地理数据结构及其文件组织
学习目标
·理解地理空间信息的概念
·掌握地理空间信息的描述方法
·理解地理数据分类描述的方法
·理解和掌握地理空间数据的拓扑关系
·掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法
·了解栅格与矢量数据之间的转化方法
重点,地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构
的特点及其编码方法。
难 点,拓扑结构、栅格数据编码
地理数据结构及其文件组织
地理空间信息及其描述
地理空间数据类型
地理信息的空间关系
地理信息空间数据结构
地理信息数据的编码方法
矢量结构与栅格结构的相互转换
一、地理空间信息
? 1.地理空间( Geographic Space)是指物质、能量、
信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布
方式和格局及其在时间上的延续。
? 2.地理信息
地理信息是一个时空过程,它存在于一定物质、能
量载体,并能从一种载体向另一种载体进行转移,
从而形成所谓的信息流。按照认知关系可将地理信
息载体化分为地理主体和地理对象两种。
二、地理空间信息的描述
? 是建立在地理空间坐标系基础上的
? 地理坐标 (经度、纬度)是描述地理空间信息最直接
的方法。
? 平面直角坐标系 (X,Y)建立了对地理空间良好的视觉
感,并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算,
以及进一步的空间数据处理和分析。
? 地理信息系统中的地理空间,通常就是指经过投影
变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间,它的
理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。
三、地理数据的分类描述
? 定名( Nominol)量
? 顺序( Ordinal)量
? 间隔( Interval)量
? 比率( Ratio)量
定性而非定量地对众多地理事物
进行区分和标识。如北京、天津、
石家庄等;长江、黄河、鸭绿江
等;白洋淀、洪泽湖和太湖等
通过排序来区分和标识地理现象
的量称为顺序量。它是按照地理
数据的等级序列,由低到高(或
由高到低)进一步细分的
利用某种标准单位(可以是任意
的)作为间隔量来表示不同的量,
是一种较精确区分和标识地理现
象的测量方法。
比率量是间隔量的精确化。它提
供的定量值是具有真零值而且测
量单位的间隔是相等的数据
第二节 地理空间数据类型
? 地理数据的基本特征
? 地理数据的来源
? 地理空间数据类型
一、地理数据的基本特征
? 空间特征
表 示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特
征又称定位特征或几何特征,一般用坐标数据表示。
? 属性特征
表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特
征等。
? 时间特征
描 述实体随时间的变化,其变化的周期有超短周期的、
短期的、中期的和长期的。
二、地理数据的来源
? 地图数据
地图是地理信息的主要载体,同时也是地理信息系统
最重要得信息源
? 遥感数据
各种遥感数据及其制成的图像资料(航片、卫片)包
含着及其丰富的地理内容,尤其是先进的卫星遥感技
术的广泛应用,能为地理信息系统提供源源不断的、
现势性很强的数据
? 统计数据、实测数据及各种文字报告
各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研
究报告等
三、地理空间数据的类型
1,类型数据,居民点、交通线、土地类型分布等。
2,面域数据,多边形中心点、行政区域界限和行政单元
3,网络数据,道路交叉点、街道和街区等。
4,样本数据,气象站、航线和野外样方的分布区等。
5,曲面数据,高程点、等高线和等值区域。
6,文本数据,如地名、河流名和区域名称。
7,符号数据,点状符号、线状符号和面状符号等。
第三节 地理信息的空间关系
? 地理空间数据的拓扑关系
? 地理空间信息的方向关系
? 地理空间信息的度量关系
一, 地理空间数据的拓扑关系
拓扑结构 是明确定义空间结构关系的一种数学方
法。 在 GIS中,它不但用于空间数据的组织,而且
在空间分析和应用中都有非常重要的意义。
1.地理空间数据的拓扑关系
2.地理空间数据拓扑关系应用价值
3.地理空间数据拓扑关系的表示
拓扑邻接,元素之间的拓扑关系。
拓扑关联,元素之间的拓扑关系 。
拓扑包含,元素之间的拓扑关系。
1、地理空间数据的拓扑关系
不 同 类
同 类
同类不同级
N1 е
1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
拓扑邻接,N1/N2,N1/N3,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3
拓扑关联,N1/е1,е3, е6 ; P1/е1,е5, е6
拓扑包含,P3与 P4
2.地理空间数据拓扑关系应用价值
( 1)确定地理实体间的相对空间位置,无需坐标
和距离
( 2)利于空间要素查询
( 3)重建地理实体
3.地理空间数据
拓扑关系的表示
结点集合
结点名 指 针
第一个离开弧段 第一个到达弧段
坐标
N1 e3 e1 x1,y1
N2 e1 e2 x2,y2
N3 e2 e3 x3,y3
е1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
顺时针第一弧段 逆时针第一弧段
指 针 属性
P0 e5 t0
P1 e1 t1
P2 e2 e5 t2
多边
形名
P3 e3 e4 t3
е1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
3.地理空间数据
拓扑关系的表示
多边形集合
弧
段
名
e1 N2 N1 P1 P0 e6 e2 s1
e2 N3 N2 e5 P2 P0 e4 e3 s2
e3 N1 N3 e6 e4 P3 P0 s3
e4 N4 N3 e5 e3 P2 P3 e2 e6 s4
始
结
点
终
结
点
离开始结
点的下一
条弧段
到达终结点
的下一条弧
段
右多
边形
左多
边形
右多边形顺
时针下一条
弧段
左多边形
逆时针下
一条弧段
坐
标
串
е1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
3.地理空间数据
拓扑关系的表示
弧段集合
二、地理空间信息的方向关系
? 方向关系:地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。
? 描述空间实体的方向关系,对于点状空间实体只要计算两
点之间的连线与某一基准方向的夹角即可,该夹角称为连
线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方
向和坐标纵线方向三种。
? 同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时,
只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点
状实体,然后按点状实体来求解方向关系即可。
三、地理空间信息的度量关系
? 度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。
? 这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种
距离,如 A实体距离 B实体 100m。也可以应用与距
离概念相关的术语,如远近等进行定性的描述。
第四节 地理信息空间数据结构
? 空间数据结构
? 矢量数据结构
? 栅格数据结构
? 栅格结构与矢量结构的比较
常用的空间数据结构
X
Y
i
j
x1 y1
x2 y2
xi yi
xn yn
矢量数据结构
矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点
,线, 面等地理实体 。
特点,定位明显, 属性隐含 。
获取方法,
(1) 手工数字化法;
(2) 手扶跟踪数字化法;
(3) 数据结构转换法 。
栅格数据结构
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
示地理要素的非几何属性特征 。
特点,属性明显, 定位隐含 。
获取方法,
(1) 手工网格法;
(2) 扫描数字化法;
(3) 分类影像输入法;
(4) 数据结构转换法 。
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8 8
8 8 8
8 8 8 8
8 8 8
8 8 8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8 8 8
8
8
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 2 2
2 2 2
2
2
2
2 2
2
3 2
2
A
.O C
中心点
法
重要性
法
长度占优法
面积占优法
栅格结构数据中混合像元的处理
方案一
方案二,缩小栅格单元的面积
比较内容 矢 量 结 构 栅 格 结 构
数据结构 复杂 简单
数据量 小 大
图形精度 高 低
图形运算、搜索 复杂、高效 简单、低效
软件与硬件技术 不一致 一致或接近
遥感影像格式 要求比较高 不高
图形输出 显示质量好、精度高,
但 成本比较高
输出方法快速,质量
低,成本比较低廉
数据共享 不易实现 容易实现
拓扑和网络分析 容易实现 不易实现
矢量结构与栅格结构的比较
第五节 地理数据的编码方法
编码的概念和意义
栅格结构编码方法
矢量结构编码方法
属性数据编码方法
第三节 地理数据的编码方法
地理数据编码, 是根据 GIS的目的和任务, 把
地图, 图像等资料按一定数据结构转换为适于计算
机存贮和处理的数据过程 。 地理内容的编码要反映
出地理实体的几何特征, 以及地理实体的属性特征,
空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技
术步骤, 它表现由现实世界到数据世界之间的界面,
是联结从现实世界到数据世界的纽带 。
一、编码的概念和意义
链码 (chain Encoding)
直接栅格编码
游程长编码 (Run_length Encoding)
块 码
四叉树编码 (quarter_tree Encoding)
栅
格
结
构
编
码
方
法
1、直接栅格编码
直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵, 逐行 ( 或逐列 )
逐个记录代码, 可以每行从左到右逐像元记录, 也可奇数行从左
到右而偶数行由右向左记录, 为了特定的目的还可采用其他特殊
的顺序 。
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
0,2,2,5,5,5,5,5;
2,2,2,2,2,5,5,5;
2,2,2,2,3,3,5,5;
0,0,2,3,3,3,5,5;
0,0,3,3,3,3,5,3;
0,0,0,3,3,3,3,3;
0,0,0,0,3,3,3,3;
0,0,0,0,0,3,3,3。
由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每
个后续点相对其前继点的可能的 8个基本方向之一表
示 。 8个基本方向自 0° 开始按逆时针方向代码分别
为 0,1,2,3,4,5,6,7。 单位矢量的长度默认
为一个栅格单元 。
2、链码
1 2 3
4
5
0
7 6 0 0 1 0 7 6 7 0 1 1 0 0
链码编码,
2,2, 6, 7,6,0,6,5
1 2 3
4
5
0
7 6
0 5 0 0 0 0 0 0
0 0 5 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 5 0 0 0 0 0 0
0 0 5 5 0 0 0 0
0 0 0 5 0 0 0 0
0 0 5 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
链码编码示例
3、游程长度编码
(1)只在各行 ( 或列 ) 数据的代码发生变化时依次记录
该代码以及相同代码重复的个数;
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
沿行方向进行编码, ( 0,1),
( 2,2),( 5,5);( 2,5),
( 5,3);( 2,4),( 3,2),
( 5,2);( 0,2),( 2,1),
( 3,3),( 5,2);( 0,2),
( 3,4),( 5,1),( 3,1);
( 0,3),( 3,5);( 0,4),
( 3,4);( 0,5),( 3,3)。
3、游程长度编码
逐个记录各行 ( 或列 ) 代码发生变化的位置和相应代码 。
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
沿列方向进行编码, ( 1,0),
( 2,2),( 4,0);( 1,2),
( 4,0);( 1,2),( 5,3),
( 6,0);( 1,5),( 2,2),
( 4,3),( 7,0);( 1,5),
( 2,2),( 3,3),( 8,0);
( 1,5),( 3,3);( 1,5),
( 6,3);( 1,5),( 5,3)。
4、块码
采用方形区域作为记录单元, 数据编码由初始位置行列
号加上半径, 再加上记录单元的代码组成 。
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
( 1,1,1,0),( 1,2,2,2),
( 1,4,1,5),( 1,5,1,5),
( 1,6,2,5),( 1,8,1,5);
( 2,1,1,2),( 2,4,1,2),
( 2,5,1,2),( 2,8,1,5);
( 3,3,1,2),( 3,4,1,2),
( 3,5,2,3),( 3,7,2,5);
( 4,1,2,0),( 4,3,1,2),
( 4,4,1,3);( 5,3,1,3),
( 5,4,2,3),( 5,6,1,3),
( 5,7,1,5),( 5,8,1,3);
( 6,1,3,0),( 6,6,3,3);
( 7,4,1,0),( 7,5,1,3);
( 8,4,1,0),( 8,5,1,0)。
5、四叉树编码
是根据栅格数据二维空间分布的特点, 将空间区域按照
4个象限进行递归分割 ( 2n× 2 n,且 n>1), 直到子象限的数
值单调为止, 最后得到一棵四分叉的倒向树 。 四叉树分解,
各子象限大小不完全一样, 但都是同代码栅格单元组成的子
块, 其中最上面的一个结点叫做根结点, 它对应于整个图形 。
不能再分的结点称为叶子结点, 可能落在不同的层上, 该结
点代表子象限单一的代码, 所有叶子结点所代表的方形区域
覆盖了整个图形 。 从上到下, 从左到右为叶子结点编号, 最
下面的一排数字表示各子区的代码 。
为了保证四叉树分解能不断的进行下去, 要求图形必须
为 2n× 2 n的栅格阵列 。 n 为极限分割次数, n+ 1是四叉树最
大层数或最大高度
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
① ② ③
④ ⑤ ⑥⑦⑧⑨⑩ 11
12 13
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 36 37 38 39
34 35 40
0 0 0
0 3 3 3 0 3 3 3 3 3 5 3 0 0 2 2 2 3 2 2 2 2 0 2 2 2 2 5 2 5 5 5
3 3 3 5 5
西南 东南 西北 东北
0 0 0 … 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1
22位 6位 4位
直接栅格编码,简单直观,是压缩编码方法的逻辑原
型(栅格文件);
链码,压缩效率较高,以接近矢量结构,对边界的运
算比较方便,但不具有区域性质,区域运算较难;
游程长度编码,在很大程度上压缩数据,又最大限度
的保留了原始栅格结构,编码解码十分容易,十分适
合于微机地理信息系统采用;
块码和四叉树编码,具有区域性质,又具有可变的分
辨率,有较高的压缩效率,四叉树编码可以直接进行
大量图形图象运算,效率较高,是很有前途的编码方
法。
矢量结构编码方法
1、点实体矢量编码方法
2、线实体矢量编码方法
3、多边形矢量编码方法
点实体编码
比例
朝向
线指针
线交汇编
比例
朝向
字体
文句
x,y 坐标
其它非几何属性
建立和显示数据库联系的属性
简单点 —— 符号
文本点 —— 字符
结 点 —— 符号
统一标识
类别或系列号
点类型
简单点
文本点
结 点
线实体编码
唯一标示码
线标示码
起始点
终止点
坐标对序列
显示信息
非几何属性
多边形矢量编码
多边形环路法
树状索引编码法
拓扑结构编码法
由多边形边界的 x,y
坐标队集合及说明
信息组成
对所有边界点数字化,将坐
标对以顺序方式存储,由点
索引与边界线号相联系,以
线索引与各多边形相联系
形成完整的
拓扑结构
多边形环路法
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ 1
2
3
4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
P1 x1,y1; x2,y2;
x3,y3; x4,y4;
x5,y5; x6,y6;
P2 x7,y7; x8,y8;
x9,y9; x10,y10;
x11,y11; x5,y5; x6,y6
P3 x12,y12; x13,y13; x14,y14; x15,y15
树状索引法
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
Ⅰ Ⅱ
P1 P3 P
2
Ⅱ Ⅲ Ⅳ
1 2 3 4 5 6 5 6 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
点文件
点号 坐标
1 x1,y1
2 x2,y2
15 x15,y15
…
…
树状索引法
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
1 2 3 4 5 6 5 6 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
线号 起点 终点 点号
Ⅰ 6 5 6,1,2,3,4,5
Ⅱ 5 6 5,6
Ⅲ 6 5 6,7,8,9,10,11,5
Ⅳ 12 13 12,15,14,13
树状索引法
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
多边形文件
多边形号 边界线号
1 Ⅰ, Ⅱ
2 Ⅱ, Ⅲ
3 Ⅳ
Ⅰ Ⅱ
P1 P3 P
2
Ⅱ Ⅲ Ⅳ
树状索引法
拓扑结构编码法
唯一标示
多边形标示
外包多边形指针
邻接多边形指针
边界链接
范围
较好的解决了空间关
系查询等问题,但增
加了算法的复杂度
四、属性数据编码方法
1.编码内容
( 1)登录部分
( 2)分类部分
( 3)控制部分
2.编码原则
( 1)管理效率高
( 2)适用性好
( 3)接口方便
第六节 矢量结构与栅格结构的相互转换
? 矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 栅格数据结构向矢量数据结构的转换
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 矢量数据转换成栅格数据后,图形的几何精度必然要降
低,所以选择栅格尺寸的大小要尽量满足精度要求,使
之不过多地损失地理信息。为了提高精度,栅格需要细
化,但栅格细化,数据量将以平方指数递增,因此,精
度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素。
? 栅格尺寸确定
①计算若干个小图斑的面积 S( i= 1,2,…, n);
②求小图斑面积平均值=;
③求栅格尺寸 L=() 1/2。
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 点的栅格化
? ?
? ???
?
??
??
xp
yp
DxJ
DyI
/1
/1
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 直线栅格化
直线插补法
扫描线法
? ?
? ???
?
??
??
xp
yp
DxJ
DyI
/1
/1
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 面域的栅格化
直线插补法
扫描线法
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 多边形边界提取
? 边界线追踪
? 拓扑关系生成
? 去除多余点及曲线圆滑
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 多边形边界提取
二值化 细化
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 多边形边界提取
二值化 细化
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 边界线追踪:边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的
细化处理后的栅格数据,整理为从结点出发的线段或闭
合的线条,并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标
? 拓扑关系生成:对于矢量表示的边界弧段,判断其与原
图上各多边形空间关系,形成完整的拓扑结构,并建立
与属性数据的联系。
? 去除多余点及曲线圆滑:由于搜索是逐个栅格进行的,
必须去除由此造成的多余点记录,以减少冗余。
学习目标
·理解地理空间信息的概念
·掌握地理空间信息的描述方法
·理解地理数据分类描述的方法
·理解和掌握地理空间数据的拓扑关系
·掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法
·了解栅格与矢量数据之间的转化方法
重点,地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构
的特点及其编码方法。
难 点,拓扑结构、栅格数据编码
地理数据结构及其文件组织
地理空间信息及其描述
地理空间数据类型
地理信息的空间关系
地理信息空间数据结构
地理信息数据的编码方法
矢量结构与栅格结构的相互转换
一、地理空间信息
? 1.地理空间( Geographic Space)是指物质、能量、
信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布
方式和格局及其在时间上的延续。
? 2.地理信息
地理信息是一个时空过程,它存在于一定物质、能
量载体,并能从一种载体向另一种载体进行转移,
从而形成所谓的信息流。按照认知关系可将地理信
息载体化分为地理主体和地理对象两种。
二、地理空间信息的描述
? 是建立在地理空间坐标系基础上的
? 地理坐标 (经度、纬度)是描述地理空间信息最直接
的方法。
? 平面直角坐标系 (X,Y)建立了对地理空间良好的视觉
感,并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算,
以及进一步的空间数据处理和分析。
? 地理信息系统中的地理空间,通常就是指经过投影
变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间,它的
理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。
三、地理数据的分类描述
? 定名( Nominol)量
? 顺序( Ordinal)量
? 间隔( Interval)量
? 比率( Ratio)量
定性而非定量地对众多地理事物
进行区分和标识。如北京、天津、
石家庄等;长江、黄河、鸭绿江
等;白洋淀、洪泽湖和太湖等
通过排序来区分和标识地理现象
的量称为顺序量。它是按照地理
数据的等级序列,由低到高(或
由高到低)进一步细分的
利用某种标准单位(可以是任意
的)作为间隔量来表示不同的量,
是一种较精确区分和标识地理现
象的测量方法。
比率量是间隔量的精确化。它提
供的定量值是具有真零值而且测
量单位的间隔是相等的数据
第二节 地理空间数据类型
? 地理数据的基本特征
? 地理数据的来源
? 地理空间数据类型
一、地理数据的基本特征
? 空间特征
表 示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特
征又称定位特征或几何特征,一般用坐标数据表示。
? 属性特征
表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特
征等。
? 时间特征
描 述实体随时间的变化,其变化的周期有超短周期的、
短期的、中期的和长期的。
二、地理数据的来源
? 地图数据
地图是地理信息的主要载体,同时也是地理信息系统
最重要得信息源
? 遥感数据
各种遥感数据及其制成的图像资料(航片、卫片)包
含着及其丰富的地理内容,尤其是先进的卫星遥感技
术的广泛应用,能为地理信息系统提供源源不断的、
现势性很强的数据
? 统计数据、实测数据及各种文字报告
各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研
究报告等
三、地理空间数据的类型
1,类型数据,居民点、交通线、土地类型分布等。
2,面域数据,多边形中心点、行政区域界限和行政单元
3,网络数据,道路交叉点、街道和街区等。
4,样本数据,气象站、航线和野外样方的分布区等。
5,曲面数据,高程点、等高线和等值区域。
6,文本数据,如地名、河流名和区域名称。
7,符号数据,点状符号、线状符号和面状符号等。
第三节 地理信息的空间关系
? 地理空间数据的拓扑关系
? 地理空间信息的方向关系
? 地理空间信息的度量关系
一, 地理空间数据的拓扑关系
拓扑结构 是明确定义空间结构关系的一种数学方
法。 在 GIS中,它不但用于空间数据的组织,而且
在空间分析和应用中都有非常重要的意义。
1.地理空间数据的拓扑关系
2.地理空间数据拓扑关系应用价值
3.地理空间数据拓扑关系的表示
拓扑邻接,元素之间的拓扑关系。
拓扑关联,元素之间的拓扑关系 。
拓扑包含,元素之间的拓扑关系。
1、地理空间数据的拓扑关系
不 同 类
同 类
同类不同级
N1 е
1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
拓扑邻接,N1/N2,N1/N3,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3
拓扑关联,N1/е1,е3, е6 ; P1/е1,е5, е6
拓扑包含,P3与 P4
2.地理空间数据拓扑关系应用价值
( 1)确定地理实体间的相对空间位置,无需坐标
和距离
( 2)利于空间要素查询
( 3)重建地理实体
3.地理空间数据
拓扑关系的表示
结点集合
结点名 指 针
第一个离开弧段 第一个到达弧段
坐标
N1 e3 e1 x1,y1
N2 e1 e2 x2,y2
N3 e2 e3 x3,y3
е1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
顺时针第一弧段 逆时针第一弧段
指 针 属性
P0 e5 t0
P1 e1 t1
P2 e2 e5 t2
多边
形名
P3 e3 e4 t3
е1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
3.地理空间数据
拓扑关系的表示
多边形集合
弧
段
名
e1 N2 N1 P1 P0 e6 e2 s1
e2 N3 N2 e5 P2 P0 e4 e3 s2
e3 N1 N3 e6 e4 P3 P0 s3
e4 N4 N3 e5 e3 P2 P3 e2 e6 s4
始
结
点
终
结
点
离开始结
点的下一
条弧段
到达终结点
的下一条弧
段
右多
边形
左多
边形
右多边形顺
时针下一条
弧段
左多边形
逆时针下
一条弧段
坐
标
串
е1
е2
е5
е6
е4
е7
е3 P
1
P3
P2
P4
N4
N3
N5
N2
3.地理空间数据
拓扑关系的表示
弧段集合
二、地理空间信息的方向关系
? 方向关系:地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。
? 描述空间实体的方向关系,对于点状空间实体只要计算两
点之间的连线与某一基准方向的夹角即可,该夹角称为连
线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方
向和坐标纵线方向三种。
? 同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时,
只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点
状实体,然后按点状实体来求解方向关系即可。
三、地理空间信息的度量关系
? 度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。
? 这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种
距离,如 A实体距离 B实体 100m。也可以应用与距
离概念相关的术语,如远近等进行定性的描述。
第四节 地理信息空间数据结构
? 空间数据结构
? 矢量数据结构
? 栅格数据结构
? 栅格结构与矢量结构的比较
常用的空间数据结构
X
Y
i
j
x1 y1
x2 y2
xi yi
xn yn
矢量数据结构
矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点
,线, 面等地理实体 。
特点,定位明显, 属性隐含 。
获取方法,
(1) 手工数字化法;
(2) 手扶跟踪数字化法;
(3) 数据结构转换法 。
栅格数据结构
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
示地理要素的非几何属性特征 。
特点,属性明显, 定位隐含 。
获取方法,
(1) 手工网格法;
(2) 扫描数字化法;
(3) 分类影像输入法;
(4) 数据结构转换法 。
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8
8 8 8 8 8
8 8 8
8 8 8 8
8 8 8
8 8 8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8
8 8 8
8
8
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 2 2
2 2 2
2
2
2
2 2
2
3 2
2
A
.O C
中心点
法
重要性
法
长度占优法
面积占优法
栅格结构数据中混合像元的处理
方案一
方案二,缩小栅格单元的面积
比较内容 矢 量 结 构 栅 格 结 构
数据结构 复杂 简单
数据量 小 大
图形精度 高 低
图形运算、搜索 复杂、高效 简单、低效
软件与硬件技术 不一致 一致或接近
遥感影像格式 要求比较高 不高
图形输出 显示质量好、精度高,
但 成本比较高
输出方法快速,质量
低,成本比较低廉
数据共享 不易实现 容易实现
拓扑和网络分析 容易实现 不易实现
矢量结构与栅格结构的比较
第五节 地理数据的编码方法
编码的概念和意义
栅格结构编码方法
矢量结构编码方法
属性数据编码方法
第三节 地理数据的编码方法
地理数据编码, 是根据 GIS的目的和任务, 把
地图, 图像等资料按一定数据结构转换为适于计算
机存贮和处理的数据过程 。 地理内容的编码要反映
出地理实体的几何特征, 以及地理实体的属性特征,
空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技
术步骤, 它表现由现实世界到数据世界之间的界面,
是联结从现实世界到数据世界的纽带 。
一、编码的概念和意义
链码 (chain Encoding)
直接栅格编码
游程长编码 (Run_length Encoding)
块 码
四叉树编码 (quarter_tree Encoding)
栅
格
结
构
编
码
方
法
1、直接栅格编码
直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵, 逐行 ( 或逐列 )
逐个记录代码, 可以每行从左到右逐像元记录, 也可奇数行从左
到右而偶数行由右向左记录, 为了特定的目的还可采用其他特殊
的顺序 。
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
0,2,2,5,5,5,5,5;
2,2,2,2,2,5,5,5;
2,2,2,2,3,3,5,5;
0,0,2,3,3,3,5,5;
0,0,3,3,3,3,5,3;
0,0,0,3,3,3,3,3;
0,0,0,0,3,3,3,3;
0,0,0,0,0,3,3,3。
由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每
个后续点相对其前继点的可能的 8个基本方向之一表
示 。 8个基本方向自 0° 开始按逆时针方向代码分别
为 0,1,2,3,4,5,6,7。 单位矢量的长度默认
为一个栅格单元 。
2、链码
1 2 3
4
5
0
7 6 0 0 1 0 7 6 7 0 1 1 0 0
链码编码,
2,2, 6, 7,6,0,6,5
1 2 3
4
5
0
7 6
0 5 0 0 0 0 0 0
0 0 5 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 5 0 0 0 0 0 0
0 0 5 5 0 0 0 0
0 0 0 5 0 0 0 0
0 0 5 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
链码编码示例
3、游程长度编码
(1)只在各行 ( 或列 ) 数据的代码发生变化时依次记录
该代码以及相同代码重复的个数;
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
沿行方向进行编码, ( 0,1),
( 2,2),( 5,5);( 2,5),
( 5,3);( 2,4),( 3,2),
( 5,2);( 0,2),( 2,1),
( 3,3),( 5,2);( 0,2),
( 3,4),( 5,1),( 3,1);
( 0,3),( 3,5);( 0,4),
( 3,4);( 0,5),( 3,3)。
3、游程长度编码
逐个记录各行 ( 或列 ) 代码发生变化的位置和相应代码 。
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
沿列方向进行编码, ( 1,0),
( 2,2),( 4,0);( 1,2),
( 4,0);( 1,2),( 5,3),
( 6,0);( 1,5),( 2,2),
( 4,3),( 7,0);( 1,5),
( 2,2),( 3,3),( 8,0);
( 1,5),( 3,3);( 1,5),
( 6,3);( 1,5),( 5,3)。
4、块码
采用方形区域作为记录单元, 数据编码由初始位置行列
号加上半径, 再加上记录单元的代码组成 。
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
( 1,1,1,0),( 1,2,2,2),
( 1,4,1,5),( 1,5,1,5),
( 1,6,2,5),( 1,8,1,5);
( 2,1,1,2),( 2,4,1,2),
( 2,5,1,2),( 2,8,1,5);
( 3,3,1,2),( 3,4,1,2),
( 3,5,2,3),( 3,7,2,5);
( 4,1,2,0),( 4,3,1,2),
( 4,4,1,3);( 5,3,1,3),
( 5,4,2,3),( 5,6,1,3),
( 5,7,1,5),( 5,8,1,3);
( 6,1,3,0),( 6,6,3,3);
( 7,4,1,0),( 7,5,1,3);
( 8,4,1,0),( 8,5,1,0)。
5、四叉树编码
是根据栅格数据二维空间分布的特点, 将空间区域按照
4个象限进行递归分割 ( 2n× 2 n,且 n>1), 直到子象限的数
值单调为止, 最后得到一棵四分叉的倒向树 。 四叉树分解,
各子象限大小不完全一样, 但都是同代码栅格单元组成的子
块, 其中最上面的一个结点叫做根结点, 它对应于整个图形 。
不能再分的结点称为叶子结点, 可能落在不同的层上, 该结
点代表子象限单一的代码, 所有叶子结点所代表的方形区域
覆盖了整个图形 。 从上到下, 从左到右为叶子结点编号, 最
下面的一排数字表示各子区的代码 。
为了保证四叉树分解能不断的进行下去, 要求图形必须
为 2n× 2 n的栅格阵列 。 n 为极限分割次数, n+ 1是四叉树最
大层数或最大高度
0 2 2 5 5 5 5 5
2 2 2 2 2 5 5 5
0 0 0 0 0 3 3 3
2 2 2 2 3 3 5 5
0 0 2 3 3 3 5 5
0 0 3 3 3 3 5 3
0 0 0 3 3 3 3 3
0 0 0 0 3 3 3 3
① ② ③
④ ⑤ ⑥⑦⑧⑨⑩ 11
12 13
14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 36 37 38 39
34 35 40
0 0 0
0 3 3 3 0 3 3 3 3 3 5 3 0 0 2 2 2 3 2 2 2 2 0 2 2 2 2 5 2 5 5 5
3 3 3 5 5
西南 东南 西北 东北
0 0 0 … 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1
22位 6位 4位
直接栅格编码,简单直观,是压缩编码方法的逻辑原
型(栅格文件);
链码,压缩效率较高,以接近矢量结构,对边界的运
算比较方便,但不具有区域性质,区域运算较难;
游程长度编码,在很大程度上压缩数据,又最大限度
的保留了原始栅格结构,编码解码十分容易,十分适
合于微机地理信息系统采用;
块码和四叉树编码,具有区域性质,又具有可变的分
辨率,有较高的压缩效率,四叉树编码可以直接进行
大量图形图象运算,效率较高,是很有前途的编码方
法。
矢量结构编码方法
1、点实体矢量编码方法
2、线实体矢量编码方法
3、多边形矢量编码方法
点实体编码
比例
朝向
线指针
线交汇编
比例
朝向
字体
文句
x,y 坐标
其它非几何属性
建立和显示数据库联系的属性
简单点 —— 符号
文本点 —— 字符
结 点 —— 符号
统一标识
类别或系列号
点类型
简单点
文本点
结 点
线实体编码
唯一标示码
线标示码
起始点
终止点
坐标对序列
显示信息
非几何属性
多边形矢量编码
多边形环路法
树状索引编码法
拓扑结构编码法
由多边形边界的 x,y
坐标队集合及说明
信息组成
对所有边界点数字化,将坐
标对以顺序方式存储,由点
索引与边界线号相联系,以
线索引与各多边形相联系
形成完整的
拓扑结构
多边形环路法
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ 1
2
3
4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
P1 x1,y1; x2,y2;
x3,y3; x4,y4;
x5,y5; x6,y6;
P2 x7,y7; x8,y8;
x9,y9; x10,y10;
x11,y11; x5,y5; x6,y6
P3 x12,y12; x13,y13; x14,y14; x15,y15
树状索引法
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
Ⅰ Ⅱ
P1 P3 P
2
Ⅱ Ⅲ Ⅳ
1 2 3 4 5 6 5 6 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
点文件
点号 坐标
1 x1,y1
2 x2,y2
15 x15,y15
…
…
树状索引法
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
1 2 3 4 5 6 5 6 5 6 7 8 9 10 12 13 14 15
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
线号 起点 终点 点号
Ⅰ 6 5 6,1,2,3,4,5
Ⅱ 5 6 5,6
Ⅲ 6 5 6,7,8,9,10,11,5
Ⅳ 12 13 12,15,14,13
树状索引法
Ⅰ
Ⅱ Ⅲ
Ⅳ 1
2
3 4 5
6
7 8
9
10
11
12
13
14
15
P1
P2
P3
多边形文件
多边形号 边界线号
1 Ⅰ, Ⅱ
2 Ⅱ, Ⅲ
3 Ⅳ
Ⅰ Ⅱ
P1 P3 P
2
Ⅱ Ⅲ Ⅳ
树状索引法
拓扑结构编码法
唯一标示
多边形标示
外包多边形指针
邻接多边形指针
边界链接
范围
较好的解决了空间关
系查询等问题,但增
加了算法的复杂度
四、属性数据编码方法
1.编码内容
( 1)登录部分
( 2)分类部分
( 3)控制部分
2.编码原则
( 1)管理效率高
( 2)适用性好
( 3)接口方便
第六节 矢量结构与栅格结构的相互转换
? 矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 栅格数据结构向矢量数据结构的转换
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 矢量数据转换成栅格数据后,图形的几何精度必然要降
低,所以选择栅格尺寸的大小要尽量满足精度要求,使
之不过多地损失地理信息。为了提高精度,栅格需要细
化,但栅格细化,数据量将以平方指数递增,因此,精
度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素。
? 栅格尺寸确定
①计算若干个小图斑的面积 S( i= 1,2,…, n);
②求小图斑面积平均值=;
③求栅格尺寸 L=() 1/2。
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 点的栅格化
? ?
? ???
?
??
??
xp
yp
DxJ
DyI
/1
/1
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 直线栅格化
直线插补法
扫描线法
? ?
? ???
?
??
??
xp
yp
DxJ
DyI
/1
/1
一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
? 面域的栅格化
直线插补法
扫描线法
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 多边形边界提取
? 边界线追踪
? 拓扑关系生成
? 去除多余点及曲线圆滑
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 多边形边界提取
二值化 细化
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 多边形边界提取
二值化 细化
二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 边界线追踪:边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的
细化处理后的栅格数据,整理为从结点出发的线段或闭
合的线条,并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标
? 拓扑关系生成:对于矢量表示的边界弧段,判断其与原
图上各多边形空间关系,形成完整的拓扑结构,并建立
与属性数据的联系。
? 去除多余点及曲线圆滑:由于搜索是逐个栅格进行的,
必须去除由此造成的多余点记录,以减少冗余。