空间数据结构及编码

0
0 0
8
0 0
8
8 0
8
8 8
8
8 8
8
8 8
2）逐个记录各行（或列）代码发 生变化的位置和相应代码
（属性发生变化的位置 ，属性值）
编码如下（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）。
0 0 6 0 0 0 0 0
0 6 0 0 0 0 0 0
0 0 6 0 0 0 0 0
0 0 0 6 6 6 0 0
0 0 0 0 0 0 6 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 4 4 0 0 0 0 0
4 4 4 0 0 0 0 0
4 4 4 4 8 0 0 0
7 4 4 8 8 8 0 0
2.有代表性的矢量空间数据结构
非拓扑数据结构
1）Spaghetti结构 ——坐标序列法
由多边形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是 最简单的一种多边形矢量编码，如上图记为以下坐标文件：
• 10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8； x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；
空间数据结构及编码
一、空间数据基本概念 1.定义： 是指以地球表面空间位置为参照的 自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、 图像、文字、表格和数字等。
它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、 磁带机或其他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对 象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内 容
非拓扑属 性
• 基本的拓扑关系包括：连接性、包含和邻 接性
二、栅格数据结构
1.概念
定义：又称为网格结构，它是将地表划分 成为紧密相邻的网格阵列。每个网格的位 置由行列号定义。它包含一个代码，以表 示该网格的属性或指向属性记录的指针。 注意：栅格数据模型是将连续空间离散化。
二维空间坐 标网或其局 部
（8） （18） （19） （9） （10） （11） （12） （17）
（1）
（2）（3）
常规四叉树与线性四叉树
• 常规四叉树除了记录叶结点之外，还要记 录中间结点。结点之间借助指针联系，每 个结点需要用六个量表达，即四个叶结点 指针、一个父结点指针和一个结点的属性 或灰度值。这些指针不仅增加了数据储存 量，而且增加了操作的复杂性。
以下分别为右 图的多边形文 件和线文件树 状索引示意图。 其文件结构如 下：
线与多边形之间的树状索引
点与边界线之间的树状索引
采用上述的树状结构，前图的多边形数据记录如下：
• 线性四叉树只存储最后叶结点的信息。 包括叶结点的位置、深度和本结点的属性 或灰度值
• 线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的 规则，这种编号成为地址码，它隐含了叶 结点的位置和深度信息。
基于十进制的线性四叉树编码
规则：首先将二维栅格数据的行列号转换为 二进制，然后交叉放入Morton码中，即为 线性四叉树的地址码： 行号＝5（1 0 1）；列号＝7（1 1 1） Morton＝ 1 1 0 1 1 1＝55
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0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 2 0 0 0 0 0
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0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 6 0 0 0 0 0
三、矢量数据结构
1.矢量空间数据模型
空间对象 计算机中的表达 点状 点坐标（x,y） 线状 一串点坐标 面状 一串首尾相连的点坐标
描述对象本身的性质； 描述某些空间关系 其他说明数据
二维空间 坐标
几何数据： 表达空间对象形状、 位置及其位置关系
每一点、线、 面的唯一标识 符
属性数据 （常用关 系表组织）
1 1 1
1 1 1
1 1 1
1 1 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
1
1
0
1 3 3
1 1 4 4
0 0 4 4 0 0 0 0 0
1
3 3 3 3
1
3 3 3 3
1
4 4 4 4
0
4 4 4 4
0
4 4 0 0
0
0 0 0 0
0
0 0 0 0
0
0 0 0 0
0层 1层 2层 3层
（4）（5） 6） （ （7） （13）14） （ （15） （16）
0 4 4
4 4 4
4 4 4
7 4 4
7 4 8
7 7 8
wk.baidu.com
7 7 7
7 7 7
0
0 0 0
0
0 0 0
4
8 0 0
8
8 8 0
8
8 8 8
8
8 8 8
7
7 8 8
7
8 8 8
0
0
0
0
0
8
8
8
该例中块码用了120个整数，比直接编码还多，这是因为例中为描述方便， 栅格划分很粗糙，在实际应用中，栅格划分细，数据冗余多的多，才能显 出压缩编码的效果，而且还可以作一些技术处理，如行号可以通过行间标 记而省去记录，行号和半径等也不必用双字节整数来记录，可进一步减少 数据冗余。
两种方案
1）只在各行（或列）数据的代码发生变化时 依次记录该代码以及相同的代码重复的个 数，从而实现数据的压缩。
（属性值，长度）
例如
（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）；（0，4）,（8，4）；（0，5）,（8，3）。
3. 岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形 的联系；
4．不易检查拓扑错误。这种方法可用于简单的粗精度 制图系统中
2）树状索引结构 该法采用树状索引以减少数据冗余并间接 增加邻域信息，方法是对所有边界点进行 数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点 索引与边界线号相联系，以线索引与各多 边形相联系，形成树状索引结构
四叉树结构
基本思想：将一幅栅格地图或图像等分为四部分， 逐块检查其格网属性值（或灰度），如果某个子 区的所有格网值都相同，则这个子区就不再继续 分割，否则还要把这个子区再分割，直到每个子 块都只含有相同的属性值或灰度为止。
四叉树编码具有可变的分辨率，并且有区域性质， 压缩数据灵活，许多运算可以在编码数据上直接实 现，大大地提高了运算效率，是优秀的栅格压缩编 码之一
7 4 8 8 8 8 8 0
7 7 8 8 8 8 8 8
7 7 7 7 7 8 8 8
7 7 7 7 8 8 8 8
点
线
面
3.栅格结构编码方式
• 直接栅格编码
• 行程编码 • 块码
• 链式编码
• 四叉树结构 • 二维行程编码
下一页
游程长度编码（Run-Length Codes）
基本思路：对于一幅栅格图像，常常有行 （或列）方向上相邻的若干点具有相同的 属性代码，因而可采取某种方法压缩那些 重复的记录内容。
2.空间数据特点： 数据的空间性 数据的属性 数据的时间性
3.在GIS中，空间数据主要包括 ： • 1）某个已知坐标系中的位置 • 2）实体间的空间关系 • 3）与几何位置无关的属性
4.空间数据的拓扑关系
地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、线（或弧）、多
边形（区域）之间的空间几何关系，其关系如下
• 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；x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；
• 30：x33,y33；x34,y34；x35,y35；x36,y36；x37,y37；x38,y38； x39,y39；x40,y40； x33,y33； • 40：x19,y19；x20,y20；x21,y21；x28,y28；x29,y29；x30,y30； x31,y31；x32,y32； x19,y19；
0
1
4
5
2
8 10
3
9 12
6
13 15
7
14 16
• 图形文件如：TIFF、GIF、JPEG文件可用 各种图像压缩算法作均称压缩，TIFF和GIF 文件用无损压缩，使原图被精确重构，而 JPEG采用有损压缩，它可达到很大的压缩 比，但不能完整重构原图像。
4.栅格数据类型
• • • • • • • 卫星影像 数字高程模型 数字正射影像 二进制扫描文件 数字栅格图形 图形文件 特定地理信息系统软件的栅格数据
特别方便计算机 运作的数据组织 形式——矩阵数 组
规整栅格： 研究区域划分为规整 格网，空间位置数据 隐含其中
每一网格上放置空 间对象在该位置上 的属性数据
栅格空间数据模型
三角形、方格和六角形划分
2.图形栅格数据结构表示
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 0 2 2 0 0 2 2 2 0 0 0 2 0 0 3 3 0 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 0 3 3 0 0
0
4 4 0 0
4
4 4 0 0
4
4 4 4 8
7
4 4 8 8
7
4 8 8 8
7
7 8 8 8
7
7 7 7 7
7
7 7 7 8
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0 0
0
0 0
0
0 0
8
0 0
8
8 0
8
8 8
8
8 8
8
8 8
• 特点：属性的变化愈少，行程愈长，则压 缩的比例越大，压缩比与图的复杂程度成 反比。
块 码
块码是游程长度编码扩展到二维的情况，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，数据结构由初始位置（行、列号）和半径， 再加上记录单位的代码组成。
• 链码（Chain Codes）
链码又称为弗里曼链码[Freeman]或边界 链码，链码可以有效地压缩栅格数据，而 且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸 度等运算十分方便，比较适合于存储图形 数据。
缺点是对边界进行合并和插入等修改编辑 工作比较困难，对局部的修改将改变整体 结构，效率较低，而且由于链码以每个区 域为单位存储边界，相邻区域的边界将被 重复存储而产生冗余。
欧氏平面上实体对象所具有的拓扑 和非拓扑属性
拓扑属性 一个点在一个弧段的端点 一个弧段是一个简单弧段（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 一个点在一个区域的外部 一个点在一个环的内部 一个面是一个简单面（面上没有“岛”） 一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面 的内部沿任意路径走向另一点） 两点之间的距离 一个点指向另一个点的方向 弧段的长度 一个区域的周长 一个区域的面积
• 50：x21,y21；x22,y22；x23,y23；x8,y8；x7,y7；x6,y6；x24,y24； x25,y25；x26,y26；x27,y27；x28,y28； x21,y21；
坐标序列法文件结构简单，易于实现以多边形为单位 的运算和显示。 缺点： 1．多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此 产生冗余和碎屑多边形； 2．每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻 域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界；
对图所示图像的块码编码如下：
(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),(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)。
0 4 4 4 0 0 4 4 4 4 8 7 4 4 8 8 7 4 8 8 8 7 7 8 8 8 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8
44：64
压缩比的大小是与图的复杂程度成反比 的，在变化多的部分，游程数就多，变 化少的部分游程数就少，图件越简单， 压缩效率就越高
4 4 0 0
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