（计算机应用技术专业论文）基于遥感分类图的矢量化算法研究及应用.pdf

河南大学硕士研究生学位论文 摘要 作为空间栅格数据之一的遥感数据，是g i s 系统中重要的信息源，而遥感分 类图是遥感图像的一种特殊形式。遥感图像作为栅格数据同样具有栅格数据不能 满足某些空间分析的缺点，矢量数据恰恰能弥补这些不足。遥感图的矢量化是r s 和g i s 集成的重要方式，同时为了保证矢量数据在g i s 中的工作效率和实用性， g i s 对矢量化算法的效率、拓扑结构完整性都有较高的要求。 另外，拓扑重构完整性和高效率的栅格矢量转化方法，也能够为g i s 和r s 的 结合提供更好的途径和保障，因此遥感图的矢量化在g i s 和r s 集成中具有十分重 要的意义。 近年来出现了一些新的矢量化方法，这些方法拓展了解决问题的思路，使得 栅格矢量化方法得到了很大的提高，但仍然存在着一些不够完善的地方。本文以 提高拓扑重构完整性为出发点，在总结前人算法的基础上，对遥感分类图矢量化 算法进行了研究和完善，提出了一种基于遥感分类图的矢量化算法，该算法可以 改善含有复杂嵌套关系多边形矢量化后的拓扑完整性，并将该算法应用到旱涝风 灾害预防决策支持系统中。 本文的主要工作有： ( 1 ) 通过对遥感分类图矢量化的核心问题一边界搜索和拓扑重构的分析，以 拓扑关系原理为指导，对分类图中具有复杂图斑的情况进行了进一步的研究，提 出一种能够较好处理复杂嵌套关系，特别是含有共边“岛 情况的矢量化方法， 该方法较好的处理了遥感分类图中复杂嵌套图斑的矢量化问题，进一步改善了共 边“岛 矢量化后拓扑结构完整性。 ( 2 ) 在由节点或边界点生成多边形的时候，就通过弧段前两个点确定弧段相 邻多边形的属性信息，并建立关于弧段的索引。在多边形生成的时候可以避免进 行最小角计算，直接通过建立的索引生成多边形，这在一定程度上能够加快简单 第1 i 页；- i 南大学硕士研究生学位论文 多边形的生成速度。 ( 3 ) 把基于遥感分类图的矢量化算法应用到旱涝风灾害预防决策支持系统 中，为系统中的缓冲分析、网络分析和叠加分析等空间分析功能进行基于矢量数 据的空间分析提供了基础。 关键词：遥感分类图；矢量化；共边“岛”；拓扑结构完整性；栅格数据 a b s t r a c t r e m o t es e n s i n gd a t ai s0 n eo f t h ei m p o r t a n ts o u r c eo fi n f o r m a t i o ni ng i ss y s t e m a n dr e m o t es e n s i n ga p p l i c a t i o n s r e m o t es e n s i n gc l a s s i f i c a t i o nm a p i sa5 p e c l a lt y p eo f t h ec 锄m o n l yu s e dr e m o t es e n s i n gd a t a i no r d e r t ok e e pt h ee f f i c i e n c y 孤dp r a c t l c a l l t ) ， o ft h es y s t e m ，g i sh a sh i g hr e q u i r e m e n t sf o rt h ee f f i c i e n c yo f v e c t o ra i g o d t h i n s 锄d t o p o l o g i c a l 姗c 咖li n t e g r i t y r e m o t e s e n s i n gc l a s s i f i c a t i o nm a pi s 锄i m p o r t a n t i n t e g r a t i o nm e t h o do fr sa n dg i s d u et oi t sm a n ys h o r t c o m i n g s ，f a s t e rd a t a 姗咖e ， t 0ac e r t a i ne x t 胁t c a i ln o tm e e tt h en e e d so fg l s ；h o w e v e r , v e c t o r d a t a1 sp r e c l s e j yt o m a k eu pf o rt h e s es h o r t c o m i n g s i i la d d i t i o n ，t l l ei i l t e 鲈时o ft o p o l o g yr e c o n s t r u c t i o na n d h i g he f f i c i e n tv e c t o 卜r a s t e r c o n v e r s i o nm e t l l o d sc 锄a l s op r o v i d eab e t t e rw a y t oe n s u r et h ec o m b i n a t i o no f g i sa 1 1 d r s t h e r e f o r e ，t h ev e c t o r i z a t i o no fr e m o t es e n s i n gc l a s s i f i c a t i o nh a sg r e a ts l g n i f i c a i l c e i nt h ei n t e g r a t i o no fg i s a n dr s 1 l lr e c e n ty e a r s ，s e v 训n e wm e t h o d sh a v ea p p e a r e dt oe x p a n d t h ei d e ao fs o l v l n g s u c hp r o b l 锄s 胁t e ra n dv e c t o rm e t h o d h a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，b u tt h e r e 淝s t i l l s o m ei m p e 彘c tp l a c e s i no r d e rt oe n h a n c e t h ei n t e g r i t yo ft o p o l o g yr e c o n s 仃u c t l o n ，t n l s a r t i c l eh a ss t u d i e da n di m p r o v e dt h ev e c t o r i z a t i o no f t h er e m o t es e n s i n gc i a s s l n c a t l o n 0 nt l l eb a s i so ft h ep r e v i o u sa l g o r i t h m i th a sp u t f o r w a r dak i n do fv e c t o r i z a t i o n a 1 9 0 r i 廿1 n 1b a s e do n r e m o t es e n s i n gc l a s s i f i c a t i o n t h ea l 鲥嘶c a n 姗i p r o v e t t l e i n t e 鲈时o fp o l y 9 0 nt o p o l o g yi nt h ev e c t o ra n d i ti sa p p l i e dt od r o u g h t s 锄dl l o o da n a w i n dd i s a s t e rp r e v e n t i o nd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) na n a l y z e st h ec o r ep r o b l e mo f r e m o t es e n s i n gc l a s s i f i c a t i o nm a p v e c t o r i z a t o n ， n 锄e l v t h ec l a s s i f i c a t i o nm a p a n dc o m p l e xp o l y g o n s ，a n ds m d i e s t h ec o m p l e x p o l y g o n sb a s e d0 nt o p o l o g i c a lr e l a t i o n s i nt h ep a p e r , i tp r o p o s e s t h ev e c t o n z a t l o nt 0 r e s o l v em ec o m p l e xp o l y g o n si na b e t t e rw a y , e s p e c i a l l y , t or e s o l v et h o s e w h l c hm c l u d e t l l es h a r i l l g b o u n d a r yi s l a n d s t h es h a r i n g - b o u n d a r y i s l a n d sc a l lb e t t e rd e a lw i t ht h e 第1 v 页河南大学硕士研究生学位论文 r e m o t es e n s i n gm a pv e c t o r i z a t i o n a l g o r i t h m ，w h i c h f u r t h e r i m p r o v et o p o l o g i c a l s t r u c t u r a li n t e g r i t yo ft h es h a r i n g b o u n d a r yi s l a n d sv e c t o r i z a t i o n ( 2 ) w h e np o l y g o ni sg e n e r a t e db yt h en o d e sa n dt h eb o u n d a r yp o i n t s ，t h ef i r s tt w o p o i n t so na r cs e g m e n td e t e r m i n et h ea t t r i b u t ei n f o r m a t i o no fi t sa d j a c e n tp o l y g o n sa n d t h ee s t a b l i s h m e n to fa ni n d e xo nt h ea r c a sar e s u l t ，p o l y g o ni sg e n e r a t e dd i r e c t l y t h r o u g ht h ei n d e xr a t h e rt h a nc o u n t i n gt h em i n i m u mi n t e r i o ra n g l e ，w h i c hi ns o m es e n s e ， i n c r e a s e st h es p e e do ft h eg e n e r a t e dp o l y g o n ( 3 ) t h er e m o t es e n s i n gc l a s s i f i c a t i o nm a pv e c t o r i z a t o na l g o r i t h mi sa p p l i e dt ot h e d r o u g h t sa n dw i n dd i s a s t e rp r e v e n t i o nd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m i tp r o v i d e st h eb a s i sf o r s p a t i a la n a l y s i sb a s e do nv e c t o r i z a t i o ns u c ha sb u f f e ra n a l y s i s ，o v e r l a ya n a l y s i s ，n e t w o r k a n a l y s i s ，e t c k e yw o r d s ： r e m o t es e n s i n gc l a s s i f i c a t i o n ；v e c t o r i z a t i o n ；s h a r i n g - b o u n d a r yi s l a n d s ； t o p o l o g i c a ls t r u c t u r a li n t e g r i t y ；r a s t e rd a t a 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位中请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成酌对所研究酌课题有新酌见解。据栽所知除 文中特别加阱说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果。也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所儆的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位峰请人( 学位论文作者，釜名： 毫奄1 8 卑8al 箩日 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全 了解并同意河南大学有关保留、使用学位论文的要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 甄质文 本和电子文本) 以供公众检索、查阅。本 授枳河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等目的可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 釜名：习二珥 2 0 o 年月f 箩日 学住做特教师筝名= 3 丝 河南大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 是地理信息科学、 管理和分析空间信息的技术系统。它是在计算机硬件支持下，运用系统工程和信 息科学的理论和方法，综合地、动态地获取、存取、传输、管理、分析和利用地 理信息的空间信息系统。自2 0 世纪6 0 年代兴起以来，遥感和地理信息系统技术已 经逐步应用于测绘、地质、军事、旅游、环境监测等各个领域。 1 1 研究背景与意义 空间信息在g i s 中有两种表达形式：矢量数据和栅格数据1 。虽然目前g i s 系统能够同时处理矢量数据和栅格数据，但大量的分析和应用还是基于矢量数据 的，某些栅格数据分析的结果有时也需要进行矢量化表达，因此对栅格数据与矢 量数据之间转化方法的研究是非常必要的1 。 在g i s 中，一般用矢量数据进行管理，并且矢量数据还有一些栅格数据无法比 拟的优点，比如进行空间分析中的网络分析、进行较高精度的叠置分析和缓冲分 析，这些都需要在矢量数据的基础上来进行。但是有很多作为g i s 重要数据来源的 数据都是栅格数据，比如作为g i s 数据非常重要来源之一的遥感信息( 数据) ，所 以遥感图像的矢量化对g i s 和r s 的结合起着重要作用。 矢量化工作对于g i s 的发展是非常重要的，因为矢量图有下列优点： 1 ) 存储空间小，同样一幅图所占磁盘存储空间是栅格图的1 5 一i i 0 。 2 ) 编辑和修改方便、容易、速度快。 3 ) 矢量图的修改、编辑要求的计算机硬件环境低。 4 ) 矢量图进行放大缩小时，图像信息不会失真。 5 ) 矢量数据可以更精确定义位置、长度大小。 6 ) 便于空间数据与属性数据的联合分析。 7 ) 对输出设备要求低。 第2 页河南大学硕士研究生学位论文 8 ) 矢量数据能够提供更有效的拓扑编码，因而对需要拓扑信息的操作更有 效，如网络分析等。 矢量化的概念虽然容易理解，但是涉及的知识和操作很多，因此空间栅格数 据的矢量化仍然是目前的一个研究重点，矢量化技术涉及计算机图形学，模式识 别，人工智能等多门学科，具有重大理论意义和使用价值，日益在国土资源、林 业、农业、水利等行业的信息化建设中受到关注。 1 2国内外研究现状 在空间数据的转换中，从矢量数据到栅格数据的转换问题解决己久。但反转 换法即从栅格数据到矢量数据的转换方法仍是国内外研究的主要对象。下面就国 内外在这方面所做的工作做一下介绍。 已有的栅格矢量化转换算法大多是针对二值图象的。大量的算法假定整个二 值图象己在内存，或者对图象进行轴化( 又称细化) ，把灰度图变成二值图，从而 以某种检索规则来跟踪轮廓，如8 m 邻域跟踪法。p a v l i d s 通过产生和检索行相邻 图( l a g ) 来提取轮廓点；1 9 8 8 年，p a r k e r 口6 3 利用了离散条件下的弦线定理等，这 些算法在存储和速度上很难令人满意；b u r y ( 1 9 8 9 ) 啼引提出了如何减少矢量化图 斑锯齿状多边形数量的线要素简化和平滑方法，以便产生更切合实际的空间图层； c e d e r b e r g 口钉，b a t c h e l o r 口鲫分别提出的通过栅格扫描来获得轮廓的表示；l i c h t n e r 开发的处理栅格和矢量转换的综合软件r a v e t ，这些算法在存储和速度上日趋完 善，但这些算法获得的结果是非结构化的矢量数据，因而只能用于显示和编辑， 而不能进行图形操作和处理，不能满足制图要求。1 9 9 7 年，c o n g a i t o n 探讨了栅格 数据矢量化和矢量数据栅格化在理论上的重要性，并对栅格数据和矢量数据的互 相转换结果进行了比较分析。1 9 9 3 年，r i e k e r t 提出了一种从栅格图像中提取面状 区域的算法，该算法相比以前算法有着重要的改进阳1 。c o n g a l t o n ( 1 9 9 7 ) 以典型 的规则图斑做了详尽的对比研究，但其缺少大面积实际的遥感分类数据分析和评 价应用实例嘲1 。 河南大学硕士研究生学位论文第3 页 一些学者针对传统栅格矢量化技术存在的对计算机性能要求高、转换效率低、 难以处理较大规模栅格图形等缺点，提出了一些处理方法和解决思路。如文献 1 提出的有向边界法，此方法源于图形边缘跟踪思想，同样也存在着处理速度较慢， 形成图形拓扑关系比较困难的缺点。文献 2 提出的基于“栅格技术”的栅格数据 矢量化方法，该方法主要是对边界信息栅格化，再由栅格化的边界信息得到矢量 化边界信息，再根据获取的图斑内点完成最后的矢量化过程。文献 3 提出了散列 线段聚合法，该方法主要是通过纵向扫描栅格，得到一系列带有左右码的直线段， 最后通过对这些散列线段的逐次聚合得到多边形弧段。文献 4 提出了无边界游程 编码及其矢栅互相装换算法，这种算法是对游程追踪进行了扩充。文献 5 提出的 基于拓扑关系的矢量化方法，该方法通过扫描栅格得到弧段结点和坐标点等矢量 信息，然后对这些点进行匹配、连接等处理生成弧段，最后再通过这些弧段信息 构成多边形。文献 6 提出了一种基于动态打断和粗网格技术的多边形自交和孤 “岛 问题的处理方法。文献 7 在结合结点搜索法的基础上，提出了一种对具有 多层嵌套关系“岛的处理方法。文献 8 基于线性四叉树的矢量化方法尝试了一 种直接由压缩编码得到矢量的方法。文献 9 ，1 0 提出了基于游程编码结构的栅格 数据矢量化方法。以上的文献 1 5 ，8 ，1 0 中的方法比较适合不太复杂的拓扑关 系，对于复杂的拓扑关系处理不理想，文献 6 对自交多边形和孤“岛 的矢量化 问题进行了探讨，但对于有多重嵌套关系的“岛 处理不足。文献 7 对多重嵌套 “岛 进行了研究，但对于有相邻关系“岛 的情况处理不足。另外还有一些其 他方面的相关研究如文献 1 9 对地理信息系统的数据结构进行了分析对比，对栅 格数据和矢量数据的发展进行了展望。文献 2 4 研究了多边形图拓扑信息自动生 成的数学原理及拓扑信息正确性的检验准则。文献 3 0 给出了一种闭合区域的矢 量化方法。文献 4 0 提出了一种基于方位角计算的多边形快速构建算法，很好地 解决了多边形的构建及“岛屿 与“飞地 的处理问题。文献 4 2 该文分析了栅 格图像矢量化的常用方法存在的问题，介绍并简单评价了多种主要的改进方法， 第4 页河南大学硕士研究生学位论文 最后就栅格图像矢量化的研究方向给出了一些建议。文献 4 5 主要分析了g i s 中栅 格数据向矢量数据转换过程中出现的面积误差和来源。文献 4 8 从具体的问题出 发，运用“m o r t o n 码 记录曲线拐点特征的方法，避免了转化后面积的偏差。 随着栅格数据矢量化研究的发展，也开发了许多栅格矢量数据转换软件。武 汉测绘大学林开愚等为实现a r l e s 图象处理系统专题文件与r a m s 图形处理系统的 多边形文件的相互转换而设计的算法，其基本思想仍是基于二值图像的邻域跟踪。 北京大学张文中等设计了双边界定向搜索算法( d b d f ) ，其边界线搜索采用2 * 2 栅 格矩阵作为扫描窗口，在每一个窗口内的四个栅格数据模式可以唯一地确定下一 个窗口应移动的定向和该弧段的左右多边形编号，大大提高了搜索速度，拓扑关 系也容易建立，但未输出完整的矢量数据结构。北京大学李钦敏等在g e o - - u n i o n 微机地理信息系统中设计了用一个2 * 2 的子矩阵漫游整幅图像的算法，需要对线段 和结点进行一系列的处理才能获得较完整的数据结构和拓扑信息。中科院卫星地 面站贾安等设计了一种直接从栅格式遥感专题图象到其多边形表示的算法，基于 游程编码栅格图象，通过动态数据结构上指针操作，在每一行上跟踪区域轮廓和 拓扑关系的变化，一次遍历原图来完成栅格数据的矢量转换，从而使存储空间显 著改善，大大提高了速度。 现有国外的通用遥感影像处理系统，如e r d a s 、p c i 、e rm a p p e r 等均提供栅格 数据转矢量后处理功能，并且实施矢量化的基本几何单元是基于遥感分类数据的 分辨率尺度。尽管存在多种栅格数据转矢量数据的实现算法，实际对遥感分类数 据进行矢量化形成的图层质量并不好，尤其是针对大面积、大容量分类数据时， 生成的矢量图碎斑多、图斑界线呈锯齿状、平滑处理能力较弱、数据综合或概括 程度不能按实际需求和制图规格有效地优化等缺陷，总是难以克服陆7 1 。 一般的r 2 v 方法还存在着如下不足之处，首先对于邻接边都要记录两次，比如 目前流行的软件包e n v i 和a r c g i s 都有这种缺点；其次e n v l 只能处理二值图像，对 于多值图像只能一种值一种值的转换。h r c g i s f l 邑- - 次处理多值图像但是转换面状 河南大学硕士研究生学位论文第5 页 目标成矢量目标时没有完整的拓扑信息，两者不易于处理邻接多边形共边情况汹1 。 通过对以上文献资料的研究分析，可知矢量化过程中对边界的追踪方面已经 很成熟，所以本文是基于拓扑重构正确性这个中心点来展开研究工作的。通过本 文的研究工作，能够在一定程度上提高矢量转化后图斑拓扑关系的正确性。 1 3 本文的主要研究内容 矢量化的步骤一般包含有多边形边界提取、边界线追踪、拓扑关系生成、去 除冗余点并进行曲线圆滑四个步骤，这四个步骤中的核心问题是边界搜索和拓扑 关系重构。鉴于边界搜索方法相对较成熟，现有研究多侧重探讨边界搜索和拓扑 关系重构。本文正是基于这一点而展开研究的。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 通过对已有几种典型的栅格数据矢量化算法的分析，总结他们的优缺点。 ( 2 ) 分析遥感分类图矢量化的技术要点，在基于拓扑关系矢量化思想的基础 上，对分类图中具有复杂图斑的情况进行了深一步的研究，提出了一种能够较好 处理复杂嵌套关系的遥感分类图矢量化算法。 ( 3 ) 在对遥感分类图矢量化的过程中，对由节点和边界点生成的弧段( 包括 闭合弧段和非闭合弧段) 建立索引，这样生成多边形时就不需要用很多算法中用 到的左转算法进行内角计算，可以在一定程度上提高生成多边形的效率，并运用 三次b 样条对矢量图进行了边界光滑处理。 ( 4 ) 把研究成果应用到旱涝风灾害预防决策支持系统中。 本文内容组织如下： 第l 章主要介绍了遥感分类图矢量化的意义，介绍了矢量化的研究现状和不 足、以及本文的主要研究内容及安排。 第2 章介绍了空间栅格数据矢量化的基本理论知识，主要包括了空间数据的相 关概念、重要的地理空间表达形式栅格模型和矢量模型、矢栅转换的基本原理和 概念以及空间拓扑关系。 第6 页河南大学硕士研究生学位论文 第3 章介绍了空间栅格数据矢量化的相关算法，并对基于拓扑关系的栅格数据 矢量化和有向边界法等这些具有代表性的典型矢量化算法进行了介绍和分析。 第4 章在对现有遥感分类图矢量化算法分析的基础上，以基于拓扑结构矢量化 思想为基础提出了一种改进算法。在算法中把简单多边形和含有共边“岛 的复 杂嵌套多边形分别进行了处理，算法能较好解决以往算法对共边“岛 处理不理 想的问题，基本上可以满足实际需要。 第5 章介绍了本文所研究内容的实例应用一旱涝风灾害预防决策支持系统，介 绍了系统的开发背景、主要功能，以及如何应用到台风专题模块中，并给出了算 法的应用效果图。 最后是全文的总结，对本文的主要研究工作进行简要的概括，并探讨和展望 了在未来时间内应当进一步发展和完善的问题。 1 4 本章小结 本章主要介绍了遥感分类图矢量化的研究意义、基于遥感分类图矢量化方法 的研究现状以及本文的研究内容，同时介绍了本文的组织结构和章节安排。 河南大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章空间栅格数据矢量化的基本理论 遥感图像本身也是空间栅格数据的一种，要研究基于遥感分类图的矢量化方 法，首先要对空间数据的特征、表达形式、空间拓扑关系、栅格数据和矢量数据 各自的特征以及转换的原理进行了解。 2 1遥感图像 遥感技术( r e m o t es e n s i n g ) 是二十世纪六十年代迅速发展起来的一门综合性 探测技术。遥感是在不直接接触的情况下，对目标物或者自然现象远距离感知的 一门探测技术。具体的讲是指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器 获得各种反映地表特征的数据，通过人工或计算机自动处理，提取有用的信息， 实现研究地物空间形状、空间位置、空间性质、空间变化以及其与环境的相互关 系的一门现代化应用技术。 遥感系统的组成如图2 1 所示： 图2 - 1遥感图像组成示意图 在g i s 中，遥感数据是一种重要的信息源，因此从遥感数据中提取的专题信 息的矢量化是g i s 的重要内容。但是，目前所使用的技术和算法存在对内存要求 高、转化效率低、处理数据量有限制等缺点，这对建立“数字地球的大区域g i s ， 势必会影响其工作效率和实用性。 第8 页河南大学硕士研究生学位论文 遥感图像，或称遥感像片，是各种传感器所获信息的产物，是遥感探测目标 的信息载体。遥感图像是以像元表示的栅格数据，每个像元有着一定的大小，不 仅仅是表示一个点。遥感图像作为栅格数据同样具有栅格数据不能满足空间分析 的缺点。在g i s 中，遥感数据是一种重要的信息源，因此从遥感数据中提取的专 题信息的矢量化是g i s 的重要内容口1 。对图像进行矢量化，即对栅格图像进行目标 提取，然后将目标用点、线、面等矢量元素来表达。 遥感分类图是遥感图像的一种特殊形式，一般情况下，整个遥感分类图有若 干种不同的地物组成，同类地物聚集在一起组成图斑，对遥感分类图的矢量化就 是提取图斑的边界线，生成矢量弧段，然后再由这些矢量弧段生成具有拓扑关系 的矢量多边形。矢量化后多边形的属性和矢量化前图斑的属性相同。随着遥感的 发展，遥感数据逐渐成为地理信息系统重要的数据源，其中遥感图像分类栅格图 就是一种非常重要的数据源，1 。 2 2 空间数据 空间数据作为数据具有一般数据的特性，但它又有自身的一些特性，根据这 些特性空间数据可以用多种形式表达。其中最基本的表达形式是数据模型，即栅 格模型和矢量模型，两种数据模型可以根据实际需要进行转换。 2 2 1空间数据的定义及特征 空间数据是一种描述地球表层一定范围内的地理事物及其关系的数据。空间 数据具有三个基本特征：空间特征( 定位数据) ，表示现象的空间位置或现在所处 的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示，如笛 卡尔坐标等；属性特征( 非定位数据) ，空间特征是g i s 中特有的特征，它表示实 际的现象或特征，列如变量、级别、数量特征和名称等等：时间特征( 时间尺度) ， 指现象或物体随时间的变化，其变化周期有超短期的、短期的、中期的、长期的 等；如图2 - 2 所示。 河南大学硕士研究生学位论文第9 页 羼隧划! 卧兰睦睦e ! 吲 型型 第1 0 页河南大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 栅格数据模型 在栅格模型中，地理空间被划分为规则的小单元( 像元) ，空间位置由像元的 行、列号表示。像元的大小反映了数据的分辨率即精度，空间物体由若干像元隐 含描述。在此模型中，一个点就是一个像元，线和面分别由一串一片彼此相连的 像元组成。遥感影象属于典型的栅格结构，其特点是属性明显，而位置隐含。 在栅格模型中，每个像元又可以叫做一个格网，这种格网通常有三种基本形式： j f 方形、三角形和六边形，如图23 所示，其中不同颜色代表不同的属性值，这 几种基本形式都具有各自不同的几何特性，其一是方向性：j f 方形和六边形栅榕 数据模型中的所有格网都具有相同的方向，而三角形栅格数据模型中的格网却具 有不同的方向：其二是可再分性；j f 方形和三角形格网都可阻无限循环的再细分 成相同形状的予格网，而六边形不能进行相应的循环细分：其三是对称性：每个 六边形格网的邻居与该六边形格网等距，也就是说该六边形格网的中心点到周围 的相邻格网的中心点的距离都相等，而三角形和正方形格网就不具各这样的特性 ”1 。在地理信息系统中经常用到的足正方形的格网形式。 正方形 河南大学硕士研究生学位论文第1 1 页 圈2 - 4 点、线、面的栅格表示示意图 ( 2 ) 矢量数据模型 矢量数据模型是通过记录坐标方式，利用欧几里德几何学中的点、线、面、 及其组合来表示地理实体空间分布的一种数据表达形式。它直观的表达地理空间 关系，精确的表示实体的空间位置，而且能够通过拓扑关系来描述各个实体阃的 空间关系，这些有利于g i s 空间分析的实现。在矢量模型中，各种地理要素根据 其空间形态特征分为点、线和面三个类别。点状要素用用坐标点表示其位置，线 状要素用其中心轴线上的坐标串来表示它的位置和形状，面状要素用范围轮廓线 第1 2 页河南大学硕士研究生学位论文 线上的抽样点坐标串表示其位置和范围，如图2 - 5 所示。 矢量数据中的点、线、面 x 图2 - 5 矢量数据中的点、线、面 采用矢量表达方式描述空间对象时有两种描述方式，一种是带有包含拓扑关 系的描述，一种是不包含拓扑关系的描述。 2 空间参考系统 空间参考系统式地理空间数据表达格式与规范的重要组成部分，它是地图制 图和g i s 数据共享的基础，保证同一地理信息系统内( 甚至不同地理信息系统之 间) 的数据能够实现交换、配准和共享。 3 时空尺度与比例尺 尺度是地理信息科学中的一个重要概念，是所有地理信息的重要特性。时空 尺度定义了人们观察地球的一种约束，是人类揭示地理现象规律性的关键因素。 每一地理实体都有其固有的空间属性，而且仅可能在特定的尺度范围内有效、完 整地观察和测量。在不同空间尺度下，对地理目标抽象表达的信息密度差异很大， 而空间数据在不同的观察层次上所遵循的规律以及体现出的特征也不尽相同。 4 图形表达 地理空间数据不同于其他数据的重要特征是其空间性，即空间位置、空间形 河南大学硕士研究生学位论文第1 3 页 状和空间关系等。在多数情况下，这些特征都用图形来表达，地理图形及其空间 组合式在自然和人类综合的、多向的驱动力作用下产生的，科学而形象的显示了 地理实体和现象的特征、分布及规律。运用各种图形表象来认识客观世界，显然 比用表格和文字来实现同样的目的更简便、更直观。由于客观世界的纷繁复杂， 图形表象的形式也是多种多样，有的反映空间要素的数量或质量特征，有的表现 空间要素的组合结构特征，有的还能揭示地理现象的发展变化过程。 2 2 3 空间数据结构转换 栅格数据结构和矢量数据结构都有一定的优点和局限性。在地理信息系统建 立过程中，应根据应用目的和应用特点，选择合适的数据结构。矢量数据结构是 人们最熟悉的图形表达形式，它具有精度高、存储量小、便于网络分析、显示效 果好等优点，而栅格数据具有结构简单、空间分析和模拟的容易、输出成本低等 优点。为了有效的利用不同数据结构的优点，有必要进行数据结构之间的转换。 1 栅格数据向矢量数的据转换 栅格数据向矢量数据转换称为矢量化，矢量化的目的是实现数据入库、数据 压缩和矢量制图。栅格结构只是矢量结构在某种程度上的一种近似，如果要使栅 格结构描述的图件取得与矢量结构同样的精度，甚至仅仅在量值上接近，数据量 也要比后者大得多。 ( 1 ) 点状栅格的矢量化 点状栅格的矢量化是将栅格点的中心转换为矢量坐标的过程。对于任意一个 栅格点a 而言，将其行列号i 、j 转换为其中心点的x 、y 的坐标，其中k ，k 表示 原点坐标，d r ，q 表示栅格的大小，其转换公式如下所示： x = x o + ( ，一0 5 ) 宰d x y = r o + ( i o 5 ) 幸d y ( 2 ) 线状栅格的矢量化 线状的栅格数据矢量化是提取弧段栅格序列点中心的矢量坐标的过程，主要 第1 4 页河南大学硕士研究生学位论文 有两种算法思想：细化矢量化和非细化矢量化。细化矢量化首先将具有一定粗细 的现状栅格进行细化，提取其中轴线；然后，根据中轴线矢量化。非细化矢量化 是不进行细化处理就直接对线条进行矢量化。相比较而言，非细化矢量化速度要 快些，而且不会因线条粗细不匀使矢量化的线条有毛刺现象。 ( 3 ) 面状栅格的矢量化 面状栅格数据的矢量化是提取具有相同属性编码的栅格集合的矢量边界及边 界与边界之间拓扑关系的过程。 面状栅格数据矢量化的一般步骤如下n 引： a ) 多边形边界的提取：采用高通滤波将栅格图像二值化或者以特殊值标识边 界点。 b ) 边界追踪：对每个边界弧段由一个节点向另一个节点搜索，通常对每个一 直边界点需沿除了沿进入的方向的其他7 个方向搜索下一个边界点，直到连成边 界弧段。 c ) 生成拓扑关系：对于矢量表示的边界弧段数据，判断其与原图上各多边形 的空间关系，以形成完整的拓扑结构并建立与属性数据的联系。 d ) 去除多余点及曲线润滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成 的多余点记录，以减少数据冗余；另外，曲线由于栅格精度的限制可能不够圆滑， 需采用一定的插补算法进行光滑处理，常用的算法有：线性迭代算法、分段三次 多项式插值法、斜轴抛物线平均加权法和样条函数差值法。 2 矢量数据向栅格数据转换 由于矢量数据的基本要素是点、线、面，因而只要实现点、线、面的转换， 各种线划图形的变换问题基本上都可以得到解决。 ( 1 ) 点的转换 设矢量数据的一坐标点值为( x ，y ) ，转成栅格数据其行列值为( i ，j ) 。y 。、 】【i m 表示矢量数据的y 最大值和x 最小值，如图2 6 所示。 河南大学硕士研究生学位论文第15 页 ( 2 ) 线的栅格化 图2 - 6 点的转换 线的栅格转换如图2 - 7 所示，设两个端点的行、列号用点栅格化方法已经求 出，其行号为3 和7 ，则中间网格的行号必为4 、5 、6 。其网格中心线的y 坐标应 为： 巧= - a j ，( ，一z ) ， 而与直线段交点的 x坐标为： 五= ( 托一义。) ( 砭一一) ( r i ) + 墨。 匆 ：1 。yi y l 形 笏k 獗( 2 1 - r x l 图2 - 7 线的转换 美一 皇 i 腿 吖 ，iil，llii【薹舣 ，ii、，il、 哟 啦 吐 眦 + + = t j ri_l_f-i【 第1 6 页河南大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 面的转换 矢量格式的面对像向栅格格式转换又称为多边形填充，即在矢量表示的多边 形边界内部所有栅格点上赋以多边形编码。 面的转换常用的算法有： 边界代数算法 边界代数法( b o u n d a r ya l g e b r af i l l i n g ，b a f ) 是在微机地理信息系统上实 现的一种基于积分思想的矢量格式向栅格格式转换算法，也称炸弹算法。算法思 想是，首先假定沿边界前进方向y 佳下降为下行，y 值上川为上行，然后当上行时 对搜索多边形边界曲线左侧进行填充，填充值是左多边形减右多边形，最后f 行 时对搜索多边形边界曲线左侧( 从曲线前进方向看为右侧) 进行填充，填充值是 右多边形减左多边形。每次将填充值同该处的原始值做代数运算即可得到虽终的 属性值，如图2 - 8 所示。 f 鬈弋：蚓 渺引 矿n 曩心飞：i 。：，：、t 一：。； 固2 - 8 边界代数算法执行示意图 复数积分算法 复数积分算法也称为检验夹角之和，即对全部栅格阵列，逐个栅格单元判断 栅格归属的多边形及编码。它的判断方法是，由待判点对每个多边形的封闭边界 计算复数积分。如粜积分值为2n ，则该待判点属于此多边形，赋予多边形编号( 纪 录属性) ；如果积分值为0 ，则该待削点在此多边形外部。 河南大学硕士研究生学位论文第17 页 射线算法和扫描算法 射线算法，又称为检验交点数，是逐点判别数据栅格点在某多边形之外或在 多边形内来决定是否记录该点。具体实现是由待判点向图外某点引射线，判断该 射线与某多边形所有边界相交的总次数。判别方法是，如相交偶数次，则待判点 在该多边形的外部；如相交奇数次，则待判点在该多边形内部。如图2 - 9 所示。 图2 - 9 射线算法示意图 2 2 4 空间拓扑关系 一、拓扑的概念和意义 1 拓扑的概念 拓扑关系( t o p o l o g i c a lr e l a t i o n ) 是指满足拓扑几何学原理的各空间数据 间的相互关系。即用结点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联、包含 和连通关系。如：点与点的邻接关系、点与面的包含关系、线与面的相离关系、 面与面的重合关系等。拓扑学是几何学的一个分支，它研究图形在连续变形下( 拓 扑变换) 的那些不变的几何属性。组成一个图形的各元素( 结点、弧段、面域) 之间都存在着二元关系，即邻接关系和关联关系。在地图上这种关系可以借助图 形来识别，而在计算机中这种关系需用拓扑关系加以定义。 第1 8 页河南大学硕士研究生学位论文 2 拓扑关系的重要意义 在地理信息系统中，空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空 间分析具有重要的意义，主要表现在如下三个方面： ( 1 ) 根据拓扑关系可以确定地理实体间的相对空间位置，而无需利用坐标和 距离； ( 2 ) 利用拓扑关系有利于空间要素的查询； ( 3 ) 可以利用拓扑数据重建地理事体。如建立封闭多边形，实现道路的选取， 进行最佳路径的计算等。 二、空间数据的拓扑关系 归纳起来，结点、弧段、多边形间的拓扑关系主要有： l 、拓扑邻接：同类元素之间的拓扑关系，如结点间的邻接关系和多边形间 的邻接关系。如图2 - 1 0 中的n 。n 。，n ，n 。，n 。n 4 ：p ，p 。；p 。p 。 2 、拓扑关联：不同类元素之间的拓扑关系，如弧段在结点处的联结关系和 多边形与弧段的关联关系。如图2 - 1 0 中的n 。e ，、e 。、e 。；p , e ，、e 。、 e6 0 3 、拓扑包含：同类不同级元素之间的拓扑关系，如图2 - 1 0 中的p 。与p 。 图2 - 1 0 拓扑关系示意图 河南大学硕士研究生学位论文第19 页 三、拓扑结构的表达 根据图2 - 1 0 可以得到下列4 种拓扑关系。 1 结点与弧段的拓扑关系2 弧段与结点的拓扑关系 结点弧段 m e 1 e 3e6 n 2 e 1 e2e 5 n 3 e2e 3e4 - 结 点 弧段 始结点终结点 e 1川 e 23 m e 3 m3 ： 3 弧段与多边形的拓扑关系4 多边形与弧段的拓扑关系 多边形 弧段 左多边形右嬲 e 1 岛 p 1 e 2 p d p 2 e 3 p o p 3 ： ： 娜弧段 p l e1e5e6 p 2 e2e 4 e 5 p 3 e3e 4e6 2 2 5 嵌套多边形和拓扑重构 多边形( p o l y g o n ) 又叫作图斑或面，是由有限条弧段组成的封闭区域。多边 形的嵌套关系又叫多边形的包含关系，是空间拓扑关系中的一种重要关系，多边 形间的主要嵌套关系如下图2 - 11 所示，分别是简单包含、多层包含和等价包含。 多边形与多边形包含关系的正确表示，是实现叠置分析、要素查询、区域面积计算、 多边形显示等功能的重要前提。 第2 0 页河南大学硕士研究生学位论文 简单包含多层包含等价包含 图2 - 1 1多边形之间的包含性示意图 由一条弧段组成的多边形称为孤岛，而所谓的共边“岛”指的是多边形与多 边形相互包含( 嵌套) 时，被包含多边形由两个或两个以上具有公共边的多边形 组成，如图2 1 2 所示。 图2 - 12 共边“岛”示意图 拓扑重构又可以叫做拓扑重建，指的是在栅格数据矢量化过程当中，为了使 能够正确的反映出矢量图中多边形之间的关系，以原栅格图中图斑间位置关系为 依据重新建立的拓扑关系。 2 3本章小结 本章首先系统的介绍了遥感图像的相关概念，然后介绍了空间数据中最基本 的两种数据结构