《地理信息系統(tǒng)及3S空間信息技術(shù)》課件第2章

第2章空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫

2.1空間信息基礎(chǔ)2.2空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型2.3空間數(shù)據(jù)模型復(fù)習(xí)與思考題

2.1空間信息基礎(chǔ)

2.1.1地理系統(tǒng)和地理實(shí)體

地理信息來源于地理系統(tǒng)。著名科學(xué)家錢學(xué)森曾指出：地理系統(tǒng)是一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)。所謂開放性是指地理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)有關(guān)聯(lián)，有物質(zhì)和信息的交往，不是一個(gè)封閉系統(tǒng)；復(fù)雜巨系統(tǒng)是指地理系統(tǒng)有成千上萬的種類繁多的子系統(tǒng)。抽象是人們觀察和分析復(fù)雜事物和現(xiàn)象的常用手段之一。將地理系統(tǒng)中復(fù)雜的地理現(xiàn)象進(jìn)行抽象得到的地理對(duì)象稱為地理實(shí)體或空間實(shí)體、空間目標(biāo)，簡稱實(shí)體(Entity)。實(shí)體是現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的，并可相互區(qū)別的事物。實(shí)體可以指個(gè)體，也可以指總體，即個(gè)體的集合。抽象的程度與研究區(qū)域的大小、規(guī)模不同而有所不同，如在一張小比例尺的全國地圖中，西安市被抽象為一個(gè)點(diǎn)狀實(shí)體，抽象程度很大；而在較大比例尺的西安市地圖上，需要將西安市的街道、房屋詳盡地表示出來，西安市則被抽象為一個(gè)由簡單點(diǎn)、線、面實(shí)體組成的龐大復(fù)雜組合實(shí)體，其抽象程度較前者而言較小。所以說，實(shí)體是一個(gè)具體有概括性、復(fù)雜性、相對(duì)意義的概念。2.1.2實(shí)體的描述和存儲(chǔ)

1.空間實(shí)體的描述

通常需要從如下方面對(duì)地理實(shí)體進(jìn)行描述：

(1)編碼：用于區(qū)別不同的實(shí)體，有時(shí)同一個(gè)實(shí)體在

不同的時(shí)間具有不同的編碼，如上行和下行的火車。編碼通常包括分類碼和識(shí)別碼。分類碼標(biāo)識(shí)實(shí)體所屬的類別，識(shí)別碼對(duì)每個(gè)實(shí)體進(jìn)行標(biāo)識(shí)，是唯一的，用于區(qū)別不同的實(shí)體。

(2)位置：通常用坐標(biāo)值的形式(或其他方式)給出實(shí)體的空間位置。

(3)類型：指明該地理實(shí)體屬于哪一種實(shí)體類型，或由哪些實(shí)體類型組成。

(4)行為：指明該地理實(shí)體可以具有哪些行為和功能

(5)屬性：指明該地理實(shí)體所對(duì)應(yīng)的非空間信息，如道路的寬度、路面質(zhì)量、車流量、交通規(guī)則等。

(6)說明：用于說明實(shí)體數(shù)據(jù)的來源、質(zhì)量等相關(guān)的

信息。

(7)關(guān)系：與其他實(shí)體的關(guān)系信息。

2.空間數(shù)據(jù)的特征

空間數(shù)據(jù)具有三個(gè)基本特征，如圖2-1所示。

(1)屬性特征——用以描述事物或現(xiàn)象的特性，即用來說明“是什么”，如事物或現(xiàn)象的類別、等級(jí)、數(shù)量、名

稱等。

(2)空間特征——用以描述事物或現(xiàn)象的地理位置，又稱幾何特征、定位特征，如界樁的經(jīng)緯度等。

(3)時(shí)間特征——用以描述事物或現(xiàn)象隨時(shí)間的變化，例如人口數(shù)的逐年變化。圖2-1空間數(shù)據(jù)的基本特征由于空間實(shí)體具有上述特征，所以在GIS中的表示是非常復(fù)雜的。目前的GIS還較少考慮到空間數(shù)據(jù)的時(shí)間特征，只考慮其屬性特征與空間特征的結(jié)合。實(shí)際上，由于空間數(shù)據(jù)具有時(shí)間維，過時(shí)的信息雖不具有現(xiàn)勢性，但卻可以作為歷史性數(shù)據(jù)保存起來，因而就會(huì)大大增加GIS表示和處理數(shù)據(jù)的難度。

3.空間數(shù)據(jù)的類型

空間數(shù)據(jù)可以按多種方式進(jìn)行分類，如表2-1所示。

1）按照數(shù)據(jù)來源分類

按照數(shù)據(jù)來源分類，GIS中的空間數(shù)據(jù)可以分為以下三種類型。

（1）地圖數(shù)據(jù)：地圖數(shù)據(jù)來源于各種類型的普通地圖和專題地圖。這些地圖的內(nèi)容豐富，圖上空間實(shí)體間的空間關(guān)系直觀，實(shí)體的類別或?qū)傩郧逦瑢?shí)測地形圖還具有很高的定位精度。

（2）影像數(shù)據(jù)：影像數(shù)據(jù)主要來源于衛(wèi)星遙感和航空遙感，包括多平臺(tái)、多層面、多種傳感器、多時(shí)相、多光譜、多角度和多種分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，這也是GIS最有效的數(shù)據(jù)來源之一。（3）文本數(shù)據(jù)：文本數(shù)據(jù)來源于各類調(diào)查報(bào)告、實(shí)測數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料、解譯信息等。

2）按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、管理、處理的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。換言之，是指數(shù)據(jù)以什么形式在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和處理。數(shù)據(jù)按一定的規(guī)律儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，是計(jì)算機(jī)正確處理和用戶正確理解的保證。按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分類，GIS的空間數(shù)據(jù)可以分為以下兩種類型。

（1）矢量數(shù)據(jù)：矢量數(shù)據(jù)是用歐氏空間的點(diǎn)、線、面等幾何元素來表達(dá)空間實(shí)體的幾何特征的數(shù)據(jù)。

（2）柵格數(shù)據(jù)：柵格數(shù)據(jù)是將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)，在各個(gè)網(wǎng)格上給出相應(yīng)的屬性值來表示空間實(shí)體的一種數(shù)據(jù)組織形式。

3）按照數(shù)據(jù)特征分類

按照數(shù)據(jù)特征分類，GIS中的空間數(shù)據(jù)可以分為以下兩種類型。

（1）空間定位數(shù)據(jù)：空間定位數(shù)據(jù)是表達(dá)空間實(shí)體在地球上位置的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，也稱幾何數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)。即說明“在哪里”，如用X、Y坐標(biāo)來表示。

（2）非空間屬性數(shù)據(jù)：描述空間數(shù)據(jù)的屬性特征的數(shù)據(jù)，也稱非幾何數(shù)據(jù)。即說明“是什么”，如類型、等級(jí)、名稱、狀態(tài)等。關(guān)系數(shù)據(jù)是描述空間數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系的數(shù)據(jù)，如空間數(shù)據(jù)的相鄰、包含等，主要是指拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系是一種對(duì)空間關(guān)系進(jìn)行明確定義的數(shù)學(xué)方法。

元數(shù)據(jù)是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在地理空間數(shù)據(jù)中，元數(shù)據(jù)說明空間數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量、狀況和其他有關(guān)特征的背景信息，便于數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和用戶之間的交流。

4）按照數(shù)據(jù)幾何特征分類

GIS中的數(shù)據(jù)可以分為以下幾種類型：

（1）點(diǎn)：點(diǎn)是對(duì)0維的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)，如測量用的三角點(diǎn)、電視塔等。

（2）線：線是對(duì)1維線性的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)，如河流、道路等。

（3）面：面是對(duì)2維線性的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)，如湖泊、行政區(qū)等。

（4）曲面：曲面是對(duì)在地面上連續(xù)分布的空間實(shí)體的抽象數(shù)據(jù)，通常被稱為2.5維數(shù)據(jù)，如地形、氣溫等。

5）按照數(shù)據(jù)發(fā)布形式分類

按照數(shù)據(jù)發(fā)布形式不同，GIS中的空間數(shù)據(jù)可分為4D數(shù)據(jù)：

（1）數(shù)字線畫圖（DLG）數(shù)據(jù)：DLG數(shù)據(jù)是現(xiàn)有地形圖要素的矢量數(shù)據(jù)，保存各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息，全面地描述地表目標(biāo)。

（2）數(shù)字柵格圖（DRG）數(shù)據(jù)：DRG數(shù)據(jù)是現(xiàn)有紙質(zhì)地圖經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到的柵格數(shù)據(jù)文件。每一幅地圖在掃描數(shù)字化后，經(jīng)幾何糾正，并進(jìn)行內(nèi)容更新和數(shù)據(jù)壓縮處理，即可得到數(shù)字柵格圖。（3）數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)：DEM數(shù)據(jù)是以數(shù)字形式表達(dá)的地形起伏數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)字正射影像（DOM）數(shù)據(jù)：DOM數(shù)據(jù)是對(duì)遙感數(shù)字影像，經(jīng)逐像元進(jìn)行投影差改正、鑲嵌，按國家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字正射投影影像數(shù)據(jù)。2.1.3實(shí)體的空間特征

1.空間維數(shù)

空間有零維、一維、二維、三維之分，對(duì)應(yīng)著不同的空間特征類型：點(diǎn)、線、面、體。在地圖中實(shí)體維數(shù)的表示可以改變。如一條河流在小比例尺地圖上是一條線（單線河），在大比例尺圖上是一個(gè)面（雙線河）。

2.空間特征類型

(1）點(diǎn)狀實(shí)體：點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)狀實(shí)體。點(diǎn)：有特定位置，維數(shù)為0的物體。

(2）線狀實(shí)體：具有相同屬性的點(diǎn)的軌跡、線或折線，由一系列的有序坐標(biāo)表示，并具有長度、彎曲度、方向性等特性，線狀實(shí)體包括線段、邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等。

(3）面狀實(shí)體（多邊形）：是對(duì)湖泊、島嶼、地塊等一類現(xiàn)象的描述，在數(shù)據(jù)庫中由一封閉曲線加內(nèi)點(diǎn)來表示。它具有面積、范圍、周長等屬性還具有其他地物相鄰、內(nèi)島嶼、鋸齒狀外形等空間特征，而且具有獨(dú)立性、重疊性與非重疊性等特性。

(4）體、立體狀實(shí)體：用于描述三維空間中的現(xiàn)象與物體，它具有長度、寬度及高度等屬性，立體狀實(shí)體一般具有體積、每個(gè)二維平面的面積、內(nèi)島、斷面圖與剖面圖等空間特征。

3.實(shí)體類型組合

現(xiàn)實(shí)世界的各種現(xiàn)象比較復(fù)雜，往往由上述不同的空間類型組合而成，例如根據(jù)某些空間類型或幾種空間類型的組合將空間問題表達(dá)出來，如圖2-2所示，復(fù)雜實(shí)體由簡單實(shí)體組合表達(dá)。圖2-2不同空間類型組合表達(dá)復(fù)雜空間問題2.1.4空間關(guān)系

1.定義

拓?fù)潢P(guān)系是一種對(duì)空間結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行明確定義的數(shù)學(xué)方法。是指圖形在保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)?？梢约僭O(shè)圖形繪在一張高質(zhì)量的橡皮平面上，將橡皮任意拉伸和壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)或折疊，這時(shí)原來圖形的有些屬性保留，有些屬性發(fā)生改變，前者稱為拓?fù)鋵傩?，后者稱為非拓?fù)鋵傩曰驇缀螌傩裕绫?-2所示。這種變換稱為拓?fù)渥儞Q或橡皮變換。

2.拓?fù)潢P(guān)系的種類

點(diǎn)(結(jié)點(diǎn))、線(鏈、弧段、邊)、面(多邊形)三種要素是拓?fù)湓?。它們之間最基本的拓?fù)潢P(guān)系是關(guān)聯(lián)和鄰接。

(1)關(guān)聯(lián)：不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系。如結(jié)點(diǎn)與鏈、鏈與多邊形等。

(2)鄰接：相同拓?fù)湓刂g的關(guān)系。如結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)、鏈與鏈、面與面等。鄰接關(guān)系是借助于不同類型的拓?fù)湓孛枋龅?，如面通過鏈而鄰接。

在GIS的分析和應(yīng)用功能中，還可能用到其他拓?fù)潢P(guān)系。

(3)包含關(guān)系：面與其他拓?fù)湓刂g的關(guān)系。如果點(diǎn)、線、面在該面內(nèi)，則稱為被該面包含。如某省包含的湖泊、河流等。

(4)幾何關(guān)系：拓?fù)湓刂g的距離關(guān)系。如拓?fù)湓刂g距離不超過某一半徑的關(guān)系。

(5)層次關(guān)系：相同拓?fù)湓刂g的等級(jí)關(guān)系。如國家由省(自治區(qū)、直轄市)組成，省(自治區(qū)、直轄市)由縣組成等。

3.拓?fù)潢P(guān)系的表示

目前的GIS中，主要表示基本的拓?fù)潢P(guān)系，而且表示方法不盡相同。在矢量數(shù)據(jù)中拓?fù)潢P(guān)系可以由表2-3來表示。

4.拓?fù)潢P(guān)系的意義

空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系對(duì)于GIS數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要的意義，因?yàn)椋?/p>

(1)拓?fù)潢P(guān)系能清楚地反映實(shí)體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化。

(2)有助于空間要素的查詢，利用拓?fù)潢P(guān)系可以解決許多實(shí)際問題。如某縣的鄰接縣，即面面相鄰問題。又如供水管網(wǎng)系統(tǒng)中某段水管破裂后，找關(guān)閉它的閥門，就需要查詢?cè)摼€(管道)與哪些點(diǎn)(閥門)關(guān)聯(lián)。

(3)根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可重建地理實(shí)體，如圖2-3所示。例如根據(jù)弧段構(gòu)建多邊形，實(shí)現(xiàn)面域的選??；根據(jù)弧段與結(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)關(guān)系重建道路網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行最佳路徑選擇等。圖2-3拓?fù)潢P(guān)系的重建2.2空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型

2.2.1柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.定義

如圖2-4所示，在柵格結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)用一個(gè)柵格單元表示；線狀地物用沿線走向的一組相鄰柵格單元表示，每個(gè)柵格單元最多只有兩個(gè)相鄰單元在線上；面或區(qū)域用記有區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎?，每個(gè)柵格單元可有多于兩個(gè)的相鄰單元同屬一個(gè)區(qū)域。圖2-4點(diǎn)、線、區(qū)域的格網(wǎng)

2.特點(diǎn)

柵格結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是：屬性明顯，定位隱含，即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或?qū)傩员旧?，而所在位置則根據(jù)行列號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)。如圖2-4（a）所示，數(shù)據(jù)5表示屬性或編碼為5的一個(gè)點(diǎn)，其位置是由其所在的第5行、第4列交叉得到的。由于柵格結(jié)構(gòu)是按一定的規(guī)則排列的，所表示的實(shí)體的位置很容易隱含在格網(wǎng)文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中。圖2-4（a）表示了代碼為5的點(diǎn)實(shí)體；圖2-4（b）表示了一條代碼為2的線實(shí)體;而圖2-4（c）則表示了三個(gè)面實(shí)體，代碼分別為4、7和8。由于柵格行列陣列易于被計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、操作和顯示，因此這種結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)，算法簡單，且易于擴(kuò)充、修改，也很直觀，給地理空間數(shù)據(jù)處理帶來了極大的方便。

與矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相比較，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)地理要素比較直觀，容易實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的疊合操作，便于與遙感圖像及掃描輸入數(shù)據(jù)相匹配建庫和使用等。

3.決定柵格單元尺寸

柵格結(jié)構(gòu)表示的地表是不連續(xù)的，是量化和近似離散的數(shù)據(jù)。在柵格結(jié)構(gòu)中，地表被分成相互鄰接、規(guī)則排列的矩形方塊（特殊的情況下也可以是三角形或菱形、六邊形等），每個(gè)地塊與一個(gè)柵格單元相對(duì)應(yīng)。柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元大小之比。在許多柵格數(shù)據(jù)處理時(shí)，常假設(shè)柵格所表示的量化表面是連續(xù)的，以便使用某些連續(xù)函數(shù)。由于柵格結(jié)構(gòu)對(duì)地表的量化，在計(jì)算面積、長度、距離、形狀等空間指標(biāo)時(shí)，若柵格尺寸較大，則造成較大的誤差。網(wǎng)格邊長決定了柵格數(shù)據(jù)的精度，但是，當(dāng)用柵格數(shù)據(jù)來表示地理實(shí)體時(shí)，不論網(wǎng)格邊長多小，與原實(shí)體特征相比較，信息都會(huì)丟失，這是由于復(fù)雜的實(shí)體采用統(tǒng)一的網(wǎng)格造成的。一般的，可以通過保證最小多邊形的精度標(biāo)準(zhǔn)來確定網(wǎng)格尺寸，使形成的柵格數(shù)據(jù)既有效地逼近地理實(shí)體，又能最大限度地減少數(shù)據(jù)量。如圖2-5所示，設(shè)研究區(qū)域最小圖斑的面積為S，當(dāng)網(wǎng)格邊長為L時(shí)，該圖斑可能丟失；當(dāng)邊長為L/2時(shí)，該圖斑得到很好的表示。所以合理的網(wǎng)格尺寸為式中，i=1,2,…,n（區(qū)域多邊形數(shù)）。由此可知，柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是很顯著的，例如數(shù)據(jù)精度取決于網(wǎng)格的邊長，當(dāng)網(wǎng)格邊長縮小時(shí)，網(wǎng)格單元的數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)遞增，造成存儲(chǔ)空間的迅速增加；由于相鄰網(wǎng)格單元屬性值的相關(guān)性，造成柵格數(shù)據(jù)的冗余度，特別當(dāng)表示不規(guī)則多邊形時(shí)，數(shù)據(jù)冗余度更大；柵格數(shù)據(jù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)分析和建立網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系比較困難等。

4.決定柵格單元代碼的方式

由于在一個(gè)柵格的地表范圍內(nèi)，可能存在多于一種的地物，而表示在相應(yīng)的柵格結(jié)構(gòu)中常常是一個(gè)代碼，因此在決定柵格代碼時(shí)盡量保持地表的真實(shí)性，保證最大的信息容量。圖2-6所示為某柵格范圍的一塊矩形的地形區(qū)域，內(nèi)部含有A、B、C三種地物類型，O點(diǎn)為中心點(diǎn)，在決定其柵格代碼時(shí)，可根據(jù)需要采取如下的方案。圖2-6柵格單元代碼的確定

1)中心點(diǎn)法

用位于柵格中心處的地物類型或現(xiàn)象特性決定柵格代碼，在圖2-6所示的矩形區(qū)域中，中心點(diǎn)O落在代碼為C的地物范圍內(nèi)，故相應(yīng)的柵格單元代碼為C，這種方法常用于具有連續(xù)分布特性的地理要素，如降雨量分布、人口密度圖等。

2)面積占優(yōu)法

以占矩形區(qū)域面積最大的地物類型或現(xiàn)象特性作為柵格單元的代碼，從圖2-6來看，顯見B類地物所占面積最大，故相應(yīng)柵格代碼定為B。面積占優(yōu)法常用于分類較細(xì)，地物類別斑塊較小的情況。

3)重要性法

根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重要性，選取最重要的地物類型決定相應(yīng)的柵格單元代碼，設(shè)圖2-6中A類是最重要的地物類型，則柵格單元的代碼應(yīng)為A。重要性法常用于具有特殊意義而面積較小的地理要素，特別是點(diǎn)、線狀地理要素，如城鎮(zhèn)、交通樞紐、交通線、河流水系等，在柵格中代碼應(yīng)盡量表示這些重要地物。

4)百分比法

根據(jù)矩形區(qū)域內(nèi)各地理要素所占面積的百分比數(shù)確定柵格單元的代碼，如可記面積最大的兩類BA，也可以根據(jù)B類和A類所占面積百分比數(shù)在代碼中加入數(shù)字。

5.編碼方法

1)直接?xùn)鸥窬幋a

直接?xùn)鸥窬幋a就是將柵格數(shù)據(jù)看做一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個(gè)記錄代碼，可以每行都從左到右逐個(gè)記錄，也可以奇數(shù)行地從左到右而偶數(shù)行地從右向左記錄，為了特定目的還可采用其他特殊的順序，如圖2-7所示。圖2-7一些常用的柵格排列順序

2)壓縮編碼方法

柵格數(shù)據(jù)的壓縮編碼方法，如鏈碼、游程長度編碼、塊碼和四叉樹編碼等，其目的就是用盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的信息，分為信息無損編碼和信息有損編碼兩類。信息無損編碼是指編碼過程中沒有任何信息損失，通過解碼操作可以完全恢復(fù)原始信息；信息有損編碼是指為了提高編碼效率，最大限度地壓縮數(shù)據(jù)，在壓縮過程中損失一部分相對(duì)不太重要的信息，解碼時(shí)這部分信息難以恢復(fù)。

·鏈?zhǔn)骄幋a（ChainCodes）

鏈?zhǔn)骄幋a又稱為弗里曼(Freeman，1961)鏈碼或邊界鏈碼。鏈?zhǔn)骄幋a主要是記錄線狀地物和面狀地物的邊界。它將線狀地物和區(qū)域邊界表示為由某一起始點(diǎn)開始和某些基本方向上的單位矢量鏈組成。單位矢量的長度為一個(gè)柵格單元，每個(gè)后續(xù)點(diǎn)可能位于其前繼點(diǎn)的8個(gè)基本方向之一?；痉较蚩啥x為：東＝0，東南＝1，南＝2，西南＝3，西＝4，西北＝5，北＝6，東北＝7等八個(gè)基本方向，如圖2-8所示。圖2-8鏈?zhǔn)骄幋a的方向代碼圖如果對(duì)于圖2-9所示的線狀地物確定其起始點(diǎn)為像元(1，5)，則其鏈?zhǔn)骄幋a為

1，5，3，2，2，3，3，2，3

對(duì)于圖2-9所示的區(qū)域邊界，假設(shè)其原起始點(diǎn)定為像元（5，8），則該區(qū)域邊界按順時(shí)針方向的鏈?zhǔn)骄幋a為

5，8，3，2，4，4，6，6，7，6，0，2，1圖2-9鏈?zhǔn)骄幋a示意圖鏈?zhǔn)骄幋a的前兩個(gè)數(shù)字表示起點(diǎn)的行、列數(shù)，從第三個(gè)數(shù)字開始的每個(gè)數(shù)字表示單位矢量的方向，八個(gè)方向以0~7的整數(shù)代表。

鏈?zhǔn)骄幋a對(duì)線狀和多邊形的表示具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓縮能力，特別是對(duì)計(jì)算面積、長度、轉(zhuǎn)折方向和凹凸度等運(yùn)算十分方便，類似矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比較適于存儲(chǔ)圖形數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是對(duì)邊界做合并和插入等修改，編輯比較困難。這種編碼有些類似矢量結(jié)構(gòu)，不具有區(qū)域的性質(zhì)，因此對(duì)區(qū)域空間分析運(yùn)算比較困難。

·

游程長度編碼（RunLengthCodes）

其基本思路是：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，因此可采取某種方法壓縮那些重復(fù)的記錄內(nèi)容。其方法有兩種方案：一種編碼方案是，只在各行（或列）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的代碼重復(fù)的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。例如對(duì)圖2-4(c)所示柵格數(shù)據(jù)，可沿行方向進(jìn)行如下游程長度編碼：

(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)。此編碼只用了44個(gè)整數(shù)就可以表示，而在前述的直接編碼中需要64個(gè)整數(shù)表示，可見游程長度編碼壓縮數(shù)據(jù)是十分有效又簡便的。另一種游程長度編碼方案就是逐個(gè)記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應(yīng)代碼，如對(duì)圖2-4（c）所示柵格數(shù)據(jù)的另一種游程長度編碼如下（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)。從以上數(shù)據(jù)可以看出，屬性的變化愈少，游程愈長，則壓縮的比例越大?；蛘哒f，壓縮的大小與圖的復(fù)雜程度成反比。因此這種編碼方式最適合于類型區(qū)面積較大的專題圖、遙感影像分區(qū)集中的分類圖，而不適合于類型連續(xù)變化或類型區(qū)域分散的分類圖。

這種編碼在柵格加密時(shí)，數(shù)據(jù)量不會(huì)明顯增加，壓縮效率高，它最大限度地保留了原始柵格結(jié)構(gòu)，編碼解碼運(yùn)算簡單，且易于檢索、疊加、合并等操作，因而這種壓縮編碼方法得到了廣泛的應(yīng)用。

·塊碼

塊碼是游程長度編碼擴(kuò)展到二維的情況，采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個(gè)記錄單元包括相鄰的若干柵格，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由初始位置（行、列號(hào)）和半徑，再加上記錄單位的代碼組成。圖2-4（c）所示圖像的塊碼如圖2-10（a）所示，編碼如下：其中塊碼用了120個(gè)整數(shù)，比直接編碼還多，這是為了描述方便。

塊碼具有可變的分辨率，即當(dāng)代碼變化小時(shí)，圖塊大，就是說在區(qū)域圖斑內(nèi)部分辨率低；反之，分辨率高,以小塊記錄區(qū)域邊界地段，以此達(dá)到壓縮的目的。因此塊碼與游程長度編碼相似，隨著圖形復(fù)雜程度的提高而降低效率。圖斑越大，壓縮比越高；圖斑越碎，壓縮比越低。塊碼在合并、插入、檢查延伸性、計(jì)算面積等操作時(shí)有明顯的優(yōu)越性。

·四叉樹

柵格數(shù)據(jù)可用四叉樹結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的原理是：將整個(gè)圖像區(qū)逐步分解為一系列被單一類型區(qū)域內(nèi)含的方形區(qū)域，最小的方形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)柵格像元。分割的原則是，將圖像區(qū)域劃分為四個(gè)大小相同的象限，而每個(gè)象限又可根據(jù)一定規(guī)則判斷是否繼續(xù)等分為次一層的四個(gè)象限，其終止判據(jù)是，不管是哪一層上的象限，只要?jiǎng)澐值阶酉笙拗械臄?shù)值都相同為止，不論大小，均作為最后的存儲(chǔ)單元。四叉樹通過樹狀結(jié)構(gòu)記錄這種劃分，并通過這種四叉樹狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)查詢、修改、量算等操作。圖2-10（b）為四叉樹分解，各子象限尺度大小不完全一樣，但都是同代碼柵格單元，其四叉樹如圖2-10（c）所示。圖2-10四叉樹編碼圖2-10(c)中最上面的那個(gè)結(jié)點(diǎn)叫做樹根結(jié)點(diǎn)，代表整個(gè)柵格區(qū)域?？偣灿?層結(jié)點(diǎn)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)象限，如2層4個(gè)結(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于整個(gè)圖形的四個(gè)象限，排列次序依次為南西（SW）、南東（SE）、北西（NW）和北東（NE），不能再分的結(jié)點(diǎn)稱為終止結(jié)點(diǎn)（又稱葉子結(jié)點(diǎn)），可能落在不同的層上，該結(jié)點(diǎn)代表的子象限具有單一的代碼，所有終止結(jié)點(diǎn)所代表的方形區(qū)域覆蓋了整個(gè)圖形。從上到下，從左到右為葉子結(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖2-10(c)所示，共有40個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)，也就是原圖被劃分為40個(gè)大小不等的方形子區(qū)，圖2-10(c)中最下面的一排數(shù)字表示各子區(qū)的代碼。采用四叉樹編碼時(shí)，為了保證四叉樹分解能不斷地進(jìn)行下去，要求圖像必須為2n×2n的柵格陣列，n為極限分割數(shù)，n+1為四叉樹的最大高度或最大層數(shù)。圖2-4（c）為23×23的柵格，因此最多劃分3次，最大層數(shù)為4。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的圖像，需首先通過增加背景的方法將圖像擴(kuò)充為2n×2n的圖像。四叉樹編碼有許多優(yōu)點(diǎn)：

(1)容易而有效地計(jì)算多邊形的數(shù)量特征。

(2)陣列各部分的分辨率是可變的，邊界復(fù)雜部分四叉樹較高，即分級(jí)多，分辨率也高，而不需表示的細(xì)節(jié)部分則分級(jí)少，分辨率低。因而既可精確表示圖形結(jié)構(gòu)，又可減少存儲(chǔ)量。

(3)柵格到四叉樹及四叉樹到簡單柵格結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換比其他壓縮方法容易，許多運(yùn)算可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實(shí)現(xiàn)，大大地提高了運(yùn)算效率。

(4)多邊形中嵌套不同類型小多邊形的表示較方便。

四叉樹編碼是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。四叉樹編碼的最大缺點(diǎn)是，樹狀表示的變換不具有穩(wěn)定性，相同形狀和大小的多邊形可能得出不同四叉樹結(jié)構(gòu)，故不利于形狀分析和模式識(shí)別。但因它允許多邊形中嵌套多邊形，即所謂“洞”的結(jié)構(gòu)存在，使越來越多的地理信息系統(tǒng)工作者對(duì)四叉樹結(jié)構(gòu)產(chǎn)生興趣。2.2.2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.定義

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過記錄坐標(biāo)的方式盡可能精確地表示點(diǎn)、線、面（多邊形）等地理實(shí)體，坐標(biāo)空間設(shè)為連續(xù)，允許任意位置、長度和面積的精確定義。

點(diǎn)實(shí)體包括由單獨(dú)一對(duì)坐標(biāo)定位的一切地理或制圖實(shí)體。在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，除點(diǎn)實(shí)體坐標(biāo)外，還應(yīng)存儲(chǔ)一些與點(diǎn)實(shí)體有關(guān)的其他數(shù)據(jù)來描述點(diǎn)實(shí)體的類型、制圖符號(hào)和顯示要求等。線實(shí)體可以定義為由直線元素組成的各種線性要素，就是用一系列足夠短的直線首尾相接表示一條曲線，當(dāng)曲線被分割成多而短的線段后，這些小線段可以近似地看成直線段，而這條曲線也可以足夠精確地由這些小直線段序列表示。矢量結(jié)構(gòu)中只記錄這些小線段的起止點(diǎn)坐標(biāo)，將曲線表示為一個(gè)坐標(biāo)序列，坐標(biāo)之間認(rèn)為是以直線段相連，在一定精度范圍內(nèi)可以逼真地表示各種形狀的線狀

地物。多邊形邊界將整個(gè)空間劃分為兩個(gè)部分：包含無窮遠(yuǎn)點(diǎn)的部分稱為外部，另一部分稱為內(nèi)部。把這樣的閉合區(qū)域稱為多邊形是由于區(qū)域的邊界線同前面介紹的線實(shí)體一樣，可以被看做是由一系列多而短的直線段組成，每個(gè)小線段作為這個(gè)區(qū)域的一條邊，因此這種區(qū)域就可以看做是由這些邊組成的多邊形了。

2.特點(diǎn)

矢量結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：定位明顯、屬性隱含，其定位是根據(jù)坐標(biāo)直接存儲(chǔ)的，而屬性則一般存于文件頭或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中某些特定的位置上，這種特點(diǎn)使得其圖形運(yùn)算的算法總體上比柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多，有些甚至難以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)也有其便利和獨(dú)到之處，在計(jì)算長度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，矢量結(jié)構(gòu)有很高的效率和精度，而在疊加運(yùn)算、鄰域搜索等操作時(shí)則比較困難。

3.編碼方法

1)點(diǎn)實(shí)體

對(duì)于點(diǎn)實(shí)體和線實(shí)體的矢量編碼比較直接，只要能將空間信息和屬性信息記錄完全就可以了。點(diǎn)是空間上不能再分的地理實(shí)體，可以是具體的或抽象的，如地物點(diǎn)、文本位置點(diǎn)或線段網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)等，由一對(duì)x、y坐標(biāo)表示。圖2-11(a)表示了點(diǎn)實(shí)體矢量編碼的基本內(nèi)容。

2)線實(shí)體

線實(shí)體主要用來表示線狀地物（如公路、水系、山脊線等）、符號(hào)線和多邊形邊界，有時(shí)也稱為“弧”、“鏈”、“串”等，其矢量編碼一般包括的內(nèi)容如圖2-11(b)所示。其中唯一標(biāo)識(shí)碼是系統(tǒng)排列序號(hào)；線標(biāo)識(shí)碼可以標(biāo)識(shí)線的類型；起始點(diǎn)和終止點(diǎn)號(hào)可直接用坐標(biāo)表示；顯示信息是顯示時(shí)的文本或符號(hào)等；與線相聯(lián)系的非幾何屬性可以直接存儲(chǔ)于線文件中，也可單獨(dú)存儲(chǔ)，而由標(biāo)識(shí)碼連接查找。圖2-11矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編碼方法3)多邊形

多邊形矢量編碼不但能表示位置和屬性，更為重要的是要能表達(dá)區(qū)域的拓?fù)湫再|(zhì)，如形狀、鄰域和層次等，以便使這些基本的空間單元可以作為專題圖資料進(jìn)行顯示和操作。由于要表達(dá)的信息十分豐富，基于多邊形的運(yùn)算多而復(fù)雜，因此多邊形矢量編碼比點(diǎn)和線實(shí)體的矢量編碼要復(fù)雜得多，也更為重要。

多邊形矢量編碼除有存儲(chǔ)效率的要求外，一般還要求所表示的各多邊形有各自獨(dú)立的形狀，可以計(jì)算各自的周長和面積等幾何指標(biāo)；各多邊形拓?fù)潢P(guān)系的記錄方式要一致，以便進(jìn)行空間分析；要明確表示區(qū)域的層次，如島

—湖—島的關(guān)系等。因此，它與機(jī)助制圖系統(tǒng)僅為顯示和制圖目的而設(shè)計(jì)的編碼有很大不同。

·實(shí)體式

實(shí)體式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成多邊形邊界的各個(gè)線段，以多邊形為單元進(jìn)行組織。按照這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，邊界坐標(biāo)數(shù)據(jù)和多邊形單元實(shí)體一一對(duì)應(yīng)，各個(gè)多邊形邊界都單獨(dú)編碼和數(shù)字化。

例如對(duì)圖2-12所示的多邊形A、B、C、D、E，可以用表2-4的數(shù)據(jù)來表示。圖2-12多邊形原始數(shù)據(jù)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有編碼容易、數(shù)字化操作簡單和數(shù)據(jù)編排直觀等優(yōu)點(diǎn)。但這種方法也有以下明顯缺點(diǎn)：

(1)相鄰多邊形的公共邊界要數(shù)字化兩遍，造成數(shù)據(jù)冗余存儲(chǔ)，可能導(dǎo)致輸出的公共邊界出現(xiàn)間隙或重疊。

(2)缺少多邊形的鄰域信息和圖形的拓?fù)潢P(guān)系。

(3)島只作為一個(gè)單個(gè)圖形，沒有建立與外界多邊形的聯(lián)系。

·索引式

索引式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用樹狀索引，以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息，具體方法是對(duì)所有邊界點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字化，將坐標(biāo)對(duì)以順序方式存儲(chǔ)，由點(diǎn)索引與邊界線號(hào)相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結(jié)構(gòu)。

樹狀索引結(jié)構(gòu)消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致的問題，在簡化過于復(fù)雜的邊界線或合并多邊形時(shí)可不必改造索引表，鄰域信息和島狀信息可以通過對(duì)多邊形文件的線索引處理得到，但是比較繁瑣，因而給鄰域函數(shù)運(yùn)算、消除無用邊、處理島狀信息以及檢查拓?fù)潢P(guān)系等帶來一定的困難，而且兩個(gè)編碼表都要以人工方式建立，工作量大且容易出錯(cuò)。

圖2-13和圖2-14分別為圖2-12的多邊形文件和線文件樹狀索引圖。圖2-13線與多邊形之間的樹狀索引圖2-14點(diǎn)與線之間的樹狀索引

·雙重獨(dú)立式

雙重獨(dú)立式編碼是有名的美國人口統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)采用的一種編碼方式，簡稱為DIME(DualIndependentMapEncoding，雙重獨(dú)立式的地圖編碼法)編碼系統(tǒng)。它以城市街道為編碼的主體。其特點(diǎn)是采用了拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最適合于城市信息系統(tǒng)。其中街道與河流為線狀要素，彎曲線段則由一系列直線段表示。雙重獨(dú)立式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對(duì)網(wǎng)狀或面狀要素的任何一條

線段，用其兩端的結(jié)點(diǎn)及相鄰面域來予以定義。例如對(duì)圖2-15所示的多邊形數(shù)據(jù)，用雙重獨(dú)立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示如表2-5所示。表中的第一行表示線段a的方向是從結(jié)點(diǎn)1到結(jié)點(diǎn)8，其左側(cè)面域?yàn)镺，右側(cè)面域?yàn)锳。圖2-15多邊形原始數(shù)據(jù)在雙重獨(dú)立式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)或者面域與面域之間為鄰接關(guān)系，結(jié)點(diǎn)與線段或者面域與線段之間為關(guān)聯(lián)關(guān)系。這種鄰接和關(guān)聯(lián)的關(guān)系稱為拓?fù)潢P(guān)系。利用這種拓?fù)潢P(guān)系來組織數(shù)據(jù)，可以有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正確性檢查，同時(shí)便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新和檢索。因?yàn)樵谶@種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)編輯處理以后，面域單元的第一個(gè)始結(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)和最后一個(gè)終結(jié)點(diǎn)相一致，而且當(dāng)按照左側(cè)面域或右側(cè)面域來自動(dòng)建立一個(gè)指定的區(qū)域單元時(shí)，其空間點(diǎn)的坐標(biāo)應(yīng)當(dāng)自行閉合。如果不能自行閉合，或者出現(xiàn)多余的線段，則表示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或編碼有錯(cuò)，這樣就達(dá)到數(shù)據(jù)自動(dòng)編輯的目的。例如，從上表中尋找右多邊形為A的記錄，則可以得到組成A多邊形的線及結(jié)點(diǎn)(見表2-6)，通過這種方法可以自動(dòng)形成面文件，并可以檢查線文件數(shù)據(jù)的正確性。

·

鏈狀雙重獨(dú)立式

鏈狀雙重獨(dú)立式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是DIME數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)。在DIME中，一條邊只能用直線兩端點(diǎn)的序號(hào)及相鄰的面域來表示，而在鏈狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，將若干直線段合為一個(gè)弧段（或鏈段），每個(gè)弧段可以有許多中間點(diǎn)。其端點(diǎn)則為弧段的交點(diǎn)或起終點(diǎn)。這種方式的弧段坐標(biāo)文件是在數(shù)字化過程中由一系列點(diǎn)的位置坐標(biāo)組成的?；《危ɑ蜴湺危┪募苫∮涗浗M成，存儲(chǔ)弧段的起止點(diǎn)號(hào)和弧段左右多邊形號(hào)。結(jié)點(diǎn)文件一般是通過軟件自動(dòng)生成的。在數(shù)字化弧段過程中，由于數(shù)字化操作的誤差，各弧段在同一結(jié)點(diǎn)處的坐標(biāo)不可能完全一致，需要進(jìn)行匹配處理。當(dāng)其偏差在允許的范圍內(nèi)時(shí)，可取同名結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)平均值。如果偏差過大，則弧段需要重新數(shù)字化。2.2.3矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1.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)具體分為點(diǎn)、線、面，可以構(gòu)成現(xiàn)實(shí)世界中各種復(fù)雜的實(shí)體。當(dāng)問題可描述成線或邊界時(shí)，采用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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)的存儲(chǔ)比較復(fù)雜，導(dǎo)致空間實(shí)體的查詢十分費(fèi)時(shí)，需要逐點(diǎn)、逐線、逐面地查詢。矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)表示的影像數(shù)據(jù)不能直接運(yùn)算(如聯(lián)合查詢和空間分析)，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)的交互是通過等高線來實(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)橹皇褂眯泻土凶鳛榭臻g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)別需要采用匹配技術(shù)，對(duì)線實(shí)體的識(shí)別需采用邊緣檢測技術(shù)，對(duì)面實(shí)體的識(shí)別則需采用影像分類技術(shù)，這些技術(shù)不僅費(fèi)時(shí)，而且不能保證完全正確。

矢量、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的比較如表2-7所示。通過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，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)。

2.矢柵一體化的概念

新一代集成化的地理信息系統(tǒng)，要求能夠統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，稱為四庫合一。關(guān)于圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，近年來已取得突破性的進(jìn)展，不少GIS軟件商先后推出各自的空間數(shù)據(jù)庫引擎(SDE)，初步解決了圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一體化管理。而矢量與柵格數(shù)據(jù)，按照傳統(tǒng)的觀念，認(rèn)為是兩類完全不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)利用它們來表達(dá)空間目標(biāo)時(shí)，對(duì)于線狀實(shí)體，人們習(xí)慣使用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；對(duì)于面狀實(shí)體，在基于矢量的GIS中，主要使用邊界表達(dá)法，而在基于柵格的GIS中，一般用元子空間填充表達(dá)法。由此，人們聯(lián)想到對(duì)用矢量方法表示的線狀實(shí)體，是不是也可以采用元子空間填充法來表示，即在數(shù)字化一個(gè)線狀實(shí)體時(shí)，除記錄原始取樣點(diǎn)外，還記錄所通過的柵格。同樣，每個(gè)面狀地物除記錄它的多邊形邊界外，還記錄中間包含的柵格。

2.3空間數(shù)據(jù)模型

2.3.1空間數(shù)據(jù)庫

1.數(shù)據(jù)庫的概念

地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫（簡稱空間數(shù)據(jù)庫或地理數(shù)據(jù)庫）是某一區(qū)域內(nèi)關(guān)于一定地理要素特征的數(shù)據(jù)集合。為了直觀地理解數(shù)據(jù)庫，可以把數(shù)據(jù)庫與圖書館進(jìn)行相關(guān)對(duì)比,如表2-8所示。

2.空間數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)

(1）數(shù)據(jù)量大。地理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合體，要用數(shù)據(jù)來描述各種地理要素，尤其是要素的空間位置，其數(shù)據(jù)量往往很大。

(2）不僅有地理要素的屬性數(shù)據(jù)（與一般數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)性質(zhì)相似），還有大量的空間數(shù)據(jù)，即描述地理要素空間分布位置的數(shù)據(jù)，并且這兩種數(shù)據(jù)之間具有不可分割的聯(lián)系。

(3）數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，例如地理研究、環(huán)境保護(hù)、土地利用與規(guī)劃、資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境、市政管理、道路建設(shè)等。

3.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫是關(guān)于事物及其關(guān)系的信息組合。早期的數(shù)據(jù)庫物體本身與其屬性是分開存儲(chǔ)的，只能滿足簡單的數(shù)據(jù)恢復(fù)和使用。數(shù)據(jù)定義使用特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，利用文件形式存儲(chǔ)，稱之為文件處理系統(tǒng)。

文件處理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫管理最普遍的方法，但是有很多缺點(diǎn)：首先每個(gè)應(yīng)用程序都必須直接訪問所使用的數(shù)據(jù)文件，應(yīng)用程序完全依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時(shí)應(yīng)用程序也隨之修改。另外的問題是數(shù)據(jù)文件的共享。由于若干用戶或應(yīng)用程序共享一個(gè)數(shù)據(jù)文件，要修改數(shù)據(jù)文件必須征得所有用戶的認(rèn)可。由于缺乏集中控制也會(huì)帶來一系列數(shù)據(jù)庫的安全問題。數(shù)據(jù)庫的完整性是嚴(yán)格的，信息質(zhì)量很差比沒有信息更糟。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，DBMS）是在文件處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的系統(tǒng)。DBMS在用戶應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)文件之間起到了橋梁作用。DBMS的最大優(yōu)點(diǎn)是提供了兩者之間的數(shù)據(jù)獨(dú)立性，即應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)文件時(shí)，不必知道數(shù)據(jù)文件的物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。當(dāng)數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變時(shí)，不必改變應(yīng)用程序。

1）采用標(biāo)準(zhǔn)DBMS存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的主要問題

用標(biāo)準(zhǔn)的DBMS來存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)，不如存儲(chǔ)表格數(shù)據(jù)那樣好，其主要問題包括：

（1）在GIS中，空間數(shù)據(jù)記錄是變長的，因?yàn)樾枰鎯?chǔ)的坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)目是變化的，而一般數(shù)據(jù)庫都只允許把記錄的長度設(shè)定為固定長度。不僅如此，在存儲(chǔ)和維護(hù)空間數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系方面，DBMS也存在著嚴(yán)重的缺陷。因而，一般要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的DBMS增加附加的軟件功能。（2）DBMS一般都難以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、連通、包含、疊加等基本操作。

（3）GIS需要一些復(fù)雜的圖形功能，一般的DBMS不能支持。

（4）地理信息是復(fù)雜的，單個(gè)地理實(shí)體的表達(dá)需要多個(gè)文件、多條記錄、或許包括大地網(wǎng)、特征坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系、空間特征量測值、屬性數(shù)據(jù)的關(guān)鍵字以及非空間專題屬性等，一般的DBMS也難以支持。（5）具有高度內(nèi)部聯(lián)系的GIS數(shù)據(jù)記錄需要更復(fù)雜的安全性維護(hù)系統(tǒng)。為了保證空間數(shù)據(jù)庫的完整性，保護(hù)數(shù)據(jù)文件的完整性，保護(hù)系列必須與空間數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)，否則一條記錄的改變就會(huì)使其他數(shù)據(jù)文件產(chǎn)生錯(cuò)誤。一般的DBMS都難以保證這些。

2）GIS數(shù)據(jù)管理方法的主要四種類型

（1）對(duì)不同的應(yīng)用模型開發(fā)獨(dú)立的數(shù)據(jù)管理服務(wù)，這是一種基于文件管理的處理方法。

（2）在商業(yè)化的DBMS基礎(chǔ)上開發(fā)附加系統(tǒng)。開發(fā)一個(gè)附加軟件用于存儲(chǔ)和管理空間數(shù)據(jù)和空間分析，使用DBMS管理屬性數(shù)據(jù)。（3）使用現(xiàn)有的DBMS，通常是以DBMS為核心，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行必要擴(kuò)充，空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)在同一個(gè)DBMS管理之下。需要增加足夠數(shù)量的軟件和功能來提供空間功能和圖形顯示功能。

（4）重新設(shè)計(jì)一個(gè)具有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)管理和分析功能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。2.3.2空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)建立和維護(hù)

1.空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫因不同的應(yīng)用要求會(huì)有各種各樣的組織形式。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)就是根據(jù)不同的應(yīng)用目的和用戶要求，在一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境中，確定最優(yōu)的數(shù)據(jù)模型、處理模式、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取方法，建立能反映現(xiàn)實(shí)世界的地理實(shí)體間信息之間的聯(lián)系，滿足用戶要求，又能被一定的DBMS接受，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)并有效地存取、管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。主要包括需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)三部分。

1)需求分析

需求分析是整個(gè)空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與建立的基礎(chǔ)，主要工作有：

(1）調(diào)查用戶需求，了解用戶特點(diǎn)和要求，取得設(shè)計(jì)者與用戶對(duì)需求的一致看法。

(2）需求數(shù)據(jù)的收集和分析，包括信息需求(信息內(nèi)容、特征、需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù))、信息加工處理要求(如響應(yīng)時(shí)間)、完整性與安全性要求等。

(3）編制用戶需求說明書，包括需求分析的目標(biāo)、任務(wù)、具體需求說明、系統(tǒng)功能與性能、運(yùn)行環(huán)境等，是需求分析的最終成果。

(1)數(shù)據(jù)源的選擇：

一個(gè)實(shí)用GIS系統(tǒng)的開發(fā)，通常其數(shù)據(jù)庫開發(fā)的造價(jià)占整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)的70%~80%，所以數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)源的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)格外重要。數(shù)據(jù)來源有地圖、遙感影像、GPS數(shù)據(jù)及已有數(shù)據(jù)。

(2)對(duì)各種數(shù)據(jù)集的評(píng)價(jià)：

GIS數(shù)據(jù)來源多種，質(zhì)量不同，需要評(píng)價(jià)?？梢詮囊韵氯齻€(gè)方面進(jìn)行：

①數(shù)據(jù)的一般評(píng)價(jià)，包括數(shù)據(jù)是否為電子版、是否為標(biāo)準(zhǔn)形式、是否可直接被GIS使用、是否為原始數(shù)據(jù)、是否可可替代數(shù)據(jù)、是否與其他數(shù)據(jù)一致（指覆蓋地區(qū)、比例尺、投影方式、坐標(biāo)系等）;②數(shù)據(jù)的空間特性，包括空間特征的表示形式是否一致，如GPS點(diǎn)、大地控制測量點(diǎn)、認(rèn)為劃分的地理位置點(diǎn)等，空間地理數(shù)據(jù)的系列性，如不同地區(qū)信息的銜接、邊界匹配問題等；

③屬性數(shù)據(jù)特征的評(píng)價(jià)，包括屬性數(shù)據(jù)的存在性、屬性數(shù)據(jù)與空間位置的匹配性、屬性數(shù)據(jù)的編碼系統(tǒng)及屬

性數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性等。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果是得到一個(gè)合理的空間數(shù)據(jù)模型，是空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。空間數(shù)據(jù)模型越能反映

現(xiàn)實(shí)世界，在此基礎(chǔ)上生成的應(yīng)用系統(tǒng)就越能較好地滿

足用戶對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要過程見圖2-16。圖2-16空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

·概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是把用戶的需求加以解釋，并用概念模型表達(dá)出來。具體是對(duì)需求分析階段所收集的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，確定地理實(shí)體、屬性及它們之間的聯(lián)系，將各用戶的局部視圖合并成一個(gè)總的全局視圖，形成獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的反映用戶觀點(diǎn)的概念模式。概念模式與具體的DBMS無關(guān)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能較好地反映用戶的信息需求。表示概念模型最有力的工具是描述數(shù)據(jù)及其之間語義關(guān)系的語義數(shù)據(jù)模型，即實(shí)體—聯(lián)系模型（E-R模型），包括實(shí)體、聯(lián)系和屬性三個(gè)基本成分。用它來描述現(xiàn)實(shí)地理世界，不必考慮信息的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取路徑及存取效率等與計(jì)算機(jī)有關(guān)的問題，比一般的數(shù)據(jù)模型更接近于現(xiàn)實(shí)地理世界，具有直觀、自然、語義較豐富等特點(diǎn)，在地理數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

·邏輯設(shè)計(jì)

在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照不同的轉(zhuǎn)換規(guī)則將概念模型轉(zhuǎn)換為具體DBMS支持的數(shù)據(jù)模型的過程，即導(dǎo)出具體DBMS可處理的地理數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)(或外模式)，包括確定數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄及記錄間的聯(lián)系、安全性、完整性和一致性約束等。導(dǎo)出的邏輯結(jié)構(gòu)是否與概念模式一致，能否滿足用戶要求，還要對(duì)其功能和性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并予以優(yōu)化。邏輯設(shè)計(jì)又稱為數(shù)據(jù)模型映射。邏輯設(shè)計(jì)是根據(jù)概念模型和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來選擇的。其主要過程為：

①確定各實(shí)體的主關(guān)鍵字；

②確定并寫出實(shí)體內(nèi)部屬性之間的數(shù)據(jù)關(guān)系表達(dá)式，即某一數(shù)據(jù)項(xiàng)決定另外的數(shù)據(jù)項(xiàng)；

③把經(jīng)過消冗處理的數(shù)據(jù)關(guān)系表達(dá)式中的實(shí)體作為相應(yīng)的主關(guān)鍵字；

④根據(jù)②、③形成新的關(guān)系；

⑤完成轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

·物理設(shè)計(jì)

物理設(shè)計(jì)指數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)路徑的設(shè)計(jì)，即將數(shù)據(jù)庫的邏輯模