第三章2-空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與管理2014

3.2.1空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3.2.2空間數(shù)據(jù)管理第二節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與空間數(shù)據(jù)管理3.2.1空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指空間數(shù)據(jù)的編排方式和組織關(guān)系?？臻g數(shù)據(jù)編碼是空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，目的是將圖形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等資料，按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為適用于計算機(jī)存儲和處理的形式。一種高效率的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具:（1）能夠正確表示要素之間的層次關(guān)系，便于不同數(shù)據(jù)聯(lián)接和覆蓋。

（2）正確反映地理實體的空間排列方式和各實體間相互關(guān)系。

（3）便于存取和檢索。

（4）節(jié)省存貯空間，減少數(shù)據(jù)冗余。

（5）存取速度快，在運算速度較慢的微機(jī)上要達(dá)到快速響應(yīng)。

（6）足夠靈活性，數(shù)據(jù)組織具有插入新數(shù)據(jù)、刪除或修改部分?jǐn)?shù)據(jù)的基本功能。GIS支持的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量—柵格混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)單元格經(jīng)常是矩形（主要是正方形）的，但可以隨應(yīng)用的需要進(jìn)行具體設(shè)定，比如設(shè)置為三角形。柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元大小之比。柵格尺寸越小，其分辨率越高，數(shù)據(jù)量也越大。柵格單元中存在多種地物，導(dǎo)致屬性誤差，“混合像元”問題。一、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)西南角格網(wǎng)坐標(biāo)（XWS，YWS）格網(wǎng)分辨率X：行Y：列

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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)格作為一個像元或像素由行、列定義，并包含一個代碼表示該像素的屬性類型或量值，或僅僅包括指向其屬性記錄的指針，表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。⑴屬性明顯：數(shù)據(jù)直接記錄了屬性或指向?qū)傩缘闹羔?，可以直接得到地物的屬性代碼。⑵定位隱含：柵格結(jié)構(gòu)是按一定的規(guī)則排列的，實體位置隱含在格網(wǎng)文件的存儲結(jié)構(gòu)中。⑶柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，算法簡單，且易于擴(kuò)充、修改，也很直觀，特別是易于同遙感影像的結(jié)合處理，給地理空間數(shù)據(jù)處理帶來了極大的方便。1、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點2、柵格數(shù)據(jù)取值方法⑴中心歸屬法：每個柵格單元的值以網(wǎng)格中心點對應(yīng)的面域?qū)傩灾祦泶_定。

⑵長度占優(yōu)法：每個柵格單元的值以網(wǎng)格中線（水平或垂直）的大部分長度所對應(yīng)的面域的屬性值來確定。

⑶面積占優(yōu)法：每個柵格單元的值以在該網(wǎng)格單元中占據(jù)最大面積的屬性值來確定。⑷重要性法：根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重要性程度，選取特別重要的空間實體決定對應(yīng)的柵格單元值，如稀有金屬礦產(chǎn)區(qū)，其所在區(qū)域盡管面積很小或不位于中心，也應(yīng)采取保留的原則。3、柵格數(shù)據(jù)獲取途徑⑴手工獲取，專題圖上劃分均勻網(wǎng)格，逐個決定其網(wǎng)格代碼。⑵掃描儀掃描專題圖的圖像數(shù)據(jù){行、列、顏色（灰度）}，定義顏色與屬性對應(yīng)表，用相應(yīng)屬性代替相應(yīng)顏色，得到（行、列、屬性）再進(jìn)行柵格編碼、存貯，即得該專題圖的柵格數(shù)據(jù)。⑶由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來。⑷遙感影像數(shù)據(jù)，對地面景像的輻射和反射能量的掃描抽樣，并按不同的光譜段量化后，以數(shù)字形式記錄下來的像素值序列。⑸格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，當(dāng)屬性值為地面高程，則為格網(wǎng)DEM，通過DEM內(nèi)插得到。常用柵格排列順序4、簡單柵格數(shù)據(jù)排列方式遙感圖像數(shù)據(jù)排列方式（1）BSQ方式：各波段的二維圖像數(shù)據(jù)按波段順序排列。（2）BIL方式：對每一行中代表一個波段的光譜值進(jìn)行排列，然后按波段順序排列該行。（3）BIP方式：在一行中，每個像元按光譜波段次序進(jìn)行排列。

每個像元可能是占一個字節(jié)的整型數(shù)。如果圖像比較大，這種逐點存儲的方式，所占的空間是十分巨大的。所以在實際存儲時，多采用壓縮存儲的方式。壓縮編碼的目的是用盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的信息，類型分為：⑴信息無損編碼：編碼過程中沒有任何信息損失，通過解碼操作可以完全恢復(fù)原來的信息。 ⑵信息有損編碼：為了提高編碼效率，最大限度地壓縮數(shù)據(jù)，在壓縮過程中損失一部分相對不太重要的信息，解碼時這部分難以恢復(fù)。在地理信息系統(tǒng)中的壓縮編碼多采用信息無損編碼，而對原始遙感影像進(jìn)行壓縮時也可以采取有損壓縮編碼方法。但數(shù)據(jù)壓縮所獲得的空間節(jié)省與數(shù)據(jù)處理的時間花費往往是成正比例，即所節(jié)省的空間越多，數(shù)據(jù)壓縮與解壓所需的時間往往也多，因此所采取的方法要根據(jù)實際情況而定。5、柵格數(shù)據(jù)存儲的壓縮編碼Ⅰ、行程編碼①行程編碼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代碼重復(fù)的個數(shù)。②行程編碼2

逐個記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應(yīng)的代碼，下圖可沿列方向進(jìn)行行程編碼：

1列：（1，3），（3，1）；

2列：（1，3），（4，1）；

3列：（1，3），（5，1）；

4列：（1，4），（2，3），（5，1）；

5列：（1，4），（4，3），（6，2），（7，1）；

6列：（1，4），（4，2）；

7列：（1，4），（4，2）；

8列：（1，4），（3，2）。行程編碼優(yōu)缺點⑴優(yōu)點：壓縮效率較高，且易于進(jìn)行檢索，疊加合并等操作，運算簡單，適用于機(jī)器存儲容量小，數(shù)據(jù)需大量壓縮，而又要避免復(fù)雜的編碼解碼運算增加處理和操作時間的情況。⑵缺點：對于圖斑破碎，屬性和邊界多變的數(shù)據(jù)壓縮效率較低，甚至壓縮后的數(shù)據(jù)量比原始數(shù)據(jù)還大。

把多邊形范圍劃分成由像元組成的正方形，然后對各個正方形進(jìn)行編碼。塊式編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括4個數(shù)字：塊的初始位置（行、列號）和塊的大?。▔K包括的像元數(shù)），再加上記錄單元的代碼組成。Ⅱ、塊式編碼

行程和塊式編碼都對大而簡單的多邊形更有效，塊式編碼對多邊形之間求并和求交較方便。Ⅲ、四叉樹編碼

根據(jù)柵格數(shù)據(jù)二維空間分布特點，將空間區(qū)域按照4個象限進(jìn)行遞歸分割（2n×2n，且n>1），直到子象限的數(shù)值單調(diào)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(jié)點叫做根結(jié)點，對應(yīng)于整個圖形。不能再分的結(jié)點稱為葉子結(jié)點，可能落在不同層上，該結(jié)點代表子象限單一的代碼，所有葉子結(jié)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(jié)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(jìn)行下去，要求圖形必須為2n×2n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。為了在計算機(jī)中既能以最小的冗余存儲與圖像對應(yīng)的四叉樹，又能方便地完成各種圖形操作，專家們已提出多種編碼方式。

美國馬里蘭大學(xué)采用的四叉樹編碼方法是：記錄每個葉子結(jié)點的地址和值，值就是子區(qū)的代碼，其中地址包括兩個部分，共占有32位（二進(jìn)制），最右邊四位記錄該葉子結(jié)點的深度，即處于四叉樹的第幾層上，有了深度可以推知子區(qū)的大??；地址由從根結(jié)點到該葉子結(jié)點的路徑表示。0，1，2，3分別表示NW、NE、SW、SE，從右邊第五位開始2n字節(jié)記錄這些方向。

第5個結(jié)點深度為4，第一層為根結(jié)點，第二層處于SW象限記為2，第三層處于NE象限記為1，第四層處于SE象限記為3，表示為二進(jìn)制為：

0000…000（22位）100111（6位）0100（4位）每層象限位置由二位二進(jìn)制表示。這樣，記錄了各個葉子的地址，再記上相應(yīng)的代碼值，就記錄了整個圖像，并可在此編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行多種圖像操作。四叉樹編碼的優(yōu)缺點優(yōu)點⑴容易而有效地計算多邊形的數(shù)量特征；⑵陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分四叉樹較高，即分級多，分辨率也高，而不需要表示許多細(xì)節(jié)的部分則分級少，分辨率低，因而既可精確表示圖形結(jié)構(gòu)又可減少存儲量；⑶柵格到四叉樹及四叉樹到簡單柵格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換比其他壓縮方法容易；⑷多邊形中嵌套異類多邊形的表示較方便，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。缺點其最大不足是其不穩(wěn)定性，即同樣的原始數(shù)據(jù)應(yīng)用不同的算法進(jìn)行編碼可能會得到不同的編碼結(jié)果。不利于形狀分析和模式識別。二、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

矢量是具有一定大小和方向的量,數(shù)學(xué)上和物理上也叫向量。線段長度表示大小，線段端點的順序表示方向。有向線段用一系列有序特征點表示，有向線段集合就構(gòu)成了圖形。矢量數(shù)據(jù)就是代表地圖圖形的各離散點平面坐標(biāo)（x，y）的有序集合。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標(biāo)的方式，盡可能地將點、線、面地理實體表現(xiàn)得精確無誤。其坐標(biāo)空間假定為連續(xù)空間，不必象柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)那樣進(jìn)行量化處理。因此矢量數(shù)據(jù)能更精確地定義位置、長度和大小。矢量結(jié)構(gòu)允許最復(fù)雜的數(shù)據(jù)以最小的數(shù)據(jù)冗余進(jìn)行存儲，相對柵格結(jié)構(gòu)來說，數(shù)據(jù)精度高，所占空間小，是高效的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其精度僅受數(shù)字化設(shè)備的精度和數(shù)值記錄字長的限制。⑴定位明顯：其定位是根據(jù)坐標(biāo)直接存儲的，無需任何推算。⑵屬性隱含：屬性則一般存于文件頭或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中某些特定的位置上。⑶矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖形運算的算法總體上比柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多，在疊加運算、鄰域搜索等操作時比較困難，有些甚至難以實現(xiàn)，⑷在計算長度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，矢量結(jié)構(gòu)有很高的效率和精度。1．矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點2、空間實體類型⑴點：空間上不能再分的地理實體，可以是具體的或抽象的，如地物點、文本位置點或線段網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點等，由一對x、y坐標(biāo)表示。地面上的礦點、水井、高程控制水準(zhǔn)點等都是點實體。⑵線：空間上具有一定延伸方向性的線狀地物，由一組有序點組成，采用一組有序的(X，Y)坐標(biāo)來表示。如河流和道路、斷層、地質(zhì)體分界線等為線狀地物。⑶面：指有封閉邊界和面積的實體，由一組有序線段包圍而成區(qū)域。采用一組首尾位置重合的有序線段表示。例如湖泊、礦區(qū)、土壤類型等。(X,Y)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)LinePoint(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)Polygon(X,Y)

從幾何上來說，資源空間目標(biāo)可劃分為點、線、面、體四種基本類型。對表示在地圖中的各種要素都可抽象為點、線、面幾何圖形的實體。3、矢量數(shù)據(jù)獲取途徑1)由外業(yè)測量獲得利用測量儀器自動記錄測量成果(常稱為電子手薄)，然后轉(zhuǎn)到地理數(shù)據(jù)庫。2)由柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得利用柵格數(shù)據(jù)矢量化技術(shù)，把柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。3)跟蹤數(shù)字化用跟蹤數(shù)字化的方法，把地圖變成離散的矢量數(shù)據(jù)。對于點實體矢量結(jié)構(gòu)中只記錄其在特定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和屬性代碼。⑴點實體數(shù)據(jù)編碼4、矢量數(shù)據(jù)編碼唯一標(biāo)識碼是系統(tǒng)排列序號；線標(biāo)識碼可以標(biāo)識線的類型；起始點和終止點號可直接用坐標(biāo)表示；顯示信息是顯示時的文本或符號等；與線相聯(lián)系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(biāo)識碼聯(lián)接查找。⑵線實體矢量數(shù)據(jù)編碼⑶多邊形實體矢量數(shù)據(jù)編碼

多邊形矢量編碼不但要表示空間圖形為多邊形的面狀實體的位置和屬性，更為重要的是要能表達(dá)區(qū)域的拓?fù)湫再|(zhì)，如形狀、鄰域和層次等，以便使這些基本的空間單元可以作為專題圖資料進(jìn)行顯示和操作，其編碼比點和線實體的矢量編碼要復(fù)雜得多，也更為重要。它與機(jī)助制圖系統(tǒng)僅為顯示和制圖目的而設(shè)計的編碼有很大不同。

編碼方法：坐標(biāo)序列法、樹狀索引編碼法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼法。Ⅰ坐標(biāo)序列法由多形邊界的x、y坐標(biāo)對集合及說明信息組成，是最簡單的一種多邊形矢量編碼。一個區(qū)域或一幅地圖可以劃分成許多多邊形，多邊形4由Ⅱ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅷ弧段組成，文件編碼坐標(biāo)為:x9,y9；x8,y8；x7,y7；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x23,y23；x24,y24；x18,y18；x18,y18；x19,y19。每個多邊形在數(shù)據(jù)庫中是相互獨立、分開存儲的。坐標(biāo)序列法的優(yōu)缺點優(yōu)點：文件結(jié)構(gòu)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)生冗余和碎屑多邊形；如重疊陜長多邊形及裂縫的產(chǎn)生。②每個多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進(jìn)行鄰域處理，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界；③不能解決“洞”和“島”之類的多邊形嵌套問題。④沒有方便方法來檢查多邊形邊界的拓?fù)潢P(guān)系正確與否，如有無不完整的多邊形（死點）或拓?fù)鋵W(xué)上不能接受的環(huán)（奇異多邊形）。

這種方法可用于簡單的粗精度制圖系統(tǒng)中。Ⅱ樹狀索引編碼法

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(jìn)行數(shù)字化，將坐標(biāo)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(jié)構(gòu)。圖形數(shù)據(jù)線與多邊形之間的樹狀索引點與邊界線之間的樹狀索引樹狀索引編碼法示例形成的文件記錄樹狀索引編碼法的優(yōu)勢和不足

樹狀索引編碼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(fù)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?fù)潢P(guān)系帶來一定的困難，而且兩個編碼表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出錯。Ⅲ雙重獨立地圖編碼拓?fù)潢P(guān)系類型a拓?fù)溧徑樱褐复嬖谟诳臻g圖形的同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。結(jié)點鄰接關(guān)系有N1/N4，N1/N2…等；多邊形鄰接關(guān)系有P1/P3，P2/P3…等。b拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：拓?fù)潢P(guān)聯(lián)指存在于空間圖形的不同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。結(jié)點與弧段關(guān)聯(lián)關(guān)系有N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5…等。多邊形與線段的關(guān)聯(lián)關(guān)系有P1/C1、C5、C6，P2/C2、C4、C5、C7等。c拓?fù)浒和負(fù)浒复嬖谟诳臻g圖形的同類但不同級的元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，P2包含P4。拓?fù)涓拍?/p>

拓?fù)鋵W(xué)是研究圖形在保持連續(xù)狀態(tài)下變形時的那些不變的性質(zhì)，也稱“橡皮板幾何學(xué)”