柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)

1、柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)分類： 地圖 2013-07-01 21:人閱讀評論(0)收藏舉報 GIS研究的數(shù)據(jù)是地理空間數(shù)據(jù)，這是區(qū)別于其他系統(tǒng)的根本原因。柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)組織的兩種最基本的方式 柵格數(shù)據(jù)是以二維矩陣的形式來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織方式每個矩陣單位稱為一個柵格單元（cell）.柵格的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的屬性數(shù)據(jù)因此柵格數(shù)據(jù)有屬性明顯，定位隱含的特點而矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是利用點，線，面的形式來表達(dá)現(xiàn)實世界，具有定位明顯，屬性隱含的特點。由于矢量數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，表達(dá)精度高，圖形顯示質(zhì)量好，有利于網(wǎng)絡(luò)和檢索分析等優(yōu)點。在GIS中得到廣泛的應(yīng)用，

2、特別在小區(qū)域（大比例尺）制圖中充分利用了它的精度高的優(yōu)點。但是，隨著廣泛的應(yīng)用，同時數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，計算機(jī)性能的提高克服了柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大等缺點，柵格數(shù)據(jù)將越來越發(fā)揮更大的作用。柵格數(shù)據(jù)的大規(guī)模應(yīng)用，并將會占具主導(dǎo)地位。主要基于以下優(yōu)點： (1) 隨技術(shù)的發(fā)展，并大規(guī)模的應(yīng)用，柵格數(shù)據(jù)的使用將促使，GIS的一體化發(fā)展。成為空間數(shù)據(jù)動態(tài)更新的重要的數(shù)據(jù)源。遙感影像是以像元為單元的柵格結(jié)構(gòu)存儲的，圖像處理技術(shù)極大的提高了柵格數(shù)據(jù)的前期處理能力。這些數(shù)據(jù)可以直接生成或轉(zhuǎn)換為于GIS 的柵格數(shù)據(jù)。 (2) 柵格數(shù)據(jù)可以極大的提高GIS 的時空數(shù)據(jù)分析能力,柵格數(shù)據(jù)在圖像的代數(shù)運(yùn)算,空間統(tǒng)計分析等具有廣

3、泛的應(yīng)用,可以促成GIS模型的建立。ARCGIS軟件的高版本在這一方面以有較突出的表現(xiàn)。 (3) 三維可視化成為動態(tài)模擬現(xiàn)實世界的一個新的發(fā)展趨勢.柵格數(shù)據(jù)是利用二維圖像來模擬地理實體的,可利用柵格數(shù)據(jù)通過提高維數(shù)來實現(xiàn)三維可視化。 (4) 隨Web GIS 的發(fā)展,柵格數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單,真實感強(qiáng)等特點,可以為大多數(shù)程序設(shè)計人員和用戶理解和使用.特別是圖像共享標(biāo)準(zhǔn)(如GIF)的建立,有利于GIS 的柵格數(shù)據(jù)的共享. 因此,柵格數(shù)據(jù)在信息共享方面更為實用. 因此,隨GIS 發(fā)展,柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)均具不同程度的發(fā)展,但柵格數(shù)據(jù)要比矢量數(shù)據(jù)的應(yīng)用更廣泛,更有效./ 矢量圖像，也稱為面向?qū)ο蟮膱D像或

4、繪圖圖像，在數(shù)學(xué)上定義為一系列由線連接的點。矢量文件中的圖形元素稱為對象。每個對象都是一個自成一體的實體，它具有顏色、形狀、輪廓、大小和屏幕位置等屬性。既然每個對象都是一個自成一體的實體，就可以在維持它原有清晰度和彎曲度的同時，多次移動和改變它的屬性，而不會影響圖例中的其它對象。這些特征使基于矢量的程序特別適用于圖例和三維建模，因為它們通常要求能創(chuàng)建和操作單個對象?；谑噶康睦L圖同分辨率無關(guān)。這意味著它們可以按最高分辨率顯示到輸出設(shè)備上。 柵格圖又稱位圖： 一般用于照片品質(zhì)的圖像處理，是由許多像小方塊一樣的像素組成的圖形。由其位置與顏色值表示，能表現(xiàn)出顏色陰影的變化。 矢量圖與點位圖比較 矢量

5、圖與分辨率無關(guān)，可以這么理解，不管矢量圖放多大，都不影響它的質(zhì)量和效果。矢量圖的放大，只是參數(shù)的改變，電腦就會根據(jù)現(xiàn)有的分辨率重新計算出新的圖像。 點位圖的質(zhì)量取決于分辨率。一幅點位圖放大幾倍后，就會明顯地出現(xiàn)“馬賽克”的現(xiàn)象。 矢量圖可以十分靈活地進(jìn)行編輯，矢量圖的基本元素是對象，每個對象都是自成一體的實體，某個對象的改變不會影響到?jīng)]有關(guān)聯(lián)的對象。 點位圖的編輯受到限制。點位圖是點（像素）的排列，局部移動了或者改變了就會影響到其他部分的點。/2 柵格、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡稱為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是指將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示地理實體的一種數(shù)據(jù)

6、組織形式；而矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是基于矢量模型，利用歐幾里得（EUCLID）幾何學(xué)中的點、線、面及其組合體來表示地理實體的空間分布。對于空間數(shù)據(jù)而言，柵格數(shù)據(jù)包括各種遙感數(shù)據(jù)、航測數(shù)據(jù)、航空雷達(dá)數(shù)據(jù)、各種攝影的圖像數(shù)據(jù)，以及通過網(wǎng)格化的地圖圖像數(shù)據(jù)如地質(zhì)圖、地形圖和其他專業(yè)圖像數(shù)據(jù)。從類型上看，又分為：二值圖、灰度圖、256色索引和分類圖(單字節(jié)圖)、64K的高彩圖(索引圖、分類圖和整數(shù)專業(yè)數(shù)據(jù))(雙字節(jié)圖)、RGB真彩色圖(3字節(jié)圖)、RGBP透明真彩色疊加圖等等。常用的數(shù)據(jù)格式的有TIFF、JPEG、BMP、PCX、GIF等。而矢量數(shù)據(jù)就更多，幾乎所有的GIS軟件都有自己特定格式的矢量數(shù)據(jù)。目前最

7、常用的矢量數(shù)據(jù)格式有Arc/info的Coverage、e00， 方正智繪的mrg，Mapinfo的mif，AutoDesk的dxf、dwg，Intergraph的dgn等等。在GIS和數(shù)字制圖中，同種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身以及兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的融合構(gòu)成了空間數(shù)據(jù)融合問題的主要內(nèi)容。 專業(yè)的3S站 3 3 柵格數(shù)據(jù)之間的融合在數(shù)字制圖中和GIS工程中，經(jīng)常用到不同來源、不同精度、不同內(nèi)容的柵格圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合而生成新的柵格圖像。目前使用的各種多源圖像處理與分析系統(tǒng)為柵格型地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)開辟一條新的途徑,可實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的各種融合。而在數(shù)字制圖中，多源柵格圖像數(shù)據(jù)之間的融合已經(jīng)非常普遍。3.1

8、 融合方法在數(shù)字制圖中，圖像融合涉及色彩、光學(xué)等領(lǐng)域，在專業(yè)的圖像處理軟件（如ERDAS、PCI、PHOTOMAPPER）或一般的圖像處理軟件（如PHOTOSHOP）都可進(jìn)行，主要是通過圖像處理的方式透明地疊加顯示各個圖層的柵格圖。一般要經(jīng)過圖像配準(zhǔn)、圖像調(diào)整、圖像復(fù)合等環(huán)節(jié)。具體過程如下：圖像配準(zhǔn)。各種圖像由于各種不同原因會產(chǎn)生幾何失真，為了使兩幅或多幅圖像所對應(yīng)的地物吻合，分辨率一致，在融合之前，需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精度糾正和配準(zhǔn)，這是圖像數(shù)據(jù)融合的前提。圖像調(diào)整。為了增強(qiáng)融合后的圖像效果和某種特定內(nèi)容的需要，進(jìn)行一些必要的處理，如為改善圖像清晰度而做的對比度、亮度的改變，為了突出圖像中

9、的邊緣或某些特定部分而做的邊緣增強(qiáng)（銳化）或反差增強(qiáng)，改變圖像某部分的顏色而進(jìn)行的色彩變化等。圖像復(fù)合。對于兩幅或多幅普通柵格圖像數(shù)據(jù)的疊加，需要對上層圖像做透明處理，才能顯示各個圖層的圖像，透明度就具體情況而定。在遙感圖像的處理中，由于其圖像的特殊性，他們之間的復(fù)合方式相對復(fù)雜而且多樣化，其中效果最明顯、應(yīng)用最多的是進(jìn)行彩色合成。 中國3S吧 3 3.2應(yīng)用分析在實際應(yīng)用中，柵格圖像數(shù)據(jù)之間的融合目前最常用的有以下幾個方面：遙感圖像之間的融合。主要包括不同傳感器遙感數(shù)據(jù)的融合和不同時相遙感數(shù)據(jù)的融合。來自不同傳感器的信息源有不同的特點，如用TM與SPOT遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合既可提高新圖

10、像的分辨率又可保持豐富的光譜信息；而不同時相遙感數(shù)據(jù)的融合對于動態(tài)監(jiān)測有很重要的實用意義，如洪水監(jiān)測、氣象監(jiān)測等。遙感圖像與地圖圖像的融合。這是當(dāng)前應(yīng)用較多的一種方法，一是遙感圖像與柵格化的DEM融合生成立體的三維景觀圖像，顯現(xiàn)逼真的現(xiàn)實效果；二是借助遙感圖像的信息周期動態(tài)性和豐富性，經(jīng)過與各種地圖圖像融合，可以從遙感圖像的快速變化中發(fā)現(xiàn)變化的區(qū)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和各種動態(tài)分析。地圖圖像之間的融合。為了更加了解該范圍的地形地貌情況，或者更全面地比較分析該地區(qū)各種資源的相互關(guān)系，對該地區(qū)不同內(nèi)容的多種地圖圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。如地形圖和各種專業(yè)圖像如地質(zhì)圖、土地利用圖、地籍圖、林業(yè)資源狀況圖等的融合

11、，土地利用圖和地籍圖的融合等等。4 矢量數(shù)據(jù)之間的融合矢量數(shù)據(jù)是GIS和數(shù)字制圖中最重要的數(shù)據(jù)源。目前很多GIS軟件都有自己的數(shù)據(jù)格式，每種軟件都有自己特定的數(shù)據(jù)模型，而正是這些軟件的多樣性，導(dǎo)致矢量數(shù)據(jù)存儲格式和結(jié)構(gòu)的不同。要進(jìn)行各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，必須對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。矢量數(shù)據(jù)之間的融合是應(yīng)用最廣泛的空間數(shù)據(jù)融合形式，也是空間數(shù)據(jù)融合研究的重點。目前對矢量數(shù)據(jù)的融合方法有多種，其中最主要的、應(yīng)用最廣泛的方法是先進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換即空間數(shù)據(jù)模型的融合，然后是幾何位置糾正，最后是重新對地圖數(shù)據(jù)各要素進(jìn)行的重新分類組合、統(tǒng)一定義。 中國3S吧 3 4.1數(shù)據(jù)模型的融合由于各種數(shù)據(jù)格式各

12、有自己的數(shù)據(jù)模型，格式轉(zhuǎn)換就是把其他格式的數(shù)據(jù)經(jīng)過專門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)格式，這是當(dāng)前GIS軟件系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的主要辦法。如Arc/Info和MapInfo之間的融合，需要經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一到其中的一種空間數(shù)據(jù)模型。該方法一般要通過交換格式進(jìn)行。許多GIS軟件為了實現(xiàn)與其他軟件交換數(shù)據(jù)，制訂了明碼的交換格式，如Arc/Info的E00格式、ArcView的Shape格式、MapInfo的Mif格式等。通過交換格式可以實現(xiàn)不同軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在這種模式下，其他數(shù)據(jù)格式經(jīng)專門的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，復(fù)制到當(dāng)前系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)中。目前得到公認(rèn)的幾種重要的比較常用的空間數(shù)據(jù)格

13、式有：ESRI公司的Arc/Info Coverage、ArcShape Files、E00格式；AutoDesk的DXF格式和DWG格式；MapInfo的MIF格式；Intergraph的dgn格式等等。4.2幾何位置糾正對于相同坐標(biāo)系統(tǒng)和比例尺的數(shù)據(jù)而言，由于技術(shù)、人為或者經(jīng)頻繁的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換甚至是由于不同軟件的因素，數(shù)據(jù)的精度會有差別。在融合過程中，需要進(jìn)行幾何位置的統(tǒng)一。如對精度要求不高，為了提高工作效率，在允許范圍內(nèi)，應(yīng)該以當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精度為準(zhǔn)，對另一種或幾種數(shù)據(jù)的幾何位置進(jìn)行糾正。如為了獲得較高的精度，應(yīng)以精度高的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，對精度低的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。4.3地圖數(shù)據(jù)要素重新統(tǒng)一定義融合后

14、的空間矢量數(shù)據(jù)，應(yīng)重新對要素分層、編碼、符號系統(tǒng)、要素取舍等問題進(jìn)行綜合整理，統(tǒng)一定義。統(tǒng)一分類分層、編碼。對于空間數(shù)據(jù)，一般都按地圖要素進(jìn)行分層，如水系、交通、地形地貌、注記等，而每層又可根據(jù)需要分為點、線、面三類，并采用編碼的方式來表述其屬性。對融合到當(dāng)前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)地圖要素或具體需要，以當(dāng)前數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)或重新制定統(tǒng)一的要素層和要素編碼。統(tǒng)一符號系統(tǒng)。這是目前矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的一個難點，由于各GIS軟件對符號的定義不同，在符號的生成機(jī)制上可能差別很大，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在符號的統(tǒng)一上有一定難度，而且在符號的準(zhǔn)確性上可能與原數(shù)據(jù)有差距。數(shù)據(jù)的綜合取舍。同一區(qū)域不同格式的空間矢量數(shù)據(jù)，要涉及到相同

15、要素的重復(fù)表示問題，應(yīng)綜合取舍。一般有以下原則：詳細(xì)的取代簡略的，精度高的取代精度低的，新的取代舊的等等，但有時為了突出某種專題要素，或為了適應(yīng)某種需要，應(yīng)視具體情況綜合取舍。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模式的弊病是顯而易見的，由于缺乏對空間對象統(tǒng)一的描述方法，轉(zhuǎn)換后很難完全準(zhǔn)確地表達(dá)原數(shù)據(jù)的信息，經(jīng)常性地造成一些信息丟失，如Arc/Info數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后可能已經(jīng)不復(fù)存在了。專業(yè)的3S站 35 矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)的融合空間數(shù)據(jù)的柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)是模擬地理信息的截然不同的兩種方法。過去人們普遍認(rèn)為這兩種結(jié)構(gòu)互不相容。原因是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要大量的計算機(jī)內(nèi)存來存儲和處理，才能達(dá)到或接近與矢量

16、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同的空間分辨率，而矢量結(jié)構(gòu)在某些特定形式的處理中，很多技術(shù)問題又很難解決。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對于空間分析很容易，但輸出的地圖精確度稍差；相反矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)量小，且能夠輸出精美的地圖，但空間分析相當(dāng)困難等等。目前兩種格式數(shù)據(jù)的融合已變得可能而且在廣泛應(yīng)用。在GIS工程中，很多的GIS系統(tǒng)已經(jīng)集成化，能夠?qū)κ噶亢蜄鸥窠Y(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。而在數(shù)字制圖中，兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的融合也在廣泛應(yīng)用。5.1柵格圖象與線劃矢量圖融合這是兩種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)簡單的疊加，是GIS里數(shù)據(jù)融合的最低層次。如遙感柵格影像與線劃矢量圖疊加，遙感柵格影像或航空數(shù)字正射影像作為復(fù)合圖的底層。線劃矢量圖可全部疊加，也可根據(jù)需要部

17、分疊加，如水系邊線、交通主干線、行政界線、注記要素等等。這種融合涉及到兩個問題，一是如何在內(nèi)存中同時顯示柵格影像和矢量數(shù)據(jù)，并且要能夠同比例尺縮放和漫游；二是幾何定位糾正，使柵格影像上和線劃矢量圖中的同名點線相互套合。如果線劃矢量圖的數(shù)據(jù)是從該柵格影像上采集得到，相互之間的套合不成問題；如果線劃矢量圖數(shù)據(jù)由其他來源數(shù)字化得到，柵格影像和矢量線劃就難以完全重合。這種地圖具有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，有豐富的光譜信息和幾何信息，又有行政界線和其他屬性信息，可視化效果很好。如目前的核心要素DLG與DOM套合的復(fù)合圖已逐漸成為一種主流的數(shù)字地圖。中國3S吧 35.2遙感圖像與DEM的融合這是目前生產(chǎn)數(shù)

18、字正射影像地圖DOM常用的一種方法。在JX4A、VIRTUOZO等數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)中，利用已有的或經(jīng)影像定向建模獲取的DEM，對遙感圖像進(jìn)行幾何糾正和配準(zhǔn)。因為DEM代表精確的地形信息，用它來對遙感、航空影像進(jìn)行各種精度糾正，可以消除遙感圖像因地形起伏造成圖像的像元位移，提高遙感圖像的定位精度；DEM還可以參與遙感圖像的分類，在分類過程中，要收集與分析地面參考信息和有關(guān)數(shù)據(jù)，為了提高分類精度，同樣需要用DEM對數(shù)字圖像進(jìn)行輻射校正和幾何糾正。6 數(shù)據(jù)融合問題的展望在數(shù)字制圖中，柵格圖像之間的融合已經(jīng)在各種部門廣泛應(yīng)用，特別是在遙感圖像的處理上，其技術(shù)手段也比較成熟；柵格圖像與矢量圖形的融合在目

19、前也相對比較簡單，而且在各種GIS軟件中都比較容易解決。他們的發(fā)展方向主要應(yīng)從應(yīng)用的角度去豐富它們的融合方式，拓展它們的應(yīng)用領(lǐng)域。而結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對軟硬件都有很高要求的各種格式的矢量數(shù)據(jù)之間的融合是目前GIS的難點，也是主要的研究方向。最好的辦法當(dāng)然是能設(shè)計一種能融合多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)模型及其數(shù)據(jù)格式的 “萬能”軟件，這樣才能真正實現(xiàn)不同格式的矢量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。目前的研究也正朝著這個方向努力，主要有以下兩種趨勢： 專業(yè)的3S站 3 6.1數(shù)據(jù)互操作模式數(shù)據(jù)互操作模式是OpenGIS consortium (OGC) 制定的規(guī)范。OGC為數(shù)據(jù)互操作制定了統(tǒng)一的規(guī)范，從而使得一個系統(tǒng)同時支

20、持不同的空間數(shù)據(jù)格式成為可能。根據(jù)OGC頒布的規(guī)范，可以把提供數(shù)據(jù)源的軟件稱為數(shù)據(jù)服務(wù)器（Data Servers），把使用數(shù)據(jù)的軟件稱為數(shù)據(jù)客戶（Data Clients），數(shù)據(jù)客戶使用某種數(shù)據(jù)的過程就是發(fā)出數(shù)據(jù)請求，由數(shù)據(jù)服務(wù)器提供服務(wù)的過程，其最終目的是使數(shù)據(jù)客戶能讀取任意數(shù)據(jù)服務(wù)器提供的空間數(shù)據(jù)。OGC規(guī)范逐漸成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)，將被越來越多的GIS軟件以及研究者所接受和采納。其主要特點是獨(dú)立于具體平臺，數(shù)據(jù)格式不需要公開，代表著數(shù)據(jù)共享技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)據(jù)互操作規(guī)范為多源數(shù)據(jù)集成帶來了新的模式，但這一模式在應(yīng)用中存在一定局限性：首先，為真正實現(xiàn)各種格式數(shù)據(jù)之間的互操作，需要每個每種格式的宿主軟件都按照著統(tǒng)一的規(guī)范實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問接口，在一定時期內(nèi)還不現(xiàn)實；其次，一個軟件訪問其他軟件的數(shù)據(jù)格式時是通過數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)的，這個數(shù)據(jù)服務(wù)器實際上就是被訪問數(shù)據(jù)格式的宿主軟件，也就是說，用戶必須同時擁有這兩個GIS軟件，并且同時運(yùn)