1、,第二章 空间数据结构（表达）,返回,2-1空间实体及其描述,GIS 数据结构,一、地理实体（空间实体）-GIS处理对象,1、定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。 2、理解：地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。,返回,二、地理实体的
2、描述空间数据,2-1空间实体及其描述,GIS 数据结构,1、描述的内容,反映了实体的三个特征,3、数据类型,4、数据结构,以什么形式存储和处理,几何数据（空间数据、图形数据） 关系数据实体间的邻接、关联包含等相互关系 属性数据各种属性特征和时间元数据,矢量、栅格、TIN（专用于地表或特殊造型） RDBMS属性表-采用MIS较成熟,同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述,空间元数据,返回,位置、形状、尺寸 、识别码（名称）实体的角色、功能、行为、实体的衍生信息时间测量方法、编码方法、空间参考系等,空间特征：地理位置和空间
3、关系属性特征名称、等级、类别等时间特征,2、基本特征,2、空间数据基本特征,返回,3、空间数据类型,1）依据数据来源的不同分为： 地图数据 地形数据 属性数据 元数据 影象数据,2）依据表示对象的不同分为：,3、空间数据类型（续）,返回,三、实体的空间特征,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,（一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。,（二）空间特征类型,（三）实体类型组合,返回,在地图上实体维数的表示可以改变 点-面 线（单线河）-面（双线河），通过地图综合。,1、点状实体,2、线状实体,3、面状实体,4、体状实体,1、点状实体,2-1空间实体及其描述,第二章
4、GIS 数据结构,点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。,4）角点、节点Vertex： 表示线段和弧段上的连接点。,1）实体点：用来代表一个实体。,2）注记点：用于定位注记。,3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。,返回,2、线状实体,1）实体长度： 从起点到终点的总长 2）弯曲度： 用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。 3）方向性： 如：水流方向，上游下游，公路，单、双向之分。,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性：,线状实体包括： 线段，边界、链、弧段、网络等。,返回,3、面状实体（多边
5、形）,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,面状实体的如下特征： 1）面积范围 2）周长 3）独立性或与其它地物相邻 如中国及其周边国家 4）内岛屿或锯齿状外形： 如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。 5）重叠性与非重叠性：如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。,是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。 在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。,返回,4、体、立体状实体,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,返回,立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征
6、： 体积，如工程开控和填充的土方量。 每个二维平面的面积。 周长。 内岛。 含有弧立块或相邻块。 断面图与剖面图。,（三）实体类型组合,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,返回,现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。 点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题： 如：线面 面-面,可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准
7、的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。,线面,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,返回,1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。 2、线通过区域：公路上否通过某县。 3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。 4、线与区域分离：距离。,面面,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,1、 包含：岛,某省的湖泊分布。 2、 相合：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。 3、 相交：划分子区。 4、 相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。 分离：计算距离。,返回,四、实体间空间关系,2-1空间实体及其描述,
8、第二章 GIS 数据结构,返回,（一）空间关系类型,（二）拓扑关系,1、 拓扑空间关系： 2、 顺序空间关系： （方向空间关系）用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。 3、 度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。 1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。 a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关，复杂,引入第二种。 b、沿地球旋转椭球体的距离量算。 2） 距离类别： 欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的
9、距离）。,（二）拓扑关系,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,返回,1、定义：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。,1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义,2、种类,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,1）关联性： （不同类要素之间）结点与弧段：如V9与L5,L6,L3 多边形与弧段：P2与L3,L5,L2 2）邻接性： (同类元素之间) 多边形之间、结点之间。 邻接矩阵 重叠：- 邻接：1 不邻接：0,3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、 街道是否相通。,2-1空间
10、实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,连通矩阵： 重叠：- 连通：1 不连通：0,4）方向性,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。5）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。6）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义。7）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。,拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1） 面-链关系： 面 构成面的弧段 （2） 链-结点关系： 链 链两端的结点 （3） 结点-链关系： 结点 通过该结点的链
11、 （4） 链面关系： 链 左面 右面,3、拓扑关系的表达,对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为： 1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。 2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。 3）根据拓扑关系可重建地理实体。,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,返回,4、拓扑关系的意义：,五、空间实体的表达空间数据模型,在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象（要素）（
12、Feature）的模型、场（Field）模型以及网络（Network）模型。基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象，可以详细地描述离散对象。 场模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。 网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,要素（对象）模型,基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对象（Object），假设它可以从概念上与其邻域现象相分离。一个实体必须符合三个条件： 可被识别；
13、 重要（与问题相关）； 可被描述（有特征）。,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,场模型 （把空间现象作为连续变量看待）,对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说，基于场的观点是合适的。根据应用的不同，场可以表现为二维或三维。一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；而一个三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。一些现象，诸如空气污染物在空间中本质上讲是三维的，但是许多情况下可以由一个二维场来表示。 场模型可以表示为如下的数学公式： z : s z ( s ) 上式中，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因此该式表示了从空间域（甚至包括
14、时间坐标）到某个值域的映射。,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,空间数据模型与结构对象模型与场模型比较,对象模型和场模型的比较,现实世界,选择实体,它在哪里,数据,选择一个位置,那里怎么样,对象模型,场模型,两种模型相互之间并不排斥，各有特点，各有应用长处。通常需要有机地综合应用这两种方法来建模。,2-1空间实体及其描述,第二章 GIS 数据结构,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,一、图形表示,返回,摘自 张超,二、矢量数据的获取方式,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,1) 由外业测量获得可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理
15、数据库中。 2)由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。 3)跟踪数字化 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。,返回,三、矢量数据组织,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,矢量数据表示时应考虑以下问题： 矢量数据自身的存贮和处理。 与属性数据的联系。 矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。,矢量数据在计算机中的组织,标识码,属性码,空间对象编码; 唯一; 连接空间和属性数据,数据库,独立编码,点: ( x ,y ) 线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2
16、, y2 ) , , ( x1 , y1 ),点位字典,点: 点号文件,线: 点号串,面: 点号串,存储方法,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,以点为例：,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,坐标 识别符 若是简单点要素如独立树、电线竿、三角点，符号、 有关属性中包括 比例尺、方向若是注记点，记录有关字符的大小、方向、字体、排列等若是结点Vertex：符号：指针、与线相交的角度。 其它属性 : 三角点设立年代、材料等,线（符号、方向）、面（符号）都有相应的相关属性，在此，看看矢量结构中关于几何位置坐标的编码方式,返回,四、矢量数据编码方法,矢量数据编码方式主要有以下几
17、种： 1、实体式编码 2、索引式(树状)编码 3、双重独立式编码 4、链状双重独立式编码拓扑数据结构,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,4.1 实体式编码,实体式(spaghetti)面条模型:以实体为单位记录其坐标,优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。,缺点：1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。,2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。 3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。 所以，这种结构只用于
18、简单的制图系统中，显示图形。,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,简单的矢量数据结构实体式,多边形 数据项 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
19、,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),2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,4.2索引式编码,对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。,1、点文件
20、：,索引文件：,3、面文件：,2、弧段文件:,与实体式相比： 优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。 缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。,Map,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,索引式编码实例,点与线之间的树状索引,线与多边形之间的树状索引,4.3双重独立式编码,简称DIME(Dual Independent Map Encoding)，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。,1、点文件,2、线
21、文件:线文件是以线段为记录单位,3、面文件,关联,邻接,关联,连通,拓扑关系明确,在DIME中做如下改进：将以线段为记录单位改为以弧段为单位,链状双重独立式编码,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,4.4链状双重独立式编码(拓扑数据结构),链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。 在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,链状双重独立
22、式编码四个文件,1、弧段坐标文件：,2、弧段文件：链面，链结点关系,3、多边形文件,4、点拓扑文件： 结点链关系,在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。,Map,2-2 矢量数据结构,第二章 GIS 数据结构,链状双重独立编码实例,弧段文件 弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形 a 5 1 O A b 8 5 E A c 16 8 E B d 19 5 O E e 15 19 O D f 15 16 D B g 1 15 O B h 8 1 A B i 16 19 D E j 31
23、 31 B C 弧段坐标文件 弧段号 点 号 a 5,4,3,2,1 b 8,7,6,5 c 16,17,8 d 19,18,5 e 15,23,22,21,20,19 f 15,16, g 1,10,11,12,13,14,15 h 8,9,1 i 16,19 j 31,30,29,28,27,26,25,24,31,多边形文件 多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐标 A h,b,a B g,f,c,h,-j C j D e,i,f E c,i,d,b,链状双重独立式编码的特点,拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点
24、，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象.被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件。 例：ARC文件：二进制文件: 弧段号 点数 坐标串在GIS数据输入中，建拓扑是指给图形数据（点、线、面）增加拓扑结构，如ARC/INFO中，在ARCEDIT中输入图形后，需用BUILD 建图形拓扑，具体生成许多文件，如AAT，PAT等. INFO：属性表 如AAT（Arc Attribute Table）,用户标识码，表明地物类型 当图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，需重新建拓扑。,2-2 矢量数据结
25、构,第二章 GIS 数据结构,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划分为网格阵列。 位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。,一、图形表示,点：由单个栅格表达。 线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。 面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则排列的地块，每个地块与一个象元相对应。因此，栅格数据的比例尺就是栅格(象元)的大小与地表相应单元的大小之比，当象元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表
26、相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方面的偏差。,二、栅格数据组织,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。,组织方法,组织方法,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,方法c：以层为基础，每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内各象元的坐标。节约用于存储属性的空间。将同一属性的制图单元的n个象元的属性只记录一次，便于地图分析和制图处理。,方法a：以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组。N层中只记录一层的象元位置，节约大量存储空间，栅格个数很多。,方法b：每层每个象元的位置、属
27、性一一记录，结构最简单，但浪费存储。,三、栅格结构的建立,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1、 手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。 2、扫描仪扫描专题图的图像数据行、列、颜色（灰度），定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 3、 由矢量数据转换而来。 4、 遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。 5、 格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。,（一）建立途径,（二）栅格系统的确定,
28、(三)栅格代码的确定,（二）栅格系统的确定,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,1、 栅格坐标系的确定 表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构(矢、栅)都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。,2、 栅格单元的尺寸,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1）原则：应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。
29、格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。 一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。 2）方法：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式：h为栅格单元边长 Ai为区域所有多边形的面积。,(三)栅格代码（属性值）的确定,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。 1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。3、 重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要
30、的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。 4、长度占优法每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。,A,B,b,a,a,2,1,确定实例,百分比法,面 积 占 优,重 要 性,中心点法,A 连续分布地理要素,C 具有特殊意义 的较小地物,A 分类较细、 地物斑块较小,AB,为了逼近原始数据精度，除了采用这几种取值方法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格单元总数的方法。,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,四、栅格数据编码方法,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1、直接栅格编码： 将栅格数据看作一个数据矩
31、阵，逐行记录代码数据。 1）每行都从左到右记录； AAAAABBBAABBAABB 2）奇数行从左到右，偶数行从右到左； 特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。,A A A AA B B B A A B BA A B B,栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。 数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为： 无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息-信息 保持编码。 有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无
32、法恢复。-信息不保持编码。,2、行程编码（变长编码）：,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,将原图表示的数据矩阵变为数据对： 1）属性码，长度，行号（可不要）长度：连续相同码值的栅格个数。 2）属性码，点位,特点：对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。,A A A AA B B B A A B BA A
33、B B,3、块码 - 游程编码向二维扩展,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,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。,数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）,特点：具有可变分辨率，即当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低 所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辩率。,依次扫描，编过的不重复。,1 2 3 4 5 6 7 8 1 0 4 4 7 7 7 7 7 2 4 4 4 4 4 7 7 7 3 4 4 4 4 8 8 7 7 4 0 0 4 8 8 8 7 7 5 0 0
34、8 8 8 8 7 8 6 0 0 0 8 8 8 8 8 7 0 0 0 0 8 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8,如：（1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),4、链式编码、Freeman 链码、边界链码,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1）首先定义一个3x3窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这8种可能07进行编码。 2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链.,将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录,链式编码表,a,a,a,a,a,a,b,优点：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、
35、转折方向和边界、线段凹凸度的计算。缺点：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整体结构）。区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。,5、四叉树编码,五、四叉树编码,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1、 基本思想： 将2n2n象元组成的图像(不足的用背景补上) 按四个象限进行递归分割， 并判断属性是否单一， 单一：不分。不单一：递归分割。 最后得到一颗四分叉的倒向树。 2、 四叉树的树形表示：用一倒立树表示这种分割和分割结果。 根：整个区域 高：深度、分几级，几次分割 叶：不能再分割的块 树叉：还需分割的块每个树叉均有4个分叉，叫四叉树。,（一）四叉树概述
36、：一种可变分率的非均匀网格系统。是最有效的栅格数据压缩编码方法之一,3、 编码方法,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1）常规四叉树记录这棵树的叶结点外，中间结点，结点之间的联系用指针联系， 每个结点需要6个变量： 父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值。,指针不仅增加了数据的存储量，还增加了操作的复杂性：如层次数（分割次数）由从父结点移到根结点的次数来确定，结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始逐步推算下来。所以，常规四叉树并不广泛用于存储数据，其价值在于建立索引文件，进行数据检索。,2）线性四叉树,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,记录叶结点
37、的位置，深度（几次分割）和属性。 地址码（定位码、Morton码） 四进制、十进制 优点： 存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。 线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其Morton码，而不用建立四叉树。 定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。,（二）四进制的Morton码,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1、 方法1： 四叉树从上而下（形成）（从整体开始） 由叶结点找Morton码。A、分割一次，增加一位数字，大分割在前，小分割在后。所以，码的位数表示分割的次数。B、每一个位均是不大于3的四进制数，表达位置
38、。 由Morton找出四叉树叶结点的具体位置。,03,B,A,2、 方法2：四叉树自下而上合并的方法,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1）计算每个栅格对应的MQMQ=2*Ib+Jb I,J化为二进制Ib,Jb 看最大的I,J,不足在前补零。其始行列号从0计。 2) 按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中。 3）依次检查每四个相邻的MQ对应的属性值，相同合并（不同码位去掉），不同则存盘,直到没有能够合并的子块为止。,（三）十进制的Morton码-MD,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1、一种按位操作的方法： 如行为2、列为3的栅格的MD 步骤：(1)
39、行、列号为二进制 Ib= 1 0 Jb= 1 1 (2)I行J列交叉 1 1 0 1 = 13 (3)再化为十进制. 实质上是按左上、右上、左下、右下的顺序，从零开始对每个栅格进行自然编码。,四进制Morton码直观上切合四叉树分割，但许多语言不支持四进制变量，需用十进制表示Morton码.,Morton码 扫描顺序,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,2、把一幅2n2n的图像压缩成线性四叉树的过程,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,1、按Morton码把图象读入一维数组。2、相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的Morton码。循环比较所形成的大块
40、，相同的再合并，直到不能合并为止。 3、进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个象元的Morton码。,右图的压缩处理过程为： 1、按Morton码读入一维数组。Morton码：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 象 元 值： A A A B A B B B A A A A B B B B 2、四相邻象元合并，只记录第一个象元的Morton码。0 1 2 3 4 5 6 7 8 12A A A B A A B B A B 3、由于不能进一步合并，则用游程长度编码压缩。0 3 4 6 8 12A B A B A B,（四）四叉树优缺点,2-3 栅格数据
41、结构,第二章 GIS 数据结构,优点： 1）对于团块图像，四叉树表示法占用空间比网络法要少得多，四叉树表示法基本上是一种非冗余表示法。 2）四叉树具有可变率或多重分辩率的特点使得它有很好的应用前景，适用于处理凝聚性或呈块状分布的空间数据，特别适用于处理分布不均匀的块状空间数据，但不适用于连续表面（如地形）或线状地物。 此外，目前应用四叉树还存下列问题： 1) 矢/栅正反变换还不理想。 2) 建立四叉树耗费机时很多。 3) 四叉树虽可修改，但很费事,4) 四叉树未能直接表示物体间的拓扑关系。,2-3 栅格数据结构,第二章 GIS 数据结构,返回,5) 与非树表示法比较，四叉树表示法的缺点在于转换
42、的不稳定性或叫滑动变异 例如，两个图像的差异仅由于平移，就会构成极为不同的四叉树，因而很难根据四叉树来判断这两个图像是否全同，故不利于做形状分析和模式识别，,6) 一个物体的图像在构成四叉树时会被分割到若干个象限中，使它失去了内在的相关性。,栅格、矢量结构的比较与转换,栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两种不同的方法。栅格数据结构具有“属性明显、位置隐含”的特点，它易于实现，操作简单，有利于栅格的空间信息模型的分析，但栅格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率低。因此基于栅格结构的应用来说，需要根据应用项目的自身特及其精度要求来恰当地平衡栅格数据结构的表达精度和工作效率两者之间的关系。矢量数
43、据结构具有“位置明显、信息隐含”的特点，它操作起来比较复杂，许多分析操作（如叠置分析）用矢量数据结构难于实现；但它的数据表达精度高，数据存储量小，输出图形美观却工作效率高。 *两者结合，优势互补,1、两种数据结构的比较,两种数据结构的对照表,2-4 三维数据结构,第二章 GIS 数据结构,目前GIS主要还停留在处理地球表面的数据，若数据是地表以下或以上，则先将它投影到地表，再进行处理，其实质是以二维的形式来模拟、处理任何数据，在有些领域可行，但涉及到三维问题的处理时，往往力不从心。二维V=f(x,y)，在不同的层V的含义不同，当V表示的是高程时，就是DEM。由于地形三维视图的原因，人们常把DE
44、M误认为是三维模型。但从本质上讲，DEM是二维的，因为它只能表示地表的信息，不能对地表内部进行有效的表示。目前，人们常把DEM称为2.5维的数据模型。真三维模型V=f(x,y,z)，z是一自变量，不受x,y的影响。三维GIS的要求与二维GIS相似，但在数据采集，系统维护和界面设计等方面比二维GIS复杂得多，如三维数据的组织与重建，三维变换、查询、运算、分析、维护等方面。下面主要介绍三维数据结构。同样，三维结构存在栅格和矢量两种形式。 栅格：将地理实体的三维空间分成细小单元-体元。普遍用八叉树 矢量：x,y,z，抽象为点、线、面、体，面构成体。方法多种，常用三维边界表示法。,返回,一、概述,二、
45、八叉树结构,第二章 GIS 数据结构,1、思想： 四叉树在三维空间的推广。将要表示的形体V放在一个充分大的正方体C内，C的边长为2n，不断用两个与XOY、XOZ的平面均分C为8个子体，并判断属性单一性。 当子体部分为V-灰结点 需再1分为8。子体中无V-白结点 停止分割，叶结点。子体全为V黑结点,返回,2-4 三维数据结构,0,1,2,3,4,5,7,2、存贮结构,第二章 GIS 数据结构,1）规则八叉树与常规四叉树类似，用10项字段来记录每个结点（8个子结点指针， 1个父结点指针，1个结点属性）。最普遍的形式，方式自然，易掌握。但指针占总存储量的94%，空间使用率低。,返回,2-4 三维数据
46、结构,特点：节省存贮空间，便于某些运算，但丧失一定的灵活性，不便于其它遍历方式对树的结点进行存取，应用效果不佳。,2）线性八叉树 Motorn码用某一预先确定的次序将八叉树转换成一个线性表，表中的每个元素与一个结点相对应。每个结点用固定的字节描述，其中某些位专门用来说明它是否为叶结点。,3）一对八式的八叉树,第二章 GIS 数据结构,每个结点均1分为8，并标记为 0，1，2，3，4，5，6，7。隐含地假定了这些子结点记录存放的次序 -便于检索 浪费存储，除非完全八叉树，即所有叶结点均在同一层次出现，上层均为非叶结点。,返回,2-4 三维数据结构,三、三维边界表示法,第二章 GIS 数据结构,返
47、回,2-4 三维数据结构,、面表：给出围成多面体某个面的各条边。,、当有若干个多面体时，还必须有一个对象表。,1、顶点表：用来表示多面体各顶点的坐标,、边表：指出构成多面体某边的两个顶点；,可避免重复表示某些点、边、面，节约存储，便于图形显示，如公共边不重复。,5、扩充后的边表,第二章 GIS 数据结构,返回,2-4 三维数据结构,为表达拓扑还可将其它一些有关的内容结合到所使用的表中，如将边所属的多边形信息结合进边表中以后的形式：,包含s1,s4公共边为l1的信息,6、拓扑检查,第二章 GIS 数据结构,返回,2-4 三维数据结构,数据存储后，必须检查数据的一致性、完全性，即进行拓扑检查。具体
48、可检查下列几项： (1) 顶点表中的每个顶点至少是两条边的端点； (2) 每条边至少是一个多边形的边； (3) 每个多边形是封闭的； (4) 每个多边形至少有一条边是和另一个多边形共用的； (5) 若边表中包含了指向它所属多边形的指针，那么指向该边的指针必在相应的多边形中出现。,7、应用,第二章 GIS 数据结构,返回,2-4 三维数据结构,三维边界法一般用于表示规则形体，如建筑物，对于自然界中的复杂形体如岩石的外表，理论上可找到一在误差范围内逼近的适合平面多面体，但这种逼近受多因素的制约。对于不规则形体，可在形体的外表面s，可测一组点p1,p2pn坐标，再建这些点的关系，即结构图，决定顶点连接的不同方式。同样数据点，由于连接方式不同，构成的平面多面体也不同。其中最重要的一种方法就是每个面均是三角形的平面多面体，类似TIN结构。但即使这样，同一组点仍可得到不同的平面多面体。因此，需要研究拥有了哪些特征之后，才能更确切地逼近原来的三维形体?这种逼近有两种形式：表面S0的逼近：以确定后的平面多面体的表面作为对原三维形体的表面S0的逼近，着眼于形体的边界表示。三维形体的逼近：给出一系列的四面体，这些四面体的集合就是对原三维形体的逼近。着眼于形体的分解表示。,
