點(diǎn)記錄組成包括每個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及與該節(jié)點(diǎn)連接的弧段標(biāo)識(shí)碼等（3）多邊形文件由多邊形記錄組成包括多邊形標(biāo)識(shí)碼、組成該多邊形的弧段標(biāo)識(shí)碼以及相關(guān)屬性等。具體表格文件參見P51第44頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二C4N4C8C6P3C7N6C10

25、N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓?fù)鋽?shù)據(jù)舉例第45頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二弧段號(hào)起結(jié)點(diǎn)終結(jié)點(diǎn)左多邊形右多邊形C1N1N2P2P1C2N3N2P1P4C3N1N3P1C4N1N4P2C5N2N5P2P4C6N4N5P3P2C7N5N6P3P4C8N4N6P3C9N7N7P4P5C10N3N6P4第46頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格結(jié)構(gòu)是指將研究區(qū)域劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)象元或象素，由行、列號(hào)定義，并包含一個(gè)代碼,表示該象素的屬性類型或量值。柵格結(jié)構(gòu)是以

26、規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。第47頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二 矢量結(jié)構(gòu) 柵格結(jié)構(gòu) 第48頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二1111222211112222111122231111333311333333113333334334333344444444行列單元屬性值矩形（正方形）柵格單元第49頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示的是二維表面上地理要素的離散化數(shù)值，每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一種屬性。網(wǎng)格通常是正方形，有時(shí)也采用矩形、等邊三角形和正六邊形

27、。第50頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二點(diǎn)用一個(gè)柵格單元表示線狀地物用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示面或區(qū)域用記有區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎?，每個(gè)柵格單元可有多于兩個(gè)的相鄰單元同屬一個(gè)區(qū)域。任何以面狀分布的對(duì)象(土地利用、土壤類型、地勢(shì)起伏、環(huán)境污染等)，都可以用柵格數(shù)據(jù)逼近。遙感影像就屬于典型的柵格結(jié)構(gòu)，每個(gè)象元的數(shù)字表示影像的灰度等級(jí)。 點(diǎn)線面的柵格表達(dá)第51頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二柵格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)屬性明顯，定位隱含：即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或?qū)傩员旧?，而所在位置則根據(jù)行列號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)給出。結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，算法簡單，且易于擴(kuò)

28、充、修改，也很直觀，特別是易于同遙感影像結(jié)合處理。誤差較大：由于柵格結(jié)構(gòu)對(duì)區(qū)域的量化，在計(jì)算面積、長度、距離、形狀等空間指標(biāo)時(shí)，若柵格尺寸較大，則會(huì)造成較大的誤差，同時(shí)由于在一個(gè)柵格的范圍內(nèi)，可能存在多于一種的地物，而表示在相應(yīng)的柵格結(jié)構(gòu)中常常只能是一個(gè)代碼。 第52頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二空間分辨率：一個(gè)像元所代表的地面實(shí)際面積的大小。分辨率的確定：以保證最小多邊形的精度來確定網(wǎng)格的尺寸。分辨率需要的像元（網(wǎng)格單元）100m10000個(gè)10m1000000個(gè)面積100km2的區(qū)域第53頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二網(wǎng)格變長決定柵格

29、數(shù)據(jù)的精度。一般可以通過保證最小多邊形的精度標(biāo)準(zhǔn)來確定網(wǎng)格尺寸，使形成的柵格數(shù)據(jù)既有效地逼近地理實(shí)體，又能最大限度地減少數(shù)據(jù)量。其中：H表示網(wǎng)格邊長， A表示一個(gè)區(qū)域的矢量數(shù)據(jù)中面積最小的矢量多邊形的面積。當(dāng)網(wǎng)格邊長為H時(shí)，該多邊形可能丟失；當(dāng)邊長為H/2時(shí)，該多邊形得到表示。第54頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二確定柵格單元代碼的方式 當(dāng)一個(gè)柵格單元中有多個(gè)地物要素時(shí)，可根據(jù)需要用下列方法來確定柵格單元的代碼：中心點(diǎn)法：用處于柵格中心處的地物類型或現(xiàn)象特性作為柵格單元的代碼。面積占優(yōu)法由占柵格面積最大的地物類型或現(xiàn)象特性作為柵格的代碼。重要性法根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重

30、要性，選取最重要的地物類型作為相應(yīng)的柵格單元代碼如右圖：一塊矩形地表區(qū)域內(nèi)部有A、B、C三種地物類型，O點(diǎn)為中心點(diǎn)，將這個(gè)矩形區(qū)域近似地表示為柵格結(jié)構(gòu)中的一個(gè)柵格，可以根據(jù)需要采用上面方式之一來決定柵格單元的代碼。第55頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二（一）柵格矩陣結(jié)構(gòu)直接編碼無壓縮編碼，將柵格數(shù)據(jù)看作是一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，逐行或逐列逐個(gè)記錄代碼11411411411411111111111111411411411411211111111111411411411411211211111111511511411411211211211211511511411311311211

31、0112115115113113113113112112115115113113113113112112115115113113113113112112列 0 1 2 3 4 5 6 7 7 6 5 4 3 2 1 0 行第56頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第57頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二（二）游程（行程）編碼結(jié)構(gòu)游程指柵格矩陣一行內(nèi)相鄰?fù)禆鸥竦臄?shù)量，也稱為行程。游程編碼結(jié)構(gòu)是逐行將相鄰?fù)档臇鸥窈喜?，記錄合并后柵格的值及合并柵格的?shù)量（即游程），其目的是壓縮柵格數(shù)據(jù)量，消除數(shù)據(jù)間的冗余。第58頁，共87頁，2022年，5月20日，

32、21點(diǎn)37分，星期二第59頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二游程長度編碼的特點(diǎn)壓縮比的大小是與圖的復(fù)雜程度成反比的，在變化多的部分，游程數(shù)就多，變化少的部分游程數(shù)就少，圖件越簡單，壓縮效率就越高。游程長度編碼在柵格加密時(shí)，數(shù)據(jù)量沒有明顯增加，壓縮效率較高，且易于檢索，疊加合并等操作，運(yùn)算簡單，適用于機(jī)器存貯容量小，數(shù)據(jù)需大量壓縮，而又要避免復(fù)雜的編碼解碼運(yùn)算增加處理和操作時(shí)間的情況。 第60頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二（三）四叉樹結(jié)構(gòu)四叉樹又稱四元樹或四分樹，是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一。四分樹將整個(gè)圖像區(qū)域逐步分解為一系列方形區(qū)域，

33、且每一個(gè)方形區(qū)域具有單一的屬性。最小區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)象元。區(qū)域分割原則（自上而下方式）： 將欲分解區(qū)域等分為四個(gè)象限，再根據(jù)各個(gè)象限的象元值是否單一決定要不要再分。如果單一則不再分割，否則同法再分，直到所有象限的象元屬性值相同為止。注：自下而上方式相反第61頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二四叉樹的生成算法從上而下的分割算法： 將欲分解區(qū)域等分為四個(gè)象限，再根據(jù)各個(gè)象限的象元值是否單一決定要不要再分。如果單一則不再分割，否則同法再分，直到所有象限的象元屬性值相同為止。需要大量的運(yùn)算，因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)需要重復(fù)檢查才能確定劃分。當(dāng)矩陣比較大，且區(qū)域內(nèi)容要素又比較復(fù)雜時(shí)，建立這種四叉樹

34、的速度比較慢。從下而上的合并算法：如果每相鄰四個(gè)網(wǎng)格值相同則進(jìn)行合并，逐次往上遞歸合并，直到符合四叉樹的原則為止。這種方法重復(fù)計(jì)算較少，運(yùn)算速度較快。為了保證四叉樹能不斷的分解下去，要求圖像必須為2n*2n的柵格陣列，n為極限分割次數(shù)，n+1是四叉樹的最大高度或最大層數(shù)。第62頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二四叉樹編碼的特點(diǎn)容易而有效地計(jì)算多邊形的數(shù)量特征；陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分四叉樹較高即分級(jí)多，分辨率也高，而不需表示許多細(xì)節(jié)的部分則分級(jí)少，分辨率低，因而既可精確表示圖形結(jié)構(gòu)又可減少存貯量；柵格到四叉樹及四叉樹到簡單柵格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換比其它壓縮方法容易

35、；多邊形中嵌套異類小多邊形的表示較方便。第63頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二四叉樹的存儲(chǔ)方法常規(guī)四叉樹：常規(guī)四叉樹每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常存儲(chǔ)6個(gè)量，即4個(gè)子節(jié)點(diǎn)指針、一個(gè)父節(jié)點(diǎn)指針和一個(gè)節(jié)點(diǎn)值。線性四叉樹：線性四叉樹每個(gè)節(jié)點(diǎn)只存儲(chǔ)3個(gè)量，即莫頓碼、深度（或節(jié)點(diǎn)大小）和節(jié)點(diǎn)值。（基本思想：僅記錄非0值葉節(jié)點(diǎn)）第64頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二基于按位操作的運(yùn)算計(jì)算Morton碼設(shè)十進(jìn)制表示的行、列號(hào)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的二進(jìn)制數(shù)字分別為：十進(jìn)制的Morton碼實(shí)際上是II、JJ中的二進(jìn)制數(shù)字交叉結(jié)合的結(jié)果，即第65頁，共87頁，2022年，5月20日，21

36、點(diǎn)37分，星期二第66頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第67頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第68頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二 幾種編碼方法比較分析編碼直接?xùn)鸥窬幋a鏈碼游程長度編碼塊碼和四叉樹編碼特點(diǎn)簡單直觀，是壓縮編碼方法的邏輯原型（柵格文件）壓縮效率較高，已接近矢量結(jié)構(gòu)，對(duì)邊界的運(yùn)算比較方便，但不具有區(qū)域性質(zhì)，區(qū)域運(yùn)算較難在很大程度上壓縮數(shù)據(jù)，又最大限度的保留了原始柵格結(jié)構(gòu)，編碼解碼十分容易，十分適合于微機(jī)地理信息系統(tǒng)采用具有區(qū)域性質(zhì)，又具有可變的分辨率，有較高的壓縮效率，四叉樹編碼可以直接進(jìn)行大量圖形圖象運(yùn)

37、算，效率較高，是很有前途的編碼方法 幾種編碼方法比較分析第69頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較第70頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二三、 曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面是指連續(xù)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，具有這種覆蓋表面的要素有地形、降水量、溫度和磁場等。表達(dá)和存儲(chǔ)這些要素的基本要求是必須便于計(jì)算連續(xù)現(xiàn)象在任一點(diǎn)的數(shù)值。通常有兩種表達(dá)曲面的方法一種是不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）另一種是規(guī)則格網(wǎng)（Grid）第71頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二（一）TIN的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 通常用于數(shù)字地形的三維建模和顯示，將離散分布的實(shí)測(cè)數(shù)

38、據(jù)點(diǎn)連成三角網(wǎng)。網(wǎng)中的每個(gè)三角形要求盡量接近等邊形狀，并保證最近鄰的點(diǎn)構(gòu)成三角形，即三角形的邊長之和最小。第72頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第73頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二TIN曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要特征TIN由一系列三角形組成三角形頂點(diǎn)都是一些特征點(diǎn)每個(gè)三角形的坡度、坡向均一三角形大小隨地形變化而變盡可能是等邊三角形三角形的邊長之和最小以拓?fù)浞绞酱鎯?chǔ)第74頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二TIN曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢(shì)1、相鄰三角形信息可以自動(dòng)生成，便于連續(xù)分布現(xiàn)象的順序追蹤和查詢檢索。2、利用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可方

39、便的進(jìn)行地形分析。第75頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二（二）規(guī)則格網(wǎng)的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似于矩陣形式的柵格數(shù)據(jù)，只是其屬性值為地面的高程或其他連續(xù)分布現(xiàn)象的數(shù)值。第76頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二第4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)庫的建立提供基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立，通常是融合在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)施的過程中第77頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二一、系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)源之間的關(guān)系GIS數(shù)據(jù)與GIS功能之間具有密切的聯(lián)系。以城市GIS為例一

40、般需要的專題數(shù)據(jù)包括十大類：基礎(chǔ)底圖、環(huán)境數(shù)據(jù)、公用設(shè)施、工程平面圖、地塊圖、街區(qū)類型數(shù)據(jù)、區(qū)域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、街道網(wǎng)數(shù)據(jù)和區(qū)域境界線數(shù)據(jù)。第78頁，共87頁，2022年，5月20日，21點(diǎn)37分，星期二二、空間數(shù)據(jù)的分類與編碼（一）空間數(shù)據(jù)的分類空間數(shù)據(jù)的分類：是指根據(jù)系統(tǒng)功能及國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將具有不同屬性或特征的要素區(qū)別開來的過程，以便于從邏輯上將空間數(shù)據(jù)組織為不同的數(shù)據(jù)層，為數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、查詢和共享提供依據(jù)。在進(jìn)行具體分類時(shí)：首先根據(jù)幾何圖形原則，將空間數(shù)據(jù)分為點(diǎn)、線、面三種類型；其次是對(duì)象原則，如河流和道路雖然都是線狀要素，但屬于不同的地理對(duì)象，應(yīng)當(dāng)作為不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。以我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分類為例：分為測(cè)量控制點(diǎn)、水系、居民地、交通、管線與垣柵、境界、地形與土質(zhì)和植被等八個(gè)大類，然后再依次細(xì)分為小類、一級(jí)類、二級(jí)類等