GIS课程教案(第二章 空间数据结构)

地理信息系统原理GIS第二章空间数据结构（表达）§2-1空间实体及其描述§2-3栅格数据结构§2-2矢量数据结构二、地理实体的描述四、实体间空间关系一、地理实体三、实体的空间特征一、图形表示二、数据组织四、栅格数据编码三、栅格结构的建立五、四叉树编码§2-4三维数据结构二、八叉树结构一、概述三、三维边界表示法地理信息系统原理GIS§2-2矢量数据结构一、图形表示二、获取方式三、组织四、编码方式返回地理信息系统原理GIS§2-1空间实体及其描述GIS数据结构一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象1、定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。2、理解：地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。返回地理信息系统原理GIS二、地理实体的描述——空间数据§2-1空间实体及其描述GIS数据结构1、描述的内容反映了实体的三个特征3、数据类型4、数据结构以什么形式存储和处理几何数据（空间数据、图形数据）关系数据—实体间的邻接、关联包含等相互关系属性数据—各种属性特征和时间元数据矢量、栅格、TIN（专用于地表或特殊造型）RDBMS属性表----采用MIS较成熟同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述空间元数据返回位置、形状、尺寸、识别码（名称）实体的角色、功能、行为、实体的衍生信息时间测量方法、编码方法、空间参考系等空间特征：地理位置和空间关系属性特征—名称、等级、类别等时间特征2、基本特征地理信息系统原理GIS2、空间数据基本特征返回地理信息系统原理GIS3、空间数据类型1）依据数据来源的不同分为：地图数据地形数据属性数据元数据影象数据2）依据表示对象的不同分为：地理信息系统原理GIS3、空间数据类型（续）返回地理信息系统原理GIS三、实体的空间特征§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构（一）空间维数：有0，1，2，3维之分，点、线、面、体。（二）空间特征类型（三）实体类型组合返回在地图上实体维数的表示可以改变点---面线（单线河）---面（双线河），通过地图综合。1、点状实体2、线状实体3、面状实体4、体状实体地理信息系统原理GIS1、点状实体§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。4）角点、节点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。返回地理信息系统原理GIS2、线状实体1）实体长度：从起点到终点的总长2）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游—下游，公路，单、双向之分。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构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，并有如下特性：线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。返回地理信息系统原理GIS3、面状实体（多边形）§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构面状实体的如下特征：1）面积范围2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。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。返回地理信息系统原理GIS4、体、立体状实体§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构返回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以下一些空间特征：·体积，如工程开控和填充的土方量。·每个二维平面的面积。·周长。·内岛。·含有弧立块或相邻块。·断面图与剖面图。地理信息系统原理GIS（三）实体类型组合§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构返回现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：如：线—面面--面可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。地理信息系统原理GIS线—面§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构返回1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。2、线通过区域：公路上否通过某县。3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。4、线与区域分离：距离。地理信息系统原理GIS面—面§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构1、包含：岛,某省的湖泊分布。2、相合：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。3、相交：划分子区。4、相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。分离：计算距离。返回学校菜场地理信息系统原理GIS四、实体间空间关系§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构返回（一）空间关系类型（二）拓扑关系1、拓扑空间关系：2、顺序空间关系：（方向空间关系）用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。3、度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关，复杂,引入第二种。b、沿地球旋转椭球体的距离量算。2）距离类别：欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。北ab地理信息系统原理GIS（二）拓扑关系§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构返回1、定义：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。拓扑变换（橡皮变换）非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发生变化的属性）两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、面积等一个点在一条弧段的端点一条弧是一简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面一个面的连通性面内任两点从一点可在面的内部走向另一点1、定义2、种类3、拓扑关系的表达4、意义地理信息系统原理GIS2、种类§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构1）关联性：（不同类要素之间）结点与弧段：如V9与L5,L6,L3多边形与弧段：P2与L3,L5,L22）邻接性：(同类元素之间)多边形之间、结点之间。邻接矩阵重叠：--邻接：1不邻接：0P1P2P3P4P1--111P21--10P311--0P4100--地理信息系统原理GIS3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构连通矩阵：重叠：--连通：1不连通：0V1V2V3…V1--10V21--1V301--地理信息系统原理GIS4）方向性§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。5）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。6）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义。7）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。地理信息系统原理GIS拓扑关系具体可由4个关系表来表示：（1）面--链关系：面构成面的弧段（2）链--结点关系：链链两端的结点（3）结点--链关系：结点通过该结点的链\（4）链—面关系：链左面右面3、拓扑关系的表达对于数据处理和GIS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。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构返回4、拓扑关系的意义：地理信息系统原理GIS五、空间实体的表达——空间数据模型在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象（要素）（Feature）的模型、场（Field）模型以及网络（Network）模型。•基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象，可以详细地描述离散对象。•场模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。•网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构地理信息系统原理GIS要素（对象）模型基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对象（Object），假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。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）。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构地理信息系统原理GIS场模型（把空间现象作为连续变量看待）•对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说，基于场的观点是合适的。根据应用的不同，场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；而一个三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。一些现象，诸如空气污染物在空间中本质上讲是三维的，但是许多情况下可以由一个二维场来表示。•场模型可以表示为如下的数学公式：•z:sz(s)•上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个值域的映射。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构地理信息系统原理GIS空间数据模型与结构—对象模型与场模型比较对象模型和场模型的比较现实世界选择实体它在哪里数据选择一个位置那里怎么样对象模型场模型两种模型相互之间并不排斥，各有特点，各有应用长处。通常需要有机地综合应用这两种方法来建模。§2-1空间实体及其描述第二章GIS数据结构地理信息系统原理GIS§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构一、图形表示返回摘自张超地理信息系统原理GIS二、矢量数据的获取方式§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构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。返回地理信息系统原理GIS三、矢量数据组织§2-2矢量数据结构第二章GIS数据结构点：坐标对（x,y）+识别符线：坐标对系列(x1,y1)..(xn,yn)及有关属性、其它属性面：首尾相同的坐标串关系表几何位置坐标文件连接矢量数据表示时应考虑以下问题：·矢量数据自身的存贮和处理。·与属性数据的联系。·矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。地理信息系统原理GIS矢量数据在计算机中的组织标识码属性码空间对象编码;唯一;连接空间和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1),(x2,y2),…,(x