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1、第二章第二章 空间数据结构及编码空间数据结构及编码1、从现实世界到计算机世界、从现实世界到计算机世界概念模型数据模型数据结构文件格式四个层次现实世界用户认识局部抽象概念模型-面向用户数据模型-面向机器按照著名数据库专家E.F.Codd的理论认为数据模型实质上是一组为用户服务的规则,这些规则规定其数据结构如何组织以及应当允许进行何种操作。一一 基本概念基本概念2.Gis中地理空间数据组织的主要对象中地理空间数据组织的主要对象从地理空间现象或事物到计算机世界从地理空间现象或事物到计算机世界,一般一般也要有概念模型也要有概念模型,数据模型数据模型,数据结构和文数据结构和文件格式几个层次件格式几个层次
2、.这个过程有时统称为这个过程有时统称为地理地理空间数据建模空间数据建模Gis怎样组织数据以模拟地理事物和现象的呢怎样组织数据以模拟地理事物和现象的呢?举例举例我们将我们将gisgis所抽象所抽象,表达的地理事物和现象表达的地理事物和现象,称为称为空间对象空间对象;空间对象的位置相互关系空间对象的位置相互关系,称为称为空间关系空间关系a空间对象空间对象点状空间对象点状空间对象(0维对象维对象)线状空间对象线状空间对象面状空间对象面状空间对象体状空间对象体状空间对象除空间维数特性外除空间维数特性外,空间对象还可以从其复杂空间对象还可以从其复杂性性,规则性规则性,人为性等角度认识和区分人为性等角度认
3、识和区分b空间关系通常分为空间关系通常分为3类类度量空间关系顺序空间关系拓扑空间关系 -连接性 -包含 -邻接性3.空间数据结构和空间数据模型两个概念之间的关空间数据结构和空间数据模型两个概念之间的关系系空间数据结构和空间数据模型研究地理空空间数据结构和空间数据模型研究地理空间数据组织和管理间数据组织和管理.两者之间的关系两者之间的关系,与一与一般的数据结构和数据模型的关系有两点相般的数据结构和数据模型的关系有两点相似之处似之处.其一其一,空间数据结构所作的数据组空间数据结构所作的数据组织工作织工作,比空间数据模型更基层些比空间数据模型更基层些,它偏重它偏重数据表达的物理实现数据表达的物理实现
4、,而空间数据模型涉及而空间数据模型涉及到空间数据管理的层次到空间数据管理的层次.其二，同普通数据其二，同普通数据的数据模型一样的数据模型一样,空间数据模型的命名通常空间数据模型的命名通常与相应的空间数据结构相同与相应的空间数据结构相同.4.空间分析与非空间分析空间分析与非空间分析5.空间数据空间数据 定义定义 特点：特点：数据的空间性数据的空间性 数据的属性数据的属性 数据的时间性数据的时间性6.空间数据的编码空间数据的编码7.空间数据的拓扑关系空间数据的拓扑关系地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多边形（区域）之间的空间几何关
5、系，其关系边形（区域）之间的空间几何关系，其关系如下如下 欧氏平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性 拓扑属性拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）弧段（弧段自身不相交）一个点在一个区域的一个点在一个区域的边界上界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个区域的外部一个点在一个一个点在一个环的内部的内部一个面是一个一个面是一个简单面（面上没有面（面上没有“岛”）一个面的一个面的连续性（性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）的内
6、部沿任意路径走向另一点）非拓扑属非拓扑属性性两点之两点之间的距离的距离一个点指向另一个点的方向一个点指向另一个点的方向弧段的弧段的长度度一个区域的周一个区域的周长一个区域的面一个区域的面积弧属性表（弧属性表（AAT）多边形属性表（多边形属性表（PAT）#id多边形标识码多边形标识码周长周长面积面积108.418-4.50621048.5962.07831024.2961.14441012.2330.30151034.3250.983id弧标识码弧标识码起始结点起始结点终到结点终到结点弧左多边形弧左多边形弧右多变形弧右多变形弧长弧长13831321.51523343351.04033541132
7、.10643722242.23353615124.12063953521.09373445512.1931.本图有多少个多边形和弧？本图有多少个多边形和弧？2.哪个多边形是包含于另一个中？哪个多边形是包含于另一个中？3.哪个多边形和多边形哪个多边形和多边形102相邻？相邻？4.手工建立一个简单示意图表明本手工建立一个简单示意图表明本图的空间格局图的空间格局二、栅格数据结构二、栅格数据结构 定义：又称为网格结构，它是将地表划分成为紧定义：又称为网格结构，它是将地表划分成为紧密相邻的网格阵列。每个网格的位置由行列号定密相邻的网格阵列。每个网格的位置由行列号定义。它包含一个代码，以表示该网格的属性或
8、指义。它包含一个代码，以表示该网格的属性或指向属性记录的指针。向属性记录的指针。注意：栅格数据模型是将连续空间离散化，即用注意：栅格数据模型是将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间，这种铺盖可二维铺盖或划分覆盖整个连续空间，这种铺盖可以分为规则的和不规则的以分为规则的和不规则的1.概念概念三角形、方格和六角形划分三角形、方格和六角形划分 栅格数据模型栅格数据模型 2.图形栅格数据结构表示图形栅格数据结构表示0 0 0 0 2 0 000 0 0 2 0 0 000 1 0 2 0 3 300 0 0 2 3 3 330 0 2 0 3 3 330 0 2 0 0 3 300 2
9、0 0 0 0 00线线面面点点3.决定栅格单元代码的方式决定栅格单元代码的方式 面积占优法面积占优法 中心点法中心点法 重要性法重要性法 4.栅格结构编码方式栅格结构编码方式直接栅格编码直接栅格编码行程编码行程编码块码块码链式编码链式编码四叉树结构四叉树结构二维行程编码二维行程编码基本思路基本思路：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。游程长度编码（游程长度编码（Run-Length Codes）1）只在各行（或列）数据的代码发生变化时）只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个依次记录
10、该代码以及相同的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。数，从而实现数据的压缩。两种方案两种方案（属性值，长度）（属性值，长度）例如例如 （0，1）,（4，2）,（7，5）；）；（4，5）,（7，3）；）；（4，4）,（8，2）,（7，2）；（）；（0，2）,（4，1）,（8，3）,（7，2）;（0，2）,（8，4）,（7，1）,（8，1）；）；（0，3）,（8，5）；（）；（0，4）,（8，4）；（）；（0，5）,（8，3）。）。0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888压缩比的大小是与图的复杂程度成反比压缩比
11、的大小是与图的复杂程度成反比的，在变化多的部分，游程数就多，变的，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分游程数就少，图件越简单，化少的部分游程数就少，图件越简单，压缩效率就越高压缩效率就越高44：64 2）逐个记录各行（或列）代码发）逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码生变化的位置和相应代码编码如下（沿列方向）编码如下（沿列方向）（1，0），（），（2，4），（），（4，0）；）；（1，4），（），（4，0）；）；（1，4），（），（5，8），（），（6，0）；）；（1，7），（），（2，4），（），（4，8），（），（7，0）；）；（1，7），（），（2，4），（），（3，8）
12、，（），（8，0）；）；（1，7），（），（3，8）；）；（1，7），（），（6，8）；）；（1，7），（），（5，8）。）。（属性值，属性发生变化的位置）（属性值，属性发生变化的位置）0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888特点：属性的变化愈少，行程愈长，则压特点：属性的变化愈少，行程愈长，则压缩的比例越大，压缩比与图的复杂程度成缩的比例越大，压缩比与图的复杂程度成反比。反比。块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若形
13、区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位的代码组成。再加上记录单位的代码组成。块块 码码对图所示图像的块码编码如下：对图所示图像的块码编码如下：(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3
14、,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)。0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888该例中块码用了该例中块码用了120个整数，比直接编码还多，这是因为例中为描述方便，个整数，比直接编码还多，这是因为例中为描述方便，栅格划分很粗糙，在实际应用中，栅格划分细，数据冗余多的多，才能显栅格划分很粗糙，在实际应用
15、中，栅格划分细，数据冗余多的多，才能显出压缩编码的效果，而且还可以作一些技术处理，如行号可以通过行间标出压缩编码的效果，而且还可以作一些技术处理，如行号可以通过行间标记而省去记录，行号和半径等也不必用双字节整数来记录，可进一步减少记而省去记录，行号和半径等也不必用双字节整数来记录，可进一步减少数据冗余。数据冗余。块码具有可变的分辨率，即当代码变化小时图块大，块码具有可变的分辨率，即当代码变化小时图块大，就是说在区域图斑内部分辨率低；反之，分辨率高。就是说在区域图斑内部分辨率低；反之，分辨率高。块码与游程长度编码相似，随着图形复杂程度的提块码与游程长度编码相似，随着图形复杂程度的提高而降低效率，
16、就是说图斑越大，压缩比越高；图高而降低效率，就是说图斑越大，压缩比越高；图斑越碎，压缩比越低。斑越碎，压缩比越低。块码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作块码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。时有明显的优越性。然而在某些操作时，则必须把游程长度编码和块码然而在某些操作时，则必须把游程长度编码和块码解码，转换为基本栅格结构进行。解码，转换为基本栅格结构进行。链码（链码（Chain Codes）链码又称为弗里曼链码链码又称为弗里曼链码Freeman或边界链或边界链码，链码可以有效地压缩栅格数据，而且码，链码可以有效地压缩栅格数据，而且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度
17、对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度等运算十分方便，比较适合于存储图形数等运算十分方便，比较适合于存储图形数据据。缺点缺点是对边界进行合并和插入等修改编辑是对边界进行合并和插入等修改编辑工作比较困难，对局部的修改将改变整体工作比较困难，对局部的修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界将被域为单位存储边界，相邻区域的边界将被重复存储而产生冗余重复存储而产生冗余。基本思想基本思想：将一幅栅格地图或图像等分为四部分，：将一幅栅格地图或图像等分为四部分，逐块检查其格网属性值（或灰度），如果某个子逐块检查其格网属性值（或灰度）
18、，如果某个子区的所有格网值都相同，则这个子区就不再继续区的所有格网值都相同，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割，直到每个子分割，否则还要把这个子区再分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。块都只含有相同的属性值或灰度为止。四叉树结构四叉树结构四叉树编码具有可变的分辨率，并且有区域性质，四叉树编码具有可变的分辨率，并且有区域性质，压缩数据灵活，许多运算可以在编码数据上直接实压缩数据灵活，许多运算可以在编码数据上直接实现，大大地提高了运算效率，是优秀的栅格压缩编现，大大地提高了运算效率，是优秀的栅格压缩编码之一码之一1）从四叉树的特点可知，一幅）从四叉树的特点可知，一幅2
19、n*2n 栅格阵栅格阵列图，具有的最大深度数为列图，具有的最大深度数为n，可能具有的可能具有的层次为层次为0，1，2，.n注注 意意2）每一层的栅格宽度，即每层边上包含的最）每一层的栅格宽度，即每层边上包含的最大栅格数，反映了所在叶结点表示的正方形大栅格数，反映了所在叶结点表示的正方形集合的大小，其值为：集合的大小，其值为：2（最大深度（最大深度-当前层次）当前层次）例如例如：一幅：一幅23 23 的栅格阵列，它具有的最大深度为的栅格阵列，它具有的最大深度为3，可能层次分别为，可能层次分别为0，1，2，3。其中：第其中：第0层边长上的最大栅格数为层边长上的最大栅格数为2（3-0）8 第第1层边
20、长上的最大栅格数为层边长上的最大栅格数为2（3-1）4 第第2层边长上的最大栅格数为层边长上的最大栅格数为2（3-2）2 第第3层边长上的最大栅格数为层边长上的最大栅格数为2（3-3）1111100001111000011100000111000003344400033444000334400003344000011011010344004034000层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）常规四叉树除了记录叶结点之外，还要记常规四叉树除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。结点之间借助指
21、针联系，每录中间结点。结点之间借助指针联系，每个结点需要用六个量表达，即四个叶结点个结点需要用六个量表达，即四个叶结点指针、一个父结点指针和一个结点的属性指针、一个父结点指针和一个结点的属性或灰度值。这些指针不仅增加了数据储存或灰度值。这些指针不仅增加了数据储存量，而且增加了操作的复杂性。量，而且增加了操作的复杂性。常规四叉树与线性四叉树常规四叉树与线性四叉树线性四叉树只存储最后叶结点的信息。线性四叉树只存储最后叶结点的信息。包括叶结点的位置、深度和本结点的属性包括叶结点的位置、深度和本结点的属性或灰度值或灰度值线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的规则，这种
22、编号成为地址码，它隐含了叶规则，这种编号成为地址码，它隐含了叶结点的位置和深度信息。结点的位置和深度信息。a.基于深度和层次码的线性四叉树的编码基于深度和层次码的线性四叉树的编码 它是通过记录叶结点的深度码和层次码来描述它是通过记录叶结点的深度码和层次码来描述叶结点的位置码叶结点的位置码几种线性四叉树的编码几种线性四叉树的编码111100001111000011100000111000003344400033444000334400003344000011011010344004034000层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（1
23、4）（15）（16）（17）（18）（19）该地址码的十进制为：？层次码深度码第一层第二层第三层00111100110层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）b.基于四进制的线性四叉树编码基于四进制的线性四叉树编码0层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）第一层 第二层 第三层033思思 考考请为请为2 23 3 2 23 3 栅格阵列中的每个栅格建立栅格阵列中的每个栅格建立基于四
24、进制的四叉树编码方式的地址码基于四进制的四叉树编码方式的地址码？你能找出何种规律？你能找出何种规律？000001010011100101110111000000001010011100101110111001002003012013102103112113010020021030031120121130131011022023032033122123132133100200201210211300301310311101202203212213302303312313110220221230231320321330331111222223232233322323332333 先将栅格的行列号转
25、换为二进先将栅格的行列号转换为二进制，得二进制行号制，得二进制行号Iyb，列号列号Ixb，则则M=2IybIxb 如结点如结点7：M=2*011+011033如果知道基于四进制四叉树编码方式如果知道基于四进制四叉树编码方式的地址码，你能知道它的行列号码吗的地址码，你能知道它的行列号码吗？思思 考考若该位的编码值为若该位的编码值为0，1，则行号，则行号Iyb值为值为0；若该位的编码值为若该位的编码值为2，3，则行号，则行号Iyb值为值为1；若该位的编码值为若该位的编码值为0，2，则列号，则列号Ixb值为值为0；若该位的编码值为若该位的编码值为1，3，则列号，则列号Ixb值为值为1；如：如：M码为
26、码为：1 0 3 二进制行值二进制行值Iyb为为：0 0 1 二进制列值二进制列值Ixb为：为：1 0 10000010100111001011101110000000010100111001011101110010020030120131021031121130100200210300311201211301310110220230320331221231321331002002012102113003013103111012022032122133023033123131102202212302313203213303311112222232322333223233323330000010
27、10011100101110111000000110010100203003101103203310020213003013110130230311022233233111规则：首先将二维栅格数据的行列号转换为二进制，然后交叉放入Morton码中，即为线性四叉树的地址码：行号5（1 0 1）；列号7（1 1 1）Morton 1 1 0 1 1 155c.基于十进制的线性四叉树编码基于十进制的线性四叉树编码 请快速建立 8*8 栅格阵列中的每个栅格的 Morton思思 考考0000010100111001011101110000145161720210012367181922230108912
28、132425282901110111415262730311003233363748495253101343538395051545511040414445565760611114243464758596263M码属性值004050607480124.二维行程编码二维行程编码二维行程编码再议游程编码再议游程编码a.定义定义 游程编码结构游程编码结构游程指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐游程指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数
29、据量，消除数据间的冗余。消除数据间的冗余。游程编码结构的建立方法是：将栅格矩阵的数据游程编码结构的建立方法是：将栅格矩阵的数据序列序列X1,X2,X3.XN，映射为相应的二元序列，映射为相应的二元序列（Ai，Pi），），i1，k，且，且k=n.其中，其中，A为属性值，为属性值，P为游程，为游程，k为游程序号为游程序号2255275577755555序号序号二元组序列二元组序列1（2，2）2（5，2）3（2，1）4（7，1）5（5，2）6（7，3）7（5，5）二元映射二元映射这种结构特别适合于这种结构特别适合于二值图数据的表示，二值图数据的表示，如图如图111111100000111110000
30、1111序号序号 二元组序号二元组序号1（1，7）2（0，5）3（1，5）4（0，4）5（1，4）二元映射二元映射b.游程编码能否压缩数据量，主要决定于栅游程编码能否压缩数据量，主要决定于栅格数据的性质，通常可通过事先测试，估格数据的性质，通常可通过事先测试，估算图层的数据冗余度算图层的数据冗余度Re：Re 1Q/(MN)Q：图层内相邻属性值变化次数的累加和：图层内相邻属性值变化次数的累加和M：为图层网格的行数：为图层网格的行数N：为图层网格的列数：为图层网格的列数当的值大于当的值大于1/5的情况下，表明栅格数据的压缩可取得明显的效果的情况下，表明栅格数据的压缩可取得明显的效果c.当栅格数据位
31、数字高程时当栅格数据为规则的数字地形高程即当栅格数据为规则的数字地形高程即DEM时，由于这种类型数据的相邻的数据具有时，由于这种类型数据的相邻的数据具有高度的相关性，可通过差分映射进行预处高度的相关性，可通过差分映射进行预处理，然后在采用游程长度压缩编码法。例理，然后在采用游程长度压缩编码法。例如如2468357824682581122223221222223332321223差分d.基于游程编码结构的栅格数据文件的数据组织方式为了提高系统对这些数据的访问效率，通为了提高系统对这些数据的访问效率，通常采用索引顺序文件的方法来组织数据。常采用索引顺序文件的方法来组织数据。当由位置参数访问其属性特
32、征时，利用逻当由位置参数访问其属性特征时，利用逻辑顺序和逻辑地址的关系，很快在索引文辑顺序和逻辑地址的关系，很快在索引文件中找到指向数据文件欲访栅格的指针，件中找到指向数据文件欲访栅格的指针，并求出其逻辑地址，就能找到该栅格的属并求出其逻辑地址，就能找到该栅格的属性。性。栅格行序号逐行游程累计数0102.10037.572游程序号编码值0001000200030004.0007.0572R1R2R3R4.R7.R572索引文件数据文件5.多重属性下的栅格数据模型数据文件数据文件像元1X 坐标Y 坐标层1属性层2属性层3属性层n属性像元2像元n以像元为记录的序列。以像元为记录的序列。优点：因为优
33、点：因为n层中每个像元实层中每个像元实际是只存储了一层的像元坐标，际是只存储了一层的像元坐标，节约存储空间；每个网格单元节约存储空间；每个网格单元的多主题或多层之间比较相对的多主题或多层之间比较相对容易实现。容易实现。不足之处在于不能完全各主题不足之处在于不能完全各主题的空间关系，即由于每个网格的空间关系，即由于每个网格单元位置单独编码，要比较不单元位置单独编码，要比较不同层的网格单元组是很困难的同层的网格单元组是很困难的以层为基础，每一以层为基础，每一层又以像元顺序记层又以像元顺序记录它的坐标和属性录它的坐标和属性值，一层记录完后值，一层记录完后再记录第二层。这再记录第二层。这种方法较为简单
34、，种方法较为简单，但需要的存贮空间但需要的存贮空间最大。最大。数据文件数据文件层1x坐标Y坐标属性值像元2像元n像元1层2层n 以层为基础，但每以层为基础，但每一层内则以多边形一层内则以多边形（也称制图单元）为（也称制图单元）为序记录多边形的属性序记录多边形的属性值和充满多边形的各值和充满多边形的各像元的坐标。像元的坐标。数据文件数据文件层1属性值多边形2多边形n多边形1层2层n像元1坐标像元2坐标像元n坐标图形文件如：TIFF、GIF、JPEG文件可用各种图像压缩算法作均称压缩，TIFF和GIF文件用无损压缩，使原图被精确重构无损压缩，使原图被精确重构，而JPEG采用有损压缩，它可达到很大的
35、压缩有损压缩，它可达到很大的压缩比，但不能完整重构原图像比，但不能完整重构原图像。课课 内内 作作 业业一、右图 1.1.以以第第3 3行行，第第5 5列列为为例例说说明明如如何何将将二二维维删删格格数数据据的行列号转换为的行列号转换为MortonMorton码码 2.2.就就下下列列删删格格数数据据建建立立十十进进制制线线性性四四叉叉树树表表和和二二维行程编码表维行程编码表 二、举例说明：与块码相比，二、举例说明：与块码相比，四叉树在表示栅格结构时有四叉树在表示栅格结构时有何不足？何不足？0044004454404400 三、编写程序，实现以下功能三、编写程序，实现以下功能 1）将直接栅格编
36、码文件转换为RLE格式文件 2）将RLE栅格数据文件转换为线性四叉树编码文件（基于十进制的线性四叉树编码）课课 外外 作作 业业（a）块码分割块码分割（b）四叉树分割四叉树分割小知识点小知识点 栅格数据类型栅格数据类型卫星影像卫星影像数字高程模型数字高程模型数字正射影像数字正射影像二进制扫描文件二进制扫描文件数字栅格图形数字栅格图形图形文件图形文件特定地理信息系统软件的栅格数据特定地理信息系统软件的栅格数据小知识点小知识点 栅格数据文件栅格数据文件为导入要用的栅格数据，为导入要用的栅格数据，GIS软件包必须有软件包必须有数据结构和压缩方法的信息。此类信息通数据结构和压缩方法的信息。此类信息通常
37、包含在头文件中，头文件的功能类似于常包含在头文件中，头文件的功能类似于元数据。例如：卫星影像的头文件（常以元数据。例如：卫星影像的头文件（常以.hdr为扩展名）包含了有关影像数据的信为扩展名）包含了有关影像数据的信息，如数据结构方法，行列数，光谱波段息，如数据结构方法，行列数，光谱波段数，每个波段每一像元的比特数。数，每个波段每一像元的比特数。三、矢量数据结构三、矢量数据结构1.概念概念 矢量结构矢量结构：即通过记录坐标的方式尽可能：即通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体精确地表示点、线、多边形等地理实体.注意注意：由于坐标空间设为连续，所以允许任：由于坐标空间设为连续，
38、所以允许任意位置、长度和面积的精确定义。意位置、长度和面积的精确定义。但是，其精度仅受数字化设备的精度和数但是，其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制，在一般情况下，比栅格值记录字长的限制，在一般情况下，比栅格结构精度高得多结构精度高得多 。矢量数据模型 对于对于点实体（点实体（0维对象），没有长度和宽度维对象），没有长度和宽度 只只记录其在特定坐标系下的坐标和属性记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码代码；线实体（线实体（1维对象），只有长度没有宽度：维对象），只有长度没有宽度：用一系列足够短的直线首尾相接表示一条用一系列足够短的直线首尾相接表示一条曲线。曲线。矢量结构中矢量结构中只记
39、录这些小线段的端点坐标，只记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列，坐标之间认将曲线表示为一个坐标序列，坐标之间认为是以直线段相连，为是以直线段相连，在一定精度范围内可在一定精度范围内可以逼真地表示各种形状的线状地物以逼真地表示各种形状的线状地物。“多边形多边形”在地理信息系统中是在地理信息系统中是指一个任指一个任意形状、边界完全闭合的空间区域意形状、边界完全闭合的空间区域。其边界将整个空间划分为两个部分：包含其边界将整个空间划分为两个部分：包含无穷远点的部分称为外部，另一部分称为无穷远点的部分称为外部，另一部分称为多边形内部多边形内部。多边形的边界线同线实体一样，可以被看多边形的边
40、界线同线实体一样，可以被看作是由一系列多而短的直线段组成。作是由一系列多而短的直线段组成。2.矢量数据结构矢量数据结构矢量数据结构分为以下几种主要类型矢量数据结构分为以下几种主要类型简单数据结构简单数据结构拓扑数据结构拓扑数据结构曲面数据结构曲面数据结构1）简单数据结构）简单数据结构 a.面条（面条（Spaghetti方式）方式）在简单数据结构中，空间数据按在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线、多边形）为单位进行单独照以基本的空间对象（点、线、多边形）为单位进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条（组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条（Spaghetti方式）方式
41、）由多边形边界的由多边形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是最坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码，如上图记为以下坐标文件：简单的一种多边形矢量编码，如上图记为以下坐标文件：10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11；x1,y1；20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16；x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x9,y9；x10,y1
42、0；x11,y11；x1,y1；30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40；x33,y33；40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30；x31,y31；x32,y32；x19,y19；50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24；x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28；x21,y21；坐标序列法坐标序列法文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。文件结构简单
43、，易于实现以多边形为单位的运算和显示。特点特点：1.数据按点、线或多边形为单元组织，数据编排直观，数字化操作数据按点、线或多边形为单元组织，数据编排直观，数字化操作简单简单 2多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此产生冗余和碎多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此产生冗余和碎屑多边形；屑多边形；3每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻域处理，如消每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界；除某两个多边形之间的共同边界；4.岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形的联系；岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形的联系；5不易检查
44、拓扑错误。这种方法可用于简单的粗精度制图系统中不易检查拓扑错误。这种方法可用于简单的粗精度制图系统中 该法采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构 b.树状索引编码法树状索引编码法 以下分别为右以下分别为右图的多边形文图的多边形文件和线文件树件和线文件树状索引示意图。状索引示意图。其文件结构如其文件结构如下：下：线与多边形之间的树状索引点与边界线之间的树状索引 采用上述的树状结构，前图的多边形数据记录如下：1）点文件）点文件点号点号坐坐标1x1,y12x2,y240
45、x40,y40 2）线文件文件线号号起点起点终点点点号点号I161,2,3,4,5,6II686,7,8X333333,34,35,36,37,38,39,40,333）多）多边形文件形文件多多边形形编号号多多边形形边界界10I,II,IX20III,VII,VIII,IX,X30X40IV,VI,VII50II,III,IV,V树状索引编码树状索引编码消除了消除了相邻多边形边界的数相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂，在简化过于复杂的边界线或合并相邻多边形时可不必改造的边界线或合并相邻多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对索引表，邻域信息
46、和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到多边形文件的线索引处理得到 但是比较繁琐，因而给相邻函数运算，消但是比较繁琐，因而给相邻函数运算，消除无用边，处理岛状信息以及检查拓扑关除无用边，处理岛状信息以及检查拓扑关系带来一定的困难，而且两个编码表都需系带来一定的困难，而且两个编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错要以人工方式建立，工作量大且容易出错 2）拓扑数据结构）拓扑数据结构拓扑型数据结构由拓扑型数据结构由弧段坐标文件、结点文弧段坐标文件、结点文件和多边形文件等一系列含拓扑关系的数件和多边形文件等一系列含拓扑关系的数据文件组成据文件组成。结点文件由结点记录组成，存贮每个结点的结
47、点号、结点坐标及与该结点连接的弧段等弧段坐标文件存贮组成弧段的点的坐标弧段文件由弧记录组成，存贮弧段的起止结点号和左右多边形号；多边形文件由多边形记录组成，存贮多边形号、组成多边形的弧段号以及多边形的周长、面积、中心点坐标。DIME(双重独立坐标地图编码，双重独立坐标地图编码，Dual Independent Map Encoding)编码系统编码系统 DIME是美国人口调查局在人口调查的基础上发展起来的，它通过有向编码建立了多边形、边界、节点之间的拓扑关系，DIME编码成为其它拓扑编码结构的基础拓扑整合的地理编码和参考系统（拓扑整合的地理编码和参考系统（TIGER)多边形转换器（多边形转换器
48、（POLYVRT）拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能。这种拓扑编辑功能，具有拓扑编辑功能。这种拓扑编辑功能，不但保证数字化原始数据的自动差错编辑，不但保证数字化原始数据的自动差错编辑，而且可以自动形成封闭多边形边界，为由而且可以自动形成封闭多边形边界，为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。边形及建立空间数据库奠定基础。拓扑编辑功能包括多边形编辑和结点编辑拓扑编辑功能包括多边形编辑和结点编辑a.多边形编辑多边形编辑弧段号起点 终点左多边形右多边形a2N2N40p4a7N3N4
49、p4p3a8N2N3p4p2弧段号起点 终点左多边形右多边形a2N4N2p40a7N3N4p4p3a8N2N3p4p2弧段号起点 终点左多边形右多边形a2N4N2p40a8N2N3p4p2a7N3N4p4p3N1N3N5N2N4P2P1P4P3b.结点编辑结点编辑N1N3N5N2N4P2P1P4P3弧段号起点终点左多边形右多边形a8N2N3p4p2a6N3N5p3p1a7N3N4p4p3a5N1N3p2p1弧段号起点终点左多边形右多边形a8N2N3p4p2a6N5N3p1p3a7N4N3p3p4a5N1N3p2p1弧段号起点终点左多边形右多边形a5N1N3p2p1a6N5N3p1p3a7N4N
50、3p3p4a8N2N3p4p23）曲面数据结构）曲面数据结构曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度、磁场等。表示和存储这些要素的基本度、磁场等。表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算，因此经常采用不规则三角网来拟合计算，因此经常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，称为连续分布现象的覆盖表面，称为TIN（Triangulated Irregular Network）数据结构数据结构这种基于这种基于TIN的曲面数据结构，