第二講：GIS數(shù)據(jù)及特征

第二講：GIS數(shù)據(jù)組成及特點中山大學(xué)遙感與地理信息工程系2010年3月15日主講人：康停軍助教GIS數(shù)據(jù)分類（P57）1圖形數(shù)據(jù)：數(shù)字化的數(shù)據(jù)2圖像數(shù)據(jù)：航空和航天數(shù)據(jù)3實體屬性數(shù)據(jù)：空間定位型關(guān)系和屬性數(shù)據(jù)4統(tǒng)計數(shù)據(jù)：描述型數(shù)據(jù)

在矢量模式中，關(guān)于點、線和多邊形的信息被編碼并以x、y坐標形式儲存。

柵格模式是連續(xù)特征的模式，柵格圖象包含有網(wǎng)格單元(像元灰度值)，掃描的地圖或圖像照片等?？臻g數(shù)據(jù)（幾何數(shù)據(jù)）

——矢量和柵格模式數(shù)據(jù)的組織方法矢量模式

柵格模式

真實世界柵格數(shù)據(jù)概念(P65)所謂柵格數(shù)據(jù)是:

將制圖區(qū)域的平面表象按一定的分解力作行和列的規(guī)則劃分,就形成了一個陣列,其中每個柵格也稱”像元”或”像素”.根據(jù)所表示的表像信息,各個像元可用不同的”灰度值”來表示,但每個像元被認為是內(nèi)部一致的基本單元.換句話說:由平面表像對應(yīng)位置上像元灰度值所組成的矩陣形式的數(shù)據(jù)就是柵格數(shù)據(jù).柵格數(shù)據(jù)概念如果一個圖像的灰度值只有兩種,通常用”1”表示前景元素,用”0”表示背景元素,則這個圖像也稱”二值圖像”.

在柵格數(shù)據(jù)中,二值圖像的每個像元只能用計算機中的一位”bit”表示.在這種表示法中,數(shù)據(jù)雖可得到高度壓縮,但不適宜表示多種制圖要素在同一幅圖像上出現(xiàn)的情況.

為了區(qū)分制圖物體的類型屬性,可以使不同制圖要素上的像元帶有不同的灰度值.因此需要為每個像元開辟計算機中的若干位(通常為一個字節(jié)),以便存放不同的灰度值.柵格數(shù)據(jù)中的點線面點：表示為單個像元。線：在一定方向上連接成串的相鄰像元的集合。面：由聚集在一起的相鄰像元的集合。柵格數(shù)據(jù)概念四方向相鄰和八方向相鄰柵格數(shù)據(jù)的獲取1.遙感方法獲取(航天與航空);

2.圖片掃描獲取(紙介質(zhì)的地圖等掃描);

3.矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來;

4.由平面上行距,列距固定的點抽樣而來

主要包括:(1)中心歸屬法(連續(xù)分布地理現(xiàn)象，人口密度、大氣污染);(2)面積占優(yōu)法（城市綠地面積分布）(3)重要性法.（具有特殊意義而面積較小的地理要素）柵格數(shù)據(jù)的基本運算1.柵格圖像的平移(向右一格,再向上一格)柵格數(shù)據(jù)的基本運算2.兩個柵格圖像的算數(shù)組合將兩個柵格圖像疊加,使它們對應(yīng)像元的灰度值相加,相減,相乘,相除,開方和,平方和等等.柵格數(shù)據(jù)的基本運算3.兩個柵格圖像的布爾邏輯組合柵格數(shù)據(jù)的基本運算4.其它柵格圖像的基本運算

(1)柵格灰度值乘上或加上一個常數(shù);

(2)柵格灰度值求其正弦,余弦等,方根,對數(shù),指數(shù)等;

(3)將某些柵格灰度值置成常數(shù)等;

(4)求一個柵格圖像中元素灰度值之和;

(5)找出一個柵格圖像中元素灰度值最大和最小等;

(6)求出兩個柵格圖像對應(yīng)灰度值的數(shù)量積;

(7)將兩層?xùn)鸥駡D像對應(yīng)灰度值比較,并把一個較大的元素記錄到結(jié)果柵格圖像中;

(8)進行”二值圖像”處理等等.柵格數(shù)據(jù)的宏運算1.擴張柵格數(shù)據(jù)的宏運算2.侵蝕柵格數(shù)據(jù)的宏運算3.加粗柵格數(shù)據(jù)的宏運算4.減細

減細的原理和過程與加粗幾乎一樣，因為加粗“0”像元就是減細“1”像元。但一定要注意：在減細的批處理中，若不附加一些必要的限制條件，就可能導(dǎo)致線劃的斷裂或要素的消失等。柵格數(shù)據(jù)的宏運算5.填充(帶有邊界條件的逐步加粗法)柵格數(shù)據(jù)運算的具體應(yīng)用（1）兩要素之間有粘連現(xiàn)象柵格數(shù)據(jù)運算的具體應(yīng)用（2）三線公路的繪制（兩次加粗，異或運算，或運算）柵格數(shù)據(jù)運算的具體應(yīng)用（3）柵格圖像的疊置分析柵格數(shù)據(jù)（1）柵格數(shù)據(jù)（2）柵格數(shù)據(jù)（3）上海東方明珠電視塔故宮柵格數(shù)據(jù)（4）柵格數(shù)據(jù)（5）

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1定義：矢量結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標的方式來表示點、線、面等地理實體。

2特點：定位明顯，屬性隱含。

3獲取方法：

(1)手工數(shù)字化法；

(2)手扶跟蹤數(shù)字化法；

(3)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換法。矢量數(shù)據(jù)概念矢量數(shù)據(jù)的編碼方法(P62)1.坐標序列法

2.樹狀索引編碼法

3.拓撲結(jié)構(gòu)編碼法

矢量數(shù)據(jù)（1）矢量數(shù)據(jù)（2）矢量數(shù)據(jù)（3）矢量+柵格（1）矢量+柵格（2）柵格結(jié)構(gòu)特征——圖像空間被劃分為規(guī)則的柵格。地理實體的位置用它們占據(jù)的行列號(I,J)表示,每一格稱為一個像元，像元是用灰度值來表示的（0~255）。每個柵格與它表達的真實世界的空間實體沒有直接的聯(lián)系。例如：道路作為單一的柵格是不存在的，柵格的值表達了路是一個實體。道路是被具有道路屬性值的一組柵格表達的。矢量結(jié)構(gòu)特征——圖形用點線面表示現(xiàn)實世界的物體，每一個實體的位置用它們在坐標參考系統(tǒng)中的空間位置定義；用屬性表示物體的數(shù)量和質(zhì)量特征。例如，用一條線表達一條道路；一個多邊形表示一個湖泊。矢量模式與柵格模式比較柵格模式矢量模式優(yōu)點：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單2、疊加操作更易實現(xiàn)、更有效3、能有效表達空間可變性4、便于做圖像的有效增強優(yōu)點：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更嚴密。2、提供有效的拓撲編碼，便于拓撲操作。3、圖形輸出美觀。缺點：1、數(shù)據(jù)量大，需要壓縮。2、難以表達拓撲關(guān)系。3、圖形輸出不美觀，有鋸齒。缺點：1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2、疊加操作不方便。3、表達空間變化性能力差。4、不能做增強處理。柵格數(shù)據(jù)的組織數(shù)據(jù)文件像元1I坐標J坐標層1屬性值層2屬性值層N屬性值像元2像元N數(shù)據(jù)文件層1像元1I坐標J坐標屬性值層2層N像元2數(shù)據(jù)文件層1多邊形1屬性值像元1坐標像元N坐標層2層N多邊形N節(jié)省空間形式簡單方便制圖柵格數(shù)據(jù)的壓縮技術(shù)(p67)長度(變長)編碼法（LengthCodes)改變掃描順序法（ExchangeOrders)鏈式編碼(ChainCodes)游程長度編碼(Run-LengthCodes)塊式編碼(BlockCodes)四叉樹編碼(QuadtreeEncoding)變長編碼AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABBBBBBAAABBBBBBBDDDDBBBBBBDDDDDBBBBBDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCC全柵格編碼A100A101A42B62A33B73D44D55B55B64D56C56D57C57D58C59D59C59變長編碼四叉樹編碼2220111332110012310111213110111112113四叉樹分解過程012320212223210211212213根容易而有效地計算多邊形的數(shù)量特征；陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分 四叉樹分級多，分辨率也高，而不需要表示的 細節(jié)部分則分級少，分辨率低。因而既可精確 表示圖形結(jié)構(gòu)，又可減少存儲量。直接?xùn)鸥窬幋a到四叉樹編碼及四叉樹到簡單柵格 編碼的轉(zhuǎn)換比塊式編碼等其它壓縮方法容易。多邊形中嵌套不同類型小多邊形的表示較方便。

四叉樹編碼的優(yōu)點四叉樹編碼的最大缺點是轉(zhuǎn)換的不確定性，用同一形狀和大小的多邊形可能得出多種不同的四叉樹結(jié)構(gòu)，故不利于形狀分析和模式識別。但因它允許多邊形中嵌套多邊形即所謂“空洞”這種結(jié)構(gòu)存在，故越來越多的GIS工作者對四叉樹結(jié)構(gòu)很感興趣。四叉樹編碼的缺點矢量數(shù)據(jù)的組織無拓撲關(guān)系矢量結(jié)構(gòu)點實體線實體面實體標示符X、y坐標屬性值標示符X、y坐標對屬性值標示符邊線標示符屬性值點實體的組織點實體唯一標示符類型簡單點文字說明結(jié)點序列號X、y坐標有關(guān)的屬性其它有關(guān)的屬性如果是簡單點符號比例尺方向如果是文字說明如果是結(jié)點字符大小方向字體排列符號指針與線相交的角度2.線實體編碼唯一標示碼線標示碼起始點終止點坐標對序列顯示信息非幾何屬性多邊形矢量編碼多邊形環(huán)路法樹狀索引編碼法拓撲結(jié)構(gòu)編碼法由多邊形邊界的x,y坐標隊集合及說明信息組成對所有邊界點數(shù)字化，將坐標對以順序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系形成完整的拓撲結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)組織矢量數(shù)據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)，即基本要素點線面和實體之間具有鄰接、關(guān)聯(lián)和包含的拓撲關(guān)系,與長度面積無關(guān)。什么叫拓撲？Topology一詞來自希臘文，它的原意是“空間關(guān)系的研究—或為形狀的研究”。拓撲學(xué)是幾何學(xué)的一個分支，它研究在拓撲變換下能保持不變的幾何屬性——拓撲屬性。如:“點的內(nèi)置”是拓撲屬性；面積則不是拓撲屬性.歐幾里德平面上實體對象所具有的拓撲和非拓撲屬性拓撲屬性一個點在一個弧段的端點一個弧段是一個簡單弧段（自身不相交）一個點在一個區(qū)域的邊界上（內(nèi)部、外部）一個面是簡單面（面上沒有“島”）一個面的連接性（給定面上任意兩點，從一點可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一點）非拓撲屬性兩點之間的距離弧段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積基本拓撲要素概念(P58)：

線段（ARC，弧段），在線段的中間與其他任何線段不存在任何相關(guān)關(guān)系，在線段的端點才與其他的線段有關(guān)系。線段是有向線段，它的方向有首尾端點確定。

結(jié)點(NODE)，即線段的兩端點，可以分為首結(jié)點和尾結(jié)點。

多邊形(POLYGON),由數(shù)條線段有序的首尾連接而成。

層（LAYER）,具有相同屬性的拓撲要素的組合?；就負潢P(guān)系：拓撲鄰接、拓撲關(guān)聯(lián)、拓撲包含拓撲鄰接（P58）存在于空間圖形之間同類要素之間的拓撲關(guān)系。多邊形P1和P2,P1和P3

在空間上相鄰接；弧段L2，L3，和L5在空間上相鄰接；節(jié)點V1與V9,V9與V4等在空間上相鄰接。1354ADCbcBda弧左多邊形右多邊形aDCbCAcABdDA拓撲關(guān)聯(lián)指存在于空間圖形中的不同類要素之間的拓撲關(guān)系。

節(jié)點V9與弧段L3，L5，L6關(guān)聯(lián)；多邊形P1與弧段L1，L2，L3，L6關(guān)聯(lián)多邊形弧p1L1、L3、L6、L7p2L2、L3、L5p3L4、L5、L6p4L7拓撲包含指存在于空間圖形中同類但不同級的基本要素之間的拓撲關(guān)系。多邊形P1包含多邊形P4

柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換柵格和矢量均有各自的特點。從點、線、面實體轉(zhuǎn)化為規(guī)則單元，這是矢量數(shù)據(jù)柵格化（p71)。從柵格單元轉(zhuǎn)換到幾何圖形的過程，稱為柵格數(shù)據(jù)矢量化(p72)。1.矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（1）確定柵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空間等因素予以決定。柵格單元的邊長在X，Y坐標系中的大小用ΔX和ΔY表示。設(shè)Xmax、Xmin和Ymax、Ymin分別表示全圖X坐標和Y坐標的最大值與最小值，I，J表示全圖格網(wǎng)的行數(shù)和列數(shù)。

XY（0，0）JIxminxmaxyminymaxΔXΔY它們之間的關(guān)系為：ΔX=（Xmax-Xmin）/JΔY=（Ymax-Ymin）/I

柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換（2）點的柵格化點的變換只要這個點落在某一個柵格中，就屬于那個柵格單元，其行、列號I、J可由下式求出：I=1+INT[（Ymax-Y）/ΔY]J=1+INT[（X-Xmin）/ΔX]式中INT表示取整函數(shù)。柵格點的值用點的屬性表示。（3）線的柵格化如圖所示，設(shè)兩個端點的行、列號已經(jīng)求出，其行號為3和7，則中間網(wǎng)格的行號必為4、5、6。其網(wǎng)格中心線的Y坐標應(yīng)為：Yi=Ymax-ΔY×(I-1/2)

而與直線段交點的X坐標為：

Xi=[(X2-X1)/(Y2-Y1)](Yi-Y1)+X1

??YX34567（X1，Y1）（X2，Y2）柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換（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。其原理如圖所示，有一閉合多邊形，它將整個矩形面域分割成屬性為1和0的兩部分。轉(zhuǎn)換的第一步工作即是要實現(xiàn)這個目標。ABCDEF01柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換

第一步，從數(shù)字化數(shù)據(jù)的第一點開始依次記錄每一點左邊面域的屬性值（面域外為0，面域內(nèi)為1）。記錄方法可由計算機自動完成，這樣，每一個多邊形數(shù)字化點便實現(xiàn)了“三值化”，即坐標值、線段自身屬性值及左側(cè)面域?qū)傩灾?。第二步，對多邊形每一條邊，按以上所述的線段柵格化的方法進行轉(zhuǎn)換，得到如圖所示的數(shù)據(jù)組成。柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換第三步，節(jié)點處理，使節(jié)點的柵格值惟一而準確。第四步，排序，從第一行起逐行按列的先后順序排序，這時，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)換如圖所示。柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換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基本步驟：⑴多邊形邊界提取采用高通濾波將柵格圖像二值化，并經(jīng)過細化標識邊界點，如圖所示①二值化。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0-255的灰度值量度的，設(shè)以G（i，j）表示，為了將這種256或128級不同的灰階壓縮到2兩個灰階，即0和1兩級，首先要在最大和最小灰階之間定義一個闕值，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，如圖下圖（a）。(a)(b)(c)(d)柵格與矢量模式的選擇與轉(zhuǎn)換②細化。細化是消除線劃橫斷面柵格數(shù)的差異，使得每一條線只保留代表其軸線或周圍輪廓線（對面狀符號而言）位置的單個柵格的寬度，對于柵格線劃的“細化”方法，可分為“剝皮法”和“骨架法”兩大類。剝皮法的實質(zhì)是從曲線的邊緣開始，每次剝掉等于一個柵格寬的一層，直到最后留下彼此連通的由柵格點組成的圖形。因為一條線在不同位置可能有不同的寬度，故在剝皮過程中必須注意一個條件，即不允許剝?nèi)?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，借助一個在計算機中存儲的，由待剝柵格為中心的3×3柵格組合圖（下圖）來決定。通過研究，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，可以將中心點剝?nèi)?。這樣，通過最多核查256×8個柵格，便可確定中間柵格點保留或刪除，直到最后得到經(jīng)細化