ESS480000 微系統工程原理
Lecture 6-2: 6-2:
(Oxidation) (Oxidation) 饒達仁助理教授 (Da-Jeng Jeffrey Yao) 國立清華大學微機電系統工程研究所
氧化技術
1
Outline
? Basic concepts of oxidation process ? Oxidation growth kinetics ? Modulation factors ? Process equipment and measurement methods
2
Silicon Dioxide
109.5 °
3
Classification of Silicon Dioxide
? Native films: oxide grown out of silicon substrate itself - Consumption of fractional Si substrate - Thermal oxide (dry and wet) ? Deposited films: oxide deposited on substrates by CVD or PVD methods - No consumption of Si substrate - PECVD, LPCVD and HDP oxide, e-beam and sputter oxide, and spin-on-glass (SOG) 4
Oxides used in Si IC Industry
5
Thermally grown oxides
? Pad oxide: stress buffer btw nitride and Si substrate (removed after LOCOS) ? Field oxide: grown by LOCOS with nitride mask ? Mask oxide (screen oxide): implant protection (removed after implant) ? Gate oxide: high quality thermal oxide grown after well implant ? Native oxide: naturally grown (removed right before thin film 6 deposition)
Gate oxide
Field oxide
Oxide isolation (LOCOS)
Stress buffer
Birds Beak
Oxygen is difficult to diffuse through SiN and less oxide formation underneath of SiN layer Nitride is stripped using hot H3PO4
7
Properties of Oxide (R.T.)
Property Thermal Oxide Fused Oxide
60.08 2.22 0.5x10-6 7.3x1011 0.17
Quartz
60.08 2.66*
Molecular 60.08 weight Specific gravity 2.22 CTE (1/ °C) 0.5x10-6
Young’s Modulus 6.6x1011 (dynes/cm2) Poisson’s ratio
8
Oxide Electrical Properties
Property Dielectric constant Dielectric strength Bandgap Resistivity Electron Mobility Hole Mobility Value 3.9 ~107 V/cm ~9eV 1012~1016?-cm 20~40 cm2/V.s ~2x10-5 cm2/V.s
9
Structure of Silica Glass
Replacement of Si, e.g. B3+, P5+
Interstitial impurities, Na+, K+, Pb2+, Ba2+
OH group
10
11
Oxide Formation
12
Oxide formation
LPCVD
Thermal Sputter
13
Two Types of Oxide Formation
? Thermal oxide
+ + + + + Ease of formation Excellent Si/SiO2 interface Good electrical property, Vbreak>10MV/cm High process temperature Stress issue Low process temperature Process flexibility Interfacial contamination Poor electrical/mechanical property
? Deposited oxide
14
Diffusion of oxidants in SiO2
? Thermal oxide growth involves diffusion of oxidant through oxide and reaction at Si/SiO2 interface Si+O2→SiO2 H2O+Si-O-Si→Si-OH+OH-Si 2Si-OH+Si-Si→2Si-O-Si+H2 ? H2+O-Si→Si-OH ? D=D0exp(-Ea/kT) Diffusion of oxygen involves higher activation energy
15
Methods to Deposit Oxide
– Low temperature CVD: suitable for the process of oxide deposition onto a layer of aluminum SiH 4 + O2 450o C SiO2 + 2 H 2
4 PH 3 + 5O2 450o C 2 P2O5 + 6 H 2 – Intermediate temperature CVD (TEOS) : 500~800°C. suitable for polysilicon gate required an insulation layer. Si (OC2 H 5 ) 4 700o C SiO2 + by product
SiCl2 H 2 + 2N 2 O900o C SiO2 + 2 N 2 + 2 HCl – High temperature CVD (900 °C): excellent film uniformity
16
Oxidation Furnace
Dry Oxidation Si (solid) + O2 (gas) → SiO2 (solid) Wet Oxidation Si (solid) + H 2O (gas) → SiO2 (solid) + 2 H 2 (gas)
17
Wet Oxidation Process
Boiler System Bubbler System
Flush System
Pyrogenic Steam System18
Oxidation Kinetics 1
Dry oxidation Wet oxidation
19
Si Consumption During Oxidation
Original surface
SiO2 Si Si
0.54 Xox 0.46 Xox
Calculation of oxide thickness: Molecular density of SiO2 Molecular density of Si 2.3x1022 cm-3 5.0x1022 cm-3
0.46
20
栅格数据和矢量数据 矢量数据 定义： ?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； 获取方法 ?定位设备（全站仪、GPS、常规测量等） ?地图数字化 ?间接获取 ●栅格数据转换 ●空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据） 矢量数据表达考虑内容 ?矢量数据自身的存储和管理 ?几何数据和属性数据的联系 ?空间对象的空间关系（拓扑关系） 矢量数据表达 ?简单数据结构 ?拓扑数据结构 ?属性数据组织 矢量数据结构编码方式 实体式 索引式 双重独立式 链状独立 栅格数据 定义 以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。或者说，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。 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。 获取方式： ●遥感数据 ●图片扫描数据 ●矢量数据转换 ●手工方式 栅格数据坐标系 栅格数据压缩编码方案 栅格数据的分层
栅格数据的组织方法 栅格数据特点 编码方式： 直接编码—无压缩编码 链式编码—便界编码 游程长度编码 块式编码 四叉树编码 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 ?矢量数据结构是一种常见的图形数据结构，它用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置。 ?矢量结构的特点：属性隐含，定位明显 ?矢量型数据结构按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为实体型和拓扑型两大类。 实体型与拓扑型数据结构比较 ?两者都是目前最常用的数据结构模型 实体型代表软件为MapInfo 拓扑型代表软件为ARC/INFO ?它们各具特色 实体型虽然会产生数据冗余和歧异，但易于编辑。 拓扑型消除了数据的冗余和歧异，但操作复杂，甚至会产生新的数据冗余。
§矢量栅格一体化数据结构 一、矢量、栅格数据结构的优缺点 矢量数据结构可具体分为点、线、面，可以构成现实世界中各种复杂的实体，当问题可描述成线或边界时，特别有效。矢量数据的结构紧凑，冗余度低，并具有空间实体的拓扑信息，容易定义和操作单个空间实体，便于网络分析。矢量数据的输出质量好、精度高。 矢量数据结构的复杂性，导致了操作和算法的复杂化，作为一种基于线和边界的编码方法，不能有效地支持影像代数运算，如不能有效地进行点集的集合运算(如叠加)，运算效率低而复杂。由于矢量数据结构的存贮比较复杂，导致空间实体的查询十分费时，需要逐点、逐线、逐面地查询。矢量数据和栅格表示的影像数据不能直接运算(如联合查询和空间分析)，交互时必须进行矢量和栅格转换。矢量数据与DEM(数字高程模型)的交互是通过等高线来实现的，不能与DEM直接进行联合空间分析。 栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空间现象的。其数据结构简单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，对栅格数据的操作比较容易。 栅格数据的数据量与格网间距的平方成反比，较高的几何精度的代价是数据量的极大增加。因为只使用行和列来作为空间实体的位置标识，故难以获取空间实体的拓扑信息，难以进行网络分析等操作。栅格数据结构不是面向实体的，各种实体往往是叠加在一起反映出来的，因而难以识别和分离。对点实体的识别需要采用匹配技术，对线实体的识别需采用边缘检测技术，对面实体的识别则需采用影像分类技术，这些技术不仅费时，而且不能保证完全正确。
通过以上的分析可以看出，矢量数据结构和栅格数据结构的优缺点是互补的（图2-4-1），为了有效地实现GIS中的各项功能(如与遥感数据的结合，有效的空间分析等)需要同时使用两种数据结构，并在GIS中实现两种数据结构的高效转换。 在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构。一般来讲，栅格结构可用于大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。矢量结构用于城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用。 精
一、矢量、栅格数据结构的优缺点 矢量数据结构可具体分为点、线、面，可以构成现实世界中各种复杂的实体，当问题可描述成线或边界时，特别有效。矢量数据的结构紧凑，冗余度低，并具有空间实体的拓扑信息，容易定义和操作单个空间实体，便于网络分析。矢量数据的输出质量好、精度高。 矢量数据结构的复杂性，导致了操作和算法的复杂化，作为一种基于线和边界的编码方法，不能有效地支持影像代数运算，如不能有效地进行点集的集合运算(如叠加)，运算效率低而复杂。由于矢量数据结构的存贮比较复杂，导致空间实体的查询十分费时，需要逐点、逐线、逐面地查询。矢量数据和栅格表示的影像数据不能直接运算(如联合查询和空间分析)，交互时必须进行矢量和栅格转换。矢量数据与DEM(数字高程模型)的交互是通过等高线来实现的，不能与DEM 直接进行联合空间分析。 栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空间现象的。其数据结构简单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，对栅格数据的操作比较容易。 栅格数据的数据量与格网间距的平方成反比，较高的几何精度的代价是数据量的极大增加。因为只使用行和列来作为空间实体的位置标识，故难以获取空间实体的拓扑信息，难以进行网络分析等操作。栅格数据结构不是面向实体的，各种实体往往是叠加在一起反映出来的，因而难以识别和分离。对点实体的识别需要采用匹配技术，对线实体的识别需采用边缘检测技术，对面实体的识别则需采用影像分类技术，这些技术不仅费时，而且不能保证完全正确。
通过以上的分析可以看出，矢量数据结构和栅格数据结构的优缺点是互补的（图2-4-1），为了有效地实现GIS中的各项功能(如与遥感数据的结合，有效的空间分析等)需要同时使用两种数据结构，并在GIS中实现两种数据结构的高效转换。 在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构。一般来讲，栅格结构可用于大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等
?栅格数据编码方法分为两大类：1直接栅格编码2压缩编码方法a链码b游程长度编码c块码d 四叉树直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐个象元进行记录，也可以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录，为了特定目的 还可采用其他特殊的顺序栅格数据编码方法直接栅格编码： ?将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。A A A A A B B B A ABB A A B B ?1）每行都从左到右记录；AAAAABBBAABBAABB ?2）奇数行从左到右，偶数行从右到左； ?栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。 所以，出现了各种栅格数据压缩方法。 ?压缩编码的目的就是用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型分为 ?信息无损编码 ?编码过程中没有任何信息损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信息 ?信息有损编码 ?为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过程中损失一部分相对不太重要的信息，解码时这部分难以恢复1、行程编码（游程编码）：将原始栅格阵列中属性值相同的连续若干个栅格单 元映射为一个游程。游程的结构为（A,P) 整数对。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，再加上记录单位的代码组成。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。将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录）首先定义一个3x3窗口，中间栅格的走向有8种可能，并将这8种可能0~7进行编码。 ?2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链.其基本分割方法是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其栅格属性值(或灰度)。如果某个子区的所有栅格值都具有相同 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。 基本思想：将2n×2n象元组成的图像(不足的用背景补上) 按四个象限进行递归分割，并判断属性是否单一，单一：不分。 不单一：递归分割。最后得到一颗四分叉的倒向树。四叉树的树形表示：用一倒立树表示这种分割和分割结果。根：整个区域高：深度、分几级，几次分割叶：不能再分割的块树叉：还需分割的块每个树叉均有4个分叉，叫四叉树。1）常规四叉树 记录这棵树的叶结点外，中间结点，结点之间的联系用指针联系每个结点需要6个变量：父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值。2）线性四叉树记录叶结点的位置，深度（几次分割）和属性.地址码（定位码、Mort on码）四进制、十进制优点： ·存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。·线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其Mort on码，而不用建立四叉树。·定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。四进制的Mor ton码1、方法1：四叉树从上而下（形成）（从整体开始）由叶结点找Mor ton码。 A、分割一次，增加一位数字，大分割在前，小分割在后。所以，码的位数表示分割的次数。 B、每一个位均是不大于3的四进制数，表达位置。由Mor ton找出四叉树叶结点的具体位置。2、方法2：四叉树自下而上合并的方法1）计算每个栅格对应的M Q M Q=2*I b+Jb I,J化为二进制I b,Jb看最大的I,J,不足在前补零。 起始行列号从0计。2)按码的升序排成线性表，放在连续的内存块中。3）依次检查每四个相邻的M Q对应的属性值，相同合并（不同码位去掉），不同则存盘,直到没有能够合并的子块为止。坐标序列法由多形边界的x、y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码拓扑结构编码法 n要彻底解决邻域和岛状信息处理问题必须建立一个完整的拓扑关系结构，这种结构应包括以下内容：唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值，即外包矩形信息）。采用拓扑结构编码可以较好地解决空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。编码方法：点实体,线实体,多边形n点实体
§2.4 矢量栅格一体化数据结构 一、矢量、栅格数据结构的优缺点 矢量数据结构可具体分为点、线、面，可以构成现实世界中各种复杂的实体，当问题可描述成线或边界时，特别有效。矢量数据的结构紧凑，冗余度低，并具有空间实体的拓扑信息，容易定义和操作单个空间实体，便于网络分析。矢量数据的输出质量好、精度高。 矢量数据结构的复杂性，导致了操作和算法的复杂化，作为一种基于线和边界的编码方法，不能有效地支持影像代数运算，如不能有效地进行点集的集合运算(如叠加)，运算效率低而复杂。由于矢量数据结构的存贮比较复杂，导致空间实体的查询十分费时，需要逐点、逐线、逐面地查询。矢量数据和栅格表示的影像数据不能直接运算(如联合查询和空间分析)，交互时必须进行矢量和栅格转换。矢量数据与DEM(数字高程模型)的交互是通过等高线来实现的，不能与DEM 直接进行联合空间分析。 栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空间现象的。其数据结构简单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，对栅格数据的操作比较容易。 栅格数据的数据量与格网间距的平方成反比，较高的几何精度的代价是数据量的极大增加。因为只使用行和列来作为空间实体的位置标识，故难以获取空间实体的拓扑信息，难以进行网络分析等操作。栅格数据结构不是面向实体的，各种实体往往是叠加在一起反映出来的，因而难以识别和分离。对点实体的识别需
要采用匹配技术，对线实体的识别需采用边缘检测技术，对面实体的识别则需采用影像分类技术，这些技术不仅费时，而且不能保证完全正确。 通过以上的分析可以看出，矢量数据结构和栅格数据结构的优缺点是互补的（图2-4-1），为了有效地实现GIS中的各项功能(如与遥感数据的结合，有效的空间分析等)需要同时使用两种数据结构，并在GIS中实现两种数据结构的高效转换。 在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构。一般来讲，栅格结构可用于大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。矢量结构用于城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用。 完
栅格数据与矢量数据 栅格数据结构 基于栅格模型的数据结构简称栅格数据结构，是指将空间分割成有规则的网格，称为栅格单元，在各个栅格单元上给出出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。 栅格数据结构表示的是二维表面上的要素的离散化数值，每个网格对应一种属性。 网格边长决定了栅格数据的精度。 矢量数据结构 矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体的空间分布的一种数据组合方式。 矢量与栅格数据结构的比较 矢量数据结构的优缺点： 优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高； 缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。 具体来说优点有： 1.表达地理数据精度高 2.严密的数据结构，数据量小 3.用网格链接法能完整地描述拓扑关系，有利于网络分析、空间查询 4.图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现 5.图形输出美观 缺点有： 1.数据结构较复杂 2.软件实现技术要求比较高 3.多边形叠合等分析相对困难 4.现实和绘图费用高 栅格数据的优缺点： 优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强； 缺点为数据量大，投影转换比较复杂。 具体来说优点有： 1.数据结构相对简单 2.空间分析较容易实现 3.有利于遥感数据的匹配应用和分析 4.空间数据的叠合和组合十分容易方便 5.数学模拟方便 6.技术开发费用低 缺点有： 1.数据量较大，冗余度高，需要压缩处理 2.定位精度比矢量的低
3.拓扑关系难以表达 4.难以建立网络连接关系 5.投影变形花时间 6.地图输出不精美 两者比较： 栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂； 栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。对于地理信息系统软件来说，两者共存，各自发挥优势是十分有效的。
栅格数据与矢量数据的比较 一、定义 栅格数据：是按网格单元的行与列排列、具有不同灰度或颜色的阵列数据。栅格结构是大小相等分布均匀、紧密相连的像元(网格单元)阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织。是最简单、最直观的空间数据结构，它将地球表面划分为大小、均匀、紧密相邻的网格阵列。每一个单元(象素)的位置由它的行列号定义，所表示的实体位置隐含在栅格行列位置中，数据组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性或指向其属性的指针。 矢量数据：是指城市大比例尺地形图。此系统中图层主要分为底图层、道路层、单位层，合理的分层便于进行叠加分析、图形的无逢拼接以实现系统图形的大范围漫游。矢量数据一般通过记录坐标的方式来尽可能将地理实体的空间位置表现的准确无误，显示的图形一般分为矢量图和位图。 二、表示方法 栅格数据：点实体由一个栅格像元来表示;线实体由一定方向上连接成串的相邻栅格像元表示;面实体(区域)由具有相同属性的相邻栅格像元的块集合来表示。
矢量数据：矢量数据一般通过记录坐标的方式来尽可能将地理实体的空间位置表现的准确无误。 三、特点 栅格数据：数据直接记录属性的指针或属性本身，而其所在位置则根据行列号转换成相应的坐标给出。也就是说，定位是根据数据在数据集合中的位置得到的。 矢量数据：在计算机中，使用矢量数据具有存储量小，数据项之间拓扑关系可从点坐标链中提取某些特征而获得的优点。主要缺点是数据编辑、更新和处理软件较复杂。 四、获取方法 栅格数据：栅格结构是用有限的网格逼近某个图形，因此用栅格数据表示的地表是不连续的，是近似离散的数据。栅格单元的大小决定了在一个象元所覆盖的面积范围内地理数据的精度，网格单元越细栅格数据越精确，但如果太细则数据量太大。尤其按某种规则在象元内提取的值，如对长度、面积等的度量，主成分值、均值的求算等，其精度由象元的大小直接决定。 矢量数据：矢量数据是制造出矢量图形的一种记录坐标，它在计算机中显示的图形一般可以分为两大类——矢量图和位图。矢量图使用直线和曲线来描述图形，这些图形的元素是一些点、线、矩形、多边形、圆和弧线等等，它们都是通过数学公式计算获得的。
矢量数据和栅格数据的异 同点 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020
矢量数据和栅格数据的异同点 GIS研究的数据是地理空间数据，这是区别于其他系统的根本原因。栅格数据与矢量数据是地理信息系统中空间数据组织的两种最基本的方式． 栅格数据是以二维矩阵的形式来表示空间地物或现象分布的数据组织方式．每个矩阵单位称为一个栅格单元（cell）.栅格的每个数据表示地物或现象的属性数据．因此栅格数据有属性明显，定位隐含的特点．而矢量数据结构是利用点，线，面的形式来表达现实世界，具有定位明显，属性隐含的特点。由于矢量数据具有数据结构紧凑，冗余度低，表达精度高，图形显示质量好，有利于网络和检索分析等优点。在GIS中得到广泛的应用，特别在小区域（大比例尺）制图中充分利用了它的精度高的优点。但是，随着RS广泛的应用，同时数据压缩技术，计算机性能的提高克服了栅格数据的数据量大等缺点，栅格数据将越来越发挥更大的作用。栅格数据的大规模应用，并将会占具主导地位。主要基于以下优点： (1) 随RS技术的发展，并大规模的应用，栅格数据的使用将促使RS，GIS的一体化发展。RS成为空间数据动态更新的重要的数据源。遥感影像是以像元为单元的栅格结构存储的，图像处理技术极大的提高了栅格数据的前期处理能力。这些数据可以直接生成或转换为于GIS 的栅格数据。 (2) 栅格数据可以极大的提高GIS 的时空数据分析能力,栅格数据在图像的代数运算,空间统计分析等具有广泛的应用,可以促成GIS模型的建立。ARCGIS软件的高版本在这一方面以有较突出的表现。 (3) 三维可视化成为动态模拟现实世界的一个新的发展趋势.栅格数据是利用二维图像来模拟地理实体的,可利用栅格数据通过提高维数来实现三维可视化。 (4) 随Web GIS 的发展,栅格数据数据结构简单,真实感强等特点,可以为大多数程序设计人员和用户理解和使用.特别是图像共享标准(如GIF)的建立,有利于GIS 的栅格数据的共享. 因此,栅格数据在信息共享方面更为实用. 因此,随GIS 发展,栅格数据和矢量数据均具不同程度的发展,但栅格数据要比矢量数据的应用更广泛,更有效.
实验一栅格数据结构压缩 一实验目的 1、理解并掌握栅格数据结构及其压缩编码方法； 2、利用QBasic程序编程实现行程编码数据文件的解压缩，全栅格数据文件的行程编码； 3、利用QBasic程序编程实现全栅格数据文件和行程编码文件屏幕显示。 二、实验数据 行程编码文件：111.txt 全栅格数据文件：222.txt 行程编码数据文件：333.txt 三、实验内容 1、解行程编码 将行程编码数据文件111.txt释放为全栅格数据文件，将结果在屏幕上显示并存入111OK.txt。 2、行程压缩 将全栅格数据文件111OK.txt用行程编码方式进行压缩，将结果在屏幕上显示并存入000.txt。 3、全栅格数据文件图形显示 将全栅格数据文件222.txt以图形方式在屏幕上显示。 4、行程编码文件图形显示 将行程编码数据文件333.txt以图形方式在屏幕上显示。 实验一 Cls Dim m(20, 3) Open "111.txt" For Input As #1 Do Until EOF(1) For i = 1 To 20 For j = 1 To 3 Input #1, m(i, j) Print m(i, j) Next j Print Next i Loop n = 1 Open "111ok.txt" For Output As #2 For i = 1 To 20 If i > 1 Then If (m(i, 1) <> m(i - 1, 1)) Then Print
Print #2, " " End If End If For j = 1 To m(i, 3) Print w(i, 2); Print #2, m(i, 2); Next j Next i End 实验二 CLS DIM A(8, 8) OPEN "111ok.txt" FOR INPUT AS #1 DO UNTIL EOF(1) FOR i = 1 TO 8 FOR j = 1 TO 8 INPUT #1, A(i, j) PRINT A(i, j) NEXT j PRINT NEXT i LOOP n = 1 OPEN "000.txt" FOR OUTPUT AS #2 FOR i = 1 TO 8 FOR j = 1 TO 7 IF A(i, j) = A(i, j + 1) THEN n = n + 1 ELSE PRINT A(i, j), n, i: PRINT #2, A(i, j), n, i: n = 1 END IF NEXT j PRINT A(i, j), n, i: PRINT #2, A(i, j), n, i: n = 1
第二章将地球“装入”计算机利用计算机分析地理世界，需要在计算机中建立一个地理世界的模型，而不能直接将地理世界的实体装入计算机，这个过程就是建模。如何建模呢？首先要对地理世界进行抽象，地理学中描述地理世界，不仅要描述组成地物的特征，还要描述这些地物的位置；然后，将描述的结果转换为计算机能够接受的形式，这个过程称为“编码”；最后，将编码结果在计算机中表示出来，这个过程称为“解码”，经过以上三个步骤就实现了将现实世界装入了计算机，生成了各种类型的空间数据。 本章内容包括两个实验，实验四—栅格数据结构和实验五—矢量数据结构，分别介绍两种将地球“装入”计算机的方法。
实验四栅格数据结构 一、实验目的 1.通过实验，加深对栅格数据结构的认识。 2.通过实验，了解栅格数据坐标系统。 3.通过实验，掌握栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树编码结构的栅格数据压缩的方法。 二、实验内容 1.掌握栅格矩阵结构数据文件头的定义。 2.以扫描地图为基础，运用混合像元属性值确定方法，确定栅格单元的属性值。 3.根据栅格数据文件格式要求，手工制作栅格矩阵结构的栅格数据文件。 4.根据栅格数据压缩编码的要求，对手工制作的栅格矩阵结构进行游程压缩编码和解码。 5.尝试实现栅格数据的四叉树压缩编码和解码。 三、实验要求 1.掌握对空间区域进行格网化的方法。 2.了解栅格数据文件头中各参数的含义。 3.掌握栅格数据单元格属性取值方法。 4.了解栅格数据的可视化表达方法。 5.掌握栅格数据的游程长度编码、四叉树编码的原理，了解四叉树编码在VB环境下的实现过程。 四、实验数据 1. 图1 栅格数据文件举例 五、实验步骤 1、拟解决的问题 地理环境中的实体或者现象有一部分是连续的，如温度、气压等地理现象，为了将这些内容输入计算机，必须将它们转换为计算机能接受的形式。地学中常用的方法就是将连续的研究对象格网化，将其规则地分成若干独立的单元，每个单元的位置用格网行列号表示，单元的特征用一个具体数值来表示，所有的单元按照行列号的顺序组织在一起，就实现了对连续分布的地物或者地理现象的有效地描述。这种格网化的方法得到的结果，就是地理信息系统常见的数据类型之一——栅格数据。GIS中的栅格数据目前主要类型有数字高程模型（DEM）、遥感影像数据、栅格地形图等，虽然以上几种栅格数据在形式、文件结构等方面存在着一定的差别，但原理基本上是一样的。本实验主要介绍如何实现栅格
GRID和一般raster的区别如下: The term raster data structure refers to a matrix composed of distinct units called pixels or cells. Each pixel or cell stores a numeric value. The pixels in a raster image usually consist of continuous brightness values represented as digital numbers. A raster image may be converted into a raster map by using image processing techniques to label each pixel with a numeric value indicating its category or surface type. Raster maps can also be created by rasterizing existing digital vector maps. GRID is an implementation of the generic raster data structure. It uses blocks and tiles for spatial indexing and an adaptive run-length compression technique for reducing storage. The values associated with the cells in a grid may be continuous or discrete. Hence, both raster images and raster maps can be stored in GRID. The operators that are part of the GRID system are designed for the analysis and overlay of raster maps. However, they may also be usefully employed for a variety of image-processing and analysis tasks.
栅格数据结构 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。 栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。栅格数据的编码方法：直接栅格编码，就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码；压缩编码，包括 链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据； 游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现； 块码是有成长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域为记录单元； 四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率。 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精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。 矢量结构的显著特点：定位明显，属性隐含。 矢量数据的编码方法： 对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息； 对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法。坐标序列法是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息；树状索引编码法是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐标对，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，消除了相邻多边形边界数据冗余问题；拓扑结构编码法是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。 矢量栅格数据的比较 矢量数据的优缺点： 优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高； 缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。 栅格数据的优缺点： 优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强； 缺点为数据量大，投影转换比较复杂。 两者比较： 栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂； 栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。对于地理信息系统软件来说，两者共存，各自发挥优势是十分有效的。 矢量栅格相互转换算法
矢量栅格一体化数据结构 一、矢量、栅格数据结构的优缺点 矢量数据结构可具体分为点、线、面，可以构成现实世界中各种复杂的实体，当问题可描述成线或边界时，特别有效。矢量数据的结构紧凑，冗余度低，并具有空间实体的拓扑信息，容易定义和操作单个空间实体，便于网络分析。矢量数据的输出质量好、精度高。 矢量数据结构的复杂性，导致了操作和算法的复杂化，作为一种基于线和边界的编码方法，不能有效地支持影像代数运算，如不能有效地进行点集的集合运算(如叠加)，运算效率低而复杂。由于矢量数据结构的存贮比较复杂，导致空间实体的查询十分费时，需要逐点、逐线、逐面地查询。矢量数据和栅格表示的影像数据不能直接运算(如联合查询和空间分析)，交互时必须进行矢量和栅格转换。矢量数据与DEM(数字高程模型)的交互是通过等高线来实现的，不能与DEM直接进行联合空间分析。 栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空间现象的。其数据结构简单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，对栅格数据的操作比较容易。 栅格数据的数据量与格网间距的平方成反比，较高的几何精度的代价是数据量的极大增加。因为只使用行和列来作为空间实体的位置标识，故难以获取空间实体的拓扑信息，难以进行网络分析等操作。栅格数据结构不是面向实体的，各种实体往往是叠加在一起反映出来的，因而难以识别和分离。对点实体的识别需要采用匹配技术，对线实体的识别需采用边缘检测技术，对面实体的识别则需采用影像分类技术，这些技术不仅费时，而且不能保证完全正确。
通过以上的分析可以看出，矢量数据结构和栅格数据结构的优缺点是互补的（图2-4-1），为了有效地实现GIS中的各项功能(如与遥感数据的结合，有效的空间分析等)需要同时使用两种数据结构，并在GIS中实现两种数据结构的高效转换。 在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构。一般来讲，栅格结构可用于大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。矢量结构用于城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用。 矢栅一体化的概念 对于面状地物，矢量数据用边界表达的方法将其定义为多边形的边界和一内部点，多边形的中间区域是空洞。而在基于栅格的GIS中，一般用元子空间充填表达的方法将多边形内任一点都直接与某一个或某一类地物联系。显然，后者是一种数据直接表达目标的理想方式。对线状目标，以往人们仅用矢量方法表示。 事实上，如果将矢量方法表示的线状地物也用元子空间充填表达的话，就能将矢量和栅格的概念辨证统一起来，进而发展矢量栅格一体化的数据结构。假设在对一个线状目标数字化采集时，恰好在路径所经过的栅格内部获得了取样点，这样的取样数据就具有矢量和