地理信息系統(tǒng)原理及應(yīng)用第四章

1、抽象、綜合現(xiàn)實世界空間對象（空間實體、空間目標）第四章 空間數(shù)據(jù)表達4.1空間對象及其定義1.零維空間對象：點狀地物；結(jié)（節(jié)）點2.一維空間對象：拓撲弧段；無拓撲弧段；線狀地物3.二維空間對象：無拓撲面片；有拓撲面片；面狀地物；象元4.三維空間對象：體狀地物；體元4.2 空間對象關(guān)系1）點點關(guān)系相合；分離；一點為其它諸點的幾何中心；一點為其它諸點的地理重心。2）點線關(guān)系點在線上：可以計算點的性質(zhì)，如拐點等；線的端點：起點和終點；線的交點；點與線分離：可計算點到線的距離。3）點面關(guān)系點在區(qū)域內(nèi)，可以記數(shù)和統(tǒng)計；點為區(qū)域的幾何中心；點為區(qū)域的地理重心；點在區(qū)域的邊界上；點在區(qū)域外部。4）線線關(guān)系重

2、合；相接；首尾環(huán)接或順序相接；相交；平行。5）線面關(guān)系區(qū)域包含線：可計算區(qū)域內(nèi)線的密度；線穿過區(qū)域；線環(huán)繞區(qū)域：對于區(qū)域邊界，可以搜索其左右區(qū)域名稱；線與區(qū)域分離。6）面面關(guān)系包含：如島的情形；相交：可以劃分子區(qū)，并計算邏輯與、或、非和異或；相鄰：計算相鄰邊界的性質(zhì)和長度；分離：計算距離、引力等。 4.3空間數(shù)據(jù)的計算機表示* 現(xiàn)實世界* 模型* 實物模型、符號模型、數(shù)學(xué)模型* 數(shù)據(jù)建模 * 數(shù)據(jù)組織方式（如：數(shù)據(jù)分層，屬性組織）、選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（矢量/ 柵格）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)） 4.4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：矢量結(jié)構(gòu)：用點、線、面表現(xiàn)地理實體，其空間位置由所在的坐標參考系中的

3、坐標定義。柵格結(jié)構(gòu)：空間被規(guī)則地劃分為柵格（通常為正方形）；地理實體的位置用它們占據(jù)的柵格行、列號來定義；柵格的值代表該位置的屬性值；柵格的大小代表空間分解能力。4.5空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在GIS中對于數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、檢索、應(yīng)用分析等操作方式有著重要的影響。 空間數(shù)據(jù)編碼是空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。 高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)具備如下幾個方面的要求(P54):4.6空間對象的矢量表達* 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是利用歐幾里得幾何學(xué)中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式；* 通過記錄坐標的方式盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體；* 點：只記錄其在特定坐標系下的坐標和屬性代碼

4、；* 線段：用一系列有序的、足夠短的直線、順序相接表示，為一個有序的坐標對序列。* 多邊形：由一系列多而短的直線段組成的、首尾相連的坐標對 。 矢量表示法 定義：矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過記錄空間對象的坐標及空間關(guān)系來表達空間對象的位置。* 點：空間的一個坐標點；線：多個點組成的弧段；面：多個弧段組成的封閉多邊形； 獲取方法* 定位設(shè)備（全站儀、GPS、常規(guī)測量等）；地圖數(shù)字化；間接獲?。粬鸥駭?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；空間分析（疊置、緩沖等操作產(chǎn)生的新的矢量數(shù)據(jù)） 矢量數(shù)據(jù)表達考慮內(nèi)容* 矢量數(shù)據(jù)自身的存儲和管理；幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的了解；空間對象的空間關(guān)系（拓撲關(guān)系） 矢量數(shù)據(jù)表達* 簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、屬性

5、數(shù)據(jù)組織面實體：多邊形矢量編碼，不但要表示位置和屬性，更重要的是能表達區(qū)域的拓撲特征，如形狀、鄰域和層次結(jié)構(gòu)等，以便使這些基本的空間單元可以作為專題圖的資料進行顯示和操作。 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（也稱面條數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）、拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最重要的技術(shù)特征和貢獻是具有拓撲編輯功能，包括多邊形連接編輯和結(jié)點連接編輯。 （一）實體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)* 只記錄空間對象的位置坐標和屬性信息，不記錄拓撲關(guān)系。又稱簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或面條（Spaghetti）結(jié)構(gòu)。 存儲：* 獨立存儲：空間對象位置直接跟隨空間對象；* 點位字典：點坐標獨立存儲，線、面由點號組成 特征* 數(shù)據(jù)按點、線、面為單元進行

6、組織，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直觀簡單；* 公共邊重復(fù)存儲，存在數(shù)據(jù)冗余，難以保證數(shù)據(jù)獨立性和一致性；* 無拓撲關(guān)系，主要用于顯示、輸出及一般查詢；* 島或洞只作為一個簡單圖形，沒有與外界多邊形的了解；* 多邊形分解和合并不易進行，鄰域處理較復(fù)雜； 適用范圍：* 制圖及一般查詢，不適合復(fù)雜的空間分析 實例：* ArcView的Shape文件、MapInfo的Tab文件簡單的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面條結(jié)構(gòu)（Spaghetti）矢量數(shù)據(jù)表達拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)* 不僅表達幾何位置和屬性，還表示空間關(guān)系* 表達對象：關(guān)聯(lián)關(guān)系* 表達方式：全顯式表達、部分顯式表達* 拓撲關(guān)系物理實現(xiàn)：直接存儲、串行指針* 拓撲關(guān)系與數(shù)據(jù)共享* 采用拓

7、撲關(guān)系的原則空間數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系在GIS中，凡具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征的地理要素，都存在節(jié)點、弧段和多邊形之間的拓撲關(guān)系。拓撲定義：指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)。 將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)或折疊。拓撲變換（橡皮變換）：拓撲種類： 拓撲關(guān)聯(lián)： （不同類要素之間）如：結(jié)點與弧段：V9與L5,L6,L3；多邊形與弧段：P2與L3,L5,L2。拓撲鄰接： (同類元素之間)多邊形之間、結(jié)點之間；鄰接矩陣；重疊：鄰接：1 、不鄰接：0拓撲包含：指面狀實體包含了哪些線、點或面狀實體。 簡單包含、多層包含、等價包含拓撲關(guān)系的意義： 對于數(shù)據(jù)處理和GIS空間分析具有重要的意義，因為：* 1）拓撲

8、關(guān)系能清楚地反映實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化。* 2）有助于空間要素的查詢，利用拓撲關(guān)系可以解決許多實際問題。如某縣的鄰接縣，-面面相鄰問題。又如供水管網(wǎng)系統(tǒng)中某段水管破裂找關(guān)閉它的閥門，就需要查詢該線（管道）與哪些點（閥門）關(guān)聯(lián)。* 3）根據(jù)拓撲關(guān)系可重建地理實體。拓撲結(jié)構(gòu)：全顯式表達拓撲結(jié)構(gòu)：部分顯式表達 雙重獨立式 編碼（DIME）：這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最早是由美國人口統(tǒng)計局研制來進行人口普查分析和制圖的，簡稱為DIME(Dual Independent Map Encoding)系統(tǒng)或雙重獨立式的地圖編碼法。鏈狀雙重獨立式編碼-拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、 弧段

9、文件：弧面，弧結(jié)點關(guān)系2、 節(jié)點文件： 結(jié)點鏈關(guān)系3、 弧段坐標文件4、 面文件在拓撲結(jié)構(gòu)中，多邊形（面）的邊界被分割成一系列的線（弧、鏈、邊）和點（結(jié)點）等拓撲要素，點、線、面之間的拓撲關(guān)系在屬性表中定義，多邊形邊界不重復(fù)。拓撲結(jié)構(gòu)：拓撲關(guān)系與數(shù)據(jù)共享；維護數(shù)據(jù)的一致性拓撲結(jié)構(gòu)：是否需要拓撲結(jié)構(gòu)? 應(yīng)用目的：制圖或一般查詢，可不要拓撲結(jié)構(gòu)；空間分析，則應(yīng)建立拓撲關(guān)系 服務(wù)對象和系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 面狀目標：面-弧、弧-面； 網(wǎng)絡(luò)目標：點-弧、弧-點。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：屬性數(shù)據(jù)表達與組織屬性特征表達 類別特征：類型編碼 說明信息：屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表格屬性表的內(nèi)容取決于用戶圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的連接通過目標

10、識別符或內(nèi)部記 錄號實現(xiàn)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：特點* 用離散的點描述空間對象與特征，定位明顯，屬性隱含* 用拓撲關(guān)系描述空間對象之間的關(guān)系* 面向目標操作，精度高，數(shù)據(jù)冗余度小* 輸出圖形質(zhì)量好，精度高* 與遙感等圖象數(shù)據(jù)難以結(jié)合4.7 空間對象的柵格表達柵格數(shù)據(jù)模型是基于連續(xù)鋪蓋（Regular Tessellations）的，它是將連續(xù)空間離散化，以規(guī)則或不規(guī)則的鋪蓋覆蓋整個空間。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。1、 定義：柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。 點用一個柵格單元表示； 線狀地物用沿線走向的一組相鄰柵格

11、單元表示，每個柵格單元最多只有兩個相鄰單元在線上，各柵格的值相同； 面或區(qū)域用記有區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎荆總€柵格單元可有多于兩個的相鄰單元同屬一個區(qū)域。二、柵格數(shù)據(jù)的特點用離散的量化柵格值表示空間實體；屬性明確，位置隱含；柵格邊長決定了柵格數(shù)據(jù)的精度；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易與遙感結(jié)合；多層數(shù)據(jù)疊合操作簡單；圖形質(zhì)量低且數(shù)據(jù)量巨大；難以建立地物間的拓撲關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)分析比較困難。(a)中a點與c點之間的距離是5個單位，但在 (b)中，ac之間的距離可能是7，也可能是4，取決于算法。如以像元邊線計算則為7，以像元為單金大會則為4。同樣， (a)中三角形的面積為6個平方單位，而 (b)中則為7個平

12、方單位，這種誤差隨像元的增大而增加。 三、數(shù)據(jù)獲取方式* 目讀法* 從掃描儀獲取數(shù)據(jù)；* 從攝象機獲取數(shù)據(jù)；* 從遙感獲取數(shù)據(jù)；* 從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。四、柵格取值原則柵格是均質(zhì)（只能取一個值）、最小的單元；但實際上，一個柵格可能對應(yīng)與實體中幾個不同的屬性。中心點法：用處于柵格中心處的地物類型或現(xiàn)象特性決定柵格代碼 （C）；（上圖）面積占優(yōu)法：以占矩形區(qū)域面積最大的地物類型或現(xiàn)象特性決定柵格單元的代碼 （B）（上圖）長度占優(yōu)法：通過柵格中心畫一橫線，用橫線所占最長部分的屬性作為本柵格元素的代碼（C）；重要性法：根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重要性，選取最重要的地物類型決定相應(yīng)的柵格單元代碼。五、柵格數(shù)據(jù)層* 在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，柵格是最小單位，每個格網(wǎng)只能