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1、 空间认知是一个信息加工的过程。空间数据表示的基本任务就是将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式，这个过程涉及到三个层面，现实世界，概念世界和数字世界。2.1 空间认知模型 现实世界现实世界现实世界观察/抽象综合取舍定义和编码模型化现实世界的认知过程第1页/共65页空间认知过程 地理信息流与地理信息科学三个领域地理概念形式表达地理时空思考地理信息科学三个领域地理信息流地理认知模型研究地理概念计算方法研究地理信息与社会研究现实世界概念世界数字世界（GIS）应用领域信息服 务与计算机实现第2页/共65页地图编制者的认识过程空间认知过程 第3页/共65页地图编制者的认识模型空间认知过程
2、 第4页/共65页地图使用者的认识模型空间认知过程 第5页/共65页2.2 空间认知三层模型 现实世界概念世界思维第6页/共65页2.2 空间认知三层模型 地理空间世界纬度世界第7页/共65页现实世界与数学模型的关系现实世界的信息数学的分析、预报、决策或控制现实世界的分析、预报、决策或控制数学模型翻译、归纳解译检验演绎推断空间认知过程 第8页/共65页空间认知三层模型 几个概念外模式：不同的人在所关心的问题，研究对象，期望的结果等方面存在着差异，对同一客观现象的抽象和描述会形成不同的用户视图，称为外模式。空间概念数据模型矢量数据模型栅格数据模型矢量栅格数据模型第9页/共65页空间认知三层模型
3、几个概念空间逻辑数据模型将前面的概念数据模型所确定的空间数据库信息内容，具体地表达为数据项、记录之间的关系。层次模型网络模型关系模型空间逻辑数据模型第10页/共65页空间认知三层模型 几个概念逻辑数据模型并不涉及最底层的物理实现细节，物理数据模型要完成空间数据的物理组织、空间存取方法和数据哭总体存储结构等的设计工作。第11页/共65页空间认知三层模型 第12页/共65页一、面向对象实体模型（空间实体）-GIS处理对象 1、定义：空间实体是存在于自然世界中地理实体。与地理空间位置或特征相关联，在空间数据中不可再分的最小单元现象称为空间实体。2、理解：空间实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的
4、，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。2.2 空间实体模型 第13页/共65页1 1、点状实体空间实体及分类 点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。4）角点、节点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。第14页/共65页2
5、2、线状实体1）实体长度：从起点到终点的总长2）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游下游，公路，单、双向之分。具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性：线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。空间实体及分类 第15页/共65页3 3、面状实体（多边形）面状实体的如下特征：1）面积范围 2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。是对湖泊、岛屿、
6、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。空间实体及分类 第16页/共65页4、体、立体状实体 立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征：体积，如工程开控和填充的土方量。每个二维平面的面积。周长。内岛。含有弧立块或相邻块。断面图与剖面图。空间实体及分类 第17页/共65页一、面向对象实体模型（空间实体）-GIS处理对象 2.2 空间实体模型 第18页/共65页2.3栅格数据结构栅格数据基本概念栅格数据基本概念栅格数据层的概念栅格数据层的概念栅格数据取值方法栅格数据取值方法栅格数据存储编码栅格数据存储编码 第19页
7、/共65页栅格数据基本概念将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为像像元元（像像素素）。根据所表示实体的表象信息差异，各像元可用不同的“灰度值”来表示 。若每个像元规定N N比特，则其灰度值范围可在0 0到2 2N N1 1之间；把白灰色黑的连续变化量化成8 8比特（bitbit），其灰度值范围就允许在0 0255255之间，共256256级；若每个像元只规定1 1比特，则灰度值仅为0 0和1 1，这就是所谓二值图像，0 0代表背景。栅栅格格数数据据结构实际上就是像元阵列，即像元按矩阵形式的集合，栅格中的每个像元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标
8、位置可以用行号和列号确定。栅格数据结构第20页/共65页现实世界网格点线面Value=0=1=2=3列行栅格栅格第21页/共65页三角形栅格六边形栅格现实世界栅格栅格第22页/共65页u1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。u2、扫描仪扫描专题图的图像数据行、列、颜色（灰度），定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。u3、由矢量数据转换而来。u4、遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。u5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网D
9、EM，通过DEM内插得到。栅格数据的建立途径第23页/共65页Googleearth卫星地图数据转换为栅格数据第24页/共65页 点实体：在栅格数据中表示为一个像元。栅格数据结构 线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面实体：由聚集在一起的相邻像元集合表示。第25页/共65页第26页/共65页栅格数据结构第27页/共65页栅格数据结构的表示一维数组：栅格数据结构二维数组：组合方式：在计算机的一个组合方式：在计算机的一个字长存储多个象素。如在字长存储多个象素。如在1616比特比特/字的计算机中，一字的计算机中，一个字长可存储个字长可存储2 2个象素。个象素。比特面方式：把数据存储到比
10、特面方式：把数据存储到能按比特进行存取的二维数能按比特进行存取的二维数组（组（1 1比特比特/字）中字）中给栅格数据内所有象素赋予按照某一顺序的一维的连续号码，就能把栅格数据存储到一维数组中。第28页/共65页栅格数据的组织方法1.1.以像元为序以像元为序。记录象元坐标和各层属性值。节省了许多存储空间，因为N N层中实际上只存了1 1层的象元坐标。如图a a2.2.以层为基础以层为基础。每一层又以象元为序记录它的坐标和属性值，一层记录完后再记录第二层。这种方法较为简单，但需要的存储空间最大。如图b b3.3.以层为基础，以层为基础，但每一层内则以多边形（也称制图单元）为序记录多边形的属性值和充
11、满多边形的各象元的坐标。则节省了许多用于存储属性的空间，同一属性的制图单元的个象元只记录一次属性值。如图c c 栅格数据结构第29页/共65页栅格数据的组织方法栅格数据结构第30页/共65页栅格数据取值方法 地图可以用来表示不同的专题属性，假如同一网格可能对应地图上的多种专题属性，而每一个单元只允许取一个值。目前对于这种多重属性的网格，有不同的取值方法。栅格数据结构第31页/共65页栅格数据取值方法中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值来确定。栅格数据结构第32页/共65页栅格数据取值方法长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确
12、定。栅格数据结构第33页/共65页栅格数据取值方法面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值。栅格数据结构第34页/共65页栅格数据取值方法重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留的原则。栅格数据结构第35页/共65页栅格数据存储的编码直接编码链式编码行程编码块式编码四叉树编码 栅格数据结构压缩编码第36页/共65页直接栅格编码直接栅格编码是最简单最直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法，通常称这种编码为图像文件或栅格文件。直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵
13、，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐象元记录，也可奇数行从左到右，而偶数行由右向左记录，为了特定目的还可采用其它特殊的顺序。3334444433334444133344421133322211113222111122221111122211111222133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222栅格数据结构第37页/共65页栅格数据存储的编码栅格数据结构如果一个多边形（或制图单元）内的每个像元都具有相同的属性值，就有可能大大节省栅格数据的存储需要量，关键是恰当地设计数据结构和编码方
14、法。第38页/共65页压缩编码方法 1 1）链码（Chain CodesChain Codes）又称为弗里曼链码（FreemanFreeman）或边界链码。其中的多边形边界可表示为：由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东=0=0，北=1=1，西=2=2，南=3=3等四个基本方向。栅格数据结构第39页/共65页弗里曼链码第40页/共65页 2 2）行程编码（游程长度编码RunRunLength Codes Length Codes）编编码码1：(属属性性值值，重重复复个数个数)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。右图可沿行方向进
15、行编码：1 1行：（3 3，3 3），（4 4，5 5）；2 2行：（3 3，4 4），（4 4，4 4）；3 3行：（1 1，1 1），（3 3，3 3），（4 4，3 3），（2 2，1 1）；4 4行：（1 1，2 2），（3 3，3 3），（2 2，3 3）；5 5行：（1 1，4 4），（3 3，1 1），（2 2，3 3）；6 6行：（1 1，4 4），（2 2，4 4）；7 7行：（1 1，5 5），（2 2，3 3）；8 8行：（1 1，5 5），（2 2，3 3）。13334444423333444431333444241133322251111322261111222271
16、1111222811111222栅格数据结构第41页/共65页 2 2）行程编码（游程长度编码RunRunLength Codes Length Codes）编码编码2：(位置，属性值位置，属性值)逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应的代码，右图可沿列方向进行编码：1 1列：（1 1，3 3），（3 3，1 1）；2 2列：（1 1，3 3），（4 4，1 1）；3 3列：（1 1，3 3），（5 5，1 1）；4 4列：（1 1，4 4），（2 2，3 3），（5 5，1 1）；5 5列：（1 1，4 4），（4 4，3 3），（6 6，2 2），（7 7，1 1）；6 6列：（1
17、1，4 4），（4 4，2 2）；7 7列：（1 1，4 4），（4 4，2 2）；8 8列：（1 1，4 4），（3 3，2 2）。11112栅格数据结构3334444433334444133344421133322211113222111122221111122212212345678第42页/共65页 2 2）行程编码（游程长度编码RunRunLength Codes Length Codes）编编码码3：(起起始始位位置置，终终止止位位置置，属性值属性值)按行（或列）记录相同代码的始末象元的列号（或行号）和相应的代码，右图可沿行方向进行编码：1 1行：（1 1，3 3，3 3），（4
18、4，8 8，4 4）；2 2行：（1 1，4 4，3 3），（5 5，8 8，4 4）；3 3行：（1 1，1 1，1 1），（2 2，4 4，3 3），（5 5，7 7，4 4），（8 8，8 8，2 2）；4 4行：（1 1，2 2，1 1），（3 3，5 5，3 3），（6 6，8 8，2 2）；5 5行：（1 1，4 4，1 1），（5 5，5 5，3 3），（6 6，8 8，2 2）；6 6行：（1 1，4 4，1 1），（5 5，8 8，2 2）；7 7行：（1 1，5 5，1 1），（6 6，8 8，2 2）；8 8行：（1 1，5 5，1 1），（6 6，8 8，2 2）。13
19、3344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222栅格数据结构第43页/共65页 3 3）块式编码(Block Codes)(Block Codes)把多边形范围划分成由象元组成的 正方形，然后对各个正方形进行编 码。块式编码的数据结构为:(初初始始位位置置行行号号，初初始始位位置置列号，半列号，半径，代码径，代码)。（1 1，1 1，2 2，3 3），（1 1，3 3，1 1，3 3），（1 1，4 4，1 1，4 4），（1 1，5 5，3 3，4 4）,（1 1，8 8，1 1，4 4），（2 2，
20、3 3，1 1，3 3），（2 2，4 4，1 1，3 3），（2 2，8 8，1 1，4 4），（3 3，1 1，1 1，1 1），（3 3，2 2，1 1，3 3），（3 3，3 3，2 2，3 3），（3 3，8 8，1 1，2 2），（4 4，1 1，1 1，1 1），（4 4，2 2，1 1，1 1），（4 4，5 5，1 1，3 3），（4 4，6 6，1 1，2 2），（4 4，7 7，2 2，2 2），（5 5，1 1，4 4，1 1），（5 5，5 5，1 1，3 3），（5 5，6 6，1 1，2 2），（6 6，5 5，1 1，2 2），（6 6，6 6，3 3，2 2）
21、，（7 7，5 5，1 1，1 1），（8 8，5 5，1 1，1 1）。133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222栅格数据结构第44页/共65页 4 4）四叉树编码（Quadtree EncodingQuadtree Encoding）它将2 2n n22n n像元阵列连续进行4 4等分，一直分到正方形的大小正好与像元的大小相等为止。栅格数据结构四叉树结构，即把整个2n2n像元组成的阵列当作树的根结点，n为极限分割次数。每个结点有分别代表西南（SW）、东南（SE）、西北（NW）、东北（NE）
22、四个象限的四个分支。四个分支中要么是树叶，要么是树叉。第45页/共65页 4 4）四叉树编码（Quadtree EncodingQuadtree Encoding）栅格数据结构第46页/共65页第47页/共65页第48页/共65页2.4矢量数据结构矢量数据概念矢量数据概念矢量编码方法矢量编码方法第49页/共65页矢量数据概念矢量是具有一定大小和方向的量。矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x x，y)y)的有序集合。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，其坐标空间设为连续。不必像栅格数据结构那样进行量化处理，因此矢量数据更能精确地确定实体的空间位置。矢量数据
23、结构第50页/共65页矢量数据的获取方式1)由外业测量获得可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。2)由栅格数据转换获得利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3)跟踪数字化用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。第51页/共65页Googleearth卫星地图数据转换为矢量数据第52页/共65页点实体：包括由单独一对（x x，y y）坐标定位的一切地理或制图实体。在矢量数据结构中，除点实体的x x，y y坐标外还应存储其它一些与点实体有关的数据来描述点实体的类型、制图符号和显示要求等。矢量数据结构第53页/共65页第54页/共65页面实体：多边
24、形数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。在面实体中，具有名称属性和分类属性的，多用多边形表示（如行政区、土地类型、植被分布等）；具有标量属性的有时也用等值线描述 （如地形、降雨量等）。矢量数据结构第55页/共65页 任何点、线、面实体都可以用直角坐标点x x、y y来表示。这里x x，y y可以对应于地面坐标经度和纬度，也可以对应于数字化时所建立的平面坐标系x x和y y。矢量编码方法第56页/共65页拓扑数据结构 拓扑关系是指网结构元素结点（NodeNode）、弧段（ArcArc）、多边形（PolygonPolygon）之间的空间关系，主要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、
25、拓扑包含关系。矢量数据结构第57页/共65页v 拓扑邻接 拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4N1/N4，N1/N2N1/N2等；多边形邻接关系有P1/P3P1/P3，P2/P3 P2/P3 等。矢量数据结构第58页/共65页 拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有N1/C1N1/C1、C3C3、C6C6，N2/C1N2/C1、C2C2、C5 C5 等。多边形与弧段的关联关系有P1/C1P1/C1、C5C5、C6C6，P2/C2P2/C2、C4C4、C5C5、C7C7等。矢量数据结构v 拓扑关联第59页/共65页 拓扑包含
26、指存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系，P2P2包含P4P4。矢量数据结构v 拓扑包含第60页/共65页v 用拓扑结构定义区域矢量数据结构1,3,4,5,23,10,8,725,6,8,9多边形线BCDEF6,7,4第61页/共65页2.5矢量与栅格数据结构的比较矢量数据数据存储量小数据存储量小空间位置精度高空间位置精度高用网络连接法能完整描述拓扑关系用网络连接法能完整描述拓扑关系输输出出简简单单容容易易，绘绘图图细细腻腻、精精确确、美美观观可可对对图图形形及及其其属属性性进进行行检检索索、更更新新和和综合综合数据结构复杂数据结构复杂获取数据慢获取数据慢数学模拟困难数学模拟困难多种
27、地图叠合分析困难多种地图叠合分析困难不能直接处理数字图像信息不能直接处理数字图像信息边界复杂、模糊的事物难以描述边界复杂、模糊的事物难以描述数据输出的费用较高数据输出的费用较高 栅格数据数据存储量大空间位置精度低难于建立网络连接关系输出速度快，但绘图粗糙、不美观便于面状数据处理数据结构简单快速获取大量数据数学模拟方便多种地图叠合分析方便能直接处理数字图像信息容易描述边界复杂、模糊的事物技术开发费用低第62页/共65页矢栅一体化概念 矢栅一体化数据结构 将矢量面对目标的方法和栅格元子充填的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。线状地物：除记录原始
28、取样点外，还记录路径所通过的栅格。面状地物：除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系。334334423344423344234422212从原理上说，这是一种以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构。第63页/共65页思考题在实际工作中应如何有效选择矢量数据结构和栅格数据结构？在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构。栅格结构:大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。矢量结构：城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用。第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页