地理信息系统 栅格数据结构

链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界。它 把线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起始点 开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向 可定义为：东＝0，东南＝l，南＝2，西南＝3，西＝4， 西北＝5，北＝6，东北＝7等八个基本方向。 编码过程：

起始点的寻找一般遵循从上到下，从左到右的原则； 当发现没有记录过的点，且数值不为0时，就是一条线 或边界的起点； 记下该地物的特征码、起点的行列号，然后按顺时针方 向寻迹，找到相邻的等值点，并按八个方向编码。

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5）线性四叉树的二维行程编码
右图的压缩处理过程为： 1.按Morton Morton码：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 象元值：A A A B A A 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 AAABAABBAB 3.进一步用游程长度编码压缩。 0 3 4 6 8 12 A B A B A B
2.游程长度编码（Run-Length Encoding）

优点：

栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩效率高， 最大限度保留原始栅格结构， 编码解码运算简单，且易于检索、叠加、合并等操 作，得到广泛应用。 不适合于类型连续变化或类型区域分散的数据。

缺点：

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3. 链式数据编码（Chain Encoding，弗里曼Freeman）
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完全栅格数据的组织
完全栅格数据的组织有三种基本方式：
基于像元、基于层（波段）和基于行
.bsq （band sequential）基于层（波段）的方式
栅格数据文件 波段1 像元1，1 像元1，2 … 像元1，m … 像元m，n 波段2 … 波段k
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.bil （band interleaved by line）基于行的方式
第4章 空间数据结构
1
主要内容
4.1 矢量数据结构 4.2 栅格数据结构 4.4 镶嵌数据结构 4.5 栅格结构与矢量数据结构的比较
2
4.2 栅格数据结构
3
4.2 栅格数据结构
4.2.1 栅格单元的确定 4.2.2 完全栅格数据结构 4.2.3 压缩栅格数据结构
4
4.2 栅格数据结构

网格结构(raster或grid cell)或像元结构(pixel) 以规则栅格阵列表示空间对象 最简单最直观
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3. 链式数据编码（Chain Encoding，弗里曼Freeman）
特征码 线 面
5
链式编码表 起点行 起点列 1 5 3 6
6 7
链码 3223323 0213246676
起始点 3 0 6 2 7 1 起始点
2 2
4 0
3 2 3
3
2
1
3
6 3 2 6 4 4
链式编码的方向代码
链式编码示意图
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优点：

链式编码对多边形的表示具有很强的数据压缩能力 且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探 测边界急弯和凹进部分等都比较容易，比较适于存 储图形数据。 对边界做合并和插入等修改编辑比较困难； 类似矢量结构，不具有区域的性质，对叠置运算如 组合、相交等则很难实施； 而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区 域的边界则被重复存储而产生冗余。
A 0 A 2 A 8 A 10 A 1 B 3 A 9 A 11 A 4 B 6 B 12 B 14 A 5 B 7 B 13 B 15
A 0 A 2 A 8 A 10
A 1 B 3 A 9 A 11
A 4 B 6 B 12 B 14
A 5 B 7 B 13 B 15
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四叉树编码法的优点
1）容易而有效地计算多边形的数量特征； 2）阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四 叉树较高即分级多，分辨率也高，而不需表示许多 细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表 示图形结构又可减少存贮量； 3）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比 其它压缩方法容易； 4）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。
属性偏差
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4. 栅格数据的编码方法

4.2.2完全栅格数据结构

直接栅格编码 游程长度编码 链式数据编码 四叉树编码 分块压缩编码

4.2.3压缩栅格数据结构



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4.2.2完全栅格数据结构
1.直接栅格编码 将栅格看做一个数据矩阵，逐行逐个记录代码数据 优点：简单、直观，无压缩 缺点：存在大量冗余，精度提高有限制。

每个栅格单元上的数值表示空间对象的非几何属性特征 其位置由栅格阵列中每个单元的行列号来确定。

栅格数据结构表示的地表是不连续的，是量化和近似 离散的数据，一个栅格单元对应于小块地理范围。
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面 线

对于栅格数据 结构

点

点：为一个 像元 线：在一定 方向上连接 成串的相邻 像元集合。 面：聚集在 一起的相邻 像元集合。
只记录叶结点的信息，包括叶结点的位置，深度 （几次分割）和属性。 叶结点的编号遵循一定的规则，这种编号称为地址 码，常用的有四进制、十进制Morton码 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位置和分割次数。 · 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。
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缺点：

4. 四叉树编码（Quad tree Encoding）

四叉树概述：一种可变分辨率的非均匀网格系统。 基本思想：将一幅栅格数据层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 所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续 分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区；这样 依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或 灰度为止。
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3）四进制的Morton码
方法1（自上而下分割）其始行列号从0 计 03 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码找出四叉树叶结点的具体 位置。
0
2
1
3
A


最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。 不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上， 该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的 方形区域覆盖了整个图形。 从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数 字表示各子区的代码。

为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必 须为2n×2n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n＋1是 四叉树最大层数或最大高度.


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。

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。
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2）线性四叉树
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栅格数据类型
1．卫星影像 2．数字高程模型（DEM） 3．数字正射影像图（DOM） 4．二进制扫描文件 5．数字栅格影像 6．图形文件：如JPG、TIFF、GIF等 7．特定地理信息系统软件的栅格数据 .grd
4.2.1栅格单元的确定
1. 栅格数据的参数
（1）栅格形状。栅格单元通常为矩形或正方形。特殊的 情况下按经纬网划分。 （2）栅格单元大小。栅格单元的尺寸，即分辨率。栅格 单元的合理尺寸应能有效地逼近空间对象的分布特征， 以保证空间数据的精度。 保证最小图斑不丢失为原则
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方法：
1. 2.
自上而下 自下而上
A
B
A A A B A A B B
A A A A A B A A B B B A B B A A A A A B A A B B B A B B
A
A
B
B
A
A
B
B
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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：
6
y
0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 0 0 0 9 0 7 7 0 0 0 0 9 0 7 7 0
0 6 9 0 7 7 7 7 0 9 0 0 7 7 7 0 0 9 0 0 7 7 7 0
x
9 0 0 0 0 0 0 0
点、线、面数据的矢量与栅格表示
7
Representation of point, line, and area features: raster format on the left and vector format on the right.
A 占区域面积最大 的地物类型取值 适用于分类较细、 地物斑块较小地 理要素
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c 几何偏差 5 3 ac距离: 7/4 (5) 面积: 7 (6)
c
4 a b b a 如ac距离以像元边线计算则为7，以像元个数为单位则为 4。 三角形的面积为6个平方单位，而右图中则为7个平方单位，这种 误差随像元的增大而增加。
栅格数据文件 行1 波段1 像元1…n
波段2 像元1…n …
…
波段k 像元1…n
行2
… 行m
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.bip （band interleaved by pixel）基于像元方式
栅格数据文件 像元1，1 波段1 … 波段k 像元1，2
… 像元m，n
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2.游程长度编码（Run-Length Encoding）
A
A
A
A
A AA
B
A
B
B B
B
B
A
A
B
B
MQ q1q2q3...qk q1 4k 1 q2 4 k2 ...qk 4 0
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方法2（自下而上合并的方法）
1）计算二维矩阵每个元素的下标对应 的MQ M Q 2 * Ib J b 其始行列号从0计。 2) 按码的升序排成线性表，放在连续 0 的内存块中。 1 3）依次检查每四个相邻的MQ对应的属 10 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 11 块为止。
（3）栅格原点 和国家基本比例尺地形图公里网的交点相 一致，或者和已有的栅格系统数据相一致，并同时使用 公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。 （4）栅格的倾角 栅格的坐标系统与国家坐标系统平行
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1.栅格数据的参数
格网分辨率 30 Y：行
西南角格网坐标 （XWS，YWS）
（500，500）
X：列
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2. 栅格数据单元值确定
C
A B
重 要 性
A 位于栅格中心处 的地物类型决定 其取值。 常用于连续分布 特性的地理现象。 C 选取最重要的地 物类型为单元值。 常用于有特殊意 义而面积较小的 地理要素
源自文库
为了逼近原始数据 精度，除了采用这 几种取值方法外， 还可以采用缩小单 个栅格单元的面积， 增加栅格单元总数 的方法
0
1
10
11
A 000 A 002 A 020 A 022
A 001 B 003 A 021 A 023
A 010 B 012 B 030 B 032
A 011 B 013 B 031 B 033
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4）十进制的Morton码---MD
四进制Morton码直观上符合四叉树分割，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： (1)行、列号转换为二进制 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。


行程编码，将每行中具有相同属性值的连续像元映射为一 个游程，每个游程的数据结构为（A，P），A表示属性值， P代表该游程最右端的列号或个数。 属性变化越少，压缩比例越大，适合于类型区域面积较大 的栅格。 (9,4),(0,4), 9 9 9 9 0 0 0 0 (9,3),(0,5), 9 9 9 0 0 0 0 0 (0,1)(9,2),(0,1),(7,2),(0,2), 0 9 9 0 7 7 0 0 (0,4),(7,2),(0,2), 0 0 0 0 7 7 0 0 (0,4),(7,4), 0 0 0 0 7 7 7 7 0 0 0 0 7 7 7 7 (0,4),(7,4), 0 0 0 0 7 7 7 7 (0,4),(7,4), 0 0 0 0 7 7 7 7 (0,4),(7,4) 19 原始栅格数据