Kang-tsung Chang地理信息系統(tǒng)導論知識考點

第1章緒論

一、GIS

地理信息系統(tǒng)(GIS)是用于采集、存儲、查詢、分析和顯示地理

空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。地理空間數(shù)據(jù)又稱地理參照數(shù)據(jù)，是用于描述

位置和空間要素屬性的數(shù)據(jù)。

1.GIS組成

(1)硬件

硬件包括計算機系統(tǒng)。其他設備還包括顯示器、數(shù)字化儀和掃描

儀，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器和野外工作的移動設備，打印機和繪

圖儀。

(2)軟件

GIS軟件包括源代碼和用戶界面。

(3)專業(yè)人員

GIS專業(yè)人員確定使用GIS的目的和目標。

(4)基礎設施

基本設施包括必備的技能、數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)交換中心和通用組織模

式。

2.GIS簡史

(1)20世紀60年代末以來

計算機用于存儲和處理地理參照數(shù)據(jù)。

(2)60年代末到70年代

①愛丁堡大學的計算機制圖，哈佛計算機圖形實驗室和試驗制圖單

位。

②加拿大土地勘查和其后的加拿大地理信息系統(tǒng)的發(fā)展。

③lanMcHarg的《自然設計》的出版及其所包含的用于適宜性分析

的地圖疊置方法。

④美國人口普查局的DIME(二值獨立地圖編碼)系統(tǒng)中引入帶有

拓撲關系的城市街道網(wǎng)絡。

(3)20世紀90年代

圖形用戶界面(GUI)、功能強大和能支付得起的軟硬件以及公共

數(shù)字化數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，拓寬了GIS的應用范圍，并使GIS進入主流應用。

3.GIS軟件產(chǎn)品

(1)ESRI公司

主要軟件產(chǎn)品是ArcGIS,它包括ArcView、ArcEditor和Arcinfo三種

可擴充系統(tǒng)。

(2)Intergraph公司

兩個主要產(chǎn)品：GeoMedia和MGE。

二、GIS應用

LGIS在網(wǎng)絡上應用于自然資源管理的實例

(1)突發(fā)事件信息系統(tǒng)將野火事件編成目錄，并提供火情信息。

(2)土地管理局維護的公共網(wǎng)站公布地塊、礦藏和采礦權(quán)等數(shù)據(jù)。

(3)國家氣象局提供天氣數(shù)據(jù)。

2.互聯(lián)網(wǎng)上GIS新近應用的例子

(1)美國住房和城市發(fā)展部有一項在線服務”繪制你的社區(qū)”，它令

用戶將住宅開發(fā)信息與環(huán)境數(shù)據(jù)、洪水災害、人口地理和其他數(shù)據(jù)結(jié)合

在一起制圖。

(2)美國國家司法研究所用GIS繪制犯罪記錄地圖并分析其時空模

式。

(3)美國衛(wèi)生與公眾服務部的數(shù)據(jù)倉庫提供了獲取衛(wèi)生資源的信

息，包括社區(qū)衛(wèi)生服務中心。

(4)由美國聯(lián)邦高速公路管理局提供的人口普查交通規(guī)劃軟件包，

包括在國家的高速公路規(guī)劃網(wǎng)絡和交通規(guī)劃中的其他GIS數(shù)據(jù)資源。

(5)國家地理空間技術(shù)推廣網(wǎng)絡，通過連接GIS與具體地點的農(nóng)業(yè)

活動來促進精準農(nóng)業(yè)。

3.新近的商業(yè)應用類型

(1)交互式制圖網(wǎng)站提供定位尋找不動產(chǎn)清單、信用社服務中心、

餐館、咖啡館和酒店。

(2)基于位置的服務可確定移動電話用戶的位置信息，如附近的自

動取款機和餐館，并可追蹤朋友、約會對象、小孩和老人。

(3)移動GIS允許外業(yè)工人在野外收集和利用地理空間數(shù)據(jù)。

(4)移動資源管理工具跟蹤和管理野外工人的位置和實時移動資

產(chǎn)。

（5）汽車導航系統(tǒng)給司機提供實時監(jiān)控、最優(yōu)路線，并即時更新路

況信息。

三、地理參照數(shù)據(jù)

1.坐標系統(tǒng)

地球表面的空間要素是以地理坐標系統(tǒng)為參照，用經(jīng)緯度值來表示

的。這些要素在地圖上顯示時通常是基于投影坐標系統(tǒng)，用x、y坐標表

示。這兩個空間參照系統(tǒng)通過投影過程聯(lián)系在一起。

2.矢量數(shù)據(jù)模型

（1）矢量數(shù)據(jù)模型的定義

矢量數(shù)據(jù)模型使用點及其x、y坐標來表示具有清晰空間位置和邊

界的具體要素。矢量數(shù)據(jù)模型可以分為如下兩類：

①地理關系數(shù)據(jù)模型

地理關系數(shù)據(jù)模型將空間要素的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別存儲，兩

者通過要素ID連接起來。

②基于對象的數(shù)據(jù)模型

基于對象的數(shù)據(jù)模型將幾何形狀和屬性存儲在唯一系統(tǒng)中，并將空

間要素看作具有相關屬性和方法的對象。

（2）拓撲的數(shù)據(jù)意義

①拓撲明晰地表達了要素之間的空間關系。

②拓撲保證了矢量數(shù)據(jù)的完整性。

（3）非拓撲的數(shù)據(jù)意義

非拓撲的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)交互式操作，并能在電腦上較快顯示。

(4)分區(qū)

分區(qū)允許空間不相鄰多邊形和重疊多邊形的存在。

(5)動態(tài)分段

動態(tài)分段將一維的線段測量和兩維的投影坐標結(jié)合起來。

3.柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)模型使用格網(wǎng)和格網(wǎng)像元來表示如高程、降水等連續(xù)要

素。每個像元有一個值，代表該像元位置上的連續(xù)表面的數(shù)值。

四、GIS操作

GIS操作的分類如下：

1.空間數(shù)據(jù)輸入

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取，新數(shù)據(jù)可以通過紙質(zhì)地圖、衛(wèi)星

影像、GPS數(shù)據(jù)、野外調(diào)查、街道地址以及帶有x、y坐標的文本文件數(shù)

字化獲得。新建的數(shù)字化地圖大都需要編輯和幾何轉(zhuǎn)換。

2.屬性數(shù)據(jù)管理

屬性數(shù)據(jù)用來描述空間要素的特征，這些數(shù)據(jù)通過數(shù)字化和編輯來

輸入和校驗。

3.數(shù)據(jù)顯示

用于展示的地圖通常具有一系列要素：標題、副標題、地圖主體、

圖例、指北針、比例尺、注釋、圖廓線和邊框。這些要素作為一個整體

將空間信息傳遞給地圖用戶。

4.數(shù)據(jù)探查

數(shù)據(jù)探查通常是數(shù)據(jù)分析的前期工作，包括弄清數(shù)據(jù)中的大概趨

勢，更好地觀察并理解數(shù)據(jù)子集，以及關注數(shù)據(jù)集間的可能關系。

5.數(shù)據(jù)分析

(1)矢量數(shù)據(jù)分析的工具；

(2)柵格數(shù)據(jù)分析的工具；

(3)地形制圖與分析；

(4)視域和流域；

(5)地理編碼和動態(tài)分段；

(6)路徑分析和網(wǎng)絡應用。

6.GIS模型和建模

GIS模型一般可分為以下4種類型：

(1)二值模型

二值模型通過對地圖疊置分析輸出結(jié)果的查詢，將符合指標的區(qū)域

與不符合指標的分離出來。

(2)指數(shù)模型

指數(shù)模型則從地圖疊置輸出結(jié)果計算出指數(shù)值，基于指數(shù)值生成等

級區(qū)域。

(3)回歸模型

回歸模型也是依賴地圖疊置來進行自變量與因變量之間統(tǒng)計關系的

數(shù)據(jù)組合分析。

(4)過程模型

過程模型是綜合有關現(xiàn)實世界環(huán)境過程的已有知識，并用一組關系

式和方程使過程定量化。

第2章坐標系統(tǒng)

一、地理坐標系統(tǒng)

1.地理坐標系統(tǒng)的定義

地理坐標系統(tǒng)是地球表面空間要素的定位參照系統(tǒng)。地理坐標系統(tǒng)

是由經(jīng)度和緯度定義的。

(1)經(jīng)緯度的度量

經(jīng)度是從本初子午線開始向東或向西量度角度，緯度是從赤道平面

向北或向南量度角度。

圖2-1左圖上的a代表經(jīng)度讀數(shù)，右圖上的b代表緯度讀數(shù)。經(jīng)、緯度均

用角度度量

(2)子午線

子午線是指經(jīng)度相同的線。本初子午線經(jīng)過英格蘭的格林尼治，經(jīng)

度為0。以本初子午線為參照，可以從本初子午線開始向東或向西在0。?

180。測量地球表面某個地點的經(jīng)度值。

（3）緯線

緯線是指緯度相同的線。以赤道為0。緯度，從赤道向南或向北在0。

?90。測量緯度值。緯線用于測量南北方向的位置。

（4）地理坐標與平面坐標

本初子午線和赤道被看作是地理坐標系統(tǒng)的基線。地理坐標的符號

就像一個平面坐標：經(jīng)度值相當于坐標系統(tǒng)的x值，緯度值相當于y值。

GIS中通常輸入帶正號或負號的經(jīng)度和緯度值。經(jīng)度值以東半球為正，

西半球為負。緯度值以赤道以北為正，赤道以南為負。

（5）經(jīng)緯度的表示

經(jīng)線和緯線的角度可以用度一分一秒（DMS）、十進制表示的度數(shù)

（DD）,或者是弧度（rad）的形式表示。

2.地球的近似表示

（1）橢球體

地球的赤道比兩極之間寬一些，與地球形狀比較接近的是一個以橢

圓短軸旋轉(zhuǎn)而成的橢球，也稱為橢球體。

（2）橢球體的基本特征

橢球有與赤道相連的長軸（a）和與極點相接的短軸（b）（圖2-

2）。參數(shù)扁率（f）用于測量橢球兩軸的差異，定義公式為（a-b）/a。

圖2-2扁率取決于長半軸a與短半軸b之差異

3.大地基準

（1）大地基準的定義

大地基準是地球的一個數(shù)學模型，可作為計算某個位置地理坐標的

參照或基礎。大地基準的定義包括大地原點、用于計算的橢球參數(shù)、橢

球與地球在原點的分離。

（2）大地基準的演變

①20世紀80年代末，克拉克橢球1866作為一個大地測量橢球體，成

為美國地圖繪制的標準橢球體。

②NAD27（1927年北美基準面）建立在克拉克橢球1866的基礎

上，其原點位于堪薩斯州的MeadesRanch0

③1986年美國國家大地測量局（NGS）引入的NAD83（1983年北

美基準）是以GRS80（大地測量參照系統(tǒng)1980）橢球體為基礎的以地球

為中心（也稱為地心）的基準面。

④WGS84（全球大地測量系統(tǒng)1984）是由美國國防部的國家圖像

與制圖局（NIMA,現(xiàn)在的國家地理空間情報局，或稱為NGA）制定的

參照系統(tǒng)或基準。

二、地圖投影

1.地圖投影的定義及優(yōu)點

(1)地圖投影的定義

投影是從球形的地球表面到平面的轉(zhuǎn)換過程，這個轉(zhuǎn)換過程的結(jié)果

是地圖投影，即以經(jīng)緯線在平面上以系統(tǒng)排列來代表地理坐標系統(tǒng)。

(2)地圖投影的優(yōu)點

①地圖投影可用二維的紙質(zhì)或數(shù)字地圖代替地球儀；

②地圖投影可用平面坐標或投影坐標，而不是是經(jīng)緯度值。用地理

坐標計算會更加復雜，還會減少距離測量的精度。

2.地圖投影類型

(1)按地圖投影所保留的性質(zhì)分類及其特征

①分類

制圖者通常根據(jù)地圖投影所保留的性質(zhì)將其分成四類：正形、等面

積或等積、等距和等方向或真方位。

②特征

a.正形投影保留了局部角度及其形狀；

b.等積投影以正確的相對大小顯示面積；

c.等距投影保持沿確定路線的比例尺不變；

d.等方位投影保持確定的準確方向。

（2）按投影面來分類

地圖投影可根據(jù)投影面劃分為圓柱投影、圓錐投影和方位投影。

3.地圖投影參數(shù)

（1）標準線的定義

標準線是指投影面與參考橢球的切線，是定義地圖投影的一個普通

參數(shù)，它與切割狀態(tài)直接相關。如果標準線沿緯線方向則稱為標準緯

線，如果沿經(jīng)線方向則稱為標準經(jīng)線。

（2）比例尺

①定義

比例尺是指圖上（或球體）距離與相應的實地距離之間的比值，是

一種普通的測量投影變形方法。

②適用范圍

主比例尺僅適用于地圖投影的標準線，這就是標準緯線有時也稱為

真比例尺緯線的原因。局部比例尺適用于地圖投影的其他部分。局部比

例尺會依投影變形的程度而發(fā)生變化。

（3）比例系數(shù)的定義

比例系數(shù)是標準局部比例尺，即局部比例尺與主比例尺的比值。

三、常用地圖投影

1.橫軸墨卡托投影

橫軸墨卡托投影又稱為高斯-克里格投影，是墨卡托投影的一種變

種，是世界上最有名的投影。墨卡托投影用的是標準緯線，而橫軸墨卡

托投影用的則是標準經(jīng)線。兩種投影都屬于正形投影。

2.蘭勃特正形圓錐投影

對于東西伸展大于南北伸展的中緯度地區(qū)，用蘭勃特正形圓錐投影

是一個很好的選擇。

3.阿伯斯等積圓錐投影

阿伯斯等積圓錐投影要求的參數(shù)與蘭勃特正形圓錐投影所要求的參

數(shù)相同。實際上兩個投影看起來很相似，不同之處在于一個是等積投影

而另一個是正形投影。

4.等距圓錐投影

等距圓錐投影也稱為簡單圓錐投影。該投影保持了所有經(jīng)線和一條

或兩條標準線上的距離性質(zhì)。它所用的參數(shù)與蘭勃特正形圓錐投影所用

的參數(shù)相同。

四、投影坐標系統(tǒng)

1.投影坐標系統(tǒng)的定義

投影坐標系統(tǒng)是基于地圖投影而建立的。投影坐標系統(tǒng)和地圖投影

可以交替使用。美國常用以下三種坐標系統(tǒng)：通用橫軸墨卡托格網(wǎng)系

統(tǒng)、通用極射格網(wǎng)系統(tǒng)(UPS)和國家平面坐標系統(tǒng)(SPC)。

2.通用橫軸墨卡托格網(wǎng)系統(tǒng)

(1)UTM格網(wǎng)系統(tǒng)適用于全世界范圍。

(2)將84°N到80空的地球表面分成60個帶，每個帶覆蓋6個經(jīng)度，

并從180。0開始編為第一帶，依序編號。

(3)每個帶又分成南北兩個半球。每個UTM分帶名稱都帶有一個

號碼和一個字母。

圖2-3顯示美國大陸的UTM分帶。

3.通用極射坐標系格網(wǎng)系統(tǒng)

UPS格網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋了極地地區(qū)。與UTM格網(wǎng)系統(tǒng)相似，極射投影以

極點為中心，并將極地地區(qū)分成一系列l(wèi)OOOOOm?的地區(qū)。

4.國家平面坐標系統(tǒng)

(1)SPC系統(tǒng)的定義

SPC系統(tǒng)是在20世紀30年代發(fā)展起來的，用于永久記錄美國最初土

地調(diào)查界碑位置。為了保持1：10000或更大比例尺的精度，一個州可能

有兩個或多個SPC分帶。

(2)SPC的特點

①每個SPC帶都有一個地圖投影。

②南北方向延伸的帶適用橫軸墨卡托投影，東西方向延伸的帶適用

蘭勃特正形圓錐投影。

③每個SPC帶中點的位置都用該帶西南端的偽原點來度量。

5.公用土地調(diào)查系統(tǒng)

PLSS是一個土地分區(qū)系統(tǒng)。采用鎮(zhèn)區(qū)和山脈相交線，該系統(tǒng)將主

要位于中、西部各州的土地分成6mix6mi的方格或鎮(zhèn)區(qū)。每個鎮(zhèn)區(qū)進一

步被分成36個llniz（640acres）的單元，稱為地塊（實際上，很多地塊

的大小都不是精確的1mix1mi）。

五、在GIS中運用坐標系統(tǒng)

1.投影文件

（1）投影文件的定義

投影文件是一個存儲了數(shù)據(jù)集所基于的坐標系統(tǒng)的信息的文本文

件。

（2）投影文件包含的信息

投影文件包括三個部分

①第一部分定義地理坐標系統(tǒng)

大地基準面定義為NAD83,橢球體定義為GRS80,本初子午線為格

林尼治0。經(jīng)線，單位為度。

②第二部分列明了各投影參數(shù)

名稱、橫坐標東移假定值、縱坐標北移假定值、中央經(jīng)線、比例系

數(shù)和緯度原點。

③第三部分定義線單位為米

(3)投影文件的用途

①識別數(shù)據(jù)集的坐標系；

②可用于該數(shù)據(jù)集的投影或重新投影；

③可輸出到基于相同坐標系統(tǒng)的其他數(shù)據(jù)集。

2.預定義坐標系統(tǒng)

GIS軟件包通常把坐標系統(tǒng)分成預定義和自定義兩組。一個預定義

坐標系統(tǒng)，無論是地理坐標系統(tǒng)還是投影坐標系統(tǒng)，都意味著其參數(shù)值

已知或在GIS軟件包中已被編碼。因此用戶可以選擇預定義坐標系統(tǒng)而

無需定義參數(shù)。相反，自定義坐標系統(tǒng)要求用戶指定參數(shù)值。

3.即時投影

即時投影是GIS銷售商重點推介的一個特征。即時投影可根據(jù)不同

坐標系統(tǒng)顯示其數(shù)據(jù)集。軟件包使用現(xiàn)有投影文件并自動將數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換

成通用坐標系統(tǒng)，這個通用坐標系統(tǒng)是所顯示的第一個數(shù)據(jù)集的默認坐

標系統(tǒng)。

第3章矢量數(shù)據(jù)模型

一、簡單要素的表示

1.空間要素的表示

矢量數(shù)據(jù)模型用點、線和面等幾何對象來表示簡單的空間要素。

2.點、線、面所表示要素的區(qū)別

這三種幾何對象及其所表示的要素間的區(qū)別在于維度和性質(zhì)。

⑴點

點的維數(shù)為零，且只有位置性質(zhì)。點要素由一個點或一系列獨立點

組成。

(2)線

線是一維的，除了位置之外，還有長度特性。線是由兩個端點及其

之間一系列具有標記線形態(tài)的點所構(gòu)成，線的形態(tài)可以是平滑曲線或者

是折線(相連的直線線段)。折線要素由線組成。

(3)面

面是二維的，除了位置之外，還有面積和周長性質(zhì)。面由連接的、

閉合的和不相交的線段組成，面要素可以是單獨邊界的或與其他面共享

邊界的。面要素由多邊形組成。

二、拓撲

1.拓撲的定義

拓撲是研究幾何對象在彎曲或拉伸等變換下仍保持不變的性質(zhì)0

2.拓撲統(tǒng)一地理編碼格式

拓撲在地理空間技術(shù)上的早期應用是來自美國人口普查局的拓撲統(tǒng)

一地理編碼格式(TIGER)數(shù)據(jù)庫。

(1)普查區(qū)在TIGER數(shù)據(jù)庫中，點稱為0像元，線稱為1像元，面稱

為2像元。TIGER數(shù)據(jù)庫中每一個1像元是一條從起點指向終點的且有明

確左右側(cè)的有向線。

(2)每一個2像元和0像元都有與之相關聯(lián)的1像元知識。

(3)TIGER數(shù)據(jù)庫包括點、線和面之間的空間關系?；谶@種內(nèi)置

的空間關系，TIGER數(shù)據(jù)庫可以將街區(qū)與構(gòu)成其邊界的街道或道路聯(lián)系

起來，同樣，也可以確定在某一條街道左側(cè)或右側(cè)的地址。

3.拓撲的重要性

拓撲有兩個主要優(yōu)點：

(1)拓撲能確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性。

(2)拓撲可強化GIS分析。

三、地理關系數(shù)據(jù)模型

1.Coverage

Coverage支持以下三種基本拓撲關系。

(1)連接性

弧段間通過節(jié)點彼此連接；

(2)面定義

由一系列相連的弧段定義面；

(3)鄰接性

弧段有方向性，且有左多邊形和右多邊形。

2.Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)點的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

點的Coverage很簡單，包含要素標識碼(IDs)和成對的x和y坐標

(圖3-1)。

圖3-1點的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(2)線的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖3-2顯示線的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。開始點稱為起“始節(jié)點”，結(jié)束點

稱為“到節(jié)點”。弧段-節(jié)點表列出了弧段-節(jié)點的關系。

(10.10)銘段節(jié)點清航

的節(jié)點利節(jié)點

1II12

21213

31215

41315

SIS14

6IS16

氨段坐標清單

Q”林

1(09)⑵9)

2(29)區(qū)9)

3Q9)伍6)(4.4“42)

4(8,9)(8,7)(7,5>(6J)(4J>

S(42)(1力

6(42)(40)

圖3-2線的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（3）面的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖3-3顯示面的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。多邊形-弧段表顯示多邊形和弧

段之間的關系。在圖3-3中的弧段-坐標清單顯示了組成弧段的節(jié)點和端

點。

髭段”2型標

1(1J)(⑶<49

2（4陽（9陽（9對

3(9.6K9.n<i.U(l3)

4H.9)(4,7)(5,5)03)

50.6“”)15,3)

6麗）心）

73力南勒立力（75向0,7）

圖3-3多邊形的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.非拓撲矢量數(shù)據(jù)

在ESRI產(chǎn)品中采用的標準非拓撲數(shù)據(jù)格式稱為Shapefile。非拓撲數(shù)

據(jù)有兩個主要優(yōu)點：

（1）非拓撲矢量數(shù)據(jù)能比拓撲數(shù)據(jù)更快速地在計算機屏幕上顯示出

來。對于僅僅是使用而不是生產(chǎn)GIS數(shù)據(jù)的用戶而言，該優(yōu)點特別重

要。

（2）非拓撲數(shù)據(jù)具有非專有性和互操作性，這意味著非拓撲數(shù)據(jù)可

以在不同軟件包之間通用。

四、基于對象數(shù)據(jù)模型

基于對象數(shù)據(jù)模型將地理空間數(shù)據(jù)作為對象?；趯ο蟮臄?shù)據(jù)模型

把空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在一個系統(tǒng)中；基于對象的數(shù)據(jù)模型允許一

個空間要素（對象）與一系列屬性和方法相聯(lián)系。

1.類和類之間的關系

（1）類的定義

類是一系列具有相似屬性的對象。

（2）類之間的關系

為了使軟件開發(fā)商能夠系統(tǒng)地組織類和它們的屬性及方法，面向?qū)?/p>

象技術(shù)允許建立類之間的關系。

①聯(lián)合

聯(lián)合指兩個類之間有多少種對應關系。形成對應關系的兩個類可構(gòu)

成一個對應關系表達式。對應關系表達式的一端是1（默認），另一端

是1或更多（1..*）0

②聚合

聚合定義了類之間的整體與部分的關系。聚合是聯(lián)合概念的一種情

況，只是在對應關系表達式的一端（“整體”）數(shù)目為1,而另一端（“部

分”）是0或任意一個正整數(shù)。

③合成

合成描述部分是不能獨立于整體存在的一種聯(lián)合。

④類繼承

類繼承指的是父類和子類間的關系。子類是父類的一員，并繼承父

類的屬性和方法，但是子類可以擁有區(qū)別于父類中其他子類的屬于自己

的屬性和方法。

⑤實例化

實例化指一個類的對象可以由另一個類中的對象創(chuàng)建。

2.接口

（1）接口的定義

接口代表類或者對象的一系列外部可視化操作?；趯ο蠹夹g(shù)是使

用封裝性將對象的屬性和方法隱藏起來，使得只能通過預定義接口訪問

對象的技術(shù)。

（2）如何用兩個接口來獲得一個要素圖層的區(qū)域范圍

①通過IGeodataset這一Geodataset對象所支持的接口來訪問Extent屬

性

屬性Extent返回對象Envelope,用于執(zhí)行［Envelope接口。

②用接口的屬性XMin、XMax、YMin和YMax來獲得區(qū)域范圍。

3.Geodatabase

(1)Geodatabase

Geodatabase是基于對象矢量數(shù)據(jù)模型的一個例子，是由ESRI公司

開發(fā)的作為ArcGISDesktop基礎的AreObjeets的一部分。

(2)AreObjeets

AreObjeets包含數(shù)千的對象和類。許多ArcGIS用戶不需要直接處理

AreObjeets,因為菜單、圖標和對話框已經(jīng)由ESRI公司制定，以訪問在

ArcObjects中的對象以及它們的屬性和方法。

(3)Geodatabase對矢量空間要素的表示方法

①點

點要素可以是單一的一個點，也可以由多個點組成。

②聚合線

聚合線要素由一系列線段組成，線段間可以相互連接或不連接。

③多邊形

多邊形要素由一個或多個環(huán)組成。一個環(huán)由一系列相互連接的、閉

合的和無交叉的線段組成。

(4)Geodatabase對矢量數(shù)據(jù)集的組織

Geodatabase將矢量數(shù)據(jù)集組織成要素類和要素數(shù)據(jù)集。

①要素類

要素類存儲具有相同幾何類型的空間要素。除了要素類外，

Geodatabase也能存儲柵格數(shù)據(jù)、不規(guī)則三角網(wǎng)、位置數(shù)據(jù)和屬性表。

②要素數(shù)據(jù)集

要素數(shù)據(jù)集存儲具有相同坐標系和區(qū)域范圍的要素類。要素數(shù)據(jù)集

中包含的要素類與其他要素類有拓撲關聯(lián)，如不同水平的人口普查單元

共用邊界。

(5)Geodatabase的用途

Geodatabase可用于單個用戶，也可用于多個用戶。

①單個用戶

單用戶數(shù)據(jù)庫可以是個人Geodatabase或者文件Geodatabase。

a.個人Geodatabase

個人Geodatabase將數(shù)據(jù)存儲在MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫的表格中，以

mdb為擴展名；

b.文件Geodatabase

文件Geodatabase是把數(shù)據(jù)以許多小文件的形式存儲在文件夾中，以

gdb為擴展名。它沒有整個數(shù)據(jù)庫的大小限制，并且可以跨平臺作業(yè)。

②多個用戶

多用戶或者ArcSDEgeodatabase在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)如Oracle、

MicrosoftSQLServerIBMDB2和Informix中存儲數(shù)據(jù)。

4.拓撲規(guī)則

(1)拓撲規(guī)則

Geodatabase提供了即時拓撲，將拓撲定義為關系規(guī)則，讓用戶選擇

規(guī)則，并在要素數(shù)據(jù)集中執(zhí)行。

（2）拓撲規(guī)則按要素分類

表3-1顯示按要素類歸納的25種拓撲規(guī)則。一些規(guī)則用于一個要素

類里的要素，而另一些用于兩個或多個要素類。用于一個幾何要素類中

的要素的規(guī)則，在功能上與Coverage模型所帶的拓撲相似；用于兩個或

多個要素類的規(guī)則只出現(xiàn)在Geodatabase中。

表3-1Geodatabase數(shù)據(jù)模型中的拓撲規(guī)則

要素類規(guī)則

不重疊，沒有間隙，不與其他圖層重疊，必須被另一

多邊形要素類覆蓋，必須相互覆蓋，必須被覆蓋，邊界必須被覆

蓋，區(qū)域邊界必須被另一邊界覆蓋，包含點

不重疊，不相交，沒有懸掛弧段，沒有偽結(jié)點，不相

交或內(nèi)部接觸，不與其他圖層重疊，必須被另一要素類覆

我

蓋，必須被另一圖層的邊界覆蓋，終節(jié)點必須被覆蓋，不

能自重疊，不能自相交，必須是單一部分

必須被另一圖層的邊界覆蓋，必須位于多邊形內(nèi)部，

點

必須被另一圖層的終節(jié)點覆蓋，必須被線覆蓋

（3）拓撲規(guī)則的實際應用

①國家間不能重疊；

②國家間不能存在間隙；

③國界不能有懸掛點（即國界必須封閉）；

④人口普查區(qū)和縣必須彼此覆蓋;

⑤投票區(qū)必須被縣覆蓋；

⑥等高線不能相交；

⑦州際道路必須被參照線的要素類覆蓋(如道路要素類)；

③里程標志必須被參照線覆蓋；

⑨標識點必須落在多邊形內(nèi)。

5.Geodatabase數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點

(1)Geodatabase的等級結(jié)構(gòu)對于數(shù)據(jù)組織和管理十分有利

(2)Geodatabase是ArcObjects的一部分，它具有面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)

勢

(3)Geodatabase提供即時拓撲，適用于要素類內(nèi)的要素或者兩個或

更多的參與要素類拓撲可以確保數(shù)據(jù)的完整性并能提高某些類型的數(shù)據(jù)

分析工即時拓撲給用戶提供了多種選擇，并讓他們決定哪些拓撲規(guī)則是

項目所需要的。

(4)在ArcObjeets中有許多的對象、屬性和方法可供GIS用戶定制應

用

定制應用可以減少大量的重復性工作，加速工作流程，可以創(chuàng)建

ArcGIS不易實現(xiàn)的功能。

(5)ArcObjects提供了一個可以按照各行各業(yè)的需求定制對象的模

型

五、復合要素的表示

復合要素是指以點、線和面合成應用而更好表示的空間要素。

1.不規(guī)則二角網(wǎng)

（1）TIN的特點

TIN把地表近似描繪成一組互不重疊的三角面。每個三角面在TIN

中都有一個恒定的傾斜度。平坦地區(qū)可用少量樣點和大三角形來描繪，

而高度變化大的地區(qū)則需要更密而較小的三角面來描繪。TIN用來地形

制圖和分析，特別是用3-D表達。

（2）TIN的基本組成要素

TIN組成要素包括點、線和面。

①初始TIN組成要素

初始的TIN可以由高程點和等高線來構(gòu)造，可以與線要素如河流、

山脊線、道路，面要素如湖泊和水庫相結(jié)合，以提高地表擬合精度。

②制作好的TIN組成要素

一個制作好的TIN由三種幾何對象組成：三角形（區(qū)域）、點（節(jié)

點）和線（邊界）。

（3）TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括三角形編號、每個毗連三角形的編號和數(shù)據(jù)文

件，數(shù)據(jù)文件列表顯示點、邊界以及每個高程點的x、y和z值（圖3-

4）o

(0.0)

三角形節(jié)點清單相鄰

10111.13.12102.-

10213,14.12103.一,101

10313,15,14102

圖3-4TIN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.分區(qū)

（1）分區(qū)的定義

分區(qū)是指具有相似特征的地域范圍。等級分區(qū)將地表逐級細分，隨

著分區(qū)變小其內(nèi)部相似性遞增。

（2）分區(qū)數(shù)據(jù)模型應能處理的空間特征

①分區(qū)可以在空間上相連和分離；

②分區(qū)可重疊或涵蓋相同區(qū)域（圖3-5）。

簡單的多邊形Coverage不能處理這兩個特征，因此分區(qū)在多邊形

Coverage中以亞類來組織，并且通過附加數(shù)據(jù)文件，每個分區(qū)與其上的

多邊形和弧段建立聯(lián)系。

圖3-5

分區(qū)數(shù)據(jù)模型允許分區(qū)相互重疊(a),且可有空間上分離的多邊形

(b)

圖3-6分區(qū)亞類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(3)分區(qū)亞類

分區(qū)亞類可由現(xiàn)有的多邊形和弧段生成，許多政府部門已使用分區(qū)

數(shù)據(jù)模型來創(chuàng)建和存儲派生數(shù)據(jù)圖層用于分發(fā)。圖3-6是一個文件結(jié)構(gòu)

的分區(qū)子類，具有四個多邊形、五個弧段和兩個分區(qū)。

3.路徑

(1)路徑的定義

路徑是諸如高速公路、自行車道或河流等線要素。它與其他線要素

不同在于它有度量系統(tǒng)，可使線性測量用于投影坐標系統(tǒng)中。

(2)路徑的應用

交通運輸部門常用線性測量來定位事故、橋梁和沿路的路況；自然

資源部門也用線性測量來記錄沿河的水質(zhì)數(shù)據(jù)、漁業(yè)情況。這些線性屬

性，稱為事件。事件必須與路徑相聯(lián)系，使得它們可以與其他空間要素

一起被顯示和分析。

(3)路徑亞類

線性Coverage將路徑存儲為亞類。路徑亞類是區(qū)段的集合。區(qū)段直

接指線Coverage的線(或弧段)和沿線的位置。

第4章柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)模型用規(guī)則格網(wǎng)來覆蓋整個空間，格網(wǎng)中各個像元值與其

位置上的空間現(xiàn)象特征相對應，像元值的變化反映現(xiàn)象的空間變異。

一、柵格數(shù)據(jù)模型要素

1.柵格數(shù)據(jù)模型

(1)柵格數(shù)據(jù)模型的組成要素

柵格在GIS中稱為格網(wǎng)或影像。柵格表示連續(xù)的表面，但當進行數(shù)

據(jù)存儲和分析時，柵格由行、歹U、像元組成。

①行、列

行、列由格網(wǎng)左上角起始。在二維坐標系統(tǒng)中，行為y坐標，列為X

坐標。

②像元

像元稱為影像的像素。柵格中的每個像元由其所在行、列的位置嚴

格定義。柵格數(shù)據(jù)用單個像元代表點，用一系列相鄰像元代表線，用連

續(xù)像元的集合代表面。

(2)柵格數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點

①在算法上，柵格可視為具有行與列的矩陣，其像元值可以存儲為

二維數(shù)組；

②所有常用編程語言都能夠容易地處理數(shù)組變量，柵格數(shù)據(jù)比矢量

數(shù)據(jù)更容易進行數(shù)據(jù)的操作、集合和分析。

圖4-1

點、線和面要素的表示：左邊為柵格數(shù)據(jù)；右邊為矢量數(shù)據(jù)

2.像元值

(1)柵格中像元的特點

柵格中的每個像元攜有一個值，它代表由該行該列所決定的該位置

上空間現(xiàn)象的特征。

(2)根據(jù)像元值編碼格式的柵格數(shù)據(jù)分類

根據(jù)像元值的編碼格式，柵格數(shù)據(jù)可以是整型或浮點型柵格數(shù)據(jù)：

①整型柵格數(shù)據(jù)

a.整型數(shù)值不帶小數(shù)位；

b.整型像元值代表類別數(shù)據(jù)，可能有序也可能無序

例如，土地覆被模型可用1代表城市用地、2代表林地、3代表水域

等。

c.整形柵格通過數(shù)值屬性表來讀取它的像元值。

②浮點型柵格數(shù)據(jù)

a.浮點型數(shù)值帶小數(shù)位;

b.浮點型像元值常表示連續(xù)的數(shù)值性數(shù)據(jù)；

c.浮點型柵格比整型柵格需要更多的計算機存儲，這是涉及大范

圍的GIS項目必須考慮的一個重要因素；

d.浮點型柵格數(shù)據(jù)由于其潛在大量的像元值，可沒有數(shù)值屬性

表；

e.像12.0?19.9這樣的值域，必須使用浮點型柵格數(shù)據(jù)，在浮點型

柵格數(shù)據(jù)中找到指定值的概率很小。

（3）像元值賦值位置

像元值賦值位置取決于柵格數(shù)據(jù)運算方法。在涉及距離量測的運算

中，像元值應賦在該像元的中心。例如，重采樣像元值和計算自然距

離。

3.像元大小

（1）像元大小與圖像分辨率

像元大小決定了柵格數(shù)據(jù)的分辨率。像元越小，分辨率越高。

（2）大小像元的特點

像元很大則無法表示空問要素的精確位置，因此增加了在一個像元

中存在混合要素（如森林、牧場與水域）的機會。采用較小的像元又增

加了數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理時間。

（3）決定像元類別值的規(guī)則

一個巨大的像元覆蓋了地面上的森林、牧場和水域，應將占據(jù)此像

元面積比例最大的類型作為該像元類別。但在一些情況下這種最大比例

規(guī)則卻可能不是最佳選擇。像元值的確定可基于空間要素在研究中的重

要性程度。如果牧場被認為比森林和水域更加重要，那么這個具有三種

要素的混合像元將被編碼為牧場。

4.柵格波段

柵格數(shù)據(jù)可能具有單波段或多波段。

(1)單波段

單一波段柵格數(shù)據(jù)中每個像元只有一個像元值。高程柵格就是單一

波段柵格數(shù)據(jù)的例子，它在每個像元的位置只有一個高程值。

(2)多波段

多波段柵格數(shù)據(jù)中的每個像元與一個以上像元值相關聯(lián)。衛(wèi)星影像

是多波段柵格數(shù)據(jù)的一個實例，它在每個像元位置可有5個、7個或更多

個波段。

5.空間參照

(1)空間參照信息的重要性

柵格數(shù)據(jù)必須具有空間參照信息，在GIS中它們才可以和其他數(shù)據(jù)

集進行空間配準。

例如，若要將一個高程柵格疊加到基于矢量的土壤圖層，必須先確

保這兩個數(shù)據(jù)集都基于相同的坐標系統(tǒng)。經(jīng)過與投影坐標系統(tǒng)匹配處理

的柵格數(shù)據(jù)稱為地理參照柵格數(shù)據(jù)。

(2)柵格數(shù)據(jù)和投影坐標系統(tǒng)匹配方法

①柵格數(shù)據(jù)的列對應x軸坐標，行對應y軸坐標

由于柵格數(shù)據(jù)的起始位置位于左上角，而投影坐標系統(tǒng)的起始位置

位于左下角，行數(shù)沿y坐標逆向增加。

②每一個柵格像元的投影坐標可以使用柵格區(qū)域范圍內(nèi)的x、y坐標

進行計算

假設一個高程柵格具有如下關于行數(shù)、列數(shù)、像元大小和用UTM

坐標表達的區(qū)域范圍的信息：

a.行：463,列:318,像元大?。?0m；

b.左下角x、y坐標:499995,5177175；

c.右上角x、y坐標：509535,5191065。

可以通過使用UTM坐標范圍和像元大小來檢查行列數(shù)是否正確：

a.行數(shù)=(5191065-5177175)/30=463；

b.歹!)數(shù)=(509535-499995)/30=318。

也可以導出用于定義每個像元的UTM坐標：

例如，第一行第一列(行1,列1)像元的UTM坐標是：

a.左下角：499995,5191035或(5191065-30)；

b.右上角：500025或(499995+30),5191065；

c.像元中心：500010或(499995+15),5190050或(5191065-

15)?；?5191065-15)。

(499<)95.5191065)(500025.5191065)

30m

圖4-2表示一個30m像元的范圍和中心點的UTM坐標

二、柵格數(shù)據(jù)類型

1.衛(wèi)星影像

衛(wèi)星影像的空間分辨率與地面像元大小相關。像元值，也稱為亮度

值，表示從地球表面反射或者發(fā)射的光能。光能的量測基于來自波長連

續(xù)體的光譜波段，即電磁光譜。全色影像由單波段構(gòu)成，而多光譜影像

則由多個波段構(gòu)成。

2.USGS的數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型(DEM)由等間隔海拔數(shù)據(jù)的排列組成，以點為基

礎的，也容易由像元中心的海拔點轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)。大多數(shù)美國GIS用

戶使用美國地質(zhì)調(diào)查局提供的DEM。USGS提供4種類型的DEM數(shù)據(jù)：

(1)7.5分DEM

①特點

7.5分DEM提供以UTM坐標量測的格網(wǎng)上間隔為10m或30m的高程

數(shù)據(jù)，其參考系為1927年的北美大地基準或者1983年的北美大地基準。

每個DEM覆蓋7.5分x7.5分的地區(qū)，對應于USGS的1:24000比例尺的標準

圖幅。

②分類

USGS將7.5分DEM根據(jù)其數(shù)據(jù)精度和生產(chǎn)方法分為三個級別：

第一級的數(shù)據(jù)精度最低，其DEM具有±15m或更好的垂直精度；

第二級DEM具有7m或更好的垂直精度，其DEM是經(jīng)過平滑和去除

可辨識系統(tǒng)誤差處理的，具有30m或10m的分辨率。大多數(shù)州現(xiàn)在僅有

第一級和第二級數(shù)據(jù)。

(2)30分DEM

30分DEM提供在地理格網(wǎng)上以2秒弧度為間隔的高程數(shù)據(jù)(在中緯

度大約為60m)。每個DEM覆蓋30分x30分地區(qū)，相應于USGS的30分

x60分、1：100000比例尺標準圖幅的東半幅或西半幅。30分DEM的垂

直精度等于或高于25m。

(3)1度DEM

1度DEM提供地理格網(wǎng)中3秒弧度為間隔的高程數(shù)據(jù)(在中緯度約

為100m)。每個DEM覆蓋了1度xl度地區(qū)，相應于USGS的1度x2度、

1：250000比例尺標準圖幅的東半幅或西半幅。

(4)阿拉斯加DEM

①7.5分阿拉斯加DEM

7.5分阿拉斯加DEM的間隔是緯度1秒弧度x經(jīng)度2秒弧度。

②15分阿拉斯加DEM

15分的阿拉斯加DEM是緯度2秒弧度x經(jīng)度3秒弧度。

3.非USGS的數(shù)字高程模型

生產(chǎn)DEM的一個基本方法是采用立體測圖儀和具有重疊區(qū)域的航

片。

(1)立體測圖儀

①優(yōu)缺點

立體測圖儀可以創(chuàng)建三維模型，使得操作者能夠編輯高程數(shù)據(jù)。這

種方法可生產(chǎn)出比USGS的DEM更細分辨率、更高精度的DEM數(shù)據(jù)，但

對于大范圍區(qū)域，費用昂貴。

②替代方法

用其他方法可替代立體測圖儀。GIS用戶很常用的一種方法是使用

可以買到的軟件包，從高分辨率衛(wèi)星影像中提取高程數(shù)據(jù)和生成數(shù)字高

程模型。除影像數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)提取過程還需要地面控制點，這可在野外

由GPS差分訂正而得。這樣得到的DEM的質(zhì)量取決于軟件包與輸入的質(zhì)

量。

(2)雷達數(shù)據(jù)

雷達數(shù)據(jù)也可以作為生產(chǎn)DEM的數(shù)據(jù)源。雷達是一種主動式傳感

器：它發(fā)出微波脈沖，測量從地面目標反射回的能量，它可以穿透云

層，實現(xiàn)在晝夜、晴朗或多云條件下的數(shù)據(jù)采集。

(3)機載激光雷達

①概念

機載激光雷達(LIDAR)是一種用于生產(chǎn)DEM的新技術(shù)。

②組分

LIDAR系統(tǒng)的基本組成部分包括裝載在航空器上的激光掃描儀、

GPS和慣性測量單元(IMU)o

③運用過程

LIDAR傳感器向整個區(qū)域發(fā)射快速激光脈沖，然后利用脈沖的時間

間隔來計算距離。同時，激光源的位置和方位相應地由GPS和IMU確

定。

④應用

LIDAR技術(shù)的一個重要應用是創(chuàng)建高分辨率DEM,其空間分辨率

可達0.5~2m,而垂直精度則可以達到±15cm(Flood2001)。

1計集11f

30nnMMl(HnIM34nDfcM

圖4-3三種分辨率的DEM：30m、10m和3m

30m和10m的DEM數(shù)據(jù)為USGSDEM數(shù)據(jù)，

而3mDEM是源于LIDAR數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，

比其他兩種包含更多的地形細節(jié)

4.全球數(shù)字高程模型

全球尺度的不同分辨率的DEM已問世。SRTMDEMs用于美國以外

的陸地區(qū)域，但是空間分辨率較低，只有3秒弧度(90m)。

(1)全球尺度的DEM

全球尺度的DEM也稱為SRTMDTEDLevel1,相對于用于美國和所

轄島嶼的SRTMDTEDLevel2。SRTMDTEDLevel1的高程值源于

SRTMDTEDLevel2的高程值，它們對應點都具有高于16m的垂直精度。

(2)ETOPO5

ETOPO5(EarthTopography-5Minute)數(shù)據(jù)覆蓋了地球陸地表面和

海底，其格網(wǎng)間隔為5分經(jīng)度x5分緯度。

(3)TOPO3和GLOBE

T0P03和GLOBE都可以提供全球DEM,其格網(wǎng)水平間隔為30秒弧

度或1km左右。全球DEM如GTOPO30和GLOBE是源于柵格數(shù)據(jù)（如衛(wèi)

星影像）和矢量數(shù)據(jù)（如DigitalChartoftheWorld中的等高線）。

GLOBE源于柵格數(shù)據(jù)源的垂直精度估計在30m之內(nèi)，而源于矢量數(shù)據(jù)源

的精度在160m之內(nèi)。

5.數(shù)字正射影像

（1）概念

數(shù)字正射影像（DOQ）是一種由航片或其他遙感數(shù)據(jù)制備而得的數(shù)

字化影像，其中由于照相機鏡頭傾斜和地形起伏引起的位移已被消除。

（2）USGS生產(chǎn)的數(shù)字正射影像

USGS自1991年起，從國家航空攝影計劃的1：40000比例尺航空像

片生產(chǎn)數(shù)字正射影像。數(shù)字正射影像是以地理坐標為參照的（NAD83

UTM坐標），并可與地形圖和其他地圖配準。

圖4-4USGS的1m黑白數(shù)字正射影像（愛達荷州太陽谷）

（3）分類

①標準的USGS數(shù)字正射影像

標準的USGS數(shù)字正射影像的格式是3.75分的1/4標準圖幅或7.5分標

準圖幅的黑白、彩紅外或自然彩色影像，地面分辨率為1m。

②黑白數(shù)字正射影像

黑白數(shù)字正射影像有256個灰度水平，類似于單波段衛(wèi)星影像。

③彩色正射影像

彩色正射影像是多波段影像，各個波段分別代表紅、綠和藍光。

(4)作用

由于易于與GIS結(jié)合，數(shù)字正射影像是用作數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)編輯的

理想背景。

6.二值掃描文件

(1)概念

二值掃描文件是含數(shù)值1或數(shù)值0的掃描圖像。

(2)應用

在GIS中，二值掃描文件通常用于進行數(shù)字化。它們來自紙質(zhì)或聚

酯薄膜地圖的掃描圖，這些地圖包含土壤、宗地和其他要素的邊界。

GIS軟件包的工具能將二值掃描文件轉(zhuǎn)換為基于矢量的要素。用來數(shù)字

化的地圖以300dpi或400dpi進行掃描。

圖4-5顯示土壤界線的二值掃描文件

7.數(shù)字柵格圖

（1）概念

數(shù)字柵格圖（DRG）是USGS地形圖的掃描圖像。

（2）特點

USGS以250dpi掃描7.5分地形圖，產(chǎn)生地面分辨率為2.4m的數(shù)字柵

格圖。USGS在每個7.5分的數(shù)字柵格圖上用了多達13種顏色。這13種顏

色是基于8比特（256）顏色板，所以它們可能看起來與紙質(zhì)地圖不同。

數(shù)字柵格圖以UTM坐標系統(tǒng)為地理坐標參照它基于NAD27或者

NAD83o

圖4-6愛達荷州太陽谷的數(shù)字柵格圖（DRG）

與圖4-5中的數(shù)字正射影像圖相比，該數(shù)字柵格圖已經(jīng)過期

8.圖形文件

地圖、照片和影像可存儲為數(shù)字圖形文件。許多流行的圖形文件為

柵格格式，如TIFF（標記圖像文件格式）、GeoTIFF（是TIFF格式的具

有地理坐標參照的版本）、GIF（圖形交換格式）和JPEG（聯(lián)合圖像專

家組）。

9.特定GIS軟件的柵格數(shù)據(jù)

GIS軟件包使用從DEM、衛(wèi)星影像、掃描圖像、圖形文件和ASCII

文件導入的柵格數(shù)據(jù)或從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來的數(shù)據(jù)。這些柵格數(shù)據(jù)使用

不同的格式。例如，Arc-GIS把柵格數(shù)據(jù)存儲為ESRI格網(wǎng)格式

(grid)o

三、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指柵格數(shù)據(jù)的存儲方法或格式。

1.逐個像元編碼

(1)特點

逐個像元編碼法提供了最簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。柵格模型被存為矩陣，

其像元值寫成一個行列式文件。

(2)適用情況

本方法適用于像元水平，柵格的像元值連續(xù)變化時的情況。

行2：00011100

行3：0011111()

行4：00111110

行5：00111110

行6：01111110

行7：01111110

行8：00000000

圖4-7

逐個像元編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過

行和列來記錄每個像元值?；疑裨禐?

(2)應用

①數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型采用逐個像元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因為很少有相鄰海拔值是相

同的。

②衛(wèi)星影像

衛(wèi)星影像也用這種方法來存儲數(shù)據(jù)。然而，多光譜波段的衛(wèi)星影像

的每一個像元或像元均有一個以上的值，因此需要特殊處理。

多波段影像用以下三種格式存儲：

a.波段序列法

波段序列(.bsq)法將每一波段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲為一個圖像文件。

如果一幅影像具有7個波段，那么該數(shù)據(jù)集具有7個連貫的文件，每個波

段對應一個文件。

b.波段依行交替法

波段依行交替(.bil)法將所有波段的值按行存儲在一個文件中。

該文件組成方式如下：行1,波段1；行1,波段2……行2,波段1；行

2,波段2……依此類推。

C.波段依像元交替法

用波段依像元交替（.bip）法將所有波段的值按像元存人一個文件

中。文件由如下方式構(gòu)成：像元（1,1）,波段1;像元（1,1）,波

段2……像元（2,1）,波段1；像元（2,1）,波段2……依此類推。

2.游程編碼

當柵格數(shù)據(jù)含有許多重復格網(wǎng)值時，像元依序編碼方法效率就不高

了。像二值掃描文件這樣的柵格數(shù)據(jù)模型具有許多重復的像元值，可用

游程編碼（RLE）更有效地存儲。

（1）特點

它是以行和組來記錄像元值的。每一個組代表擁有相同像元值的相

鄰像元。

圖4-8顯示灰色多邊形的游程編碼，起始像元和終止像元表明落在

此多邊形內(nèi)的該組的長度

行1：56

行2：46

行3：37

行4：37

行5：37

行6：27

行7：27

圖4-8游程編碼法用行來記錄灰色像元

第一行中有相鄰的灰色像元位于第五和第六列。

因此，第一編碼為始于第五列止于第六列的游程。

其他行的記錄方法相同

(2)作用

游程編碼不僅是一種編碼方法，而且可用于壓縮柵格數(shù)據(jù)。許多

GIS軟件包除了逐個像元編碼法外，還用游程編碼法存儲柵格數(shù)據(jù)。這

些軟件包包括GRASS、IDRISI和ArcGIS。

3.四叉樹

(1)特點

四叉樹是用遞歸分解法將柵格分成具有層次的象限。遞歸分解指的

是續(xù)分過程，直到四叉樹的每個象限中僅有一個像元值。

(2)分區(qū)四叉樹應用步驟

①節(jié)點和分支

四叉樹包含節(jié)點和分支(續(xù)分)。一個節(jié)點代表一個象限。節(jié)點依

賴于象限中的像元值，它可以是非葉節(jié)點或葉結(jié)點。

a.非葉節(jié)點

非葉節(jié)點表示該象限具有不同的像元值，非葉節(jié)點是一個分支點,

意味著該象限還要被續(xù)分。

b.葉節(jié)點

葉節(jié)點代表具有相同像元值的象限，是末梢結(jié)點，它可以用同一像

元值進行編碼(灰色或白色)。

四叉樹的深度，或者稱為層次結(jié)構(gòu)中的級別數(shù)，主要取決于二維要

素的復雜性。

圖4-9分區(qū)四叉樹法將柵格分成具有層次的象限

②對二維要素進行編碼

在續(xù)分結(jié)束之后，下一步就是使用四叉樹和空間索引法對二維要素

進行編碼。例如，圖4.10中的一級NW子樹(空間索引為0)具有兩個

灰色葉節(jié)點。第一個為02,涉及其二級SE子樹，而032則涉及二級NE子

樹中的三級SE子樹。(02,032)和其他對應于另外三個一級子樹的字

符串完成了對該二維要素的編碼。

(3)分區(qū)四叉樹作用

①分區(qū)四叉樹方法可以有效地存儲面狀數(shù)據(jù)，尤其當數(shù)據(jù)僅包含少

數(shù)類別時;

②此法也可有效地用于數(shù)據(jù)處理；

③四叉樹也可以作為一種有效的空間檢索方法；

④空間索引有助于方便快捷地定位空間數(shù)據(jù)，無論是柵格還是矢量

數(shù)據(jù)。

4.頭文件

（1）頭文件

為導入柵格數(shù)據(jù)（如DEM或衛(wèi)星影像），GIS軟件包必須具有此柵

格數(shù)據(jù)的相關信息，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、區(qū)域范圍、像元大小、波段數(shù)和用于

表示無數(shù)據(jù)的值。此類信息包含在頭文件中。就功能而言，頭文件類似

于坐標系統(tǒng)中的投影文件。

（2）其他文件

除了頭文件外，柵格數(shù)據(jù)集還可伴有其他文件。

例如，衛(wèi)星影像可能有兩個可選文件：

①統(tǒng)計文件

統(tǒng)計文件描述影像中各個波段的統(tǒng)計信息。

②顏色文件

顏色文件則將各種顏色與影像中的不同像元值聯(lián)系起來。ESRI格網(wǎng)

數(shù)據(jù)也有附加文件用于存儲像元值的描述性統(tǒng)計信息，以及具有相同像

元值的像元數(shù)（整型格網(wǎng)）。

四、柵格數(shù)據(jù)壓縮

柵格數(shù)據(jù)需要相當多的存儲空間，高分辨率衛(wèi)星影像要求的存儲空

間會更多。

(1)數(shù)據(jù)壓縮概念

數(shù)據(jù)壓縮指數(shù)據(jù)量的減少，對數(shù)據(jù)傳遞和網(wǎng)絡制圖尤其重要。

(2)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)分類

目前有多種技術(shù)可以用于圖像壓縮。壓縮技術(shù)又可以分為無損壓縮

和有損壓縮。

①無損壓縮

a.特點和作用

無損壓縮方法保留像元或者像素值，允許原始柵格或者圖像被精確

重構(gòu)，是可取的柵格數(shù)據(jù)，它用來分析或產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。

b.舉例

游程編碼方法就是無損壓縮的一個實例。其他方法包括PackBits

(是一種更為有效的游程編碼方法的變體)、LZW(Lempel-Ziv-

Welch)和它的變體(如LZ77)o

②有損壓縮

a.特點和作用

有損壓縮方法不能完全重構(gòu)原始圖像，但可以達到很高的壓縮率，

因此在柵格數(shù)據(jù)中非常有用，它用于背景影像處理而不是分析。

b.舉例

常用的JPEG格式使用的就是有損壓縮方法。該法將圖像分解成大

小為64(8x8)的斑塊，然后對各個斑塊進行獨立處理。各個斑塊中的

顏色被代換并簡化，以減少數(shù)據(jù)編碼量。

這種基于斑塊的處理過程導致塊狀現(xiàn)象。通過有損壓縮方法的圖像

退化可能影響GIS相關的任務，如從航空相片或衛(wèi)星影像中提取用作地

理坐標參照的地面控制點。

③新的圖像壓縮技術(shù)

新的圖像壓縮技術(shù)結(jié)合了有損壓縮和無損壓縮。

a.MrSID特點

如由LizardTech公司授予的Mr-SID(多分辨率無縫圖像數(shù)據(jù)庫)技

術(shù)。多分辨率是指MrSID有以不同分辨率或比例尺恢復圖像數(shù)據(jù)的能

力；無縫是指MrSID可壓縮大圖像，并可在壓縮過程中消除人為方塊邊

界。

b.MrSID的運用

MrSID使用小波變換進行數(shù)據(jù)壓縮。流行的開放格式的更新版本

JPEG2000,也使用小波變換。因此，小波變換是用于圖像壓縮的最新

選擇。

MrSID和JPEG2000都可以執(zhí)行無損或者有損壓縮。無損壓縮方式

保存小波系數(shù)并使用它們對原始圖像進行重構(gòu)。另一方面，有損壓縮方

式僅僅存儲平均值和那些未四舍五入為0的系數(shù)。

五、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與綜合

為了更好地將矢量和柵格數(shù)據(jù)用于GIS項目，必須考慮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和

綜合。

1.柵格化

(1)概念