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1、第三章地理信息系统的数据结构第1页，共50页，编辑于2022年，星期二2 2第三章GIS的空间数据结构3.13.1空间数据结构的类型空间数据结构的类型第2页，共50页，编辑于2022年，星期二3 33.1空间数据结构的类型空间数据结构的类型、1栅格数据结构栅格数据结构一、栅格数据结构的概念一、栅格数据结构的概念二、栅格数据结构的特点二、栅格数据结构的特点三、栅格数据的获取方法三、栅格数据的获取方法四、栅格数据单元值的确定方法四、栅格数据单元值的确定方法五、减少栅格数据存储量的编码方法五、减少栅格数据存储量的编码方法第3页，共50页，编辑于2022年，星期二4 4 栅格数据结构栅格数据结构，就是
2、以行、列表示，就是以行、列表示的像元阵列，像元点上的值即对应着地的像元阵列，像元点上的值即对应着地理实体的属性或属性编码。理实体的属性或属性编码。一、栅格数据结构的概念一、栅格数据结构的概念第4页，共50页，编辑于2022年，星期二5 502：草地：草地03：耕地：耕地05：林地：林地06：水域：水域10：居民点：居民点一、栅格数据结构的概念一、栅格数据结构的概念第5页，共50页，编辑于2022年，星期二6 6一、栅格数据结构的概念一、栅格数据结构的概念第6页，共50页，编辑于2022年，星期二7 7二、栅格数据结构的特点特点特点:由于栅格数据结构是按一定规则排列的，所由于栅格数据结构是按一定
3、规则排列的，所以以,其所表示的实体位置就很容易隐含在栅格其所表示的实体位置就很容易隐含在栅格数据文件的结构之中数据文件的结构之中;栅格的行列坐标可以方便地转换为其它坐栅格的行列坐标可以方便地转换为其它坐标系下的坐标值标系下的坐标值;栅格文件的中的每个代码本身即明确地表明栅格文件的中的每个代码本身即明确地表明了实体的属性或属性编码了实体的属性或属性编码;第7页，共50页，编辑于2022年，星期二8 8栅格数据特别适合与计算机处理，特别是存储栅格数据特别适合与计算机处理，特别是存储和显示和显示;栅格数据表示的地表上的线或者面是不连续的，栅格数据表示的地表上的线或者面是不连续的，其表示地理实体的精度
4、与栅格尺寸有关其表示地理实体的精度与栅格尺寸有关;相对于矢量数据结构相对于矢量数据结构,数据量大数据量大第8页，共50页，编辑于2022年，星期二9 9三、栅格数据的获取方法直接获取法直接获取法:将均匀的透明格网将均匀的透明格网蒙在要进行处理的蒙在要进行处理的专题地图上专题地图上,按行列按行列读取专题内容的编读取专题内容的编码值码值;第9页，共50页，编辑于2022年，星期二1010三、栅格数据的获取方法第10页，共50页，编辑于2022年，星期二1111三、栅格数据的获取方法数据转换法数据转换法:由矢量数据转换到栅格数据由矢量数据转换到栅格数据.通过转换程序通过转换程序第11页，共50页，编
5、辑于2022年，星期二1212三、栅格数据的获取方法扫描法扫描法:通过扫描设备通过扫描设备(包括遥感平台包括遥感平台)扫描得到栅扫描得到栅格数据格数据扫描仪扫描仪航空航天遥感航空航天遥感第12页，共50页，编辑于2022年，星期二1313四、栅格数据单元值的确定方法四、栅格数据单元值的确定方法中心点法中心点法(网格交点归属法网格交点归属法)：用处于栅格中心处的实体属性作为该用处于栅格中心处的实体属性作为该栅格单元的属性栅格单元的属性;ABC第13页，共50页，编辑于2022年，星期二1414面积占优法面积占优法:以占栅格面积最大的地物属性作为该栅格单元以占栅格面积最大的地物属性作为该栅格单元的
6、属性的属性;ABC第14页，共50页，编辑于2022年，星期二1515长度占优法长度占优法:以占栅格行中心线长度最大的地物属性作为以占栅格行中心线长度最大的地物属性作为该栅格单元的属性该栅格单元的属性;ABCABC第15页，共50页，编辑于2022年，星期二1616重要性法重要性法:以栅格单元内是否含有重要地物来确定该以栅格单元内是否含有重要地物来确定该栅格单元的属性栅格单元的属性;有无有无重要重要地物地物?以该重要地物的属性作以该重要地物的属性作为栅格单元的属性为栅格单元的属性以其他取值方法确定以其他取值方法确定栅格单元的属性栅格单元的属性不能单独作一种取值方法用不能单独作一种取值方法用四、
7、栅格数据单元值的确定方法四、栅格数据单元值的确定方法有有无无第16页，共50页，编辑于2022年，星期二1717分别在什么情况下适合使用何种方法：中心点法中心点法：适用于对位置精度要求高的地方，强调一个地物位置重要性时譬如连续分布地理要素，分类较细地物面积占优法：面积占优法：强调面积时用该方法，譬如计算土地利用面积时长度占优法：长度占优法：强调一个地物长度时用重要性法：重要性法：强调地物重要性时，譬如具有特殊意义的较小地物第17页，共50页，编辑于2022年，星期二1818五、减少栅格数据存储量的编码方法栅格数据压缩的必要性栅格数据压缩的必要性:直接的栅格数据简单，但数据量大直接的栅格数据简单
8、，但数据量大.这对于计这对于计算机有限的储存器来讲是不易接受的算机有限的储存器来讲是不易接受的.所以，所以，采用各种方法对栅格数据进行压缩是十分必采用各种方法对栅格数据进行压缩是十分必要的。要的。有损压缩有损压缩：数据压缩的同时，或多或少丢失数据压缩的同时，或多或少丢失了部分原信息；了部分原信息；无损压缩：无损压缩：数据压缩不会减少原信息量，原数据压缩不会减少原信息量，原数据可完全恢复。数据可完全恢复。第18页，共50页，编辑于2022年，星期二1919五、栅格数据压缩编码方法链式编码链式编码(弗里曼链码、边界链弗里曼链码、边界链码码)将多边形的边界，表示为由将多边形的边界，表示为由某一原点开
9、始，并按某些某一原点开始，并按某些方向确定的单位矢量链。方向确定的单位矢量链。01234567主要对面状数据进行主要对面状数据进行第19页，共50页，编辑于2022年，星期二20200123456701956782 340123456789(5,3,0,0,2,2,4,5,6)第20页，共50页，编辑于2022年，星期二2121优缺点：优缺点：对多边形的表示有很强的压缩能力；对多边形的表示有很强的压缩能力；有一定的计算功能有一定的计算功能如多边形周长；如多边形周长；可探测边界的走向；可探测边界的走向；适用于存储多边形数据。适用于存储多边形数据。叠置运算难于进行，如组合、相交等；叠置运算难于进行
10、，如组合、相交等；相邻边界重复存储，存在数据冗余相邻边界重复存储，存在数据冗余第21页，共50页，编辑于2022年，星期二2222游程编码游程编码从第一行开始，从左到右将若干个属性从第一行开始，从左到右将若干个属性值相同的栅格视为一个游程，每个游程值相同的栅格视为一个游程，每个游程的数据结构表示（的数据结构表示（A，P），其中），其中A为游程为游程长度长度(所延续的列数所延续的列数)，P为该游程像元的属为该游程像元的属性值。这样，就可以将每行栅格映射为性值。这样，就可以将每行栅格映射为K个游程，当个游程，当K远远小于列数时远远小于列数时,原栅格数据原栅格数据就得以压缩就得以压缩.第22页，共5
11、0页，编辑于2022年，星期二2323(8,02),(2,05)(8,02),(2,05)(3,02),(6,03),(1,05)(2,02),(8,03)(2,02),(3,03),(1,10),(4,03)(2,02),(1,03),(3,06),(1,10),(3,03)(2,02),(1,03),(3,06),(4,03)(1,02),(3,03),(2,06),(2,03),(2,05)(1,02),(6,03),(3,05)(1,02),(6,03),(3,05)第23页，共50页，编辑于2022年，星期二2424优点：优点：是多种压缩算法的实现基础；是多种压缩算法的实现基础；易于
12、实现检索、叠加、合并等常用操作；易于实现检索、叠加、合并等常用操作；当图形不复杂，栅格尺寸较小时，可实现栅当图形不复杂，栅格尺寸较小时，可实现栅格数据的较大压缩。格数据的较大压缩。第24页，共50页，编辑于2022年，星期二2525四叉树编码四叉树编码:四叉树数据结构的概念四叉树数据结构的概念:又称为四分树或四元又称为四分树或四元树编码。就是将树编码。就是将2n2n（n=1）的空间区域）的空间区域按照四个像限进行递归分割，直到子像限的按照四个像限进行递归分割，直到子像限的值单调为止。值单调为止。第25页，共50页，编辑于2022年，星期二2626每个均值方块分解为四个方位即（西北、东北、西南和
13、东南）四叉树顶部时根结点，内部结点用圆圈表示，叶结点用方框表示00011110分解顺序编码分解顺序编码第26页，共50页，编辑于2022年，星期二2727四叉树编码示例：第27页，共50页，编辑于2022年，星期二2828四叉树的建立方法四叉树的建立方法:自上而下法：首先检查全区域，不单调时进自上而下法：首先检查全区域，不单调时进行四分割，再逐层检查各级子像限，不单行四分割，再逐层检查各级子像限，不单调时再进行四分割，直到划分到的各级子调时再进行四分割，直到划分到的各级子像限都单调为止。像限都单调为止。自下而上法：按照四个像限的顺序，逐个扫自下而上法：按照四个像限的顺序，逐个扫描各栅格点，并在
14、各级像限划分的末位置描各栅格点，并在各级像限划分的末位置审查、记录该像限的单调情况。审查、记录该像限的单调情况。第28页，共50页，编辑于2022年，星期二2929四叉树编码四叉树编码:四叉树结构按其编码方式的不同又分为四叉树结构按其编码方式的不同又分为“常常规四叉树规四叉树”（CQT）和）和“线性四叉树线性四叉树”（LQT）常规四叉树除了记录叶结点之外，还要记录常规四叉树除了记录叶结点之外，还要记录中间结点，结点之间借助于指针相联系。每中间结点，结点之间借助于指针相联系。每个结点用个结点用4个叶结点指针、个叶结点指针、1个父结点指针和个父结点指针和一个属性码共一个属性码共6个数据项来表达。个
15、数据项来表达。线性四叉树只记录叶结点信息，每个结点用线性四叉树只记录叶结点信息，每个结点用位置、深度和属性码位置、深度和属性码4个数据项表达。个数据项表达。第29页，共50页，编辑于2022年，星期二30303.2数据结构类型数据结构类型2 矢量数据结构矢量数据结构矢量数据结构矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。第30页，共50页，编辑于2022年，星期二课后
16、思考与阅读仔细研究阅读栅格数据的压缩编码方式仔细研究阅读栅格数据的压缩编码方式第31页，共50页，编辑于2022年，星期二3232矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。q点：空间的一个坐标点；q线：多个点组成的弧段；q面：多个弧段组成的封闭多边形；第32页，共50页，编辑于2022年，星期二3333矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构编码的基本内容标识码标识码属性码属性码空间对象编码空间对象编码唯一唯一连接空间和属性数据连接空间和属性数据数据库数据库独立编码独立编码点点:(x,y)线线:(x1,y1),(x2,y
17、2),(xn,yn)面面:(x1,y1),(x2,y2),(x1,y1)点位字典点位字典点点:点号文件点号文件线线:点号串点号串面面:点号串点号串点号XY1112223344n5566存储方法存储方法第33页，共50页，编辑于2022年，星期二3434点实体第34页，共50页，编辑于2022年，星期二3535线实体面面实实体体 多边形矢量编码，不但多边形矢量编码，不但多边形矢量编码，不但多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更要表示位置和属性，更要表示位置和属性，更要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的重要的是能表达区域的重要的是能表达区域的重要的是能表达区域的拓扑特征拓扑特征拓扑特征拓扑特
18、征，如形状、邻，如形状、邻，如形状、邻，如形状、邻域和层次结构等，以域和层次结构等，以域和层次结构等，以域和层次结构等，以便使这些基本的空间便使这些基本的空间便使这些基本的空间便使这些基本的空间单元可以作为专题图单元可以作为专题图单元可以作为专题图单元可以作为专题图的资料进行显示和操的资料进行显示和操的资料进行显示和操的资料进行显示和操作。作。作。作。第35页，共50页，编辑于2022年，星期二3636简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构面条结构（实体式）面条结构（实体式）只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。0存储：q独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；q点位字典：点坐标独
19、立存储，线、面由点号组成0特征l无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询l公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性l多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；l处理嵌套多边形比较麻烦0适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析第36页，共50页，编辑于2022年，星期二3737简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构面条结构（实体式）面条结构（实体式）多边形多边形多边形多边形 数据项数据项数据项数据项AA(x(x11,y,y11),(x),(x22,y,y22),(x),(x33,y,y33),(x),(x44,y,y44),(x),(x55,y,y55),(x),(x66,y
20、,y66),(x),(x77,y,y77),(x),(x88,y,y88),(x),(x99,y,y99),(x),(x11,y,y11)BB(x(x11,y,y11),(x),(x99,y,y99),(x),(x88,y,y88),(x),(x1717,y,y1717),),(x(x1616,y,y1616),(x),(x1515,y,y1515),(x),(x1414,y,y1414),(x),(x1313,y,y1313),(x),(x1212,y,y1212),),(x(x1111,y,y1111),(x),(x1010,y,y1010),(x),(x11,y,y11)CC(x(x24
21、24,y,y2424),(x),(x2525,y,y2525),(x),(x2626,y,y2626),(x),(x2727,y,y2727),(x),(x2828,y,y2828),(x),(x2929,y,y2929),(x),(x3030,y,y3030),(x),(x3131,y,y3131),(x),(x2424,y,y2424)DD(x(x1919,y,y1919),(x),(x2020,y,y2020),(x),(x2121,y,y2121),(x),(x2222,y,y2222),(x),(x2323,y,y2323),(x),(x1515,y,y1515),(x),(x161
22、6,y,y1616),(x),(x1919,y,y1919)EE(x(x55,y,y55),(x),(x1818,y,y1818),(x),(x1919,y,y1919),(x),(x1616,y,y1616),(x),(x1717,y,y1717),(x),(x88,y,y88),(x),(x77,y,y77),(x),(x66,y,y66),(x),(x55,y,y55)第37页，共50页，编辑于2022年，星期二3838索索引引式式 线与多边形之间的树状索引线与多边形之间的树状索引线与多边形之间的树状索引线与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引点与多边形之间的树状索引点与多边形
23、之间的树状索引点与多边形之间的树状索引 第38页，共50页，编辑于2022年，星期二3939双重独立式双重独立式DIME(DuallndependentDIME(DuallndependentMapEncoding)MapEncoding)线号左多边形右多边形起点终点aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92这种数据结构除了通过线文件这种数据结构除了通过线文件这种数据结构除了通过线文件这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件生成面文件外，还需要点文件生成面文件外，还需要点文
24、件生成面文件外，还需要点文件 第39页，共50页，编辑于2022年，星期二4040链状双重独立式链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。第40页，共50页，编辑于2022年，星期二4141弧段文件弧段文件弧段文件弧段文件弧段号弧段号弧段号弧段号起始点起始点起始点起始点终结点终结点终结点终结点左多边形左多边形左多边形左多边形右多边形右多边形右多边形右多边形
25、aa5511OOAAbb8855EEAAcc161688EEBBdd191955OOEEee15151919OODDff15151616DDBBgg111515OOBBhh8811AABBii16161919DDEEjj31313131BBCC弧段坐标文件弧段坐标文件弧段坐标文件弧段坐标文件弧段号弧段号弧段号弧段号点点点点 号号号号aa5,4,3,2,15,4,3,2,1bb8,7,6,58,7,6,5cc16,17,816,17,8dd19,18,519,18,5ee15,23,22,21,20,1915,23,22,21,20,19ff15,16,15,16,gg1,10,11,12,13
26、,14,151,10,11,12,13,14,15hh8,9,18,9,1ii16,1916,19jj31,30,29,28,27,26,25,24,3131,30,29,28,27,26,25,24,31链状双重独立式多边形文件多边形文件多边形文件多边形文件多边形号多边形号多边形号多边形号弧段号弧段号弧段号弧段号周长周长周长周长 面积面积面积面积 中心点坐标中心点坐标中心点坐标中心点坐标AAh,b,ah,b,aBBg,f,c,h,-jg,f,c,h,-jCCjjDDe,i,fe,i,fEEe,i,d,be,i,d,b第41页，共50页，编辑于2022年，星期二4242矢量数据结构的特点矢量数
27、据结构的特点用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用拓扑关系描述空间对象之间的关系用拓扑关系描述空间对象之间的关系面向目标操作，精度高，数据冗余度小面向目标操作，精度高，数据冗余度小与遥感等图象数据难以结合与遥感等图象数据难以结合输出图形质量号，精度高输出图形质量号，精度高第42页，共50页，编辑于2022年，星期二43433.3两种数据结构的比较与转换两种数据结构的比较与转换1.结构简单，易数据交换。结构简单，易数据交换。2.叠叠置置分分析析和和地地理理(能能有有效效表表达达空空可变性可变性)现象模拟较易。现象模拟较易。3.利利于于与
28、与感感遥遥数数据据的的匹匹配配应应用用和和分析，便于图像处理。分析，便于图像处理。4.输出快速，成本低廉。输出快速，成本低廉。1.便便于于面面向向现现象象(土土壤壤类类，土土地地利利用单元等用单元等)2.结结构构紧紧凑凑，冗冗余余度度低低，便便于于描描述线或边界。述线或边界。3.利利于于网网络络、检检索索分分析析，提提供供有有效效的的拓拓扑扑编编码码，对对需需要要拓拓扑扑信信息的操作更有效。息的操作更有效。4.图形显示质量好，精度高。图形显示质量好，精度高。优优 点点 1.数数据据结结构构复复杂杂，各各自自定定义义，不不便便于于数数据标准化和规范化，数据交换困难。据标准化和规范化，数据交换困难
29、。2.多多边边形形叠叠置置分分析析困困难难，没没有有栅栅格格有有效效，表达空间变化性能力差。表达空间变化性能力差。3.不能像数字图像那样做增强处理不能像数字图像那样做增强处理 4.软软硬硬件件技技术术要要求求高高，显显示示与与绘绘图图成成本本较高。较高。矢矢量量1.现现象象识识别别效效果果不不如如矢矢量量方方法法，难难以以表表达拓扑。达拓扑。2.图图形形数数据据量量大大，数数据据结结构构不不严严密密不不紧紧凑，需用压缩技术解决该问题。凑，需用压缩技术解决该问题。3.投影转换困难。投影转换困难。4.图图形形质质量量转转低低，图图形形输输出出不不美美观观，线线条条有有锯锯齿齿，需需用用增增加加栅栅
30、格格数数量量来来克克服服，但会增加数据文件。但会增加数据文件。栅栅格格 缺缺 点点第43页，共50页，编辑于2022年，星期二4444数据结构的转换由于矢量数据结构和栅格数据结构各具有不由于矢量数据结构和栅格数据结构各具有不同的优缺点，一般他们的应用原则是：数同的优缺点，一般他们的应用原则是：数据采集采用矢量数据结构，有利于保证空据采集采用矢量数据结构，有利于保证空间实体的几何精度和拓扑特性的描述；而间实体的几何精度和拓扑特性的描述；而空间分析则主要采用栅格数据结构，有利空间分析则主要采用栅格数据结构，有利于加快系统数据的运行速度和分析应用的于加快系统数据的运行速度和分析应用的进程，因而在数据
31、处理阶段，经常要进行进程，因而在数据处理阶段，经常要进行两种数据结构的相互转换。两种数据结构的相互转换。第44页，共50页，编辑于2022年，星期二由矢量向栅格的转换由矢量向栅格的转换矢量数据的基本要素是点、线、面，因而只要实现点、线、面的转换，各种图形的相互转换问题就得以解决。研究的区域如右图，坐标方向如图中箭头所示，区域的最大最小坐标分别为xmax，xmin，ymax，ymin。网格大小为xy。x=(xmaxxmin)/Jy=(ymaxymin)/I 一般情况下，取x=y。0123jymaxyminxmaxxmin x y0123ixy第45页，共50页，编辑于2022年，星期二点的变换点
32、的变换点的变换十分简单，只要这个点落在哪个网格中就属于哪个网格元素，行列坐标（i，j）可由下式计算：i=1+Int(ymax-y)/y j=1+Int(x-xmin)/x012yminxmaxxmin0123ix3jymax x yy第46页，共50页，编辑于2022年，星期二基于图像数据的矢量化方法基于图像数据的矢量化方法图像数据可来源于扫描、遥感分类图象等。图像数据可来源于扫描、遥感分类图象等。二值化二值化：应注意选取合适的阈值，对于一幅特定的图象，应注意选取合适的阈值，对于一幅特定的图象，甚至需尝试不同的阈值。甚至需尝试不同的阈值。细化细化：消除线划横断面栅格数的差异，使得每一条线只保留
33、：消除线划横断面栅格数的差异，使得每一条线只保留代表其横轴线的单个栅格的宽度。代表其横轴线的单个栅格的宽度。“剥皮法剥皮法”跟踪跟踪：跟踪整理为以起始点（或称结点）开始的线段或闭：跟踪整理为以起始点（或称结点）开始的线段或闭合的线条。合的线条。第47页，共50页，编辑于2022年，星期二剥皮法“剥皮法”的实质是从曲线的边缘开始，每次剥掉等于一个栅格宽的一层，直到最后留下彼此连通的由单个栅格点组成的图形。这一方法的最关键的技术是在剥皮过程中，不允许剥去会导致曲线不连通的栅格。第48页，共50页，编辑于2022年，星期二33栅格组合图第49页，共50页，编辑于2022年，星期二5050思考与练习空间实体可抽象为哪几种基本类型？它们在矢量数据结构和栅格数据结构分别是如何表示的？叙述3种栅格数据存储的压缩编码方法。试写出矢量和栅格数据结构的模式，并列表比较其优缺点。第50页，共50页，编辑于2022年，星期二