第五讲数据输入与输出.ppt
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1、第五讲第五讲 数据输入与输出数据输入与输出 之空间数据结构及其编码之空间数据结构及其编码 空间数据结构及其编码 学习目标: 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 空间数据结构空间数据结构 51实体间空间 关系 5-2栅格数据结构 及编码 5-3矢量数据结结 构及编码 5-4 矢栅一体 化数据结构 二、空间数据结构 一、实体间空间关系 二、栅格代码的确定 一、栅格数据结构 三、栅格数据编码 四、编码方式 一、图形表示 二、获取方式
2、 三、组织 二、矢栅一体化概念 一、矢、栅比较 四、一体化结结构设设 计计 三、三个约约定和细细 分格网法 几何信息 目标本身的位置信息 地物之间的空间关系信息 5-1实体间空间关系 5-1实体间空间关系 返回 一、空间关系类型 1、 顺序空间关系: (方向空间关系) 又称为方位关系、延伸关系,它定义了地物对象之间的方位,用上下左 右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系,如“河北省 在河南省北部”就描述了方向关系。算法复杂,至今没有很好的解决方法。 2、 度量空间关系,主要指实体间的距离关系,远近。 基本空间对象度量关系包含点/点、点/线、点/面、线/线、线/面、面/ 面之间的
3、距离。 在基本目标之间关系的基础上,可构造出点群、线群、面群之间的度量 关系。例如,在已知点/线拓扑关系与点/点度量关系的基础上,可求出点/ 点间的最短路径、最优路径、服务范围等; 已知点、线、面度量关系,进行距离量算、邻近分析、聚类分析、缓冲 区分析、泰森多边形分析等。 3、 拓扑空间关系: 北a b 拓扑一词来自于希腊文,意思是拓扑一词来自于希腊文,意思是“形状的研究形状的研究 ”。拓扑学是几。拓扑学是几 何学的一个分支,它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何学的一个分支,它研究在拓扑变换下能够保持不变的几 何属性何属性 拓扑属性。拓扑属性。 为了得到一些拓扑的感性认识,假设为了得到一些拓扑
4、的感性认识,假设 平面是一张高质量无边界的橡皮,该橡皮能够伸长和缩短平面是一张高质量无边界的橡皮,该橡皮能够伸长和缩短 到任何理想的程度。想象一下基于这张橡皮所绘制的图形到任何理想的程度。想象一下基于这张橡皮所绘制的图形 ,允许这张纸伸长但是不能撕破或者重叠,这样原来图形,允许这张纸伸长但是不能撕破或者重叠,这样原来图形 的一些属性将保留,而有些属性将会失去。例如,在橡皮的一些属性将保留,而有些属性将会失去。例如,在橡皮 表面有一个多边形,多边形内部有一个点。无论对橡皮进表面有一个多边形,多边形内部有一个点。无论对橡皮进 行压缩或拉伸,点依然存在于多边形内部,点和多边形之行压缩或拉伸,点依然存
5、在于多边形内部,点和多边形之 间的空间位置关系不改变,而多边形的面积则会发生变化间的空间位置关系不改变,而多边形的面积则会发生变化 。前者则是空间的拓扑属性,后者则不是拓扑属性。前者则是空间的拓扑属性,后者则不是拓扑属性。 3、拓扑关系 5-1实体间空间关系 1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义 1、定义: 指图形保持连续状态下变形,但图形关系不变的性质。 将橡皮任意拉伸,压缩,但不能扭转或折叠。 拓扑变换 (橡皮变换) 拓扑 属性 一个点在一个弧段的端点 一个弧段是一个简单弧段(弧段自身不相交) 一个点在一个区域的边界上 一个点在一个区域的内部 一个点在一个区域的外部 一个点在一
6、个环的内部 一个面是一个简单面(面上没有“岛”) 一个面的连续性(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) 非拓扑 属性 两点之间的距离 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 拓扑属性描述了两个对象之间的关系,因此又称为拓扑关系 。 从拓扑的观点出发,它关心的是空间的点、线、面之间的连接关 系,而不管实际图形的形状。几何形状相差很远的图形,他们的拓 扑结构确可能相同。 a b cd e a b c d e abcde a-1001 b1-101 C01-10 D001-1 e1101- a b c d abc d abcd a-101
7、b1-11 C01-1 D111- 2、种类、种类 5-1实体间空间关系 1)关联性: (不同类要素之间) 结点与弧段:如V9与L5,L6,L3 多边形与弧段:P2与L3,L5,L2 2)邻接性: (同类元素之间) 多边形之间、结点之间。 邻接矩阵 重叠:- 邻接:1 不邻接:0 P1P2P 3 P4 P1-111 P21-10 P311-0 P4100- 3)连通性:连通性:与邻接性相类似,指对与邻接性相类似,指对弧段连接弧段连接 的判别,如用于网络分析中确定路径、的判别,如用于网络分析中确定路径、 街道是否相通。街道是否相通。 5-1实体间空间关系 连通矩阵: 重叠:- 连通:1 不连通:
8、0 V1V2V3 V1-10 V21-1 V301- 4)方向性)方向性 5-1实体间空间关系 一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段,如城市 道路单向,河流的流向等。 5)包含性:指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。 6)区域定义:多边形由一组封闭的线来定义。 7)层次关系:相同元素之间的等级关系,石家庄市有各个区组成。 主要的拓扑关系:拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。 所谓拓扑关系的表达是指采用什么样的拓扑关联表来表达空间位置数据 之间的关系。 拓扑关系具体可由4个关系表来表示: (1) 面-链关系: 面 构成面的弧段 (2) 链-结点关系: 链 链两端的结点 (3
9、) 结点-链关系: 结点 通过该结点的链 (4) 链面关系: 链 左面 右面 3、拓扑关系的表达、拓扑关系的表达 5-1实体间空间关系 返回 A:全显式表达 全显式表达不仅明确表示空间数据多边形弧段 点之 间拓扑关系,同时还明显表达点弧段 多边形之间关系。 图3-6 地块图 a4 a5 P2 N1 a8 a1 a2 N4 P4 P3 N5 a6 N2 N3 a7 P1 a3 多边边形 弧 段 弧 段 结结 点 P1 P2 P3 P4 a4 a5 a6 a1 a8 a5 a3 a6 a7 a2 a7 a8 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 N1 N2 N2 N4 N4 N5 N1
10、N5 N1 N3 N3 N5 N3 N4 N2 N3 结结点弧 段 弧 段 左多边 形 右多 边形 N1 N2 N3 N4 N5 a1 a4 a5 a1 a2 a8 a5 a6 a7 a8 a2 a3 a7 a3 a4 a6 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 0 0 0 p1 p2 p3 p4 p5 P2 P4 P3 0 p1 p1 p3 p2 全显示拓扑关联表 返回 ARCID起结结点终结终结 点左多边边形右多边边形弧坐标标 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 N1 N2 N4 N1 N1 N3 N3 N2 N2 N4 N5 N5 N3 M5 N4 N3 0 0 0
11、 P1 P2 P3 P4 P4 P2 P4 P3 0 P1 P1 P3 P2 Xn1,yn1xn2yn2 Xn2,yn2xn4yn4 Xn4,yn41xn5yn5 Xn1,yn1xn5yn5 Xn1,yn1xn3yn3 Xn3,yn31xn5yn5 Xn3,yn3xn4yn4 Xn2,yn2xn3yn3 ARCINFO中的弧段数据结构(半隐式表达) 4、拓扑关系的意义、拓扑关系的意义: 对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义,因为: 1)拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系,它比几何关系 具有更大的稳定性,不随地图投影而变化。 2)有助于空间要素的查询,利用拓扑关系可以解决许多实际问
12、题。 如某县的邻接县,-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管 破裂找关闭它的阀门,就需要查询该线(管道)与哪些点(阀门) 关联。 3)根据拓扑关系可重建地理实体。如建立封闭多边形,实现道路的 选取,进行最佳路径的计算等。 空间数据结构空间数据结构空间数据结构空间数据结构 是指适合于是指适合于 计算机系统计算机系统 存储、管理和处理的地存储、管理和处理的地 理图形数据的理图形数据的 逻辑结构逻辑结构 ,是地理实体的,是地理实体的 空间排列方式空间排列方式 和和相互关系相互关系 的抽象描述。的抽象描述。 它是对数据的一种它是对数据的一种理解和解释理解和解释 ,不说明数据结构的,不说明数据结构的
13、 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 的处理。的处理。 基本上可分为两大类:基本上可分为两大类:矢量结构矢量结构 和和栅格结构栅格结构 。两类结构都可。两类结构都可 用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。 空间数据编码空间数据编码空间数据编码空间数据编码 是是空间数据结构空间数据结构 的的实现实现 ,即将根据地理信息系统的即将根据地理信息系统的 目的和任务所搜集的、经过审核了的地形图、专题地图和遥感影目的和任务所搜集的、经过审核了的地形图、专题地图和遥感影 像等资料按特定
14、的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数像等资料按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数 据的过程据的过程 。 地理内容的编码要反映出地理实体的地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征几何特征 ,以及地理实,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,技术步骤,它表现由现实世界到数据世界之间的界面,是联结从是联结从 现实世界到数据世界的纽带现实世界到数据世界的纽带。 二、空间数据结构 5-1实体间空间关系 常用的空间数据结构 X Y i j x1 y1 x
15、2 y2 xi yi xn yn 返回 1、定义:定义: 栅格结构是最简单最直接的空间数据结构,是指将地球表面划栅格结构是最简单最直接的空间数据结构,是指将地球表面划 分为大小均匀紧密相邻的网格阵列,每个分为大小均匀紧密相邻的网格阵列,每个网格网格 作为一个作为一个 象元或象素象元或象素 由由行、行、 列列定义,并包含一个定义,并包含一个代码代码 表示该象素的表示该象素的 属性类型或量值属性类型或量值 ,或仅仅包括指向,或仅仅包括指向 其属性记录的指针。其属性记录的指针。 。因此,。因此, 栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或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
16、的每个数据表示地物或现象的非几何属性特现象分布的数据组织,组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特 征。征。 如图所示,在栅格结构中,点用一个栅格单元表示;线状地物沿线走如图所示,在栅格结构中,点用一个栅格单元表示;线状地物沿线走 向的一组相邻栅格单元表示,每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上向的一组相邻栅格单元表示,每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上 ;面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示,每个栅格单元可;面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示,每个栅格单元可 有多于两个的相邻单元同属一个区域。有多于两个的相邻单元同属一个区域。遥感影像属于典型的栅格结构遥感影像属
17、于典型的栅格结构,每,每 个象元的数字表示影像的灰度等级。个象元的数字表示影像的灰度等级。 5.2 栅栅格数据结结构及编码 一、栅格数据结构 2、特点:属性明显,定位隐含。 8888 8888 8888 88888 888 8888 888 888 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 888 8 8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 32 2 数据直接记录属性的指针或属性本 身,而所在位置则根据行列号转换 为相应的坐标,也就是说定位是根 据数据在数据集中的位置得到的。 5.2 栅栅格数据结结构及编码 一、栅格数据结构 5.2
18、 栅栅格数据结结构及编码及编码 返回 在栅格结构中,地表被分成相互邻接、规则 排列的矩形方块(特殊的情况下也可以是三角形 或菱形、六边形等),每个地块与一个栅格单元 相对应。也就是说栅格结构用密集正方形(或三 角形,多边形)将地理区域划分为网格阵列。 位置由行,列号定义,属性为栅格单元的值。 3、图形表示 2 2 12 233 2333 2333 2333 2 点:由单个栅格表达。 线:由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达 。 面:由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。 栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化 数值。在栅格数据中,地表被分割为相互邻接、规则 排列的地块,每个地块与
19、一个象元相对应。因此,栅 格数据的比例尺就是栅格(象元)的大小与地表相应单 元的大小之比,当象元所表示的面积较大时,对长度 、面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表 相应区域内地理数据的近似值,因而有可能产生属性 方面的偏差。 3 3 3 一、栅格数据结构 二、栅格代码(属性值)的确定二、栅格代码(属性值)的确定 返回 当一个栅格单元内有多个可选属性值时,按一 定方法来确定栅格属性值。在决定栅格代码时尽量 保持地表的真实性,保证最大的信息容量。 1、中心点法:取位于栅格中心的属性值为该栅格 的属性值。 2、面积占优法:栅格单元属性值A为面积最大者 ,常用于分类较细,地理类别图斑较小时。
20、3、 重要性法:定义属性类型的重要级别,取重要 的属性值为栅格属性值,常用于有重要意义而面积 较小的要素,特别是点、线地理要素。 4、长度占优法每个栅格单元的值由该栅格中 线段最长的实体的属性来确定。 A B b a 2 1 无论采用哪种方法都会带来误差,如果缩小栅格面积 ,但又加大了数据量 5.2 栅栅格数据结结构及编码 链码(chain Encoding) 直接栅格编码 游程长编码(Run_length Encoding) 块 码 四叉树编码(quarter_tree Encoding) 栅格结构编 码方法 5.2 栅栅格数据结结构及编码 三、栅格数据编码 三、栅格数据编码三、栅格数据编码
21、 返回 1、直接栅格编码: 将栅格数据看作一个数据矩阵,逐行记录代码数据。 1)每行都从左到右记录; AAAAABBBAABBAABB 2)奇数行从左到右,偶数行从右到左; 3)为了特定目的还可采用其他特殊的顺序 特点:最直观、最基本的网格存贮结构,没有进行任何压缩 数据处理。 A A A A A B B B A A B B A A B B 栅格数据量大,格网数多,由于地理数据往往有较强的相关性,即相邻象元的值往往 是相同的。所以,出现了各种栅格数据压缩方法。 数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为: 无损压缩:在编码过程中信息没有丢失,经过解码可恢复原有的信息-信息
22、 保持编码 。 有损压缩:为最大限度压缩数据,在编码中损失一些认为不太重要的信息,解码后, 这部分信息无法恢复。-信息不保持编码。 5.2 栅栅格数据结结构及编码 一些常用的栅格排列顺序一些常用的栅格排列顺序 返回 2、链式编码、链式编码、 Freeman 链码、边界链码链码、边界链码 1)首先定义一个3x3窗口,中间栅格的走向有 8种可能,并将这8种可能07进行编码。 2)记下地物属性码和起点行、列后,进行追 踪,得到矢量链. 将栅格数据(线状地物面域边界)表示为矢量链的记录 链式编码表 a a a a a a a b 属性码起点行起点列链码链码 a14556656 b37576654323
23、 优点:链码可有效地存贮压缩栅格数据,便于面积、长度、转折方向和 边界、线段凹凸度的计算。 缺点:不易做边界合并,插入操作、编辑较困难(对局部修改将改变整 体结构)。区域空间分析困难,相邻区域边界被重复存储。 三、栅格数据编码 5.2 栅栅格数据结结构及编码 返回 3、游程编码(变长编码)、游程编码(变长编码): 1)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;将原图表示的数据矩阵变为数据对 : 属性码,长度,行号(可不要) 长度:连续相同码值的栅格个数。 (A,4),(A,1),(B,3),(A,2),(B,2), (A,2),(B,2) 2)逐个记录各行或列
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- 第五 数据 输入 输出
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