空間數(shù)據(jù)結構及編碼課件

1、空間數(shù)據(jù)結構及編碼 1.定義： 是指以地球表面空間位置為參照的自然、社會和人文經(jīng)濟景觀數(shù)據(jù)，可以是圖形、圖像、文字、表格和數(shù)字等。它是由系統(tǒng)的建立者通過數(shù)字化儀、掃描儀、鍵盤、磁帶機或其他系統(tǒng)通訊輸入GIS，是系統(tǒng)程序作用的對象，是GIS所表達的現(xiàn)實世界經(jīng)過模型抽象的實質性內(nèi)容一、空間數(shù)據(jù)基本概念2.空間數(shù)據(jù)特點： 數(shù)據(jù)的空間性 數(shù)據(jù)的屬性 數(shù)據(jù)的時間性3.在GIS中，空間數(shù)據(jù)主要包括 ：1）某個已知坐標系中的位置2）實體間的空間關系3）與幾何位置無關的屬性4.空間數(shù)據(jù)的拓撲關系地理要素之間的空間區(qū)位關系可抽象為點、線（或?。⒍噙呅危▍^(qū)域）之間的空間幾何關系，其關系如下 歐氏平面上實體對象所

2、具有的拓撲和非拓撲屬性 拓撲屬性一個點在一個弧段的端點一個弧段是一個簡單弧段（弧段自身不相交）一個點在一個區(qū)域的邊界上一個點在一個區(qū)域的內(nèi)部一個點在一個區(qū)域的外部一個點在一個環(huán)的內(nèi)部一個面是一個簡單面（面上沒有“島”）一個面的連續(xù)性（給定面上任意兩點，從一點可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點）非拓撲屬性兩點之間的距離一個點指向另一個點的方向弧段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積基本的拓撲關系包括：連接性、包含和鄰接性 定義：又稱為網(wǎng)格結構，它是將地表劃分成為緊密相鄰的網(wǎng)格陣列。每個網(wǎng)格的位置由行列號定義。它包含一個代碼，以表示該網(wǎng)格的屬性或指向屬性記錄的指針。 注意：柵格數(shù)據(jù)模型是將連續(xù)空

3、間離散化。1.概念二、柵格數(shù)據(jù)結構二維空間坐標網(wǎng)或其局部特別方便計算機運作的數(shù)據(jù)組織形式矩陣數(shù)組規(guī)整柵格：研究區(qū)域劃分為規(guī)整格網(wǎng)，空間位置數(shù)據(jù)隱含其中每一網(wǎng)格上放置空間對象在該位置上的屬性數(shù)據(jù)柵格空間數(shù)據(jù)模型 三角形、方格和六角形劃分 2.圖形柵格數(shù)據(jù)結構表示00002000000200000102033000023333002033330020033002000000線面點3.柵格結構編碼方式直接柵格編碼行程編碼塊碼鏈式編碼四叉樹結構二維行程編碼下一頁基本思路：對于一幅柵格圖像，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(nèi)容。游程長度編碼（Ru

4、n-Length Codes）1）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的代碼重復的個數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。兩種方案（屬性值，長度） 例如 （0，1）,（4，2）,（7，5）； （4，5）,（7，3）； （4，4）,（8，2）,（7，2）；（0，2）,（4，1）,（8，3）,（7，2）; （0，2）,（8，4）,（7，1）,（8，1）； （0，3）, （8，5）；（0，4）,（8，4）；（0，5）,（8，3）。0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888壓縮比的大小是與圖的復雜程度成反比的

5、，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44：64 2）逐個記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應代碼編碼如下（沿列方向） （1，0），（2，4），（4，0）； （1，4），（4，0）； （1，4），（5，8），（6，0）； （1，7），（2，4），（4，8），（7，0）； （1，7），（2，4），（3，8），（8，0）； （1，7），（3，8）； （1，7），（6，8）； （1，7），（5，8）。（屬性發(fā)生變化的位置 ，屬性值）07444444777747774444877808408778088008008878888800008888000008

6、88特點：屬性的變化愈少，行程愈長，則壓縮的比例越大，壓縮比與圖的復雜程度成反比。 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，再加上記錄單位的代碼組成。塊 碼0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888對圖所示圖像的塊碼編碼如下： (1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7), (1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4), (2,5,1,4),(2,8,

7、1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4), (3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7), (4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8), (5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8), (6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8), (8,4,1,0),(8,5,1,0)。該例中塊碼用了120個整數(shù)，比直接編碼還多，這是因為例中為描述方便，柵格劃分很粗糙，在實際應用中，柵格劃分細，數(shù)據(jù)冗余多的多，才能顯出壓縮編碼的效果，而且還可以作一些技術處理，如行

8、號可以通過行間標記而省去記錄，行號和半徑等也不必用雙字節(jié)整數(shù)來記錄，可進一步減少數(shù)據(jù)冗余。鏈碼（Chain Codes） 鏈碼又稱為弗里曼鏈碼Freeman或邊界鏈碼，鏈碼可以有效地壓縮柵格數(shù)據(jù)，而且對于估算面積、長度、轉折方向的凹凸度等運算十分方便，比較適合于存儲圖形數(shù)據(jù)。缺點是對邊界進行合并和插入等修改編輯工作比較困難，對局部的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)域的邊界將被重復存儲而產(chǎn)生冗余。 基本思想：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)值都相同，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

9、，直到每個子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。 四叉樹結構四叉樹編碼具有可變的分辨率，并且有區(qū)域性質，壓縮數(shù)據(jù)靈活，許多運算可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實現(xiàn)，大大地提高了運算效率，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一111100001111000011100000111000003344400033444000334400003344000011011010344004034000層1層2層3層（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）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

10、量表達，即四個葉結點指針、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)儲存量，而且增加了操作的復雜性。常規(guī)四叉樹與線性四叉樹線性四叉樹只存儲最后葉結點的信息。 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，這種編號成為地址碼，它隱含了葉結點的位置和深度信息。規(guī)則：首先將二維柵格數(shù)據(jù)的行列號轉換為二進制，然后交叉放入Morton碼中，即為線性四叉樹的地址碼： 行號5（1 0 1）；列號7（1 1 1） Morton 1 1 0 1 1 155 基于十進制的線性四叉樹編碼0145236789131410121516圖形文件如：TIFF、GI

11、F、JPEG文件可用各種圖像壓縮算法作均稱壓縮，TIFF和GIF文件用無損壓縮，使原圖被精確重構，而JPEG采用有損壓縮，它可達到很大的壓縮比，但不能完整重構原圖像。4.柵格數(shù)據(jù)類型衛(wèi)星影像數(shù)字高程模型數(shù)字正射影像二進制掃描文件數(shù)字柵格圖形圖形文件特定地理信息系統(tǒng)軟件的柵格數(shù)據(jù)三、矢量數(shù)據(jù)結構1.矢量空間數(shù)據(jù)模型空間對象 計算機中的表達點狀 點坐標（x,y）線狀 一串點坐標面狀 一串首尾相連的點坐標描述對象本身的性質；描述某些空間關系其他說明數(shù)據(jù)幾何數(shù)據(jù)：表達空間對象形狀、位置及其位置關系每一點、線、面的唯一標識符屬性數(shù)據(jù)（常用關系表組織）二維空間坐標2.有代表性的矢量空間數(shù)據(jù)結構1）Spag

12、hetti結構 坐標序列法非拓撲數(shù)據(jù)結構 由多邊形邊界的x、y坐標對集合及說明信息組成，是最簡單的一種多邊形矢量編碼，如上圖記為以下坐標文件：10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16；x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；30：x33,y3

13、3；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40； x33,y33；40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30；x31,y31；x32,y32； x19,y19；50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24；x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28； x21,y21； 坐標序列法文件結構簡單，易于實現(xiàn)以多邊形為單位的運算和顯示。 缺點： 1多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲兩次，由此產(chǎn)生冗余

14、和碎屑多邊形； 2每個多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進行鄰域處理，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界； 3. 島只作為一個單個的圖形建造，沒有與外包多邊形的聯(lián)系； 4不易檢查拓撲錯誤。這種方法可用于簡單的粗精度制圖系統(tǒng)中 該法采用樹狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息，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 2）樹狀索引結構 以下分別為右圖的多邊形文件和線文件樹狀索引示意圖。其文件結構如下：線與多邊形之間的樹狀索引點與邊界線之間的樹狀索引 采用上述的樹狀結構，前圖的多邊形數(shù)據(jù)記錄如下：1）點文件點號坐標1x

15、1,y12x2,y240 x40,y40 2）線文件線號起點終點點號I161,2,3,4,5,6II686,7,8X333333,34,35,36,37,38,39,40,333）多邊形文件多邊形編號多邊形邊界10I,II,IX20III,VII,VIII,IX,X30X40IV,VI,VII50II,III,IV,V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相鄰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，因而給相鄰函數(shù)運算，消除無用邊，處理島狀信息以及檢查拓撲關系帶來一定的困難，而且兩個編碼表都

16、需要以人工方式建立，工作量大且容易出錯 拓撲結構拓撲型數(shù)據(jù)結構由弧段坐標文件、結點文件和多邊形文件等一系列含拓撲關系的數(shù)據(jù)文件組成。結點文件由結點記錄組成，存貯每個結點的結點號、結點坐標及與該結點連接的弧段等弧段坐標文件存貯組成弧段的點的坐標弧段文件由弧記錄組成，存貯弧段的起止結點號和左右多邊形號；多邊形文件由多邊形記錄組成，存貯多邊形號、組成多邊形的弧段號以及多邊形的周長、面積、中心點坐標。弧段號坐標串L1(X1,y1), (X2,y2), (X3,y3) .L2X1,y1), (X2,y2), (X3,y3) .節(jié)點號節(jié)點坐標弧段V1X1,y1L1,L4,L5V2X2,y2L2,L3,L6弧段坐標文件節(jié)點文件弧段文件多邊形文件#id多邊形標識碼周長面積1P08.418-4.5062P18.5962.078弧