地理信息系統概論第二章地理信息系統的數據結構課件

地理信息系統概論

第二章地理信息系統的數據結構地理信息系統概論第二章地理信息系統的數據結構第2章地理信息系統的數據結構一、地理空間及其表達二、地理空間數據及其特征三、空間數據結構的類型四、空間數據結構的建立第2章地理信息系統的數據結構一、地理空間及其表達第一節(jié)地理空間及其表達1、地理空間的概念地球體的自然表面地球體的物理表面（一級逼近）地球體的數學表面（二級逼近，參數a、b、f）（三級逼近：數學公式）第一節(jié)地理空間及其表達1、地理空間的概念地球體的自然表面地球模型地球表面水準面鉛垂線地球橢球體大地水準面地球模型地球表面水準面鉛垂線地球橢球體大地水準面2.地理空間坐標建立地理坐標系是以地理極(北極、南極)為極點。過A點作橢球面的垂線，稱為過A點的法線。法線與赤道面的交角，叫做A點的緯度ψ。過A點的子午面與通過英國格林尼治天文臺的子午面所夾的二面角，叫做A點的經度λ。2.地理空間坐標建立地理坐標系是以地理極(北極、南極)為極1954北京坐標系：根據克拉索夫斯基橢球參數制定的坐標系。1980國家大地坐標系：a=6378140m，f=1/298.257，大地原點在西安市附近涇陽縣內。地心坐標系：經緯度和高程表示（B,L,H）。高程：指空間某點高于或低于基準面的垂直距離。1956黃海高程系：以黃海平均海平面建立的高程控制系統1985國家高程基準：比黃海平均海平面高29mm平面控制網：高程控制網：1954北京坐標系：根據克拉索夫斯基橢球參數制定的坐標系。高水準原點1985國家高程基準，72.2604米黃海海面1952-1979年平均海水面為0米水準原點1985國家高程基準，黃海海面坐標參考系統——平面系統直接建立在球體上的地理坐標，用經度和緯度表達地理對象位置投影建立在平面上的直角坐標系統，用（x，y）表達地理對象位置坐標參考系統——平面系統直接建立在球體上的地理坐標，用經度和

投影的概念：將橢圓面上各點的大地坐標，按照一定的數學法則，變換為平面上相應點的平面直角坐標。投影的概念：地圖投影：投影實質地圖投影：投影實質地圖投影：GIS中地圖投影GIS以地圖方式顯示地理信息，而地圖是平面，地理信息則在地球橢球上，因此地圖投影在GIS中不可缺少。GIS數據庫中地理數據以地理坐標存儲時，則以地圖為數據源的空間數據必須通過投影變換轉換成地理坐標；而輸出或顯示時，則要將地理坐標表示的空間數據通過投影變換變換成指定投影的平面坐標。GIS中，地理數據的顯示可根據用戶的需要而指定投影方式，但當所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。地圖投影：GIS中地圖投影GIS以地圖方式顯示地理信息，而地第二節(jié)地理空間數據及其特征

1、在地圖上，一般把地理空間的實體按地形維數（幾何特征）進行歸類劃分：點：零維線：一維面：二維體：三維時間：通常以第四維表達，但目前GIS還很難處理時間屬性。一、GIS空間數據的分類第二節(jié)地理空間數據及其特征1、在地圖上，一般把地理點實體有位置，無寬度和長度；抽象的點美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個地震位置點實體有位置，無寬度和長度；美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站200線實體有長度，但無寬度和高度用來描述線狀實體，通常在網絡分析中使用較多度量實體距離香港城市道路網分布線實體有長度，但無寬度和高度香港城市道路網分布面實體具有長和寬的目標通常用來表示自然或人工的封閉多邊形一般分為連續(xù)面和不連續(xù)面中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）面實體具有長和寬的目標中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）空間對象：面（續(xù)）連續(xù)變化曲面：如地形起伏，整個曲面在空間上曲率變化連續(xù)。不連續(xù)變化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，屬性變化發(fā)生在邊界上，面的內部是同質的?？臻g對象：面（續(xù)）連續(xù)變化曲面：如地形起伏，整個曲面在空間上空間對象：體有長、寬、高的目標通常用來表示人工或自然的三維目標，如建筑、礦體等三維目標香港理工大學校園建筑空間對象：體有長、寬、高的目標香港理工大學校園建筑2、按數據結構分類（1）矢量數據：是利用歐幾里得幾何學中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數據組織方式。（2）柵格數據：是指將空間分割成有規(guī)則的網格，稱為柵格單元，在各個柵格單元上給出相應的屬性值來表示地理實體的一種數據組織形式。2、按數據結構分類（1）矢量數據：是利用歐幾里得幾何學中的點柵格和矢量結構是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式。柵格和矢量結構是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式。3、按數據特征分類（1）空間定位數據：是表達空間實體在地球上位置的坐標數據。（2）非空間屬性數據：是有關空間實體自身的名稱、種類、質量、數量等特征的數據。3、按數據特征分類（1）空間定位數據：是表達空間實體在地球上二、空間數據的基本特征1.空間數據的基本特征屬性特征：描述現象的特征，即是什么，如對象的類別、等級、名稱、數量等?？臻g特征：描述現象的空間位置以及相互關系，又稱幾何特征和拓撲特征，前者用經緯度、坐標表示，后者如交通學院與電力學院相鄰等。時間特征：描述空間對象隨時間的變化二、空間數據的基本特征1.空間數據的基本特征2.空間數據的類型屬性數據：描述空間對象屬性特征的數據，又稱非幾何數據，如類型、名稱、性質等，一般通過代碼給予表達幾何數據：描述空間對象空間特征的數據，也稱位置數據、定位數據，一般用經緯度、坐標表達關系數據：描述空間對象的空間關系的數據，如鄰接、包含、關聯等，一般通過拓撲關系表達。2.空間數據的類型屬性數據：描述空間對象屬性特征的數據，又稱三、空間數據的拓撲關系——拓撲鄰接、拓撲關聯、拓撲包含什么叫拓撲？Topology一詞來自希臘文，它的原意是“形狀的研究”。拓撲學是幾何學的一個分支，它研究在拓撲變換下能保持不變的幾何屬性——拓撲屬性。三、空間數據的拓撲關系——拓撲鄰接、拓撲關聯、拓撲包含什么叫拓撲鄰接:存在于空間圖形之間同類要素之間的拓撲關系（結點、多邊形）拓撲關聯:指存在于空間圖形中的不同類要素之間的拓撲關系（結點于弧段、多邊形與弧段）拓撲包含:指存在于空間圖形中同類但不同級的基本要素之間的拓撲關系拓撲鄰接:存在于空間圖形之間同類要素之間的拓撲關系（結點、多空間拓撲關系的意義：（1）根據拓撲關系，不需要利用坐標或者計算距離，就可以確定一種地理實體相對于另一種地理實體的空間位置關系。（2）利用拓撲數據有利于空間要素的查詢。空間拓撲關系的意義：（1）根據拓撲關系，不需要利用坐標或者計四、空間數據的計算機表示空間分幅屬性分層時間分段四、空間數據的計算機表示空間分幅數據結構：即數據組織的形式，是適合于計算機存儲、管理、處理的數據的邏輯表達。換句話說，是指數據以什么形式在計算機中存儲和處理。數據按照一定的規(guī)律儲存在計算機中，是計算機正確處理和用戶正確理解的保證。第三節(jié)、地理信息數字化描述方法數據結構：即數據組織的形式，是適合于計算機存儲、管理、處理的柵格和矢量結構是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式。柵格和矢量結構是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式。概念：（1）矢量數據：是利用歐幾里得幾何學中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數據組織方式。（2）柵格數據：是指將空間分割成有規(guī)則的網格，稱為柵格單元，在各個柵格單元上給出相應的屬性值來表示地理實體的一種數據組織形式。概念：（1）矢量數據：是利用歐幾里得幾何學中的點、線、面及其一、矢量數據結構（p49）

1.實質：通過坐標值來精確表示點、線、面等地理實體。點：由一對X,Y坐標表示標識碼屬性碼X,Y坐標線：由一串有序的X，Y坐標對表示標識碼坐標對數n

X,Y坐標面：由一串或幾串有序的且首尾坐標相同的X,Y坐標及其面標識表示。標識碼鏈數n鏈標識碼集一、矢量數據結構（p49）1.實質：通過坐標值來精確表示點2.矢量數據結構的優(yōu)缺點可以表示現實世界中各種復雜的實體，當問題可描述為線和邊界時特別有效。冗余度低，結構緊湊，并具有空間實體的拓撲信息，便于深層次分析。輸出質量好，精度高。但是，對于多層空間數據的疊合分析比較困難。2.矢量數據結構的優(yōu)缺點可以表示現實世界中各種復雜的實體，當3.矢量數據的獲取方式由外業(yè)測量獲得由柵格數據轉換獲得跟蹤數字化（下周上機實習）3.矢量數據的獲取方式由外業(yè)測量獲得二、柵格數據結構：1.實質：以規(guī)則的柵格單元（像元）陣列來表示空間地物或現象的分布的數據結構，其陣列中的每個數據表示地物或現象的屬性特征。二、柵格數據結構：1.實質：以規(guī)則的柵格單元（像元）柵格數據結構：點：表示為一個單元柵格線：表示為一定方向上連接成串的相鄰單元柵格的集合。面：表示為聚集在一起的相鄰的單元柵格的集合。區(qū)域內部的網格值相同，但與外部網格的值不同。柵格數據結構：點：表示為一個單元柵格柵格可以是正方形，也可以是矩形、等邊三角形、正六邊形等。網格的邊長決定了柵格數據的精度，但是，無論網格邊長多少，與原實體特征相比較，信息都有丟失。柵格可以是正方形，也可以是矩形、等邊三角形、2.柵格數據結構的優(yōu)缺點很容易為計算機存儲和操作，不但很直觀，而且易于維護和修改。數據結構簡單，定位存取性能好，因而在GIS中可與影像數據和DEM數據進行聯合分析。但是，數據精度的增加將以存儲空間為代價。由于相鄰網格單元屬性值的相關性，造成柵格數據的冗余度大。柵格數據對于網絡分析比較困難。2.柵格數據結構的優(yōu)缺點很容易為計算3.柵格數據的獲取方式來自于遙感數據來自于對圖片的掃描由矢量數據轉化而來由手工方法獲取3.柵格數據的獲取方式來自于遙感數據柵格的點圖矢量的點圖·柵格的點圖矢量的點圖·柵格的線圖矢量的線圖柵格的線圖矢量的線圖地理信息系統概論第二章地理信息系統的數據結構課件地圖的矢量和柵格表示

(x,y)11(x,y)22(x,y)33(x,y)44000000100000330081044400333001444440333010444444333010444440000170044400000150000007015555000000015555000800105500000005三種主要地理實體點、線、面中，點類似于像元，但不占有面積，其余兩種均由一系列內部相關聯的坐標形成，一定的面或線則與一定的屬性連接。由一系列（x、y）坐標定位的像元，每個像元獨立編碼，并載有屬性。345地圖的矢量和柵格表示(x,y)11(x,y)22(x,y)三、柵格數據結構的存儲類型柵格矩陣結構游程（行程）編碼結構四叉樹結構P56AAAAABBBAABBAABB：AABBAABBABBBAAAA：A2B2A2B2AB3A4：常規(guī)四叉樹

線性四叉樹（莫頓碼）

0489101214ABABABA1011141589121323670145三、柵格數據結構的存儲類型柵格矩陣結構AAAAABBBAAB柵格矩陣結構處理簡便，但是沒有壓縮，數據量大。游程（行程）編碼結構

壓縮效率較高，疊加、合并等運算簡單，編碼和解碼運算快。四叉樹結構(線性四叉樹)只存儲三個值，比常規(guī)四叉樹節(jié)省存儲空間；由于記錄節(jié)點地址，既能直接找到其在四叉樹中的走向路徑，又可以換算出它在整個柵格區(qū)域內的行列位置；壓縮和解壓縮方便，各部分的分辨率可以不同，既可精確表示圖形結構，又可以減少存儲量，易于進行大部分圖形操作和運算。柵格矩陣結構

思考：

比較矢量數據結構和柵格數據結構，兩者各自的優(yōu)點有哪些？缺點有哪些？如何使優(yōu)點兩者兼得呢？思考：點線面用柵格數據結構、矢量數據結構的表達方法都已介紹，那么“體”常見的表達方法有哪些？點線面用柵格數據結構、矢量數據結構的表達方法都已介紹，那么“第四節(jié)空間數據結構的建立空間數據結構的建立是指根據確定的數據結構類型，形成與該數據結構相適應的GIS空間數據，為空間數據庫的建立提供物質基礎。第四節(jié)空間數據結構的建立空間數據結構的建立是指根據確定的根據用戶需求，確定數據項目根據數據項目，確定數據源數據分類和編碼確定數據模型和數據結構類型數據輸入與編輯工作矢量數據輸入與編輯柵格數據輸入與編輯跟蹤數字化掃描矢量化解析測圖儀數椐結構轉換掃描數字化透明格網采集矢量數據庫數椐結構轉換柵格數據庫數據結構建立的基本過程根據用戶需求，確定數據項目根據數據項目，確定數據源數據分類和空間數據結構的建立一、系統功能與數據間的關系現代地理信息系統數據模式的一個重要特征是數據與功能之間具有密切的聯系(專題GIS,相關視頻)，因此，在確定數據內容時，首先必須明確系統的功能。對開發(fā)的GIS系統的功能，是通過用戶需求調查來確定的，因此，在開發(fā)GIS系統之前，首先要進行系統分析?？臻g數據結構的建立一、系統功能與數據間的關土地信息系統：土地信息系統：系統功能與數據間的關系城市信息系統：系統功能與數據間的關系城市信息系統：空間數據結構的建立二、空間數據的分類和編碼

1、空間數據的分類是指根據系統功能及國家規(guī)范和標準，將具有不同屬性或特征的要素區(qū)別開來的過程，以便從邏輯上將空間數據組織為不同的信息層，為數據采集、存儲、管理、查詢和共享提高依據?？臻g數據結構的建立二、空間數據的分類和編碼信息層示意圖信息層示意圖空間數據結構的建立

2、空間數據的分類和編碼空間數據的編碼：是指將數據分類的結果，用一種易于被計算機和人識別的符號系統表示出來的過程，編碼的結果是形成代碼。代碼由數字或字符組成，或由它們共同組成。Eg：身份證前六位我國基礎地理信息數據的分類代碼由六位數字組成，其代碼結構如下所示：

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大類碼小類碼一級代碼二級代碼識別位大類碼、小類碼、一級代碼和二級代碼分別用數字順序排列。識別位由用戶自行定義，以便于擴充。空間數據