第四章空间数据采集与处理

1、n1.地理信息的空间关系地理信息的空间关系n2.1. 手工方式手工方式2. 手扶跟踪化数字方式手扶跟踪化数字方式3. 扫描方式扫描方式4. 影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取方式5. 数据通讯方式数据通讯方式通过手工在计算机通过手工在计算机终端上输入数据，终端上输入数据，主要是键盘输入。主要是键盘输入。主要用于属性数据主要用于属性数据的输入。的输入。1. 手工方式手工方式2. 手扶跟踪化数字方式手扶跟踪化数字方式3. 扫描方式扫描方式4. 影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取方式5. 数据通讯方式数据通讯方式手扶跟踪数字手扶跟踪数字化仪是一种图化仪是一种图形数字化设备形数字化设备，是

2、目前常用，是目前常用的地图数字化的地图数字化方式生成矢量方式生成矢量数据。数据。感应板感应板标识器标识器点模式点模式流模式流模式Selecting points to digitize1. 手工方式手工方式2. 手扶跟踪化数字方式手扶跟踪化数字方式3. 扫描方式扫描方式4. 影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取方式5. 数据通讯方式数据通讯方式扫描仪是一种图扫描仪是一种图形、图象输入设形、图象输入设备，可以快速地备，可以快速地将图形、图象输将图形、图象输入计算机系统，入计算机系统，是目前发展最快是目前发展最快的数字化设备的数字化设备生成栅格数据。生成栅格数据。工程扫描仪工程扫描仪小型扫描仪

3、小型扫描仪1. 手工方式手工方式2. 手扶跟踪化数字方式手扶跟踪化数字方式3. 扫描方式扫描方式4. 影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取方式5. 数据通讯方式数据通讯方式从遥感影像上从遥感影像上直接提取专题直接提取专题信息。信息。1. 手工方式手工方式2. 手扶跟踪化数字方式手扶跟踪化数字方式3. 扫描方式扫描方式4. 影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取方式5. 数据通讯方式数据通讯方式联网方式下，信息系统联网方式下，信息系统内部各子系统之间以及内部各子系统之间以及与其它信息系统之间实与其它信息系统之间实现信息交流和信息共享现信息交流和信息共享的主要方式。的主要方式。空间数据处理空

4、间数据处理数据重构数据重构数据提取数据提取几何纠正几何纠正投影变换投影变换辐射纠正辐射纠正结构转换结构转换格式变换格式变换类型替换类型替换数据拼接数据拼接边沿匹配边沿匹配类型提取类型提取窗口提取窗口提取布尔提取布尔提取空间内插空间内插数据变换数据变换Map coordinate systemDigitizing tablet coordinate system一、数据压缩的目的一、数据压缩的目的节省存贮空间节省存贮空间节省处理时间节省处理时间二、数据压缩途径二、数据压缩途径压缩软件压缩软件: :原数据信息基本不丢失而且可以大大节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

5、须在解压缩省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解压缩后才能使用。后才能使用。数据消冗处理数据消冗处理: :原数据信息不会丢失，得到的文件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，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。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用数据子集代替数据全集: :在规定的精度范围内，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。为代价，换取空间数据容量的缩小。三、常见空间数据的压缩方法三、常见空间数据的压缩方法

6、曲线数据的压缩曲线数据的压缩面域栅格数据的压缩面域栅格数据的压缩 面域邻接线段的删除面域邻接线段的删除 特征点筛选法特征点筛选法：筛选抽取曲线特筛选抽取曲线特征点，并删除全征点，并删除全部多余点以达到部多余点以达到节省存贮空间的节省存贮空间的目的。目的。 三、常见空间数据的压缩方法三、常见空间数据的压缩方法曲线数据的压缩曲线数据的压缩面域栅格数据的压缩面域栅格数据的压缩 面域邻接线段的删除面域邻接线段的删除 通过压缩编码技术通过压缩编码技术来消除冗余数据：来消除冗余数据：链码链码游程长度编码游程长度编码块码块码四叉树编码四叉树编码小波算法小波算法三、常见空间数据的压缩方法三、常见空间数据的压缩

7、方法曲线数据的压缩曲线数据的压缩面域栅格数据的压缩面域栅格数据的压缩 面域邻接线段的删除面域邻接线段的删除 数据属性的重新分数据属性的重新分类和空间图形的化类和空间图形的化简需要对数据进行简需要对数据进行压缩压缩相邻界线的删除相邻界线的删除共同属性的合并共同属性的合并三、曲线数据的压缩三、曲线数据的压缩1. 间隔取点法间隔取点法 每隔每隔k个点取一点，或每隔一规定的距离取一点，但首个点取一点，或每隔一规定的距离取一点，但首末点一定要保留。这种方法可大量压缩数字化使用连续末点一定要保留。这种方法可大量压缩数字化使用连续方法获取的点和栅格数据矢量化而得到的点，但不一定方法获取的点和栅格数据矢量化而

8、得到的点，但不一定能恰当地保留方向上曲率显著变化的点。能恰当地保留方向上曲率显著变化的点。 2. 垂距法垂距法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与其它两点连线的垂线点连线的垂线距离距离d，并与限差，并与限差D比较。若比较。若dD，则中间点则中间点去掉去掉；若；若dD，则中间点，则中间点保留保留。然后顺序。然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。取下三个点继续处理，直到这条线结束。3. 分裂法（道格拉斯分裂法（道格拉斯-普克法）普克法）这个方法可用以下几步来描述：这个方法可用以下几步来描述：(1) 在给定的曲线的两端之间连一直线。在给定的曲线的两

9、端之间连一直线。(2) 对曲线上每一点计算它与直线的垂直距离。对曲线上每一点计算它与直线的垂直距离。若所有这些距离均小于某一阈值若所有这些距离均小于某一阈值o，那么就用它，那么就用它来表示原曲线。来表示原曲线。(3) 若若(2)中条件不满足，含有最大垂直距离的点中条件不满足，含有最大垂直距离的点Pj为保留点将原曲线分成两段曲线，对它们递归为保留点将原曲线分成两段曲线，对它们递归地重复使用分裂法。地重复使用分裂法。3. 分裂法（道格拉斯分裂法（道格拉斯-普克法）普克法）将原始将原始13个点压个点压缩成缩成6个点个点3. 分裂法（道格拉斯分裂法（道格拉斯-普克法）普克法）Threshold: 5

10、metersThreshold: 10 metersBlack solid: original lines;Red dash: after simplification栅格数据的压缩：小波变换栅格数据的压缩：小波变换波分析是把信号分解成低频波分析是把信号分解成低频al和高频和高频dl两部分，在分解中，两部分，在分解中，低频低频al中失去的信息由高频中失去的信息由高频dl捕获。在下一层的分解中，又捕获。在下一层的分解中，又将将al分解成低频分解成低频a2和高频和高频d2两部分，低频两部分，低频a2中失去的信息中失去的信息由高频由高频d2捕获，如此类推下去，可以进行更深层次的分解。捕获，如此类推下

11、去，可以进行更深层次的分解。空间数据综合空间数据综合面域邻接线段的删除面域邻接线段的删除n 地理学中可能遇到的问题：地理学中可能遇到的问题：n了解北京大气质量宏观分布了解北京大气质量宏观分布n北京大气质量监测点北京大气质量监测点n 了解我国某个地区的气候状况了解我国某个地区的气候状况n气象站分布温度降水气象站分布温度降水n某观测站因意外存在缺测、漏测某观测站因意外存在缺测、漏测n 解决问题的难点：解决问题的难点：n到研究区每个点进行观测是非常困难的到研究区每个点进行观测是非常困难的时间、时间、人力或财力都不允许。人力或财力都不允许。空间插值的理论假设空间插值的理论假设地理学第一定律：地理学第一

12、定律：空间位置上越靠近的点，越可空间位置上越靠近的点，越可能具有相似的特征值，而距离越远的点，其特征能具有相似的特征值，而距离越远的点，其特征值相似的可能性越小。值相似的可能性越小。通过已知点通过已知点构造拟合函数构造拟合函数Z=f (Z=f (x,yx,y ) )通过方程通过方程Z Z= =f f ( (x,yx,y ) )求解未知点求解未知点插值求解的大致思路插值求解的大致思路内插格网点高程内插格网点高程已知数据已知数据函数关系式函数关系式未知数据未知数据基本概念基本概念插值插值 已知点全部通过构造的函数已知点全部通过构造的函数 求符合函求符合函数的其它点数的其它点逼近逼近 已知点整体上接

13、近构造的函数已知点整体上接近构造的函数 求符合求符合函数的其它点函数的其它点拟合拟合 插值和逼近的统称插值和逼近的统称 光滑光滑 一阶导数连续一阶导数连续1. 离散空间：离散空间：空间具有跳跃特征（土地利用类空间具有跳跃特征（土地利用类型），重要变化发生在边界上，边界内的变化则型），重要变化发生在边界上，边界内的变化则是是均匀的均匀的，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。 邻近元法：以最相邻近图元的特征值表征未知图邻近元法：以最相邻近图元的特征值表征未知图元的特征值。元的特征值。 2. 连续空间连续空间：空间具有渐变特征（地形表面），空间具有渐变特征（地形表面），内

14、插技术必须采用连续的空间渐变模型实现这些内插技术必须采用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。连续变化，可用一种平滑的数学表面加以描述。这类技术可分为这类技术可分为整体拟合和局部拟合整体拟合和局部拟合技术两大类。技术两大类。1. 连续空间的插值连续空间的插值整体拟合技术：整体拟合技术：拟合模型是由研究区域内所有采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。通常采用的技样点上的全部特征观测值建立的。通常采用的技术是术是整体趋势面整体趋势面拟合。这种内插技术一般用于模拟合。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拟大范围内的变化，

15、而不能提供内插区域的局部特性特性 整个区域的数据都会影响单个插值点，单个数据整个区域的数据都会影响单个插值点，单个数据点变量值的增加、减少或者删除，都对整个点变量值的增加、减少或者删除，都对整个区域区域有影响。有影响。 局部拟合技术局部拟合技术：则是仅仅用则是仅仅用邻近的数据点邻近的数据点来估计未知点的值。来估计未知点的值。步骤如下：步骤如下：u 定义一个邻域或搜索范围；定义一个邻域或搜索范围；u 搜索落在此邻域范围的数据点；搜索落在此邻域范围的数据点；u 选择能表达这有限个点空间变化的数学函数；选择能表达这有限个点空间变化的数学函数；u 为未知的数据点赋值。为未知的数据点赋值。 局部内插方法

16、：局部内插方法：样条函数插值法、距离倒数插值、样条函数插值法、距离倒数插值、Kriging插值（空间自由协方差最佳内插）插值（空间自由协方差最佳内插） ArcView具有常用的空间插值功能，具有常用的空间插值功能，IDW和和Spline法。法。ArcGIS具有以上的具有以上的IDW、Spline 、Kriging 单个数据点的改变只影响其单个数据点的改变只影响其周围有限的数据点周围有限的数据点。 整体插值注意的问题整体插值注意的问题u整体插值方法将小尺度的、局部的变化看作随机和非结构性整体插值方法将小尺度的、局部的变化看作随机和非结构性噪声，从而丢失了这一部分信息。局部插值方法恰好能弥补整噪声

17、，从而丢失了这一部分信息。局部插值方法恰好能弥补整体插值方法的缺陷。体插值方法的缺陷。u整体插值方法通常不直接用于空间插值，而是用来检测总趋整体插值方法通常不直接用于空间插值，而是用来检测总趋势和不同于总趋势的最大偏离部分，即剩余部分，在去除了宏势和不同于总趋势的最大偏离部分，即剩余部分，在去除了宏观趋势后，可用剩余残差来进行局部插值。观趋势后，可用剩余残差来进行局部插值。距离倒数权重法（距离倒数权重法（IDW法）法）内插格网点高程内插格网点高程其 数 学 表 达 式 为 ： njjjevwv1 其 中 ve（ j=1, ,n） 是 点 （ xj, yj） 的 变 量 值 ， wj是 其 对

18、应 的 权 重 系 数 ejdf最常用的一种形式是： bejejddf1 b 是合适的常数。当 b 取值为 1 或 2 时，对应的是距离倒数插值和距离倒数平方插值。b 也可以对不同的已知点选择不同的值，即 bj。 权重过高，较近点的影响较大，拟合表面更细致（不光滑）；权重过高，较近点的影响较大，拟合表面更细致（不光滑）；权重过低，较远点的影响增加，拟合表面更光滑。缺省值常为权重过低，较远点的影响增加，拟合表面更光滑。缺省值常为 2 。距离倒数权重法（距离倒数权重法（IDW法）公式法）公式IDW法插值示例法插值示例内插格网点高程内插格网点高程样条函数法（样条函数法（Spline）内插格网点高程内

19、插格网点高程Kriging法法内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程内插格网点高程 在相邻图幅的边缘部分，由于原图本身的误差在相邻图幅的边缘部分，由于原图本身的误差或者数字化输入的误差，使同一实体的线段或者弧或者数字化输入的误差，使同一实体的线段或者弧段的坐标数据不能相互衔接。因此必须进行图幅数段的坐标数据不能相互衔接。因此必须进行图幅数据的边缘匹配处理，使得相同实体的线段或弧段的据的边缘匹配处理，使得相同实体的线段或弧段的坐标数据相互衔接，同一实体的属性码相同。坐标数据相互衔接

20、，同一实体的属性码相同。内插格网点高程内插格网点高程图幅数据边缘匹配处理，一般可采用二种方法来调图幅数据边缘匹配处理，一般可采用二种方法来调整边界。整边界。内插格网点高程内插格网点高程1 1、识别和检索相邻图幅的数据、识别和检索相邻图幅的数据利用输入数据时的图幅编码，将相邻图幅联系在一起。有时利用输入数据时的图幅编码，将相邻图幅联系在一起。有时为了减少数据量，也可考虑仅提取边沿数据，进行目标匹配，为了减少数据量，也可考虑仅提取边沿数据，进行目标匹配，然后再将其合并，完成边沿处理。然后再将其合并，完成边沿处理。图幅数据边沿数据匹配示意图幅数据边沿数据匹配示意图幅编号及图幅边沿数据的提取图幅编号及

21、图幅边沿数据的提取内插格网点高程内插格网点高程2 2、相邻图幅边界点坐标数据的匹配、相邻图幅边界点坐标数据的匹配追踪拼接法：追踪拼接法：符合下列条件，两条线段即可匹配衔接：符合下列条件，两条线段即可匹配衔接： 相邻图幅边界两相邻图幅边界两条弧段的左右码条弧段的左右码各自相同或相反各自相同或相反 相邻图幅同名边相邻图幅同名边界点在某一许可界点在某一许可的范围内的范围内。追踪拼接法追踪拼接法内插格网点高程内插格网点高程3 3 相同属性多边形公共界线的删除相同属性多边形公共界线的删除 通过边沿处理，组成较大区域的连续图幅的数据后，需对通过边沿处理，组成较大区域的连续图幅的数据后，需对属性相同的图斑合

22、并。属性相同的图斑合并。边沿匹配前原始数据边沿匹配前原始数据匹配处理匹配处理边沿匹配后数据边沿匹配后数据内插格网点高程内插格网点高程(1)(1)遥感图像与遥感图像与GISGIS数据的融合数据的融合经过正射纠正后的遥感影经过正射纠正后的遥感影像，与数字地图信息融合，像，与数字地图信息融合，可产生影像地图。具有如可产生影像地图。具有如下下特点特点：这种影像地图具有一定这种影像地图具有一定的数学基础，有丰富的的数学基础，有丰富的光谱信息与几何信息光谱信息与几何信息有行政界线和属性信息有行政界线和属性信息提高了用户的可视化效果；并使用户能提高了用户的可视化效果；并使用户能够方便的得到各种统计信息，如：某个够方便的得到各种统计信息，如：某个行政单元的土地利用类型、数量等。行政单元的土地利用类型、数量等。内插格网点高程