空间数据的转换与处理.ppt

第四章 空间数据的转换与处理 l投影变换 l数据格式转换 l数据处理 lArcToolbox l4.1定义投影 在GIS中，空间数据是一个重要的部分。整个GIS 都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和 表现展开的。而原始空间数据本身通常在数据结 构、数据组织、数据表达上和用户自己的信息系 统不一致，就需要对原始数据进行转换与处理， 如投影变换，不同数据格式之间的相互转换，以 及数据的裁切、拼接等处理。以上所述的各种数 据转换与处理均可以利用ArcToolbox中的工具实 现。 l投影变换（projection transformation）是将一种地图投 影点的坐标变换为另一种地图投 影点的坐标的过程,是研究投影点 坐标变换的理论和方法。 GIS中的坐标系定义是GIS系统的基础，正确定 义GIS系统的坐标系非常重要。GIS中的坐标 系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而 基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换 参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系， 首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基 准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基 本概念及它们之间的关系。 大地水准面是由静止海水面并向大陆延伸所形 成的不规则的封闭曲面。它是重力等位面，即 物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个 面上是不会流动的） 地球椭球体只不过是一个具有长半轴，短半轴 和变率的椭球体，可以任意放置的，它没有为 我们规定度量的起点，所以就有基准面的产生 ，而基准面就是规定了度量标准。 基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面 的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准 面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐 标系实际上指的是我国的两个大地基准面.椭球 体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就 是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体 不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的 基准面，一般意义上基准面与参考椭球体是同 一个概念。 对于地理坐标，只需要确定两个 参数，即椭球体和大地基准面。 l地球上同一位置的坐标在不同的基准面上是不 一样的，而基准面是构成坐标系的一个部分， 因为基准面在定位的时候牵扯到了相对地心的 平移或旋转等，所以对于地理坐标转换无法直 接进行，需要一个转换参数，而这些参数也是 基于不同的模型的，常用的有3参数和7参数， 3参数是比较简单的也是比较容易理解的，3参 数是在两个基准面之间进行了X，Y，Z轴的平 移 3参数之间两个基准面的关系 如果知道了这三个平移的参数 外加个基准面上的点，那么另外一点的坐标就是 7参数的模型比较复杂，这种复杂的 同时让精度大为提高，7参数不仅仅考 虑了两个基准面之间的平移，还考虑了 旋转外加一个比例因子(椭球体的大小可 能不一样) 知道平移三参数, 旋转三参数 以及比例因子S，外加一个基准上的坐标就可按照下 面的公式求出另外一个基准面上的坐标： l4.1.1 定义投影 定义投影（Define Projection），指按照 地图信息源原有的投影方式，为数据添加投影 信息。在ArcGIS中利用【数据管理工具】工 具箱, 【投影变换】工具集中的【定义投影】 命令，能够为数据定义投影。 定义投影有三种方法 l选择固定的投影 l导入投影（当已知原始数据与某一数据的投影 相同时） l自定义投影 1 . 栅格（Raster）数据的投影变换：利用【数 据管理工具】工具箱,【投影和变换】中【栅 格】工具集,【投影栅格】命令对栅格数据进 行投影变换。 输入的栅格必须已具有投影信息，若没有则在【 输入坐标系】中指定数据的原始投影信息 【地理坐标变换】：当输入和输出坐标系的基准 面相同时，地理（坐标）变换为可选参数。如 果输入和输出基准面不同，则必须指定地理（ 坐标）变换。 4.1.2投影变换 2 . 要素类（Feature）数据的投影变换 ：利用 【数据管理工具】工具箱, ,【投影和变换】中 的【要素】工具集,【投影】命令，对矢量数 据进行投影变换。 【批量投影】可以进行多个要素类的投影变换。 转换转换转换转换一个文件一个文件 同同时转换时转换时转换时转换多多 个文件个文件 转换栅转换栅转换栅转换栅格格 一次处理多 个投影（不 经常用到） 选择Geographic Transformation时，可以选择 一种。 因为没有识别出坐标系，所以提示错误。 选择投影坐 标系 使用已有 的投影坐 标系投影 以 t25_Projec t投影图像 的坐标系作 为投影坐标 系 新建一 个投影 坐标系 l4.1.3 数据变换 数据变换是指对数据进行诸如放大、缩小 、翻转、移动、扭曲等几何位置、形状和方位 的改变等的操作。对矢量数据的相应操作在 ArcMap中【编辑器】工具条的若干工具实现 （详见第三章）。而栅格数据的相应操作则集 中于ArcMap中的地理配准工具条和 ArcToolbox中的投影和变换工具集来实现，以 下分别就栅格数据的翻转（Flip）、镜像（ Mirror）、重设比例尺（Rescale）、旋转（ Rotate）、移动（Shift）和扭曲（Warp）等 分别介绍。 1.翻转（Flip）：是 指将栅格数据沿 着通过数据中心 点的水平轴线， 将数据进行上下 翻转。利用Flip命 令，对数据进行 翻转。 Flip对话框 翻转 翻转（Flip）的图解表达 2.镜像（Mirror）： 是指将栅格数据 沿着通过数据中 心点的垂直轴线 ，将数据进行左 右翻转。利用 Mirror命令，对数 据进行镜像。 镜像（Mirror）的图解表达 镜像 Mirror对话框 3.重设比例尺（ Rescale）：是指 将栅格数据按照 指定比例分别沿X 轴和Y轴放大或缩 小。Rescale命令 ，对数据重设比 例尺。 重设比例尺 重设比例尺（Rescale）的图解表达 Rescale对话框 4.旋转（Rotate） ：是指将栅格数 据沿着指定的中 心点旋转指定的 角度。利用 Rotate命令，对 数据进行旋转。 图4.13 Rotate对话框 旋转 旋转（Rotate）的图解表达 5.移动（Shift）： 是指将栅格数据 分别沿X轴和Y轴 移动指定的距离 。利用Shift命令 ，对数据进行移 动。 Shift对话框 移动 移动（Shift）的图解表达 6.扭曲（ Warp）： 是指将栅格 数据通过输 入的控制点 进行多项式 变换。利用 Warp命令 ，对数据进 行扭曲变换 。 Warp对话框 原数据 一次多项式 二次多项式 三次多项式 扭曲（Warp）的图解表达 4.1.3数据变换 l一、矢量数据的空间校正 【空间校正】工具用于矢量数据的空间位置匹配 ，它提供用于对齐和整合数据的交互式方法， 看执行的一些任务包括：将数据从一个坐标系 转换到另一坐标系中、纠正几何变形、将沿着 某一图层的边的要素与邻接图层的要素对齐及 在图层之间的复制属性。由于空间校正在编辑 会话中执行，因此可使用现有的编辑功能来增 强校正效果。 当要素的坐标超出要素类的属性域范围时会发 生此错误。这种情况会在创建新要素或编辑现 有要素的坐标时发生。 坐标必须位于要素类 x,y 属性域以及 z 或 m 属 性域（如果要素类可存储这些值）的范围内。 属性域在创建要素类时设置并且无法在以后进 行编辑。如果需要在该 x,y 位置或者使用这些 z 或 m 值创建新要素，可将要素类导出为新要素 类并增加属性域值。 二、地理配准 l栅格数据通常是通过扫描纸质地图或采集航空 及卫星照片获得 。 l通过扫描获取的影像不包含定义其地理空间位 置所需的信息。而航空及卫星照片所使用的坐 标系统是相对于通用GIS平台软件所使用的坐 标系统是独立的。 l为了能够将这些影像数据与其它的数据集成， 以便进行分析， 就必须对其进行处理：用户 需要事先将这些数据校准（配准）到一个指定 的地图坐标系 扫描地图的误差来源 GIS中数据的来源主要是对地图图纸的数 字化,扫描数字化过程中引起的误差主要 决定于 l要素对象 l软件处理技术 l扫描仪 l扫描要素对象 要素本身的宽度、复杂程度、粘连以及图面 的整洁和清晰程度都对扫描数字化误差有一定的 影响。例如,线条的粘连,结合处易出现较大的误差 ;线条发虚,会得到多个实体;图面不整洁引入了噪 声,易引起软件误判;线条不光滑,易出现毛刺等。 l软件处理技术 在扫描数字化过程中,三个主要参数:分辨率、门 槛值(灰度值或对比度值)和滤波值的确定将对扫描图 的质量产生重大的影响;而图像处理、几何校正和矢量 化等后处理技术,其功能的强弱、模型的优化将直接影 响扫描数字化的精度。如采用合适的校正模型(仿射变 换、双线形变换、多项式变换等)、定向点的自动对中 、采样点的自动对中等,将有效的提高扫描数字化的精 度。 l扫描仪 在扫描过程中,由于使用CCD扫描仪,会引 入一些误差。主要包含有:扫描仪的分辨率;光 学误差;电信号传输过程中造成的辐射误差;沿 导轨扫描过程中,由于机械运动、速度不均或 其它原因所造成的直线性误差;线阵方向与扫 描方向不垂直所引起的CCD线阵的直线性误 差;外界因素影响产生的误差;随机性误差等等 。 所有以上这些扫描的误差引起的几何变形,可看成平移 、旋转、缩放、仿射、弯曲以及各种更高变形的综合 作用结果。在实际操作过程中,很难对这些误差一一 进行变形改正,只能综合考虑它们的影响,综合校正。 l输入到计算机中的图形，实际上都是通过其位 置坐标(x,y)来表示，因此校正过程实质上是找 一种数学关系(或函数关系)，描述变换前图形 坐标(x,y)与变换后图形坐标(x,y)之间的换算 ，其数学关系一般描述为 x=f1(x,y) y=f2(x,y) 多项式变换(Polynomial) l这个数学关系常表示为二元多项式一次、二次或三次 及更高次表达式. 其中A、B代表二次以上高次项之和。上式是高次变换方 程，符合上式的变换称为高次变换。在进行高次变换 时，需要有6对以上控制点的坐标和理论值，才能求 出待定系数。 l当不考虑高次变换方程中的A和B时，则变成 二次变换方程，称为二次变换。二次变换适用 于原图有非线性变形的情况，至少需要5对控 制点的坐标及其理论值，才能求出待定系数。 仿射变换（1次多项式） l仿射变换是使用最多的一种几何纠正方式，只 考虑到x和y方向上的变形，仿射变换的特性是 ： 直线变换后仍为直线； 平行线变换后仍为平行线； 不同方向上的长度比发生变化。 l对于仿射变换，只需知道不在同一直线上的三 对控制点的坐标及其理论值，就可求得待定系 数。但在实际使用时，往往利用4个以上的点 进行纠正，利用最小二乘法处理，以提高变换 的精度。 l地理配准：是为了使得 影像数据可以和GIS矢 量数据集成在一起，而 为影像数据指定一个参 考坐标系的过程。 l将扫描地图配准到坐标系下 影像配准的步骤 （RegisterRectify） 校准栅格数据 （选择控制点） 坐标变换 （求解二元多项式n次方程） 检查均方差（计算控制点误差） 重采样矫正（Rectify）：生成新的影像文件 （三种重采样算法） 校准栅格数据 l通常,你会将栅格数据校准到已经存在具有坐标信 息的空间数据 （矢量数据） 。首先假定矢量化数 据中的一些空间要素 (目标数据)也同时存在于要进 行配准的栅格图像上 比如： 街道、建筑物、河流. l地理配准的基本过程是在栅格图像中选取一定数据 的控制点，将它们的坐标指定为矢量数据中对应点 的坐标（在空间数据中，这些点的坐标是已知的， 坐标系统为地图坐标系） 控制点 l在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标，即控 制点。 l控制点可以是经纬 线网格的交点、公里网格的交 点或者一些典型地物的坐标。 l我们可以从 图中均匀的取几个点。如果我们知道 这些点在我们矢量坐标系内坐标， 则直接输入控 制点的坐标值，如果不知道它们的坐标，则可以 采用间接方法获取从矢量数据中选取。 选取控制点 l控制点的数目取决于 你打算使用哪一种数学方法来实现 坐标转换. 但是，过多的控制点并不一定能够保证高精度 的配准 。要尽可能使控制点均匀分布于整个格格图像， 而不是只在图像的某个较小区域 选择控制点。 l通常,先在图像的四个角选择4个控制点，然后在中间的位 置有规律地选择一些控制点能得到较好的效果 l地形图中，读取控制点的坐标，图中红色控制点的坐标为 （564000,2776000），单位：米 l输入控制点坐标 坐标变换 l一旦你选取了足够的控制点, 你就可以将栅 格数据变换（或转换）到地图坐标系统下. 转换(Transformation) 运用一种数学变换方 法来重新确定栅格数据中每个像元的灰度值 。 l一次多项式：仿射（affine）变换可以将 栅格数据平移, 缩放, 及旋转. 栅格图像中的一条直线变换后然后为直线。 矩 形和正方形变换后为平行四边形 检查均方差(RMS) l坐标转换的准确程度可以通过比较某一点 在地图中的实际坐标与根据变换公式得到 的坐标来判断。 l这两个点之间的距离之差称为残差(residual error). 通过计算均方差(RMS)获取控制点总 误差。 l均方差(RMS) 的大小描述了变换公式在不 同控制点间的一致性。 l可以将残差特别大控制点删除，然后添加 新的控制点。 lRMS 比较小时，说明控制点的选取是比较 准确的，但也要注意有可能存在残差非常 大的控制点，但由于其它控制点是很精确 的，所以总的RMS误差比较小的情况。 矫正栅格数据-重采样 l你可能会认为一旦实现了栅格数据到地图坐标变 换之后，每一个像元都被转换到了新的地图坐标 。事实并非如此。在地理配准过程中，将基于地 图坐标生成一个“空的” 矩阵, 矩阵中每个元素的值 （表示颜色）将通过重采样重新计算。 有三种通用的图像重采样技术 l最小紧邻 l双线性内插 l立方卷积 Nearest neighbor assignment takes the value from the cell closest to the transformed cell as the new value. Its the fastest resampling technique and is appropriate for categorical, or thematic, data. Bilinear interpolation and cubic convolution techniques combine a greater number of nearby cells (4 and 16, respectively) to compute the value for the transformed cell. These two techniques use a weighted averaging method to compute the output transformed cell value and thus are only appropriate for continuous data such as elevation, slope, and other continuous surfaces. Rectify：矫正栅格数据 lRectify 生成一个新的已经过地理配准的的格 文件。可以保存为 ESRI GRID、 TIFF或者 ERDAS IMAGINE的格式. 要素矢量化 要素编辑的一般步骤 创建新图层（要素类）：点、线、多边形 编辑环境及工具 点要素编辑 线要素编辑 多边形要素编辑 要素编辑的一般步骤 1.在ArcCatlog中创建新的要素类 2.在ArcMap中加载新建的要素类，如有必要，加 载经过配准的扫描地图 3.在ArcMap中打开“编辑器”工具栏，执行其中的 “开始编辑”命令，进入编辑状态。 4.利用“编辑器”的功能完成地图要素的分层提取 ，打开图层的属性表，输入要素的相关属性 5.在编辑过程中，点击“编辑器”中的“保存编辑”可 以随时保存修改的结果，点“停止编辑”完成编辑 。 创建新图层（要素类） lArcCatalog中可以创建矢量数据集(shape文件和地理 数据库geodatabase = “要素类”) 点：Point 线：Line 多边形：Polygon l在ArcMap中提供了全面的工具，可以完成矢量数据的 编辑 空间数据 属性数据 l新建图层要素类 指定要素类型：点？ 线？多边形？ l在创建图层时指 定坐标系统 在ArcMap中指定数据框 的坐标系统 l在创建图层（要素类）的时 候除指定坐标系外，还需要 指定要素类的坐标范围 l可以从已有的数据导入或手 动指定这个范围 l添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在编辑器中， 点击“开始编辑”，并在目标图层中选中要编辑的图层。 屏幕跟踪数字化 l从“编辑器”工具栏中选中草图工具，根据扫描地 图上的内容分层提取地图要素。 编辑图层中要素的属性 l属性字段可以在创建图层是定义，也可以在 ArcMap中添加 Fields are added; define l字段名称：field name l数据类型：data type l字段宽度：width l精度：decimal precision l打开图层（要素类）的属性表，添加新字段 添加属性字段 编辑要素属性信息 l在属性字段添加后，就可以输入或修改要素的属 性 编辑环境及工具 l主要编辑环境“编辑器”工具栏 “编辑器”工具栏 捕捉环境Snapping l捕捉或悬挂操作: how features align during creation/editing 线段之间的连接 (在两条线段连接的地方加一个 结点) completion of polygons avoid overshoots/undershoots avoid slivers or gaps 捕捉线段 点要素的编辑 l在图层中新建、删除、移动一个点要素 线要素的编辑 l悬挂功能 l修改线段的形状（编辑顶点） l分割线要素、公共顶点的编辑 l合并线要素 l封闭线段 打断线要素 打断工具 封闭线段 多边形要素的编辑 l多边形顶点编辑（改变形状） l分割多边形 l公共边的编辑 l要素合并（Union）：求并集，比如：由多个岛屿 组成的行政区，飞地。 l要素联合（Combine): 中心有岛屿的湖泊 l要素相减（Subtract）：去除重叠部分（landuse) l要素相交（Intersection): 获取多个多边形的公共 部分 4.2 数据格式转换 空间数据的来源有很多， 如地图、工程图、规划图、 照片、航空与遥感影像等， 因此空间数据也有多种格式 。根据应用需要，对数据的 格式要进行转换。转换是数 据结构之间的转换，而数据 结构之间的转化又包括同一 数据结构不同组织形式间的 转换和不同数据结构间的转 换。其中，不同数据结构间 的转换主要包括矢量到栅格 数据的转换和栅格到矢量数 据的转换。 数据格式转换工具 数据格式转换 ArcGIS中的空间数据主要有两种类型：一是基 于文件的空间数据, 如 coverageShapefileGridImageTIN 。 Geodabase数据模型也可以在数据库中管理同 样类型的空间数据； 二是基于数据库的空间数据 基于文件的空间数据基于数据库的空间数据 CoveragesOracle ShapfilesOracle with Spatial GridsDB2 with its Spatial Type TINsInformix with its Spatial Type Images(各种格式)SQL Server Vector Product Format(VPF)files Personal Geodatabase(微 软的Access) CAD文件 表（各种格式） ArcGIS中的数据类型 l4.2.1 数据结构转换 地理信息系统的空间数据结构主要有栅 格结构和矢量结构，这两种数据结构是模拟地 理信息的两种不同的方法。在地理信息系统中 栅格数据与矢量数据各具特点与适用性，为了 在一个系统中可以兼容这两种数据，以便有利 于进一步的分析处理，常常需要实现两种结构 的转换。 1、栅格数据向矢量数据的转换 目的：是为了将栅格数据分析的结果，通过矢 量绘图装置输出，或者为了数据压缩的需要， 将大量的面积栅格数据转换成由少量数据表示 的多边形边界。 根据描述对象的不同，栅格数据可以转换为 点状、线状和面状的矢量数据。 Simplify polygons 是默认的，可以简化面状数据的边界形 状 栅格 图像 参数为 VALUE 参数为 COUNT 2、矢量数据向栅格数据的转换 原因：诸如行政边界、交通干线、土地利用 类型、土壤类型等数据都是用矢量数字化的方 法输入计算机或者以矢量数据的方式存在计算 机中，表现为点、线、多边形数据。但是，矢 量数据直接用于多种数据的复合分析等处理比 较复杂，特别是不同数据要在位置上一一配准 ，寻找交点并进行分析。 相比之下，栅格数据模式处理要容易的很多 。 注意：矢量数据的基本坐标是直角坐标X、 Y,其坐标原点在图的左下角，网格数据的 基本坐标是行和列（i,j），其坐标原点在 图的左上角，变换时要让直角坐标的X、Y 分别与行和列平行。 Field窗口选择数据转换时所依据的属性值，Output cell size栅 格的大小，也可以通过浏览某一个栅格数据，来定义栅格大小 n n矢量栅格数据互相转换矢量栅格数据互相转换 栅栅栅栅格格转转转转向矢量向矢量 矢量转向栅格矢量转向栅格 转转转转成文本文件（矩成文本文件（矩阵阵阵阵） ） 转转转转成点矢量文件成点矢量文件 转转转转成成线线线线矢量文件矢量文件 转转转转成面矢量文件成面矢量文件 转转转转成浮点型二成浮点型二进进进进制（矩制（矩阵阵阵阵） ） 文本文件到文本文件到栅栅栅栅格格 DEMDEM到到栅栅栅栅格格 矢量到矢量到栅栅栅栅格格 二二进进进进制文件到制文件到栅栅栅栅格格 点文件到点文件到栅栅栅栅格格 面文件到面文件到栅栅栅栅格格 线线线线文件到文件到栅栅栅栅格格 4.2.2数据格式转换 1、CAD数据的转换 ArcGIS中的要素类、Shapfile数据可以转换成 CAD数据，CAD数据也可以转换成要素类和 地理数据库。可以将CAD格式的工程图和规划 图等放到ArcGIS软件中处理。 数据输出为CAD格式,Conversion Tools Output Type窗口选择 输出的CAD文件的版 本 Ignore Paths in Table （可选），在选择的状 态下输出单一的CAD 文件 Appeed to Existing Files （可选），选择 的状态下将输出地数据 添加到已有的CAD文 件中Seed File在此步 为选中状态时浏览确定 所需的已有CAD文件 CAD的输入转换 Spatial Reference 是可选项，用于设 置输出地理数据库 的空间属性 数据格式在ArcCatalog的转换 通过ArcToolBox/Conversion tools 输入的非 ArcGIS格式数据，统一输入到Geodatabase(to Geodatabase) ESRI目前将Shapefile作为交换格式。 在ArcCatalog下面提供了其他的工具：工具条- 右键-ArcView8x tools 4.3数据处理 在实际应用研究中，根据研究区域的 特点，首先需要对空间数据进行处理， 以便获取需要的数据。主要包括：裁切 、拼接等，借助于ArcToolbox中的工具 进行多种空间数据处理操作。 4.3.1数据的裁切 1、矢量数据的裁剪 从大范围里面裁剪出 一部分区域 Tolerance是可选 项，用于确定容 差的大小 2、栅格数据的裁切， 在ArcToolBox中提供 了很多剪切方式，其 中最常用的是利用现 有的栅格或矢量数据 裁切栅格数据。 以Extract by Rectangle为例 Extraction area是可选 项，定义裁切矩形内 部还是外部的数据（ 默认是内部（ INSIDE） 4.3.2数据拼接 数据拼接是指将相邻的数据拼接为一个完整的 目标数据。 原因：研究区域是个非常大的范围，跨越若干 相邻数据，而空间数据是分幅存储的，因此要 对这些相邻的数据进行拼接。 前提：矢量数据经过了严格的接边。 方法：利用Spatial Adjustment工具可完成数 据接边处理。 矢量数据的拼接 Arctoolbox【数据管理工具 】 【常规】 【合并】 2、栅格数据的拼接 4.3.3数据提取 数据提取是从已有的数据中，根据属性表内容 选择符合条件的数据，构成新的数据层。可以 通过设置SQL表达式进行条件选择。 包括矢量数据的提取和栅格数据的提取。 矢量数据的提取 2、栅格数据的提取 ArctoolboxSpatial AnalysisExtractionExtract by Attributes. ArcToolbox ArcToolBox包含了ArcGIS地理处理的大部 分分析工具和数据管理工具。ArcToolBox底 下根据不同的功能，分了许多的工具箱。 在地理处理框架中，工具箱是根据核心和扩 展功能来划分的。只有激活了License以后， 才能使用这些工具箱。 可以单独使用这些工具 ，也可以把这些工具连 接起来建空间分析工作 流模型。 可以创建自己的工具和 工具箱。地理处理框架 还为工作环境提供组织 和管理功能，允许执行 简单和复杂的分析，也 可以让其他人共享自己 定制的工具 l1. 工具集的简要介绍 l（1）3D分析工具(3D Analyst Tool