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第二章第二章GISGIS的数据结构的数据结构 第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达 一、地理空一、地理空间间间间的概念的概念geo-spatialgeo-spatial 上至大气上至大气电电电电离离层层层层，下至地壳与地幔交界的莫霍面之，下至地壳与地幔交界的莫霍面之间间间间的空的空 间间间间区域。区域。 一般包括地理空一般包括地理空间间间间定位框架及其所定位框架及其所连连连连接的空接的空间对间对间对间对 象象 定位框架即大地定位框架即大地测测测测量控制，由平面控制网和高程控制网量控制，由平面控制网和高程控制网组组组组 成成 一个一个统统统统一的空一的空间间间间参照系参照系 目前，我国采用的大地坐目前，我国采用的大地坐标标标标系系为为为为19801980年中国国家大地坐年中国国家大地坐 标标标标系，系，现现现现在在规规规规定的高程起算基准面定的高程起算基准面为为为为19851985国家高程基准。国家高程基准。 地球模型地球模型 地球表面 水准面 大地水准面 铅垂线 地球椭球体 地理空地理空间间间间坐坐标标标标系系 地理坐标标系是以地理极 北极、南极为为极点 通过过A点作椭椭球面的垂 线线，称之为过为过 A点的法 线线 法线线与赤道面的交角， 叫做A点的纬纬度 过过A点的子午面与通过过 英国格林尼治天文台的 子午面所夹夹的二面角， 叫做A点的经经度 坐坐标标标标参考系参考系统统统统平面系平面系统统统统 直接建立在球体上的地理坐标，用 经度和纬度表达地理对象位置 建立在平面上的直角坐标系统，用 （x，y）表达地理对象位置 投影 坐坐标标标标系系统统统统高程系高程系统统统统 任意水准面 大地水准面 HA HA 铅垂线 A HB HB hAB 水准原点 1985国家高 程基准， 72.2604米 黄海海面 1952-1979年平 均海水面为为0米 地地图图图图投影投影投影投影实质实质实质实质 建立地球椭椭球面上各点的大地 坐标标，按照一定的数学法则则，变换变换 为为平面上相应应点的平面直角坐标标。 地地图图图图投影投影投影投影变变变变形形 将不可展的地球椭椭球面展开成平面， 并且不能有断裂，则图则图 形必将在某些地方 被拉伸，某些地方被压缩压缩 ，故投影变变形是 不可避免的。 n长长度变变形 n面积变积变 形 n角度变变形 地地图图图图投影投影分投影投影分类类类类 n 变变形分类类 等角投影投影前后角度不变变 等面积积投影投影前后面积积不变变； 任意投影角度、面积积、长长度均变变形 n 投影面 横圆圆柱投影投影面为为横圆圆柱 圆锥圆锥 投影投影面为圆锥为圆锥 方位投影投影面为为平面 n 投影面位置 正轴轴投影投影面中心轴轴与地轴轴相互重合 斜轴轴投影投影面中心轴轴与地轴轴斜向相交 横轴轴投影投影面中心轴轴与地轴轴相互垂直 相切投影投影面与椭椭球体相切 相割投影投影面与椭椭球体相割 地地图图图图投影投影投影投影选择选择选择选择 因素因素 制图图区域的地理位置、形状和范围围 制图图比例尺 地图图内容 出版方式 GISGIS中地中地图图图图投影投影 地图图投影在GIS中不可缺少 空间间数据-地理坐标标-平面坐标标（投 影变换变换 ） 一般采用国家基本系列地图图所用 的投影 我国常用地我国常用地图图图图投影投影 1100万兰兰勃投影（正轴轴等积积割圆圆 锥锥 投影） 大部分分省图图、大多数同级级比例尺也采 用兰兰勃投影 150万、125万、110万、15万 、 12.5万、11万、15000采用高斯 克吕吕格投影。 空间实体空间实体 1、空间实间实 体的特征 空间间特征用以描述事物或现现象的地理 位置以及空间间位置相互关系 属性特征用以描述事物或现现象的特性 时间时间 特征用以描述事物或现现象随时间时间 的变变化 空空间间间间特征是指空特征是指空间对间对间对间对 象的位置及与相象的位置及与相邻对邻对邻对邻对 象的象的 空空间间间间关系或拓扑关系关系或拓扑关系 属性特征是指空属性特征是指空间对间对间对间对 象的象的专题专题专题专题 属性属性 2、空间实间实 体数据的类类型 属性数据描述空间实间实 体的属性特征 的数据。 几何数据描述空间实间实 体的空间间特征 的数据，一般用经纬经纬 度、 坐标标表达。 关系数据描述空间实间实 体之间间的空间间 关系的数据，如邻邻接、包 含、关联联等，一般通过过拓 扑关系表达。 3 3、空、空间对间对间对间对 象（象（实实实实体）的地体）的地图图图图表达表达 点位置（x，y） 属性符号 线位置x1,y1,x2,y2,,xn,yn 属性符号形状、颜色、尺寸 面位置x1,y1,x2,y2,,xi,yi,,xn,yn 属性符号变化 等值线 空空间对间对 象（象（实实体）的遥感影像表达体）的遥感影像表达 遥感传感器平台 传感器 空空间现间现间现间现 象及其描述象及其描述 现实世界 空间数据 地图 遥感影像 特征 关系 行为 观察 选择 抽象 综合 测量位置 编码属性 建立关系 表达 空空间对间对 象（象（实实体）体）类类型型 空间对间对 象一般按地形维维数进进行归类归类 划分 点零维维 线线一维维 面二维维 体三维维 时间时间 通常以第四维维表达，但目前GIS 还还很难处难处 理时间时间 属性。 空间对间对 象的维维数与比例尺是相关的 点点实实实实体体 有位置，无宽宽度和长长度； 抽象的点 美国佛罗罗里达洲地震监测监测 站2019年9月该该 洲可能的500个地震位置 线实线实线实线实 体体 有长长度，但无宽宽度和高度 用来描述线线状实实体，通常在网络络分析中使用较较多 度量实实体距离 香港城市道路网分布 面面实实实实体体 具有长长和宽宽的目标标 通常用来表示自然或人工的封闭闭多边边形 一般分为连续为连续 面和不连续连续 面 中国土地利用分布图（不连续面） 空空间对间对间对间对 象面（象面（续续续续）） 连续变连续变 化曲面如地形起 伏，整个曲面在空间间上曲 率变变化连续连续 。 不连续变连续变 化曲面，如土壤 、森林、草原、土地利用等 ，属性变变化发发生在边边界上 ，面的内部是同质质的。 空空间对间对间对间对 象体象体 有长长、宽宽、高的目标标 通常用来表示人工或自然的三维维目标标，如建筑、矿矿 体等三维维目标标 香港理工大学 校园建筑 第二节第二节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征 1、空间间数据是各种地理特征和现现象间间关系的符号化表示。 空间间特征 表示实实体的空间间位置或现现在所处处的地理位置。空间间特 征又称定位特征或几何特征，一般用坐标标数据表示。 属性特征 表示实实体的特征。如名称、分类类、质质量特征和数量特 征等。 时间时间 特征 描述实实体随时间时间 的变变化，其变变化的周期有超短周期 的、短期的、中期的和长长期的。 GISGIS的空的空间间间间数据的分数据的分类类类类 地图图数据 地图图是地理信息的主要载载体，同时时也是地理信息系 统统最重要得信息源 遥感数据 各种遥感数据及其制成的图图像资资料（航片、卫卫片） 地形数据 属性数据 统计统计 数据、实测实测 数据及各种文字报报告 元数据 地理空间数据的类型地理空间数据的类型 1类类型数据居民点、交通线线、土地类类型分布等。 2面域数据多边边形中心点、行政区域界限和行政单单元 3网络络数据道路交叉点、街道和街区等。 4样样本数据气象站、航线线和野外样样方的分布区等。 5曲面数据高程点、等高线线和等值值区域。 6文本数据如地名、河流名和区域名称。 7符号数据点状符号、线线状符号和面状符号等。 元数据元数据 “meta”是一希腊语词语词 根，意思是“ 改变变”，“Metadata”一词词的原意是 关于数据变变化的描述。 一般都认为认为 元数据就是“关于数据 的数据”。 元数据的主要作用元数据的主要作用 帮助数据生产单产单 位有效地管理和维护维护 空间间数据，建 立数据文档 提供有关数据生产单产单 位数据存储储、数据分类类、数据 内容、数据质质量、数据交换换网络络clearinghouse 及数据销销售等方面的信息，便于用户查询检户查询检 索地理 空间间数据 提供通过过网络对络对 数据进进行查询检查询检 索的方法或途径， 以及与数据交换换和传输传输 有关的辅辅助信息 帮助用户户了解数据，以便就数据是否能满满足其需求 作出正确的判断 提供有关信息，以便用户处户处 理和转换转换 有用的数据。 2、空间间数据的拓扑关系 什么叫拓扑 Topology一词词来自希腊文 ，它的原意是“形状的研究 ”。拓扑学是几何学的一个 分支，它研究在拓扑变换变换 下能保持不变变的几何属性 拓扑属性。 拓扑邻邻接元素之间间的拓扑关系。 拓扑关联联元素之间间的拓扑关系。 拓扑包含元素之间间的拓扑关系。 地理空间间数据的拓扑关系 不同类 同类 同类不同级 N1 1 2 5 6 4 7 3 P1 P3 P2 P4 N4 N3 N5 N2 拓扑邻邻接N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3 拓扑关联联N1/1、3、6；P1/1、5、6 拓扑包含P3与P4 空空间间间间数据的拓扑关系数据的拓扑关系 0拓扑元素 q点孤立点、线线的端点、面的首尾点、链链的连连接点 q线线两结结点之间间的有序弧段，包括链链、弧段和线线段 q面若干弧段组组成的多边边形 0基本拓扑关系 q关联联不同拓扑元素之间间的关系 q邻邻接相同拓扑元素之间间的关系 q包含面与其他元素之间间的关系 q层层次相同拓扑元素之间间的层层次关系 q拓扑元素量之间间的关系欧拉公式 0点、线线、面之间间的拓扑关系 起点 终点 中间点 弧段1 弧段3 弧段2 弧段4 点 面 弧 邻接相交重合相离包含 点点 点线 点面 线面 面面 线线 欧拉公式 欧拉公式在GIS中有着重 要的意义，主要用来检查 空间拓扑关系的正确性， 能发现点、线、面不匹配 的情况和多余、遗漏的图 形元素。 c a n b n结点数 a弧段数 b多边形数 c常数，为多边形地图特征。 若b包含边界里面和外面的多边形，则c2， 若b仅包含边界内部多边形，则c1 n 4，a 4 b 1，c 1 n 6，a 5 b 2，c 1，p2（图形数） n 4，a 5 b 2，c 1 n 10，a 12 b 3，c 1 空间拓扑关系表达关系表 面域与弧段的拓扑关系 面 域弧 段 P1a, b, c, -g P2b, d, f P3c, f, e P4g 结点与弧段的拓扑关系 结 点弧 段 Aa, c, e Ba, d, b Cd, e, f Db, f, c Eg 弧段与结点的拓扑关系 弧 段结 点 aA , B bB , D cD , A dB , C eC , A fC , D gE , E 弧段与面域的拓扑关系 弧段 左邻面 右邻面 aP0P1 bP2P1 cP3P1 dP0P2 eP0P3 fP3P2 gP1 第三节第三节 空间数据结构的类型空间数据结构的类型 空间间数据结结构 矢量数据结结构 栅栅格数据结结构 栅栅格结结构与矢量结结构的比较较 一、常用的空一、常用的空间间间间数据数据结结结结构构 X Y i j x1 y1 x2 y2 xi yi xn yn 数据结结构即指数据组织组织 的形式，是适合于计计算机存储储 、管理和处处理的数据逻辑结逻辑结 构。对对空间间数据则则是地理实实体 的空间间排列方式和相互关系的抽象描述。 矢量数据结构矢量数据结构 矢量数据结结构是通过记录过记录 坐标标的方式，尽可 能地将点、线线、面地理实实体表现现得精确无 误误。 l矢量数据能更精确地定义义位置、长长度和大小 。 l矢量数据存储储是以隐隐式关系以最小的存储储 空间间存储储复杂杂的数据。 矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构编码的基本内容 矢量数据结结构通过记录过记录 空间对间对 象的坐标标 及空间间关系来表达空间对间对 象的位置。 点空间间的一个坐标标点； 线线多个点组组成的弧段； 面多个弧段组组成的封闭闭多边边形； 矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构编码的基本内容 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 , y2 ,,x1 , y1 点位字典 点点号文件 线点号串 面点号串 点号XY 11122 23344 n5566 存储方法 点点 实实 体体 线线 实实 体体 面面 实实 体体 多边形矢量编码， 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。 简单简单 的矢量数据结结构面条结结构（实实体式） 只记录记录 空间对间对 象的位置坐标标和属性信息，不记录记录 拓扑关 系。 0存储储 q独立存储储空间对间对 象位置直接跟随空间对间对 象； q点位字典点坐标标独立存储储，线线、面由点号组组成 0特征 l无拓扑关系，主要用于显显示、输输出及一般查询查询 l公共边边重复存储储，存在数据冗余，难难以保证证数据独 立性和一致性 l多边边形分解和合并不易进进行，邻邻域处处理较较复杂杂； l处处理嵌套多边边形比较较麻烦烦 0适用范围围 制图图及一般查询查询 ，不适合复杂杂的空间间分析 简单简单简单简单 的矢量数据的矢量数据结结结结构构面条面条结结结结构（构（实实实实体式）体式） 多边形 数据项 Ax1,y1,x2,y2,x3,y3,x4,y4,x5,y5, x6,y6,x7,y7,x8,y8,x9,y9,x1,y1 Bx1,y1,x9,y9,x8,y8,x17,y17, x16,y16,x15,y15,x14,y14,x13,y13, x12,y12,x11,y11,x10,y10,x1,y1 Cx24,y24,x25,y25,x26,y26,x27,y27, x28,y28,x29,y29,x30,y30,x31,y31, x24,y24 Dx19,y19,x20,y20,x21,y21,x22,y22, x23,y23,x15,y15,x16,y16,x19,y19 Ex5,y5,x18,y18,x19,y19,x16,y16,x 17,y17,x8,y8,x7,y7,x6,y6,x5,y5 索索 引引 式式 线与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引 双重独立式双重独立式DIMEDuallndependentDIMEDuallndependent MapEncodingMapEncoding 线号左多边形右多边形起点终点 aOA18 bOA21 cOB32 dOB43 eOB54 fOC65 gOC76 hOC87 iCA89 jCB95 kCD1210 lCD1112 mCD1011 nBA92 这种数据结构除了通过线 文件生成面文件外，还需 要点文件 链状双重独立式链状双重独立式 链链状双重独立式数据结结构是DIME数据结结构 的一种改进进。在DIME中，一条边边只能用直 线线两端点的序号及相邻邻的面域来表示，而 在链链状数据结结构中，将若干直线线段合为为一 个弧段（或链链段），每个弧段可以有许许多 中间间点。 在链链状双重独立数据结结构中，主要有四个文 件多边边形文件、弧段文件、弧段坐标标文 件、结结点文件。 弧段文件 弧段号起始点终结点左多边形右多边形 a51OA b85EA c168EB d195OE e1519OD f1516DB g115OB h81AB i1619DE j3131BC 弧段坐标文件 弧段号点号 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 链状双重独立式链状双重独立式 多边形文件 多边形号弧段号周长面积中心点坐标 Ah,b,a Bg,f,c,h,-j Cj De,i,f Ee,i,d,b 拓扑关系拓扑关系 空间实体不仅具有空间位置、形状、大小等空 间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联和包含 等空间相互关系特征，由于描述空间实体的这种关 系不需要考虑空间坐标和距离因素，所以，这种点 、线、面之间的空间关系又称为拓扑关系。 拓扑关系包含拓扑关系包含 指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系 。 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 拓扑关联拓扑关联 指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系 。 拓扑包含拓扑包含 指存在于空间图形的同类，但不同等级的元素 之间的拓扑关系。 要将结点、弧段和多边形之间的拓扑关系表达出来 ，可以形成4个关系表。（见图） 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 特点特点 点是相互独立的，点连成，线构成面； 每条线始于起始结点（FN），止于终止结点（TN），并 与左右多边形（LP和RP）相邻接； 构成多边形的线又称弧段或链段，两条以上的弧段相交 的点称为结点，由一条弧段组成的多边形称为岛，多边形 图中，不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域 ，含岛的多边形称为复合多边形，表示复连通区域； 在复连通区域中，包含有外边界和内边界，岛区多边形 看作是复连通区域的内边界。 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 在拓扑数据结构中，弧段或链段是数据组织的基 本对象。弧段文件由弧段记录组成，包括每个结点的 结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。 多边形文件有多边形记录组成，包括多边形标识码、 组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。见图 矢量结构图形基本元素 弧段与（结）点间的拓扑关系结点与弧段间的拓扑关系 弧段与多边形间的拓扑关系 多边形与弧段间的拓扑关系 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑拓扑编辑功能。 v保证数字化原始数据的自动查错编辑； v自动形成封闭的多边形边界。 拓扑编辑功能包括多边形连接编辑和结点连接编辑。 多边形连接编辑指顺序连接组成封闭多边形一组线段的编辑 。具体的编辑算法如下 如，假设要对多边形P1进行编辑，其算法过程为 （1）从表2-5所示的弧段文件中，检索出与当前编辑的多边形 P1相关的所有记录，即 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 （2）在检索出的记录中，计算机检查当前编辑的多边形P1所 处的位置，如果P1位在左多边形位置，将之与位于右多边形位 置的多边形号相交换，同时也将该记录的结点号位置作相应的 交换；反之，如果当前编辑的多边形P1位于右多边形位置，则 该记录的所有数据项顺序不作改变。 按照上述规则，检索出的记录变为以下形式 弧段号起结点终结点左多边形右多边形 C1 C2 C3 N1 N3 N1 N2 N2 N3 P2 P1 P1 P1 P4 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 弧段号起结点终结点左多边形右多边形 C1 C2 C3 N1 N2 N3 N2 N3 N1 P2 P4 P1 P1 P1 弧段号起结点终结点左多边形右多边形 C1 C2 C3 N1 N3 N1 N2 N2 N3 P2 P1 P1 P1 P4 拓扑数据结构类型拓扑数据结构类型 弧段号起结点终结点左多边形右多边形 C1 C2 C3 N1 N2 N3 N2 N3 N1 P2 P4 P1 P1 P1 （3）从经过代码位置转换的记录中，任取一个起结点，顺序 连接各个结点，必要时可对记录的前后顺序作调整，使得连接 的结点能自行封闭。 如果依照上述顺序连接的结点不能自行闭合，或出现记录缺损 或记录多余等情况，则表示弧段文件有错，必须改正出错的记 录，直到所有多边形都经过编辑和改正再转入结点连接结点连接编辑。 矢量数据结构的特点矢量数据结构的特点 定位明显显，属性隐隐含 用拓扑关系描述空间对间对 象之间间的关系 面向目标标操作，精度高，数据冗余度小 与遥感等图图象数据难难以结结合 输输出图图形质质量号，精度高 商品化较较好的GIS软软件的数据库库数据组织组织 都具有完整的拓朴 结结构（如ARC/INFO）矢量拓朴编码编码 方法软软件举举例 Topology拓朴学TopologicalRelation 从上至下（poly-ARC-Node的拓朴关系（图图b.得到明 确表达或从下至上（Node-ARC-poly 用关系表列出这这种拓 朴关系。 Topologicalrelation configrationtable. polygon-ARC Topologicalrelation bba polygonARC B1 B2 B3 B4 A1A2A3 A2A5A6 A3A4A7 A6A7A8 ARC-NodeTopologyaan;Node-ARCtopologynna ARC NODE NODEARC A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 N1N2 N2N3 N1N3 N1N4 N2N5 N3N5 N3N4 N4N5 N1 N2 N3 N4 N5 A1A3A4 A1A2A5 A2A3A6A7 A4A7A8 A5A6A8 ARC-polygontopolyaabARC-polygontopolyaab ARCLPOLYRPOLY A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 0 B2 B1 B3 0 B2 B4 b4 B1 B1 B3 0 B2 B4 B3 0 ARC/INFO中的弧段数据结结构 ARCIDFnodeTonodeLpolyRpolyarccoordination A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 N1 N2 N1 N1 N2 N3 N3 N4 N2 N3 N3 N4 N5 N5 N4 N5 0 B2 B1 B3 0 B2 B4 B4 B1 B1 B3 0 B2 B4 B3 0 Xn1,Yn1...Xn2,Yn2 Xn2,Yn2...Xn3,Yn3 Xn1,Yn1...Xn3,Yn3 Xn1,Yn1...Xn4,Yn4 Xn2,Yn2...Xn5,Yn5 Xn3,Yn3...Xn5,Yn5 Xn3,Yn3...Xn4,Yn4 Xn4,Yn4...Xn5,Yn5 一、栅格数据结构一、栅格数据结构 栅 格 数 据 的 应 用 模 型 基于栅格模型的数据结构简称 为栅格数据结构，指将空间分 割成有规则的网格，在各个网 格上给出相应的属性值来表示 地理实体的一种数据组织形式。 点 线 面 对对于栅栅格数据结结 构点为为一个像元 线线在一定方向上 连连接成串的相邻邻 像元集合。 面聚集在一起的 相邻邻像元集合。 一、栅格矩阵结构（直接栅格编码）一、栅格矩阵结构（直接栅格编码） 栅格数据的组织方法 A B C D AACC BACC BBDC BDDD 栅格数据的组织方法 在计算机中，直接栅格编码文件是以行为记录单位在计算机中，直接栅格编码文件是以行为记录单位 ，按行存储地理数据的。，按行存储地理数据的。 AACC BACC BBDC BDDD 行号栅格值 1 2 3 4 AACC BACC BBDC BDDD 直接栅格编码文件 栅栅格数据的取格数据的取值值 栅格数据的组织方法 A B C D AACC BACC BBDC BDDD （1）面积占优法 面积占优法是把栅格中占有最大面积的属性值定为本栅格元素的值 栅栅格数据的取格数据的取值值 栅格数据的组织方法 A B C D AACC BACC BBDC BDDC （2）中心点法 中心点法是将栅格中心点的值作为本栅格元素的值 栅栅格数据的取格数据的取值值 栅格数据的组织方法 A B C D AACC BACC BBDC BDDC （3）长度占优法 长度占优法是将网格中心画一横线,然后用横线所占最长部分的属 性值作为本栅格元素的值 栅栅格数据的取格数据的取值值 栅格数据的组织方法 A B C D AACC BACC BBCC BDDC （4）重要性法 重要性法往往突出某些主要属性，对于这些属性，只要在栅格中 出现，就把该属性作为本栅格元素的值 栅格数据的组织方法 无论如何取值，在计算机中，如果矩阵的每 个元素用一个双字节表示，则一个图层的全 栅格数据所需要的存储空间为m（行）n （列）2（字节）。 如一个面积为100km2的区域，如果网格 边长取为1m，每个网格用一个双字节表示 ，则一个图层的要素就占用兆字节 的存储空间。 200 栅格数据的组织方法 因此，栅格数据的压缩是栅格因此，栅格数据的压缩是栅格 数据结构要解决的重要任务。数据结构要解决的重要任务。 栅栅栅栅格数据格数据结结结结构构坐坐标标标标系与描述参数系与描述参数 Y列 X行 西南角格网坐标 （XWS，YWS） 格网分辨率 链码chainEncoding 直接栅格编码 游程长编码Run_lengthEncoding 块码 四叉树编码quarter_treeEncoding 栅格结构 编码方法 1、直接栅栅格编码编码 直接编码 就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列 ）逐个记录 代码，可以每行从左到右逐像元记录 ，也可奇数行从 左到右而偶数行由右向左记录 ，为了特定的目的还可采用其他特 殊的顺序。 02255555 22222555 00000333 22223355 00233355 00333353 00033333 00003333 0，2，2，5，5，5，5，5； 2，2，2，2，2，5，5，5； 2，2，2，2，3，3，5，5； 0，0，2，3，3，3，5，5； 0，0，3，3，3，3，5，3； 0，0，0，3，3，3，3，3； 0，0，0，0，3，3，3，3； 0，0，0，0，0，3，3，3。 由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后 续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基 本方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7，如下图所示 。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。 2、链码链码 1 2 3 4 5 0 7 6 001 0 767 01 1 0 0 链码编码链码编码 2，2，6，7，6，0，6，5 1 2 3 4 5 0 7 6 05000000 00500000 00000000 05000000 00550000 00050000 00500000 00000000 链码编码链码编码 示例 游程编码结构 游程编码 （RunLengthCode）是对有块状地 物多边形的栅格数据进行压缩编码 。 游程栅格矩阵一行内相邻同值栅 格的数量。游 程编码结 构是在栅格数据矩阵中，逐行将相邻同值 栅格合并，并记录 合并后栅格的值及合并栅格的长 度。目的是压缩栅 格数据量，消除数据冗余。 3、游程长长度编码编码 游程编码结构 编码结 构的建立方法把栅格矩阵的数据序列 X1、X2,,XN，映射为二元组序列（Ai,Pi） Ai栅格属性值 Pi游程长度 其中i1,2,..,KKn，K是游程总数，N栅格 总数。 3、游程长长度编码编码 1只在各行（或列）数据的代码发 生变化时依次记录 该代码以及相同代码重复的个数； 02255555 22222555 00000333 22223355 00233355 00333353 00033333 00003333 沿行方向进进行编码编码0，1） ，（2，2），（5，5）；（2，5） ，（5，3）；（2，4），（3，2） ，（5，2）；（0，2），（2，1） ，（3，3），（5，2）；（0，2） ，（3，4），（5，1），（3，1） ；（0，3），（3，5）；（0，4） ，（3，4）；（0，5），（3，3） 。 3、游程长长度编码编码 逐个记录 各行（或列）代码发 生变化的位置和相应代 码。 02255555 22222555 00000333 22223355 00233355 00333353 00033333 00003333 沿列方向进进行编码编码1，0） ，（2，2），（4，0）；（1，2） ，（4，0）；（1，2），（5，3） ，（6，0）；（1，5），（2，2） ，（4，3），（7，0）；（1，5） ，（2，2），（3，3），（8，0） ；（1，5），（3，3）；（1，5） ，（6，3）；（1，5），（5，3） 。 估算图层的数据冗余度 Re1-Q/m*n 其中，Q图层内相邻属性值变化次数的累加和； m图层网格的行数； n图层网格的列数； 当Re1/5时，压缩效果明显； 压缩比Sn/K 其中，n直接编码存储容量； K游程编码存储容量。 4、块码块码 采用方形区域作为记录单 元，数据编码由初始位置行 列号加上半径，再加上记录单 元的代码组成。 02255555 22222555 00000333 22223355 00233355 00333353 00033333 00003333 （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）。 5、四叉树编码树编码 是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照 4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数 值单调为 止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解 ，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成 的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整 个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的 层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代 表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子 结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。 为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须 为2n2 n的栅格阵列。n为极限分割次数，n1是四叉树最 大层数或最大高度 02255555 22222555 00000333 22223355 00233355 00333353 00033333 00003333 11 1213 14151617181920212223242526272829303132 3336373839 343540 000 0333033333530022 23222202 22252555 33355 西南东南 西北 东北 000000011010011 22位6位 4位 3 建立四叉树的方法 自上而下（top-down 自下而上（bottom-up ） 88800000 88880000 88888000 87888800 77888400 77884444 77744444 77777440 0层 1层 2层 3层 NW 2 NE 3 SW 0 SE 1 象限 编码的记录位置/属性 四叉树编码四叉树编码（（QuadtreeencodingQuadtreeencoding）） 属性 000088808888888780044484444404444787477 77 位置编码采用二进制方向深度 例结点6深度为3 方向0层（SW）0 1层（NE）3 2层（NW）2 四叉树编码001110 0011 四叉树的建立方法（存储量的不同） 线性四叉树编码 的存储算法 三个量地址、深度、结点值 常规四叉树编码 的存储算法 六个量4个子结点指针、1个父结点指针（根结点 的父指针为空，叶结点的子指针为空）、1个结点值 四叉树编码 法的优点 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 叉树较 高即分级多，分辨率也高，而不需表示许 多细节 的部分则分级少，分辨率低，因而既可精 确表示图形结构又可减少存贮量； 栅格到四叉树及四叉树到简单栅 格结构的转换 比 其它压缩 方法容易； 多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。 四叉树编码 法的缺点 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。 但因它允许多边形中嵌套多边形即所谓“洞”这种 结构存在，使越来越多的地理信息系统工作者都对四 叉树结构很感兴趣。 四叉树编码 法的选择 图形的复杂情况 在系统中备有相应的程序 用户的分析目的和分析方法 练练习习 由直接栅格编码转换成四叉树编码的树状表示 333331111111 333331111111 333111144441 333111444444 332221114441 322221111411 222221111111 222221111111 222222111111 222222111111 答答案案 33 31 1110 31 3 33 1 11 4 11 311441 33 2 22 1 4441 0 32111411 222111 222 21 110 21 000000 0000 直接栅栅格编码编码 简单直观，是压缩编码 方法的逻辑 原型（栅格文件）； 链码链码 压缩效率较高，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； 游程长长度编码编码 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 合于微机地理信息系统采用； 块码块码 和四叉树编码树编码 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 大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方 法。 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 。 栅栅栅栅格数据格数据结结结结构特点构特点 l 离散的量化栅栅格值值表 示空间对间对 象 l 位置隐隐含,属性明显显 l 数据结结构简单简单 ,易于遥 感数据结结合,但数据量 大 l 几何和属性偏差 l 面向位置的数据结结构, 难难以建立空间对间对 象之 间间的关系 矢量结构矢量结构 栅格结构栅格结构 矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较 优点优点缺点缺点 矢量矢量 数据数据 结构结构 1.1.便于面向现象便于面向现象 土壤类、土地利土壤类、土地利 用单元等用单元等 ；； 2.2.数据结构紧凑、冗余度低；数据结构紧凑、冗余度低；