1、第七章 空間數據管理 鄔 倫北京大學地球與空間科學學院遙感與地理信息系統研究所2004年12月1空間數據庫 1.1 地理信息系統與一般管理信息系統的比較兩者的區別： 硬件 軟件 信息處理的內容和采用目的 共同之處： 以計算機為核心的信息處理系統，都具有數據量大和數據之間關系復雜的特點，也都隨著數據庫技術的發展在不斷的改進和完善。 1.2 空間數據庫概念 ：某一區域內關于一定地理要素特征的數據集合 。特點 ：數據量特別大 ;既有屬性數據，又有空間數據 ;數據應用廣泛 。數據庫管理系統 GIS數據管理方法的4種主要類型 ：開發獨立的數據管理服務 。在商業化的DBMS基礎上開發附加系統 。使用現有的

2、DBMS，對系統的功能進行必要擴充 。重新設計一個具有空間數據和屬性數據管理和分析功能的數據庫系統 。1.3 GIS內部的數據結構矢量結構和柵格結構 矢量模型 ：現實世界的要素位置和范圍可以采用點、線或面表達，與它們在地圖上表示相似，每一個實體的位置是用它們在坐標參考系統中的空間位置（坐標）定義。 柵格模型 ：在柵格模型中，空間被規則地劃分為柵格（通常為正方形）。地理實體的位置和狀態是用它們占據的柵格的行、列來定義的。 2柵格數據結構及其編碼 基本概念特點編碼方式I 什么是柵格數據結構（Raster) ？ 柵格結構是最簡單最直接的空間數據結構，是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網格陣列，每

3、個網格作為一個象元或象素由行、列定義，并包含一個代碼表示該象素的屬性類型或量值，或僅僅包括指向其屬性記錄的指針。I 什么是柵格數據結構（Raster) ？Real worldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagonsRASTER柵格數據結構示例（a）點 （b）線 （c）面柵格數據單元格經常是矩形（主要是正方形）的，但并不是必須如此。其單元格形狀可以隨應用的需要進行具體設定，比如設置為三角形。柵格數據的比例尺就是柵格大小與地表相應單元大小之比。柵格尺寸越小，其分辨率越高，數據量也越大。柵格數據的形狀、尺寸及相關問題引申思考：柵

4、格數據的投影與變形問題？由于柵格結構對地表的離散，在計算面積、長度、距離、形狀等空間指標時，若柵格尺寸較大，則造成較大的誤差 。由于柵格單元中存在多種地物，而數據中常常只記錄一個屬性值，這會導致屬性誤差。比如，遙感數據中的“混合像元”問題。柵格數據的形狀、尺寸及相關問題II 柵格數據結構的特點 屬性明顯數據中直接記錄了數據屬性或指向數據屬性的指針，因而我們可以直接得到地物的屬性代碼定位隱含所在位置則根據行列號轉換為相應的坐標，也就是說定位是根據數據在數據集中的位置得到的。柵格結構是按一定的規則排列的，所表示的實體的位置很容易隱含在格網文件的存儲結構中 II 柵格數據結構的特點 柵格數據結構結構

5、容易實現，算法簡單，且易于擴充、修改，也很直觀，特別是易于同遙感影像的結合處理，給地理空間數據處理帶來了極大的方便III 決定柵格單元代碼的方式 中心點法 處理方法： 用處于柵格中心處的地物類型或現象特性決定柵格代碼 常用于具有連續分布特性的地理要素，如降雨量分布、人口密度圖等。 例如：中心點O落在代碼為C的地物范圍內，按中心點法的規則，該矩形區域相應的柵格單元代碼為CIII 決定柵格單元代碼的方式 2. 面積占優法處理方法：以占柵格區域面積比例最大的地物類型或現象特性決定柵格單元的代碼 面積占優法常用于分類較細，地物類別斑塊較小的情況 例如：所示的例子中，顯見B類地物所占面積最大，故相應柵格

6、代碼定為B III 決定柵格單元代碼的方式 4.百分比法 處理方法：根據柵格區域內各地理要素所占面積的百分比數確定柵格單元的代碼 適用于地物面積具有重要意義的分類體系 例如：可記面積最大的兩類BA，也可以根據B類和A類所占面積百分比數在代碼中加入數字 III 決定柵格單元代碼的方式 5.其他方法 根據具體的應用內容，柵格單元的代碼確定方式還可以采用其他方法，如插值方法（平均值就是其中之一），或使用特定的計算函數等。IV柵格數據編碼柵格數據編碼方法分為兩大類：直接柵格編碼 壓縮編碼方法 鏈碼 游程長度編碼 塊碼 四叉樹 直接柵格編碼直接編碼就是將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代

7、碼，可以每行都從左到右逐個象元進行記錄，也可以奇數行地從左到右而偶數行地從右向左記錄，為了特定目的還可采用其他特殊的順序 一些常用的柵格排列順序壓縮編碼方式壓縮編碼的目的就是用盡可能少的數據量記錄盡可能多的信息，其類型分為信息無損編碼編碼過程中沒有任何信息損失，通過解碼操作可以完全恢復原來的信息 信息有損編碼為了提高編碼效率，最大限度地壓縮數據，在壓縮過程中損失一部分相對不太重要的信息，解碼時這部分難以恢復 壓縮編碼方式1 鏈碼（Chain Codes）鏈式編碼又稱為弗里曼鏈碼（Freeman，1961）或邊界鏈碼。該編碼方法將數據表示為由某一原點開始并按某些基本方向確定的單位矢量鏈。基本方向

8、可定義為：東0，東南1，南2，西南3，西4，西北5，北6，東北7 等八個基本方向。例如，確定原點為像元（10，1），則某個多邊形邊界按順時針方向的鏈式編碼為：10，1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。其中前兩個數字10 和1 表示起點為第十行第一列，從第三個數字開始每個數字表示單位矢量的方向，八個方向以07 的整數代表。鏈碼（Chain Codes）壓縮編碼方式2 游程長度編碼（Run-Length Codes）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

9、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。 游程長度編碼（Run-Length Codes）其實現方法有兩種一種編碼方案是，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的代碼重復的個數，從而實現數據的壓縮。 另一種游程長度編碼方案就是逐個記錄各行（或列）代碼發生變化的位置和相應代碼 游程長度編碼示例按第一種編碼方法，此數據游程長度編碼：（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7，2）；（0，2），（4，1），（8，3），（7，2）；（0，2），（8，4），（7，1），（8，1）； (0，3)， (8，5)； (

10、0，4)， (8，4)； (0，5)， (8，3)。用44個整數表達了原始數據中的64個柵格。游程長度編碼示例按第二種編碼方法，此數據游程長度編碼（沿列方向）：（1，0），（2，4），（4，0），（1，4），（4，0）；（1，4），（5，8），（6，0）；（1，7），（2，4），（4，8），（7，0）；（1，7），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。 游程長度編碼優缺點優點壓縮效率較高，且易于進行檢索，疊加合并等操作，運算簡單，適用于機器存儲容量小，數據需大量壓縮，而又要避免復雜的編碼解碼運算增加處理和操作時間的情況 缺點

11、對于圖斑破碎，屬性和邊界多變的數據壓縮效率較低，甚至壓縮后的數據量比原始數據還大。 壓縮編碼方式3 塊碼（Chain Codes） 塊碼是游程長度編碼擴展到二維的情況，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，數據結構由初始位置（行、列號）和半徑，再加上記錄單位的代碼組成。 塊碼編碼示例其塊碼編碼為：(1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(

12、3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)。壓縮編碼方式4 四叉樹編碼四叉樹編碼將整個圖像區逐步分解為一系列僅包含單一類型的方形區域，最小的方形區域為一個柵格象元。四叉樹編碼 其基本分割方法是將一幅柵格地圖或圖像等分為四部分。逐塊檢查其柵格屬性值(或灰度)。如果某個子區的所有柵格值都具有相同的值。則這個子區就不再繼續分割，否

13、則還要把這個子區再分割成四個子區。這樣依次地分割，直到每個子塊都只含有相同的屬性值或灰度為止。 四叉樹編碼 由上而下的方法運算量大，耗時較長。因而實踐中可以采用從下而上的方法建立四叉樹編碼。對柵格數據按如下的順序進行檢測：如果每相鄰四個柵格值相同則進行合并，逐次往上遞歸合并，直到符合四叉樹的原則為止。這種方法重復計算較少，運算速度較快。 四叉樹編碼 采用四叉樹編碼時，為了保證四叉樹分解能不斷地進行下去，要求圖像必須為2n2 n的柵格陣列，對于非標準尺寸的圖像需首先通過增加背景的方法將圖像擴充為2 n 2 n的圖像。 四叉樹的結構方式四叉樹結構按其編碼的方法不同分為常規四叉樹和線性四叉樹：常規四

14、叉樹：除了記錄葉結點之外，還要記錄中間結點。結點之間借助指針聯系，每個結點需要用六個量表達：四個葉結點指針，一個父結點指針和一個結點的屬性或灰度值。這些指針不僅增加了數據貯存量，而且增加了操作的復雜性。常規四叉樹主要在數據索引和圖幅索引等方面應用。四叉樹的結構方式四叉樹結構按其編碼的方法不同分為常規四叉樹和線性四叉樹：線性四叉樹：只存貯最后葉結點的信息。包括葉結點的位置、深度和本結點的屬性或灰度值。所謂深度是指處于四叉樹的第幾層上。由深度可推知子區的大小。線性四叉樹葉結點的編號需要遵循一定的規則，這種編號稱為地址碼，它隱含了葉結點的位置和深度信息。最常用的地址碼是四進制或十進制的Morton碼

15、。四叉樹編碼示例 其中最上面的結點叫根結點，它對應整個圖形。此樹共有4層結點，每個結點對應一個象限，如第2層4個結點分別對應于整個圖形的四個象限，排列次序依次為南西（SW）、南東（SE）、北西（NW）和北東（NE），不能再分的結點稱為終止結點（又稱葉子結點），可能落在不同的層上，該結點代表的子象限具有單一的代碼，所有終止結點所代表的方形區域覆蓋了整個圖形。從上到下，從左到右為葉子結點編號，共有40個葉子結點，也就是原圖被劃分為40個大小不等的方形子區（最下面的一排數字表示各子區的代碼）。 四叉樹編碼示例四叉樹編碼的優缺點優點：四叉樹編碼具有可變的分辨率，樹的深度隨數據的破碎程度而變化，并且有區

16、域性質，壓縮數據靈活，許多數據和轉換運算可以在編碼數據上直接實現，大大地提高了運算效率，并支持拓撲“洞”（嵌套多邊形）的表達，是優秀的柵格壓縮編碼之一 。缺點：其最大不足是其不穩定性，即同樣的原始數據應用不同的算法進行編碼可能會得到不同的編碼結果。不利于數據分析。壓縮編碼方式5 其他編碼還有很多編碼方法，如傅立葉變換、小波變換、余弦變換等，常常用于遙感原始數據的壓縮。由于它們多數是有損壓縮，一般不用于需要進行分析的柵格數據。在四叉樹基礎上發展而來的八叉樹目前也是研究熱點之一。引申思考：柵格壓縮編碼和常見文件壓縮方法（Zip,Rar ）的異同？壓縮編碼的相關問題同所有的數據結構問題一樣，壓縮編碼

17、過程的主要矛盾也是數據量壓縮和運算時間之間的矛盾：為了更有效地利用空間資源，減少數據冗余，不得不花費更多的運算時間進行編碼 。好的壓縮編碼方法就是要在盡可能減少運算時間的基礎上達到最大的數據壓縮效率，并且是算法適應性強，易于實現 常見柵格壓縮編碼方法總結：鏈碼的壓縮效率較高，已經近矢量結構，對邊界的運算比較方便，但不具有區域的性質，區域運算困難 。游程長度編碼既可以在很大程度上壓縮數據，又最大限度地保留了原始柵格結構，編碼解碼十分容易。但對破碎數據處理效果不好。塊碼和四叉樹編碼具有區域性質，又具有可變的分辨率，有較高的壓縮效率，但運算效率是其瓶頸。其中四叉樹編碼可以直接進行大量圖形圖像運算，效

18、率較高，是很有前途的方法。 3矢量數據結構及其編碼 基本概念特點編碼方式I矢量數據結構基本概念前導概念：矢量（起點終點）矢量數據結構 ：通過記錄坐標的方式盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體，坐標空間設為連續，允許任意位置、長度和面積的精確定義。在一般情況下，其精度比柵格數據結構高得多。其精度僅受數字化設備的精度和數值記錄字長的限制。 I矢量數據結構基本概念幾何體的類型I矢量數據結構基本概念矢量數據的類型Buildings. PolygonStreams, LineWells, PointRoads, LineZoning,PolygonMAP SHEETSI矢量數據結構基本概念 矢量結構

19、允許最復雜的數據以最小的數據冗余進行存儲，相對柵格結構來說，數據精度高，所占空間小，是高效的空間數據結構。II矢量數據結構特點1 定位明顯其定位是根據坐標直接存儲的，無需任何推算2 屬性隱含 屬性則一般存于文件頭或數據結構中某些特定的位置上 II矢量數據結構特點矢量數據結構圖形運算的算法總體上比柵格數據結構復雜的多，在疊加運算、鄰域搜索等操作時比較困難，有些甚至難以實現，但其也有便利和獨到之處，在計算長度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，矢量結構有很高的效率和精度。III矢量數據編碼編碼方法 ：點實體線實體多邊形 坐標序列法 樹狀索引編碼法 拓撲結構編碼法 (X,Y)(X2,Y2)(X3

20、,Y3)(X4,Y4)(X5,Y5)LinePoint(X5,Y5)(X,Y)(X2,Y2)(X4,Y4)(X3,Y3)Polygon(X,Y)III矢量數據編碼點實體 點是空間上不能再分的地理實體，可以是具體的或抽象的，如地物點、文本位置點或線段網絡的結點等，由一對x、y坐標表示。 對于點實體，矢量結構中只記錄其在特定坐標系下的坐標和屬性代碼 點實體數據編碼III矢量數據編碼線實體對于線實體，在數字化時即進行量化，就是用一系列足夠短的直線首尾相接表示一條曲線，當曲線被分割成多而短的線段后，這些小線段可以近似地看成直線段，而這條曲線也可以足夠精確地由這些小直線段序列表示，矢量結構中只記錄這些小

21、線段的端點坐標，將曲線表示為一個坐標序列，坐標之間認為是以直線段相連，在一定精度范圍內可以逼真地表示各種形狀的線狀地物 線實體矢量數據編碼唯一標識碼是系統排列序號；線標識碼可以標識線的類型；起始點和終止點號可直接用坐標表示；顯示信息是顯示時的文本或符號等；與線相聯系的非幾何屬性可以直接存儲于線文件中，也可單獨存儲，而由標識碼聯接查找。 III矢量數據編碼多邊形實體編碼 “多邊形”在地理信息系統中是指一個任意形狀、邊界完全閉合的空間區域。其邊界將整個空間劃分為外部和內部。多邊形數據是描述地理信息的最重要的一類數據。在區域實體中，具有名稱屬性和分類屬性的，多用多邊形表示，如行政區、土地類型、植被分

22、布等。多邊形實體編碼 多邊形矢量編碼不但要表示位置和屬性，更為重要的是要能表達區域的拓撲性質，如形狀、鄰域和層次等，以便使這些基本的空間單元可以作為專題圖資料進行顯示和操作，由于要表達的信息十分豐富，基于多邊形的運算多而復雜，因此多邊形矢量編碼比點和線實體的矢量編碼要復雜得多，也更為重要。 多邊形實體編碼 多邊形矢量編碼除有存儲效率的要求外，一般還要求所表示的各多邊形有各自獨立的形狀，可以計算各自的周長和面積等幾何指標；各多邊形拓撲關系的記錄方式要一致，以便進行空間分析；要明確表示區域的層次，如島-湖-島的關系等。因此，它與機助制圖系統僅為顯示和制圖目的而設計的編碼有很大不同。 多邊形實體編碼

23、方法坐標序列法（Spaghetti方式） 樹狀索引編碼法 拓撲結構編碼法 坐標序列法（Spaghetti方式）由多形邊界的x、y坐標對集合及說明信息組成，是最簡單的一種多邊形矢量編碼 坐標序列法（Spaghetti方式）示例圖形數據10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8；x9,y9；x10,y10；x11,y11；20：x1,y1；x12,y12；x13,y13；x14,y14；x15,y15；x16,y16；x17,y17；x18,y18；x19,y19；x20,y20；x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；

24、x9,y9；x10,y10；x11,y11；30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38；x39,y39；x40,y40；40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30；x31,y31；x32,y32；50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24；x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28； 編碼數據坐標序列法的優缺點優點文件結構簡單，易于實現以多邊形為單位的運算和顯示 缺點多邊形之間的公共邊界被數字化和存

25、儲兩次，由此產生冗余和碎屑多邊形；每個多邊形自成體系而缺少鄰域信息，難以進行鄰域處理，如消除某兩個多邊形之間的共同邊界；島只作為一個單個的圖形建造，沒有與外包多邊形的聯系；不易檢查拓撲錯誤。這種方法可用于簡單的粗精度制圖系統中。樹狀索引編碼法 采用樹狀索引以減少數據冗余并間接增加鄰域信息，方法是對所有邊界點進行數字化，將坐標對以順序方式存儲，由點索引與邊界線號相聯系，以線索引與各多邊形相聯系，形成樹狀索引結構 樹狀索引編碼法示例圖形數據樹狀索引編碼法示例線與多邊形之間的樹狀索引樹狀索引編碼法示例點與邊界線之間的樹狀索引 樹狀索引編碼法示例形成的文件記錄 樹狀索引編碼法的優勢和不足 樹狀索引編碼

26、消除了相鄰多邊形邊界的數據冗余和不一致的問題，在簡化過于復雜的邊界線或合并相鄰多邊形時可不必改造索引表，鄰域信息和島狀信息可以通過對多邊形文件的線索引處理得到，但是比較繁瑣，因而給相鄰函數運算，消除無用邊，處理島狀信息以及檢查拓撲關系帶來一定的困難，而且兩個編碼表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出錯。 拓撲結構編碼法 要徹底解決鄰域和島狀信息處理問題必須建立一個完整的拓撲關系結構，這種結構應包括以下內容：唯一標識，多邊形標識，外包多邊形指針，鄰接多邊形指針，邊界鏈接，范圍（最大和最小x、y坐標值，即外包矩形信息）。采用拓撲結構編碼可以較好地解決空間關系查詢等問題，但增加了算法的復雜性和數據庫的大小。