1、.武測地理信息系統筆記（制作：武漢大學教學隊伍）武測地理信息系統筆記制作：武漢大學教學隊伍：胡鵬程雄李建松吳艷蘭郭慶勝杜清運游漣第一章 緒論§ 1-1 GIS 概念一、信息與數據1、信息1）定義：信息是現實世界在人們頭腦中的反映。它以文字、數據、符號、聲音、圖象等形式記錄下來，進行傳遞和處理 , 為人們的生產，建設，管理等提供依據。2）信息的特性：A、客觀性：任何信息都是與客觀事實相聯系的，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。信息系統將地理空間的巨大數據流收集，組織和管理起來，經過處理、轉換和分析變為對生產、管理和決策具有重要意

2、義的有用信息，這是由建立信息系統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，而股民們會根據它進行股票的購進或拋出，以達到股票增值的目的。C、傳輸性：信息可在信息發送者和接受者之間進行傳輸信息的傳輸網絡，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，這為信息的并發應用提供可能性。2、數據指輸入到計算機并能被計算機進行處理的數字、文字、符號、聲音、圖象等符號。數據是對客觀現象的表示，數據本身并沒有意義。數據的格式往往和具體的計算機系統有關，隨載荷它的物理設備的形式而改變。3、兩者關系（有人認為，輸入的都叫數據，

3、輸出的都叫信息，其實不然）。數據是信息的表達、載體，信息是數據的內涵，是形與質的關系。'.只有數據對實體行為產生影響才成為信息，數據只有經過解釋才有意義，成為信息。例如“ 1、”“ 0”獨立的 1、0 均無意義。當它表示某實體在某個地域內存在與否，它就提供了“有” “無”信息，當用它來標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的信息。它表示地理系統諸要素的數量、質量、分布特征，相互聯系和變化規律的圖、文、聲、像等的總稱。2）特點：A、地域性：（是地理信息區別于其它類型信息的最顯著標志）。地理信息屬于空間信息，

4、位置的識別與數據相聯系，它的這種定位特征是通過公共的地理基礎來體現的。B、多維結構：指在同一位置上可有多種專題的信息結構。如某一位置上的地理信息包括（例圖）C、時序特征：時空的動態變化引起地理信息的屬性數據或空間數據的變化。因此，一實時的GIS 系統要求能及時采集和更新地理信息，使得地理信息具有現勢性。以免過時的信息造成決策的失誤或因為缺少可靠的動態數據，不能對變化中的地理事件或現象作出合理的預測預報和科學論證。例如98 年龍王廟特大洪水險情正是武漢勘測設計院利用先進的搖感、GPS技術測得實時數據為抗洪決策提供可靠依據。顯然，如果用過時數據，這將造成多大的損失，這就是地理信息的時序特征。2、地

5、學信息與人類居住的地球有關的信息都是地學信息。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。它是人們深入認識地球系統、適度開發資源、保護環境的前提和保證。四、信息系統和地理信息系統1、信息系統 ( Information System ,IS )'.1）系統：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成，能完成特定功能的有機整體。2）信息系統：能對數據和信息進行采集、存儲、加工和再現，并能回答用戶一系列問題的系統。具有采集、管理、分析和表達數據的能力。3）類型：從適用于不同管理

6、層次角度出發、信息系統分為下列不同類型。事務處理系統、管理信息系統：主要支持操作層人員的日常事務處理，圖書管理，借還書。決策支持系統：從MIS 中獲取信息，進行推測，以輔助決策。人工智能、專家系統：用計算機模仿人類思維過程進行推理，在醫學上應用較成功。為有效地對信息流進行控制，組織、管理、充分利用，就需要建立某種信息系統，那么對地理信息進行管理、利用就需要建立地理信息系統。2、地理信息系統( Geographic Information System ,GIS)1）定義：不同領域、不同專業對GIS 的理解不同，目前沒有完全統一的被普遍接受的A、GIS 是對地理環境有關問題進行分析和研究的一門學

7、科，它將地理環境的各種要素，包括它們的空間位置形狀及分布特征和與之有關的社會、經濟等專題信息以及這些信息之間的聯系等進行獲取、組織、存儲、檢索、分析，并在管理、規劃與決策中應用。B、 為了獲取、存儲、檢索、分析和顯示空間定位數據而建立的計算機化的數據庫管理系統。- 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的屬性數據，并回答用戶問題為主要任務的計算機系統。D、 GIS 是一種獲取、存儲、檢索、操作、分析和顯示地球空間數據的計算機系統。- 英國教育部2）理解a GIS 是一計算機系統，既然是系統，就要具有系統的基本功能

8、，數據采集、管理、分析和表達，所以每個 GIS 系統都是由若干具有一定功能的模塊組成。b GIS 的處理對象是有關的地理分布數據，也就是空間數據，為了能對這些空間數據進行定位，定性和定量的描述，決定了GIS 要對空間數據按統一地理坐標進行編碼，這是GIS 與'.其他信息系統不同的根本所在。3、 GIS 與其它 IS 之間的關系和區別1） GIS 與其它 IS 之間的關系（信息系統分類）2） GIS 與其它 IS 的區別A、 GIS 與一般 MIS：GIS 離不開數據庫技術。數據庫中的一些基本技術，如數據模型、數據存儲、數據檢索等都是GIS 廣泛使用的核心技術。GIS 對空間數據和屬性數

9、據共同管理、分析和應用，而一般MIS（數據庫系統）側重于非圖形數據（屬性數據）的優化存儲與查詢，即使存儲了圖形，也是以文件的形式存儲，不能對空間數據進行查詢、檢索、分析，沒有拓撲關系，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系信息。B、 GIS 與 CAD/CAMGIS 與 CAD共同點GIS 與 CAD 不同點都有空間坐標系統；都能將目標和參考系聯系起來；都能描述圖形數據的拓撲關系；都能處理屬性和空間數據研究對象為人造對象規則幾何圖形及組合；圖形功能特別是三維圖形

10、功能強，屬性庫功能相對較弱；中的拓撲關系較為簡單；一般采用幾何坐標系。處理的數據大多來自于現實世界，較之人造對象更復雜，數據量更大；數據采集的方式多樣化；GIS 的屬性庫結構復雜，功能強大；強調對空間數據的分析，圖形屬性交互使用頻繁；'.GIS 采用地理坐標系。GIS 與 CAMGIS 與 CAM共同點GIS 與 CAM 不同點都有地圖輸出、空間查詢、分析和檢索功能側重于數據查詢、分類及自動符號化，具有地圖輔助設計和產生高質量矢量地圖的輸出機制；它強調數據顯示而不是數據分析，地理數據往往缺乏拓撲關系；它與數據庫的聯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

11、數據進行深層次的空間分析，提供輔助決策信息。§ 1-2 GIS 發展GIS 起源于人口普查，土地調查和自動制圖，1960 年，加拿大測量學家R.F.Tomlinson提出了把地圖變成數字形式的地圖，1963 年，又提出 GIS 這一本術語，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展起來。一、國際 GIS 的發展狀況1、 60年代，探索時期（ GIS 思想和技術方法的探索）人們關注什么是GIS， GIS 能干什么。2、 70年代，鞏固時期，（這時由于計算機技術及其在自然資源和環境數據處理的應用，促進GIS 迅速發展）。這期間，發展研究的重點是空間數據

12、處理的算法，數據結構和數據庫管理這三個方面。3、80 年代，實破階段，也是GIS 普遍發展和推廣應用階段，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，核擴散問題等。4、 90 年代，全面應用，產業化階段，對GIS 進一步研究，研究的內容集中在：空間信息分析的新模式和新方法，空間關系和數據模型，人工智能引入等。二、我國 GIS 發展我國 GIS 起步較晚，但發展較快，分為以下幾個階段：1、70 年代，準備階段：'.一些知名人士GIS 先驅看到GIS 的廣闊前景和GIS 的重要性，進行極積呼吁，為GIS 在我國的發展奠定了與論準備基礎并做了一些可行性實驗。2、80

13、 年代，試驗起步階段:這期間，我國在GIS 理論探索，規范探討，軟件開發，系統建立等方面取得了突破和進展，進行了一些典型，試驗專題試驗軟件開發工作。3、90 年代，我國GIS 發展階段：我國改革開放以來，沿海，治江經濟開發區的發展土地的有償使用和外資的引進，急需 GIS 為之服務，這也推動 GIS 在我國的全面發展。4、96 年以來，是我國GIS 產業化階段。近幾年來，我國經濟信息化的基礎設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，一批專業遙感基地已建立，并進入了產業化運行，一批綜合運用“3S”技術的重點項目已實施，并在自然災害監測和圖土資源調查中發揮效益

14、，一批高等院校開設了與GIS 相關的新專業，培養了一大批從事GIS 研究與開發的高層次人才，具有我國自主版權的GIS 基礎軟件的研制逐步進入了產業化軌道，等等這些都標志我國GIS 產業已進入新的發展階段。§ 1-3 GIS 構成一、 GIS 組成從計算機的角度看，GIS 是由軟件、硬件、數據和用戶組成。用戶（ GIS 服務的對象，分為一般用戶和從事建立、維護、管理和更新的高級用戶）軟件（支持數據采集、存儲、加工、回答用戶問題的計算機程序系統）硬件（各種設備- 物質基礎）數據（系統分析與處理的對象、構成系統的應用基礎）由于計算機的飛速發展和地理信息的時序特征，硬件壽命3-5 年，軟件（

15、 5-15 年），數據（ 1-2 年， 5-70年不等） GIS 需要不斷維護、更新，所以用戶要不斷進行知識更新。二、硬件配置前面說過， GIS 作為技術系統必須具備數據的采集、管理、分析、表達和顯示功能，一定功能必須由一定的軟件、硬件實現，所以 GIS 的硬件配置為：輸入數字化、解析測圖儀、掃描儀遙感處理設備等存貯 處理計算機硬盤光盤 等存儲設備輸出打印機繪圖儀顯示終端 等'.網絡服務器、網絡適配器、傳輸介質、調制解調器等網絡設備。隨著網絡普及，信息共享成為時代要求， GIS 要有網絡功能三、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,UN

16、IIX等。裸機，沒裝任何OS的機子，是不能工作的。GIS 應用軟件在GIS 軟件層次的外層，外層以內層軟件為基礎，共同完成用戶指定的任務。2、 GIS 基礎軟件主要模塊 空間數據輸入與轉換 圖形及屬性編輯 空間數據管理系統 制圖與輸出 空間查詢與空間分析§ 1-4 GIS 功能和應用一、 GIS 功能空間查詢 疊加分析 緩沖區分析 網絡分析 地形分析數據顯示與輸出二、 GIS 主要應用領域資源管理區域和城鄉規劃災害監測環境評估作戰指揮交通運輸宏觀決策第二章空間數據結構§ 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：指自然界現象和社會經濟事件

17、中不能再分割的單元，它是一個具體有概括性，復雜性，相對意義的概念。2、理解：地理實體類別及實體內容的確定是從具體需要出發的，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，街道都要表達出來，所以武漢必須再分割，不能作為一個空間實體，應將房屋，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，復雜，相對的概念。二、地理實體的描述空間數據1、描述的內容空間特征：地理位置和空間關系屬性特征名稱、等級、類別等時間特征 :2、空間數據基本特征'.3、空間數據類型1）依據數據來源的不同分

18、為：地圖數據地形數據屬性數據元數據影象數據三、實體的空間特征（一）空間維數：有0，1， 2， 3 維之分，點、線、面、體。（二）空間特征類型1、點狀實體點或節點、點狀實體。點：有特定位置，維數為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）內點：用于負載多邊形的屬性，存在于多邊形內。4）角點、節點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

19、，邊界、鏈、弧段、網絡等。3、面狀實體（多邊形）是對湖泊、島嶼、地塊等一類現象的描述。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 ）內島嶼或鋸齒狀外形：如島嶼的海岸線封閉所圍成的區域。'.5）重疊性與非重疊性：如學校的分區，菜市場的服務范圍等都有可能出現交叉重疊現象，而一個城市的各個城區一般說來不會出現重疊。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。 

20、3;內島。 ·含有弧立塊或相鄰塊。 斷面圖與剖面圖。（三）實體類型組合現實世界的各種現象比較復雜，往往由不同的空間單元組合而成，例如根據某些空間單元或幾種空間單元的組合將空間問題表達出來，復雜實體由簡單實體組合表達。點、線、面兩兩之間組合表達復雜的空間問題：如：線面面- 面可見，用各要素之間的空間關系，可描述諸多空間問題。空間關系是GIS 數據描述和表達的重要內容，一方面它為 GIS 數據庫的有效建立，空間查詢，空間分析，輔助決策等提供了最基本的關系，另一方面有助于形成標準的 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、區域包含線：計算區域內線的密度，某省的水

21、系分布情況。2、線通過區域：公路上否通過某縣。3、線環繞區域：區域邊界，搜索左右區域名稱，中國與哪些國家接壤。4、線與區域分離：距離。面面1、 包含：島 , 某省的湖泊分布。2、 相合：重疊，學校服務范圍與菜場服務范圍重疊區。3、 相交：劃分子區。4、 相鄰：計算相鄰邊界性質和長度，公共連接邊界。分離：計算距離。四、實體間空間關系（一）空間關系類型1、拓撲空間關系：'.2、順序空間關系：（方向空間關系）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系，算法復雜，至今沒有很好的解決方法。3、度量空間關系，主要指實體間的距離關系，遠近。1）在地理空間中兩點間的距離有兩種度量方

22、法。a、沿真實的地球表面進行, 除與兩點的地理坐標有關外，還與所通過路徑的地形起伏有關，復雜, 引入第二種。 b 、沿地球旋轉橢球體的距離量算。2） 距離類別：歐氏距離（笛卡爾坐標系）、曼哈頓（出租車）距離、時間距離（緯度差）、大地測量距離（大地線）（沿地球大圓經過兩個城市中心的距離）。（二）拓撲關系1、定義2、種類3 、拓撲關系的表達4、意義1、定義：指圖形保持連續狀態下變形，但圖形關系不變的性質。將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉或折疊。 非拓撲屬性（幾何）拓撲屬性（沒發生變化的屬性）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

23、）一個點在一個區域的邊界上一個點在一個區域的內部/ 外部一個點在一個環的內/ 外部一個面是一個簡單面一個面的連通性面內任兩點從一點可在面的內部走向另一點2、種類1）關聯性：（不同類要素之間）結點與弧段：如V9 與 L5,L6,L3'.多邊形與弧段：P2 與 L3,L5,L22）鄰接性：( 同類元素之間 )多邊形之間、結點之間。鄰接矩陣重疊： -鄰接： 1不鄰接： 03）連通性：與鄰接性相類似，指對弧段連接的判別，如用于網絡分析中確定路徑、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。用于表達現實中的有向弧段，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

24、線、點或面狀實體。6）區域定義：多邊形由一組封閉的線來定義。7）層次關系：相同元素之間的等級關系，武漢市有各個區組成。主要的拓撲關系：拓撲鄰接、拓撲關聯、拓撲包含。3、拓撲關系的表達拓撲關系具體可由4 個關系表來表示：（1）面 - 鏈關系：面構成面的弧段（2）鏈 - 結點關系：鏈鏈兩端的結點（3）結點 - 鏈關系：結點通過該結點的鏈（ 4） 鏈面關系：鏈左面右面4、拓撲關系的意義：對于數據處理和GIS 空間分析具有重要的意義，因為：1）拓撲關系能清楚地反映實體之間的邏輯結構關系，它比幾何關系具有更大的穩定性，不隨地圖投影而變化。2）有助于空間要素的查詢，利用拓撲關系可以解決許多實際問題。如某縣

25、的鄰接縣，- 面面相鄰問題。又如供水管網系統中某段水管破裂找關閉它的閥門，就需要查詢該線（管道）與哪些點（閥門）關聯。3）根據拓撲關系可重建地理實體。'.§2-3柵格數據結構一、圖形表示柵格結構用密集正方形（或三角形，多邊形）將地理區域劃分為網格陣列。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。線：由沿線走向有相同屬性取值的一組相鄰柵格表達。面：由沿線走向有相同屬性取值的一片柵格表達。柵格數據表示的是二維表面上的地理數據的離散化數值。在柵格數據中，地表被分割為相互鄰接、規則排列的地塊，每個地塊與一個象元相對應。因此，柵格數據的比例尺就是柵格 ( 象元 ) 的大

26、小與地表相應單元的大小之比，當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區域內地理數據的近似值，因而有可能產生屬性方面的偏差。二、柵格數據組織針對一個柵格單元對應多個屬性值的多層柵格文件。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組。N層中只記錄一層的象元位置，節約大量存儲空間，柵格個數很多。方法 b：每層每個象元的位置、屬性一一記錄，結構最簡單，但浪費存儲方法 c：以層為基礎，每層內以多邊形為序記錄多邊形的屬性值和多邊形內各象元的坐標。節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

27、圖分析和制圖處理。三、柵格結構的建立（一）建立途徑1、手工獲取，專題圖上劃分均勻網格，逐個決定其網格代碼。2、掃描儀掃描專題圖的圖像數據 行、列、顏色（灰度） ，定義顏色與屬性對應表，用相應屬性代替相應顏色，得到（行、列、屬性）再進行柵格編碼、存貯，即得該專題圖的柵格數據。3、由矢量數據轉換而來。4、遙感影像數據，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，以數字形式記錄下來的象素值序列。'.5、格網 DEM數據，當屬性值為地面高程，則為格網DEM，通過 DEM內插得到。二）柵格系統的確定1、柵格坐標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，什么數

28、據結構( 矢、柵 ) 都應在統一的坐標系統下，而坐標系的確定實質是坐標系原點和坐標軸的確定。由于柵格編碼一般用于區域性 GIS，原點的選擇常具有局部性質，但為了便于區域的拼接，柵格系統的起始坐標應與國家基本比例尺地形圖公里網的交點相一致，并分別采用公里網的縱橫坐標軸作為柵格系統的坐標軸。2、柵格單元的尺寸1）原則：應能有效地逼近空間對象的分布特征，又減少數據的冗余度。格網太大，忽略較小圖斑，信息丟失。一般講實體特征愈復雜，柵格尺寸越小，分辨率愈高，然而柵格數據量愈大（按分辨率的平方指數增加）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準來確定尺寸經驗公式：h 為柵格單元邊

29、長Ai 為區域所有多邊形的面積。( 三 ) 柵格代碼（屬性值）的確定當一個柵格單元內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、面積占優法：柵格單元屬性值為面積最大者，常用于分類較細，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、柵格數據編碼方法1、直接柵格編碼：將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行記錄代碼數據。1）每行都從左到右記錄；AAAAABBBAABBAABB&

30、#39;.2）奇數行從左到右，偶數行從右到左；特點：最直觀、最基本的網格存貯結構，沒有進行任何壓縮數據處理。柵格數據量大，格網數多，由于地理數據往往有較強的相關性，即相鄰象元的值往往是相同的。所以，出現了各種柵格數據壓縮方法。數據壓縮是將數據表示成更緊湊的格式以減少存儲空間的一項技術。分為：無損壓縮：在編碼過程中信息沒有丟失，經過解碼可恢復原有的信息- 信息保持編碼。有損壓縮： 為最大限度壓縮數據，在編碼中損失一些認為不太重要的信息，解碼后， 這部分信息無法恢復。- 信息不保持編碼。2、行程編碼（變長編碼）：將原圖表示的數據矩陣變為數據對：1）屬性碼，長度，行號（可不要）長度：連續相同碼值的柵

31、格個數。2）屬性碼，點位特點： 對于游程長度編碼，區域越大，數據的相關性越強，則壓縮越大，適用于類型區域面積較大的專題圖，而不適合于類型連續變化或類別區域分散的分類圖（壓縮比與圖的復雜程度成反比）。這種編碼在柵格加密時，數據量不會明顯增加，壓縮率高，并最大限度地保留原始柵格結構，編碼解碼運算簡單，且易于檢索，疊加，合并等操作，這種編碼應用廣泛。3、塊碼-游程編碼向二維擴展采用方形區域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格。數據對組成：（初始行、列，半徑，屬性值）特點：具有可變分辨率，即當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

32、所以，與行程編碼類似，隨圖形復雜程度的提高而降低分辯率。4、鏈式編碼、Freeman 鏈碼、邊界鏈碼將柵格數據（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 07 進行編碼。2）記下地物屬性碼和起點行、列后，進行追蹤，得到矢量鏈.鏈式編碼表屬性碼起點行起點列鏈碼'.a 1 4 556656 b 3 7 576654323優點：鏈碼可有效地存貯壓縮柵格數據，便于面積、長度、轉折方向和邊界、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構）。區域空間分析困難，相鄰區域邊界被重復存儲。5、

33、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格系統。是最有效的柵格數據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果。根：整個區域高：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）常規四叉樹記錄這棵樹的葉結點外，中間結點， 結點之間的聯系用指針聯系，每個結點需要6 個變量：父結點指針、四個子結點的指針和本結

34、點的屬性值。指針不僅增加了數據的存儲量，還增加了操作的復雜性：如層次數（分割次數）由從父結點移到根結點的次數來確定，結點所代表的圖像塊的位置需要從根節點開始逐步推算下來。所以，常規四叉樹并不廣泛用于存儲數據，其價值在于建立索引文件，進行數據檢索。2）線性四叉樹記錄葉結點的位置，深度（幾次分割）和屬性。地址碼（定位碼、Morton 碼）四進制、十進制優點：·存貯量小，只對葉結點編碼，節省了大量中間結點的存儲，地址碼隱含著結點的分割路徑和分割次數。·線性四叉樹可直接尋址，通過其坐標值直接計算其Morton 碼，而不用建立四叉樹。·定位碼容易存儲和執行實現集合相加等組合

35、操作。（二）四進制的Morton 碼'.1、方法 1：四叉樹從上而下（形成）（從整體開始）由葉結點找Morton 碼。A 、分割一次，增加一位數字，大分割在前，小分割在后。所以，碼的位數表示分割的次數。B 、每一個位均是不大于3 的四進制數，表達位置。由 Morton 找出四叉樹葉結點的具體位置。2、方法 2：四叉樹自下而上合并的方法1）計算每個柵格對應的MQ MQ=2*Ib+JbI,J化為二進制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，放在連續的內存塊中。3）依次檢查每四個相鄰的MQ對應的屬性值，相同合并（不同碼位去掉），不同則存盤,

36、 直到沒有能夠合并的子塊為止。（三）十進制的Morton 碼 -MD四進制 Morton 碼直觀上切合四叉樹分割，但許多語言不支持四進制變量，需用十進制表示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、列號為二進制Ib= 1 0Jb= 1 1(2)I行J列交叉1101=13(3) 再化為十進制 . 實質上是按左上、右上、左下、右下的順序，從零開始對每個柵格進行自然編碼。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組。2°、相鄰的四個象元比較，一致的合并，只記錄第一個

37、象元的Morton 碼。循環比較所形成的大塊，相同的再合并，直到不能合并為止。3°、進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 碼讀入一維數組。'.Morton 碼： 0123456789101112131415象元值：AAABABBBAAAABBBB2°、四相鄰象元合并，只記錄第一個象元的Morton碼。01234567812AAABAABBAB3°、由于不能進一步合并，則用游程長度編碼壓縮。0346812ABABAB（四）四叉樹優缺

38、點優點：1）對于團塊圖像，四叉樹表示法占用空間比網絡法要少得多，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用前景，適用于處理凝聚性或呈塊狀分布的空間數據，特別適用于處理分布不均勻的塊狀空間數據，但不適用于連續表面（如地形）或線狀地物。此外，目前應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（具體的數據結構中會提到）4) 四叉樹未能直接表示物體間的拓撲關系。5) 與非樹表示法比較，四叉樹表示法的缺點在于轉換的不穩定性或叫滑動變異例如，兩個圖像的差異僅由于平移，就會構成極為不同

39、的四叉樹，因而很難根據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成四叉樹時會被分割到若干個象限中，使它失去了內在的相關性。§2-2矢量數據結構二、矢量數據的獲取方式'.1) 由外業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) ，然后轉到地理數據庫中。2) 由柵格數據轉換獲得利用柵格數據矢量化技術，把柵格數據轉換為矢量數據。3) 跟蹤數字化 用跟蹤數字化的方法，把地圖變成離散的矢量數據。三、矢量數據組織矢量數據表示時應考慮以下問題：·矢量數據自身的存貯和處理。·與屬性數據的聯系。·矢量數據之間

40、的空間關系(拓撲關系 )。四、矢量數據編碼方式（一）實體式（spaghetti）-面條模型 : 以實體為單位記錄其坐標優點：結構簡單、直觀、易實現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字化并存儲兩次，造成數據冗余和碎屑多邊形數據不一致，浪費空間，導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，無拓撲關系，難以進行鄰域處理，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系。不易檢查拓撲錯誤。所以，這種結構只用于簡單的制圖系統中，顯示圖形。（二）索引式（樹狀）對所有點的坐標按順序建坐標文件，再建點與邊（線）、線與多邊形的索引文件

41、。與實體式相比：優點：用建索引的方法消除多邊形數據的冗余和不一致，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：表達拓撲關系較繁瑣，給相鄰運算、消除無用邊、處理島信息、檢索拓撲關系等帶來困難，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) ，是美國人口統計系統采用的一種編碼方式，是一種拓撲編碼結構。四）鏈狀雙重獨立式編碼- 拓撲數據結構1、弧段坐標文件弧段號坐標系列（串)Ax2,y2,X10,y102、弧段文件：鏈面，鏈結點關系弧段號左多邊形右多邊形起點終點AP1P2253

42、、面文件面號弧段號P1 A,B,-C4、點拓撲文件：結點鏈關系點號弧段號2A,B,D在拓撲結構中，多邊形（面）的邊界被分割成一系列的線（弧、鏈、邊）和點（結點）等拓撲要素，點、線、面之間的拓撲關系在屬性表中定義，多邊形邊界不重復。鏈狀雙重獨立式編碼特點拓撲關系明確，也能表達島信息，而且以弧段為記錄單位，滿足實際應用需要。因為一般數字化一條街道時，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：二進制文件:弧段號點數坐標串在 GIS 數據輸入中，建拓撲

43、是指給圖形數據（點、線、面）增加拓撲結構，如ARC/INFO中，在 ARCEDIT 中輸入圖形后，需用BUILD 建圖形拓撲，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 RPOLYFROM_NODETO_NODE'.其它屬性 : （名稱 )用戶標識碼，表明地物類型當圖形數據修改、刪除、增加點、線、面要素后，其拓撲關系也發生改變，所以，需重新建拓撲。§ 2-4 矢柵一體化數據結構一、矢、柵優缺點優點缺點矢量1、便于面向現象（土壤類，土地利用單元等）2、結構緊湊，冗余度低，便于描述線或

44、邊界。3 、利于網絡、檢索分析，提供有效的拓撲編碼，對需要拓撲信息的操作更有效。4、 圖形顯示質量好，精度高。1 1、數據結構復雜，各自定義，不便于數據標準化和規范化，數據交換困難。2 、多邊形疊置分析困難，沒有柵格有效，表達空間變化性能力差。3 、不能像數字圖像那樣做增強處理4、軟硬件技術要求高，顯示與繪圖成本較高。柵 格1、 結構簡單，易數據交換。2、疊置分析和地理（能有效表達空可變性）現象模擬較易。3、利于與感遙數據的匹配應用和分析，便于圖像處理。4、 輸出快速，成本低廉。1、現象識別效果不如矢量方法，難以表達拓撲。2、圖形數據量大，數據結構不嚴密不緊湊，需用壓縮技術解決該問題。3、投影

45、轉換困難。4 4 、圖形質量轉低，圖形輸出不美觀，線條有鋸齒，需用增加柵格數量來克服，但會增加數據文件。矢量、柵格數據結構的選擇'.在 GIS 建立過程中，應根據應用目的和應用特點、可能獲得的數據精度以及地理信息系統軟件和硬件配置情況，選擇合適的數據結構。柵格結構 : 大范圍小比例尺的自然資源、環境、農林業等區域問題的研究。矢量結構：城市分區或詳細規劃、土地管理、公用事業管理等方面的應用。二、矢柵一體化概念將矢量面對目標的方法和柵格元子充填的方法結合起來，具體采用填滿線狀目標路徑和充填面狀目標空間的方法作為一體化數據結構的基礎。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，以目標為單元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓撲關系；另一方面，它建立了柵格與地物的關系，即路徑上的任一點都直接與目標建立了聯系。從原理上說，這是一種以矢量的方式來組織柵格數據的數據結構。三、三個約定和細分格網法為便于組織數據，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，在計算機內部僅有一個位置數據。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不間斷的直線或曲線，在計算機內部需要用一組元子填滿