1、柵格數據編碼技術的發展歷程2015.4 南通大學地科院 江浩田 摘要：柵格數據是結構是GIS中最基本的數據結構，本文對柵格數據的屬性、小、形狀等做出一些系統的描述和分析，其中重點在幾種數據結構上做了比較詳細的論述和講解，包括柵格矩陣結構、游程編碼結構、四叉樹結構，在曲面數據結構中還有TIN的曲面數據結構和規則網格的曲面數據結構，以上的數據結構在不僅在GIS中運用廣泛，而且在其他地理數據收集、索引、處理等也發揮著至關重要的作用。關鍵詞：數據結構、模型、網格、編碼、地理處理、順序、組織一、柵格數據結構的定義基于柵格模型的數據結構簡稱為柵格數據結構，是指將空間分割成有規則的網格，稱為柵格單元，在各個

2、柵格單元上給出相應的屬性值來表示地理實體的一種數據組織形式。二、柵格數據的表達方式(1) 柵格數據是按網格的行與列排列、具有不同或顏色的列陣數據。柵格數據是大小相等分布均勻、緊密相連的像元（網格單元）陣列來表示空間地物或現象分布的數據組織，是最簡單、最直觀的空間數據結構，它將地球表面劃分為大小、均勻、緊密相鄰的網格陣列。每一個單元（象素）的位置由它的行列號定義，所表示的實體位置隱含在柵格行列位置中，數據組織中的每個數據表示地物或現象的非幾何屬性或指向其屬性的指針。(2) 點實體由一個柵格單元來表示；線實體由一定方向上連接成串的相鄰柵格像元表示；面實體（區域）由具有相同屬性的相鄰柵格單元的塊集合

3、來表示。(3) 柵格數據結構表示的是二維表面上地理要素的離散化數值，每個網格對應一種屬性。網格通常是正方形，有時也采用矩形、等邊三角形和正六邊形。(4)格單元的取值方法：       中心點法：取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。       面積占優法：柵格單元屬性值為面積最大者。       重要性法：取重要的屬性值為柵格屬性值。用于具有特殊意義的較小地物。  

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。 三、柵格數據與矢量數據的比較 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、數據結構復雜，各自定義，不便于數據標準化，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，易于數據交換

5、。2、疊置分析和地理（能有效表達空間可變性）現象模擬較易。3、利于與遙感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、投影轉換困難。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。四、柵格數據結構的主要存儲類型(1) 柵格數據結構柵格矩陣結構（直接柵格編碼）在計算機中，直接柵格編碼文件是以行為記錄單位，按行存儲地理數據的。由點、線和多邊形組成的矢量數據都可以轉化成對應的柵格數據。柵格數據結構為一個8*8階的矩陣，代表空間分辨率為8

6、行*8列的一個柵格數據。如果矩陣的每個元素都計算機里用一個雙字節的數值來存儲，則該柵格數據的所需要的存儲空間為8*8*2（字節）=128字節。（2）游程編碼結構游程基本原理是：用一個符號值或串長代替具有相同值的連續符號（連續符號構成了一段連續的“行程”，程編碼因此而得名），使符號長度少于原始數據的長度。 例如：5555557777733322221111111 行程編碼為：（5，6）（7，5）（3，3）（2，4）（l，7）。可見，行程編碼的位數遠遠少于原始字符串的位數。 在對圖像數據進行編碼時，沿一定方向排列的具有相同灰度值的像素可看成是連續符號，用字串代替這些連

7、續符號，可大幅度減少數據量。 行程編碼分為定長行程編碼和不定長行程編碼兩種類型。 行程編碼是連續精確的編碼，在傳輸過程中，如果其中一位符號發生錯誤，即可影響整個編碼序列，使行程編碼無法還原回原始數據。游程長度編碼是柵格數據壓縮的重要編碼方法，它的基本思路是：對于一幅柵格圖像，常常有行(或列)方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復的記錄內容。其編碼方案是，只在各行(或列)數據的代碼發生變化時依次記錄該代碼以及相同代碼重復的個數，從而實現數據的壓縮。（3）四叉樹結構GIS中另一種常見的柵格編碼為四叉樹編碼，它是最有效的柵格數據壓縮編碼方法之一。其基

8、本思想是首先把一幅圖像或一幅柵格地圖等分成四部分，如果檢查到某個子區的所有格網都含有相同的值（灰度或屬性值），那么這個子區域就不再往下分割；否則，把這個區域再分割成四個子區域，這樣遞歸地分割，直至每個子塊都只含有相同的灰度或屬性值為 止。如果柵格數據不是2N×2N 的方陣，則自動補柵格屬性值為0的行或列，使得2N大于或者等于行、列數中的大者，取合乎要求的最小的自然數N。分割完成之后則采用一定的機制對分割的結果進行記錄，四叉樹存儲方法：1.常規四叉樹存儲：存儲結點（子結點和父結點）指針、結點值；2.線性四叉樹只存儲最后葉結點信息，包括葉結點的地址、深度（該結點所處的層）和格網值。四叉樹

9、的葉結點的編碼需要遵循一定的規則，隱含了位置信息，稱為地址碼，常用的編碼是Morton碼（MD十進制碼）。如對以下數據采用記錄Morton碼、深度、屬性值的方法進行記錄，如假設有如下柵格數據： 1 1 1 1 2 2 3 3 1 1 1 1 2 2 3 3 1 1 1 1 4 4 5 5 1 1 1 1 4 4 5 5 6 6 7 8 13 13 14 14 6 6 9 10 13 13 14 14 11 11 12 12 15 16 19 19 11 11 12 12 17 18 19 19 進行四叉樹編碼之后得到如下文件，試進行程序開發實現此過程，結果如圖 M碼 深度 值 0 1 1 16

10、 2 2 20 2 3 24 2 4 28 2 5 32 2 6 36 3 7 37 3 8 38 3 9 39 3 10 40 2 1 44 2 12 48 2 13 52 2 14 56 3 15 57 3 16 58 3 17 59 3 18 60 2 19 線性四叉樹有如下優點：只存儲三個值，比常規四叉樹節省存儲空間；由于記錄節點地址，既能直接找到其在四叉樹中的走向路徑，又可以在換算出它在整個柵格區間內的行列位置；壓縮和解壓縮比較方便，各部分的分辨率可以不同，既可以精確表示圖形結構，又可以減少存儲量，易于進行大部分圖形操作和運算。五、柵格數據的應用分析隨著廣泛的應用，同時數據壓縮技術，

11、計算機性能的提高克服了柵格數據的數據量大等缺點，柵格數據將越來越發揮更大的作用。柵格數據的大規模應用，并將會占具主導地位。主要基于以下優點：(1) 隨技術的發展，并大規模的應用，柵格數據的使用將促使及GIS的一體化發展。成為空間數據動態更新的重要的數據源。遙感影像是以像元為單元的柵格結構存儲的，圖像處理技術極大的提高了柵格數據的前期處理能力。這些數據可以直接生成或轉換為于GIS 的柵格數據。 (2) 柵格數據可以極大的提高GIS 的時空數據分析能力,柵格數據在圖像的代數運算,空間統計分析等具有廣泛的應用,可以促成GIS模型的建立。ARCGIS軟件的高版本在這一方面以有較突出的表現。 (3) 三維可視化成為動態模擬現實世界的一個新的發展趨勢.柵格數據是利用二維圖像來模擬地理實體的,可利用柵格數據通過提高維數來實現三維可視化。  (4) 隨GIS 的發展,柵格數據數據結構簡單,真實感強等特點,可以為大多數程序設計人員和用戶理解和使用。圖像共享標準(如GIF)的建立,有利于GIS 的柵格數據的共享. 因此,柵格數據在信息共享方面更為實用. 因此,隨GIS 發展,柵格數據和矢量數據均具不同程度的發展,但柵格數據要比矢量數據的應用更廣泛,更有效。參考資料：1 高建勇。柵格數據結構研究綜述，山西省地質測繪院 20102 黃杏元、馬勁