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第二讲GIS的空间数据结构与组织中山大学遥感与地理信息工程系在矢量模式中，关于点、线和多边形的信息被编码并以x、y坐标形式储存。栅格模式是连续特征的模式，栅格图象包含有网格单元(像元灰度值)，扫描的地图或图像照片等。空间数据——矢量和栅格模式数据的组织方法矢量模式栅格模式真实世界栅格数据概念(P65)所谓栅格数据是:将制图区域的平面表象按一定的分解力作行和列的规则划分,就形成了一个阵列,其中每个栅格也称”像元”或”像素”.根据所表示的表像信息,各个像元可用不同的”灰度值”来表示,但每个像元被认为是内部一致的基本单元.换句话说:由平面表像对应位置上像元灰度值所组成的矩阵形式的数据就是栅格数据.栅格数据概念如果一个图像的灰度值只有两种,通常用”1”表示前景元素,用”0”表示背景元素,则这个图像也称”二值图像”.在栅格数据中,二值图像的每个像元只能用计算机中的一位”bit”表示.在这种表示法中,数据虽可得到高度压缩,但不适宜表示多种制图要素在同一幅图像上出现的情况.为了区分制图物体的类型属性,可以使不同制图要素上的像元带有不同的灰度值.因此需要为每个像元开辟计算机中的若干位(通常为一个字节),以便存放不同的灰度值.栅格数据中的点线面点：表示为单个像元。线：在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。面：由聚集在一起的相邻像元的集合。栅格数据概念四方向相邻和八方向相邻栅格数据的获取1.遥感方法获取(航天与航空);2.图片扫描获取(纸介质的地图等扫描);3.矢量数据转换而来;4.由平面上行距,列距固定的点抽样而来主要包括:(1)中心归属法;(2)长度占优法;(3)面积占优法.栅格数据的基本运算1.栅格图像的平移(向左一格,再向上一格)栅格数据的基本运算2.两个栅格图像的算数组合将两个栅格图像叠加,使它们对应像元的灰度值相加,相减,相乘,相除,开方和,平方和等等.栅格数据的基本运算3.两个栅格图像的布尔逻辑组合栅格数据的基本运算4.其它栅格图像的基本运算(1)栅格灰度值乘上或加上一个常数;(2)栅格灰度值求其正弦,余弦等,方根,对数,指数等;(3)将某些栅格灰度值置成常数等;(4)求一个栅格图像中元素灰度值之和;(5)找出一个栅格图像中元素灰度值最大和最小等;(6)求出两个栅格图像对应灰度值的数量积;(7)将两层栅格图像对应灰度值比较,并把一个较大的元素记录到结果栅格图像中;(8)进行”二值图像”处理等等.栅格数据的宏运算1.扩张栅格数据的宏运算计算机的具体实现方法:(1)开辟一个数组IA存放原始图像；（2）为存放中间结果及最后结果，另开辟一个数组IB；（3）将IA中的原图拷贝到IB中；（4）对IA中的每一个灰度值为“1”的像元，在IB中相应位置右侧一列及二列处分别置“1”。栅格数据的宏运算2.侵蚀栅格数据的宏运算3.加粗栅格数据的宏运算4.减细减细的原理和过程与加粗几乎一样，因为加粗“0”像元就是减细“1”像元。但一定要注意：在减细的批处理中，若不附加一些必要的限制条件，就可能导致线划的断裂或要素的消失等。栅格数据的宏运算5.填充(带有边界条件的逐步加粗法)栅格数据运算的具体应用（1）两要素之间有粘连现象栅格数据运算的具体应用（2）三线公路的绘制（两次加粗，异或运算，或运算）栅格数据运算的具体应用（3）各种面积量算栅格数据运算的具体应用（4）指定范围内填充规定的图案栅格数据运算的具体应用（5）栅格图像的叠置分析栅格数据运算的具体应用计算机实现流程图：栅格数据（1）栅格数据（2）栅格数据（3）上海东方明珠电视塔故宫栅格数据（4）栅格数据（5）矢量数据概念矢量数据（1）矢量数据（2）矢量数据（3）矢量+栅格（1）矢量+栅格（2）栅格结构特征——图像空间被划分为规则的栅格。地理实体的位置用它们占据的行列号(I,J)表示,每一格称为一个像元，像元是用灰度值来表示的（0~255）。每个栅格与它表达的真实世界的空间实体没有直接的联系。例如：道路作为单一的栅格式不存在的，栅格的值才表达了路是一个实体。道路是被具有道路属性值的一组栅格表达的。矢量结构特征——图形用点线面表示现实世界的物体，每一个实体的位置用它们在坐标参考系统中的空间位置定义；用属性表示物体的数量和质量特征。例如，用一条线表达一条道路；一个多边形表示一个湖泊。矢量模式与栅格模式比较栅格模式矢量模式优点：1、数据结构简单2、叠加操作更易实现、更有效3、能有效表达空间可变性4、便于做图像的有效增强优点：1、数据结构更严密。2、提供有效的拓扑编码，便于拓扑操作。3、图形输出美观。缺点：1、数据量大，需要压缩。2、难以表达拓扑关系。3、图形输出不美观，有锯齿。缺点：1、数据结构复杂。2、叠加操作不方便。3、表达空间变化性能力差。4、不能做增强处理。栅格数据的组织数据文件像元1I坐标J坐标层1属性值层2属性值层N属性值像元2像元N数据文件层1像元1I坐标J坐标属性值层2层N像元2数据文件层1多边形1属性值像元1坐标像元N坐标层2层N多边形N节省空间形式简单方便制图栅格数据的压缩技术(p67)长度(变长)编码法（LengthCodes)改变扫描顺序法（ExchangeOrders)链式编码(ChainCodes)游程长度编码(Run-LengthCodes)块式编码(BlockCodes)四叉树编码(QuadtreeEncoding)变长编码AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABBBBBBAAABBBBBBBDDDDBBBBBBDDDDDBBBBBDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCC全栅格编码A100A101A42B62A33B73D44D55B55B64D56C56D57C57D58C59D59C59变长编码四叉树编码2220111332110012310111213110111112113四叉树分解过程012320212223210211212213根容易而有效地计算多边形的数量特征；阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树分级多，分辨率也高，而不需要表示的细节部分则分级少，分辨率低。因而既可精确表示图形结构，又可减少存储量。直接栅格编码到四叉树编码及四叉树到简单栅格编码的转换比块式编码等其它压缩方法容易。多边形中嵌套不同类型小多边形的表示较方便。四叉树编码的优点四叉树编码的最大缺点是转换的不确定性，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。但因它允许多边形中嵌套多边形即所谓“空洞”这种结构存在，故越来越多的GIS工作者都对四叉树结构很感兴趣。四叉树编码的缺点矢量数据的组织无拓扑关系矢量结构点实体线实体面实体标示符X、y坐标属性值标示符X、y坐标对属性值标示符边线标示符属性值点实体点实体唯一标示符类型简单点文字说明结点序列号X、y坐标有关的属性其它有关的属性如果是简单点符号比例尺方向如果是文字说明如果是结点字符大小方向字体排列符号指针与线相交的角度矢量数据拓扑结构矢量数据拓扑结构，即基本要素点线面和实体之间具有邻接、关联和包含的拓扑关系,与长度面积无关。什么叫拓扑？Topology一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。“点的内置”是拓扑属性；面积则不是拓扑属性；欧几里德平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上（内部、外部）一个面是简单面（面上没有“岛”）一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点之间的距离弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积基本拓扑要素概念(P57)：线段（ARC，弧段），在线段的中间与其他任何线段不存在任何相关关系，在线段的段点才与其他的线段有关系。线段是有向线段，它的方向有首尾端点确定。结点(NODE)，即线段的两端点，可以分为首结点和尾结点。多边形(POLYGON),由数条线段有序的首尾连接而成。层（LAYER）,具有相同属性的拓扑要素的组合。基本拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含拓扑邻接（P58）存在于空间图形之间同类要素之间的拓扑关系。多边形P1和P2,P1和P3在空间上相邻接；弧段L2，L3，和L5在空间上相邻接；节点V1与V9,V9与V4等在空间上相邻接。1354ADCbcBda弧左多边形右多边形aDCbCAcABdDA拓扑关联指存在于空间图形中的不同类要素之间的拓扑关系。节点V9与弧段L3，L5，L6关联；多边形P1与弧段L1，L2，L3，L6关联多边形弧p1L1、L3、L6、L7p2L2、L3、L5p3L4、L5、L6p4L7拓扑包含指存在于空间图形中同类但不同级的基本要素之间的拓扑关系。多边形P1包含多边形P4矢量数据压缩技术间隔取点法；垂距法和偏角法；道格拉斯—普克（Douglas—Peucker)法；光栏法。矢量数据压缩技术间隔取点法矢量数据压缩技术垂距法和偏角法矢量数据压缩技术道格拉斯—普克（Douglas—Peucker)法矢量数据压缩技术光栏法矢量数据压缩技术光栏法编程流程图矢量数据匹配顶点匹配与数字接边矢量数据变换二维和三维几何图形的变换；矢量栅格数据之间变换；数据格式之间变换；数据结构之间变换；地图投影之间变换。矢量数据变换二维几何图形的变换矢量数据变换二维几何图形的变换矢量数据变换二维几何图形的变换矢量数据变换二维几何图形的变换矢量数据变换二维几何图形的变换矢量数据变换二维几何图形的变换栅格与矢量模式的选择与转换栅格和矢量均有各自的特点。从点、线、面实体转化为规则单元，这是矢量数据栅格化（p71)。从栅格单元转换到几何图形的过程，称为栅格数据矢量化(p72)。栅格与矢量数据格式之间的转换栅格与矢量数据格式之间的转换栅格与矢量数据格式之间的转换栅格与矢量数据格式之间的转换栅格与矢量数据格式之间的转换栅格与矢量数据格式之间的转换空间数据的分层组织层的概念同时适合于栅格数据和矢量数据。所谓层是指地理特征及其属性在逻辑上的集合。在栅格数据结构中，每种属性可形成一个独立的层，而新的属性就意味着在数据库中新加一层。在矢量数据结构中，层是用来区分空间实体的主要类型，目的是为了制图与显示。因独立地物点与多边形标示符不能区分，因而点和多边形不能在同一层。数据分层的原则1、特征类型：点线面分别处于不同层。2、特征的逻辑分组：相关的地物位于同一层。3、应使处理更加方便。数据分层的方法1、按专题分层2、按时间序列分层3、以地面垂直高度分层低于地面第一层第二层187019001910居民地：包括单栋房屋、楼房和街区分层：居民地露天体育场、球场：居民地旁边的文娱活动场地分层：露天体育场、球场分层：铁路等相关要素铁路：广州市内的铁路线路分层：道路中心线道路中心线：高速路、城市道路和对外交通道路的中心线（一般用于相关信息的查询及检索）苗圃分层：绿地及绿地注记绿地：风景名胜、城市公园、居住区公园、小游园等绿地注记：绿地的名称标注各层叠加后图像空间数据的组织1、由专题和分块组成2、面向对象的组织(发展)