第二讲：GIS数据及特征

第二讲：GIS数据组成及特点中山大学遥感与地理信息工程系2010年3月15日主讲人：康停军助教GIS数据分类（P57）1图形数据：数字化的数据2图像数据：航空和航天数据3实体属性数据：空间定位型关系和属性数据4统计数据：描述型数据

在矢量模式中，关于点、线和多边形的信息被编码并以x、y坐标形式储存。

栅格模式是连续特征的模式，栅格图象包含有网格单元(像元灰度值)，扫描的地图或图像照片等。空间数据（几何数据）

——矢量和栅格模式数据的组织方法矢量模式

栅格模式

真实世界栅格数据概念(P65)所谓栅格数据是:

将制图区域的平面表象按一定的分解力作行和列的规则划分,就形成了一个阵列,其中每个栅格也称”像元”或”像素”.根据所表示的表像信息,各个像元可用不同的”灰度值”来表示,但每个像元被认为是内部一致的基本单元.换句话说:由平面表像对应位置上像元灰度值所组成的矩阵形式的数据就是栅格数据.栅格数据概念如果一个图像的灰度值只有两种,通常用”1”表示前景元素,用”0”表示背景元素,则这个图像也称”二值图像”.

在栅格数据中,二值图像的每个像元只能用计算机中的一位”bit”表示.在这种表示法中,数据虽可得到高度压缩,但不适宜表示多种制图要素在同一幅图像上出现的情况.

为了区分制图物体的类型属性,可以使不同制图要素上的像元带有不同的灰度值.因此需要为每个像元开辟计算机中的若干位(通常为一个字节),以便存放不同的灰度值.栅格数据中的点线面点：表示为单个像元。线：在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。面：由聚集在一起的相邻像元的集合。栅格数据概念四方向相邻和八方向相邻栅格数据的获取1.遥感方法获取(航天与航空);

2.图片扫描获取(纸介质的地图等扫描);

3.矢量数据转换而来;

4.由平面上行距,列距固定的点抽样而来

主要包括:(1)中心归属法(连续分布地理现象，人口密度、大气污染);(2)面积占优法（城市绿地面积分布）(3)重要性法.（具有特殊意义而面积较小的地理要素）栅格数据的基本运算1.栅格图像的平移(向右一格,再向上一格)栅格数据的基本运算2.两个栅格图像的算数组合将两个栅格图像叠加,使它们对应像元的灰度值相加,相减,相乘,相除,开方和,平方和等等.栅格数据的基本运算3.两个栅格图像的布尔逻辑组合栅格数据的基本运算4.其它栅格图像的基本运算

(1)栅格灰度值乘上或加上一个常数;

(2)栅格灰度值求其正弦,余弦等,方根,对数,指数等;

(3)将某些栅格灰度值置成常数等;

(4)求一个栅格图像中元素灰度值之和;

(5)找出一个栅格图像中元素灰度值最大和最小等;

(6)求出两个栅格图像对应灰度值的数量积;

(7)将两层栅格图像对应灰度值比较,并把一个较大的元素记录到结果栅格图像中;

(8)进行”二值图像”处理等等.栅格数据的宏运算1.扩张栅格数据的宏运算2.侵蚀栅格数据的宏运算3.加粗栅格数据的宏运算4.减细

减细的原理和过程与加粗几乎一样，因为加粗“0”像元就是减细“1”像元。但一定要注意：在减细的批处理中，若不附加一些必要的限制条件，就可能导致线划的断裂或要素的消失等。栅格数据的宏运算5.填充(带有边界条件的逐步加粗法)栅格数据运算的具体应用（1）两要素之间有粘连现象栅格数据运算的具体应用（2）三线公路的绘制（两次加粗，异或运算，或运算）栅格数据运算的具体应用（3）栅格图像的叠置分析栅格数据（1）栅格数据（2）栅格数据（3）上海东方明珠电视塔故宫栅格数据（4）栅格数据（5）

矢量数据结构

1定义：矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。

2特点：定位明显，属性隐含。

3获取方法：

(1)手工数字化法；

(2)手扶跟踪数字化法；

(3)数据结构转换法。矢量数据概念矢量数据的编码方法(P62)1.坐标序列法

2.树状索引编码法

3.拓扑结构编码法

矢量数据（1）矢量数据（2）矢量数据（3）矢量+栅格（1）矢量+栅格（2）栅格结构特征——图像空间被划分为规则的栅格。地理实体的位置用它们占据的行列号(I,J)表示,每一格称为一个像元，像元是用灰度值来表示的（0~255）。每个栅格与它表达的真实世界的空间实体没有直接的联系。例如：道路作为单一的栅格是不存在的，栅格的值表达了路是一个实体。道路是被具有道路属性值的一组栅格表达的。矢量结构特征——图形用点线面表示现实世界的物体，每一个实体的位置用它们在坐标参考系统中的空间位置定义；用属性表示物体的数量和质量特征。例如，用一条线表达一条道路；一个多边形表示一个湖泊。矢量模式与栅格模式比较栅格模式矢量模式优点：1、数据结构简单2、叠加操作更易实现、更有效3、能有效表达空间可变性4、便于做图像的有效增强优点：1、数据结构更严密。2、提供有效的拓扑编码，便于拓扑操作。3、图形输出美观。缺点：1、数据量大，需要压缩。2、难以表达拓扑关系。3、图形输出不美观，有锯齿。缺点：1、数据结构复杂。2、叠加操作不方便。3、表达空间变化性能力差。4、不能做增强处理。栅格数据的组织数据文件像元1I坐标J坐标层1属性值层2属性值层N属性值像元2像元N数据文件层1像元1I坐标J坐标属性值层2层N像元2数据文件层1多边形1属性值像元1坐标像元N坐标层2层N多边形N节省空间形式简单方便制图栅格数据的压缩技术(p67)长度(变长)编码法（LengthCodes)改变扫描顺序法（ExchangeOrders)链式编码(ChainCodes)游程长度编码(Run-LengthCodes)块式编码(BlockCodes)四叉树编码(QuadtreeEncoding)变长编码AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABBBBBBAAABBBBBBBDDDDBBBBBBDDDDDBBBBBDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCCDDDDDCCCCC全栅格编码A100A101A42B62A33B73D44D55B55B64D56C56D57C57D58C59D59C59变长编码四叉树编码2220111332110012310111213110111112113四叉树分解过程012320212223210211212213根容易而有效地计算多边形的数量特征；阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分 四叉树分级多，分辨率也高，而不需要表示的 细节部分则分级少，分辨率低。因而既可精确 表示图形结构，又可减少存储量。直接栅格编码到四叉树编码及四叉树到简单栅格 编码的转换比块式编码等其它压缩方法容易。多边形中嵌套不同类型小多边形的表示较方便。

四叉树编码的优点四叉树编码的最大缺点是转换的不确定性，用同一形状和大小的多边形可能得出多种不同的四叉树结构，故不利于形状分析和模式识别。但因它允许多边形中嵌套多边形即所谓“空洞”这种结构存在，故越来越多的GIS工作者对四叉树结构很感兴趣。四叉树编码的缺点矢量数据的组织无拓扑关系矢量结构点实体线实体面实体标示符X、y坐标属性值标示符X、y坐标对属性值标示符边线标示符属性值点实体的组织点实体唯一标示符类型简单点文字说明结点序列号X、y坐标有关的属性其它有关的属性如果是简单点符号比例尺方向如果是文字说明如果是结点字符大小方向字体排列符号指针与线相交的角度2.线实体编码唯一标示码线标示码起始点终止点坐标对序列显示信息非几何属性多边形矢量编码多边形环路法树状索引编码法拓扑结构编码法由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成对所有边界点数字化，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完整的拓扑结构矢量数据拓扑结构组织矢量数据拓扑结构，即基本要素点线面和实体之间具有邻接、关联和包含的拓扑关系,与长度面积无关。什么叫拓扑？Topology一词来自希腊文，它的原意是“空间关系的研究—或为形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。如:“点的内置”是拓扑属性；面积则不是拓扑属性.欧几里德平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（自身不相交）一个点在一个区域的边界上（内部、外部）一个面是简单面（面上没有“岛”）一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点之间的距离弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积基本拓扑要素概念(P58)：

线段（ARC，弧段），在线段的中间与其他任何线段不存在任何相关关系，在线段的端点才与其他的线段有关系。线段是有向线段，它的方向有首尾端点确定。

结点(NODE)，即线段的两端点，可以分为首结点和尾结点。

多边形(POLYGON),由数条线段有序的首尾连接而成。

层（LAYER）,具有相同属性的拓扑要素的组合。基本拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含拓扑邻接（P58）存在于空间图形之间同类要素之间的拓扑关系。多边形P1和P2,P1和P3

在空间上相邻接；弧段L2，L3，和L5在空间上相邻接；节点V1与V9,V9与V4等在空间上相邻接。1354ADCbcBda弧左多边形右多边形aDCbCAcABdDA拓扑关联指存在于空间图形中的不同类要素之间的拓扑关系。

节点V9与弧段L3，L5，L6关联；多边形P1与弧段L1，L2，L3，L6关联多边形弧p1L1、L3、L6、L7p2L2、L3、L5p3L4、L5、L6p4L7拓扑包含指存在于空间图形中同类但不同级的基本要素之间的拓扑关系。多边形P1包含多边形P4

栅格与矢量模式的选择与转换栅格和矢量均有各自的特点。从点、线、面实体转化为规则单元，这是矢量数据栅格化（p71)。从栅格单元转换到几何图形的过程，称为栅格数据矢量化(p72)。1.矢量数据向栅格数据的转换（1）确定栅格单元的大小栅格单元的大小就是它的分辨率，应根据原图的精度，变换后的用途及存储空间等因素予以决定。栅格单元的边长在X，Y坐标系中的大小用ΔX和ΔY表示。设Xmax、Xmin和Ymax、Ymin分别表示全图X坐标和Y坐标的最大值与最小值，I，J表示全图格网的行数和列数。

XY（0，0）JIxminxmaxyminymaxΔXΔY它们之间的关系为：ΔX=（Xmax-Xmin）/JΔY=（Ymax-Ymin）/I

栅格与矢量模式的选择与转换（2）点的栅格化点的变换只要这个点落在某一个栅格中，就属于那个栅格单元，其行、列号I、J可由下式求出：I=1+INT[（Ymax-Y）/ΔY]J=1+INT[（X-Xmin）/ΔX]式中INT表示取整函数。栅格点的值用点的属性表示。（3）线的栅格化如图所示，设两个端点的行、列号已经求出，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：Yi=Ymax-ΔY×(I-1/2)

而与直线段交点的X坐标为：

Xi=[(X2-X1)/(Y2-Y1)](Yi-Y1)+X1

••YX34567（X1，Y1）（X2，Y2）栅格与矢量模式的选择与转换（4）多边形（面域）栅格化左码记录法：要完成面域的栅格化，其首要前提是实现以多边形线段反映其周围面域的属性特征。目前一般采用的是左码记录法。其原理如图所示，有一闭合多边形，它将整个矩形面域分割成属性为1和0的两部分。转换的第一步工作即是要实现这个目标。ABCDEF01栅格与矢量模式的选择与转换

第一步，从数字化数据的第一点开始依次记录每一点左边面域的属性值（面域外为0，面域内为1）。记录方法可由计算机自动完成，这样，每一个多边形数字化点便实现了“三值化”，即坐标值、线段自身属性值及左侧面域属性值。第二步，对多边形每一条边，按以上所述的线段栅格化的方法进行转换，得到如图所示的数据组成。栅格与矢量模式的选择与转换第三步，节点处理，使节点的栅格值惟一而准确。第四步，排序，从第一行起逐行按列的先后顺序排序，这时，所得到的数据结构完全等同于栅格数据压缩编码的数据结构形式。最后，展开为全栅格数据结构，完成由矢量数据系统向栅格数据系统转换如图所示。栅格与矢量模式的选择与转换2.栅格数据向矢量数据的转换

栅格数据向矢量数据转换通常包括以下四个基本步骤：⑴多边形边界提取采用高通滤波将栅格图像二值化，并经过细化标识边界点，如图所示①二值化。线划图形扫描后产生栅格数据，这些数据是按从0-255的灰度值量度的，设以G（i，j）表示，为了将这种256或128级不同的灰阶压缩到2两个灰阶，即0和1两级，首先要在最大和最小灰阶之间定义一个阙值，设阙值为T，则如果G（i，j）大于等于T，则记此栅格的值为1。如果G（i，j）小于T则记此栅格的值为0，得到一幅二值图，如图下图（a）。(a)(b)(c)(d)栅格与矢量模式的选择与转换②细化。细化是消除线划横断面栅格数的差异，使得每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线（对面状符号而言）位置的单个栅格的宽度，对于栅格线划的“细化”方法，可分为“剥皮法”和“骨架法”两大类。剥皮法的实质是从曲线的边缘开始，每次剥掉等于一个栅格宽的一层，直到最后留下彼此连通的由栅格点组成的图形。因为一条线在不同位置可能有不同的宽度，故在剥皮过程中必须注意一个条件，即不允许剥去会导致曲线不连通的栅格。这是这一方法的关键所在。其解决方法是，借助一个在计算机中存储的，由待剥栅格为中心的3×3栅格组合图（下图）来决定。通过研究，其中只有格式2，3，4，5，10，11，12，16，21，24，28，33，34，35，38，42，43，46和50，可以将中心点剥去。这样，通过最多核查256×8个栅格，便可确定中间栅格点保留或删除，直到最后得到经细化