2.第二章空间数据结构(6学时)(四叉树编码)
地图学与地理信息系统专业考试大纲
西北师范大学2011年公开招考地图学与地理信息系统专业考试大纲第一部分考试说明一、考试要求本考试大纲适用于西北师范大学地理与环境科学学院地图学与地理信息系统专业引进新教师的考试。
地图学与地理信息系统是一门处理空间数据的现代化综合性学科，是许多学科专业的基础课程。
根据本专业对引进新教师承担教学工作的岗位要求，制定本考试大纲。
二、考试评价目标（一）地图学与地理信息系统基础1、掌握地图学基本知识，熟悉地图投影、地图符号和地图概括理论，了解电子地图制作技术。
2、理解并掌握地理信息系统的基本概念，了解地理信息系统与其他信息系统的区别。
3、熟悉地理信息系统的组成，熟练掌握地理信息系统的基本功能。
4、了解地理信息系统与地图学、计算机科学、遥感等相关学科的关系。
（二）程序设计基础1、熟练掌握C语言编程、并能组织通俗的语言去解释C的技术问题；2、有使用多种语言（C#、JAVA、JavaScript）编程、完成系统的实际项目经历。
（三）数据结构基础1、熟练掌握数据结构各类基本算法（线性表、栈、队列、树、图、内外排序）；2、能用多种语言如C、C#、或者SQL语言实现算法；3、能通过基础算法构建新算法，并能对算法的优劣做出合理评价；（四）数据库原理与应用基础1、熟练掌握SQLServer或Oracle数据库管理系统；2．熟练掌握数据库设计、特别是GIS数据库的设计，并有设计数据库应用系统的经历；3、熟练掌握数据库的编程，能完成存储过程、触发器的编程应用；4、能根据具体应用，设计合理的系统架构。
（五）GIS设计与开发基础1、掌握地理信息系统软件平台开发的基本方式。
2、熟悉地理信息系统的主要应用与更新；理解地理信息系统应用模式。
3、掌握网络GIS）、移动GIS和3D GIS的概念，常用开发平台，设计流程。
4、理解地理信息系统标准化的含义及其主要内容。
三、考试内容范围1、地图学与地理信息系统基础2、程序设计基础3、数据结构基础4、数据库原理与应用基础5、GIS设计与开发基础四、考试形式和试卷结构（一）试卷满分及考试时间本试卷满分为100分，考试时间为120分钟。
二章空间数据结构及编码
二章空间数据结构及编码在当今数字化的时代，空间数据的处理和管理变得越来越重要。
空间数据结构及编码作为地理信息系统（GIS）、计算机图形学等领域的基础，对于有效地存储、组织和检索空间数据起着关键作用。
首先，让我们来理解一下什么是空间数据。
简单来说，空间数据就是具有空间位置和几何特征的数据，比如地图上的点、线、面等要素。
这些数据不仅包含了位置信息，还可能包括属性信息，如土地利用类型、建筑物高度等。
空间数据结构则是指空间数据在计算机中的组织方式。
常见的空间数据结构有矢量数据结构和栅格数据结构。
矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等几何对象。
例如，一个点可以用一对坐标（x, y）来表示，一条线可以由一系列有序的坐标对来定义，而一个面则是由一个封闭的线来界定。
矢量数据结构的优点在于数据精度高、存储空间小、便于进行几何变换和拓扑分析。
但它在处理复杂的空间关系和大规模数据时，计算量可能较大。
相比之下，栅格数据结构将空间区域划分为规则的网格单元，每个单元对应一个数值。
这种结构适合表示连续变化的数据，如地形高程、温度分布等。
栅格数据结构的处理相对简单，但数据冗余度较高，精度可能会受到网格大小的限制。
在实际应用中，选择合适的空间数据结构取决于具体的需求和数据特点。
如果需要精确表示地理要素的形状和边界，矢量数据结构可能更合适；而对于大面积的、连续变化的数据，栅格数据结构可能更为有效。
接下来，我们谈谈空间数据编码。
空间数据编码的目的是为了提高数据存储和传输的效率，便于数据的管理和处理。
常见的空间数据编码方法有很多。
比如，对于矢量数据，常见的编码方式有坐标序列编码、多边形编码等。
坐标序列编码直接记录点的坐标，简单直观，但存储空间较大。
多边形编码则通过一些规则来减少数据存储量，提高处理效率。
对于栅格数据，常见的编码方式有直接编码、行程编码、四叉树编码等。
直接编码就是将每个网格单元的值直接存储，简单但效率低。
行程编码通过记录相同值的连续段来压缩数据。
地理信息系统原理课后作业答案
地理信息系统原理课后作业答案第1章绪论1 什么叫信息、数据？它们有何区别？信息有何特点？答：信息是客观事物的存在及演变情况的反映。
对于计算机而言，数据是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象（数字、文字、符号、声音、图像等），在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。
数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才变成信息。
信息的特点：①客观性②适用性③传输性④共享性。
2 什么叫空间数据、地图？举例说明空间数据有哪几种类型。
答：空间数据是以点、线、面等方式采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。
地图是表达客观事物的地理分布及其相互联系的空间模型，是反映地理实体的图形，是对地理实体简化和再现。
空间数据主要有点、线、面三种类型。
例如，地图上的点可以是矿点、采样点、高程点、地物点和城镇等；线可以是地质界线、铁路、公路、河流等；面可以是土壤类型、水体、岩石类型等。
3 什么叫地理信息、地学信息、信息系统、地理信息系统？它们之间有何区别？答：地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。
地学信息所表示的信息范围更广，它不仅来自地表，还包括地下、大气层，甚至宇宙空间。
凡是与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。
能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。
地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。
区别：地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显着的标志。
地学信息所表示的信息范围更广，它不仅来自地表，还包括地下、大气层，甚至宇宙空间。
四叉树编码 思政元素
四叉树编码 思政元素
"四叉树编码" 是一种将二维或三维空间分割成不同区域的方法。
在这种编码中，空间被逐级划分为四个象限，每个象限又可以进一步细分为四个子象限，以此类推。
这种分割方法可以用于空间索引、地理信息系统、图像处理等领域，用来快速定位或描述空间中的对象或特征。
四叉树编码与思政教育之间似乎没有直接的联系。
四叉树编码是一种空间数据结构，用于对空间进行分割和组织，而思政教育则是对学生进行的一种思想道德教育。
它们属于完全不同的领域。
然而，如果要将它们联系起来，可以从教育的角度思考。
例如，在教学过程中，可以利用四叉树编码的概念来组织教学资源，将教学内容分割为不同的层次和区域，以便更有效地进行教学管理和组织。
这种方法可以使教学更加系统化和高效，从而达到思政教育的目的。
另外，虽然四叉树编码本身与思政教育无直接关联，但是在科学技术教育中，可以通过教授和讨论这些先进的技术和方法，培养学生的创新精神和科学素养，从而间接地促进了学生的综合素质提升，这也是思政教育的一部分。
GIS原理-判断及选择题
二.选择题
8.数据库系统是：____。（ ） A.存储在计算机内的有结构的数据集合 B.一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作 C.指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统 D.数据文件的集合
二.选择题
6.在地理信息系统中，通常使用的三个坐标系是：_____。（ ） A.世界坐标系、规范化坐标系和设备坐标系 B.世界坐标系、用户坐标系和设备坐标系 C.世界坐标系、局部坐标系和设备坐标系 D.局部坐标系、用户坐标系和设备坐标系
7.图形数据的编辑功能主要是：________。（ ） A.利用已知的理论数据和实际数据建一多项式变换公式，用此公式修改错误数据 B.利用 GIS 软件提供的程序，自动删除图形数据中的错误数据 C.利用开窗口功能和光标定位功能，人机交互的修改图形中的错误数据 D.利用图形变换功能来修改图形中的错误数据
第一章 绪论
一.判断题
1.在通常情况下，对信息和数据可不作严格区分，在不引起误解的情况下可以通用，因此信息和数 据无本质区别。 （对 错 ）
2.GIS 与 DBS 的最大差别是前者具有处理图形数据功能，而后者没有。 （对 错 ）
3.GIS 与 CAD 系统两者都有空间坐标，都能把目标和参考系统联系起来，都能描述图形拓扑关系，也 能处理属性数据，因而无本质差别。 （对 错 ）
3.手扶跟踪数字化输入得到的是矢量数据。 （对 错 ）
4.对于一条折线一般选择流方式数字化。 （对 错 ）
5.对于不规则曲线图形常选择流方式数字化。 （对 错 ）
6.扫描输入最大的缺点是噪声、数据量大。 （对 错 ）
空间数据结构
空间数据结构数据结构定义：指数据组织的形式，是指适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构，地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，对数据的一种理解和解释。
空间数据的三大特性：空间，时间，专题属性。
常见的数据结构：矢量结构，栅格结构，数字高程模型，面向对象模型，矢量和栅格的混合数据结构等，网络结构，空间数据编码：1、空间数据结构的实现2将搜集的、经过审核了的地形图、专题地图和遥感影像等资料按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程3在地理信息系统的空间数据结构中栅格结构的编码方式:直接栅格编码、链码、游程长度编码、块码、四叉树码等矢量结构主要有坐标序列编码、树状索引编码和二元拓扑编码等编码方3.2 栅格数据结构一、概述1、栅格数据结构是基于空间划分或铺盖的空间被划分成大量规则的或不规则的空间单元，称为象素(Cell或Pixel)，依行列构成的单元矩阵叫栅格(Grid)三角形方格六角形2、每个单元通过一定的数值表达方式（如颜色、灰度级）表达诸如环境污染程度、植被覆盖类型等空间地理现象3、对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性的铺盖4、目前常用的是基于正方型分划的栅格，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象元或象素由行、列定义包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针5 、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6 、GIS中栅格数据经常是来自卫星遥感、摄影测量、激光雷达和扫描设备中，以及用于数字化文件的设备中二、栅格数据组织1 、以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织2 、每个数据表示地物或现象的非几何属性特征点状地物用一个栅格单元表示；线状地物沿线走向的一组相邻栅格单元表示面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示3 、遥感影像属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级三、栅格结构的建立（1）栅格数据的获取途径遥感数据图片的扫描矢量数据转换:手工方法获取: 在专题图上均匀划分网格，逐个网格地确定其属性代码的值，最后形成栅格数据文件（2）栅格系统的确定栅格坐标系的确定:坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。
空间数据结构及编码
3. 岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形 的联系；
4．不易检查拓扑错误。这种方法可用于简单的粗精度 制图系统中
2）树状索引结构 该法采用树状索引以减少数据冗余并间接 增加邻域信息，方法是对所有边界点进行 数字化，将坐标对以顺序方式存储，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
2.有代表性的矢量空间数据结构
非拓扑数据结构
1）Spaghetti结构 ——坐标序列法
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，如上图记为以下坐标文件：
• 10：x1,y1；x2,y2；x3,y3；x4,y4；x5,y5；x6,y6；x7,y7；x8,y8； x9,y9；x10,y10；x11,y11； x1,y1；
0 4 4
4 4 4
4 4 4
7 4 4
7 4 8
7 7 8
7 7 7
7 7 7
0
0 0 0
0
0 0 0
4
8 0 0
8
8 8 0
8
8 8 8
8
8 8 8
7
7 8 8
7
8 8 8
0
0
0
0
0
8
8
8
该例中块码用了120个整数，比直接编码还多，这是因为例中为描述方便， 栅格划分很粗糙，在实际应用中，栅格划分细，数据冗余多的多，才能显 出压缩编码的效果，而且还可以作一些技术处理，如行号可以通过行间标 记而省去记录，行号和半径等也不必用双字节整数来记录，可进一步减少 数据冗余。
两种方案
1）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的代码重复的个 数，从而实现数据的压缩。
《地理信息系统概论》课程笔记
《地理信息系统概论》课程笔记第一章地理信息系统基本概念1.1 数据与信息数据是原始的、未经处理的素材，它是信息的表现形式。
信息是从数据中提取的有意义的内容，它能够帮助人们做出决策。
在地理信息系统中，数据主要指的是空间数据，而信息则是通过对空间数据进行分析和处理得到的结果。
例如，一个地区的土地利用数据是原始数据，而通过分析这些数据得出的土地利用分布情况就是信息。
1.2 地理信息与地理信息系统地理信息指的是与地球表面位置相关的信息，包括自然地理信息（如地形、气候等）和人文地理信息（如人口、交通等）。
地理信息系统（GIS）是一种专门用于获取、存储、管理、分析和展示地理信息的计算机系统。
GIS能够将空间数据与属性数据结合起来，为用户提供强大的空间分析和决策支持功能。
例如，GIS可以用来分析城市交通拥堵情况，帮助规划交通路线。
1.3 地理信息系统的基本构成GIS由硬件、软件、空间数据、应用人员和应用模型五个基本部分组成。
硬件包括计算机、输入输出设备（如扫描仪、打印机等）；软件包括操作系统、数据库管理系统、GIS软件等；空间数据是GIS的核心，包括地图数据、遥感数据等；应用人员是使用GIS进行空间分析和决策的主体；应用模型则是根据实际问题构建的模型，用于解决具体问题。
例如，一个GIS系统可能包括一台计算机、GIS软件、地图数据和应用模型，用于分析土地利用变化。
1.4 地理信息系统的功能简介GIS的基本功能包括数据采集、数据管理、空间分析、可视化表达和输出等。
数据采集主要是获取空间数据和属性数据，可以通过遥感、野外调查等方式获取；数据管理主要是对数据进行存储、查询、更新和维护，确保数据的准确性和完整性；空间分析主要包括空间查询、空间叠合、空间邻近度分析等，用于解决实际问题；可视化表达主要是将空间数据以图形或图像的形式展示给用户，增强数据的可读性和可理解性；输出则是将分析结果以报表、地图等形式输出，为决策提供支持。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
represent: an area feature a closed ring of lines
长度占优法：以网格中线的大部分
长度所对应的面域的属性值来确 定。
重要性法：根据栅格内不同地物的重要性
程度，选取特别重要的空间实体决定对应 的栅格单元值.
栅格数据的值
1 1 1 3 1 1 1 3 2 2 3 3 2 3 3 2
整数值：如土壤分类
1.7 1.8 2.0 2.0 1.7 1.8 2.0 2.2
2.1.1基本概念
矢量数据就是代表地图图形的各离散点平 面坐标（x，y）的有序集合。
Point - simple primitive
Line - chain of points
Area - closed chain of points
Points, lines and polygons
Points can represent:
地理信息系统原理
（★第2章 空间数据结构）
2.1空间数据模型的类型
在GIS中与空间信息有关的空间数据模型主要有两个 基于场 (field-based) 的空间模型把地理空间的 事物和现象作为连续的变量或体来看待，表示了在二 维或者三维空间中，空间实体的属性信息被看作是连 续变化的数据。 A collection of spatial distributions Continuous data. Examples altitude, rainfall, temperature, crop yield.
把2n×2n象元组成的阵列当作树根，树的高度为n，每 个节点分别代表南西（SW）、南东（SE）、北西（NW）、 北东（NE）。四个分支中要么是树叶、树叉。树叶代表一 种代码。树叉继续再分。
对一幅2n×2n的栅格阵列，最大深度为n，层次可能为0,1,…,n
(3)线性四叉树编码: (马里兰大学的GIS系统)
regions
A A A A B A A B B A B B
Row # (Y-coord)
A
A
A
B
cells
Column # (X-coord)
Punctual +
Lineal
Areal
Surficial
140 120
0-d
1-d
2-d
3-d
分辨率（resolution） Resolution is dependent on the grid cell size. Changing the resolution affects classification, area, perimeter, accuracy , etc...
栅格数据文件 层1 多边形1 属性值 像元1坐标 „ 像元n坐标 多边形N 层2 „
Y坐标
层1属性值 层2属性值 „ 层n属性值 像元2 „ 像元n 层2 „ 层n
„
像元n
层n
Байду номын сангаас
2.2.3栅格数据存储编码
直接编码 链式编码 行程编码 块式编码 四叉树编码
1.直接编码
直接编码是最简单最直观而又非常重要的一种栅格 结构编码方法，通常称这种编码为图像文件或栅格 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）逐个记录代码. 3 3 3 4 4 4 4 4 1 3 3 3 4 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 4 4 2 3 3 3 3 4 4 4 4 1 3 3 3 4 4 4 2 3 1 3 3 3 4 4 4 2 1 1 3 3 3 2 2 2 4 1 1 3 3 3 2 2 2 1 1 1 1 3 2 2 2 5 1 1 1 1 3 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 6 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 7 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2
(5,5,1,1) (6,0,1,1) (6,8,1,1) (8,3,1,1) (11,8,1,1) (12,8,1,1) (14,3,1,1) (14,4,1,1) 2x2: (3,7,2,2) (4,9,2,2) (5,7,2,2) (7,7,2,2) (8,2,2,2) (9,7,2,2) (12,4,2,2) (13,2,2,2) (14,6,2,2) 3x3: (5,3,3,3) (11,7,3,3)
3.行程编码(Run-length encoding)
只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录 该代码以及重复出现次数。即按（属性值, 重复次数） 编码。
逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相 应的代码，即按（位置，属性值）编码。 如图按列：
4.块式编码(Block encoding)
1 1 1 3 1 1 1 3 2 2 3 3 2 1 3 3 3 2 3 2
Real world
Very Fine grid
Medium grid
Coarse grid
2.2.1栅格数据取值方法
中心归属法：每个栅格单元的值以
网格中心点对应的面域属性值确定。
面积占优法：以在该网格单元中占据
最大面积的属性值确定。
以像元为序。不同层上同一像元位置上的各属性值表示为一 个列数组。 以层为基础。每一层又以像元为序记录它的坐标和属性值。 以层为基础。但每一层内以多边形为序记录多边形的属性值 和充满多边形的各像元的坐标。
栅格数据文件
像元1 X坐标 层1
栅格数据文件
像元1 像元2 X,Y,属性值 X,Y,属性值 „ X,Y,属性值
(4)十进制Morton码的编码 行号 5 = 0 1 0 1 列号 7= 0 1 1 1
Morton 码 = 0
0
1
1
0
1
1
1 = 55
这样就可将用行列表示的二维图像，用Morton 码写成一维数据，通过Morton码就可知象元位置。 把一幅2 n×2 n的图像压缩成线性四叉树的过程 为： 按Morton码把图象读入一维数组。 相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第 一个象元的Morton码。 比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能 合并为止。 对用上述线性四叉树的编码方法所形成的数据还 可进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一 个象元的Morton码。
实数：如高程值
1.8 1.8 2.3 2.2 2.2 2.2 2.2 2.0
a a a a a c b b c c b c c b
字母：蔬菜类型、土地分区
a c
2.2.2栅格数据组织方法
栅格数据以层的 方式来组织文件，在 栅格数据结构中，物 体的空间位置就用其 在笛卡尔平面网格中 的行号和列号坐标表 示，物体的属性用象 元的取值表示，每个 象元在一个网格中只 能取值一次，同一象 元要表示多重属性的 事物就要用多个笛卡 尔平面网格，称为层。
有毒气体扩散分析
基于对象(object-based)的模型强调了离散对 象,将研究的整个地理空间看成一个空间域，地理实 体和现象作为独立的对象分布在该空间域中，根据 它们的边界线以及它们的组成或者与它们相关的其 它对象，可以详细地描述离散对象。 任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对 象(Object)，且假设它可以从概念上与其邻域现象 相分离。在欧氏（Euclidean）空间中主要有点对象、 线对象、多边形对象和体。 composed of identifiable entities Discrete data. Examples roads,rivers, land parcels,island boreholes
Lines can represent:
a vertex a node a label a point feature
a boundary of a polygon a network linking point features a linear feature
Polygons can
地理信息系统两种数据类型是通过两种空间数据 结构来实现：栅格（raster ）and 矢量（vector）。 栅格数据模型是典型的基于域的模型。矢量数据 模型是典型的基于对象的模型。
Fieldbased data Object -based data
1 1 1 1 3 2 2 3 3 2 3 3 2
8 1 1 1 1 1 2 2 2
2.链式编码(Chain Codes)
+
又称弗里曼链码 （Freeman 1961）， 多边形边界可以表示 为由某一原点开始并 按某些基本方向确定 的单位矢量链。基本 方向：东=0，南=3， 西=2，北=1
1 (N)
2 (W)
0 (E)
3 (S)
02 1 02 1 03 3 03 32 2 3 24 3 0 3 05 1 0 12 0 12 02 33 0 32 22 3 2 3 22 1 24 3 2 3 22 12 2 12 22 1 2 13
4x4: (1,5,4,4)
5.四叉树编码(Quadtrees)
(1)四叉树分割：
将图像区域按大小相 同的象限4等分，每个象 限又可根据一定规则判断 是否继续等分为次一层的 4个象限。子象限只含一 种属性代码，则停止继续 分割。图像区域的栅格阵 列应为2n×2n
NW
NE
NW
NE
SW
SW SE
SE
(2)四叉树结构：
ployon area line point
栅格数据结构实际上就是象 元阵列，即象元按矩阵形式 的集合(二维数组），每个象 元是栅格数据中最基本的信 息存储单元，其坐标位置可 以用行号和列号确定。右图 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。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。