第八章2空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即指數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理和處理的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。對(duì)于空間數(shù)據(jù)而言，則是地理實(shí)體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對(duì)數(shù)據(jù)的一種理解和解釋，不說明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是毫無用處的，不僅用戶無法理解，計(jì)算機(jī)程序也不能正確的處理，對(duì)同樣一組數(shù)據(jù)，按不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去處理，得到的可能是截然不同的內(nèi)容。

空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是地理信息系統(tǒng)溝通信息的橋梁，只有充分理解地理信息系統(tǒng)所采用的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能正確有效地使用系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有柵格結(jié)構(gòu)（顯式表示）和矢量結(jié)構(gòu)(隱式表示

)

。

第一節(jié)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第二節(jié)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第三節(jié)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較和轉(zhuǎn)換第一節(jié)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、簡(jiǎn)單柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)二、柵格數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)的編碼方法一、簡(jiǎn)單柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、定義

2、柵格結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)線面的表示

3、柵格數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

4、柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取途徑

5、保持原圖或原始數(shù)據(jù)精度的方法

1、定義：柵格結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單最直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又稱為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(raster或gridcell)或像元結(jié)構(gòu)(pixel)，是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)像元或像素，由行、列號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。

柵格結(jié)構(gòu)表示的地表是不連續(xù)的，是量化和近似離散的數(shù)據(jù)。在柵格結(jié)構(gòu)中，地表被分成相互鄰接、規(guī)則排列的矩形方塊(特殊的情況下也可以是三角形或菱形、六邊形等），每個(gè)地塊與一個(gè)柵格單元相對(duì)應(yīng)。柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元大小之比。在許多柵格數(shù)據(jù)處理時(shí)，常假設(shè)柵格所表示的量化表面是連續(xù)的，以便使用某些連續(xù)函數(shù)。2、柵格結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)線面的表示

點(diǎn)用一個(gè)柵格單元表示；

線狀地物則用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示，每個(gè)柵格單元最多只有兩個(gè)相鄰單元在線上；

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€(gè)柵格單元可有多于兩個(gè)的相鄰單元同屬一個(gè)區(qū)域。任何以面狀分布的對(duì)象(土地利用、土壤類型、地勢(shì)起伏、環(huán)境污染等)，都可以用柵格數(shù)據(jù)逼近。3、柵格數(shù)據(jù)的特點(diǎn)（1）用離散的量化柵格值表示空間實(shí)體；（2）描述區(qū)域?qū)傩悦黠@，位置隱含；（3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合；（4）難于建立地物間拓?fù)潢P(guān)系（5）圖形質(zhì)量低且數(shù)據(jù)量大。4、柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取途徑柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要可由四個(gè)途徑得到，即

1、目讀法：在專題圖上均勻劃分網(wǎng)格，逐個(gè)網(wǎng)格地決定其代碼，最后形成柵格數(shù)字地圖文件；

2、數(shù)字化儀手扶或自動(dòng)跟蹤數(shù)字化地圖，得到矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)后，再轉(zhuǎn)換為柵格結(jié)構(gòu)；

3、掃描數(shù)字化：逐點(diǎn)掃描專題地圖，將掃描數(shù)據(jù)重采樣和再編碼得到柵格數(shù)據(jù)文件；

4、分類影像輸入：將經(jīng)過分類解譯的遙感影像數(shù)據(jù)直接或重采樣后輸入系統(tǒng)，作為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的專題地圖。5、保持原圖或原始數(shù)據(jù)精度的方法

在轉(zhuǎn)換和重新采樣時(shí)，需盡可能保持原圖或原始數(shù)據(jù)精度，通常有兩種辦法：

第一，在決定柵格代碼時(shí)盡量保持地表的真實(shí)性，保證最大的信息容量。

中心點(diǎn)法重要性法

面積占優(yōu)法百分比法第二，縮小單個(gè)柵格單元的面積，即增加?xùn)鸥駟卧目倲?shù)。

目前有一系列柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，如鍵碼、游程長(zhǎng)度編碼、塊碼和四叉樹編碼等。其目的，就是用盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的信息。類型：信息無損編碼、信息有損編碼信息無損編碼是指編碼過程中沒有任何信息損失，通過解碼操作可以完全恢復(fù)原來的信息。在地理信息系統(tǒng)中多采用信息無損編碼，而對(duì)原始遙感影像進(jìn)行壓縮編碼時(shí)，有時(shí)也采取有損壓縮編碼方法。二、柵格數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)的編碼方法1、鏈?zhǔn)骄幋a

2、游程長(zhǎng)度編碼

3、塊狀編碼

4、四叉樹編碼

鏈?zhǔn)骄幋a又稱為弗里曼鏈碼(Freeman，1961)或邊界鏈碼。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?；痉较蚩啥x為：東＝0，東南＝l，南＝2，西南＝3，西＝4，西北＝5，北＝6，東北＝7等八個(gè)基本方向。1、鏈?zhǔn)骄幋a（ChainCodes）鏈?zhǔn)骄幋a的方向代碼鏈?zhǔn)骄幋a的編碼方法鏈?zhǔn)骄幋a的前兩個(gè)數(shù)字表示起點(diǎn)的行、列數(shù)，從第三個(gè)數(shù)字開始的每個(gè)數(shù)字表示單位矢量的方向，八個(gè)方向以0—7的整數(shù)代表。如果對(duì)于右圖所示的線狀地物確定其起始點(diǎn)為像元(1，5)。則其鏈?zhǔn)骄幋a為：1，5，3，2，2，3，3，2，3對(duì)于右圖所示的面狀地物，假設(shè)其原起始點(diǎn)定為像元（5，8）。則該多邊形邊界按順時(shí)針方向的鏈?zhǔn)骄幋a為：5，8，3，2，4，4，6，6，7，6，0，2，1鏈?zhǔn)骄幋a的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：鏈?zhǔn)骄幋a對(duì)線狀和多邊形的表示具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓縮能力，且具有一定的運(yùn)算功能，如面積和周長(zhǎng)計(jì)算等，探測(cè)邊界急彎和凹進(jìn)部分等都比較容易，類似矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比較適于存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：對(duì)疊置運(yùn)算如組合、相交等則很難實(shí)施，對(duì)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(gè)區(qū)域?yàn)閱挝淮鎯?chǔ)邊界，相鄰區(qū)域的邊界則被重復(fù)存儲(chǔ)而產(chǎn)生冗余。2、游程長(zhǎng)度編碼(Run—LengthCodes)

其編碼方案是，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同代碼重復(fù)的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。

游程長(zhǎng)度編碼是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法，它的基本思路是：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。

游程長(zhǎng)度編碼在柵格數(shù)據(jù)壓縮時(shí)，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(jiǎn)單，適用于機(jī)器存儲(chǔ)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(shí)間的情況。3、塊式編碼(BlockCodes)

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)域作為記錄單元，每個(gè)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(hào))和半徑，再加上記錄單元的代碼組成。

數(shù)據(jù)編碼組成：（初始行、列，半徑，屬性值）0225555522222555000003332222335500233355003333530003333300003333（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（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）。

4、四叉樹編碼(Quad-treeCodes)

1）定義：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(gè)子區(qū)的所有格網(wǎng)值都具有相同的值，則這個(gè)子區(qū)就不再繼續(xù)分割，否則還要把這個(gè)子區(qū)再分割成四個(gè)子區(qū)。這樣依次地分割，直到每個(gè)子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。

四叉樹編碼又稱為四分樹、四元樹編碼。它是一種更有效地壓編數(shù)據(jù)的方法。它將2n×2n像元陣列連續(xù)進(jìn)行4等分，一直分到正方形的大小正好與象元的大小相等為止而塊狀結(jié)構(gòu)則用四叉樹描述，習(xí)慣上稱為四叉樹編碼。①000②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400333033333530022232222022225255533355西南東南西北東北

四叉樹的樹狀表示

四叉樹編碼示意圖02255555222225550000033322223355002333550033335300033333000033332）四叉樹結(jié)構(gòu)的建立方法

建立四叉樹有兩種方法，即自上而下方式（top—down）自下而上方式（bottom—up）自上而下方式的分割需要大量的運(yùn)算，因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)需要重復(fù)檢查才能確定劃分。當(dāng)n×n的矩陣比較大，且區(qū)域內(nèi)容要素又比較復(fù)雜時(shí)，建立這種四叉樹的速度比較慢。 自下而上方式是對(duì)柵格數(shù)據(jù)按如下的順序進(jìn)行檢測(cè)：如果每相鄰四個(gè)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(jì)算較少，運(yùn)算速度較快。3）四叉樹編碼法的優(yōu)缺點(diǎn)四叉樹編碼法的優(yōu)點(diǎn)：（1）容易而有效地計(jì)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(jí)多，分辨率也高，而不需表示許多細(xì)節(jié)的部分則分級(jí)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(jiǎn)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。四叉樹編碼的最大缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換的不定性。第二節(jié)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標(biāo)的方式，盡可能地將點(diǎn)、線、面地理實(shí)體表現(xiàn)得精確無誤。其坐標(biāo)空間假定為連續(xù)空間，不必像柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)那樣進(jìn)行量化處理。因此矢量數(shù)據(jù)能更精確地定義位置、長(zhǎng)度和大小。

除數(shù)學(xué)上的精確坐標(biāo)假設(shè)外，矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是以隱式關(guān)系以最小的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)復(fù)雜的數(shù)據(jù)。一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼的基本內(nèi)容

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過記錄空間對(duì)象的坐標(biāo)及空間關(guān)系來表達(dá)空間對(duì)象的位置。點(diǎn)：空間的一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)；線：多個(gè)點(diǎn)組成的弧段；面：多個(gè)弧段組成的封閉多邊形。

多邊形矢量編碼，不但要表示位置和屬性，更重要的是能表達(dá)區(qū)域的拓?fù)涮卣?，如形狀、鄰域和層次結(jié)構(gòu)等，以便使這些基本的空間單元可以作為專題圖的資料進(jìn)行顯示和操作。

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼的基本內(nèi)容

標(biāo)識(shí)碼屬性碼空間對(duì)象編碼唯一連接空間和屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立編碼點(diǎn):(x,y)線:(x1,y1),(x2,y2),…

,(xn,yn)面:(x1,y1

),(x2,y2

),…,(x1,y1

)點(diǎn)位字典點(diǎn):點(diǎn)號(hào)文件線:點(diǎn)號(hào)串面:點(diǎn)號(hào)串點(diǎn)號(hào)XY1112223344………n5566存儲(chǔ)方法

二、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型

1、簡(jiǎn)單的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)—面條結(jié)構(gòu)（實(shí)體式）只記錄空間對(duì)象的位置坐標(biāo)和屬性信息，不記錄拓?fù)潢P(guān)系。湖泊河流居民地元素類型標(biāo)號(hào)位置坐標(biāo)點(diǎn)點(diǎn)1x,y線2x1y1,x2y2,…,xnyn面3x1y1,x2y2,…,x1y1閉合存儲(chǔ)：獨(dú)立存儲(chǔ)：空間對(duì)象位置直接跟隨空間對(duì)象；點(diǎn)位字典：點(diǎn)坐標(biāo)獨(dú)立存儲(chǔ)，線、面由點(diǎn)號(hào)組成。適用范圍：制圖及一般查詢，不適合復(fù)雜的空間分析特征：無拓?fù)潢P(guān)系，主要用于顯示、輸出及一般查詢；公共邊重復(fù)存儲(chǔ)，存在數(shù)據(jù)冗余，難以保證數(shù)據(jù)獨(dú)立性和一致性；多邊形分解和合并不易進(jìn)行，鄰域處理較復(fù)雜；處理嵌套多邊形比較麻煩。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(duì)所有邊界點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化，將坐標(biāo)對(duì)以順序方式存儲(chǔ)，由點(diǎn)索引與邊界線號(hào)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)。ⅠⅡⅢⅣ123456789101112131415P1P2P3ⅠⅡP1P3P2ⅡⅢⅣ12345656567891012131415ⅠⅡⅢⅣⅠⅡⅢⅣ123456789101112131415P1P2P3點(diǎn)文件點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)

1x1，y1

2x2，y2

15x15，y15……樹狀索引法ⅠⅡⅢⅣ123456789101112131415P1P2P3多邊形文件多邊形號(hào)邊界線號(hào)

1Ⅰ，Ⅱ2Ⅱ，Ⅲ

3ⅣⅠⅡP1P3P2ⅡⅢⅣ樹狀索引法

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，在簡(jiǎn)化過于復(fù)雜的邊界線或合并多邊形時(shí)可不必改造索引表，鄰域信息和島狀信息可以通過對(duì)多邊形文件的線索引處理得到，但是比較繁瑣，因而給鄰域函數(shù)運(yùn)算、消除無用邊、處理島狀信息以及檢查拓?fù)潢P(guān)系等帶來一定的困難，而且兩個(gè)編碼表都要以人工方式建立，工作量大且容易出錯(cuò)。3、雙重獨(dú)立式（DIME）這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最早是由美國(guó)人口統(tǒng)計(jì)局研制來進(jìn)行人口普查分析和制圖的，簡(jiǎn)稱為DIME(DuallndependentMapEncoding)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(duì)圖上網(wǎng)狀或面狀要素的任何一條線段，用其兩端的節(jié)點(diǎn)及相鄰面域來予以定義。在雙重獨(dú)立式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)或者面域與面域之間為鄰接關(guān)系，節(jié)點(diǎn)與線段或者面域與線段之間為關(guān)聯(lián)關(guān)系。點(diǎn)文件：點(diǎn)號(hào)坐標(biāo)1x1,y1線文件:線文件是以線段為記錄單位

線號(hào)左多邊形

右多邊形

起點(diǎn)終點(diǎn)L210P1P2210面文件：面號(hào)線號(hào)P1L210,L109…關(guān)聯(lián)鄰接關(guān)聯(lián)連通拓?fù)潢P(guān)系明確P1P212345678910P311121314154、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(hào)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(gè)弧段（或鏈段），每個(gè)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(gè)文件：多邊形文件、弧段文件、弧段坐標(biāo)文件、結(jié)點(diǎn)文件。

弧段坐標(biāo)文件：弧段號(hào)坐標(biāo)系列（串)Ax2,y2,x10,y10…弧段文件：鏈—面，鏈—結(jié)點(diǎn)關(guān)系

弧段號(hào)左多邊形右多邊形起點(diǎn)終點(diǎn)AP1P225多邊形文件：面號(hào)弧段號(hào)周長(zhǎng)周長(zhǎng)面積中心點(diǎn)坐標(biāo)P1A,B,-C點(diǎn)拓?fù)湮募航Y(jié)點(diǎn)—鏈關(guān)系

點(diǎn)號(hào)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)弧段號(hào)2A,B,DP1P212345678910P31112131415ABCD三、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的屬性數(shù)據(jù)表達(dá)屬性特征類型類別特征：是什么說明信息：同類目標(biāo)的不同特征屬性特征表達(dá)類別特征：類型編碼說明信息：屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表格屬性表的內(nèi)容取決于用戶圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的連接通過目標(biāo)識(shí)別符或內(nèi)部記錄號(hào)實(shí)現(xiàn)。四、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)1、用離散的點(diǎn)描述空間對(duì)象與特征，定位明顯，屬性隱含；2、用拓?fù)潢P(guān)系描述空間對(duì)象之間的關(guān)系；3、面向目標(biāo)操作，精度高，數(shù)據(jù)冗余度?。?、輸出圖形質(zhì)量好，精度高；5、與遙感等圖象數(shù)據(jù)難以結(jié)合。作業(yè)

試對(duì)左圖進(jìn)行直接?xùn)鸥窬幋a、鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)編碼、塊式編碼、游程壓縮編碼以及四叉樹編碼，比較各種壓縮編碼的壓縮程度。333331111111333331111111333311114411333111144441332221114441322221111411222222111111222222111111222222211111222222211111第三節(jié)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較與轉(zhuǎn)換

柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)似乎是兩種截然不同的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格結(jié)構(gòu)“屬性明顯、位置隱含”，而矢量結(jié)構(gòu)“位置明顯、屬性隱含”，柵格數(shù)據(jù)操作總的來說比較容易實(shí)現(xiàn)，尤其是作為斑塊圖件的表示更易于為人們接受；而矢量數(shù)據(jù)操作則比較復(fù)雜，許多分析操作（如兩張地圖的覆蓋操作，點(diǎn)或線狀地物的鄰域搜索等）用矢量結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)十分困難，矢量結(jié)構(gòu)表達(dá)線狀地物是比較直觀的，而面狀地物則是通過對(duì)邊界的描述而表達(dá)。

無論哪種結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)量都是一對(duì)矛盾，要提高精度，柵格結(jié)構(gòu)需要更多的柵格單元，而矢量結(jié)構(gòu)則需記錄更多的線段結(jié)點(diǎn)。一般來說，柵格結(jié)構(gòu)只是矢量結(jié)構(gòu)在某種程度上的一種近似，如果要使柵格結(jié)構(gòu)描述的圖件取得與矢量結(jié)構(gòu)同樣的精度，甚至僅僅在量值上接近，則數(shù)據(jù)也要比后者大得多。

柵格、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)

容易實(shí)現(xiàn)

拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)分析

容易實(shí)現(xiàn)

不易實(shí)現(xiàn)

柵格結(jié)構(gòu)在某些操作上比矢量結(jié)構(gòu)更有效更易于實(shí)現(xiàn)，如按空間坐標(biāo)位置的搜索，對(duì)于柵格結(jié)構(gòu)是極為方便的，而對(duì)矢量結(jié)構(gòu)則搜索時(shí)間要長(zhǎng)得多；在給定區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)運(yùn)算，包括計(jì)算多邊形形狀、面積、線密度、點(diǎn)密度，柵格結(jié)構(gòu)可以很快算得出結(jié)果，而采用矢量結(jié)構(gòu)則由于所在區(qū)域邊界限制條件難以提取而降低效率，對(duì)于給定范圍的開窗、縮放柵格結(jié)構(gòu)也比矢量結(jié)構(gòu)優(yōu)越；

另一方面，矢量結(jié)構(gòu)用于拓?fù)潢P(guān)系的搜索則更為高效，即諸如計(jì)算多邊形形狀搜索鄰域、層次信息等；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)信息只有矢量結(jié)構(gòu)才能完全描述；矢量結(jié)構(gòu)在計(jì)算精度與數(shù)據(jù)量方面的優(yōu)勢(shì)也是矢量結(jié)構(gòu)比柵格結(jié)構(gòu)受到歡迎的原因之一。

許多實(shí)踐證明，柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)在表示空間數(shù)據(jù)上可以是同樣有效的，對(duì)于一個(gè)GIS軟件，較為理想的方案是采用兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)并存，對(duì)于提高地理信息系統(tǒng)的空間分辨率、數(shù)據(jù)壓縮率和增強(qiáng)系統(tǒng)分析、輸入輸出的靈活性十分重要。1、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：表示地理數(shù)據(jù)的精度較高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，數(shù)據(jù)量小拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于網(wǎng)絡(luò)分析、空間查詢等便于面向?qū)嶓w的數(shù)據(jù)表達(dá)圖形輸出精確美觀缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多邊形疊合等分析相對(duì)困難數(shù)學(xué)模擬比較困難軟件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要求比較高1、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：表示地理數(shù)據(jù)的精度較高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，數(shù)據(jù)量小拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于網(wǎng)絡(luò)分析、空間查詢等便于面向?qū)嶓w的數(shù)據(jù)表達(dá)圖形輸出精確美觀缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多邊形疊合等分析相對(duì)困難數(shù)學(xué)模擬比較困難軟件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要求比較高1、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：表示地理數(shù)據(jù)的精度較高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，數(shù)據(jù)量小拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于網(wǎng)絡(luò)分析、空間查詢等便于面向?qū)嶓w的數(shù)據(jù)表達(dá)圖形輸出精確美觀2、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單空間數(shù)據(jù)的疊置和組合方便各類空間分析很易于進(jìn)行有利于遙感數(shù)據(jù)的匹配應(yīng)用和分析缺點(diǎn)：圖形數(shù)據(jù)量大，冗余度高，需要壓縮處理拓?fù)潢P(guān)系難以表達(dá)定位精度比矢量低難以建立網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系地圖輸出不美觀二、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選擇原則要素還是位置可獲取的數(shù)據(jù)定位要素的必要精度需要什么類型的要素需要什么類型的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)所需空間分析類型生產(chǎn)地圖類型三、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換矢量結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換，是地理信息系統(tǒng)的基本功能之一，目前已經(jīng)發(fā)展了許多高效的轉(zhuǎn)換算法；但是，從柵格數(shù)據(jù)到矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，特別是掃描圖像的自動(dòng)識(shí)別，仍然是目前研究的重點(diǎn)。對(duì)于點(diǎn)狀實(shí)體，每個(gè)實(shí)體僅由一個(gè)坐標(biāo)對(duì)表示，其矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換基本上只是坐標(biāo)精度變換問題，不存在太大的技術(shù)問題。三、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換線實(shí)體的矢量結(jié)構(gòu)由一系列坐標(biāo)對(duì)表示，在變?yōu)闁鸥窠Y(jié)構(gòu)時(shí)，除把序列中坐標(biāo)對(duì)變?yōu)闁鸥裥辛凶鴺?biāo)外，還需根據(jù)柵格精度要求，在坐標(biāo)點(diǎn)之間插滿一系列柵格點(diǎn)，這也容易由兩點(diǎn)式直線方程得到。線實(shí)體由柵格結(jié)構(gòu)變?yōu)槭噶拷Y(jié)構(gòu)與將多邊形邊界表示為矢量結(jié)構(gòu)相似，因此以下重點(diǎn)討論多邊形（面實(shí)體）的矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換。1、矢量格式向柵格格式的轉(zhuǎn)換

矢量格式向柵格格式轉(zhuǎn)換又稱為多邊形填充，就是在矢量表示的多邊形邊界內(nèi)部的所有柵格點(diǎn)上賦以相應(yīng)的多邊形編碼，從而形成柵格數(shù)據(jù)陣列。幾種主要的算法描述如下：1）內(nèi)部點(diǎn)擴(kuò)散算法2）復(fù)數(shù)積分算法3）射線算法和掃描算法

2、柵格格式向矢量格式的轉(zhuǎn)換

多邊形柵格格式向矢量格式轉(zhuǎn)換就是提取以相同的編號(hào)的柵格集合表示的多邊形區(qū)域的邊界和邊界的拓?fù)潢P(guān)系，并表示由多個(gè)小直線段組成的矢量格式邊界線的過程。柵格格式向矢量格式轉(zhuǎn)換通常包括以下四個(gè)基本步驟：①多邊形邊界提?。翰捎酶咄V波將柵格圖像二值化或以特殊值標(biāo)識(shí)邊界點(diǎn)；②邊界線追蹤：對(duì)每個(gè)邊界弧段由一個(gè)結(jié)點(diǎn)向另一個(gè)結(jié)點(diǎn)搜索，通常對(duì)每個(gè)已知邊界點(diǎn)需沿除了進(jìn)入方向的其他7個(gè)方向搜索下一個(gè)邊界點(diǎn)，直到連成邊界弧段；③拓?fù)潢P(guān)系生成：對(duì)于矢量表示的邊界弧段數(shù)據(jù)，判斷其與原圖上各多邊形的空間關(guān)系，以形成完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并建立與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系；④去除多余點(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，以減少數(shù)據(jù)冗余；搜索結(jié)果，曲線由于柵格精度的限制可能不夠圓滑，需采用一定的插補(bǔ)算法進(jìn)行光滑處理，常用的算法有：線形迭代法；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。特殊情況下的柵格結(jié)構(gòu)（a）三角形（b）

菱形（c)六邊形顯式描述顯式表示：就是柵格中的一系列像元(點(diǎn))，為使計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)這些像元描述的是某一物體而不是其它物體。注：“c”不一定用c的形式，而可以用顏色、符號(hào)、數(shù)字、灰度值來顯示。則得到椅子的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

椅子的屬性——符號(hào)／顏色——像元隱式表示隱式表示：由一系列定義了始點(diǎn)和終點(diǎn)的線及某種連接關(guān)系來描述，線的始點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)定義為一條表示椅子形式的矢量，線之間的指示字，告訴計(jì)算機(jī)怎樣把這些矢量連接在一起形成椅子，隱式表示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

椅子的屬性——一系列矢量——連接關(guān)系

點(diǎn)線面點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的柵格結(jié)構(gòu)表示(a)點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)(b)柵格表示

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：坐標(biāo)系與描述參數(shù)Y：列X：行西南角格網(wǎng)坐標(biāo)（XWS，YWS）格網(wǎng)分辨率矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的屬性數(shù)據(jù)表達(dá)點(diǎn)狀對(duì)象目標(biāo)標(biāo)識(shí)目標(biāo)標(biāo)識(shí)地物編碼坐標(biāo)關(guān)聯(lián)的線目標(biāo)精度控制點(diǎn)等級(jí)測(cè)量單位測(cè)量年限線狀對(duì)象目標(biāo)標(biāo)識(shí)目標(biāo)標(biāo)識(shí)地物編碼坐標(biāo)串起點(diǎn)、終點(diǎn)、左面、右面路面材料等級(jí)修建時(shí)間寬度管養(yǎng)單位…………面狀對(duì)象目標(biāo)標(biāo)識(shí)目標(biāo)標(biāo)識(shí)地物編碼邊界目標(biāo)號(hào)建筑日期所有者建筑面積建筑單位結(jié)構(gòu)……空間對(duì)象地物編碼地物名稱制圖顏色幾何類型制圖符號(hào)編碼屬性表明地物類型特征與制圖屬性空間數(shù)據(jù)獲取空間數(shù)據(jù)是GIS的血液，實(shí)際上整個(gè)GIS都是圍繞空間數(shù)據(jù)的采集、加工、組織、存儲(chǔ)、分析、可視化這幾個(gè)方面展開的空間數(shù)據(jù)的獲取手段、生產(chǎn)工藝、數(shù)據(jù)質(zhì)量都會(huì)直接影響到GIS的成本、效率和應(yīng)用潛力數(shù)據(jù)采集方法有野外數(shù)據(jù)采集（平板儀、經(jīng)緯儀、全站儀、GPS等）手工數(shù)據(jù)輸入法（各種調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、宗地信息等）地圖數(shù)字化（手扶跟蹤、掃描數(shù)字化等）攝影測(cè)量與遙感其它系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（公共的數(shù)據(jù)接口與轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)）空間數(shù)據(jù)概述GIS數(shù)據(jù)采集的方法是根據(jù)已有的數(shù)據(jù)源形式，現(xiàn)有設(shè)備條件、人和財(cái)力狀況來選定汽油數(shù)據(jù)GIS中數(shù)據(jù)費(fèi)用比例硬件∶軟件∶數(shù)據(jù)=1∶2∶7現(xiàn)實(shí)世界文字報(bào)告、遙感圖象等數(shù)字化儀掃描儀解析測(cè)圖儀鍵盤等編輯、接邊、分層、圖形與屬性連接、加注記等空間數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)源?如何采集?質(zhì)量如何?空間數(shù)據(jù)采集的任務(wù)

將現(xiàn)有各類空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS可以處理與接收的數(shù)字形式，通常要經(jīng)過驗(yàn)證、修改、編輯等處理。具體任務(wù)如下：(1)將現(xiàn)有的地圖、外業(yè)觀測(cè)成果、航空像片、遙感圖片數(shù)據(jù)、文本資料等轉(zhuǎn)換成GIS可以接受的數(shù)字形式。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)之前進(jìn)行驗(yàn)證、修改、編輯等處理，保證數(shù)據(jù)在內(nèi)容和邏輯上的一致性。

(3)不同的數(shù)據(jù)來源要用到不同的設(shè)備和方法。(4)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換裝載。(5)數(shù)據(jù)處理：幾何糾正、圖幅拼接、拓?fù)渖傻取５貓D地面測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料航空、遙感數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)多媒體坐標(biāo)幾何數(shù)字化儀掃描儀攝影測(cè)量鍵盤空間數(shù)據(jù)庫(kù)編輯處理數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)內(nèi)容與相應(yīng)設(shè)備空間數(shù)據(jù)的特征空間特征是GIS所獨(dú)有的數(shù)據(jù)類型在地理坐標(biāo)框架下，刻畫空間對(duì)象的位置、形狀和大小等幾何特征表示方法：絕對(duì)描述—坐標(biāo)（直角坐標(biāo)、經(jīng)緯度）相對(duì)描述—空間拓?fù)潢P(guān)系（鄰接、連接、方位）專題特征除空間特征、時(shí)間特征外的其它特征，如地形坡度、坡向、某地的年降雨量、土壤的酸堿度、土地覆蓋類型、人口密度、交通流量、空氣污染程度等專題特征用于制作專題圖或?qū)ｎ}信息系統(tǒng)時(shí)間特征空間數(shù)據(jù)總是在特定的時(shí)間或時(shí)間段內(nèi)采集得到或計(jì)算得到的當(dāng)數(shù)據(jù)考慮時(shí)間特征時(shí)就成為時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)，如地籍?dāng)?shù)據(jù)就具有非常明顯的時(shí)間特征城鎮(zhèn)規(guī)劃前后的地表信息發(fā)生變化GIS建設(shè)應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)更新問題海量特征

包含空間和屬性數(shù)據(jù)包含不同來源、不同類型、關(guān)系復(fù)雜的數(shù)據(jù)和其它信息系統(tǒng)相比，GIS的數(shù)據(jù)是海量的空間數(shù)據(jù)的特征空間對(duì)象描述包括兩個(gè)方面：定性和定量描述定性描述對(duì)空間對(duì)象的鑒別、分類和命名主要表現(xiàn)在屬性方面，例如分類代碼（土地利用類型、植被類型等）數(shù)值類型：以一定的數(shù)值作為類型標(biāo)識(shí)，不代表對(duì)象量化程度不同應(yīng)用領(lǐng)域的空間對(duì)象描述詳細(xì)程度不同土地利用類型分類、基礎(chǔ)地理信息代碼的詳細(xì)程度隨空間數(shù)據(jù)庫(kù)比例尺的不同而異空間數(shù)據(jù)測(cè)量的尺度和精度定量描述包括空間對(duì)象的圖形、屬性兩個(gè)方面圖形：指空間坐標(biāo)測(cè)量的尺度取決于采樣點(diǎn)的取舍和測(cè)量坐標(biāo)的精度比例尺決定空間數(shù)據(jù)的密度、坐標(biāo)精度或影像數(shù)據(jù)的分辨率，例如公路在大比例尺中看成是面狀地物、坐標(biāo)精確到厘米在小比例中視為線，坐標(biāo)精確到分米或米屬性：指屬性項(xiàng)的量化值，如土壤的酸堿度、某職工的工資，統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)空間對(duì)象測(cè)量尺度和精度的原則計(jì)算機(jī)輸出的地圖滿足同等比例尺地圖的精度要求數(shù)據(jù)來源1）GIS數(shù)據(jù)來源

(1)基礎(chǔ)制圖數(shù)據(jù)：包括地形數(shù)據(jù)和人文景觀數(shù)據(jù)(2)自然資源數(shù)據(jù)：描述自然資源性質(zhì)、分布的數(shù)據(jù)(3)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：統(tǒng)計(jì)部門經(jīng)過調(diào)查分析所得到的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(4)數(shù)字高程數(shù)據(jù)：關(guān)于地表位置布局的高程測(cè)量數(shù)據(jù)(5)法律文檔數(shù)據(jù)(6)已有系統(tǒng)數(shù)據(jù)GIS空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)地圖存儲(chǔ)介質(zhì)、現(xiàn)勢(shì)性、投影轉(zhuǎn)換多媒體輔助GIS空間分析和查詢遙感、航空影象和數(shù)據(jù)分辨率、變形規(guī)律、糾正、解譯特征地面測(cè)量其它系統(tǒng)的數(shù)字形式數(shù)據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與法律文檔數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)加工后的數(shù)據(jù)非電子數(shù)據(jù)電子數(shù)據(jù)全站儀、GPS數(shù)據(jù)地球物理、地球化學(xué)遙感數(shù)據(jù)地圖專題地圖統(tǒng)計(jì)圖表平板測(cè)量、工程測(cè)量數(shù)據(jù)航空、遙感像片人口普查社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查各種統(tǒng)計(jì)資料已建各種數(shù)據(jù)庫(kù)GIS數(shù)據(jù)2）GIS數(shù)據(jù)來源分類

數(shù)據(jù)來源1）平板儀（經(jīng)緯儀）測(cè)量采用平板儀或經(jīng)緯儀到野外進(jìn)行測(cè)量是最傳統(tǒng)的野外測(cè)量方法、儀器成本低產(chǎn)品是紙質(zhì)（模擬）地形圖，即非數(shù)字形式野外勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率不高、圖形描繪質(zhì)量因人而異要轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式必須采用數(shù)字化的方式進(jìn)行

野外數(shù)據(jù)采集平板儀測(cè)量2）全站儀測(cè)量是電子經(jīng)緯儀和測(cè)距儀的集成，得到數(shù)字形式的方位角、距離或三維坐標(biāo)作業(yè)靈活、精度高作業(yè)形式全站儀+與電子手簿：野外采集數(shù)據(jù)點(diǎn)、繪草圖，室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、圖形編輯電子平板：是平板儀的電子形