§5.栅格和矢量数据结构的选择及其相互转换算法

一、栅格和矢量数据结构的比较与选择

空间数据的栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的截然不同的两种方法。几年以前，人们习惯的观点是：这两种结构势不两立、互不相容。原因是栅格数据结构需要大量的计算机内存来存储和处理地理数据，才能达到与矢量数据结构相同的空间分辨率，而矢量结构在某些特定形式的处理中，如象多边形叠加、空间均值处理等都表现出大量的技术问题没有解决。同时栅格结构是“属性明显，位置隐含”，而矢量结构是“位置明显，属性隐含”。栅格数据结构十分有利于空间分析，但输出的专题地图既不美观也不够精确；相反矢量数据结构存储量小，并且能输出精美的地图，但空间分析相当困难。

近几年来，人们越来越清楚地认识到：原来把栅格数据和矢量数据结构的差别当成重要的概念差别是不正确的，事实上都是技术问题。计算机技术的发展使运算速度、存储能力、地理数据的空间分辨率大大提高。为了更有效地利用 GIS，人们面临的问题之一是栅格数据和矢量数据结构的恰当选择问题。

从图形质量出发，最初研究和发展的是矢量数据处理技术。原因很简单：矢量数据结构是人们最熟悉的图形表达形式。但到 70 年代后期，许多实际工作者都认为在许多情况下，栅格方案更有效。例如多边形周长、面积、总和、平均值的计算、从一点出发的半径等，在栅格数据中都简化为简单的计数操作。又因为栅格坐标是规则的，删除和提取数据都可按位置确定窗口来实现，比矢量数据结构方便得多。另一方面，相互连接的线网络和多边形网络则仍需应用矢量数据结构模式。因为矢量结构更有利于网络分析（交通运输网、给排水网等）和制图应用。但是矢量表示的多边形网络、线网络数据结构中包括了大量拓扑信息即关系数据等多余数据，也使矢量结构的数据库容量大幅度增加。

由此可知栅格结构和矢量结构都有各自的优点和局限性。两种数据结构的比较如下：

矢量数据结构：优点：

表示地理数据的精度较高；
严密的数据结构，数据量小；
用网络连接法能完整地描述拓扑关系；
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。缺点：

数据结构复杂；
矢量多边形地图或多边形网很难用叠置方法与栅格图进行组合；
显示和绘图费用高，特别是高质量绘图、彩色绘图和晕线图等；
数学模拟比较困难；
技术复杂，多边形内的空间分析不容易实现。

栅格数据结构：优点：

数据结构简单；
空间数据的叠置和组合十分容易方便；
各类空间分析都很易于进行；
数学模拟方便；
技术开发费用低。缺点：

图形数据量大；
用大像元减少数据量时，可识别的现象结构将损失大量信息；
地图输出不精美；
难以建立网络连接关系；
投影变换花的时间多。

从上述比较中可以了解到栅格数据和矢量数据结构的适用范围。对于一个与遥感相结合的地理信息系统来说，栅格结构是必不可少的，因为遥感影像是以像元为单位的，可以直接将原始数据或经处理的影像数据纳入栅格结构的地理信息系统。而对地图数字化、拓扑检测、矢量绘图等，矢量数据结构又是必不可少的。较为理想的方案是采用两种数据结构，即栅格结构和矢量结构并存，用计算机程序实现二种结构的高效转换。数字地图根据需要按矢量结构或栅格结构存储最大限度地减少冗余，提高数据精度，对于数据的提取和分析、输出，由程序自动根据操作的需要选取合适的结构，以获取最强的分析能力和时间效率。栅格和矢量双结构，对于提高地理信息系统的空间分辨率、数据压缩率和增强系统分析、输入输出的灵活性十分重要。但是在转换程序效率不高、硬、软件功能不太全的情况下，又要及时开展 GIS 工作，选用恰当的数据结构是 GIS 有效运行的前提之一。