地理信息系統電子教案任課教師：姚曉軍電子郵箱：yaoxj_nwnu@163.com西北師范大學地理與環境科學學院Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第1頁。本章內容1.矢量數據結構2.柵格數據結構3.曲面數據結構4.空間數據結構的建立Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第2頁。空間數據結構空間數據結構是指對空間邏輯數據模型描述的數據組織關系和編排方式。ABM1AB概念模型邏輯模型編碼建立關系物理模型數據結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第3頁。矢量數據結構概念基于矢量模型的數據結構簡稱為矢量數據結構，它是一種利用歐幾里德幾何學中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的數據組織方式。類型實體數據結構拓撲數據結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第4頁。矢量數據結構——實體數據結構說明在實體數據結構中，空間數據按照基本的空間對象（點、線或多邊形）為單元進行單獨組織，其中不包含拓撲關系信息。典型Spaghetti結構應用ArcView的Shape文件MapInfo的Tab文件Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第5頁。矢量數據結構——實體數據結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第6頁。矢量數據結構——實體數據結構特點數據按點、線或多邊形為單元進行組織，數據結構直觀簡單。每個多邊形都以閉合線段存儲，多邊形的公共邊界被數字化兩次和存儲兩次，容易造成數據冗余和產生不一致。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第7頁。矢量數據結構——實體數據結構特點點、線和多邊形有各自的坐標數據，但沒有拓撲數據，彼此不關聯。島或洞只作為一個單個圖形，沒有建立與外界多邊形的聯系。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第8頁。矢量數據結構——拓撲數據結構定義拓撲數據結構是指具有拓撲關系的矢量數據結構。類型索引式結構雙重獨立編碼結構鏈狀雙重獨立編碼結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第9頁。矢量數據結構——拓撲數據結構基本概念弧段構成多邊形的邊稱為弧段。節點兩條弧段相交的點為節點。島（洞）由一條弧段組成的多邊形稱為島（或洞）。簡單多邊形不含島的多邊形稱為簡單多邊形。復合多邊形含島的多邊形稱為復合多邊形。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第10頁。矢量數據結構——拓撲數據結構索引式結構索引式結構采用樹狀索引以減少數據冗余并間接增加鄰域信息。具體方法是對所有邊界點進行數字化，將坐標對以順序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯系，以線索引與各多邊形相聯系，形成樹狀索引結構。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第11頁。矢量數據結構——拓撲數據結構點ID坐標1x1,y1…………點坐標文件線段ID組成的點IDa1,2,3,4,5…………線段文件多邊形ID組成的線段IDAa,b,c…………多邊形文件Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第12頁。矢量數據結構——拓撲數據結構雙重獨立編碼結構美國人口統計系統采用的一種編碼方式，簡稱DIME（DualIndependentMapEncoding）編碼系統，它是以城市街道為編碼主體，它的特點是采用了拓撲編碼結構，這種結構最適合于城市信息系統。雙重獨立編碼結構是對圖上網狀或面狀要素的任何一條線段，用順序的點定義以及相鄰多邊形來予以定義。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第13頁。矢量數據結構——拓撲數據結構12345678910abcdefghijkl111213mnoABCDQ點ID坐標1x1,y1…………點坐標文件線段ID起點終點左多邊形右多邊形a16QA…………線段文件多邊形ID組成的線段IDAa,b,c,d,e…………多邊形文件Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第14頁。矢量數據結構——拓撲數據結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第15頁。矢量數據結構——拓撲數據結構鏈狀雙重獨立編碼結構鏈狀雙重獨立編碼結構是DIME數據結構的一種改進。應用：ArcGIS的Coverage文件Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第16頁。矢量數據結構——拓撲數據結構點ID坐標1x1,y1…………點坐標文件弧段ID起始點終結點左多邊形右多邊形a15AΦ…………弧段文件弧段ID點IDA1,2,3,4,5…………弧段點文件多邊形ID弧段ID面積周長……Aa,b,c,d,e…………………………………………多邊形文件Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第17頁。柵格數據結構概念基于柵格模型的數據結構稱為柵格數據結構，它將空間分割成有規則的網格，稱為柵格單元，在各個柵格單元上給出相應的屬性值來表示地理實體的一種數據組織形式。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第18頁。柵格數據結構組織方式在柵格數據結構中，點用一個柵格單元表示。線用一串有序的相互連接的單元網格表示，各個網格的值相同。多邊形由聚集在一起的相互連接的單元網格組成，區域內部的網格值相同，但與外部網格的值不同。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第19頁。柵格數據結構0000000000000000000000000002000000000000000000000000000000000000點狀地物的表示Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第20頁。柵格數據結構線狀地物的表示0000000000060000000606000000606000000060000000600000000600000000Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第21頁。柵格數據結構面狀地物的表示0447777744444777444488770048887700888878000888880000888800000888Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第22頁。柵格數據結構柵格單元大小柵格單元大小又稱柵格單元的尺寸，即分辨率。合理的柵格單元尺寸應能有效地逼近空間對象的分布特征，以保證空間數據的精度，通常以保證最小圖斑不丟失為原則來確定合理的柵格尺寸。設研究區域某要素的最小圖斑面積為S，柵格單元的邊長L用如下公式計算：Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第23頁。柵格數據結構柵格單元值的選取中心點法用位于柵格中心處的地物類型作為柵格屬性值。面積占優法以占矩形區域面積最大的地物類型作為柵格單元的代碼。重要性法根據柵格內不用地物的重要性，選取最重要的地物類型作為相應的柵格單元代碼。百分比法根據矩形區域內各地理要素所占面積的百分比數確定柵格單元的取值。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第24頁。HowPolygonToRaster(Conversion)worksCELL_CENTERMETHODMAXIMUM_AREAMETHODMAXIMUM_COMBINED_AREAMETHODChp4空間數據結構全文共70頁，當前為第25頁。柵格數據結構類型完全柵格數據結構壓縮柵格數據結構鏈碼結構游程編碼結構四叉樹數據結構影像金字塔結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第26頁。柵格數據結構——完全柵格數據結構完全柵格數據結構將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄柵格單元的值。記錄方法每行都從左到右逐個像元記錄奇數行從左到右而偶數行從右向左記錄按其他特殊順序記錄Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第27頁。柵格數據結構——完全柵格數據結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第28頁。柵格數據結構——完全柵格數據結構Morton碼計算方法將行號和列號的轉換為二進制數；兩個二進制數兩兩交叉，得到新的二進制數；將新二進制數轉換為十進制數。例如第二行第三列對應的柵格單元，其二進制行號分別為0010（行）、0011（列），則其莫頓碼為（00001101）2=（13）10Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第29頁。柵格數據結構——完全柵格數據結構柵格數據存儲方式BSQ（Bandsequential）將圖像同一波段的數據逐行存儲下來，再以相同方式存儲下一波段的數據。BIP（Bandinterleavedbypixel）按順序存儲所有波段的第一個像素，接著是所有波段的第二個像素，交叉存儲所有像素。BIL（Bandinterleavedbyline）先存儲第一個波段的第一行，接著是第二個波段的第一行，交叉存儲直到所有波段都存儲為止。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第30頁。柵格數據結構——完全柵格數據結構完全柵格數據編碼Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第31頁。柵格數據結構——完全柵格數據結構計算柵格數據的大小如果矩陣的每個元素用一個雙字節表示，則一個圖層的全柵格數據所需要的存儲空間為：m（行）×n（列）×2（字節）深入理解在完全柵格數據結構中，隨著空間分辨率的提高，存儲數據量將成幾何級數遞增。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第32頁。柵格數據結構——鏈碼結構鏈碼又稱為弗里曼鏈碼（Freeman）或邊界鏈碼，它由某一起始點和在某些基本方向上的單位矢量鏈組成。基本方向有東、東南、南、西南、西、西北、北、東北等8個，分別用0，1，2，3，4，5，6，7表示，即可按順時針也可按逆時針表示。編碼的前兩位為地物的起點坐標。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第33頁。柵格數據結構——鏈碼結構01234576Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第34頁。柵格數據結構——鏈碼結構編碼過程起始點的尋找一般遵從從上到下、從左到右的原則。當發現沒有記錄過的點，而且數值不為零時，就是一條線或邊界線的起點。記下該地物的特征碼及起點的行列數；然后按順時針方向尋跡，找到相鄰的等值點，并按8個方向編碼。如遇不能閉合的線段，結束后可以返回到起始點再開始尋找下一個線段。已經記錄過的柵格單元，可將屬性代碼置為零，以免重復編碼。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第35頁。柵格數據結構——鏈碼結構優點鏈碼可以有效地壓縮柵格數據，而且對于估算面積、長度、轉折方向的凹凸度等運輸十分方便，比較適合于存儲圖形數據。缺點對邊界進行合并和插入等修改編輯工作比較困難，對局部的修改將改變整體結構，效率較低，而且由于鏈碼以每個區域為單位存儲邊界，相鄰區域的邊界將被重復存儲而產生冗余。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第36頁。柵格數據結構——游程編碼結構游程游程是指柵格矩陣一行內相鄰同值柵格的數量，也稱為行程（run-length）。游程編碼結構游程編碼結構是逐行將相鄰同值的柵格合并，記錄合并后柵格的值及合并柵格的數量（即游程），其目的是壓縮柵格數據量，消除數據間的冗余。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第37頁。柵格數據結構——游程編碼結構編碼方法將柵格數據的一行數據序列X1X2…Xn，映射為相應的二元組序列（Ai,Pi），i=1,…,K，且K≤n。其中Ai為屬性值，Pi為游程，i為游程序號。數據冗余度其中Q為相鄰屬性值變化次數的累加和，m為行數，n為列數。當Re的值大于1/5時，表示柵格數據的壓縮可取得明顯效果。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第38頁。柵格數據結構——游程編碼結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第39頁。Gridsusearun-lengthrastercompressionschemethatisadaptiveattheblocklevel.Eachblockistestedtodeterminethedepth(bitspercell)tobeusedfortheblockandtodeterminewhichstoragetechnique(cellbycellorrunlengthcoded)ismoreefficient.Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第40頁。柵格數據結構——四叉樹數據結構原理將空間區域按照四個象限進行遞歸分割n次，每次分割形成2n×2n個子象限，直到子象限中的屬性數值都相同為止，該子象限就不再分割。凡屬性值都相同的子象限，不論大小，均作為最后的存儲單元。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第41頁。柵格數據結構——四叉樹數據結構Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第42頁。柵格數據結構——四叉樹數據結構生成方法自上而下方式先檢測全區域，其值不相同時即四叉分割，直到最小柵格都相同為止。自下而上方式按照莫頓（Morton）碼順序掃描柵格單元，先檢測前4個單元，若這4個單元值相同，則合并；反之作為4個葉節點記錄。然后是后4個單元，依此逐層向上，直到最后生成根節點。存儲方法常規四叉樹線性四叉樹Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第43頁。柵格數據結構——四叉樹數據結構采用四叉樹編碼時，為了保證四叉樹分解能夠不斷地進行下去，要求圖像必須為2n*2n的柵格陣列。對于非標準尺寸的圖像需首先增加背景的方法將圖像擴充為2n*2n的圖像。由于四叉樹編碼能夠自動地依照圖形變化而調整象限尺寸，即具有可變的分辨率，并且有區域性質，因此它具有極高的壓縮效率。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第44頁。柵格數據結構——影像金字塔結構概念影像金字塔是指在統一的空間參照下，根據用戶需要以不同分辨率進行存儲與顯示，形成分辨率由粗到細、數據量由小到大的金字塔結構。深入理解影像金字塔結構用于圖像編碼和漸進式圖像傳輸，是一種典型的分層數據結構形式，適合于柵格數據的多分辨率組織，是一種有損壓縮方式。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第45頁。柵格數據結構與矢量數據結構的比較位置明顯，屬性隱含屬性明顯，位置隱含Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第46頁。柵格數據結構與矢量數據結構的比較柵格數據結構優點數據結構簡單，易于算法實現；空間數據的疊置和組合容易，有利于與遙感數據的匹配應用和分析；各類空間分析、地理現象模擬均較為容易；輸出方法快速簡便、成本低廉。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第47頁。柵格數據結構與矢量數據結構的比較柵格數據結構缺點圖形數據量大，用大像元減小數據量時，精度和信息量受損失；難以建立空間網絡連接關系；投影變換實現困難；圖形數據質量低，地圖輸出不精美。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第48頁。柵格數據結構與矢量數據結構的比較矢量數據結構優點數據結構嚴密，冗余度小，數據量小；空間拓撲關系清晰，易于網絡分析；能夠實現圖形數據的恢復、更新和綜合；圖形顯示質量好、精度高。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第49頁。柵格數據結構與矢量數據結構的比較矢量數據結構缺點數據結構處理算法復雜；疊置分析與柵格圖組合比較難；數學模擬比較困難；空間分析技術上比較復雜，需要更復雜的軟、硬件條件；顯示與繪圖成本比較高。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第50頁。曲面數據結構曲面曲面是指連續分布現象的覆蓋表面，具有這種覆蓋表面的要素有地形、降水量、溫度和磁場等。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第51頁。曲面數據結構TIN（TriangularIrregularNetwork）TIN（不規則三角網）是將離散分布的實測數據點連成三角網，網中的每個三角形要求盡量接近等邊形狀，并保證由最近鄰的點構成三角形，即三角形的邊長之和最小。NodeEdgeTriangleHullChp4空間數據結構全文共70頁，當前為第52頁。曲面數據結構某區域地形等高線Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第53頁。曲面數據結構某區域柵格DEMChp4空間數據結構全文共70頁，當前為第54頁。曲面數據結構某區域DEM(TIN)Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第55頁。曲面數據結構TIN在所有可能的三角網中，Delaunay三角網最常用。Delaunay三角網是一種滿足最大空圓準則的三角網，即任一三角形的外接圓內不包含其他樣點。√×Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第56頁。曲面數據結構TIN優點三角形大小隨樣點密度的變化而自動變化，即分辨率可變，可以有效的消除數據冗余。組織形式點文件：每個樣點對應一個記錄，給出該點的x,y坐標，以及屬性值三角形拓撲文件：組織三角形與樣點以及三角形與相鄰三角形的鄰接關系，每個記錄依順時針方向列出三個頂點號及三個相鄰的三角形號，其中相鄰三角形的順序按按每個頂點對邊給定的三角形列出。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第57頁。空間數據結構的建立概念空間數據結構的建立是指根據確定的數據結構類型，形成與該數據結構相適應的GIS空間數據，為空間數據庫的建立提供物質基礎。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第58頁。空間數據結構的建立Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第59頁。空間數據結構的建立系統功能與數據間的關系現代地理信息系統數據模式的一個重要特征是數據與功能之間具有密切的聯系。通常每一類數據都包含一系列數據實體，而每種數據實體由許多數據項組成，確定這些類型的數據是由系統的功能所決定的。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第60頁。空間數據結構的建立空間數據的分類概念空間數據的分類是指根據系統功能及國家規范和標準，將具有不同屬性或特征的要素區別開來的過程，以便從邏輯上將空間數據組織為不同的信息層，為數據采集、存儲、管理、查詢和共享提供依據。原則圖形原則對象原則Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第61頁。空間數據結構的建立空間數據的分類我國基礎地理信息數據分類測量控制點水系居民地交通管線與垣柵境界地形與土質植被Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第62頁。空間數據結構的建立空間數據的編碼概念空間數據的編碼，是指將數據分類的結果，用一種易于被計算機和人識別的符號系統表示出來的過程。結果編碼的結果是形成代碼，代碼由數字或字符組成，或由它們共同組成混合碼。目的用來提供空間數據的地理分類和特征描述，同時為了便于地理要素的輸入、存儲、管理，以及系統之間數據交換和共享的需要。Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第63頁。空間數據結構的建立空間數據的編碼國家基礎地理信息數據的分類代碼由六位數字碼組成，其結構如下：Chp4空間數據結構全文共70頁，當前為第64頁。空間數據結構的建立編碼要素名稱10000測量控制點11000平面控制點12000高程控制點13000其它控制點20000水系21000河流22000運河、渠道23000湖泊24000