2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 1
第三章 空间数据结构
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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。
在地理系统中描述地理要素和地理现
象的空间数据，主要包括空间位置、拓朴
关系和属性三个方面的内容。
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?空间数据结构
?网格数据结构 (显式表示 )
?矢量数据结构 (隐式表示 )
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显式描述
显式表示：就是栅格中的一系列
像元 (点 )，为使计算机认识这
些像元描述的是某一物体而不
是其它物体 。
注：, c”不一定用 c的形式，而
可以用颜色、符号、数字、灰
度值来显示。
则得到椅子的简单数据结构为：
椅子的属性 —— 符号／颜
色 —— 像元 x
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隐式表示
隐式表示：由一系列定义了始点
和终点的线及某种连接关系来
描述，线的始点和终点坐标定
义为一条表示椅子形式的矢量，
线之间的指示字，告诉计算机
怎样把这些矢量连接在一起形
成椅子，隐式表示的数据为：
椅子的属性 —— 一系列矢
量 —— 连接关系
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栅格数据结构
栅格数据,栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像
元由行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定
的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在
网络文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易
地转为其它坐标系下的坐标。在网络文件中每个
代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。
栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确
定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。
每个栅格单元只能存在一个值。
（ a）三角形 （ b） 菱形 （ c) 六边形
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点
线
面
对于栅格数据结构
?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。
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栅格数据结构,坐标系与描述参数
Y：列
X：行
西南角格网坐标
（ XWS,YWS）
格网分辨率
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栅格数据单元值确定
C
A
B
面
积
占
优
重
要
性
A
连续分布地理要素
C
具有特殊意义
的较小地物
A
分类较细、
地物斑块较小
AB
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
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栅格数据压缩存储的编码方法
A AAA
A RAA
A RAA
A RAA
R AAA
A AAA
A AGG
A AGG
G GGG
G AGG
G AGG
A AAA
A ARA
A AAR
A AAR
R AAA
1 432 5 876
1
2
3
4
5
6
7
8
0
1
2
3
4
5
6 7
起点行列号，单位矢量
R,(1,5),3,2,2,3,3,2,3
链式编码
游程长度编码 逐行编码数据结构, 行号,属性,重复次数
1,A,4,R,1,A,4
块状编码 正方形区域为记录单元数据结构, 初始位置,半径,属性
(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…
NE SWNW SE
G
GGGAGGAAGAAA
四叉树编码
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栅格矩阵（ Raster Matrix)
Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，
每一层的 pixel值组成像元阵列（即二维数组），
其中行、列号表示它的位置。
例如影像,A A A A
A B B B
A A B B
A A A B
在计算机内是一个 4*4阶的矩阵。但在外部设备
上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例
存贮顺序为,A A A A A B B B A A B B A A A B
当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编
码就需要 m行 × n列 × 3(x,y和属性编码值 )个存储
单元。数字地面模型就属此种情况。
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链式编码 (ChainCodes)
又称为弗里曼链码 (Freeman)或
边界链码。
基本方向可定义为：东＝ 0，东
南＝ l，南二 2，西南＝ 3，西
＝ 4，西北＝ 5，北＝ 6，东北
＝ 7等八个基本方向。如果再
确定原点为像元 (10,1)，则
该多边形边界按顺时针方向
的链式编码为：
10,l,7,0,1,0,7,1,7，
0,0,2,3,2,2,1,0,7，
0,0,0,0,2,4,3,4,4，
3,4,4,5,4,5,4,5,4，
5,4,6,6。
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游程长度编码 (Run— LengthCodes)
游程长度编码是按行帧
序存储多边形内的各
个像元的列号，即在
某行上从左至右存储
属该多边形的始末像
元的列号。
问：对左图的进行游程
长度编码 。
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块式编码 (BlockCodes)
块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范
围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。
如图：
块式编码的数据结构由初始
位置 (行号，列号 )和半径，
再加上记录单元的代码组成。
根据这一编码原则，上述多
边形只需 17个单位正方形。
9个 4单位的正方形和 1个 16
单位的正方形就能完整表示，
总共要 57个数据，其中 27对
坐标,3个块的半径。
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四叉树编码 (Quadtree Encoding)
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 2n× 2n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等为止（如下图），而块
状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码 。
99 99 00 00
99 09 00 00
90 09 77 00
00 00 77 00
00 00 77 77
00 00 77 77
00 00 77 77
00 00 77 7 7
9 999 0 00
0 000999
990 07
07000
000 7 7
7 7770 000
0 00 7 777
7 7770 000
77
0
07
07
0
0
0
0
0
0 7
0 0 7 09
9 9 9 0 0 9 0 0 9 00 0
NW NE SW SE
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八叉树编码
八叉树结构就是将空间
区域不断地分解为八
个同样大小的子区域
(即将一个六面的立方
体再分解为八个相同
大小的小立方体 )，
同 — 区域的属性相同。
八叉树主要用来解决
地理信息系统中的三
维问题。
0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1
0 0 2 0 0 3 0 1 2 0 1 3 1 0 2 1 0 3 1 1 2 1 1 3
0 2 0 0 2 1 0 3 0 0 3 1 1 2 0 1 2 1 1 3 0 1 3 1
0 2 2 0 2 3 0 3 2 0 3 3 1 2 2 1 2 3 1 3 2 1 3 3
2 0 0 2 0 1 2 1 0 2 1 1 3 0 0 3 0 1 3 1 0 3 1 1
2 0 2 2 0 3 2 1 2 2 1 3 3 0 2 3 0 3 3 1 2 3 1 3
2 2 0 2 2 1 2 3 0 2 3 1 3 2 0 3 2 1 3 3 0 3 3 1
2 2 2 2 2 3 2 3 2 2 3 3 3 2 2 3 2 3 3 3 2 3 3 3
4 4 4 4 5 4 5 5 4 5 5 5
5 4 1
4 0 5 5 0 5 5 1 5
4 0 0 4 1 5 5 0 0 5 1 0
0 4 4 0 5 4
0 4 0 0 4 1 0 5 0 0 5 1 1 4 0 1 4 1 1 5 0 1 5 1
0 0 4 0 0 5 0 1 4 0 1 5 1 0 4 1 0 5 0 0 4 0 0 5
0 1
2 3
7
4 5
0
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
I（X ）
K
（
Z
）
J
（
Y
）
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栅格数据组织
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栅格数据组织
栅格数据文件
像元 1 X坐标
Y坐标
层 2属性值
层 1属性值
…
层 n属性值
…
像元 2
像元 n
栅格数据文件
层 1 像元 1
层 2
…
X,Y,属性值
像元 2 X,Y,属性值
… …
像元 n X,Y,属性值
层 n
栅格数据文件
层 1 多边形 1
层 2
…
属性值
像元 1坐标
…
多边形 N
像元 n坐标
层 n
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栅格数据结构特点
? 离散的量化栅格值表
示空间对象
? 位置隐含,属性明显
? 数据结构简单,易于遥
感数据结合,但数据量
大
? 几何和属性偏差
? 面向位置的数据结构,
难以建立空间对象之
间的关系
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a b
c
3
4
5
a b
c
ac距离, 7/4 (5)
面积, 7 (6)
几何偏差
属性偏差
如以像元边线计算则为 7，以像元为单金大会则为 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。
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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。
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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；
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 23
矢量数据结构编码的基本内容
标识码 属性码
空间对象编码
唯一
连接空间和属性数据
数据库 独立编码
点, ( x,y )
线, ( x1,y1 ),(x2,y2 ),…,( xn,yn )
面, ( x1,y1 ),(x2,y2 ),…,( x1,y1 )
点位字典
点, 点号文件
线, 点号串
面, 点号串
点号 X Y
1 11 22
2 33 44
… … …
n 55 66
存储方法
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点
实
体
方向
字体
排列
指针
与线相交的角度
如果是简单点
符号
符号
字符大小
简单点
文字说明
结点
唯一识别符
比例尺
方向
x, y 坐标
其它有关的属性
点实体
类型
序列号
有关的属性
如果是文字说明
如果是结点
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线
实
体
唯一标识码
线标识码
起始点
终止点
坐标对序列
显示信息
非几何属性
线实体
面
实
体 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。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 26
简单的矢量数据结构 — 面条结构（实体式）
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。
? 存储：
?独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；
?点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成
? 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
? 适用范围：
制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
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简单的矢量数据结构 — 面条结构（实体式）
1
2
3
4
5
6
7
89
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
2930
31
多边形 数据项
A
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,
y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)
B (x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),
(x16,y16),(x15,y15),(x14,y14),(x13,y13),
(x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
C
(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y2
7),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30),(x31,y31),
(x24,y24)
D
(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y2
2),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19)
E
(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16)
,(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)
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索
引
式
B C D E
a b c f g h e f i b c ij
1
2
3
4
5
6
7
89
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
线与多边形之间的树状索引
点与多边形之间的树状索引
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双重独立式 DIME(Dual lndependent
Map Encoding)
A
B
C
D
O
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
线号 左多边形 右多边形 起点 终点
a O A 1 8
b O A 2 1
c O B 3 2
d O B 4 3
e O B 5 4
f O C 6 5
g O C 7 6
h O C 8 7
i C A 8 9
j C B 9 5
k C D 12 10
l C D 11 12
m C D 10 11
n B A 9 2
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
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 30
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。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 31
弧段文件
弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形
a 5 1 O A
b 8 5 E A
c 16 8 E B
d 19 5 O E
e 15 19 O D
f 15 16 D B
g 1 15 O B
h 8 1 A B
i 16 19 D E
j 31 31 B C
弧段坐标文件
弧段号 点 号
a 5,4,3,2,1
b 8,7,6,5
c 16,17,8
d 19,18,5
e 15,23,22,21,20,19
f 15,16,
g 1,10,11,12,13,14,15
h 8,9,1
i 16,19
j 31,30,29,28,27,26,25,24,31
链状双重独立式
1
2
3
4
5
6
7
89
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
2324
25
26
27
28
2930
31
多边形文件
多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐
标
A h,b,a
B g,f,c,h,-j
C j
D e,i,f
E e,i,d,b
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 32
矢量数据结构的属性数据表达
?属性特征类型
– 类别特征：是什么
– 说明信息：同类目标的不同特征
?属性特征表达
– 类别特征：类型编码
– 说明信息：属性数据结构和表格
?属性表的内容取决于用户
?图形数据和属性数据的连接通过目标识别
符或内部记 录号实现。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 33
矢量数据结构的属性数据表达
点状
对象
目标标识
目标标识
地物编码 坐 标 关联的线目标
精度控制点等级 测量单位测量年限
线状
对象
目标标识
目标标识
地物编码 坐 标串 起点、终点、左面、右面
路面材料等级 修建时间宽度 管养单位 ……
……
面状
对象
目标标识
目标标识
地物编码 边界目标号
建筑日期所有者 建筑面积建筑单位 结构 ……
空
间
对
象
地物编码 地物名称 制图颜色几何类型 制图符号编码 属性表明
地物类型特征与制图属性
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矢量数据结构的特点
? 用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性
隐含
? 用拓扑关系描述空间对象之间的关系
? 面向目标操作，精度高，数据冗余度小
? 与遥感等图象数据难以结合
? 输出图形质量号，精度高
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 35
第三节 两种数据结构的比较与转换
矢量数据
优点,
?表示地理数据的精度较高
?严密的数据结构，数据量小
?完整的描述空间关系
?图形输出精确美观
?图形数据和属性数据的恢复、
更新、综合都能实现
?面向目标，不仅能表达属性，
而且能方便的记录每个目标
的具体属性信息
缺点：
?数据结构复杂
?矢量叠置较为复杂
?数学模拟比较困难
?技术复杂，特别是软硬件
栅格数据
优点,
?数据结构简单
?空间数据的叠置和组合方便
?各类空间分析很易于进行
?数学模拟方便
缺点：
?图形数据量大
?用大像元减少数据量时，精
度和信息量受损
?地图输出不美观
?难以建立网络连接关系
?投影变换比较费时
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 36
数据结构选择原则
?要素还是位置？
?可获取的数据
?定位要素的必要精度
?需要什么类型的要素
?需要什么类型的拓扑关联
?所需空间分析类型
?生产地图类型
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 37
矢量数据向栅格数据转换
? 点的变换
Y
X
O
J
I
y
x
( 0,0 )
X
m i n
X
m a x
Y
m i n
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 38
矢量数据向栅格数据转换
?矢量线段的变换
( x,y )
22
( x,y )
11
( x,y )
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 39
矢量数据向栅格数据转换
? 多边形数据的转换 (边界代数算法、内部点扩散
法、射线算法）
a
b
c
d
e
f
1
0
00
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
01
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
000
100
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
000
100
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
111
011
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
000
111
1
1
1
1
1
1
0
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 40
矢量数据向栅格数据转换
边界代数算法
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 41
栅格数据向矢量数据转换
?二值化
5
9
10
1 4 1
1 3 8
9
5
3
1
0
2
2 4 5
1 5 6
7 3
1 4 4
1 7 8
1 3 2
2 3
7
3
2 1 2
5
6
8
2 9
11
2 1 4
1 6 7
5
1 2 4
1 1 0
7
6
5
4
7
1 3 3
5
1 9 2
3 5 0
1 1 0
1 3 5
6
4
7
2 4 4
1 2
2
5
12
1 3 5
2 0 1
1 6 6
1 2 7
1 5 5
9
1
1
9
4
8
21
12
2 1 1
4 3
5
0
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 42
栅格数据向矢量数据转换
?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
28 29 30 31 32 33 34 35 3624 25 26 2719 20 21 22 23
46 47 48 49 50 5142 43 44 4537 38 39 40 41
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 43
栅格数据向矢量数据转换
?跟踪
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 44
思考与练习
? 空间实体可抽象为哪几种基本类型？它们在矢量
数据结构和栅格数据结构分别是如何表示的？
? 叙述四种栅格数据存储的压缩编码方法。
? 试写出矢量和栅格数据结构的模式，并列表比较
其优缺点。
? 叙述由矢量数据向栅格数据的转换的方法。
? 叙述由栅格数据向矢量数据的转换的方法。
? 简述栅格到矢量数据转换细化处理的两种基本方
法。
第三章 空间数据结构
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 2
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。
在地理系统中描述地理要素和地理现
象的空间数据，主要包括空间位置、拓朴
关系和属性三个方面的内容。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 3
?空间数据结构
?网格数据结构 (显式表示 )
?矢量数据结构 (隐式表示 )
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 4
显式描述
显式表示：就是栅格中的一系列
像元 (点 )，为使计算机认识这
些像元描述的是某一物体而不
是其它物体 。
注：, c”不一定用 c的形式，而
可以用颜色、符号、数字、灰
度值来显示。
则得到椅子的简单数据结构为：
椅子的属性 —— 符号／颜
色 —— 像元 x
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 5
隐式表示
隐式表示：由一系列定义了始点
和终点的线及某种连接关系来
描述，线的始点和终点坐标定
义为一条表示椅子形式的矢量，
线之间的指示字，告诉计算机
怎样把这些矢量连接在一起形
成椅子，隐式表示的数据为：
椅子的属性 —— 一系列矢
量 —— 连接关系
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 6
栅格数据结构
栅格数据,栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像
元由行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定
的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在
网络文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易
地转为其它坐标系下的坐标。在网络文件中每个
代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。
栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确
定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。
每个栅格单元只能存在一个值。
（ a）三角形 （ b） 菱形 （ c) 六边形
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 7
点
线
面
对于栅格数据结构
?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。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 8
栅格数据结构,坐标系与描述参数
Y：列
X：行
西南角格网坐标
（ XWS,YWS）
格网分辨率
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 9
栅格数据单元值确定
C
A
B
面
积
占
优
重
要
性
A
连续分布地理要素
C
具有特殊意义
的较小地物
A
分类较细、
地物斑块较小
AB
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
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 10
栅格数据压缩存储的编码方法
A AAA
A RAA
A RAA
A RAA
R AAA
A AAA
A AGG
A AGG
G GGG
G AGG
G AGG
A AAA
A ARA
A AAR
A AAR
R AAA
1 432 5 876
1
2
3
4
5
6
7
8
0
1
2
3
4
5
6 7
起点行列号，单位矢量
R,(1,5),3,2,2,3,3,2,3
链式编码
游程长度编码 逐行编码数据结构, 行号,属性,重复次数
1,A,4,R,1,A,4
块状编码 正方形区域为记录单元数据结构, 初始位置,半径,属性
(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…
NE SWNW SE
G
GGGAGGAAGAAA
四叉树编码
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 11
栅格矩阵（ Raster Matrix)
Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，
每一层的 pixel值组成像元阵列（即二维数组），
其中行、列号表示它的位置。
例如影像,A A A A
A B B B
A A B B
A A A B
在计算机内是一个 4*4阶的矩阵。但在外部设备
上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例
存贮顺序为,A A A A A B B B A A B B A A A B
当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编
码就需要 m行 × n列 × 3(x,y和属性编码值 )个存储
单元。数字地面模型就属此种情况。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 12
链式编码 (ChainCodes)
又称为弗里曼链码 (Freeman)或
边界链码。
基本方向可定义为：东＝ 0，东
南＝ l，南二 2，西南＝ 3，西
＝ 4，西北＝ 5，北＝ 6，东北
＝ 7等八个基本方向。如果再
确定原点为像元 (10,1)，则
该多边形边界按顺时针方向
的链式编码为：
10,l,7,0,1,0,7,1,7，
0,0,2,3,2,2,1,0,7，
0,0,0,0,2,4,3,4,4，
3,4,4,5,4,5,4,5,4，
5,4,6,6。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 13
游程长度编码 (Run— LengthCodes)
游程长度编码是按行帧
序存储多边形内的各
个像元的列号，即在
某行上从左至右存储
属该多边形的始末像
元的列号。
问：对左图的进行游程
长度编码 。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 14
块式编码 (BlockCodes)
块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范
围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。
如图：
块式编码的数据结构由初始
位置 (行号，列号 )和半径，
再加上记录单元的代码组成。
根据这一编码原则，上述多
边形只需 17个单位正方形。
9个 4单位的正方形和 1个 16
单位的正方形就能完整表示，
总共要 57个数据，其中 27对
坐标,3个块的半径。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 15
四叉树编码 (Quadtree Encoding)
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 2n× 2n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等为止（如下图），而块
状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码 。
99 99 00 00
99 09 00 00
90 09 77 00
00 00 77 00
00 00 77 77
00 00 77 77
00 00 77 77
00 00 77 7 7
9 999 0 00
0 000999
990 07
07000
000 7 7
7 7770 000
0 00 7 777
7 7770 000
77
0
07
07
0
0
0
0
0
0 7
0 0 7 09
9 9 9 0 0 9 0 0 9 00 0
NW NE SW SE
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 16
八叉树编码
八叉树结构就是将空间
区域不断地分解为八
个同样大小的子区域
(即将一个六面的立方
体再分解为八个相同
大小的小立方体 )，
同 — 区域的属性相同。
八叉树主要用来解决
地理信息系统中的三
维问题。
0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1
0 0 2 0 0 3 0 1 2 0 1 3 1 0 2 1 0 3 1 1 2 1 1 3
0 2 0 0 2 1 0 3 0 0 3 1 1 2 0 1 2 1 1 3 0 1 3 1
0 2 2 0 2 3 0 3 2 0 3 3 1 2 2 1 2 3 1 3 2 1 3 3
2 0 0 2 0 1 2 1 0 2 1 1 3 0 0 3 0 1 3 1 0 3 1 1
2 0 2 2 0 3 2 1 2 2 1 3 3 0 2 3 0 3 3 1 2 3 1 3
2 2 0 2 2 1 2 3 0 2 3 1 3 2 0 3 2 1 3 3 0 3 3 1
2 2 2 2 2 3 2 3 2 2 3 3 3 2 2 3 2 3 3 3 2 3 3 3
4 4 4 4 5 4 5 5 4 5 5 5
5 4 1
4 0 5 5 0 5 5 1 5
4 0 0 4 1 5 5 0 0 5 1 0
0 4 4 0 5 4
0 4 0 0 4 1 0 5 0 0 5 1 1 4 0 1 4 1 1 5 0 1 5 1
0 0 4 0 0 5 0 1 4 0 1 5 1 0 4 1 0 5 0 0 4 0 0 5
0 1
2 3
7
4 5
0
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
7
I（X ）
K
（
Z
）
J
（
Y
）
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 17
栅格数据组织
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 18
栅格数据组织
栅格数据文件
像元 1 X坐标
Y坐标
层 2属性值
层 1属性值
…
层 n属性值
…
像元 2
像元 n
栅格数据文件
层 1 像元 1
层 2
…
X,Y,属性值
像元 2 X,Y,属性值
… …
像元 n X,Y,属性值
层 n
栅格数据文件
层 1 多边形 1
层 2
…
属性值
像元 1坐标
…
多边形 N
像元 n坐标
层 n
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 19
栅格数据结构特点
? 离散的量化栅格值表
示空间对象
? 位置隐含,属性明显
? 数据结构简单,易于遥
感数据结合,但数据量
大
? 几何和属性偏差
? 面向位置的数据结构,
难以建立空间对象之
间的关系
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 20
a b
c
3
4
5
a b
c
ac距离, 7/4 (5)
面积, 7 (6)
几何偏差
属性偏差
如以像元边线计算则为 7，以像元为单金大会则为 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。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 21
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。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 22
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；
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 23
矢量数据结构编码的基本内容
标识码 属性码
空间对象编码
唯一
连接空间和属性数据
数据库 独立编码
点, ( x,y )
线, ( x1,y1 ),(x2,y2 ),…,( xn,yn )
面, ( x1,y1 ),(x2,y2 ),…,( x1,y1 )
点位字典
点, 点号文件
线, 点号串
面, 点号串
点号 X Y
1 11 22
2 33 44
… … …
n 55 66
存储方法
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 24
点
实
体
方向
字体
排列
指针
与线相交的角度
如果是简单点
符号
符号
字符大小
简单点
文字说明
结点
唯一识别符
比例尺
方向
x, y 坐标
其它有关的属性
点实体
类型
序列号
有关的属性
如果是文字说明
如果是结点
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 25
线
实
体
唯一标识码
线标识码
起始点
终止点
坐标对序列
显示信息
非几何属性
线实体
面
实
体 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。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 26
简单的矢量数据结构 — 面条结构（实体式）
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。
? 存储：
?独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；
?点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成
? 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
? 适用范围：
制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 27
简单的矢量数据结构 — 面条结构（实体式）
1
2
3
4
5
6
7
89
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
2930
31
多边形 数据项
A
(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,
y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8),(x9,y9),(x1,y1)
B (x1,y1),(x9,y9),(x8,y8),(x17,y17),
(x16,y16),(x15,y15),(x14,y14),(x13,y13),
(x12,y12),(x11,y11),(x10,y10),(x1,y1)
C
(x24,y24),(x25,y25),(x26,y26),(x27,y2
7),(x28,y28),(x29,y29),(x30,y30),(x31,y31),
(x24,y24)
D
(x19,y19),(x20,y20),(x21,y21),(x22,y2
2),(x23,y23),(x15,y15),(x16,y16),(x19,y19)
E
(x5,y5),(x18,y18),(x19,y19),(x16,y16)
,(x17,y17),(x8,y8),(x7,y7),(x6,y6),(x5,y5)
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 28
索
引
式
B C D E
a b c f g h e f i b c ij
1
2
3
4
5
6
7
89
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
线与多边形之间的树状索引
点与多边形之间的树状索引
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 29
双重独立式 DIME(Dual lndependent
Map Encoding)
A
B
C
D
O
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
线号 左多边形 右多边形 起点 终点
a O A 1 8
b O A 2 1
c O B 3 2
d O B 4 3
e O B 5 4
f O C 6 5
g O C 7 6
h O C 8 7
i C A 8 9
j C B 9 5
k C D 12 10
l C D 11 12
m C D 10 11
n B A 9 2
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
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 30
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。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 31
弧段文件
弧段号 起始点 终结点 左多边形 右多边形
a 5 1 O A
b 8 5 E A
c 16 8 E B
d 19 5 O E
e 15 19 O D
f 15 16 D B
g 1 15 O B
h 8 1 A B
i 16 19 D E
j 31 31 B C
弧段坐标文件
弧段号 点 号
a 5,4,3,2,1
b 8,7,6,5
c 16,17,8
d 19,18,5
e 15,23,22,21,20,19
f 15,16,
g 1,10,11,12,13,14,15
h 8,9,1
i 16,19
j 31,30,29,28,27,26,25,24,31
链状双重独立式
1
2
3
4
5
6
7
89
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
2324
25
26
27
28
2930
31
多边形文件
多边形号 弧段号 周长 面积 中心点坐
标
A h,b,a
B g,f,c,h,-j
C j
D e,i,f
E e,i,d,b
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 32
矢量数据结构的属性数据表达
?属性特征类型
– 类别特征：是什么
– 说明信息：同类目标的不同特征
?属性特征表达
– 类别特征：类型编码
– 说明信息：属性数据结构和表格
?属性表的内容取决于用户
?图形数据和属性数据的连接通过目标识别
符或内部记 录号实现。
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 33
矢量数据结构的属性数据表达
点状
对象
目标标识
目标标识
地物编码 坐 标 关联的线目标
精度控制点等级 测量单位测量年限
线状
对象
目标标识
目标标识
地物编码 坐 标串 起点、终点、左面、右面
路面材料等级 修建时间宽度 管养单位 ……
……
面状
对象
目标标识
目标标识
地物编码 边界目标号
建筑日期所有者 建筑面积建筑单位 结构 ……
空
间
对
象
地物编码 地物名称 制图颜色几何类型 制图符号编码 属性表明
地物类型特征与制图属性
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 34
矢量数据结构的特点
? 用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性
隐含
? 用拓扑关系描述空间对象之间的关系
? 面向目标操作，精度高，数据冗余度小
? 与遥感等图象数据难以结合
? 输出图形质量号，精度高
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 35
第三节 两种数据结构的比较与转换
矢量数据
优点,
?表示地理数据的精度较高
?严密的数据结构，数据量小
?完整的描述空间关系
?图形输出精确美观
?图形数据和属性数据的恢复、
更新、综合都能实现
?面向目标，不仅能表达属性，
而且能方便的记录每个目标
的具体属性信息
缺点：
?数据结构复杂
?矢量叠置较为复杂
?数学模拟比较困难
?技术复杂，特别是软硬件
栅格数据
优点,
?数据结构简单
?空间数据的叠置和组合方便
?各类空间分析很易于进行
?数学模拟方便
缺点：
?图形数据量大
?用大像元减少数据量时，精
度和信息量受损
?地图输出不美观
?难以建立网络连接关系
?投影变换比较费时
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 36
数据结构选择原则
?要素还是位置？
?可获取的数据
?定位要素的必要精度
?需要什么类型的要素
?需要什么类型的拓扑关联
?所需空间分析类型
?生产地图类型
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 37
矢量数据向栅格数据转换
? 点的变换
Y
X
O
J
I
y
x
( 0,0 )
X
m i n
X
m a x
Y
m i n
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 38
矢量数据向栅格数据转换
?矢量线段的变换
( x,y )
22
( x,y )
11
( x,y )
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 39
矢量数据向栅格数据转换
? 多边形数据的转换 (边界代数算法、内部点扩散
法、射线算法）
a
b
c
d
e
f
1
0
00
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
01
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
000
100
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
000
100
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
111
011
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
000
111
1
1
1
1
1
1
0
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 40
矢量数据向栅格数据转换
边界代数算法
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 41
栅格数据向矢量数据转换
?二值化
5
9
10
1 4 1
1 3 8
9
5
3
1
0
2
2 4 5
1 5 6
7 3
1 4 4
1 7 8
1 3 2
2 3
7
3
2 1 2
5
6
8
2 9
11
2 1 4
1 6 7
5
1 2 4
1 1 0
7
6
5
4
7
1 3 3
5
1 9 2
3 5 0
1 1 0
1 3 5
6
4
7
2 4 4
1 2
2
5
12
1 3 5
2 0 1
1 6 6
1 2 7
1 5 5
9
1
1
9
4
8
21
12
2 1 1
4 3
5
0
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 42
栅格数据向矢量数据转换
?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
28 29 30 31 32 33 34 35 3624 25 26 2719 20 21 22 23
46 47 48 49 50 5142 43 44 4537 38 39 40 41
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 43
栅格数据向矢量数据转换
?跟踪
2010-5-15 西北大学城市与资源学系 谢元礼 44
思考与练习
? 空间实体可抽象为哪几种基本类型？它们在矢量
数据结构和栅格数据结构分别是如何表示的？
? 叙述四种栅格数据存储的压缩编码方法。
? 试写出矢量和栅格数据结构的模式，并列表比较
其优缺点。
? 叙述由矢量数据向栅格数据的转换的方法。
? 叙述由栅格数据向矢量数据的转换的方法。
? 简述栅格到矢量数据转换细化处理的两种基本方
法。
