第七章 空間數(shù)據(jù)管理

1、媽媽說：“生活就像是一盒巧克力，你永遠不知道下一塊的味道?！盕orrest Gump第七章 空間數(shù)據(jù)管理導(dǎo)讀：本章首先介紹空間數(shù)據(jù)庫、與一般數(shù)據(jù)庫的比較，以及空間數(shù)據(jù)庫的存儲方式。然后介紹了GIS中兩種重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)，以及其具體的存儲方式，然后比較了兩種結(jié)構(gòu)的特點，并給出了其相互轉(zhuǎn)換算法。最后介紹了空間檢索中常用的技術(shù)空間索引，介紹了一些常用的空間索引方式，如BSP樹、R樹、CELL樹等；以及空間數(shù)據(jù)的查詢功能。1空間數(shù)據(jù)庫一個信息系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)庫的組成，決定于系統(tǒng)的應(yīng)用目的、數(shù)據(jù)類型和系統(tǒng)的工作方式。關(guān)于地理信息系統(tǒng)的內(nèi)容及其功能，以及地理信息系統(tǒng)的一個重要特點，或者說是與

2、一般管理信息系統(tǒng)的區(qū)別，是數(shù)據(jù)具有空間分布的性質(zhì)。對地理信息系統(tǒng)來講，不僅數(shù)據(jù)本身具有空間屬性，系統(tǒng)的分析和應(yīng)用也無不與地理環(huán)境直接關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)的這一基本特征，深刻地影響著數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、分析算法和軟件，以及系統(tǒng)的輸入和輸出。11地理信息系統(tǒng)與一般管理信息系統(tǒng)的比較從數(shù)據(jù)源的角度來看，圖形和圖像數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一個主要來源，分析處理的結(jié)果也常用圖形的方式來表示。而一般的管理信息系統(tǒng)，則多以統(tǒng)計數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)為主。這一點也使地理信息系統(tǒng)在硬件和軟件上與一般的管理信息系統(tǒng)有所區(qū)別。111兩者的區(qū)別1）在硬件上，為了處理圖形和圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要配置專門的輸入和輸出設(shè)備，如數(shù)字化儀、繪

3、圖機、圖形圖像的顯示設(shè)備等；許多野外實地采集和臺站的觀測所得到的資源信息是模擬量形式，系統(tǒng)還需要配置模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，這些設(shè)備往往超過中央處理機的價格，體積也比較大。2）在軟件上，則要求研制專門的圖形和圖像數(shù)據(jù)的分析算法和處理軟件，這些算法和軟件又直接和數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)庫的管理方法有關(guān)。3）在信息處理的內(nèi)容和采用目的方面，一般的管理信息系統(tǒng)，主要是查詢檢索和統(tǒng)計分析，處理的結(jié)果，大多是制成某種規(guī)定格式的表格數(shù)據(jù)，而地理信息系統(tǒng)，除了基本的信息檢索和統(tǒng)計分析外，主要用于分析研究資源的合理開發(fā)利用，制定區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，地區(qū)的綜合治理方案，對環(huán)境進行動態(tài)的監(jiān)視和預(yù)測預(yù)報，為國民經(jīng)濟建設(shè)中的決策提供科學(xué)依據(jù)

4、，為生產(chǎn)實踐提供信息和指導(dǎo)。由于地理信息系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自然和社會的綜合體，所以信息的處理必然是多因素的綜合分析。系統(tǒng)分析是基本的方法，例如，研究某種地理信息系統(tǒng)中各組成部分間的相互關(guān)系，利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)給定的目標(biāo)函數(shù)，進行數(shù)學(xué)規(guī)劃，尋求最優(yōu)方案，使該系統(tǒng)的經(jīng)濟效益為最佳；或者分析系統(tǒng)中各部分之間反饋聯(lián)系，建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，采用系統(tǒng)動力學(xué)的方法，進行動態(tài)分析，研究系統(tǒng)狀態(tài)的變化和預(yù)測發(fā)展趨勢等。計算機仿真是一種有效而經(jīng)濟的分析方法，便于分析各種因素的影響和進行方案的比較，在自然環(huán)境和社會經(jīng)濟的許多應(yīng)用研究中常被采用。此外，地理信息系統(tǒng)還有分析量算的功能，如計算面積、長度、

5、密度、分布特征等以及地理實體之間的關(guān)系運算。112兩者共同之處地理信息系統(tǒng)和一般的信息管理系統(tǒng)，也有許多共同之處。兩者都是以計算機為核心的信息處理系統(tǒng)，都具有數(shù)據(jù)量大和數(shù)據(jù)之間關(guān)系復(fù)雜的特點，也都隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展在不斷的改進和完善。比較起來，商用的管理信息系統(tǒng)發(fā)展快，用戶數(shù)量大，而且已有定型的軟件產(chǎn)品可供選用，這也促進了軟件系統(tǒng)的標(biāo)準化。地理信息系統(tǒng)，由于上述一些特點，多是根據(jù)具體的應(yīng)用要求專門設(shè)計，數(shù)據(jù)格式和組織管理方法各不相同。目前國外已有幾百個空間數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和軟件包，幾乎沒有兩個系統(tǒng)是一樣的，盡管大家都認為標(biāo)準化是很重要的，也作了許多努力（例如建立計算機制圖的標(biāo)準和規(guī)范），但分析的

6、算法和軟件系統(tǒng)還談不上標(biāo)準化的問題。事實上，地理信息系統(tǒng)正作為一種空間信息的處理系統(tǒng)，成為一個單獨的研究和發(fā)展領(lǐng)域。12空間數(shù)據(jù)庫121數(shù)據(jù)庫的概念數(shù)據(jù)庫就是為一定目的服務(wù)，以特定的數(shù)據(jù)存儲的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合，它是數(shù)據(jù)管理的高級階段，是從文件管理系統(tǒng)發(fā)展而來的。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫（簡稱空間數(shù)據(jù)庫或地理數(shù)據(jù)庫）是某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合。為了直觀地理解數(shù)據(jù)庫，可以把數(shù)據(jù)庫作如下比較：表7-1：數(shù)據(jù)庫與圖書館比較數(shù)據(jù)庫圖書館數(shù)據(jù)圖書數(shù)據(jù)模型書卡編目數(shù)據(jù)的物理組織圖書存放規(guī)則、書架數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)圖書管理員外存書庫用戶讀者數(shù)據(jù)存取圖書閱覽122空間數(shù)據(jù)庫特點空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫相比

7、，具有以下特點：1）數(shù)據(jù)量特別大，地理系統(tǒng)是一個復(fù)雜的綜合體，要用數(shù)據(jù)來描述各種地理要素，尤其是要素的空間位置，其數(shù)據(jù)量往往很大。2）不僅有地理要素的屬性數(shù)據(jù)（與一般數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)性質(zhì)相似），還有大量的空間數(shù)據(jù)，即描述地理要素空間分布位置的數(shù)據(jù)，并且這兩種數(shù)據(jù)之間具有不可分割的聯(lián)系。3）數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，例如地理研究、環(huán)境保護、土地利用與規(guī)劃、資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境、市政管理、道路建設(shè)等。123數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是關(guān)于事物及其關(guān)系的信息組合，早期的數(shù)據(jù)庫物體本身與其屬性是分開存儲的，只能滿足簡單的數(shù)據(jù)恢復(fù)和使用。數(shù)據(jù)定義使用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，利用文件形式存儲，稱之為文件處理系統(tǒng)。文件處理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)

8、庫管理最普遍的方法，但是有很多缺點：首先每個應(yīng)用程序都必須直接訪問所使用的數(shù)據(jù)文件，應(yīng)用程序完全依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時應(yīng)用程序也隨之修改；另外的問題是數(shù)據(jù)文件的共享。由于若干用戶或應(yīng)用程序共享一個數(shù)據(jù)文件，要修改數(shù)據(jù)文件必須征得所有用戶的認可。由于缺乏集中控制也會帶來一系列數(shù)據(jù)庫的安全問題。數(shù)據(jù)庫的完整性是嚴格的，信息質(zhì)量很差比沒有信息更糟。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System，DBMS）是在文件處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的系統(tǒng)。DBMS在用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)文件之間起到了橋梁作用。DBMS的最大優(yōu)點是提供了兩者之間的數(shù)據(jù)獨立性，即應(yīng)用程序訪問數(shù)

9、據(jù)文件時，不必知道數(shù)據(jù)文件的物理存儲結(jié)構(gòu)。當(dāng)數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)改變時，不必改變應(yīng)用程序。1）采用標(biāo)準DBMS存儲空間數(shù)據(jù)的主要問題* 在“地理信息系統(tǒng)軟件工程技術(shù)”一章中“數(shù)據(jù)管理設(shè)計”中詳細描述了各種不同的數(shù)據(jù)管理方案。用標(biāo)準的DBMS來存儲空間數(shù)據(jù)，不如存儲表格數(shù)據(jù)那樣好，其主要問題包括：（11）在GIS中，空間數(shù)據(jù)記錄是變長的，因為需要存儲的坐標(biāo)點的數(shù)目是變化的，而一般數(shù)據(jù)庫都只允許把記錄的長度設(shè)定為固定長度。不僅如此，在存儲和維護空間數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系方面，DBMS也存在著嚴重的缺陷。因而，一般要對標(biāo)準的DBMS增加附加的軟件功能。（12）DBMS一般都難以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、連通、包含、

10、疊加等基本操作。（13）GIS需要一些復(fù)雜的圖形功能，一般的DBMS不能支持。（14）地理信息是復(fù)雜的，單個地理實體的表達需要多個文件、多條記錄、或許包括大地網(wǎng)、特征坐標(biāo)、拓撲關(guān)系、空間特征量測值、屬性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字以及非空間專題屬性等，一般的DBMS也難以支持。（15）具有高度內(nèi)部聯(lián)系的GIS數(shù)據(jù)記錄需要更復(fù)雜的安全性維護系統(tǒng)，為了保證空間數(shù)據(jù)庫的完整性，保護數(shù)據(jù)文件的完整性，保護系列必須與空間數(shù)據(jù)一起存儲，否則一條記錄的改變就會使其他數(shù)據(jù)文件產(chǎn)生錯誤。一般的DBMS都難以保證這些。2）GIS數(shù)據(jù)管理方法主要4種類型（21）對不同的應(yīng)用模型開發(fā)獨立的數(shù)據(jù)管理服務(wù)，這是一種基于文件管理的處理方法

11、。（22）在商業(yè)化的DBMS基礎(chǔ)上開發(fā)附加系統(tǒng)。開發(fā)一個附加軟件用于存儲和管理空間數(shù)據(jù)和空間分析，使用DBMS管理屬性數(shù)據(jù)。（23）使用現(xiàn)有的DBMS，通常是以DBMS為核心，對系統(tǒng)的功能進行必要擴充，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)在同一個DBMS管理之下。需要增加足夠數(shù)量的軟件和功能來提供空間功能和圖形顯示功能。（24）重新設(shè)計一個具有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)管理和分析功能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。13數(shù)據(jù)與文件組織數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界中信息的載體，是信息的具體表達形式，為了表達有意義的信息內(nèi)容，數(shù)據(jù)必須按照一定的方式進行組織和存儲。131數(shù)據(jù)組織的分級數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織一般可以分為四級：數(shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫。1）數(shù)據(jù)項

12、數(shù)據(jù)項是可以定義數(shù)據(jù)的最小單位，也叫元素、基本項、字段等，數(shù)據(jù)項與現(xiàn)實世界實體的屬性相對應(yīng)，數(shù)據(jù)項有一定的取值范圍，稱為域，域以外的任何值對該數(shù)據(jù)項都是無意義的。每個數(shù)據(jù)項都有一個名稱，稱為數(shù)據(jù)項目。數(shù)據(jù)項的值可以是數(shù)值的、字母的、字母數(shù)字的、漢字的等形式。數(shù)據(jù)項的物理特點在于它具有確定的物理長度，可以作為整體看待。2）記錄記錄是由若干相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)項組成，是處理和存儲信息的基本單位，是關(guān)于一個實體的數(shù)據(jù)總和，構(gòu)成該記錄的數(shù)據(jù)項表示實體的若干屬性。記錄有“型”和“值”的區(qū)別，“型”是同類記錄的框架，它定義記錄；而“值”是記錄反映實體的內(nèi)容。為了唯一標(biāo)識每個記錄，就必須有記錄標(biāo)識符，也叫關(guān)鍵字。記

13、錄標(biāo)識符一般由記錄中的第一個數(shù)據(jù)項擔(dān)任，唯一標(biāo)識記錄的關(guān)鍵字稱主關(guān)鍵字，其它標(biāo)識記錄的關(guān)鍵字稱為輔關(guān)鍵字。記錄可以分為邏輯記錄與物理記錄，邏輯記錄是文件中按信息在邏輯上的獨立意義來劃分的數(shù)據(jù)單位；而物理記錄是單個輸入輸出命令進行數(shù)據(jù)存取的基本單元。物理記錄和邏輯記錄之間的對應(yīng)關(guān)系有一個物理記錄一對應(yīng)一個邏輯記錄；一個物理記錄含有若干個邏輯記錄；若干個物理記錄存放一個邏輯記錄。3）文件文件是一給定類型的（邏輯）記錄的全部具體值的集合，文件用文件名稱標(biāo)識，文件根據(jù)記錄的組織方式和存取方法可以分為：順序文件、索引文件、直接文件和倒排文件等。4）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是比文件更大的數(shù)據(jù)組織，數(shù)據(jù)庫是具有特定聯(lián)系

14、的數(shù)據(jù)的集合，也可以看成是具有特定聯(lián)系的多種類型的記錄的集合。數(shù)據(jù)庫的內(nèi)部構(gòu)造是文件的集合，這些文件之間存在某種聯(lián)系，不能孤立存在。132數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系主要是指記錄與記錄之間的聯(lián)系。記錄是表示現(xiàn)實世界中的實體的。實體之間存在著一種或多種聯(lián)系，這樣的聯(lián)系必然要反映到記錄之間的聯(lián)系上來。數(shù)據(jù)之間的邏輯聯(lián)系主要有三種：一對一的聯(lián)系；一對多的聯(lián)系；多對多的聯(lián)系。133常用數(shù)據(jù)文件圖7-1：非順序文件文件組織是數(shù)據(jù)組織的一部分，數(shù)據(jù)組織既指數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的組織，又指數(shù)據(jù)在外存中的組織，而文件組織則主要指數(shù)據(jù)記錄在外存設(shè)備上的組織，它由操作系統(tǒng)OS進行管理，具體講在外存設(shè)備上如何安排數(shù)據(jù)和

15、組織數(shù)據(jù)，以及實施對數(shù)據(jù)的訪問方式等問題。操作系統(tǒng)實現(xiàn)的文件組織方式，可以分為順序文件、索引文件、直接文件和倒排文件。1）順序文件順序文件（圖7-2）是最簡單的文件組織形式，對記錄按照主關(guān)鍵字的順序進行組織。當(dāng)主關(guān)鍵字是數(shù)字型時，以其數(shù)值的大小為序；若主關(guān)鍵字是文字型的，則以字母的排列為序。一切存于磁帶上的記錄，都只能是順序的，而存于磁盤上的記錄，既可以是順序的，也可以是隨機的。順序文件的記錄，邏輯上是按主關(guān)鍵字排序的，而在物理存儲上可以有不同的方式，包括向量方式：被存儲的文件按地址連續(xù)存放，物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)一致；鏈方式：文件不按地址連續(xù)存放，文件的邏輯順序靠鏈來實現(xiàn)，文件中的每個記錄中都含

16、有一個指針，用以指明下一個記錄的存放地址；塊鏈方式：把文件分成若干數(shù)據(jù)塊，塊之間用指針連接，而塊內(nèi)則是連續(xù)存儲。圖7-2：順序文件2）索引文件索引文件除了存儲記錄本身（主文件）以外，還建立了若干索引表，這種帶有索引表的文件叫索引文件。索引表中列出記錄關(guān)鍵字和記錄在文件中的位置（地址）。讀取記錄時，只要提供記錄的關(guān)鍵字值，系統(tǒng)通過查找索引表獲得記錄的位置，然后取出該記錄。索引表一般都是經(jīng)過排序的，既可以是有順序的，也可以是非順序的，可以是單級索引，也可以是多級索引，多級索引可以提高查找速度，但占用的存儲空間較大。3）直接文件直接文件又稱隨機文件，其存儲是根據(jù)記錄關(guān)鍵字的值，通過某種轉(zhuǎn)換方法得到一

17、個物理存儲位置，然后把記錄存儲在該位置上。查找時，通過同樣的轉(zhuǎn)換方法，可以直接得到所需要的記錄。4）倒排文件倒排文件是帶有輔索引的文件，其中輔索引是按照一些輔關(guān)鍵字來組織索引的（注意：索引文件是按照記錄的主關(guān)鍵字來構(gòu)造索引的，也叫主索引）。倒排文件是一種多關(guān)鍵字的索引文件，其中的索引不能唯一標(biāo)識記錄，往往同一索引指向若干記錄。因而，索引往往帶有一個指針表，指向所有該索引標(biāo)識的記錄。通過輔索引不能直接讀取記錄，而要通過主關(guān)鍵字才能查到記錄的位置。倒排文件的主要優(yōu)點是在處理多索引檢索時，可以在輔檢索中先完成查詢的交、并等邏輯運算，得到結(jié)果后再對記錄進行存取，從而提高查找速度。14 GIS的內(nèi)部數(shù)據(jù)

18、結(jié)構(gòu)矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)描述地理實體的數(shù)據(jù)本身的組織方法，稱為內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指適合于計算機系統(tǒng)存儲、管理和處理的地學(xué)圖形的邏輯結(jié)構(gòu)，是地理實體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述。它是對數(shù)據(jù)的一種理解和解釋，不說明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)是毫無用處的，不僅用戶無法理解，計算機程序也不能正確的處理。對同樣的一組數(shù)據(jù)，按不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去處理，得到的可能是截然不同的內(nèi)容?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是地理信息系統(tǒng)溝通信息的橋梁，只有充分理解地理信息系統(tǒng)所采用的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能正確地使用系統(tǒng)。內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本上可分為兩大類：矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)（也可以稱為矢量模型和柵格模型）（圖7-3）。兩類結(jié)構(gòu)都可用來描述地理實體

19、的點、線、面三種基本類型。空間數(shù)據(jù)編碼是空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，即將根據(jù)地理信息系統(tǒng)的目的和任務(wù)所搜集的、經(jīng)過審核了的地形圖、專題地圖和遙感影像等資料按特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為適合于計算機存儲和處理的數(shù)據(jù)的過程。由于地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)量極大，一般采用壓縮數(shù)據(jù)的編碼方式以減少數(shù)據(jù)冗余。在地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，柵格結(jié)構(gòu)的編碼方式主要有直接?xùn)鸥窬幋a、鏈碼、游程長度編碼、塊碼、四叉樹碼等；矢量結(jié)構(gòu)主要有坐標(biāo)序列編碼、樹狀索引編碼和二元拓撲編碼等編碼方法。圖7-3：矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)141矢量模型在矢量模型中，現(xiàn)實世界的要素位置和范圍可以采用點、線或面表達，與它們在地圖上表示相似，每一個實體的位置是用它們

20、在坐標(biāo)參考系統(tǒng)中的空間位置（坐標(biāo)）定義。地圖空間中的每一位置都有唯一的坐標(biāo)值。點、線和多邊形用于表達不規(guī)則的地理實體在現(xiàn)實世界的狀態(tài)（多邊形是由若干直線圍成的封閉區(qū)域的邊界）。一條線可能表達一條道路，一個多邊形可能表達一塊林地等。矢量模型中的空間實體與要表達的現(xiàn)實世界中的空間實體具有一定的對應(yīng)關(guān)系。142柵格模型在柵格模型中，空間被規(guī)則地劃分為柵格（通常為正方形）。地理實體的位置和狀態(tài)是用它們占據(jù)的柵格的行、列來定義的。每個柵格的大小代表了定義的空間分辨率。由于位置是由柵格行列號定義的，所以特定的位置由距它最近的柵格記錄決定。例如，某個區(qū)域被劃分成10*10個柵格，那么僅能記錄位于這10*10

21、個柵格附近的物體的位置。柵格的值表達了這個位置上物體的類型或狀態(tài)。采用柵格方法，空間被劃分成大量規(guī)則格網(wǎng)，而且每個柵格取值可能不一樣?？臻g單元是柵格，每一個柵格對應(yīng)于一個特定的空間位置，如地表的一個區(qū)域，柵格的值表達了這個位置的狀態(tài)。與矢量模型不一樣，柵格模型最小單元與它表達的真實世界空間實體沒有直接的對應(yīng)關(guān)系。柵格數(shù)據(jù)模型中的空間實體單元不是通常概念上理解的物體，它們只是彼此分離的柵格。例如，道路作為明晰的柵格是不存在的，柵格的值才表達了路是一個實體。道路是被具有道路屬性值的一組柵格表達的，這條路不可能通過某一柵格實體被識別出來。在這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間信息都是使用統(tǒng)一的單位表達。在柵格方法

22、中，統(tǒng)一的單位是柵格（柵格是不可再分的，其屬性用于表達對應(yīng)位置物體的性質(zhì)），表達一個區(qū)域所用柵格的數(shù)量很大，但其柵格單元的大小一樣。柵格數(shù)據(jù)文件包含有上百萬個柵格，每個柵格的位置都被嚴格定義。在矢量方法中，統(tǒng)一的單元是點、線和多邊形，與柵格方法相比，在數(shù)量上所用的表達單元較少，但大小可變。在矢量文件中，元素的個數(shù)或許數(shù)千個，但畢竟沒有柵格數(shù)據(jù)那么多。同一類型的矢量單元的位置是用連續(xù)坐標(biāo)值定義。矢量數(shù)據(jù)提供的坐標(biāo)位置比柵格數(shù)據(jù)用行、列號所表達位置更精確。這兩種方法各有優(yōu)缺點，究竟采用何種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，取決于利用數(shù)據(jù)的目的。有些地理現(xiàn)象用柵格數(shù)據(jù)表達更合適；有些地理現(xiàn)象則用矢量數(shù)據(jù)更有利，以便表達它們

23、之間的空間關(guān)系。2柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其編碼21柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)211定義柵格結(jié)構(gòu)是最簡單最直接的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個網(wǎng)格作為一個象元或象素由行、列定義，并包含一個代碼表示該象素的屬性類型或量值，或僅僅包括指向其屬性記錄的指針。因此，柵格結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。如圖7-4所示，在柵格結(jié)構(gòu)中，點用一個柵格單元表示；線狀地物沿線走向的一組相鄰柵格單元表示，每個柵格單元最多只有兩個相鄰單元在線上；面或區(qū)域用記有區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎?，每個柵格單元可有多于兩個的相鄰單元同屬一個區(qū)

24、域。遙感影像屬于典型的柵格結(jié)構(gòu)，每個象元的數(shù)字表示影像的灰度等級。（a）點 （b）線 （c）面圖7-4：點、線、區(qū)域的格網(wǎng)212特點柵格結(jié)構(gòu)的顯著特點是：屬性明顯，定位隱含，即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或?qū)傩员旧恚谖恢脛t根據(jù)行列號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)，也就是說定位是根據(jù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中的位置得到的。如圖7-4-（a）所示，數(shù)據(jù)2表示屬性或編碼為2的一個點，其位置由其所在的第3行、第4列交叉得到的。由于柵格結(jié)構(gòu)是按一定的規(guī)則排列的，所表示的實體的位置很容易隱含在格網(wǎng)文件的存儲結(jié)構(gòu)中，在后面講述柵格結(jié)構(gòu)編碼時可以看到，每個存儲單元的行列位置可以方便地根據(jù)其在文件中的記錄位置得到，且行列坐標(biāo)可以很容易地

25、轉(zhuǎn)為其他坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。在格網(wǎng)文件中每個代碼本身明確地代表了實體的屬性或?qū)傩缘木幋a，如果為屬性的編碼，則該編碼可作為指向?qū)嶓w屬性表的指針。圖7-4-（a）表示了代碼為2的點實體，圖7-4-（b）表示了一條代碼為6的線實體，而圖7-4-（c）則表示了三個面實體或稱為區(qū)域?qū)嶓w，代碼分別為4、7和8。由于柵格行列陣列容易為計算機存儲、操作和顯示，因此這種結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，算法簡單，且易于擴充、修改，也很直觀，特別是易于同遙感影像的結(jié)合處理，給地理空間數(shù)據(jù)處理帶來了極大的方便。柵格結(jié)構(gòu)表示的地表是不連續(xù)的，是量化和近似離散的數(shù)據(jù)。在柵格結(jié)構(gòu)中，地表被分成相互鄰接、規(guī)則排列的矩形方塊（特殊的情況下也可以是三

26、角形或菱形、六邊形等），每個地塊與一個柵格單元相對應(yīng)。柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元大小之比。在許多柵格數(shù)據(jù)處理時，常假設(shè)柵格所表示的量化表面是連續(xù)的，以便使用某些連續(xù)函數(shù)。由于柵格結(jié)構(gòu)對地表的量化，在計算面積、長度、距離、形狀等空間指標(biāo)時，若柵格尺寸較大，則造成較大的誤差，由于在一個柵格的地表范圍內(nèi)，可能存在多于一種的地物，而表示在相應(yīng)的柵格結(jié)構(gòu)中常常是一個代碼。也類似于遙感影像的混合象元問題，如Landsat的MSS衛(wèi)星影像單個象元對應(yīng)地表79米*79米的矩形區(qū)域，影像上記錄的光譜數(shù)據(jù)是每個象元所對應(yīng)的地表區(qū)域內(nèi)所有地物類型的光譜輻射的總和效果。因而，這種誤差不僅有形態(tài)上的畸形

27、，還可能包括屬性方面的偏差。22決定柵格單元代碼的方式在決定柵格代碼時盡量保持地表的真實性，保證最大的信息容量。圖7-5所示的一塊矩形地表區(qū)域，內(nèi)部含有A、B、C三種地物類型，O點為中心點，將這個矩形區(qū)域近似地表示為柵格結(jié)構(gòu)中的一個柵格單元時，可根據(jù)需要，采取如下的方式之一來決定柵格單元的代碼。圖7-5：柵格單元代碼的確定221中心點法用處于柵格中心處的地物類型或現(xiàn)象特性決定柵格代碼，在圖7-5所示的矩形區(qū)域中，中心點O落在代碼為C的地物范圍內(nèi)，按中心點法的規(guī)則，該矩形區(qū)域相應(yīng)的柵格單元代碼為C，中心點法常用于具有連續(xù)分布特性的地理要素，如降雨量分布、人口密度圖等。222面積占優(yōu)法以占矩形區(qū)域

28、面積最大的地物類型或現(xiàn)象特性決定柵格單元的代碼，在圖7-5所示的例子中，顯見B類地物所占面積最大，故相應(yīng)柵格代碼定為B。面積占優(yōu)法常用于分類較細，地物類別斑塊較小的情況。223重要性法根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重要性，選取最重要的地物類型決定相應(yīng)的柵格單元代碼，假設(shè)圖7-5中A類最重要的地物類型，即A比B和C類更為重要，則柵格單元的代碼應(yīng)為A。重要性法常用于具有特殊意義而面積較小的地理要素，特別是點、線狀地理要素，如城鎮(zhèn)、交通樞紐、交通線、河流水系等，在柵格中代碼應(yīng)盡量表示這些重要地物。224百分比法根據(jù)矩形區(qū)域內(nèi)各地理要素所占面積的百分比數(shù)確定柵格單元的代碼，如可記面積最大的兩類BA，也可以根據(jù)B

29、類和A類所占面積百分比數(shù)在代碼中加入數(shù)字。23編碼方法231直接?xùn)鸥窬幋a這是最簡單直觀而又非常重要的一種柵格結(jié)構(gòu)編碼方法，通常稱這種編碼的圖像文件為網(wǎng)格文件或柵格文件，柵格結(jié)構(gòu)不論采用何種壓縮編碼方法，其邏輯原型都是直接編碼網(wǎng)格文件。直接編碼就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼，可以每行都從左到右逐個象元記錄，也可以奇數(shù)行地從左到右而偶數(shù)行地從右向左記錄，為了特定目的還可采用其他特殊的順序（圖7-6）。圖7-6：一些常用的柵格排列順序232壓縮編碼方法目前有一系列柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，如鍵碼、游程長度編碼、塊碼和四叉樹編碼等。其目的，就是用盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的信

30、息，其類型又有信息無損編碼和信息有損編碼之分。信息無損編碼是指編碼過程中沒有任何信息損失，通過解碼操作可以完全恢復(fù)原來的信息，信息有損編碼是指為了提高編碼效率，最大限度地壓縮數(shù)據(jù)，在壓縮過程中損失一部分相對不太重要的信息，解碼時這部分難以恢復(fù)。在地理信息系統(tǒng)中多采用信息無損編碼，而對原始遙感影像進行壓縮編碼時，有時也采取有損壓縮編碼方法。1）鏈碼（Chain Codes）鏈碼又稱為弗里曼鏈碼Freeman或邊界鏈碼，鏈碼可以有效地壓縮柵格數(shù)據(jù)，而且對于估算面積、長度、轉(zhuǎn)折方向的凹凸度等運算十分方便，比較適合于存儲圖形數(shù)據(jù)。缺點是對邊界進行合并和插入等修改編輯工作比較困難，對局部的修改將改變整體

31、結(jié)構(gòu)，效率較低，而且由于鏈碼以每個區(qū)域為單位存儲邊界，相鄰區(qū)域的邊界將被重復(fù)存儲而產(chǎn)生冗余。2）游程長度編碼（Run-Length Codes）游程長度編碼是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法，它的基本思路是：對于一幅柵格圖像，常常有行（或列）方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復(fù)的記錄內(nèi)容。其方法有兩種方案：一種編碼方案是，只在各行（或列）數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同的代碼重復(fù)的個數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。例如對圖7-4（c）所示柵格數(shù)據(jù)，可沿行方向進行如下游程長度編碼：（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7

32、，2）；（0，2），（4，1），（8，3），（7，2）；（0，2），（8，4），（7，1），（8，1）；(0，3)，(8，5)；(0，4)，(8，4)；(0，5)，(8，3)。只用了44個整數(shù)就可以表示，而在前述的直接編碼中卻須要64個整數(shù)表示，可見游程長度編碼壓縮數(shù)據(jù)是十分有效又簡便的。事實上，壓縮比的大小是與圖的復(fù)雜程度成反比的，在變化多的部分，游程數(shù)就多，變化少的部分游程數(shù)就少，圖件越簡單，壓縮效率就越高。另一種游程長度編碼方案就是逐個記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應(yīng)代碼，如對圖7-4（c）所示柵格數(shù)據(jù)的另一種游程長度編碼如下（沿列方向）：（1，0），（2，4），（4，0），（1

33、，4），（4，0）；（1，4），（5，8），（6，0）；（1，7），（2，4），（4，8），（7，0）；（1，7），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。游程長度編碼在柵格壓縮時，數(shù)據(jù)量沒有明顯增加，壓縮效率較高，且易于檢索，疊加合并等操作，運算簡單，適用于機器存儲容量小，數(shù)據(jù)需大量壓縮，而又要避免復(fù)雜的編碼解碼運算增加處理和操作時間的情況。3）塊碼塊碼是游程長度編碼擴展到二維的情況，采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由初始位置（行、列號）和半徑，再加上記錄單位的代碼組成。對圖7-4（c）所示

34、圖像的塊碼編碼如下：(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),

35、(8,5,1,0)。該例中塊碼用了120個整數(shù)，比直接編碼還多，這是因為例中為描述方便，柵格劃分很粗糙，在實際應(yīng)用中，柵格劃分細，數(shù)據(jù)冗余多的多，才能顯出壓縮編碼的效果，而且還可以作一些技術(shù)處理，如行號可以通過行間標(biāo)記而省去記錄，行號和半徑等也不必用雙字節(jié)整數(shù)來記錄，可進一步減少數(shù)據(jù)冗余。塊碼具有可變的分辨率，即當(dāng)代碼變化小時圖塊大，就是說在區(qū)域圖斑內(nèi)部分辨率低；反之，分辨率高以小塊記錄區(qū)域邊界地段，以此達到壓縮的目的。因此塊碼與游程長度編碼相似，隨著圖形復(fù)雜程度的提高而降低效率，就是說圖斑越大，壓縮比越高；圖斑越碎，壓縮比越低。塊碼在合并、插入、檢查延伸性、計算面積等操作時有明顯的優(yōu)越性。然

36、而在某些操作時，則必須把游程長度編碼和塊碼解碼，轉(zhuǎn)換為基本柵格結(jié)構(gòu)進行。4）四叉樹四叉樹又稱四元樹或四分樹，是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一，絕大部分圖形操作和運算都可以直接在四叉樹結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)，因此四叉樹編碼既壓縮了數(shù)據(jù)量，又可大大提高圖形操作的效率。四叉樹將整個圖像區(qū)逐步分解為一系列被單一類型區(qū)域內(nèi)含的方形區(qū)域，最小的方形區(qū)域為一個柵格象元，分割的原則是，將圖像區(qū)域劃分為四個大小相同的象限，而每個象限又可根據(jù)一定規(guī)則判斷是否繼續(xù)等分為次一層的四個象限，其終止判據(jù)是，不管是哪一層上的象限，只要劃分到僅代表一種地物或符合既定要求的少數(shù)幾種地物時，則不再繼續(xù)劃分，否則一直劃分到單個柵格象元為止。

37、四叉樹通過樹狀結(jié)構(gòu)記錄這種劃分，并通過這種四叉樹狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)查詢、修改、量算等操作。圖7-7（b）為圖7-4（c）圖形的四叉樹分解，各子象限尺度大小不完全一樣，但都是同代碼柵格單元，其四叉樹如圖7-7-（c）所示。（a）塊碼分割 （b）四叉樹分割（c）b的四叉樹編碼圖7-7：四叉樹編碼其中最上面的那個結(jié)點叫做根結(jié)點，它對應(yīng)整個圖形。總共有4層結(jié)點，每個結(jié)點對應(yīng)一個象限，如2層4個結(jié)點分別對應(yīng)于整個圖形的四個象限，排列次序依次為南西（SW）、南東（SE）、北西（NW）和北東（NE），不能再分的結(jié)點稱為終止結(jié)點（又稱葉子結(jié)點），可能落在不同的層上，該結(jié)點代表的子象限具有單一的代碼，所有終止結(jié)點所代表

38、的方形區(qū)域覆蓋了整個圖形。從上到下，從左到右為葉子結(jié)點編號如圖7-7(c)所示，共有40個葉子結(jié)點，也就是原圖被劃分為40個大小不等的方形子區(qū)，圖7-7(c)的最下面的一排數(shù)字表示各子區(qū)的代碼。由上面圖形的四叉樹分解可見，四叉樹中象限的尺寸是大小不一的，位于較高層次的象限較大，深度小即分解次數(shù)少，而低層次上的象限較小，深度大即分解次數(shù)多，這反映了圖上某些位置單一地物分布較廣而另一些位置上的地物比較復(fù)雜，變化較大。正是由于四叉樹編碼能夠自動地依照圖形變化而調(diào)整象限尺寸，因此它具有極高的壓縮效率。采用四叉樹編碼時，為了保證四叉樹分解能不斷地進行下去，要求圖像必須為2n×2n的柵格陣列，n

39、為極限分割數(shù)，n+1為四叉樹的最大高度或最大層數(shù)，圖7-4（c）為23×23的柵格，因此最多劃分三次，最大層數(shù)為4，對于非標(biāo)準尺寸的圖像需首先通過增加背景的方法將圖像擴充為2n×2n的圖像。為了使計算機既能以最小的冗余存儲圖像對應(yīng)的四叉樹，又能方便地完成各種圖形圖像操作，專家們已提出了多種編碼方式，下面介紹美國馬里蘭大學(xué)地理信息系統(tǒng)中采用的編碼方式，該方法記錄了終止結(jié)點（或葉子結(jié)點）的地址和值，值就是子區(qū)的代碼，其中地址包括兩個部分，共32位（二進制），最右邊4位記錄該葉子結(jié)點的深度，即處于四叉樹的第幾層上，有了深度可以推知子區(qū)的大小；地址由從根結(jié)點到該葉子結(jié)點的路徑表示，

40、0，1，2，3分別表示SW、SE、NW、NE，從右邊第5位開始2n字節(jié)記錄這些方向。如圖7-7-（c）表示的第六個結(jié)點深度為3，第一層處于SW象限，記為0；第二層處于NE象限，記為3，第三層處于NW象限，記為2，表示為二進制為：0000 000(22位)；001110（6位）；0011（4位）每層象限位置由兩位二進制數(shù)表示，共6位，十進制整數(shù)為227。這樣，記錄了各個葉子的地址，再記上相應(yīng)代碼值，就記錄了這個圖像，并可在此編碼基礎(chǔ)上進行多種圖像操作。事實上，葉結(jié)點的地址可以直接由子區(qū)左下角的行列坐標(biāo)，按二進制按位交錯得到。如對于6號葉子結(jié)點，在以圖像左下角為原點的行列坐標(biāo)系中，其左下角行、列坐

41、標(biāo)為（3，2），表示為二進制分別為011和010，按位交錯就是001110，正是6號地塊。對于只有點狀地物或只有線狀地物的圖件，為了提高效率，設(shè)計了略有不同的劃分終止條件和記錄方法，稱為點四叉樹和線四叉樹。點四叉樹對子象限的劃分直到每個子象限不含有點或只含有一個點為止，葉子的值則記錄是否有點和點在子象限的位置；線四叉樹劃分子象限直到子象限不含線段或只含有單個線段，對線的結(jié)點則劃分到單個象素，其葉子值記錄更為復(fù)雜。四叉樹編碼具有可變的分辨率，并且有區(qū)域性質(zhì)，壓縮數(shù)據(jù)靈活，許多運算可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實現(xiàn)，大大地提高了運算效率，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。一般說來，對數(shù)據(jù)的壓縮是以增加運算時間為代價

42、的。在這里時間與空間是一對矛盾，為了更有效地利用空間資源，減少數(shù)據(jù)冗余，不得不花費更多的運算時間進行編碼，好的壓縮編碼方法就是要在盡可能減少運算時間的基礎(chǔ)上達到最大的數(shù)據(jù)壓縮效率，并且是算法適應(yīng)性強，易于實現(xiàn)。鏈碼的壓縮效率較高，已經(jīng)近矢量結(jié)構(gòu)，對邊界的運算比較方便，但不具有區(qū)域的性質(zhì)，區(qū)域運算困難；游程長度編碼既可以在很大程度上壓縮數(shù)據(jù)，又最大限度地保留了原始柵格結(jié)構(gòu)，編碼解碼十分容易；塊碼和四叉樹碼具有區(qū)域性質(zhì)，又具有可變的分辨率，有較高的壓縮效率，四叉樹編碼可以直接進行大量圖形圖像運算，效率較高，是很有前途的方法。在此基礎(chǔ)上已經(jīng)開始發(fā)展了用于三維數(shù)據(jù)的八叉樹編碼等。3矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其編碼

43、31矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)311定義地理信息系統(tǒng)中另一種最常見的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為矢量結(jié)構(gòu)，即通過記錄坐標(biāo)的方式盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體，坐標(biāo)空間設(shè)為連續(xù)，允許任意位置、長度和面積的精確定義，事實上，其精度僅受數(shù)字化設(shè)備的精度和數(shù)值記錄字長的限制，在一般情況下，比柵格結(jié)構(gòu)精度高得多。對于點實體，矢量結(jié)構(gòu)中只記錄其在特定坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和屬性代碼；對于線實體，在數(shù)字化時即進行量化，就是用一系列足夠短的直線首尾相接表示一條曲線，當(dāng)曲線被分割成多而短的線段后，這些小線段可以近似地看成直線段，而這條曲線也可以足夠精確地由這些小直線段序列表示，矢量結(jié)構(gòu)中只記錄這些小線段的端點坐標(biāo)，將曲線表示為一個坐標(biāo)序

44、列，坐標(biāo)之間認為是以直線段相連，在一定精度范圍內(nèi)可以逼真地表示各種形狀的線狀地物；“多邊形”在地理信息系統(tǒng)中是指一個任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域。其邊界將整個空間劃分為兩個部分：包含無窮遠點的部分稱為外部，另一部分稱為多邊形內(nèi)部。把這樣的閉合區(qū)域稱為多邊形是由于區(qū)域的邊界線同前面介紹的線實體一樣，可以被看作是由一系列多而短的直線段組成，每個小線段作為這個區(qū)域的一條邊，因此這種區(qū)域就可以看作是由這些邊組成的多邊形了。跟蹤式數(shù)字化儀對地圖數(shù)字化產(chǎn)生矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)字地圖，適合于矢量繪圖儀繪出。矢量結(jié)構(gòu)允許最復(fù)雜的數(shù)據(jù)以最小的數(shù)據(jù)冗余進行存儲，相對柵格結(jié)構(gòu)來說，數(shù)據(jù)精度高，所占空間小，是高效的空間數(shù)

45、據(jù)結(jié)構(gòu)。312特點矢量結(jié)構(gòu)的特點是：定位明顯、屬性隱含，其定位是根據(jù)坐標(biāo)直接存儲的，而屬性則一般存于文件頭或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中某些特定的位置上，這種特點使得其圖形運算的算法總體上比柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多，有些甚至難以實現(xiàn)，當(dāng)然有些地方也有所便利和獨到之處，在計算長度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，矢量結(jié)構(gòu)有很高的效率和精度，而在疊加運算、鄰域搜索等操作時則比較困難。32編碼方法321點實體對于點實體和線實體的矢量編碼比較直接，只要能將空間信息和屬性信息記錄完全就可以了。點是空間上不能再分的地理實體，可以是具體的或抽象的，如地物點、文本位置點或線段網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點等，由一對x、y坐標(biāo)表示。圖7-8-a表

46、示了點的矢量編碼的基本內(nèi)容。322線實體線實體主要用來表示線狀地物（如公路、水系、山脊線等）符號線和多邊形邊界，有時也稱為“弧”、“鏈”、“串”等，其矢量編碼一般包括以下內(nèi)容，圖7-8-b為線實體矢量編碼的基本內(nèi)容。其中唯一標(biāo)識碼是系統(tǒng)排列序號；線標(biāo)識碼可以標(biāo)識線的類型；起始點和終止點號可直接用坐標(biāo)表示；顯示信息是顯示時的文本或符號等；與線相聯(lián)系的非幾何屬性可以直接存儲于線文件中，也可單獨存儲，而由標(biāo)識碼聯(lián)接查找。圖7-8：（a）點實體的編碼，（b）線實體的編碼323多邊形多邊形數(shù)據(jù)是描述地理信息的最重要的一類數(shù)據(jù)。在區(qū)域?qū)嶓w中，具有名稱屬性和分類屬性的，多用多邊形表示，如行政區(qū)、土地類型、植

47、被分布等；具有標(biāo)量屬性的，有時也用等值線描述（如地形、降雨量等）。多邊形矢量編碼不但要表示位置和屬性，更為重要的是要能表達區(qū)域的拓撲性質(zhì)，如形狀、鄰域和層次等，以便使這些基本的空間單元可以作為專題圖資料進行顯示和操作，由于要表達的信息十分豐富，基于多邊形的運算多而復(fù)雜，因此多邊形矢量編碼比點和線實體的矢量編碼要復(fù)雜得多，也更為重要。多邊形矢量編碼除有存儲效率的要求外，一般還要求所表示的各多邊形有各自獨立的形狀，可以計算各自的周長和面積等幾何指標(biāo)；各多邊形拓撲關(guān)系的記錄方式要一致，以便進行空間分析；要明確表示區(qū)域的層次，如島-湖-島的關(guān)系等。因此，它與機助制圖系統(tǒng)僅為顯示和制圖目的而設(shè)計的編碼有

48、很大不同。1）坐標(biāo)序列法（Spaghetti方式）圖7-9：坐標(biāo)序列法表示的多邊形由多邊形邊界的x、y坐標(biāo)對集合及說明信息組成，是最簡單的一種多邊形矢量編碼，如圖7-9記為以下坐標(biāo)文件：10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11；20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16；x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11；3

49、0：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40；40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30；x31,y31；x32,y32；50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24；x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28；坐標(biāo)序列法文件結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)以多邊形為單位的運算和顯示。這種方法的缺點是：（11）多邊形之間的公共邊界被數(shù)字化和存儲兩次，由此產(chǎn)生冗余和碎屑多邊形；（12）每個

50、多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進行鄰域處理，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界；（13）島只作為一個單個的圖形建造，沒有與外包多邊形的聯(lián)系；（14）不易檢查拓撲錯誤。這種方法可用于簡單的粗精度制圖系統(tǒng)中。2）樹狀索引編碼法該法采用樹狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息，方法是對所有邊界點進行數(shù)字化，將坐標(biāo)對以順序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結(jié)構(gòu)。圖7-10和圖7-11分別為圖7-9的多邊形文件和線文件樹狀索引示意圖。其文件結(jié)構(gòu)如下：圖7-10：線與多邊形之間的樹狀索引圖7-11：點與邊界線之間的樹狀索引采用上述的樹狀結(jié)構(gòu)，圖7-9的多邊形數(shù)據(jù)記

51、錄如下：1）點文件：點號坐標(biāo)1x1,y12x2,y240x40,y402）線文件線號起點終點點號I161,2,3,4,5,6II686,7,8X333333,34,35,36,37,38,39,40,333）多邊形文件多邊形編號多邊形邊界10I,II,IX20III,VII,VIII,IX,X30X40IV,VI,VII50II,III,IV,V樹狀索引編碼消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致的問題，在簡化過于復(fù)雜的邊界線或合并相鄰多邊形時可不必改造索引表，鄰域信息和島狀信息可以通過對多邊形文件的線索引處理得到，但是比較繁瑣，因而給相鄰函數(shù)運算，消除無用邊，處理島狀信息以及檢查拓撲關(guān)系帶來一

52、定的困難，而且兩個編碼表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出錯。3）拓撲結(jié)構(gòu)編碼法要徹底解決鄰域和島狀信息處理問題必須建立一個完整的拓撲關(guān)系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)包括以下內(nèi)容：唯一標(biāo)識，多邊形標(biāo)識，外包多邊形指針，鄰接多邊形指針，邊界鏈接，范圍（最大和最小x、y坐標(biāo)值）。采用拓撲結(jié)構(gòu)編碼可以較好地解決空間關(guān)系查詢等問題，但增加了算法的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)庫的大小。矢量編碼最重要的是信息的完整性和運算的靈活性，這是由矢量結(jié)構(gòu)自身的特點所決定的，目前并無統(tǒng)一的最佳的矢量結(jié)構(gòu)編碼方法，在具體工作中應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的特點和任務(wù)的要求而靈活設(shè)計。DIME(雙重獨立坐標(biāo)地圖編碼，Dual Independent Map E

53、ncoding)編碼系統(tǒng)DIME是美國人口調(diào)查局在人口調(diào)查的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它通過有向編碼建立了多邊形、邊界、節(jié)點之間的拓撲關(guān)系，DIME編碼成為其它拓撲編碼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。4矢柵結(jié)構(gòu)的比較及轉(zhuǎn)換算法41柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)的比較柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)似乎是兩種截然不同的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格結(jié)構(gòu)“屬性明顯、位置隱含”，而矢量結(jié)構(gòu)“位置明顯、屬性隱含”，柵格數(shù)據(jù)操作總的來說比較容易實現(xiàn)，尤其是作為斑塊圖件的表示更易于為人們接受；而矢量數(shù)據(jù)操作則比較復(fù)雜，許多分析操作（如兩張地圖的覆蓋操作，點或線狀地物的鄰域搜索等）用矢量結(jié)構(gòu)實現(xiàn)十分困難，矢量結(jié)構(gòu)表達線狀地物是比較直觀的，而面狀地物則是通過對邊界的描述而表

54、達。無論哪種結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)量都是一對矛盾，要提高精度，柵格結(jié)構(gòu)需要更多的柵格單元，而矢量結(jié)構(gòu)則需記錄更多的線段結(jié)點。一般來說，柵格結(jié)構(gòu)只是矢量結(jié)構(gòu)在某種程度上的一種近似，如果要使柵格結(jié)構(gòu)描述的圖件取得與矢量結(jié)構(gòu)同樣的精度，甚至僅僅在量值上接近，則數(shù)據(jù)也要比后者大得多。柵格結(jié)構(gòu)在某些操作上比矢量結(jié)構(gòu)更有效更易于實現(xiàn)，如按空間坐標(biāo)位置的搜索，對于柵格結(jié)構(gòu)是極為方便的，而對矢量結(jié)構(gòu)則搜索時間要長得多；在給定區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)計指標(biāo)運算，包括計算多邊形形狀、面積、線密度、點密度，柵格結(jié)構(gòu)可以很快算得結(jié)果，而采用矢量結(jié)構(gòu)則由于所在區(qū)域邊界限制條件難以提取而降低效率，對于給定范圍的開窗、縮放柵格結(jié)構(gòu)也比矢量

55、結(jié)構(gòu)優(yōu)越；另一方面，矢量結(jié)構(gòu)用于拓撲關(guān)系的搜索則更為高效，即諸如計算多邊形形狀搜索鄰域、層次信息等；對于網(wǎng)絡(luò)信息只有矢量結(jié)構(gòu)才能完全描述；矢量結(jié)構(gòu)在計算精度與數(shù)據(jù)量方面的優(yōu)勢也是矢量結(jié)構(gòu)比柵格結(jié)構(gòu)受到歡迎的原因之一，對圖7-10而言，假設(shè)坐標(biāo)精度要求為萬分之一，即5位數(shù)字，采用矢量結(jié)構(gòu)需記錄40個結(jié)點，每個結(jié)點用兩個雙字節(jié)整數(shù)記錄x、y坐標(biāo)，加上對其他說明信息的描述，200個字節(jié)足夠了，而若用基本柵格記錄，則需10000*10000=108個字節(jié)，即使采用單字節(jié)記錄柵格代碼（不超過255），也需約五百萬個字節(jié)，當(dāng)然實際圖形的矢量結(jié)構(gòu)記錄采點一般要比圖7-10密得多，但數(shù)據(jù)量仍大大少于柵格結(jié)構(gòu)的

56、數(shù)據(jù)量。柵格結(jié)構(gòu)除了可使大量的空間分析模型得以容易實現(xiàn)之外，還具有以下兩個特點：（1）易于與遙感相結(jié)合。遙感影像是以象元為單位的柵格結(jié)構(gòu)，可以直接將原始數(shù)據(jù)或經(jīng)過處理的影像數(shù)據(jù)納入柵格結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)。（2）易于信息共享。目前還沒有一種公認的矢量結(jié)構(gòu)地圖數(shù)據(jù)記錄格式，而不經(jīng)壓縮編碼的柵格格式即整數(shù)型數(shù)據(jù)庫陣列則易于為大多數(shù)程序設(shè)計人員和用戶理解和使用，因此以柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行信息共享的數(shù)據(jù)交流較為實用。許多實踐證明，柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)在表示空間數(shù)據(jù)上可以是同樣有效的，對于一個GIS軟件，較為理想的方案是采用兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)并存，對于提高地理信息系統(tǒng)的空間分辨率、數(shù)據(jù)壓縮率和

57、增強系統(tǒng)分析、輸入輸出的靈活性十分重要。兩種格式的比較見表7-2。表7-2：矢量格式與柵格格式的比較優(yōu)點缺點矢量數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊、冗余度低2有利于網(wǎng)絡(luò)和檢索分析3圖形顯示質(zhì)量好、精度高1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜2多邊形疊加分析比較困難柵格數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單2便于空間分析和地表模擬3現(xiàn)勢性較強1數(shù)據(jù)量大2投影轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜42相互轉(zhuǎn)換算法矢量結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換，是地理信息系統(tǒng)的基本功能之一，目前已經(jīng)發(fā)展了許多高效的轉(zhuǎn)換算法；但是，從柵格數(shù)據(jù)到矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，特別是掃描圖像的自動識別，仍然是目前研究的重點。對于點狀實體，每個實體僅由一個坐標(biāo)對表示，其矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換基本上只是坐標(biāo)精度變換問題，不存在太大的技術(shù)問題。線實體的矢量結(jié)構(gòu)由一系列坐標(biāo)對表示，在變?yōu)闁鸥窠Y(jié)構(gòu)時，除把序列中坐標(biāo)對變?yōu)闁鸥裥辛凶鴺?biāo)外，還需根據(jù)柵格精度要求，在坐標(biāo)點之間插滿一系列柵格點，這也容易由兩點式直線方程得到。線實體由柵格結(jié)構(gòu)變?yōu)槭噶拷Y(jié)構(gòu)與將多邊形邊界表示為矢量結(jié)構(gòu)相似，因此以下重點討論多邊形（面實體）的矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)相互轉(zhuǎn)換。421矢量格式向柵格格式的轉(zhuǎn)換矢量格式向柵格格式轉(zhuǎn)換又稱為多邊形填充，就是在矢