地理信息系统第三讲：GIS数据组织与结构(完整版)

例如：道路作为单一的栅格式不存在的，栅 格的值才表达了路是一个实体。道路是被具 有道路属性值的一组栅格表达的。
矢量结构特征——图形


用点线面表示现实世界的物体，每一个实体的 位置用它们在坐标参考系统中的空间位置定义； 用属性表示物体的数量和质量特征。 例如，用一条线表达一条道路；一个多边形表 示一个湖泊。
变长编码
A A A B A B D D B B D C 10 10 4 6 3 7 4 5 5 6 5 5 0 1 2 2 3 3 4 5 5 4 6 6
D D D D D C C C C C
D D D D D C C C C C D D D D D C C C C C D D D D D C C C C C D D D D D C C C C C
欧几里德平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性
一个点在一个弧段的端点 拓扑属性 一个弧段是一个简单弧段（自身不相交） 一个点在一个区域的边界上（内部、外部） 一个面是简单面（面上没有“岛”） 一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点 可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点） 两点之间的距离 非拓扑属性 一个点指向另一个点的方向 弧段的长度 一个区域的周长 一个区域的面积
栅格数据（2）
栅格数据（3）
栅格数据（4）
故宫
上海东方明珠电视塔
栅格数据（5）
矢量数据概念
矢量数据（1）
矢量数据（2）
矢量数据（3）
矢量+栅格（1）
矢量+栅格（2）
栅格结构特征——图像



空间被划分为规则的栅格。 地理实体的位置用它们占据的行列号(I,J)表示,每 一格称为一个像元，像元是用灰度值来表示的 （0~255）。 每个栅格与它表达的真实世界的空间实体没有直 接的联系。
矢量模式与栅格模式比较
栅格模式
优点： 1、数据结构简单 2、叠加操作更易实现、更有效 3、能有效表达空间可变性 4、便于做图像的有效增强 缺点： 1、数据量大，需要压缩。 2、难以表达拓扑关系。 3、图形输出不美观，有锯齿。
矢量模式
优点：
1、数据结构更严密。 2、提供有效的拓扑编码，便 于拓扑操作。 3、图形输出美观。 缺点： 1、数据结构复杂。 2、叠加操作不方便。 3、表达空间变化性能力差。 4、不能做增强处理。
基本拓扑关系：
拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含
拓扑邻接（P52）
存在于空间图形之间同类要素之间的拓扑关系。
多边形P1和P2 , P1和 P3 在空间上相邻接； 弧 段 L2，L3， 和 L5 在空间上相邻接； 节点V1与V9, V9与V4 等在空间上相邻接。
5 d D A
1
a
c C b B
4
弧 左多 右多 边形 边形 a D C b c d C A D A B A
栅格数据中的点线面
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。

栅格数据概念
ຫໍສະໝຸດ Baidu方向相邻和八方向相邻
栅格数据的获取
1.遥感方法获取(航天与航空); 2.图片扫描获取(纸介质的地图等扫描); 3.矢量数据转换而来; 4.由平面上行距,列距固定的点抽样而来 主要包括: (1)中心归属法;(2)长度占优法; (3)面积占优法.
数据分层的原则
1、特征类型：点线面分别处于不同层。 2、特征的逻辑分组：相关的地物位于同一层。
3、应使处理更加方便。
数据分层的方法
1、按专题分层 2、按时间序列分层 3、以地面垂直高度分层

1910 1900
第二层
第一层
1870
低于地面
栅格数据的宏运算
1.扩张
栅格数据的宏运算
计算机的具体实现方法: (1) 开辟一个数组IA存放 原始图像；（2）为存放中间结果及最后结果，另 开辟一个数组IB；（3）将IA中的原图拷贝到IB中； （4）对IA中的每一个灰度值为“1”的像元，在IB 中相应位置右侧一列及二列处分别置“1”。
栅格数据的宏运算
栅格数据概念
如果一个图像的灰度值只有两种,通常用”1” 表示前景元素,用”0”表示背景元素,则这个 图像也称”二值图像”. 在栅格数据中,二值图像的每个像元只能用 计算机中的一位”bit”表示.在这种表示法中, 数据虽可得到高度压缩,但不适宜表示多种 制图要素在同一幅图像上出现的情况. 为了区分制图物体的类型属性,可以使不同 制图要素上的像元带有不同的灰度值.因此 需要为每个像元开辟计算机中的若干位(通 常为一个字节),以便存放不同的灰度值.
D
C D C D C
5
5 5 5 5 5
7
7 8 9 9 9
四叉树编码
11
0
13
32110
222
0
1
2
3
10
11
12 13
110 111
112 113
四叉树分解过程
根
0
1
2
3
20
21
22
23
210
211
212
213
四叉树编码的优点
容易而有效地计算多边形的数量特征； 阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分 四叉树分级多，分辨率也高，而不需要表示的 细节部分则分级少，分辨率低。因而既可精确 表示图形结构，又可减少存储量。 直接栅格编码到四叉树编码及四叉树到简单栅格 编码的转换比块式编码等其它压缩方法容易。 多边形中嵌套不同类型小多边形的表示较方便。
多边形P1包含多边形P4
矢量数据压缩技术
间隔取点法； 垂距法和偏角法； 道格拉斯—普克（Douglas—Peucker)法； 光栏法。

矢量数据压缩技术

间隔取点法
矢量数据压缩技术

垂距法和偏角法
矢量数据压缩技术

道格拉斯—普克（Douglas—Peucker)法
矢量数据压缩技术
第二讲： GIS的空间数 据结构与组织
GIS 数据——矢量和栅格模式
数据的组织方法
在矢量模式中，关于点、 线和多边形的信息被编码 并以x、y坐标形式储存。 栅格模式是连续特征的 模式，栅格图象包含有网 格单元(像元灰度值)，扫描 的地图或图像照片等。
栅格模式
矢量模式
真实世界
栅格数据概念
所谓栅格数据是: 将制图区域的平面表象按 一定的分解力作行和列的规则划分,就形成 了一个阵列,其中每个栅格也称”像元”或”像 素”.根据所表示的表像信息,各个像元可用 不同的”灰度值”来表示,但每个像元被认为 是内部一致的基本单元.换句话说:由平面表 像对应位置上像元灰度值所组成的矩阵形 式的数据就是栅格数据.
基本拓扑要素概念：
线段（ARC，弧段），在线段的中间与其他任何线段不 存在任何相关关系，在线段的段点才与其他的线段有关系。 线段是有向线段，它的方向有首尾端点确定。 结点(NODE)，即线段的两端点，可以分为首结点和尾 结点。
多边形(POLYGON), 由数条线段有序的首尾连接而成。
层（LAYER）, 具有相同属性的拓扑要素的组合。
2.侵蚀
栅格数据的宏运算
3.加粗
栅格数据的宏运算
4.减细 减细的原理和过程与加粗几乎一样，因为加粗 “0”像元就是减细“1”像元。但一定要注意：在 减细的批处理中，若不附加一些必要的限制条 件，就可能导致线划的断裂或要素的消失等。
栅格数据的宏运算
5.填充(带有边界条件的逐步加粗法)
栅格数据运算的具体应用

四叉树编码的缺点
四叉树编码的最大缺点是转换的不确定性 ，用同一形状和大小的多边形可能得出多种不 同的四叉树结构，故不利于形状分析和模式识 别。但因它允许多边形中嵌套多边形即所谓“ 空洞”这种结构存在，故越来越多的GIS工作者 都对四叉树结构很感兴趣。
矢量数据的组织
无拓扑关系矢量结构
点实体
3
拓扑关联
指存在于空间图形中的不同类要素之间的拓扑关系 。
节 点 V9 与 弧 段 L3，L5 ，L6关联； 多边形 P1 与弧段 L1， L2，L3，L6关联
弧 多边 形 p1 L1、L3、L6、L7 p2 p3 L2、L3、L5 L4、L5、L6
p4
L7
拓扑包含
指存在于空间图形中同类但不同级的基本要素之间的拓 扑关系 。
二维几何图形的变换
矢量数据变换

二维几何图形的变换
矢量数据变换

二维几何图形的变换
矢量数据变换

二维几何图形的变换
栅格与矢量模式的选择与转换
栅格和矢量均有各自的特点。 从点、线、面实体转化为规则单元，这 是矢量数据栅格化（p71)。 从栅格单元转换到几何图形的过程，称 为栅格数据矢量化(p72)。

矢量数据拓扑结构，即基本要素点线面和实体之间具 有邻接、关联和包含的拓扑关系,与长度面积无关。
什么叫拓扑？ Topology一词来自希腊文，它 的原意是“形状的研究”。拓 扑学是几何学的一个分支，它 研究在拓扑变换下能保持不变 的几何属性——拓扑属性。
“点的内置”是拓扑属性 ； 面积则不是拓扑属性；
栅格数据的基本运算
1.栅格图像的平移
栅格数据的基本运算
2.两个栅格图像的算数组合
将两个栅格图像叠加,使它们对应像元的灰 度值相加,相减,相乘,相除,开方和,平方和等 等.
栅格数据的基本运算
3.两个栅格图像的布尔逻辑组合
栅格数据的基本运算
4.其它栅格图像的基本运算 (1)栅格灰度值乘上或加上一个常数; (2)栅格灰度值求其正弦,余弦等,方根,对数,指数等; (3)将某些栅格灰度值置成常数等; (4)求一个栅格图像中元素灰度值之和; (5)找出一个栅格图像中元素灰度值最大和最小等; (6)求出两个栅格图像对应灰度值的数量积; (7)将两层栅格图像对应灰度值比较,并把一个较大 的元素记录到结果栅格图像中; (8)进行”二值图像”处理等等.
栅格数据的组织
数据文件 像元1 I坐标 J坐标 层1属性值 层2属性值 层N属性值 像元2 像元N 数据文件 层1 数据文件 层1 多边形1 属性值 像元1坐标 像元N坐标 多边形N 层2
像元1 I坐标
J坐标 属性值 像元2 层2 层N
层N
节省空间
形式简单
方便制图
栅格数据的压缩(p67)
长度编码法（Length Codes) 改变扫描顺序法（Exchange Orders) 链式编码(Chain Codes) 游程长度编码(Run-Length Codes) 块式编码(Block Codes) 四叉树编码(Quadtree Encoding)
标示符 X、y坐标 属性值
线实体
面实体
标示符 标示符 X、y坐标对 边线标示符 属性值 属性值
点实体 唯一标示符 类型 简单点 文字说明 结点
点实体
序列号
X、y坐标 有关的属性 方向
如果是简单点
符号
如果是文字说明
比例尺
字符大小
方向 字体 排列
如果是结点
符号
指针
其它有关的属性
与线相交的角度
矢量数据拓扑结构

变长编码
全栅格编码
A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A B B B B B B A A A B B B B B B B D D D D B B B B B B D D D D D B B B B B D D D D D C C C C C

栅格与矢量数据格式之间的转换
栅格与矢量数据格式之间的转换
栅格与矢量数据格式之间的转换
栅格与矢量数据格式之间的转换
栅格与矢量数据格式之间的转换
栅格与矢量数据格式之间的转换
空间数据的分层组织

层的概念同时适合于栅格数据和矢量数据。 所谓层是指地理特征及其属性在逻辑上的集合。 在栅格数据结构中，每种属性可形成一个独立 的层，而新的属性就意味着在数据库中新加一 层。 在矢量数据结构中，层是用来区分空间实体的 主要类型，目的是为了制图与显示。因独立地 物点与多边形标示符不能区分，因而点和多边 形不能在同一层。

光栏法
矢量数据压缩技术

光栏法编程流程图
矢量数据匹配

顶点匹配与数字接边
矢量数据变换



二维和三维几何图形的变换； 矢量栅格数据之间变换； 数据格式之间变换； 数据结构之间变换； 地图投影之间变换。
矢量数据变换

二维几何图形的变换
矢量数据变换

二维几何图形的变换
矢量数据变换

（1）两要素之间有粘连现象
栅格数据运算的具体应用
（2）三线公路的绘制（两次加粗，异或运算， 或运算）
栅格数据运算的具体应用
（3）各种面积量算
栅格数据运算的具体应用
（4）指定范围内填充规定的图案
栅格数据运算的具体应用
（5）栅格图像的叠置分析
栅格数据运算的具体应用
计算机实现流程图：
栅格数据（1）