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_武测地理信息系统笔记（制作：武汉大学教学队伍）武测地理信息系统笔记制作：武汉大学教学队伍： 胡鹏程雄李建松吴艳兰郭庆胜杜清运游涟第一章 绪论 §1-1 GIS概念 一、信息与数据1、信息 1）定义：信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图象等形式记录下来，进行传递和处理,为人们的生产，建设，管理等提供依据。 2）信息的特性：A、客观性：任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。B、适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同的。信息系统将地理空间的巨大数据流收集，组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息，这是由建立信息系统的明确目的性所决定的。如股市信息，对于不会炒股的人来说，毫无用处，而股民们会根据它进行股票的购进或抛出，以达到股票增值的目的。C、传输性：信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的传输网络，被形象地称为“信息高速公路”。D、共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息的并发应用提供可能性。   2、数据 指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图象等符号。数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。 3、两者关系（有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然）。数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。例如“1、”“0”独立的1、0均无意义。当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供了“有”“无”信息，当用它来标识某种实体的类别时，它就提供了特征码信息。 二、地理信息与地学信息 1、地理信息 1）定义： 指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。 2）特点： A、地域性：（是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志）。地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。B、多维结构： 指在同一位置上可有多种专题的信息结构。如某一位置上的地理信息包括（例图）C、时序特征：时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。因此，一实时的GIS系统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。以免过时的信息造成决策的失误或因为缺少可靠的动态数据，不能对变化中的地理事件或现象作出合理的预测预报和科学论证。例如98年龙王庙特大洪水险情正是武汉勘测设计院利用先进的摇感、GPS技术测得实时数据为抗洪决策提供可靠依据。显然，如果用过时数据，这将造成多大的损失，这就是地理信息的时序特征。2、地学信息 与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。3、两者信息源不同 地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等；地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空间。它是人们深入认识地球系统、适度开发资源、保护环境的前提和保证。四、信息系统和地理信息系统 1、信息系统( Information System ,IS )1）系统： 由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体。2）信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。具有采集、管理、分析和表达数据的能力。 3）类型：从适用于不同管理层次角度出发、信息系统分为下列不同类型。 事务处理系统、管理信息系统：主要支持操作层人员的日常事务处理，图书管理，借还书。决策支持系统：从MIS中获取信息，进行推测，以辅助决策。人工智能、专家系统：用计算机模仿人类思维过程进行推理，在医学上应用较成功。为有效地对信息流进行控制，组织、管理、充分利用，就需要建立某种信息系统，那么对地理信息进行管理、利用就需要建立地理信息系统。  2、地理信息系统( Geographic Information System ,GIS) 1）定义：不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的A、GIS是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。B、 为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。-美国国家地理信息与分析中心C、 是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。D、GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。-英国教育部            2）理解a GIS是一计算机系统，既然是系统，就要具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达，所以每个GIS系统都是由若干具有一定功能的模块组成。b GIS的处理对象是有关的地理分布数据，也就是空间数据，为了能对这些空间数据进行定位，定性和定量的描述，决定了GIS要对空间数据按统一地理坐标进行编码，这是GIS与其他信息系统不同的根本所在。3、GIS与其它IS之间的关系和区别 1）GIS与其它IS之间的关系（信息系统分类） 2）GIS与其它IS的区别 A、GIS与一般MIS：GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。 GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。B、GIS与CAD/CAM GIS与CAD共同点 GIS与CAD 不同点 都有空间坐标系统；都能将目标和参考系联系起来；都能描述图形数据的拓扑关系；都能处理属性和空间数据 研究对象为人造对象规则几何图形及组合；图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；中的拓扑关系较为简单；一般采用几何坐标系 。 处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；GIS的属性库结构复杂，功能强大；强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁；GIS采用地理坐标系 。 GIS与CAM GIS与CAM共同点 GIS与CAM 不同点 都有地图输出、空间查询、分析和检索功能 侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有地图辅助设计和产生高质量矢量地图的输出机制；它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺乏拓扑关系；它与数据库的联系通常是一些简单的查询。 CAM是GIS的重要组成部分；综合图形和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策信息。§1-2 GIS发展 GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson 提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一本术语，并建立了第一个GIS_加拿大GIS，随后GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来。 一、国际GIS的发展状况 1、60年代，探索时期（GIS思想和技术方法的探索）人们关注什么是GIS，GIS能干什么。 2、70年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进 GIS迅速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。 3、80年代，实破阶段，也是GIS普遍发展和推广应用阶段，人们把GIS与RS解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。 4、90年代，全面应用，产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。 二、我国GIS发展 我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段： 1、  70年代，准备阶段： 一些知名人士GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。 2、  80年代，试验起步阶段: 这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。 3、  90年代，我国GIS发展阶段：   我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。 4、  96年以来，是我国GIS产业化阶段。 近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GIS相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批高等院校开设了与GIS相关的新专业，培养了一大批从事GIS研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的GIS基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国GIS产业已进入新的发展阶段。 §1-3 GIS 构成 一、GIS组成 从计算机的角度看，GIS是由软件、硬件、数据和用户组成。 用户（GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户） 软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统） 硬件（各种设备-物质基础） 数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础） 由于计算机的飞速发展和地理信息的时序特征，硬件寿命3-5年，软件（5-15年），数据（1-2年，5-70年不等）GIS需要不断维护、更新，所以用户要不断进行知识更新。 二、硬件配置 前面说过，GIS作为技术系统必须具备数据的采集、管理、分析、表达和显示功能，一定功能必须由一定的软件、硬件实现，所以GIS的硬件配置为： 输入   数字化、解析测图仪、扫描仪   遥感处理设备等 存贮 处理                计算机   硬盘  光盘 等存储设备 输出                打印机  绘图仪  显示终端 等 网络  服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等网络设备。 随着网络普及，信息共享成为时代要求，GIS要有网络功能 三、软件配置 1、GIS软件层次 有了计算机硬件之后，首先需要OS,DOS,WINDOWS,UNIIX等。裸机，没装任何OS的机子，是不能工作的。GIS应用软件在GIS软件层次的外层，外层以内层软件为基础，共同完成用户指定的任务。 2、GIS基础软件主要模块 空间数据输入与转换 图形及属性编辑 空间数据管理系统 制图与输出 空间查询与空间分析 §1-4 GIS 功能和应用 一、GIS 功能 空间查询 叠加分析 缓冲区分析 网络分析 地形分析 数据显示与输出 二、GIS 主要   应用领域 资源管理 区域和城乡规划 灾害监测 环境评估 作战指挥 交通运输 宏观决策 第二章 空间数据结构 §2-1空间实体及其描述 一、地理实体（空间实体）-GIS处理对象 1、定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。 2、理解：地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。 二、地理实体的描述空间数据 1、描述的内容 空间特征：地理位置和空间关系 属性特征名称、等级、类别等 时间特征: 2、空间数据基本特征 3、空间数据类型 1）依据数据来源的不同分为： 地图数据   地形数据 属性数据 元数据 影象数据 三、实体的空间特征 （一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。 （二）空间特征类型 1、点状实体 点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。 1）实体点：用来代表一个实体。 2）注记点：用于定位注记。 3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。 4）角点、节点Vertex： 表示线段和弧段上的连接点。 2、线状实体 具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性： 1）实体长度： 从起点到终点的总长 2）弯曲度： 用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。 3）方向性： 如：水流方向，上游下游， 公路，单、双向之分。 线状实体包括： 线段，边界、链、弧段、网络等。3、面状实体（多边形） 是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。 面状实体的如下特征： 1）面积范围  2）周长 3）独立性或与其它地物相邻 如中国及其周边国家 4）内岛屿或锯齿状外形： 如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。 5）重叠性与非重叠性： 如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。   4、体、立体状实体 立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征： ·体积，如工程开控和填充的土方量。 ·每个二维平面的面积。 ·周长。 ·内岛。 ·含有弧立块或相邻块。 断面图与剖面图。 （三）实体类型组合 现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。 点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题： 如：线面              面-面 可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。 线面 1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。 2、线通过区域：公路上否通过某县。 3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。 4、线与区域分离：距离。 面面 1、 包含：岛,某省的湖泊分布。 2、 相合：重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。 3、 相交：划分子区。 4、 相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。 分离：计算距离。 四、实体间空间关系 （一）空间关系类型 1、  拓扑空间关系：                             2、  顺序空间关系： （方向空间关系）   用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。 3、  度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。 1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。 a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关，复杂,引入第二种。 b、沿地球旋转椭球体的距离量算。 2） 距离类别： 欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。 （二）拓扑关系 1、定义    2、种类     3、拓扑关系的表达      4、意义 1、定义： 指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。 将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 非拓扑属性（几何） 拓扑属性（没发生变化的属性） 两点间距离 一点指向另一点的方向 弧段长度、区域周长、面积 等 一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交） 一个点在一个区域的边界上 一个点在一个区域的内部/外部 一个点在一个环的内/外部 一个面是一个简单面 一个面的连通性  面内任两点从一点 可在面的内部走向另一点 2、种类 1）关联性： （不同类要素之间）结点与弧段：如V9与L5,L6,L3 多边形与弧段：P2与L3,L5,L2 2）邻接性： (同类元素之间) 多边形之间、结点之间。 邻接矩阵   重叠：-  邻接：1   不邻接：0 3）连通性：与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、   街道是否相通。 4）方向性 一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。5）包含性：指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。 6）区域定义：多边形由一组封闭的线来定义。 7）层次关系：相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。 主要的拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。 3、拓扑关系的表达 拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1）   面-链关系：        面  构成面的弧段 （2）   链-结点关系：   链   链两端的结点 （3）   结点-链关系：  结点  通过该结点的链 （4）   链面关系：                                                  链    左面  右面 4、拓扑关系的意义： 对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为： 1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。 2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。 3）根据拓扑关系可重建地理实体。 §2-3   栅格数据结构 一、图形表示 栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划分为网格阵列。位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。 点：由单个栅格表达。 线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。 面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。    栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则排列的地块，每个地块与一个象元相对应。因此，栅格数据的比例尺就是栅格(象元)的大小与地表相应单元的大小之比，当象元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方面的偏差。 二、栅格数据组织 针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。 组织方法 方法a：以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组。N层中只记录一层的象元位置，节约大量存储空间，栅格个数很多。方法b：每层每个象元的位置、属性一一记录，结构最简单，但浪费存储 方法c：以层为基础，每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内各象元的坐标。节约用于存储属性的空间。将同一属性的制图单元的n个象元的属性只记录一次，便于地图分析和制图处理。 三、栅格结构的建立 （一）建立途径 1、  手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。 2、扫描仪扫描专题图的图像数据行、列、颜色（灰度），定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。 3、  由矢量数据转换而来。 4、  遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。 5、  格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。 二）栅格系统的确定 1、  栅格坐标系的确定 表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构(矢、栅)都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。         由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。 2、  栅格单元的尺寸 1）原则：应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。 格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。 一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。 2）方法：用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式： h为栅格单元边长  Ai为区域所有多边形的面积。 (三)栅格代码（属性值）的确定 当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。 1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。 3、 重要性法：定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。 4、长度占优法每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。 四、栅格数据编码方法 1、直接栅格编码： 将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。 1）每行都从左到右记录； AAAAABBBAABBAABB 2）奇数行从左到右，偶数行从右到左； 特点：最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。 栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。所以，出现了各种栅格数据压缩方法。 数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为： 无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息-信息 保持编码。 有损压缩：为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。-信息不保持编码。 2、行程编码（变长编码）： 将原图表示的数据矩阵变为数据对： 1）属性码，长度，行号（可不要） 长度：连续相同码值的栅格个数。 2）属性码，点位 特点： 对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。   这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。 3、块码   -  游程编码向二维扩展 采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。 数据对组成：（初始行、列，半径，属性值）特点： 具有可变分辨率，即当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低 所以，与行程编码类似，随图形复杂程度的提高而降低分辩率。 4、链式编码、Freeman 链码、边界链码 将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录 1）首先定义一个3x3窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这8种可能07进行编码。 2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链. 链式编码表 属性码 起点行 起点列 链码 a 1 4 556656 b 3 7 576654323 优点：链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和边界、线段凹凸度的计算。缺点：不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整体结构）。区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。 5、四叉树编码 五、四叉树编码 （一）四叉树概述： 一种可变分率的非均匀网格系统。是最有效的栅格数据压缩编码方法之一 1、  基本思想： 将2n×2n象元组成的图像(不足的用背景补上) 按四个象限进行递归分割， 并判断属性是否单一，  单一：不分。 不单一：递归分割。最后得到一颗四分叉的倒向树。 2、  四叉树的树形表示： 用一倒立树表示这种分割和分割结果。 根：整个区域 高：深度、分几级，几次分割 叶：不能再分割的块 树叉：还需分割的块 每个树叉均有4个分叉，叫四叉树。 3、 编码方法 1）常规四叉树 记录这棵树的叶结点外，中间结点，结点之间的联系用指针联系， 每个结点需要6个变量： 父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值。 指针不仅增加了数据的存储量，还增加了操作的复杂性：如层次数（分割次数）由从父结点移到根结点的次数来确定，结点所代表的图像块的位置需要从根节点开始逐步推算下来。所以，常规四叉树并不广泛用于存储数据，其价值在于建立索引文件，进行数据检索。 2）线性四叉树 记录叶结点的位置，深度（几次分割）和属性。 地址码（定位码、Morton码）  四进制、十进制 优点：·存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。·线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其Morton码，而不用建立四叉树。 ·定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。 （二）四进制的Morton码 1、  方法1： 四叉树从上而下（形成）（从整体开始） 由叶结点找Morton码。    A、分割一次，增加一位数字，大分割在前，小分割在后。所以，码的位数表示分割的次数。    B、每一个位均是不大于3的四进制数，表达位置。 由Morton找出四叉树叶结点的具体位置。 2、  方法2：四叉树自下而上合并的方法 1）计算每个栅格对应的MQ MQ=2*Ib+Jb  I,J化为二进制Ib,Jb 看最大的I,J,不足在前补零。其始行列号从0计。 2) 按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中。 3）依次检查每四个相邻的MQ对应的属性值，相同合并（不同码位去掉），不同则存盘,直到没有能够合并的子块为止。 （三）十进制的Morton码-MD 四进制Morton码直观上切合四叉树分割，但许多语言不支持四进制变量，需用十进制表示Morton码. 1、一种按位操作的方法： 如行为2、列为3的栅格的MD 步骤： (1)行、列号为二进制 Ib= 1 0  Jb= 1 1 (2)I行J列交叉   1 1 0 1  = 13 (3)再化为十进制. 实质上是按左上、右上、左下、右下的顺序，从零开始对每个栅格进行自然编码。 2、把一幅2n×2n的图像压缩成线性四叉树的过程 1°、按Morton码把图象读入一维数组。 2°、相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的Morton码。循环比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能合并为止。 3°、进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个象元的Morton码。 右图的压缩处理过程为：（书上）（次题2005年考了，原题没变） 1°、按Morton码读入一维数组。 Morton码：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°、四相邻象元合并，只记录第一个象元的Morton码。     0   1  2    3   4  5   6  7   8  12     A  A  A  B  A  A  B  B  A   B 3°、由于不能进一步合并，则用游程长度编码压缩。     0  3   4  6  8   12     A  B  A  B  A  B （四）四叉树优缺点 优点： 1）对于团块图像，四叉树表示法占用空间比网络法要少得多，四叉树表示法基本上是一种非冗余表示法。2）四叉树具有可变率或多重分辩率的特点使得它有很好的应用前景，适用于处理凝聚性或呈块状分布的空间数据，特别适用于处理分布不均匀的块状空间数据，但不适用于连续表面（如地形）或线状地物。 此外，目前应用四叉树还存下列问题： 1) 矢/栅正反变换还不理想。 2) 建立四叉树耗费机时很多。 3) 四叉树虽可修改，但很费事（具体的数据结构中会提到） 4) 四叉树未能直接表示物体间的拓扑关系。 5) 与非树表示法比较，四叉树表示法的缺点在于转换的不稳定性或叫滑动变异 例如，两个图像的差异仅由于平移，就会构成极为不同的四叉树，因而很难根据四叉树来判断这两个图像是否全同，故不利于做形状分析和模式识别 6) 一个物体的图像在构成四叉树时会被分割到若干个象限中，使它失去了内在的相关性。 §2-2   矢量数据结构 二、矢量数据的获取方式 1) 由外业测量获得   可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。 2)由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。 3)跟踪数字化 用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。 三、矢量数据组织 矢量数据表示时应考虑以下问题： ·矢量数据自身的存贮和处理。 ·与属性数据的联系。 ·矢量数据之间的空间关系(拓扑关系)。 四、矢量数据编码方式 （一）实体式 （spaghetti）-  面条模型:以实体为单位记录其坐标 优点：结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。 缺点： 1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。 2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。 3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。不易检查拓扑错误。 所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。 （二）索引式（树状） 对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。 与实体式相比： 优点：用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。 缺点：表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。 三）双重独立式编码 简称DIME(Dual Independent Map Encoding)，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。 四）链状双重独立式编码-拓扑数据结构 1、弧段坐标文件 弧段号 坐标系列（串) A x2,y2,X10,y10 2、弧段文件：链面，链结点关系 弧段号 左多边形 右多边形 起点 终点 A P1 P2 2 5 3、面文件 面号 弧段号 P1 A,B,-C 4、点拓扑文件： 结点链关系 点号 弧段号 2 A,B,D 在拓扑结构中，多边形（面）的边界被分割成一系列的线（弧、链、边）和点（结点）等拓扑要素，点、线、面之间的拓扑关系在属性表中定义，多边形边界不重复。 链状双重独立式编码 特点 拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。因为一般数字化一条街道时，必然有许多中间点，但我们在做空间分析是却没有必要以这些中间点所组成的折线为研究对象，而应以整条弧段（某条街道）为研究对象.   被一些成熟的商品化软件采用，如ARC/INFO软件。 例：ARC文件：二进制文件:  弧段号    点数     坐标串   在GIS数据输入中，建拓扑是指给图形数据（点、线、面）增加拓扑结构，如ARC/INFO中，在ARCEDIT中输入图形后，需用BUILD 建图形拓扑，具体生成许多文件，如AAT，PAT等. INFO：属性表 如AAT（Arc Attribute Table） 弧段号 USER_ID LPOLY RPOLY FROM_NODE TO_NODE 其它属性:（名称) 用户标识码，表明地物类型 当图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，需重新建拓扑。 §2-4 矢栅一体化数据结构 一、矢、栅优缺点              优点                      缺点 矢量 1、便于面向现象（土壤类，土地利用单元等） 2、结构紧凑，冗余度低，便于描述线或边界。        3、利于网络、检索分析，提供有效的拓扑编码，对需要拓扑信息的操作更有效。       4、 图形显示质量好，精度高。 1  1、数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准化和规范化，数据交换困难。      2、多边形叠置分析困难，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     1、 结构简单，易数据交换。     2、叠置分析和地理（能有效表达空可  变性）现象模拟较易。     3、利于与感遥数据的匹配应用和分析，便于图像处理。     4、 输出快速，成本低廉。       1、现象识别效果不如矢量方法，难以表达拓扑。     2、图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决该问题。     3、投影转换困难。 4 4、图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据文件。 矢量、栅格数据结构的选择 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。 栅格结构: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：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。 二、矢栅一体化概念 将矢量面对目标的方法和栅格元子充填的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。 线状地物：除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格。 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。 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。 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、三个约定和细分格网法 为便于组织数据，首先作如下约定： a. 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。 b. 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。 c. 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。               为提高栅格表示精度，采用细分格网法： 将一对X,Y坐标用两个Morton码代替： 前一M1表示该点（采样点或附加的交叉点）所在基本格网的地址码，后者M2 表示该点对应的细分格网的Morton码，既顾全整体定位，又保证精度。 四、一体化数据结构设计 线性四叉树(Morton)是基本数据格式，三个约定设计点、线、面数据结构的基本依据，细分格网法保证足够精度。 1、点状地物和结点的数据结构 约定1，点仅有位置、没有形状和面积，只要将点的坐标转化为地址码M1 和M2 ,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。 2、线状地物的数据结构 约定（2），线状地物有形状但没有面积，没有面积意味着只要用一串数据表达每个线状地物的路径即可，将该线状地物经过的所有栅格的地址全部记录下来。仿照矢量数据组织的链状双重独立式编码，以弧段为记录单位。 弧段的数据结构: 3、面状地物的数据结构 3）面文件 这种数据结构是面向地物的，具有矢量的特点。通过面状地物的标识号可以找到它的边界弧段并顺着指针提取所有的中间面块。同时它又具有栅格的全部特性，二维行程本身就是面向位置的结构，带指针的二维行程码中的Morton码表达了位置的相互关系，前后M码之差隐含了该子块的大小。给出任意一点的位置都可顺着指针找到面状地物的标识号确定是哪一个地物。 4、复杂地物的数据结构 由几个或几种点、线、面状简单地物组成的地物称为复杂地物。例如将一条公路上的中心线、交通灯、立交桥等组合为一个复杂地物，用一个标识号表示。复杂地物的数据结构如表7所示。 §2-5 三维数据结构 一、概述 目前GIS主要还停留在处理地球表面的数据，若数据是地表以下或以上，则先将它投影到地表，再进行处理，其实质是以二维的形式来模拟、处理任何数据，在有些领域可行，但涉及到三维问题的处理时，往往力不从心。       二维V=f(x,y)，在不同的层V的含义不同，当V表示的是高程时，就是DEM。由于地形三维视图的原因，人们常把DEM误认为是三维模型。但从本质上讲，DEM是二维的，因为它只能表示地表的信息，不能对地表内部进行有效的表示。目前，人们常把DEM称为2.5维的数据模型。       真三维模型V=f(x,y,z)，z是一自变量，不受x,y的影响。三维GIS的要求与二维GIS相似，但在数据采集，系统维护和界面设计等方面比二维GIS复杂得多，如三维数据的组织与重建，三维变换、查询、运算、分析、维护等方面。下面主要介绍三维数据结构。同样，三维结构存在栅格和矢量两种形式。 栅格：将地理实体的三维空间分成细小单元-体元。普遍用八叉树 矢量：x,y,z，抽象为点、线、面、体，面构成体。方法多种，常用三维边界表示法。 二、八叉树结构 1、思想： 四叉树在三维空间的推广。    将要表示的形体V放在一个充分大的正方体C内，C的边长为2n，不断用两个与XOY、XOZ的平面均分C为8个子体，并判断属性单一性。 当子体部分为V-灰结点  需再1分为8。    子体中无V-白结点    停止分割，叶结点。    子体全为V黑结点 2、存贮结构 1）规则八叉树       与常规四叉树类似，用10项字段来记录每个结点（8个子结点指针， 1个父结点指针，1个结点属性）。最普遍的形式，方式自然，易掌握。但指针占总存储量的94%，空间使用率低。 2）线性八叉树  Motorn码    用某一预先确定的次序将八叉树转换成一个线性表，表中的每个元素与一个结点相对应。每个结点用固定的字节描述，其中某些位专门用来说明它是否为叶结点。 特点：节省存贮空间，便于某些运算，但丧失一定的灵活性，不便于其它遍历方式对树的结点进行存取，应用效果不佳。 3）一对八式的八叉树 每个结点均1分为8，并标记为  0，1，2，3，4，5，6，7。隐含地假定了这些子结点记录存放的次序 -便于检索 浪费存储，除非完全八叉树，即所有叶结点均在同一层次出现，上层均为非叶结点。 三、三维边界表示法 1、顶点表：用来表示多面体各顶点的坐标 、边表：指出构成多面体某边的两个顶点； 、面表：给出围成多面体某个面的各条边。 可避免重复表示某些点、边、面，节约存储，便于图形显示，如公共边不重复。 、当有若干个多面体时，还必须有一个对象表。 5、扩充后的边表 为表达拓扑还可将其它一些有关的内容结合到所使用的表中，如将边所属的多边形信息结合进边表中以后的形式： 6、拓扑检查 数据存储后，必须检查数据的一致性、完全性，即进行拓扑检查。具体可检查下列几项： (1)  顶点表中的每个顶点至少是两条边的端点； (2)  每条边至少是一个多边形的边； (3)  每个多边形是封闭的； (4)  每个多边形至少有一条边是和另一个多边形共用的； (5)   若边表中包含了指向它所属多边形的指针，那么指向该边的指针必在相应的多边形中出现。 7、应用 三维边界法一般用于表示规则形体，如建筑物，对于自然界中的复杂形体如岩石的外表，理论上可找到一在误差范围内逼近的适合平面多面体，但这种逼近受多因素的制约。     对于不规则形体，可在形体的外表面s，可测一组点p1,p2pn坐标，再建这些点的关系，即结构图，决定顶点连接的不同方式。同样数据点，由于连接方式不同，构成的平面多面体也不同。其中最重要的一种方法就是每个面均是三角形的平面多面体，类似TIN结构。但即使这样，同一组点仍可得到不同的平面多面体。因此，需要研究拥有了哪些特征之后，才能更确切地逼近原来的三维形体?     这种逼近有两种形式：     表面S0的逼近：以确定后的平面多面体的表面作为对原三维形体的表面S0的逼近，着眼于形体的边界表示。    三维形体的逼近：给出一系列的四面体，这些四面体的集合就是对原三维形体的逼近。着眼于形体的分解表示。 第三章 空间数据库 §3-1 空间数据库的概念 空间数据库是空间数据库系统的简称。 一、空间数据库 1、定义：   是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总合。                         书刊 数据 逻辑划分   词 句 段 目 节 章 数据项、记录、文件和数据库 物理划分   字 行 页 期 卷 比特、字节、字、块、桶和卷 2、空间数据特征: 1）空间特征：一般需要建立空间索引。 2）非结构化特征：   结构化的，即满足第一范式:每条记录定长，且数据项是原子数据.而空间数据数据项变长，对象包含一个或多个对象，需要嵌套记录。 3）空间关系特征： 拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。 4）分类编码特征： 一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。 5）海量数据特征。 3、空间数据库的特点 1）数据量特别大； 2）数据种类多，复杂； 3）数据应用面相当广。 在建立地理空间数据库时，一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题。 二、空间数据库管理系统 是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义；   提供必须的空间数据查询、检索和存取功能；   能够空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。 三、空间数据库应用系统 提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面，是应用户数据处理需求而建立的具有数据库访问功能的应用软件。 一般需要进行二次开发。 §3-2 空间数据模型 数据结构：是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。    数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑模型。     两者之间的关系：混合的交叉关系，并不一一对应，世界多样性，确定数据模型，确保实用性，（便于模型化、存储、检查和分析），它并不基于空间数据结构。 一、传统数据模型 自学：用三种模型（层次、网络、关系）组织图： 二、传统模型存储空间数据的局限： 1、层次模型用于GIS地理数据库的局限性     层次模型反映了实体之间的层次关系，简单、直观，易于理解，并在一定程度上支持数据的重构。     用于GIS地理数据库存在的主要问题是： 1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余； 2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询； 3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除； 4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径； 5）基本不具备演绎功能和操作代数基础。 2、网状模型用于GIS地理数据库的局限性 网状模型反映地理世界中常见的多对多关系，支持数据重构，具有一定的数据独立和数据共享特性，且运行效率较高。 用于GIS地理数据库的主要问题如下： 1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置； 2）网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题； 3）不直接支持对于层次结构的表达； 4）基本不具备演绎功能和操作代数基础。 3、关系模型用于GIS地理数据库的局限性 在GIS分析中，常常需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据，要求GIS数据库能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理。 4）空间数据通常是变长的，而一般RDBMS只允许记录的长度设定为固定长度，此外，通用DBMS难于存储和维护空间数据的拓扑关系。  5）一般RDBMS都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。  6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能。  7）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息。  8）GIS管理的是具有高度内部联系的数据，为了保证地理数据库的完整性，需要复杂的安全维护系统，而这些完整性约束条件必须与空间数据一起存储，由地理数据库来维护系统数据的完整性。否则，一条记录的改变会导致错误、相互矛盾的数据存在，而一般RDBMS难以实现这一功能。三、面向对象模型一）基本概念 1、对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的