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1、地理信息系统原理及应用 第1页，本讲稿共69页-2-2矢量数据矢量数据结结构构 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 返回返回第2页，本讲稿共69页-4-4 矢栅一体化矢栅一体化数据结构数据结构 二、矢栅一体化概念二、矢栅一体化概念 一、矢、栅比较一、矢、栅比较 四、一体化四、一体化结结构构设计设计 三、三、三个三个约约定和定和细细分分格网法格网法 返回返回第3页，本讲稿共69页-1-1空间实体及其描述空间实体及其描述 GIS 数据结构一、地理实体（空间实体）-GIS处理对象 1、定义、定义：指指自自然然界界现现象象和和社社会会经经济济事
2、事件件中中不不能能再再分分割割的的单单元元，它它是是一一个个具具体体有有概概括括性，复杂性，相对意义性，复杂性，相对意义的概念。的概念。2 2、理解、理解：地地理理实实体体类类别别及及实实体体内内容容的的确确定定是是从从具具体体需需要要出出发发的的，例例如如，在在全全国国地地图图上上由由于于比比例例尺尺很很小小，武武汉汉就就是是一一个个点点，这这个个点点不不能能再再分分割割，可可以以把把武武汉汉定定为为一一个个空空间间实实体体，而而在在大大比比例例尺尺的的武武汉汉市市地地图图上上，武武汉汉的的许许多多房房屋屋，街街道道都都要要表表达达出出来来，所所以以武武汉汉必必须须再再分分割割，不不能能作作
3、为为一一个个空空间间实实体体，应应将将房房屋屋，街街道道等等作作为为研研究究的的地地理理实实体体，由由此此可可见见，GISGIS中中的的空空间间实实体体是是一一个个概概括括，复杂，相对的概念。复杂，相对的概念。返回返回第4页，本讲稿共69页二、地理实体的描述二、地理实体的描述空间数据空间数据-1-1空间实体及其描述空间实体及其描述 GIS 数据结构1、描述的内容 反映了实体的三个特征 3、数据类型 4、数据结构以什么形式存储和处理几何数据（空间数几何数据（空间数据、图形数据）据、图形数据）关系数据关系数据实体间的实体间的邻接、关联包含等邻接、关联包含等相互关系相互关系 属性数据属性数据各种属性
4、各种属性特征和时间特征和时间元数据元数据 矢量、栅格、矢量、栅格、TINTIN（专用于地表或（专用于地表或特殊造型）特殊造型）RDBMSRDBMS属性表属性表-采采用用MISMIS较成熟较成熟 同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述空间元数据返回返回位置、形状、尺位置、形状、尺寸寸 、识别码（名称）识别码（名称）实体的角色、功实体的角色、功能、行为、实体能、行为、实体的衍生信息的衍生信息时间时间测量方法、编码方法、测量方法、编码方法、空间参考系等空间参考系等 空间特征：地理空间特征：地理位置和空间关系位置和空间关系属性
5、特征属性特征名称、名称、等级、类别等等级、类别等时间特征时间特征2、基本特征 第5页，本讲稿共69页2、空间数据基本特征、空间数据基本特征返回返回第6页，本讲稿共69页3、空间数据类型、空间数据类型1）依据数据来源的不同分为：地图数据 地形数据 属性数据 元数据 影象数据2）依据表示对象的不同分为：第7页，本讲稿共69页3、空间数据类型（续）、空间数据类型（续）返回返回第8页，本讲稿共69页三、实体的空间特征三、实体的空间特征-1-1空间实体及其描述空间实体及其描述 GIS 数据结构（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。（二）空间特征类型（三）实体类型组合返回返回在地图上实
6、体维数的表示可以改变 点-面 线（单线河）-面（双线河），通过地图综合。1、点状实体2、线状实体3、面状实体4、体状实体第9页，本讲稿共69页1 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 GIS 数据结构点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。4）角点、节点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。返回返回第10页，本讲稿共69页2 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
7、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，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 GIS 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，并有如下特性：线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。返回返回第11页，本讲稿共69页3 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 GIS 数据结构面状实体的如下特征：1）面积范围 2）周长3）独立性或与其它地物相邻如中国及其周边国家4）内岛屿或锯齿状外形
8、：如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。5）重叠性与非重叠性：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。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。返回返回第12页，本讲稿共69页4、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 GIS 数据结构返回返回 立立体体状状实实体体用用于于描描述述三三维维空空间间中中的的现现象象与与物物体体，它它具具有有长长度度、宽宽度度及及高高度度等等属属性性，立立体体状状实实体体一一般般具具有有以下一些空间以下一些空间特征特征：体积，如工程开控
9、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。第13页，本讲稿共69页（三）实体类型组合（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 GIS 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，例如根据某些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，复杂实体由简单实体组合表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
10、体组合表达。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。空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS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SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。第14页，本讲稿共69页线线面面2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章 GIS 数据结构返回返回1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。2、线通过区域：公路上否通过某县。3、线环绕
11、区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。4、线与区域分离：距离。第15页，本讲稿共69页面面面面2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章 GIS 数据结构1、包含：岛,某省的湖泊分布。2、相合：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。3、相交：划分子区。4、相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。分离：计算距离。返回返回学校菜场第16页，本讲稿共69页四、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 GIS 数据结构返回返回（一）空间关系类型（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：（
12、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，算法复杂，至今没有很好用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。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，还与所通过路径的地形起伏有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，复杂关，复杂,引入第二种。引入第二种
13、。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（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测欧氏距离（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）。量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。北ab第17页，本讲稿共69页（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 GIS 数据结构返回返回1、定义：指图形保持连续状态下变形，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。拓扑变换（橡皮变
14、换）非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发生变化的属性）两点间距离一点指向另一点的方向弧段长度、区域周长、面积 等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）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部/外部一个点在一个环的内/外部一个面是一个简单面一个面的连通性 面内任两点从一点可在面的内部走向另一点1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义第18页，本讲稿共69页2 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 GIS 数据结构1）关联性：（不同类要素之间）结点与弧段：如V9与L5,L6,L3多边形与弧段：P2与L3,L5,L22）邻接性：(同类元素之
15、间)多边形之间、结点之间。邻接矩阵 重叠：-邻接：1 不邻接：0P1P2P3P4P1-111P21-10P311-0P4100-第19页，本讲稿共69页3）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、街道是否相街道是否相通。通。2-12-1空间实体及其描述空间实体及其描述 第二章 GIS 数据结构连通矩阵：重叠：-连通：1 不连通：0 V1V2V3V1-10V21-1V301-第20页，本讲稿共69页4）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 GIS 数据结构 一条弧段
16、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。5）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。6）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义。7）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。第21页，本讲稿共69页拓扑关系具体可由拓扑关系具体可由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
17、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性，不随地图投影而变化。，它比几何关系具有更大的稳定性，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）与哪些点问题。又如供水管网系统中某段
18、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。（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 GIS 数据结构返回返回4、拓扑关系的意义：第22页，本讲稿共69页2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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）将地理区域划分为网格阵列。位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。一、图形表示22122332333233323332点：由单个栅格表达。线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。面：由沿线走向有相同属性取值的一片
19、栅格表达。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、规则排列的地块，每个地块与一个象元相对应。因此，栅格数据的比例尺就是栅格(象元)的大小与地表相应单元的大小之比，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应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方面的偏差。333第23页，本讲稿共69页二、二、栅栅格数据格数据组织组织2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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2 222 2aaa
20、aa2 2土壤植被组织方法组织方法第24页，本讲稿共69页组织方法组织方法2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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属以象元为记录序列，不同层上同一象元位
21、置上的各属性值表示为一个列数组。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，节节约大量存储空间，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、属性一一记录，每层每个象元的位置、属性一一记录，结结构最简单，但浪费存储。构最简单，但浪费存储。第25页，本讲稿共69页三、栅格结构的建立三、栅格结构的建立2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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，逐，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。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
22、据行、列、行、列、颜色（灰度）颜色（灰度），定义颜色与属性对应表，用，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。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，对地面景象的辐射和反射能对地面景象的辐射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素值序列。式记录下来的象素值序列。5、格网格网DEM数据数据，当属性值为地面高程，当属性值为地面高程，
23、则为格网则为格网DEM，通过，通过DEM内插得到。内插得到。（一）建立途径（二）栅格系统的确定(三)栅格代码的确定第26页，本讲稿共69页（二）栅格系统的确定（二）栅格系统的确定2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构1 1、栅格坐标系的确定栅格坐标系的确定表表示示具具有有空空间间分分布布特特征征的的地地理理要要素素，不不论论采采用用什什么么编编码码系系统统，什什么么数数据据结结构构(矢矢、栅栅)都都应应在在统统一一的的坐坐标标系系统统下下，而而坐坐标标系系的的确确定定实实质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。由由于于栅栅格格编编码码一一般般用用
24、于于区区域域性性GISGIS，原原点点的的选选择择常常具具有有局局部部性性质质，但但为为了了便便于于区区域域的的拼拼接接，栅栅格格系系统统的的起起始始坐坐标标应应与与国国家家基基本本比比例例尺尺地地形形图图公公里里网网的的交交点点相相一一致致，并并分分别别采采用用公公里里网网的的纵纵横横坐坐标标轴轴作为栅格系统的坐标轴作为栅格系统的坐标轴。22122332333233323332第27页，本讲稿共69页2 2、栅格单元的尺寸栅格单元的尺寸2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回1）原则：应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。格网太大，忽略较小图
25、斑，信息丢失。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（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。2）方法：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式：h为栅格单元边长 Ai为区域所有多边形的面积。第28页，本讲稿共69页(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 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回当当一一个个栅栅格格单单元元内内有有多多个个可可选选属属性性值值时时，按按一一定方法来确定栅格属性值。定方法来确定栅格属性值。1、中中心心点点法法：取取位位于于栅栅格格中中心心的的属属性性值值为为该该栅栅格
26、格的属性值。的属性值。2、面面积积占占优优法法：栅栅格格单单元元属属性性值值为为面面积积最最大大者者，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、重重要要性性法法：定定义义属属性性类类型型的的重重要要级级别别，取取重重要要的的属属性性值值为为栅栅格格属属性性值值，常常用用于于有有重重要要意意义义而而面面积积较小的要素，特别是点、线地理要素。较小的要素，特别是点、线地理要素。4、长长度度占占优优法法每每个个栅栅格格单单元元的的值值由由该该栅栅格格中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 1第29页，本讲稿共69页四、栅格数据编码方
27、法四、栅格数据编码方法2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回 1、直接栅格编码：将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。1）每行都从左到右记录；AAAAABBBAABBAABB2）奇数行从左到右，偶数行从右到左；特点：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。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。分为：无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，
28、经过解码可恢复原有的信息-信息 保持编码。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，这部分信息无法恢复。-信息不保持编码。第30页，本讲稿共69页2、行程编码（变长编码）、行程编码（变长编码）：2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回将原图表示的数据矩阵变为数据对：1）属性码，长度，行号（可不要）长度：连续相同码值的栅格个数。2）属性码，点位特点：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，适用于类型区域面积较大的专题图，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度成反比）。这种编码在栅格加密
29、时，数据量不会明显增加，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，且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。A A A A A B B B A A B B A A B B 第31页，本讲稿共69页3 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 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回采用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。数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）特点：具有可变分辨率，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。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
30、图形复杂程度的提高而降低分辩率。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 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)第32页，本讲稿共69页4、链式编码、链式编码、Freeman链码、边界链
31、码链码、边界链码2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回1）首先定义一个3x3窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这8种可能07进行编码。2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链.将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录链式编码表aaaaaaab属性码起点行起点列链码a14556656b37576654323 优点：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和边界、线段凹凸度的计算。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体结构）。区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。5、四叉树编码第33页，本讲稿共
32、69页五、四叉树编码五、四叉树编码2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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)按四个按四个象限进行递归分割，象限进行递归分割，并判断属性是否单一，并判断属性是否单一，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
33、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：一种可变分率的非均匀网格系统。是最有效的栅格数据压缩编码方法之一 AAAAABBBAABBAABB0123第34页，本讲稿共69页3 3、编码方法编码方法2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回1）常规四叉树 记录这棵树的叶结点外，中间结点，结点之间的联系用指针联系，每个结点需要6个变量：父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值。指针不仅增加了数据的存储量，还增加了操作的复杂性：如层次数（
34、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逐步推算下来。所以，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件，进行数据检索。第35页，本讲稿共69页2 2）线性四叉树）线性四叉树2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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、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
35、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。定位定位码码容易存容易存储储和和执执行行实现实现集合相加等集合相加等组组合操作。合操作。第36页，本讲稿共69页（二）四进制的（二）四进制的MortonMorton码码2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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MortonMor
36、ton码。码。A A、分分割割一一次次，增增加加一一位位数数字字，大大分分割割在在前前，小小分分割割在在后后。所所以以，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。0123AAAAA BBBAABBA AABB03BA第37页，本讲稿共69页2 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 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回 1）计算每个栅格对应的MQ
37、MQ=2*Ib+Jb I,J化为二进制Ib,Jb 看最大的I,J,不足在前补零。其始行列号从0计。2)按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中。3）依次检查每四个相邻的MQ对应的属性值，相同合并（不同码位去掉），不同则存盘,直到没有能够合并的子块为止。AAAAA BBBAABBAABB第38页，本讲稿共69页（三）十进制的（三）十进制的MortonMorton码码-MDMD2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回1、一种按位操作的方法：如行为2、列为3的栅格的MD步骤：(1)行、列号为二进制 Ib=1 0 Jb=1 1(2)I行J列交叉 1 1 0 1 =13
38、(3)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Morton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Morton码.第39页，本讲稿共69页2 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 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 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
39、个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的、相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的MortonMorton码。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。循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能合并为止。3 3、进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个象元的、进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个象元的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：0123
40、456789101112131415象象元元值：值：AAABABBBAAAABBBB2、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。01234567812AAABAABBAB3、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。0346812ABABABA 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15第40页，本讲稿共69页（四）四叉树优缺点（四）四叉树优缺点2-3 2-3 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构优点：1）对于团块图像，四叉
41、树表示法占用空间比网络法要少得多，四叉树表示法基本上是一种非冗余表示法。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，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。此外，目前应用四叉树还存下列问题：1)矢/栅正反变换还不理想。2)建立四叉树耗费机时很多。3)四叉树虽可修改，但很费事（具体的数据结构中会提到）第41页，本讲稿共69页4)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 栅栅格数据格数据结结构构 第二章 GIS 数据结构返回返回5)与非树表示法比较，四
42、叉树表示法的缺点在于转换的不稳定性或叫滑动变异例如，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这两个图像是否全同，故不利于做形状分析和模式识别，A 0A 1A 4A 5A 2 B 3B 6B 7A 8A 9B 12B 13A 10A 11B 14B 15AAAAABBBAABBAABB6)一个物体的图像在构成四叉树时会被分割到若干个象限中，使它失去了内在的相关性。AAAAABBBAABBAABB第42页，本讲稿共69页2-2 2-2 矢量矢量数据数据结结构构 第二章 GIS 数据结构一、图形表示 返回返回摘自 张超第43页，本讲稿共69页二、矢量数据的获取方式
43、二、矢量数据的获取方式2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章 GIS 数据结构1)由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。2)由栅格数据转换获得利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3)跟踪数字化用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。返回返回第44页，本讲稿共69页三、矢量数据组织三、矢量数据组织 2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章 GIS 数据结构点：坐标对（x,y）+识别符线：坐标对系列(x1,y1).(xn,yn)及有关属性、其它属性面：首尾相同的坐标串关系表几何位置坐标文件连连接接矢量数据表示时矢量
44、数据表示时应考虑以下问题应考虑以下问题：矢量数据自身的存贮和处理。矢量数据自身的存贮和处理。与属性数据的联系。与属性数据的联系。矢量数据之间的空间关系矢量数据之间的空间关系(拓扑关系拓扑关系)。第45页，本讲稿共69页以点为例：以点为例：2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章 GIS 数据结构坐标坐标识别符识别符若是简单点要素如独立树、电线竿、三角点，符号、若是简单点要素如独立树、电线竿、三角点，符号、有有关属性关属性中包括中包括比例尺、方向比例尺、方向若是注记点，记录有关字符的大小、方向、字体、排列等若是注记点，记录有关字符的大小、方向、字体、排列等若是结点若是结点Vertex：符号
45、：指针、与线相交的角度。：符号：指针、与线相交的角度。其它属性其它属性:三角点设立年代、材料等三角点设立年代、材料等线（符号、方向）、面（符号）都有相应的相关属性，在此，看看矢量结构中关于几何位置坐标的编码方式返回返回第46页，本讲稿共69页四、矢量数据四、矢量数据编码方式编码方式（spaghetti）-面条模型:以实体为单位记录其坐标2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章 GIS 数据结构缺点缺点：1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形数数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。据不一
46、致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。2、自成体系，自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。共边界，合并多边形。3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。（一）实体式优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。多边形坐标串P1P21234567891011 1213 1415PPP返回返
47、回第47页，本讲稿共69页（二）索引式（树状）（二）索引式（树状）2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章 GIS 数据结构对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。1234567891011 1213 1415PPPMap1、点文件：点号坐标1x1,y1索引文件：面号弧段号P1A,B,C3、面文件：2、弧段文件:弧段号起点终点点号A527,8,9,10与实体式相比：优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困
48、难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。返回返回第48页，本讲稿共69页（三）双重独立式编码（三）双重独立式编码简简称称DIME(DualIndependentMapEncoding)，是是美美国国人人口口统统计计系系统统采采用用的的一一种种编编码码方方式式，是是一一种种拓拓扑扑编码结构。编码结构。2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章 GIS 数据结构1、点文件点号坐标1x1,y12、线文件:线文件是以线段为记录单位 线号左多边形 右多边形 起点终点L210P1P22101234567891011 1213 1415PPP3、面文件面号线号P1L210,L109关联邻接关联连通拓
49、扑关系明确在DIME中做如下改进：将以线段为记录单位改为以弧段为单位链状双重独立式编码返回返回第49页，本讲稿共69页（四）（四）链状双重独立式编码链状双重独立式编码-拓扑数据结构拓扑数据结构 2-2 2-2 矢量数据结构矢量数据结构第二章 GIS 数据结构1、弧段坐标文件：弧段号坐标系列（串)Ax2,y2,X10,y102 2、弧段文件：链、弧段文件：链面，链面，链结点关系结点关系 弧段号 左多边形 右多边形 起点终点AP1P2251234567891011 1213 1415PPP3、面文件面号弧段号 P1A,B,-C4 4、点拓扑文件、点拓扑文件：结点结点链关系链关系 点号 弧段号 2A
50、,B,D在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。返回返回第50页，本讲稿共69页链状双重独立式编码链状双重独立式编码 特点特点拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象.被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件。例：ARC文件：二进制文件:弧段号 点数 坐标串 在GIS数据输入中，建拓扑是指给图形数据（点、线