GIS的数据结构：栅格和矢量

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、拓扑关系和属性3 个方面的内容。地理信息系统空间数据结构就是指这种空间数据在系统内的组织和编码形式。

GIS 数据结构是指适合于计算机系统存储、管理和处理地理图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，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，计算机程序也无法正确处理。对同样一组数据，按不同的数据结构去处理，得到的是截然不同的内容。只有充分理解了地理信息系统的特定的数据结构，才能正确有效地使用系统。GIS 的空间数据结构包括栅格数据结构和矢量数据结构，如图1.4所示。

图1.4 矢量数据模型与栅格数据模型

空间数据编码是空间数据结构的实现，是指根据地理信息系统的目的和任务所搜集的，并经过审核的地形图、专题地图和遥感影像等资料，按一定数据结构转换为适于计算机存储和处理的数据过程。由于地理信息系统数据量极大，一般需要采用压缩数据编码方式以节省空间。

（1）栅格数据结构

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Gridcell）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。像元的位置由行、列号确定，每个像元包含一个代码，代码表示了实体的属性或属性的编码。

栅格结构的显著特点是定位隐含、属性明显。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。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，因此，其属性信息很容易获取。在栅格模型中，点实体表示为一个像元；线实体则表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合；面实体由聚集在一起的相邻像元结合表示。这种数据结构很适合计算机处理，因为行列像元阵列非常容易存储、维护和显示。(www.xing528.com)

用栅格数据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，地表被分成相互连接、规则排列的矩形方块（特殊情况下也可分为三角形、菱形或六边形），每一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。由于栅格结构是对地表的量化，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，易造成较大误差，因为在一栅格的地表范围内，可能存在多类地物，而表示在相应的栅格结构中常常是一个代码，这种误差类似于遥感影像上的像元混合。为了尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量，根据不同实际应用需求，可采取不同的决定栅格单元代码的方法，目前常用的方法有中心点法、面积占优法、重要性法、百分比法。

为了将栅格模型中的数据存储于计算机中，需要对栅格数据进行编码，栅格数据编码方法主要有两大类，即压缩编码方法和直接栅格编码。其中压缩编码方法包括链式编码（又称弗里曼编码）、游程长度编码、块码、四叉树编码。直接栅格编码是最简单直观且又非常重要的一种栅格编码，通常称这种编码的图像文件为网格文件或栅格文件，无论采用何种压缩编码方法，其逻辑原型都是直接编码网络文件。直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录栅格单元中的代码。链式编码是将线状地物或区域边界表示为由某一起点和在某些基本方向中的单位矢量链组成，其压缩效率较高，但不具有区域性质，区域运算复杂。游程长度编码是在各行或各列的数据代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数或记录代码发生变化的位置和相应代码，这种方法编码解码很容易。块码是将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位，记录每个方形区域初始位置、半径、代码。四叉树编码是较为有效的栅格数据压缩编码方法之一，它是将整个图像逐层分解为一系列单一类型组成的方形区域，最小的方形区域为一个栅格像元，这种编码方法具有可变的分辨率，具有区域性质，压缩数据灵活，许多运算可以在编码数据上直接实现，是优秀的栅格数据压缩编码方法之一。

（2）矢量数据结构

基于矢量模型的数据结构简称为矢量结构。矢量结构是通过记录坐标的方式来表示呈点、线、面等分布的地理实体，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。矢量数据的定位是根据坐标直接存储的，而属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上。其坐标空间假定为连续空间，不必像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。

矢量结构的特点是定位明显、属性隐含，其定位是根据坐标直接存储的，而属性一般存储在文件头或数据结构中某些特定的位置上，这种特点使得图形运算的算法总体上比栅格数据结构要复杂得多，有些甚至难以实现，但是这种数据结构在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中具有很高的效率和精度，而在叠加运算、领域搜索等操作时比较困难。

矢量数据模型的编码方法包括无拓扑关系的编码方法（Spaghetti 模型或称为独立实体法、点位字典法）、有拓扑关系的编码方法（网络模型、拓扑模型）。