GIS空间数据管理学习教案

1、会计学1GIS空间数据管理空间数据管理第1页/共87页第2页/共87页第3页/共87页矢量结构和栅格结构 第4页/共87页第5页/共87页第6页/共87页第7页/共87页Real worldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagons第8页/共87页 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6

2、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 6 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 4 4 4 4 4 4 7 7 7 7 4 7 7 7 4 4 4 4 8 7 7 8 0 8 4 0 8 7 7 8 0 8 8 0 0 8 0 0 8 8 7 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8 （a）点 （b）线 （c）面第9页/共87页第10页/共87页第11页/共87页属性明显数据中直接记录了数据属性

3、或指向数据属性的指针，因而我们可以直接得到地物的属性代码定位隐含所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体的位置很容易隐含在格网文件的存储结构中 第12页/共87页栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便第13页/共87页第14页/共87页例如：中心点O落在代码为C的地物范围内，按中心点法的规则，该矩形区域相应的栅格单元代码为C第15页/共87页例如：所示的例子中，显见B类地物所占面积最大，故相应栅格代码定为B 第16页/

4、共87页例如：假设A类最重要的地物类型，即A比B和C类更为重要，则栅格单元的代码应为A第17页/共87页例如：可记面积最大的两类BA，也可以根据B类和A类所占面积百分比数在代码中加入数字 第18页/共87页第19页/共87页第20页/共87页第21页/共87页第22页/共87页压缩编码方式压缩编码的目的就是用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型分为信息无损编码编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信息 信息有损编码为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过程中损失一部分相对不太重要的信息，解码时这部分难以恢复 第23页/共87页压缩编码方式在地理信息系统中的压缩编

5、码多采用信息无损编码，而对原始遥感影像进行压缩时也可以采取有损压缩编码方法。 第24页/共87页压缩编码方式1 链码（链码（Chain Codes）链式编码又称为弗里曼链码（Freeman，1961）或边界链码。该编码方法将数据表示为由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东0，东南1，南2，西南3，西4，西北5，北6，东北7 等八个基本方向。第25页/共87页例如，确定原点为像元（10，1），则某个多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10，1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，

6、4，5，4，5，4，6，6。其中前两个数字10 和1 表示起点为第十行第一列，从第三个数字开始每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以07 的整数代表。链码（Chain Codes）第26页/共87页链码（Chain Codes）优点：链式编码对多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，比较适于存储图形数据。缺点：对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的公共边界被重复存储会产生冗余。第27页/共87页压缩编码方式2 游程长度编码（游程长度编码（R

7、un-Length Codes）它的基本思路是：对于一幅栅格图它的基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。某种方法压缩那些重复的记录内容。 第28页/共87页游程长度编码（Run-Length Codes）其实现方法有两种一种编码方案是，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的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。 另一种游程长度编码方案就是逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码 第29页/共87页游程长度编码示例

8、按第一种编码方法，此数据游程长度编码：（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7，2）；（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)。用44个整数表达了原始数据中的64个栅格。第30页/共87页游程长度编码示例按第二种编码方法，此数据游程长度编码（沿列方向）：（1，0），（2，4），（4，0），（1，4），（4，0）；（1，4），（5，8），（6，0）；（1，7），（2，4），（4，8），（7，0）；（1，7），（2

9、，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。 第31页/共87页游程长度编码优缺点优点压缩效率较高，且易于进行检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况 缺点对于图斑破碎，属性和边界多变的数据压缩效率较低，甚至压缩后的数据量比原始数据还大。 第32页/共87页压缩编码方式3 块码（块码（Chain Codes） 块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位

10、的代码组成。 第33页/共87页块码编码示例 0 4 4 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 4 4 4 8 8 8 8 8 7 7 4 4 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 0 8 0 0 8 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 其块码编码为：(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

11、,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),(8,5,1,0)。第34页/共87页压缩编码方式4 四叉树四叉树编码编码四叉树编码将整个图像区逐步分解为一四叉树编码将整个图像区逐步分解为一系列仅包含单一类型的方形区域，最小的方系列仅包含单一类型的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元。形区域为一个栅格象元。第35页/共87页四叉树编码 其其基本基本

12、分割方法分割方法是将一幅栅格地图或是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其图像等分为四部分。逐块检查其栅格栅格属性值属性值(或灰度或灰度)。如果某个子区的所有栅格值。如果某个子区的所有栅格值都具有相同的值。则这个子区就不再继都具有相同的值。则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到每个四个子区。这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。子块都只含有相同的属性值或灰度为止。 第36页/共87页四叉树编码 由上而下的方法运算量大，耗时由上而下的方法运算量大，耗时较长。因而实践中可以采用从下而上的较长。

13、因而实践中可以采用从下而上的方法建立四叉树编码。对栅格数据按如方法建立四叉树编码。对栅格数据按如下的顺序进行检测：如果每相邻四个栅下的顺序进行检测：如果每相邻四个栅格值相同则进行合并，逐次往上递归合格值相同则进行合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。这种并，直到符合四叉树的原则为止。这种方法重复计算较少，运算速度较快方法重复计算较少，运算速度较快。 第37页/共87页四叉树编码 采用四叉树编码时，为了保证四叉树分解能不断地进行下去，要求图像必须为2n2 n的栅格阵列，对于非标准尺寸的图像需首先通过增加背景的方法将图像扩充为2 n 2 n的图像。 第38页/共87页四叉树的结构方式四

14、叉树结构按其编码的方法不同分为常规四叉树和线性四叉树：常规四叉树：除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。结点之间借助指针联系，每个结点需要用六个量表达：四个叶结点指针，一个父结点指针和一个结点的属性或灰度值。这些指针不仅增加了数据贮存量，而且增加了操作的复杂性。常规四叉树主要在数据索引和图幅索引等方面应用。第39页/共87页四叉树的结构方式四叉树结构按其编码的方法不同分为常规四叉树和线性四叉树：线性四叉树：只存贮最后叶结点的信息。包括叶结点的位置、深度和本结点的属性或灰度值。所谓深度是指处于四叉树的第几层上。由深度可推知子区的大小。线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的规则，这种编号称为地址码，

15、它隐含了叶结点的位置和深度信息。最常用的地址码是四进制或十进制的Morton码。第40页/共87页四叉树编码示例 0 4 4 7 7 7 7 7 4 4 4 4 4 7 7 7 4 4 4 4 8 8 7 7 0 0 4 8 8 8 7 7 0 0 8 8 8 8 7 8 0 0 0 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8 第41页/共87页 其中最上面的结点叫根结点，它对应整个图形。此树共有4层结点，每个结点对应一个象限，如第2层4个结点分别对应于整个图形的四个象限，排列次序依次为南西（SW）、南东（SE）、北西（NW）和北东（NE），不能再分的结

16、点称为终止结点（又称叶子结点），可能落在不同的层上，该结点代表的子象限具有单一的代码，所有终止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，共有40个叶子结点，也就是原图被划分为40个大小不等的方形子区（最下面的一排数字表示各子区的代码）。 四叉树编码示例第42页/共87页四叉树编码的优缺点优点：四叉树编码具有可变的分辨率，树的深度随数据的破碎程度而变化，并且有区域性质，压缩数据灵活，许多数据和转换运算可以在编码数据上直接实现，大大地提高了运算效率，并支持拓扑“洞”（嵌套多边形）的表达，是优秀的栅格压缩编码之一 。缺点：其最大不足是其不稳定性，即同样的原始数据应用不同的

17、算法进行编码可能会得到不同的编码结果。不利于数据分析。第43页/共87页压缩编码方式5 其他编码其他编码还有很多编码方法，如傅立叶变换、小还有很多编码方法，如傅立叶变换、小波变换、余弦变换等，常常用于遥感原波变换、余弦变换等，常常用于遥感原始数据的压缩。由于它们多数是有损压始数据的压缩。由于它们多数是有损压缩，一般不用于需要进行分析的栅格数缩，一般不用于需要进行分析的栅格数据。在四叉树基础上发展而来的八叉树据。在四叉树基础上发展而来的八叉树目前也是研究热点之一。目前也是研究热点之一。引申思考：栅格压缩编码和常见文件压缩方法（Zip,Rar ）的异同？第44页/共87页压缩编码的相关问题同所有的

18、数据结构问题一样，压缩编码过程的主要矛盾也是数据量压缩和运算时间之间的矛盾：为了更有效地利用空间资源，减少数据冗余，不得不花费更多的运算时间进行编码 。好的压缩编码方法就是要在尽可能减少运算时间的基础上达到最大的数据压缩效率，并且是算法适应性强，易于实现 第45页/共87页常见栅格压缩编码方法总结：链码的压缩效率较高，已经近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域的性质，区域运算困难 。游程长度编码既可以在很大程度上压缩数据，又最大限度地保留了原始栅格结构，编码解码十分容易。但对破碎数据处理效果不好。块码和四叉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，但运算效率是其瓶颈。其

19、中四叉树编码可以直接进行大量图形图像运算，效率较高，是很有前途的方法。 第46页/共87页3矢量数据结构及其编码 基本概念特点编码方式第47页/共87页第48页/共87页几何体的类型第49页/共87页矢量数据的类型Buildings. PolygonStreams, LineWells, PointRoads, LineZoning,PolygonMAP SHEETS第50页/共87页第51页/共87页第52页/共87页第53页/共87页(X,Y)(X2,Y2)(X3,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)LinePoint(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)Poly

20、gon(X,Y)第54页/共87页第55页/共87页第56页/共87页第57页/共87页唯一标识码是系统排列序号；线标识码可以标识线的类型；起始点和终止点号可直接用坐标表示；显示信息是显示时的文本或符号等；与线相联系的非几何属性可以直接存储于线文件中，也可单独存储，而由标识码联接查找。 第58页/共87页第59页/共87页第60页/共87页第61页/共87页第62页/共87页第63页/共87页图形数据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；

21、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；30：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； 编码数据第64页/共87页第65页/共87页第66页/共87页图形数据第67页/共87页线与多边形之间的树状索引第68页/共87页点与边界线之间的树状索引 第69页/共87页形成的文件记录第70页/共87页 树状索引编码消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题