1、地理信息系统Geographic Information SystemsGIS专业导论地理信息系统Geographic Information Systems第一章 绪论一个例子如何为一公园选择合理位置？依山傍水； 交通方便； 较安静要求方案2条件2方案1条件1处理、分析空间分析算法现实世界获取水系信息地形信息道路信息植被信息等+空间数据库存储信息(Information)与数据(Data) 科学的观点：数据是客观对象的表示，而信息则是数据的内涵内涵。 信息是对数据的解释、运用和解算。 信息的特征：客观性、适用性、可传输性、共 享性 数据是通过数字化或记录下来的可以被鉴别的符号，不仅数字是数据
2、，而且文字、符号和图像等也是数据。地理信息(Geographic Information) 地理信息：指与研究对象的空间地理分布有关的信息。地理信息：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。 特点：特点： 空间分布性空间分布性（区别于其它类型信息的最显著标志）（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。地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系。 数据量大数据量大具有空间特征、属性特征、时间特征。具有空间特征、属性特征、时间特征。 信息载体多样性信息载体多样性信息系统(
3、Information System) 信息系统信息系统：具有采集、管理、分析和表达数据能力的系：具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。统。 它主要由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成 信息系统的信息系统的类型类型： 事务处理系统事务处理系统民航订票系统民航订票系统 决策支持系统决策支持系统地理信息系统(Geographic Information System) Goodchild把GIS定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统” 美国国家地理信息与分析中心给出的定义：“GIS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”。 地
4、理信息系统地理信息系统(GIS)是由计算机硬、软件系统支持下，支持空间数据的采集采集、管理管理、处理处理、分析分析、建模建模和显示显示的技术系统，以便解决复杂的规划和管理问题。地理信息系统(Geographic Information System) 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。 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。 GIS发展简史
5、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加拿大加拿大GIS，随后GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来。国际GIS的发展简史60年代，探索时期年代，探索时期人们关注什么是GIS，GIS能干什么。70年代，巩固时期年代，巩固时期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。80年代，实破阶段年代，实破阶段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。90年代，全面应用
6、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。 我国GIS发展简史我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：70年代，准备阶段：年代，准备阶段：GIS先驱看到GIS的广阔前景和重要性，进行积极呼吁，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。80年代，试验起步阶段年代，试验起步阶段: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。90年代，我国年代，我国GIS发展阶段：发展阶段：沿海，沿江经济开发区的发展土地的有偿使用和
7、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。96年以来，是我国年以来，是我国GIS产业化产业化阶段。阶段。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，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，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。李德仁院士李德仁院士（1939- 1939- ）科学院院士科学院院士 19911991工程院院士工程院院士 19941994陈述彭院士陈述彭院士（1920-20081920-2008）科学院院士科学院院士 19
8、801980高倍望远镜的出现，使天文学研究面貌一新，电子显微镜的诞生，把高倍望远镜的出现，使天文学研究面貌一新，电子显微镜的诞生，把生物学研究引向了深入。只要将遥感及其应用与地学研究结合起来，生物学研究引向了深入。只要将遥感及其应用与地学研究结合起来，才能使地学研究的面貌焕然一新，才能把地学研究不断引向深入才能使地学研究的面貌焕然一新，才能把地学研究不断引向深入-陈述彭陈述彭GIS基本构成(Components of a GIS) 计算机硬件 计算机软件 地理空间数据 网络 应用人员硬件(Hardware)计算机计算机 (PC, workstations, servers) CPU, 4 Co
9、re, 64bit ? Memory, 8GB ?存储设备存储设备 (Mass storage) Hard disks, Tape (4mm, 8mm 8GBs), CD ROM(640MB)/DVD Flash disks/cards, USB HD输入设备输入设备 Keyboard, Scanner, Digitizer, Camera, Voice recognition GPS, stereo plotter, remote sensing sensors输出设备输出设备 Graphics monitors (graphics cards) Printers (dot matrix/L
10、aser/Inkjet): dpi ? Plotter (Drum/Flatbed)通讯通讯/网络设备网络设备 WAN/LAN/High-Speed Network/Cable From the first level(10MB/s), to the second(100MB/s), to the third(1GB/s), and beyond.软件(Software)操作系统操作系统 Windows/UNIX/LINUX基础基础GIS平台软件平台软件 ESRI: ArcGIS, ArcInfo, ArcView Intergraph: Geomedia, MGE Autodesk: Aut
11、oCAD Map, MapGuide MapInfo: MapInfo Bently: Microstation PCI Geomatica (PANMAP, SPANS) SuperMap: SuperMap数据库管理系统数据库管理系统 (DBMS) Oracle, DB2, Informix, Sybase, Microsoft SQL Server, Access开发环境开发环境 通用编程环境: VC, VB, Java, .NET 宏语言: 逐渐退出( 如, Avenue: Arcview, MapBasics: Mapinfo, MDL:Microstation)数据(Data) 空
12、间数据空间数据 如 坐标, 水井位置, 界限, 道路网络 矢量矢量 VS 栅格栅格 非空间数据非空间数据 (属性属性) 如, 土地权属, 地址, 人口密度, 土壤PH值 数据之间存在的关系数据之间存在的关系 空间关系 拓扑关系(topology) 属性关联 时态数据时态数据网络(Network)GIS中网络主要用于信息传输中网络主要用于信息传输 局域网（局域网（LAN） 广域网（广域网（WAN）人员(People) 开发者开发者 解决问题能力 团队协作能力 交流能力 管理能力 最终用户最终用户 专业用户 业余用户地理信息系统与相关学科及技术的关系GIS是一门交叉学科（边缘学科）是一门交叉学科（
13、边缘学科） 地理学地理学 测量学测量学 地图学地图学 遥感学遥感学 计算机科学计算机科学 数学数学 统计学统计学GIS基本功能GIS能作什么？缓冲区分析叠加分析空间查询网络分析地形分析数据采集与输入数据编辑与更新数据存储与管理空间查询与分析数据显示与输出数据采集与输入现实世界文字报告、遥感图象等数字化仪扫描仪解析测图仪键盘 等编辑、接边、分层、图形与属性连接、加注记等空间数据库空间查询空间数据库哈尔滨在哪里？空间查询属性查询78路公交经过哪些站？网络分析空间数据库哪条路最近,如何乘车?道路信息空间检索数据显示与输出空间数据库各种需求?各种信息空间检索GIS应用资源管理区域和城乡规划灾害监测 环
14、境评估 作战指挥 交通运输 宏观决策 商业金融、通讯邮电、日常生活等各领域主要应用领域 资源管理 GIS最初起源于资源清查，是GIS的最基本的职能，目前趋于成熟的主要应用领域。资源清查包括土地资源，森林资源和矿产资源的清查、管理、土地利用规划，野生动物的保护等。GIS的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，并通过统计，叠量分析等功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和资源现状分析，从而为资源的合理开发、利用提供依据。 区域规划 在进行区域和城镇规划的过程中，要处理许多不同性质和不同特点的问题，涉及多方面要素，如资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等
15、，GIS将这些数据信息归算到城市的统一系统之中，最后进行城市和区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划，城市建设用地适宜性评价，城市环境选质量评价，道路交通规划，公共设施配置及城市环境动态监测等，这些功能的实现是以GIS的一些数据处理和分析算法加以保证的，如GIS的空间搜索方法，多信息叠加处理和一系列的分析软件，回归分析，投入产出计算，模糊加权评价等。 灾害监测GIS方法和多时相的遥感数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算，确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。宏观决策 GIS利用地理数据库，通过一系列决策模
16、型的构建和比较分析，可为国家宏观决策提供依据。例如我国在三峡地区的研究中通过利用GIS和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡工程的宏观决策提供了建库前后环境变化的数量，速度和演变趋势等可靠数据。GIS发展态势GIS正向着集成化、产业化和社会化发展方向迈进。GIS已成为一门综合技术已成为一门综合技术 GIS IT GIS-RS-GPS GIS-CAD-OA-VR-InternetGIS产业化的发展势头强劲产业化的发展势头强劲 硬件、软件、数据采集与转换、电子数据、遥感数据获取与处理、系统开发与集成、咨询与技术服务GIS网络化已构成当今社会的热点网络化已构成当今社会的热点 网络GIS(WebG
17、IS) 网格GIS(GridGIS)地理信息科学的产生和发展地理信息科学的产生和发展 Geomatics Geographic Information Science地球模型二、地理空间坐标系的建立二、地理空间坐标系的建立 地理坐标系是以地理极地理坐标系是以地理极(北极、南极北极、南极)为极点。为极点。 纬度（纬度（ latitude ）：通）：通过过A点作椭球面的垂线点作椭球面的垂线，称之为过，称之为过A点的法线点的法线。法线与赤道面的交角。法线与赤道面的交角，叫做，叫做A点的纬度点的纬度。 经度（经度（longitude ）：过）：过A点的子午面与通过英点的子午面与通过英国格林尼治天文台的
18、子国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫午面所夹的二面角，叫做做A点的经度点的经度。 地心坐标系：地心坐标系： 三维球心空间坐标系三维球心空间坐标系，原点位于球心，常用直，原点位于球心，常用直角坐标（角坐标（x，y，z）或角）或角度和高程表示（度和高程表示（B，L，H）其中）其中B，L分别为纬分别为纬度和经度。度和经度。 z轴与地球旋转轴共轴轴与地球旋转轴共轴，在北极方向上是正的；，在北极方向上是正的； x轴穿过零度格林威治轴穿过零度格林威治子午线；子午线； y轴与正向轴与正向x和和z轴形成轴形成直角。地心坐标也称笛卡直角。地心坐标也称笛卡尔坐标。地心坐标覆盖全尔坐标。地心坐标覆盖全球，被用
19、作球，被用作GPS参照。参照。YZX 赤道威治子午线林格地图投影坐标地图投影坐标(投影平面直角坐标系投影平面直角坐标系) 将地球球面投影到平面后所设定的坐标系将地球球面投影到平面后所设定的坐标系,相对于平面中两个相对于平面中两个相互垂直的轴来给出点的位置，为直角坐标系，如高斯投影坐标相互垂直的轴来给出点的位置，为直角坐标系，如高斯投影坐标系。系。直接建立在球体上的地理坐标，用经度直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置和纬度表达地理对象位置建立在平面上的直角坐标系统，用（建立在平面上的直角坐标系统，用（x x，y y）表达地理对象位置）表达地理对象位置投影大地坐标系大地坐标系（
20、1）54年北京坐标系年北京坐标系 在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测，通过大地坐标计算，推算出在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测，通过大地坐标计算，推算出北京点的坐标，北京坐标系是苏联北京点的坐标，北京坐标系是苏联42年坐标系的延伸，其原点在苏联普年坐标系的延伸，其原点在苏联普尔科沃。尔科沃。（2）80年西安坐标系年西安坐标系 78年年4月召开月召开“全国天文大地网平差会议全国天文大地网平差会议”建立建立80年西安坐标系，其原年西安坐标系，其原点在西安西北的永乐镇，简称西安原点。椭球体参数为点在西安西北的永乐镇，简称西安原点。椭球体参数为75年国际大地测年国际大地测量与地球物理联合会第量与地球
21、物理联合会第16界大会的推荐值。界大会的推荐值。（3）新）新54年北京坐标系年北京坐标系 将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系，称为新成一个新的坐标系，称为新54年北京坐标系，它与年北京坐标系，它与80年国家大地坐标系年国家大地坐标系的轴定向基准相同，网的点位精度相同。的轴定向基准相同，网的点位精度相同。（4）WGS84坐标系坐标系 在在GPS定位中，定位结果属于定位中，定位结果属于WGS84坐标系，卫星控制测量椭球体取坐标系，卫星控制测量椭球体取代大地测量椭球体。代大地测量椭球体。 WGS84
22、（全球大地测量系统（全球大地测量系统1984）是由卫星轨道数）是由卫星轨道数据来确定的椭球体，它的长半径是据来确定的椭球体，它的长半径是6378137.0m，短半径是，短半径是6356752.3m三、地图对地理空间的描述三、地图对地理空间的描述在地图学上，把地理空间的实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。 点状要素线状要素 面状要素水田旱地水浇地果园有林地草地菜地四、遥感影像对地理空间的描述 20世纪60年代以来，遥感技术在国民经济的各个方面都有了广泛的应用如检测地表资源、环境变化，或了解沙漠化、土壤侵蚀等缓慢变化，或监视森林火灾、洪水和天气迅速变化状况，或进行作物估产
23、，其核心是为空间信息资料的获取提供方便，进而为利用空间信息的各行各业服务。 卫星遥感可以覆盖全球每一个角落，对任何国家和地区都不存在由于自然或社会因素所造成的信息获取的空白地区，卫星遥感资料可以及时地提供广大地区的同一时相、同一波段、同一比例尺、同一精度的空间信息，航空遥感可以快速获取小范围地区的详细资料，也就是说，遥感技术在空间信息获取的现势性方面得到了很大的提高。 遥感影象对空间信息的描述主要是通过不同的颜色和灰度来表示的。这是因为地物的结构、成分、分布等的不同，其反射光谱特性和发射光谱特性也各不相同，传感器记录的各种地物在某一波段的电磁辐射反射能量也各不相同，反映在遥感影象上，则表现为不
24、同的颜色和灰度信息。 遥感影像获取的过程 地貌信息 断裂带信息第二节 地理信息数字化描述方法 随着信息时代的到来，仅用传统的手段（地图和遥感影象）描述地理信息已存在许多问题： 地图的生产周期太长，目前科研、生产与管理工作都要求及时得到有关地表变化的信息，这种情况下，传统的地图存储、生产已不能满足需要。 遥感影象因为存在着变形，须首先对其进行纠正，另外，遥感影象因为其成像方式的不同，不同的影象有不同的影象特征，必须解译才能变成人们所习惯的地图方式，这需要很大的工作量。 栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。 用栅格结构表示地图，首先要给定每个物体的编码，如给定高程点的编码为9，烟
25、囱的编码为7，铁路的编码为1，居民点的编码为5，林地的编码为3，菜地的编码为4，则右图的地图用栅格结构表示为如下。 668.35672.39地图的矢量和栅格表示 第三节 空间数据的类型和关系 属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。 空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。 时间特征：描述空间对象随时间的变化空间数据的类型 类型数据：考古地点、道路线、土壤类型的分布 面域数据：随机多边形的中心点、行政区界线、行政单元 网络数量：路交点、街道、街区 样本数量：气象站、航线、野外
26、样方的分布区 曲面数据：高程点、等高线、等值区域 文本数据：地名、河流名称、区域名称 符号数据：点状符号、线状符号、面状符号第四节 元数据 “meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。 元数据的主要作用 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用
27、户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。 元数据的内容 对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明 对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等 数据转换方法的描述 对数据库的更新、集成方法等的说明 空间元数据的概念 空间数据（geospatial data）用于确定具有自然特征或者人工建筑特征的地理实体的地理位置，属性及其边界的信息。空间数据元数据的标准 空间数据元数据的获取与管理 第一阶段：根据建设的数据库的内容而设计的元数据； 第二阶
28、段：元数据随数据的形成同步产生； 第三阶段：元数据是在上述数据收集后，根据需要产生的。 获取方法主要有5种：键盘输入、关联表、测量法、计算法和推理法。空间数据元数据的应用 完整性 可扩展性 特殊化 安全性 查错功能 浏览功能 程序生成空间数据元数据的应用 帮助用户获取数据 空间数据质量控制 在数据集成中的应用 数据存储和功能实现空间数据结构 数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。 对于空间数据而言，则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 数据结构是对数据的一种理解和解释，不说明数据结构的数据是毫无用处的，不仅用户无法理解，计算机程序也不能正确的处理
29、，对同样一组数据，按不同的数据结构去处理，得到的可能是截然不同的内容。 空间数据结构是地理信息系统沟通信息的桥梁，只有充分理解地理信息系统所采用的特定数据结构，才能正确有效地使用系统。 地理信息系统的空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。 第一节 栅格数据结构 简单的栅格数据结构 栅格数据的压缩编码方法一、简单栅格数据结构 栅格数据是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构(raster或grid cell)或像元结构(pixel)，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素，由行、列号定义，并包含一个代码，表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录
30、的指针。 因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。 栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。在栅格结构中，地表被分成相互邻接、规则排列的矩形方块(特殊的情况下也可以是三角形或菱形、六边形等），每个地块与一个栅格单元相对应。 栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。在许多栅格数据处理时，常假设栅格所表示的量化表面是连续的，以便使用某些连续函数。栅格结构中，点线面的表示 点用一个栅格单元表示； 线状地物则用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上； 面或区域用记有区域属性
31、的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。任何以面状分布的对象(土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等)，都可以用栅格数据逼近。点线面栅格数据的特点（1）用离散的量化栅格值表示空间实体；（2）描述区域属性明显，位置隐含；（3）数据结构简单，易于与遥感数据结合；（4）难于建立地物间拓扑关系（5）图形质量低且数据量大。栅格结构数据获取途径栅格结构数据主要可由四个途径得到，即 1、目读法：在专题图上均匀划分网格，逐个网格地决定其代码，最后形成栅格数字地图文件； 2、数字化仪手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢量结构数据后，再转换为栅格结构； 3、扫描数字化：逐点扫描专题
32、地图，将扫描数据重采样和再编码得到栅格数据文件； 4、分类影像输入：将经过分类解译的遥感影像数据直接或重采样后输入系统，作为栅格数据结构的专题地图。保持原图或原始数据精度的方法 在转换和重新采样时，需尽可能保持原图或原始数据精度，通常有两种办法： 第一，在决定栅格代码时尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量。 中心点法 重要性法 面积占优法 百分比法 第二：缩小单个栅格单元的面积，即增加栅格单元的总数。 二、栅格数据的压缩编码方式 1、链式编码 2、游程长度编码 3、块状编码 4、四叉树编码链式编码（Chain Codes） 链式编码又称为弗里曼链码(Freeman，1961)或边界链码。链
33、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。 链式编码的编码方法 链式编码的前两个数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以07的整数代表。 如果对于右图所示的线状地物确定其起始点为像元(1，5)。则其链式编码为：1，5，3，2，2，3，3，2，3 对于右图所示的面状地物，假设其原起始点定为像元（5，8）。 则该多边形边界按顺时针方向的链式编码为：5，8，3，2，4，4，6，6，7，6，
34、0，2，132233233246676021起 始 点起 始 点链式编码的优缺点优点：链式编码对线状和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，类似矢量数据结构，比较适于存储图形数据。缺点：是对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部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，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。游程长度编码(RunLength Codes) 游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法，它的基本思路是：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
35、某种方法压缩那些重复的记录内容。 其编码方案是，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代码重复的个数，从而实现数据的压缩。 游程长度编码在栅格数据压缩时，数据量没有明显增加，压缩效率较高，且易于检索、叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小、数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。游程长度编码 例如对下图所示的栅格数据，可沿行方向进行如下游程长度编码：(9,4),(0,4),(9,3),(0,5),(0,1)(9,2),(0,1),(7,2),(0,2),(0,4),(7,2),(0,2),(0,4),(7,4),(0,4),(7,4)
36、,(0,4),(7,4) (0,4),(7,4)块状编码(Block Codes) 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，再加上记录单元的代码组成。 根据块状编码的原则，对下图所示图像可以用12个单位正方形，5个4单位的正方形和 2 个16 单位的正方形就能完整表示，具体编码如下： (1,1,2,9)，(1,3,1,9)，(1,4,1,9)，(1,5,2,0)，(1,7,2,0)，(2,3,1,9)，(2,4,1,0)，(3,1,1,0)，(3,2,1,9)，(3,3,1,9)，(3,4,1,0)，(
37、3,5,2,7)，(3,7,2,0)，(4,1,1,0)，(4,2,1,0)，(4,3,1,0)， (4,4,1,0)，(5,1,4,0)，(5,5,4,7) 四叉树编码(Quad-tree Codes) 四叉树结构的基本思想是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。 四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压编数据的方法。它将2n2n像元阵列连续进行4等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相
38、等为止，而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码。 右图表示对左图的分割过程及其关系。这四个等分区称为四个子象限，按左上(NW)、右上(NE)、左下(SW)，右下(SE)。用个树结构表示如下图所示 ：四叉树结构的建立方法 建立四叉树有两种方法，即自上而下方式（topdown）自下而上方式（bottomup） 自上而下方式的分割需要大量的运算，因为大量数据需要重复检查才能确定划分。当nn的矩阵比较大，且区域内容要素又比较复杂时，建立这种四叉树的速度比较慢。 自下而上方式是对栅格数据按如下的顺序进行检测：如果每相邻四个网格值相同则进行合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。这种方法
39、重复计算较少，运算速度较快。四叉树编码法的优缺点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。四叉树编码的最大缺点是转换的不定性。 块似分割与四叉树分割的区别 （a）块码分割 （b）四叉树分割第二节 矢量数据结构 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空
40、间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。 除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。一、矢量数据结构编码的基本内容 矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。 点：空间的一个坐标点； 线：多个点组成的弧段； 面：多个弧段组成的封闭多边形。 多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。 简单的矢量数据结构面条结构（实体式）特征无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询；公共边重复存
41、储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性；多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；处理嵌套多边形比较麻烦。二、矢量数据结构编码的方法 索引式 索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体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。 树状索引结构消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题，在简化过于复杂的边界线或合并多边形时可不必改造索引表，邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到，但是比较繁琐，因而给邻域函数运算、消除无用边、处理岛状信息以及检查拓扑关系等带来一定的困难，而
42、且两个编码表都要以人工方式建立，工作量大且容易出错。 点与线之间的树状索引12345678910111213141516171819202122232425262728293031线与多边形之间的树状索引12345678910111213141516171819202122232425262728293031BCDEabcfghefibcij双重独立式（DIME） 这种数据结构最早是由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，简称为DIME(Dual lndependent Map Encoding)系统或双重独立式的地图编码法。它以城市街道为编码的主体。其特点是采用了拓扑编码结构。 双重
43、独立式数据结构是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来予以定义。 在双重独立式数据结构中，节点与节点或者面域与面域之间为邻接关系，节点与线段或者面域与线段之间为关联关系。双重独立式编码ABCDOabcdefghijklmn123456789101112线号左多边形右多边形起点终点aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件 链状双重独立式 链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只
44、能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。 在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。 链状双重独立式 12345678910111213141516171819202122232425262728293031多边形文件多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐标Ah,b,aBg,f,c,h,-jCjDe,i,fEe,i,d,b弧段文件弧段号起始点终结点 左多边形 右多边形a51OAb85EAc168EBd195OEe1519ODf1516DBg115OBh81ABi161
45、9DEj3131BC弧段坐标文件弧段号点 号a5,4,3,2,1b8,7,6,5c16,17,8d19,18,5e15,23,22,21,20,19f15,16,g1,10,11,12,13,14,15h8,9,1i16,19j31,30,29,28,27,26,25,24,31第三节 两种数据结构的比较与转换 栅格结构与矢量结构似乎是两种截然不同的空间数据结构，栅格结构“属性明显、位置隐含”，而矢量结构“位置明显、属性隐含”，栅格数据操作总的来说比较容易实现，尤其是作为斑块图件的表示更易于为人们接受；而矢量数据操作则比较复杂，许多分析操作（如两张地图的覆盖操作，点或线状地物的邻域搜索等）用矢
46、量结构实现十分困难，矢量结构表达线状地物是比较直观的，而面状地物则是通过对边界的描述而表达。 无论哪种结构，数据精度和数据量都是一对矛盾，要提高精度，栅格结构需要更多的栅格单元，而矢量结构则需记录更多的线段结点。一般来说，栅格结构只是矢量结构在某种程度上的一种近似，如果要使栅格结构描述的图件取得与矢量结构同样的精度，甚至仅仅在量值上接近，则数据也要比后者大得多。 栅格、矢量数据结构特点比较 比较内容 矢量格式 栅格格式 数据量 小 大 图形精度 高 低 图形运算 复杂、高效 简单、低效 遥感影像格式 不一致 一致或接近 输出表示 抽象、昂贵 直观、便宜 数据共享 不易实现 容易实现 拓扑和网络
47、分析 容易实现 不易实现2、矢量格式向栅格格式的转换 矢量格式向栅格格式转换又称为多边形填充，就是在矢量表示的多边形边界内部的所有栅格点上赋以相应的多边形编码，从而形成栅格数据阵列。几种主要的算法描述如下： 1）内部点扩散算法 2）复数积分算法 3）射线算法和扫描算法3、栅格格式向矢量格式的转换 多边形栅格格式向矢量格式转换就是提取以相同的编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示由多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。第四章空间数据库第一节 数据库概述 数据库技术是20世纪60年代初开始发展起来的一门数据管理自动化的综合性新技术。 建立数据库不仅仅是为了保存数据，扩展人的
48、记忆，而主要是为了帮助人们去管理和控制与这些数据相关联的事物。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。1、数据库的定义 数据库（database，DB）的定义： 数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相互关联的数据集合。计算机对数据的管理经过了三个阶段 ：程序管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段 数据库是数据管理的高级阶段，它与传统的数据管理相比有许多明显的差别，其中主要的有两点： 一是数据独立于应用程序而集中管理，实现了数据共享，减少了数据冗余，提高了数据的效益； 二是在数据间建立了联
49、系，从而使数据库能反映出现实世界中信息的联系。2、数据库的主要特征 数据库方法与文件管理方法相比，具有更强的数据管理能力。数据库具有以下主要特征： 1、数据集中控制特征 数据库集中控制和管理有关数据，以保证不同用户和应用可以共享数据。 2、数据冗余度小的特征 冗余是指数据的重复存储。在数据库中应该严格控制数据的冗余度。 3、数据独立性特征 数据独立是数据库的关键性要求。数据独立是指数据库中的数据与应用程序相互独立，即应用程序不因数据性质的改变而改变；数据的性质也不因应用程序的改变而改变。 4、复杂的数据模型 数据模型能够表示现实世界中各种各样的数据组织以及数据间的 联系。复杂的数据模型是实现数
50、据集中控制、减少数据冗余的前提和保证。采用数据模型是数据库方法与文件方式的一个本质差别。 数据库常用的数据模型有三种：层次模型，网络模型和关系模型。 5、数据保护特征 数据保护对数据库来说是至关重要的，一旦数据库中的数据遭到破坏，就会影响数据库的功能，甚至使整个数据库失去作用、数据保护主要包括四个方面的内容：安全性控制、完整性控制、并发控制、故障的发现和恢复。 3、数据库的系统结构 数据库是一个复杂的系统。数据库的基本结构可以分成三个层次：物理级、概念级和用户级。 1、物理级(也称内模式或存储模式) ：数据库最内的一层。它是物理设备上实际存储的数据集合(物理数据库)，是数据物理结构和存储结构的
