《空间数据结构》PPT课件.ppt

地理信息系统基础,GIS基本功能的实现过程,文件图表,数据获取,原始数据,存储检索,空间查询 空间分析,数据编辑 投影变换,数据输出,制图、表格,交互展示,GIS数据,空间 数据库,数据结构是指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构；对空间数据而言则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，是对数据的一种理解和解释。不说明数据结构的数据是毫无用处的，不仅用户无法理解，计算机程序也不能正确处理。 栅格数据结构 矢量数据结构 两种数据结构的比较和转换,第三章 空间数据结构,第一节 栅格数据结构,栅格数据:栅格数据结构，又称为网格结构或像元结构。实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在数据文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。每个像元包含一个代码，代码本身明确地代表了实体的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。,点,线,面,点：为一个像元 线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。 面：聚集在一起的相邻像元集合。 B,B,B,B,B,R,B,B,E,E, B,E,H,B,R,B,B,B,E,E, B,E,B,B,R,P,P,B, E,B, E,B,B,B,R,P,P,B,B,B, B,B,B,R,P,P,B,B,B,B, B,B,B,R,B,B,B,B,B,B, B,B,B,R,B,B,B,B,B,B, B,B,R,B,B,B,B,B,H,B, B,B,R,B,B,B,B,B,B,B, B,R,R,B,B,B,B,B,B,B,返回,获得栅格结构数据的途径,目读法：在地图上均匀划分网格，逐个网格地确定其代码； 矢量数字化法：用数字化仪得到矢量数据结构后，再转换成栅格结构； 扫描数字化：逐点扫描地图，将扫描数据进行重采样和再编码； 分类影像输入：将经过分类解译的遥感影像数据直接或重采样后输入系统。,栅格数据结构特点,离散的量化栅格值表示空间对象。 位置隐含，属性明显。 数据结构简单，易于扩充、修改，特别易于与遥感数据结合，但数据量大。 适合于高级语言作文件或矩阵处理。 存在几何和属性误差。,栅格数据的几何误差,在下图中，ac的距离应为5，但在栅格结构中，如以像元边线计算则为7，以像元为单位则为4。 三角形abc的面积应为6个平方单位，而在栅格结构中则为7个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。,栅格数据的属性误差,在一个栅格的地表范围内，可能存在具有不同属性的地理实体，如可能存在多于一种的地物，而表示在相应的栅格结构中常常只能是一个代码，因此出现属性误差。,栅格数据单元属性值确定,为了逼近原始数据精度，除了采用这几种取值方法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格单元总数的方法 。,栅格数据压缩存储的编码方法（1） 链式编码(Chain Codes),又称为弗里曼链码(Freeman)或边界链码。该方法将线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。 链式编码的前两位数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始表示单位矢量的方向。 如果右图中面状地物的起点为像元(10，1)，则其边界按顺时针方向的链式编码为： 10，1，7，1，0， 0，7，1，7，0，1，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。,栅格数据压缩存储的编码方法（2） 游程长度编码(RunLength Codes),对左图进行的游程长度编码是 （9，4）， （0，4）， （9，3）， （0，5）， （0，1）， （9，2）， （0，1）， （7，2）， （0，2）， （0，4）， （7，2）， （0，2） （0，4）， （7，4） （0，4）， （7，4） （0，4）， （7，4） （0，4）， （7，4）。,游程长度编码只在各行（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。,栅格数据压缩存储的编码方法（3） 块式编码(Block Codes),块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。如图：,块式编码的数据结构由初始位置(行号，列号)和边长，再加上记录单元的代码组成。根据这一编码原则，上述多边形只需12个单位正方形。5个4单位的正方形和2个16单位的正方形就能完整表示，总共要41个数据，其中19对坐标，3个块的半径。 具体编码如下（1，1，2，9），（1，3，1，9），（1，4，1，9），（1，5，2，0），（1，7，2，0），（2，3，1，9）,栅格数据压缩存储的编码方法（4） 四叉树编码,四叉树编码又称为四分树、四元树编码，是一种更有效地压编数据的方法。它将 像元阵列连续进行4等分，如果某正方形的所有格网值相同，则该正方形就不再继续分割，否则还要把它再分割成四个正方形，如下图。也可采用从下而上的方法建立，对栅格数据按如下的顺序进行检测：如果每相邻四个格网值相同则进行合并，逐次向上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。后者与前者相比，运算速度较快。,栅格数据压缩存储的编码方法（5） 八叉树编码,八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域(即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小立方体)，同一区域的属性相同。八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题。,栅格数据的各种压缩编码方式的比较,第二节 矢量数据结构,矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。 由于以下原因，不可能得到绝对精确的值：表示坐标的计算机字长有限；所有矢量输出设备 ，尽管分辨率比栅格设备高，也有一定的步长；矢量法输入时选取的点不可能太多；人工输图时存在不可避免的定位误差。,矢量数据结构编码的基本内容,矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。 点：空间的一个坐标点； 线：多个点组成的弧段； 面：多个弧段组成的封闭多边形；,矢量数据结构编码的方式（1） 面条结构（实体式）,构成多边形边界的各个线段，以多边形为单位进行组织，只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。,多边形 数据项 A (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1) B (x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15),(x14,y14) ,(x13,y13), (x12,y12), (x11,y11),(x10,y10),(x1,y1) C (x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30) ,(x31,y31), (x24,y24) D (x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16) ,(x19,y19) E (x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5),矢量数据结构编码的方式（1） 面条结构（实体式）,存储： 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 特征 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询 公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂； 处理嵌套多边形比较麻烦 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析,矢量数据结构编码的方式（2） 索引式,线与多边形之间的树状索引,点与线之间的树状索引,矢量数据结构编码的方式（3） 双重独立式DIME(Dual Independent Map Encoding),对任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来表示；利用这种拓扑关系来组织数据，可以有效地进行数据存储正确性检查，同时便于对数据进行更新和检索(P44表3-3)。,矢量数据结构编码的方式（4） 链状双重独立式,链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。 在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。,弧段文件 弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形 a 5 1 O A b 8 5 E A c 16 8 E B d 19 5 O E e 15 19 O D f 15 16 D B g 1 15 O B h 8 1 A B i 16 19 D E j 31 31 B C 弧段坐标文件 弧段号 点 号 a 5,4,3,2,1 b 8,7,6,5 c 16,17,8 d 19,18,5 e 15,23,22,21,20,19 f 15,16, g 1,10,11,12,13,14,15 h 8,9,1 i 16,19 j 31,30,29,28,27,26,25,24,31,链状双重独立式,多边形文件 多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐标 A h,b,a B g,f,c,h,-j C j D e,i,f E e,i,d,b,矢量数据结构的属性数据表达,属性特征类型 类别特征：是什么 说明信息：同类目标的不同特征 属性特征表达 类别特征：类型编码 说明信息：属性数据结构和表格 图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记录号实现。,矢量数据结构的属性数据表达,矢量数据结构的特点,用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含。 用拓扑关系描述空间对象之间的关系。 面向目标操作，精度高，数据冗余度小。 与遥感等图象数据难以结合。 输出图形质量好，精度高。,第三节 两种数据结构的比较与转换,数据结构选择原则,要素还是位置？ 可获取的数据 定位要素的必要精度 需要什么类型的要素 需要什么类型的拓扑关联 所需空间分析类型 生产地图类型,矢量数据向栅格数据转换 点的变换,矢量数据向栅格数据转换 矢量线段的变换,如下图： 先标出两端点的行数i为3和10； 然后分别确定直线经过的4，5，6，7，8，9六行中的哪一列与直线相交；以第7行为例，找到第7行（ i =7)中心的y值是多少，就可求出相应的j值；同法计算其它行的j值； 用本直线的属性值填充直线经过的网格。,22,11,矢量数据向栅格数据转换 多边形数据的转换,从多边形的起点依次记录每一点左边面域值； 对多边形的每一条边转换成栅格形式； 进行节点处理，使节点的栅格值唯一而准确； 从第一行起逐行按列的先后顺序排序，使得到的数据结构等同于栅格数据压缩编码的数据结构形式 展开为全栅格数据结构。,栅格数据向矢量数据转换（1） 基于扫描图像的矢量化,二值化 ：在最大与最小灰阶之间定义一个阈值T，大于或等于T的栅格值记为1，小于T的栅格值记为0。,栅格数据向矢量数据转换（1） 基于扫描图像的矢量化,细化：消除线划横断面栅格数的差异，使每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线位置的单个栅格的宽度。 剥皮法：从曲线的边缘开始，每次剥掉等于一个栅格宽度的一层，直到最后留下彼此连通的由单个栅格点组成的图形；不允许剥去会导致曲线不连通的栅格。 将经细化处理后应保留的栅格系列写入数据文件。,栅格数据向矢量数据转换（1） 基于扫描图像的矢量化,跟踪 ： 目的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 从图幅西