第3章 GIS空间数据模型(基于对象的矢量数据模型与栅格数据模型).ppt
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1、第三章 空间数据模型,第一节 地理关系矢量数据模型(传统) 第二节 栅格数据模型 第三节 基于对象的矢量数据模型 第四节 复合要素的数据模型 第五节 空间数据的分层组织(补充),矢量模式,栅格模式,真实世界, 地理关系数据模型是用图形文件存储空间数据,用关系数据库存储属性数据来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式;一般用要素的标号或标识码链接。 地理关系数据模型分为简单矢量数据模型、拓扑矢量数据模型(coverage数据结构);,第一节 地理关系数据模型,一 简单矢量数据模型 1)只记录空间对象的位置坐标和属性信息,不记录拓扑关系。用点、线和面等几何对象表示简单的空间要素。 2)存储: 独立
2、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,标识码,属性码,空间对象编码 唯一 连接几何和属性数据,数据库,独立编码,点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( x1 , y1 ),点位字典,点: 点号文件,线: 点号串,面: 点号串,存储方法,1 简单矢量数据模型点实体编码,线实体编码,2 简单矢量数据模型线实体编码,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
3、线号相联系,以线索引与各多边形相联系,形成完整的拓扑结构,3 简单矢量数据模型面实体编码,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,y15,4 简单矢量数据模型特征 数据结构简单,直观,主要用于显示、输出及一般查询 ;便于系统的维护和更新。 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。 处理嵌套多边形比较麻烦,5 Arcgis软件Shape文件数据模型,Shape文件将空
4、间要素的图形及属性信息以非拓扑的形式存储在数据集中。要素的几何形状数据存储成为具有矢量坐标的图形。 Shape文件数据模型是非拓扑的数据库模型。因此,在数据显示速度上比较快,数据的编辑也比较容易实现。通过编程的方式很容易实现对Shape文件的存取操作。这一特性是其优点,也是缺点。,5 Shape 文件数据模型,特点: 基于其非拓扑性,可以使文件迅速显示出来。 简单要素类型:点、线、面分别存储。 一个Shape文件中只能存储一种类型的要素。,Shape文件的构成,一个Shape文件至少包括一个主文件、一个索引文件及一个 dBASE 数据表文件 Shape文件示例: .SHP主文件Main fil
5、e: counties.shp贮存地理要素的几何数据 .SHX 索引文件Index file: counties.shx,贮存图形要素索引信息,用于查询 .DBF dBASE 数据表文件: counties.dbf ,贮存要素属性信息的dBASE文件 .PRJ 投影参数文件: counties.prj,.shp 文件,用于存储地理要素的图形数据,. Shape数据模型,实现了地理空间数据的存储,.dbf 文件,用于存储地理要素的属性数据,1 拓扑关系的关联表达:显式表示,(a)多边形、弧段、结点(自上到下),多边形 弧段 弧段 结点P1 a4 a5 a6 a1 N1 N2 P2 a1 a8 a
6、5 a2 N2 N4P3 a3 a6 a7 a3 N4 N5P4 a2 a7 a8 a4 N1 N5a5 N1 N3a6 N3 N5a7 N3 N4a8 N2 N3,(b)结点、弧段、多边形,结点 弧段 N1 a1 a4 a5 N2 a1 a2 a8 N3 a5 a6 a7 a8 N4 a2 a3 a7 N5 a3 a4 a6,弧段 左多边形 右多边形a1 0 P2a2 0 p4a3 0 p3a4 p1 0a5 p2 p1a6 p3 p1 a7 p4 p3a8 p4 p2,二 拓扑矢量数据模型,弧段 起结点 终结点 左多边形 右多边形 坐标a1 N1 N2 0 P2a2 N2 N4 0 p4a
7、3 N4 N5 0 p3a4 N1 N5 p1 0a5 N1 N3 p2 p1a6 N3 N6 p3 p1 a7 N3 N4 p4 p3a8 N2 N3 p4 p2 。,二 拓扑矢量数据模型,2 半显式表示,3 GIS中建立拓扑关系的优缺点 优点:数据结构紧密、拓扑关系明确,便于空间数据的拓扑查询和拓扑分析如网络分析;更能确保数据质量和强化GIS分析。 缺点 :数据结构复杂,不便于系统的维护和更新,对单个实体的操作效率不高,如增加、删除、修改一个实体时涉及一系列的文件和数据库表格;,4 拓扑编辑过程总步骤,1 )以弧为基本单元进行数字化,记录其坐标值,形成坐标数据; 2 )由坐标数据提取弧和结
8、点数据; 3 )由结点、弧及坐标数据产生表达面实体拓扑关系的数据。,4 拓扑具体编辑过程,由坐标数据提取弧和结点数据;a)分离出每条弧,并对各条弧线赋予内编号;b)确定出每条弧上首尾端点在坐标数据中的地址;c)确定出连接弧的结点,并对其进行统一编号。,4 拓扑具体编辑过程,多边形拓扑产生:从结点、弧、坐标数据搜索出地图上多边形与弧之间关系的过程,找出每个多边形由哪些弧所组成。 1)引出弧/引入弧; 一条“引入弧”进入一个结点时,其余的弧都与“引入弧”构成一个夹角,可以选择与“引入弧”构成的最大顺时针夹角所相应的弧作为“引出弧”。,如果在组成一个多边形时,一条弧是从首结点到尾结点,则定义为该多边
9、形是在这条弧的右边; 如果这条弧是从尾结点到首结点,则定义该多边形在这条弧的左边。,4 拓扑具体编辑过程确定左右多边形,栅格数据模型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。表示连续现象获取方法:(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。,第二节 栅格数据模型,一 栅格数据模型要素,点:表示为单个像元。 线:在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。 面:由聚集在一起的相邻像元的集合。,四方向相邻和八方向相邻,一 栅格数据模型要素,像元值整型/浮点型。整型用于类别数据并通
10、过数值属性可读取、查询和显示。 像元大小栅格数据模型的分辨率(见下页) 栅格波段 空间参照,一、栅格数据模型要素,X:列,Y:行,西南角格网坐标 (XWS,YWS),像元大小,格网方向,2 混合像元大小处理,方案一,方案二:缩小栅格单元的面积,4 空间参照 假设当前栅格单元行列号为(i,j),一个栅格单元所代表的空间区域大小为dlt_x,dlt_y,栅格区域的原点坐标为(x0,y0),那么,当前栅格单元的平面坐标(x,y)为:x=x0+j*dlt_xy=y0-i*dlt_y 如果栅格区域的原点在左下角,那么,平面坐标的计算公式为:x=x0+j*dlt_xy=y0+I*dlt_y,二 栅格数据类
11、型,卫星影像 USGS的数字高程模型(DEM) 非USGS的数字高程模型 全球数字高程模型 数字正射影像 二值扫描文件 数字栅格图 图形文件 特定GIS软件的栅格数据(grid),三 栅格数据结构,逐个像元编码(完全栅格编码) 游程编码(Run_length Encoding) 链状编码(chain Encoding) 块状编码 四叉树编码(quarter_tree Encoding),压缩编码,1 逐个像元编码(完全栅格编码),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
12、,2,2,5,5,5,5,5;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
13、)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;,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,(2)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
14、);(1,5),(2,2),(3,3),(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
15、),(5,6,1,3),(5,7,1,5),(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
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