文档介绍：第三章空间数据结构
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。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。它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,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
一、简单栅格数据结构
(a) 点、线、面数据(b) 栅格表示
图3-1 点、线、面数据的栅格结构表示
栅格结构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)或象元结构(pixel),是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列,每个网格作为一个象元或象素,由行、列号定义,并包含一个代码,表示该象素的属性类型或量值,或仅仅包含指向其属性记录的指针。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。如图3-1所示,在栅格结构中,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。遥感影像就属于典型的栅格结构,每个象元的数字表示影像的灰度等级。
栅格结构的显著特点是:属性明显,定位隐含,即数据直接记录属性的指针或属性本身,而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标给出,也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。由于栅格结构是按一定的规则排列的,所表示的实体的位置很容易隐含在网格文件的存贮结构中,在后面讲述栅格结构编码时可以看到,每个存贮单元的行列位置可以方便地根据其在文件中的记录位置得到,且行列坐标可以很容易地转为其他坐标系下的坐标。在网格文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码,如果为属性的编码,则该编码可作为指向实体属性表的指针。图3-1中表示了一个代码为6的点实体,一条代码为9的线实体,一个代码为7的面实体。由于栅格行列阵列容易为计算机存储、操作和显示,因此这种结构容易实现,算法简单,且易于扩充、修改,也很直观,特别是易于同遥感影像结合处理,给地理空间数据处理带来了极大的方便,受到普遍欢迎,许多系统都部分和全部采取了栅格结构,栅格结构的另一个优点是,特别适合于FORTRAN、BASIC等高级语言作文件或矩阵处理,这也是栅格结构易于为多数地理信息系统设计者接受的原因之一。
图3-2 栅格数据结构的几种其它形式
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(如图3-2所示),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。由于栅格结构对地表的量化,在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时,若栅格尺寸较大,则会造成较大的误差,同时由于在一个栅格的地表范围内,可能存在多于一种的地物,而表示在相应的栅格结构中常常只能是一个代码。这类似于遥感影像的混合象元问题,如la
ndsat MSS卫星影像单个象元对应地表79×79m2的矩形区域,影像上记录的光谱数据是每个象元所对应的地表区域内所有地物类型的光谱辐射的总和效果。因而,这种误差不仅有形态上的畸变,还可能包括属性方面的偏差。
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。
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。图3-3所示的一块矩形地表区域。内部含有A、B、C三种地物类型,O点为中心点,将这个矩形区域近似地表示为栅格结构中的一个栅格单元时,可根据需要,采取如下方案之一决定该栅格单元的代码:
图3-3 栅格单元代码的确定
①中心点法:用处于栅格中心处的地物