空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與編碼

1、第二章 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與編碼學(xué)習(xí)目標(biāo)· 掌握地理空間數(shù)據(jù)的特征，了解GIS的數(shù)據(jù)源· 理解GIS數(shù)據(jù)的測(cè)量尺度· 理解拓?fù)涞母拍詈鸵饬x· 掌握地理空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系與表示· 掌握柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其編碼方法· 掌握矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其編碼方法· 了解柵格與矢量數(shù)據(jù)之間得轉(zhuǎn)化方法第一節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)及其特征一、GIS的空間數(shù)據(jù)地理空間是指物質(zhì)、能量、信息的形式與形態(tài)、結(jié)構(gòu)過程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時(shí)間上的延續(xù)。地球表層構(gòu)成了地理空間，表征地理空間內(nèi)事物的數(shù)量、質(zhì)量、分布、內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律的圖形、圖像、符號(hào)、文字和數(shù)

2、據(jù)等統(tǒng)稱為地理（空間）數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)是GIS的核心，也有人稱它是GIS的血液，因?yàn)镚IS操作對(duì)象是地理數(shù)據(jù)，因此設(shè)計(jì)和使用GIS的第一步工作就是根據(jù)系統(tǒng)的功能，獲取所需要的地理數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)。GIS中的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)類型繁多，概括起來主要有以下幾種類型：1. 地圖數(shù)據(jù) 各種類型的地圖（包括電子的與非電子的地圖）都是對(duì)空間事物和現(xiàn)象的一種相似或抽象模擬，它有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并經(jīng)過制圖綜合，利用符號(hào)系統(tǒng)所表示出來的豐富地理內(nèi)容，明晰的再現(xiàn)了客觀實(shí)體的空間關(guān)系和要素之間的內(nèi)在聯(lián)系，所以地圖是地理信息的主要載體，同時(shí)也是地理信息系統(tǒng)最重要的信息源。2. 遙感數(shù)據(jù) 各種遙感數(shù)據(jù)及其制成的圖像

3、資料（航片、衛(wèi)片）包含著及其豐富的地理內(nèi)容，尤其是先進(jìn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能為地理信息系統(tǒng)提供源源不斷的、現(xiàn)勢(shì)性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)。所以遙感數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)另一個(gè)重要的信息源。3. 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及各種文字報(bào)告 各種地理要素的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)和各種觀測(cè)數(shù)據(jù)、研究報(bào)告等，是地理信息系統(tǒng)不可缺少的重要或補(bǔ)充數(shù)據(jù)源。二、地理數(shù)據(jù)的基本特征地理數(shù)據(jù)一般具有三個(gè)基本特征:1. 空間特征 空間特征又稱定位特征或幾何特征。數(shù)據(jù)的空間性是指這些數(shù)據(jù)反映現(xiàn)象的空間位置及空間位置關(guān)系。通常以坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式來表示空間位置，以拓?fù)潢P(guān)系來表示空間位置關(guān)系。 2. 屬性特征 數(shù)據(jù)的屬性是指描述實(shí)體的特征，如實(shí)體的名稱、類

4、別、質(zhì)量特征和數(shù)量特征等。屬性數(shù)據(jù)本身屬于非空間數(shù)據(jù)，但它是空間數(shù)據(jù)中的重要數(shù)據(jù)成分.3. 時(shí)間特征空間數(shù)據(jù)的時(shí)間性是指空間數(shù)據(jù)的空間特征和屬性特征隨時(shí)間而變化。它們可以同時(shí)隨時(shí)間變化，也可以分別獨(dú)立隨時(shí)間變化。實(shí)體隨時(shí)間的變化具有周期性，其變化的周期有超短周期的、短期的、中期的和長(zhǎng)期的。必須指出，隨時(shí)間流逝留下的過時(shí)數(shù)據(jù)是重要的歷史資料。空間特征是地理信息區(qū)別于其他信息的最重要的特征之一，地理信息的定位特征與時(shí)間過程相結(jié)合，大大提高了地理信息的應(yīng)用價(jià)值。三、地理空間數(shù)據(jù)類型空間數(shù)據(jù)記錄的是空間實(shí)體的位置、拓?fù)潢P(guān)系和形態(tài)、大小等幾何特征。表示地理要素的空間數(shù)據(jù)可分為如下七種不同類型：1. 類型

5、數(shù)據(jù) 如居民點(diǎn)、交通線、土地類型分布等。2. 面域數(shù)據(jù) 多邊形中心點(diǎn)、行政區(qū)域界限和行政單元等。3. 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) 如道路交叉點(diǎn)、街道和街區(qū)等。4. 樣本數(shù)據(jù) 如氣象站、航線和野外樣方的分布區(qū)等。5. 曲面數(shù)據(jù) 如高程點(diǎn)、等高線和等值區(qū)域。6. 文本數(shù)據(jù) 如地名、河流名和區(qū)域名稱。7. 符號(hào)數(shù)據(jù) 如點(diǎn)狀符號(hào)、線狀符號(hào)和面狀符號(hào)等。上述各種類型的空間數(shù)據(jù)都可以用點(diǎn)、線、面三種不同的圖形來表示，并可分別采用平面坐標(biāo)、地理坐標(biāo)或網(wǎng)格法表示。圖22顯示的就是空間數(shù)據(jù)類型及其表示方法。四、數(shù)據(jù)的測(cè)量尺度測(cè)量就是根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)給特定現(xiàn)象賦值或打分。為了描述地理世界，對(duì)任何事物都要鑒別、分類和命名。他們所使用的

6、參考標(biāo)準(zhǔn)或尺度是不同的。測(cè)量的尺度大致可以分成四個(gè)層次,由粗略到詳細(xì)依次為：定名量或類型、次序量、間隔量和比率量。1. 定名量定性而非定量地對(duì)眾多地理事物進(jìn)行區(qū)分和標(biāo)識(shí)，不能進(jìn)行任何算術(shù)運(yùn)算。定名量是對(duì)地理現(xiàn)象屬性特征的分類描述，它是現(xiàn)象類型的測(cè)量尺度。2. 次序量通過排序來區(qū)分和標(biāo)識(shí)地理現(xiàn)象的量稱為次序量。它是按照地理數(shù)據(jù)的等級(jí)序列，由低到高（或由高到低）進(jìn)一步細(xì)分的。序數(shù)值相互之間可以比較大小，但不能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算。它們能定性地說出它們的大與小，重要與次要等，但不能指出差別的具體數(shù)量。3. 間隔量不參照某個(gè)固定點(diǎn)，而是按間隔表示相對(duì)位置的數(shù)。利用某種標(biāo)準(zhǔn)單位（可以是任意的）作為間隔量來表示不

7、同的量，是一種較精確區(qū)分和標(biāo)識(shí)地理現(xiàn)象的測(cè)量方法。間隔量比定名量和順序量能提供更多、更準(zhǔn)確的信息，但應(yīng)用時(shí)要正確理解標(biāo)準(zhǔn)單位的特性和含義。譬如，不能說40比20暖一倍。4. 比率量比率量是間隔量的精確化。它提供的定量值是具有真零值而且測(cè)量單位的間隔是相等的數(shù)據(jù)，比率測(cè)量尺度與使用的測(cè)量單位無關(guān)。比率數(shù)據(jù)或間隔數(shù)據(jù)可以比較容易地轉(zhuǎn)變成順序或命名數(shù)據(jù)。而命名數(shù)據(jù)則很難轉(zhuǎn)換成順序、間隔數(shù)據(jù)或比率數(shù)據(jù)。由此可見，盡管命名數(shù)據(jù)或次序數(shù)據(jù)便于使用，便于理解，但有時(shí)不夠精確，不能用于較高級(jí)的算術(shù)運(yùn)算。而比率數(shù)據(jù)或間隔數(shù)據(jù)比較精確，便于計(jì)算機(jī)處理，但是在比較復(fù)雜的GIS應(yīng)用中，往往上述幾種測(cè)量尺度的數(shù)據(jù)均須用

8、到。第二節(jié) 空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系一、拓?fù)涞母拍詈鸵饬x1. 拓?fù)涞母拍钔負(fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，它研究圖形在連續(xù)變形下（拓?fù)渥儞Q）的那些不變的幾何屬性。組成一個(gè)圖形的各元素（結(jié)點(diǎn)、弧段、面域）之間都存在著二元關(guān)系，即鄰接關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系。在地圖上這種關(guān)系可以借助圖形來識(shí)別，而在計(jì)算機(jī)中這種關(guān)系需用拓?fù)潢P(guān)系加以定義。拓?fù)潢P(guān)系是明確定義空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法。2. 拓?fù)潢P(guān)系的重要意義在地理信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要的意義，主要表現(xiàn)在如下三個(gè)方面：（1）根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可以確定地理實(shí)體間的相對(duì)空間位置，而無需利用坐標(biāo)和距離（2）利用拓?fù)潢P(guān)系有利于空間要素的查

9、詢。（3）可以利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)重建地理事體。 如建立封閉多邊形，實(shí)現(xiàn)道路的選取，進(jìn)行最佳路徑的計(jì)算等。二、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系在地理信息系統(tǒng)中對(duì)于具用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征（如多邊形）的地理要素，不僅要表示出要素的形狀、大小、位置和屬性信息，而且還要反映出要素之間的相互關(guān)系，即要表示出構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)地理要素的結(jié)點(diǎn)、弧段和多邊形之間的拓?fù)潢P(guān)系。空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系包括拓?fù)溧徑?、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)和拓?fù)浒齻€(gè)方面。圖2-3 空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系1. 拓?fù)溧徑油負(fù)溧徑邮侵复嬖谟诳臻g圖形的同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，如多邊形之間的鄰接性，弧段之間的鄰接性以及結(jié)點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系（連通性）。2. 拓?fù)潢P(guān)聯(lián)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)是指存在于空間圖形的不同類

10、元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。3. 拓?fù)浒負(fù)浒侵复嬖谟诳臻g圖形的同類但不同級(jí)的元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。包含關(guān)系分簡(jiǎn)單包含、多層包含和等價(jià)包含三種形式。三、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表達(dá)各種類型的空間數(shù)據(jù)，都可以用點(diǎn)、線、面三種圖形來表示。因此，結(jié)點(diǎn)、弧段和多邊形之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用四個(gè)關(guān)系表達(dá)出來。以圖2-3為例，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所示。表2-2 弧段與結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系弧 段結(jié) 點(diǎn)始結(jié)點(diǎn)終結(jié)點(diǎn)e1e2e3N2N3N1N1N2N3表2-1 結(jié)點(diǎn)與弧段的拓?fù)潢P(guān)系結(jié) 點(diǎn)弧 段N1N2N3e1, e3, e6e1, e2, e5e2, e3, e4表2-3 弧段與多邊形的拓?fù)潢P(guān)系弧 段多 邊 形左多邊形右

11、多邊形e1e2e3P0P0P0P1P2P1表2-4 多邊形與弧段的拓?fù)潢P(guān)系多 邊 形弧 段P1P2P3e1, e6, e5e2, e4, -e5e3, -e4, -e6第三節(jié) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念和類型空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也稱為圖形數(shù)據(jù)格式，是指適用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存貯、管理和處理的地理圖形數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，是地理實(shí)體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述。在地理信息系統(tǒng)中，常用的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有兩種，即柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在矢量表示中，曲線是由一系列帶有x，y坐標(biāo)的特征點(diǎn)所組成的一條近似折線來表示。而在柵格形式中則借助于把該線通過的按行和列(矩陣形式)作為規(guī)則劃分的柵格中的每個(gè)小格(像元)

12、標(biāo)以數(shù)字或代碼來表示。這兩種不同形式的數(shù)據(jù)被稱為計(jì)算機(jī)的兩種兼容數(shù)據(jù)。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)不僅能存貯、識(shí)別和處理它們，而且可以對(duì)它們進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。圖25 同一條曲線的矢量與柵格表示法二、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.定義 矢量結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標(biāo)的形式來表示點(diǎn)、線、面(多邊形)等地理實(shí)體。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能最好的逼近地理實(shí)體的空間分布特征，數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的冗余度低，便于進(jìn)行地理實(shí)體的網(wǎng)絡(luò)分析，但對(duì)多層空間數(shù)據(jù)的疊合分析比較困難。對(duì)于點(diǎn)實(shí)體，在矢量結(jié)構(gòu)中只記錄點(diǎn)位的坐標(biāo)和屬性代碼。對(duì)于線實(shí)體，可以用一系列足夠短的直線段首位相連來表示一條曲線。在矢量結(jié)構(gòu)中只記錄小線段的端點(diǎn)坐標(biāo)。因此，一條曲線實(shí)際上是有一個(gè)坐標(biāo)系列來

13、表示的。對(duì)于多邊形，在地理信息系統(tǒng)中是指一個(gè)任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域。之所以把這樣的閉合區(qū)域稱為多邊形是由于區(qū)域的邊界線同線實(shí)體一樣，可以被看作是有一系列微小直線段組成，每個(gè)小線段作為這個(gè)區(qū)域的一條邊，因此，這種區(qū)域就可以看作是有這些邊組成的多邊形了。所以多邊形的矢量數(shù)據(jù)可以由組成這個(gè)多邊形的小線段的坐標(biāo)系列來表示。2.特點(diǎn) 矢量結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：定位明顯、屬性隱含。這種特點(diǎn)使得其圖形運(yùn)算的算法總體上比柵格數(shù)據(jù)復(fù)雜得多，但在計(jì)算長(zhǎng)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，而在疊加運(yùn)算、鄰域搜索等操作時(shí)，則比較困難。3.矢量數(shù)據(jù)的獲?。?） 手工數(shù)字化法:（2）手

14、扶跟蹤數(shù)字化法：（3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換法：三、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1. 定義 柵格結(jié)構(gòu)是一種簡(jiǎn)單直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又稱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或像元結(jié)構(gòu)，是將地球表面劃分為大小相等的網(wǎng)格陣列，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)像元或像素由行、列定義，并包含一個(gè)代碼表示該像素的屬性類型或量值，或僅僅包含指向其屬性記錄的指針。因此，柵格數(shù)據(jù)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個(gè)數(shù)據(jù)表示地理要素的非幾何屬性特征如圖2-6所示。圖26 物體的柵格表示（1）點(diǎn)狀物體 在柵格數(shù)據(jù)中，借助于在其中心點(diǎn)處的單獨(dú)像元來表示。（2）面狀物體 借助于為其所覆蓋的像元的集合來表示（如森林）。（3）線狀物體 借助于其中心軸線上的像元來表示

15、。2. 特點(diǎn) 柵格結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是：屬性明顯，定位隱含，即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或?qū)傩员旧?，而所在位置則根據(jù)行列號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)給出，由于柵格行列陣列容易為計(jì)算機(jī)存貯、操作和顯示、因此，這種結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，算法簡(jiǎn)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。柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元格大小之比。其表示地物的精度取決于柵格尺寸的大小。3柵格數(shù)據(jù)的獲取 柵格數(shù)據(jù)的獲取，主要通過以下四種方法得到:（1）手工網(wǎng)格法： （2）掃描數(shù)字化法： （3）分類影像輸入法： （4）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換法：4. 提高柵格數(shù)據(jù)精度的方法 在柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取

16、過程中，應(yīng)盡可能保持原圖或原始數(shù)據(jù)的精度，為減少信息損失提高精度，通常采取兩種方法：（1）決定柵格代碼的方式：在決定柵格代碼時(shí)，盡量保持地表的真實(shí)性，保證最大的信息量。對(duì)于一個(gè)柵格單元中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上地物類型時(shí)，可根據(jù)需要，選用如下方案之一決定該柵格單元的代碼：.中心點(diǎn)法： 面積占優(yōu)法：在圖27中，B類地物所占面積最大，故應(yīng)取柵格代碼為B。 圖27 柵格單元代碼的確定 長(zhǎng)度占優(yōu)法： 重要性法：（2）縮小柵格單元的面積：即增加?xùn)鸥駟卧目倲?shù)，行列數(shù)也相應(yīng)的增加。第四節(jié) 矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)的比較及轉(zhuǎn)換一、柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)的比較柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)是GIS中常用的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格結(jié)構(gòu)“屬性明顯

17、，位置隱含”。而矢量結(jié)構(gòu)“位置明顯，屬性隱含”，矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)各有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，兩者的比較如表25所示。表25 矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)的比較數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn) 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.便于面向?qū)ο蟮臄?shù)字表示2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊、冗余度低3.有利于網(wǎng)絡(luò)與檢索分析4.圖形顯示質(zhì)量好、精度高1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜2.多邊形疊加分析比較困難3.缺乏同遙感數(shù)據(jù)及數(shù)字地形模型結(jié)合的能力柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單2.便于空間分析和地理現(xiàn)象的模擬3.易于遙感數(shù)據(jù)結(jié)合1.圖形.數(shù)據(jù)量大2.投影轉(zhuǎn)換比較困難3.圖形顯示質(zhì)量差4.不易表示空間的拓?fù)潢P(guān)系二、矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換1. 矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（1）確定柵

18、格單元的大小柵格單元的大小就是它的分辨率，應(yīng)根據(jù)原圖的精度，變換后的用途及存儲(chǔ)空間等因素予以決定。柵格單元的邊長(zhǎng)在X，Y坐標(biāo)系中的大小用X和Y表示。設(shè)Xmax、Xmin和Ymax、Ymin分別表示全圖X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的最大值與最小值，I，J表示全圖格網(wǎng)的行數(shù)和列數(shù)如圖2-8圖所示。 圖2-8 兩種坐標(biāo)關(guān)系它們之間的關(guān)系為：X=（Xmax-Xmin）/JY=（Ymax-Ymin）/I這里I和J可以由原地圖比例尺根據(jù)地圖對(duì)應(yīng)的地面長(zhǎng)寬和網(wǎng)格分辨率相除求得，并取整數(shù)。（2）點(diǎn)的柵格化點(diǎn)的變換只要這個(gè)點(diǎn)落在某一個(gè)柵格中，就屬于那個(gè)柵格單元，其行、列號(hào)I、J可由下式求出：I=1+INT（Ymax-Y）/Y

19、J=1+INT（X-Xmin）/X式中INT表示取整函數(shù)。柵格點(diǎn)的值用點(diǎn)的屬性表示。（3）線的柵格化圖2-9 線的轉(zhuǎn)換如圖2-9所示，設(shè)兩個(gè)端點(diǎn)的行、列號(hào)已經(jīng)求出，其行號(hào)為3和7，則中間網(wǎng)格的行號(hào)必為4、5、6。其網(wǎng)格中心線的Y坐標(biāo)應(yīng)為：Yi=Ymax-Y·(I-1/2)而與直線段交點(diǎn)的X坐標(biāo)為：Xi=(X2-X1)/(Y2-Y1)(Yi-Y1)+X1（4）多邊形（面域）柵格化.左碼記錄法：要完成面域的柵格化，其首要前提是實(shí)現(xiàn)以多邊形線段反映其周圍面域的屬性特征。目前一般采用的是左碼記錄法。其原理是：如圖210所示，有一閉合多邊形，它將整個(gè)矩形面域分割成屬性為1和0的兩部分。如果在矢

20、量數(shù)字化取數(shù)時(shí)，沒有在數(shù)字化點(diǎn)的屬性碼中反映面域?qū)傩圆町悹顩r，轉(zhuǎn)換的第一步工作即是要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。圖2-10 閉合多邊形第一步，從數(shù)字化數(shù)據(jù)的第一點(diǎn)開始依次記錄每一點(diǎn)左邊面域的屬性值（面域外為0，面域內(nèi)為1）。記錄方法可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，這樣，每一個(gè)多邊形數(shù)字化點(diǎn)便實(shí)現(xiàn)了“三值化”，即坐標(biāo)值、線段自身屬性值及左側(cè)面域?qū)傩灾?。第二步，?duì)多邊形每一條邊，按以上所述的線段柵格化的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到如圖211所示的數(shù)據(jù)組成。圖211 多邊形矢量結(jié)構(gòu)向柵格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換第三步，節(jié)點(diǎn)處理，使節(jié)點(diǎn)的柵格值惟一而準(zhǔn)確。第四步，排序，從第一行起逐行按列的先后順序排序，這時(shí)，所得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全等同于柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼的

21、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。最后，展開為全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成由矢量數(shù)據(jù)系統(tǒng)向柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換如圖212所示。圖 2-12 全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).部點(diǎn)擴(kuò)散算法：.射線算法：由待判點(diǎn)向圖外某點(diǎn)引射線，判斷該射線與某多邊形所有邊界相交的總次數(shù)，如果相交偶數(shù)次，則待判點(diǎn)在該多邊形外部，如為奇數(shù)次，則待判點(diǎn)在該多邊形內(nèi)部如圖2-13所示。圖2-13 射線算法掃描算法：2. 柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通常包括以下四個(gè)基本步驟：多邊形邊界提取采用高通濾波將柵格圖像二值化，并經(jīng)過細(xì)化標(biāo)識(shí)邊界點(diǎn)，如圖214所示二值化。線劃圖形掃描后產(chǎn)生柵格數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是按從0255的灰度值量度的，設(shè)以G（i，j）表示，為了將

22、這種256或128級(jí)不同的灰階壓縮到2兩個(gè)灰階，即0和1兩級(jí)，首先要在最大和最小灰階之間定義一個(gè)闕值，設(shè)闕值為T，則如果G（i，j）大于等于T，則記此柵格的值為1。如果G（i，j）小于T則記此柵格的值為0，得到一幅二值圖，如圖214（a）。 （a） (b) (c) (d)圖214 柵格矢量轉(zhuǎn)換過程細(xì)化。細(xì)化是消除線劃?rùn)M斷面柵格數(shù)的差異，使得每一條線只保留代表其軸線或周圍輪廓線（對(duì)面狀符號(hào)而言）位置的單個(gè)柵格的寬度，對(duì)于柵格線劃的“細(xì)化”方法，可分為“剝皮法”和“骨架法”兩大類。剝皮法的實(shí)質(zhì)是從曲線的邊緣開始，每次剝掉等于一個(gè)柵格寬的一層，直到最后留下彼此連通的由柵格點(diǎn)組成的圖形。因?yàn)橐粭l線在不

23、同位置可能有不同的寬度，故在剝皮過程中必須注意一個(gè)條件，即不允許剝?nèi)?huì)導(dǎo)致曲線不連通的柵格。這是這一方法的關(guān)鍵所在。其解決方法是，借助一個(gè)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的，由待剝柵格為中心的3×3柵格組合圖（圖215）來決定。圖215 柵格組合圖如圖215所示，一個(gè)3×3的柵格窗口，其中心柵格有八鄰域，因此組合圖共有28種不同的排列方式，若將相對(duì)位置關(guān)系的差異只是轉(zhuǎn)置900，1800，2700?；蚧殓R象發(fā)射的方法進(jìn)行歸并，則共有51種排列格式。顯然，其中只有格式2，3，4，5，10，11，12，16，21，24，28，33，34，35，38，42，43，46和50，可以將中心點(diǎn)剝?nèi)?。這樣

24、，通過最多核查256×8個(gè)柵格，便可確定中間柵格點(diǎn)保留或刪除，直到最后得到經(jīng)細(xì)化處理后應(yīng)予保留的柵格系列（圖214（c），并寫入數(shù)據(jù)文件。邊界線追蹤邊界線跟蹤的目的就是將寫入數(shù)據(jù)文件的細(xì)化處理后的柵格數(shù)據(jù)，整理為從結(jié)點(diǎn)出發(fā)的線段或閉合的線條，并以矢量形式存儲(chǔ)于特征柵格點(diǎn)中心的坐標(biāo)圖214（d）。跟蹤時(shí)，從圖幅西北角開始，按順時(shí)針或逆時(shí)針方向，從起始點(diǎn)開始，根據(jù)八個(gè)鄰域進(jìn)行搜索，依次跟蹤相鄰點(diǎn)。并記錄結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，然后搜索閉曲線，直到完成全部柵格數(shù)據(jù)的矢量化，寫入矢量數(shù)據(jù)庫(kù)。拓?fù)潢P(guān)系生成對(duì)于矢量表示的邊界弧段，判斷其與原圖上各多邊形空間關(guān)系，形成完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并建立與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系。去除

25、多余點(diǎn)及曲線圓滑由于搜索是逐個(gè)柵格進(jìn)行的，必須去除由此造成的多余點(diǎn)記錄，以減少冗余。搜索結(jié)果曲線由于柵格精度的限制，可能不夠圓滑，需要采用一定的插補(bǔ)算法進(jìn)行光滑處理。常用的算法有線性疊代法、分段三次多項(xiàng)式插值法、正軸拋物線平均加權(quán)法、斜軸拋物線平均加權(quán)法、樣條函數(shù)插值法等。值得注意的是，無論采用哪種轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換的結(jié)果都會(huì)程度不同的引起原始信息的損失。三、矢量與柵格一體化矢量柵格一體化，對(duì)于提高GIS的空間分辨率、數(shù)據(jù)壓縮和增強(qiáng)系統(tǒng)分析、輸入輸出的靈活性十分重要。1. 傳統(tǒng)的矢量與柵格一體化方案柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)在表示空間數(shù)據(jù)上是同樣有效的，柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)相結(jié)合是較為理想的方案，用計(jì)算機(jī)程

26、序?qū)崿F(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的高效轉(zhuǎn)換。由程序自動(dòng)根據(jù)操作需要選取合適的結(jié)構(gòu)，以獲取最強(qiáng)的分析能力和時(shí)間效率，用戶不必介入結(jié)構(gòu)類型的選擇。2. 矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)新一代的集成化地理信息系統(tǒng)，要求能夠統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，稱為四庫(kù)合一。圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，近年來已取得突破性的進(jìn)展，通過空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎（SDE），初步解決了圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一體化管理。而矢量與柵格數(shù)據(jù)按傳統(tǒng)的觀念，認(rèn)為是兩類完全不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)利用它們來表達(dá)空間目標(biāo)時(shí)，對(duì)于線狀實(shí)體，習(xí)慣使用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于面狀實(shí)體，在基于矢量的GIS中，主要使用邊界表達(dá)法，而在基于柵格的GI

27、S中，一般用元子空間填充表達(dá)法。由此，人們聯(lián)想到對(duì)于用矢量方法表示的線狀實(shí)體，是不是也可以采用元子空間填充法來表示，即在數(shù)字化一個(gè)線狀實(shí)體時(shí)，除記錄原始采樣點(diǎn)外，還記錄所通過的柵格。同樣，每個(gè)面狀地物除記錄它的多邊形邊界外，還記錄中間包含的柵格。這樣，既保持了矢量特性，又具有柵格的性質(zhì)，就能將矢量與柵格統(tǒng)一起來，這就是矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)涵。為了建立矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，要對(duì)點(diǎn)、線、面目標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)作如下統(tǒng)一約定：（1）對(duì)點(diǎn)狀目標(biāo)，因?yàn)闆]有形狀和面積，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部只需要表示該點(diǎn)的一個(gè)位置數(shù)據(jù)及與結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的弧段信息。（2）對(duì)線狀目標(biāo)，它有形狀但沒有面積，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部需用一組元

28、子來填滿整個(gè)路徑，并表示該弧段相關(guān)的拓?fù)湫畔?。?）對(duì)面狀目標(biāo)，它既有形狀，又有面積，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部需表示由元子填滿路徑的一組邊界和由邊界組成的緊湊空間。由于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精度較低，需利用細(xì)分格網(wǎng)的方法，來提高點(diǎn)、線和面狀目標(biāo)邊界線的數(shù)據(jù)表達(dá)精度。如在有點(diǎn)、線目標(biāo)通過的基本格網(wǎng)內(nèi)，在細(xì)分成256×256個(gè)細(xì)格網(wǎng)。當(dāng)精度要求較低時(shí)，也可以細(xì)分成16×16個(gè)細(xì)格網(wǎng)。第五節(jié) 空間數(shù)據(jù)的編碼方法一、編碼的概念和意義空間數(shù)據(jù)編碼，是根據(jù)GIS的目的和任務(wù)，把地圖、圖像等資料按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為適于計(jì)算機(jī)存貯和處理的數(shù)據(jù)過程?？臻g數(shù)據(jù)的編碼是地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的技術(shù)步驟，它表現(xiàn)由現(xiàn)

29、實(shí)世界到數(shù)據(jù)世界之間的接口，是聯(lián)接從現(xiàn)實(shí)世界到數(shù)據(jù)世界的紐帶。如圖216所示。圖2-16 現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)據(jù)世界之間的聯(lián)點(diǎn)二、柵格數(shù)據(jù)編碼方法1直接?xùn)鸥窬幋a 直接?xùn)鸥窬幋a是最簡(jiǎn)單直觀而又非常重要的一種柵格結(jié)構(gòu)編碼方法，直接編碼就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個(gè)記錄代碼，可以每行從左到右逐像元記錄，也可奇數(shù)行從左到右而偶數(shù)行由右向左記錄，為了特定的目的還可采用其他特殊的順序。圖2-17 多邊形的網(wǎng)格2鏈碼 鏈碼又稱弗里曼鏈碼（Freeman）或邊界鏈碼，它將線狀地物或區(qū)域邊界，由起點(diǎn)和一系列在基本方向上的單位矢量給出每個(gè)后續(xù)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)其前繼點(diǎn)的可能的8個(gè)基本方向之一表示，單位矢量的長(zhǎng)度

30、默認(rèn)為一個(gè)柵格像元。如圖218所示， (a) (b)圖218 鏈碼的表示方法鏈碼可以有效地壓縮柵格數(shù)據(jù)，而且對(duì)于估算面積、長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)折方向的凹凸度等運(yùn)算十分方便，比較適宜存貯圖形數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是對(duì)邊界合并、插入等修改編輯工作比較困難，對(duì)局部的修改將改變整體結(jié)構(gòu)，效率低下，而且由于鏈碼以每個(gè)區(qū)域?yàn)閱挝淮尜A邊界，相鄰區(qū)域的邊界將被重復(fù)存貯而產(chǎn)生冗余。圖2-19 線的網(wǎng)格3游程編碼 游程編碼的基本思路是：對(duì)于一幅柵格圖像，常常有行（或列）方向上相鄰的若干點(diǎn)具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復(fù)的記錄內(nèi)容，其方法有兩種方案。一種編碼方案是，只在各行（或列）數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時(shí)依次記錄該代碼以及相

31、同代碼重復(fù)的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。如圖217所示柵格數(shù)據(jù)，可沿行方向進(jìn)行游程長(zhǎng)度編碼：（0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。另一種游程長(zhǎng)度編碼方案是，逐個(gè)記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應(yīng)代碼，如圖214所示，沿列方向游程長(zhǎng)度編碼如下：（1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3

32、），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。游程長(zhǎng)度編碼是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法。在柵格加密時(shí)，這種編碼數(shù)量沒有明顯增加，壓縮效率較高，且易于檢索、疊加合并等操作，運(yùn)算簡(jiǎn)單，適用于計(jì)算機(jī)存貯。4. 塊碼 塊碼是游程長(zhǎng)度編碼擴(kuò)展到二維的情況，采用方形區(qū)域作為紀(jì)錄單元每個(gè)記錄單元包括相鄰的若干柵格，數(shù)據(jù)編碼由初始位置行列號(hào)加上半徑，再加上記錄單元的代碼組成。如圖220是圖217的塊碼分解圖，其塊碼表示如下：（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5）

33、，（1，8，1，5），（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5），（3，1，1，2），（3，2，1，2），（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3），（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3），（7，4，1，0），（7，5，1，3）； （8，4，1，0），（8，5，1，0）。圖2-20 塊碼的單元分解5四叉樹編碼 四叉樹又稱四元樹或四分樹，是根據(jù)柵格數(shù)據(jù)二維空間分布的特

34、點(diǎn)，將空間區(qū)域按照4個(gè)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。也就是說將柵格區(qū)域劃分為4個(gè)象限，其終止的依據(jù)是，不管是哪一層的象限，只要?jiǎng)澐值絻H代表一種地物或符合既定要求的少數(shù)幾種地物時(shí)，則不在繼續(xù)劃分，否則一直劃分到單個(gè)柵格單元為止。四叉樹中象限的大小不一，位于高層次的象限較大，深度小，即分解次數(shù)少，而低層次上的象限較小，但深度大即分解的次數(shù)多。正是由于四叉樹編碼能夠自動(dòng)依照?qǐng)D形變化而調(diào)整象限尺寸，因此，它具有極高的壓縮效率，是最有效的柵格壓縮編碼方法之一。圖2-18 四叉樹分解為了保證四叉樹分解能不斷地進(jìn)行下去，要求圖

35、像必須為 2n×2n的柵格陣列。n為極限分割次數(shù)，n1是四叉樹最大層數(shù)或最大高度，圖222為 23×23 的柵格，所以最多劃分三次，最大層次為4，對(duì)于不標(biāo)準(zhǔn)尺寸的圖像，需通過增加背景的方法將圖像擴(kuò)充為 2n×2n的標(biāo)準(zhǔn)柵格圖像。為了使計(jì)算機(jī)能以最小的冗余存貯圖像對(duì)應(yīng)的四叉樹，又能方便地完成各種圖形圖像操作，下面介紹美國(guó)馬里蘭大學(xué)地理信息系統(tǒng)中采用的編碼方式。該方法記錄每個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)的地址和值，值就是子區(qū)的代碼，其中地址包括兩部分共32位（二進(jìn)制，最右邊4位記錄該葉子結(jié)點(diǎn)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(diǎn)到該葉子結(jié)點(diǎn)的路徑表示；

36、SW、SE、NW、NE分別用0，1，2，3表示，從右邊第5位開始用2n位記錄這些方向路徑。如圖213所示的第5個(gè)結(jié)點(diǎn)深度為3。第一層處于SW象限，記為0；第二層處于NE象限，記為3；第三層處于SE象限，記為1。每層象限位置由兩位二進(jìn)制數(shù)表示，共6位。這樣，記錄了各個(gè)葉子的地址，再記上相應(yīng)的代碼值，就記錄了整個(gè)圖像，并可在此編碼基礎(chǔ)上進(jìn)行多種圖像操作。事實(shí)上葉子結(jié)點(diǎn)的地址可以直接由子區(qū)左下角的行列坐標(biāo)，按二進(jìn)制按位交錯(cuò)得到。如對(duì)于5號(hào)葉子結(jié)點(diǎn)，在以圖像左下角為原點(diǎn)的行列坐標(biāo)中，其左下角行、列坐標(biāo)為（2，3），表示為二進(jìn)制分別為010和011，按位交錯(cuò)就是001101，正是5號(hào)方塊。 圖2-22

37、四叉樹表示 四叉樹編碼具有可變的分辨率，并且有區(qū)域性質(zhì)，壓縮數(shù)據(jù)靈活，許多運(yùn)算可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實(shí)現(xiàn)，大大提高了運(yùn)算效率，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。四叉樹編碼最大的問題就是樹狀表示具有可變性，相同形狀、大小的兩個(gè)區(qū)域可能表示為截然不同的結(jié)構(gòu)，故形態(tài)分析和模式識(shí)別比較困難，難以設(shè)計(jì)統(tǒng)一的算法。以上介紹了五種編碼方法，直接?xùn)鸥窬幋a簡(jiǎn)單直觀，是壓縮編碼方法的邏輯原型（柵格文件）；鏈碼的壓縮效率較高，已接近矢量結(jié)構(gòu)，對(duì)邊界的運(yùn)算比較方便，但不具有區(qū)域性質(zhì)，區(qū)域運(yùn)算較難；游程長(zhǎng)度編碼在很大程度上壓縮數(shù)據(jù)，又最大限度地保留了原始柵格結(jié)構(gòu)，編碼解碼十分容易，十分適合于微機(jī)地理信息系統(tǒng)采用；塊碼和四叉數(shù)編碼

38、具有區(qū)域性質(zhì)，又具有可變的分辨率，有較高的壓縮效率，四叉數(shù)編碼可以直接進(jìn)行大量圖形圖像運(yùn)算，效率較高，是很有前途的編碼方法?？傊?，各種柵格數(shù)據(jù)編碼方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體圖件情況及要求，選擇適當(dāng)?shù)木幋a方法。三、矢量數(shù)據(jù)編碼方法1. 點(diǎn)實(shí)體矢量編碼方法 點(diǎn)實(shí)體矢量編碼比較簡(jiǎn)單，只是將空間信息和屬性信息記錄完全就可以了。圖2-23表示了點(diǎn)的矢量編碼的基本內(nèi)容：圖2-23 點(diǎn)實(shí)體的編碼2. 線實(shí)體矢量編碼方法 線實(shí)體主要用來表示線狀地物其矢量?jī)?nèi)容為：惟一標(biāo)識(shí)碼；線標(biāo)識(shí)碼；起始點(diǎn)；終止點(diǎn)；坐標(biāo)對(duì)序列；顯示信息；非幾何屬性。惟一標(biāo)識(shí)碼是指系統(tǒng)排列的序號(hào)；線標(biāo)識(shí)是指標(biāo)識(shí)線的類型；起始點(diǎn)和終止點(diǎn)可以用點(diǎn)號(hào)或直接用坐標(biāo)表示；坐標(biāo)對(duì)序列是指坐標(biāo)對(duì)的排列順序；顯示信息是指顯示符號(hào)或文本等；非幾何屬性是指與線相聯(lián)系的屬性數(shù)據(jù)，可以直接存貯于線文件中，也可以單獨(dú)存貯，由標(biāo)識(shí)碼聯(lián)接查找。3. 多邊形矢量編碼方法 （1）多邊形環(huán)路法 多邊形環(huán)路法又叫坐標(biāo)序列法（Spaghetti方式）或獨(dú)立實(shí)體法，即每個(gè)多邊形的編碼與存貯毫不顧及相鄰的多邊形，由多邊形邊界的x，y坐標(biāo)對(duì)集合及說明信息組成，是最