矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1、矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、矢量、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可具體分為點(diǎn)、線、面，可以構(gòu)成現(xiàn)實(shí)世界中各種復(fù)雜的實(shí)體，當(dāng)問題可描述成線或邊界時，特別有效。矢量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，并具有空間實(shí)體的拓?fù)湫畔ⅲ菀锥x和操作單個空間實(shí)體，便于網(wǎng)絡(luò)分析。矢量數(shù)據(jù)的輸出質(zhì)量好、精度高。 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，導(dǎo)致了操作和算法的復(fù)雜化，作為一種基于線和邊界的編碼方法，不能有效地支持影像代數(shù)運(yùn)算，如不能有效地進(jìn)行點(diǎn)集的集合運(yùn)算(如疊加)，運(yùn)算效率低而復(fù)雜。由于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存貯比較復(fù)雜，導(dǎo)致空間實(shí)體的查詢十分費(fèi)時，需要逐點(diǎn)、逐線、逐面地查詢。矢量數(shù)據(jù)和柵格表示的影像數(shù)據(jù)不能直接運(yùn)算(如聯(lián)合查詢和空

2、間分析)，交互時必須進(jìn)行矢量和柵格轉(zhuǎn)換。矢量數(shù)據(jù)與DEM(數(shù)字高程模型)的交互是通過等高線來實(shí)現(xiàn)的，不能與DEM直接進(jìn)行聯(lián)合空間分析。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過空間點(diǎn)的密集而規(guī)則的排列表示整體的空間現(xiàn)象的。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，定位存取性能好，可以與影像和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合空間分析，數(shù)據(jù)共享容易實(shí)現(xiàn)，對柵格數(shù)據(jù)的操作比較容易。 柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量與格網(wǎng)間距的平方成反比，較高的幾何精度的代價是數(shù)據(jù)量的極大增加。因?yàn)橹皇褂眯泻土衼碜鳛榭臻g實(shí)體的位置標(biāo)識，故難以獲取空間實(shí)體的拓?fù)湫畔?，難以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析等操作。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不是面向?qū)嶓w的，各種實(shí)體往往是疊加在一起反映出來的，因而難以識別和分離。對點(diǎn)實(shí)體的識別需要采用

3、匹配技術(shù)，對線實(shí)體的識別需采用邊緣檢測技術(shù)，對面實(shí)體的識別則需采用影像分類技術(shù)，這些技術(shù)不僅費(fèi)時，而且不能保證完全正確。通過以上的分析可以看出，矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)是互補(bǔ)的（圖2-4-1），為了有效地實(shí)現(xiàn)GIS中的各項(xiàng)功能(如與遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合，有效的空間分析等)需要同時使用兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在GIS中實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的高效轉(zhuǎn)換。在GIS建立過程中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用目的和應(yīng)用特點(diǎn)、可能獲得的數(shù)據(jù)精度以及地理信息系統(tǒng)軟件和硬件配置情況，選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一般來講，柵格結(jié)構(gòu)可用于大范圍小比例尺的自然資源、環(huán)境、農(nóng)林業(yè)等區(qū)域問題的研究。矢量結(jié)構(gòu)用于城市分區(qū)或詳細(xì)規(guī)劃、土地管理、公用事業(yè)管理等方

4、面的應(yīng)用。矢柵一體化的概念 對于面狀地物，矢量數(shù)據(jù)用邊界表達(dá)的方法將其定義為多邊形的邊界和一內(nèi)部點(diǎn)，多邊形的中間區(qū)域是空洞。而在基于柵格的GIS中，一般用元子空間充填表達(dá)的方法將多邊形內(nèi)任一點(diǎn)都直接與某一個或某一類地物聯(lián)系。顯然，后者是一種數(shù)據(jù)直接表達(dá)目標(biāo)的理想方式。對線狀目標(biāo)，以往人們僅用矢量方法表示。 事實(shí)上，如果將矢量方法表示的線狀地物也用元子空間充填表達(dá)的話，就能將矢量和柵格的概念辨證統(tǒng)一起來，進(jìn)而發(fā)展矢量柵格一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。假設(shè)在對一個線狀目標(biāo)數(shù)字化采集時，恰好在路徑所經(jīng)過的柵格內(nèi)部獲得了取樣點(diǎn)，這樣的取樣數(shù)據(jù)就具有矢量和柵格雙重性質(zhì)。一方面，它保留了矢量的全部性質(zhì)，以目標(biāo)為單元直

5、接聚集所有的位置信息，并能建立拓?fù)潢P(guān)系；另一方面，它建立了柵格與地物的關(guān)系，即路徑上的任一點(diǎn)都直接與目標(biāo)建立了聯(lián)系。 因此，可采用填滿線狀目標(biāo)路徑和充填面狀目標(biāo)空間的表達(dá)方法作為一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。每個線狀目標(biāo)除記錄原始取樣點(diǎn)外，還記錄路徑所通過的柵格； 每個面狀地物除記錄它的多邊形周邊以外，還包括中間的面域柵格。 無論是點(diǎn)狀地物、線狀地物、還是面狀地物均采用面向目標(biāo)的描述方法，因而它可以完全保持矢量的特性，而元子空間充填表達(dá)建立了位置與地物的聯(lián)系，使之具有柵格的性質(zhì)。這就是一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念（圖2-4-2）。從原理上說，這是一種以矢量的方式來組織柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。三個約定和細(xì)分格網(wǎng)

6、法（一）三個約定 為了設(shè)計(jì)點(diǎn)、線、面狀地物具體的一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，首先作如下約定： 1、地面上的點(diǎn)狀地物是地球表面上的點(diǎn)，它僅有空間位置，沒有形狀和面積，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部僅有一個位置數(shù)據(jù)。 2、地面上的線狀地物是地球表面的空間曲線，它有形狀但沒有面積，它在平面上的投影是一連續(xù)不間斷的直線或曲線，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部需要用一組元子填滿整個路徑。 3、地面上的面狀地物是地球表面的空間曲面，并具有形狀和面積，它在平面上的投影是由邊界包圍的緊致空間和一組填滿路徑的元子表達(dá)的邊界組成。（二）細(xì)分格網(wǎng)法由于一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是基于柵格的，表達(dá)目標(biāo)的精度必然受柵格尺寸的限制?？衫眉?xì)分格網(wǎng)法提高點(diǎn)、線（包括面狀地物邊界）數(shù)據(jù)

7、的表達(dá)精度，使一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精度達(dá)到或接近矢量表達(dá)精度。如圖2-4-3所示，在有點(diǎn)、線通過的基本格網(wǎng)內(nèi)再細(xì)分成256×256細(xì)格網(wǎng)（精度要求低時，可細(xì)分為16×16個細(xì)格網(wǎng)）。為了與整體空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)格式一致，基本格網(wǎng)和細(xì)格網(wǎng)均采用十進(jìn)制線性四叉樹編碼，將采樣點(diǎn)和線性目標(biāo)與基本格網(wǎng)的交點(diǎn)用兩個Morton碼表示（簡稱M碼）。前一M1表示該點(diǎn)（采樣點(diǎn)或附加的交叉點(diǎn)）所在基本格網(wǎng)的地址碼，后者M(jìn)2 表示該點(diǎn)對應(yīng)的細(xì)分格網(wǎng)的Morton碼，亦即將一對X,Y坐標(biāo)用兩個Morton碼代替。例如X=210.00，Y=172.32，可轉(zhuǎn)換為M1 =275,M2=2690。 這種方法可

8、將柵格數(shù)據(jù)的表達(dá)精度提高256倍，而存貯量僅在有點(diǎn)、線通過的格網(wǎng)上增加兩個字節(jié)（當(dāng)細(xì)分為16×16格網(wǎng)時，存貯量僅增加一個字節(jié)，精度提高16倍）。矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)線性四叉樹編碼、三個約定和多級格網(wǎng)法為建立矢柵一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。線性四叉樹是基本數(shù)據(jù)格式，三個約定設(shè)計(jì)點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本依據(jù)，細(xì)分格網(wǎng)法保證足夠精度。1、點(diǎn)狀地物和結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 根據(jù)基本對點(diǎn)狀地物的約定，點(diǎn)僅有位置、沒有形狀和面積，不必將點(diǎn)狀地物作為一個覆蓋層分解為四叉樹，只要將點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為地址碼M1 和M2 ,而不管整個構(gòu)形是否為四叉樹。這種結(jié)構(gòu)簡單靈活，便于點(diǎn)的插入和刪除，還能處理一個柵格內(nèi)包

9、含多個點(diǎn)狀目標(biāo)的情況。 所有的點(diǎn)狀地物以及弧段之間的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)用一個文件表示，其結(jié)構(gòu)見表2-4-1?？梢?，這種結(jié)構(gòu)幾乎與矢量結(jié)構(gòu)完全一致。2、線狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 一般認(rèn)為用四叉樹表達(dá)線狀地物是困難的。但采用元子填滿整條路徑的方法，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將變得十分簡單。根據(jù)對線狀地物的約定，線狀地物有形狀但沒有面積，沒有面積意味著線狀地物和點(diǎn)狀地物一樣不必用一個完全的覆蓋層分解四叉樹，而只要用一串?dāng)?shù)據(jù)表達(dá)每個線狀地物的路徑即可，表達(dá)一條路徑就是要將該線狀地物經(jīng)過的所有柵格的地址全部記錄下來。一個線狀地物可能有幾條弧段組成，所以應(yīng)先建立一個弧段數(shù)據(jù)文件，如表2-4-2所示。表2-4-2中的起結(jié)點(diǎn)號和終結(jié)點(diǎn)號是

10、該弧段的兩個端點(diǎn)，它們與表2-4-1聯(lián)接可建立弧段與結(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。表2-4-2中的中間點(diǎn)串不僅包含了原始采樣點(diǎn)（已轉(zhuǎn)換成用M1、M2表示），而且包含了該弧段路徑通過的所有格網(wǎng)邊的交點(diǎn)，它所包含的碼填滿了整條路徑。為了充分表達(dá)線性地物在地表的空間特性，增加高程Z分量。一條線性地物是在崎嶇的地面上通過的，只有記錄該曲線通過的DEM格網(wǎng)邊上的交點(diǎn)的坐標(biāo)和高程值才能較好地表達(dá)它的空間形狀和長度。 雖然這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比單純的矢量結(jié)構(gòu)增加了一定的存儲量，但它解決了線狀地物的四叉樹表達(dá)問題，使它與點(diǎn)狀、面狀地物一起建立統(tǒng)一的基于線性四叉樹編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系。這對于點(diǎn)狀地物與線狀地物相交，線狀地物之間的相交

11、，以及線狀地物與面狀地物相交的查詢問題變得相當(dāng)簡便和快速。 有了弧段數(shù)據(jù)文件，線狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)僅是它的集合表示，如表2-4-3。3、面狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 根據(jù)對面狀地物的約定，一個面狀地物應(yīng)記錄邊界和邊界所包圍的整個面域。其中邊界由弧段組成，它同樣引用表2-4-2中的弧段信息。面域信息則由線性四叉樹或二維行程編碼表示。 同一區(qū)域的各類不同地物可形成多個覆蓋層，例如建筑物、耕地、湖泊等可形成一個覆蓋層，土地利用類型、土壤類型又可形成另外兩個覆蓋層。這里規(guī)定每個覆蓋層都是單值的，即每個柵格內(nèi)僅有一個面狀地物的屬性值。每個覆蓋層可用一棵四叉樹或一個二維行程編碼來表示。為了建立面向地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，做這

12、樣的修改，二維行程編碼中的屬性值可以是葉結(jié)點(diǎn)的屬性值，也可以是指向該地物的下一個子塊的循環(huán)指針。即用循環(huán)指針將同屬于一個目標(biāo)的葉結(jié)點(diǎn)鏈接起來，形成面向地物的結(jié)構(gòu)。圖2-4-4是鏈接情況，表2-4-4、表2-4-5是對應(yīng)的二維行程編碼、帶指針的二維行程碼。表2-4-5中的循環(huán)指針指向該地物下一個子塊的地址碼，并在最后指向該地物本身。這樣，只要進(jìn)入第一塊就可以順著指針直接提取該地物的所有子塊，從而避免像柵格數(shù)據(jù)那樣為查詢某一個目標(biāo)需遍歷整個矩陣，大大提高了查詢速度。 對于面狀地物的邊界柵格，采用面積占優(yōu)法確定公共格網(wǎng)值，如果要求更精確地進(jìn)行面積計(jì)算或疊置運(yùn)算，可進(jìn)一步引用弧段的邊界信息。 面狀地物的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括表2-4-2的弧段文件、表5的帶指針二維行程表和表2-4-6的面文件。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是面向地物的，具有矢量的特點(diǎn)。通過面狀地物的標(biāo)識號可以找到它的邊界弧段并順著指針提取所有的中間面塊。同時它又具有柵格的全部特性，二維行程