1、第3章GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫,3.1 GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3.2 GIS空間數(shù)據(jù)庫 3.3 空間查詢及數(shù)據(jù)探查,一旦數(shù)據(jù)模型確定，就必須選擇與該模型相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織實(shí)體的數(shù)據(jù)，并且選擇適合于記錄該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的文件格式。精心選擇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以帶來更高運(yùn)行速度或者存儲(chǔ)效率的算法。,3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1.要將真實(shí)地理世界的事物、現(xiàn)象在GIS概念世界表達(dá)，需要建立一定的數(shù)據(jù)模型來描述地理實(shí)體及實(shí)體間關(guān)系。在GIS領(lǐng)域，目前普遍采用了兩種數(shù)據(jù)模型： 基于目標(biāo)的 基于場(chǎng)的 2. 常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有兩種： 基于矢量的 基于柵格的,3.1.1矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示法 3.1.1.1矢量數(shù)據(jù)模型 1.基于對(duì)象的矢量

2、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單模型 矢量數(shù)據(jù)模型是以點(diǎn)為基本單位描述地理實(shí)體的分布特征，即每一個(gè)地理實(shí)體都看作是由點(diǎn)組成的，每一個(gè)點(diǎn)用一對(duì)（x，y）坐標(biāo)表示。這里的（x，y）坐標(biāo)可為地理坐標(biāo)，也可為平面直角坐標(biāo)。 點(diǎn)狀實(shí)體由一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)表示； 線狀實(shí)體由一系列有序點(diǎn)串或集表示，點(diǎn)的記錄順序稱為線的“方向”； 面狀實(shí)體由一系列首末同點(diǎn)的閉合環(huán)或有序點(diǎn)集表示。 線狀和面狀實(shí)體在顯示時(shí)分別以直線段將組成它們的點(diǎn)連接成線段鏈和多邊形， 如圖3.2所示。,圖3.2 基于對(duì)象的矢量數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單模型,2.矢量數(shù)據(jù)獲取方式和編碼方法 矢量數(shù)據(jù)模型只需選取和記錄反映地理實(shí)體分布形狀特征的點(diǎn)，但點(diǎn)的數(shù)量對(duì)地理實(shí)體表示有影響。它非常適合于表

3、示線狀實(shí)體和面狀實(shí)體的范圍邊界。 矢量數(shù)據(jù)的獲取方式主要有以下三種。 由外業(yè)測(cè)量獲得：可利用測(cè)量?jī)x器自動(dòng)記錄測(cè)量結(jié)果(常稱為“電子手薄”)，然后轉(zhuǎn)到地理數(shù)據(jù)庫中。 由柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得：利用柵格數(shù)據(jù)矢量化技術(shù)，把柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)（一般可由轉(zhuǎn)換程序執(zhí)行）。 由跟蹤數(shù)字化獲得：用跟蹤數(shù)字化的方法，把地圖變成離散的矢量數(shù)據(jù)。,矢量數(shù)據(jù)的編碼方法主要也有以下三種。 對(duì)于點(diǎn)實(shí)體和線實(shí)體，直接記錄空間信息和屬性信息。 對(duì)于多邊形地物，用樹狀索引編碼法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼法 對(duì)于多邊形地物，用坐標(biāo)序列法，即由多邊形邊界的“x,y坐標(biāo)對(duì)”集合及說明信息組成。 三種編碼方法評(píng)價(jià)比較如表3.2所示。,3.1.1.2

4、.矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 常用的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)三種。 1.簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 在簡(jiǎn)單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，空間數(shù)據(jù)按照基本的空間對(duì)象（點(diǎn)、線、面或多邊形）為單位進(jìn)行單獨(dú)組織。并以地理實(shí)體（點(diǎn)、線、面）為單位，將地理實(shí)體特征點(diǎn)的坐標(biāo)存儲(chǔ)到一個(gè)數(shù)據(jù)文件中。 每個(gè)實(shí)體由其編號(hào)或識(shí)別碼標(biāo)識(shí)，實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)（如等級(jí)、類型、大小等）設(shè)為屬性碼，以表的形式存儲(chǔ)在另一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，當(dāng)需要查詢、顯示或分析某一實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)時(shí)，GIS以實(shí)體編號(hào)為關(guān)鍵字從屬性數(shù)據(jù)文件中將它們讀取出來。 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存取便捷。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表3.3和表3.4。多邊形的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與線的類似，但坐

5、標(biāo)串的首尾坐標(biāo)相同，如圖3.2(c)所示。構(gòu)成多邊形邊界的各個(gè)線段，以多邊形為單元進(jìn)行組織。多邊形矢量模型結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。,圖3.3 面的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),2.拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)除了存儲(chǔ)地理實(shí)體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以外，還以計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的方式存儲(chǔ)反映地理實(shí)體拓?fù)涮匦裕磳?shí)體之間的鄰接、連接和包含關(guān)系。在拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)狀實(shí)體僅以其編號(hào)和一對(duì)（x，y）坐標(biāo)表示和存儲(chǔ)。線狀實(shí)體則表示為線段弧，又稱為弧段（Arc）。 表示線狀實(shí)體的拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖3.4、表3.5和表3.6。 面狀實(shí)體可看成是由一系列的弧段組成的多邊形。圖3.5和表3.7、3.8、3.9顯示了一個(gè)離散型面狀實(shí)體的拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表示

6、了四個(gè)多邊形編號(hào)從1到4，整個(gè)區(qū)域以外的范圍編號(hào)為0。這個(gè)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以三個(gè)數(shù)據(jù)文件分別存儲(chǔ)組成各個(gè)多邊形的弧段（多邊形弧段表），坐標(biāo)數(shù)據(jù)（弧段坐標(biāo)表）以及各弧段與相鄰多邊形之間的關(guān)系（左右多邊形表）。,圖3.4線狀實(shí)體多邊形,圖 3.5面狀實(shí)體多邊形,3.不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，簡(jiǎn)稱TIN）是根據(jù)一系列不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)產(chǎn)生的，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)由（x，y，z）表示，這里x，y為點(diǎn)的坐標(biāo)，z為所表示的地理實(shí)體在該點(diǎn)的屬性值，如高程值、溫度值等。 TIN將數(shù)據(jù)點(diǎn)以直線相連形成一個(gè)不規(guī)則三角網(wǎng)，網(wǎng)中所有三角形相互鄰接，互

7、不相交，互不重疊，如圖3.6所示。 不規(guī)則三角網(wǎng)在地形表達(dá)上的應(yīng)用如圖3.7所示。,圖3.6 不規(guī)則三角網(wǎng)和多邊形形成,圖3.7 不規(guī)則三角網(wǎng)在地形表達(dá)上的應(yīng)用圖示,將不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接成三角網(wǎng)的方法有好幾種，其中最常用的為狄諾里（Delaunay）三角形。 使用Delaunay三角構(gòu)網(wǎng)法形成的每一個(gè)三角形，它的外接圓不含有除三個(gè)頂點(diǎn)以外的其他數(shù)據(jù)點(diǎn)，而這個(gè)外接圓的圓心正是與該三角形三個(gè)頂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的多邊形（也稱泰森多邊形，Thiessen或Voronoi）的公共頂點(diǎn)，如圖3.8所示。 泰森多邊形可用于GIS定性分析、統(tǒng)計(jì)分析、鄰近分析等。,圖3.8 Delaunay三角網(wǎng)和Voronoi多

8、邊形,泰森多邊形具有以下特性。 （1）每個(gè)泰森多邊形內(nèi)僅含有一個(gè)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)。 （2）泰森多邊形內(nèi)的點(diǎn)到相應(yīng)離散點(diǎn)的距離最近。 （3）位于泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其兩邊的離散點(diǎn)的距離相等。 建立泰森多邊形算法的關(guān)鍵是對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)合理地連成三角網(wǎng)，即構(gòu)建狄洛尼（Delaunay）三角網(wǎng)。建立泰森多邊形的步驟如下。 （1）離散點(diǎn)自動(dòng)構(gòu)建三角網(wǎng)，即構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)。對(duì)離散點(diǎn)和形成的三角形編號(hào)，記錄每個(gè)三角形是由哪三個(gè)離散點(diǎn)構(gòu)成的。 （2）找出與每個(gè)離散點(diǎn)相鄰的所有三角形的編號(hào)，并記錄下來。注意：對(duì)已構(gòu)建的三角網(wǎng)中找出具有一個(gè)相同頂點(diǎn)的所有三角形即可，如圖3.9所示。,圖3.9 泰森多邊形的建立,

9、（3）對(duì)與每個(gè)離散點(diǎn)相鄰的三角形按順時(shí)針或逆時(shí)針方向排序，以便下一步連接生成泰森多邊形。排序的方法如圖3.9所示。設(shè)離散點(diǎn)為o。找出以o為頂點(diǎn)的一個(gè)三角形，設(shè)為A；取三角形A除o以外的另一頂點(diǎn)，設(shè)為a，則另一個(gè)頂點(diǎn)也可找出，即為f；則下一個(gè)三角形必然是以of為邊的，即為三角形F；三角形F的另一頂點(diǎn)為e，則下一個(gè)三角形是以oe為邊的；如此重復(fù)進(jìn)行，直到回到oa邊。 （4）計(jì)算每個(gè)三角形的外接圓圓心，并記錄之。 （5）根據(jù)每個(gè)離散點(diǎn)的相鄰三角形，連接這些相鄰三角形的外接圓圓心，即得到泰森多邊形。對(duì)于三角網(wǎng)邊緣的泰森多邊形，可作垂直平分線與圖廓相交，與圖廓一起構(gòu)成泰森多邊形。,狄諾里三角形和泰森多邊

10、形的構(gòu)建演示系統(tǒng),TIN是一種拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它不僅存儲(chǔ)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的（x，y，z）三維坐標(biāo)值，而且存儲(chǔ)三角網(wǎng)的拓?fù)涮匦?，包括組成每個(gè)三角形的三個(gè)頂點(diǎn)（數(shù)據(jù)點(diǎn)）或邊以及每個(gè)三角形的所有相鄰三角形。每個(gè)三角形具有三個(gè)特性（包括：面積、梯度（或坡度）和方位），都可以作為TIN 的屬性值存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)據(jù)文件中，或在使用TIN時(shí)將它們計(jì)算出來。 TIN 是根據(jù)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)建的，很適合表示連續(xù)型面狀實(shí)體，尤其對(duì)于復(fù)雜的、變化大的面狀實(shí)體，表達(dá)比較逼真，效果較好。圖3.10是由TIN表示的閩西根溪河流域的地勢(shì)。,圖3.10 由TIN表示的閩西根溪河流域的地勢(shì),4.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)（Netw

11、ork）是指一組相互連接的線狀地理實(shí)體，如道路網(wǎng)、水系網(wǎng)、電力網(wǎng)、煤氣和輸油管道網(wǎng)等。 在GIS中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型本質(zhì)上是矢量數(shù)據(jù)模型，它把網(wǎng)絡(luò)看成是由結(jié)點(diǎn)（Node）和路徑（Link）組成，并以結(jié)點(diǎn)和路徑為單位描述網(wǎng)絡(luò)的幾何、拓?fù)浜蛯ｎ}特征如圖3.11所示（以道路網(wǎng)為例介紹網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。 GIS網(wǎng)絡(luò)分析中最常涉及到的是道路網(wǎng)，如圖3.12所示。每段路徑有一個(gè)起始點(diǎn)和一個(gè)終結(jié)點(diǎn)（按數(shù)字化的順序），這些信息都存儲(chǔ)在表3.10中，每段路徑的屬性以及有關(guān)的阻強(qiáng)指標(biāo)值存儲(chǔ)在表3.11中，這些可能包括路段的長(zhǎng)度、速限、車道數(shù)、允許的行使方向等。 在表示允許的行使方向時(shí)，F(xiàn)T表示允許的方向是由起始點(diǎn)到終止

12、點(diǎn)，TF表示由終止點(diǎn)到起始點(diǎn)，F(xiàn)T和TF標(biāo)志著相應(yīng)的路徑為單行道，E表示雙行道，N則表示該路徑不允許車輛行使。,圖3.12,圖3.11,結(jié)點(diǎn)表示道路交叉口或路口，從某一路徑來到一個(gè)路口可以一直往前走，向左轉(zhuǎn)，向右轉(zhuǎn)或作形轉(zhuǎn)彎（180）折回來走。 在一個(gè)路口可轉(zhuǎn)彎的方向取決于路口道路的情況以及此路口的交通規(guī)則。 在路口轉(zhuǎn)彎所花的時(shí)間常稱為轉(zhuǎn)彎阻強(qiáng)（Turn Impedance），在一般情況下，它與轉(zhuǎn)彎的方向有關(guān)。 交通網(wǎng)中每段路徑在其結(jié)點(diǎn)處所有允許的轉(zhuǎn)彎方向及轉(zhuǎn)彎阻強(qiáng)都存儲(chǔ)在一個(gè)轉(zhuǎn)彎類型表中，如表3.12所示。,注意： 在過去30幾年中，矢量數(shù)據(jù)模型是GIS中變化最大的方面。 例如，ESRI公司

13、在不同時(shí)期所開發(fā)的GIS軟件都相對(duì)應(yīng)著一種矢量數(shù)據(jù)模型，ArcView對(duì)應(yīng)Shape-file，Arc/Info對(duì)應(yīng)Coverage，ArcGIS對(duì)于Geodatabase。 Shape-file和Coverage就是地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型的代表，Geodatabase是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的代表。 矢量數(shù)據(jù)模型的演變是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和GIS市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。 對(duì)用戶來說，有關(guān)矢量數(shù)據(jù)模型有許多新的概念和方法要學(xué)習(xí)。,3.1.2柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示法 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示法以規(guī)則網(wǎng)格描述地理實(shí)體，記錄和表示地理數(shù)據(jù)。,3.1.2.1柵格數(shù)據(jù)模型 柵格數(shù)據(jù)模型視地球表面為平面，將其分割為一定大小、形狀規(guī)則的格網(wǎng)（G

14、rid），以網(wǎng)格（Cell）為單位記錄地理實(shí)體的分布位置和屬性，如圖3.13所示。,圖3.13 柵格數(shù)據(jù)模型,組成格網(wǎng)的網(wǎng)格可以是正方形、長(zhǎng)方形、三角形或六邊形，但通常使用正方形。 使用這種柵格數(shù)據(jù)模型，一個(gè)點(diǎn)狀地理實(shí)體表示為一個(gè)單一的網(wǎng)格或表示為單個(gè)像元；一個(gè)線狀地理實(shí)體表示為一串相連的網(wǎng)格或在一定方向上連接成串的相鄰像元的集合；一個(gè)面狀地理實(shí)體則由一組聚集在一起且相互連接的網(wǎng)格或由聚集在一起的相鄰像元的集合表示。每個(gè)地理實(shí)體的形狀特征表現(xiàn)為由構(gòu)成它的網(wǎng)格組成的形狀特征。每個(gè)網(wǎng)格的位置由其所在的行列號(hào)表示，如圖3.14所示。,圖3.14 柵格數(shù)據(jù)模型 的基本要素,柵格數(shù)據(jù)可以是一組數(shù)據(jù)矩陣，

15、每個(gè)數(shù)據(jù)稱為網(wǎng)格值，代表相應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)地理實(shí)體的屬性。根據(jù)屬性值編碼方案的不同，網(wǎng)格值可以為整數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)，有些GIS還允許以文字作為網(wǎng)格值。在最簡(jiǎn)單的情況下，網(wǎng)格值為0或1，表示某一地理實(shí)體的存在與否。 柵格數(shù)據(jù)不明確地表示地理實(shí)體的拓?fù)涮匦裕行┨匦钥梢酝ㄟ^計(jì)算獲得。例如，若已知一個(gè)網(wǎng)格的行列坐標(biāo)，就可以很容易地找到與它相鄰的網(wǎng)格。類似地，根據(jù)網(wǎng)格的行列坐標(biāo)和網(wǎng)格值，可以搜尋包含在一個(gè)面狀實(shí)體內(nèi)的另一個(gè)地理實(shí)體，等等以此類推。,柵格數(shù)據(jù)的精度在很大程度上取決于網(wǎng)格的大小。網(wǎng)格越大，精度越低；反之，網(wǎng)格越小，精度越高。柵格數(shù)據(jù)的精度對(duì)地理實(shí)體幾何形狀特征表示的詳細(xì)性和精確性影響很大，一般地，實(shí)體

16、特征愈復(fù)雜，柵格尺寸越小，分辨率愈高。 柵格數(shù)據(jù)量愈大（按分辨率的平方指數(shù)增加），計(jì)算機(jī)成本就越高，處理速度就越慢。不管網(wǎng)格有多小，由于每個(gè)網(wǎng)格只能擁有一個(gè)數(shù)值，因此，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)有關(guān)地理實(shí)體屬性變化的細(xì)節(jié)會(huì)全部丟失。而且，柵格數(shù)據(jù)總會(huì)在某種程度上會(huì)歪曲地理實(shí)體的細(xì)部特征，所以，在表示線狀地理實(shí)體時(shí)少用。,當(dāng)一個(gè)網(wǎng)格包含兩種或兩種以上不同類型的地理實(shí)體時(shí)，只能將它表示為其中一種類型。通常使用的網(wǎng)格賦值規(guī)則包括如下。 （1）中心點(diǎn)法：選取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。 （2）面積占優(yōu)法：選取占據(jù)柵格單元屬性值為面積最大者賦值。常用于分類較細(xì)、地理類別圖斑較小的情景。 （3）重要性法：定義屬

17、性類型的重要級(jí)別，選取重要的屬性值為柵格屬性值，常用于有重要意義而面積較小的要素，特別適用于點(diǎn)、線地理要素的定義。 （4）長(zhǎng)度占優(yōu)法：定義每個(gè)柵格單元的值由該柵格中線段最長(zhǎng)的實(shí)體的屬性來確定。,3.1.2.2.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個(gè)數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是屬性明顯，定位隱含，即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或數(shù)據(jù)本身，而所在位置則根據(jù)行列號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)。柵格數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中可以有多種存儲(chǔ)方式，主要包括: 柵格矩陣 游程編碼 鏈編碼（Chain Coding） 四叉樹（Quadtree）,1.柵格矩陣

18、 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將網(wǎng)格值按照網(wǎng)格的行、列排列順序直接以一個(gè)柵格矩陣存儲(chǔ)在一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件中，即將柵格數(shù)據(jù)看作一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個(gè)記錄代碼（也稱直接?xùn)鸥窬幋a）。通常，這個(gè)文件具有一個(gè)文件標(biāo)頭部分，用以存放有關(guān)柵格數(shù)據(jù)模型基本要素方面的數(shù)據(jù)，包括行數(shù)、列數(shù)、網(wǎng)格大小、格網(wǎng)左上角或左下角的實(shí)際地面坐標(biāo)等，或?qū)⑦@些數(shù)據(jù)單獨(dú)存放到一個(gè)標(biāo)頭文件中，如圖3.15所示。 ArcView GIS空間分析的數(shù)字高程模型（DEM）就是使用這種柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的。另外數(shù)字高程模型和衛(wèi)星數(shù)字影像主要也采用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。,圖3.15柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),柵格矩陣要求存儲(chǔ)所有的網(wǎng)格值，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件的大小取決于網(wǎng)格的

19、行數(shù)和列數(shù)（mn）。網(wǎng)格的大小對(duì)柵格數(shù)據(jù)量有很大的影響，即數(shù)據(jù)量隨網(wǎng)格大小的改變呈平方變化。另外這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的網(wǎng)格值，冗余度較大。尤其對(duì)大量數(shù)據(jù)的柵格矩陣表達(dá)在存儲(chǔ)上會(huì)占據(jù)大量的空間，為解決這個(gè)問題，人們提出數(shù)據(jù)壓縮的方法，常見的有：游程編碼、鏈編碼和四叉樹編碼等。,2.游程編碼 地理數(shù)據(jù)往往有較強(qiáng)的相關(guān)性，也就是說相鄰像元的值往往是相同的。通過記錄行或列上相鄰的若干屬性相同點(diǎn)的代碼，可實(shí)現(xiàn)游程長(zhǎng)度編碼。具體方法：按行掃描，將相鄰等值的像元合并，并記錄代碼的重復(fù)個(gè)數(shù)。 圖3.16所示,其編碼為A4 A1 B3 A2 B2 A2 B2。若在行與行之間不間斷地連續(xù)編碼，則為A5 B3 A2 B

20、2 A2 B2。區(qū)域越大，數(shù)據(jù)的相關(guān)性越強(qiáng)，使用游程長(zhǎng)度編碼，則壓縮效果越佳。,圖3.16 游程長(zhǎng)度編碼,3.鏈編碼 鏈編碼（也稱“弗里曼鏈碼”）是用一系列按順序排列的網(wǎng)格表示一個(gè)面狀實(shí)體的分布界線，用以表示和存儲(chǔ)面狀實(shí)體的柵格數(shù)據(jù)。 運(yùn)用這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，首先在面狀實(shí)體的邊界上選擇一個(gè)起點(diǎn)，然后按逆時(shí)針或順時(shí)針方向沿著邊界記錄前進(jìn)的方向以及在該方向上移動(dòng)的網(wǎng)格數(shù)目直到最后回到起點(diǎn)，如圖3.17所示。,圖3.17 鏈編碼示意圖 在圖中：（a）是原圖；（b）代表8個(gè)方位（N,EN,E,ES,S）的編碼；（c）為柵格模型網(wǎng)格的數(shù)據(jù)編碼；（d）為鏈編碼。,4.四叉樹編碼 四叉樹（簡(jiǎn)稱QT）編碼的思路是

21、把地理空間（特別是多邊形區(qū)域信息）定量劃分為可變大小的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格具有相同性質(zhì)的屬性，它是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一。 四叉樹結(jié)構(gòu)的原理可以表述為：將二維區(qū)域按照四個(gè)象限進(jìn)行遞歸分割（2n2n，且n1），直到子象限的數(shù)值單調(diào)為止。凡數(shù)值（特征碼或類型值）呈單調(diào)的單元，不論單元大小，均作為最后的存儲(chǔ)單元。這樣，對(duì)同一種空間要素，其區(qū)域格網(wǎng)的大小，隨該要素分布特征而不同,四叉樹結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索方面效率很高。以圖3.18表示四叉樹的建立過程。,圖3.18 四叉樹結(jié)構(gòu)的建立過程,5.四種柵格數(shù)據(jù)編碼比較 比較見表3.13。 柵格數(shù)據(jù)模型用規(guī)則網(wǎng)格來覆蓋整個(gè)空間數(shù)據(jù)。網(wǎng)格中的各個(gè)單元格數(shù)值與

22、其位置上的空間特征相對(duì)應(yīng)，而且單元格數(shù)值的變化反映了事物現(xiàn)象在空間上的變化。 與矢量數(shù)據(jù)模型不同的是柵格數(shù)據(jù)模型在過去30幾年中并未改變與其相關(guān)的概念或數(shù)據(jù)格式。有關(guān)柵格數(shù)據(jù)模型的研究目前已經(jīng)集中在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)壓縮方面。 在GIS軟件中，雖可使用的多種數(shù)據(jù)，但采用柵格格式居多，所以，對(duì)用戶來說，理解柵格數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索很重要。,3.1.3面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示法 面向?qū)ο螅∣bject-Oriented，簡(jiǎn)稱OO）技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，但在80年代后期至今已得到廣泛的應(yīng)用。 在GIS中，為更好地表示地理數(shù)據(jù)，也有用到面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型。 分布在地球表面的所有可以描述的地理實(shí)體，都可

23、以視為對(duì)象（Object）。如一個(gè)城市、一棵樹均可作為地理對(duì)象。,1.面向?qū)ο蟮母拍?面向?qū)ο竽Ｐ褪呛袛?shù)據(jù)和操作方法的獨(dú)立模塊，可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)和行為的統(tǒng)一體。 對(duì)象指可以識(shí)別、可以描述的實(shí)體。 這些數(shù)據(jù)操作和運(yùn)算行為都稱為對(duì)象的方法。 對(duì)象的特點(diǎn)： 具有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)，以表明其存在的獨(dú)立性； 具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時(shí)刻的狀態(tài)靜態(tài)屬性數(shù)據(jù)； 具有一組表示行為的操作方法，用以改變對(duì)象的狀態(tài)作用、功能函數(shù)、方法。,通過尋找共同點(diǎn)，所有具有共性的系統(tǒng)成分就可為一種對(duì)象。根據(jù)對(duì)象的共性，及對(duì)它研究的目的可劃分為類、實(shí)例和消息等。它們之間的關(guān)系如圖3.19所示。,（1）類（Class）：

24、共享同一屬性和方法集的所有對(duì)象的集合構(gòu)成類。如河流均具有共性，如名稱、長(zhǎng)度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計(jì)算長(zhǎng)度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。類可組合為“超類（Super class）”或分為“子類（Subclass）”。例如：城市和縣市都屬于某一個(gè)省，因此，省是城市和縣的超類，城市和縣是省的子類。 （2）實(shí)例（Instance）：類的一個(gè)具體對(duì)象，稱為實(shí)例，如長(zhǎng)江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。類是抽象的對(duì)象，是實(shí)例的組合。類和實(shí)例是相對(duì)的，類和實(shí)例的關(guān)系為上下層關(guān)系。 （3）消息(Message)：對(duì)象之間的請(qǐng)求和協(xié)作，稱為消息。如單擊“鼠標(biāo)”，就是對(duì)按

25、鈕提出請(qǐng)求，就是消息。,2面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)的模型是以對(duì)象的屬性和方法來表示、記錄和存儲(chǔ)地理數(shù)據(jù)的，而且地理實(shí)體的定位特性與專題屬性一樣，都表示為對(duì)象的屬性。每一個(gè)對(duì)象都屬于一個(gè)類別。 圖3.20以“城市類”為例，可以看出由類產(chǎn)生對(duì)象實(shí)際上是以具體的數(shù)據(jù)來描述一個(gè)具體對(duì)象的屬性，并將這些數(shù)據(jù)和該類對(duì)象所允許的行為，即操作和運(yùn)算數(shù)據(jù)方法，包裝在一起，將其中一些屬性數(shù)據(jù)和方法隱藏起來不讓外部對(duì)象訪問、調(diào)用、修改和執(zhí)行。外部對(duì)象只能發(fā)給它一個(gè)消息（請(qǐng)求），讓它根據(jù)其類型定義對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的操作或運(yùn)算。,圖3.20“城市”類與實(shí)例,3.面向?qū)ο蟮奶匦?面向?qū)ο缶哂幸韵氯齻€(gè)特性。 （1）抽象

26、：是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的簡(jiǎn)明表示。形成對(duì)象的關(guān)鍵是抽象，對(duì)象是抽象思維的結(jié)果。 （2）封裝：指把對(duì)象的狀態(tài)及其操作集成化，使之不受外界影響。這種將對(duì)象的屬性和方法包裝在一起并加以隱藏的特性，也稱為“對(duì)象的封閉性”。 （3）多態(tài)：是指同一消息被不同對(duì)象接收時(shí)，可解釋為不同的含義。同一消息，對(duì)不同對(duì)象，功能不同。功能重載多態(tài)，簡(jiǎn)化消息，但功能不減。,4.面向?qū)ο蟮暮诵募夹g(shù) 面向?qū)ο缶哂幸韵滤姆N核心技術(shù)。 （1）分類：把一組具有相同屬性結(jié)構(gòu)和操作方法的對(duì)象歸納或映射為一個(gè)公共類的過程。如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、文化區(qū)等若干個(gè)類。 （2）概括：將相同特征和操作的類再抽象為一個(gè)更高層次、更具一般性

27、的超類的過程。子類是超類的一個(gè)特例。一個(gè)類可以是超類的子類，也可是幾個(gè)子類的超類。所以，概括可能有任意多層次。概括技術(shù)避免了存儲(chǔ)上的大量冗余。這需要一種能自動(dòng)地從超類的屬性和操作中獲取子類對(duì)象的屬性和操作的機(jī)制，即繼承機(jī)制。 （3）聚集：把幾個(gè)不同性質(zhì)類的對(duì)象組合成一個(gè)更高級(jí)的復(fù)合對(duì)象的過程。 （4）聯(lián)合：相似對(duì)象抽象組合為集合對(duì)象。其操作是成員對(duì)象的操作集合。,5.面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的核心工具 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型有兩種核心工具： （1）繼承：一類對(duì)象可繼承另一類對(duì)象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅可以把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。子類還可定義自己新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，

28、它服務(wù)于概括。繼承機(jī)制可減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。子類若任意使用父類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有可能破壞封裝，若只能通過發(fā)送消息來使用父類的域，又可能失去有效性。繼承的類型有單重繼承和多重繼承，有全部繼承和部分繼承，有取代繼承和包含繼承等，可在圖3.22中體現(xiàn)。,（2）傳播：指復(fù)雜對(duì)象的某些屬性值不單獨(dú)存于數(shù)據(jù)庫中，而由子對(duì)象派生或提取，并將子（成員）對(duì)象的屬性信息強(qiáng)制地傳播給綜合復(fù)雜對(duì)象。成員對(duì)象的屬性只存儲(chǔ)一次，以保證數(shù)據(jù)一致性和減少冗余。如福州市總?cè)丝冢纱鎯?chǔ)在各成員對(duì)象中的各區(qū)人口總和。 （3）繼承與傳播的區(qū)別 繼承服務(wù)于概括，傳播作用于聯(lián)合和聚集； 繼承是從上層到下層，應(yīng)用于類，而傳播

29、是自下而上，直接作用于對(duì)象； 繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性； 繼承是一種信息隱含機(jī)制，只要說明子類與父類的關(guān)系，則父類的特征一般能自動(dòng)傳給它的子類，而傳播是一種強(qiáng)制性工具，需要在復(fù)合對(duì)象中顯式定義它的每個(gè)成員對(duì)象，并說明它需要傳播那些屬性值。,3.2 GIS空間數(shù)據(jù)庫,GIS空間數(shù)據(jù)主要有定位和屬性兩種 。 GIS空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)主要有文件和數(shù)據(jù)庫兩種形式。 文件是指數(shù)據(jù)記錄以某種結(jié)構(gòu)方式在外存儲(chǔ)設(shè)備上的組織，它是數(shù)據(jù)組織的一種較高層次形式，文件組織的方式有順序文件、索引文件 、直接存取文件、索引連接文件、多關(guān)鍵字文件。典型GIS空間數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)形式見表3.14。 數(shù)據(jù)庫是由若干相

30、關(guān)文件構(gòu)成的系統(tǒng)，,3.2.1空間數(shù)據(jù)庫 1.空間數(shù)據(jù)庫概念 在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)組織的最基本的單位為數(shù)據(jù)項(xiàng)（Data Item）。數(shù)據(jù)庫( Data Base )是由所有相關(guān)文件的總和構(gòu)成。它是最高一層的數(shù)據(jù)組織，是信息系統(tǒng)的信息資源，是信息系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) ( DBMS ) 是處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、進(jìn)行各種管理的軟件系統(tǒng)；對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作全部通過 DBMS 進(jìn)行，這些操作也稱為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要有：Access、SQL Server、Oracle等。 空間數(shù)據(jù)庫（SDB）是GIS中空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)場(chǎng)所?？臻g數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(SDBS)一般包括空間數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫管

31、理系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)三個(gè)部分。,（1）空間數(shù)據(jù)庫：按照一定的結(jié)構(gòu)組織在一起的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，是GIS在計(jì)算機(jī)物理存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)的與應(yīng)用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和，一般是以一系列特定結(jié)構(gòu)的文件的形式組織在存儲(chǔ)介質(zhì)之上的，如表3.15所示。 （2）空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是建立在常規(guī)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上的。常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是提供數(shù)據(jù)庫建立、使用和管理工具的軟件系統(tǒng)；而空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是指能夠?qū)ξ锢斫橘|(zhì)上存儲(chǔ)的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行語義和邏輯上的定義，提供必需的空間數(shù)據(jù)查詢檢索和存取功能，以及能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的維護(hù)和更新的一套軟件系統(tǒng)?？臻g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)除了需要完成常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

32、所必備的功能外，還需要提供特定的針對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理功能。 實(shí)現(xiàn)方法，直接對(duì)常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展，加入一定數(shù)量的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理功能，如Oracle系統(tǒng)； 實(shí)現(xiàn)方法，在常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上添加一層空間數(shù)據(jù)庫引擎，以獲得常規(guī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能之外的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的能力，如ESRI的SDE（Spatial Database Engine）等。,2.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：一般可分為三個(gè)層次 內(nèi)模式 概念模式 外模式,為了表達(dá)信息的內(nèi)容，數(shù)據(jù)應(yīng)按一定的方式進(jìn)行組織和存儲(chǔ)。根據(jù)數(shù)據(jù)組織方式和數(shù)據(jù)間邏輯關(guān)系，一般可分為數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄、文件和數(shù)據(jù)庫，如表3.15所示。 數(shù)據(jù)間的邏

33、輯聯(lián)系主要是指記錄與記錄之間的聯(lián)系。記錄用來表示現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體，實(shí)體之間存在著一種或多種聯(lián)系，反映這種邏輯關(guān)系主要有一對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多的聯(lián)系。表達(dá)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的模型有關(guān)系模型、層狀模型、網(wǎng)狀模型、面向?qū)ο竽Ｐ秃蜁r(shí)態(tài)模型等。其中關(guān)系模型、層狀模型、網(wǎng)狀模型可合稱為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。,3數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作集合和完整性約束規(guī)則集合組成了數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型比較見表3.16。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫模型在數(shù)據(jù)庫發(fā)展中盡管起了重要作用，但仍然存在許多的不足，主要表現(xiàn)為： （1）以記錄為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)不能很好地面向用戶和應(yīng)用。 （2）不能以自然的方式表示客體之間的關(guān)系。 （3）語義貧乏。 （4

34、）數(shù)據(jù)類型太少，難以滿足應(yīng)用需要。 目前，人們陸續(xù)提出新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中具有代表意義的是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫模型,空間數(shù)據(jù)庫與一般數(shù)據(jù)庫比較，具有以下特點(diǎn)： 海量數(shù)據(jù)。地理系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合體，要用數(shù)據(jù)來描述各種地理要素的位置特征、屬性特征、時(shí)間特征，其數(shù)據(jù)量往往很大。 管理數(shù)據(jù)類型多。既能管理屬性數(shù)據(jù)，又能管理空間數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)應(yīng)用面廣。目前GIS數(shù)據(jù)已涉及到地理研究、環(huán)境保護(hù)、土地利用與規(guī)劃、資源開發(fā)、生態(tài)環(huán)境、市政管理、道路建設(shè)等領(lǐng)域。 （3）空間數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng):是為了滿足特定的用戶數(shù)據(jù)處理需求而建立起來的，具有數(shù)據(jù)訪問功能的應(yīng)用軟件，它提供給用戶一個(gè)訪問和操作特定數(shù)據(jù)庫的用戶界面。 空間數(shù)

35、據(jù)庫系統(tǒng)在整個(gè)GIS中占有極其重要的地位，是GIS發(fā)揮作用的關(guān)鍵，也是所有分析、決策的重要基礎(chǔ)。,3.2.2空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì) 空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)問題，其實(shí)質(zhì)是將地理空間實(shí)體以一定組織形式在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中加以表達(dá)的過程，也就是GIS中空間實(shí)體數(shù)據(jù)模型化問題。 1.空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程 2.空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì) 3.空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的原則、步驟和技術(shù)方法 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的整個(gè)過程包括以下幾個(gè)典型步驟 （1）需求分析 （2）概念設(shè)計(jì) （3）邏輯設(shè)計(jì) （4）物理設(shè)計(jì),3.2.3空間數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)和維護(hù) 1空間數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)空間數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的結(jié)果，就可以在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建起實(shí)際的空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，裝入空

36、間數(shù)據(jù)，并測(cè)試和運(yùn)行，這個(gè)過程就是空間數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)過程，它包括： 建立實(shí)際的空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)； 裝入試驗(yàn)性的空間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試，以確立其功能和性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，并檢查對(duì)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)空間的占有情況； 裝入實(shí)際的空間數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫的加載，建立起實(shí)際運(yùn)行的空間數(shù)據(jù)庫。,2相關(guān)的其他設(shè)計(jì) 其他設(shè)計(jì)的工作包括加強(qiáng)空間數(shù)據(jù)庫的安全性、完整性控制，以及保證一致性、可恢復(fù)性等，總之是以犧牲數(shù)據(jù)庫運(yùn)行效率為代價(jià)的。設(shè)計(jì)人員的任務(wù)就是要在實(shí)現(xiàn)代價(jià)和盡可能多的功能之間進(jìn)行合理的平衡。這一設(shè)計(jì)過程包括： （1）空間數(shù)據(jù)庫的再組織設(shè)計(jì)。 （2）故障恢復(fù)方案設(shè)計(jì)。 （3）安全性考慮。 （4）事務(wù)控制。,3空間數(shù)據(jù)

37、庫的運(yùn)行與維護(hù) 空間數(shù)據(jù)庫投入正式運(yùn)行，標(biāo)志著數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和應(yīng)用開發(fā)工作的結(jié)束和運(yùn)行維護(hù)階段的開始。本階段的主要工作是： 維護(hù)空間數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。需要及時(shí)調(diào)整授權(quán)和密碼，轉(zhuǎn)儲(chǔ)及恢復(fù)數(shù)據(jù)庫； 監(jiān)測(cè)并改善數(shù)據(jù)庫性能。分析評(píng)估存儲(chǔ)空間和響應(yīng)時(shí)間，必要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的再組織； 增加新的功能。對(duì)現(xiàn)有功能按用戶需要進(jìn)行擴(kuò)充。 修改錯(cuò)誤。包括程序和數(shù)據(jù)。,3.2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理是建立地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵步驟，涉及到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織。 柵格模型、矢量模型或柵格/矢量混合模型是常用的空間數(shù)據(jù)組織方法。 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇在一定程度上決定了系統(tǒng)所能執(zhí)行的數(shù)據(jù)分析的功能，在地理數(shù)據(jù)組織與管理中，最為關(guān)鍵的是如何將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)融為一體。 目前，大多數(shù)系統(tǒng)都是將二者分開存儲(chǔ)，通過共同項(xiàng)(一般定義為地物標(biāo)識(shí)碼)來連接。這種組織方式的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)的定義與數(shù)據(jù)操作相分離，無法有效地記錄地物在時(shí)間域上的變化屬性。,3