第一章 緒論?

§1-1 GIS概念?

一、信息與數(shù)據(jù)

1、信息?

1）定義：

信息是現(xiàn)實世界在人們頭腦中的反映。它以文字、數(shù)據(jù)、符號、聲音、圖象等形式記錄下來，進(jìn)行傳遞和處理,為人們的生產(chǎn)，建設(shè)，管理等提供依據(jù)。?

2）信息的特性：

A、客觀性：任何信息都是與客觀事實相聯(lián)系的，這是信息的正確性和精確度的保證。

B、適用性：問題不同，影響因素不同，需要的信息種類是不同的。信息系統(tǒng)將地理空間的巨大數(shù)據(jù)流收集，組織和管理起來，經(jīng)過處理、轉(zhuǎn)換和分析變?yōu)閷ιa(chǎn)、管理和決策具有重要意義的有用信息，這是由建立信息系統(tǒng)的明確目的性所決定的。

如股市信息，對于不會炒股的人來說，毫無用處，而股民們會根據(jù)它進(jìn)行股票的購進(jìn)或拋出，以達(dá)到股票增值的目的。

C、傳輸性：信息可在信息發(fā)送者和接受者之間進(jìn)行傳輸信息的傳輸網(wǎng)絡(luò)，被形象地稱為“信息高速公路”。

D、共享性：信息與實物不同，信息可傳輸給多個用戶，為用戶共享，而其本身并無損失，這為信息的并發(fā)應(yīng)用提供可能性。???

2、數(shù)據(jù)?

指輸入到計算機并能被計算機進(jìn)行處理的數(shù)字、文字、\符號、聲音、圖象等符號。

數(shù)據(jù)是對客觀現(xiàn)象的表示，數(shù)據(jù)本身并沒有意義。數(shù)據(jù)的格式往往和具體的計算機系統(tǒng)有關(guān)，隨載荷它的物理設(shè)備的形式而改變。

3、兩者關(guān)系（有人認(rèn)為，輸入的都叫數(shù)據(jù)，輸出的都叫信息，其實不然）。

數(shù)據(jù)是信息的表達(dá)、載體，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，是形與質(zhì)的關(guān)系。

?

只有數(shù)據(jù)對實體行為產(chǎn)生影響才成為信息，數(shù)據(jù)只有經(jīng)過解釋才有意義，成為信息。

例如“1、”“0”獨立的1、0均無意義。

當(dāng)它表示某實體在某個地域內(nèi)存在與否，它就提供了“有”“無”信息，當(dāng)用它來標(biāo)識某種實體的類別時，它就提供了特征碼信息。

二、地理信息與地學(xué)信息?

1、地理信息

1）定義： 指與研究對象的空間地理分布有關(guān)的信息。它表示地理系統(tǒng)諸要素的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征，相互聯(lián)系和變化規(guī)律的圖、文、聲、像等的總稱。?

2）特點：

A、地域性：（是地理信息區(qū)別于其它類型信息的最顯著標(biāo)志）。

地理信息屬于空間信息，位置的識別與數(shù)據(jù)相聯(lián)系，它的這種定位特征是通過公共的地理基礎(chǔ)來體現(xiàn)的。

B、多維結(jié)構(gòu)：

?指在同一位置上可有多種專題的信息結(jié)構(gòu)。如某一位置上的地理信息包括（例圖）

C、時序特征：

時空的動態(tài)變化引起地理信息的屬性數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)的變化。因此，一實時的GIS系統(tǒng)要求能及時采集和更新地理信息，使得地理信息具有現(xiàn)勢性。以免過時的信息造成決策的失誤或因為缺少可靠的動態(tài)數(shù)據(jù)，不能對變化中的地理事件或現(xiàn)象作出合理的預(yù)測預(yù)報和科學(xué)論證。例如98年龍王廟特大洪水險情正是武漢勘測設(shè)計院利用先進(jìn)的搖感、GPS技術(shù)測得實時數(shù)據(jù)為抗洪決策提供可靠依據(jù)。顯然，如果用過時數(shù)據(jù)，這將造成多大的損失，這就是地理信息的時序特征。

2、地學(xué)信息

與人類居住的地球有關(guān)的信息都是地學(xué)信息。

3、兩者信息源不同?

地理信息的信息源是地球表面的巖石圈、水圈、大氣圈和人類活動等；

地學(xué)信息所表示的信息范圍更廣泛，不僅來自地表，還包括地下、大氣層甚至宇宙空間。它是人們深入認(rèn)識地球系統(tǒng)、適度開發(fā)資源、保護(hù)環(huán)境的前提和保證。

四、信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)?

1、信息系統(tǒng)( Information System ,IS )

1）系統(tǒng)：

?由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合而成，能完成特定功能的有機整體。

2）信息系統(tǒng)：

能對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行采集、存儲、加工和再現(xiàn)，并能回答用戶一系列問題的系統(tǒng)。具有采集、管理、分析和表達(dá)數(shù)據(jù)的能力。

3）類型：從適用于不同管理層次角度出發(fā)、信息系統(tǒng)分為下列不同類型。

事務(wù)處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)：主要支持操作層人員的日常事務(wù)處理，圖書管理，借還書。

決策支持系統(tǒng)：從MIS中獲取信息，進(jìn)行推測，以輔助決策。

人工智能、專家系統(tǒng)：用計算機模仿人類思維過程進(jìn)行推理，在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用較成功。

為有效地對信息流進(jìn)行控制，組織、管理、充分利用，就需要建立某種信息系統(tǒng)，那么對地理信息進(jìn)行管理、利用就需要建立地理信息系統(tǒng)。??

2、地理信息系統(tǒng)( Geographic Information System ,GIS)?

1）定義：不同領(lǐng)域、不同專業(yè)對GIS的理解不同，目前沒有完全統(tǒng)一的被普遍接受的

A、GIS是對地理環(huán)境有關(guān)問題進(jìn)行分析和研究的一門學(xué)科，它將地理環(huán)境的各種要素，包括它們的空間位置形狀及分布特征和與之有關(guān)的社會、經(jīng)濟(jì)等專題信息以及這些信息之間的聯(lián)系等進(jìn)行獲取、組織、存儲、檢索、分析，并在管理、規(guī)劃與決策中應(yīng)用。

B、 為了獲取、存儲、檢索、分析和顯示空間定位數(shù)據(jù)而建立的計算機化的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。---美國國家地理信息與分析中心

C、 是在計算機軟硬件支持下，以采集、存儲、管理、檢索、分析和描述空間物體的定位分布及與之相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，并回答用戶問題為主要任務(wù)的計算機系統(tǒng)。

D、GIS是一種獲取、存儲、檢索、操作、分析和顯示地球空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。--英國教育部????????????

2）理解

a GIS是一計算機系統(tǒng)，既然是系統(tǒng)，就要具有系統(tǒng)的基本功能，數(shù)據(jù)采集、管理、分析和表達(dá)，所以每個GIS系統(tǒng)都是由若干具有一定功能的模塊組成。

b GIS的處理對象是有關(guān)的地理分布數(shù)據(jù)，也就是空間數(shù)據(jù)，為了能對這些空間數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，定性和定量的描述，決定了GIS要對空間數(shù)據(jù)按統(tǒng)一地理坐標(biāo)進(jìn)行編碼，這是GIS與

?

其他信息系統(tǒng)不同的根本所在。

3、GIS與其它IS之間的關(guān)系和區(qū)別

1）GIS與其它IS之間的關(guān)系（信息系統(tǒng)分類）?

2）GIS與其它IS的區(qū)別?

A、GIS與一般MIS：

GIS離不開數(shù)據(jù)庫技術(shù)。數(shù)據(jù)庫中的一些基本技術(shù)，如數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)檢索等都是GIS廣泛使用的核心技術(shù)。

GIS對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)共同管理、分析和應(yīng)用，而一般MIS（數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）側(cè)重于非圖形數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）的優(yōu)化存儲與查詢，即使存儲了圖形，也是以文件的形式存儲，不能對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索、分析，沒有拓?fù)潢P(guān)系，其圖形顯示功能也很有限。

如電話查號臺是一個一般MIS，只能回答用戶詢問的電話號碼，而通信信息系統(tǒng)除了可查詢電話號碼外，還提供用戶的地理分布、空間密度、最近的郵局等空間關(guān)系信息。

B、GIS與CAD/CAM?

GIS與CAD共同點?

GIS與CAD 不同點?

都有空間坐標(biāo)系統(tǒng)；

都能將目標(biāo)和參考系聯(lián)系起來；

都能描述圖形數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系；

都能處理屬性和空間數(shù)據(jù)?

ＣＡＤ研究對象為人造對象—規(guī)則幾何圖形及組合；

圖形功能特別是三維圖形功能強，屬性庫功能相對較弱；

ＣＡＤ中的拓?fù)潢P(guān)系較為簡單；

一般采用幾何坐標(biāo)系 。?

ＧＩＳ處理的數(shù)據(jù)大多來自于現(xiàn)實世界，較之人造對象更復(fù)雜，數(shù)據(jù)量更大；數(shù)據(jù)采集的方式多樣化；

GIS的屬性庫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強大；

強調(diào)對空間數(shù)據(jù)的分析，圖形屬性交互使用頻繁；

GIS采用地理坐標(biāo)系 。?

GIS與CAM?

GIS與CAM共同點?

GIS與CAM 不同點?

都有地圖輸出、空間查詢、分析和檢索功能

ＣＡＭ側(cè)重于數(shù)據(jù)查詢、分類及自動符號化，具有地圖輔助設(shè)計和產(chǎn)生高質(zhì)量矢量地圖的輸出機制；

它強調(diào)數(shù)據(jù)顯示而不是數(shù)據(jù)分析，地理數(shù)據(jù)往往缺乏拓?fù)潢P(guān)系；

它與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系通常是一些簡單的查詢。

CAM是GIS的重要組成部分；

綜合圖形和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的空間分析，提供輔助決策信息。

§1-2 GIS發(fā)展

GIS起源于人口普查，土地調(diào)查和自動制圖，1960年，加拿大測量學(xué)家R.F.Tomlinson 提出了把地圖變成數(shù)字形式的地圖，1963年，又提出GIS這一本術(shù)語，并建立了第一個GIS_加拿大GIS，隨后GIS以燎原之勢在全世界迅速發(fā)展起來。?

一、國際GIS的發(fā)展?fàn)顩r?

1、60年代，探索時期（GIS思想和技術(shù)方法的探索）人們關(guān)注什么是GIS，GIS能干什么。

2、70年代，鞏固時期，（這時由于計算機技術(shù)及其在自然資源和環(huán)境數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用，促進(jìn) GIS迅速發(fā)展）。這期間，發(fā)展研究的重點是空間數(shù)據(jù)處理的算法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫管理這三個方面。

3、80年代，實破階段，也是GIS普遍發(fā)展和推廣應(yīng)用階段，人們把GIS與RS解決全球性問題，如全球沙漠化，全球可居住地評價，核擴(kuò)散問題等。

4、90年代，全面應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)化階段，對GIS進(jìn)一步研究，研究的內(nèi)容集中在：空間信息分析的新模式和新方法，空間關(guān)系和數(shù)據(jù)模型，人工智能引入等。

二、我國GIS發(fā)展?

我國GIS起步較晚，但發(fā)展較快，分為以下幾個階段：

1、??70年代，準(zhǔn)備階段：

一些知名人士GIS先驅(qū)看到GIS的廣闊前景和GIS的重要性，進(jìn)行極積呼吁，為GIS在我國的發(fā)展奠定了與論準(zhǔn)備基礎(chǔ)并做了一些可行性實驗。

2、??80年代，試驗起步階段:

這期間，我國在GIS理論探索，規(guī)范探討，軟件開發(fā)，系統(tǒng)建立等方面取得了突破和進(jìn)展，進(jìn)行了一些典型，試驗專題試驗軟件開發(fā)工作。

3、??90年代，我國GIS發(fā)展階段：

??我國改革開放以來，沿海，治江經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)的發(fā)展土地的有償使用和外資的引進(jìn)，急需GIS為之服務(wù)，這也推動GIS在我國的全面發(fā)展。

4、??96年以來，是我國GIS產(chǎn)業(yè)化階段。

近幾年來，我國經(jīng)濟(jì)信息化的基礎(chǔ)設(shè)施和重大信息工程已納入國家計劃，一批國家級和地方級的GIS相繼建立并投入運行，一批專業(yè)遙感基地已建立，并進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化運行，一批綜合運用“3S”技術(shù)的重點項目已實施，并在自然災(zāi)害監(jiān)測和圖土資源調(diào)查中發(fā)揮效益，一批高等院校開設(shè)了與GIS相關(guān)的新專業(yè)，培養(yǎng)了一大批從事GIS研究與開發(fā)的高層次人才，具有我國自主版權(quán)的GIS基礎(chǔ)軟件的研制逐步進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化軌道，等等這些都標(biāo)志我國GIS產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入新的發(fā)展階段。

§1-3 GIS 構(gòu)成

一、GIS組成?

從計算機的角度看，GIS是由軟件、硬件、數(shù)據(jù)和用戶組成。

用戶（GIS服務(wù)的對象，分為一般用戶和從事建立、維護(hù)、管理和更新的高級用戶）

軟件（支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、存儲、加工、回答用戶問題的計算機程序系統(tǒng)）

硬件（各種設(shè)備-物質(zhì)基礎(chǔ)）

數(shù)據(jù)（系統(tǒng)分析與處理的對象、構(gòu)成系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)）

由于計算機的飛速發(fā)展和地理信息的時序特征，硬件壽命3-5年，軟件（5-15年），數(shù)據(jù)（1-2年，5-70年不等）GIS需要不斷維護(hù)、更新，所以用戶要不斷進(jìn)行知識更新。

二、硬件配置

前面說過，GIS作為技術(shù)系統(tǒng)必須具備數(shù)據(jù)的采集、管理、分析、表達(dá)和顯示功能，一定功能必須由一定的軟件、硬件實現(xiàn)，所以GIS的硬件配置為：?

輸入???數(shù)字化、解析測圖儀、掃描儀?? 遙感處理設(shè)備等 ?存貯 處理????????????????計算機?? 硬盤??光盤 等存儲設(shè)備 輸出????????????????打印機??繪圖儀??顯示終端 等

網(wǎng)絡(luò)??服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)適配器、傳輸介質(zhì)、調(diào)制解調(diào)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 隨著網(wǎng)絡(luò)普及，信息共享成為時代要求，GIS要有網(wǎng)絡(luò)功能

三、軟件配置

1、GIS軟件層次

有了計算機硬件之后，首先需要OS,DOS,WINDOWS,UNIIX等。裸機，沒裝任何OS的機子，是不能工作的。GIS應(yīng)用軟件在GIS軟件層次的外層，外層以內(nèi)層軟件為基礎(chǔ)，共同完成用戶指定的任務(wù)。

2、GIS基礎(chǔ)軟件主要模塊 空間數(shù)據(jù)輸入與轉(zhuǎn)換 圖形及屬性編輯 空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 制圖與輸出 空間查詢與空間分析

§1-4 GIS 功能和應(yīng)用

一、GIS 功能

空間查詢 疊加分析 緩沖區(qū)分析 網(wǎng)絡(luò)分析 地形分析

數(shù)據(jù)顯示與輸出

二、GIS 主要?? 應(yīng)用領(lǐng)域

資源管理 區(qū)域和城鄉(xiāng)規(guī)劃 災(zāi)害監(jiān)測 環(huán)境評估 作戰(zhàn)指揮 交通運輸 宏觀決策

第二章 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

§2-1空間實體及其描述?

一、地理實體（空間實體）---GIS處理對象

1、定義：指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)濟(jì)事件中不能再分割的單元，它是一個具體有概括性，復(fù)雜性，相對意義的概念。

2、理解：地理實體類別及實體內(nèi)容的確定是從具體需要出發(fā)的，例如，在全國地圖上由于比例尺很小，武漢就是一個點，這個點不能再分割，可以把武漢定為一個空間實體，而在大比例尺的武漢市地圖上，武漢的許多房屋，街道都要表達(dá)出來，所以武漢必須再分割，不能作為一個空間實體，應(yīng)將房屋，街道等作為研究的地理實體，由此可見，GIS中的空間實體是一個概括，復(fù)雜，相對的概念。

二、地理實體的描述——空間數(shù)據(jù)?

1、描述的內(nèi)容

空間特征：地理位置和空間關(guān)系 ??屬性特征—名稱、等級、類別等 時間特征:

2、空間數(shù)據(jù)基本特征

3、空間數(shù)據(jù)類型?

1）依據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同分為：

地圖數(shù)據(jù)?? 地形數(shù)據(jù) 屬性數(shù)據(jù) 元數(shù)據(jù) 影象數(shù)據(jù)?

三、實體的空間特征?

（一）空間維數(shù)：有0，1，2，3 維之分，點、線、面、體。?

（二）空間特征類型?

1、點狀實體?

點或節(jié)點、點狀實體。點：有特定位置，維數(shù)為0的物體。

1）實體點：用來代表一個實體。?

2）注記點：用于定位注記。

3）內(nèi)點：用于負(fù)載多邊形的屬性，存在于多邊形內(nèi)。

4）角點、節(jié)點Vertex：

表示線段和弧段上的連接點。

2、線狀實體?

具有相同屬性的點的軌跡，線或折線，由一系列的有序坐標(biāo)表示，并有如下特性：?

1）實體長度：

從起點到終點的總長

2）彎曲度：

用于表示像道路拐彎時彎曲的程度。

3）方向性：

如：水流方向，上游—下游， 公路，單、雙向之分。 線狀實體包括： 線段，邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等。3、面狀實體（多邊形）?是對湖泊、島嶼、地塊等一類現(xiàn)象的描述。

面狀實體的如下特征：

1）面積范圍??2）周長 3）獨立性或與其它地物相鄰 如中國及其周邊國家 4）內(nèi)島嶼或鋸齒狀外形： 如島嶼的海岸線封閉所圍成的區(qū)域。

5）重疊性與非重疊性： 如學(xué)校的分區(qū)，菜市場的服務(wù)范圍等都有可能出現(xiàn)交叉重疊現(xiàn)象，而一個城市的各個城區(qū)一般說來不會出現(xiàn)重疊。???

4、體、立體狀實體 立體狀實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，立體狀實體一般具有以下一些空間特征：

·體積，如工程開控和填充的土方量。 ·每個二維平面的面積。 ·周長。 ·內(nèi)島。 ·含有弧立塊或相鄰塊。 斷面圖與剖面圖。

（三）實體類型組合

現(xiàn)實世界的各種現(xiàn)象比較復(fù)雜，往往由不同的空間單元組合而成，例如根據(jù)某些空間單元或幾種空間單元的組合將空間問題表達(dá)出來，復(fù)雜實體由簡單實體組合表達(dá)。

點、線、面兩兩之間組合表達(dá)復(fù)雜的空間問題： 如：線—面??????????????面--面

可見，用各要素之間的空間關(guān)系，可描述諸多空間問題?？臻g關(guān)系是GIS數(shù)據(jù)描述和表達(dá)的重要內(nèi)容，一方面它為GIS數(shù)據(jù)庫的有效建立，空間查詢，空間分析，輔助決策等提供了最基本的關(guān)系，另一方面有助于形成標(biāo)準(zhǔn)的SQL空間查詢語言，便于空間特征的存儲，提取，查詢，更新等。

線—面?

1、區(qū)域包含線：計算區(qū)域內(nèi)線的密度，某省的水系分布情況。

2、線通過區(qū)域：公路上否通過某縣。

3、線環(huán)繞區(qū)域：區(qū)域邊界，搜索左右區(qū)域名稱，中國與哪些國家接壤。

4、線與區(qū)域分離：距離。

面—面?

1、 包含：島,某省的湖泊分布。

2、 相合：重疊，學(xué)校服務(wù)范圍與菜場服務(wù)范圍重疊區(qū)。

3、 相交：劃分子區(qū)。

4、 相鄰：計算相鄰邊界性質(zhì)和長度，公共連接邊界。 分離：計算距離。

四、實體間空間關(guān)系

（一）空間關(guān)系類型

1、??拓?fù)淇臻g關(guān)系：????????????????????????????

2、??順序空間關(guān)系： （方向空間關(guān)系）

??用上下左右、前后、東南西北等方向性名稱來描述空間實體的順序關(guān)系，算法復(fù)雜，至今沒有很好的解決方法。

3、??度量空間關(guān)系，主要指實體間的距離關(guān)系，遠(yuǎn)近。

1）在地理空間中兩點間的距離有兩種度量方法。

a、沿真實的地球表面進(jìn)行,除與兩點的地理坐標(biāo)有關(guān)外，還與所通過路徑的地形起伏有關(guān)，復(fù)雜,引入第二種。 b、沿地球旋轉(zhuǎn)橢球體的距離量算。

2） 距離類別：

歐氏距離（笛卡爾坐標(biāo)系）、曼哈頓（出租車）距離、時間距離（緯度差）、大地測量距離（大地線）（沿地球大圓經(jīng)過兩個城市中心的距離）。

（二）拓?fù)潢P(guān)系?

1、定義????2、種類???? 3、拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)??????4、意義?

1、定義： 指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)。 將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)或折疊。?非拓?fù)鋵傩裕◣缀危?/span>?拓?fù)鋵傩裕]發(fā)生變化的屬性）?

兩點間距離 一點指向另一點的方向

弧段長度、區(qū)域周長、面積 等

一個點在一條弧段的端點

一條弧是一簡單弧段（自身不相交）

一個點在一個區(qū)域的邊界上

一個點在一個區(qū)域的內(nèi)部/外部

一個點在一個環(huán)的內(nèi)/外部

一個面是一個簡單面

一個面的連通性??面內(nèi)任兩點從一點

可在面的內(nèi)部走向另一點?

2、種類?

1）關(guān)聯(lián)性： （不同類要素之間）結(jié)點與弧段：如V9與L5,L6,L3

多邊形與弧段：P2與L3,L5,L2

2）鄰接性： (同類元素之間)

多邊形之間、結(jié)點之間。 鄰接矩陣?? 重疊：--??鄰接：1?? 不鄰接：0

3）連通性：與鄰接性相類似，指對弧段連接的判別，如用于網(wǎng)絡(luò)分析中確定路徑、?? 街道是否相通。

4）方向性?

一條弧段的起點、終點確定了弧段的方向。用于表達(dá)現(xiàn)實中的有向弧段，如城市道路單向，河流的流向等。5）包含性：指面狀實體包含了哪些線、點或面狀實體。

6）區(qū)域定義：多邊形由一組封閉的線來定義。

7）層次關(guān)系：相同元素之間的等級關(guān)系，武漢市有各個區(qū)組成。

主要的拓?fù)潢P(guān)系：拓?fù)溧徑?、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)、拓?fù)浒?

3、拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)?

拓?fù)潢P(guān)系具體可由4個關(guān)系表來表示：

（1）?? 面--鏈關(guān)系：????????面??構(gòu)成面的弧段

（2）?? 鏈--結(jié)點關(guān)系：?? 鏈?? 鏈兩端的結(jié)點

（3）?? 結(jié)點--鏈關(guān)系：??結(jié)點??通過該結(jié)點的鏈\

（4）?? 鏈—面關(guān)系：??????????????????????????????????????????????????鏈????左面??右面

4、拓?fù)潢P(guān)系的意義：?

對于數(shù)據(jù)處理和GIS空間分析具有重要的意義，因為：

1）拓?fù)潢P(guān)系能清楚地反映實體之間的邏輯結(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)系可以解決許多實際問題。如某縣的鄰接縣，--面面相鄰問題。又如供水管網(wǎng)系統(tǒng)中某段水管破裂找關(guān)閉它的閥門，就需要查詢該線（管道）與哪些點（閥門）關(guān)聯(lián)。

3）根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可重建地理實體。?

§2-3?? 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

一、圖形表示

柵格結(jié)構(gòu)用密集正方形（或三角形，多邊形）將地理區(qū)域劃分為網(wǎng)格陣列。位置由行，列號定義，屬性為柵格單元的值。?

點：由單個柵格表達(dá)。

線：由沿線走向有相同屬性取值的一組相鄰柵格表達(dá)。

面：由沿線走向有相同屬性取值的一片柵格表達(dá)。

?? ?柵格數(shù)據(jù)表示的是二維表面上的地理數(shù)據(jù)的離散化數(shù)值。在柵格數(shù)據(jù)中，地表被分割為相互鄰接、規(guī)則排列的地塊，每個地塊與一個象元相對應(yīng)。因此，柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格(象元)的大小與地表相應(yīng)單元的大小之比，當(dāng)象元所表示的面積較大時，對長度、面積等的量測有較大影響。每個象元的屬性是地表相應(yīng)區(qū)域內(nèi)地理數(shù)據(jù)的近似值，因而有可能產(chǎn)生屬性方面的偏差。

二、柵格數(shù)據(jù)組織?

——針對一個柵格單元對應(yīng)多個屬性值的多層?xùn)鸥裎募?/span>?

組織方法?

方法a：以象元為記錄序列，不同層上同一象元位置上的各屬性值表示為一個列數(shù)組。N層中只記錄一層的象元位置，節(jié)約大量存儲空間，柵格個數(shù)很多。

方法b：每層每個象元的位置、屬性一一記錄，結(jié)構(gòu)最簡單，但浪費存儲?

方法c：以層為基礎(chǔ)，每層內(nèi)以多邊形為序記錄多邊形的屬性值和多邊形內(nèi)各象元的坐標(biāo)。節(jié)約用于存儲屬性的空間。將同一屬性的制圖單元的n個象元的屬性只記錄一次，便于地圖分析和制圖處理。

三、柵格結(jié)構(gòu)的建立?

（一）建立途徑?

1、??手工獲取，專題圖上劃分均勻網(wǎng)格，逐個決定其網(wǎng)格代碼。

2、掃描儀掃描專題圖的圖像數(shù)據(jù){行、列、顏色（灰度）}，定義顏色與屬性對應(yīng)表，用相應(yīng)屬性代替相應(yīng)顏色，得到（行、列、屬性）再進(jìn)行柵格編碼、存貯，即得該專題圖的柵格數(shù)據(jù)。

3、??由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來。

4、??遙感影像數(shù)據(jù)，對地面景象的輻射和反射能量的掃描抽樣，并按不同的光譜段量化后，以數(shù)字形式記錄下來的象素值序列。

5、??格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，當(dāng)屬性值為地面高程，則為格網(wǎng)DEM，通過DEM內(nèi)插得到。

二）柵格系統(tǒng)的確定?

1、??柵格坐標(biāo)系的確定

表示具有空間分布特征的地理要素，不論采用什么編碼系統(tǒng)，什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(矢、柵)都應(yīng)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下，而坐標(biāo)系的確定實質(zhì)是坐標(biāo)系原點和坐標(biāo)軸的確定。

????????由于柵格編碼一般用于區(qū)域性GIS，原點的選擇常具有局部性質(zhì)，但為了便于區(qū)域的拼接，柵格系統(tǒng)的起始坐標(biāo)應(yīng)與國家基本比例尺地形圖公里網(wǎng)的交點相一致，并分別采用公里網(wǎng)的縱橫坐標(biāo)軸作為柵格系統(tǒng)的坐標(biāo)軸。

2、??柵格單元的尺寸?

1）原則：應(yīng)能有效地逼近空間對象的分布特征，又減少數(shù)據(jù)的冗余度。

格網(wǎng)太大，忽略較小圖斑，信息丟失。

一般講實體特征愈復(fù)雜，柵格尺寸越小，分辨率愈高，然而柵格數(shù)據(jù)量愈大（按分辨率的平方指數(shù)增加）計算機成本就越高，處理速度越慢。

2）方法：用保證最小多邊形的精度標(biāo)準(zhǔn)來確定尺寸經(jīng)驗公式： h為柵格單元邊長??Ai為區(qū)域所有多邊形的面積。?

(三)柵格代碼（屬性值）的確定?

當(dāng)一個柵格單元內(nèi)有多個可選屬性值時，按一定方法來確定柵格屬性值。

1、中心點法：取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。

2、面積占優(yōu)法：柵格單元屬性值為面積最大者，常用于分類較細(xì)，地理類別圖斑較小時。

3、 重要性法：定義屬性類型的重要級別，取重要的屬性值為柵格屬性值，常用于有重要意義而面積較小的要素，特別是點、線地理要素。

4、長度占優(yōu)法——每個柵格單元的值由該柵格中線段最長的實體的屬性來確定。?

四、柵格數(shù)據(jù)編碼方法?

1、直接?xùn)鸥窬幋a：

將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行記錄代碼數(shù)據(jù)。

1）每行都從左到右記錄； AAAAABBBAABBAABB

2）奇數(shù)行從左到右，偶數(shù)行從右到左；

特點：最直觀、最基本的網(wǎng)格存貯結(jié)構(gòu)，沒有進(jìn)行任何壓縮數(shù)據(jù)處理。

柵格數(shù)據(jù)量大，格網(wǎng)數(shù)多，由于地理數(shù)據(jù)往往有較強的相關(guān)性，即相鄰象元的值往往是相同的。所以，出現(xiàn)了各種柵格數(shù)據(jù)壓縮方法。

數(shù)據(jù)壓縮是將數(shù)據(jù)表示成更緊湊的格式以減少存儲空間的一項技術(shù)。分為：

無損壓縮：在編碼過程中信息沒有丟失，經(jīng)過解碼可恢復(fù)原有的信息---信息 保持編碼。

有損壓縮：為最大限度壓縮數(shù)據(jù)，在編碼中損失一些認(rèn)為不太重要的信息，解碼后，這部分信息無法恢復(fù)。--信息不保持編碼。

2、行程編碼（變長編碼）：?

將原圖表示的數(shù)據(jù)矩陣變?yōu)閿?shù)據(jù)對：

1）屬性碼，長度，行號（可不要） 長度：連續(xù)相同碼值的柵格個數(shù)。

2）屬性碼，點位

特點： 對于游程長度編碼，區(qū)域越大，數(shù)據(jù)的相關(guān)性越強，則壓縮越大，適用于類型區(qū)域面積較大的專題圖，而不適合于類型連續(xù)變化或類別區(qū)域分散的分類圖（壓縮比與圖的復(fù)雜程度成反比）。

??這種編碼在柵格加密時，數(shù)據(jù)量不會明顯增加，壓縮率高，并最大限度地保留原始柵格結(jié)構(gòu)，編碼解碼運算簡單，且易于檢索，疊加，合并等操作，這種編碼應(yīng)用廣泛。

3、塊碼?? ----??游程編碼向二維擴(kuò)展?

采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格。?

數(shù)據(jù)對組成：（初始行、列，半徑，屬性值）特點：

具有可變分辨率，即當(dāng)屬性變化小時圖塊大，對于大塊圖斑記錄單元大，分辨率低，壓縮比高。小塊圖斑記錄單元小，分辨率高，壓縮比低 所以，與行程編碼類似，隨圖形復(fù)雜程度的提高而降低分辯率。

4、鏈?zhǔn)骄幋a、Freeman 鏈碼、邊界鏈碼?

將柵格數(shù)據(jù)（線狀地物面域邊界）表示為矢量鏈的記錄?

1）首先定義一個3x3窗口，中間柵格的走向有8種可能，并將這8種可能0~7進(jìn)行編碼。

2）記下地物屬性碼和起點行、列后，進(jìn)行追蹤，得到矢量鏈.

鏈?zhǔn)骄幋a表?屬性碼 起點行 起點列 鏈碼?

a ?1 ?4 ?556656 ?b ?3 ?7 ?576654323…

優(yōu)點：鏈碼可有效地存貯壓縮柵格數(shù)據(jù)，便于面積、長度、轉(zhuǎn)折方向和邊界、線段凹凸度的計算。

缺點：不易做邊界合并，插入操作、編輯較困難（對局部修改將改變整體結(jié)構(gòu)）。區(qū)域空間分析困難，相鄰區(qū)域邊界被重復(fù)存儲。

5、四叉樹編碼?

五、四叉樹編碼?

（一）四叉樹概述： 一種可變分率的非均勻網(wǎng)格系統(tǒng)。是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一

1、??基本思想： 將2n×2n象元組成的圖像(不足的用背景補上) 按四個象限進(jìn)行遞歸分割，

并判斷屬性是否單一，??單一：不分。 不單一：遞歸分割。最后得到一顆四分叉的倒向樹。

2、??四叉樹的樹形表示：

用一倒立樹表示這種分割和分割結(jié)果。

根：整個區(qū)域 ?高：深度、分幾級，幾次分割 ?葉：不能再分割的塊 ?樹叉：還需分割的塊 每個樹叉均有4個分叉，叫四叉樹。

3、 編碼方法?

1）常規(guī)四叉樹

記錄這棵樹的葉結(jié)點外，中間結(jié)點，結(jié)點之間的聯(lián)系用指針聯(lián)系， 每個結(jié)點需要6個變量： 父結(jié)點指針、四個子結(jié)點的指針和本結(jié)點的屬性值。 指針不僅增加了數(shù)據(jù)的存儲量，還增加了操作的復(fù)雜性：如層次數(shù)（分割次數(shù)）由從父結(jié)點移到根結(jié)點的次數(shù)來確定，結(jié)點所代表的圖像塊的位置需要從根節(jié)點開始逐步推算下來。所以，常規(guī)四叉樹并不廣泛用于存儲數(shù)據(jù)，其價值在于建立索引文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。

2）線性四叉樹?

記錄葉結(jié)點的位置，深度（幾次分割）和屬性。 地址碼（定位碼、Morton碼）??四進(jìn)制、十進(jìn)制

優(yōu)點：

·存貯量小，只對葉結(jié)點編碼，節(jié)省了大量中間結(jié)點的存儲，地址碼隱含著結(jié)點的分割路徑和分割次數(shù)。

·線性四叉樹可直接尋址，通過其坐標(biāo)值直接計算其Morton碼，而不用建立四叉樹。

·定位碼容易存儲和執(zhí)行實現(xiàn)集合相加等組合操作。

（二）四進(jìn)制的Morton碼?

1、??方法1：

四叉樹從上而下（形成）（從整體開始） 由葉結(jié)點找Morton碼。

?? A、分割一次，增加一位數(shù)字，大分割在前，小分割在后。所以，碼的位數(shù)表示分割的次數(shù)。

?? B、每一個位均是不大于3的四進(jìn)制數(shù)，表達(dá)位置。 由Morton找出四叉樹葉結(jié)點的具體位置。?

2、??方法2：四叉樹自下而上合并的方法?

1）計算每個柵格對應(yīng)的MQ ?MQ=2*Ib+Jb??I,J化為二進(jìn)制Ib,Jb 看最大的I,J,不足在前補零。其始行列號從0計。

2) 按碼的升序排成線性表，放在連續(xù)的內(nèi)存塊中。

3）依次檢查每四個相鄰的MQ對應(yīng)的屬性值，相同合并（不同碼位去掉），不同則存盤,直到?jīng)]有能夠合并的子塊為止。

（三）十進(jìn)制的Morton碼---MD?

四進(jìn)制Morton碼直觀上切合四叉樹分割，但許多語言不支持四進(jìn)制變量，需用十進(jìn)制表示Morton碼.

1、一種按位操作的方法：

如行為2、列為3的柵格的MD

步驟：

(1)行、列號為二進(jìn)制 Ib= 1 0??Jb= 1 1

(2)I行J列交叉???1 1 0 1??= 13

(3)再化為十進(jìn)制. 實質(zhì)上是按左上、右上、左下、右下的順序，從零開始對每個柵格進(jìn)行自然編碼。

2、把一幅2n×2n的圖像壓縮成線性四叉樹的過程?

1°、按Morton碼把圖象讀入一維數(shù)組。

2°、相鄰的四個象元比較，一致的合并，只記錄第一個象元的Morton碼。循環(huán)比較所形成的大塊，相同的再合并，直到不能合并為止。

3°、進(jìn)一步用游程長度編碼壓縮。壓縮時只記錄第一個象元的Morton碼。

右圖的壓縮處理過程為：（書上）（次題2005年考了，原題沒變）

1°、按Morton碼讀入一維數(shù)組。

Morton碼：0?? 1??2?? 3??4?? 5??6??7?? 8??9??10??11?? 12??13?? 14??15

象 元 值： A??A??A??B??A??B??B??B??A??A??A?? A?? B?? B?? B?? B

2°、四相鄰象元合并，只記錄第一個象元的Morton碼。

????0?? 1??2????3?? 4??5?? 6??7?? 8??12

????A??A??A??B??A??A??B??B??A?? B

3°、由于不能進(jìn)一步合并，則用游程長度編碼壓縮。

????0??3?? 4??6??8?? 12

????A??B??A??B??A??B

（四）四叉樹優(yōu)缺點?

優(yōu)點：

1）對于團(tuán)塊圖像，四叉樹表示法占用空間比網(wǎng)絡(luò)法要少得多，四叉樹表示法基本上是一種非冗余表示法。2）四叉樹具有可變率或多重分辯率的特點使得它有很好的應(yīng)用前景，適用于處理凝聚性或呈塊狀分布的空間數(shù)據(jù)，特別適用于處理分布不均勻的塊狀空間數(shù)據(jù)，但不適用于連續(xù)表面（如地形）或線狀地物。

此外，目前應(yīng)用四叉樹還存下列問題：

1) 矢/柵正反變換還不理想。

2) 建立四叉樹耗費機時很多。

3) 四叉樹雖可修改，但很費事（具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中會提到）

4) 四叉樹未能直接表示物體間的拓?fù)潢P(guān)系。?

5) 與非樹表示法比較，四叉樹表示法的缺點在于轉(zhuǎn)換的不穩(wěn)定性或叫滑動變異

例如，兩個圖像的差異僅由于平移，就會構(gòu)成極為不同的四叉樹，因而很難根據(jù)四叉樹來判斷這兩個圖像是否全同，故不利于做形狀分析和模式識別?

6) 一個物體的圖像在構(gòu)成四叉樹時會被分割到若干個象限中，使它失去了內(nèi)在的相關(guān)性。?

§2-2?? 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?

二、矢量數(shù)據(jù)的獲取方式?

1) 由外業(yè)測量獲得

??可利用測量儀器自動記錄測量成果(常稱為電子手薄)，然后轉(zhuǎn)到地理數(shù)據(jù)庫中。

2)由柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得 利用柵格數(shù)據(jù)矢量化技術(shù)，把柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。

3)跟蹤數(shù)字化 用跟蹤數(shù)字化的方法，把地圖變成離散的矢量數(shù)據(jù)。

三、矢量數(shù)據(jù)組織?

矢量數(shù)據(jù)表示時應(yīng)考慮以下問題：

·矢量數(shù)據(jù)自身的存貯和處理。

·與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系。

·矢量數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系(拓?fù)潢P(guān)系)。?

四、矢量數(shù)據(jù)編碼方式?

（一）實體式?（spaghetti）--??面條模型:以實體為單位記錄其坐標(biāo)

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、直觀、易實現(xiàn)以實體為單位的運算和顯示。?

缺點： 1、相鄰多邊形的公共邊界被數(shù)字化并存儲兩次，造成數(shù)據(jù)冗余和碎屑多邊形—數(shù)據(jù)不一致，浪費空間，導(dǎo)致雙重邊界不能精確匹配。

2、自成體系，缺少多邊形的鄰接信息，無拓?fù)潢P(guān)系，難以進(jìn)行鄰域處理，如消除多邊形公共邊界，合并多邊形。

3、島作為一個單個圖形，沒有與外界多邊形聯(lián)系。不易檢查拓?fù)溴e誤。

所以，這種結(jié)構(gòu)只用于簡單的制圖系統(tǒng)中，顯示圖形。

（二）索引式（樹狀）?

對所有點的坐標(biāo)按順序建坐標(biāo)文件，再建點與邊（線）、線與多邊形的索引文件。

與實體式相比：

優(yōu)點：用建索引的方法消除多邊形數(shù)據(jù)的冗余和不一致，鄰接信息、島信息可在多邊形文件中通過是否公共弧段號的方式查詢。

缺點：表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系較繁瑣，給相鄰運算、消除無用邊、處理島信息、檢索拓?fù)潢P(guān)系等帶來困難，以人工方式建立編碼表，工作量大，易出錯。

三）雙重獨立式編碼?

簡稱DIME(Dual Independent Map Encoding)，是美國人口統(tǒng)計系統(tǒng)采用的一種編碼方式，是一種拓?fù)渚幋a結(jié)構(gòu)。

四）鏈狀雙重獨立式編碼--拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1、弧段坐標(biāo)文件?弧段號?坐標(biāo)系列（串)?

A ??????x2,y2,X10,y10…

2、弧段文件：鏈—面，鏈—結(jié)點關(guān)系

弧段號 左多邊形 右多邊形 起點?終點?

A P1 P2 2 5

3、面文件 面號?弧段號

P1 A,B,-C

4、點拓?fù)湮募?結(jié)點—鏈關(guān)系

點號 弧段號

2 ??A,B,D

在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，多邊形（面）的邊界被分割成一系列的線（弧、鏈、邊）和點（結(jié)點）等拓?fù)湟?，點、線、面之間的拓?fù)潢P(guān)系在屬性表中定義，多邊形邊界不重復(fù)。

鏈狀雙重獨立式編碼 特點?

拓?fù)潢P(guān)系明確，也能表達(dá)島信息，而且以弧段為記錄單位，滿足實際應(yīng)用需要。因為一般數(shù)字化一條街道時，必然有許多中間點，但我們在做空間分析是卻沒有必要以這些中間點所組成的折線為研究對象，而應(yīng)以整條弧段（某條街道）為研究對象.

??被一些成熟的商品化軟件采用，如ARC/INFO軟件。

例：ARC文件：二進(jìn)制文件:??弧段號????點數(shù)???? 坐標(biāo)串

??在GIS數(shù)據(jù)輸入中，建拓?fù)涫侵附o圖形數(shù)據(jù)（點、線、面）增加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如ARC/INFO中，在ARCEDIT中輸入圖形后，需用BUILD 建圖形拓?fù)?，具體生成許多文件，如AAT，PAT等.

INFO：屬性表

如AAT（Arc Attribute Table）

弧段號?USER_ID?LPOLY?RPOLY?FROM_NODE?TO_NODE?

其它屬性:（名稱)?用戶標(biāo)識碼，表明地物類型

當(dāng)圖形數(shù)據(jù)修改、刪除、增加點、線、面要素后，其拓?fù)潢P(guān)系也發(fā)生改變，所以，需重新建拓?fù)洹?

§2-4 矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?

一、矢、柵優(yōu)缺點?

???????????? 優(yōu)點

???????????????????? 缺點?

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，對需要拓?fù)湫畔⒌牟僮鞲行А?

??????4、 圖形顯示質(zhì)量好，精度高。

1??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)化和規(guī)范化，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)簡單，易數(shù)據(jù)交換。

????2、疊置分析和地理（能有效表達(dá)空可??變性）現(xiàn)象模擬較易。

????3、利于與感遙數(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)象識別效果不如矢量方法，難以表達(dá)拓?fù)洹?

????2、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 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，但會增加數(shù)據(jù)文件。?

矢量、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇?

在GIS建立過程中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用目的和應(yīng)用特點、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)。

柵格結(jié)構(gòu):大范圍小比例尺的自然資源、環(huán)境、農(nóng)林業(yè)等區(qū)域問題的研究。

矢量結(jié)構(gòu)：城市分區(qū)或詳細(xì)規(guī)劃、土地管理、公用事業(yè)管理等方面的應(yīng)用。

二、矢柵一體化概念?

將矢量面對目標(biāo)的方法和柵格元子充填的方法結(jié)合起來，具體采用填滿線狀目標(biāo)路徑和充填面狀目標(biāo)空間的方法作為一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

線狀地物：除記錄原始取樣點外，還記錄路徑所通過的柵格。

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。

一方面，它保留了矢量的全部性質(zhì)，以目標(biāo)為單元直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，即路徑上的任一點都直接與目標(biāo)建立了聯(lián)系。

從原理上說，這是一種以矢量的方式來組織柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。?

三、三個約定和細(xì)分格網(wǎng)法?

為便于組織數(shù)據(jù)，首先作如下約定：

a. 地面上的點狀地物是地球表面上的點，它僅有空間位置，沒有形狀和面積，在計算機內(nèi)部僅有一個位置數(shù)據(jù)。

b. 地面上的線狀地物是地球表面的空間曲線，它有形狀但沒有面積，它在平面上的投影是一連續(xù)不間斷的直線或曲線，在計算機內(nèi)部需要用一組元子填滿整個路徑。?

c. 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路徑的元子表達(dá)的邊界組成。??????????????

為提高柵格表示精度，采用細(xì)分格網(wǎng)法：

將一對X,Y坐標(biāo)用兩個Morton碼代替：

前一M1表示該點（采樣點或附加的交叉點）所在基本格網(wǎng)的地址碼，后者M(jìn)2 表示該點對應(yīng)的細(xì)分格網(wǎng)的Morton碼，既顧全整體定位，又保證精度。

四、一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計?

線性四叉樹(Morton)是基本數(shù)據(jù)格式，三個約定設(shè)計點、線、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、點狀地物和結(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

約定1，點僅有位置、沒有形狀和面積，只要將點的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地址碼M1 和M2 ,結(jié)構(gòu)簡單靈活，便于點的插入和刪除，還能處理一個柵格內(nèi)包含多個點狀目標(biāo)的情況。?

2、線狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?

約定（2），線狀地物有形狀但沒有面積，沒有面積意味著只要用一串?dāng)?shù)據(jù)表達(dá)每個線狀地物的路徑即可，將該線狀地物經(jīng)過的所有柵格的地址全部記錄下來。仿照矢量數(shù)據(jù)組織的鏈狀雙重獨立式編碼，以弧段為記錄單位。?

弧段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

3、面狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3）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。通過面狀地物的標(biāo)識號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)，帶指針的二維行程碼中的Morton碼表達(dá)了位置的相互關(guān)系，前后M碼之差隱含了該子塊的大小。給出任意一點的位置都可順著指針找到面狀地物的標(biāo)識號確定是哪一個地物。

4、復(fù)雜地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?

由幾個或幾種點、線、面狀簡單地物組成的地物稱為復(fù)雜地物。例如將一條公路上的中心線、交通燈、立交橋等組合為一個復(fù)雜地物，用一個標(biāo)識號表示。復(fù)雜地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表7所示。

§2-5 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?

一、概述

目前GIS主要還停留在處理地球表面的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)是地表以下或以上，則先將它投影到地表，再進(jìn)行處理，其實質(zhì)是以二維的形式來模擬、處理任何數(shù)據(jù)，在有些領(lǐng)域可行，但涉及到三維問題的處理時，往往力不從心。

??????二維V=f(x,y)，在不同的層V的含義不同，當(dāng)V表示的是高程時，就是DEM。由于地形三維視圖的原因，人們常把DEM誤認(rèn)為是三維模型。但從本質(zhì)上講，DEM是二維的，因為它只能表示地表的信息，不能對地表內(nèi)部進(jìn)行有效的表示。目前，人們常把DEM稱為2.5維的數(shù)據(jù)模型。

??????真三維模型V=f(x,y,z)，z是一自變量，不受x,y的影響。三維GIS的要求與二維GIS相似，但在數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)維護(hù)和界面設(shè)計等方面比二維GIS復(fù)雜得多，如三維數(shù)據(jù)的組織與重
建，三維變換、查詢、運算、分析、維護(hù)等方面。下面主要介紹三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同樣，三維結(jié)構(gòu)存在柵格和矢量兩種形式。

柵格：將地理實體的三維空間分成細(xì)小單元---體元。普遍用八叉樹

矢量：x,y,z，抽象為點、線、面、體，面構(gòu)成體。方法多種，常用三維邊界表示法。

二、八叉樹結(jié)構(gòu)?

1、思想：

四叉樹在三維空間的推廣。

?? 將要表示的形體V放在一個充分大的正方體C內(nèi)，C的邊長為2n，不斷用兩個與XOY、XOZ的平面均分C為8個子體，并判斷屬性單一性。

當(dāng)子體部分為V---灰結(jié)點??需再1分為8。

?? 子體中無V---白結(jié)點????停止分割，葉結(jié)點。

?? 子體全為V—黑結(jié)點

2、存貯結(jié)構(gòu)?

1）規(guī)則八叉樹

??????與常規(guī)四叉樹類似，用10項字段來記錄每個結(jié)點（8個子結(jié)點指針， 1個父結(jié)點指針，1個結(jié)點屬性）。最普遍的形式，方式自然，易掌握。但指針占總存儲量的94%，空間使用率低。?

2）線性八叉樹—??Motorn碼

?? 用某一預(yù)先確定的次序?qū)瞬鏄滢D(zhuǎn)換成一個線性表，表中的每個元素與一個結(jié)點相對應(yīng)。每個結(jié)點用固定的字節(jié)描述，其中某些位專門用來說明它是否為葉結(jié)點。?

特點：節(jié)省存貯空間，便于某些運算，但喪失一定的靈活性，不便于其它遍歷方式對樹的結(jié)點進(jìn)行存取，應(yīng)用效果不佳。?

3）一對八式的八叉樹?

每個結(jié)點均1分為8，并標(biāo)記為??0，1，2，3，4，5，6，7。隱含地假定了這些子結(jié)點記錄存放的次序 –---便于檢索

浪費存儲，除非完全八叉樹，即所有葉結(jié)點均在同一層次出現(xiàn)，上層均為非葉結(jié)點。

三、三維邊界表示法

1、頂點表：用來表示多面體各頂點的坐標(biāo)

２、邊表：指出構(gòu)成多面體某邊的兩個頂點；?

３、面表：給出圍成多面體某個面的各條邊。?

可避免重復(fù)表示某些點、邊、面，節(jié)約存儲，便于圖形顯示，如公共邊不重復(fù)。?

４、當(dāng)有若干個多面體時，還必須有一個對象表。?

5、擴(kuò)充后的邊表

為表達(dá)拓?fù)溥€可將其它一些有關(guān)的內(nèi)容結(jié)合到所使用的表中，如將邊所屬的多邊形信息結(jié)合進(jìn)邊表中以后的形式：?

6、拓?fù)錂z查?

數(shù)據(jù)存儲后，必須檢查數(shù)據(jù)的一致性、完全性，即進(jìn)行拓?fù)錂z查。具體可檢查下列幾項：

(1)??頂點表中的每個頂點至少是兩條邊的端點；

(2)??每條邊至少是一個多邊形的邊；

(3)??每個多邊形是封閉的；

(4)??每個多邊形至少有一條邊是和另一個多邊形共用的；

(5)?? 若邊表中包含了指向它所屬多邊形的指針，那么指向該邊的指針必在相應(yīng)的多邊形中出現(xiàn)。

7、應(yīng)用?

三維邊界法一般用于表示規(guī)則形體，如建筑物，對于自然界中的復(fù)雜形體如巖石的外表，理論上可找到一在誤差范圍內(nèi)逼近的適合平面多面體，但這種逼近受多因素的制約。

????對于不規(guī)則形體，可在形體的外表面s，可測一組點p1,p2…pn坐標(biāo)，再建這些點的關(guān)系，即結(jié)構(gòu)圖，決定頂點連接的不同方式。同樣數(shù)據(jù)點，由于連接方式不同，構(gòu)成的平面多面體也不同。其中最重要的一種方法就是每個面均是三角形的平面多面體，類似TIN結(jié)構(gòu)。但即使這樣，同一組點仍可得到不同的平面多面體。因此，需要研究擁有了哪些特征之后，才能更確切地逼近原來的三維形體?

????這種逼近有兩種形式：

????表面S0的逼近：以確定后的平面多面體的表面作為對原三維形體的表面S0的逼近，著眼于形體的邊界表示。

?? 三維形體的逼近：給出一系列的四面體，這些四面體的集合就是對原三維形體的逼近。著眼于形體的分解表示。

第三章 空間數(shù)據(jù)庫

§3-1 空間數(shù)據(jù)庫的概念

空間數(shù)據(jù)庫是空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的簡稱。

一、空間數(shù)據(jù)庫

1、定義：

??是地理信息系統(tǒng)在計算機物理存儲介質(zhì)上存儲和應(yīng)用的相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總合。

????????????????????????書刊

數(shù)據(jù)

邏輯劃分?? 詞 句 段 目 節(jié) 章

數(shù)據(jù)項、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫

物理劃分?? 字 行 頁 期 卷

比特、字節(jié)、字、塊、桶和卷

2、空間數(shù)據(jù)特征:

1）空間特征：一般需要建立空間索引。

2）非結(jié)構(gòu)化特征：

??結(jié)構(gòu)化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數(shù)據(jù)項是原子數(shù)據(jù).而空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。

3）空間關(guān)系特征： 拓?fù)鋽?shù)據(jù)給空間數(shù)據(jù)的一致性和完整性維護(hù)增加了復(fù)雜性。

4）分類編碼特征：

一種地物類型對應(yīng)一個屬性數(shù)據(jù)表文件。多種地物類型共用一個屬性數(shù)據(jù)表文件。

5）海量數(shù)據(jù)特征。

3、空間數(shù)據(jù)庫的特點

1）數(shù)據(jù)量特別大；

2）數(shù)據(jù)種類多，復(fù)雜；

3）數(shù)據(jù)應(yīng)用面相當(dāng)廣。

在建立地理空間數(shù)據(jù)庫時，一方面應(yīng)遵循和應(yīng)用通用的數(shù)據(jù)庫的原理和方法；另一方面又必須采取一些特殊的技術(shù)和方法來解決其他數(shù)據(jù)庫所沒有的問題。

二、空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行語義和邏輯上的定義；

??提供必須的空間數(shù)據(jù)查詢、檢索和存取功能；

??能夠空間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的維護(hù)和更新的一套軟件系統(tǒng)。

三、空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)

提供給用戶訪問和操作空間數(shù)據(jù)庫的用戶界面，是應(yīng)用戶數(shù)據(jù)處理需求而建立的具有數(shù)據(jù)庫訪問功能的應(yīng)用軟件。 一般需要進(jìn)行二次開發(fā)。

§3-2 空間數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：是指數(shù)據(jù)的組織形式，在計算機存儲、管理和處理的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)。

?? 數(shù)據(jù)模型：是描述實體及其相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，是空間數(shù)據(jù)庫建立的邏輯模型。

????兩者之間的關(guān)系：混合的交叉關(guān)系，并不一一對應(yīng)，世界多樣性，確定數(shù)據(jù)模型，確保實用性，（便于模型化、存儲、檢查和分析），它并不基于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

一、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

自學(xué)：用三種模型（層次、網(wǎng)絡(luò)、關(guān)系）組織圖：

二、傳統(tǒng)模型存儲空間數(shù)據(jù)的局限：

1、層次模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性

????層次模型反映了實體之間的層次關(guān)系，簡單、直觀，易于理解，并在一定程度上支持?jǐn)?shù)據(jù)的重構(gòu)。

????用于GIS地理數(shù)據(jù)庫存在的主要問題是：

1）很難描述復(fù)雜的地理實體之間的聯(lián)系，描述多對多的關(guān)系時導(dǎo)致物理存儲上的冗余；

2）對任何對象的查詢都必須從層次結(jié)構(gòu)的根結(jié)點開始，低層次對象的查詢效率很低，很難進(jìn)行反向查詢；

3）數(shù)據(jù)獨立性較差，數(shù)據(jù)更新涉及許多指針，插入和刪除操作比較復(fù)雜，父結(jié)點的刪除意味著其下層所有子結(jié)點均被刪除；

4）層次命令具有過程式性質(zhì)，要求用戶了解數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)，并在數(shù)據(jù)操縱命令中顯式地給出數(shù)據(jù)的存取路徑；

5）基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。

2、網(wǎng)狀模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性

網(wǎng)狀模型反映地理世界中常見的多對多關(guān)系，支持?jǐn)?shù)據(jù)重構(gòu)，具有一定的數(shù)據(jù)獨立和數(shù)據(jù)共享特性，且運行效率較高。

用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的主要問題如下：

1）由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，增加了用戶查詢的定位困難，要求用戶熟悉數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，知道自己所處的位置；

2）網(wǎng)狀數(shù)據(jù)操作命令具有過程式性質(zhì)，存在與層次模型相同的問題；

3）不直接支持對于層次結(jié)構(gòu)的表達(dá)；

4）基本不具備演繹功能和操作代數(shù)基礎(chǔ)。

3、關(guān)系模型用于GIS地理數(shù)據(jù)庫的局限性

在GIS分析中，常常需要綜合運用實體之間的空間關(guān)系和屬性數(shù)據(jù)，要求GIS數(shù)據(jù)庫能對實體的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理。

4）空間數(shù)據(jù)通常是變長的，而一般RDBMS只允許記錄的長度設(shè)定為固定長度，此外，通

用DBMS難于存儲和維護(hù)空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系。

??5）一般RDBMS都難以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、連通、包含、疊加等基本操作。

??6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些復(fù)雜圖形功能。

??7）一般RDBMS難以支持復(fù)雜的地理信息，因為單個地理實體的表達(dá)需要多個文件、多條記錄，包括大地網(wǎng)、特征坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系、屬性數(shù)據(jù)和非空間專題屬性等方面信息。??

8）GIS管理的是具有高度內(nèi)部聯(lián)系的數(shù)據(jù)，為了保證地理數(shù)據(jù)庫的完整性，需要復(fù)雜的安全維護(hù)系統(tǒng)，而這些完整性約束條件必須與空間數(shù)據(jù)一起存儲，由地理數(shù)據(jù)庫來維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。否則，一條記錄的改變會導(dǎo)致錯誤、相互矛盾的數(shù)據(jù)存在，而一般RDBMS難以實現(xiàn)這一功能。

三、面向?qū)ο竽Ｐ?/span>

一）基本概念

1、對象：

含有數(shù)據(jù)和操作方法的獨立模塊，可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。如一個城市、一棵樹均可作為地理對象。

·具有一個唯一的標(biāo)識，以表明其存在的獨立性；

·具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)——靜態(tài)屬性—數(shù)據(jù)；

·具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)。--作用、功能—函數(shù)、方法。

對象的劃分：根據(jù)對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質(zhì)相聯(lián)系，不同的目的就會有不同劃分。

劃分原則：找共同點，所有具有共性的系統(tǒng)成份就可為一種對象。

2、類：

共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構(gòu)成類。

如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。

3、實例

?? 被抽象的對象，類的一個具體對象，稱為，如長江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。

類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關(guān)系為上下層關(guān)系。類---申請實例---成為具體對象。

4、消息：

?? 對象之間的請求和協(xié)作。（并不獨立存在）對象之間的關(guān)系，如鼠標(biāo)點，就是消息，點某按紐，就是對按紐提出請求。

(二) 面向?qū)ο蟮奶匦?/span>

1、抽象：是對現(xiàn)實世界的簡明表示。形成對象的關(guān)鍵是抽象，對象是抽象思維的結(jié)果。

2、封裝：一般講，包起來，將方法與數(shù)據(jù)放于一對象中，以使對數(shù)據(jù)的操作只可通過該對象本身的方法來進(jìn)行。在這，指把對象的狀態(tài)及其操作集成化，使之不受外界影響。

3、多態(tài)：

是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。同一消息，對不同對象，功能不同。

功能重載->多態(tài)，簡化消息，但功能不減。

（三）四種核心技術(shù)

1、分類

分類是把一組具有相同屬性結(jié)構(gòu)和操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的過程。如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、文化區(qū)等若干個類。

2、概括

將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次、更具一般性的超類的過程。子類是超類的一個特例。

一個類可能是超類的子類，也可是幾個子類的超類。所以，概括可能有任意多層次。概括技術(shù)避免了說明和存儲上的大量冗余。這需要一種能自動地從超類的屬性和操作中獲取子類對象的屬性和操作的機制，即繼承機制。

聚集是把幾個不同性質(zhì)類的對象組合成一個更高級的復(fù)合對象的過程。

4、聯(lián)合

相似對象抽象組合為集合對象。其操作是成員對象的操作集合。

（四）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的核心工具

1、繼承：

一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅可以把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。 它服務(wù)于概括。繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。

1）單重繼承、多重繼承；全部繼承、部分繼承；取代繼承、包含繼承

2）狀態(tài)繼承（數(shù)據(jù)）

子類繼承父類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，子類還可定義自己新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

????子類任意使用父類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有可能破壞封裝，若只能通過發(fā)送消息來使用父類的域，又可能失去有效性，具體辦法：

公有域：類可操作，實例也可操作。
私有域：只有類本身使用，用戶不得訪問。
保護(hù)域：子類可使用，繼承使用，實例不能使用。

2、傳播

傳播與繼承是一對。復(fù)雜對象的某些屬性值不單獨存于數(shù)據(jù)庫中，而由子對象派生或提取，將子（成員）對象的屬性信息強制地傳播給綜合復(fù)雜對象。成員對象的屬性只存儲一次，保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如武漢市總?cè)丝冢纱鎯υ诟鞒蓡T對象中的各區(qū)人口總和。

3、繼承與傳播（區(qū)別）

1）繼承服務(wù)于概括，傳播作用于聯(lián)合和聚集；

2）繼承是從上層到下層，應(yīng)用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對象；

3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；

4）繼承是一種信息隱含機制，只要說明子類與父類的關(guān)系，則父類的特征一般能自動傳給它的子類，而傳播是一種強制性工具，需要在復(fù)合對象中顯式定義它的每個成員對象，并說明它需要傳播哪些屬性值。

四、GIS空間數(shù)據(jù)庫類型

1、基于文件管理的方式

缺點：

1）程序依賴于數(shù)據(jù)文件的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)文件修改時，應(yīng)用程序也隨之改變。

2）以文件形式共享，當(dāng)多個程序共享一數(shù)據(jù)文件時，文件的修改，需得到所有應(yīng)用的許可。不能達(dá)到真正的共享，即數(shù)據(jù)項、記錄項的共享。

2、文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合管理系統(tǒng)—雙元模型

除oid作為連接關(guān)鍵字以外，幾乎是兩者獨立地組織、管理和檢索。

幾何圖形:??圖形用戶界面與圖形文件處理是一體的，中間沒有裂縫。

屬性數(shù)據(jù)，則因系統(tǒng)和歷史發(fā)展而異。

1)??圖形與屬性結(jié)合的各自分開處理模式--------早期系統(tǒng):

?? 圖形處理的用戶界面和屬性的用戶界面是分開的，它們只是通過一個內(nèi)部碼連接。通常要同時啟動兩個系統(tǒng)，甚至兩個系統(tǒng)來回切換，不方便。

2)圖形與屬性結(jié)合的混合處理模式

GIS 通過DBMS提供的高級編程語言C或Fortran等接口，在C語言的環(huán)境下，直接操縱屬性數(shù)據(jù)，查詢屬性數(shù)據(jù)庫，并在GIS的用戶界面下，顯示查詢結(jié)果。

?? 在ODBC(Open DataBase Connectivity,開放式數(shù)據(jù)庫互連)推出后，GIS軟件商只需開發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可將屬性數(shù)據(jù)與任何一個支持ODBC的RDBMS連接。這樣用戶可在一個界面下處理圖形和屬性數(shù)據(jù)。

采用文件與RDBMS的混合管理模式中文件管理系統(tǒng)的功能較弱，特別是在數(shù)據(jù)的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數(shù)據(jù)損壞后的恢復(fù)方面缺少基本的功能。因而GIS軟件商需要尋找能同時管理圖形和屬性數(shù)據(jù)的商用DBMS。

3、全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)—分層模型

GIS軟件商在標(biāo)準(zhǔn)DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)功能。

用RDBMS管理圖形數(shù)據(jù)有兩種模式：

a、基于關(guān)系模型的方式，圖形數(shù)據(jù)按關(guān)系數(shù)據(jù)模型組織。由于涉及一系列關(guān)系連接運算，費時。 例如

b、將圖形數(shù)據(jù)的變長部分處理成Binary Block字段（多媒體或變長文本）。省去大量關(guān)系連接操作，但Binary Block的讀寫效率比定長的屬性字段慢得多，特別涉及對象的嵌套時，更慢。

4、對象--關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

DBMS軟件商在RDBMS中進(jìn)行擴(kuò)展，使之能直接存儲和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)，如Informix 和Oracle等都推出了空間數(shù)據(jù)管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的ＡＰＩ函數(shù)。

????????主要解決空間數(shù)據(jù)的變長記錄的管理，效率比二進(jìn)制塊的管理高得多，但仍沒有解決對象的嵌套問題，空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不能由用戶定義，用戶不能根據(jù)ＧＩＳ要求再定義，使用上受一定限制。

5、面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

1）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的含義

?????? 為了有效地描述復(fù)雜的事物或現(xiàn)象，需要在更高層次上綜合利用和管理多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型，并用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行統(tǒng)一的抽象。這就是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的含義，其具體實現(xiàn)就是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m合于空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理，它不僅支持變長記錄，且支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。

???? 允許用戶定義對象和對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及它的操作。可以將空間對象根據(jù)ＧＩＳ需要，定義合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一組操作。這種空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶和不帶拓?fù)?，?dāng)帶拓?fù)鋾r，涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。

?? 面向?qū)ο蟮牡乩頂?shù)據(jù)模型的核心是對復(fù)雜對象的模擬和操縱。

2）復(fù)雜對象及特點

指具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和操作的對象。復(fù)雜對象可以由多種關(guān)系聚合抽象而成，或由不同類型的對象構(gòu)成，或具有復(fù)雜的嵌套關(guān)系等。

復(fù)雜對象的特點可歸結(jié)為：

a) 一個復(fù)雜對象由多個成員對象構(gòu)成，每個成員對象又可參與其它對象的構(gòu)成；

b) 具有多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如矢量、柵格、關(guān)系表等；

c）一個復(fù)雜對象的不同部分可由不同的數(shù)據(jù)模型所支持，也就是說，可以分布于不同的數(shù)據(jù)庫中。

3）面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)模型

從幾何方面劃分，GIS的各種地物對象為點、線、面狀地物以及由它們混合組成的復(fù)雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構(gòu)成。

一個面狀地物是由邊界弧段和中間面域組成，弧段又涉及到節(jié)點和中間點坐標(biāo)。或者說，節(jié)點的坐標(biāo)傳播給弧段，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物聚集或聯(lián)合組成復(fù)雜地物。

4）拓?fù)潢P(guān)系與面向?qū)ο竽Ｐ?/span>

將每條弧段的兩個端點（通過它們與另外的弧段公用）抽象出來，建立單獨的節(jié)點對象類型，而在弧段的數(shù)據(jù)文件中，設(shè)立兩個節(jié)點子對象標(biāo)識號，即用“傳播”的工具提取節(jié)點文件的信息。

節(jié)點標(biāo)識

X

Y

Z

…

…

…

…

面標(biāo)識

弧段標(biāo)識

…

…

弧段標(biāo)識

起節(jié)點

終節(jié)點

中間點串

…

…

…

…

????????

這一模型既解決了數(shù)據(jù)共享問題，又建立了弧段與節(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系。同樣，面狀地物對弧段的聚集方式與數(shù)據(jù)共享和幾何拓?fù)潢P(guān)系的建立也達(dá)到一致。

5）面向?qū)ο蟮膶傩詳?shù)據(jù)模型

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型是在包含RDBMS的功能基礎(chǔ)上，增加面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的封裝、繼承和信息傳播等功能。

6)??面向?qū)ο蟮乩頂?shù)據(jù)模型的特點

a)?????? 具有可擴(kuò)充性。由于對象是相對獨立的，因此可以很自然和容易地增加新的對象，并且對不同類型的對象具有統(tǒng)一的管理機制。

b)??????可充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點。

c) 可以模擬和操縱復(fù)雜對象。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型是面向簡單對象的，無法直接模擬和操縱復(fù)雜實體，而面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型具備對復(fù)雜對象進(jìn)行模擬和操縱的能力。

在GIS中建立面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型時，對象的確定還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是，對象的建立應(yīng)符合人們對客觀世界的理解，并且要完整地表達(dá)各種地理對象，及它們之間的相互關(guān)系。

7）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念

動態(tài)聯(lián)編:為了實現(xiàn)多態(tài)，系統(tǒng)不能在編譯時就把操作名聯(lián)編到程序上，而要等到運行時才進(jìn)行解釋。

8）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢

1）縮小了語義差距

（2）減輕了“阻抗失配”問題

?? 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用往往表現(xiàn)為把數(shù)據(jù)庫語句嵌入某種具有計算完備性的程序設(shè)計語言中，由于數(shù)據(jù)庫語言和程序設(shè)計語言的類型系統(tǒng)和計算模型往往不同，所以這種結(jié)合是不自然的，這個現(xiàn)象被稱為“阻抗失配”。在OODB中，把需要程序設(shè)計語言編寫的操作都封裝在對象的內(nèi)部，從本質(zhì)上講，OODB的問題求解過程只需要表現(xiàn)為一個消息表達(dá)式的集合。

（3）適應(yīng)非傳統(tǒng)應(yīng)用的需要

這種適應(yīng)性主要表現(xiàn)在能夠定義和操縱復(fù)雜對象，具備引用共享和并發(fā)共享機制以及靈活的事務(wù)模型，支持大量對象的存儲和獲取等等。

§3-3 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是指在現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立空間數(shù)據(jù)庫的整個過程。

一、需求分析

需求分析是整個空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計與建立的基礎(chǔ)，主要進(jìn)行以下工作：

1、調(diào)查用戶需求：了解用戶特點和要求，取得設(shè)計者與用戶對需求的一致看法。

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、需要存儲的數(shù)據(jù))、信息加工處理要求(如響應(yīng)時間)、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、運行環(huán)境等，是需求分析的最終成果。

在需求分析階段完成：

?? 數(shù)據(jù)源的選擇和對各種數(shù)據(jù)集的評價（一般、空間、屬性評價）。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

指空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)果是得到一個合理的空間數(shù)據(jù)模型，是空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵。

?? 空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的實質(zhì)是將地理空間實體以一定的組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達(dá)的過程，也就是地理信息系統(tǒng)中空間實體的模型化問題。

1、概念模型

是通過對錯綜復(fù)雜的現(xiàn)實世界的認(rèn)識與抽象，最終形成空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應(yīng)用系統(tǒng)所需的模型。

表示概念模型最有力的工具是E—R模型，即實體—聯(lián)系模型，包括實體、聯(lián)系和屬性三個基本成分。用它來描述現(xiàn)實地理世界，不必考慮信息的存儲結(jié)構(gòu)、存取路徑及存取效率等與計算機有關(guān)的問題，比一般的數(shù)據(jù)模型更接近于現(xiàn)實地理世界，具有直觀、自然、語義較豐富等特點，在地理數(shù)據(jù)庫設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。

2、邏輯模型

邏輯模型的設(shè)計是將概念模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為具體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、記錄及記錄間的聯(lián)系、安全性、完整性和一致性約束等。

從E—R模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換的主要過程為：

① 確定各實體的主關(guān)鍵字；

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

③把經(jīng)過消冗處理（規(guī)范化處理）的數(shù)據(jù)關(guān)系表達(dá)式中的實體作為相應(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、評價和優(yōu)化。

3、物理設(shè)計

是指有效地將空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)在物理存儲器上實現(xiàn)，確定數(shù)據(jù)在介質(zhì)上的物理存儲結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是導(dǎo)出地理數(shù)據(jù)庫的存儲模式(內(nèi)模式)。

主要內(nèi)容包括確定記錄存儲格式，選擇文件存儲結(jié)構(gòu)，決定存取路徑，分配存儲空間。

物理設(shè)計的好壞將對地理數(shù)據(jù)庫的性能影響很大，一個好的物理存儲結(jié)構(gòu)必須滿足兩個條件：

一是地理數(shù)據(jù)占有較小的存儲空間；

二是對數(shù)據(jù)庫的操作具有盡可能高的處理速度。

在完成物理設(shè)計后，要進(jìn)行性能分析和測試。

物理設(shè)計在很大程度上與選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有關(guān)。設(shè)計中應(yīng)根據(jù)需要，選用系統(tǒng)所提供的功能。

三、數(shù)據(jù)層設(shè)計

GIS的數(shù)據(jù)可以按照空間數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系或?qū)I(yè)屬性分為各種邏輯數(shù)據(jù)層或?qū)I(yè)數(shù)據(jù)層，原理上類似于圖片的疊置。

?? 例如，地形圖數(shù)據(jù)可分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民地等諸層分別存貯。將各層疊加起來就合成了地形圖的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行空間分析、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示時，往往只需要若干相應(yīng)圖層的數(shù)據(jù)。

??????數(shù)據(jù)層的設(shè)計一般是按照數(shù)據(jù)的專業(yè)內(nèi)容和類型進(jìn)行的。數(shù)據(jù)的專業(yè)內(nèi)容的類型通常是數(shù)據(jù)分層的主要依據(jù)，同時也要考慮數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。如需考慮兩類物體共享邊界(道路與行政邊界重合、河流與地塊邊界的重合)等，這些數(shù)據(jù)間的關(guān)系在數(shù)據(jù)分層設(shè)計時應(yīng)體現(xiàn)出來。

????不同類型的數(shù)據(jù)由于其應(yīng)用功能相同，在分析和應(yīng)用時往往會同時用到，因此在設(shè)計時應(yīng)反映出這樣的需求，即可將這些數(shù)據(jù)作為一層。（如道路、加油站、停車場—交通層）

?? 最后得出各層數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，各層數(shù)據(jù)的屬性內(nèi)容和屬性表之間的關(guān)系等。

四、數(shù)據(jù)字典設(shè)計

數(shù)據(jù)字典用于描述數(shù)據(jù)庫的整體結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)內(nèi)容和定義等。一個好的數(shù)據(jù)字典可以說是一個數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，它可使數(shù)據(jù)庫的開發(fā)者依此來實施數(shù)據(jù)庫的建立、維護(hù)和更新。

數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容包括：

?? 數(shù)據(jù)庫的總體組織結(jié)構(gòu)、?? 數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計的框架、

?? 各數(shù)據(jù)層詳細(xì)內(nèi)容的定義及結(jié)構(gòu)、?? 數(shù)據(jù)命名的定義

?? 元數(shù)據(jù)（有關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，是對一個數(shù)據(jù)集的內(nèi)容、質(zhì)量條件及操作過程等的描述）等內(nèi)容。

一、空間數(shù)據(jù)庫的建立

1、建立空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

???? 利用DBMS提供的數(shù)據(jù)描述語言描述邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果，得到概念模式和外模式，編寫功能軟件，經(jīng)編譯、運行后形成目標(biāo)模式，建立起實際的空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

2、數(shù)據(jù)裝入

????????一般由編寫的數(shù)據(jù)裝入程序或DBMS提供的應(yīng)用程序來完成。在裝入數(shù)據(jù)之前要做許多準(zhǔn)備工作，如對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分類、編碼及格式轉(zhuǎn)換(如專題數(shù)據(jù)庫裝入數(shù)據(jù)時，采用多關(guān)系異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的模式轉(zhuǎn)換、查詢轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換)等。

裝入的數(shù)據(jù)要確保其準(zhǔn)確性和一致性。

3、調(diào)試運行

?????? 裝入數(shù)據(jù)后，要對地理數(shù)據(jù)庫的實際應(yīng)用程序進(jìn)行運行，執(zhí)行各功能模塊的操作，對地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行全面測試，

二、??空間數(shù)據(jù)庫的維護(hù)

1、空間數(shù)據(jù)庫的重組織

????指在不改變空間數(shù)據(jù)庫原來的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)的前提下，改變數(shù)據(jù)的存儲位置，將數(shù)據(jù)予以重新組織和存放。

2、空間數(shù)據(jù)庫的重構(gòu)造

?? 指局部改變空間數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫重構(gòu)通過改寫其概念模式(邏輯模式)的內(nèi)模式(存儲模式)進(jìn)行。

3、空間數(shù)據(jù)庫的完整性、安全性控制

??????完整性是指數(shù)據(jù)的正確性、有效性和一致性，主要由后映象日志來完成，它是一個備份程序，當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)或介質(zhì)故障時，利用它對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行恢復(fù)。

?????? 安全性指對數(shù)據(jù)的保護(hù)，主要通過權(quán)限授予、審計跟蹤，以及數(shù)據(jù)的卸出和裝入來實現(xiàn)。

第四章 空間數(shù)據(jù)的采集和質(zhì)量控制

§4-1 概述

一、GIS的數(shù)據(jù)源：

地圖數(shù)據(jù) ，遙感數(shù)據(jù)， 文本數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)

??實測數(shù)據(jù)，多媒體數(shù)據(jù)，已有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)

二、空間數(shù)據(jù)采集的任務(wù)

將現(xiàn)有的上述類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GIS可以處理與接收的數(shù)字形式，通常要經(jīng)過驗證、修改、編輯等處理。

三、研究GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的和意義

GIS的數(shù)據(jù)質(zhì)量是指GIS中空間數(shù)據(jù)(幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù))的可靠性，通常用空間

數(shù)據(jù)的誤差來度量。

?? 誤差是指數(shù)據(jù)與真值的偏離。

??研究GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量對于評定GIS的算法、減少GIS設(shè)計與開發(fā)的盲目性都具有重要意

義。精度越高，代價越大。GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量對保證GIS產(chǎn)品的可靠性有重要意義。??

§4-2 空間數(shù)據(jù)的地理參照系和控制基礎(chǔ)

指物質(zhì)、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)過程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)，具體包括地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的區(qū)域。

地理空間具體被描述為：??

1）絕對空間，具有屬性描述的空間位置的集合，一系列坐標(biāo)值組成。

2）相對空間，是具有空間屬性特征的實體的集合，由不同實體之間的空間關(guān)系組成。

二、地理空間的數(shù)學(xué)建構(gòu)---如何建立地球表面的幾何模型

1、最自然的面：

包括海洋底部、高山、高原在內(nèi)的固體地球表面，起伏不定，難以用一個簡潔的數(shù)學(xué)式描述。

2、相對抽象的面，即大地水準(zhǔn)面

地球表面72%被海水覆蓋，假設(shè)一個當(dāng)海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)時從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個連續(xù)、閉合的水準(zhǔn)面。

可用水準(zhǔn)儀完成地球自然表面上任一點的高程測量。但地球的重力方向處處不同，處處與重力方向垂直的大地水準(zhǔn)面顯然不可能是一個十分規(guī)則的表面，且不能用簡單的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)，因此，大地水準(zhǔn)面不能作為測量成果的計算面。

3、橢球體模型

為了測量成果計算的需要，選用一個同大地體相近的、可以用數(shù)學(xué)方法來表達(dá)的旋轉(zhuǎn)橢球來代替地球---三軸橢球體。

三、地理參照系

1、經(jīng)緯度坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)）

??對空間定位有利，但難以進(jìn)行距離、方向、面積量算。

2、笛卡兒平面坐標(biāo)系

??便于量算和進(jìn)一步的空間數(shù)據(jù)處理和分析。

3、高程系統(tǒng)

描述空間點在垂直高度上的特性--高程——由高程基準(zhǔn)面起算的地面點的高度。

四、GIS的地理基礎(chǔ)--控制基礎(chǔ)

各種GIS的數(shù)據(jù)源、服務(wù)目的和各自特征可以不同，但均有自身統(tǒng)一的地理基礎(chǔ)。

1、地理基礎(chǔ)的內(nèi)容

地理基礎(chǔ)是地理信息數(shù)據(jù)表示格式與規(guī)范的重要組成部分

2、投影與坐標(biāo)系：

每一種投影都與一個坐標(biāo)系統(tǒng)相聯(lián)系。坐標(biāo)系統(tǒng)是一套說明某一物體地理坐標(biāo)的參數(shù)，參數(shù)之一為投影。投影關(guān)系著如何將圖形物體顯示于平面上，而坐標(biāo)系統(tǒng)則顯示出地形地物所在的相對位置。

3、統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)的意義：

?? 為地理信息系統(tǒng)選擇和設(shè)計一種或幾種適用的地圖投影系統(tǒng)和網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)，為各種地理信息的輸入、輸出及匹配處理提供一個統(tǒng)一的定位框架，使各種來源的地理信息和數(shù)據(jù)能夠具有共同的地理基礎(chǔ)，并在這個基礎(chǔ)上反映出它們的地理位置和地理關(guān)系特征。

五、地圖投影

1、GIS與地圖投影關(guān)系

2、GIS中地圖投影設(shè)計與配置的一般原則

1）所配置的投影系統(tǒng)應(yīng)與相應(yīng)比例尺的國家基本圖（基本比例尺地形圖，基本省區(qū)圖或國家大地圖集）投影系統(tǒng)一致。

2）系統(tǒng)一般只考慮至多采用兩種投影系統(tǒng)，一種應(yīng)用于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸出、輸入，另一種服務(wù)于小比例尺。

3）所用投影以等角投影為宜。

4）所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)（特別是一級網(wǎng)格）在投影帶中應(yīng)保持完整。

3、我國GIS常用的地圖投影配置

采用與我國基本圖系列一致的地圖投影系統(tǒng)：

我國常用的地圖投影的情況為：

1)、我國基本比例尺地形圖(1：100萬、1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5、1：1萬、1：5000),除1：100萬外均采用高斯—克呂格投影為地理基礎(chǔ)；

2)、我國1：100萬地形圖采用了Lambert投影，其分幅原則與國際地理學(xué)會規(guī)定的全球統(tǒng)一使用的國際百萬分之一地圖投影保持一致。

3)、我國大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)的Albers投影(正軸等面積割圓錐投影)；

?? 4)、Lambert投影中，地球表面上兩點間的最短距離(即大圓航線)表現(xiàn)為近于直線，這有利于地理信息系統(tǒng)中空間分析量度的正確實施。 。

2、GIS中地圖投影設(shè)計與配置的一般原則

§4-3 空間數(shù)據(jù)的分類和編碼

一、空間數(shù)據(jù)的組織

二、地理數(shù)據(jù)的分層

空間數(shù)據(jù)可按某種屬性特征形成一個數(shù)據(jù)層，通常稱為圖層（Coverage）。

1、空間數(shù)據(jù)分層方法：

1）專題分層

???? 每個圖層對應(yīng)一個專題，包含某一種或某一類數(shù)據(jù)。如地貌層、水系層、道路層、居民地層等。

2）時間序列分層

即把不同時間或不同時期的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層。

3）地面垂直高度分層

把不同時間或不同時期的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層。

2、空間數(shù)據(jù)分層的目的

便于空間數(shù)據(jù)的管理、查詢、顯示、分析等。

1）空間數(shù)據(jù)分為若干數(shù)據(jù)層后，對所有空間數(shù)據(jù)的管理就簡化為對各數(shù)據(jù)層的管理，而一個數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往往比較單一，數(shù)據(jù)量也相對較小，管理起來就相對簡單；

2）對分層的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時，不需要對所有空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，只需要對某一層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢即可，因而可加快查詢速度；

3）分層后的空間數(shù)據(jù)，由于便于任意選擇需要顯示的圖層，因而增加了圖形顯示的靈活性；

4）對不同數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加，可進(jìn)行各種目的的空間分析。

三、空間數(shù)據(jù)的分類與編碼

1、屬性數(shù)據(jù)編碼

在屬性數(shù)據(jù)中，有一部分是與幾何數(shù)據(jù)的表示密切有關(guān)的。

例如，道路的等級、類型等，決定著道路符號的形狀、色彩、尺寸等。

在GIS中，通常把這部分屬性數(shù)據(jù)用編碼的形式表示，并與幾何數(shù)據(jù)一起管理起來。

????編碼：是指確定屬性數(shù)據(jù)的代碼的方法和過程。

????代碼：是一個或一組有序的易于被計算機或人識別與處理的符號，是計

算機鑒別和查找信息的主要依據(jù)和手段。

????編碼的直接產(chǎn)物就是代碼，而分類分級則是編碼的基礎(chǔ)。

2、分類編碼的原則

分類是將具有共同的屬性或特征的事物或現(xiàn)象歸并在一起，而把不同屬

性或特征的事物或現(xiàn)象分開的過程。

分類是人類思維所固有的一種活動，是認(rèn)識事物的一種方法。

分類的基本原則是：

科學(xué)性、系統(tǒng)性、可擴(kuò)性、實用性、兼容性、

穩(wěn)定性、不受比例尺限制、靈活性



3、分類碼和標(biāo)識碼

§4.4 空間數(shù)據(jù)的采集

一、輸入前準(zhǔn)備

1、??資料準(zhǔn)備，區(qū)域標(biāo)定

1）基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)的確定

2）數(shù)據(jù)分類項目的確定

3）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性的確定

2、進(jìn)行三個統(tǒng)一： （地理基礎(chǔ)統(tǒng)一，即確定投影、比例尺、分類分級編碼）

3、所用軟件的檢查、試用菜單準(zhǔn)備及其它輔助工作。

4、硬件檢查。

5、精度試驗。

6、試驗，樣區(qū)、單項試驗。

二、幾何圖形數(shù)據(jù)的采集

一）手工數(shù)字化

1、手工矢量數(shù)字化

（二）數(shù)字化儀數(shù)字化

§4.4 空間數(shù)據(jù)的采集

2、用數(shù)字化軟件進(jìn)行數(shù)字化

2、手工柵格數(shù)字化

（以上資料4。4節(jié)來源于張超主編的《地理信息系統(tǒng)實習(xí)教程》所配光盤）

1、掃描矢量化處理流程：

三）掃描矢量化

2、屏幕跟蹤矢量化流程

三、屬性數(shù)據(jù)采集

1、鍵盤，人機對話方式

2、程序批量輸入。

四、屬性和幾何數(shù)據(jù)的連接

1、可手工輸入

2、由系統(tǒng)自動生成(如用順序號代表標(biāo)識符)

五、空間數(shù)據(jù)的編輯和檢核

1、空間數(shù)據(jù)輸入的誤差

1）幾何數(shù)據(jù)的不完整或重復(fù)。

2）幾何數(shù)據(jù)的位置不正確。

3）比例尺不正確。

4）變形。

5）幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接有誤。

6）屬性數(shù)據(jù)錯誤、不完整。

鍵盤輸入錯誤，漏輸數(shù)據(jù)或?qū)傩藻e誤分類、編碼等。

2、空間數(shù)據(jù)的檢查

1）通過圖形實體與其屬性的聯(lián)合顯示，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化中的遺漏、重復(fù)、不匹配等錯誤；????

2）在屏幕上用地圖要素對應(yīng)的符號顯示數(shù)字化的結(jié)果，對照原圖檢查錯誤；

3）把數(shù)字化的結(jié)果繪圖輸出在透明材料上，然后與原圖疊加以發(fā)現(xiàn)錯漏；

4）對等高線，通過確定最低和最高等高線的高程及等高距，編制軟件來檢查高程

的賦值是否正確；

5）對于面狀要素，可在建立拓?fù)潢P(guān)系時，根據(jù)多邊形是否閉合來檢查，或根據(jù)多

邊形與多邊形內(nèi)點的匹配來檢查等；

6）對于屬性數(shù)據(jù)，通常是在屏幕上逐表、逐行檢查，也可打印出來檢查；

7）對于屬性數(shù)據(jù)還可編寫檢核程序，如有無字符代替了數(shù)字，數(shù)字是否超出了范圍，等等；

8）對于圖紙變形引起的誤差，應(yīng)使用幾何糾正來進(jìn)行處理。

§4.5??GIS的數(shù)據(jù)質(zhì)量

一、GIS的數(shù)據(jù)質(zhì)量的內(nèi)容（類型）

1、GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的基本內(nèi)容

1）位置（幾何）精度：如數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、平面精度、高程精度等，用以描述

幾何數(shù)據(jù)的誤差。

2) 屬性精度：如要素分類的正確性、屬性編碼的正確性、注記的正確性

等，用以反映屬性數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

3) 邏輯一致性：如多邊形的閉合精度、結(jié)點匹配精度、拓?fù)潢P(guān)系的正確

性等，由幾何或?qū)傩哉`差也會引起邏輯誤差。

4) 完備性：如數(shù)據(jù)分類的完備性、實體類型的完備性、屬性數(shù)據(jù)的完備

性、注記的完整性，數(shù)據(jù)層完整性，檢驗完整性等。

5) 現(xiàn)勢性：如數(shù)據(jù)的采集時間、數(shù)據(jù)的更新時間等。

誤差的具體來源

階段

誤差來源

數(shù)據(jù)采集

實測誤差，地圖制圖誤差（制作地圖的每一過程都有誤差），航測遙感數(shù)據(jù)分析誤差（獲取、判讀、轉(zhuǎn)換、人工判讀（識別要素）誤差）

數(shù)據(jù)輸入

數(shù)字化過程中操作員和設(shè)備造成的誤差，某些地理屬性沒有明顯邊界引起的誤差（地類界）

數(shù)據(jù)存貯

數(shù)字存貯有效位不能滿足（由計算機字長引起，單精度、雙精度類型）

空間精度不能滿足

數(shù)據(jù)操作

類別間的不明確、邊界誤差（不規(guī)則數(shù)據(jù)分類方法引起）

多層數(shù)據(jù)疊加誤差

多邊形疊加產(chǎn)生的裂縫（無意義多邊形）

各種內(nèi)插引起的誤差

數(shù)據(jù)輸出

比例尺誤差、輸出設(shè)備誤差、媒質(zhì)不穩(wěn)定（如圖紙伸縮）

成果使用

用戶錯誤理解信息、不正確使用信息

4、誤差傳播

誤差傳播可分為三類：

1）代數(shù)（算術(shù)）關(guān)系

????如差、倍數(shù)、線性關(guān)系，有一套成熟的經(jīng)典測量誤差理論處理。

2）邏輯關(guān)系

a、布爾邏輯關(guān)系：GIS中存在大量的邏輯運算，如 疊置分析。

b、不精確推理關(guān)系：

???? 如專家系統(tǒng)中的不精確推理。

?? 邏輯關(guān)系下的誤差傳播正處于研究中，需要借用信息論，模糊數(shù)學(xué)、人工智能、專家系統(tǒng)等學(xué)科有望解決。

二、 GIS數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價方法

1、直接評價法

1）用計算機程序自動檢測

????某些類型的錯誤可以用計算機軟件自動發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)中不符合要求的數(shù)據(jù)項的百分率或平均質(zhì)量等級也可由計算機軟件算出。此外，還可檢測文件格式是否符合規(guī)范、編碼是否正確、數(shù)據(jù)是否超出范圍等。

2）隨機抽樣檢測

??????在確定抽樣方案時，應(yīng)考慮數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性。

2、間接評價法-----（地理相關(guān)法和元數(shù)據(jù)法）

???? 指通過外部知識或信息進(jìn)行推理來確定空間數(shù)據(jù)的質(zhì)量的方法。用于推理的外部知識或信息如用途、數(shù)據(jù)歷史記錄、數(shù)據(jù)源的質(zhì)量、數(shù)據(jù)生產(chǎn)的方法、誤差傳遞模型等。

3、非定量描述法

??????通過對數(shù)據(jù)質(zhì)量的各組成部分的評價結(jié)果進(jìn)行的綜合分析來確定數(shù)據(jù)的總體質(zhì)量的方法。

三、數(shù)字化的誤差評價和質(zhì)量控制

1、評價數(shù)字化誤差的方法

1）自動回歸法

??????由于跟蹤數(shù)字化不僅是一個隨機序列，而且是一個時間序列，因此可用數(shù)理統(tǒng)計中的時間序列分析法來確定數(shù)字化的誤差。

2）ε－Band法

?????? 該方法適用于任何類型的GIS數(shù)據(jù)，關(guān)鍵是如何給出合理的ε值。

3）對比法

???? 把數(shù)字化后的數(shù)據(jù)，用繪圖機繪出，與原圖疊合，選擇明顯地物點進(jìn)行量測，以確定誤差。除了幾何精度外，屬性精度、完整性、邏輯一致性等也可用對比法進(jìn)行對照檢查。

2、數(shù)字化過程中的質(zhì)量控制

1）數(shù)字化預(yù)處理工作

包括對原始地圖、表格等的整理、清繪。

2）數(shù)字化設(shè)備的選用

???? 根據(jù)手扶數(shù)字化儀、掃描儀等設(shè)備的分辨率和精度等有關(guān)參數(shù)的進(jìn)行挑選，這些參數(shù)不應(yīng)低于設(shè)計的數(shù)據(jù)精度要求。

3）數(shù)字化對點精度（準(zhǔn)確性）

?? 數(shù)字化時數(shù)據(jù)采集點與原始點的重合程度，一般要求對點誤差小于0.1mm。

4）數(shù)字化限差

???? 包括：采點密度（0.2mm）、接邊誤差（0.02mm）、接合距離(0.02mm)、懸掛距離(0.007mm)等。

5）數(shù)據(jù)的精度檢查

?? 輸出圖與原始圖之間的點位誤差，一般要求對直線地物和獨立地物，誤差小于0.2mm，對曲線地物和水系，誤差小于0.3mm，對邊界模糊的要素應(yīng)小于0.5mm。

四、數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價

1、數(shù)字高程模型(DEM)的精度

主要受原始資料的精度(采樣密度、測量誤差、地形類別、控制點等)和內(nèi)插的精度(內(nèi)插方法、地形類型、原始數(shù)據(jù)的密度等)的影響。

?? DEM的內(nèi)插精度主要受原始采樣點的采樣密度的影響，與不同的插值方法的關(guān)系不很大。但在DEM精度評定的標(biāo)準(zhǔn)方面、地貌逼真度方面、DEM的粗差探測等方面仍沒有得到圓滿的解決。

?? 目前,對DEM精度的評價常采用原始等高線與再生等高線疊合評價的方法。

2、矢量數(shù)據(jù)柵格化的誤差

包括屬性誤差和幾何誤差兩種。

??????在矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)后，柵格數(shù)據(jù)中的每個象元只含有一個屬性數(shù)據(jù)值，它是象元內(nèi)多種屬性的一種概括。象元越大，屬性誤差越大。

?? 幾何誤差是指在矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)后所引起的位置的誤差，以及由位置誤差引起的長度、面積、拓?fù)淦ヅ涞鹊恼`差。幾何誤差的大小與象元的大小成正比。

?? 其中矢量數(shù)據(jù)表示的多邊形網(wǎng)用象元逼近時會產(chǎn)生較嚴(yán)重的拓?fù)淦ヅ鋯栴}。

誤差分析的一種方法：假設(shè)存在一幅理想的矢量地圖，圖上不同屬性的制圖單元由很細(xì)的線分開；對理想地圖進(jìn)行觀測采樣得到一幅具有規(guī)則格網(wǎng)的柵格地圖，把這兩幅圖進(jìn)行疊置比較。

3、多邊形疊置產(chǎn)生的誤差

多邊形疊置誤差計算的思路是，先計算單層圖的誤差，再計算疊置圖的誤差。會產(chǎn)生拓?fù)淦ヅ湔`差、幾何誤差和屬性誤差。

1）拓?fù)淦ヅ湔`差

????????多邊形疊置往往是不同類型的地圖、不同的圖層，甚至是不同比例尺的地圖進(jìn)行疊置，因此，同一條邊界線往往是不同的數(shù)據(jù)，這樣在疊置時必然會出現(xiàn)一系列無意義的多邊形。所疊置的多邊形的邊界越精確，越容易產(chǎn)生無意義的多邊形。這就是拓?fù)淦ヅ湔`差。

????多邊形疊置所形成的多邊形的數(shù)量與原多邊形邊界的復(fù)雜程度有關(guān)。如果多邊形之間具有統(tǒng)計獨立性時，產(chǎn)生中等數(shù)量的多邊形；如果是高度相關(guān)的，則產(chǎn)生大量無意義的多邊形。-----需要合并無意義的多邊形

合并無意義的多邊形的方法：

A、用人機交互的方法把無意義的多邊形合并到大多邊形中；

B、根據(jù)無意義多邊形的臨界值，自動合并到大多邊形中；

C、用擬合后的新邊界進(jìn)行合并。



2）幾何誤差：

新邊界可能會偏離已制圖的邊界位置（或真實位置）。為了保證人們習(xí)慣上認(rèn)為重要的邊界線的精度，如境界、河流、主要道路等，處理時應(yīng)對這些邊界上的點加權(quán)使他們能盡可能地不被移動。

3）屬性誤差：

??實際上每個進(jìn)行疊置的多邊形本身的屬性就是有誤差的，因為屬性值是分類的結(jié)果(如把植被分為不同的類別)，而分類就會產(chǎn)生誤差。多幅圖的疊置會使誤差急劇增加，以至使疊置出的結(jié)果不可信。

§4.6??空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)--數(shù)據(jù)共享

一、概述

1、目前影響數(shù)據(jù)共享的因素

體制上：行業(yè)數(shù)據(jù)保密政策。

技術(shù)上：不同系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)格式不同。

網(wǎng)絡(luò)化程度：資源共享是網(wǎng)絡(luò)主要功能之一，用戶可共享網(wǎng)絡(luò)分散在不同地點的各種軟硬件。

2、空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：

?? 是指空間數(shù)據(jù)的名稱、代碼、分類編碼、數(shù)據(jù)類型、精度、單位、格式等的標(biāo)準(zhǔn)形式。每個地理信息系統(tǒng)都必須具有相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

3、空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的狀況：

?? 如果只針對某一地理信息系統(tǒng)設(shè)計空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并不困難；如果所建立的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)能為大家所承認(rèn)，為大多數(shù)系統(tǒng)所接受和使用，就比較復(fù)雜和困難。

目前，我國已有一些與GIS有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)格式、地理格網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范、數(shù)據(jù)記錄格式等。

二、空間數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)

1、原則：

1）遵循已有的國家標(biāo)準(zhǔn)，以利于全國范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)共享。

2）遵循國務(wù)院有關(guān)部委以及軍隊正在使用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

3）遵循各領(lǐng)域中普遍使用和認(rèn)同的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

4）當(dāng)各種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)相互矛盾時，應(yīng)遵循由上而下的原則進(jìn)行處理。

5）制定新的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)盡可能參考同類標(biāo)準(zhǔn)。

2、目前我國已有的與GIS有關(guān)的關(guān)于空間數(shù)據(jù)分類的國家標(biāo)準(zhǔn)：

GB2260-95?? 《中華人民共和國行政區(qū)劃代碼》

GB13923-92??《國土基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)分類與代碼》

GB11708-89??《公路橋梁命名和編碼規(guī)則》

GB14804-93??《1：500、1：1000、1：2000地形要素分類與代碼》

等等。

三、空間數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

1、外部數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

特點：自動化程度不高，速度較慢等，但它可解決不同GIS之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題。它仍然是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的主流方式。

2、空間數(shù)據(jù)互操作協(xié)議

特點：比外部數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)方便，但由于各種軟件存儲和處理空間數(shù)據(jù)的方式不同，空間數(shù)據(jù)的互操作函數(shù)又不可能很龐大，因此往往不能解決所有問題。

3、空間數(shù)據(jù)共享平臺

服務(wù)器存放空間數(shù)據(jù)采用客戶機/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，各種GIS通過一個公共的平臺在服務(wù)器存取所有數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)的不一致性。

特點：思路較好，但現(xiàn)有的GIS軟件各有自己的底層，要統(tǒng)一平臺目前難以實現(xiàn)。

4、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫接口

在對空間數(shù)據(jù)模型有共同理解的基礎(chǔ)上，各系統(tǒng)開發(fā)專門的雙向轉(zhuǎn)換程序，將本系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的接口。

特點：這種方式的前提，首先要求對現(xiàn)實世界進(jìn)行統(tǒng)一的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)理解，這不易實現(xiàn)的。

目前：外部數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)仍是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的主流方式。

四、我國空間數(shù)據(jù)交換格式

我國已發(fā)布了GIS的外部數(shù)據(jù)交換格式，包括矢量數(shù)據(jù)交換格式、柵格數(shù)據(jù)交換格式和數(shù)字高程模型交換格式標(biāo)準(zhǔn)。

五、GIS空間元數(shù)據(jù)（ Geospatial Metadata

1、空間元數(shù)據(jù)的定義和作用

1）定義：

??地理的數(shù)據(jù)和信息資源的描述性信息。它通過對地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、條件和其他特征進(jìn)行描述與說明，以便人們有效地定位、評價、比較、獲取和使用與地理相關(guān)的數(shù)據(jù)。

??

2）作用：

（a）用來組織和管理空間信息，并挖掘空間信息資源。

（b）幫助數(shù)據(jù)使用者查詢所需空間信息。

（c）組織和維護(hù)一個機構(gòu)對數(shù)據(jù)的投資。

（d）用來建立空間信息的數(shù)據(jù)目錄和數(shù)據(jù)交換中心。

（e）提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的信息。

2、空間元數(shù)據(jù)的分類

1）高層元數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)集系列Metadata），描述整個數(shù)據(jù)集的元數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)集區(qū)域采樣原則，數(shù)據(jù)庫的有效期，數(shù)據(jù)的時間跨度、分辨率以及方法等。是用戶用于概括性查詢數(shù)據(jù)集的主要內(nèi)容。

2）中層元數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)集Metadata），既可以作為數(shù)據(jù)集系列Metadata的組成部分，也可以作為后面數(shù)據(jù)集屬性以及要素等內(nèi)容的父Metadata數(shù)據(jù)集系列。全面反映數(shù)據(jù)集的內(nèi)容 。

3）底層元數(shù)據(jù)（要素、屬性的類型和實例Metadata），包括最近更新日期，位置綱量，存在問題標(biāo)識（如數(shù)據(jù)的丟失原因），數(shù)據(jù)處理過程等。是元數(shù)據(jù)體系中詳細(xì)描述現(xiàn)實世界的重要部分。

3、空間元數(shù)據(jù)的內(nèi)容

對空間元數(shù)據(jù)所要描述的一般內(nèi)容進(jìn)行層次化和范式化，指定出可供參考與遵循的空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容框架。

第一層是目錄層，主要用于對數(shù)據(jù)集信息進(jìn)行宏觀描述，適合在數(shù)字地球的國家級空間信息交換中心或區(qū)域以及全球范圍內(nèi)管理和查詢空間信息時使用。

第二層是空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的主體，由八個基本內(nèi)容部分和四個引用部分組成。????

4、元數(shù)據(jù)的獲取

數(shù)據(jù)收集前，得到的是根據(jù)要建設(shè)的數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容而設(shè)計的元數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)覆蓋范圍、使用儀器說明、數(shù)據(jù)變量表示、數(shù)據(jù)收集方法、數(shù)據(jù)時間、數(shù)據(jù)潛在利用等。

數(shù)據(jù)收集中，隨數(shù)據(jù)的形成同步產(chǎn)生的元數(shù)據(jù)，例如在測量海洋要素數(shù)據(jù)時，測點的水平和垂直位置、深度、溫度等是同時得到的。

數(shù)據(jù)收集后，根據(jù)需要產(chǎn)生的，包括數(shù)據(jù)處理過程描述、數(shù)據(jù)的利用情況、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、數(shù)據(jù)集大小、數(shù)據(jù)存放路徑等 。

六、空間數(shù)據(jù)的互操作

1、互操作含義

????指異構(gòu)環(huán)境下兩個或兩個以上的實體，盡管它們實現(xiàn)的語言、執(zhí)行的環(huán)境和基于的模型不

同，但它們可以互相通信和協(xié)作，以完成某一特定任務(wù)，這些實體包括程序、對象、系統(tǒng)運行環(huán)境等。

互操作地理信息處理，是指數(shù)字系統(tǒng)的這些能力：

1）自由地交換所有關(guān)于地球的信息，即所有關(guān)于地表上的、空中的、地球表面以下的對象的信息。

2）通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)作運行能夠操作這些信息的軟件。

概括為自由交換地理空間信息及協(xié)作運行空間信息處理的軟件。

2、GIS互操作類型

1）軟件的互操作，強調(diào)軟件功能塊間的相互調(diào)用；

2）數(shù)據(jù)的互操作，強調(diào)數(shù)據(jù)集之間相互透明的訪問；

3）語義湖操作，強調(diào)信息的共享，在一定語義約束下（對地理現(xiàn)象共同的理解下）的互操作。

3、GIS 互操作問題

目前，所建立的GIS均被認(rèn)為是信息孤島，不同系統(tǒng)之間存在互操作問題，因為：

1）沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各自采用不同的數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理方法；

2）系統(tǒng)的開發(fā)均建立在具體、相互獨立和封閉的平臺，且不同應(yīng)用部門對地理現(xiàn)象有不同的理解，導(dǎo)致對地理信息有不同的定義，使得不同應(yīng)用系統(tǒng)之間在共同協(xié)作時無法進(jìn)行信息交流和數(shù)據(jù)共享。

4、急需實現(xiàn)異構(gòu)GIS間的互操作

1）解決基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享問題的需要；

2）GIS應(yīng)用趨向多學(xué)科綜合和集成化；

3）GIS走向社會化的需要；

4）也是Internet GIS發(fā)展的需要。

5、GIS互操作現(xiàn)狀

目前，主要有兩種方法初步實現(xiàn)互操作：

1）OPEN GIS規(guī)范，通過規(guī)定統(tǒng)一的系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)軟件工具的框架，OGC（Open GIS Consortium）OPEN GIS 協(xié)會為實現(xiàn)GIS間的互操作制定了OPEN GIS規(guī)范。

2）構(gòu)件（組件）技術(shù)，構(gòu)件（組件）技術(shù)也是實現(xiàn)互操作的可行方法。程序設(shè)計中的組件技術(shù)，可以在許多不同平臺下使用，受之啟發(fā)，可將GIS某功能包裝成獨立的組件，使之可以在不同的系統(tǒng)環(huán)境下調(diào)用。這樣可實現(xiàn)系統(tǒng)功能的相互調(diào)用。

七、Open GIS規(guī)范

1、??含義：

??OGIS，也叫開放式地理數(shù)據(jù)交換規(guī)程，它是由開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會（Open GIS Consortium）制定的一系列開放標(biāo)準(zhǔn)和接口。Open GIS規(guī)范是OGC規(guī)范的最高層次，是利用軟件統(tǒng)一地表示地理數(shù)據(jù)和地理處理的規(guī)范系統(tǒng)。

2、目的：

????在傳統(tǒng)GIS軟件與高帶寬的異構(gòu)地學(xué)處理環(huán)境中架起一座橋梁，具體通過信息基礎(chǔ)設(shè)施，把地理空間數(shù)據(jù)和地理處理資源集成到主流的計算機技術(shù)中，促使可互操作的商業(yè)地理信息處理軟件的廣泛應(yīng)用。

3、特點：

1）是一種統(tǒng)一的規(guī)范，使用戶和開發(fā)者能進(jìn)行互操作；

2）能克服煩瑣的批處理及導(dǎo)入、導(dǎo)出障礙，在分布操作系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫環(huán)境下獲取數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理功能資源；

3）由于Open GIS獨立于具體平臺，它只能是抽象層的概念描述，而不是具體的實現(xiàn)。

4、 多數(shù)據(jù)格式是多源空間數(shù)據(jù)集成的瓶頸，是OpenGIS出現(xiàn)的基礎(chǔ)

1) 多語義性 由于地理系統(tǒng)的研究對象的多種類特點決定了地理信息的多語義性。一個GIS研究的決不會是一個孤立的地理語義，但不同系統(tǒng)解決問題的側(cè)重點也有所不同，因而會存在語義分異問題。

2) 多時空性和多尺度

一個GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源既有同一時間不同空間的數(shù)據(jù)系列；也有同一空間不同時間序列的數(shù)據(jù)。還會根據(jù)系統(tǒng)需要而采用不同尺度對地理空間進(jìn)行表達(dá)，不同的觀察尺度具有不同的比例尺和不同的精度。

3) 獲取手段多源性

??獲取地理空間的數(shù)據(jù)的方法有多種多樣，包括來自現(xiàn)有系統(tǒng)、圖表、遙感手段、GPS手段、統(tǒng)計調(diào)查、實地勘測等。

4) 存儲格式多源性

???圖形數(shù)據(jù)又可以分為柵格格式和矢量格式兩類。傳統(tǒng)的GIS一般將屬性數(shù)據(jù)放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，而將圖形數(shù)據(jù)存放在專門的圖形文件中。不同的GIS軟件采取不同的文件存儲格式。

5、OpenGIS規(guī)范的作用

通過OpenGIS規(guī)范把商業(yè)部門、集成部門、用戶、研究人員、數(shù)據(jù)提供商等連接到一起，通過必要的軟件工具和通信技術(shù)，為各種用戶提供對地理信息的共享和互操作。

6、??互操作地理信息的工作方式（OGIS框架）

如何實現(xiàn)OpenGIS規(guī)范，OpenGIS規(guī)范并沒有提出具體的標(biāo)準(zhǔn)實施模式，其框架主要由三部分組成

1）開放的地理數(shù)據(jù)模型（Open Geodata Model,OGM）??

???包含認(rèn)可的類型和結(jié)構(gòu)集合（將地理現(xiàn)實抽象為實體（特征）和現(xiàn)象（層）），通過這一集合，可表示任何地理模型。

2）OGIS服務(wù)模型（Open Service Model，OSM）

?? 定義地學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)的對象模型，由一組相互可操作的軟件構(gòu)件集組成，為對特征的訪問提供對象管理、獲取、操作、交換等服務(wù)設(shè)施。

3）信息群模型（Information Communities Model）

??信息群指共享數(shù)據(jù)的用戶群，可以是數(shù)據(jù)提供者、使用者。不同用戶對數(shù)據(jù)理解不同，引起語義上交流障礙。信息群模型，主要任務(wù)是解決具有統(tǒng)一的OGM（開放地理數(shù)據(jù)模型）及語義描述機制的一個信息部門內(nèi)部以及不同OGM及語義描述的信息部門之間的數(shù)據(jù)共享問題。采用的主要方法是語義轉(zhuǎn)換，使具有不同特征類定義以及語義模式的信息用戶群之間實現(xiàn)語義的互操作。

§4-6 空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)目錄

第五章 空間數(shù)據(jù)的處理

§5-1 坐標(biāo)變換

一、圖幅數(shù)據(jù)的坐標(biāo)變換

1、比例尺變換：乘系數(shù)

2、變形誤差改正：通過控制點利用高次變換、二次變換和仿射變換加以改正

3、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移 即數(shù)字化坐標(biāo)變換，利用仿射變換改正。

4、投影變換：

三種方法。

二、幾何糾正

1、高次變換

其中A、B代表二次以上高次項之和。上式是高次曲線方程，符合上式的變換稱為高次變換。式中有12個未知數(shù)，所以在進(jìn)行高次變換時，需要有6對以上控制點的坐標(biāo)和理論值，才能求出待定系數(shù)。

2、二次變換

??當(dāng)不考慮高次變換方程中的A和B時，則變成二次曲線方程，稱為二次變換。二次變換適用于原圖有非線性變形的情況，至少需要5對控制點的坐標(biāo)及其理論值，才能解算待定系數(shù)。

3、仿射變換

實質(zhì)是兩坐標(biāo)系間的旋轉(zhuǎn)變換。

設(shè)圖紙變形引起x,y兩個方向比例尺不同，當(dāng)x,y比例尺相同時，為相似變換。

特性：

·直線變換后仍為直線；

·平行線變換后仍為平行線；

·不同方向上的長度比發(fā)生變化。

??求解上式中的6個未知數(shù)，需不在一直線上的3對已知控制點，由于誤差，需多余觀測，所以，用于圖幅定向至少需要四對控制點。

三、地圖投影變換

假定原圖點的坐標(biāo)為x,y(稱為舊坐標(biāo))，新圖點的坐標(biāo)為X，Y(稱為新坐標(biāo))，則由舊坐標(biāo)變換為新坐標(biāo)的基本方程式為：

1、解析變換法1）反解變換法(又稱間接變換法)??????2）正解變換法(又稱直接變換法)

2、數(shù)值變換法

利用若干同名數(shù)字化點（對同一點在兩種投影中均已知其坐標(biāo)的點），采用插值法、有限差分法或多項式逼近的方法，即用數(shù)值變換法來建立兩投影間的變換關(guān)系式。??

3、數(shù)值解析變換法

當(dāng)已知新投影的公式，但不知原投影的公式時，可先通過數(shù)值變換求出原投影點的地理坐標(biāo)φ，λ，然后代入新投影公式中，求出新投影點的坐標(biāo)。即：

§5-2 圖形編輯

圖形編輯又叫數(shù)據(jù)編輯、數(shù)字化編輯，是指對地圖資料數(shù)字化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯加工，其主要的目的是在改正數(shù)據(jù)差錯的同時，相應(yīng)地改正數(shù)字化資料的圖形。

圖形編輯是一交互處理過程， GIS具備的圖形編輯功能的要求是：

1）具有友好的人機界面，即操作靈活、易于理解、響應(yīng)迅速等；

2）具有對幾何數(shù)據(jù)和屬性編碼的修改功能，如點、線、面的增加、刪除、修改等；

3）具有分層顯示和窗口操作功能，便于用戶的使用。

一、編輯操作

1、結(jié)點的編輯

1）結(jié)點吻合(Snap) 或稱結(jié)點匹配、結(jié)點咬合，結(jié)點附和。

方法：

A、 結(jié)點移動，用鼠標(biāo)將其它兩點移到另一點；

B、 鼠標(biāo)拉框，用鼠標(biāo)拉一個矩形，落入該矩形內(nèi)的結(jié)點坐標(biāo)通過求它們的中間坐標(biāo)匹配成一致；

C、 求交點，求兩條線的交點或其延長線的交點，作為吻合的結(jié)點；

D、自動匹配，給定一個吻合容差，或稱為咬合距，在圖形數(shù)字化時或之后，將容差范圍內(nèi)的結(jié)點自動吻合成一點。一般，若結(jié)點容差設(shè)置合理，大多數(shù)結(jié)點能夠吻合在一起，但有些情況還需要使用前三種方法進(jìn)行人工編輯。??

2）結(jié)點與線的吻合在數(shù)字化過程中，常遇到一個結(jié)點與一個線狀目標(biāo)的中間相交。由于測量或數(shù)字化誤差，它不可能完全交于線目標(biāo)上，需要進(jìn)行編輯，稱為結(jié)點與線的吻合。

編輯的方法：

A、 結(jié)點移動，將結(jié)點移動到線目標(biāo)上。B、 使用線段求交；C、 自動編輯，在給定容差內(nèi)，自動求交并吻合在一起。

3）需要考慮兩種情況

A、 要求坐標(biāo)一致，而不建立拓?fù)潢P(guān)系；如 高架橋（不需打斷，直接移動）

B、 不僅坐標(biāo)一致，且要建立之間的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系；如 道路交叉口（需要打斷）

4）清除假結(jié)點（偽結(jié)點）

由僅有兩個線目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的結(jié)點成為假結(jié)點。

有些系統(tǒng)要將這種假結(jié)點清除掉（如ARC/INFO），即將目標(biāo)A 和B合并成一條，使它們之間不存在結(jié)點;

但有些系統(tǒng)并不要求清除假結(jié)點，如Geostar,因為它們并不影響空間查詢、分析和制圖。

2、圖形編輯

包括用鼠標(biāo)增加或刪除一個點、線、面實體，移動、旋轉(zhuǎn)一個點、線、面實體。

1）刪除和增加一個頂點刪除頂點，在數(shù)據(jù)庫中不用整體刪除與目標(biāo)有關(guān)的數(shù)據(jù)，只是在原來存儲的位置重寫一次坐標(biāo)，拓?fù)潢P(guān)系不變。增加頂點，則操作和處理都要復(fù)雜。不能在原來的存儲位置上重寫，需要給一個新的目標(biāo)標(biāo)識號，在新位置上重寫，而將原來的目標(biāo)刪除，此時需要做一系列處理，調(diào)整空間拓?fù)潢P(guān)系。

2）移動一個頂點 移動頂點只涉及某個點的坐標(biāo)，不涉及拓?fù)潢P(guān)系的維護(hù)，較簡單。

3）刪除一段弧段復(fù)雜，先要把原來的弧段打斷,存儲上原來的弧段實際被刪除，拓?fù)潢P(guān)系需要調(diào)整和變化.

3、數(shù)據(jù)檢查與清理數(shù)據(jù)檢查指拓?fù)潢P(guān)系的檢查，結(jié)點是否匹配，是否存在懸掛弧段，多邊形是否封閉，是否有假結(jié)點。

要求系統(tǒng)能將有錯誤或不正確的拓?fù)潢P(guān)系的點、線和面用不同的顏色和符號表示出來，以便于人工檢查和修改。

數(shù)據(jù)清理則是用自動的方法清除空間數(shù)據(jù)的錯誤.

????例如給定一個結(jié)點吻合的容差使該容差范圍內(nèi)的結(jié)點自動吻合在一起，并建立拓?fù)潢P(guān)系。給定懸掛弧段容差，將小于該容差的短弧自動刪除。在Arc/info中用Data Clean 命令，在Geostar中選擇整體結(jié)點匹配菜單。

4、撤消與恢復(fù)編輯

??Undo,Redo功能是必要的。但功能的實現(xiàn)是困難的。當(dāng)撤消編輯，即恢復(fù)目標(biāo)，要恢復(fù)目標(biāo)的標(biāo)識和坐標(biāo)、拓?fù)潢P(guān)系。這一處理過程相當(dāng)復(fù)雜.

??因此，有些GIS不在圖形編輯時實時建立和維護(hù)拓?fù)潢P(guān)系，如Arc/Info等，而在圖形編輯之后，發(fā)Clean 或Build命令重新建立拓?fù)潢P(guān)系。這樣，在每次進(jìn)行任何一次編輯，都要重新Clean 或Build，對用戶不便。

二、關(guān)鍵算法

1、點的捕捉

設(shè)光標(biāo)點為S(x,y)，

某一點狀要素的坐標(biāo)為A(X，Y)

可設(shè)一捕捉半徑D(通常為3～5個象素，這主要由屏幕的分辯率和屏幕的尺寸決定)。

若S和A的距離d小于D則認(rèn)為捕捉成功，即認(rèn)為找到的點是A，否則失敗，繼續(xù)搜索其它點。

乘方運算影響了搜索的速度，因此，把距離d的計算改為：

捕捉范圍由圓改為矩形，這可大大加快搜索速度。

2、線的捕捉

設(shè)光標(biāo)點坐標(biāo)為S(x,y)，D為捕捉半徑，線的坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)。通過計算S到該線的每個直線段的距離d。.

若min(d1,d2,…dn-1)＜D，則認(rèn)為光標(biāo)S捕捉到了該條線，否則為未捕捉到。

加快線捕捉的速度的方法：

1）在實際的捕捉中，可每計算一個距離di就進(jìn)行一次比較，若di＜D，則捕捉成功，不需再進(jìn)行下面直線段到點S的距離計算了。

2）把不可能被光標(biāo)捕捉到的線，用簡單算法去除。

3）對于線段也采用類似的方法處理。

4）簡化距離公式：

??點S(x,y)到直線段(x1,y1),(x2,y2)的距離d的計算公式為：

??

3、面的捕捉

實際上就是判斷光標(biāo)點S(x,y)是否在多邊形內(nèi)，若在多邊形內(nèi)則說明捕捉到。

??判斷點是否在多邊形內(nèi)的算法主要有垂線法或轉(zhuǎn)角法。

??垂線法的基本思想是從光標(biāo)點引垂線(實際上可以是任意方向的射線)，計算與多邊形的交點個數(shù)。

??若交點個數(shù)為奇數(shù)則說明該點在多邊形內(nèi)；若交點個數(shù)為偶數(shù)，則該點在多邊形外。

??加快速度的方法：

1）找出該多邊形的外接矩形，若光標(biāo)點落在該矩形中，才有可能捕捉到該面，否則放棄對該多邊形的進(jìn)一步計算和判斷。

2）對不可能有交點的線段應(yīng)通過簡單的坐標(biāo)比較迅速去除。

3）運用計算交點的技巧。

4、圖形編輯的數(shù)據(jù)組織—空間索引

為加速檢索，需要分層建索引，主要方法有格網(wǎng)索引和四叉樹索引。

1）格網(wǎng)索引

a、每個要素在一個或多個網(wǎng)格中

b、每個網(wǎng)格可含多個要素

c、要素不真正被網(wǎng)格分割 ，

2）四叉樹索引

線性四叉樹和層次四叉樹都可以用來進(jìn)行空間索引。

A、線性四叉樹，先采用Morton或Peano碼，再根據(jù)空間對象覆蓋的范圍進(jìn)行四叉樹分割。

B、層次四叉樹，需要記錄中間結(jié)點和父結(jié)點與子結(jié)點之間的指針，若某個地物覆蓋了哪個中間結(jié)點，還要記錄該空間對象的標(biāo)識。

§5-3 拓?fù)潢P(guān)系的自動建立

1、在圖形采集和編輯中實時建立

（見龔建雅的書）

二、多邊形拓?fù)潢P(guān)系自動建立

1、鏈的組織

1）找出在鏈的中間相交的情況，自動切成新鏈；

2）把鏈按一定順序存儲，并把鏈按順序編號。

2、結(jié)點匹配

1） 把一定限差內(nèi)的鏈的端點作為一個結(jié)點，其坐標(biāo)值取多個端點的平均值。

2）對結(jié)點順序編號。??

3、檢查多邊形是否閉合

通過判斷一條鏈的端點是否有與之匹配的端點來進(jìn)行.

多邊形不閉合的原因：

1）由于結(jié)點匹配限差的問題，造成應(yīng)匹配的端點未匹配；

2）由于數(shù)字化誤差較大，或數(shù)字化錯誤，這些可以通過圖形編輯或重新確定匹配限差來確定。

3）還可能這條鏈本身就是懸掛鏈，不需參加多邊形拓?fù)?，這種情況下可以作一標(biāo)記，使之不參加下一階段拓?fù)浣⒍噙呅蔚墓ぷ鳌?/span>

4、建立多邊形

1）概念

a、順時針方向構(gòu)多邊形：指多邊形是在鏈的右側(cè)。

b、最靠右邊的鏈：指從鏈的一個端點出發(fā)，在這條鏈的方向上最右邊的第一條鏈，實質(zhì)上它也是左邊最近鏈。a的最右邊的鏈為d

c、多邊形面積的計算

??

2）建立多邊形的基本過程

1° 順序取一個結(jié)點為起始結(jié)點，取完為止；取過該結(jié)點的任一條鏈作為起始鏈。

2° 取這條鏈的另一結(jié)點，找這個結(jié)點上，靠這條鏈最右邊的鏈，作為下一條鏈。

3° 是否回到起點：是，已形成一多邊形，記錄之，并轉(zhuǎn)4°；否，轉(zhuǎn)2°。

4°取起始點上開始的，剛才所形成多邊形的最后一條邊作為新的起始鏈，轉(zhuǎn)2°；若這條鏈已用過兩次，即已成為兩個多邊形的邊，則轉(zhuǎn)1°。

5、島的判斷

找出多邊形互相包含的情況.

1°、計算所有多邊形的面積。

2°、分別對面積為正的多邊形和面積為負(fù)的多邊形排序。

3°、從面積為正的多邊形中，順序取每個多邊形，取完為止。若負(fù)面積多邊形個數(shù)為0，則結(jié)束。

4°、找出該多邊形所包含的所有面積為負(fù)的多邊形，并把這些面積為負(fù)的多邊形加入到包含它們的多邊形中，轉(zhuǎn)3°。

正面積多邊形包含的負(fù)面積多邊形是關(guān)鍵.

1°、找出所有比該正面積多邊形面積小的負(fù)面積多邊形。

2°、用外接矩形法去掉不可能包含的多邊形。即負(fù)面積多邊形的外接矩形不和該正面積多邊形的外接矩形相交或被包含時，則不可能為該正面積多邊形包含。

3°、取負(fù)面積多邊形上的一點，看是否在正面積多邊形內(nèi)，若在內(nèi)，則被包含；若在外，則不被包含。

??6、確定多邊形的屬性

多邊形以內(nèi)點標(biāo)識。內(nèi)點與多邊形匹配后,內(nèi)點的屬性常賦于多邊形.

??

§5-4 圖形的裁剪、合并和圖幅接邊

一、圖形的裁剪--開窗處理

1、方式：

???? 正窗：提取窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)。??開負(fù)窗：提取窗口外的數(shù)據(jù)子集。

?? 矩形窗和多邊形窗。

2、算法：

??包括點、線、面的窗口裁剪---計算機圖形學(xué)。

????而不規(guī)則多邊形開窗------相當(dāng)于多邊形疊置處理。

二、圖形合并---數(shù)據(jù)文件合并

??一幅圖內(nèi)的多層數(shù)據(jù)合并在一起;

??或?qū)⑾噜彽亩喾鶊D的同一層數(shù)據(jù)合并.

??涉及到空間拓?fù)潢P(guān)系的重建。對于多邊形，由于同一個目標(biāo)在兩幅圖內(nèi)已形成獨立的多邊形，合并時，需去除公共邊界，屬性合并，具體算法，刪去共同線段。 實際處理過程是先刪除兩個多邊形，解除空間關(guān)系后，刪除公共邊，再重建拓?fù)洹?/span>

三、圖幅接邊—形成無縫數(shù)據(jù)庫

幾何裂縫：指由數(shù)據(jù)文件邊界分開的一個地物的兩部分不能精確地銜接。--幾何接邊

邏輯裂縫：同一地物地物編碼不同或具有不同的屬性信息，如公路的寬度，等高線高程等。---邏輯接邊??

1、識別或提取相鄰圖幅。--要求圖幅編號合理

2、幾何接邊

3、邏輯接邊

1）檢查同一地物在相鄰圖幅的地物編碼和屬性值是否一致，不一致，進(jìn)行人工編輯。

2）將同一地物在相鄰圖幅的空間數(shù)據(jù)在邏輯上連在一起。

§5-5 空間插值

空間插值:

內(nèi)插:在已觀測點的區(qū)域內(nèi)估算未觀測點的數(shù)據(jù)的過程；

外推:在已觀測點的區(qū)域外估算未觀測點的數(shù)據(jù)的過程.—--預(yù)測。

一、邊界內(nèi)插

??首先假定任何重要的變化都發(fā)生在區(qū)域的邊界上，邊界內(nèi)的變化則是均勻的、同質(zhì)的。

??邊界內(nèi)插的方法之一是泰森多邊形法。

泰森多邊形法的基本原理是，未知點的最佳值由最鄰近的觀測值產(chǎn)生。

二、趨勢面分析

是一種多項式回歸分析技術(shù)。多項式回歸的基本思想是用多項式表示線或面，按最小二乘法原理對數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，擬合時假定數(shù)據(jù)點的空間坐標(biāo)X、Y為獨立變量，而表示特征值的Z坐標(biāo)為因變量。

1、當(dāng)數(shù)據(jù)為一維時，

1）線性回歸:

2、數(shù)據(jù)是二維的

二元二次或高次多項式

三、局部內(nèi)插

利用局部范圍內(nèi)的已知采樣點的數(shù)據(jù)內(nèi)插出未知點的數(shù)據(jù)。

1、線性內(nèi)插

將內(nèi)插點周圍的3個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)值帶入多項式，即可解算出系數(shù)a0、a1、a2 。

2、雙線性多項式內(nèi)插

將內(nèi)插點周圍的4個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)值帶入多項式，即可解算出系數(shù)a0、a1、a2、a3 。

3、雙三次多項式（樣條函數(shù)）內(nèi)插

是一種分段函數(shù),每次只用少量的數(shù)據(jù)點，故內(nèi)插速度很快；樣條函數(shù)通過所有的數(shù)據(jù)點，故可用于精確的內(nèi)插；可用于平滑處理。

????雙三次多項式內(nèi)插的多項式函數(shù)為：??

????

四、移動平均法

在局部范圍（或稱窗口）內(nèi)計算個數(shù)據(jù)點的平均值

二維平面的移動平均法也可用相同的公式，但位置Xi應(yīng)被坐標(biāo)矢量Xi代替。

?? 窗口的大小對內(nèi)插的結(jié)果有決定性的影響。

?? 小窗口將增強近距離數(shù)據(jù)的影響；??大窗口將增強遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)的影響，減小近距離數(shù)據(jù)的影響。

當(dāng)觀測點的相互位置越近，其數(shù)據(jù)的相似性越強；當(dāng)觀測點的相互位置越遠(yuǎn)，其數(shù)據(jù)的相似性越低。

加權(quán)移動平均法:λi是采樣點i對應(yīng)的權(quán)值

加權(quán)平均內(nèi)插的結(jié)果隨使用的函數(shù)及其參數(shù)、采樣點的分布、窗口的大小等的不同而變化。通

?? 常使用的采樣點數(shù)為6—8點。對于不規(guī)則分布的采樣點需要不斷地改變窗口的大小、形狀和方向，以獲取一定數(shù)量的采樣點。

§5-6 數(shù)據(jù)壓縮與光滑

一、數(shù)據(jù)壓縮

矢量數(shù)據(jù)壓縮

柵格數(shù)據(jù)壓縮

1、 Douglas—Peucker

壓縮效果好，但必須在對整條曲線數(shù)字化完成后才能進(jìn)行，且計算量較大；

2、垂距法

每次順序取曲線上的三個點，計算中間點與其它兩點連線的垂線距離d，并與限差D比較。若d＜D，則中間點去掉；若d≥D，則中間點保留。然后順序取下三個點繼續(xù)處理，直到這條線結(jié)束。

壓縮算法好，可在數(shù)字化時實時處理，每次判斷下一個數(shù)字化的點，且計算量較小；

3、光欄法

??定義一個扇形區(qū)域，通過判斷曲線上的點在扇形外還是在扇形內(nèi)，確定保留還是舍去。

算法簡單，速度快，但有時會將曲線的彎曲極值點p值去掉而失真。

二、曲線光滑（擬合）

是假象曲線為一組離散點，尋找形式較簡單、性能良好的曲線解析式。

插值方式：曲線通過給定的離散點。如拉格朗日插值，三次樣條曲線

逼近方式：曲線盡量逼近給定離散點。如貝塞爾和B樣條曲線。

一、矢量向柵格轉(zhuǎn)換

點：簡單的坐標(biāo)變換

線：線的柵格化

面：線的柵格化 +面填充

（一）線的柵格化

1、DDA法(數(shù)字微分分析法)

2、Bresenham算法

（二）面(多邊形)的填充方法??

1、內(nèi)部點擴(kuò)散法（種子擴(kuò)散法）

2、掃描法

3、邊填充算法

二、柵格向矢量轉(zhuǎn)換

從柵格單元轉(zhuǎn)換為幾何圖形的過程為矢量化；

（一）要求（矢量化過程應(yīng)保持）：

1）??柵->矢轉(zhuǎn)換為拓?fù)滢D(zhuǎn)換，即保持實體原有的連通性、鄰接性等；

2）??轉(zhuǎn)換實體保持正確的外形。

（二）方法

方法一，實際應(yīng)用中大多數(shù)采用人工矢量化法，如掃描矢量化，該法工作量大，成為GIS數(shù)據(jù)輸入、更新的瓶頸問題之一。

方法二，程序轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)換（全自動或半自動）

過程為：

1、邊界提取

2、二值化

3、二值圖像的預(yù)處理??

4、細(xì)化:1）剝皮法 2)骨架法

5、跟蹤?? 6、拓?fù)浠?/span>

?