柵格數(shù)據(jù)編碼技術(shù)的發(fā)展歷程

1、柵格數(shù)據(jù)編碼技術(shù)的發(fā)展歷程2015.4 南通大學(xué)地科院 江浩田 摘要：柵格數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)是GIS中最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本文對(duì)柵格數(shù)據(jù)的屬性、小、形狀等做出一些系統(tǒng)的描述和分析，其中重點(diǎn)在幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上做了比較詳細(xì)的論述和講解，包括柵格矩陣結(jié)構(gòu)、游程編碼結(jié)構(gòu)、四叉樹結(jié)構(gòu)，在曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中還有TIN的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和規(guī)則網(wǎng)格的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在不僅在GIS中運(yùn)用廣泛，而且在其他地理數(shù)據(jù)收集、索引、處理等也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、模型、網(wǎng)格、編碼、地理處理、順序、組織一、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)稱為柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是指將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，稱為柵格單元，在各個(gè)

2、柵格單元上給出相應(yīng)的屬性值來表示地理實(shí)體的一種數(shù)據(jù)組織形式。二、柵格數(shù)據(jù)的表達(dá)方式(1) 柵格數(shù)據(jù)是按網(wǎng)格的行與列排列、具有不同或顏色的列陣數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)是大小相等分布均勻、緊密相連的像元（網(wǎng)格單元）陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，是最簡(jiǎn)單、最直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它將地球表面劃分為大小、均勻、緊密相鄰的網(wǎng)格陣列。每一個(gè)單元（象素）的位置由它的行列號(hào)定義，所表示的實(shí)體位置隱含在柵格行列位置中，數(shù)據(jù)組織中的每個(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性或指向其屬性的指針。(2) 點(diǎn)實(shí)體由一個(gè)柵格單元來表示；線實(shí)體由一定方向上連接成串的相鄰柵格像元表示；面實(shí)體（區(qū)域）由具有相同屬性的相鄰柵格單元的塊集合

3、來表示。(3) 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示的是二維表面上地理要素的離散化數(shù)值，每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一種屬性。網(wǎng)格通常是正方形，有時(shí)也采用矩形、等邊三角形和正六邊形。(4)格單元的取值方法：中心點(diǎn)法：取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。面積占優(yōu)法：柵格單元屬性值為面積最大者。重要性法：取重要的屬性值為柵格屬性值。用于具有特殊意義的較小地物。長度占優(yōu)法：每個(gè)柵格單元的值由該柵格中線段最長的實(shí)體的屬性來確定。三、柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)矢量1、便于面向現(xiàn)象（土壤類，土地利用單元等）2、結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，便于描述線或邊界。3、利于網(wǎng)絡(luò)、檢索分析，提供有效的拓?fù)渚幋a，對(duì)需要拓?fù)湫畔⒌牟僮鞲行А?、圖形顯示

4、質(zhì)量好，精度高。1、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各自定義，不便于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)交換困難。2、多邊形疊置分析困難，沒有柵格有效，表達(dá)空間變化性能力差。3、不能像數(shù)字圖像那樣做增強(qiáng)處理4、軟硬件技術(shù)要求高，顯示與繪圖成本較高。柵格1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于數(shù)據(jù)交換。2、疊置分析和地理（能有效表達(dá)空間可變性）現(xiàn)象模擬較易。3、利于與遙感數(shù)據(jù)的匹配應(yīng)用和分析，便于圖像處理。4、輸出快速，成本低廉。1、現(xiàn)象識(shí)別效果不如矢量方法，難以表達(dá)拓?fù)洹?、圖形數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不嚴(yán)密不緊湊，需用壓縮技術(shù)解決該問題。3、投影轉(zhuǎn)換困難。4、圖形質(zhì)量轉(zhuǎn)低，圖形輸出不美觀，線條有鋸齒，需用增加?xùn)鸥駭?shù)量來克服，但會(huì)增加數(shù)據(jù)文件。四、柵格數(shù)據(jù)結(jié)

5、構(gòu)的主要存儲(chǔ)類型(1) 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格矩陣結(jié)構(gòu)（直接?xùn)鸥窬幋a）在計(jì)算機(jī)中，直接?xùn)鸥窬幋a文件是以行為記錄單位，按行存儲(chǔ)地理數(shù)據(jù)的。由點(diǎn)、線和多邊形組成的矢量數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個(gè)8*8階的矩陣，代表空間分辨率為8行*8列的一個(gè)柵格數(shù)據(jù)。如果矩陣的每個(gè)元素都計(jì)算機(jī)里用一個(gè)雙字節(jié)的數(shù)值來存儲(chǔ)，則該柵格數(shù)據(jù)的所需要的存儲(chǔ)空間為8*8*2（字節(jié)）=128字節(jié)。（2）游程編碼結(jié)構(gòu)游程基本原理是：用一個(gè)符號(hào)值或串長代替具有相同值的連續(xù)符號(hào)（連續(xù)符號(hào)構(gòu)成了一段連續(xù)的“行程”，程編碼因此而得名），使符號(hào)長度少于原始數(shù)據(jù)的長度。例如：5555557777733322221111111

6、行程編碼為：（5，6）（7，5）（3，3）（2，4）（l，7）。可見，行程編碼的位數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于原始字符串的位數(shù)。在對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)，沿一定方向排列的具有相同灰度值的像素可看成是連續(xù)符號(hào)，用字串代替這些連續(xù)符號(hào)，可大幅度減少數(shù)據(jù)量。行程編碼分為定長行程編碼和不定長行程編碼兩種類型。行程編碼是連續(xù)精確的編碼，在傳輸過程中，如果其中一位符號(hào)發(fā)生錯(cuò)誤，即可影響整個(gè)編碼序列，使行程編碼無法還原回原始數(shù)據(jù)。游程長度編碼是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法，它的基本思路是：對(duì)于一幅柵格圖像，常常有行(或列)方向上相鄰的若干點(diǎn)具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復(fù)的記錄內(nèi)容。其編碼方案是，只在各行(或列

7、)數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時(shí)依次記錄該代碼以及相同代碼重復(fù)的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。（3）四叉樹結(jié)構(gòu)GIS中另一種常見的柵格編碼為四叉樹編碼，它是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一。其基本思想是首先把一幅圖像或一幅柵格地圖等分成四部分，如果檢查到某個(gè)子區(qū)的所有格網(wǎng)都含有相同的值（灰度或?qū)傩灾担?，那么這個(gè)子區(qū)域就不再往下分割；否則，把這個(gè)區(qū)域再分割成四個(gè)子區(qū)域，這樣遞歸地分割，直至每個(gè)子塊都只含有相同的灰度或?qū)傩灾禐?止。如果柵格數(shù)據(jù)不是2N2N 的方陣，則自動(dòng)補(bǔ)柵格屬性值為0的行或列，使得2N大于或者等于行、列數(shù)中的大者，取合乎要求的最小的自然數(shù)N。分割完成之后則采用一定的機(jī)制對(duì)分割的結(jié)果進(jìn)行記錄，

8、四叉樹存儲(chǔ)方法：1.常規(guī)四叉樹存儲(chǔ)：存儲(chǔ)結(jié)點(diǎn)（子結(jié)點(diǎn)和父結(jié)點(diǎn)）指針、結(jié)點(diǎn)值；2.線性四叉樹只存儲(chǔ)最后葉結(jié)點(diǎn)信息，包括葉結(jié)點(diǎn)的地址、深度（該結(jié)點(diǎn)所處的層）和格網(wǎng)值。四叉樹的葉結(jié)點(diǎn)的編碼需要遵循一定的規(guī)則，隱含了位置信息，稱為地址碼，常用的編碼是Morton碼（MD十進(jìn)制碼）。如對(duì)以下數(shù)據(jù)采用記錄Morton碼、深度、屬性值的方法進(jìn)行記錄，如假設(shè)有如下柵格數(shù)據(jù)： 1 1 1 1 2 2 3 3 1 1 1 1 2 2 3 3 1 1 1 1 4 4 5 5 1 1 1 1 4 4 5 5 6 6 7 8 13 13 14 14 6 6 9 10 13 13 14 14 11 11 12 12 15

9、 16 19 19 11 11 12 12 17 18 19 19 進(jìn)行四叉樹編碼之后得到如下文件，試進(jìn)行程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)此過程，結(jié)果如圖 M碼 深度 值 0 1 1 16 2 2 20 2 3 24 2 4 28 2 5 32 2 6 36 3 7 37 3 8 38 3 9 39 3 10 40 2 1 44 2 12 48 2 13 52 2 14 56 3 15 57 3 16 58 3 17 59 3 18 60 2 19 線性四叉樹有如下優(yōu)點(diǎn)：只存儲(chǔ)三個(gè)值，比常規(guī)四叉樹節(jié)省存儲(chǔ)空間；由于記錄節(jié)點(diǎn)地址，既能直接找到其在四叉樹中的走向路徑，又可以在換算出它在整個(gè)柵格區(qū)間內(nèi)的行列位置；壓縮和

10、解壓縮比較方便，各部分的分辨率可以不同，既可以精確表示圖形結(jié)構(gòu)，又可以減少存儲(chǔ)量，易于進(jìn)行大部分圖形操作和運(yùn)算。五、柵格數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析隨著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，計(jì)算機(jī)性能的提高克服了柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大等缺點(diǎn)，柵格數(shù)據(jù)將越來越發(fā)揮更大的作用。柵格數(shù)據(jù)的大規(guī)模應(yīng)用，并將會(huì)占具主導(dǎo)地位。主要基于以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 隨技術(shù)的發(fā)展，并大規(guī)模的應(yīng)用，柵格數(shù)據(jù)的使用將促使及GIS的一體化發(fā)展。成為空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新的重要的數(shù)據(jù)源。遙感影像是以像元為單元的柵格結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的，圖像處理技術(shù)極大的提高了柵格數(shù)據(jù)的前期處理能力。這些數(shù)據(jù)可以直接生成或轉(zhuǎn)換為于GIS 的柵格數(shù)據(jù)。(2) 柵格數(shù)據(jù)可以極大的提高GIS

11、的時(shí)空數(shù)據(jù)分析能力,柵格數(shù)據(jù)在圖像的代數(shù)運(yùn)算,空間統(tǒng)計(jì)分析等具有廣泛的應(yīng)用,可以促成GIS模型的建立。ARCGIS軟件的高版本在這一方面以有較突出的表現(xiàn)。 (3) 三維可視化成為動(dòng)態(tài)模擬現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì).柵格數(shù)據(jù)是利用二維圖像來模擬地理實(shí)體的,可利用柵格數(shù)據(jù)通過提高維數(shù)來實(shí)現(xiàn)三維可視化。(4) 隨GIS 的發(fā)展,柵格數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,真實(shí)感強(qiáng)等特點(diǎn),可以為大多數(shù)程序設(shè)計(jì)人員和用戶理解和使用。圖像共享標(biāo)準(zhǔn)(如GIF)的建立,有利于GIS 的柵格數(shù)據(jù)的共享. 因此,柵格數(shù)據(jù)在信息共享方面更為實(shí)用. 因此,隨GIS 發(fā)展,柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)均具不同程度的發(fā)展,但柵格數(shù)據(jù)要比矢量數(shù)據(jù)的應(yīng)用更廣泛,更有效。參考資料：1 高建勇。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究綜述，山西省地質(zhì)測(cè)繪院 20102 黃杏元、馬勁松。地理信息系統(tǒng)概論，高