第4章 空间数据采集及处理(数据输入处理及编辑6789)

1、o第一节 数据输入o第二节 空间数据编辑o第三节 属性数据的输入与管理o第四节 空间数据的几何变换o第五节 空间数据结构的转换o第六节 空间数据的压缩与融合o第七节 空间数据质量与元数据第一节 数据输入目录：o数据源类型与数字采集方式o扫描数字化介绍一 数据源类型与数字采集方式o数据源类型： 遥感数据 野外数据 有x，y坐标的文本文件 现有数据（不同格式）1. 1. 手工方式手工方式2. 手扶跟踪化数字方式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。一一 数据源类型与数字采集方式数据源类型与数字采集方式1.

2、 手工方式2. 2. 手扶跟踪化数字方式手扶跟踪化数字方式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。一一 数据源类型与数字采集方式数据源类型与数字采集方式数字化仪数字化仪一一 数据源类型与数字采集方式数据源类型与数字采集方式1. 手工方式2. 手扶跟踪化数字方式3. 3. 扫描方式扫描方式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。一一 数据源类型与数字采集方式数据源类型与数字采集方式小型

3、扫描仪小型扫描仪工程扫描仪工程扫描仪一一 数据源类型数据源类型与数字采集方式与数字采集方式1. 手工方式2. 手扶跟踪化数字方式3. 扫描方式4. 4. 影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取方式5. 数据通讯方式从遥感影像上直接提取专题信息。一一 数据源类型与数字采集方式数据源类型与数字采集方式1. 手工方式2. 手扶跟踪化数字方式3. 扫描方式4. 影像处理和信息提取方式5. 5. 数据通讯方式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。一一 数据源类型与数字采集方式数据源类型与数字采集方式二 扫描数字化原始地图 栅格文件 扫描

4、 栅格编辑 自动矢量化 矢量文件 矢量编辑 文件转换 GIS入库 第二节 空间数据编辑o拓扑错误o拓扑编辑o非拓扑编辑o其他编辑操作一 拓扑错误o几何要素的拓扑错误：伪节点、悬挂节点、多边形之间的缝隙、多边形重叠o图层之间的拓扑错误二 拓扑错误o拓扑规则编辑ArcGISArcGIS制图流程制图流程 三 非拓扑编辑o编辑现有要素：延伸或整饰线条、删除或移动要素、分割线和多边形、对要素整形o由现有要素创建新要素：要素合成、要素缓冲、要素联合、要素相交oArcgis view-toolbars-editor四 其他编辑操作o图幅拼接o线的简化和平滑第三节 属性数据的输入与编辑o属性数据的输入（字段定

5、义、数据输入、属性数据校核）o属性数据的编辑处理（与习作相结合） 添加和删除字段 属性数据的分类 属性数据的计算 表的连接和关联平移变换平移变换 0yxP（x，y）P(x，y)xyx=x+xy=y+y空间数据处理的方法-平面坐标变换比例变换（图形缩放比例变换（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=xSxy=ySyx=x0+(x- x0) Sx y=y0+(y- y0) Sy空间数据处理的方法-平面坐标变换旋转变换旋转变换 yP（x，y）0 xP(x，y)x=xcos-y sin y=xsin+y cosx=x0+(x- x0

6、)cos-(y- y0) siny=y0+(x- x0) sin+(y- y0) cos空间数据处理的方法-平面坐标变换地图投影变换地图投影变换 地图投影变换正解变换反解变换数值变换通过建立两个投影的解析关系式，直接把一种投影坐标 ( x , ( x , y )y ) 变换成另一种投影的坐标 ( X , Y )( X , Y )由一种投影的坐标 (x,y)(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)X,Y)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一、矢量数据结构向栅格数据

7、结构的转换o点的栅格化点的栅格化xpypDxJDyI/1/1一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换o直线栅格化直线栅格化 直线插补法 扫描线法xpypDxJDyI/1/1o面域的栅格化面域的栅格化 边界代数法 内部点扩散法 射线法一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换1 1）边界代数算法）边界代数算法 首先，将覆盖多边形的面域进行整体栅格化，并对栅格阵进行零初始化。 最后循环一周，回到起点，展开为全栅格数据结构，完成由矢量数据系统向栅格数据系统的转换 然后，由其边界上某一点开始顺时针方向搜索其边界线，当边界线段为上行时，对该线段左侧具有相同行坐标的所有栅格全部减去一个a【该弧的左多边形编号该弧的右

8、多边形编号】；当边界线段为下行时，对该线段左侧具有相同行坐标的所有栅格全部加上一个a 【该弧的右多边形编号该弧的左多边形编号】；当边界线平行于栅格行行走时，不做运算。abcdef10000011001110000000101001闭合多边形 多边形矢量结构向栅格结构的转换 000100010000001000000001000011101110001001101100011100000001110110000100111010001100001111111110全栅格数据结构 2)2)、内部点扩散算法、内部点扩散算法3)3)、射线算法、射线算法二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换o多边形边界提

9、取多边形边界提取o边界线追踪边界线追踪o拓扑关系生成拓扑关系生成o去除多余点及曲线圆滑去除多余点及曲线圆滑o边界线追踪：边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化边界线追踪：边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标o拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与

10、属性数据的联系。据的联系。o去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换1nma一 矢量数据压缩技术o间隔取点法；o垂距法和偏角法；o道格拉斯普克（DouglasPeucker)法；o光栏法。（一）矢量数据压缩技术间隔取点法（二）矢量数据压缩技术垂距法和偏角法（三）矢量数据压缩技术道格拉斯普克（DouglasPeucker)法Sampled pointsEstimated points内插和外推内插和外推 在已存在观测点的区

11、域范围之内估计未观测点的特征值的过程称内插；在已存在观测点的区域范围之外估计未观测点的特征值的过程称外推。 o空间插值一般包括数据取样、数据内插和数据精度分析三个大步骤点的空间插值点的空间插值 控制点分布 控制点密度 控制点的自相关程度 一一 空间插值基础：控制点空间插值基础：控制点已知数值已知数值的点的点数据取样数据取样控制点影响空间插值的因素：二 数据内插o整体内插法o分块内插法o逐点内插法（一）整体内插法（一）整体内插法趋势面模型趋势面模型基本思路：基本思路：z=f( x, y)Control Points趋势面模型趋势面模型趋势面模型1 1、思路、思路先用已知采样点数据拟合出一个平滑的

12、数学平面先用已知采样点数据拟合出一个平滑的数学平面方程，再根据该方程计算无测量值的点上的数方程，再根据该方程计算无测量值的点上的数据。理论假设是地理坐标是独立变量，属性值据。理论假设是地理坐标是独立变量，属性值z z也是独立变量且是正态分布。也是独立变量且是正态分布。 NNjijijiijYXaZ0, yaxyayxayxaxayaxyayxaxayaxyaxayaxaazyaxyayxaxayaxyaxayaxaazyzxyaxayaxaazyaxaaz4143132212311410392827362542321039282736254232102542210210 surface dor

13、der trenforth The :surface dorder tren thirdThe :surface dorder tren second The :surface dorder trenfirst The32、趋势面分析所用内插函数1st Order Trend Original surface2nd Order Trend 3rd Order Trend 3、常用趋势面分析内插函数特性分析图：三阶趋势面图：三阶趋势面（二）分块内插法o将整个内插空间划成若干分块，并对各分块求出各自的曲面函数来刻画曲面形态。具体方法包括线性内插法、双线性多项式内插法和二元样条函数内插法。步骤： 定

14、义一个邻域或搜索范围；选择表达这有限个点的空间变化的数学函数； 搜索落在此邻域范围的数据点； 重复上述步骤直到格网上的所有点赋值完毕。为落在规则格网单元上的数据点赋值。 1 泰森多边形（已介绍）2 密度估算（移动拟合法的一种）o用已知点的样本量测栅格中的像元密度。o分为简单密度估计和核密度估计o核密度估算用核函数联系控制点进行估算。n基本思想：空间自相关n综合泰森多边形的邻近点方法和趋势面分析的渐变方法的长处。n假设：未知点x0处属性值是在局部邻域内中所有数据点的距离加权平均值。 n程度：距离的n次幂倒数3 反距离权重插值IDW IDW IDW基本公式基本公式【式中，n为落在搜索圆中的数据点的

15、个数；zi是落在搜索圆中的第i个数据点的z值；wi为第i个数据点的权重。di是控制点I与点0的距离；】 0 if 0 if /),(11iiniiniiiidzdwzwyxz1kkwwdr dd或【式中，di是控制点I与点0的距离；k为指定的幂数；r是搜索圆的半径】 IDWIDW插值示例插值示例4 样条函数插值原理：最小的曲率面 基本表达式： BasicFunction + TrendSurface = Q(x,y) 方法： 薄板样条函数 规则样条函数 张力样条函数 规则张力样条函数iiiddAlog 2)2ln()() 1)2(ln(4(21 022dcdKcdd) 1(log2iiiddA

16、名称基函数趋势函数薄板样条函数变形1规则样条函数薄板张力样条cybxacybxaacybxa)()2(ln(21(021iiniidKcdA（1）、样条函数插值（2）、样条函数求解步骤 .6 .5 011110010101 ),( .4),1( ),( , .3RA .2),0,( .1,1,nz,00220111212132122321113122211ij000 RARARAazZRAZRAzzzAAAaRRRRRRRRRayxTnizRARARAyxTinjidnizyxyxnnnnnnnnniinniiiiijiiiLMMLLMMMMMMLLLLLL求解插值点求解上述方程组为例）组成求

17、解方程组（个控制点例如对第列立求解方程的系数值式，计算基函数中的根据距离和基函数的形点和插值点之间的距离求解已知点之间、已知），其坐标设为（点数量为已知插值点周围的控制），求设插值点的坐标为（Regularized spline with tensionThin plate spline with tension样条函数示例样条函数示例（3 3） 样条函数应用样条函数应用平滑和连续的面 特征： 较IDW法更为平滑 受控制点分布影响较大 数据贫乏区，插值结果较实际大 张力系数一般不宜过大，在0.1-0.5之间5 克里金（Kriging）插值空间自协方差最佳(1)克里金插值方法的区域性变量理论假设

18、任何变量的空间变化都可以表示为下述三个主要成分的和： 与恒定均值或趋势有关的结构性成分； 与空间变化有关的随机变量，即区域性变量； 与空间无关的随机噪声项或剩余误差项。令x为一维、二维或三维空间中的某一个位置，变量z在x处的值可有公式计算：( )( )( )z xm xx1 半变异图和模型o用半变异测定空间相关要素o半变异图是探测研究对象空间变异性的重要工具o区间分组：首先将样本点对分成不同步长的区间组；其次，按方向对将样本点再进行分区；最后计算平均半变异。)(12)()(21)(dNihiizzdNd半方差图半方差图半变异(h)梁sill变程range块金C0距离h基台值总基台值C11 1）

19、半方差理论）半方差理论d(d)高斯线性球面指数圆形2 2 模型模型01( )1 exp(hahcco当存在明显的变程和梁，同时核方差也很重要但数值不太大的情况下，可用球面模型进行半方差拟合。球面3301 201( )( ) /2 0( )(0) 00hhaahccifh ahccifh aifh o当存在明显的核方差和梁，而没有渐变的变程，可用指数模型模型进行半方差拟合。01( )1 exp()hahcc指数o如果空间变化随变程渐变，但没有梁，则可用线性模型进行半方差拟合。0( )hcbh线性o如果核方差对于与空间变化有关的随机变化误差值很小的情况下，最好使用比较弯曲的曲线，可用高斯模型进行半

20、方差拟合。201( )1 exp() hahcc高斯dd=1d=2d=3半方差计算：规则分布点半方差计算：规则分布点31579298xy半方差计算：不规则分布点半方差计算：不规则分布点)()()( ; 0.10 ()()()( ()()()( ()()()( 2211202211121221122222211111221111npnppnnpnnpnnnnnpnnpnniniipdwdwdwzwzwzwzBAWBAWwwwddwdwdwddwdwdwddwdwdwwzzLLLLLLLLL误差估计未知点求解权重求解）权重求解：一般函数：无趋势（二） 普通克立金)()()( ; 0.10 ()()

21、()( ()()()( ()()()( 2211202211122112211212122112222122222111121111221111254232121npnppnnppnnpnnnnpnnnnnnnpnnpnniniipiiiiiiiidwdwdwzwzwzwMzBAWBAWyywywywxxwxwxwwwwdybxbdwdwdwdybxbdwdwdwdybxbdwdwdwwzMzybyxbxbybxbMybxb MLLLLLLLLLLL误差估计未知点求解权重求解）权重求解：一般函数：趋势函数：（三） 通用克里金（三）、数据精度分析（三）、数据精度分析o在研究区内随机选取n个数据点

22、，设这些点的图上值为zi，其对应的插值数值为xi，精度分析采用算术平均值和标准差来评价。第九节 空间数据质量与元数据 o学学 习习 目目 标标o理解空间数据质量及其相关概念o了解空间数据质量评价的标准，并分析造成数据质量问题的来源o说明控制空间数据质量的措施o理解元数据的概念，了解空间数据元数据所用到的概念o了解空间数据元数据的分类和标准o了解空间数据元数据的获取方法o弄清为什么在地理信息系统中使用元数据o说明空间数据元数据的应用 o 重点：空间数据质量的概念，数据质量评价，元数据的概念。o 难点：原数据的分类与标准。 一 空间数据质量o空间数据质量的概念o空间数据质量评价o空间数据质量问题的来源与分析o数据质量控制（一）、空间数据质量的概念o所谓空间数据质量是指空间数据在表达实体空间位置、特征和时间所能达到的准确性、一致性、完整性和三者统一性的程度，以及数据适用于不同应用的能力。（二）、空间数据质