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1、地理信息系统原理及应用地理信息系统原理及应用地理信息系统原理GIS2-22-2矢量数据结矢量数据结构构 一、图形表示一、图形表示 二、获取方式二、获取方式三、组织三、组织 四、编码方式四、编码方式 返回返回地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS三、实体的空间特征三、实体的空间特征 2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构（一）空间维数：（一）空间维数：有有0 0，1 1，2 2，3 3 维之分，点、线、面、体。维之分，点、线、面
2、、体。（二）空间特征类型（二）空间特征类型（三）实体类型组合（三）实体类型组合返回返回在地图上实体维数的表示可以改变在地图上实体维数的表示可以改变 点点-面面 线线（单线河）（单线河）-面（双线河），通过地图综合。面（双线河），通过地图综合。1 1、点状实体、点状实体2 2、线状实体、线状实体3 3、面状实体、面状实体4 4、体状实体、体状实体地理信息系统原理GIS1 1、点状实体、点状实体2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0 0的物体。的物体。 4 4
3、）角点、节点）角点、节点VertexVertex：表示线段和弧段上的连接点。表示线段和弧段上的连接点。 1）实体点）实体点：用来代表一个实体。：用来代表一个实体。2）注记点）注记点：用于定位注记。：用于定位注记。3）内点：）内点：用于负载多边形的属性，用于负载多边形的属性，存在于多边形内。存在于多边形内。返回返回地理信息系统原理GIS2 2、线状实体、线状实体1）实体长度）实体长度：从起点到终点的总长从起点到终点的总长2）弯曲度）弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。3）方向性）方向性：如：水流方向，上游如：水流方向，上游下游，下游， 公路，单、双向之分。公路
4、，单、双向之分。2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性特性：线状实体包括线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。线段，边界、链、弧段、网络等。返回返回地理信息系统原理GIS3 3、面状实体（多边形）、面状实体（多边形）2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构面状实体的如下面状实体的如下特征特征：1 1）面积范围面积范围 2 2）周长周长3 3）独立性或
5、与其它地物相邻独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家如中国及其周边国家4 4）内岛屿或锯齿状外形内岛屿或锯齿状外形：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5 5）重叠性与非重叠性）重叠性与非重叠性： 如学校的分区，菜市场的服务范围等如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。市的各个城区一般说来不会出现重叠。 是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由在数据库中由一封闭曲线加内点一封闭曲线加内点来表示。来表示。返回返回地理信息系统原
6、理GIS4、体、立体状实体、体、立体状实体2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征特征：体积，如工程开控和填充的土方量。体积，如工程开控和填充的土方量。每个二维平面的面积。每个二维平面的面积。周长。周长。内岛。内岛。含有弧立块或相邻块。含有弧立块或相邻块。 断面图与剖面图。断面图与剖面图。 地理信息系统原理GIS（三）实体类型组
7、合（三）实体类型组合2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。单实体组合表达。点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：如：线如：线面面 面面-面面 可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。可见，用各要素之间的空
8、间关系，可描述诸多空间问题。空间关系是空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容数据描述和表达的重要内容，一方面它为，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。 地理信息系统原理GIS线线面面2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、区域包含线：计算区域内线、区域包含
9、线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。的密度，某省的水系分布情况。2、线通过区域：公路上否通过、线通过区域：公路上否通过某县。某县。3、线环绕区域：区域边界，搜、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。家接壤。4、线与区域分离：距离。、线与区域分离：距离。 地理信息系统原理GIS面面面面2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1、 包含包含：岛：岛,某省的湖泊分布。某省的湖泊分布。2、 相合相合：重叠，学校服务范围与：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。菜场服务范围重叠区。3、 相交相
10、交：划分子区。：划分子区。4、 相邻相邻：计算相邻边界性质和长：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。度，公共连接边界。分离分离：计算距离。：计算距离。 返回返回学校学校菜场菜场地理信息系统原理GIS四、四、实体间空间关系实体间空间关系2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回（一）空间关系类型（一）空间关系类型（二）拓扑关系（二）拓扑关系1 1、 拓扑空间关系拓扑空间关系： 2 2、 顺序空间关系顺序空间关系： （方向空间关系方向空间关系） 用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，用上下左右、前后、东南西北等方
11、向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。算法复杂，至今没有很好的解决方法。3 3、 度量空间关系度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。，主要指实体间的距离关系，远近。1 1）在地理空间中两点间的距离有在地理空间中两点间的距离有两种度量方法两种度量方法。a a、沿真实的地球表面进行、沿真实的地球表面进行, ,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关，复杂地形起伏有关，复杂, ,引入第二种。引入第二种。b b、沿地球旋转椭球体的距离量算。、沿地球旋转椭球体的距离量算。2 2） 距离类别距离类别：欧氏距离（笛卡
12、尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。 北北ab地理信息系统原理GIS（二）拓扑关系（二）拓扑关系2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、定义、定义： 指指图形保持连续状态下变形图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。，但图形关系不变的性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 拓
13、扑变换拓扑变换（橡皮变换）（橡皮变换） 非拓扑属性非拓扑属性（几何）（几何）拓扑属性（拓扑属性（没发生变化的属性）没发生变化的属性）两点间距离两点间距离一点指向另一点的方向一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、弧段长度、区域周长、面积面积 等等一个点在一条弧段的端点一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交）一条弧是一简单弧段（自身不相交） 一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部/外部外部一个点在一个环的内一个点在一个环的内/外部外部一个面是一个简单面一个面是一个简单面一个面的连通性一个面的连通性 面内任两点从一点面内任两点从
14、一点可在面的内部走向另一点可在面的内部走向另一点1、定义、定义 2、种类、种类 3、拓扑关系的表达、拓扑关系的表达 4、意义、意义地理信息系统原理GIS2 2、种类、种类 2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1）关联性）关联性： （不同类不同类要素之间）要素之间）结点与弧段：如结点与弧段：如V9与与L5,L6,L3多边形与弧段：多边形与弧段：P2与与L3,L5,L22）邻接性）邻接性： (同类同类元素之间元素之间)多边形之间、结点之间。多边形之间、结点之间。邻接矩阵邻接矩阵 重叠：重叠：- 邻接：邻接：1 不邻接：不邻接：0P1P2P3P
15、4P1-111P21-10P311-0P4100-地理信息系统原理GIS3）连通性：）连通性：与邻接性相类似，指对与邻接性相类似，指对弧段连接弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、的判别，如用于网络分析中确定路径、 街道是否相通。街道是否相通。2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构连通矩阵连通矩阵：重叠：重叠：- 连通：连通：1 不连通：不连通：0 V1V2V3V1-10V21-1V301-地理信息系统原理GIS4）方向性）方向性2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构 一条弧段的起点
16、、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。市道路单向，河流的流向等。5）包含性）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。6）区域定义）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义。：多边形由一组封闭的线来定义。7）层次关系）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。主要的主要的拓扑关系：拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。地理信息系统原理GIS拓扑关系具体可由拓扑
17、关系具体可由4个关系表来表示：个关系表来表示：（1） 面面-链关系：链关系： 面面 构成面的弧段构成面的弧段（2） 链链-结点关系：结点关系： 链链 链两端的结点链两端的结点（3） 结点结点-链关系：链关系： 结点结点 通过该结点的链通过该结点的链（4） 链链面关系：面关系： 链链 左面左面 右面右面3、拓扑关系的表达、拓扑关系的表达对于数据处理和对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：空间分析具有重要的意义，因为：1）拓扑关系能）拓扑关系能清楚地反映清楚地反映实体之间的实体之间的逻辑结构关系逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。
18、性，不随地图投影而变化。2）有助于空间要素的查询有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县，如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。线（管道）与哪些点（阀门）关联。3）根据拓扑关系可）根据拓扑关系可重建地理实体重建地理实体。2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回4、拓扑关系的意义、拓扑关系的意义：地理信息系统原理GIS
19、2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域将地理区域划分划分为网格阵列。为网格阵列。位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。一、图形表示一、图形表示22122332333233323332点点：由：由单个栅格单个栅格表达。表达。线线：由沿线走向有相同属性取值的：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格一组相邻栅格表达。表达。面面：由沿线走向有相同属性取值的：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格一片栅格表达。表达。
20、栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则数值。在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则排列的地块，每个地块与一个象元相对应。因此，栅排列的地块，每个地块与一个象元相对应。因此，栅格数据的格数据的比例尺比例尺就是就是栅格栅格( (象元象元) )的大小与地表相应单的大小与地表相应单元的大小之比元的大小之比，当象元所表示的面积较大时，对长度、，当象元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表相面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生
21、应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方属性方面的偏差面的偏差。333地理信息系统原理GIS二、二、栅格数据栅格数据组织组织2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回针对针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。空间数据库空间数据库2 222 2aaaaa2 2土壤土壤植被植被组织方法组织方法地理信息系统原理GIS组织方法组织方法2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回方法方法c c：以层为基础，以层为基础，每层内以多边形为序每层内以多
22、边形为序记录多边形的属性值记录多边形的属性值和多边形内各象元的和多边形内各象元的坐标坐标。节约用于存储。节约用于存储属性的空间。将同一属性的空间。将同一属性的制图单元的属性的制图单元的n n个个象元的属性只记录一象元的属性只记录一次，便于地图分析和次，便于地图分析和制图处理。制图处理。 方法方法a a：以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组。属性值表示为一个列数组。N层中层中只记录一层的象元位置，只记录一层的象元位置，节约大量存储空间，节约大量存储空间，栅格个数很多。栅格个数很多。方法方法b b：每层每个象元的位置、属性一
23、一记录，每层每个象元的位置、属性一一记录，结构最简单，但浪费存储。结构最简单，但浪费存储。地理信息系统原理GIS三、栅格结构的建立三、栅格结构的建立2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、 手工获取手工获取，专题图上划分均匀网格，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。逐个决定其网格代码。2、扫描仪扫描扫描仪扫描专题图的图像数据专题图的图像数据行、行、列、颜色（灰度）列、颜色（灰度），定义颜色与属性，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、到（行、列、属性）
24、再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。存贮，即得该专题图的栅格数据。3、 由矢量数据转换而来由矢量数据转换而来。4、 遥感影像数据，遥感影像数据，对地面景象的辐射对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。素值序列。5、 格网格网DEM数据数据，当属性值为地面高，当属性值为地面高程，则为格网程，则为格网DEM，通过，通过DEM内插得内插得到。到。（一）建立途径（一）建立途径（二）栅格系统的确定（二）栅格系统的确定(三三)栅格代码的确定栅格代码的确定地理信息系统原理GIS
25、（二）栅格系统的确定（二）栅格系统的确定2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构1 1、 栅格坐标系的确定栅格坐标系的确定表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构数据结构( (矢、栅矢、栅) )都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。是坐标系原点和坐标轴的确定。 由于栅格编码一般用于区域性由于栅格编码一般用于区域性GISGIS，原点的选择常具有局部性，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的
26、拼接，栅格系统的质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用，并分别采用公里网的纵横坐标轴公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴作为栅格系统的坐标轴。22122332333233323332地理信息系统原理GIS2 2、 栅格单元的尺寸栅格单元的尺寸2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1）原则）原则：应能：应能有效地逼近空间对象的分有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度布特征，又减少数据的冗余度。格网太大，忽略较小图斑，信
27、息丢失。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。越高，处理速度越慢。2）方法）方法：用保证最小多边形的精度标准：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式：来确定尺寸经验公式： h h为栅格单元边长为栅格单元边长 AiAi为区域所有多边形的面积。为区域所有多边形的面积。地理信息系统原理GIS (三三)栅格代码（属性值）的确定栅格代码（属性值）的确定2-3 2-3 栅格数据结
28、构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。定方法来确定栅格属性值。1、中心点法、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。的属性值。 2、面积占优法、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。常用于分类较细，地理类别图斑较小时。 3、 重要性法重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要：定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积的
29、属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。较小的要素，特别是点、线地理要素。 4、长度占优法长度占优法每个栅格单元的值由该栅格中每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。线段最长的实体的属性来确定。AB baa2 2 1 1地理信息系统原理GIS四、栅格数据编码方法四、栅格数据编码方法2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 1、直接栅格编码、直接栅格编码：将栅格数据看作一个数据矩阵，将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。逐行记录代码数据。1）每行都从左到右记录；）每行都从左到右记录；
30、 AAAAABBBAABBAABB2）奇数行从左到右，偶数行从右到左；）奇数行从左到右，偶数行从右到左；特点特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理数据处理。 A A A A A B B B A A B B A A B B 栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术数据压缩是将数据
31、表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为：。分为：无损压缩无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息-信息信息 保持编码保持编码。有损压缩有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。这部分信息无法恢复。-信息不保持编码信息不保持编码。 地理信息系统原理GIS2、行程编码（变长编码）、行程编码（变长编码）：2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回将原
32、图表示的数据矩阵变为将原图表示的数据矩阵变为数据对数据对：1）属性码，长度，行号（可不要）属性码，长度，行号（可不要） 长度：连续相同码值的栅格个数。长度：连续相同码值的栅格个数。2）属性码，点位）属性码，点位特点：特点： 对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。度成反比）。 这种编码在这种编码在栅格加密时，数据量不会
33、明显增加栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。，这种编码应用广泛。 A A A A A B B B A A B B A A B B 地理信息系统原理GIS3 3、块码、块码 - - 游程编码向二维扩展游程编码向二维扩展2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回采用采用方形区域方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格作为记录单元，每个记录单元包括相
34、邻的若干栅格。数据对组成数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）：（初始行、列，半径，属性值）特点特点： 具有具有可变分辨率可变分辨率，即当属性变化小时图块大，即当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。 小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辩率。而降低分辩率。依次扫描，编过的不重复。依次扫描，编过的不重复。 1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7 7 7 72 4 4 4 4 4
35、 7 7 73 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 75 0 0 8 8 8 8 7 86 0 0 0 8 8 8 8 87 0 0 0 0 8 8 8 88 0 0 0 0 0 8 8 8如：如：（1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7)1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7)地理信息系统原理GIS4、链式编码、链式编码、Freeman 链码、边界链码链码、边界链码2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1）首先定义一个）首先定义一个3x
36、3窗口，中间栅格的走向有窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这种可能，并将这8种可能种可能07进行编码。进行编码。2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链踪，得到矢量链.将栅格数据（线状地物面域边界）表示为将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链矢量链的记录的记录链式编码表链式编码表aaaaaaab属性码起点行起点列链码链码a14556656b37576654323 优点优点：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和边界、线段凹凸度的计算。边界、线段凹凸度的计算。 缺
37、点缺点：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整体结构）。区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。体结构）。区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。 5 5、四叉树编码、四叉树编码地理信息系统原理GIS五、四叉树编码五、四叉树编码2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1、 基本思想基本思想：将将2 2n n2 2n n象元组成的图像象元组成的图像( (不足的用背景补上不足的用背景补上) ) 按四个象限进行递归分割，按四个象限进行递归分割，并判断属性是否单一，并
38、判断属性是否单一， 单一：不分。单一：不分。 不单一：递归分割。不单一：递归分割。最后得到一颗四分叉的倒向树。最后得到一颗四分叉的倒向树。2 2、 四叉树的树形表示四叉树的树形表示： 用一倒立树表示这种分割和分割结果。用一倒立树表示这种分割和分割结果。根根：整个区域：整个区域高高：深度、分几级，几次分割：深度、分几级，几次分割叶叶：不能再分割的块：不能再分割的块树叉树叉：还需分割的块：还需分割的块 每个树叉均有每个树叉均有4 4个分叉，叫四叉树。个分叉，叫四叉树。（一）四叉树概述（一）四叉树概述： 一种一种可变分率可变分率的的非均匀网格非均匀网格系统。系统。是最有效的栅格数据压缩编码方法之一是
39、最有效的栅格数据压缩编码方法之一 AAABAAAA0123地理信息系统原理GIS3 3、 编码方法编码方法2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1 1）常规四叉树）常规四叉树 记录这棵树的叶结点外，中记录这棵树的叶结点外，中间结点，结点之间的联系用指间结点，结点之间的联系用指针联系，针联系，每个结点需要每个结点需要6 6个变量：个变量：父结点指针、四个子结点的指父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值针和本结点的属性值。指针不仅指针不仅增加了数据的存储量增加了数据的存储量，还增加了操作的，还增加了操作的复杂性复杂性：如层次数（分割次
40、数）由：如层次数（分割次数）由从父结点移到根结点的次数来确定，结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始从父结点移到根结点的次数来确定，结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始逐步推算下来。所以，逐步推算下来。所以，常规四叉树并不广泛用于存储数据常规四叉树并不广泛用于存储数据，其价值在于建立索引文，其价值在于建立索引文件，进行数据检索。件，进行数据检索。地理信息系统原理GIS2 2）线性四叉树）线性四叉树2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回记录叶结点的记录叶结点的位置，深度位置，深度（几次分割）和属性。（几次分割）和属性。地址码（定位码
41、、地址码（定位码、MortonMorton码）码） 四进制、十进制四进制、十进制优点优点：存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其MortonMorton码，而不用建立四叉树。码，而不用建立四叉树。定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。 地理信息系统原理GIS（二）四进制的（二）四进制的MortonMorton码码2-3
42、 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1 1、 方法方法1 1：四叉树从上而下（形成）（从整体开始）四叉树从上而下（形成）（从整体开始）由叶结点找由叶结点找MortonMorton码。码。 A A、分割一次，增加一位数字、分割一次，增加一位数字，大分割在前，小分割在，大分割在前，小分割在后。所以，后。所以，码的位数表示分割的次数码的位数表示分割的次数。 B B、每一个位均是不大于每一个位均是不大于3 3的四进制数，表达位置。的四进制数，表达位置。由由MortonMorton找出四叉树叶结点的具体位置。找出四叉树叶结点的具体位置。02AAA B
43、AAA A AA0303B BA A地理信息系统原理GIS2 2、 方法方法2 2：四叉树自下而上合并的方法：四叉树自下而上合并的方法2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 1 1）计算每个栅格对应的）计算每个栅格对应的MQMQ MQ=2 MQ=2* *Ib+Jb Ib+Jb I,JI,J化为二进制化为二进制Ib,Jb Ib,Jb 看最大的看最大的I,J,I,J,不足在前补零。不足在前补零。 其其始行列号从始行列号从0 0计。计。2) 2) 按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中。按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中。3 3）依次
44、检查每四个相邻的）依次检查每四个相邻的MQMQ对应的属性值，相同合对应的属性值，相同合并（不同码位去掉），不同则存盘并（不同码位去掉），不同则存盘, ,直到没有能够合直到没有能够合并的子块为止。并的子块为止。AAA BAAAA地理信息系统原理GIS（三）十进制的（三）十进制的MortonMorton码码-MDMD2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回1 1、一种按位操作的方法、一种按位操作的方法：如行为如行为2 2、列为、列为3 3的栅格的的栅格的MDMD步骤：步骤： (1)(1)行、列号为二进制行、列号为二进制 Ib= 1 0 Jb=
45、 1 1Ib= 1 0 Jb= 1 1(2)I(2)I行行J J列交叉列交叉 1 1 0 1 = 131 1 0 1 = 13(3)(3)再化为十进制再化为十进制. . 实质上是按左上、右上、左下、右下的顺序，从零开始对实质上是按左上、右上、左下、右下的顺序，从零开始对每个栅格进行自然编码。每个栅格进行自然编码。 A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15四进制四进制MortonMorton码直观上切合四叉树分割，但许多语言不支持四进制变量，需用码直观上切合四叉树分割，但许多语言不支持四进制变量，需用十进制表示十进制表示Mor
46、tonMorton码码. .地理信息系统原理GIS2 2、把一幅把一幅2 2n n2 2n n的图像压缩成线性四叉树的过程的图像压缩成线性四叉树的过程2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回 1 1、按、按MortonMorton码把图象读入一维数组。码把图象读入一维数组。 2 2、相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象、相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的元的MortonMorton码。循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到码。循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能合并为止。不能合并为止。 3 3、进一步用
47、游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个象、进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个象元的元的Morton码。码。A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15右图的压缩处理过程为：右图的压缩处理过程为：1、按、按Morton码读入一维数组。码读入一维数组。 Morton码：码：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15象象 元元 值：值： A A A B A B B B A A A A B B B B2、四相邻象元合并，只记录第一个象元的、四相邻象元合并，只记录第一个象元的Morton码。码。 0
48、 1 2 3 4 5 6 7 8 12 A A A B A A B B A B3、由于不能进一步合并，则用游程长度编码压缩。、由于不能进一步合并，则用游程长度编码压缩。 0 3 4 6 8 12 A B A B A B A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15地理信息系统原理GIS（四）四叉树优缺点（四）四叉树优缺点2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构优点优点：1 1）对于团块图像，四叉树表示法占用空间比网络法要少得多，四叉树对于团块图像，四叉树表示法占用空间比网络法要少得
49、多，四叉树表示法基本上是一种表示法基本上是一种非冗余表示法非冗余表示法。2 2）四叉树具有可变率或多重分辩率的特点使得它有很好的应用前景，四叉树具有可变率或多重分辩率的特点使得它有很好的应用前景，适用于处理凝聚性或呈块状分布的空间数据，特别适用于处理分布不均适用于处理凝聚性或呈块状分布的空间数据，特别适用于处理分布不均匀的块状空间数据，但不适用于连续表面（如地形）或线状地物。匀的块状空间数据，但不适用于连续表面（如地形）或线状地物。此外，目前应用四叉树还存下列此外，目前应用四叉树还存下列问题问题：1) 1) 矢矢/ /栅正反变换还不理想。栅正反变换还不理想。2)2) 建立四叉树耗费机时很多。建
50、立四叉树耗费机时很多。3)3) 四叉树虽可修改，但很费事四叉树虽可修改，但很费事（具体的数据结构中会提到）（具体的数据结构中会提到）地理信息系统原理GIS4)4) 四叉树四叉树未能直接未能直接表示物体间的拓扑关系。表示物体间的拓扑关系。2-3 2-3 栅格数据结构栅格数据结构 第二章第二章 GIS GIS 数据结构数据结构返回返回5)5) 与非树表示法比较，四叉树表示法的缺点在于与非树表示法比较，四叉树表示法的缺点在于转换的不稳定性或叫转换的不稳定性或叫滑动变异滑动变异例如，两个图像的差异仅由于平移，就会构成极为例如，两个图像的差异仅由于平移，就会构成极为不同的四叉树，因而很难根据四叉树来判断