地理信息系统框架新

1、第二章第二章 空间信息基础空间信息基础 唐山师范学院资管系 李 诚 第三节 空间数据类型和关系 1.空间数据的基本特征 2.空间数据的类型 3.空间数据的拓扑关系 唐山师范学院资管系 （1）地理信息系统是是指在计算机硬件、软件系 统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层） 空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管 理、运算、分析、显示和描述的技术系统。简而 言之，地理信息系统是综合处理和分析地理空间 数据的一种技术系统。 （2）空间数据是地理信息系统的操作对象。 （3）空间数据的主要来源：地图数据、遥感数据、 统计数据、实测数据及各种文字报告 唐山师范学院资管系 1.空间数据的基本特征 唐

2、山师范学院资管系 唐山师范学院资管系 （1）空间特征 表示现象（空间实体）的空间位置或现在所处的地 理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般 用坐标数据表示，例如笛卡尔坐标系等等。 （2）属性特征 表示现象（实体）的特征。例如变量、分类、数量 特征和名称等等。 （3）时间特征 描述现象或物体随时间的变化。其变化的周期有超 短周期的、短期的、中期的和长期的。例如人口数 的逐年变化 目前的目前的GISGIS还较少考虑到空间数据的时间特征，只还较少考虑到空间数据的时间特征，只 考虑其属性特征与空间特征的结合。考虑其属性特征与空间特征的结合。 空间数据具有的其他特征 （1）海量特征 各种空间数据汇

3、集，导致空间数据急剧膨胀，呈现海量的 特征。 （2）异质数据 各种数据呈现不同的类型，不同的来源，不同的表达方式 （比例尺，坐标系统等），年代等不一致。 （3）多维数据 不仅仅表现在数据的空间三维或时间维方面，也表现在其他 方面，如不同的测量方法，遥感数据的不同波段等。 （4）动态数据 不同时相的空间数据反映地理事物或现象的发展变化过程。 唐山师范学院资管系 唐山师范学院资管系 2.空间数据的类型 （1）类型数据：例如居民点、交通线、土壤类型分布等； （2）面域数据：例如多边形中心点、行政区域界限和行政 单元等； （3）网络数据：例如道路交叉点、街道和街区等； （4）样本数据：例如气象站、航线

4、和野外样方分布区等； （5）曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域； （6）文本数据：例如地名、河流名和区域名称； （7）符号数据：例如点状符号、线状符号和面状符号等。 根据划分角度不同，可将空间数据划分为不同的类型。 空间数据从几何上可以抽象为点、线、面数据，对于 点、线、面数据，按其内容又可分为七种类型，如下： 唐山师范学院资管系 3.空间数据的拓扑关系 （1）拓扑（Topology） “拓扑”一词来源于希腊文，其原意是“形 状的研究”。 （2）拓扑关系 是一种对空间结构关系进行明确定 义的数学方法。 是指图形在保持连续状态下变形，但图形关 系不变的性质（拓扑属性）。 （3）拓扑结构 是明

5、确定义空间结构关系的一种 数学方法。 在GIS中，它不但用于空间数据的组 织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意 义。 唐山师范学院资管系 3 N1 1 2 5 6 4 7 P1 P3 P2 P4 N4 N3 N5 N2 唐山师范学院资管系 唐山师范学院资管系 （4）拓扑（Topology）关系的种类 在GIS中，为了真实地反映地理实体，不仅要包括 实体的位置、形状、大小和属性、还必须反映实体之间 的相互关系。 邻接关系：空间图形中同类元素之间的拓扑关系。 例如多边形之间的邻接关系，P2/P3，P1/P2，又如结点 之间的邻接关系A与D，C与D等。（如图） 关联关系：空间图形中不同元素之间

6、的拓扑关系。 例如结点与弧段的关联关系A与e、a、c；多边形与弧段 的关联关系P2与e、c、f。 （如图） 包含关系：空间图形中同类但不同级元素之间的 拓扑关系。例如多边形P1中包含有多边形P4。（如图） 唐山师范学院资管系 a b c d e f g A C B D E P4 P0 P1 P2 P3 上图中结点、弧段、面相互之间所有的拓扑 关系如表1-4 唐山师范学院资管系 表1面域与弧段的拓扑关系 面 域 弧 段 P1 a, b, c, -g P2 b, d, f P3 c, f, e P4 g 表2 结点与弧段的拓扑关系 结 点 弧 段 A a, c, e B a, d, b C d,

7、e, f D b, f, c E g a b c d e f g A C B D E P4 P0 P1 P2 P3 唐山师范学院资管系 表2-3 弧段与结点的拓扑关 系 弧 段结 点 a A , B b B , D c D , A d B , C e C , A f C , D g E , E 表2-4 弧段与面域的拓扑关系 弧 段左 邻 面右 邻 面 a P0 P1 b P2 P1 c P3 P1 d P0 P2 e P0 P3 f P3 P2 g P1 a b c d e f g A C B D E P4 P0 P1 P2 P3 （5）点、线、面空间数据的空间关系 点点关系（分离） 点和点

8、之间的关系主要有两点（通过某条线）是否相 连，两点之间的距离是多少？如城市中某两个点之间可 否有通路，距离是多少？这是在实际生活中常见的点和 点之间的空间关系问题。 点线关系（分离、重合） 点和线的关系主要表现在点和线的关联关系上。如点 是否位于线上，点和线之间的距离等等。 点面关系（分离、包含、相邻） 点和面的关系主要表现在空间包含关系上。如某个村 子是否位于某个县内？或某个县共有多少个村子？ 线线关系（分离、相邻、相交） 线和线是否邻接、相交是线和线关系的主要表现形式。 如河流和铁路的相交，两条公路是否通过某个点邻接？ 线面关系（分离、相邻、重合、相交、包含） 线和面的关系表现为线是否通过

9、面或和面关联或包含 在面之内？ 面面关系（分离、相邻、重合、覆盖、包含、相交） 面和面之间的关系主要表现为邻接和包含的关系。 唐山师范学院资管系 （6）拓扑关系的重要意义 根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可 以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位 置关系。拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑 结构关系，它比几何数据有更大的稳定性，不随 地图投影而变化。 利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如 某条铁路通过哪些地区，某县与哪些县邻接。又 如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源，某 湖泊周围的土地类型及对生物栖息环境作出评价 等。 可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据 弧段构建多边形，实现

10、道路的选取，进行最佳路 径的选择等。 唐山师范学院资管系 第三节 元数据 1.元数据的概念 2.空间数据元数据的概念和标准 3.空间数据元数据应用 唐山师范学院资管系 1.元数据的概念与分类 定义 “meta”是一希腊语词根，意思是“改变”， “Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。 科学界至今没有确切的定义. 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。 唐山师范学院资管系 （2）元数据的主要作用 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数 据，建立数据文档 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、 数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息

11、，便于用户查询 检索地理空间数据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或 途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需 求作出正确的判断 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的 数据。 唐山师范学院资管系 （3）元数据的内容 对数据库的描述； 对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及 数据生产历史等的说明； 对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一 致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等； 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等； 对数据转换方法的描述 ； 对数据库的更新、集成方法等的说明。 唐山师范学院资管系 （4）元数据的性质 元数据是关于数据

12、的描述性数据信息，它应 尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于 用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用。 不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差 异。 唐山师范学院资管系 1.空间数据元数据的概念和标准 定义 空间数据(Geospatial data)用于确定具有自 然特征或者人工建筑特征的地理实体的地理位置、 属性及其边界的信息 空间数据元数据指对于空间数据的描述或说 明，主要包括（见书27页） 唐山师范学院资管系 （2）空间数据元数据的标准 元数据标准名称建立标准的组织 CSDGM地球空间数据元数据内容 标准 FGDC，美国联邦空间数据 委员会 GDDD数据集描述方法MEGRI

13、N，欧洲地图事务组 织 CGSB空间数据集描述CSC，加拿大标准委员会 CEN地学信息一数据描述一元数 据 CENTC287 DIF目录交换格式NASA ISO地理信息ISOTC211 唐山师范学院资管系 3.空间数据元数据应用 （1）GIS中使用元数据的原因 完整性(Completeness) 可扩展性(Extensibility) 特殊化(Specialization) 安全性(Safety) 查错功能(Debugging) 浏览功能(Browsing) 程序生成(Program generation) 唐山师范学院资管系 （2）空间数据元数据的应用 帮助用户获取数据 空间数据质量控制 在

14、数据集成中的应用 数据存贮和功能实现 唐山师范学院资管系 思考题： 唐山师范学院资管系 1、简述地理空间模型是怎样建立的？ 2、简述在GIS中为什么要考虑地图投影？ 3、描述地理空间实体的三要素是什么？它们 之间的关系是怎样的？ 4、空间数据的基本特征有哪些？地理信息的 数字化描述方法有哪些？ e b c 4 1 3 2 5 A B C 7 6 Da d a: 结点号A: 多边形号1: 弧段号 弧段数字化方向 5、利用关系表来表达下图的空间拓扑关系。 6、什么是元数据？为什么要使用元数据？ 唐山师范学院资管系 第三章第三章 空间数据结构空间数据结构 唐山师范学院资管系 唐山师范学院资管系 唐山

15、师范学院资管系 唐山师范学院资管系 唐山师范学院资管系 思考 上述图片隐含什么信息？ 唐山师范学院资管系 第一节 栅格数据结构 第二节 矢量数据结构 第三节 两种数据结构的比较和转换 第三章第三章 空间数据结构空间数据结构 数据结构：指数据的组织形式，是适合于计算机存储、数据结构：指数据的组织形式，是适合于计算机存储、 管理和处理的数据逻辑结构。管理和处理的数据逻辑结构。 空间数据结构：是地理实体的空间排列方式和相互关系空间数据结构：是地理实体的空间排列方式和相互关系 的抽象描述。的抽象描述。 空间数据结构的重要作用：沟通空间数据结构的重要作用：沟通GISGIS与信息的桥梁；充分与信息的桥梁；

16、充分 理解和正确使用理解和正确使用GISGIS的保证。的保证。 GISGIS空间数据结构的主要类型：栅格结构和矢量结构空间数据结构的主要类型：栅格结构和矢量结构 唐山师范学院资管系 引引 言言 唐山师范学院资管系 第一节 栅格数据结构 1. 简单栅格数据结构 2. 栅格数据的压缩编码方式 栅格结构栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格 结构结构(raster(raster或或grid cell)grid cell)或像元结构或像元结构(pixel)(pixel)，是指，是指 将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每将地球表面划分为大小均匀

17、紧密相邻的网格阵列，每 个网格作为一个象元或象素个网格作为一个象元或象素, ,由行、列号定义，并包含由行、列号定义，并包含 一个代码一个代码, ,表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含 指向其属性记录的指向其属性记录的指针指针。 唐山师范学院资管系 1. 1. 简单栅格数据结构简单栅格数据结构 换句话说：栅格结构换句话说：栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或是以规则的阵列来表示空间地物或 现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或 现象的非几何属性特。现象的非几何属性特。 栅格数据结构的表示栅格数据结构的

18、表示 唐山师范学院资管系 唐山师范学院资管系 y x 00000900 00900000 00907007 00907007 60097777 90007707 90007707 09000000 (a) 点、线、面数据 (b) 栅格表示 在栅格数据结构中在栅格数据结构中 点：为一个栅格单元（或像元）；点：为一个栅格单元（或像元）； 线：在一定方向上连接成串的相邻栅格单元（像元）线：在一定方向上连接成串的相邻栅格单元（像元） 的集合；的集合； 面或区域：聚集在一起的相邻栅格单元（像元）集合。面或区域：聚集在一起的相邻栅格单元（像元）集合。 唐山师范学院资管系 栅格数据结构的显著特点：属性明显，

19、定位隐含。属性明显，定位隐含。 现实世界地理实体现实世界地理实体 地理实体栅格地理实体栅格 数据结构表示数据结构表示 栅格数据结构容易实现，算法简单；栅格数据结构容易实现，算法简单； 栅格数据结构易于扩充、修改，表达直观；栅格数据结构易于扩充、修改，表达直观； 栅格数据结构便于同遥感图像结合；栅格数据结构便于同遥感图像结合； 适合作计算机高级语言或作矩阵处理。适合作计算机高级语言或作矩阵处理。 唐山师范学院资管系 栅格数据结构的优点： 唐山师范学院资管系 栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。 在栅格数据结构中，地表被分割为相互邻接

20、、规则排列在栅格数据结构中，地表被分割为相互邻接、规则排列 的矩形方块（特殊的情况下也可以是三角形或菱形、六的矩形方块（特殊的情况下也可以是三角形或菱形、六 边形等。如下图所示）边形等。如下图所示） ，每个地块与一个像元相对应。，每个地块与一个像元相对应。 （a）三角形（b） 菱形 （c) 六边形 唐山师范学院资管系 栅格数据的栅格数据的就是栅格就是栅格( (像元像元) )的大小与地表相应单的大小与地表相应单 元的大小之比。元的大小之比。 当像元所表示的面积较大时，当像元所表示的面积较大时，对对 。 每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，每个像元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值

21、， 因而有可能产生因而有可能产生。例如遥感影像的混。例如遥感影像的混 合像元问题。合像元问题。 目读法目读法：在专题图上均匀划分网格，逐个网格地决定其代码，最后：在专题图上均匀划分网格，逐个网格地决定其代码，最后 形成栅格数字地图文件；形成栅格数字地图文件； 矢量数字化法矢量数字化法：利用数字化仪手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢：利用数字化仪手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢 量结构数据后，再转换为栅格结构；量结构数据后，再转换为栅格结构； 扫描数字化扫描数字化：逐点扫描专题地图，将扫描数据重采样和再编码得到：逐点扫描专题地图，将扫描数据重采样和再编码得到 栅格数据文件；栅格数据文件； 分类影像

22、输入分类影像输入：将经过分类解译的遥感影像数据直接或重采样后输：将经过分类解译的遥感影像数据直接或重采样后输 入系统，作为栅格数据结构的专题地图。入系统，作为栅格数据结构的专题地图。 唐山师范学院资管系 栅格结构数据的获取途径： 第一，在决定栅格代码时尽量保持地表的真实性，保证 最大的信息容量。 唐山师范学院资管系 栅格代码的确定，为了尽可能保持原图和原始数据的栅格代码的确定，为了尽可能保持原图和原始数据的 精度、质量，通常采用精度、质量，通常采用 中心点法中心点法：用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码。：用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码。 常用于具有连续分布特性的

23、地理要素，如降雨量分布，人口密度常用于具有连续分布特性的地理要素，如降雨量分布，人口密度 图等。图等。 面积占优法面积占优法：以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅：以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅 格单元的代码。常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况。格单元的代码。常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况。 重要性法重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型 决定相应的栅格单元代码。常用于具有特殊意义而面积较小的地决定相应的栅格单元代码。常用于具有特殊意义而面积较小的地 理要素，特别是点、线状地理要素，如城

24、镇、交通枢钮、交通线、理要素，特别是点、线状地理要素，如城镇、交通枢钮、交通线、 河流水系等，河流水系等， 百分比法百分比法：根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅：根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅 格单元的代码参与。格单元的代码参与。 唐山师范学院资管系 第二，缩小单个栅格单元的面积，即增加栅格单元的总 数，行列数也相应地增加。 优点：更精细表达地理实体，减少混合分类，提高量算 精度，接近真实地物形态。 缺点：数据量大幅增加，数据冗余严重。需要栅格数据 压缩编码 唐山师范学院资管系 编码的概念 地理数据编码，是根据地理数据编码，是根据GISGIS的目的和任务，把地图

25、、图像等资料按一的目的和任务，把地图、图像等资料按一 定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。 地理内容的编码，要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的地理内容的编码，要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的 属性特征，属性特征， 空间数据的编码，是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表空间数据的编码，是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表 现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据 世界的纽带。世界的纽带。 唐山师范学院资管系 2. 2. 栅格数据的压缩编码

26、方式栅格数据的压缩编码方式 又称为弗里曼链码又称为弗里曼链码(Freeman(Freeman，1961)1961)或边界链码。链式编码主要是记录线状或边界链码。链式编码主要是记录线状 地物和面状地物的边界。它把线状地物和面状地物的边界表示为：由某地物和面状地物的边界。它把线状地物和面状地物的边界表示为：由某 一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。 基本方向可定义为：东基本方向可定义为：东0 0，东南，东南l l，南，南2 2，西南，西南3 3，西，西4 4，西北，西北5 5， 北北6 6，东北，东北7 7等八个基本方向等八个基本方向 唐山师

27、范学院资管系 1 1）链式编码链式编码（Chain CodesChain Codes） 唐山师范学院资管系 6 7 0 1 2 3 4 5 3 2 2 3 3 2 3 3 2 4 6 6 7 6 0 2 1 起始点 起始点 线状地物链式编码为 ：1，5，3，3，3，3，3，3，3 多边形边界按顺时针方向的链式编码为：5，8，3，2，4，4，6，6，7， 6，0，2，1 链式编码的链式编码的优点优点：具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功 能，能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容

28、 易，类似矢量数据结构，易，类似矢量数据结构，比较适于存储图形数据比较适于存储图形数据。 链式编码的链式编码的缺点缺点：对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部 修改将改变整体结构，效率较低，修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单而且由于链码以每个区域为单 位存储边界，位存储边界，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。 唐山师范学院资管系 基本思路基本思路：对于一幅栅格图像，常常有行：对于一幅栅格图像，常常有行( (或列或列) )方向上相方向上相 邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法

29、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。压缩那些重复的记录内容。 编码方案编码方案：只在各行：只在各行( (或列或列) )数据的代码发生变化时依次记数据的代码发生变化时依次记 录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压 缩。缩。 唐山师范学院资管系 2 2）游程长度编码游程长度编码（run-length coderun-length code） 如图a，沿行方向进行如下游程长度编码： (9,4),(0,4),(9,3),(0,5),(0,1)(9,2),(0,1),(7,2),(0,2),(0, 4),(7

30、,2),(0,2),(0,4),(7,4),(0,4),(7,4) ,(0,4),(7,4) ,(0, 4),(7,4) 唐山师范学院资管系 99990000 99090000 90097700 00007700 00007777 00007777 00007777 00007777 9999000 0000999 99007 07000 00077 77770000 0007777 77770000 77 0 07 07 0 0 0 0 0 图a图b 唐山师范学院资管系 两种方案两种方案 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只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该

31、代码以及相同 的代码重复的个数，从而实现数据的压缩：的代码重复的个数，从而实现数据的压缩：压缩比的大小与图的压缩比的大小与图的 复杂程度成反比，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分复杂程度成反比，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分 游程数就少游程数就少, ,图件越简单，压缩效率就越高图件越简单，压缩效率就越高 逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码：数据量没数据量没 有明显增加，压缩效率较高，且易于检索、叠加合并等操作，运有明显增加，压缩效率较高，且易于检索、叠加合并等操作，运 算简单，适用于机器存储容量小，数据需大量压缩，而

32、又要避免算简单，适用于机器存储容量小，数据需大量压缩，而又要避免 复杂的编码解码运算，增加处理和操作时间的情况。复杂的编码解码运算，增加处理和操作时间的情况。 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干栅格，数据结构由初始位置个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置( (行、列号行、列号) )和和 半径，再加上记录单元的代码组成。具体编码如图半径，再加上记录单元的代码组成。具体编码如图 优点：适合大而边界简单的多边形；在合并、插入、检查延伸性、计算面优点：适合大而边界简单的多

33、边形；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。积等操作时有明显的优越性。 缺点：对某些运算不适应，例如相交，必须在转换成简单数据形式才能顺缺点：对某些运算不适应，例如相交，必须在转换成简单数据形式才能顺 利进行。利进行。 唐山师范学院资管系 3 3）块状编码）块状编码(block code)(block code) 如图b，块状具体编码为如下： (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

34、,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) 唐山师范学院资管系 99990000 99090000 90097700 00007700 00007777 00007777 00007777 00007777 9999000 0000999 99007 07000 00077 77770000 0007777 77770000 77 0 07 07 0 0 0 0 0 图a图b 四叉树的数据结构的概念在四叉树的数据结构的概念在2020世纪世纪6060年代中期就被应用到加拿大地理

35、信息系年代中期就被应用到加拿大地理信息系 统中（世界上第一个地理信息系统）。统中（世界上第一个地理信息系统）。 基本思想：基本思想： 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( (或灰度或灰度) )。如。如 果某个子区的所有格网值都具有相同的值。则这个子区就不再继续分割，果某个子区的所有格网值都具有相同的值。则这个子区就不再继续分割， 否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到每个子块否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到每个子块 都只含有相同的属性值或灰度为止。换句话说，将都只含有相同的属性值

36、或灰度为止。换句话说，将2n2n2n2n像元阵列连续进像元阵列连续进 行行4 4等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止。如下图等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止。如下图 唐山师范学院资管系 4 4）四叉树编码）四叉树编码(quad-tree code) (quad-tree code) 唐山师范学院资管系 07 00709 9 9 9 00 9 0 0 9000 NWNESWSE 99990000 99090000 90097700 00007700 00007777 00007777 00007777 00007777 9999000 0000999 99007

37、07000 00077 77770000 0007777 77770000 77 0 07 07 0 0 0 0 0 1 1）从上而下法：根据这些表达式可以求得任一层的某个子象限在全区的）从上而下法：根据这些表达式可以求得任一层的某个子象限在全区的 行列位置，并对这个位置范围内的网格值进行检测。若数值单调，就行列位置，并对这个位置范围内的网格值进行检测。若数值单调，就 不再细分。不再细分。 2 2）从下而上法：对栅格数据按如下的顺序进行检测。如果每相邻四个网）从下而上法：对栅格数据按如下的顺序进行检测。如果每相邻四个网 格值相同则进行合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为格值相同则进行

38、合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为 止。这种方法重复计算较少，运算速度较快。止。这种方法重复计算较少，运算速度较快。 唐山师范学院资管系 建立四叉树的方法：建立四叉树的方法： 唐山师范学院资管系 Pa Pb PdPc 唐山师范学院资管系 四叉树编码法有许多有趣的优点：四叉树编码法有许多有趣的优点： 1 1）容易而有效地计算多边形的数量特征；）容易而有效地计算多边形的数量特征； 2 2）阵列各部分的分辩率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分）阵列各部分的分辩率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分 辩率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辩率低，因而既可辩率也高，

39、而不需表示许多细节的部分则分级少，分辩率低，因而既可 精确表示图形结构又可减少存贮量；精确表示图形结构又可减少存贮量； 3 3）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的比其它压缩方法容易；）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的比其它压缩方法容易； 4 4）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。 转换的不定性，用同一形状和大小的多边形可能得出多种不同的四叉树结构， 故不利于形状分析和模式识别。 唐山师范学院资管系 四叉树编码法的缺点：四叉树编码法的缺点： 四叉树结构按编码分类有：四叉树结构按编码分类有： 常规四叉树：除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。 线性四

40、叉树：只存贮最后叶结点的信息。 唐山师范学院资管系 5）八叉树编码）八叉树编码 八叉树结构就是将空间区域不 断地分解为八个同样大小的子 区域(即将一个六面的立方体 再分解为八个相同大小的小立 方体)，同区域的属性相同。 八叉树主要用来解决地理信息 系统中的三维问题。 000 001 010 011 100 101 110 111 002 003 012 013 102 103 112 113 020 021 030 031 120 121 130 131 022 023 032 033 122 123 132 133 200 201 210 211 300 301 310 311 202 20

41、3 212 213 302 303 312 313 220 221 230 231 320 321 330 331 222 223 232 233 322 323 332 333 444454554 555 541 405505 515 400 415 500 510 044054 040 041 050 051 140 141 150 151 004 005 014 015 104 105 004 005 0 1 2 3 7 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 I（X） K（Z） J（Y） 链式编码：链式编码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比压缩效

42、率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比 较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；较方便，但不具有区域性质，区域运算较难； 游程长度编码：游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了 原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理 信息系统采用；信息系统采用； 块码和四叉树编码：块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有具有区域性质，又具有可变的分辨率，有 较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象 运算，效率较高，是很有前

43、途的编码方法。运算，效率较高，是很有前途的编码方法。 唐山师范学院资管系 几种编码方式的对比：几种编码方式的对比： 唐山师范学院资管系 第一节 栅格数据结构 第二节 矢量数据结构 第三节 两种数据结构的比较和转换 第三章第三章 空间数据结构空间数据结构 唐山师范学院资管系 第二节 矢量数据结构 1. 矢量数据结构的基本内容 2. 矢量数据结构编码的方式 矢量数据结构矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示是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，其坐标空间设为连续，点、线、多边形等地理实体，其坐标空间设为连续， 允许任意位置、长度和面积的精确定义。允许任意位置、长

44、度和面积的精确定义。 矢量数据结构矢量数据结构绝对精确的值绝对精确的值不存在。不存在。 矢量数据存储矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂 的数据。的数据。 唐山师范学院资管系 引引 言言 矢量数据结构是将地理现象或事物抽象为点、线、面实体，通过记矢量数据结构是将地理现象或事物抽象为点、线、面实体，通过记 录它们在特定空间坐标系下的坐标及空间关系来表达空间对象的录它们在特定空间坐标系下的坐标及空间关系来表达空间对象的 位置。位置。 点实体：点实体：空间上的一个坐标点，用来表达空间上不可再分的地理实空间上的一个坐标点，用来表达空间上不可再分的地理实

45、体的坐标和属性代码；体的坐标和属性代码； 线实体：线实体：多个点组成的弧段，记录两个或一系列采样点的坐标，并多个点组成的弧段，记录两个或一系列采样点的坐标，并 加属性代码；加属性代码； 面实体：面实体：多个弧段组成的封闭多边形，记录边界上一系列采样点的多个弧段组成的封闭多边形，记录边界上一系列采样点的 坐标，并加面域属性代码。坐标，并加面域属性代码。 唐山师范学院资管系 1. 矢量数据结构的基本内容 唐山师范学院资管系 方向 字体 排列 指针 与线相交的角度 如果是简单点 符号 符号 字符大小 简单点 文字说明 结点 唯一识别符 比例尺 方向 x，y 坐标 其它有关的属性 点实体 类型 序列号

46、 有关的属性 如果是文字说明 如果是结点 点实体的矢量数据结构 唐山师范学院资管系 唯 一 标 识 码 线 标 识 码 起 始 点 终 止 点 坐 标 对 序 列 显 示 信 息 非 几 何 属 性 线 实 体 线实体矢量编码的基本内容 系统排列序号 用点号或直接用坐标表示 组成线实体的n个坐标对的序列 既可直接存储于线文件中，也可单 独存储，而由标识码联接查找 显示线的文本或符号等 标识线的类型 用点号或直接用坐标表示 唐山师范学院资管系 面实体矢量编码面实体矢量编码 不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形 状、邻

47、域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专 题图的资料进行显示和操作。题图的资料进行显示和操作。 多边形网的探讨：多边形网的探讨： 形状、面积和周长唯一；形状、面积和周长唯一； 拓扑结构；拓扑结构； 多等级的多边形。多等级的多边形。 唐山师范学院资管系 2.矢量数据结构的编码方式 矢量数据结构的编码形式，按照其功能和方法可分为：实体式、索矢量数据结构的编码形式，按照其功能和方法可分为：实体式、索 引式、双重独立式和链状双重独立式。引式、双重独立式和链状双重独立式。 实体式实体式 定义：定义：是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为

48、单元进行组织。是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。 按照这种数据结构，边界坐标数据和多边形单元实体一一对应，按照这种数据结构，边界坐标数据和多边形单元实体一一对应， 各个多边形边界都单独编码和数字化。各个多边形边界都单独编码和数字化。 唐山师范学院资管系 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 多边形多边形数据项数据项 A(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(

49、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)

50、,(x19,y19) E(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16),(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7) ,(x6,y6), (x5,y5) 唐山师范学院资管系 实体式数据结构的实体式数据结构的优点优点： 具有编码容易、数字化操作简单和数据编排直观等。具有编码容易、数字化操作简单和数据编排直观等。 实体式数据结构的实体式数据结构的缺点缺点： 相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出的相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出的 公共边界出现间隙或重叠；公共边界出现间隙或重叠； 缺少多边形的邻域信息和图形

51、的拓扑关系；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系； 岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。 唐山师范学院资管系 索引式 索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息。索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息。 具体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，具体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。树状索引结构。 唐山师范学院资管系 BC DE a

52、 b c f g h efib ci j 线与多边形之间的树状索引 点与线之间的树状索引 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 多边形原始数据 唐山师范学院资管系 双重独立式 来源：由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，简称来源：由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，简称 为为DIME (Dual Independent Map Encoding)DIME (Dual Independent Map Encoding)系统或双重独立式的系统或双重

53、独立式的 地图编码法地图编码法。 双重独立式数据结构双重独立式数据结构是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用 其两端的节点及相邻面域来予以定义。其两端的节点及相邻面域来予以定义。 特点：特点：采用了拓扑编码结构采用了拓扑编码结构 唐山师范学院资管系 A B C D O a b c d e f g h i j k l m n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 线号线号左多边形左多边形右多边形右多边形起点起点终点终点 aOA18 bOA21 cOB32 dOB43 eOB54 fOC65 gOC76 hOC87 iCA89 jCB95

54、kCD1210 lCD1112 mCD1011 nBA92 双重独立式（DIME）编码 多边形原始数据 链-面关系中O为制图区域外部的多 边形，常称为包络多边形。 （DIME）数据结构除 了通过线文件生成面文 件外，还需要点文件。 唐山师范学院资管系 链式双重独立式 链状双重独立式数据结构是链状双重独立式数据结构是DIMEDIME数据结构的一种改进。在数据结构的一种改进。在DIMEDIME中，中， 一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状 数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段数据结构中，将若干直线段合为

55、一个弧段（或链段），每个弧段 可以有许多中间点。可以有许多中间点。 在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段 文件、弧段坐标文件、结点文件。文件、弧段坐标文件、结点文件。 唐山师范学院资管系 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 多边形号多边形号弧段号弧段号周长周长面积面积中心点坐标中心点坐标 Ah,b,a Bg,f,c,h,-j Cj De,i,f Ee,i,d,b 弧段号弧段号起始点起始

56、点终结点终结点左多边形左多边形右多边形右多边形 a51OA b85EA c168EB d195OE e1519OD f1516DB g115OB h81AB i1619DE j3131BC 弧段文件 多边形原始数据 多边形文件 弧段号弧段号点点 号号 a5,4,3,2,1 b8,7,6,5 c16,17,8 d19,18,5 e15,23,22,21,20,19 f15,16, g1,10,11,12,13,14,15 h8,9,1 i16,19 j31,30,29,28,27,26,25,24,31 弧段坐标文件 唐山师范学院资管系 比较内容比较内容 矢量格式矢量格式 栅格格式栅格格式 数据

57、量数据量 小小 大大 图形精度图形精度 高高 低低 图形运算图形运算 复杂、高效复杂、高效 简单、低效简单、低效 遥感影像格式遥感影像格式 不一致不一致 一致或接近一致或接近 输出表示输出表示 抽象、昂贵抽象、昂贵 直观、便宜直观、便宜 数据共享数据共享 不易实现不易实现 容易实现容易实现 拓扑和网络分析拓扑和网络分析 容易实现容易实现 不易实现不易实现 栅格、矢量数据结构特点比较 第三节 两种数据结构的比较和转换 显著特点显著特点：栅格数据结构“属性明显、位置隐含” ；矢量数 据结构“位置明显、属性隐含”。 1.两种数据结构的比较 唐山师范学院资管系 2.矢量数据结构向栅格数据结构的转换 矢

58、量数据矢量数据的基本坐标是直角坐标的基本坐标是直角坐标X X、Y Y，其坐标原点一般取图的左下，其坐标原点一般取图的左下 角。角。 网格数据网格数据的基本坐标是行和列的基本坐标是行和列(i,j),(i,j),其坐标原点一般取图的左上角。其坐标原点一般取图的左上角。 两种数据变换时两种数据变换时, ,令直角坐标令直角坐标X X和和Y Y分别与行与列平行。由于矢量数据分别与行与列平行。由于矢量数据 的基本要素是点、线、面，因而只要实现点、线、面的转换，各的基本要素是点、线、面，因而只要实现点、线、面的转换，各 种线划图形的变换问题基本上都可以得到解决。种线划图形的变换问题基本上都可以得到解决。 唐

59、山师范学院资管系 2.矢量数据结构向栅格数据结构的转换 (1)点的变换 Y X O J I y x (0,0) XminXmax Ymin 唐山师范学院资管系 2.矢量数据结构向栅格数据结构的转换 （2）矢量线段的变换 (x ,y ) 22 (x ,y ) 11 (x,y) 唐山师范学院资管系 2.矢量数据结构向栅格数据结构的转换 （3）多边形数据的转换 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 000 100 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 000 100 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 111 011 0 0

60、 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 000 111 1 1 1 1 1 1 0 全栅格数据结构 00 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 01 0 0 1 多边形矢量结构向栅格结构的转换 a b c d e f 1 0 闭合多边形 唐山师范学院资管系 3.栅格数据结构向矢量数据结构的转换 （1）基于图象数据的矢量化方法 5 9 10 141 138 9 5 3 1 0 2 245 156 73 144 178 132 23 7 3 212 5 6 8 29 11 214 167 5 124 110 7 6 5 4 7 133 5 1