栅格数据结构及编码

空间数据的结构与编码在当今数字化的时代，空间数据成为了我们理解和处理地理信息的重要基石。

空间数据不仅在地理科学、城市规划、环境保护等领域发挥着关键作用，也在日常生活中的导航、地图应用等方面为我们提供了极大的便利。

而要有效地处理和利用空间数据，就离不开对其结构和编码的深入理解。

空间数据，简单来说，就是描述地理空间中对象的位置、形状、大小等特征的数据。

它可以是点、线、面等几何对象，也可以是与这些对象相关的属性信息，比如一个城市的人口数量、建筑物的高度等。

为了能够高效地存储、管理和处理这些复杂多样的空间数据，我们需要对其进行合理的结构设计和编码。

空间数据的结构可以分为矢量数据结构和栅格数据结构两大类。

矢量数据结构将空间对象表示为点、线、面等几何元素，并通过坐标来精确描述其位置和形状。

例如，一条河流可以用一系列连接的线段来表示，每个线段的端点都有明确的坐标。

矢量数据结构的优点在于数据精度高、存储空间小，并且能够方便地进行几何变换和空间分析。

比如，我们可以很容易地计算两个矢量对象之间的距离、面积等。

然而，矢量数据结构在处理大面积的连续数据（如地形）时，可能会比较复杂。

栅格数据结构则将地理空间划分为规则的网格单元，每个单元对应一个特定的值。

比如，在一张卫星图像中，每个像素就是一个栅格单元。

栅格数据结构的优点是处理简单、易于与遥感数据结合，适用于对大面积连续现象的模拟和分析。

但它的缺点是数据量较大，精度相对较低，且在进行几何操作时可能会产生锯齿状的边缘。

除了上述两种主要的数据结构，还有一些混合结构，如矢栅一体化结构，结合了矢量和栅格数据结构的优点，以满足不同应用场景的需求。

接下来，让我们谈谈空间数据的编码。

编码是将空间数据转换为计算机能够理解和处理的形式的过程。

常见的编码方式包括拓扑编码、坐标编码、块编码等。

拓扑编码通过记录空间对象之间的拓扑关系（如相邻、包含等），来减少数据的冗余并提高空间分析的效率。

例如，在一个道路网络中，我们只需要记录每个路段的起点和终点以及它们之间的连接关系，而不需要重复存储每个点的坐标。

•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 AA BB 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。

栅格数据详解目录一简介二栅格结构的数据组织方法三栅格数据的获取途径与原则四栅格结构的编码方法一简介1基本知识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。

对于栅格结构: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。

2栅格结构的特点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。

如图1(a)所示，数据1表示属性或编号位的一个点，其位置由所在的第3行、第5列得到。

因为栅格结构是按一定的规则排列的，因此所表示的实体位置很容易隐含在网格文件的存储结构中。

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编码，如果为属性编码，则该编码可作为指向实体属性表的指针。

图1(a)中表示了代码分别为1，3，6的实体，图1(b)表示了一条代码为8的线实体，图1(c)表示了3个代码分别为4，7，9的面实体。

(a)点(b)线(c)区域000000000080000044447777000000000008000044444777000010000000800044449977000000000000080000499977000300000000080000099977000000000000080000099999000006000008800000009999000000000000000000000999图1二栅格结构的数据组织方法栅格地图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。

GIS学习之栅格数据栅格数据⽤⼀个规则格⽹来描述与每⼀个格⽹单元位置相对应的空间现象特征的位置和取值。

在概念上，空间现象的变化由格⽹单元值的变化来反映。

地理信息系统中许多数据都⽤栅格格式来表⽰。

栅格数据在许多⽅⾯是⽮量数据的补充，将两种数据相结合是GIS项⽬的⼀个普遍特征。

⼀、栅格数据模型要素：栅格数据模型在GIS中也被称为格⽹（Grid）、栅格地图、表⾯覆盖（Surface Cover）或影像。

格⽹由⾏、列、格⽹单元组成。

⾏、列由格⽹左上⾓起始。

在⼆维坐标系统中，⾏作为y坐标、列作为x坐标。

在这点上与纬度作为y坐标、经度作为x坐标有点类似。

栅格数据⽤单个格⽹单元代表点、⽤⼀系列相邻格⽹单元代表线、邻接格⽹的集合代表⾯。

格⽹中的每⼀个格⽹单元有⼀个值，整型或浮点型。

整型格⽹单元值通常代表类别数据。

⽐如，⼟地类型常⽤1代表城市⽤地、2代表林地等。

浮点型格⽹单元值常表⽰连续数据，⽐如，降⽔量模型可能有20、15、12、23等降⽔量值。

浮点型格⽹⽐整型格⽹需要更多的计算机存储资源，这是涉及⼤范围的GIS项⽬必须考虑的⼀个重要因素。

⽽且，浮点型⽹格的数据查询与显⽰应该基于12.0～19.0这样的值域，⽽⾮单个值。

由于栅格数据模型的分辨率受其格⽹单元⼤⼩的影响，因此在表⽰空间要素的精确位置上存在缺点。

在算法上，格⽹可视为⾏与列的矩阵，其单元值为⼆维数组，对数据进⾏操作、集合和分析较⽮量数据容易。

⼆、栅格数据类型：1．卫星影像：遥感卫星影像是⽤栅格格式记录的。

卫星影像像元值代表从地球表⾯反射或发射的光能。

通过分析像元值，影像处理系统可从卫星影像中提取各种专题，如⼟地利⽤、⽔⽂、⽔质、侵蚀⼟壤⾯积等。

2．数字⾼程模型：数字⾼程模型（DEM）由等间隔海拔数据的排列组成。

DEM以点为基础，但也容易通过将海拔⾼度点置于格⽹单元中⼼的⽅法转换成栅格数据。

3．数字正射影像图（DOQ）：是⼀种由航⽚或其他遥感数据制备⽽得到的数字化影像，其中由照相机镜头倾斜和地形起伏引起的位移已被消除。

栅格数据结构栅格数据结构：1-介绍1-1 栅格数据结构是一种用于存储和处理离散数据的数据结构。

它将数据划分为一个个均匀的小单元，即栅格单元，由此构成了一个栅格。

1-2 栅格数据结构广泛应用于地理信息系统（GIS）领域，可以用来表示地理空间数据，如地形、气象、土地利用等。

2-栅格单元2-1 栅格单元是栅格数据结构的最小单元，类似于像素（Pixel）。

2-2 每个栅格单元具有唯一的标识符，通常用行列索引或坐标表示。

2-3 栅格单元可以包含一个或多个属性值，用于表示不同的数据类型。

3-栅格数据集3-1 栅格数据集是指由多个栅格单元组成的数据集合。

3-2 栅格数据集可以有不同的数据类型，如整型、浮点型、字符型等。

3-3 栅格数据集可以表示连续数据（如高程）和离散数据（如土地类型）。

4-栅格操作4-1 创建栅格数据集：可以通过采样、插值、转换等方式创建栅格数据集。

4-2 查询栅格数据：可以通过栅格单元的标识符或属性值进行查询。

4-3 分析栅格数据：可以进行统计、分类、空间分析等操作。

4-4 可视化栅格数据：可以将栅格数据集绘制成图像或动画。

5-栅格数据存储格式5-1 常见的栅格数据存储格式包括GeoTIFF、NetCDF、HDF 等。

5-2 栅格数据存储格式通常包括头文件和数据文件两部分。

5-3 头文件包含了栅格数据的元信息，如分辨率、坐标系统等。

5-4 数据文件包含了栅格数据的实际数值。

6-栅格数据处理软件6-1 常见的栅格数据处理软件有ArcGIS、QGIS、ENVI等。

6-2 这些软件通常提供了丰富的栅格操作功能和分析工具。

6-3 开源软件如GDAL、GRASS也提供了栅格数据处理的功能。

7-栅格数据的应用7-1 地理信息系统：栅格数据结构是地理信息系统中最常用的数据结构之一。

7-2 自然资源管理：栅格数据可以用于研究地表覆盖、土地利用、气象等。

7-3 环境模拟：栅格数据可以用于模拟地形、水文过程、气候变化等。