《地理信息系統(tǒng)應(yīng)用》教案-能選擇合適的地理信息數(shù)據(jù)源

1、教 案模塊二 空間數(shù)據(jù)采集知識(shí)點(diǎn)一 GIS的數(shù)據(jù)來(lái)源及特征一、GIS數(shù)據(jù)來(lái)源地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源是指建立地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)所需要的各種類型數(shù)據(jù)的來(lái)源。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源是多種多樣的（如圖2.1），隨系統(tǒng)功能的不同而不同。 地圖數(shù)據(jù)各種類型的地圖是GIS最主要的數(shù)據(jù)源，因?yàn)榈貓D是地理數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)描述形式，是具有共同參考坐標(biāo)系統(tǒng)的點(diǎn)、線、面的二維平面形式的表示，內(nèi)容豐富，圖上實(shí)體間的空間關(guān)系直觀，而且實(shí)體的類別或?qū)傩钥梢杂酶鞣N不同的符號(hào)加以識(shí)別和表示。我國(guó)大多數(shù)的GIS系統(tǒng)其圖形數(shù)據(jù)大部分都來(lái)自地圖。但由于地圖以下的特點(diǎn)，對(duì)其應(yīng)用時(shí)須加以注意：1.地圖存儲(chǔ)介質(zhì)的缺陷 由于地圖多為紙質(zhì)，由于存放條件

2、的不同，都存在不同程度的變形，具體應(yīng)用時(shí)，須對(duì)其進(jìn)行糾正。2.地圖現(xiàn)勢(shì)性較差 由于傳統(tǒng)地圖更新需要的周期較長(zhǎng)，造成現(xiàn)存地圖的現(xiàn)勢(shì)性不能完全滿足實(shí)際的需要。3.地圖投影的轉(zhuǎn)換 由于地圖投影的存在，使得對(duì)不同地圖投影的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行交流前，須先進(jìn)行地圖投影的轉(zhuǎn)換。 遙感影像數(shù)據(jù)遙感影像是GIS中一個(gè)極其重要的信息源。它對(duì)空間信息的描述主要是通過(guò)不同的顏色和灰度來(lái)表示的。這是因?yàn)榈匚锏慕Y(jié)構(gòu)、成分、分布等不同，其反射光譜特性和發(fā)射光譜特性也各不相同，傳感器記錄的各種地物在某一波段的電磁輻射反射能量也各不相同，反映在遙感圖像上，則表現(xiàn)為不同的顏色和灰度信息。遙感技術(shù)獲取信息具有范圍大、速度快、信息廣的特點(diǎn)

3、，長(zhǎng)期在地球軌道上運(yùn)行的遙感衛(wèi)星可以時(shí)時(shí)刻刻向地面?zhèn)魉吞綔y(cè)到的信息。遙感信息中有空間位置信息，也有屬性信息。目前遙感影像已經(jīng)在土地、地質(zhì)、水文、土壤、植被、氣象等多個(gè)行業(yè)中獲得了成功的應(yīng)用。例如土地管理部門已經(jīng)成功將遙感技術(shù)運(yùn)用于土地利用現(xiàn)狀調(diào)查和土地利用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中。 數(shù)字化測(cè)繪數(shù)據(jù)隨著測(cè)繪儀器的更新和測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)方法逐漸被數(shù)字測(cè)繪技術(shù)方法所取代。各種測(cè)繪新技術(shù)可直接獲得矢量數(shù)據(jù)，主要有GPS的定位數(shù)據(jù)、全站儀外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)可以形成高精度的地形、地籍和其他專題電子地圖，是GIS的一個(gè)很準(zhǔn)確和很現(xiàn)勢(shì)的資料。 其他GIS數(shù)據(jù)源1實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

4、數(shù)據(jù)目前，隨著各種專題圖件的制作和各種GIS系統(tǒng)的建立，直接獲取圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的可能性越來(lái)越大。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)也成為GIS信息源不可缺少的部分，對(duì)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的利用要注意數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)精度、可信度的問(wèn)題。圖2.1 GIS數(shù)據(jù)源2社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)常常也是GIS的數(shù)據(jù)源。如人口數(shù)量、人口構(gòu)成、國(guó)民生產(chǎn)總值等等。3各種文字報(bào)告和立法文件各種文字報(bào)告和立法文件在一些管理類的GIS系統(tǒng)中，有很大的應(yīng)用，如在城市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)中，各種城市管理法規(guī)及規(guī)劃報(bào)告在規(guī)劃管理工作中起著很大的作用。對(duì)于一個(gè)多用途的或綜合型的系統(tǒng)，一般都要建立一個(gè)大而靈活的數(shù)據(jù)庫(kù)，以支持其非常廣泛的應(yīng)用范圍。而對(duì)于專

5、題型和區(qū)域型統(tǒng)一的系統(tǒng)，則數(shù)據(jù)類型與系統(tǒng)功能之間具有非常密切的關(guān)系。二、 GIS數(shù)據(jù)特征如前所述，表達(dá)地理實(shí)體的GIS數(shù)據(jù)一般具有三個(gè)基本特征：屬性特征（非定位數(shù)據(jù)），表示實(shí)際現(xiàn)象或特征，例如變量、級(jí)別、數(shù)量特征和名稱等等?？臻g特征（定位數(shù)據(jù)），表示現(xiàn)象的空間位置或現(xiàn)在所處的地理位置?？臻g特征又稱為幾何特征或定位特征，一般以坐標(biāo)數(shù)據(jù)表示，例如笛卡爾坐標(biāo)等。時(shí)間特征（時(shí)間尺度），指現(xiàn)象或物體隨時(shí)間的變化，其變化的周期有超短期的、短期的、中期的、長(zhǎng)期的等等。知識(shí)點(diǎn)二 幾何數(shù)據(jù)的采集數(shù)據(jù)采集是將現(xiàn)有的地圖、外業(yè)觀測(cè)成果、航空相片、遙感圖像、文本資料等轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)可以處理與接收的數(shù)字形式，它是構(gòu)建地理信

6、息數(shù)據(jù)庫(kù)的首要工作。主要包括三方面的工作即：幾何數(shù)據(jù)的采集；屬性數(shù)據(jù)的采集；幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接。在GIS的幾何數(shù)據(jù)采集中，目前主要包括地圖跟蹤數(shù)字化，基于遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，地圖掃描矢量化進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得幾何數(shù)據(jù)，基于外業(yè)電子數(shù)據(jù)采集獲取幾何數(shù)據(jù)等幾種方法。 地圖跟蹤數(shù)字化跟蹤數(shù)字化(tracing digitizing)是目前應(yīng)用最廣泛的一種地圖數(shù)字化方式，是通過(guò)記錄數(shù)字化板上的點(diǎn)的平面坐標(biāo)來(lái)獲取矢量數(shù)據(jù)的。其基本過(guò)程是：將需要數(shù)字化的圖件（地圖、航片等）固定在數(shù)字化板上，然后設(shè)定數(shù)字化范圍，輸入有關(guān)參數(shù)，設(shè)置特征碼清單，選擇數(shù)字化方式（點(diǎn)方式和流方式等），就可以按地圖要素

7、的類別分別實(shí)施圖形數(shù)字化了。基于遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取遙感是以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，它利用遙感器從空中來(lái)探測(cè)地面物體，根據(jù)不同物體對(duì)波譜產(chǎn)生不同響應(yīng)的原理，識(shí)別地面上各類地物。遙測(cè)的結(jié)果如果是記錄在照片上，得到光學(xué)圖像；如果是數(shù)字方式記錄下來(lái)（一般是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息），得到數(shù)字圖像。無(wú)論是光學(xué)圖像還是數(shù)字圖像都必須經(jīng)過(guò)處理才能獲得所需要的信息。影像處理的內(nèi)容包括幾何糾正、信息增強(qiáng)、信息提取以及信息復(fù)合和分類等步驟。以數(shù)字正射影像圖（DOM）為數(shù)據(jù)源，依據(jù)影像特征，獲取土地利用信息的內(nèi)業(yè)解譯工藝流程如圖2.2。數(shù)據(jù)拓?fù)涮幚頂?shù)據(jù)接邊入庫(kù)圖2.2 基于數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)提取土地利用信息工

8、藝流程圖內(nèi)業(yè)解譯分層矢量化檢查修改是否合格NY檢查修改是否合格NY檢查修改是否合格NY元數(shù)據(jù)制作元數(shù)據(jù)文件元數(shù)據(jù)制作已有土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)DOM 地圖掃描數(shù)字化地圖掃描數(shù)字化是目前較為先進(jìn)的地圖數(shù)字化方式，也是今后的發(fā)展方向，但要實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化還要做大量艱苦的努力，目前所能提供的掃描數(shù)字化軟件是半自動(dòng)化的，還需做相當(dāng)一部分的人機(jī)交互工作。地圖掃描數(shù)字化的基本思想是：首先通過(guò)掃描將地圖轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，然后采用柵格數(shù)據(jù)矢量化的技術(shù)追蹤出線和面，采用模式識(shí)別技術(shù)識(shí)別出點(diǎn)和注記，并根據(jù)地圖內(nèi)容和地圖符號(hào)的關(guān)系，自動(dòng)給矢量數(shù)據(jù)賦以屬性值。與地圖跟蹤數(shù)字化相比，地圖掃描數(shù)字化具有速度快、精度高、自動(dòng)化程度高等

9、優(yōu)點(diǎn)，正在成為GIS中最主要的地圖數(shù)字化方式。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得幾何數(shù)據(jù)隨著地理信息建設(shè)水平的不斷成熟，充分利用已有其它數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為獲取幾何數(shù)據(jù)的重要途徑。在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前應(yīng)先進(jìn)行數(shù)據(jù)格式、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)精度、現(xiàn)勢(shì)性等方面的檢查，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)處理。具體工藝流程見(jiàn)圖2.3。圖2.3 矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工藝流程圖矢量數(shù)據(jù)平面坐標(biāo)系統(tǒng)和投影方式等精度現(xiàn)勢(shì)性數(shù)據(jù)接邊檢查修改是否合格NY入庫(kù)檢查修改是否合格NY檢查修改主要方面檢查修改是否合格NY元數(shù)據(jù)制作元數(shù)據(jù)文件元數(shù)據(jù)制作數(shù)據(jù)拓?fù)涮幚碇R(shí)點(diǎn)三 屬性數(shù)據(jù)的采集及其與空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)屬性數(shù)據(jù)在GIS中是空間數(shù)據(jù)的組成部分。例如，我們需要對(duì)由一條線表

10、征的道路有一個(gè)全面的說(shuō)明，就需要知道道路寬度、表面類型、建筑方法、建筑日期、入口覆蓋、水管、電線、特殊交通規(guī)則、每小時(shí)的車流量等相關(guān)資料，這些信息都是道路的屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)錄入可分為手工錄入、分析計(jì)算和直接導(dǎo)入三種方式。對(duì)于從外業(yè)調(diào)查獲得的紙介質(zhì)屬性值須手工輸入。通過(guò)數(shù)值計(jì)算（如糧食產(chǎn)量=土地面積×畝產(chǎn)量）、空間分析等方法，對(duì)屬性項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算賦值。對(duì)已有土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)的屬性數(shù)據(jù)或外業(yè)采集的電子形式屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、編輯、完善，并直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。為了把空間實(shí)體的幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，必須在幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間有一公共標(biāo)識(shí)符，標(biāo)識(shí)符可以在輸入幾何數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)時(shí)手工輸入，也可以

11、由系統(tǒng)自動(dòng)生成(如用順序號(hào)代表標(biāo)識(shí)符)。只有當(dāng)幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)有一公共標(biāo)識(shí)符后才能將幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)地連接起來(lái)（如圖2.4）；當(dāng)幾何數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)沒(méi)有公共標(biāo)識(shí)碼時(shí)，只有通過(guò)人機(jī)交互的方法，如選取一個(gè)空間實(shí)體，再指定其對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表來(lái)確定兩者之間的關(guān)系，同時(shí)自動(dòng)生成公共標(biāo)識(shí)符。圖斑號(hào)地類號(hào)單位碼權(quán)屬面積(畝)411021304j2.155211021301j0.644711021301j3.404511021301j4.343911021301j28.222811021301j7.522311021301j3.60圖2.4幾何圖斑數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)通過(guò)共有標(biāo)識(shí)符“圖斑號(hào)”進(jìn)行聯(lián)接技能點(diǎn)四

12、基于mapgis工作平臺(tái)，通過(guò)監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類方法解譯獲取遙感圖像信息這一部分，我想能否以軟件介紹的方式介紹下如何在mapgis平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感圖像的監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類的實(shí)施過(guò)程以下介紹MapGIS k9 影像分類功能。（1）監(jiān)督分類監(jiān)督分類是根據(jù)已知類別的樣本觀測(cè)值確定分類準(zhǔn)則, 然后依據(jù)該準(zhǔn)則,通過(guò)選擇特征參數(shù)(如像素亮度值、方差等),建立判別函數(shù),據(jù)此對(duì)影像進(jìn)行分類的過(guò)程。進(jìn)行監(jiān)督分類前,需要先進(jìn)行分類學(xué)習(xí),即定義分類訓(xùn)練AOI區(qū),系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督分類時(shí)將以定義的分類訓(xùn)練AOI區(qū)作為樣本來(lái)確定分類準(zhǔn)則。系統(tǒng)提供了以下八種監(jiān)督分類方法:最大似然法、最小距離、廣義距離、平行六面體、BP神經(jīng)

13、網(wǎng)絡(luò)、WQZ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及高階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這里以最大似然法為例,最大似然法分類是經(jīng)常使用的分類方法,它是通過(guò)求出每個(gè)像元對(duì)于各類別的歸屬概率,把該像元分到歸屬概率最大的類別中去的方法。最大似然法假定訓(xùn)練區(qū)地物的光譜特征和自然界大部分隨機(jī)現(xiàn)象一樣,近似服從正態(tài)分布,利用訓(xùn)練區(qū)可求出均值、方差以及協(xié)方差等特征參數(shù),從而可求出總體的先驗(yàn)概率密度函數(shù)。當(dāng)總體分布不符合正態(tài)分布時(shí),其分類可靠性下降,這種情況下不宜采用最大似然法。監(jiān)督分類前后的效果對(duì)比如下2.5圖所示(以分為四類為例)。圖2.5 注:無(wú)論采用哪一種分類方法,監(jiān)督分類的前提是要求要分類的影像包含A0l信息,在這里曲于我們之前已經(jīng)

14、進(jìn)行過(guò)“AOI編輯”操作,所以我們可以直接對(duì)該影像進(jìn)行監(jiān)督分類,同時(shí),我們可以看到分類后的影像與我們之前所編輯的AOI區(qū)的信息是保持一致的(影像分為四類,每一類的顏色與之前編輯的AOI區(qū)的顏色保持一致)。（2）非監(jiān)督分類非監(jiān)督分類的前提是假定遙感影像上同類物體在同樣條件下具有相同的光譜信息特征。非監(jiān)督分類不必對(duì)影像地物獲取先驗(yàn)知識(shí),僅依靠影像上不同類地物光譜信息(或紋理信息)進(jìn)行特征提取,再統(tǒng)計(jì)特征的差別來(lái)達(dá)到分類的目的,最后對(duì)已分出的各個(gè)類別的實(shí)際屬性進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)提供了ISODATA、最小距離、廣義距離、平行六面體、KOHONEN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、ART神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類、FUZZY ART分類這七種非

15、監(jiān)督分類方法。這里以非監(jiān)督最小距離分類為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。非監(jiān)督分類前后的效果對(duì)比如下圖2.6所示: (以四類為例)圖2.6以上講的是影像分類的有關(guān)內(nèi)容,在該模塊下還提供了分類后處理功能，分類后的影像做進(jìn)一步的處理,包括了精度評(píng)價(jià)、小區(qū)處理、分類結(jié)果編輯、面積統(tǒng)計(jì)以及自動(dòng)生成圖例等。分類后處理圖2.7精度評(píng)價(jià):精度評(píng)價(jià)用來(lái)對(duì)分類后的影像進(jìn)行精度評(píng)價(jià),同時(shí)輸出精度評(píng)價(jià)報(bào)告(txt文本文件)。小區(qū)處理:用于把分類后影像中小于小區(qū)俸數(shù)的區(qū)域合并到最近的較大區(qū)域中。小區(qū)處理前后的效果對(duì)比如下圖2.8所示:圖2.8分類結(jié)果編輯:該模塊下提供了分類結(jié)果編輯功能,對(duì)手影像進(jìn)行分類特別是非監(jiān)督分類后分類的結(jié)果不太

16、理想,需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行刪除合并等操作,并為各類賦上有實(shí)際意義的屬性值時(shí)可以用到此功能。面積統(tǒng)計(jì):該模塊下提供了面積統(tǒng)計(jì)功能,影像分類之后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)分類的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)每類的像元數(shù)和分類面積,該功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)于分類后影像的各個(gè)地類的面積統(tǒng)計(jì)。自動(dòng)生成圖例:該模塊下提供了自動(dòng)生成圖例功能,在影像分類之后,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)分類的信息生成圖例,以便后續(xù)的操作。圖2.9感圖像的解譯就是從遙感圖像上獲取目標(biāo)地物信息的過(guò)程。一、圖像解譯標(biāo)志解譯標(biāo)志是指在遙感圖像上能具體反映和判別地物或現(xiàn)象的影象特征。根據(jù)上述的色調(diào)或顏色、陰影、大小、形狀、紋理、圖案、位置以及組合 8個(gè)解譯要素的綜合，結(jié)合攝影時(shí)間、季節(jié)、圖像的種

17、類、比例尺、地理區(qū)域和研究對(duì)象等，可以整理出不同目標(biāo)在該圖像上所特有的表現(xiàn)形式。即建立識(shí)別目標(biāo)所依據(jù)的影象特征解譯標(biāo)志。二、遙感圖像目視解譯遙感圖像的目視解譯是把解譯者的專業(yè)知識(shí)、區(qū)域知識(shí)、遙感知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)介入到圖像分析中去，根據(jù)遙感圖像上目標(biāo)及周圍的影象特征一色調(diào)、形狀、大小、紋理、圖型等以及影象上目標(biāo)的空間組合規(guī)律等，并通過(guò)地物間的相互關(guān)系，經(jīng)綜合推理、分析來(lái)識(shí)別目標(biāo)。 （1）遙感目視解譯的方法直接判讀根據(jù)遙感影像目視判讀直接標(biāo)志，直接確定目標(biāo)地物屬性與范圍的一種方法。對(duì)比解譯 包括與已知遙感圖像比較、與相鄰遙感影像比較等方法。邏輯推理法綜合考慮遙感圖像的多種判讀特征，結(jié)合生活常識(shí)，分析，推

18、斷某種目標(biāo)地物的方法。地理相關(guān)分析法根據(jù)地理環(huán)境中各種地理要素之間的相互依存、相互制約的關(guān)系，借助專業(yè)知識(shí)，分析推斷某種地理要素性質(zhì)、類型、狀況與分布的方法。即參照有關(guān)地形、地貌、地質(zhì)等資料，結(jié)合遙感圖像進(jìn)行判讀。從線形、水系分析等方面著手，根據(jù)已知的判讀標(biāo)志，判讀未知地段的情況。（2）遙感目視解譯一般程序收集與分析有關(guān)資料根據(jù)工作任務(wù)的性質(zhì)、目的，收集各種資料，如遙感圖像資料、地形圖、地質(zhì)圖等。對(duì)收集到的資料進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析后，制定詳細(xì)的工作計(jì)劃。遙感圖像的增強(qiáng)處理。遙感圖像的應(yīng)用，主要依據(jù)圖像資料進(jìn)行判讀，以獲得所需的信息。因此，應(yīng)采用多種圖像處理手段，以提高判讀效果。通常將光學(xué)圖像處理和計(jì)算機(jī)圖像處理等手段結(jié)合使用。遙感圖像的判讀。初步判讀與判讀區(qū)的野外考察。初步判讀的主要任務(wù)是掌握判讀區(qū)域特點(diǎn)，確立典型判讀樣區(qū)，建立目視判讀標(biāo)志。建立判讀標(biāo)志后，就可以在室內(nèi)詳細(xì)判讀了。野外驗(yàn)證與補(bǔ)判。校對(duì)、檢查、成