地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)結構_圖文

1、第二章地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)結構2.1地理空間數(shù)據(jù)及其特征【學時安排】1學時【目的要求】1、掌握地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型;2、理解地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源;3、掌握空間數(shù)據(jù)的特點?！局攸c難點】地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型與特征?！窘虒W方法與手段】示例式教學方法,多媒體教學手段。一、GIS空間數(shù)據(jù)的來源與類型空間數(shù)據(jù)是GIS的核心,也有人稱它是GIS的血液,因為GIS的操作對象是空間數(shù)據(jù),因此設計和使用GIS的第一步工作就是根據(jù)系統(tǒng)的功能,獲取所需要的空間數(shù)據(jù),并創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫。1、地理數(shù)據(jù)的來源GIS中的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)類型繁多,概括起來主要有以下幾種來源:地圖數(shù)據(jù)。來源于各種類型的普通地圖和專題地圖,這些

2、地圖的內容豐富,圖上實體間的空間關系直觀,實體的類別或屬性清晰,實測地形圖還具有很高的精度,是地理信息的主要載體,同時也是地理信息系統(tǒng)最重要的信息源。影像數(shù)據(jù)。主要來源于衛(wèi)星遙感和航空遙感,包括多平臺、多層面、多種傳感器、多時相、多光譜、多角度和多種分辨率的遙感影像數(shù)據(jù),構成多源海量數(shù)據(jù),也是GIS的最有效的數(shù)據(jù)源之一。地形數(shù)據(jù)。來源于地形等高線圖的數(shù)字化,已建立的數(shù)字高程模型(DEM和其他實測的地形數(shù)據(jù)等。屬性數(shù)據(jù)。來源于各類調查報告、實測數(shù)據(jù)、文獻資料、解譯信息等。元數(shù)據(jù)。來源于由各類純數(shù)據(jù)通過調查、推理、分析和總結得到的有關數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù),例如數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)權屬、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時間、數(shù)據(jù)精度、數(shù)

3、據(jù)分辨率、源數(shù)據(jù)比例尺、數(shù)據(jù)轉換方法等。2、空間數(shù)據(jù)的類型空間數(shù)據(jù)根據(jù)表示對象的不同,又具體分為七種類型(圖2-1,它們各表示的具體內容如下:(1類型數(shù)據(jù)。例如考古地點、道路線、土壤類型的分布等。(2面域數(shù)據(jù)。例如隨機多邊形的中心點,行政區(qū)域界線、行政單元等。(3網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。例如道路交點、街道、街區(qū)等。(4樣本數(shù)據(jù)。例如氣象站、航線、野外樣方分布區(qū)等。(5曲面數(shù)據(jù)。例如高程點、等高線、等值區(qū)域等。(6文本數(shù)據(jù)。例如地名、河流名稱、區(qū)域名稱等。(7符號數(shù)據(jù)。例如點狀符號、線狀符號、面狀符號(暈線等。所有這些不同類型的數(shù)據(jù)都可以分為點、線、面三種不同的圖形,并可以分別采用x、y平面坐標,地理經(jīng)緯度、

4、,或者格網(wǎng)法表示。二、空間數(shù)據(jù)的基本特征要完整地描述空間實體或現(xiàn)象的狀態(tài),一般需要同時有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。如果要描述空間實體或的變化,則還需記錄空間實體或現(xiàn)象在某一個時間的狀態(tài)。所以,一般認為空間數(shù)據(jù)具有三個基本特征(圖2-2:1、空間特征表示現(xiàn)象的空間位置或現(xiàn)在所處的地理位置?？臻g特征又稱為幾何特征或定位特征,一般以坐標數(shù)據(jù)表示。 圖2-1 空間數(shù)據(jù)的類型和表示方法(據(jù)Jack Dangermond,19842、屬性特征 表示現(xiàn)象的特征,例如變量、分類、數(shù)量特征和名稱等等。 3、時間特征 指現(xiàn)象或物體隨時間的變化。位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相對于時間來說,常常呈相互獨立的變化,即在不同的時間,空間

5、位置不變,但是屬性類型可能已經(jīng)發(fā)生變化,或者相反。因此,空間數(shù)據(jù)的管理是十分復雜的。有效的空間數(shù)據(jù)管理要求位置數(shù)據(jù)和非位置數(shù)據(jù)互相作為單獨的變量存放,并分別采用不同的軟件來處理這兩類數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)組織方法,對于隨時間而變化的數(shù)據(jù),具有更大的靈活性。2.2空間數(shù)據(jù)結構的類型【學時安排】9學時【目的要求】1、掌握拓撲數(shù)據(jù)結構;2、掌握拓撲關系的類型;3、理解拓撲關系的意義;4、掌握柵格數(shù)據(jù)的表示及壓縮方法;5、理解柵格模型與矢量模型的優(yōu)缺點?！局攸c難點】柵格數(shù)據(jù)結構及壓縮方法;拓撲數(shù)據(jù)結構?！窘虒W方法與手段】示例式、啟發(fā)式教學方法,多媒體教學手段。對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)表達可以采用矢量數(shù)據(jù)模型和柵格數(shù)據(jù)

6、模型。那么,一旦數(shù)據(jù)模型確定,必須選擇和該模型對應的數(shù)據(jù)結構來組織實體的數(shù)據(jù),最后是選擇適合于記錄該數(shù)據(jù)結構的文件模式。數(shù)據(jù)結構一般分為基于矢量模型的數(shù)據(jù)結構和基于柵格模型的數(shù)據(jù)結構(如圖2-3。按照傳統(tǒng)的觀念,矢量和柵格似乎是兩類完全不同性質的數(shù)據(jù)結構。矢量數(shù)據(jù)是面向地物的結構,即對于每一個具體的目標都直接賦有位置和屬性信息以及目標之間的拓撲關系說明。但是矢量數(shù)據(jù)僅有一些離數(shù)點的坐標,在空間表達方面它沒有直接建立位置與地物的關系,如多邊形的中間區(qū)域是“洞”或“島”,其間的任何一點并沒有與某個地物發(fā)生聯(lián)系。與此相反,柵格數(shù)據(jù)是面向位置圖2-3 柵格數(shù)據(jù)結構與矢量數(shù)據(jù)結構的結構,平面空間上的任何

7、一點都直接聯(lián)系到某一個或某一類地物。但對于某一個具體的目標又沒有直接聚集所有信息,只能通過遍歷柵格矩陣逐一尋找,它也不能完整地建立地物之間的拓撲關系。因而,從概念上形成了基于矢量和基于柵格兩種類型的系統(tǒng),分別用于不同的目的。目前,為了設計一種系統(tǒng)能用于多種目的,正在研制一種一體化的數(shù)據(jù)結構,該數(shù)據(jù)結構具有矢量和柵格兩種結構的特性,稱為矢量柵格一體化的數(shù)據(jù)結構。以下分別介紹上述三種不同類型的數(shù)據(jù)結構。一、矢量數(shù)據(jù)結構基于矢量模型的數(shù)據(jù)結構簡稱為矢量數(shù)據(jù)結構。矢量也叫向量,數(shù)學上稱“具有大小和方向的量”為向量。在計算機圖形中,相鄰兩結點間的弧段長度表示大小,弧段兩端點的順序表示方向,因此弧段也是一

8、個直觀的矢量。矢量數(shù)據(jù)結構是通過記錄坐標的方式來表示點、線、面等地理實體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。這種數(shù)據(jù)組織方式定位明顯,屬性隱含,能最好地逼近地理實體的空間分布特征,數(shù)據(jù)精度高,數(shù)據(jù)存儲的冗余度低,便于進行地理實體的網(wǎng)絡分析,但對于多層空間數(shù)據(jù)的疊合分析比較困難。矢量數(shù)據(jù)結構的獲取方法主要有:手工數(shù)字化法、手扶跟蹤數(shù)字化法、數(shù)據(jù)結構轉換法。矢量數(shù)據(jù)結構分為以下幾種主要類型: 一簡單數(shù)據(jù)結構在簡單數(shù)據(jù)結構中,空間數(shù)據(jù)按照以基本的空間對象(點、線或多邊形為單元進行單獨組織,不含有拓撲關系數(shù)據(jù),最典型的是面條(Spaghetti結構。這種數(shù)據(jù)結構的主要特點是:(1數(shù)據(jù)按點、線或多邊形為單元進行

9、組織,數(shù)據(jù)編排直觀,數(shù)字化操作簡單。(2每個多邊形都以閉合線段存儲,多邊形的公共邊界被數(shù)字化兩次和存儲兩次,造成數(shù)據(jù)冗余和不一致。(3點、線和多邊形有各自的坐標數(shù)據(jù),但沒有拓撲數(shù)據(jù),互相之間不關聯(lián)。(4島只作為一個單個圖形,沒有與外界多邊形的聯(lián)系。二拓撲數(shù)據(jù)結構1、拓撲的基本概念拓撲數(shù)據(jù)結構包括DIME(對偶獨立地圖編碼法、POLYVRT(多邊形轉換器、TICER(地理編碼和參照系統(tǒng)的拓撲集成等。它們共同的特點是:點是相互獨立的,點連成線,線構成面。每條線始于起始結點(FN,止于終止結點(TN,并與左右多邊形(LP和RP相鄰接。構成多邊形的線又稱為鏈段或弧段,兩條以上的弧段相交的點稱為結點,由

10、一條弧段組成的多邊形稱為島,多邊形圖中不含島的多邊形稱為簡單多邊形,表示單連通區(qū)域;含島區(qū)的多邊形稱為復合多邊形,表示復連通區(qū)域。在復連通區(qū)域中,包括有外邊界和內邊界,島區(qū)多邊形看作是復連通區(qū)域的內邊界,復連通區(qū)域的內邊界多邊形對應的區(qū)域含有平面上的無窮遠點。一幅地圖要傳輸?shù)乩硪氐挠嘘P區(qū)域信息,包括位置信息、屬性信息和空間信息。表示要素之間的臨接關系和包含關系,在地圖上借助圖形來識別和解釋,在計算機中按拓撲結構加以定義。拓撲結構是明確定義空間結構關系的一種數(shù)學方法;在GIS中,用于空間數(shù)據(jù)的組織、分析和應用在GIS中。為了真實反映地物,不僅包括實體的大小、形狀及屬性,而且要反映出實體之間的相

11、互關系。例如:自然與行政的分區(qū),各種空間類型的分布及交通網(wǎng)等,都存在結點、弧段和多邊形之間的拓撲關系。該數(shù)據(jù)結構的基本元素如圖2-4所示:N1,N2,N 3,N4,N5為結點;a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7為弧段(鏈段; P1,P2,P3,P4為面(多邊形。在這種數(shù)據(jù)結構中,弧段或鏈段是數(shù)據(jù)組織的基本對象?；《挝募苫《斡涗浗M成,每個弧段記錄包括弧段標識碼、FN、TN、LP和RP。結點文件由結點記錄組成,包括每個結點的結點號、結點坐標及與該結點連接的弧段標識碼等。多邊形文件由多邊形記錄組成,包括多邊形標識碼、組成該多邊形的弧段標識碼以及相關屬性等。2、空間數(shù)據(jù)的拓撲關系空間數(shù)據(jù)拓撲關

12、系的表示方法主要有下述幾種:表2-1 多邊形與弧段的拓撲關聯(lián)表拓撲關聯(lián)性。表示空間圖形中不同類元素之間的拓撲 所示的圖形,具有多邊形和弧段之間的關聯(lián)性:P1/ a1,a5,a6 ;P2/ a2,a4,a6等,也有弧段和結點之間的關聯(lián)性:N1/a1,a3,a5;N2/ a1,a6,a2等。即從圖形的關聯(lián)性出發(fā),圖2-4可用表2-1,表2-2,所示的關聯(lián)表來表示。用關聯(lián)表來表示圖的優(yōu)點是每條弧段所包含的坐標點只需存儲一次,如果不考慮它們之間的關聯(lián)性而以每個多邊形的全部封閉弧段的坐標點來存儲數(shù)據(jù),不僅數(shù)據(jù)量大,還無法反應空間關系。(2拓撲鄰接性。拓撲鄰接性表示圖形中同 類元素之間的拓撲關系。如多邊形

13、之間的鄰接性、弧段之間的鄰接性以及結點之間的鄰接性(連通性。由于弧段的走向是有方向的,因此,通常用弧段的左右多邊形來表示并求出多邊形的鄰接性,如圖2-4用弧段的左右多邊形表示時,得到表2-3a。顯然,同一弧段的左右多邊形必然鄰接,從而得到如表2-3b所示的鄰接矩陣表,表中值為1處,所對應多邊形鄰接。根據(jù)表2-3b整理得到多邊形鄰接性表,如表2-3c。 3圖2-4 拓撲數(shù)據(jù)結構表2-3 多邊形之間的鄰接性 同理,從圖2-4可以得到如表2-4所示的弧段和結點之間的關系表。由于同一弧段上兩個結點必相通,同一結點上的各弧段必相鄰,所以分別得弧段之間鄰接矩陣和結點之間連通性矩陣如表2-5,表2-6所示。

14、 表2-4 弧段和結點之間的關系表 表2-5 弧段之間的鄰接性ab c (3拓撲包含性。拓撲包含性是表示空間圖形中,面狀實體所包含的其他面狀實體或線狀、點狀實體的關系。面狀實體中包含面狀實體的情況又分三種,即:簡單包含、多層包含和等價包含。如圖2-5所示。 圖2-5 面狀實體之間的包含關系圖2-5a 中多邊形P 1包含多邊形P 2;圖2-5b 中多邊形P 3包含在多邊形P 2中,而多邊形P 2、 P 3又包含在多邊形P 1中;圖2-5c 中多邊形P 2、 P 3都包含在多邊形P 1中,多邊形P 2、 P 3對P 1而言是等價包含。 3、拓撲關系的意義空間數(shù)據(jù)的拓撲關系,對地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

15、和空間分析,具有重要的意義,因為: (1根據(jù)拓撲關系,不需要利用坐標或距離,可以確定一種地理實體相對于另一種地理實體的空間位置關系。因為拓撲數(shù)據(jù)已經(jīng)清楚地反映出地理實體之間的邏輯結構關系,而且這種拓撲數(shù)據(jù)較之幾何數(shù)據(jù)有更大的穩(wěn)定性,即它不隨地圖投影而變化。 (2利用拓撲數(shù)據(jù)有利于空間要素的查詢。例如應答像某區(qū)域與哪些區(qū)域鄰接;某條河流能為哪些政區(qū)的居民提供水源;與某一湖泊鄰接的土地利用類型有哪些;特別是野生生物學家可能想確定一塊與湖泊相鄰的土地覆蓋區(qū),用于對生物棲息環(huán)境作出評價等等,都需要利用拓撲數(shù)據(jù)。(3可以利用拓撲數(shù)據(jù)作為工具,重建地理實體。例如建立封閉多邊形,實現(xiàn)道路的選取,進行最佳路徑

16、的計算等等。三矢量數(shù)據(jù)結構編碼的方法1、點實體點實體包括由單獨一對x ,y 坐標定位的一切地理或制圖實體。在矢量數(shù)據(jù)結構中,除點實體的x ,y 坐標外還應存儲其它一些與點實體有關的數(shù)據(jù)來描述點實體的類型、制圖符號和顯示要求等。點是空間上不可再分的地理實體,可以是具體的也可以是抽象的,如地物點、文本位置點或線段網(wǎng)絡的結點等,如果點是一個與其它信息無關的符號,則記錄時應包括符號類型、大小、方向等有關信息;如果點是文本實體,記錄的數(shù)據(jù)應包括字符大小、字體、排列方式、比例、方向以及與其它非圖形屬性的聯(lián)系方式等信息。對其它類型的點實體也應做相應的處理。圖26說明了點實體的矢量數(shù)據(jù)結構的一種組織方式。 2

17、、線實體線實體可以定義為直線元素組成的各種線性要素,直線元素由兩對以上的x ,y 坐標定義。最簡單的線實體只存儲它的起止點坐標、屬性、顯示符等有關數(shù)據(jù)。例如,線實體輸出時可能用實線或虛線描繪,這類信息屬符號信息,它說明線實體的輸出方式。雖然線實體并不是以虛線存儲,仍可用虛線輸出?；?、鏈是n 個坐標對的集合,這些坐標可以描述任何連續(xù)而又復雜的曲線。組成曲線的線元素越短,x ,y 坐標數(shù)量越多,就越逼近于一條復雜曲線,既要節(jié)省存儲空間,又要求較為精確地描繪曲線,唯一的辦法是增加數(shù)據(jù)處理工作量。亦即在線實體的紀錄中加入一個指示字,當起動顯示程序時,這個指示字告訴程序:需要數(shù)學內插函數(shù)(例如樣條函數(shù)加

18、密數(shù)據(jù)點且與原來的點匹配。于是能在輸出設備上得到較精確的曲線。不過,數(shù)據(jù)內插工作卻增加了?；『玩湹拇鎯τ涗浿幸惨尤刖€的符號類型等信息。線的網(wǎng)絡結構。簡單的線或鏈攜帶彼此互相連接的空間信息,而這種連接信息又是供排 水網(wǎng)和道路網(wǎng)分析中必不可少的信息。因此要在數(shù)據(jù)結構中建立指針系統(tǒng)才能讓計算機在復雜的線網(wǎng)結構中逐線跟蹤每一條線。指針的建立要以結點為基礎。如建立水網(wǎng)中每條支流之間連接關系時必須使用這種指針系統(tǒng)。指針系統(tǒng)包括結點指向線的指針。每條從結點出發(fā)的線匯于結點處的角度等,從而完整地定義線網(wǎng)絡的拓撲關系。如上所述,線實體主要用來表示線狀地物(公路、水系、山脊線、符號線和多邊形邊界,有時也稱為“弧

19、”、“鏈”、“串”等,其矢量編碼包括的內容如圖2-7所示。其中唯一標識是系統(tǒng)排列序號:線標識碼可以標識線的類型;起始點和終止點可以用點號或直接用坐標表示;顯示信息是顯示線的文本或符號等;與線相聯(lián)的非幾何屬性可以直接存儲于線文件中,也可單獨存儲,而由標識碼聯(lián)接查找。3、面實體多邊形(有時稱為區(qū)域數(shù)據(jù)是描述地理空間信息的最重要的一類數(shù)據(jù)。在區(qū)域實體中,具有名稱屬性和分類屬性的,多用多邊形表示,如行政區(qū)、土地類型、植被分布等;具有標量屬性的有時也用等值線描述(如地形、降雨量等。多邊形矢量編碼,不但要表示位置和屬性,更重要的是能表達區(qū)域的拓撲特征,如形狀、鄰域和層次結構等,以便使這些基本的空間單元可以

20、作為專題圖的資料進行顯示和操作,由于要表達的信息十分豐富,基于多邊形的運算多而復雜,因此多邊形矢量編碼比點和線實體的矢量編碼要復雜得多,也更為重要。 面實體編碼主要有多邊形環(huán)路法、樹狀索引法、雙重獨立式、鏈狀雙重獨立式。 1、多邊形環(huán)路法由多邊形邊界的x,y 坐標隊集合及說明信息組成。如圖2-8編碼為:圖2-7 線實體矢量編碼的基本內容 12 3 4 5678910 1112131415P 1 P 2P 3圖2-8 面實體矢量數(shù)據(jù)結構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

21、;x6,y6P3:x12,y12;x13,y13;x14,y14;x15,y152、樹狀索引法樹狀索引法數(shù)據(jù)結構采用樹狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息,具體方法是對所有邊界點進行數(shù)字化,將坐標對以順序方式存儲,由點索引與邊界線號相聯(lián)系,以線索引與各多邊形相聯(lián)系,形成樹狀索引結構。樹狀索引結構消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致的問題,在簡化過于復雜的邊界線或合并多邊形時可不必改造索引表,鄰域信息和島狀信息可以通過對多邊形文件的線索引處理得到,但是比較繁瑣,因而給鄰域函數(shù)運算、消除無用邊、處理島狀信息以及檢查拓撲關系等帶來一定的困難,而且兩個編碼表都要以人工方式建立,工作量大且容易出錯。

22、此外,這種數(shù)據(jù)結構除了通過線文件生成面文件外,還需要點文件,這里不在列出。 圖2-10、2-11分別為圖2-9的多邊形文件和線文件樹狀索引圖。 圖2-11 點與線之間的樹狀索引3、雙重獨立式 這種數(shù)據(jù)結構最早是由美國人口統(tǒng)計局研制來進行人口普查分析和制圖的,簡稱為DIME(Dual lndependent Map Encoding系統(tǒng)或雙重獨立式的地圖編碼法。它以城市街道為編碼的主體。其特點是采用了拓撲編碼結構。雙重獨立式數(shù)據(jù)結構是對圖上網(wǎng)狀或面狀要素的任何一條線段,用其兩端的節(jié)點及相鄰面域來予以定義。例如對圖2-12所示的多邊形數(shù)據(jù),用雙重獨立數(shù)據(jù)結構表示如表2-8所示:表中的第一行表示線段

23、a 的方向是從節(jié)點1到節(jié)點8,其左側面域為O ,右側面域為A 。在雙重獨立式數(shù)據(jù)結構中,節(jié)點與節(jié)點或者面域與面域之間為鄰接關系,節(jié)點與線段或者面域與線段之間為關聯(lián)關系。這種鄰接和關聯(lián)的關系稱為拓樸關系。利用這種拓樸關系來組織數(shù)據(jù),可以有效地進行數(shù)據(jù)存儲正確性檢查,同時便于對數(shù)據(jù)進行更新和檢索。因為在這種數(shù)據(jù)結構中,當編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機編輯處理以后,面域單元的第一個始節(jié)點表2-8雙重獨立式(DIME 編碼 應當和最后一個終節(jié)點相一致,而且當按照左側面域或右側面域來自動建立一個指定的區(qū)域單元時,其空間點的坐標應當自行閉合。如果不能自行閉合,或者出現(xiàn)多余的線段,則表示數(shù)據(jù)存儲或編碼有錯,這樣就達到數(shù)

24、據(jù)自動編輯的目的。例如,從上表中尋找右多邊形為A 的記錄,則可以得到組成A多邊形的線及結點如表2-9,通過這種方法可以自動形成面文件,并可以檢查線文件數(shù)據(jù)的正確性。 4、鏈狀雙重獨立式鏈狀雙重獨立式數(shù)據(jù)結構是DIME數(shù)據(jù)結構的一種改進。在DIME中,一條邊只能用直線兩端點的序號及相鄰的面域來表示,而在鏈狀數(shù)據(jù)結構中,將若干直線段合為一個弧段(或鏈段,每個弧段可以有許多中間點。在鏈狀雙重獨立數(shù)據(jù)結構中,主要有四個文件:多邊形文件、弧段文件、弧段坐標文件、結點文件。多邊形文件主要由多邊形記錄組成,包括多邊形號、組成多邊形的弧段號以及周長、面積、中心點坐標及有關“洞”的信息等,多邊形文件也可以通過軟

25、件自動檢索各有關弧段生成,并同時計算出多邊形的周長和面積以及中心點的坐標,當多邊形中含有“洞”時則此“洞”的面積為負,并在總面積中減去,其組成的弧段號前也冠以負號;弧段文件主要有弧記錄組成,存儲弧段的起止結點號和弧段左右多邊形號;弧段坐標文件由一系列點的位置坐標組成,一般從數(shù)字化過程獲取,數(shù)字化的順序確定了這條鏈段的方向。結點文件由結點記錄組成,存儲每個結點的結點號、結點坐標及與該結點連接的弧段。結點文件一般通過軟件自動生成,因為在數(shù)字化的過程中,由于數(shù)字化操作的誤差,各弧段在同一結點處的坐標不可能完全一致,需要進行匹配處理。當其偏差在允許范圍內時,可取同名結點的坐標平均值。如果偏差過大,則弧

26、段需要重新數(shù)字化。對如圖2-13所示的矢量數(shù)據(jù),其鏈狀雙重獨立式數(shù)據(jù)結構的多邊形文件、弧段文件、 二、柵格數(shù)據(jù)結構(一簡單柵格數(shù)據(jù)結構柵格結構是最簡單最直觀的空間數(shù)據(jù)結構,又稱為網(wǎng)格結構(raster或grid cell或象元結構(pixel,是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列,每個網(wǎng)格作為一個象元或象素,由行、列號定義,并包含一個代碼,表示該象素的屬性類型或量值,或僅僅包含指向其屬性記錄的指針。因此,柵格結構是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織,組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。如圖2-3所示,在柵格結構中,點用一個柵格單元表示;線狀地物則用沿線走向的一

27、組相鄰柵格單元表示,每個柵格單元最多只有兩個相鄰單元在線上;面或區(qū)域用記有區(qū)域屬性的相鄰柵格單元的集合表示,每個柵格單元可有多于兩個的相鄰單元同屬一個區(qū)域。任何以面狀分布的對象(土地利用、土壤類型、地勢起伏、環(huán)境污染等,都可以用柵格數(shù)據(jù)逼近。遙感影像就屬于典型的柵格結構,每個象元的數(shù)字表示影像的灰度等級。柵格結構的顯著特點是:屬性明顯,定位隱含,即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或屬性本身,而所在位置則根據(jù)行列號轉換為相應的坐標給出,也就是說定位是根據(jù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中的位置得到的。由于柵格結構是按一定的規(guī)則排列的,所表示的實體的位置很容易隱含在網(wǎng)格文件的存貯結構中,在后面講述柵格結構編碼時可以看到,每個存

28、貯單元的行列位置可以方便地根據(jù)其在文件中的記錄位置得到,且行列坐標可以很容易地轉為其他坐標系下的坐標。在網(wǎng)格文件中每個代碼本身明確地代表了實體的屬性或屬性的編碼,如果為屬性的編碼,則該編碼可作為指向實體屬性表的指針。由于柵格行列陣列容易為計算機存儲、操作和顯示,因此這種結構容易實現(xiàn),算法簡單,且易于擴充、修改,也很直觀,特別是易于同遙感影像結合處理,給地理空間數(shù)據(jù)處理帶來了極大的方便,受到普遍歡迎,許多系統(tǒng)都部分和全部采取了柵格結構,柵格結構的另一個優(yōu)點是,特別適合于FORTRAN、BASIC等高級語言作文件或矩陣處理,這也是柵格結構易于為多數(shù)地理信息系統(tǒng)設計者接受的原因之一。柵格結構數(shù)據(jù)主要

29、可由四個途徑得到,即目讀法:在專題圖上均勻劃分網(wǎng)格,逐個網(wǎng)格地決定其代碼,最后形成柵格數(shù)字地圖文件;數(shù)字化儀手扶或自動跟蹤數(shù)字化地圖,得到矢量結構數(shù)據(jù)后,再轉換為柵格結構;掃描數(shù)字化:逐點掃描專題地圖,將掃描數(shù)據(jù)重采樣和再編碼得到柵格數(shù)據(jù)文件;分類影像輸入:將經(jīng)過分類解譯的遙感影像數(shù)據(jù)直接或重采樣后輸入系統(tǒng),作為柵格數(shù)據(jù)結構的專題地圖。逼近原始精度的方法是縮小單個柵格單元的面積,即增加柵格單元的總數(shù),行列數(shù)也相應地增加。這樣,每個柵格單元可代表更為精細的地面矩形單元,混合單元減少?；旌项悇e和混合的面積都大大減小,可以大大提高量算的精度;接近真實的形態(tài),表現(xiàn)更細小的地物類型。然而增加柵格個數(shù)、提

30、高數(shù)據(jù)精度的同時也帶來了一個嚴重的問題,那就是數(shù)據(jù)量的大幅度增加,數(shù)據(jù)冗余嚴重。為了解決這個難題,已發(fā)展了一系列柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法,如游程長度編碼、塊碼和四叉樹碼等。 (二柵格數(shù)據(jù)的編碼方法為減小柵格數(shù)據(jù)的存貯量,主要有以下幾種不同的數(shù)據(jù)結構和編碼方法:1、直接柵格編碼直接編碼就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩圖2-6 直接柵格編碼(a陣,逐行(或逐列逐個記錄代碼,可以每行從左到右逐像元記錄(如圖2-6,圖2-7所示,也可奇數(shù)行從左到右而偶數(shù)行由右向左記錄,為了特定的目的還可采用其他特殊的順序。 2、鏈式編碼(Chain Codes鏈式編碼又稱為弗里曼鏈碼(Freeman ,1961或邊界鏈碼。鏈

31、式編碼主要是記錄線狀地物和面狀地物的邊界。它把線狀地物和面狀地物的邊界表示為:由某一起始點開始并按某些基本方向確定的單位矢量鏈。基本方向可定義為:東=0,東南=l ,南=2,西南=3,西=4,西北=5,北=6,東北=7等八個基本方向(如圖2-8所示。鏈式編碼的前兩個數(shù)字表示起點的行、列數(shù),從第三個數(shù)字開始的每個數(shù)字表示單位矢量的方向,八個方向以07的整數(shù)代表。如圖2-6 所示的線狀地物,其鏈式編碼為: 1,1,1,3,1,鏈式編碼對線狀和多邊形的表示具有很強的數(shù)據(jù)壓縮能力,且具有一定的運算功能,如面積和周長計算等,探測邊界急彎和凹進部分等都比較容易,類似矢量數(shù)據(jù)結構,比較適于存儲圖形數(shù)據(jù)。缺點

32、是對疊置運算如組合、相交等則很難實施,對局部修改將改變整體結構,效率較低,而且由于鏈碼以每個區(qū)域為單位存儲邊界,相鄰區(qū)域的邊界則被重復存儲而產(chǎn)生冗余。 3、游程長度編碼(run-length code 游程長度編碼是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法,它的基本思路是:對于一幅柵格圖像,7 65 4 312圖2-8 鏈式編碼基本方向圖2-7 直接柵格編碼(b 圖2-9 需要柵格化的多邊形 常常有行(或列方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼,因而可采取某種方法壓縮那些重復的記錄內容。其編碼方案是,只在各行(或列數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同代碼重復的個數(shù),或逐個記錄各行(或列代碼發(fā)生變化的位置

33、和相應代碼,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。例如對圖2-7所示的柵格數(shù)據(jù),可按第一種方式沿行方向進行如下游程長度編碼:( 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?？砂吹诙N方式沿列方向進行如下編碼:( 1,0,(2,2,(4,0;(1, 2,(4,0;(1,2,(5,3,(6,0;(1,5,(2,2,(4,3,(7,0;(1,5,(2,2,(3,3,(8,0;(1,5,(3,3;(1,5,(6,3;(1,5,(5,3。 游程長度編

34、碼對圖2-7只用了44個整數(shù)就可以表示,而如果用前述的直接編碼卻需要64個整數(shù)表示,可見游程長度編碼壓縮數(shù)據(jù)是十分有效又簡便的。事實上,壓縮比的大小是與圖的復雜程度成反比的,在變化多的部分,游程數(shù)就多,變化少的部分游程數(shù)就少,圖件越簡單,壓縮效率就越高。游程長度編碼在柵格加密時,數(shù)據(jù)量沒有明顯增加,壓縮效率較高,且易于檢索,疊加合并等操作,運算簡單,適用于機器存貯容量小,數(shù)據(jù)需大量壓縮,而又要避免復雜的編碼解碼運算增加處理和操作時間的情況。對于面狀數(shù)據(jù),游程長度編碼還可以進行變長編碼或值點編碼。如圖 2-9所示的多邊形,其直接柵格編碼、游程長度編碼及值點編碼可分別如圖2-10、圖2-11所示。

35、4、塊狀編碼(block code塊碼是游程長度編碼擴展到二維的情況,采用方形區(qū)域作為記錄單元,每個記錄單元包括相鄰的若干柵格,數(shù)據(jù)結構由初始位置(行、列號和半徑,再加上記錄單元的代碼組成。根據(jù)塊狀編碼的原則,圖2-10 對圖2-9的直接柵格編碼變長編碼 值點編碼 圖2-11 對圖2-9的變長編碼及值點編碼對圖2-7所示圖像可以具體編碼如下(記錄單元見表2-12:(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,

36、(3,7,2,5;(4,1,2,0,(4,3,1,2,(4,4,1,3;(5,3,1,3,(5,4,2,3,(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。一個多邊形所包含的正方形越大,多邊形的邊界越簡單,塊狀編碼的效率就越好。塊狀編碼對大而簡單的多邊形更為有效,而對那些碎部較多的復雜多邊形效果并不好。塊狀編碼在合并、插入、檢查延伸性、計算面積等操作時有明顯的優(yōu)越性。然而對某些運算不適應,必須在轉換成簡單數(shù)據(jù)形式才能順利進行。5、四叉樹編碼(quad-tree code四又樹結構的

37、基本思想是將一幅柵格地圖或圖像等分為四部分。逐塊檢查其格網(wǎng)屬性值(或灰度。如果某個子區(qū)的所有格網(wǎng)值都具有相同的值。則這個子區(qū)就不再繼續(xù)分割,否則還要把這個子區(qū)再分割成四個子區(qū)。這樣依次地分割,直到每個子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。也就是根據(jù)柵格數(shù)據(jù)二維空間分布的特點,將空間區(qū)域按照4個象限進行遞歸分割(2n ×2 n ,且n>1,直到子象限的數(shù)值單調為止,最后得到一棵四分叉的倒向樹。四叉樹分解,各子象限大小不完全一樣,但都是同代碼柵格單元組成的子塊,其中最上面的一個結點叫做根結點,它對應于整個圖形。不能再分的結點稱為葉子結點,可能落在不同的層上,該結點5 0 2 2 2

38、2 5 5 5 53 3 3 353533 0 332 2 2 222 22 5 5 5 5 0 0 0 03 3 3 30 0 0 0 0 0 0 0 03 3 3 3 3 3 3 3 35 5 圖2-12 對圖2-7進行塊碼編碼的記錄單元代表子象限單一的代碼,所有葉子結點所代表的方形區(qū)域覆蓋了整個圖形。從上到下,從左到右為葉子結點編號,最下面的一排數(shù)字表示各子區(qū)的代碼。為了保證四叉樹分解能不斷的進行下去,要求圖形必須為2n ×2 n 的柵格陣列。n 為極限分割次數(shù),n +1是四叉樹最大層數(shù)或最大高度(如圖2-13、圖2-14所示 四叉樹編碼法有許多有趣的優(yōu)點:容易而有效地計算多邊

39、形的數(shù)量特征;陣列各部分的分辨率是可變的,邊界復雜部分四叉樹較高即分級多,分辨率也高,而不需表示許多細節(jié)的部分則分級少,分辨率低,因而既可精確表示圖形結構又可減少存貯量;柵格到四叉樹及四叉樹到簡單柵格結構的轉換比其它壓縮方法容易;多邊形中嵌套異類小多邊形的表示較方便。圖2-13四叉樹編碼的最大缺點是轉換的不定性,用同一形狀和大小的多邊形可能得出多種不同的四叉樹結構,故不利于形狀分析和模式識別。但因它允許多邊形中嵌套多邊形即所謂“洞”這種結構存在,使越來越多的地理信息系統(tǒng)工作者都對四叉樹結構很感興趣。上述這些壓縮數(shù)據(jù)的方法應視圖形的復雜情況合理選用,同時應在系統(tǒng)中備有相應的程序。另外,用戶的分析

40、目的和分析方法也決定著壓縮方法的選取。四叉樹結構按其編碼的方法不同又分為常規(guī)四叉樹和線性四叉樹。常規(guī)四叉樹除了記錄葉結點之外,還要記錄中間結點。結點之間借助指針聯(lián)系,每個結點需要用六個量表達:四個葉結點指針,一個父結點指針和一個結點的屬性或灰度值。這些指針不僅增加了數(shù)據(jù)貯存量,而且增加了操作的復雜性。常規(guī)四叉樹主要在數(shù)據(jù)索引和圖幅索引等方面應用。線性四叉樹則只存貯最后葉結點的信息。包括葉結點的位置、深度和本結點的屬性或灰度值。所謂深度是指處于四叉樹的第幾層上。由深度可推知子區(qū)的大小。線性四叉樹葉結點的編號需要遵循一定的規(guī)則,這種編號稱為地址碼,它隱含了葉結點的位置和深度信息。最常用的地址碼是四

41、進制或十進制的Morton碼。6、幾種編碼方法比較分析(見表2-7 三、柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)比較分析柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)是兩種表示地理信息的方法,前者屬性明顯,位置隱含,而后者位置明顯,屬性隱含。它們都有自己獨特的優(yōu)勢,都是有效地表示地理信息的方法。柵格數(shù)據(jù)結構和矢量數(shù)據(jù)結構的優(yōu)缺點如下:(一柵格數(shù)據(jù)結構:1、優(yōu)點(1結構簡單;(2空間數(shù)據(jù)的疊置與組合十分方便;(3空間分析易于進行;(4數(shù)學模擬方便(5技術開發(fā)費用低。2、缺點(1圖形數(shù)據(jù)量大;(2難以建立網(wǎng)絡連接關系;(3地圖輸出不精美。(二矢量數(shù)據(jù)結構:1、優(yōu)點(1結構嚴密,數(shù)據(jù)量小;(2能完整地描述拓撲關系;(3圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的恢復、更新

42、和綜合都能實現(xiàn);(4圖形輸出精確美觀。2、缺點(1結構復雜,處理技術也復雜;(2圖形疊置與圖形組合很困難;(3繪圖費用高,尤其高質量繪圖;(4數(shù)學模擬和空間分析極困難。由上述比較可知,柵格結構和矢量結構在表示地理信息方面是同等有效的,它們各具特色,互為補充,所以有些大型數(shù)據(jù)庫既存貯柵格結構數(shù)據(jù),又存貯矢量結構數(shù)據(jù),根據(jù)需要來調用某種結構的數(shù)據(jù),以獲取最強的分析能力并提高效率。四、矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結構前面已講述了矢量結構和柵格數(shù)據(jù)結構,二者都各有優(yōu)缺點。因此,我們希望找到一種能夠具有矢量和柵格兩種結構特征性的一體化數(shù)據(jù)結構。設在對一個線目標數(shù)字化采樣時,恰好在所經(jīng)過的柵格內都獲取了樣點,這樣的

43、取樣數(shù)據(jù)就具有矢量和柵格雙重性質。一方面,它保留了矢量數(shù)據(jù)的全部特性,一個目標跟隨了所有位量信息,并能建立拓撲關系;另一方面,它建立了路徑柵格與地物的關系,即路徑上的任意一點都與目標直接建立了聯(lián)系。這樣,用填滿線目標路徑和充滿面狀目標空間的表達方法作為矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結構的基礎。每個線目標除記錄原始取樣點外,還包括所通過的柵格,每個面狀地物除記錄它的多邊形周邊以外,還包括中間的面柵格。無論是點狀地物、線狀地物,還是面狀地物,均采用面向目標的描述方法,即直接跟隨位置描述信息并進行拓撲關系說明,因而它可以完全保持矢量的特征,建立了位置與地物的聯(lián)系,使之具有柵格的性質。這樣的數(shù)據(jù)結構就是矢量柵格一

44、體化的數(shù)據(jù)結構。2.3屬性數(shù)據(jù)的編碼方法【學時安排】2學時【目的要求】1、掌握編碼的概念;2、掌握碼位、碼段的概念及其與編碼的關系;3、理解編碼的方法、意義、原則、應注意的問題。【重點難點】編碼的有關概念,編碼方法。【教學方法與手段】示例式、啟發(fā)式教學方法,多媒體教學手段。一、分類把數(shù)據(jù)輸入到計算機之前,必須先按使用要求進行分類,這是項基礎性的工作。如國家資源和環(huán)境信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)范在“專業(yè)數(shù)據(jù)分類和數(shù)據(jù)項目建議總表”中,將數(shù)據(jù)分為社會環(huán)境、自然環(huán)境和資源與能源三大類共14小項,并規(guī)定了每項數(shù)據(jù)的內容及基本數(shù)據(jù)來源。首先把社會環(huán)境、自然環(huán)境和資源與能源作為三大類放在第一層;其次根據(jù)環(huán)境因素和資源類別的主要特征和基本差異,劃分為14個二級類,為第二層;再按一個二級類包括的最主要內容排列出第三級類別。其中關于資源與能源類的劃分為： 地貌類型 土地資源 土地利用類型 資源與能源 氣候和水熱資源 生物資源 比如土地利用現(xiàn)狀調查和農(nóng)村地籍調查中土地類型劃分如表 2