（精選）矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Word版

1、矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、矢量、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可具體分為點(diǎn)、線(xiàn)、面，可以構(gòu)成現(xiàn)實(shí)世界中各種復(fù)雜的實(shí)體，當(dāng)問(wèn)題可描述成線(xiàn)或邊界時(shí)，特別有效。矢量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，并具有空間實(shí)體的拓?fù)湫畔?，容易定義和操作單個(gè)空間實(shí)體，便于網(wǎng)絡(luò)分析。矢量數(shù)據(jù)的輸出質(zhì)量好、精度高。 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致了操作和算法的復(fù)雜化，作為一種基于線(xiàn)和邊界的編碼方法，不能有效地支持影像代數(shù)運(yùn)算，如不能有效地進(jìn)行點(diǎn)集的集合運(yùn)算(如疊加)，運(yùn)算效率低而復(fù)雜。由于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存貯比較復(fù)雜，導(dǎo)致空間實(shí)體的查詢(xún)十分費(fèi)時(shí)，需要逐點(diǎn)、逐線(xiàn)、逐面地查詢(xún)。矢量數(shù)據(jù)和柵格表示的影像數(shù)據(jù)不能直接運(yùn)算(如聯(lián)合查詢(xún)和空

2、間分析)，交互時(shí)必須進(jìn)行矢量和柵格轉(zhuǎn)換。矢量數(shù)據(jù)與DEM(數(shù)字高程模型)的交互是通過(guò)等高線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不能與DEM直接進(jìn)行聯(lián)合空間分析。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過(guò)空間點(diǎn)的密集而規(guī)則的排列表示整體的空間現(xiàn)象的。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位存取性能好，可以與影像和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合空間分析，數(shù)據(jù)共享容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)柵格數(shù)據(jù)的操作比較容易。 柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量與格網(wǎng)間距的平方成反比，較高的幾何精度的代價(jià)是數(shù)據(jù)量的極大增加。因?yàn)橹皇褂眯泻土衼?lái)作為空間實(shí)體的位置標(biāo)識(shí)，故難以獲取空間實(shí)體的拓?fù)湫畔?，難以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析等操作。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不是面向?qū)嶓w的，各種實(shí)體往往是疊加在一起反映出來(lái)的，因而難以識(shí)別和分離。對(duì)點(diǎn)實(shí)體的識(shí)別需要采用

3、匹配技術(shù)，對(duì)線(xiàn)實(shí)體的識(shí)別需采用邊緣檢測(cè)技術(shù)，對(duì)面實(shí)體的識(shí)別則需采用影像分類(lèi)技術(shù)，這些技術(shù)不僅費(fèi)時(shí)，而且不能保證完全正確。通過(guò)以上的分析可以看出，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)是互補(bǔ)的（圖2-4-1），為了有效地實(shí)現(xiàn)GIS中的各項(xiàng)功能(如與遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合，有效的空間分析等)需要同時(shí)使用兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在GIS中實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的高效轉(zhuǎn)換。在GIS建立過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用目的和應(yīng)用特點(diǎn)、可能獲得的數(shù)據(jù)精度以及地理信息系統(tǒng)軟件和硬件配置情況，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般來(lái)講，柵格結(jié)構(gòu)可用于大范圍小比例尺的自然資源、環(huán)境、農(nóng)林業(yè)等區(qū)域問(wèn)題的研究。矢量結(jié)構(gòu)用于城市分區(qū)或詳細(xì)規(guī)劃、土地管理、公用事業(yè)管理等方

4、面的應(yīng)用。矢柵一體化的概念 對(duì)于面狀地物，矢量數(shù)據(jù)用邊界表達(dá)的方法將其定義為多邊形的邊界和一內(nèi)部點(diǎn)，多邊形的中間區(qū)域是空洞。而在基于柵格的GIS中，一般用元子空間充填表達(dá)的方法將多邊形內(nèi)任一點(diǎn)都直接與某一個(gè)或某一類(lèi)地物聯(lián)系。顯然，后者是一種數(shù)據(jù)直接表達(dá)目標(biāo)的理想方式。對(duì)線(xiàn)狀目標(biāo)，以往人們僅用矢量方法表示。 事實(shí)上，如果將矢量方法表示的線(xiàn)狀地物也用元子空間充填表達(dá)的話(huà)，就能將矢量和柵格的概念辨證統(tǒng)一起來(lái)，進(jìn)而發(fā)展矢量柵格一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。假設(shè)在對(duì)一個(gè)線(xiàn)狀目標(biāo)數(shù)字化采集時(shí)，恰好在路徑所經(jīng)過(guò)的柵格內(nèi)部獲得了取樣點(diǎn)，這樣的取樣數(shù)據(jù)就具有矢量和柵格雙重性質(zhì)。一方面，它保留了矢量的全部性質(zhì)，以目標(biāo)為單元直

5、接聚集所有的位置信息，并能建立拓?fù)潢P(guān)系；另一方面，它建立了柵格與地物的關(guān)系，即路徑上的任一點(diǎn)都直接與目標(biāo)建立了聯(lián)系。 因此，可采用填滿(mǎn)線(xiàn)狀目標(biāo)路徑和充填面狀目標(biāo)空間的表達(dá)方法作為一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。每個(gè)線(xiàn)狀目標(biāo)除記錄原始取樣點(diǎn)外，還記錄路徑所通過(guò)的柵格； 每個(gè)面狀地物除記錄它的多邊形周邊以外，還包括中間的面域柵格。 無(wú)論是點(diǎn)狀地物、線(xiàn)狀地物、還是面狀地物均采用面向目標(biāo)的描述方法，因而它可以完全保持矢量的特性，而元子空間充填表達(dá)建立了位置與地物的聯(lián)系，使之具有柵格的性質(zhì)。這就是一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念（圖2-4-2）。從原理上說(shuō)，這是一種以矢量的方式來(lái)組織柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。三個(gè)約定和細(xì)分格網(wǎng)

6、法（一）三個(gè)約定 為了設(shè)計(jì)點(diǎn)、線(xiàn)、面狀地物具體的一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，首先作如下約定： 1、地面上的點(diǎn)狀地物是地球表面上的點(diǎn)，它僅有空間位置，沒(méi)有形狀和面積，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部?jī)H有一個(gè)位置數(shù)據(jù)。 2、地面上的線(xiàn)狀地物是地球表面的空間曲線(xiàn)，它有形狀但沒(méi)有面積，它在平面上的投影是一連續(xù)不間斷的直線(xiàn)或曲線(xiàn)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部需要用一組元子填滿(mǎn)整個(gè)路徑。 3、地面上的面狀地物是地球表面的空間曲面，并具有形狀和面積，它在平面上的投影是由邊界包圍的緊致空間和一組填滿(mǎn)路徑的元子表達(dá)的邊界組成。（二）細(xì)分格網(wǎng)法由于一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是基于柵格的，表達(dá)目標(biāo)的精度必然受柵格尺寸的限制。可利用細(xì)分格網(wǎng)法提高點(diǎn)、線(xiàn)（包括面狀地物邊界）數(shù)據(jù)

7、的表達(dá)精度，使一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精度達(dá)到或接近矢量表達(dá)精度。如圖2-4-3所示，在有點(diǎn)、線(xiàn)通過(guò)的基本格網(wǎng)內(nèi)再細(xì)分成256×256細(xì)格網(wǎng)（精度要求低時(shí)，可細(xì)分為16×16個(gè)細(xì)格網(wǎng)）。為了與整體空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)格式一致，基本格網(wǎng)和細(xì)格網(wǎng)均采用十進(jìn)制線(xiàn)性四叉樹(shù)編碼，將采樣點(diǎn)和線(xiàn)性目標(biāo)與基本格網(wǎng)的交點(diǎn)用兩個(gè)Morton碼表示（簡(jiǎn)稱(chēng)M碼）。前一M1表示該點(diǎn)（采樣點(diǎn)或附加的交叉點(diǎn)）所在基本格網(wǎng)的地址碼，后者M(jìn)2 表示該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的細(xì)分格網(wǎng)的Morton碼，亦即將一對(duì)X,Y坐標(biāo)用兩個(gè)Morton碼代替。例如X=210.00，Y=172.32，可轉(zhuǎn)換為M1 =275,M2=2690。 這種方法可

8、將柵格數(shù)據(jù)的表達(dá)精度提高256倍，而存貯量?jī)H在有點(diǎn)、線(xiàn)通過(guò)的格網(wǎng)上增加兩個(gè)字節(jié)（當(dāng)細(xì)分為16×16格網(wǎng)時(shí)，存貯量?jī)H增加一個(gè)字節(jié)，精度提高16倍）。矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)線(xiàn)性四叉樹(shù)編碼、三個(gè)約定和多級(jí)格網(wǎng)法為建立矢柵一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。線(xiàn)性四叉樹(shù)是基本數(shù)據(jù)格式，三個(gè)約定設(shè)計(jì)點(diǎn)、線(xiàn)、面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本依據(jù)，細(xì)分格網(wǎng)法保證足夠精度。1、點(diǎn)狀地物和結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 根據(jù)基本對(duì)點(diǎn)狀地物的約定，點(diǎn)僅有位置、沒(méi)有形狀和面積，不必將點(diǎn)狀地物作為一個(gè)覆蓋層分解為四叉樹(shù)，只要將點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地址碼M1 和M2 ,而不管整個(gè)構(gòu)形是否為四叉樹(shù)。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，便于點(diǎn)的插入和刪除，還能處理一個(gè)柵格內(nèi)包

9、含多個(gè)點(diǎn)狀目標(biāo)的情況。 所有的點(diǎn)狀地物以及弧段之間的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)用一個(gè)文件表示，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2-4-1?？梢?jiàn)，這種結(jié)構(gòu)幾乎與矢量結(jié)構(gòu)完全一致。2、線(xiàn)狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 一般認(rèn)為用四叉樹(shù)表達(dá)線(xiàn)狀地物是困難的。但采用元子填滿(mǎn)整條路徑的方法，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將變得十分簡(jiǎn)單。根據(jù)對(duì)線(xiàn)狀地物的約定，線(xiàn)狀地物有形狀但沒(méi)有面積，沒(méi)有面積意味著線(xiàn)狀地物和點(diǎn)狀地物一樣不必用一個(gè)完全的覆蓋層分解四叉樹(shù)，而只要用一串?dāng)?shù)據(jù)表達(dá)每個(gè)線(xiàn)狀地物的路徑即可，表達(dá)一條路徑就是要將該線(xiàn)狀地物經(jīng)過(guò)的所有柵格的地址全部記錄下來(lái)。一個(gè)線(xiàn)狀地物可能有幾條弧段組成，所以應(yīng)先建立一個(gè)弧段數(shù)據(jù)文件，如表2-4-2所示。表2-4-2中的起結(jié)點(diǎn)號(hào)和終結(jié)點(diǎn)號(hào)是

10、該弧段的兩個(gè)端點(diǎn)，它們與表2-4-1聯(lián)接可建立弧段與結(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。表2-4-2中的中間點(diǎn)串不僅包含了原始采樣點(diǎn)（已轉(zhuǎn)換成用M1、M2表示），而且包含了該弧段路徑通過(guò)的所有格網(wǎng)邊的交點(diǎn)，它所包含的碼填滿(mǎn)了整條路徑。為了充分表達(dá)線(xiàn)性地物在地表的空間特性，增加高程Z分量。一條線(xiàn)性地物是在崎嶇的地面上通過(guò)的，只有記錄該曲線(xiàn)通過(guò)的DEM格網(wǎng)邊上的交點(diǎn)的坐標(biāo)和高程值才能較好地表達(dá)它的空間形狀和長(zhǎng)度。 雖然這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比單純的矢量結(jié)構(gòu)增加了一定的存儲(chǔ)量，但它解決了線(xiàn)狀地物的四叉樹(shù)表達(dá)問(wèn)題，使它與點(diǎn)狀、面狀地物一起建立統(tǒng)一的基于線(xiàn)性四叉樹(shù)編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系。這對(duì)于點(diǎn)狀地物與線(xiàn)狀地物相交，線(xiàn)狀地物之間的相交

11、，以及線(xiàn)狀地物與面狀地物相交的查詢(xún)問(wèn)題變得相當(dāng)簡(jiǎn)便和快速。 有了弧段數(shù)據(jù)文件，線(xiàn)狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)僅是它的集合表示，如表2-4-3。3、面狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 根據(jù)對(duì)面狀地物的約定，一個(gè)面狀地物應(yīng)記錄邊界和邊界所包圍的整個(gè)面域。其中邊界由弧段組成，它同樣引用表2-4-2中的弧段信息。面域信息則由線(xiàn)性四叉樹(shù)或二維行程編碼表示。 同一區(qū)域的各類(lèi)不同地物可形成多個(gè)覆蓋層，例如建筑物、耕地、湖泊等可形成一個(gè)覆蓋層，土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型又可形成另外兩個(gè)覆蓋層。這里規(guī)定每個(gè)覆蓋層都是單值的，即每個(gè)柵格內(nèi)僅有一個(gè)面狀地物的屬性值。每個(gè)覆蓋層可用一棵四叉樹(shù)或一個(gè)二維行程編碼來(lái)表示。為了建立面向地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，做這

12、樣的修改，二維行程編碼中的屬性值可以是葉結(jié)點(diǎn)的屬性值，也可以是指向該地物的下一個(gè)子塊的循環(huán)指針。即用循環(huán)指針將同屬于一個(gè)目標(biāo)的葉結(jié)點(diǎn)鏈接起來(lái)，形成面向地物的結(jié)構(gòu)。圖2-4-4是鏈接情況，表2-4-4、表2-4-5是對(duì)應(yīng)的二維行程編碼、帶指針的二維行程碼。表2-4-5中的循環(huán)指針指向該地物下一個(gè)子塊的地址碼，并在最后指向該地物本身。這樣，只要進(jìn)入第一塊就可以順著指針直接提取該地物的所有子塊，從而避免像柵格數(shù)據(jù)那樣為查詢(xún)某一個(gè)目標(biāo)需遍歷整個(gè)矩陣，大大提高了查詢(xún)速度。 對(duì)于面狀地物的邊界柵格，采用面積占優(yōu)法確定公共格網(wǎng)值，如果要求更精確地進(jìn)行面積計(jì)算或疊置運(yùn)算，可進(jìn)一步引用弧段的邊界信息。 面狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括表2-4-2的弧段文件、表5的帶指針二維行程表和表2-4-6的面文件。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是面向地物的，具有矢量的特點(diǎn)。通過(guò)面狀地物的標(biāo)識(shí)號(hào)可以找到它的邊界弧段并順著指針提取所有的中間面塊。同時(shí)它又具有柵格的全部特性，二維行程本身就是面向位置的結(jié)構(gòu)，表2-4-5中的Morto