地理信息系统第二章GIS空间数据结构和数据库文档格式.docx
- 文档编号:20089477
- 上传时间:2023-01-16
- 格式:DOCX
- 页数:63
- 大小:1.04MB
地理信息系统第二章GIS空间数据结构和数据库文档格式.docx
《地理信息系统第二章GIS空间数据结构和数据库文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《地理信息系统第二章GIS空间数据结构和数据库文档格式.docx(63页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
颈元数据
图2-1-1实体的存储
在地理信息系统中,根据具体要求需要描述实体各个侧面如名称、位置、形状和获取这些信息的方法、时间和质量等,记录实体的这些描述内容的空间数据具有三个基本特征:
空间特征、属性特征和时间特征,根据反映实体特征的不同,空间数据可分为不同的类型:
几何数据、关系数据、属性数据和元数据,而不同类型的空间数据在计算机中是以不同的空间数据结构存储的。
1、空间实体的描述
通常需要从如下方面对地理实体进行描述:
1)编码:
用于区别不同的实体,有时同一个实体在不同的时间具有不同
的编码,如上行和下行的火车。
编码通常包括分类码和识别码。
分类码标识实体所属的类别,识别码对每个实体进行标识,是唯一的,用于区别不同的实体。
2)位置:
通常用坐标值的形式(或其它方式)给出实体的空间位置。
3)类型:
指明该地理实体属于哪一种实体类型,或由哪些实体类型组成。
4)行为:
指明该地理实体可以具有哪些行为和功能。
5)属性:
指明该地理实体所对应的非空间信息,如道路的宽度、路面质量、车流量、交通规则等。
6)说明:
用于说明实体数据的来源、质量等相关的信息。
7)关系:
与其它实体的关系信息。
2、空间数据的特征
空间数据具有三个基本特征(图2-1-2):
JackDMianmd(1*994)
E2-1-2空河戟赛肉嘉弐荐征
图2-1-2空间数据的基本特征
1)属性特征一一用以描述事物或现象的特性,即用来说明“是什么”,如事物或现象的类别、等级、数量、名称等。
2)空间特征一一用以描述事物或现象的地理位置,又称几何特征、定位
特征,如界桩的经纬度等。
3)时间特征一一用以描述事物或现象随时间的变化,例如人口数的逐年变化。
由于空间实体具有上述特征,所以在GIS中的表示是非常复杂的。
目前的GIS还较少考虑到空间数据的时间特征,只考虑其属性特征与空间特征的结合。
实际上,由于空间数据具有时间维,过时的信息虽不具有现势性,但却可以作为历史性数据保存起来,因而就会大大增加GIS表示和处理数据的难度。
3、空间数据的类型
根据空间数据的特征,可以把空间数据归纳为三类:
1)属性数据——描述空间数据的属性特征的数据,也称非几何数据。
即说明“是什么”,如类型、等级、名称、状态等。
2)几何数据一一描述空间数据的空间特征的数据,也称位置数据、定位
数据。
即说明“在哪里”,如用X、丫坐标来表示。
3)关系数据——描述空间数据之间的空间关系的数据,如空间数据的相邻、包含等,主要是指拓扑关系。
拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法。
此外,还有元数据,它是描述数据的数据。
在地理空间数据中,元数据说明空间数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息,便于数据生产者和用户之间的交流。
/p>
若根据划分角度不同,还可将空间数据划分为不同的类型。
4、空间数据结构
数据结构即数据组织的形式,是适合于计算机存贮、管理、处理的数据逻辑结构。
换句话说,是指数据以什么形式在计算机中存贮和处理。
数据按一定的规律储存在计算机机中,是计算机正确处理和用户正确理解的保证。
空间数据结构是空间数据在计算机中的具体组织方式。
目前尚无一种统
一的数据结构能够同时存储上述各种类型的数据,而是将不同类型的空间数据以
不同的数据结构存储(图2-1-1)。
一般来说,属性数据与其他信息系统一样常用二维关系表格形式存储。
元数据以特定的空间元数据格式存储,而描述地理位置及其空间关系的空间特征数据是地理信息系统所特有的数据类型,主要以矢量
数据结构和栅格数据结构两种形式存储。
三、实体的空间特征
可用空间维数、空间特征类型和空间类型组合方式说明实体的空间特征。
1、空间维数
有零维、一维、二维、三维之分,对应着不同的空间特征类型:
点、线、面、体。
在地图中实体维数的表示可以改变。
如一条河流在小比例尺地图上是一条线(单线河),在大比例尺图上是一个面(双线河)。
2、空间特征类型
1)点状实体:
点或节点、点状实体。
点:
有特定位置,维数为0的物体。
具体有下列类型的点:
实体点、注记点、内点和节点等不同类型(图2-1-4)
实体点:
用来代实体.
内县用于载多边形册属性,于多
角点、节点Vertez:
表超段和张良上的连接点.
te
©
rft暫/
肘宵交通厅
蜡邪滨观尤嚨臓口社中
®
文鹽山■言
e电科学瞬省公安丙褻@
®
黒龙江阳题行社
的件和字研究中卜右
/®
:
何华中字
/
机工识学
團2-1-4GM中不同类型朗点
2)线状实体:
具有相同属性的点的轨迹,线或折线,由一系列的有序坐标表示,并长度、弯曲度、方向性等特性,线状实体包括线段,边界、链、弧段、网络等。
3)面状实体(多边形):
是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述,在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。
具有面积、范围、周长、独立性或与其它地物相邻、内岛屿或锯齿状外形、重叠性与非重叠性等特性。
4)体、立体状实体:
用于描述三维空间中的现象与物体,它具有长度、宽度及高度等属性,立体状实体一般具有体积、每个二维平面的面积、内岛、断面图与剖面图等空间特征。
3、实体类型组合
现实世界的各种现象比较复杂,往往由上述不同的空间类型组合而成,例如根据某些空间类型或几种空间类型的组合将空间问题表达出来(图2-1-5),
复杂实体由简单实体组合表达。
莱场和居民地接近吗?
条公交路线经过的商场較多?
□
□0
3【
□居民地O菜场
0商场
点七组合
E2-1-5不同空间类型组合表达复朶空间间题
四、空间关系
空间关系是指各空间实体之间的空间关系,包括拓扑空间关系,顺序空间关系和度量空间关系。
由于拓扑空间关系对GIS查询和分析具有重要意义,在GIS中,空间关系一般指拓扑空间关系。
1、定义
拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。
是指图形在
保持连续状态下变形,但图形关系不变的性质。
可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上,将橡皮任意拉伸和压缩,但不能扭转或折叠,这时原来图形的有些属性保留,有些属性发生改变,前者称为拓扑属性,后者称为非拓扑属性或几何属性(表2-1-1)。
这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。
拓扑属性
耳怖扑属性(几何)
—t点在段的端点
简单颈段(自身不相交)f点在一t区就的边界上一t点在一t区域的内部外部〜点在的内夕潜
—tffi是〜简輛
—tffi的连魁(ffi内任两点从一
点可在面的内豁走向另一点)
两点间^离
一点指向另一点的方向弧段的长度
—t区域周长
f区载的面积
表2-1-1拓扑属性和非拓扑属性
2、拓扑关系的种类
点(结点)、线(链、弧段、边)、面(多边形)三种要素是拓扑元素。
它们之间最基本的拓扑关系是关联和邻接。
1)关联:
不同拓扑元素之间的关系。
如结点与链,链与多边形等。
2)邻接:
相同拓扑元素之间的关系。
如结点与结点,链与链,面与面等。
邻接关系是借助于不同类型的拓扑元素描述的,如面通过链而邻接。
在GIS的分析和应用功能中,还可能用到其它拓扑关系,如:
3)包含关系:
面与其它拓扑元素之间的关系。
如果点、线、面在该面内,则称为被该面包含。
如某省包含的湖泊、河流等。
4)几何关系:
拓扑元素之间的距离关系。
如拓扑元素之间距离不超过某一半径的关系。
5)层次关系:
相同拓扑元素之间的等级关系。
如国家由省(自治区、直辖市)组成,省(自治区、直辖市)由县组成等。
2、拓扑关系的表示
在目前的GIS中,主要表示基本的拓扑关系,而且表示方法不尽相同。
在矢量数据中拓扑关系可以由图2-1-6中的四个表格来表示。
面
构戚面的琏
琏
链两端点的结点
结点
通过该结点的琏
左面右俞
图2-1-6拓扑关系的表达
3、拓扑关系的意义
空间数据的拓扑关系,对于GIS数据处理和空间分析具有重要的意义,因为:
1)拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系,它比几何关系具有
更大的稳定性,不随地图投影而变化。
2)有助于空间要素的查询,利用拓扑关系可以解决许多实际问题。
如某
县的邻接县,--面面相邻问题。
又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀
门,就需要查询该线(管道)与哪些点(阀门)关联。
3)根据拓扑关系可重建地理实体(图2-1-7)。
例如根据弧段构建多边
形,实现面域的选取;
根据弧段与结点的关联关系重建道路网络,进行最佳路径
选择等
图2-1-?
拓扑关系的表达和重建
面能关漆:
面柏廉衙的磁
琏一意关乐】涟讎两靖点肿站東
船——鏈黃杀・竝百通过復络蛊的据
&
―关為tt换1肓更
2.2矢量数据结构
矢量数据结构是最常见的图形数据结构,是一种面向目标的数据组织方式。
矢量方法强调离散现象的存在,将线离散为一串采样点的坐标串,面状区域由边界线确定。
由于矢量数据结构具有结构紧凑,冗余度低,利于网络、检索分析等优点,是GIS主要的数据存储结构之一。
一、矢量数据的图形表示
二、矢量数据的获取方式
介绍地理信息系统中主要的几种矢量数据获取方式。
三、矢量数据表示
说明矢量数据表示需要考虑的问题,主要阐述矢量数据的简单数据结构和拓扑数据结构的编码方法及其特点。
一、矢量数据的图形表示
矢量方法将地理现象或事物抽象为点、线、面实体,将它们放在特定空间坐标系下进行采样记录(图2-2-1)。
P>
一L
1点实体:
记录点坐标和属性代码;
2、线实体:
记录两个或一系列采样点的坐标,并加属性代码;
3、面实体:
记录边界上一系列采样点的坐标,由于多边形封闭,边界为闭合环,加面域属性代码。
、矢量数据的获取方式
矢量数据的获取方式通常有:
1)由外业测量获得,可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄),然后转到地理数据库中。
2)由栅格数据转换获得,利用栅格数据矢量化技术,把栅格数据转换为矢量数据。
3)跟踪数字化,用跟踪数字化的方法,把地图变成离散的矢量数据。
由于栅格数据自动矢量化技术还不成熟,人工跟踪数字化是当前获取矢量数据的最主要方法,但存在工作量大,数据获取困难等缺点。
二、矢量数据表示
在GIS中,矢量数据表示时应考虑以下问题:
1)矢量数据自身的存贮和处理。
2)与属性数据的联系。
3)矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。
矢量数据的表示方法多种多样,但基本上类似,可触类旁通。
下面分别介绍矢量数据的简单数据结构和拓扑数据结构。
(一)简单数据结构
矢量数据的简单数据结构分别按点、线、面三种基本形式来描述(图
标识码
XY坐标
2-2-2)。
线(链)
坐标对数n
XjY坐标
琏标识码集
点标识码X.¥
坐标
图2-2-2简单数据结构
图中有关说明如下:
1、标识码:
按一定的原则编码,简单情况下可顺序编号。
标识码具有
唯一性,是联系矢量数据和与其对应的属性数据的关键字。
属性数据单独存放在数据库中。
2、点结构中的X,丫坐标:
是点实体的定位点,如果是有向点,则可以有两个坐标对。
3、线结构中的坐标对数n是构成该线(链)的坐标对的个数。
X,Y坐标串是构成线(链)的矢量坐标,共有n对。
也可把所有线(链)的X,Y坐标串单独存放,这时只要给出指向该链坐标串的首地址指针即可。
4、面结构是链索引编码的面(多边形)的矢量数据结构,链数n指构成该面(多边形)的链的数目。
链标识码集指所有构成该面(多边形)的链的标识码的集合,共有n个。
这种结构具有结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示的优点。
由于面结构建立了链索引,一个面(多边形)就可由多条链构成,每条链的坐标可由线(链)的矢量数据结构获取。
这种方法可保证多边形公共边的唯一性;
但多边形的分解和合并不易进行;
邻域处理比较复杂,需追踪出公共边;
在处理
“洞”或“岛”之类的多边形嵌套问题时较麻烦,需计算多边形的包含等。
由于拓扑关系简单,这种数据结构主要用于矢量数据的显示、输出,以及一般的查询和检索。
(二)拓扑数据结构
具有拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构,拓扑数据结构是GIS的分析和应用功能所必需的。
拓扑数据结构的表示方式没有固定的格式,还没有形成标准,但基本原理是相同的。
1、拓扑元素
矢量数据可抽象为点(结点)、线(链、弧段、边)、面(多边形)三种要素,即称为拓扑元素。
点(结点):
孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点等。
线(链、弧段、边):
两结点间的有序弧段。
面(多边形):
若干条链构成的闭合多边形。
2、编码方式
拓扑数据结构的关键是拓扑关系的表示.而几何数据的表示可参照矢量数据的简单数据结构。
在目前的GIS中,主要表示基本的拓扑关系,而且表示方法不尽相同。
下面举一表示矢量数据拓扑关系的例子(图2-2-3)。
图2-2-3矢量图
在图2-2-3的矢量图中,有面ABCDE、F,链L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13,和结点P1、P2、P3P4、P5P6P7、P8P9。
则拓扑数据结构表示见图2-2-4。
面号
构成面的链号
A
B
Lgs
C
Lf|?
'
mL|J?
D
E
Lq^?
1"
Lps-Ljj*
F
q,Ly-Lqy-Lb
面毬关系
链号
St两端的结点号
Pg,Pj
匕,P3
■ri
ri■.
链绕点关系
结点号
通过该结点的琏号
Pl
k
P2
L]iLu>
La
P3
^2'
^12*^-3
・i.・■
_ia.
结点毬关系
灘号
左面
右面
c
…
誌烦关系
图2-2-4拓扌澈据结构
面-链关系中的“一”号表示边的方向与构成面的方向相反,链-面关系
中0为制图区域外部的多边形,常称为包络多边形
2.3栅格数据结构
栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空
间现象的,其数据结构简单,定位存取性能好,可以与影像和DEM数
据进行联合空间分析,数据共享容易实现,是地理信息系统重要的一种
空间数据存储结构。
一、栅格数据的图形表示
二、栅格数据的组织
针对一个区域对应多个属性值的多层栅格文件,介绍三种组织这些栅格数据文件的方法。
三、栅格结构的建立
栅格结构的建立包括三个内容:
栅格数据的获取途径,栅格系统的确定和栅格代码的确定。
四、栅格数据结构的表示
介绍如何表示栅格数据结构。
一、栅格数据的图形表示
栅格结构是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构,其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。
换句话说,栅格数据结构
就是像元阵列,用每个像元的行列号确定位置,用每个像元的值表示实体的类型、等级等的属性编码(图2-3-1)。
櫃格化
图2-3-1柵格数据的图形表示
表示为一个像元;
表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合;
表示为聚集在一起的相邻像元的集合。
栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。
在栅格数据中,地表被分割为相互邻接、规则排列的地块,每个地块与一个像元相对应。
因此,栅格数据的比例尺就是栅格(像元)的大小与地表相应单元的大小之比,当像元所表示的面积较大时,对长度、面积等的量测有较大影响。
每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值,因而有可能产生属性方面的偏差。
二、栅格数据组织
由于地理信息具有多维结构,而栅格结构中赋予每一个栅格的属性值是唯一的,这就要用多个栅格层数据来存储同一个地理区域的不同侧面信息(图2-3-2)。
那么,如何在计算机中合理地组织这些栅格层数据以达到最优存储,空间最小,存取效率最高?
如果每层像元的位置对应,则有3种可能的组织
方式(图2-3-3)。
/ZZ/Z//7/
///A/////
zZzZ7Z///
/////////
/_////////
组织方法
图2-3-2多层栅格数:
据
峙文件
-稼元1
rxS«
-层1属性值
-层渥性值
貂6文件
—层1
卜像元1
_Y康
L属性值
-像元2
一层丄
性值
櫟元谨标
嚐元輕标
像元畔标
1-层H展性值
L多边形1
-«
7L2
ffl2-3-3栅格数据组织方法
方法a:
以像元为记录序列,不同层上同一像元位置上的各属性值表示为一个列数组。
N层中只记录一层的像元位置,节约大量存储空间,因为栅格个数很多。
方法b:
每层每个像元的位置、属性一一记录,结构最简单,但浪费存储。
方法c:
以层为基础,每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内各像元的坐标。
节约用于存储属性的空间。
将同一属性的制图单元的n个像元的属性只记录一次,便于地图分析和制图处理。
三、栅格结构的建立
要建立一个栅格数据结构需要明确三个内容:
数据来源(即获取数据的途径),栅格系统的确定和栅格代码的确定。
(一)栅格数据的获取途径
栅格数据的获取方式通常有:
1、来自于遥感数据
通过遥感手段获得的数字图像就是一种栅格数据。
它是遥感传感器在某个特定的时间、对一个区域地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样,并按不同的光谱段分光并量化后,以数字形式记录下来的象素值序列。
2、来自于对图片的扫描
通过扫描仪对地图或其它图件的扫描,可把资料转换为栅格形式的数据。
具体为:
扫描仪扫描专题图的图像数据得到每个像元的(行、列、颜色(灰度)),定义颜色与属性对应表,用相应属性代替相应颜色,得到每个像元的(行、列、属性),再进行栅格编码、存贮,即得到该专题图的栅格数据。
3、由矢量数据转换而来
通过运用矢量数据栅格化技术,把矢量数据转换成栅格数据。
这种情况通常是为了有利于GIS中的某些操作,如叠加分析等,或者是为了有利于输出。
4、由手工方法获取
在专题图上均匀划分网格,逐个网格地确定其属性代码的值,最后形成栅格数据文件。
二)栅格系统的确定
栅格系统的确定包括栅格坐标系的确定和栅格单元尺寸的确定(图
2-3-4)
图2-3'
4栅格系統的确定
1栅格坐标系的确定
表示具有空间分布特征的地理要素,不论采用什么编码系统,什么数据结构(矢、栅)都应在统一的坐标系统下,而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。
由于栅格编码一般用于区域性GIS,原点的选择常具有局部性质,但为了便于区域的拼接,栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致,并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。
2、栅格单元的尺寸
栅格单元的尺寸确定的原则是应能有效地逼近空间对象的分布特征,又减少数据的冗余度。
格网太大,忽略较小图斑,信息丢失。
一般讲实体特征愈复杂,栅格尺寸越小,分辨率愈高,然而栅格数据量愈大,按分辨率的平方指数增加,计算机成本就越高,处理速度越慢。
具体可采用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸的方法。
(三)栅格代码(属性值)的确定
为了保证数据的质量,当一个栅格单元内有多个可选属性值时(图2-3-5),要按一定方法来确定栅格属性值。
⑷⑹(J
图2-3-5栅格代码的确定
1中心归属法:
每个栅格单元的值由该栅格的中心点所在的面域的属性来确定,如图2-3-5中的(a),栅格属性值可据此确定为B。
2、长度占优法:
每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。
如图2-3-5中的(c),栅格属性值可据此确定为2。
3、面积占优法:
每个栅格单元的值由该栅格中单元面积最大的实体的属性来确定。
如图2-3-5中的(a),栅格属性值可据此确定为A。
4、重要性法:
根据栅格内不同地物的重要性,选取最重要的地物的类型作为栅格单元的属性值。
这种方法适用于具有特殊意义而面积较小的实体要
素。
若图2-3-5中的(b),a代表草地,b代表铁路,栅格属性值可据此确定为b
四、栅格数据结构的表示
将栅格数据看作一个数据矩阵,逐行(或逐列)记录代码
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 地理信息系统 第二 GIS 空间 数据结构 数据库