GIS原理與應用-4 空間數(shù)據(jù)采集與處理

第四章空間數(shù)據(jù)采集與處理一、空間數(shù)據(jù)采集二、空間數(shù)據(jù)處理四、空間數(shù)據(jù)質量分析與控制三、空間數(shù)據(jù)索引主要內(nèi)容:21）數(shù)據(jù)采集在GIS中的地位以數(shù)據(jù)為處理線索硬件∶軟件∶數(shù)據(jù)=1∶2∶7汽油數(shù)據(jù)一、空間數(shù)據(jù)采集32）數(shù)據(jù)采集任務將現(xiàn)有的地圖、外業(yè)觀測成果、航空像片、遙感圖片數(shù)據(jù)、文本資料等轉換成GIS可以接受的數(shù)字形式。數(shù)據(jù)庫入庫之前進行驗證、修改、編輯等處理，保證數(shù)據(jù)在內(nèi)容和邏輯上的一致性。不同的數(shù)據(jù)來源要用到不同的設備和方法。數(shù)據(jù)的轉換裝載數(shù)據(jù)處理：幾何糾正、圖幅拼接、拓撲生成等44.1空間數(shù)據(jù)的采集與組織ThemostexpensivepartofaGISprojectisdatabaseconstruction.數(shù)據(jù)是GIS的血液

數(shù)字線劃數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型地物的屬性數(shù)據(jù)5項目第一手數(shù)據(jù)第二手數(shù)據(jù)非電子數(shù)據(jù)平板儀測量、工程測量筆記、航空像片、人口普查社會經(jīng)濟調查地圖統(tǒng)計圖表電子數(shù)據(jù)全站儀，GPS數(shù)據(jù)，地球物理，地球化學，遙感數(shù)據(jù)，其它測量與監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)庫64.1.1數(shù)據(jù)采集

包括空間數(shù)據(jù)采集和屬性數(shù)據(jù)采集一、空間數(shù)據(jù)采集常規(guī)測量工作全站儀測量

GPS測量

地圖數(shù)字化

數(shù)字攝影測量（DPS）

遙感技術7891011二、屬性數(shù)據(jù)采集（專業(yè)與專題工作）

社會調查，記錄統(tǒng)計匯總遙感專用監(jiān)測儀器測試數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測與采樣數(shù)據(jù)（水，大氣等）124.1.2圖形數(shù)據(jù)的輸入

圖形數(shù)字化一、手工鍵盤輸入1輸入矢量數(shù)據(jù)

輸入坐標值2輸入柵格數(shù)據(jù)按行列號輸入各象元的屬性1314二、手扶跟蹤數(shù)字化儀輸入1手扶跟蹤數(shù)字化儀簡介(Digitizer)電磁感應板接口計算機15Calcomp

DrawingboardⅢ型數(shù)字化儀162數(shù)字化過程

將待數(shù)字化的資料固定在圖形輸入板上輸入至少四個控制點的坐標和圖幅范圍逐項數(shù)字化圖幅內(nèi)的各點、線點方式(PointMode)

流方式(StreamMode)

距離流(DistanceStream)

時間流(TimeStream)

分層數(shù)字化17GIS中的地圖跟蹤數(shù)字化軟件基本功能：1圖幅信息錄入和管理功能

即對所需數(shù)字化的地圖的比例尺、圖幅號、成圖時間、坐標系統(tǒng)、投影等信息進行錄入和管理。這是所采集的矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質量的基本依據(jù)。2特征碼清單設置

由圖例符號構成的格網(wǎng)狀清單，每種類型的符號占特征碼清單是指安放在數(shù)字化儀臺面或屏幕上的清單中的一格。在數(shù)字化時只要點中特征碼清單區(qū)的符號所在的網(wǎng)格，就可知道所數(shù)字化要素的編碼，以方便屬性碼的輸入。地圖跟蹤數(shù)字化軟件應能使用戶方便地按自己的意愿設置和定義特征碼清單。183數(shù)字化鍵值設置

即設置數(shù)字化標識器上各按鍵的功能，以符合用戶的習慣。4數(shù)字化參數(shù)定義

主要是指系統(tǒng)應能選定不同類型的數(shù)字化儀，并確定數(shù)字化儀與主機的通訊接口。5數(shù)字化方式的選擇

主要是指選擇點方式還是流方式等進行數(shù)字化。6控制點輸入功能

應能提示用戶輸入控制點坐標，以便于進行隨后的幾何糾正。19三、自動掃描輸入柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)的轉換

全自動矢量化

半自動矢量化(R2V)

交互式矢量化（屏幕數(shù)字化）20Rasterimagetovectormap

圖象二值化(threshold)

平滑(Smoothing)

細化（Thinning)

邊界跟蹤(FreemanEncoding)

矢量線提取數(shù)據(jù)壓縮21AutoCAD環(huán)境下的數(shù)字化方法調入圖象用CAD點、線工具跟蹤圖象中需要數(shù)字化的邊界分層數(shù)字化所有需要的信息將圖形文件予以保存22圖4-2Contex大幅面工程圖紙掃描儀2324四、解析測圖儀空間數(shù)據(jù)輸入

由航空或航天立體象對重建三維立體模型，測量地面三維坐標，并傳輸?shù)接嬎銠C25六、已有數(shù)字形式空間數(shù)據(jù)的輸入遙感數(shù)據(jù)其他與GIS數(shù)據(jù)庫不兼容的數(shù)字化信息264.1.3屬性數(shù)據(jù)的輸入

屬性(Attribute)數(shù)據(jù)：空間實體的特征數(shù)據(jù)，一般包括名稱、等級、數(shù)量、代碼等多種形式。直接記錄在柵格或矢量數(shù)據(jù)文件中單獨輸入數(shù)據(jù)庫存儲，通過關鍵字（ID碼）與圖形數(shù)據(jù)聯(lián)系一般采用鍵盤輸入對照圖形輸入預先建立屬性表輸入屬性數(shù)據(jù)，然后根據(jù)關鍵字與圖形數(shù)據(jù)自動關聯(lián)27284.1.4GIS數(shù)據(jù)的檢核與編輯目的：消除數(shù)據(jù)輸入過程中引入的錯誤和誤差空間點位不正確變形空間點位和線段的丟失或重復線段過長或過短面域不封閉區(qū)域中心識別碼的遺漏結點代碼和區(qū)域代碼不能符合拓撲一致性屬性的錯誤分類錯誤編碼和誤輸入29房屋形狀變形多邊形不封閉線段過頭與不及結點不重合多邊形自身交叉多邊形邊界不重合而產(chǎn)生碎屑多邊形碎屑多邊形幾種典型的空間數(shù)據(jù)采集錯誤和誤差形式30數(shù)據(jù)檢核：目視檢核機器檢核圖形疊合比較法屬性數(shù)據(jù)檢核邏輯檢核31數(shù)據(jù)檢核：通過圖形實體與其屬性的聯(lián)合顯示，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化中的遺漏、重復、不匹配等錯誤；

在屏幕上用地圖要素對應的符號顯示數(shù)字化的結果，對照原圖檢查錯誤；把數(shù)字化的結果繪圖輸出在透明材料上，然后與原圖疊加以發(fā)現(xiàn)錯漏；4對等高線，通過確定最低和最高等高線的高程及等高距，編制軟件來檢查高程的賦值是否正確；32對于面狀要素，可在建立拓撲關系時，根據(jù)多邊形是否閉合來檢查，或根據(jù)多邊形與多邊形內(nèi)點的匹配來檢查等；對于屬性數(shù)據(jù)，通常是在屏幕上逐表、逐行檢查，也可打印出來檢查；對于屬性數(shù)據(jù)還可編寫檢核程序，如有無字符代替了數(shù)字，數(shù)字是否超出了范圍，等等；8對于圖紙變形引起的誤差，應使用幾何糾正來進行處理。33編輯圖形編輯建立拓撲關系屬性編輯地物類型圖形編輯建立拓撲關系屬性編輯創(chuàng)建點目標創(chuàng)建直線創(chuàng)建折線創(chuàng)建光滑曲線創(chuàng)建多邊形創(chuàng)建橢圓創(chuàng)建圓創(chuàng)建圓弧創(chuàng)建矩形注記刪除元素創(chuàng)建線狀目標人工建立多邊形自動建立多邊形拓撲關系裝配復雜地物刪除一類地物輸入屬性屬性人工連接切斷屬性聯(lián)接屬性自動聯(lián)接刪除屬性修改屬性拷貝屬性刪除實體修改圖形拷貝移動旋轉平行線鏡面反射聯(lián)接元素斷開聯(lián)接顯示漫游開窗切割關閉窗口整體放大整體縮小開窗放大開窗縮小34點編輯線編輯面編輯目標編輯刪除移動拷貝旋轉追加水平對齊垂直對齊刪除移動拷貝追加旋轉（改向）剪斷光滑求平行線弧段加點弧段刪點弧段移點刪除弧段移動弧段插入弧段剪斷弧段刪除目標旋轉目標拷貝目標移動目標放大目標縮小目標開窗口GIS的圖形編輯35點的捕捉圖幅坐標與屏幕坐標的轉換設光標點為S(x,y)，某點狀要素的坐標為A(X,Y)，可設捕捉半徑D36線的捕捉圖幅坐標與屏幕坐標的轉換設光標點為S(x,y)線的坐標串已知，計算S到每個直線段的距離，若最小值小于D則捕捉成功快速辦法：將線的最小外接矩形向外擴展D，先判斷S是否在該矩形內(nèi)，再按照以上方法捕捉37面的捕捉實質是面在多邊形內(nèi)的判斷設光標點為S(x,y)

射線法先確定最小外接矩形看是否可能捕捉384.1.6空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接

在空間數(shù)據(jù)輸入時為圖形實體附加特征編碼，進行交互式編輯采用專用程序自動將屬性數(shù)據(jù)與空間實體數(shù)據(jù)連接起來（通過標識符） 因GIS系統(tǒng)而異，以ARC/INFO為例，通過機內(nèi)代碼和用戶標識碼建立空間實體和屬性的連結3940屬性數(shù)據(jù)的編碼——編碼原則

系統(tǒng)性和科學性：滿足所涉及學科的科學分類方法，能反映出同一類型中不同的級別特點。一致性：對代碼所定義的同一專業(yè)名詞、術語必須是唯一的。標準化和通用性：有國家或行業(yè)標準的要按標準進行，沒有標準的必須考慮在有可能的條件下實現(xiàn)標準化。簡捷性：在滿足國家標準的前提下、每一種編碼應該是以最小的數(shù)據(jù)量載負最大的信息量。可擴展性：編碼的設置應留有擴展的余地，避免新對象的出現(xiàn)而使原編碼系統(tǒng)失效、造成編碼錯亂現(xiàn)象。41屬性數(shù)據(jù)的編碼——編碼內(nèi)容

登記部分：用來標識屬性數(shù)據(jù)的序號，可以是簡單的連續(xù)編號，也可劃分不同層次進行順序編碼；分類部分：用來標識屬性的地理特征，可采用多位代碼反映多種特征；控制部分：用來通過一定的查錯算法，檢查在編碼、錄入和傳輸中的錯誤，在屬性數(shù)據(jù)量較大情況下具有重要意義。

42屬性數(shù)據(jù)的編碼——編碼方法

層次分類編碼法：是按照分類對象的從屬和層次關系為排列順序的一種代碼，它的優(yōu)點是能明確表示出分類對象的類別，代碼結構有嚴格的隸屬關系。耕地71園地

72林地

73牧草地74居民點及公礦用地

75交通用地75水域

76未利用地

77土地利用類型7有林地

731灌木地

732疏林地733跡地

735針葉樹疏林地7331闊葉樹疏林地7332未成林林地734437）空間數(shù)據(jù)采集——圖形數(shù)據(jù)的采集采集基本模式有兩種：

①將地理信息實體以x,y坐標的形式，以順時針或逆時針方法依次輸入。

②用點、線、多邊形和格網(wǎng)鄰接的方法表示地理實體。特征數(shù)碼位置點11x,y（點）線21x1,y1,x2,y2,...,xn,yn(線）面31x1,y1,x2,y2,...,xn,yn（面）44空間數(shù)據(jù)采集——圖形數(shù)據(jù)的采集空間數(shù)據(jù)采集方法：手扶跟蹤數(shù)字化儀采集攝影測量數(shù)字化采集掃描跟蹤數(shù)字化采集外業(yè)實地數(shù)字化采集選擇采集方法的依據(jù)是如何應用圖形數(shù)據(jù)，圖形數(shù)據(jù)類型，現(xiàn)有設備狀況，現(xiàn)有人力，物力，財力狀況等。45空間數(shù)據(jù)采集——圖形數(shù)據(jù)的采集數(shù)字化設備：數(shù)字化儀、掃描儀、攝影測量設備特點：范圍大，速度快使用范圍：大面積GIS數(shù)據(jù)采集、資源普查等數(shù)字化儀掃描儀數(shù)字攝影測量工作站野外測量：大平板、全站儀、GPS、移動測繪系統(tǒng)特點：精度高、效率較低適合范圍：小范圍GIS數(shù)據(jù)采集或局部數(shù)據(jù)更新46空間數(shù)據(jù)采集——數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)交換文件GISAGISAGISBGISB內(nèi)部文件外部文件內(nèi)部文件外部文件

GISA數(shù)據(jù)交換標準OpenGISInternet/Intranet47空間數(shù)據(jù)采集——方案隨機采樣系統(tǒng)采樣系統(tǒng)隨機采樣可變系統(tǒng)采樣蔟聚采樣斷面采樣等高線采樣48空間數(shù)據(jù)采集——流程計劃調查編輯處理評價準備收集數(shù)字化49空間數(shù)據(jù)編輯的必要性修正數(shù)據(jù)輸入錯誤維護數(shù)據(jù)的完整性和一致性更新地理信息空間數(shù)據(jù)一般性錯誤數(shù)據(jù)不完整、重復空間數(shù)據(jù)位置不正確空間數(shù)據(jù)比例尺不準確空間數(shù)據(jù)變形幾何和屬性連接有誤屬性數(shù)據(jù)不完整錯誤檢查主要方法疊合比較法目視檢查法邏輯檢查法二、空間數(shù)據(jù)處理50數(shù)字化錯誤的原因

1）遺漏某些實體；

2）某些實體重復錄入；

3）定位不準確；

4）人的主觀因素；實際地物

不及

過頭

51數(shù)字化錯誤的具體表現(xiàn)

1）偽節(jié)點（PseudoNode）

偽節(jié)點522）懸掛節(jié)點（DanglingNode）

多邊形不封閉

節(jié)點不重合

533）“碎屑”多邊形或“條帶”多邊形（SliverPolygon）

544）不正規(guī)的多邊形（WeirdPolygon）

(a)正常多邊形

(b)不正規(guī)多邊形

55主要內(nèi)容:1、坐標轉換

2、數(shù)據(jù)格式轉換

3、投影轉換

4、空間數(shù)據(jù)壓縮

5、圖幅拼接

6、拓撲關系生成

7、其他56空間數(shù)據(jù)處理1.圖形坐標變換基本坐標變換

1）平移X’=X+TxY’=Y+Ty

2）縮放X’=XSxY’=YSy

3）旋轉X’=Xcosθ+YsinθY’=-Xsinθ+Ycosθ

57坐標變換58X方向Y方向平移

旋轉

縮小

59仿射變換（Affinetranformation）二維仿射變換

正交變換

60數(shù)值變換：根據(jù)兩種投影在變換區(qū)內(nèi)的若干同名數(shù)字化點，建立變換公式612.數(shù)據(jù)格式轉換建立兩種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換模塊一個系統(tǒng)可以操作和調用其他格式的數(shù)據(jù)GIS軟件GIS軟件GIS軟件GIS軟件GIS軟件62通過兩個系統(tǒng)之間的外部數(shù)據(jù)交換文件進行系統(tǒng)A內(nèi)部文件系統(tǒng)A外部交換文件系統(tǒng)B內(nèi)部文件系統(tǒng)B外部交換文件交換交換二次轉換三次轉換63通過兩個系統(tǒng)之間的外部數(shù)據(jù)交換文件進行SystemA內(nèi)部格式SystemA外部格式SystemB外部格式SystemB內(nèi)部格式64

通過標準格式進行兩個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換如：轉換成DXF（圖形交換文件）和DBF格式我國的空間數(shù)據(jù)交換格式標準CNSDTF系統(tǒng)A內(nèi)部文件標準空間數(shù)據(jù)交換文件系統(tǒng)B內(nèi)部文件65通過標準格式進行兩個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換公共交換格式標準SpatialDataBSpatialDataASpatialDataDSpatialDataC66通過OpenGIS的空間數(shù)據(jù)交換—互操作GIS系統(tǒng)A內(nèi)部文件標準API函數(shù)系統(tǒng)B內(nèi)部文件標準API函數(shù)67直接讀寫異構空間數(shù)據(jù)庫GISAGISBGISCDBADBBDBC68DriverADatabaseADriverCDriverBDatabaseCDatabaseB公共API函數(shù)GIS1GIS2GIS3GIS4基于公共API函數(shù)的互操作（OGIS)69GIS中空間分析（如疊置分析）要求所有的地理信息必須是同種投影。

1）正解變換：建立由一種投影到另一種投影的嚴密或近似的解析關系式

2）反解變換：由一種投影坐標反解出地理坐標（經(jīng)度和緯度），再把地理坐標代入另一種投影坐標計算公式中進行計算；3）數(shù)值變換：根據(jù)兩種投影在變換區(qū)內(nèi)的已知坐標的同名變換點，利用某種數(shù)值方法（待定系數(shù)最小二乘法、有限差分法等），實現(xiàn)兩種坐標之間的變換；3.投影變換70投影變換：投影A（x，y）投影B（X，Y）正解變換：解析函數(shù)關系X=f(x,y)，Y=g(x,y)反解變換：經(jīng)緯度B=f(x,y),L=g(x,y)X=F(B,L),Y=G(B,L)數(shù)值變換：數(shù)學方法714.空間數(shù)據(jù)壓縮處理1)間隔取點法2)垂距法和偏角法3)Douglas-Peucker方法主要介紹矢量數(shù)據(jù)的壓縮編碼方法。主要是根據(jù)線性要素中心軸線和面狀要素的邊界線的特征，在保持規(guī)定的精度范圍內(nèi)，減少弧段矢量坐標串中頂點的個數(shù)。721)間隔取點法特點：可大量減少弧段頂點序列中點的個數(shù)，但不一定能恰當?shù)乇Ａ艋《吻€的大彎曲部分。732)垂距法和偏角法74在曲線上取有限個點，將其變?yōu)檎劬€，并且能夠在一定程度上保持原有的形狀。

1）在曲線首尾兩點A、B之間連接一條直線段AB，該直線稱為曲線的弦；2）得到曲線上離該直線段距離最大的點C，并計算其與AB的距離d；3）比較該距離與預先給定閾值ε的大小，如果小于ε，則將該直線段作為曲線的近似，該段曲線處理完畢；4）如果距離大于閾值，則用C將曲線分為兩段AC和BC，并分別對兩段曲線進行1-3步的處理。5）當所有曲線都處理完畢后，依次連接各個分割點形成的折線，即可以作為曲線的近似。

3)Douglas-Peucker方法75(a)(b)(c)(d)(e)(f)ABCd曲線的離散算法

765.圖幅拼接

以兩相鄰地圖圖形的部分重疊區(qū)為基礎，把它們合成為一幅整圖的過程叫做圖幅拼接，分上下拼接和左右拼接。以左右拼接為例，取左圖右邊緣一個矩形區(qū)域A，取右圖左邊緣一個矩形區(qū)域B，如果A和B有一定的重疊區(qū)，可以利用計算機實現(xiàn)自動的匹配。77圖形拼接原因：1）掃描的圖幅較大：2）使用了小型的數(shù)字化儀器；3）所掃描的地圖本身就是分幅的；圖形拼接方法：

1、2種情況進行邊緣匹配處理；

3種情況多先進行投影變換，再拼接78(a)拼接前；（b）拼接中的邊緣不匹配；(c)調整后的拼接結果

79圖幅拼接步驟

1)邏輯一致性的處理(屬性)

利用交互編輯的方法處理邏輯裂縫屬性A屬性B80

2)識別和檢索相鄰圖幅

將待拼接的圖幅數(shù)據(jù)編號：十位數(shù)表示橫向順序，各位數(shù)表示縱向順序；

圖幅數(shù)據(jù)的邊緣匹配主要針對跨越相鄰圖幅的線段或弧而言的，多提取圖幅邊界2cm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)作為匹配和處理的目標。81

3)相鄰圖幅邊界點坐標數(shù)據(jù)匹配

匹配條件：相鄰圖幅邊界兩條線段或弧段左右碼各自相同或相反；相鄰圖幅同名邊界點坐標在某一允許值范圍內(nèi)；824)相同屬性多邊形公共邊界的刪除

83公共邊界消除后，要對對象進行相關屬性的更新（如面積、周長等）

84以多邊形（具有公共邊界）為例進行介紹(1)結點匹配ABC三個沒有吻合在一起的弧段端點結點匹配處理后產(chǎn)生同一結點6.拓撲關系建立85誤差修正一般過程：設定容許值連接接點重建拓撲關系86(2)建立結點-弧段拓撲關系

產(chǎn)生兩個文件表：結點所關聯(lián)的弧段弧段兩端的結點87(3)多邊形自動生成：實際是建立多邊形-弧段拓撲關系，并將弧段關聯(lián)的左右多邊形填入弧段文件中。各結點關聯(lián)的弧段按方位角大小排序（由x軸逆時針方向量算）88各結點關聯(lián)的弧段按方位角大小排序（由x軸逆時針方向量算）OABCXY89多邊形自動生成過程90拓撲關系的自動生成（關鍵在于左右多邊形的確定）

在多邊形生成過程中判斷添加在完成多邊形建立后根據(jù)坐標判斷建立917.地圖剪裁把一幅圖像裁成兩兩相鄰的規(guī)則(不規(guī)則)圖塊的過程稱為地圖裁剪。即把大區(qū)域的空間數(shù)據(jù)分割為小區(qū)域數(shù)據(jù)的過程。

用戶以給定的空間范圍（窗口），進行空間數(shù)據(jù)的提取，包括提取窗口內(nèi)的空間實體及其屬性。92分割窗口為矩形1）點要素層剪裁窗口的坐標（Xmin,Ymin）和(Xmax,Ymax)待判定點坐標P(x,y)Xmin<Xp<xmax

且Ymin<Yp<Ymax932）線要素層剪裁空間劃分（9個子區(qū)）對線段的兩個端點AB編碼判斷

（1）如果AB的4位碼都是“0”，則接受

（2）若AB端點碼對應位邏輯“與”不為“0”，則舍

（3）若不符合1，2則求線段與窗口的交點，根據(jù)交點進行線段的取

舍3）多邊形的剪裁940000100100010101100001001010001001102）線要素層剪裁95分割窗口為任意形狀窗口判斷空間數(shù)據(jù)庫中的點是否位于窗口多邊形的最小外接矩形內(nèi)；不在則舍去；如果在，則使用鉛垂線法判斷是否在窗口多邊形內(nèi)；弧段：判斷組成弧段的各條線段是否與窗口多邊形各邊有交點，如有：計算交點，對點進行裁剪。96三、空間索引

概念：

是指依據(jù)空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關系按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結構，其中包含空間對象的概要信息，如對象的標識、外接矩形及指向空間對象實體的指針。

空間索引類型971）實體范圍索引記錄每個空間實體的外接矩形的最大和最小坐標。特點：沒有建立真正的空間索引文件，依靠空間計算來進行判別，仍然需要對整個數(shù)據(jù)文件的空間實體進行檢索，花費時間較大。982）格網(wǎng)型空間索引基本思想是將研究區(qū)域用