第1講 空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)目標(biāo)要求：了解、掌握GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念；了解、掌握常用的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？臻g數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較與轉(zhuǎn)換§1空間數(shù)據(jù)模型模型是對現(xiàn)實世界的簡化表達(dá)?？臻g數(shù)據(jù)模型是關(guān)于現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間聯(lián)系的概念，它為描述空間數(shù)據(jù)的組織和設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫模式提供基本方法。1.1概述GIS空間數(shù)據(jù)模型由概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型三個有機(jī)聯(lián)系的層次組成。概念數(shù)據(jù)模型是關(guān)于實體及實體間聯(lián)系的抽象概念集邏輯數(shù)據(jù)模型是表達(dá)概念數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)實體（或記錄）及其間關(guān)系物理數(shù)據(jù)模型是描述數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的物理組織、存儲路徑和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖3-1-1空間數(shù)據(jù)模型的三個層次概念數(shù)據(jù)模型由于職業(yè)、專業(yè)等的不同，人們所關(guān)心的問題、研究對象、期望的結(jié)果等方面存在著差異，因而對現(xiàn)實世界的描述和抽象也是不同的，形成了不同的用戶視圖，稱之為外模式。GIS空間數(shù)據(jù)模型的概念模型是考慮用戶需求的共性，用統(tǒng)一的語言描述和綜合、集成各用戶視圖。概念數(shù)據(jù)模型是關(guān)于實體及實體間聯(lián)系的抽象概念集。場模型--柵格數(shù)據(jù)模型要素模型--矢量數(shù)據(jù)模型網(wǎng)絡(luò)模型……空間邏輯數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模型是根據(jù)概念數(shù)據(jù)模型確定的空間數(shù)據(jù)庫信息內(nèi)容（空間實體及相互關(guān)系），具體地表達(dá)數(shù)據(jù)項、記錄等之間的關(guān)系，可以有若干不同的實現(xiàn)方法。結(jié)構(gòu)化邏輯數(shù)據(jù)模型

層次數(shù)據(jù)模型：按樹型結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)記錄，以反映數(shù)據(jù)之間的隸屬或?qū)哟侮P(guān)系。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型面向操作的邏輯數(shù)據(jù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)模型：用二維表格表達(dá)數(shù)據(jù)實體之間的關(guān)系，用關(guān)系操作提取或查詢數(shù)據(jù)實體之間的關(guān)系

對象數(shù)據(jù)模型物理數(shù)據(jù)模型邏輯數(shù)據(jù)模型并不涉及最底層的物理實現(xiàn)細(xì)節(jié)，但計算機(jī)處理的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，必須將邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為物理數(shù)據(jù)模型，即要設(shè)計空間數(shù)據(jù)的物理組織、空間存取方法、數(shù)據(jù)庫總體存儲結(jié)構(gòu)等。

物理表示與組織：物理組織主要是考慮如何在外存儲器上以最優(yōu)的形式存放數(shù)據(jù)，通常要考慮操作效率、響應(yīng)時間、空間利用和總的開銷。層次邏輯數(shù)據(jù)模型的物理表示方法主要有物理鄰接法、表結(jié)構(gòu)法、目錄法。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的物理表示方法主要有變長指針表、位圖法、目錄法等。關(guān)系數(shù)據(jù)模型的物理表示是用關(guān)系表進(jìn)行的。數(shù)據(jù)建模過程數(shù)據(jù)建模過程分為三步：選擇一種數(shù)據(jù)模型來對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織；選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)該數(shù)據(jù)模型；選擇一種適合于記錄該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文件格式。例如，表示地表高程的空間數(shù)據(jù)可以選用柵格模型進(jìn)行組織，柵格模型選用游程編碼這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，處理后的數(shù)據(jù)則以文件形式進(jìn)行存儲。地表也可用矢量模型來組織，即以等高線來表示地表，數(shù)據(jù)以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行安排并且以DLG文件格式存儲。不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型，是另一種能很好地表達(dá)高程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型。因此，一種空間數(shù)據(jù)建?？赡苡袔追N可選的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而每一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又可能有多種文件格式進(jìn)行存儲。地理信息系統(tǒng)中最常用的數(shù)據(jù)組織方式為矢量模型和柵格模型。在矢量模型中，用點(diǎn)、線、面表達(dá)世界，在柵格模型中用空間單元（Cell）或像元（Pixel）來表達(dá)。1.2基于場的柵格模型場模型用于模擬一定空間內(nèi)連續(xù)變化的地理現(xiàn)象。例如，空氣中污染物的集中程度、地表的溫度、土壤的濕度水平以及空氣與水的流動速度和方向。柵格數(shù)據(jù)模型是場模型的典型代表，它是將連續(xù)空間離散化，即用柵格單元劃分整個連續(xù)空間；柵格單元可以分為規(guī)則的和不規(guī)則的；柵格單元的特征參數(shù)有尺寸、形狀、方位和間距。在邊數(shù)從3到N的規(guī)則柵格單元中，方格、三角形和六角形是空間數(shù)據(jù)處理中最常用的。柵格模型的分層表達(dá)1.3基于要素的矢量模型基于要素的矢量模型將現(xiàn)實世界抽象為各類要素的集合，要素的空間位置用一系列特征點(diǎn)的X、Y（、Z）坐標(biāo)來表達(dá)，要素之間的空間關(guān)系主要通過拓?fù)潢P(guān)系來表達(dá)。矢量數(shù)據(jù)模型已經(jīng)歷了CAD模型、地理相關(guān)數(shù)據(jù)模型（Coverage模型）和面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型（Geodatabase模型）三個發(fā)展階段。1.4網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)模型用于描述現(xiàn)實世界中的線性系統(tǒng)，如道路交通網(wǎng)絡(luò)、給排水系統(tǒng)、電力網(wǎng)絡(luò)等。網(wǎng)絡(luò)模型將線性系統(tǒng)抽象為邊線（Edges）和交匯點(diǎn)（Junctions）的集合；邊線和邊線之間通過交匯點(diǎn)相連，流（flow）（如汽車流、電流和水流）可以從一條邊線傳輸?shù)搅硪粭l邊線。邊線如街道、傳輸線路、管道以及河段等；交匯點(diǎn)如街道交叉點(diǎn)、保險絲、開關(guān)、服務(wù)中心以及河流的匯合點(diǎn)等。Geodatabase

對線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有兩種描述模型：幾何網(wǎng)絡(luò)模型（geometricnetwork）和邏輯網(wǎng)絡(luò)模型（logicalnetwork）。幾何網(wǎng)絡(luò)模型是組成線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要素的集合，是由邊線和交匯點(diǎn)相連組成的系統(tǒng)。一條邊線有兩個交匯點(diǎn)，而一個交匯點(diǎn)可以與任何數(shù)量的邊線相連。幾何網(wǎng)絡(luò)模型是從要素集合的視角來看網(wǎng)絡(luò)模型。網(wǎng)絡(luò)要素類（networkfeatureclass）：簡單交匯點(diǎn)要素（simplejunctionfeature）復(fù)雜交匯點(diǎn)要素（complexjunctionfeature）簡單邊線要素（simpleedgefeature）復(fù)雜邊線要素（complexedgefeature）邏輯網(wǎng)絡(luò)模型是一個由邊線元素和交匯點(diǎn)元素組成的網(wǎng)絡(luò)圖表。邏輯網(wǎng)絡(luò)與幾何網(wǎng)絡(luò)相似，也是相連的邊線和交匯點(diǎn)的集合。主要的區(qū)別在于邏輯網(wǎng)絡(luò)沒有坐標(biāo)值。它的主要目標(biāo)是用特定的屬性表存儲網(wǎng)絡(luò)的連通性信息。既然邏輯網(wǎng)絡(luò)中的邊線和交匯點(diǎn)沒有幾何屬性，因此它們不是要素，而是元素（elements）。一個幾何網(wǎng)絡(luò)總是與一個邏輯網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系，在編輯幾何網(wǎng)絡(luò)要素的時候，相應(yīng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)元素會自動更新。邏輯網(wǎng)絡(luò)不直接出現(xiàn)在ArcInfo

的應(yīng)用中，與你直接接觸的是幾何網(wǎng)絡(luò)。邏輯網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)要素進(jìn)行復(fù)雜行為的基礎(chǔ)?！?柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)的壓縮編碼方式2.1簡單柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格結(jié)構(gòu)是指將研究區(qū)域劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個網(wǎng)格作為一個象元或象素，由行、列號定義，并包含一個代碼,表示該象素的屬性類型或量值。柵格結(jié)構(gòu)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，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。點(diǎn)用一個柵格單元表示線狀地物用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示面或區(qū)域用記有區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎荆總€柵格單元可有多于兩個的相鄰單元同屬一個區(qū)域。任何以面狀分布的對象(土地利用、土壤類型、地勢起伏、環(huán)境污染等)，都可以用柵格數(shù)據(jù)逼近。遙感影像就屬于典型的柵格結(jié)構(gòu)，每個象元的數(shù)字表示影像的灰度等級。圖3-6點(diǎn)線面的柵格表達(dá)柵格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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)行列號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)給出。結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，算法簡單，且易于擴(kuò)充、修改，也很直觀，特別是易于同遙感影像結(jié)合處理。誤差較大：由于柵格結(jié)構(gòu)對區(qū)域的量化，在計算面積、長度、距離、形狀等空間指標(biāo)時，若柵格尺寸較大，則會造成較大的誤差，同時由于在一個柵格的范圍內(nèi)，可能存在多于一種的地物，而表示在相應(yīng)的柵格結(jié)構(gòu)中常常只能是一個代碼。確定柵格單元代碼的方式當(dāng)一個柵格單元中有多個地物要素時，可根據(jù)需要用下列方法來確定柵格單元的代碼：①中心點(diǎn)法：②面積占優(yōu)法③重要性法2.2柵格數(shù)據(jù)的壓縮編碼方式鏈?zhǔn)骄幋a(ChainCodes)游程長度編碼（run-lengthcode）塊狀編碼(blockcode)四叉樹編碼(quad-treecode)八叉樹編碼（octreecode）2.2.1鏈?zhǔn)骄幋a(ChainCodes)鏈?zhǔn)骄幋a主要是記錄線狀地物和面狀地物的邊界。它把線狀地物和面狀地物的邊界表示為：由某一起始點(diǎn)開始并按某些基本方向確定的單位矢量鏈。基本方向可定義為：線狀地物確定其起始點(diǎn)為像元(1，5)，則其鏈?zhǔn)骄幋a為：3223323面狀地物其起始點(diǎn)為像元（5，8），則該多邊形邊界按順時針方向的鏈?zhǔn)骄幋a為：32446676021鏈?zhǔn)骄幋a的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)對線狀和多邊形的表示具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓縮能力具有一定的運(yùn)算功能，如面積和周長計算等，探測邊界急彎和凹進(jìn)部分等都比較容易比較適于存儲圖形數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)對疊置運(yùn)算如組合、相交等則很難實施對局部修改將改變整體結(jié)構(gòu)，效率較低，而且由于鏈碼以每個區(qū)域為單位存儲邊界，相鄰區(qū)域的邊界則被重復(fù)存儲而產(chǎn)生冗余。2.2.2游程長度編碼（run-lengthcode）對于一幅柵格圖像，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。只在各行(或列)數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同代碼重復(fù)的個數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。其游程長度編碼為：(9,4)，(0,4)(9,3)，(0,5)(0,1)，(9,2)，(0,1)，(7,2)，(0,2)(0,4)，(7,2)，(0,2)(0,4)，(7,4)(0,4)，(7,4)(0,4)，(7,4)(0,4)，(7,4)游程長度編碼的特點(diǎn)壓縮比的大小是與圖的復(fù)雜程度成反比的，在變化多的部分，游程數(shù)就多，變化少的部分游程數(shù)就少，圖件越簡單，壓縮效率就越高。游程長度編碼在柵格加密時，數(shù)據(jù)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)算簡單，適用于機(jī)器存貯容量小，數(shù)據(jù)需大量壓縮，而又要避免復(fù)雜的編碼解碼運(yùn)算增加處理和操作時間的情況。2.2.3塊狀編碼(blockcode)采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由初始位置(行、列號)和半徑，再加上記錄單元的代碼組成。用12個單位正方形，5個4單位的正方形和2個16單位的正方形就能完整表示，具體編碼如下：(1,1,2,9)，(1,3,1,9)，(1,4,1,9)，(1,5,2,0)，(1,7,2,0)，(2,3,1,9)，(2,4,1,0)，(3,1,1,0)，(3,2,1,9)，(3,3,1,9)，(3,4,1,0)，(3,5,2,7)，(3,7,2,0)，(4,4,1,0)，(4,2,1,0)，(4,3,1,0)，(4,4,1,0)，(5,1,4,0)，(5,5,4,7)塊狀編碼的特點(diǎn)一個多邊形所包含的正方形越大，多邊形的邊界越簡單，塊狀編碼的效率就越好。塊狀編碼對大而簡單的多邊形更為有效，而對那些碎部較多的復(fù)雜多邊形效果并不好。塊狀編碼在合并、插入、檢查延伸性、計算面積等操作時有明顯的優(yōu)越性。然而對某些運(yùn)算不適應(yīng)，必須在轉(zhuǎn)換成簡單數(shù)據(jù)形式才能順利進(jìn)行。2.2.4四叉樹編碼(quad-treecode)四叉樹結(jié)構(gòu)的基本思想是將一幅柵格地圖或圖像等分為四部分，逐塊檢查其格網(wǎng)屬性值(或灰度)，如果某個子區(qū)的所有格網(wǎng)值都具有相同的值，則這個子區(qū)就不再繼續(xù)分割，否則還要把這個子區(qū)再分割成四個子區(qū)。這樣依次地分割，直到每個子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。

四叉樹結(jié)構(gòu)的基本思想四叉樹的生成算法從上而下的分割算法：需要大量的運(yùn)算，因為大量數(shù)據(jù)需要重復(fù)檢查才能確定劃分。當(dāng)矩陣比較大，且區(qū)域內(nèi)容要素又比較復(fù)雜時，建立這種四叉樹的速度比較慢。從下而上的合并算法：如果每相鄰四個網(wǎng)格值相同則進(jìn)行合并，逐次往上遞歸合并，直到符合四叉樹的原則為止。這種方法重復(fù)計算較少，運(yùn)算速度較快。為了保證四叉樹能不斷的分解下去，要求圖像必須為2n*2n的柵格陣列，n為極限分割次數(shù)，n+1是四叉樹的最大高度或最大層數(shù)。四叉樹編碼的特點(diǎn)①容易而有效地計算多邊形的數(shù)量特征；②陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分四叉樹較高即分級多，分辨率也高，而不需表示許多細(xì)節(jié)的部分則分級少，分辨率低，因而既可精確表示圖形結(jié)構(gòu)又可減少存貯量；③柵格到四叉樹及四叉樹到簡單柵格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換比其它壓縮方法容易；④多邊形中嵌套異類小多邊形的表示較方便。四叉樹結(jié)構(gòu)分類常規(guī)四叉樹常規(guī)四叉樹除了記錄葉結(jié)點(diǎn)之外，還要記錄中間結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)之間借助指針聯(lián)系，每個結(jié)點(diǎn)需要用六個量表達(dá)：四個葉結(jié)點(diǎn)指針，一個父結(jié)點(diǎn)指針和一個結(jié)點(diǎn)的屬性或灰度值。這些指針不僅增加了數(shù)據(jù)貯存量，而且增加了操作的復(fù)雜性。常規(guī)四叉樹主要在數(shù)據(jù)索引和圖幅索引等方面應(yīng)用。線性四叉樹線性四叉樹則只存貯最后葉結(jié)點(diǎn)的信息。包括葉結(jié)點(diǎn)的位置、深度和本結(jié)點(diǎn)的屬性或灰度值。線性四叉樹葉結(jié)點(diǎn)的編號需要遵循一定的規(guī)則，這種編號稱為地址碼，它隱含了葉結(jié)點(diǎn)的位置和深度信息。最常用的地址碼是四進(jìn)制或十進(jìn)制的Morton碼?；谑M(jìn)制的Morton碼及四叉樹的建立0145161720212367181922238912132425282910111415262730313233363748495253343538395051545540414445565760614243464758596263（a）四叉樹分割示意圖(b)基于十進(jìn)制的線性四叉樹Morton碼基于按位操作的運(yùn)算計算Morton碼設(shè)十進(jìn)制表示的行、列號在計算機(jī)內(nèi)部的二進(jìn)制數(shù)字分別為：十進(jìn)制的Morton碼實際上是II、JJ中的二進(jìn)制數(shù)字交叉結(jié)合的結(jié)果，即Morton碼屬性值09495969708099100110Morton碼屬性值129130140150160200247280320487線性四叉樹存儲結(jié)構(gòu)0145161720212367181922238912132425282910111415262730313233363748495253343538395051545540414445565760614243464758596263二維行程編碼在生成的線性四叉樹表中，仍存在前后葉結(jié)點(diǎn)的值相同的情況，因而可以采取進(jìn)一步的壓縮表達(dá)，即將格網(wǎng)值相同的前后結(jié)點(diǎn)合并成一個值，形成二維行程編碼（TwoDimensionalRunEncoding，簡稱2DRE）表。在這種二維行程編碼中，前后兩個地址碼之差表達(dá)了該行程段的格網(wǎng)數(shù)，它可以表示該子塊的大小。Morton碼屬性值097099100129130247320487Morton碼屬性值09495969708099100110Morton碼屬性值129130140150160200247280320487線性四叉樹存儲結(jié)構(gòu)二維行程編碼存儲結(jié)構(gòu)2.2.5八叉樹結(jié)構(gòu)八叉樹結(jié)構(gòu)是四叉樹結(jié)構(gòu)在三維空間的擴(kuò)展。八叉樹結(jié)構(gòu)就是將空間區(qū)域不斷地分解為八個同樣大小的子區(qū)域(即將一個六面的立方體再分解為八個相同大小的小立方體)，分解的次數(shù)越多，子區(qū)域就越小，一直到同—區(qū)域的屬性單一為止。按從下而上合并的方式來說，就是將研究區(qū)空間先按—定的分辨率將三維空間劃分為三維柵格網(wǎng)，然后按規(guī)定的順序每次比較3個相鄰的柵格單元，如果其屬性值相同則合并，否則就記盤。依次遞歸運(yùn)算，直到每個子區(qū)域均為單值為止。§3矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實體式索引式雙重獨(dú)立式鏈狀雙重獨(dú)立式3.1實體式矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實體式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成多邊形邊界的各個線段，以多邊形為單元進(jìn)行組織。按照這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，邊界坐標(biāo)數(shù)據(jù)和多邊形單元實體一一對應(yīng)，各個多邊形邊界都單獨(dú)編碼和數(shù)字化。

多邊形數(shù)據(jù)項A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)B(x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),(x16,y16),(x15,y15),(x14,y14),(x13,y13),(x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)C(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y27),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30),(x31,y31),(x24,y24)D(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y22),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19)E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)實體式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：編碼容易、數(shù)字化操作簡單和數(shù)據(jù)編排直觀等。缺點(diǎn)：①相鄰多邊形的公共邊界要數(shù)字化兩遍，造成數(shù)據(jù)冗余存儲，可能導(dǎo)致輸出的公共邊界出現(xiàn)間隙或重疊；②缺少多邊形的鄰域信息和圖形的拓?fù)潢P(guān)系；③島只作為一個單個圖形，沒有建立與外界多邊形的聯(lián)系。實體式編碼只用在簡單的系統(tǒng)中。3.2索引式索引式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用樹狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息具體方法是對所有邊界點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化，將坐標(biāo)對以順序方式存儲，由點(diǎn)索引與邊界線號相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結(jié)構(gòu)。樹狀索引結(jié)構(gòu)消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致的問題。文件結(jié)構(gòu)點(diǎn)號坐

標(biāo)1X1,y12X2,y2…31X31,y31線號起點(diǎn)終點(diǎn)點(diǎn)號a151,2,3,4,5b585,6,7,8…j242424,25,26,…,31多邊形編號多邊形邊界Aa,b,hB…E點(diǎn)文件結(jié)構(gòu)線文件結(jié)構(gòu)多邊形文件結(jié)構(gòu)3.3雙重獨(dú)立式這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最早是由美國人口統(tǒng)計局研制來進(jìn)行人口普查分析和制圖的DIME(DualIndependentMapEncoding)系統(tǒng)或雙重獨(dú)立式的地圖編碼法。它以城市街道為編碼的主體。其特點(diǎn)是采用了拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)。雙重獨(dú)立式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對圖上網(wǎng)狀或面狀要素的任何一條線段，用其兩端的結(jié)點(diǎn)及相鄰面域來予以定義。雙重獨(dú)立式（DIME）編碼線號左多邊形右多邊形起點(diǎn)終點(diǎn)aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA923.4鏈狀雙重獨(dú)立式鏈狀雙重獨(dú)立式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是DIME數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)。在DIME中，一條邊只能用直線兩端點(diǎn)的序號及相鄰的面域來表示，而在鏈狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，將若干直線段合為一個弧段（或鏈段），每個弧段可以有許多中間點(diǎn)。在鏈狀雙重獨(dú)立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，主要有四個文件：多邊形文件弧段文件弧段節(jié)點(diǎn)文件結(jié)點(diǎn)文件多邊形號弧段號周長面積中心點(diǎn)坐標(biāo)Ah,b,aBg,f,c,h,-jCjDe,i,fEe,i,d,b弧段號起始點(diǎn)終結(jié)點(diǎn)左多邊形右多邊形a51OAb85EAc168EBd195OEe1519ODf1516DBg115OBh81ABi1619DEj3131BC弧段號點(diǎn)

號a5,4,3,2,1b8,7,6,5c16,17,8d19,18,5e15,23,22,21,20,19還有點(diǎn)文件3.5矢量、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）它是面向目標(biāo)的，不僅能表達(dá)屬性編碼，而且容易定義和操作單個空間實體。（2）能完整地描述拓?fù)潢P(guān)系；（3）表示地理數(shù)據(jù)的精度較高；（4）圖形輸出精確美觀；（5）嚴(yán)密的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量小；（6）圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的恢復(fù)、更新、綜合都能實現(xiàn)；缺點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；（2）矢量多邊形的疊置算法較為復(fù)雜；（3）數(shù)學(xué)模擬比較困難；（4）技術(shù)復(fù)雜，特別是更加復(fù)雜的硬、軟件。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單；（2）空間數(shù)據(jù)的疊置和組合十分容易方便；（3）各類空間分析都很易于進(jìn)行；（4）數(shù)學(xué)模擬方便。缺點(diǎn)：（1）圖形數(shù)據(jù)量大；（2）用大像元減少數(shù)據(jù)量時，精度和信息量受損失；（3）地圖輸出不精美；（4）沒有表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系；（5）投影變換花的時間多。柵格、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單比較

比較內(nèi)容

矢量格式

柵格格式

數(shù)據(jù)量

小

大

圖形精度

高

低

圖形運(yùn)算

復(fù)雜、高效

簡單、低效

遙感影像格式

不一致

一致或接近

輸出表示

抽象、昂貴

直觀、便宜

數(shù)據(jù)共享

不易實現(xiàn)

容易實現(xiàn)

拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)分析

容易實現(xiàn)

不易實現(xiàn)§4矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.1矢柵一體化的概念一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念：無論是點(diǎn)狀地物、線狀地物、還是面狀地物均采用面向目標(biāo)的描述方法，因而它可以完全保持矢量的特性，而元子空間充填表達(dá)建立了位置與地物的聯(lián)系，使之具有柵格的性質(zhì)。每個線狀目標(biāo)除記錄原始取樣點(diǎn)外，還記錄路徑所通過的柵格；每個面狀地物除記錄它的多邊形周邊以外，還包括中間的面域柵格。4.2三個約定和細(xì)分格網(wǎng)法4.2.1三個約定為了設(shè)計點(diǎn)、線、面狀地物具體的一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，首先作如下約定：1、地面上的點(diǎn)狀地物是地球表面上的點(diǎn)，它僅有空間位置，沒有形狀和面積，在計算機(jī)內(nèi)部僅有一個位置數(shù)據(jù)。2、地面上的線狀地物是地球表面的空間曲線，它有形狀但沒有面積，它在平面上的投影是一連續(xù)不間斷的直線或曲線，在計算機(jī)內(nèi)部需要用一組元子填滿整個路徑。3、地面上的面狀地物是地球表面的空間曲面，并具有形狀和面積，它在平面上的投影是由邊界包圍的緊致空間和一組填滿路徑的元子表達(dá)的邊界組成。4.2.2細(xì)分格網(wǎng)法由于一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是基于柵格的，表達(dá)目標(biāo)的精度必然受柵格尺寸的限制。可利用細(xì)分格網(wǎng)法提高點(diǎn)、線（包括面狀地物邊界）數(shù)據(jù)的表達(dá)精度，使一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精度達(dá)到或接近矢量表達(dá)精度。細(xì)分格網(wǎng)的思想在有點(diǎn)、線通過的基本格網(wǎng)內(nèi)再細(xì)分成256×256細(xì)格網(wǎng)（精度要求低時，可細(xì)分為16×16個細(xì)格網(wǎng)）?；靖窬W(wǎng)和細(xì)格網(wǎng)均采用十進(jìn)制線性四叉樹編碼，將采樣點(diǎn)和線性目標(biāo)與基本格網(wǎng)的交點(diǎn)用兩個Morton碼表示。前一M1表示該點(diǎn)（采樣點(diǎn)或附加的交叉點(diǎn)）所在基本格網(wǎng)的地址碼，后者M(jìn)2表示該點(diǎn)對應(yīng)的細(xì)分格網(wǎng)的Morton碼，亦即將一對X,Y坐標(biāo)用兩個Morton碼代替。例如X=210.00，Y=172.32，可轉(zhuǎn)換為M1=275,M2=2690，對應(yīng)的行列號分別為（1，21）、（51，6）。這種方法可將柵格數(shù)據(jù)的表達(dá)精度提高256倍，而存貯量僅在有點(diǎn)、線通過的格網(wǎng)上增加兩個字節(jié)（當(dāng)細(xì)分為16×16格網(wǎng)時，存貯量僅增加一個字節(jié)，精度提高16倍）。4.3矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計線性四叉樹編碼、三個約定和多級格網(wǎng)法為建立矢柵一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。線性四叉樹是基本數(shù)據(jù)格式，三個約定設(shè)計點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本依據(jù)，細(xì)分格網(wǎng)法保證足夠精度。4.3.1點(diǎn)狀地物和結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

點(diǎn)僅有位置、沒有形狀和面積，不必將點(diǎn)狀地物作為一個覆蓋層分解為四叉樹，只要將點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地址碼M1和M2

，而不管整個構(gòu)形是否為四叉樹。這種結(jié)構(gòu)簡單靈活，便于點(diǎn)的插入和刪除，還能處理一個柵格內(nèi)包含多個點(diǎn)狀目標(biāo)的情況。所有的點(diǎn)狀地物以及弧段之間的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)用一個文件表示?？梢?，這種結(jié)構(gòu)幾乎與矢量結(jié)構(gòu)完全一致。點(diǎn)狀地物和結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.3.2線狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)根據(jù)對線狀地物的約定，線狀地物有形狀但沒有面積，沒有面積意味著線狀地物和點(diǎn)狀地物一樣不必用一個完全的覆蓋層分解四叉樹，而只要用一串?dāng)?shù)據(jù)表達(dá)每個線狀地物的路徑即可，表達(dá)一條路徑就是要將該線狀地物經(jīng)過的所有柵格的地址全部記錄下來。一個線狀地物可能有幾條弧段組成，所以應(yīng)先建立一個弧段數(shù)據(jù)文件。4.3.3面狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一個面狀地物應(yīng)記錄邊界和邊界所包圍的整個面域，其中邊界由弧段組成，它同樣引用弧段信息；面域信息則由線性四叉樹或二維行程編碼表示。為了建立面向地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，二維行程編碼中的屬性值可以是葉結(jié)點(diǎn)的屬性值，也可以是指向該地物的下一個子塊的循環(huán)指針。即用循環(huán)指針將同屬于一個目標(biāo)的葉結(jié)點(diǎn)鏈接起來，形成面向地物的結(jié)構(gòu)。4.3.4復(fù)雜地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由幾個或幾種點(diǎn)、線、面狀簡單地物組成的地物稱為復(fù)雜地物。例如將一條公路上的中心線、交通燈、立交橋等組合為一個復(fù)雜地物，用一個標(biāo)識號表示?！?矢量柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換5.1矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)向柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換兩種數(shù)據(jù)變換時，令直角坐標(biāo)x、y分別與行和列平行。由于矢量數(shù)據(jù)的基本要素是點(diǎn)、線、面，因而只要實現(xiàn)點(diǎn)、線、面的轉(zhuǎn)換，就能實現(xiàn)整個線劃圖的轉(zhuǎn)換。Ymax矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的步驟確定柵格單元的大小點(diǎn)的變換線的變換面的充填5.1.1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，變換后的用途及存貯空間等因素予以決定。如果變換后要和一幅衛(wèi)星圖像匹配，最好采用與衛(wèi)星圖像相同的分辨率。如果作為地形分析用，地形起伏變化小時分辨率可以低些，柵格單元就可大些；而地形變化大時，分辨率就應(yīng)當(dāng)高些，柵格單元就要小些。柵格單元的大小為△x和△y，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，NI、NJ表示全圖格網(wǎng)的行數(shù)和列數(shù)，它們之間的關(guān)系為5.1.2點(diǎn)的變換點(diǎn)（X，Y）的變換很簡單，只要這個點(diǎn)落在某個柵格中，就屬于那個柵格單元，其行、列號J、J可出下式求出：式中INT表示取整函數(shù)。柵格點(diǎn)的值用點(diǎn)的屬性表示。假定I，J從0開始起算。5.1.3線的變換對于曲線可以近似地看成多個直線段組成的折線。每一條直線段需要求算它經(jīng)過哪些格網(wǎng)單元。設(shè)線段兩瑞點(diǎn)的坐標(biāo)為(X1，Y1)，(X2，Y2)，先求出這二個端點(diǎn)柵格單元的行列號，然后求中間經(jīng)過的柵格。假設(shè)求出兩端點(diǎn)的行號分別為n1、n2（如3和7），則中間格網(wǎng)的行號必為n1+1，n1+2，……，n2（如4，5，6），其網(wǎng)格中心線的Y坐標(biāo)應(yīng)為它與直線段交點(diǎn)的X坐標(biāo)為再由此Xi值可求出其列號J，即也可以先求出兩端點(diǎn)的列號，再確定中間網(wǎng)格的行號。5.1.4面的充填充填的關(guān)鍵問題是使計算機(jī)能正確判斷哪些柵格單元在多邊形之內(nèi)，哪些柵格在多邊形之外。矢量多邊形（面域）柵格面域