地理信息系统课件

第八章：网络地理信息系统第一节：计算机网络基础第二节：网络地理信息系统组合方式全集中式数据集中式功能集中式全分布式函数库服务器第三节：万维网地理信息系统（WebGIS）WEBGIS的定义Webgis的构建模式

1）基于服务器的WebGIS模式

2）基于客户机的WebGIS模式

3）基于服务器/客户机的WebGIS模式WEBGIS的实现技术

较常用的有：CGI：即通用网关接口技术（CommonGatewayIterface）；Plug－in，即应用程序插件技术；ActiveX控件和COM对象构件；Java语言编程的技术，包括Java小程序（Applet）和Java虚拟机技术（VRM）等WEBGIS技术发展趋势1.GML——网络环境空间数据交换和共享的途径

HTMLXMLGML空间数据的特点:空间数据具有:多源性，多语义性，多时空性，多尺度和获取数据手段的复杂性等特点，传统的web语言：HTML超文本标识语言，它其实是一种文本显示语言，其表现力弱，结构简单，扩展性差，互操作困难，不利于空间数据的显示，处理和共享，随着webgis的发展，这种弊端越来越明显，迫切需要改变XML可扩展标识语言－－ExtensibleMarkupLanguage）他是W3C组织所公布的新一代web语言。XML语言是一种元语言，是用来定义其他语言的语言。可以让信息提供者根据需要，自行定义标记和属性名，也可以包含描述法，从而使XML具有跨平台、灵活性、可扩展、自我描述、高度结构化等特点，特别可以以其为基础定义其特定领域的特殊标记语言，作为该领域信息交换和数据共享的基础。GML在地理空间领域，OpenGIS联盟（OGC)于2000年4月推出地理标记语言（geographymarkuplanguage－GML），一种基于XML的对地理信息（包括地理特征的几何和属性）的传输和存储的编码规范，并与2001年2月制定了更为完善的GML2.0版本在WEBGIS中引入GML，至少可以获得以下好处:1.使来自不同地方，不同数据库，不同Gis软件所产生的空间数据能够无缝集成2.有利于实现空间数据的标准化，并且这是一个开放的标准，得到各大公司的支持，具有良好的扩展性。SVG（ScalableVectorGraphics）是一种基于XML的用来描述二维矢量图形和矢量/点阵混合图形的置标语言，是一种全新的矢量图形规范。SVG规范定义了SVG的特征、语法和显示效果，包括模块化的XML命名空间（namespace）和SVG文档对象模型(DOM)。SVG定义在网页中嵌入SVG对象将实现基于浏览器的GIS系统，需要将SVG图形对象嵌入到网页中，使用如下HTML代码来实现，例如

<embedwidth=“640”height=“560”type=“image/svg-xml”id=“svgmapctrl”pluginspage=“/svg/viewer/install/”src=“default.svg”></embed>

其中embed标签指定为一个嵌入的对象。SVG显示地图的优点

和Bitmap、GIF、JPEG等其他栅格图像格式相比,SVG有很多优点。(1)放大缩小:用户可以放大地图图像到任何倍数而不必担心损失地图的细节。(2)文字的查询:由于文字在SVG图形里面仍然是以文字表示的,所以可以很容易地被查询和修改。(3)文件小:在Internet上可以很快地下载。(4)可提供16位色支持,使地图颜色丰富多彩。(5)可以很容易地实现和用户的交互,编写鼠标事件就可以实现高亮度显示,地图提示,特殊效果等。另外,SVG也可以方便地添加栅格图形,这样在发布遥感图像的时候就非常方便。SVG局限性对于高级的GIS信息,SVG是有局限性的。目前,SVG不支持拓扑结构,地理坐标系统和3D数据。而且,地理对象的属性数据并不是直接存储的,而是分解为color,line-style等符号。因此，OpenGIS组织提出了一种基于XML标准的,专门为地理空间数据设计的规范——GML。GML与SVG的结合由于GML是OpenGIS组织提出的地理空间数据Web发布架构中进行数据交换和存储的媒介，而SVG可以方便地用来对空间地理数据进行浏览。两者的结合可以互相补充,使WebGIS中地图数据的传送变得有效。由于SVG和GML都是基于XML的,所以应用XLST互相转化是很容易的。图1是一个基于GML+SVG的WebGIS系统:XSLTXSLT(ExtensibleStylesheetLanguageTransformations)是把一种XML格式的数据转化为另外一种XML格式的数据的语言。源XML数据的元素被分析,过滤,记录。新的元素根据转化要求被创建。这样一个新的XML文件会被创建。用GML表示的空间地理数据可以方便转化为SVG格式。Webgis的体系结构包括:a.数据的开放，即分布在异构数据库中的信息能共享GML解决方案：b.数据访问方法的开放，即不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性对webgis所提出的这些要求正是opengis联盟（OGC）所成立的目的，它多年来致力于opengis并且制定了一套opengis的开放的地理数据互操作规范OGIS（opengeographicinteroperablespecification），这些规范为软件开发者提供了框架，更具这些框架开发的软件可以使他们的用户在一个开放信息技术的基础上通过一般的计算界面就可以访问和处理不同来源的地理数据。2.开放式地理信息系统3.网络虚拟地理环境

所谓“虚拟地理环境”是指用计算机技术生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。地理虚拟建模语言(GeoVRML)是由Web3D联盟下属的一个官方工作组所制定的一种地理虚拟建模语言,它是用虚拟建模语言(VRML)为基础来描述地理空间数据.其目的是让用户通过一个在Web浏览器安装的标准的VRML插件来浏览地理参考数据、地图和三维地形模型.它的出现将为在网络环境下实现虚拟地理环境提供一个良好的数据规范平台,将大大促进网络虚拟地理环境的应用.最后的期望和要求深入理解GIS的原理利用GIS解决各种问题掌握一门计算机高级语言（VB/VC等）掌握一些常用的GIS平台（如mapinfo、arcview、arcgis等）学会一些利用GIS控件开发（mapx、mo等）和内置二次开发语言进行开发（如mapbasic等）WebGIS可以简单定义为在Web上的GIS，就是利用互联网技术和WWW技术，完善和扩展传统的地理信息系统功能的一门新技术，借助WebGIS，人们可以在互联网上发布空间数据，也可以在WWW上的任一节点上利用浏览器访问地理信息，进行空间检索和空间分析。与传统GIS系统相比，WebGIS具有以下特点：更广泛的访问范围，更简单的操作；平台独立性；节约系统成本等。从而使得GIS突破专业限制，开始进入千家万户。返回第二章空间数据结构及编码1、从现实世界到计算机世界概念模型数据模型数据结构文件格式四个层次现实世界用户认识局部抽象概念模型面向用户数据模型面向机器按照著名数据库专家E.F.Codd的理论认为数据模型实质上是一组为用户服务的规则,这些规则规定其数据结构如何组织以及应当允许进行何种操作。一基本概念2.Gis中地理空间数据组织的主要对象从地理空间现象或事物到计算机世界,一般也要有概念模型,数据模型,数据结构和文件格式几个层次.这个过程有时统称为地理空间数据建模Gis怎样组织数据以模拟地理事物和现象的呢?举例我们将gis所抽象,表达的地理事物和现象,称为空间对象;空间对象的位置相互关系,称为空间关系a空间对象点状空间对象(0维对象)线状空间对象面状空间对象体状空间对象除空间维数特性外,空间对象还可以从其复杂性,规则性,人为性等角度认识和区分b空间关系通常分为3类度量空间关系顺序空间关系拓扑空间关系

连接性

包含

邻接性3.空间数据结构和空间数据模型两个概念之间的关系空间数据结构和空间数据模型研究地理空间数据组织和管理.两者之间的关系,与一般的数据结构和数据模型的关系有两点相似之处.其一,空间数据结构所作的数据组织工作,比空间数据模型更基层些,它偏重数据表达的物理实现,而空间数据模型涉及到空间数据管理的层次.其二，同普通数据的数据模型一样,空间数据模型的命名通常与相应的空间数据结构相同.4.空间分析与非空间分析5.空间数据定义特点：数据的空间性数据的属性数据的时间性6.空间数据的编码7.空间数据的拓扑关系地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多边形（区域）之间的空间几何关系，其关系如下

欧氏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（弧段自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有“岛”）一个面的连续性（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一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积弧属性表（AAT）多边形属性表（PAT）#－id多边形标识码周长面积108.418-4.50621048.5962.07831024.2961.14441012.2330.30151034.3250.983＃－id弧标识码起始结点终到结点弧左多边形弧右多变形弧长13831321.51523343351.04033541132.10643722242.23353615124.12063953521.09373445512.1931.本图有多少个多边形和弧？2.哪个多边形是包含于另一个中？3.哪个多边形和多边形102相邻？4.手工建立一个简单示意图表明本图的空间格局二、栅格数据结构

定义：又称为网格结构，它是将地表划分成为紧密相邻的网格阵列。每个网格的位置由行列号定义。它包含一个代码，以表示该网格的属性或指向属性记录的指针。注意：栅格数据模型是将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间，这种铺盖可以分为规则的和不规则的1.概念三角形、方格和六角形划分

栅格数据模型2.图形栅格数据结构表示00002000000200000102033000023333002033330020033002000000线面点3.决定栅格单元代码的方式

面积占优法

中心点法

重要性法

4.栅格结构编码方式直接栅格编码行程编码块码链式编码四叉树结构二维行程编码基本思路：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。游程长度编码（Run-LengthCodes）1）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。两种方案（属性值，长度）

例如

（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）。0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888压缩比的大小是与图的复杂程度成反比的，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分游程数就少，图件越简单，压缩效率就越高44：642）逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码编码如下（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），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。（属性值，属性发生变化的位置）0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888特点：属性的变化愈少，行程愈长，则压缩的比例越大，压缩比与图的复杂程度成反比。

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，再加上记录单位的代码组成。块码对图所示图像的块码编码如下：

(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),(8,5,1,0)。0744444477774777444487780840877808800800887888880000888800000888该例中块码用了120个整数，比直接编码还多，这是因为例中为描述方便，栅格划分很粗糙，在实际应用中，栅格划分细，数据冗余多的多，才能显出压缩编码的效果，而且还可以作一些技术处理，如行号可以通过行间标记而省去记录，行号和半径等也不必用双字节整数来记录，可进一步减少数据冗余。块码具有可变的分辨率，即当代码变化小时图块大，就是说在区域图斑内部分辨率低；反之，分辨率高。块码与游程长度编码相似，随着图形复杂程度的提高而降低效率，就是说图斑越大，压缩比越高；图斑越碎，压缩比越低。块码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。然而在某些操作时，则必须把游程长度编码和块码解码，转换为基本栅格结构进行。链码（ChainCodes）

链码又称为弗里曼链码[Freeman]或边界链码，链码可以有效地压缩栅格数据，而且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度等运算十分方便，比较适合于存储图形数据。缺点是对边界进行合并和插入等修改编辑工作比较困难，对局部的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，相邻区域的边界将被重复存储而产生冗余。

基本思想：将一幅栅格地图或图像等分为四部分，逐块检查其格网属性值（或灰度），如果某个子区的所有格网值都相同，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。

四叉树结构四叉树编码具有可变的分辨率，并且有区域性质，压缩数据灵活，许多运算可以在编码数据上直接实现，大大地提高了运算效率，是优秀的栅格压缩编码之一1）从四叉树的特点可知，一幅2n*2n

栅格阵列图，具有的最大深度数为n，可能具有的层次为0，1，2，……..n注意2）每一层的栅格宽度，即每层边上包含的最大栅格数，反映了所在叶结点表示的正方形集合的大小，其值为：2（最大深度-当前层次）例如：一幅23×23

的栅格阵列，它具有的最大深度为3，可能层次分别为0，1，2，3。其中：第0层边长上的最大栅格数为2（3-0）＝8

第1层边长上的最大栅格数为2（3-1）＝4

第2层边长上的最大栅格数为2（3-2）＝2

第3层边长上的最大栅格数为2（3-3）＝1111100001111000011100000111000003344400033444000334400003344000011011010344004034000层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）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，即四个叶结点指针、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储存量，而且增加了操作的复杂性。常规四叉树与线性四叉树线性四叉树只存储最后叶结点的信息。包括叶结点的位置、深度和本结点的属性或灰度值线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的规则，这种编号成为地址码，它隐含了叶结点的位置和深度信息。a.基于深度和层次码的线性四叉树的编码它是通过记录叶结点的深度码和层次码来描述叶结点的位置码几种线性四叉树的编码111100001111000011100000111000003344400033444000334400003344000011011010344004034000层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）

该地址码的十进制为：？层次码深度码第一层第二层第三层00111100110层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）b.基于四进制的线性四叉树编码0层1层2层3层（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）（15）（16）（17）（18）（19）第一层第二层第三层033思考请为23×23

栅格阵列中的每个栅格建立基于四进制的四叉树编码方式的地址码？你能找出何种规律？000001010011100101110111000000001010011100101110111001002003012013102103112113010020021030031120121130131011022023032033122123132133100200201210211300301310311101202203212213302303312313110220221230231320321330331111222223232233322323332333

先将栅格的行列号转换为二进制，得二进制行号Iyb，列号Ixb，则M=2×Iyb＋Ixb如结点7：

M=2*011+011＝033如果知道基于四进制四叉树编码方式的地址码，你能知道它的行列号码吗？思考若该位的编码值为0，1，则行号Iyb值为0；若该位的编码值为2，3，则行号Iyb值为1；若该位的编码值为0，2，则列号Ixb值为0；若该位的编码值为1，3，则列号Ixb值为1；

如：M码为：103

二进制行值Iyb为：001

二进制列值Ixb为：101000001010011100101110111000000001010011100101110111001002003012013102103112113010020021030031120121130131011022023032033122123132133100200201210211300301310311101202203212213302303312313110220221230231320321330331111222223232233322323332333000001010011100101110111000000110010100203003101103203310020213003013110130230311022233233111规则：首先将二维栅格数据的行列号转换为二进制，然后交叉放入Morton码中，即为线性四叉树的地址码：行号＝5（101）；列号＝7（111）

Morton＝110111＝55c.基于十进制的线性四叉树编码

请快速建立8*8栅格阵列中的每个栅格的Morton思考0000010100111001011101110000145161720210012367181922230108912132425282901110111415262730311003233363748495253101343538395051545511040414445565760611114243464758596263M码属性值004050607480124……….….….…..…..….…..二维行程编码二维行程编码再议游程编码a.定义游程编码结构游程指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。游程编码结构的建立方法是：将栅格矩阵的数据序列X1,X2,X3…..XN，映射为相应的二元序列（Ai，Pi），i＝1，k，且k<=n.其中，A为属性值，P为游程，k为游程序号2255275577755555序号二元组序列1（2，2）2（5，2）3（2，1）4（7，1）5（5，2）6（7，3）7（5，5）二元映射这种结构特别适合于二值图数据的表示，如图1111111000001111100001111序号二元组序号1（1，7）2（0，5）3（1，5）4（0，4）5（1，4）二元映射b.游程编码能否压缩数据量，主要决定于栅格数据的性质，通常可通过事先测试，估算图层的数据冗余度Re：Re＝1－Q/(M×N)Q：图层内相邻属性值变化次数的累加和M：为图层网格的行数N：为图层网格的列数当的值大于1/5的情况下，表明栅格数据的压缩可取得明显的效果c.当栅格数据位数字高程时当栅格数据为规则的数字地形高程即DEM时，由于这种类型数据的相邻的数据具有高度的相关性，可通过差分映射进行预处理，然后在采用游程长度压缩编码法。例如2468357824682581122223221222223332321223差分d.基于游程编码结构的栅格数据文件的数据组织方式为了提高系统对这些数据的访问效率，通常采用索引顺序文件的方法来组织数据。当由位置参数访问其属性特征时，利用逻辑顺序和逻辑地址的关系，很快在索引文件中找到指向数据文件欲访栅格的指针，并求出其逻辑地址，就能找到该栅格的属性。栅格行序号逐行游程累计数0102..10037..572游程序号编码值0001000200030004.0007..0572R1R2R3R4.R7.R572索引文件数据文件5.多重属性下的栅格数据模型数据文件像元1X坐标Y坐标层1属性层2属性层3属性层n属性像元2像元n以像元为记录的序列。优点：因为n层中每个像元实际是只存储了一层的像元坐标，节约存储空间；每个网格单元的多主题或多层之间比较相对容易实现。不足之处在于不能完全各主题的空间关系，即由于每个网格单元位置单独编码，要比较不同层的网格单元组是很困难的以层为基础，每一层又以像元顺序记录它的坐标和属性值，一层记录完后再记录第二层。这种方法较为简单，但需要的存贮空间最大。数据文件层1x坐标Y坐标属性值像元2像元n像元1层2层n

以层为基础，但每一层内则以多边形（也称制图单元）为序记录多边形的属性值和充满多边形的各像元的坐标。

数据文件层1属性值多边形2多边形n多边形1层2层n像元1坐标像元2坐标像元n坐标图形文件如：TIFF、GIF、JPEG文件可用各种图像压缩算法作均称压缩，TIFF和GIF文件用无损压缩，使原图被精确重构，而JPEG采用有损压缩，它可达到很大的压缩比，但不能完整重构原图像。课内作业一、右图

1.以第3行，第5列为例说明如何将二维删格数据的行列号转换为Morton码

2.就下列删格数据建立十进制线性四叉树表和二维行程编码表二、举例说明：与块码相比，四叉树在表示栅格结构时有何不足？0044004454404400

三、编写程序，实现以下功能

1）将直接栅格编码文件转换为RLE格式文件

2）将RLE栅格数据文件转换为线性四叉树编码文件（基于十进制的线性四叉树编码）课外作业（a）块码分割（b）四叉树分割小知识点

——栅格数据类型卫星影像数字高程模型数字正射影像二进制扫描文件数字栅格图形图形文件特定地理信息系统软件的栅格数据小知识点

——栅格数据文件为导入要用的栅格数据，GIS软件包必须有数据结构和压缩方法的信息。此类信息通常包含在头文件中，头文件的功能类似于元数据。例如：卫星影像的头文件（常以.hdr为扩展名）包含了有关影像数据的信息，如数据结构方法，行列数，光谱波段数，每个波段每一像元的比特数。三、矢量数据结构1.概念

矢量结构：即通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体.注意：由于坐标空间设为连续，所以允许任意位置、长度和面积的精确定义。但是，其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制，在一般情况下，比栅格结构精度高得多。矢量数据模型对于点实体（0维对象），没有长度和宽度

只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；线实体（1维对象），只有长度没有宽度：用一系列足够短的直线首尾相接表示一条曲线。

矢量结构中只记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列，坐标之间认为是以直线段相连，在一定精度范围内可以逼真地表示各种形状的线状地物。“多边形”在地理信息系统中是指一个任意形状、边界完全闭合的空间区域。

其边界将整个空间划分为两个部分：包含无穷远点的部分称为外部，另一部分称为多边形内部。

多边形的边界线同线实体一样，可以被看作是由一系列多而短的直线段组成。2.矢量数据结构矢量数据结构分为以下几种主要类型简单数据结构拓扑数据结构曲面数据结构1）简单数据结构

a.面条（Spaghetti方式）在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线、多边形）为单位进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条（Spaghetti方式）

由多边形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码，如上图记为以下坐标文件：10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11；x1,y1；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；x1,y1；30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40；x33,y33；40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30；x31,y31；x32,y32；x19,y19；50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24；x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28；x21,y21；

坐标序列法文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。特点：

1.数据按点、线或多边形为单元组织，数据编排直观，数字化操作简单

2．多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此产生冗余和碎屑多边形；

3．每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界；

4.岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形的联系；

5．不易检查拓扑错误。这种方法可用于简单的粗精度制图系统中

该法采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，方法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

b.树状索引编码法

以下分别为右图的多边形文件和线文件树状索引示意图。其文件结构如下：线与多边形之间的树状索引点与边界线之间的树状索引采用上述的树状结构，前图的多边形数据记录如下：1）点文件点号坐标1x1,y12x2,y2……40x40,y402）线文件线号起点终点点号I161,2,3,4,5,6II686,7,8…………X333333,34,35,36,37,38,39,40,333）多边形文件多边形编号多边形边界10I,II,IX20III,VII,VIII,IX,X30X40IV,VI,VII50II,III,IV,V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，在简化过于复杂的边界线或合并相邻多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到

但是比较繁琐，因而给相邻函数运算，消除无用边，处理岛状信息以及检查拓扑关系带来一定的困难，而且两个编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错

2）拓扑数据结构拓扑型数据结构由弧段坐标文件、结点文件和多边形文件等一系列含拓扑关系的数据文件组成。结点文件由结点记录组成，存贮每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段等弧段坐标文件存贮组成弧段的点的坐标弧段文件由弧记录组成，存贮弧段的起止结点号和左右多边形号；多边形文件由多边形记录组成，存贮多边形号、组成多边形的弧段号以及多边形的周长、面积、中心点坐标。DIME(双重独立坐标地图编码，DualIndependentMapEncoding)编码系统

DIME是美国人口调查局在人口调查的基础上发展起来的，它通过有向编码建立了多边形、边界、节点之间的拓扑关系，DIME编码成为其它拓扑编码结构的基础拓扑整合的地理编码和参考系统（TIGER)多边形转换器（POLYVRT）拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能。这种拓扑编辑功能，不但保证数字化原始数据的自动差错编辑，而且可以自动形成封闭多边形边界，为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。拓扑编辑功能包括多边形编辑和结点编辑a.多边形编辑弧段号起点终点左多边形右多边形a2N2N40p4a7N3N4p4p3a8N2N3p4p2弧段号起点终点左多边形右多边形a2N4N2p40a7N3N4p4p3a8N2N3p4p2弧段号起点终点左多边形右多边形a2N4N2p40a8N2N3p4p2a7N3N4p4p3N1N3N5N2N4P2P1P4P3b.结点编辑N1N3N5N2N4P2P1P4P3弧段号起点终点左多边形右多边形a8N2N3p4p2a6N3N5p3p1a7N3N4p4p3a5N1N3p2p1弧段号起点终点左多边形右多边形a8N2N3p4p2a6N5N3p1p3a7N4N3p3p4a5N1N3p2p1弧段号起点终点左多边形右多边形a5N1N3p2p1a6N5N3p1p3a7N4N3p3p4a8N2N3p4p23）曲面数据结构曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度、磁场等。表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算，因此经常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，称为TIN（TriangulatedIrregularNetwork）数据结构这种基于TIN的曲面数据结构，通常用于数字地形的表示，或者按照曲面要素的实测点分布，将它们连成三角网，三角网中每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最邻近的点构成的三角形，即三角形的边长之和最小。在所有可能的三角网中，狄洛尼（Delaunay）三角网在地形拟合方面表现最为出色。狄洛尼（Delaunay）三角网：为相互邻接且互相不重叠的三角形的集合，每一个三角形的外接圆内不不含其他的点。狄洛尼三角形外接圆不包含其他点的特性被用作从一系列不重合的平面点建立狄洛尼三角网的基本法则，可以称为狄洛尼法则34271865三角形的标识码相邻三角形三角形顶点顶点坐标和特征值∆1∆2∆31st2st3stX1，y1，z1X2，y2，z2X3，y3，z3ABCD127ABCD四、矢栅结合的数据结构1.矢栅混合模式有多种形式，最简单也最实用的是不对矢量结构数据和栅格结构数据做任何特殊处理，直接将他们分别存储在同一个GIS的空间数据库系统中，并通过共同的ID号将各空间对象的矢量数据，栅格数据及属性数据关联在一起。实体ID矢量数据栅格数据属性数据缺点：矢量和栅格两套数据均要无遗漏的在系统中存储，会给系统的存储空间带来压力2.矢栅一体化模式

为了解决失栅混合增加存储空间这一问题，并更加有效的将矢量、栅格数据结构结合起来，gongjianya提出了失栅一体化模式，其理论基础是多级格网方法，三个基本约定和线形四叉树编码。多级格网:

包括粗格网，基本格网和细分格网三个层次粗格网建立空间索引。基本格网的大小与常规栅格划分要求一致；细分格网是在点、线经过的基本栅格上在进一步划分为16*16或256*256的小格网，以增加栅格的空间分辨率，从而提高点线表达精度256256

粗格网、基本格网和细分格网均采用线性四叉树编码，并采用三个Morton码（M0,M1,M2）表示。其中：M0表示点所在或线所通过的粗格网的Morton码，是研究区的整体编码。M1表示点所在或线通过的基本栅格的morton码，也是研究区内的整体编码。M2表示点所在或线所通过的细分栅格的morton码，是基本栅格内的局部编码

以上编码是基于栅格的，因而据此设计的数据结构必定具有栅格的性质，为了使之具有矢量的特点，gongjianya提出了点状地物，线状地物的三个约定约定一：点状地物仅有空间位置，而无形状和面积，在计算机中仅有一个位置数据约定二：线状地物有形状，但无面积，在计算机中需要组织一组元子（即栅格单元）填满的路径表达；约定三：面状地物有形状和面积，在计算机内有一组元子表达的填满路径的边界线和内部（空洞出外均填满）的区域组成举例：点IDM1M2关联的弧段弧ID起点ID终点ID左域ID右域ID中间点坐标（M1,M2）序列据此，点状地物、线状地物和面状地物的“矢量化”数据记录方式如下：点状地物：用（M1,M2）代替（x，y）线状地物：用（M1,M2）代替（x，y）记录中间点面状地物：除了要用Morton码即（M1,M2）代替（x，y）记录面状地物边界原始采样点的“拐点”（即中间点）位置，以及它们所穿过的所有基本格网的交线位置之外，还要用链指针记录多边形的内部栅格。面域ID边界ID序列面域内点指针……面域内点指针位置面域内点坐标（M1,M2）序列点标识号M1M2高程z….1002510026…..….43105….….40827725….….432463…..点状目标及其数据结构结点点标识号M1M2高程z关联弧段…….….………..……..1002643425141101，202，10310027501141256205，201，301，…..……………..……….……….结点及其数据结构弧段及其数据结构弧段标识始结点终结点左区右区中间点串（M1,M2,Mz）….….….…..….…..20044100271002630024ф58，77，56；92，55，777，….…..….…..……….……面状地物及其数据结构多边形标识号关联弧段面块头指针…….…………30018128，125，1260………….……………01451620236789121011二维行程M码循环指针属性值二维行程M码循环指针属性值08712816122016020362548130第六章空间数据可视化及制图131

6.1概述6.2GIS中图形的输出6.3地图的表示和地图符号6.4专题信息和专题图6.5电子地图1326.1概述

可视化是指利用计算机图形图象技术，将复杂的科学现象，自然景观及一些抽象的概念图形化的过程。可视化目的是便于人们理解现象，发现规律和传播知识。可视化技术通常需要模型的支持，包含交流和认知分析，是对人脑印象构造过程的一种仿真，以支持用户的判断和理解。

一、可视化（visualization)概述1331、科学计算可视化可视化的概念首先有美国国家自然科学基金会员会图形图象专题组在1987年提出了科学计算可视化（visualizationinscientificcomputing)。科学计算可视化是研究如何将科学计算过程及计算结果所产生的数据转换成图形或图像信息，并可进行交互式分析。

1997年国际地图学会成立了可视化委员会，提出将科学计算可视化和地图可视化的连接和交流。1342、空间信息可视化可视化能迅速、形象地表示空间信息，空间信息离不开可视化。因此，科学计算可视化之后，地学专家对可视化在地学中的地位和作用进行了许多研究，提出了地图可视化、地理可视化、GIS可视化、地学多维图解、地理信息的多维可视化、虚拟地理环境等概念。1353、空间信息可视化的特点

空间信息可视化是指利用地图学、计算机图形图象技术，将地学信息输入、处理、查询、分析数据，采用图形、图像，结合图表、文字、报表，以可视化形式，实现交互处理和显示的理论、技术和方法。所以，空间信息可视化是科学计算可视化在地学领域中的体现。

空间信息可视化和科学计算可视化不同之处是空间信息可视化过程更强调数字化和符号化的概念,而且空间信息可视化描述的是地理空间内的事物，可视化过程实际上是对地理空间信息的提取和综合

136

空间信息可视化特点交互性通过交互性，使用户进入事件的发展之中，并得到可视化结果。信息载体的多维性实现空间信息的可视化需要用多媒体表达方式。信息表达的动态性实现空间信息的可视化可以描述空间信息的动态变化。1374、空间信息可视化的应用空间位置的表示如表达空间物体的分布；空间分析的可视化描述，如缓冲区动态制图，如动态仿真图；空间信息的可视化查询，实现对空间信息的查询；面向实体的模型化显示，如DTM模型。1385、空间信息可视化产品类型

电子地图多媒体地图三维仿真图四维时空图交互式可视化界面1396、空间信息可视化的方法

传统的及新型的制图软件空间信息系统仿真系统虚拟现实1407、空间信息可视化的发展

在GIS的发展历程中，一开始就十分重视利用计算机技术实现空间数据的图形显示和分析，以充分直观的表示空间数据处理分析的结果。

GIS可视化的发展过程：（1）二维数据的可视化主要研究二维图形的显示算法，如画线、符号库和符号化、颜色设计、图形输出打印等。141（2）2.5维图形的可视化

2.5维图形的可视化以地形分析为核心，研究用二维数据表示三维数据，即将三维数据投影到二维屏幕上，显示之。

2.5维图形可视化的实质是研究三维到二维数据的坐标变换、隐藏线隐藏面消除、光照模型。

2.5维图形无法表示三维物体的体特征。142（3）真三维数据的可视化

90年代以来，三维物体的体特征的可视化研究成了热点。从发展看GIS可视化研究着重于技术层次上，如数据模型、图形图象显示、图形图象的实时动态处理等。必须指出，为提高GIS可视化的实用性，在GIS可视化研究中一直十分注意在地形图上显示地物要素，研究点、线、面要素在三维景观上的叠加算法。143二、虚拟现实（virtualreality)

1、虚拟现实（VR）虚拟现实是一门涉及众多学科的新的实用技术，它集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体。在计算机技术中，它又特别依赖于计算机图形学、人工智能、网络技术、人机接口技术及计算机仿真技术。这些相关技术的发展带动了虚拟现实技术的进步。虚拟现实是空间信息可视化进一步发展的新方式，它使人们好像进入真实地理空间环境，并与之进行交互作用。

144虚拟现实的三个特征

VR具有三个最突出的特征，即交互性(Interactivity)、想象性(Imagination)和沉浸感(Immersion)，称三“I”

特征。以此区分与其相邻技术，如多媒体技术、科学计算可视化技术。

交互性指参与者用专门设备，能实现对模拟环境的考察与操作程度，例如用户可用手直接抓取模拟环境中的物体，且有接触感，有重量感，视场中被抓起的物体也应随着手的移动而移动。

想象性是VR与设计者并行操作，为发挥它们的创造性而设计的这极大地依赖于人类的想象力，。

沉浸感即投入感，其目的是力图使用户在计算机所创建的三维虚拟环境中处于一种全身心投入的感觉状态，有身临其境的感觉，即所谓“沉浸感”。1452）虚拟地理环境

虚拟现实技术、网络环境和地学结合产生了虚拟地理环境。在虚拟地理环境中，可按个人的知识、意愿、假定设计分析模型，进行交互，使在网络环境下产生身临其境的感觉。在虚拟地理环境中，利用地学分析模型可以实现虚拟模拟，从而加速相关理论的发展。146

在计算机环境下，可视化的中心问题是科学家能够快速生成一系列相同或相关信息的图像。计算机屏幕上显示的影像有助于信息处理，从而提高对二维或三维空间关系和空间问题的理解。目前，可视化技术成为信息爆炸时代人类分析和驾驭信息的有力工具。在可视化技术的基础上，发展了仿真技术（simulation,imitation)和虚拟技术。“虚拟现实”是仿真技术的一种特殊形式。1476.2GIS中图形的输出一、GIS中图形的输出形式GIS中图形的输出用来表示地理实体的空间特性和属性特性。1）地图GIS中图形的输出的主要形式，是空间实体的符号化模型。2）图象GIS中图形的输出的另一种形式，它也是空间实体的一种模型，但不用符号化方式，而是采用人的直观视觉变量如色、灰度、模式表示空间实体的质量特性。通常将空间划分为规则的单元，并赋予视觉变量。3）统计图表统计图表用以表示非空间信息。统计图与地图综合使用，形成以统计符号表示的专题图。4）其它148二、GIS和计算机制图

GIS的发展从计算机制图和地籍管理起步。至今，制图还是GIS的重要功能之一。计算机制图的发展孕育了GIS的诞生，而GIS的发展又促进了计算机制图的进一步发展。149三、GIS环境下空间数据的多尺度显示

空间数据的多尺度显示是指将同一地区图，放在远近不同的地区观测，以便观察到该地区不同分辨率、不同对象的图形，即建立不同的数据模型。空间数据的多尺度显示方法：利用系列比例尺数据进行景观生成，以得到该地区从宏观到微观、从整体到局部的显示。将同一比例尺数据简化为几个层次数据显示。1506.3地图的表示和地图符号

从GIS发展看，GIS行业起步于计算机制图和地籍处理；从GIS的数据源看，地图既是GIS的输入数据又是GIS数据的主要输出形式；从GIS的功能看，制图是GIS的主要功能之一；从GIS的应用看，开始以制图形式广泛被应用，但随着空间数据库的发展，表现为空间数据可视化问题。可以说，计算机制图的发展孕育了GIS的诞生，而GIS的发展又进一步促使了计算机制图的进步。151一、地图的符号和地图符号系统

地图的符号是地图的语言，是在地图上表达空间对象的图形记号，它通过尺寸、形状和颜色来表示事物空间的位置、形状、质量和数量特征，是表达地理现象与发展的基本手段。高质量的地图符号丰富了地图的内容、增加了地图的可读性。地图符号系统（在GIS中的地图符号库）是具有共性的、进行了分类分级和抽象的地图符号的集合。地图符号系统明显地反映了表达对象的层次关系。152

GIS中都建立地图符号库。地图符号库是将地图符号以数据库的形式存到计算机中实现数据库管理功能，从而，实现符号信息的存储和查询。在地图符号库中的符号其结构统一，便于扩充和修改。1、GIS中的地图符号1532、地图符号的分类1）按定位分类定位符号、说明符号。2）按符号代表事物分类点状符号、线状符号、面状符号。154

点状符号点状符号是定位于几何上的点，点状符号图形通常较规则；图形位置固定（不随位置变化）；符号大小与地图比例尺无关，但有确定的定位点和方向。如居民点、矿区、气象站等。155线状符号线状符号是定位于几何上的线，符号沿某个方向延伸，宽度与地图比例尺无关，长度与地图比例尺相关，具有具有定位线；线状符号常可进一步分解成具有单一特征的线状符号。如河流、公路、航线等。156

面状符号面状符号是定位于几何上的面，它具有封闭的轮角线；符号所表达的范围与地图比例尺相关；通常在封闭区内配置点状符号、阴影线或颜色。如森林、土地等。1573、地图符号的参数符号类别形状尺寸方向点状符号Ê♀Ê

ÊÊ线状符号面状符号1584、地图符号的图元

地图的点状符号、线状符号和面状符号各自有自己的特点，又有共性。相同点是都有类似的绘图参数和操作方法；不同点是构成符号的基本图素不同。1591）点状符号的图元主要包括点、直线、折线、样条曲线、圆弧、三角形、矩形、多边形、子图等。2）线状符号的图元主要包括实线、虚线、点虚线、双虚线、双实线、连续点符号、定位点符号、齿线符号等。1603）面状符号的图元主要是指它的不同填充，包括阴影线填充、点符号填充、位图填充。阴影线填充用不同线型，用不同间距、不同倾斜角、不同的颜色组成图案。点符号填充用不同的布点形式、不同的旋转角度等组成图案。位图填充用位图长度、位图宽度、行间距、列间距、缩放系数、旋转角组成图案。1615、矢量符号库及其应用

使用矢量点状符号时，符号化软件读取空间数据库，并经过预处理模块处理后得到分类特征码数据及点符号空间定位数据。其过程主要包括中心化、旋转、缩放、和绘制等。使用矢量线状符号时，将线状符号图元沿线状要素的中轴串接，其中X轴与中轴重合，在线状地物的转弯处，图元同样弯曲。使用矢量面状符号时，将填充的图符，按要求的方向和行距间隔逐行填充。1626、栅格符号库及其应用使用栅格点符号时，由平移产生，对有向的点符号，经旋转和平移变换输出。使用栅格线符号时，由于线状符号走向变化，不能对信息块作整个操作，而是将栅格阵元从左到右逐列取出，并按线的走向作旋转和平移变换输出使用栅格面符号时，先在区域内全部栅格点填实，然后，同栅格符号进行逻辑与，从而得到所要求的填充图案。163二、符号的色彩

地图符号的色彩可帮助人们区分图形，从而减少符号的数量，加强地图要素的分级分类能力。通常一种符号用一种色彩来表示。1641）RGB表示颜色

RGB三基色定理白色（RGB）=（100，100，100）黑色（RGB）=（0，0，0）

RGB组成的立方体是非线性的，即两种颜色相近的程度不能简单地用欧氏距离来表示黑白GRB黄1652）HLS表示颜色HLS表示更反映人类的感知。H（Hue)色度，反映颜色的分类，如纯红、品红；L(Light)亮度，反映颜色黑的程度，如白色的亮度比黑色的亮度高。S(Saturation)饱和度，反映颜色的纯度，如纯红的饱和度比粉红的饱和度高。用HLS表示后，最后还是转成RGB显示。166三、地图的注记

地图上的注记是地图上文字和数字的总称，用来表示事物名称、质量和数量的特性。1、注记的分类名称注记说明事物专有名称；说明注记补充图形符号的不足；数字注记说明事物的数量特征。167单点注记给定一个点，注记方向角为零的一串字符；双点注记给定两个点，注记方向角有两点位置确定；布点注记注记一串字符，每个字符对应一个点位和方向参考线注记沿一参考线自动布点注记。对地名的自动注记，工作量和难度比较大。2、注记的方式

1683、地图的汉字库

地图的汉字库为地图提供不同字体、不同字形、不同尺寸、不同颜色、不同排列方式的汉字。1）栅格汉字库,也称点阵汉字库。2）矢量汉字库。在地图上放大过大时，会出现折。3）TrueType轮廓汉字库。TrueType字库的字型是一组用数学方法描述的，由直线和曲线描绘的字符图形。由它组成的高质量中西文轮廓汉字库最适合地图使用，它可以提供高质量的放大和旋转字、能跨平台地工作。目前都采用TrueType汉字库，这是一种特殊的矢量汉字库也称轮廓字库。1696.4专题信息和专题图一、专题信息

在GIS中专题信息是相应的属性信息。专题图是专题信息图形化的结果，用来反映自然、社会、经济分布特性，它是强调某一特定要素或概念（专题信息）的地图。专题图表示的内容通常是普通地图上没有的要素和现象。如人口、气候等。随着GIS的飞速发展，及专题图在经济、文化、军事等领域的广泛应用，出现了以专题图制作为主要目的的卓面GIS。170

GIS管理的地物不仅有空间位置特征，还管理非空间属性数据。因此在显示地物对象空间位置的同时，可用特定方式显示某个或多个相关属性，生成专题图。专题图是对于地物特征或者地理要素的特定的可视化表现，用户通过专题图可将数据图形化，使属性数据直观地在地图上体现出来。

二、专题图1711、专题图的表示

专题图的表示方法统计方法非统计方法相对数量级绝对数量级定性数据定量数据各类统计图172质底（独立值）专题图用不同颜色表示连续分布的现象的质量特征。如植被图。等级符号专题图

以大小不同的点符号表示专题特性。范围值专题图

用不同颜色或图式等手段，表示现象的分布等级范围。点密度专题图在制图现象的表示范围内，用大小相同的点群稀疏表示分布特征。分级统计图和图表统计图分级统计图法用相对值表示现象的分布。等值线专题图

将相同数量指标点连线组成的一组等值线表示地区特征。如等温图。2、专题图的主要表示形式173174专题图的主要形式为：1）独立值专题图根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（可以是数值，也可以是字符串），任意一个不同的值都可以用不同的符号表示。基于该类型专题图能够进行与图层同样的操作。175176根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），根据一定的规则来划分一定数目的范围，每种范围用一种符号表示。范围的数目可由用户指定，表示要分多少个范围。其中：点专题图用渐变颜色或点符号大小来表现图层中各个不同范围的地物；线专题图用渐变颜色或线符号宽度来表现图层中各个不同范围的地物；面状专题图用渐变的填充符号来表现图层中各个不同范围的地物；

2）范围值专题图

177178

根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），用户指定一个点所代表的数量，计算得到每一个区域所需要分布的点的数。点密度专题图图只基于多边形图层生成。点密度专题图只有一个图例项，即一个点代表多少量。3）点密度专题图179180

根据图层相关数据表（可以是属性表，也可以是关联表）中的一个字段或者一个表达式（最终结果是数值），按运算法则（线性、平方根、LOG）来计算字段的值相应的点符号的大小。最后以大小不同的点符号表示专题特性。对点专题图是用不同大小的点符号显示在图层中各个地物点上；对线专题图是用不同大小的点符号显示在地物线的某一个点上；对面专题图是用不同大小的点符号显示在图层中各个地物多边形的中心。基于该类型专题图，改变符号的位置，能够查看符号对应地物的属性数据，不能修改空间数据。4）等级符号专题图

181182

基于图层相关数据表（属性表或关联表）中的几个字段或者几个表达式（最终结果是数值），根据选择的统计图类型，在相应的空间位置上生成统计图。统计图既要反映不同位置上量的差异，也要反映一个统计图内部不同项的量的差异。其中：点专题图在各个地物点上显示统计图；线专题图在地物线的某一个点上显示统计图；面专题图在各个地物多边形的中心显示统计图。5）统计图类专题图1831846）等值线专题图

将相同数量指标点连线组成的一组等值线表示地区特征。如等温线图、等高线图等。

185三、专题图制作制作专题图的过程是根据某个特定的专题对地图进行“渲染”的过程。它直接引用某个点、线和面图层的数据。如利用颜色深浅或者填充线的密度来表现不同行政区（例如不同省份）的人口密度、国民素质高低、经济发展水平等;用不同大小的饼状图或柱状图来表现城市人口规模以及人口构成比例等。制作专题图可以是单变量专题图（如范围、独立值、点密度等），也可以是多变量专题图（如饼状图或柱状图等）制作专题图的变量可以是字符变量，可以是数值变量、也可以是表达式。186

1、专题图类型选择专题图是对空间对象属性数据实现符号化表示。属性数据是定性符号数据时常用质底法（独立值）