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GIS重点分析
第二章空间数据基础
第一节:
地理空间抽象
1、对地理对象的抽象过程有9个层次:
真实世界、概念世界、地理空间世界、维度世界、投影世界、点世界、几何体世界、地理要素世界以及要素集合世界。
连接它们的8个接口分别为:
认识接口、GIS学科接口、局部测度接口、信息团体接口、空间参照系接口、集合体结构接口、要素结构接口及项目结构接口。
(定义了从现实世界到地理要素集合世界的转换模型)
2、在地理空间世界中所认识的要素通常有一个自然的维度:
0、1、2或者3,这取决于它们是否被看成点、线、面、体。
3、投影世界:
维度世界和项目世界之间的接口称为信息团体接口,从维度世界调用该接口的方法叫做编码,从投影世界调用的方法称为落实。
地理空间要素建模的两种常用方法是几何体要素和覆盖,要素模型用于对现实世界中的地物对象建模,覆盖模型则对现实建模。
4、空间数据库建立过程:
(1)对现实世界归纳、分类,建立简化的现实世界模型。
(2)将简化模型转换成数字模型(3)按一定的数据结构组合成空间数据库。
第二节:
地理空间信息描述法
1、地球表面几何模型可分为四类:
(1)地球的自然表面
(2)相对抽象的面(3)模型(4)数学模型。
2、建立地理空间坐标系,最主要的目的是确定地面点的位置。
确定地面点的位置,最直截了当的方法是用地理坐标(用经纬度)来表示。
【平面坐标系,用笛卡尔坐标系表示地面点的位置。
】
3、在地图学上,把地理空间的实体分为点、线、面三种要素,分别用点状、线状、面状符号来表示。
点状要素:
是指那些占面积较小,不能按比例尺表示,又要定位的事物。
对点状要素的质量特征(以点状符号形状和颜色表示差别)和数量特征(以符号的尺寸表示),用点状符号表示。
线状要素:
对于地图上呈线状或带状的事物如交通线、河流、境界线、构造线等,在地图上军用线状符号来表示。
通常用线状符号的形状和颜色表示质量的差别,用线状符号的尺寸表示数量特征。
面状要素:
对于不连续分布或连续分布的面状事物的分布范围和质量特征,一般可以用面状符号表示。
符号的轮廓线表示其分布位置和范围,轮廓线内的颜色、网纹或说明符号表示其质量特征。
对于连续分布的面状事物的数量特征及变化趋势,常常可以用一组线状符号—等值线表示。
4、遥感影像对空间信息的描述主要是通过不同的颜色和灰度来表示的。
第三节空间数据模型
1、信息时代就是数字化的时代,空间数据到计算机能够存储的文件结构中间要经过一定的选择、简化与编码,分别对应着数据模型、数据结构和文件结构。
2、空间数据模型的基本问题:
空间数据(地理数据):
是与空间实体几何特征相关的数据,具有能够确定空间位置的特性。
包括空间位置、属性特征、时态特征三方面。
空间数据模型:
是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念,它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。
空间数据模型可分为三种类型:
场模型、要素模型和网络模型。
【注意:
场模型和要素模型类同于栅格模型和矢量模型,但前者是概念模型,后者是指在信息系统中的实现】
场模型:
用于描述空间中连续分布的现象.。
场经常被视为由一系列等值线组成,一个等值线就是地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。
模型是对现实世界的简化表达。
数据建模是指把现实世界数字化,并通过有效的数据组织反映真实世界的过程。
数据模型是根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式叫数据模型。
数据建模步骤:
①选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织;
②选择一种数据结构来表达该数据模型;
③选择一种适合于记录该数据结构的文件格式
例如,表示地表高程的空间数据可以选用栅格模型进行组织,栅格模型选用游程编码这一数据结构进行表达,处理后的数据则以诸如后缀名为COT的文件进行存储。
也可用矢量模型来组织,即以等高线多边形来表示地表,数据以POLYVRT的拓扑结构进行安排并且以DLG(DigitalLineGraph)文件格式存储。
也可以采用不规则三角网(TIN)模型来组织。
因此,一种空间数据建模可能有几种可选的数据结构,而每一种数据结构又可能有多种文件格式进行存储。
场模型具有空间连续变化、空间自相关、变化的均质性和不均质性等特征。
空间结构特征和属性域:
“空间”是指可以进行长度和角度测量的欧几里德空间。
属性域数值有以下几种类型:
名称、序数、间隔和比率。
连续的、可微的、离散的:
与方向无关的和与方向有关的(各向同性和各向异性)
空间自相关:
描述了某一位置上的属性值与相邻位置上的属性值之间的关系。
3、地理信息系统中最常用的数据组织方式为矢量模型和栅格模型。
在矢量模型中,用点、线、面表达世界,在栅格模型中用空间单元(Cell)或像元(Pixel)来表达。
栅格数据模型是基于连续铺盖的,它是将连续空间离散化,即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。
铺盖可以分为规则的和不规则的。
在边数从3到N的规则铺盖(RegularTesselations)
中的,方格、三角形和六角形是空间数据处理中最常用的。
4、◎在栅格模型中,点是一个像元,线由一串彼此相连的像元构成,但有时像元太粗糙而无法与空间目标很好地拟合。
◎在创立栅格时,像元的大小一经固定,也就丢失了某些高分辨率情况下的细节信息。
◎栅格模型中每一个栅格像元层记录着不同的属性,这些像元大小是一致的。
◎像元的位置由纵横坐标决定,每个像元的空间坐标并不一定要直接记录,因为像元记录的顺序已经隐含了空间坐标。
◎行列信息和原点的地理位置则被记录在每一层中。
◎栅格的空间分辨率是指一个像元在地面所代表的实际面积大小。
对于100m的分辨率,一个面积为100km2的区域就有100行*100列栅格,即1万个象元。
◎在栅格模型中,选择空间分辨率时,必须考虑到存 贮空间和处理时间的开销。
◎栅格数据处理对某些任务来说非常有效,栅格模型的一个优点就是不同类型的空间数据层不需要经过复杂的几何计算就可以进行叠加操作,例如,两幅或更多幅的遥感图像的叠加操作等;但是它对某些任务来说就不那么有效了,如比例尺变换、投影变换等。
◎栅格数据表达形式非常适合于模拟空间的连续变化,特别是属性特征的空间变化程度很高的区域
5、要素模型:
用于描述各种空间地物;【刻画的是离散对象(点、线、多边形),根据它们的边界以及组成它们或与它们相关的其他对象,可以详细的描述离散对象】
—内容:
标识、空间特征、属性。
在欧氏空间中,最常用的参照系统是笛卡尔坐标系(CartesianCoordinates)。
将地理要素嵌入到欧氏空间中,形成了三类地物要素对象,即点对象、线对象和多边形对象。
基于要素的空间信息模型把信息空间分解为对象(object)或实体(entity)。
一个实体必须符合三个条件:
可被识别;重要(与问题相关);可被描述(有特征)
基于要素的模型中的实体可采用多种维度来定义属性,包括:
空间维、时间维、图形维和文本/数字维。
6、空间对象之所以称为“空间的”,是因为它们存在于“空间”之中,即所谓“嵌入式空间”。
空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构。
常用的嵌入式空间类型有:
欧氏空间,它允许在对象之间采用距离和方位的量度,欧氏空间中的对象可以用坐标组的集合来表示;
量度空间,它允许在对象之间采用距离量度(但不一定有方向);
拓扑空间,它允许在对象之间进行拓扑关系的描述(不一定有距离和方向);
面向集合的空间,它只采用一般的基于集合的关系,如包含、合并及相交等。
矢量数据:
◎矢量模型的基本类型起源于“Spaghetti模型”
◎点用空间坐标对表示,线由一串坐标对组成,面是由线形成的闭合多边形
◎矢量模型能方便地进行比例尺变换、投影变换以及输出到笔式绘图仪上或视频显示器上
◎如果空间目标对象的空间特征信息连同属性特征信息一起存贮,根据属性特征的不同,点可用不同的符号来表示,线可用不同的颜色和粗细程度不等的线来描绘,多边形则可以填充不同的图案和色彩
◎一些计算机辅助制图软件包(CAD),是否具有真正的地理信息系统功能的关键,则在于它们是否采用了拓扑结构数据来描述空间目标之间的空间关系
◎在矢量数据模型中,拓扑属性是进行叠加和模型操作的关键所在
◎根据拓扑规则建立的矢量数据结构是区分拓扑数据模型和Spaghetti数据模型的关键
◎在拓扑模型中,多边形的边界被分割成一系列的弧和结点。
弧、结点和多边形之间空间关系在属性表中定义
◎在Spaghetti模型中,两个相邻的多边形之间的共同边界分两次记录,这会浪费存贮空间,同时也导致双重边界不能精确地匹配
◎在拓扑模型中,弧的左、右多边形被精确定义,因此多边形边界不会重复
•矢量模型非常适合于表达地图上的图形目标,点和一些小的多边形都能被精确地表达,因为中间点能较好地拟合光滑曲线。
•拓扑模型使得需要拓扑信息的计算机处理很有效,但拓扑生成比较耗费机时。
7、栅格模型与矢量模型的比较
对数字计算机来说,栅格模型特别适用于刻画像地球重力场以及海洋动力场那样地理现象的连续的空间变量。
栅格可以用数字矩阵来表达,它以一种简单的文件结构贮存在磁盘中,文件按顺序含有像元的直接地址。
数字扫描设备和视频数字化仪能够产生栅格形式的数据,许多输出设备也是基于栅格模式,例如,视频显示器、行式打印机和喷墨绘图仪。
运用栅格模型进行数字图像处理和分析已被广泛应用于遥感、医学成像、计算机视觉和其它有关领域。
•矢量模型非常适于表达图形对象和进行高精度制图
•在栅格模型中要想精确地刻画点、线、多边形和符号等图形要素,没有很小的像元是困难的,即使这样做了也会占用很大的存贮空间
•在矢量模型中,包围多边形面的线是由一系列相连的点或角点(Vertices)组成,每个中间点也就是一个空间坐标对,因此称之为矢量
•如果中间点之间非常接近,坐标表达非常精确,那么曲线就可以被精确描述
•数字化仪产生矢量形式的坐标对数据,数字笔式绘图仪能够产生线划平滑的图形和图件
•矢量数据存贮的数据结构要比栅格数据复杂,以矢量形式进行图形叠加的算法也很复杂
栅格模型和矢量模型最根本的不同在于它们如何表达地理空间
◎栅格模型采用面域或空域枚举来直接描述空间目标对象;
◎矢量模型用边界或表面来表达空间目标对象的面或体要素,通过记录目标的边界,同时采用标识符表达它的属性
8、不规则三角网模型(TIN)
TIN是不规则三角网的首字母缩写词,是用来表达连续表面的主要结构。
不规则三角网把表面表达为一组相邻而不从叠的连续三角面,三角面的定点位于表面上,每个三角面概括某一特定的表面特征。
•不规则三角网模型采用不规则多边形拟合地表,它主要用来描述数字高程表面。
•在TIN模型中,点的位置控制着三角形的顶点,这些三角形尽可能接近等边,地表地形就可由一组三角形很好地表示出来。
•三角网的一个优点是,其三角形大小随点密度变化而自动变化,当数据点密集时生成的三角形小,数据点较稀时生成的三角形较大。
•由等高线数字化得到的点,当等高线较密时,数据点的密度也相应较高,如陡坡上的三角形比缓坡上的三角形小且密。
•TIN表示不连续对象也具有优势,可用来表示悬崖、断层、海岸线和山谷谷底。
•把TIN转化为栅格,可用线性内插方法,也可用非线性内插方法,如生成平滑的平面来消除三角面之间的不连续性。
不规则三角网模型:
泰森模型的特点是:
组成多边形的边总是与两相邻点的连线垂直,并且多边形的任何位置总是离多边形内的点最近,离相邻多边形内的点远。
泰森多边形可用于对表面(如高原面)进行模拟,每一个高原的高度为常数且等于内部样点的高度。
不规则三角网模型用TIN表示时,这些面具有坡度;用泰森多边形表示时,这些面为平面。
9、网络结构模型:
网络要素由边线(链)、交点(结点)、权值、网络标识和障碍等部分组成。
网状模型的基本特征是:
结点数据间没有明确的从属关系,一个结点可与其他多个结点建立联系。
在网络模型中,地物被抽象为链、节点等对象,同时要关注其间连通关系。
基于网络的空间模型与基于要素的模型在一些方面有共同点,因为它们经常处理离散的地物,但是最基本的特征就是需要多个要素之间的影响和交互,通常沿着与它们相连通的通道。
网络模型的典型的例子就是研究交通,包括陆上÷海上及航空线路,以及通过管线与隧道分析水、汽油及电力的流动
第四节空间数据结构
空间数据结构是指空间数据在计算机内的组织和编码形式。
它是一种适合于计算机存储、管理和处理空间数据的逻辑结构,是地理实体的空间排列的相互关系的抽象描述。
•空间数据结构是指对空间数据进行合理的组织,以便于进行计算机处理。
•数据结构是数据模型和文件格式之间的中间媒介。
(例如,游程编码是一种适用于栅格数据模型的数据结构,它能以各种各样的格式写到数据文件里)
•数据模型是数据表达的概念模型
•数据结构是数据表达的物理实现
•前者是后者的基础,后者是前者的具体实现
数据结构的选择取决于数据的性质以及使用的方式。
空间数据结构分为矢量数据结构和栅格数据结构。
(1)矢量数据结构:
矢量数据结构是一种常见的图形数据结构,它用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置。
矢量结构的特点:
属性隐含,定位明显
矢量型数据结构按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为实体型和拓扑型两大类。
1、Spaghetti(面条)结构:
点表:
X、Y是位置坐标,A1,A2,…,AN是专题属性。
点表非常直观,每一个点由表中的一行来表示,列表示其空间位置和属性特征。
线表:
由线段记录相连而成,每一条线段由顺次相连的点或中间点(Vertices)来定义。
线表记录信息分为两类,一类记录是线的ID号、中间点数目和其它属性特征,它们组成每条线段记录的头文件,如表2.2B中第一行记录“1、5、2、7”,“1”是线的ID号,“5”是线的中间点总数目,“2、7”是线的属性特征值,另一类记录是每个中间点坐标如表2.3B中的第二行至第六行。
多边形表:
与线表非常相似,但它的最后一个结点坐标值与第一个结点坐标值相同,如表2.2C中,第一号多边形的(X1,Y1)=(X5,Y5)。
∮Spaghetti结构的一个好处是能够顺次进行数字化绘置工作。
∮Spaghetti结构也有两点不足,其一是数据冗余问题;其二是由于缺乏拓扑属性而带来的计算代价问题。
2、拓扑数据结构:
基本元素:
①拓扑线段(arc)该线段中间不与其它线段存在联系②结点(node)拓扑线段的两个端点,分别为首结点、尾结点③多边形(poly)由数条拓扑线段连接而成④环(ring)该线段中间不与其它线段存在联系⑤洞(hole)多边形内部环⑥岛(island)所有多边形外部环
矢量数据结构优缺点:
•一个多边形和另一个多边形之间没有空间坐标的重复,这样就消除了重复线;•拓扑信息与空间坐标分别存贮,这有利于诸如近邻,包含和相连等等查询操作。
•拓扑表必须在一开始时就创建,这需要一定时间和存贮空间
•一些简单的操作,如图形显示比较慢,因为图形显示需要的是空间坐标而非拓扑结构
矢量数据结构功能:
拓扑编辑:
拓扑编辑功能包括多边形编辑和结点编辑
拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能。
这种拓扑编辑功能,不但保证数字化原始数据的自动差错编辑,而且可以自动形成封闭多边形边界,为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。
拓扑关系分析:
是否创建拓扑结构需要考虑数据是用于分析还是简单的显示。
不规则三角网结构:
表面上不规则分布的点可以连接成三角形网,三角形的顶点就是原先的不规则点。
TIN结构通常用于数字化地形的表示中,有时也用于表示单值的表面.每个不规则的三角形可被视为一个平面,平面的几何特性完全由三个顶点的空间坐标值(X,Y,Z)决定。
TIN中三角网的密度随着数据点密度的变化而变化,这不同于栅格模型中均匀的像元密度.
TIN的拓扑结构易于存贮,操作也很便利
与栅格方式相比,TIN方式所需的存贮空间要少.TIN模型与拓扑矢量结构相辅相成,已在GIS中得到了广泛的应用.
¶表面模型通常是对无规则的空间数据进行内插,并反映到规则的格网上。
¶在格网或栅格形式下,表面可以进行显示、分区、组合、分析等操作。
¶表面通常是单值的,可作2.5维来处理。
¶多值表面,可作真三维来处理
(2)栅格数据结构:
栅格结构是最直观的数据结构,又称为网格结构或象元结构,它是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格列阵,每个网格作为一个象元或象素,由行、列号定义,并包含一个代码,表示该象素的属性类型或量值,或仅仅包含指向其属性记录的指针。
栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织,组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。
栅格结构显著特点是:
属性明显,定位隐含。
数据结构数据主要可由四个途径得到,即:
1、目读法2、数字化仪手扶或自动跟踪数字换地图,得到矢量数据结构后,再转换为栅格结构。
3、扫描数字化4、分类影像输入。
在进行栅格数据编码时,栅格单元的值可以采用面积占优、中心点和重要性方法来确定。
完全栅格结构:
大多数的数字图像处理系统采用完全栅格结构。
在完全栅格结构里,像元顺序一般以行为序,以左上角为起点,按从左到右从上到下的顺序扫描。
通常称完全栅格结构编码的图像文件为网格文件或栅格文件,栅格结构不论采用何种压缩编码方法,其逻辑原型都是直接编码网格文件。
空间数据编码:
将各种空间数据按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程。
游程编码基本思路:
对于一幅栅格图像,常常有行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的属性代码,因而可采取某些方法压缩那些重复的记录内容。
¶有相同属性值的邻近像元被合并在一起称为一个游程,游程用一对数字表达
¶每个游程对中的第一个值表示游程长度,第二个值表示游程属性值(类别)
¶每一个新行都以一个新的游程开始
¶表达游程长度的位数取决于影像的列数,游程属性值则取决于影像的最大类别数
¶通常用两个字节存贮游程长度,一个字节存贮游程属性值
三维矢量结构表示有多种方法,其中运用最普遍的是具有拓扑关系的三维边界表示法和八叉树表示法。
区域四叉树和八叉树:
•四叉树和八叉树都是层型树状的数据结构,四叉树编码的最大缺点是转换的不定性。
•它们分别把某像元块连续等分成四块或八块。
•运用四叉树或八叉树来代替完整的栅格结构的目的,是为了节省栅格数据的空间需求。
对栅格数据结构:
•压缩效率高,压缩和解压缩比较方便,阵列各部分的分辩率可不同,既可精确地表示图形结构,又可减少存贮量,易于进行大部分图形操作和运算。
•不利于形状分析和模式识别,即具有图形编码的不定性,如同一形状和大小的多边形可得出完全不同的四叉树结构。
•四叉树数据的显示比游程编码数据要慢。
四叉树不利于需要创建新树的操作,如转置、旋转或比例尺变换。
•选择是否运用四叉树表示栅格数据,需要在处理速度和存贮容限之间作折衷。
第五节空间关系
1、空间拓扑关系是描述任意两个点、线、面空间实体(点、线、多边形)邻接、关联和包含关系的方式。
2、邻接关系:
空间图形中同类元素之间的拓扑关系。
关联关系:
空间图形中不同元素之间的拓扑关系。
包含关系:
空间图形中同类但不同级元素之间的拓扑关系。
3、基本空间对象度量关系包含点/点、点/线、点/面、线/线、线/面、面/面之间的距离。
4、空间指标量算:
定量量测区域空间指标和区域地理景观间的空间关系是地理信息系统特有的能力。
其中区域空间指标包括:
(1)几何指标:
位置、长度(距离)、面积、体积、形状、方位等指标;
(2)自然地理参数:
坡度、坡向、地表辐照度、地形起伏度、河网密度、切割程度、通达性等;
(3)人文地理指标:
如集中指标、区位商、差异指数、地理关联系数、吸引范围、交通便利程度、人口密度等。
5、地理空间的距离度量
地理空间中两点间的距离度量可以沿着实际的地球表面进行,也可以沿着地球椭球体的距离量算,具体的,距离可以表现为以下几种形式:
(1)大地测量距离:
该距离即沿着地球大圆经过两个城市中心的距离。
(2)曼哈顿距离:
纬度差加上经度差(名字“曼哈顿距离”是由于在曼哈顿,街道的格局可以被模拟成两个垂直方向的直线的一个集合)。
(3)旅行时间距离:
从一个城市到另一个城市的最短的时间可以用一系列指定的航线来表示(假设每个城市至少有一个飞机场)。
(4)词典编纂距离:
在一个固定的地名册中一系列城市中它们位置之间的绝对差值。
第三章空间数据输入与处理
一空间数据的基本特征
1空间特征:
表现现象的空间位置或现在所处的地理位置
2属性特征:
表现现象的特征
3时间特征:
现象或事物随时间的变化
二空间数据类型
1类型数据2面域数据3网络数量4样本数量5曲面数据6文本数据7符号数据
三空间数据源
1地图各种类型的地图是GIS最主要的数据源
地图的特点地图存储介质的缺陷(地图多为纸质,由于存放条件的不同,都存在不同程度的变形)地图现势性较差(传统地图更新需要的周期较长,造成现存地图的现势性不能够完全满足实际的需要)地图投影的转换(由于地图投影的存在,使得对不同地图投影的地图数据进行交流前要先进行地图投影的转换)
2遥感影像的数据(是GIS一个极其重要的信息源)
3统计数据(国民经济的各种统计数据常常是GIS的数据源)
4实测数据(特别是一些GPS点位数据,地籍测量数据时GIS的一个很准确和很现势的资料)
5已有数字数据
6各种文字报告和立法文件
四空间数据采集
1属性数据:
空间实体的特征数据,一般包括名称等级数量代码等属性数据的内容有时直接记录在栅格或矢量数据文件中有时单独输入数据库存储为属性文件
2编码原则
(1)编码的系统性和科学性
(2)编码的一致性(3)编码的标准化和通用性 (4)编码的简洁性 (5)编码的可扩展性
3编码内容
(1)登记部分:
用来标识属性数据的序号,可以是简单的连续编号也可划分不同层次进行顺序编码
(2)分类部分:
用来标识属性的地理特征可采用多位代码反映多种特征(3)控制部分:
用来通过一定的查错算法检查在编码,录入和传输中的错误在属性数据较大的情况下具有重要意义
4编码方法
步骤:
(1)列出全部制图对象清单
(2)制定对象分类分级原则和指标将制图对象进行分类分级(3)拟定分类代码系统(4)设定代码及其格式(5)建立代码和编码对象的对照表
层次分类编码:
按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码,优点是能够明确表示分类对象的类别代码结构有严格的隶属关系
多源分类编码法:
对于一个特定的分类目标,根据诸多不同的分类依据分别进行编码,各位数字代码之间没有隶属关系
五图形数据的采集
1手扶跟踪数字化仪输入按照采集数据的方式分为机械式超声波式全电子式
2扫描输入按照支持颜色分类单色扫描仪彩色扫描仪安所采用固态器件分为电荷耦合器件(CCD)扫描仪MOS电路扫描仪紧贴型扫描仪按扫描宽度分为大型扫描仪台式扫描仪手动式扫描仪
3数字化方式选择
优势
劣势
手工数字化
数字化设备价格低廉
技术含量低,培训简单
对原始图件要求不高
速度慢花费时间长机械重复劳动
单调乏味
扫描数字化
容易操作
速度快很快得到数字图像数据
数据量大占空间资源多
难于属性数据相连
只能做背景数据
对原始图件质量要求高
输入设备价格高
需要专业训练
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