山西师范大学陈廷地理信息系统期末总结1GIS表面建模方法文档格式.docx

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在许多应用中无法很好地表达地物。

TIN表示法优点：

采点的不规则性，可以在地形变化显著处改变取样点密度，生成高效、精确的表面模型；

支持多种表面分析;

适合于大比例尺制图应用;

TIN表示法缺点：

计算与分析算法较复杂

改变数据精度时需重采样

第二节数据结构

•数据结构：

即数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理、处理的数据逻辑表达。

换句话说，是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素以什么形式在计算机中存储和处理。

通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。

空间数据结构

•空间数据结构：

对相互之间存在一种或多种特定关系的空间数据元素进行数据组织的形式。

对现实世界的空间数据表达可以采用矢量数据模型和栅格数据模型。

相应的，空间数据结构也可以划分为基于矢量模型和基于栅格模型的数据结构，简称为矢量数据结构和栅格数据结构。

第三节矢量数据结构

•矢量数据结构是利用欧几里德（Eucild）几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理空间分布的一种数据组织形式。

•优点：

能很好的表达地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低。

1.缺点：

对于多层空间数据的叠合分析比较困难。

•间拓扑关系分为实体数据结构和拓扑数据结构。

•实体数据结构

•分类：

按是否明确表示地理实体间的空在实体数据结构中，空间数据按照基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，其中不含有拓扑关系的信息。

•实体数据结构的特点

•数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观。

•每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致；

•实体数据结构的特点（续）

•点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联；

•岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。

•非拓扑的点、线、面。

显示速度快，但是编辑不便。

例如：

•实体数据结构举例

•采用实体数据结构的有：

ArcViewGIS的Shape文件和MapInfo的Tab文件等。

•ESRI公司的Shapefile文件包含一个主文件（*.shp），一个索引文件（*.shx）和一个dbase（*.dbf）文件。

每个文件的主要作用详见教材（P49）。

Shapefile文件：

数据文件简单

拓扑数据结构

•在拓扑数据结构中，点是独立的，点连成线，线构成面。

每条线始于起始节点，止于终止节点，并与左右多边形邻接。

•拓扑数据结构的基本元素：

节点、弧段、多边形。

•拓扑数据结构的特点

•数据结构复杂，借用了拓扑学（Topology）的原理来描述空间事物，不仅记录空间位置和几何特性，还记录空间关系。

•图形的修改方便，可由软件检查数据输入的错误，容易保证数据质量

•便于叠合分析、网络分析等

•建立拓扑关系需花计算时间（当地图覆盖范围很大，数据量很大时）

•拓扑数据结构基本文件构成

•在拓扑数据结构中，主要有弧段文件、节点文件、多边形文件、弧段坐标文件等，其中弧段是数据结构的基本对象。

•拓扑数据结构举例：

Coverage文件

•拓扑数据结构

•小结：

矢量型数据结构的比较

栅格数据结构

•定义：

将空间分割成有规则的网格（每个格网称为栅格单元）在各个栅格单元上给出相应的属性值来表达地理实体的一种数据组织形式。

有关栅格的几点说明：

栅格的边长

•栅格的边长决定了栅格数据的精度。

•但是，当用栅格数据来表示地理实体时，不论格网边长多小，与原实体特征相比较，信息都有丢失。

这是由于复杂的实体采用统一的格网造成的。

•有关栅格的几点说明：

（2）栅格空间位置

•空间位置用行和列标识。

（4）栅格的取值

•栅格数据的组织方法（或存储类型）

1、栅格矩阵结构：

简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；

2、游程（行程）编码结构：

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；

3、四叉树结构：

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。

4、栅格矩阵结构

•栅格矩阵结构是一种用矩阵存储栅格数据单元的存储结构。

•从栅格矩阵结构引出的问题：

•在计算机中，如果矩阵的每个元素用一个双字节表示，则一个图层的全栅格数据所需要的存储空间为m（行）×

n（列）×

2（字节）。

•如：

一个面积为100km2的区域，如果网格边长取为1m，每个网格用一个双字节表示，则一个图层的要素就占用200兆字节的存储空间。

因此，栅格数据的压缩是栅格数据结构要解决的重要任务。

•游程（行程）编码结构

•游程：

指栅格矩阵一行内相邻同值栅格的数量，也称行程。

•游程编码结构：

指逐行将相邻同值的栅格合并，记录合并后栅格的值及合并栅格的数量（即游程的数据结构）。

•目的：

压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。

•游程编码的建立方法：

将栅格矩阵的一行数据序列映射为相应的二元组序列。

•游程编码结构的特点

•游程编码能否压缩数据量，主要取决于栅格数据的性质。

可以通过计算数据的冗余度进行测试。

•游程编码是一种无损压缩方法，信息不丢失，通过解码可以恢复为栅格矩阵结构。

•为了提高系统对游程编码数据序列的访问效率，通常采用索引顺序文件的方法来组织数据（如图2-19）。

•四叉树结构

•四叉树结构存储的原理：

见教材56页。

将空间区域按照4个象限进行递归分割n次，每次分割形成2n×

2n个子象限，直到子象限的数值单调为止，该子象限就不再分割。

凡属性值都相同的子象限，不论大小，均作为最后的存储单元。

•四叉树编码（续）

•四叉树的存储方法

•常规四叉树（了解）

•线性四叉树（了解）

曲面数据结构

•曲面：

指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度和磁场等。

•表达和储存这些要素的基本要求是必须便于计算连续现象在任一点的数值。

•两种表达曲面的方法：

不规则三角网（triangulatedirregularnetwork,TIN）和规则格网（Grid）

不规则三角网（TIN）

•将离散分布的实测数据点连成三角网，网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最近邻的点构成三角形。

（教材59页图2-22所示）

•狄洛尼（Delaunay）三角网在地形拟合方面运用的较普遍，因此常被用于TIN的生成。

•不规则三角网数据结构的优点：

可方便的进行地形分析，例如坡度和坡向信息的提取，填挖方计算，阴影和地形通视分析，等高线自动生产和三维显示。

规则格网的曲面数据结构

规则格网的曲面数据结构类似于矩阵形式的栅格数据，只是其属性值为地面的高程或其它连续分布现象的数值。

（见教材59页图2-22）

例子：

从规则格网表达的数字高程模型（DEM）到不规则三角网表达的数字高程模型；

从不规则三角网到等高线的生成。

2.4空间数据结构的建立

矢量数据的输入：

（1）手工数字化法；

（2）手扶跟踪数字化法；

（3）数据结构转换法。

•栅格数据的输入：

（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。

•曲面数据的输入：

空间插值法。

•上述具体内容我们通过实验来介绍。

小结

以上均以高程为例介绍GIS中地表建模的方法，实际上，以上方法还可以扩展到等压面、等降水量面、等人口密度线等表面的建模。