第2章 地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

三、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型

1.矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指基于矢量模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是利用歐幾里得幾何學(xué)中的點(diǎn)、線、面及其組合體來表示地理實(shí)體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為以下幾種主要類型:

(1)實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

①在實(shí)體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，最典型的是所謂面條結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是;1數(shù)據(jù)按點(diǎn)、線或多邊形為單元進(jìn)行組織，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直觀簡(jiǎn)單。

②每個(gè)多邊形都以閉合線段存儲(chǔ)，多邊形的公共邊界被數(shù)字化兩次和存儲(chǔ)兩次，容易造成數(shù)據(jù)冗余和產(chǎn)生不一致性。

③點(diǎn)、線和多邊形有各自的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但沒有拓?fù)鋽?shù)據(jù)，彼此不關(guān)聯(lián)。

④島或洞只作為一個(gè)單個(gè)圖形，沒有與外界多邊形的聯(lián)系。

(2)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括對(duì)偶獨(dú)立地圖編碼法、多邊形轉(zhuǎn)換器、地理編碼和參照系統(tǒng)的拓?fù)涫鄢傻?，他們共同的?/p>

點(diǎn)是:

①點(diǎn)是相互獨(dú)立的，點(diǎn)連成線，線構(gòu)成面。

②每條線始于起始節(jié)點(diǎn)，止于中止節(jié)點(diǎn)，并與左右多邊形相鄰接。

③構(gòu)成多邊形的線又稱為弧段，兩條以上的弧段相交的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，由一條弧段組成的多邊形稱為島或洞。多邊形圖中不含島的多邊形稱為簡(jiǎn)單多邊形。

④含島的多邊形稱為復(fù)合多邊形。在復(fù)合多邊形中包括有外邊界和內(nèi)邊界，島被看做是復(fù)合多邊形的內(nèi)邊界。

2.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念

柵格數(shù)據(jù)是基于柵格模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是將空間分割成有規(guī)則的網(wǎng)格，在各個(gè)柵格單元上給出相應(yīng)的屬性值來表示地理實(shí)體的一種數(shù)據(jù)組織形式。

(2)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

①在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)由一個(gè)單元網(wǎng)格表示。線由一串有序的相互連接的單元網(wǎng)格表示，各個(gè)網(wǎng)格的值相同。多邊形由聚集在一起的相互連接的單元網(wǎng)格組成，區(qū)域內(nèi)部的網(wǎng)格值相同，但與外部網(wǎng)格的值不同。

②柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示的是二維表面上地理要素的離散化數(shù)值，每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一種屬性。其空間位置用行和列標(biāo)識(shí)。網(wǎng)格通常是正方形，有時(shí)也采用矩形、等邊三角形和正六邊形，

③網(wǎng)格邊長(zhǎng)決定了柵格數(shù)據(jù)的精度，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2-1所示，合理的網(wǎng)格尺寸的計(jì)算方法為

(3)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)類型:

①柵格矩陣結(jié)構(gòu)

柵格矩陣結(jié)構(gòu)是一種用矩陣來存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)單元的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，由點(diǎn)、線和多邊形組成的矢量數(shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)。

②游程(行程)編碼結(jié)構(gòu)

a.游程編碼的概念

游程是指柵格矩陣一行內(nèi)相鄰?fù)禆鸥竦臄?shù)量，游程編碼結(jié)構(gòu)是逐行將相鄰?fù)档臇鸥窈喜?，記錄合并后柵格的值及合并柵格的?shù)量。

b.游程編碼建立的方法

游程編碼結(jié)構(gòu)的建立方法是:將柵格矩陣的一行數(shù)據(jù)序列X1，Xx，映射為相應(yīng)的二元組序列(A，P)， i=1，…，k，且k≤n。其中，A:為屬性值，P 為游程，i 為游程序號(hào)。

③四叉樹結(jié)構(gòu)

a.四叉樹結(jié)構(gòu)的原理

四叉樹的原理是將空間區(qū)域按照四個(gè)象限進(jìn)行遞歸分割n次，每次分割形成2x2"個(gè)子象限，直到子象限中的屬性數(shù)值都相同為止，該子象限就不再分割。凡屬性值都相同的子象限，不論大小，均作為最后的存儲(chǔ)單元生成四叉樹有自上而下方式和自下而上方式兩種方法。

b.四叉樹的存儲(chǔ)方法

第一，常規(guī)四叉樹，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)通常儲(chǔ)存6個(gè)量，即4個(gè)子節(jié)點(diǎn)指針、一個(gè)父節(jié)點(diǎn)指針和一個(gè)節(jié)點(diǎn)值。常規(guī)四叉樹可采用自下而上的方法建立，對(duì)柵格按莫頓碼順序進(jìn)行檢測(cè)。

第二，線性四叉樹，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)只儲(chǔ)存3個(gè)量，即莫頓碼、深度(或節(jié)點(diǎn)大小)和節(jié)點(diǎn)值。線性四叉樹編碼的基本思想是:不需記錄中間節(jié)點(diǎn)、0值節(jié)點(diǎn)，也不使用指針，僅記錄非0值葉節(jié)點(diǎn)，并用莫頓碼表示葉節(jié)點(diǎn)的位置。

3.曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

曲面是指連統(tǒng)分布現(xiàn)象的覆蓋表面，表達(dá)曲面的方法有不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)(Grid)。

(1)TIN的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

TIN曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常用于數(shù)字地形的三維建模和顯示。它是將離散分布的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)連成三角網(wǎng)，網(wǎng)中的每個(gè)三角形要求盡量接近等邊形狀，并保證由最近鄰的點(diǎn)構(gòu)成三角形，即三角形的邊長(zhǎng)之和最小。

(2)規(guī)則格網(wǎng)的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

規(guī)則格網(wǎng)的曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似于矩陣形式的柵格數(shù)據(jù)，只是其屬性值為地面的高程或其他連續(xù)分布現(xiàn)象的數(shù)值。

四、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立

空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立是指根據(jù)確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，形成與該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的GIS空間數(shù)據(jù)，為空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供基礎(chǔ)。

1.系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)源間的關(guān)系

GIS 數(shù)據(jù)的一個(gè)重要特征是數(shù)據(jù)與功能之間具有密切的聯(lián)系，確定這些類型的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的功能所決定

的。

2.空間數(shù)據(jù)的分類與編碼

(1)空間數(shù)據(jù)分類的概念

空間數(shù)據(jù)的分類是指根據(jù)系統(tǒng)功能及國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，將具有不同屬性或特征的要素區(qū)別開來的過程，以便從邏輯上將空間數(shù)據(jù)組織為不同的數(shù)據(jù)層，為數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、查詢和共享提供依據(jù)。

(2)我國(guó)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的分類

我國(guó)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分為測(cè)量控制點(diǎn)、水系、居民地、交通、管線與垣柵、境界、地形與土質(zhì)和植被等八個(gè)大類，然后再依次細(xì)分為小類、一級(jí)類、二級(jí)類等。

(3)空間數(shù)據(jù)的編碼

①空間數(shù)據(jù)編碼的概念

空間數(shù)據(jù)的編碼是指將數(shù)據(jù)分類結(jié)果用一種易于被計(jì)算機(jī)和人識(shí)別的符號(hào)系統(tǒng)表示出來的過程。編碼的結(jié)果是形成代碼。代碼由數(shù)字或字符組成，或由它們共同組成混合碼。

②空間數(shù)據(jù)編碼的目的

編碼的目的，是用來提供空間數(shù)據(jù)的地理分類和特征描述，同時(shí)為了便于地理要素的輸入、存儲(chǔ)、管理，以及系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換和共享的需要。

3.矢量數(shù)據(jù)的輸入與編輯

(1)矢量數(shù)據(jù)輸入的概念

矢量數(shù)據(jù)的輸入過程實(shí)際上是把經(jīng)過分類和編碼的地理要素的空間位置，轉(zhuǎn)換為一系列坐標(biāo)，然后將這些坐標(biāo)按照確定的數(shù)據(jù)格式存入到計(jì)算機(jī)中去。這一過程常常稱為數(shù)字化。

(2)數(shù)字化的方法

數(shù)字化方法包括手扶跟蹤數(shù)字化儀數(shù)字化、屏幕數(shù)字化、掃描矢量化等。

(3)手扶跟蹤數(shù)字化儀數(shù)字化過程

以手扶跟蹤數(shù)字化儀數(shù)字化為例，其數(shù)據(jù)輸入操作包括為原圖準(zhǔn)備、連接數(shù)字化儀、輸入變換數(shù)據(jù)、輸入空間實(shí)體坐標(biāo)數(shù)據(jù)、檢查和修改數(shù)字化錯(cuò)誤、輸入屬性數(shù)據(jù)、檢查和修改屬性錯(cuò)誤這些過程。

(4)屏幕數(shù)字化的過程

屏幕數(shù)字化的過程包括打開柵格圖像文件、圖像配準(zhǔn)、輸入空間和屬性數(shù)據(jù)這些步驟。(5)空間數(shù)據(jù)編輯的目的

空間數(shù)據(jù)編輯的目的是為了消除數(shù)字化過程中引人的錯(cuò)誤，以及將數(shù)字化數(shù)據(jù)重新組織，以便得到便干進(jìn)一

步處理和使用的格式。

4.柵格數(shù)據(jù)的輸入

常用的產(chǎn)生柵格數(shù)據(jù)的方法包括:掃描輸入、遙感影像解譯和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等。

(1)掃描輸入

掃描輸入是通過工程掃描儀，將地圖掃描成圖像存儲(chǔ)，成為數(shù)字柵格圖(DRG)數(shù)據(jù)。

(2)遙感影像解譯

遙感影像可以直接通過對(duì)遙感圖像的分類解譯，得到相應(yīng)的分類柵格數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換是指可以把矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的空間數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。

5、曲面數(shù)據(jù)的輸入

曲面數(shù)據(jù)主要指數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)，通常采用對(duì)已知高程的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行空間插值的方法來生成。

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