栅格数据编码技术的发展历程
栅格数据编码方式
栅格数据编码方式
栅格数据编码方式有以下几种：
1. RLE编码（Run-Length Encoding）：该编码方式根据一定的规则将连续的像素点压缩成一个值和重复次数的对应关系。
2. Huffman编码：该编码方式利用频率统计原理，对每个像素值进行编码，使频率较高的像素值的编码位数较少，而频率较低的像素值的编码位数较多，从而达到压缩的目的。
3. LZW编码（Lempel-Ziv-Welch编码）：该编码方式是一种基于字典的压缩方法，通过建立一个字典表，将重复出现的字符用一个短编码来代替，从而减小了数据的存储大小。
4. Delta编码：该编码方式将连续的像素点之间的差值进行编码，从而可在一定程度上减小数据的存储大小。
5. JPEG2000编码：该编码方式是一种基于小波变换的压缩方法，可将图像分解为多个分辨率层级，并对每个层级进行小波变换编码，以实现高效压缩和解压缩。
栅格结构编码
5，5 2，A 3，B 1，A 3，C 1，A 1，D 2，C 2，A
…
…
☞块码(游程编码向二维扩展)
☞块式编码是将游程扩大到两维情况，把 多边形范围划提成若干具有同一属性旳正 方形，然后对各个正方形进行编码。 ☞块式编码旳数据构造由初始位置（行列 号）、半径和属性代码构成。
块码示意图
M M R M M MMM MMRRMRMM
MR RR RR RM MR R RRR RM MR RR RR RM MR RR RR RM MMRR R RRM M M M R R M MM
四叉树：叶子节点和树杈节点
12 34 5 6 78
在四叉树中，不能再分旳结点称为叶子结 点，可再分旳结点称为树杈结点
123 45678
M M R M M MMM MMRRMRMM
四叉树编码实例
区域分割措施
M M R M M MMM MMRRMRMM MR RR RR RM MR R RRR RM MR RR RR RM MR RR RR RM MMRR R RRM M M M R R M MM
12 34 5 6 78
123 45678
M M R M M MMM MMRRMRMM
旳单位矢量链来表达线状地物或多边形旳边界。
☞四叉树编码(Quadtree Encoding)
☞四叉树又称四元树或四分树，是最有效旳栅格数据压 缩编码措施之一。
☞四分树将整个图像区域逐渐分解为一系列方形区域， 且每一种方形区域具有单一旳属性。最小区域为一种象 元。
☞区域分割原则：将欲分解区域等分为四个象限，再根 据各个象限旳象元值是否单一决定要不要再分。假如单 一则不再分割，不然同法再分，直到全部象限旳象元属 性值相同为止。
第十一章栅格数据的生成与分析
第十一章栅格数据的生成与分析栅格数据是一种广泛应用于地理信息系统（GIS）和遥感领域的数据模型。
栅格数据将地理空间划分为规则的方块或像素，并给每个像素分配一个数值或属性。
在地理信息系统中，栅格数据可以用来表示地形、土地覆盖、气候变量等地理现象。
栅格数据具有离散、规则分布和容易进行空间分析等特点，因此在许多地理分析和模型中得到广泛应用。
栅格数据的生成栅格数据可以通过多种方法生成。
其中一种常用的方法是遥感技术。
遥感技术能够从卫星、航空器或无人机等远处获取地面的图像或数据。
这些图像或数据经过处理后，可以生成栅格数据。
例如，利用遥感技术可以获取地表高程数据、植被指数、土地覆盖类型等信息，然后将其转换为栅格数据。
此外，还可以通过数字化地图来生成栅格数据。
数字化地图是将地图上的地理要素如道路、河流、土地使用类型等转换为栅格数据的过程。
可以通过扫描已有的纸质地图，然后使用图像处理软件将地图上的特征转换为栅格数据。
栅格数据的分析栅格数据的分析是地理信息系统的重要功能之一、通过对栅格数据的分析，可以获取地理现象的空间分布、趋势、变化等信息，为决策提供科学依据。
一种常见的栅格数据分析方法是栅格代数运算。
栅格代数运算是指对栅格数据进行加、减、乘、除等数学运算的过程。
通过对不同栅格数据的代数运算，可以生成新的栅格数据，用来表示不同地理现象的组合或关系。
另一种常用的栅格数据分析方法是区域运算。
区域运算是指对每个栅格像素的周围的一定区域进行运算的过程。
通过对栅格数据的区域运算，可以获取栅格数据的局部统计特征，如平均值、方差等。
区域运算对许多地理分析和模型具有重要意义，例如通过对土地覆盖数据进行区域运算，可以得到不同区域的土地覆盖类型分布。
此外，还可以利用栅格数据进行空间分析。
空间分析是指对栅格数据进行空间关系的分析的过程。
通过空间分析，可以确定不同栅格数据之间的空间关系，如邻近关系、重叠关系等。
通过空间分析，可以从栅格数据中提取出更多的地理信息，为决策和规划提供更全面的依据。
信息栅格技术发展浅析
网络为中心 ， 向服务 ， 面 动态 、 开放 、 不断演进 的 ＧＧ体 Ｉ 系结构构想 ， 进一步指导未来 ＧＧ的开发与研 究。 Ｉ （ ） 施 ＧＧ 的研究 计划 ３实 Ｉ
近年来 ， 美军启动并实施了多个 ＧＧ领域 的重 Ｉ 大研究 计划 ， 主要包 括 ： 信息 传输 分发 领域 ， 括 包 “ 全球信息栅格ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｓｐａ ｅ ， ｎｄ ｔ ｏ ｃ ｐｔ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ｉ ｈｉ ｐ ｒ ａ ｈｅ ｃ ｎ ｅ ｓ，ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉｓ，ａ ｄ ｐｒ ｓ ｃ ｓ ｃ ｎ ｅｎｉｇ ｔ ｅ ｔｃ ｎ ｌ ｇｅ ｆ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｎ ｏ ｐｅ ｔ ｏ ｃ ｒ ｎ ｈ ｅ ｈ ｏｏ ｉ ｓ ｏ
动化 、 拟 化 、 务 化 、 性 化 、 能 化方 向发 展 ， 虚 服 柔 智 将 成 为构 建 网络 中心环 境 的重要 支撑 。
１ 美 军 全球 信 息栅格 （ Ｉ 发 展概 况 Ｇ Ｇ）
１ １ ＧＩ ． Ｇ概 念
为了推进 网络中心化信息系统的建设 ， 全面获
取未来信息化战争中的信息优势和决策优势 ， 美军
第 ２期 ２１ ０ １年 ４月
Ｉ鼋； 簟研雹 鼋 瞎碍权
Ｊｕ ｎ ｌｏ ＡＥＩ ｏ ｒａ ｆＣ Ｔ
Ｖ ｌ ６ Ｎｏ ２ ０ ＿ ． Ａｐ ． ２ ｒ ０１１
信 息栅 格 技 术 发 展 浅 析
阮 飞 ． 王 源
（． １ 中电科技 国际贸易有限公司， 北京
２ 中国 电子科 学研 究院 ， 京 ． 北
信息栅格技术的发展 ， 涉及 的通信基础设施技 术、 计算基础设施 技术 、 支撑 服务技术 、 息安保技 信
栅格数据的主要编码方式
栅格数据的主要编码方式什么是栅格数据编码方式？为什么需要栅格数据编码方式？栅格数据编码方式有哪些？如何选择合适的栅格数据编码方式？本文将逐一解答。
一、什么是栅格数据编码方式？栅格数据是一种用网格将空间分割成离散单元的空间数据，类似于棋盘。
每个单元格代表着空间中的一个像素值，这种像素值可以表示地表的不同属性，例如高程、温度、植被类型等。
栅格数据编码方式是将这些像素值以数字形式进行编码的过程，用来处理地理信息技术中所涉及的各种数据。
二、为什么需要栅格数据编码方式？栅格数据编码方式是在处理、操作和存储栅格数据时必不可少的过程。
它可以将栅格数据转化为计算机能够处理的数字格式，这样在进行数据分析、可视化和模型分析时，计算机可以快速地处理这些数据。
同时，栅格数据编码方式还可以大量减小栅格数据的存储空间，方便数据的共享和传输。
三、栅格数据编码方式有哪些？主要的栅格数据编码方式包括：1.无符号整数编码：在栅格数据中，每个像素值都表示为一个非负整数，通常采用二进制，而每个二进制位都可以表示一个唯一的像素值。
这种编码方式的数据大小较小，但是仅适用于无符号整数像素值。
2.有符号整数编码：有符号整数编码的范围很广，可以表示正数、负数和0，因此可以使用更多的像素值表示更多的信息，但是数据大小会相应地增加。
3.浮点数编码：这种编码方式可以表示非整数精细值，因此在处理地形、气象和海洋数据时非常有用。
浮点数编码的要点是数据精度，否则数据的近似值和处理结果将受到影响。
4.压缩编码：压缩编码的目的是将数据压缩到最小的尺寸，以便更好地存储和传输。
常见的压缩编码方案包括行程编码和差分编码。
5. RGB编码：基于颜色的编码方式，通常用于处理卫星影像和航空照片等真彩色或伪彩色的遥感数据。
四、如何选择合适的栅格数据编码方式？选择合适的栅格数据编码方式应该考虑以下因素：1.数据类型：选择哪种数据编码方式取决于数据类型，因为每个编码方式都有自己的优缺点。
栅格数据处理的原理
栅格数据处理的原理栅格数据处理是一种用于处理和分析空间数据的技术，它利用栅格数据来描述和表示地理空间信息。
栅格数据是由一系列的像素组成的数据集，每个像素代表一个特定的空间位置，其包含了该位置的信息和属性。
栅格数据处理技术可用于各种领域，包括地理信息系统、遥感影像处理、环墅保护、城市规划等。
其原理主要包括数据采集、预处理、分析和可视化等环节。
数据采集是栅格数据处理的第一步，通过地面测量、遥感技朓、GPS定位等手段获取地理空间信息，生成栅格数据。
遥感技术是获取栅格数据的常见手段，通过卫星、航空器等平台获取遥感影像，再将其转化为栅格数据。
此外，GPS定位可以记录地理空间点的经纬度坐标，生成栅格数据。
数据采集需要根据具体的应用需求和研究目的选择合适的数据来源和采集手段。
预处理是栅格数据处理的重要环节，其目的是提取有效的地理空间信息，并对数据进行清理和处理，以确保其质量和准确性。
常见的预处理方式包括数据校正、去噪、镶嵌和重采样等。
数据校正是指对采集到的数据进行几何校正，以消除影像变形和畸变。
去噪是去除遥感影像中的干扰信号或随机噪声，以提高影像的质量。
镶嵌是将多幅遥感影像拼接成一幅全景影像，以获取更全面的地理空间信息。
重采样是对遥感影像进行分辨率变换，以适应不同的分析需求。
栅格数据的分析是栅格数据处理的关键环节，它利用统计学、遥感技术、地理信息系统等方法对栅格数据进行处理和分析，以获取有用的地理空间信息，揭示地理现象的规律和特征。
栅格数据的分析可以包括变化检测、分类识别、地形分析等内容。
变化检测是通过对不同时间的栅格数据进行比较，发现和分析地理现象的变化规律。
分类识别是对栅格数据进行分类和识别，以获取地表覆盖类型或地理现象的空间分布。
地形分析是对地形和地貌特征进行分析，以揭示自然地理和地质现象的规律和特征。
栅格数据处理的可视化是将处理后的结果以图像的形式呈现，以便于用户观察和理解地理空间信息。
栅格数据的可视化可以采用各种图像处理技术和地理信息系统软件，如虚拟仿真、影像融合、空间分析等。
编码的发展历史
编码的发展历史===========编码在人类文明的发展历程中扮演着至关重要的角色。
从最早的字符编码到现代的数据压缩、加密编码、网络编码、视频编码和音频编码，编码技术不断推动着各个领域的发展。
本文将详细介绍编码的发展历史，主要包含以下七个方面：1. 字符编码--------字符编码是最早的编码形式之一，它规定了如何将字符表示为计算机可识别的二进制代码。
早期的字符编码标准包括ASCII码和EBCDIC码。
随着多语言和国际化的发展，出现了更多的字符编码标准，如UTF-8、UTF-16等。
这些编码标准为字符在计算机中的表示和传输提供了统一的方式。
2. 图像编码--------图像编码的发展使得计算机可以方便地处理和传输图像数据。
早期的图像编码技术包括BMP、JPEG等。
随着互联网的发展，图像编码技术不断优化，出现了更高效的编码标准，如PNG、GIF等。
这些编码标准使得图像在计算机中的存储和传输更加高效。
3. 数据压缩--------数据压缩是解决数据存储和传输问题的关键技术之一。
早期的数据压缩标准包括ZIP、RAR等。
随着大数据和云计算的发展，出现了更高效的数据压缩标准，如Hadoop等。
这些压缩标准可以在保证数据完整性的同时，减少数据的存储空间和传输时间。
4. 加密编码--------加密编码是保障信息安全的重要手段。
早期的加密编码标准包括DES、RSA等。
随着网络和移动通信的发展，加密编码标准不断升级，出现了更安全的加密算法，如AES、SHA-256等。
这些加密算法可以保护数据的机密性和完整性。
5. 网络编码--------网络编码是一种将信息流进行编码后再进行传输的通信技术。
它通过将数据包进行编码，使得数据可以在网络中高效传输，并具有较高的鲁棒性和可靠性。
网络编码的应用范围广泛，包括流媒体传输、无线通信、分布式存储等。
6. 视频编码--------视频编码是将视频数据进行压缩和编码的技术。
早期的视频编码标准包括MPEG-1、MPEG-2等。
栅格数据编码
4、链式编码
• 链式编码又称费尔曼编码或边界编码。 • 链式编码将线状地物或区域边界表示为由某一
起始点和在某些基本方向上的单位矢量链组成。 • 单位矢量的长度为一个栅格单元，每个后续点
可能位于其前继点的8个基本方向之一。
链式编码方式
特征码 2 3
链式编码表
起点行 1 4
起点列 4 7
链码 454554 24465670221
• 行程编码分为：游程长度编码 游程终止编码
游程长度编码：（sk，lk） sk—栅格的属性值 lk —游程的连续长度
游程终止编码：（sk，lk） sk—栅格的属性值 lk —游程的终止列号
行程编码图及编码表
B
A
D
C
12 3 4 5 6 7 8
行程长度编码
行程终止编码
1 D A A B B B B B (D,1)(A,2)(B,5)
深度：是指处于四叉树的第几层上，由深度可
推知子区的大小。（一幅2n× 2n栅格阵列的图用四叉树
分割时，具有的最大深度为n，即可分为0，1，2，3，…，n 层。）
• 线性四叉树的编码方法：由上而下分割 自下而上合并
• 线性四叉树的编码形式：四进制编码 十进制编码
线性四叉树只存储每个结点的三个量，数 据量比常规四叉树大为减少，因而应用广 泛。
j (i
n 2
1, n;
j
1, n ) 2
P3
Pi,
j (i
n 2
1, n;
j
n 2
1, n)
• 如果要再分割下一层，其子象限分别为：
P00
Pi,
j (i 1, n ;
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栅格数据编码技术的发展历程
2015.4
南通大学地科院
江浩田
摘要：栅格数据是结构是GIS中最基本的数据结构，本文对栅格数据的属性、小、形状等做出一些系统的描述和分析，其中重点在几种数据结构上做了比较详细的论述和讲解，包括栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树结构，在曲面数据结构中还有TIN的曲面数据结构和规则网格的曲面数据结构，以上的数据结构在不仅在GIS中运用广泛，而且在其他地理数据收集、索引、处理等也发挥着至关重要的作用。
关键词：数据结构、模型、网格、编码、地理处理、顺序、组织一、栅格数据结构的定义
基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，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相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。
二、栅格数据的表达方式
(1) 栅格数据是按网格的行与列排列、具有不同或颜色的列阵数据。
栅格数据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。
(2) 点实体由一个栅格单元来表示；
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单元的块集合来表示。
(3) 栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，每个网格对应一种属性。
网格通常是正方形，有时也采用矩形、等边三角形和正六边形。
(4)格单元的取值方法：
中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。
面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者。
重要性法：取重要的属性值为栅格属性值。
用于具有特殊意义的较小地物。
长度占优法：每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。
三、栅格数据与矢量数据的比较
(1)栅格数据结构
栅格矩阵结构（直接栅格编码）在计算机中，直接栅格编码文件是以行为记录单位，按行存储地理数据的。
由点、线和多边形组成的矢量数据都可以转化成对应的栅格数据。
栅格数据结构为一个8*8阶的矩阵，代表空间分辨率为8行*8列的一个栅格数据。
如果矩阵的每个元素都计算机里用一个双字节的数值来存储，
则该栅格数据的所需要的存储空间为8*8*2（字节）=128字节。
（2）游程编码结构
游程基本原理是：用一个符号值或串长代替具有相同值的连续符号（连续符号构成了一段连续的“行程”，程编码因此而得名），使符号长度少于原始数据的长度。
例如：5555557777733322221111111
行程编码为：（5，6）（7，5）（3，3）（2，4）（l，7）。
可见，行程编码的位数远远少于原始字符串的位数。
在对图像数据进行编码时，沿一定方向排列的具有相同灰度值的像素可看成是连续符号，用字串代替这些连续符号，可大幅度减少数据量。
行程编码分为定长行程编码和不定长行程编码两种类型。
行程编码是连续精确的编码，在传输过程中，如果其中一位符号发生错误，即可影响整个编码序列，使行程编码无法还原回原始数据。
游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法，它的基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。
其编码方案是，只在各行(或列)数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。
（3）四叉树结构
GIS中另一种常见的栅格编码为四叉树编码，它是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。
其基本思想是首先把一幅图像或一幅栅格地图等分成四部分，如果检查到某个子区的所有格网都含有相同的值（灰度或属性值），那么这个子区域就不再往下分割；否则，把这个区域再分割成四个子区域，这样递归地分割，直至每个子块都只含有相同的灰度或属性值为止。
如果栅格数据不是2N×2N 的方阵，则自动补栅格属性值为0的行或列，使得2N大于或者等于行、列数中的大者，取合乎要求的最小的自然数N。
分割完成之后则采用一定的机制对分割的结果进行记录，四叉树存储方法：
1.常规四叉树存储：存储结点（子结点和父结点）指针、结点值；
2.线性四叉树只存储最后叶结点信息，包括叶结点的地址、深度（该结点所
处的层）和格网值。
四叉树的叶结点的编码需要遵循一定的规则，隐含了位置信息，称为地址码，
常用的编码是Morton码（MD十进制码）。
如对以下数据采用记录Morton码、深
度、属性值的方法进行记录，如假设有如下栅格数据： 1 1 1 1 2 2 3 3 1 1
1 1
2 2
3 3 1 1 1 1
4 4
5 5 1 1 1 1 4 4 5 5
6 6
7
8 13 13 14 14 6 6
9 10 13 13 14 14 11 11 12 12 15 16 19 19 11 11 12 12 17 18 19 19
进行四叉树编码之后得到如下文件，试进行程序开发实现此过程，结果如图
M码深度值 0 1 1 16 2 2 20 2 3 24 2 4 28 2 5 32 2 6 36 3 7 37 3 8 38 3 9 39 3 10 40 2 1 44 2 12 48 2 13 52 2 14 56 3 15 57 3 16 58 3 17 59 3 18 60 2 19
线性四叉树有如下优点：只存储三个值，比常规四叉树节省存储空间；由于记录节点地址，既能直接找到其在四叉树中的走向路径，又可以在换算出它在整个栅格区间内的行列位置；压缩和解压缩比较方便，各部分的分辨率可以不同，既可以精确表示图形结构，又可以减少存储量，易于进行大部分图形操作和运算。
五、栅格数据的应用分析
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及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。
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。
参考资料：
[1] 高建勇。
栅格数据结构研究综述，山西省地质测绘院2010
[2] 黄杏元、马劲松。
地理信息系统概论，高等教育出版社2014.9
[3] 南京大学研究生院。
GIS数据结构第二章
[4] 百度文库空间数据结构的类型
[5] 陈志泊。
GIS中栅格数据时空数据模型及其应用的研究，北京林业大学2005.5
[6] 周旭光。
四叉树空间索引原理及其实现，2013.10
[7] 王结臣、芮一康、刘杰。
栅格数据结构的研究及其应用南京大学2008.7
[8] 刘锦秀。
浅析GIS栅格数据2012。