GIS——第三章

1、第三章 空间数据模型与数据结构主讲教师：邱春霞测绘学院重点内容 基本的空间数据模型（三种）； 空间数据中矢量数据结构、栅格数据结构的编码方法； 矢量数据结构与栅格数据结构的相互转换； 空间数据库的概念、特点、结构模式、管理系统。第一节 空间数据模型 模型：是对现实世界的简化表达。 数据模型：是一个描述数据、数据联系、数据语义以及一致性约束的概念工具的集合。 一、数据模型与空间数据模型（一）概念（二）数据模型的层次现实世界到信息世界的过程：抽象数据模型的抽象分为三个层次：概念数据模型概念数据模型客观世界信息世界计算机管理的数据数据模型概念结构计算机上存储逻辑数据模型逻辑数据模型物理数据模型物理数

2、据模型空间数据模型是GIS抽象的中间层，即GIS的逻辑数据模型。空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，建立在对地理空间的充分认识与完整抽象的地理空间认知模型（概念模型）的基础上，并用计算机能够识别和处理的形式化语言来定义和描述现实世界地理实体、地理现象及其相互关系，是现实世界到计算机世界的直接映射。（三）空间数据模型 空间数据模型是GIS的基础，要将现实世界抽象到GIS，也需要三个层次：空间概念数据模型空间逻辑数据模型空间物理数据模型（四）数据模型的类型基于记录的数据模型：是把数据库定义为多种固定格式的记录型，每个记录型由固定数量的域或属性构成，每个域或属性具有固定的长度

3、。包括：层次模型、网络模型、关系模型基于对象的数据模型：用于在概念和视图抽象级别上的数据描述，具有相当灵活的结构和较强的表达能力，允许明确地定义完整性约束。包括：实体联系模型、语义数据模型、函数数据模型、面向对象的数据模型（五）三种基于记录的传统数据模型1、层次模型优点：层次分明、组织有序；缺点：数据独立性较差，难以表达多对多的关系，导致数据冗余。2、网络模型优点：能描述多对多关系；缺点：结构复杂，限制了它在空间数据表达中的应用。多边形和弧段的关系多边形号弧段号P1a1 a2 a3P2a2 a5 a7P3a3 a6 a4P4a6 a7 a8弧段和结点的关系弧段号起点 终点a1N1 N2a2N3

4、 N2a3N1 N3a4N4 N1a5N2 N5a6N4 N3a7N3 N5a8N5 N4结点坐标结点号坐标N1x1，y1N2x2，y2N3x3，y3N4x4，y4N5x5，y5优点：结构简单灵活，易查询，维护方便。缺点：不适合表示非结构化数据，难以表达目标，尤其是复杂目标，效率较低。3、关系模型 基于对象（要素）的数据模型 基于场（域）的数据模型（一）空间数据模型分为两类二、空间数据模型1、对象模型 基于对象的模型：是把空间存在的信息作为连续的、可被观测的、具有地理参照的实体来处理，强调对象的个体现象，以独立的方式或以与其他现象之间的关系的方式来处理。 空间对象必须符合三个条件：可被识别、重

5、要或必要、可被描述。 可描述对象的特征有：静态属性、行为特征、结构特征。 基于对象的模型把信息空间看作是许多对象的集合，而这些对象又具有自己的属性。 基于对象的模型中的实体可采用多种维度来定义属性，包括空间维、时间维、图形维、文本、数字维。地学对象时间文本/数字空空间图形2、场（域）模型 基于场（域）的模型：是把空间存在的信息看作连续分布的空间信息的集合来处理，每个这样的分布可以表示为一个空间结构到属性域的数学函数。 根据应用的不同，场（域）可以表现为二维或三维。 遥感图像数据一般表现为场模型。 对于空间数据建模来说，基于场的方法和基于对象的方法并不相互排斥，两者在许多情况下可以共存、共用，以

6、发挥各自的长处。 在GIS的数据结构设计中，经常采用这两种模型的集成。（二）基本的空间数据模型 栅格模型 矢量模型 不规则三角网模型1、栅格数据模型适宜表示连续铺盖的空间对象；用数字矩阵表示，数字文件按顺序含有像元的直接地址；点：一个像元，线：一串彼此相连的像元组成；每个栅格像元记录着不同属性（灰度），像元大小一致；像元形状：正方形、等边三角形、矩形或六边形；栅格的行列信息和原点的地理位置：记录在每一层中；栅格空间分辨率：指一个像元在地面所代表的实际面积大小；优点：叠加操作，不需要进行复杂的几何运算。2、矢量数据模型 矢量数据模型适合表达图形对象特征和进行高精度制图； 在矢量数据模型中，空间实

7、体现象由点、线、面等原型实体及其集合来表示。 3、不规则三角网模型（TIN） TIN模型采用不规则三角形拟合地表或其他不规则表面，是建立数字地面模型或数字高程模型的主要方法之一。 构成TIN的三角形应尽可能接近等边三角形，三角形大小随点的密度变化而自动变化。梯森多边形与Delaunay三角形。Delaunay三角形构成TIN的三角形梯森多边形泰森多边形散点1、面向对象空间数据模型 面向对象空间数据模型是目前GIS软件采用的最新数据模型。 面向对象空间数据模型：是对各种地理空间实体用对象来表示，而不是将复杂对象分解为单一的对象实体（如点、线、面、体）表示，是在关系型数据库管理系统的基础上，增加了

8、面向对象的封装、继承、聚集、信息传播等功能而形成的数据模型。（三）空间数据模型的趋势2、3D数据模型地理空间是一个三维空间，建成的GIS系统应是三维GIS系统。由于理论和技术上的局限，目前的GIS均为二维GIS。将地球椭球面上的信息投影到二维平面（如，高斯投影面）上，然后对空间数据进行处理、分析、显示、输出等。三维空间数据模型比二维空间数据模型复杂得多。目前研究较多的3D数据模型：三维体元充填模型、结构实体几何模型、边界表示模型、面向对象模型、拓扑数据模型等。3、时空数据模型 时空数据模型是TGIS研究的核心问题。 目前提出的时空数据模型有四种： 将时间作为属性的附加项 将时间作为新的维数 面

9、向对象建模 基于状态和变化的统一建模第二节 空间数据结构与数据编码 数据结构：即数据本身的组织形式，是指适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构形式。 空间数据结构：是指对空间数据进行合理的组织，以便于计算机处理。 空间数据结构的形式：栅格数据结构、矢量数据结构 数据编码：是实现空间数据的计算机存储、处理和管理，将空间实体按一定的数据结构转换为适合于计算机操作的过程。 矢量数据结构：通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、面（多边形）等地理实体。（一）矢量数据结构编码的基本内容点实体线实体面实体一、矢量数据结构及其编码1、点实体 点实体包括由一对（x,y）坐标定位的一切地理或制图实体。 点

10、实体：地物点、文本位置点、线段网络的结点点实体的矢量数据结构2、线实体 线实体主要用来表示线状地物、符号线和多边形边界，有时也称为弧、链、串等。线实体的矢量数据结构起3、面实体 多边形数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。 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。面实体面(x1,y1)(x2,y2)(xn,yn)(x1,y1)起始点与终止点重合（二）矢量数据结构编码的方法 实体式 索引式 双重独立式 链状双重独立式流行GIS软件采用的矢量数据结构编码方法1、实体式 实体式数据结构：是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。 实体式数据结构中，边界坐

11、标数据和多边形单元一一对应，各个多边形边界都单独编码和数字化。多边形数据项A(x1,y1), (x2,y2), (x3,y3), (x4,y4), (x5,y5), (x6,y6), (x7,y7), (x8,y8), (x9,y9), (x1,y1) B(x1,y1), (x9,y9), (x8,y8), (x17,y17), (x16,y16), (x15,y15), (x14,y14), (x13,y13), (x12,y12), (x11,y11) , (x10,y10), (x1,y1)C(x24,y24), (x25,y25), (x26,y26), (x27,y27), (x28

12、,y28), (x29,y29), (x30,y30), (x31,y31), (x24,y24)D(x19,y19), (x20,y20), (x21,y21), (x22,y22), (x23,y23), (x15,y15), (x16,y16), (x19,y19)E(x5,y5), (x18,y18), (x19,y19), (x16,y16), (x17,y17), (x8,y8), (x7,y7), (x6,y6), (x5,y5)实体式编码的优缺点 优点：编码容易、数字化操作简单、数据编排直观。 缺点：相邻多边形的公共边界数字化两次； 缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系； 岛只

13、作为一个单个图形，没有建立与外界多边形 的联系。2、索引式 索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息。 索引式数据结构是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。优点：消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致。缺点：处理麻烦，工作量大。3、双重独立式 双重独立式数据结构：Dual Independent Map Encoding，简称DIME系统或双重独立式的地图编码法。 双重独立式数据结构最早由美国人口统计局研制，用来进行人口普查分析和制图。 DIME的特点是采用了拓扑编码结构。 双重独立式数据结构是

14、对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来定义。线号线号左多边形左多边形右多边形右多边形起点起点终点终点线号线号左多边形左多边形右多边形右多边形起点起点终点终点a0A18h0C87b0A21iCA89c0B32jCB95d0B43kCD1210e0B54lCD1112f0C65mCD1011g0C76nBA92 双重独立式数据结构利用拓扑关系来组织数据，可以有效地进行数据存储正确性检查，同时便于对数据进行更新和检索。4、链状双重独立式 链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。 改进之处：在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结

15、构中，将若干直线合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。 链状双重独立式数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。多边形号弧段号周长面积中心点坐标Ah,b,aBg,f,c,h,-jCjDe,i,fEe,i,d,b多边形文件弧段弧段起点起点终点终点左多边形左多边形右多边形右多边形弧段弧段起点起点终点终点左多边形左多边形右多边形右多边形a510Af1516DBb85EAg1150Bc168EBh81ABd1950Ei1619DEe15190Dj3131BC弧段号弧段号点号点号弧段号弧段号点号点号a5,4,3,2,1f15,16b8,7,6,5g1,10,1

16、1,12,13,14,15c16,17,18h8,9,1d19,18,5i16,19e15,23,22,20,19j31,30,29,28,27,26,25,24,31弧段文件弧段坐标文件（一）栅格数据结构的图形表示二、栅格数据结构及其编码（二）栅格结构的建立 在专题图上均匀划分网格，确定逐个网格的代码； 用扫描数字化仪，按行和列逐点扫描专题地图，将扫描数据重采样和再编码得到网格数据； 从矢量数据转换得到； 将经过分类解释的遥感影像数据直接输入或重新采样后输入系统中。1、建立栅格结构的几种途径2、栅格代码的确定 中心点法、面积占优法、重要性法、长度占优法3、栅格数据组织 以像元为记录序列，不同

17、层上同一个像元位置上的各属性值表示为一个列数组。 以层为基础，每一层又以像元为序记录它的坐标和属性值，一层记录完后再记录第二层。 以层为基础，每一层以多边形为序记录多边形的属性值和充满多边形的各像元的坐标。栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值层M属性值像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2X,Y,属性值像元2X,Y,属性值像元nX,Y,属性值层M栅格数据文件层1多边形1层2属性值像元1坐标多边形T像元n坐标层M栅格数据组织方式（三）栅格结构编码的方法直接栅格编码：将栅格看作一个数据矩阵，逐行逐个记录代码数据。可以每行都从左到右，也可奇数行从左到右，或者采用其它特殊的方法。1、直接

18、栅格编码2、行程编码 行程编码又称为游程长度编码，是栅格数据压缩的重要编码方法，也是图像编码中比较简单的方式之一。 行程：是指行（或列）上具有相同属性值的相邻像元的个数。 （sk，lk） sk栅格的属性值（0255） lk 行程长度（两个字节，行数可达65536） 行程编码分为：游程长度编码 游程终止编码 游程长度编码：（sk，lk） sk栅格的属性值 lk 游程的连续长度 游程终止编码：（sk，lk） sk栅格的属性值 lk 游程的终止列号行程编码图及编码表ABCD12345678行程长度编码行程终止编码1DAABBBBB(D,1)(A,2)(B,5)(D,1)(A,3)(B,8)2AAAA

19、ABBB(A,5)(B,3)(A,5)(B,8)3AAAACCBB(D,1)(C,2)(B,2)(A,4)(C,6)(B,8)4DDACCCBB(D,2)(A,1)(C,3) )(B,2)(D,2)(A,3)(C,6 )(B,8)5DDCCCCBC(D,2)(C,4)(B,1) )(C,1)(D,2)(C,6)(B,7 )(C,8)6DDDCCCCC(D,3)(C,5)(D,3)(C,8)7DDDDCCCC(D,4)(C,4)(D,4)(C,8)8DDDDDCCC(D,5)(C,3)(D,5)(C,8)行程编码方式3、块码 块码是行程编码向二维扩展的情况，又称二维行程编码。 块码采用方形区域作

20、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，再加上记录单元的代码组成。（行号，列号，半径，代码） 14个单位正方形、4个4单位正方形、2个9单位正方形、 1个16单位正方形 编码： （1,1,2,0）, （1,3,1,0）, （1,4,1,0）,（1,5,1,0）,（1,6,3,4）, （2,3,1,0）, （2,4,2,4）, （3,1,2,0）, （3,3,1,4）, （4,3,2,4）, （4,5,1,4）, （4,6,1,4）, （4,7,1,8）, （4,8,1,8）, （5,1,1,2）, （5,2,1,2）, （5,5,4,8）, （6,1,

21、3,2）, （6,4,1,4）, （7,4,1,2）, （8,4,1,2）4、链式编码 链式编码又称弗里曼编码或边界编码。 链式编码将线状地物或区域边界表示为由某一起始点和在某些基本方向上的单位矢量链组成。 单位矢量的长度为一个栅格单元，每个后续点可能位于其前继点的8个基本方向之一。链式编码方式链式编码表特征码起点行起点列链码21445455434724465670221费尔曼链码的优缺点 优点：较强的数据压缩率，便于长度、面积计算，便于存储数据。 缺点：不便于合并和插入操作，不便于叠置分析，数据冗余。5、四叉树编码 四叉树编码是栅格数据结构的一种压缩数据的编码方法，应用前景广阔。 基本思想：

22、是把一幅图像或一幅栅格地图等分成四个子区，不断检查每个子区的所有格网值，如该子区都含有相同的值（灰度或属性），这个子区就不再往下分割；否则，把该子区再分割成四个子区，这样递归地分割，直到每个子区都只含有相同的值为止。 四叉树结构按其编码的方法不同，分为： 常规四叉树 线性四叉树 常规四叉树：记录叶结点和中间结点 每个结点用六个量表示：四个叶结点指针 一个父结点指针 一个结点的属性（或灰度值） 常规四叉树主要在数据索引和图幅索引等方面应用。 线性四叉树：记录最后叶结点的信息，包括结点的位置（ MQ 、MD码）、深度、本结点的属性（或灰度值）。 深度：是指处于四叉树的第几层上，由深度可推知子区的大

23、小。（一幅一幅2n 2n栅格阵列的图用四叉树分割时，具有的最大深度为栅格阵列的图用四叉树分割时，具有的最大深度为n，即可分为，即可分为0，1，2，3，n层。）层。） 线性四叉树的编码方法：由上而下分割 自下而上合并 线性四叉树的编码形式：四进制编码 十进制编码 线性四叉树只存储每个结点的三个量，数据量比常规四叉树大为减少，因而应用广泛。哪三个量？基于四进制的线性四叉树编码 对一个nn（n=2k，k1）的栅格方阵组成的区域作四叉树编码，其中k为分辨率。第一次分割成四个子象限，它们分别包括：),12;,12(,)2,1;,12(,),12;2,1(,)2,1;2,1(, i3210nnjnniji

24、PPnjnnijiPPnnjnijiPPnjnijPP 如果要再分割下一层，其子象限分别为：),143;,143(,.)43,12;4,1(,.)2,14;4,1(,)4,1;4,1(, i33100100nnjnnijiPPnnjnijiPPnnjnijiPPnjnijPP 根据上述公式可以求得任意一个象限在全区的位置。 在线性四叉树编码的分割过程中，标号的位置不断增加，其标号即为Morton码，用MQ表示。 MQ的每一位都是不大于3的四进制数，并且每经过一次分割，增加一位数字。 最后叶结点的Morton码是所有各位上相应的象限值相加，即： MQ=q1q2q3qk=q110k+q210k-1

25、+qk 线性四叉树的编码方法：由上而下分割 自下而上合并自上而下分割法需要大量重复运算，应用较少（分割方法与常规四叉树相同）；自下而上的合并法应用较多，它是将二维矩阵的每个元素的下标转换成Morton码，并将元素按码的升序排列成线性表。 自下而上的合并法的建立过程：将十进制的行列号转换成二进制表示计算每个栅格单元对应的Morton码 MQ=2Ib+Jb其中，Ib、Jb分别为栅格单元行列号的二进制数。在排好序的线性表中，依次检查每4个相邻MQ码对应的栅格值， 若相同，合并为一个大块； 若不同，存储4个格网的参数值（MQ码、深度、栅格值）； 再依此检查4个大块的值； 若有一个值不同或某子块已存储，

26、则不作合并； 直到没有能够合并的子块为止。区域的栅格表示图编码表（按MQ码计算公式） MQ码(1,1,0)(00,2,0)基于十进制的线性四叉树编码采用十进制的原因： 基于四进制的线性四叉树直观上很切合四叉树的分割，但大部分语言不支持四进制变量，需要用十进制的长整型量表示Morton码，这是一种浪费； 基于四进制的线性四叉树的线性表的排序过程要花费较多的时间。十进制线性四叉树编码采用自下而上的合并法建立四叉树。MD码的计算公式按位操作的运算法设十进制表示的MD码的行列号在计算机内部的二进制数分别为： 行 II=（inin-1i3i2i1） 列 JJ=（jnjn-1j3j2j1）十进制的MD码实

27、际上是按II、JJ的二进制数字交叉结合的结果。 即 MD= injnin-1jn-1i3j3i2j2i1j1将得到的MD码由二进制数转换为十进制数，即为栅格的编码值。例1，已知栅格单元位于第二行、第二列，求栅格的线性四叉数的十进制编码（MD码）。解：第二行、第二列的二进制形式为 （010）行、（010）列 MD=（0 0 1 1 0 0） =123+122=12例2，已知栅格的MD码为12，求其行列号。解：将12转为二进制数为：001100 隔行抽取，行号为（010），列号为（010） 即行号为第二行，列号为第二列。线性四叉树十进制编码的编码方法 先将区域栅格表示按MD码的计算公式进行编码，得

28、到MD码的编码表，再进行归并，得到MD码。原始栅格图(48,1,8)(0,2,0)（一）两种数据结构的比较比较内容矢量格式栅格格式数据量数据量小小大大图形精度图形精度高高低低图形运算图形运算复杂、高效复杂、高效简单、低效简单、低效遥感图像格式遥感图像格式不一致不一致一致或接近一致或接近输出表示输出表示抽象、昂贵抽象、昂贵直观、便宜直观、便宜数据共享数据共享不易实现不易实现容易实现容易实现拓扑和网络分析拓扑和网络分析容易实现容易实现不易实现不易实现三、栅格矢量一体化数据结构（二）两种数据结构的相互转换1、矢量向栅格的转换确定栅格单元的大小点的转换线的转换面的充填空间分辨率面的转换？面的属性（1）

29、确定栅格单元的大小IYYYJXXXminmaxminmax（2）点的变换 式中，INT表示取整函数。栅格点的值用点的属性表示。)(1)(1minmaxminmaxXXXINTJYYYINTI（3）线的变换 求出两个端点栅格单元的行列号； 求中间经过的栅格。设线段两端点的坐标为（X1，Y1），（X2，Y2） 设两个端点的行列号已经求出，其行号分别为3和7，则其中间的行号必为4、5、6。其网格中心线的坐标为：)21(maxiYYYi111212)(XYYYYXXXii与直线交点的X坐标为：由X值求出这点的列号J；依次求出直线经过的每一个网格单元，并用直线的属性值充填这些网格，就完成了线段的转换。曲

30、线和多边形边界经分段连续运算，可完成曲线和多边形的转换。与此类似，也可以先计算出两端点的列数，知道直线要经过哪些列，然后计算各列中心线的Y值，再求相应的行数I。（4）面的充填 面的充填的关键问题：使计算机能正确判断哪些栅格单元在多边形内，哪些在多边形外，因此，多边形必须严格封闭。 方法： 射线算法 边界点跟踪算法（扫描算法） 内部点扩散法 复数积分算法 边界代数算法给栅格赋属性面的边界已矢量转栅格给多边形边界内的栅格赋属性射线算法 平行线扫描法 铅垂线跌落法过待检查的栅格单元所作的平行线或铅垂线与多边形相交的点数为偶数时，该栅格在多边形外，当交点数为奇数时，该栅格在多边形内。边界点跟踪算法多边

31、形边界的栅格单元确定后，从边界上的某栅格单元开始，按顺时针方向跟踪单元格，以保证多边形位于前进方向的右方，将边界经过的每个格网赋予字符R、L、N中的一个，直至回到起始点。 R：代表右，行数一直增加的单元为R； L：代表左，行数一直减少的单元为L； N：代表中，与相邻单元行数相同或出现极值现象的单元为N 最后逐行扫描，以多边形同一属性值充填所有L与R之间的栅格单元。对于多边形中的岛，按逆时针方向跟踪，岛内不充填。内部点扩散算法在多边形边界栅格确定后，寻找多边形中的一个栅格作为种子点；向种子点相邻的八个方向扩散；如果被扩散的栅格是边界栅格，就不再作为种子点向外扩散，否则继续作为种子点向外扩散；重复

32、上述过程，直到所有种子点填满该多边形为止。内部点扩散法容易发生扩充阻塞复数积分算法对全部栅格阵列逐个栅格单元判断栅格归属的多边形编码。判断方法：由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分； 若积分值为2i，则该待判点属于此多边形，赋予多边 形编号； 否则在此多边形外部，不属于该多边形。边界代数算法 边界代数法：是基于积分求多边形的思想，通过简单的代数运算，实现多边形的矢栅转换。 搜索方法概念：上行沿边界前进方向Y值上升为上行； 下行沿边界前进方向Y值下降为下行。1、上行时，对搜索多边形边界曲线左侧进行填充 填充值=左多边形右多边形2、下行时，对搜索多边形边界曲线左侧（从曲线前进方向看为右侧）进

33、行填充 填充值=右多边形左多边形填充过程1、确定格网数，并将全部格网置为0值，得到（b）图；2、沿弧段a上行，在图（b）的基础上， 填充值=左多边形右多边形=0-1=-1 求各网格的代数和，得到（c）图；3、沿弧段b下行，在图（c）的基础上， 填充值=右多边形左多边形=1-0=1 求各网格的代数和，得到（d）图。边界代数法与其他算法的不同 边界代数法不是逐点判断与边界的关系完成转换，而是根据边界的拓扑信息，通过简单的加减代数运算将边界位置信息动态地赋给各栅格点，实现了矢量格式到栅格格式的高速转换，而不需要考虑边界与搜索轨迹之间的关系。 因此，该算法简单，可靠性好，各边界弧段只被搜索一次，避免了

34、重复运算。2、栅格向矢量的转换分类图边值提取二值化扫描图二值化细化编辑矢量化栅格数据转换成矢量数据比矢量数据转换成栅格数据复杂。原因：矢量化过程涉及到大量栅格影像数据的预处理； 矢量化的图常常需要表示出拓扑关系。（1）边界提取边界提取是遥感影像处理中的一个专门问题。一种边界提取方法：一种边界提取方法：用一个用一个22的栅格窗口，按顺序沿行列方向对栅格图像进行扫描：的栅格窗口，按顺序沿行列方向对栅格图像进行扫描：若窗口内四个格网点值相同，它们就属于一个等值区，无边界通过；若窗口内四个格网点值相同，它们就属于一个等值区，无边界通过；否则，就存在多边形的边界或边界结点否则，就存在多边形的边界或边界结

35、点若窗口内有两种栅格值，若窗口内有两种栅格值，这四个栅格均标识为这四个栅格均标识为边界点边界点，同时保留原栅格值，如果窗口内有三，同时保留原栅格值，如果窗口内有三个以上不同的值，则标识为个以上不同的值，则标识为结点结点。对于对角线上两两相同的情况，由于造成多边形的不连通，也作为边对于对角线上两两相同的情况，由于造成多边形的不连通，也作为边界处理。界处理。边界搜索按线段逐个进行。从搜索到的某一边界窗口开始，下一点组的搜索方向由进入当前点组的搜索方向和将要搜索的后续点的可能走向决定。（2）二值化二值化二值化：是将彩色或灰度扫描数据的像元用1位即0和1表示，使栅格数据以黑白显示。二值化的关键二值化的

36、关键：是在灰度级（0255）的范围内取一个阈值，使小于阈值的灰度级取 值为0，大于阈值的灰度级取值为1。二值化的方法对栅格数据进行预处理； 栅格数据的栅格数据的预处理预处理：是对栅格图上的污点、污迹、断线、线：是对栅格图上的污点、污迹、断线、线轮廓凹凸不平等现象通过人工交互编辑的方式处理掉或修补上，轮廓凹凸不平等现象通过人工交互编辑的方式处理掉或修补上，如通过如通过低通滤波低通滤波除去污迹，通过除去污迹，通过高通滤波高通滤波除去污点。除去污点。选择阈值；二值化。高通滤波高通滤波：是消除图像的低频组份，而让高频组份通过保留，可以使图像锐化和边缘增强。低通滤波低通滤波：是消除图像的高频组份，而让低

37、频组份通过，使图像更加平滑和柔和。（3）细化 细化（栅格数据的轴化）：就是将占有多个栅格款的图形要素缩减为只有单个栅格宽的图形要素的过程。 细化的常用方法： 剥皮法、骨架法细化处理的“骨架法”骨架法：是确定图形的骨架，将非骨架上的多余栅格删除。方法：扫描全图，凡是像元值为1的栅格都用V值取代。V是该栅格与北、东和北东三个相邻栅格像元之和，即：) 1, 1() 1, (), 1(), (jifjifjifjifV（4）矢量化 找出线段经过的栅格； 将栅格（ i，j）坐标变成直角坐标（X，Y）。（三）栅矢一体化的数据结构 栅矢一体化的数据结构：是将矢量方法表示的线性实体，在记录原始采样点的同时，还

38、记录其包含的栅格的一种数据结构。管什么？为什么管？怎样管？图形数据+属性数据数据安全、方便使用放到数据库中第三节 空间数据库与数据库管理系统 空间数据库是GIS的核心。 空间数据库（Spatial Database）：是存放空间数据的数据库，是描述空间物体的位置数据，位置数据元素（点、线、面、体）之间的拓扑关系及描述这些物体的属性数据的数据库。图形数据拓扑关系属性数据一、空间数据库的概念 建立空间数据库的目的：是利用数据库技术实现空间数据的有效存储、管理和检索，以便为用户提供优质服务。图形数据的非结构化图形数据难管的原因？具有功能：空间数据库既要具有传统数据库的数据管理能力，又要具有管理空间数

39、据的能力，如空间数据查询、传输、处理功能，要便于空间数据分析。空间数据库的典型应用是GIS，还可用于遥感、摄影测量、测绘和计算机图形学等学科。此处的空间数据是指图形数据 空间特征； 非结构化特征； 空间关系特征； 分类编码特征； 多尺度特征； 海量性特征。二、空间数据库的特点 混合结构模型 扩展结构模型 综合数据模型三、空间数据库的结构特点（一）混合结构模型 基本思想：是用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据，其中属性数据存储在常规的RDBMS中，几何数据存储在空间数据管理系统中，两个子系统之间使用一种标识符联系起来。GISRDBMS几何空间数据几何空间数据标识符 优点：存储和检索数据比

40、较有效和可靠。 缺点：查询操作难以优化，存储在RDBMS外面的数据有时会丢失数据项的语义；数据完整性约束有可能遭破坏。 代表性软件有：ArcInfo、MGE、SICARD、GENEMAP等。（二）扩展结构模型 扩展数据模型采用同一的DBMS存储空间数据和属性数据。 扩展数据模型的做法：在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言（GeoSQL）转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。GIS空间数据空间数据属性数据属性数据标准标准RDBMS 优点：空间数据存取速度较快。 缺点：存取效率低于DBMS所用的直接操作过程，查询过程复杂。 代表性的GIS软

41、件：SYSTEM9、SMALL、WORLD等。（三）综合数据模型 综合数据模型是在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达功能。可扩展DBMS空间数据处理总实体总实体复合实体复合实体简单实体简单实体属性表属性表空间及属性数据空间及属性数据RDBMS连接到关系表的实体标识符连接到关系表的实体标识符输出输出 优点：在核心DBMS中进行数据类型的直接操作很方便、有效；用户可开发自己的空间存取算法。 缺点：用户必须在DBMS环境中实施自己的数据类型，有些应用相当复杂。 代表性的GIS软件：TIGRIS、GEO+等。 文件关系型数据库管理系统 全关系型数据库管理系统 对象关系型数据库管理系统 纯对象型数据库

42、管理系统四、空间数据库管理系统（一）文件和关系数据库管理系统文件和关系数据库管理系统是在20世纪80年代的关系数据库的出现的基础上而产生的空间数据管理模式。20世纪90年代很多国内外GIS软件均采用这种空间数据管理模式，如ArcInfo、MapInfo等。 基本结构图GIS系统图形用户界面 属性用户界面图形数据管理DBMS图形数据文件属性数据库ID 特点空间图形数据和属性数据分开存储；图形数据用文件系统存储，属性数据用图形数据用文件系统存储，属性数据用RDBMSRDBMS存储，用惟一的标识符或存储，用惟一的标识符或内部连接码将属性数据和图形数据联系起来，统一管理。内部连接码将属性数据和图形数据

43、联系起来，统一管理。空间数据的组织上，垂直方向分图层管理，水平方向分图幅管理；属性数据和图形数据分开存储；数据一致性维护困难，即数据一致性、完整性、安全性差，系统查询数据一致性维护困难，即数据一致性、完整性、安全性差，系统查询运算、模型操作运算速度慢运算、模型操作运算速度慢。属性数据和图形数据分开存储，数据分布和共享困难，对C/S、B/S网络结构体系支持能力差，很难适应网络环境下对数据并发操作和一致性操作的要求。这种管理方式缺乏表示空间对象及其关系的能力，不能建立真正意义上的空间数据库，随着信息技术的发展，空间数据管理将不采用这种方式。（二）全关系型空间数据管理系统 将非结构空间图形数据作为大

44、二进制对象，存储在关系数据库的二进制块中； 将属性数据存储在数据表的列中，由关系型数据库统一管理。GIS系统RDBMS+扩展部分关系和属性关系和属性数据库数据库 特点对空间数据统一管理；将图形数据存储在二进制数据块中；描述空间关系涉及一系列关系连接运算，结构且费时；实现空间SQL查询要附加接口。（此模式只适用功能简单的GIS）便于数据维护省去了大量图形数据和属性数据的连接操作，提高了查询速度（三）对象关系型空间数据库管理系统 对象关系型空间数据库管理系统：是通用RDBMS的扩展，是在RDBMS中增加空间数据管理专用模块，定义了操纵点、线、面、圆等空间对象的API函数，以解决空间数据的变长记录的

45、管理，使空间数据管理的效率明显提高。API的英文全称(Application Programming Interface) 基本结构图GIS应用系统空间数据属性数据专用空间数据管理层+索引标准RDBMS空间数据管理模块 特点空间数据和属性数据的联结由空间数据管理模块解决；解决了空间数据的变长记录管理；空间数据对象不能由用户任意定义。有操作关系数据的函数和操作图形数据的API函数，提高了空间数据的查询速度使用受限数据管理效率高（四）纯对象型数据库管理系统 最适合空间数据的表达与管理，它不仅支持变长记录，而且支持对象嵌套、信息继承与传播。 目前推出的面向对象的数据库管理系统有Jasmine，O2等，也推出了一些基于纯对象型管理的GIS，如GDE等。 目前，GIS空间数据管理的主流是基于对象关系的空间数据库管理系统。空间数据库引擎 空间数据库引擎是近几年发展