第二講：GIS數(shù)據(jù)及特征

第二講：GIS數(shù)據(jù)組成及特點(diǎn)中山大學(xué)遙感與地理信息工程系2010年3月15日主講人：康停軍助教GIS數(shù)據(jù)分類（P57）1圖形數(shù)據(jù)：數(shù)字化的數(shù)據(jù)2圖像數(shù)據(jù)：航空和航天數(shù)據(jù)3實(shí)體屬性數(shù)據(jù)：空間定位型關(guān)系和屬性數(shù)據(jù)4統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：描述型數(shù)據(jù)

在矢量模式中，關(guān)于點(diǎn)、線和多邊形的信息被編碼并以x、y坐標(biāo)形式儲(chǔ)存。

柵格模式是連續(xù)特征的模式，柵格圖象包含有網(wǎng)格單元(像元灰度值)，掃描的地圖或圖像照片等?？臻g數(shù)據(jù)（幾何數(shù)據(jù)）

——矢量和柵格模式數(shù)據(jù)的組織方法矢量模式

柵格模式

真實(shí)世界柵格數(shù)據(jù)概念(P65)所謂柵格數(shù)據(jù)是:

將制圖區(qū)域的平面表象按一定的分解力作行和列的規(guī)則劃分,就形成了一個(gè)陣列,其中每個(gè)柵格也稱”像元”或”像素”.根據(jù)所表示的表像信息,各個(gè)像元可用不同的”灰度值”來(lái)表示,但每個(gè)像元被認(rèn)為是內(nèi)部一致的基本單元.換句話說(shuō):由平面表像對(duì)應(yīng)位置上像元灰度值所組成的矩陣形式的數(shù)據(jù)就是柵格數(shù)據(jù).柵格數(shù)據(jù)概念如果一個(gè)圖像的灰度值只有兩種,通常用”1”表示前景元素,用”0”表示背景元素,則這個(gè)圖像也稱”二值圖像”.

在柵格數(shù)據(jù)中,二值圖像的每個(gè)像元只能用計(jì)算機(jī)中的一位”bit”表示.在這種表示法中,數(shù)據(jù)雖可得到高度壓縮,但不適宜表示多種制圖要素在同一幅圖像上出現(xiàn)的情況.

為了區(qū)分制圖物體的類型屬性,可以使不同制圖要素上的像元帶有不同的灰度值.因此需要為每個(gè)像元開(kāi)辟計(jì)算機(jī)中的若干位(通常為一個(gè)字節(jié)),以便存放不同的灰度值.柵格數(shù)據(jù)中的點(diǎn)線面點(diǎn)：表示為單個(gè)像元。線：在一定方向上連接成串的相鄰像元的集合。面：由聚集在一起的相鄰像元的集合。柵格數(shù)據(jù)概念四方向相鄰和八方向相鄰柵格數(shù)據(jù)的獲取1.遙感方法獲取(航天與航空);

2.圖片掃描獲取(紙介質(zhì)的地圖等掃描);

3.矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來(lái);

4.由平面上行距,列距固定的點(diǎn)抽樣而來(lái)

主要包括:(1)中心歸屬法(連續(xù)分布地理現(xiàn)象，人口密度、大氣污染);(2)面積占優(yōu)法（城市綠地面積分布）(3)重要性法.（具有特殊意義而面積較小的地理要素）柵格數(shù)據(jù)的基本運(yùn)算1.柵格圖像的平移(向右一格,再向上一格)柵格數(shù)據(jù)的基本運(yùn)算2.兩個(gè)柵格圖像的算數(shù)組合將兩個(gè)柵格圖像疊加,使它們對(duì)應(yīng)像元的灰度值相加,相減,相乘,相除,開(kāi)方和,平方和等等.柵格數(shù)據(jù)的基本運(yùn)算3.兩個(gè)柵格圖像的布爾邏輯組合柵格數(shù)據(jù)的基本運(yùn)算4.其它柵格圖像的基本運(yùn)算

(1)柵格灰度值乘上或加上一個(gè)常數(shù);

(2)柵格灰度值求其正弦,余弦等,方根,對(duì)數(shù),指數(shù)等;

(3)將某些柵格灰度值置成常數(shù)等;

(4)求一個(gè)柵格圖像中元素灰度值之和;

(5)找出一個(gè)柵格圖像中元素灰度值最大和最小等;

(6)求出兩個(gè)柵格圖像對(duì)應(yīng)灰度值的數(shù)量積;

(7)將兩層?xùn)鸥駡D像對(duì)應(yīng)灰度值比較,并把一個(gè)較大的元素記錄到結(jié)果柵格圖像中;

(8)進(jìn)行”二值圖像”處理等等.柵格數(shù)據(jù)的宏運(yùn)算1.擴(kuò)張柵格數(shù)據(jù)的宏運(yùn)算2.侵蝕柵格數(shù)據(jù)的宏運(yùn)算3.加粗柵格數(shù)據(jù)的宏運(yùn)算4.減細(xì)

減細(xì)的原理和過(guò)程與加粗幾乎一樣，因?yàn)榧哟帧?”像元就是減細(xì)“1”像元。但一定要注意：在減細(xì)的批處理中，若不附加一些必要的限制條件，就可能導(dǎo)致線劃的斷裂或要素的消失等。柵格數(shù)據(jù)的宏運(yùn)算5.填充(帶有邊界條件的逐步加粗法)柵格數(shù)據(jù)運(yùn)算的具體應(yīng)用（1）兩要素之間有粘連現(xiàn)象柵格數(shù)據(jù)運(yùn)算的具體應(yīng)用（2）三線公路的繪制（兩次加粗，異或運(yùn)算，或運(yùn)算）柵格數(shù)據(jù)運(yùn)算的具體應(yīng)用（3）柵格圖像的疊置分析柵格數(shù)據(jù)（1）柵格數(shù)據(jù)（2）柵格數(shù)據(jù)（3）上海東方明珠電視塔故宮柵格數(shù)據(jù)（4）柵格數(shù)據(jù)（5）

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1定義：矢量結(jié)構(gòu)是通過(guò)記錄坐標(biāo)的方式來(lái)表示點(diǎn)、線、面等地理實(shí)體。

2特點(diǎn)：定位明顯，屬性隱含。

3獲取方法：

(1)手工數(shù)字化法；

(2)手扶跟蹤數(shù)字化法；

(3)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換法。矢量數(shù)據(jù)概念矢量數(shù)據(jù)的編碼方法(P62)1.坐標(biāo)序列法

2.樹(shù)狀索引編碼法

3.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼法

矢量數(shù)據(jù)（1）矢量數(shù)據(jù)（2）矢量數(shù)據(jù)（3）矢量+柵格（1）矢量+柵格（2）柵格結(jié)構(gòu)特征——圖像空間被劃分為規(guī)則的柵格。地理實(shí)體的位置用它們占據(jù)的行列號(hào)(I,J)表示,每一格稱為一個(gè)像元，像元是用灰度值來(lái)表示的（0~255）。每個(gè)柵格與它表達(dá)的真實(shí)世界的空間實(shí)體沒(méi)有直接的聯(lián)系。例如：道路作為單一的柵格是不存在的，柵格的值表達(dá)了路是一個(gè)實(shí)體。道路是被具有道路屬性值的一組柵格表達(dá)的。矢量結(jié)構(gòu)特征——圖形用點(diǎn)線面表示現(xiàn)實(shí)世界的物體，每一個(gè)實(shí)體的位置用它們?cè)谧鴺?biāo)參考系統(tǒng)中的空間位置定義；用屬性表示物體的數(shù)量和質(zhì)量特征。例如，用一條線表達(dá)一條道路；一個(gè)多邊形表示一個(gè)湖泊。矢量模式與柵格模式比較柵格模式矢量模式優(yōu)點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單2、疊加操作更易實(shí)現(xiàn)、更有效3、能有效表達(dá)空間可變性4、便于做圖像的有效增強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更嚴(yán)密。2、提供有效的拓?fù)渚幋a，便于拓?fù)洳僮鳌?、圖形輸出美觀。缺點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)量大，需要壓縮。2、難以表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系。3、圖形輸出不美觀，有鋸齒。缺點(diǎn)：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2、疊加操作不方便。3、表達(dá)空間變化性能力差。4、不能做增強(qiáng)處理。柵格數(shù)據(jù)的組織數(shù)據(jù)文件像元1I坐標(biāo)J坐標(biāo)層1屬性值層2屬性值層N屬性值像元2像元N數(shù)據(jù)文件層1像元1I坐標(biāo)J坐標(biāo)屬性值層2層N像元2數(shù)據(jù)文件層1多邊形1屬性值像元1坐標(biāo)像元N坐標(biāo)層2層N多邊形N節(jié)省空間形式簡(jiǎn)單方便制圖柵格數(shù)據(jù)的壓縮技術(shù)(p67)長(zhǎng)度(變長(zhǎng))編碼法（LengthCodes)改變掃描順序法（ExchangeOrders)鏈?zhǔn)骄幋a(ChainCodes)游程長(zhǎng)度編碼(Run-LengthCodes)塊式編碼(BlockCodes)四叉樹(shù)編碼(QuadtreeEncoding)變長(zhǎng)編碼AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABBBBBBAAABBBBBBBDDDDBBBBBBDDDDDBBBBBDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCC全柵格編碼A100A101A42B62A33B73D44D55B55B64D56C56D57C57D58C59D59C59變長(zhǎng)編碼四叉樹(shù)編碼2220111332110012310111213110111112113四叉樹(shù)分解過(guò)程012320212223210211212213根容易而有效地計(jì)算多邊形的數(shù)量特征；陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分 四叉樹(shù)分級(jí)多，分辨率也高，而不需要表示的 細(xì)節(jié)部分則分級(jí)少，分辨率低。因而既可精確 表示圖形結(jié)構(gòu)，又可減少存儲(chǔ)量。直接?xùn)鸥窬幋a到四叉樹(shù)編碼及四叉樹(shù)到簡(jiǎn)單柵格 編碼的轉(zhuǎn)換比塊式編碼等其它壓縮方法容易。多邊形中嵌套不同類型小多邊形的表示較方便。

四叉樹(shù)編碼的優(yōu)點(diǎn)四叉樹(shù)編碼的最大缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換的不確定性，用同一形狀和大小的多邊形可能得出多種不同的四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，故不利于形狀分析和模式識(shí)別。但因它允許多邊形中嵌套多邊形即所謂“空洞”這種結(jié)構(gòu)存在，故越來(lái)越多的GIS工作者對(duì)四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)很感興趣。四叉樹(shù)編碼的缺點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)的組織無(wú)拓?fù)潢P(guān)系矢量結(jié)構(gòu)點(diǎn)實(shí)體線實(shí)體面實(shí)體標(biāo)示符X、y坐標(biāo)屬性值標(biāo)示符X、y坐標(biāo)對(duì)屬性值標(biāo)示符邊線標(biāo)示符屬性值點(diǎn)實(shí)體的組織點(diǎn)實(shí)體唯一標(biāo)示符類型簡(jiǎn)單點(diǎn)文字說(shuō)明結(jié)點(diǎn)序列號(hào)X、y坐標(biāo)有關(guān)的屬性其它有關(guān)的屬性如果是簡(jiǎn)單點(diǎn)符號(hào)比例尺方向如果是文字說(shuō)明如果是結(jié)點(diǎn)字符大小方向字體排列符號(hào)指針與線相交的角度2.線實(shí)體編碼唯一標(biāo)示碼線標(biāo)示碼起始點(diǎn)終止點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)序列顯示信息非幾何屬性多邊形矢量編碼多邊形環(huán)路法樹(shù)狀索引編碼法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼法由多邊形邊界的x,y坐標(biāo)隊(duì)集合及說(shuō)明信息組成對(duì)所有邊界點(diǎn)數(shù)字化，將坐標(biāo)對(duì)以順序方式存儲(chǔ)，由點(diǎn)索引與邊界線號(hào)相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系形成完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織矢量數(shù)據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即基本要素點(diǎn)線面和實(shí)體之間具有鄰接、關(guān)聯(lián)和包含的拓?fù)潢P(guān)系,與長(zhǎng)度面積無(wú)關(guān)。什么叫拓?fù)洌縏opology一詞來(lái)自希臘文，它的原意是“空間關(guān)系的研究—或?yàn)樾螤畹难芯俊薄Ｍ負(fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，它研究在拓?fù)渥儞Q下能保持不變的幾何屬性——拓?fù)鋵傩?。?“點(diǎn)的內(nèi)置”是拓?fù)鋵傩裕幻娣e則不是拓?fù)鋵傩?歐幾里德平面上實(shí)體對(duì)象所具有的拓?fù)浜头峭負(fù)鋵傩酝負(fù)鋵傩砸粋€(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段的端點(diǎn)一個(gè)弧段是一個(gè)簡(jiǎn)單弧段（自身不相交）一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上（內(nèi)部、外部）一個(gè)面是簡(jiǎn)單面（面上沒(méi)有“島”）一個(gè)面的連接性（給定面上任意兩點(diǎn)，從一點(diǎn)可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點(diǎn)）非拓?fù)鋵傩詢牲c(diǎn)之間的距離弧段的長(zhǎng)度一個(gè)區(qū)域的周長(zhǎng)一個(gè)區(qū)域的面積基本拓?fù)湟馗拍?P58)：

線段（ARC，弧段），在線段的中間與其他任何線段不存在任何相關(guān)關(guān)系，在線段的端點(diǎn)才與其他的線段有關(guān)系。線段是有向線段，它的方向有首尾端點(diǎn)確定。

結(jié)點(diǎn)(NODE)，即線段的兩端點(diǎn)，可以分為首結(jié)點(diǎn)和尾結(jié)點(diǎn)。

多邊形(POLYGON),由數(shù)條線段有序的首尾連接而成。

層（LAYER）,具有相同屬性的拓?fù)湟氐慕M合?；就?fù)潢P(guān)系：拓?fù)溧徑?、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)、拓?fù)浒負(fù)溧徑樱≒58）存在于空間圖形之間同類要素之間的拓?fù)潢P(guān)系。多邊形P1和P2,P1和P3

在空間上相鄰接；弧段L2，L3，和L5在空間上相鄰接；節(jié)點(diǎn)V1與V9,V9與V4等在空間上相鄰接。1354ADCbcBda弧左多邊形右多邊形aDCbCAcABdDA拓?fù)潢P(guān)聯(lián)指存在于空間圖形中的不同類要素之間的拓?fù)潢P(guān)系。

節(jié)點(diǎn)V9與弧段L3，L5，L6關(guān)聯(lián)；多邊形P1與弧段L1，L2，L3，L6關(guān)聯(lián)多邊形弧p1L1、L3、L6、L7p2L2、L3、L5p3L4、L5、L6p4L7拓?fù)浒复嬖谟诳臻g圖形中同類但不同級(jí)的基本要素之間的拓?fù)潢P(guān)系。多邊形P1包含多邊形P4

柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換柵格和矢量均有各自的特點(diǎn)。從點(diǎn)、線、面實(shí)體轉(zhuǎn)化為規(guī)則單元，這是矢量數(shù)據(jù)柵格化（p71)。從柵格單元轉(zhuǎn)換到幾何圖形的過(guò)程，稱為柵格數(shù)據(jù)矢量化(p72)。1.矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（1）確定柵格單元的大小柵格單元的大小就是它的分辨率，應(yīng)根據(jù)原圖的精度，變換后的用途及存儲(chǔ)空間等因素予以決定。柵格單元的邊長(zhǎng)在X，Y坐標(biāo)系中的大小用ΔX和ΔY表示。設(shè)Xmax、Xmin和Ymax、Ymin分別表示全圖X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的最大值與最小值，I，J表示全圖格網(wǎng)的行數(shù)和列數(shù)。

XY（0，0）JIxminxmaxyminymaxΔXΔY它們之間的關(guān)系為：ΔX=（Xmax-Xmin）/JΔY=（Ymax-Ymin）/I

柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換（2）點(diǎn)的柵格化點(diǎn)的變換只要這個(gè)點(diǎn)落在某一個(gè)柵格中，就屬于那個(gè)柵格單元，其行、列號(hào)I、J可由下式求出：I=1+INT[（Ymax-Y）/ΔY]J=1+INT[（X-Xmin）/ΔX]式中INT表示取整函數(shù)。柵格點(diǎn)的值用點(diǎn)的屬性表示。（3）線的柵格化如圖所示，設(shè)兩個(gè)端點(diǎn)的行、列號(hào)已經(jīng)求出，其行號(hào)為3和7，則中間網(wǎng)格的行號(hào)必為4、5、6。其網(wǎng)格中心線的Y坐標(biāo)應(yīng)為：Yi=Ymax-ΔY×(I-1/2)

而與直線段交點(diǎn)的X坐標(biāo)為：

Xi=[(X2-X1)/(Y2-Y1)](Yi-Y1)+X1

??YX34567（X1，Y1）（X2，Y2）柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換（4）多邊形（面域）柵格化左碼記錄法：要完成面域的柵格化，其首要前提是實(shí)現(xiàn)以多邊形線段反映其周圍面域的屬性特征。目前一般采用的是左碼記錄法。其原理如圖所示，有一閉合多邊形，它將整個(gè)矩形面域分割成屬性為1和0的兩部分。轉(zhuǎn)換的第一步工作即是要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。ABCDEF01柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換

第一步，從數(shù)字化數(shù)據(jù)的第一點(diǎn)開(kāi)始依次記錄每一點(diǎn)左邊面域的屬性值（面域外為0，面域內(nèi)為1）。記錄方法可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，這樣，每一個(gè)多邊形數(shù)字化點(diǎn)便實(shí)現(xiàn)了“三值化”，即坐標(biāo)值、線段自身屬性值及左側(cè)面域?qū)傩灾怠５诙?，?duì)多邊形每一條邊，按以上所述的線段柵格化的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到如圖所示的數(shù)據(jù)組成。柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換第三步，節(jié)點(diǎn)處理，使節(jié)點(diǎn)的柵格值惟一而準(zhǔn)確。第四步，排序，從第一行起逐行按列的先后順序排序，這時(shí)，所得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全等同于柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。最后，展開(kāi)為全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成由矢量數(shù)據(jù)系統(tǒng)向柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換如圖所示。柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換2.柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通常包括以下四個(gè)基本步驟：⑴多邊形邊界提取采用高通濾波將柵格圖像二值化，并經(jīng)過(guò)細(xì)化標(biāo)識(shí)邊界點(diǎn)，如圖所示①二值化。線劃圖形掃描后產(chǎn)生柵格數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是按從0-255的灰度值量度的，設(shè)以G（i，j）表示，為了將這種256或128級(jí)不同的灰階壓縮到2兩個(gè)灰階，即0和1兩級(jí)，首先要在最大和最小灰階之間定義一個(gè)闕值，設(shè)闕值為T，則如果G（i，j）大于等于T，則記此柵格的值為1。如果G（i，j）小于T則記此柵格的值為0，得到一幅二值圖，如圖下圖（a）。(a)(b)(c)(d)柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換②細(xì)化。細(xì)化是消除線劃?rùn)M斷面柵格數(shù)的差異，使得每一條線只保留代表其軸線或周圍輪廓線（對(duì)面狀符號(hào)而言）位置的單個(gè)柵格的寬度，對(duì)于柵格線劃的“細(xì)化”方法，可分為“剝皮法”和“骨架法”兩大類。剝皮法的實(shí)質(zhì)是從曲線的邊緣開(kāi)始，每次剝掉等于一個(gè)柵格寬的一層，直到最后留下彼此連通的由柵格點(diǎn)組成的圖形。因?yàn)橐粭l線在不同位置可能有不同的寬度，故在剝皮過(guò)程中必須注意一個(gè)條件，即不允許剝?nèi)?huì)導(dǎo)致曲線不連通的柵格。這是這一方法的關(guān)鍵所在。其解決方法是，借助一個(gè)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的，由待剝柵格為中心的3×3柵格組合圖（下圖）來(lái)決定。通過(guò)研究，其中只有格式2，3，4，5，10，11，12，16，21，24，28，33，34，35，38，42，43，46和50，可以將中心點(diǎn)剝?nèi)?。這樣，通過(guò)最多核查256×8個(gè)柵格，便可確定中間柵格點(diǎn)保留或刪除，直到最后得到經(jīng)細(xì)化