矢量栅格一体化数据结构.docx

矢量栅格一体化数据结构 一、矢量、栅格数据结构的优缺点矢量数据结构可具体分为点、线、面，可以构成现实世界中各种复杂的实体，当问题可 描述成线或边界时，特别有效矢量数据的结构紧凑，冗余度低，并具有空间实体的拓扑信 息，容易定义和操作单个空间实体，便于网络分析矢量数据的输出质量好、精度高矢量数据结构的复杂性，导致了操作和算法的复杂化，作为一种基于线和边界的编码方 法，不能有效地支持影像代数运算，如不能有效地进行点集的集合运算（如叠加），运算效率 低而复杂由于矢量数据结构的存贮比较复杂，导致空间实体的查询十分费时，需要逐点、 逐线、逐面地查询矢量数据和栅格表示的影像数据不能直接运算（如联合查询和空间分析）， 交互时必须进行矢量和栅格转换矢量数据与DEM（数字高程模型）的交互是通过等高线来 实现的，不能与 DEM 直接进行联合空间分析栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空间现象的其数据结构简 单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，对 栅格数据的操作比较容易栅格数据的数据量与格网间距的平方成反比，较高的几何精度的代价是数据量的极大增 加因为只使用行和列来作为空间实体的位置标识，故难以获取空间实体的拓扑信息，难以 进行网络分析等操作。

栅格数据结构不是面向实体的，各种实体往往是叠加在一起反映出来 的，因而难以识别和分离对点实体的识别需要采用匹配技术，对线实体的识别需采用边缘 检测技术，对面实体的识别则需采用影像分类技术，这些技术不仅费时，而且不能保证完全 正确优点缺点矢 量K便于面向现象（土壤类，±1也利 用单元等）其结构紧察冗余度低便于描述 线或边界3、 利于网略、检索分析，提供有 效的拓扑编码，对需要拓扑信息的操作4. 图形显示质量妬 精度高K数JE结构复杂，各自定义，不便 于数据标准化和规范化，数据交换困 难2. 券边形叠置分析困难，没有栅 格有效，表达空间变化性能力差3. 不能像数字图像那样做增强处 理4. 软硬件技术要求高，显示与绘图 成本较高栅 格K结枸筒单，易数摒交换御2.叠置分析和地理（能有效表达空 可变性）现象模拟较易乩利于与感遥数据的匹配应用和分 析，便于图翻佩4.輸出快速，成本低廉K现象识别效果不如矢量方洙 难 以表达拓扑rams就，不严密 不紧揍，需用压缩技术堺决该问题3、 投影转换困难*4. 图形质量转低，图形輸出不美观, 銭察有锯齿，需用增加栅格数量耒克 腮 但会增加数摒文件*图2-4-1矢量、栅格数据结构的优缺点通过以上的分析可以看出，矢量数据结构和栅格数据结构的优缺点是互补的（图2-4-1）， 为了有效地实现GIS中的各项功能（如与遥感数据的结合,有效的空间分析等）需要同时使用 两种数据结构，并在GIS中实现两种数据结构的高效转换。

在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系 统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构一般来讲，栅格结构可用于大范围小比例尺 的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究矢量结构用于城市分区或详细规划、土地管 理、公用事业管理等方面的应用矢栅一体化的概念对于面状地物，矢量数据用边界表达的方法将其定义为多边形的边界和一内部点， 多边形的中间区域是空洞而在基于栅格的GIS中，一般用元子空间充填表达的方法将多边 形内任一点都直接与某一个或某一类地物联系显然，后者是一种数据直接表达目标的理想 方式对线状目标，以往人们仅用矢量方法表示事实上，如果将矢量方法表示的线状地物也用元子空间充填表达的话，就能将矢量 和栅格的概念辨证统一起来，进而发展矢量栅格一体化的数据结构假设在对一个线状目标 数字化采集时，恰好在路径所经过的栅格内部获得了取样点，这样的取样数据就具有矢量和 栅格双重性质一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息， 并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目 标建立了联系用體卡眾坐梅表晦的业團3343344334433斗斗3斗斗■24222222图2-4-2矢栅一体化的概念因此，可采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的表达方法作为一体化数据结构的基 础。

每个线状目标除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格； 每个面状地物除记录 它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格 无论是点状地物、线状地物、还是面状地 物均采用面向目标的描述方法，因而它可以完全保持矢量的特性，而元子空间充填表达建立 了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质这就是一体化数据结构的基本概念（图2-4-2） 从原理上说，这是一种以矢量的方式来组织栅格数据的数据结构三个约定和细分格网法（一）三个约定 为了设计点、线、面状地物具体的一体化数据结构，首先作如下约定：1 、地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在 计算机内部仅有一个位置数据2 、地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上 的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径3 、地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的 投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成二）细分格网法 由于一体化数据结构是基于栅格的，表达目标的精度必然受栅格尺寸的限制可利用细 分格网法提高点、线（包括面状地物边界）数据的表达精度，使一体化数据结构的精度达到 或接近矢量表达精度。

细格凶内冉、成 256)X25库的务网和勺交、iyon码点和Mor ton码表示（简称M码）前一 Ml表示地址码，后者M2表示该点对应的细分格网…」 .〜 可转换为Ml =275碍2豳和卞用址tE与整7』.、厶Jr本格为了细格网均采用十进制线性四叉树编码，将'点用'如图2-4-3所示，在有点、线通过的基本格卩 低时，可细分为16X16个细格网）体空间数 线性"--J・・码，亦即将一对X,Y坐标用两个Mor ton网的码代替例如 X=210.00, Y=172.32,这种方法可将栅格数据的表达精度提高256倍，而存贮量仅在有点、、线通过的格网上増 加两个字节（当细分为16X16格网时，存贮量仅增加一个字节，精度提高・16倍）矢栅一体化数据结构的设计多级线性四叉树编码、三 性四叉树是基本数据格式 足够精度体化的数据结构奠定了基础线结构的基本依据，细分格网法保证1、点状地物和结点的数据结构 根据基本对点状地物的约定，点仅有位置、没有形状和面积，不必将点状地物作为一个 覆盖层分解为四叉树，只要将点的坐标转化为地址码M1和M2,而不管整个构形是否为四叉 树这种结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点状目标的情 况。

所有的点状地物以及弧段之间的结点数据用一个文件表示，其结构见表2-4-1可见， 这种结构几乎与矢量结构完全一致表2-4-1点状地物和结点的数拯结构2、线状地物的数据结构 一般认为用四叉树表达线状地物是困难的但采用元子填满整条路径的方法，它的 数据结构将变得十分简单根据对线状地物的约定，线状地物有形状但没有面积，没有面积 意味着线状地物和点状地物一样不必用一个完全的覆盖层分解四叉树，而只要用一串数据表 达每个线状地物的路径即可，表达一条路径就是要将该线状地物经过的所有栅格的地址全部 记录下来一个线状地物可能有几条弧段组成，所以应先建立一个弧段数据文件，如表 2-4-2 所示表2-4-2弧段的数拯结构弧丰科号妙点号终结点号中间点串2OO7S1002510026S8.7 ^-19.43? ,92 43 ^,439...表2-4-3銭状地物的数JE结构细科号弧段丰科号300 S1200 7S, 200??3003220092, 200P8, 200P9表 2-4-2 中的起结点号和终结点号是该弧段的两个端点，它们与表2-4-1 联接可建立弧 段与结点间的拓扑关系表2-4-2中的中间点串不仅包含了原始采样点（已转换成用Ml、 M2 表示），而且包含了该弧段路径通过的所有格网边的交点，它所包含的码填满了整条路 径。

为了充分表达线性地物在地表的空间特性，增加高程Z分量一条线性地物是在崎岖的 地面上通过的，只有记录该曲线通过的DEM格网边上的交点的坐标和高程值才能较好地表达 它的空间形状和长度虽然这种数据结构比单纯的矢量结构增加了一定的存储量，但它解决了线状地物的 四叉树表达问题，使它与点状、面状地物一起建立统一的基于线性四叉树编码的数据结构体 系这对于点状地物与线状地物相交，线状地物之间的相交，以及线状地物与面状地物相交 的查询问题变得相当简便和快速有了弧段数据文件，线状地物的数据结构仅是它的集合表示，如表2-4-33、面状地物的数据结构根据对面状地物的约定，一个面状地物应记录边界和边界所包围的整个面域其中 边界由弧段组成，它同样引用表2-4-2 中的弧段信息面域信息则由线性四叉树或二维行程 编码表示同一区域的各类不同地物可形成多个覆盖层，例如建筑物、耕地、湖泊等可形成一 个覆盖层，土地利用类型、土壤类型又可形成另外两个覆盖层这里规定每个覆盖层都是单 值的，即每个栅格内仅有一个面状地物的属性值每个覆盖层可用一棵四叉树或一个二维行 程编码来表示为了建立面向地物的数据结构，做这样的修改，二维行程编码中的属性值可 以是叶结点的属性值，也可以是指向该地物的下一个子块的循环指针。

即用循环指针将同属 于一个目标的叶结点链接起来，形成面向地物的结构0Q4444400448400888808808(a)四叉树分割图2-4-4链接情况表2-4-4二编码表2-4-5带指针的二码图 2-4-4 是链接情况，表2-4-4、表 2-4-5 是对应的二维行程编码、带指针的二维行程码 表 2-4-5 中的循环指针指向该地物下一个子块的地址码，并在最后指向该地物本身这样 只要进入第一块就可以顺着指针直接提取该地物的所有子块，从而避免像栅格数据那样为查 询某一个目标需遍历整个矩阵，大大提高了查询速度对于面状地物的边界栅格，采用面积占优法确定公共格网值，如果要求更精确地进行面积计算或叠置运算，可进一步引用弧段的边界信息面状地物的数据结构包括表2-4-2的弧段文件、表5 的带指针二维行程表和表2-4-6 的面文件表2-4-E面文件WW号弧标识号串面40001 （属性值为0）20001, 20002, 2000S040002 （属性值为4）20002, 200041640003 （属性值为8）2000371 H 1表2-4-7复杂地物的数JE结构复杂地物标识简单it。