空间数据采集与处理

1、空 间 数 据 采 集 与 处 理 教学内容：教学内容： 数据采集方式，空间数据编辑，数据处理，空间数据数据采集方式，空间数据编辑，数据处理，空间数据 相互转换，空间数据质量与精度，空间数据的元数据相互转换，空间数据质量与精度，空间数据的元数据。 重点难点重点难点： 空间数据相互转换；空间数据质量与精度空间数据相互转换；空间数据质量与精度。 学习要求：学习要求： 1、理解数据采集方式；、理解数据采集方式； 2、理解空间数据编辑；、理解空间数据编辑； 3、理解数据处理的概念、内容及意义；、理解数据处理的概念、内容及意义； 4、掌握空间数据质量的相关概念；、掌握空间数据质量的相关概念； 5、理解空

2、间数据误差及质量控制；、理解空间数据误差及质量控制； 6、理解空间数据的元数据。、理解空间数据的元数据。 第一节 空间数据采集 第二节 空间数据的编辑与处理 第三节 空间数据质量 第四节 空间数据的元数据 第一节第一节 空间数据采集空间数据采集 地图地图 遥感影像数据遥感影像数据 统计数据统计数据 实测数据实测数据 数字数据数字数据 各种文字报告和立法文件各种文字报告和立法文件 一、数据源种类 1. 手工方式 2. 手扶跟踪数字化方式 3. 扫描方式 4. 影像处理和信息提取方式 5. 数据通讯方式 通过手工在计算机 终端上输入数据， 主要是键盘输入。 主要用于属性数据 的输入。 二、数据采集

3、方式 1. 手工方式 2. 手扶跟踪数字化方式 3. 扫描方式 4. 影像处理和信息提取方式 5. 数据通讯方式 手扶跟踪数字化仪 是一种图形数字化 设备，是目前常用 的地图数字化方式 生成矢量数据。 数据采集方式 数字化仪 数据采集方式 数字化仪示意图 底座 感应板 定标器 手扶跟踪数字化方法 有效区域 手扶跟踪数字化方法 数字化仪板面组成示意图 1. 手工方式 2. 手扶跟踪数字化方式 3. 扫描方式 4. 影像处理和信息提取方式 5. 数据通讯方式 扫描仪是一种图 形、图象输入设 备，可以快速地 将图形、图象输 入计算机系统， 是目前发展最快 的数字化设备 生成栅格数据。 数据采集方式

4、小型扫描仪 工程扫描仪 数据采集方式 1. 手工方式 2. 手扶跟踪数字化方式 3. 扫描方式 4. 影像处理和信息提取方式 5. 数据通讯方式 从遥感影像上 直接提取专题 信息。 数据采集方式 1. 手工方式 2. 手扶跟踪数字化方式 3. 扫描方式 4. 影像处理和信息提取方式 5. 数据通讯方式 联网方式下，信息系统 内部各子系统之间以及 与其它信息系统之间实 现信息交流和信息共享 的主要方式。 数据采集方式 第二节第二节 空间数据编辑处理空间数据编辑处理 一、空间数据编辑一、空间数据编辑 空间数据编辑的必要性空间数据编辑的必要性 修正数据输入错误修正数据输入错误 维护数据的完整性和一致

5、性维护数据的完整性和一致性 更新地理信息更新地理信息 空间数据一般性错误空间数据一般性错误 数据不完整、重复数据不完整、重复 空间数据位置不正确空间数据位置不正确 空间数据比例尺不准空间数据比例尺不准 确确 空间数据变形空间数据变形 几何和属性连接有误几何和属性连接有误 属性数据不完整属性数据不完整 错误检查主要方法错误检查主要方法 叠合比较法叠合比较法 目视检查法目视检查法 逻辑检查法逻辑检查法 二、空间数据处理 数据处理的概念 数据处理的内容 数据处理的意义 对采集的各种数据，按 照不同的方式方法对数 据进行编辑运算，清除 数据冗余，弥补数据缺 失，形成符合用户要求 的数据文件格式 数据处

6、理的概念 数据处理的内容 数据处理的意义 数踞编辑 数据压缩 数据变换 数据格式转换 空间数据内插 边沿匹配 数据提取 数据处理的概念 数据处理的内容 数据处理的意义 空间数据有序化 检验数据质量 实现数据共享 提高资源利用效果 1.平面坐标变换 2.图幅变形校正 3.空间数据的压缩处理 4.空间数据类型的转换 5.空间数据插值 6.边界匹配（图幅接边） 空间数据处理的方法 平移变换 0 y x P（x，y） P(x，y) x y x=x+x y=y+y 1、空间数据处理的方法-平面坐标变换 旋转变换 y P（x，y） 0 x P(x，y) x=xcos-y sin y=xsin+y cos

7、x=x0+(x- x0)cos-(y- y0) sin y=y0+(x- x0) sin+(y- y0) cos 1、空间数据处理的方法-平面坐标变换 比例变换（图形缩放） 点可以通过对其P（x，y）坐标分别乘以各自的比 例因子Sx和Sy来改变它们到坐标原点的距离。 x=xSx y=ySy x=x0+(x- x0) Sx y=y0+(y- y0) Sy 1、空间数据处理的方法-平面坐标变换 地图投影变换 当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅 时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需 要投影的坐标数据 地图投影变换 正解变换 反解变换 数值变换 1、空间数据处理的方法-平面坐标变换 通过建立两

8、个投 影的解析关系式， 直接把一种投影 坐标 ( x , y ) 变换 成另一种投影的 坐标 ( X , Y ) 地图投影变换 当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅 时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需 要投影的坐标数据 地图投影变换 正解变换 反解变换 数值变换 1、空间数据处理的方法-平面坐标变换 由一种投影的坐 标 (x,y)反解出地 理坐标（,) ，然 后再将地理坐标 代入另一种投影 公式中，求出该 投影下的直角坐 标（X,Y) 地图投影变换 当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅 时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需 要投影的坐标数据 地图投影变换 正解变换 反解变换 数值

9、变换 1、空间数据处理的方法-平面坐标变换 根据两种投影在 变换区内若干同 名的坐标点，采 用插值法、有限 差分法、待定系 数法等，实现不 同投影之间的转 换 2、空间数据处理的方法-图幅变形校正 “橡皮伸缩法”(rubber sheeting)。如图所示： 图幅变形校正最常用的方法是六系数的线性变换法 (Sprhsky，1987；黄杏元等，1989)： 上式中x，y为数字化的坐标，X，Y为转换后的坐标，A0， A1，A2，B0，B1，B2为六个未知系数。设有n个控制点(n2)， 可用最小二乘法原理来计算这六个未知数： 上式中xi，yi为第i个控制点的数字化坐标，ui，vi认为对应的 实测坐标

10、，由最小和最小，可以解出A0，A1，A2， B0，B1，B2，实现图幅的变形校正。 3、空间数据处理的方法-压缩处理 数据压缩的目的 节省存贮空间 节省处理时间 数据压缩途径 压缩软件:原数据信息基本不丢失而且可以大大 节省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解 压缩后才能使用 数据消冗处理:原数据信息不会丢失，得到的文 件可以直接使用，缺点是技术要求高，工作量 大，对冗余度不大的数据集合效用小 用数据子集代替数据全集:在规定的精度范围内, 从原数据集合中抽取一个子集，缺点以信息损 失为代价，换取空间数据容量的缩小 3、空间数据处理的方法-压缩处理 常见空间数据的压缩方法 曲线数据的压缩 面域栅

11、格数据的压缩 面域邻接线段的删除 特征点筛选法： 筛选抽取曲线 特征点，并删 除全部多余点 以达到节省存 贮空间的目的。 3、空间数据处理的方法-压缩处理 常见空间数据的压缩方法 曲线数据的压缩 面域栅格数据的压缩 面域邻接线段的删除 通过压缩编码 技术来消除冗 余数据： 链码 游程长度编码 块码 四叉树编码 3、空间数据处理的方法-压缩处理 常见空间数据的压缩方法 曲线数据的压缩 面域栅格数据的压缩 面域邻接线段的删除 数据属性的重 新分类和空间 图形的化简需 要对数据进行 压缩 相邻界线的删 除 共同属性的合 并 3、空间数据处理的方法-压缩处理 面域邻接线段的删除 3、空间数据处理的方法

12、-压缩处理 矢量向栅格转换 网格尺寸的确定 点的网格化 直线网格化 多边形网格化 栅格向矢量转换 网格尺寸的确定 点的网格化 直线网格化 多边形网格化 4、空间数据处理的方法-类型转换 栅格数据与矢量数据的相互转换 矢量数据转换成栅格数据也称栅格化。矢量空 间数据一般是以点、线、面存放的。点状数据转成 栅格数据时是取离点最近的一个栅格单元来存放， 线状数据转成栅格数据时就变成连续的锯齿状的栅 格点，必要时可以加宽，面状数据的转换主要是在 每个多边形内部用等值的栅格填满。 栅格数据转换成矢量数据也称矢量化。普通地 图经扫描仪输入后可以通过软件自动或半自动的转 成矢量数据。把栅格数据转成矢量点的方

13、法比较简 单。栅格数据转成线大致有三个步骤： (1)分类；(2)线的细化； (3) 线的提取。 离散空间：离散空间：空间具有跳跃特征（土地利用类型）空间具有跳跃特征（土地利用类型） ，重要变化发生在边界上，边界内的变化则是，重要变化发生在边界上，边界内的变化则是均均 匀的匀的，同质的，同质的，即在各个方面都是相同的。即在各个方面都是相同的。 邻近邻近 元法：元法：以最相邻近图元的特征值表征未知图元的以最相邻近图元的特征值表征未知图元的 特征值。特征值。 连续空间：连续空间：空间具有渐变特征（地形表面），内空间具有渐变特征（地形表面），内 插技术必须采用连续的空间渐变模型实现这些连插技术必须采用

14、连续的空间渐变模型实现这些连 续变化，可用一种平滑的数学表面加以描述。这续变化，可用一种平滑的数学表面加以描述。这 类技术可分为类技术可分为整体拟合整体拟合和和局部拟合技术局部拟合技术两大类。两大类。 5、空间数据处理的方法-空间数据插值 整体拟合技术整体拟合技术:拟合模型是由研究区域内拟合模型是由研究区域内 所有采样点上的全部特征观测值建立的所有采样点上的全部特征观测值建立的 。通常采用的技术是整体趋势面拟合。通常采用的技术是整体趋势面拟合。 这种内插技术一般用于模拟大范围内的这种内插技术一般用于模拟大范围内的 变化，而不能提供内插区域的局部特性变化，而不能提供内插区域的局部特性 局部拟合技

15、术：局部拟合技术：是仅仅用邻近的数据点是仅仅用邻近的数据点 来估计未知点的值，而不受局部范围外来估计未知点的值，而不受局部范围外 其它点的影响。这类技术包括双线性多其它点的影响。这类技术包括双线性多 项式内插、样条函数、移动拟合法等等项式内插、样条函数、移动拟合法等等 。 5、空间数据处理的方法-空间数据插值 基本提取基本提取 按照属性或窗口按照属性或窗口 找出所需要的数据找出所需要的数据 查询检索查询检索 满足一定范围条件的限定性查询满足一定范围条件的限定性查询 （相邻分析检索、相关分析检索、（相邻分析检索、相关分析检索、 叠置分析检索、边沿匹配检索）叠置分析检索、边沿匹配检索） 布尔处理布

16、尔处理 是指根据用户规定的布尔标准或条是指根据用户规定的布尔标准或条 件表达式所进行的限定性的多重属性的查询件表达式所进行的限定性的多重属性的查询 和数理统计。和数理统计。 5、空间数据处理的方法-空间数据插值 数字化边界调整 6、空间数据处理的方法、空间数据处理的方法 边界匹配（图幅接边）边界匹配（图幅接边） 不同图幅的连接不同图幅的连接 自动、手工自动、手工 第一种方法是小心地修改第一种方法是小心地修改 空间数据库中点和矢量空间数据库中点和矢量 的坐标，以维护数据库的坐标，以维护数据库 的连续性；的连续性； 第二种方法是先对准两幅第二种方法是先对准两幅 图的一条边缘线，然后图的一条边缘线，

17、然后 再小心地调整其它线段再小心地调整其它线段 使其取得连续。使其取得连续。 第三节第三节 空间数据质量空间数据质量 一、空间数据质量的概念一、空间数据质量的概念 1、空间数据质量、空间数据质量 空间位置空间位置、专题特征专题特征以及以及时间时间是表达现实是表达现实 世界空间变化的三个基本要素。世界空间变化的三个基本要素。 空间数据是有关空间位置、专题特征以及空间数据是有关空间位置、专题特征以及 时间信息的符号记录。时间信息的符号记录。 而数据质量则是空间数据在表达这三而数据质量则是空间数据在表达这三 个基个基 本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完

18、整性，以及它们三者之间统一性的程度。整性，以及它们三者之间统一性的程度。 2、与数据质量相关的几个概念、与数据质量相关的几个概念 （1）误差）误差(Error)：误差反映了数据与真实误差反映了数据与真实 值或者大家公认的真值之间的差异，它是值或者大家公认的真值之间的差异，它是 一一 种常用的数据准确性的表达方式。种常用的数据准确性的表达方式。 （2）数据的准确度）数据的准确度(Accuracy)：数据的准数据的准 确度被定义为结果、计算值或估计值与真确度被定义为结果、计算值或估计值与真 实值或者大家公认的真值的接近程度。实值或者大家公认的真值的接近程度。 （3）数据的精密度）数据的精密度(Re

19、solution)：数据的精数据的精 密度指数据表示的精密程度，亦即数据表密度指数据表示的精密程度，亦即数据表 示的有效位数。它表现了测量值本身的离示的有效位数。它表现了测量值本身的离 散程度。散程度。 由于精密度的实质在于它对数据准确度由于精密度的实质在于它对数据准确度 的影响，同时在很多情况下。它可以通过的影响，同时在很多情况下。它可以通过 准确度而得到体现，故常把二者结合在一准确度而得到体现，故常把二者结合在一 起称为起称为精确度精确度，简称，简称精度精度。 （4）不确定性（）不确定性（Uncertainty)：不确定性是不确定性是 关于空间过程和特征不能被准确确定的程关于空间过程和特征

20、不能被准确确定的程 度，是自然界各种空间现象自身固有的属度，是自然界各种空间现象自身固有的属 性。在内容上，它是以真值为中心的一个性。在内容上，它是以真值为中心的一个 范围，这个范围越大，数据的不确定性也范围，这个范围越大，数据的不确定性也 就越大。就越大。 二、空间数据质量评价二、空间数据质量评价 1、空间数据质量标准、空间数据质量标准 空间数据质量标准是生产、使用和评空间数据质量标准是生产、使用和评 价空间数据的依据，数据质量是数据整体价空间数据的依据，数据质量是数据整体 性能的综合体现。目前，世界上已经建立性能的综合体现。目前，世界上已经建立 了一些数据质量标准，如美国了一些数据质量标准

21、，如美国FGDC的数据的数据 质量标准等。质量标准等。 空间数据质量标准的建立必须考虑空间空间数据质量标准的建立必须考虑空间 过程和现象的认知、表达、处理、再现等过程和现象的认知、表达、处理、再现等 全过程。全过程。 空间数据质量标准要素如下：空间数据质量标准要素如下： 数据情况说明数据情况说明 位置精度或称定位精度位置精度或称定位精度 属性精度属性精度 时间精度时间精度 逻辑一致性逻辑一致性 数据完整性数据完整性 表达形式的合理性表达形式的合理性 2、空间数据质量的评价、空间数据质量的评价 空间数据质量的评价，就是用空间数据空间数据质量的评价，就是用空间数据 质量标准要素对数据所描述的空间、

22、专题质量标准要素对数据所描述的空间、专题 和时间特征进行评价。和时间特征进行评价。 下面给出了空间数据质量评价矩阵表下面给出了空间数据质量评价矩阵表 空间数据描述空间数据描述 空间数据要素空间数据要素 空间特征空间特征时间特征时间特征 专题特征专题特征 世系世系(继承性继承性) 位置精度位置精度 属性精度属性精度 逻辑一致性逻辑一致性 完整性完整性 表现形式准确性表现形式准确性 三、误差的类型三、误差的类型 空间数据的质量通常用误差来衡量，空间数据的质量通常用误差来衡量， 而误差定义为空间数据与其真值的差别。而误差定义为空间数据与其真值的差别。 一般将一般将GIS数据误差的来源归纳为三类，数据

23、误差的来源归纳为三类， 如表所示。如表所示。 误差类型误差类型误差来源误差来源误差特征误差特征 源误差源误差 数据年代；数据的空间覆盖范数据年代；数据的空间覆盖范 围；地图比例尺；观测密度数据围；地图比例尺；观测密度数据 的可访问性，数据格式；数据与的可访问性，数据格式；数据与 用途的一致性；数据的采集处理用途的一致性；数据的采集处理 费用费用 明显明显 易探测易探测 由自然变化由自然变化 或原始测量或原始测量 引起的误差引起的误差 位置误差；属性误差：质量和数位置误差；属性误差：质量和数 量方面的误差量方面的误差 数据偏差：输入输出错误，观测数据偏差：输入输出错误，观测 者偏差，自然变化者偏

24、差，自然变化 不明显不明显 难测定难测定 GIS处理过程处理过程 引起的误差引起的误差 计算机字长引起的误差计算机字长引起的误差 拓扑分析引起的误差：逻辑错拓扑分析引起的误差：逻辑错 误、地图叠置操作、分类与综合误、地图叠置操作、分类与综合 引起的误差引起的误差 复杂复杂 难探测难探测 源误差源误差（与数据获取方法有关）（与数据获取方法有关） 测量数字数据的误差测量数字数据的误差 控制测量误差控制测量误差 碎部测量误差碎部测量误差 空中三角测量误差空中三角测量误差 测图误差测图误差 地图数字化数据的误差地图数字化数据的误差 制图误差制图误差 数字化误差数字化误差 遥感数据误差遥感数据误差 数据

25、获取误差数据获取误差 数据预处理误差数据预处理误差 数据转换误差数据转换误差 人工判读误差人工判读误差 操作误差操作误差 由计算机字长引起的误差由计算机字长引起的误差 由拓扑分析引起的误差由拓扑分析引起的误差 数据分类和内插引起的误差数据分类和内插引起的误差 四、空间数据质量的控制四、空间数据质量的控制 空间数据质量控制常见的方法有：空间数据质量控制常见的方法有： 传统的手工方法传统的手工方法 元数据方法元数据方法 地理相关法地理相关法 空间数据质量的控制环节空间数据质量的控制环节 数据预处理工作数据预处理工作 数字化设备的选用数字化设备的选用 数字化对点精度数字化对点精度(准确性准确性) 数

26、字化限差数字化限差 数据的精度检查数据的精度检查 数据质量控制应体现在数据生产和处理的各个 环节。下面以地图数字化生成地图数据过程为例， 说明数据质量控制的方法。 第四节第四节 空间数据的元数据空间数据的元数据 一、元数据的概念一、元数据的概念 1、 到目前为止，一般关于元数据认识的到目前为止，一般关于元数据认识的 共同点是：共同点是： 元数据的目的就是促进数据集的高元数据的目的就是促进数据集的高 效利用，并为计算机辅助软件工程服务。效利用，并为计算机辅助软件工程服务。 2、元数据的主要内容包括：、元数据的主要内容包括： (1)(1)对数据集的描述，对数据集中各数据项、对数据集的描述，对数据集

27、中各数据项、 数据来源、数据所有者及数据序代数据来源、数据所有者及数据序代( (数据生产历史数据生产历史 ) )等的说明；等的说明； (2)(2)对数据质量的描述，如数据精度、数据的对数据质量的描述，如数据精度、数据的 逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比 例尺等；例尺等； (3)(3)对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；对数据处理信息的说明，如量纲的转换等； (4)(4)对数据转换方法的描述；对数据转换方法的描述； (5)(5)对数据库的更新、集成等的说明。对数据库的更新、集成等的说明。 3、在地理信息系统应用中，元数据的主要作用可、在地理信

28、息系统应用中，元数据的主要作用可 以归纳为如下几个方面：以归纳为如下几个方面： (1)(1)帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数 据，建立数据文档，并保证即使其主要工作人员据，建立数据文档，并保证即使其主要工作人员 离退时，也不会失去对数据情况的了解；离退时，也不会失去对数据情况的了解； (2)(2)提供有关数据生产单位数据存储、数据分类提供有关数据生产单位数据存储、数据分类 、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销 售等方面的信息，便于用户查询检索空间数据：售等方面的信息，便于用户查询检索空间数据： (3)(

29、3)帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足 其需求做出正确的判断；其需求做出正确的判断； (4)(4)提供有关信息，以便于用户处理和转换有用提供有关信息，以便于用户处理和转换有用 的数据。的数据。 二、元数据的类型二、元数据的类型 1、根据元数据描述对象分类、根据元数据描述对象分类 (1)数据层元数据数据层元数据 (2)属性元数据属性元数据 (3)实体元数据实体元数据 2、根据元数据在系统中的作用分类、根据元数据在系统中的作用分类 (1)(1)系统级别元数据系统级别元数据 (2)(2)应用层元数据应用层元数据 3 3、根据元数据的作用分类、根据元数据的作用

30、分类 (1)(1)说明元数据说明元数据 (2)(2)控制元数据控制元数据 空间数据元数据中所用到的概念：空间数据元数据中所用到的概念： 空间数据空间数据(Geospatial data)：用于确定具用于确定具 有自然特征或者人工建筑特征的地理实体有自然特征或者人工建筑特征的地理实体 的地理位置、属性及其边界的信息。的地理位置、属性及其边界的信息。 类型类型(Type) ：在元数据标准中，数据类型在元数据标准中，数据类型 指该数据能接收的值的类型。指该数据能接收的值的类型。 对象对象(Object) ：对地理实体的部分或整对地理实体的部分或整 体的数字表达。体的数字表达。 点点(Point) ：用于位置确定的零维地理用于位置确定的零维地理 对象。对象。 结点结点(Node) ：拓扑连接两个或多个链拓扑连接两个或多个链 或环的一维对象。或环的一维对象。 线段线段(Line segment)： 两个点之间的直线两个点之间的直线 段。段。 线线(String) ：由相互连接的一系列线段组成由相互连接的一系列线段组成 的没有分支线段的序列，线可以自身或与其的没有分支线段的序列，线可以自身或与其 它线相切。它线相切。 弧弧(Arc)： 由数学表达式确定的点集组成的由数学表达式确定的点集组成的 弧状曲线。弧状曲线。 链链(Link) ：两个结点之间的拓扑关联。两个结点之间的拓扑关联。 多边