1、地理信息系统 Geographic Information System,第三章 地理信息系统的数据结构,学习目标理解地理空间信息的概念掌握地理空间信息的描述方法理解地理数据分类描述的方法理解和掌握地理空间数据的拓扑关系掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法了解栅格与矢量数据之间的转化方法 重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。 难 点：拓扑结构、栅格数据编码,第一节 GIS的地学基础,地球模型 坐标参考系统 地图投影 地图比例尺 地理数据特征 地图对地理现象表达 遥感影像对地理现象表达,一、地球模型,地球表面,大地水准面,二、地理空间坐标系,地理坐标系是以地理极(北极
2、、南极)为极点。 通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。 法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度。 过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度。,坐标参考系统平面系统,直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置,建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置,投影,坐标系统高程系统,三、地图投影,为什么要进行投影？ 地图投影实质 投影变形 投影方法 投影选择所考虑的因素 我国常用的投影方法,地图投影：为什么要进行投影,将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影 地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算 地球椭球
3、体为不可展曲面 地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析,地图投影：投影实质,地图投影：投影实质,建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（，）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。,地图投影：投影变形,将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。 长度变形 面积变形 角度变形,地图投影：投影分类,变形分类：等角投影：投影前后角度不变等面积投影：投影前后面积不变；任意投影：角度
4、、面积、长度均变形 投影面：横圆柱投影：投影面为横圆柱圆锥投影：投影面为圆锥方位投影：投影面为平面 投影面位置：正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直相切投影：投影面与椭球体相切相割投影：投影面与椭球体相割,地图投影：投影选择因素,制图区域的地理位置、形状和范围 制图比例尺 地图内容 出版方式,地图投影：GIS中地图投影,GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。 GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出
5、或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。 GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。,地图投影：我国常用地图投影,1：100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影） 大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯克吕格投影。,四、地图比例尺,地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系 纸质地图：内容、概括程度、数据精度等GIS：数据精度 比例尺的含义：制图区域较小，采用各方面变形
6、都较小的地图投影，图上各处的比例是一致的，故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例；制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不同而有所变化，这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率， 称为主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线上，才可用地图上注明的比例尺 我国地图比例尺分级系统：大比例尺：1：5001：10万中比例尺：1：10万1：100万小比例尺：1：100万 无级比例尺概念,五、空间对象（实体）的地图表达,点：位置：（x，y）属性：符号,线：位置： (x1,y1),(x2,y2),(x
7、n,yn)属性：符号形状、颜色、尺寸,面：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn)属性：符号变化等值线,空间对象（实体）的遥感影像表达,遥感传感器平台,传感器,空间现象及其描述,特征 关系 行为,观察,选择 抽象 综合,测量：位置 编码：属性 建立关系： 表达,空间对象（实体）类型,空间对象一般按地形维数进行归类划分 点：零维 线：一维 面：二维 体：三维 时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。 空间对象的维数与比例尺是相关的,点实体,有位置，无宽度和长度；抽象的点,美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置,线实体,有长度，
8、但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离,香港城市道路网分布,面实体（多边形）,具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形一般分为连续面和不连续面,中国土地利用分布图（不连续面）,空间对象：面（续）,连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。,不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。,空间对象：体,有长、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标,香港理工大学校园建筑,六、地理空间信息的描述,是建立在地理空间坐标系基础上的 地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接
9、的方法。 平面直角坐标系(X,Y)建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。,七、地理数据的分类描述,定名（Nominol）量 顺序（Ordinal）量 间隔（Interval）量 比率（Ratio）量,定性而非定量地对众多地理事物进行区分和标识。如北京、天津、石家庄等；长江、黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪泽湖和太湖等,通过排序来区分和标识地理现象的量称为顺序量。它是按照地理数据的等级序列，由低到高（或由高到
10、低）进一步细分的,利用某种标准单位（可以是任意的）作为间隔量来表示不同的量，是一种较精确区分和标识地理现象的测量方法。,比率量是间隔量的精确化。它提供的定量值是具有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据,第二节 地理空间数据类型,地理数据的基本特征 地理数据的来源 地理空间数据类型,一、地理数据的基本特征,空间特征表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。 属性特征表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。 时间特征描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。,二、地理数据的来源,地图数据 地图是地理信息的主
11、要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源 遥感数据各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据 统计数据、实测数据及各种文字报告各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等,三、地理空间数据的类型,1. 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。 2. 面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元 3. 网络数据：道路交叉点、街道和街区等。 4. 样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。 5. 曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。 6. 文本数据：如地名、河流名和区
12、域名称。 7. 符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。,第三节 地理信息的空间关系,地理空间数据的拓扑关系 地理空间信息的方向关系 地理空间信息的度量关系,一、地理空间数据的拓扑关系,拓扑结构 是明确定义空间结构关系的一种数学方法。 在GIS中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。,1.地理空间数据的拓扑关系 2.地理空间数据拓扑关系应用价值 3.地理空间数据拓扑关系的表示,拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系。 拓扑关联： 元素之间的拓扑关系。 拓扑包含： 元素之间的拓扑关系。,1、地理空间数据的拓扑关系,不 同 类,同 类,同类不同级,拓扑邻接：N1/N2 ,
13、N1/N3 ;e1/e2,e1/e3 ;P1/P3 ;P2/P3 拓扑关联：N1/1、3 、6 ；P1/1、5 、6 拓扑包含：P3与P4,2.地理空间数据拓扑关系应用价值,（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离 （2）利于空间要素查询 （3）重建地理实体,3.地理空间数据拓扑关系的表示,结点集合,3.地理空间数据拓扑关系的表示,多边形集合,3.地理空间数据拓扑关系的表示,弧段集合,二、地理空间信息的方向关系,方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。 描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹角称为连线的方位角。基准方向通常
14、有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种。 同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时，只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体，然后按点状实体来求解方向关系即可。,三、地理空间信息的度量关系,度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。 这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距离，如A实体距离B实体100m。也可以应用与距离概念相关的术语，如远近等进行定性的描述。,第四节 地理信息空间数据结构,空间数据结构 矢量数据结构 栅格数据结构 栅格结构与矢量结构的比较,常用的空间数据结构,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,矢量数据结构矢
15、量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。特点：定位明显，属性隐含。获取方法：(1) 手工数字化法；(2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。,栅格数据结构栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。特点：属性明显，定位隐含。获取方法：(1) 手工网格法；(2) 扫描数字化法；(3) 分类影像输入法；(4) 数据结构转换法。,栅格结构数据中混合像元的处理,方案一,方案二：缩小栅格单元的面积,矢量结构与栅格结构的比较,第五节 地理数据的编码方法,编码的概念和意义 栅格结构编码方法 矢量结构编码方法 属性数据编码方法
16、,第五节地理数据的编码方法,地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。,一、编码的概念和意义,二、栅格结构编码方法,1、直接栅格编码,直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,0，2，2，5，5，5，5，5；
17、2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。,2、链码,0,0,1,0,7,6,7,0,1,1,0,0,链码编码：2，2 ，6 ，7，6，0，6，5,链码编码示例,3、游程长度编码,(1)只在各行（或列）数据的代码发
18、生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；,沿行方向进行编码：( 0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,3、游程长度编码,逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。,沿列方向进行编码：( 1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3
19、），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。,4、块码,采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。,（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1
20、，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。,5、四叉树编码,是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字
21、表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度, ,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,0 0 0,0 3 3 3 0 3 3 3,3 3 5 3 0 0 2 2,2 3 2 2 2 2 0 2,2 2 2 5 2 5 5 5,3 3,3 5 5,西南,东南,西北,东北,直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）； 链码：压缩效率较高，以接近
22、矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难； 游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用； 块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。,三、矢量结构编码方法,1、点实体矢量编码方法 2、线实体矢量编码方法 3、多边形矢量编码方法,点实体编码,线实体编码,多边形矢量编码,由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成,对所有边界点数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相
23、联系,形成完整的拓扑结构,多边形环路法,P1 x1，y1；x2，y2；x3，y3；x4，y4；x5，y5；x6，y6；,P2 x7，y7；x8，y8；x9，y9；x10，y10；x11，y11；x5，y5；x6，y6,P3 x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15,树状索引法,树状索引法,线号 起点 终点 点号 6 5 6,1,2,3,4,5 5 6 5,6 6 5 6,7,8,9,10,11,5 12 13 12,15,14,13,树状索引法,多边形文件 多边形号 边界线号 1 ，2 ， 3 ,树状索引法,拓扑结构编码法,唯一标示 多边形标示 外包多边形指针 邻接多边形
24、指针 边界链接 范围,较好的解决了空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂度,四、属性数据编码方法,1.编码内容（1）登录部分（2）分类部分（3）控制部分 2.编码原则（1）管理效率高（2）适用性好（3）接口方便,第六节 矢量结构与栅格结构的相互转换,矢量数据结构向栅格数据结构的转换 栅格数据结构向矢量数据结构的转换,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,矢量数据转换成栅格数据后，图形的几何精度必然要降低，所以选择栅格尺寸的大小要尽量满足精度要求，使之不过多地损失地理信息。为了提高精度，栅格需要细化，但栅格细化，数据量将以平方指数递增，因此，精度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素。 栅格尺
25、寸确定计算若干个小图斑的面积S（i1，2，n）；求小图斑面积平均值；求栅格尺寸L（）1/2。,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,点的栅格化,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,直线栅格化直线插补法扫描线法,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,面域的栅格化 直线插补法扫描线法,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,多边形边界提取 边界线追踪 拓扑关系生成 去除多余点及曲线圆滑,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,多边形边界提取二值化 细化,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,多边形边界提取二值化 细化,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,边界线追踪：边界线跟踪的目的就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 拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。 去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。,本章作业,1.试总结矢量结构和栅格结构的优缺点。 2.通过多渠道查找资料，试总结ArcGIS中两种重要的矢量数据格式shp格式和coverage格式的特点。,Thank You!,
