第3章 空间数据结构优秀PPT.ppt

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1、第第3章章 空间数据结构空间数据结构现在学习的是第1页，共48页 数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。在地理系统中描述地理要素和地理现象的空间数据，主要包括空间位置、拓朴关系和属性三个方面的内容。现在学习的是第2页，共48页qq空间数据结构l l网格数据结构(显式表示)l l矢量数据结构(隐式表示)现在学习的是第3页，共48页显式描述显式表示：就是栅格中的一系列显式表示：就是栅格中的一系列像元像元(点点)，为使计算机认识这，为使计算机认识这些像元描述的是某一物体而不些像元描述的是某一物体而不是其它物

2、体。是其它物体。注：注：“c c”不一定用不一定用c c的形式，而的形式，而可以用颜色、符号、数字、灰可以用颜色、符号、数字、灰度值来显示。度值来显示。则得到椅子的简单数据结构为：则得到椅子的简单数据结构为：椅子的属性椅子的属性符号颜符号颜色色像元像元x x现在学习的是第4页，共48页隐式表示隐式表示：由一系列定义了始点隐式表示：由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示椅子形式的矢量，义为一条表示椅子形式的矢量，线之间的指示字，告诉计算机线之间的指示字，告诉计算机怎样把这些矢量连接在一起形怎样把这些矢

3、量连接在一起形成椅子，隐式表示的数据为：成椅子，隐式表示的数据为：椅子的属性椅子的属性一系列矢量一系列矢量连接关系连接关系现在学习的是第5页，共48页栅格数据结构 栅格数据栅格数据栅格数据栅格数据:栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定的规则排列的，列确定它的位置。由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在网络文件的存储结构中，所表示的实体位置很容易隐含在网络文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。在网且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。在网络文件中每个代码本

4、身明确地代表了实体的属性或属性的络文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。编码。栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位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。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。每个栅格单元只能存在一个值。（a）三角形（b）菱形（c)六边形现在学习的是第6页，共48页点线面对于栅格数据结构对于栅格数据结构 点：为一个像元点：为一个像元 线：在一定方线：在一定方向上连接成串向上连接成串的相邻像元集的相邻像元集合。合。面：聚集在一面：聚集在一起的相邻像元起的相邻像元集合。

5、集合。现在学习的是第7页，共48页栅格数据结构：坐标系与描述参数YY：列：列XX：行：行西南角格网坐标西南角格网坐标（XXWSWS，YYWSWS）格网分辨率格网分辨率现在学习的是第8页，共48页栅格数据单元值确定CAB百分比法面积占优重要性中心点法A连续分布地理要素C具有特殊意义的较小地物A分类较细、地物斑块较小AB为了逼近原始数据精度，除了采用这几种取值方法外，还可以采用缩小单个栅格单元的面积，增加栅格单元总数的方法 现在学习的是第9页，共48页栅格数据压缩存储的编码方法栅格数据压缩存储的编码方法 AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGGGGGAGGGAGGAAA

6、AAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量R:(1,5),3,2,2,3,3,2,3链式编码游程长度编码逐行编码数据结构:行号,属性,重复次数1,A,4,R,1,A,4块状编码正方形区域为记录单元数据结构:初始位置,半径,属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),NE SWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码现在学习的是第10页，共48页栅格矩阵（栅格矩阵（Raster Matrix)Raster Matrix)RasterRasterRaster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一数据是二维表面上

7、地理数据的离散量化值，每一数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的层的层的pixelpixelpixel值组成像元阵列（即二维数组），其中行、值组成像元阵列（即二维数组），其中行、值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。列号表示它的位置。列号表示它的位置。例如影像：例如影像：例如影像：A A A AA A A AA A A A A B B B A B B B A B B B A A B B A A B B A A B B A A A B A A A B A A A B在计算机内是一个在计算机内是一个4*44*4阶的矩阵。但在外部设备上，阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左

8、上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为：序为：A A A A A B B B A A B B A A A BA A A A A B B B A A B B A A A BA 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，一层内的编码当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要就需要m m行行nn列列3(x,y3(x,y和属性编码值和属性编码值)个存储单元。个存储单元。数字地面模型就属此种情况。数字地面模型就属此种情况。现在学习的是第11页，共48页链式编码链式编码(ChainCodes)又称为弗里曼链

9、码又称为弗里曼链码(Freeman)(Freeman)或边界链或边界链码。码。基本方向可定义为：东基本方向可定义为：东0 0，东南，东南l l，南二，南二2 2，西南，西南3 3，西，西4 4，西北，西北5 5，北，北6 6，东北，东北7 7等八个基本等八个基本方向。如果再方向。如果再确定原点为像元确定原点为像元(10(10，1)1)，则该多，则该多边形边界按顺时针方向的链式编边形边界按顺时针方向的链式编码为：码为：1010，l l，7 7，0 0，1 1，0 0，7 7，1 1，7 7，0 0，0 0，2 2，3 3，2 2，2 2，1 1，0 0，7 7，0 0，0 0，0 0，0 0，2

10、 2，4 4，3 3，4 4，4 4，3 3，4 4，4 4，5 5，4 4，5 5，4 4，5 5，4 4，5 5，4 4，6 6，6 6。现在学习的是第12页，共48页游程长度编码游程长度编码(RunLengthCodes)游程长度编码是按行帧序存储多边形内的各个像元的列号，即在某行上从左至右存储属该多边形的始末像元的列号。问：对左图的进行游程长度编码。现在学习的是第13页，共48页块式编码块式编码块式编码块式编码(BlockCodes)(BlockCodes)块式编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。如图：块式编码的数据结构

11、由初始位置块式编码的数据结构由初始位置(行号，列号行号，列号)和半径，再加上记和半径，再加上记录单元的代码组成。根据这一编录单元的代码组成。根据这一编码原则，上述多边形只需码原则，上述多边形只需1717个单个单位正方形。位正方形。9 9个个4 4单位的正方形和单位的正方形和1 1个个1616单位的正方形就能完整表单位的正方形就能完整表示，总共要示，总共要5757个数据，其中个数据，其中2727对对坐标，坐标，3 3个块的半径。个块的半径。现在学习的是第14页，共48页四叉树编码四叉树编码(Quadtree Encoding)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四叉树

12、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。它将法。它将法。它将法。它将2n2n2n2n像元阵列连续进行像元阵列连续进行像元阵列连续进行像元阵列连续进行4 4等分，一直分到正方形的大小正好等分，一直分到正方形的大小正好等分，一直分到正方形的大小正好等分，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

13、，习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惯上称为四叉树编码惯上称为四叉树编码惯上称为四叉树编码。现在学习的是第15页，共48页八叉树编码八叉树编码八叉树结构就是将空间区八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同域不断地分解为八个同样大小的子区域样大小的子区域(即将即将一个六面的立方体再分一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小解为八个相同大小的小立方体立方体)，同，同区域的区域的属性相同。八叉树主要属性相同。八叉树主要用来解决地理信息系统用来解决地理信息系统中的三维问题。中的三维问题。现在学习的是第16页，共48页栅格数据组织现在学习的是第17页，共4

14、8页栅格数据组织栅格数据文件像元1X坐标Y坐标层2属性值层1属性值层n属性值像元2像元n栅格数据文件层1像元1层2X,Y,属性值像元2X,Y,属性值像元nX,Y,属性值层n栅格数据文件层1 多边形1层2属性值像元1坐标多边形N像元n坐标层n现在学习的是第18页，共48页栅格数据结构特点l ll离散的量化栅格值表示离散的量化栅格值表示离散的量化栅格值表示空间对象空间对象空间对象l ll位置隐含位置隐含位置隐含,属性明显属性明显属性明显l ll数据结构简单数据结构简单数据结构简单,易于遥感易于遥感易于遥感数据结合数据结合数据结合,但数据量大但数据量大但数据量大l ll几何和属性偏差几何和属性偏差几

15、何和属性偏差l ll面向位置的数据结构面向位置的数据结构面向位置的数据结构,难难难以建立空间对象之间的关以建立空间对象之间的关以建立空间对象之间的关系系系现在学习的是第19页，共48页abc345abcac距离:7/4(5)面积:7(6)几何偏差属性偏差如以像元边线计算则为如以像元边线计算则为7 7，以像元为单金大会则为，以像元为单金大会则为4 4。三角形的面积为三角形的面积为6 6个平方单位，而右图中则为个平方单位，而右图中则为7 7个平方单位，这种误差个平方单位，这种误差随像元的增大而增加。随像元的增大而增加。现在学习的是第20页，共48页矢量数据结构n n矢量数据结构矢量数据结构是通过记

16、录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。n n 除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。现在学习的是第21页，共48页矢量数据结构编码的基本内容 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。qq点：空间的一个坐标点；qq线：多个点组成的弧段；qq面：多个弧段组成的封闭多边形；现在学习的是第22页，共48页矢量数据结构编码的基本内容 标识码标识码属性码属性码空间对象编码唯一连接空间和属性数据数据库独立编

17、码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)面:(x1,y1),(x2,y2),(x1,y1)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号点号X XY Y1 1111122222 233334444n n55556666存储方法存储方法现在学习的是第23页，共48页点点实实体体 现在学习的是第24页，共48页线线实实体体 面面实实体体 多边形矢量编码，不但多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的重要的是能表达区域的拓扑特征拓扑特征，如形状、邻，如形状、邻域和层次结构等，以便域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元使这些基本的空间单元

18、可以作为专题图的资料可以作为专题图的资料进行显示和操作。进行显示和操作。现在学习的是第25页，共48页简单的矢量数据结构简单的矢量数据结构面条结构（实体式）面条结构（实体式）只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。00存储：存储：qq独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象；qq点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成00特征特征l l无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询l l公共边重复存储，存在数据冗余，

19、难以保证数据独立性和一致性公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性l l多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；l l处理嵌套多边形比较麻烦处理嵌套多边形比较麻烦00适用范围：适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析制图及一般查询，不适合复杂的空间分析现在学习的是第26页，共48页简单的矢量数据结构面条结构（实体式）多边形多边形 数据项数据项AA(x(x11,y,y11),(x),(x22,y,y22),(x),(x33,y,y33),(x),(x44,y,y44),(x),(x55,y,y55),(x),(x66,y,y66)

20、,(x),(x77,y,y77),(x),(x88,y,y88),(x),(x99,y,y99),(x),(x11,y,y11)BB(x(x11,y,y11),(x),(x99,y,y99),(x),(x88,y,y88),(x),(x1717,y,y1717),),(x(x1616,y,y1616),(x),(x1515,y,y1515),(x),(x1414,y,y1414),(x),(x1313,y,y1313),(x),(x1212,y,y1212),),(x(x1111,y,y1111),(x),(x1010,y,y1010),(x),(x11,y,y11)CC(x(x2424,y,

21、y2424),(x),(x2525,y,y2525),(x),(x2626,y,y2626),(x),(x2727,y,y2727),(x),(x2828,y,y2828),(x),(x2929,y,y2929),(x),(x3030,y,y3030),(x),(x3131,y,y3131),(x),(x2424,y,y2424)DD(x(x1919,y,y1919),(x),(x2020,y,y2020),(x),(x2121,y,y2121),(x),(x2222,y,y2222),(x),(x2323,y,y2323),(x),(x1515,y,y1515),(x),(x1616,y,y

22、1616),(x),(x1919,y,y1919)EE(x(x55,y,y55),(x),(x1818,y,y1818),(x),(x1919,y,y1919),(x),(x1616,y,y1616),(x),(x1717,y,y1717),(x),(x88,y,y88),(x),(x77,y,y77),(x),(x66,y,y66),(x),(x55,y,y55)现在学习的是第27页，共48页索索索索引引引引式式式式 线与多边形之间的树状索引线与多边形之间的树状索引 点与多边形之间的树状索引点与多边形之间的树状索引 现在学习的是第28页，共48页双重独立式双重独立式双重独立式双重独立式DIM

23、E(Dual lndependent DIME(Dual lndependent Map Encoding)Map Encoding)线号左多边形右多边形起点终点aOA18bOA21cOB32dOB43eOB54fOC65gOC76hOC87iCA89jCB95kCD1210lCD1112mCD1011nBA92这种数据结构除了通过线文件这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件生成面文件外，还需要点文件 现在学习的是第29页，共48页链状双重独立式链状双重独立式 链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链

24、状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。现在学习的是第30页，共48页弧段文件弧段文件弧段号弧段号起始点起始点终结点终结点左多边形左多边形右多边形右多边形aa5511OOAAbb8855EEAAcc161688EEBBdd191955OOEEee15151919OODDff15151616DDBBgg111515OOBBhh8811AABBii16161919DDEEjj31313131BBCC弧段坐标文件弧段坐标文件弧段号弧段号点点 号号aa5,4,3,2,15,4,3

25、,2,1bb8,7,6,58,7,6,5cc16,17,816,17,8dd19,18,519,18,5ee15,23,22,21,20,1915,23,22,21,20,19ff15,16,15,16,gg1,10,11,12,13,14,151,10,11,12,13,14,15hh8,9,18,9,1ii16,1916,19jj31,30,29,28,27,26,25,24,3131,30,29,28,27,26,25,24,31链状双重独立式链状双重独立式 多边形文件多边形文件多边形号多边形号弧段号弧段号周长周长 面积面积 中心点坐标中心点坐标AAh,b,ah,b,aBBg,f,c,h

26、,-jg,f,c,h,-jCCjjDDe,i,fe,i,fEEe,i,d,be,i,d,b现在学习的是第31页，共48页矢量数据压缩矢量数据压缩(Line Simplification)基本元素：点、线、面压缩对象：线压缩方法：垂距法、光栏法、Douglas-Peucker现在学习的是第32页，共48页Local processing routines垂距法垂距法n n每次每次顺序顺序取曲线上的取曲线上的三个点三个点，计算，计算中间点中间点与其它两点连线的垂线与其它两点连线的垂线距离距离d d，并与限，并与限差差DD比较。若比较。若d dDD，则中间点，则中间点去掉去掉；若；若dDdD，则中间

27、点，则中间点保留保留。然后顺序取下三个点。然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。继续处理，直到这条线结束。n n压缩算法好，可在数字化时压缩算法好，可在数字化时实时处理实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；缺点是有量较小；缺点是有可能删去特征点可能删去特征点。现在学习的是第33页，共48页Local processing routines光栏法光栏法n n定义一个定义一个扇形区域扇形区域，通过判断曲线上的点在，通过判断曲线上的点在扇形外扇形外还是在还是在扇形扇形内内，确定，确定保留保留还是还是舍去舍去。n n算法简单，速度快，但有时会将曲线的

28、弯曲极值点算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点p p值去掉而失真。值去掉而失真。现在学习的是第34页，共48页Douglas-Peuckern n将一曲线将一曲线首末点首末点连成连成直线直线，找出与该直线，找出与该直线垂直距离最大垂直距离最大的点。如该距离小于的点。如该距离小于误差限制值，则误差限制值，则删去删去该曲线上所有内点；如大于限制值，则将该曲线该曲线上所有内点；如大于限制值，则将该曲线分成分成两段两段，再，再分别重复分别重复上述步骤。上述步骤。n n该方法能减少删除特征点的可能性，但计算工作量大，且只有所以数据完成数字化后该方法能减少删除特征点的可能性，但计算工作量大，且只有

29、所以数据完成数字化后才能压缩。才能压缩。现在学习的是第35页，共48页矢量数据结构的属性数据表达n nn属性特征类型属性特征类型n nn 类别特征：是什么类别特征：是什么n nn 说明信息：同类目标的不同特征说明信息：同类目标的不同特征n nn属性特征表达属性特征表达n nn 类别特征：类型编码类别特征：类型编码n nn 说明信息：属性数据结构和表格说明信息：属性数据结构和表格n nn属性表的内容取决于用户属性表的内容取决于用户n nn图形数据和属性数据的连接通过目标识别图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记符或内部记 录号实现。录号实现。现在学习的是第36页，共48页矢量数据结构的属

30、性数据表达点状对象目标标识目标标识地物编码坐标关联的线目标精度控制点等级测量单位测量年限线状对象目标标识目标标识地物编码坐标串起点、终点、左面、右面路面材料等级修建时间宽度管养单位面状对象目标标识目标标识地物编码边界目标号建筑日期所有者建筑面积建筑单位结构空间对象地物编码地物名称制图颜色几何类型制图符号编码属性表明地物类型特征与制图属性现在学习的是第37页，共48页矢量数据结构的特点：矢量数据结构的特点：矢量数据结构的特点：矢量数据结构的特点：n n用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含n n用拓扑关系描述空间对象之间的关系用拓扑关系描

31、述空间对象之间的关系n n面向目标操作，精度高，数据冗余度小面向目标操作，精度高，数据冗余度小n n与遥感等图象数据难以结合与遥感等图象数据难以结合n n输出图形质量号，精度高输出图形质量号，精度高例：ESRI公司提出的矢量数据结构数据模型coverage和shapefiles，都是地理关系数据模型。coverage基于拓扑结构，以弧段位基本存储单位；shapefiles为简单数据结构，共享弧段重复存储。现在学习的是第38页，共48页第三节第三节 两种数据结构的比较与转换两种数据结构的比较与转换矢量数据优点优点：表示地理数据的精度较高表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小严密的数据结构

32、，数据量小完整的描述空间关系完整的描述空间关系图形输出精确美观图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标而且能方便的记录每个目标的具体属性信息的具体属性信息缺点：缺点：数据结构复杂数据结构复杂矢量叠置较为复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件技术复杂，特别是软硬件栅格数据优点优点：数据结构简单数据结构简单空间数据的叠置和组合方便空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行各类空间分析很易于进行数学模拟方便数学模拟方便缺点

33、：缺点：图形数据量大图形数据量大用大像元减少数据量时，精用大像元减少数据量时，精度和信息量受损度和信息量受损地图输出不美观地图输出不美观难以建立网络连接关系难以建立网络连接关系投影变换比较费时投影变换比较费时现在学习的是第39页，共48页数据结构选择原则qq要素还是位置？qq可获取的数据qq定位要素的必要精度qq需要什么类型的要素qq需要什么类型的拓扑关联qq所需空间分析类型qq生产地图类型现在学习的是第40页，共48页矢量数据向栅格数据转换n n点的变换 现在学习的是第41页，共48页矢量数据向栅格数据转换n n矢量线段的变换现在学习的是第42页，共48页矢量数据向栅格数据转换n n多边形数

34、据的转换(边界代数算法、内部点扩散法、射线算法）现在学习的是第43页，共48页矢量数据向栅格数据转换边界代数算法边界代数算法 现在学习的是第44页，共48页栅格数据向矢量数据转换n n二值化 现在学习的是第45页，共48页栅格数据向矢量数据转换n n细化（剥皮法、骨架法）现在学习的是第46页，共48页栅格数据向矢量数据转换n n跟踪 现在学习的是第47页，共48页思考与练习思考与练习n n空间实体可抽象为哪几种基本类型？它们在矢量数据结构和栅格空间实体可抽象为哪几种基本类型？它们在矢量数据结构和栅格数据结构分别是如何表示的？数据结构分别是如何表示的？n n叙述四种栅格数据存储的压缩编码方法。叙述四种栅格数据存储的压缩编码方法。n n叙述四种叙述四种矢量数据结构编码。矢量数据结构编码。矢量数据结构编码。矢量数据结构编码。n n叙述叙述矢量数据压缩。矢量数据压缩。n n试写出矢量和栅格数据结构的模式，并列表比较其优缺点。试写出矢量和栅格数据结构的模式，并列表比较其优缺点。n n叙述由矢量数据向栅格数据的转换的方法。叙述由矢量数据向栅格数据的转换的方法。n n叙述由栅格数据向矢量数据的转换的方法。叙述由栅格数据向矢量数据的转换的方法。n n简述栅格到矢量数据转换细化处理的两种基本方法。简述栅格到矢量数据转换细化处理的两种基本方法。现在学习的是第48页，共48页