武汉大学GIS地理信息系统第3部分

第三部分数据模型及结构认识地理现象的抽象过程地理现象（空间特征、属性特征、时间特征）人的选择、抽象、综合、估计、模拟测量、表达、编码、组织、建立空间关系地理数据章节安排•3.1地理空间数据的类型•3.2空间数据数字表示流程•3.3矢量数据模型•3.4栅格数据模型•3.5其它的数据模型3.1地理空间数据的类型•地图数据•影像数据•地形数据•属性数据•元数据3.1.1地图数据•按照一定的比例、一定的投影原则，有选择地将复杂的三维地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上，并用符号将这些内容要素表现出来。•地图用符号在地图上准确表达空间各要素的关系和分布规律，反映它们之间的方向、距离和面积。线划地图示例地图上的点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。3.1.2影像数据•记录了地理实体连续分布。•精度：用空间分辨率反映•特点：实时性强，是实时监控的主要数据来源。3.1.3地形数据•用来表示地面起伏的数据。•数据形式：DEM和TIN。3.1.4属性数据•用来表示空间目标状态的数据。•分类：•主导属性：描述一个地理实体或现象所必须的基本内容；•道路的属性，标识码、分类码、名称、宽度、长度、路面材料、等级等•扩展属性：根据用户需要添加的属性。•车流量、车道数量、建设年代、权属等。3.1.5元数据•描述数据的数据。•内容：•数据的生产日期•数据质量•生产者•数据格式3.2空间数据数字表示流程•将空间数据抽象为不同的专题或层；•将一个专题的地理要素分解，成为点、线、面三种基本类型目标；•将弧段作为存储的基本单位；•每个存储单元基本内容包括：•定位数据•属性数据•拓扑数据•对空间目标进行编码，赋予每个目标一个用户标识码；•弧段的图形数据（空间特征）和属性数据（属性特征）通过用户标识码进行链接。层的定义及分层依据（P93-94）•定义：描述某一地理区域的某一属性特征或多个属性特征的数据集合。•分层依据：•按专题•按时间序列•按几何类型•按实体属性结构•工作区含有：•工作层•逻辑层•地物类3.3矢量数据模型•简单几何对象包括哪些类型？（点、线、面）•什么是带拓扑的矢量数据模型？（表示模型：点+有向线；基本拓扑关系：关联、邻接；常见种类；规则及应用；优点）•矢量数据是以什么数据结构存储的？（简单的矢量数据结构：无拓扑关系矢量数据模型、拓扑矢量数据模型；高级对象：不规则三角网、区域）•如何对矢量数据进行压缩（简化）？（道格拉斯-普克法、垂距法、光栏法）3.3.1简单几何对象包括哪些类型？•点对象•线对象•面对象1、点对象•定义：只有特定位置，没有长度的实体。•实例:水井、水准点、采石场、建筑物等。•特点：•维数为零；•只有位置。矢量数据模型中几何对象的种类点对象的分类•实体点：用于表示一个实体；•注记点：用于定位注记；•内点：用于负载相应的多边形的属性；•结点：线的起点和终点；•节点：线或弧线的内部点。2、线对象•定义：有长度而没有面积的实体。•实例:道路、河流、行政区划等；•特性：•长度：从起点到终点的总长；•曲率：用于表示线状实体的弯曲程度；•方向：有向线实体的方向。矢量数据模型中几何对象的种类线对象的分类•线段：两点间的直线；•弧段：相互连接无分支的线段；•链：有方向的线段或弧段。3、面对象•定义：有界连续的二维对象。•实例:菜地、水体等。•空间特征：•面积：面状实体所占有的范围的大小；•周长：面状实体所占有区域的周长；•独立或相邻：是独立存在，还是与其它面状实体相邻。•岛或洞•重叠：面状实体间是否有重叠。矢量数据模型中几何对象的种类面对象分类•简单多边形•复杂多边形：带有岛或洞3.3.2什么是拓扑特性？•拓扑：研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质。•拓扑的表示模型：有向图•点•有向线（弧线）1、最基本的拓扑关系•关联：不同拓扑元素之间的关系。•结点与链•链与多边形•邻接：相同拓扑元素之间的关系。•结点与结点•链与链•面与面关联矩阵示例12345611-110100120-110-101310-100-114000-11111125141312341112514131234邻接矩阵1112131411010112001013100014011011125141312342、常见的拓扑关系种类①重合②包含③位于内部④相交⑤相离⑥重叠⑦相切•基本几何体与比较几何体完全重合。•条件：相同维数。重合关系包含关系•基本几何体包含比较几何体，是基本几何体的一部分。•条件：不能包含比自身维数高的几何体。位于内部关系基本几何体处于比较几何体之内。条件：不可能位于比自身维数低的几何体内。相离关系基本几何体与比较几何体无共享点。空间数据的拓扑关系相交关系•两条线之间存在交叉点。多边形交叉被认为是重叠关系。重叠关系•比较几何体覆盖比较几何体。•条件：必须是相同维数。相切关系•具有公共边或点。3、拓扑规则•定义：空间目标间约定的拓扑关系特征。•Geodatabase中的拓扑规则：•多边形：不重叠，没有间隙；•线：不重叠，不相交，没有悬挂弧段；•点：必须被另一图层的边界覆盖，位于多边形内。拓扑规则的应用•国家间不能重叠；•国家间不能存在间隙；•国界必须封闭；•等高线不能相交；•标识点必须落在多边形内。4、构建拓扑有什么优点？•能确保数据质量和完整性•检查未闭合的多边形•消除数据裂隙•可以强化GIS分析•交通和网络设施分析3.3.3矢量数据是以什么数据结构存储的？•简单的矢量数据结构•无拓扑关系矢量数据模型（多边形环路法、点位字典法）•拓扑矢量数据模型（全显示表达、半隐含表达）•高级对象•不规则三角网（TIN数据）•区域（Coverage分区数据的实现）1、无拓扑关系矢量数据模型•定义：只记录空间目标的位置和属性信息，不记录它的拓扑关系。•分类：•多边形环路法：每个实体的坐标都独立存储，不顾及相邻多边形、线、点等要素。•点位字典法：建立公共边点位字典，消除独立编码的局限性，实体要素由点序组成。矢量数据结构多边形环路法（坐标序列法）多边形线段号平面位置IL1X1,Y1X2,Y2X3,Y3X4,Y4X5,Y5X12,Y12L2X5,Y5X12,Y12X10,Y10L3X10,Y10X11,Y11X12,Y12IIL2X5,Y5X13,Y13X10,Y10L4X7,Y7X8,Y8X9,Y9X10,Y10L5X5,Y5X6,Y6X7,Y7点位字典法多边形线段号平面位置IL11,2,3,4,5,12L25,12,10L310,11,12IIL25,13,10L47,8,9,10L55,6,7无拓扑关系模型法的不足•多边形环路法除了多边形轮廓外，其它公共边均获取和存储了两次，产生了数据冗余，且易产生裂缝和重叠。•点位字典法虽然消除了环路法的缺陷，但仍然没有建立多边形之间的拓扑关系。ArcView中非拓扑数据格式•Shapefile文件格式•点：一对坐标•线：一系列坐标串•多边形：一系列的线•组成：•.shp文件：存储要素的几何学特征•.shx文件：存储要素几何学特征的索引非拓扑数据格式优点•相比拓扑数据格式，其显示速度更快；•具有更好的软件通用性。2、拓扑矢量数据模型•定义：不仅记录位置，还记录目标的拓扑关系。•分类：•全显式表达•半隐含表达矢量数据结构全显式表达拓扑矢量数据模型全显式表达拓扑矢量数据模型Coverage拓扑数据格式IDX,Y11(2,3)12(4,2)13(1,1)14(1,4)点对象文件11125141312341011021036点线111,2,4122，3,5131,3,6144,5,6线对象文件Coverage的拓扑矢量数据模型弧段号始节点到节点111132111231312414115121461413弧段-节点11125141312341011021036面对象文件11125141312341011021036弧段号左多边形右多边形110102010231030410110251031026103101多边形号弧段号1011，4，61022，4，51033，5，6左右多边形清单多边形/弧段Coverage中的拓扑矢量数据模型拓扑矢量数据模型的优点•有利于数据文件的组织；•减少数据冗余；•为空间分析操作提供基础。shapefile与coverage间的转换•两者可以相互转换；•从coverage到shapefile；•从shapefile到coverage：•需要建立拓扑关系，去掉重复的弧段；•如果存在拓扑错误，会出现要素丢失问题。3、基于对象的矢量数据结构•将地理空间目标看作为不同的对象。•特点：•将空间数据和属性数据存储在同一个系统中；•允许一个空间要素拥有一系列属性和方法•属性：对象的性质或特征；•方法：特定的操作。类与类间的关系•联合•聚合•合成•类继承•实例化接口•定义：类或对象的一系列外部可视化操作。•可以通过接口访问对象。Geodatabase•ArcGIS中的基于对象的数据结构形式•组成：•要素类：相同几何类型的空间要素；•要素数据集：相同的坐标系和范围的要素类。4、高级对象①不规则三角网②区域矢量数据结构1）不规则三角网（TIN）•主要用途：地形制图和分析；•基本思想：把地表抽象为一组互不重叠的三角面。•三角面的构造法：Delaunay三角测量。•Delaunay三角形：与某个点最近两个相邻点连接以尽可能形成等角三角形的反复过程。TIN数据的基本数据元素•高程点•边界线TIN数据的数据结构•三角形编号；•每个邻接三角形的编号及数据文件；•数据文件列表显示点；•边界；•每个高程点的x，y，z值。2）分区数据模型•定义：具有相似特征的地域范围。•应用：•人口普查单元•水文单元•生态单元•特点：•区域层可以重叠或涵盖相同的范围；•一个区域可以有分离或隔开的组分。Coverage分区数据的实现•区域层为一个多边形亚类；•每个区域亚类有自己的属性；•以同一个多边形图层为基础的一系列区域层称为综合图层。•示例：某个国家林地所建立的不同年份的火情记录的综合图层，其中，每个火灾年份或时期都是一个区域亚类。区域数据模型的文件结构1011021021112131412345区域号多边形号1011110112102121021310214区域-多边形清单区域数据模型的文件结构1011021021112131412345区域号圈号弧段号1011110112102131021410225区域-弧段清单3.3.4如何对矢量数据进行压缩？•目的：•删除冗余数据，减少数据的存贮量；•加快后继处理的速度。•常用算法：•道格拉斯--普克法•垂距法•光栏法1、道格拉斯--普克法(Douglas-Peucker)•基本思想：•对每条曲线的首末点虚连一条直线，求所有点与直线的距离，并找出最大距离值dmax；•用dmax与限差D相比：•dmaxD：这条曲线上的中间点全部舍去；•dmax≥D：保留dmax对应的坐标点，并以该点为界，把曲线分为两部分，对这两部分重复使用该方法。dD第一步：道格拉斯--普克法dDdD第二步：道格拉斯--普克法第三步：道格拉斯--普克法2)垂距法•基本思想：•每次顺序取曲线上的三个点，计算中间点与其它两点连线的垂线距离d，并与限差D比较：•dD，则去掉中间点；•d≥D，则中间点保留，然后再取下三点，直到这条线结束。3)光栏法•基本思想：•定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。设曲线上的点列为{pi}，I=1，2，…，n，光栏口径为d(可根据需要自己定义)，第一步光栏法第二步光栏法第三步•检查下一节点，若该点在新扇形内，重复上一步，起到发现有一个节点在最新定义的扇形外为止。光栏法第四步光栏法三种方法的比较•衡量尺度：•既能精确地表示数据，又能最大限度地淘汰不必要的点。•具体依据简化后曲线的总长度、总面积、坐标平均值与原始曲线的相应的数据项对比来判断。比较结果•大多数情况下道格拉斯—普克法的压缩算法较好，但须对整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大；•光栏法的压缩算