第四章空间数据获取

1、第四章 地理空间数据获取邹逸江目录 地理空间数据获取内容 地图数字化获取DLG数据 数字摄影测量获取DLG数据 GNSS获取DLG数据 等高线计算获取DEM数据 遥感数据计算获取DOM数据 MMS车测量获取DMI数据 地理空间数据质量控制1.地理空间数据获取内容 地理空间数据是GIS的血液，整个GIS都是围绕地理空间数据展开的 地理空间数据种类：DLG、DRG、DOM、DEM和DMI 地理空间数据获取内容：空间位置、空间属性和空间关系 只有DLG具有空间位置、空间属性和空间关系，DRG、DOM、DEM、DMI具有空间位置和空间属性2.地图数字化获取DLG数据 地图数字化是GIS中获取地理空间数

2、据的主要手段 地图数字化是实现纸质地图到电子地图转换的前提 地图数字化主要目标是获取DLG数据或矢量地图数据 地图数字化有两种方式：手扶跟踪数字化 和扫描矢量数字化手扶跟踪数字化 通过手扶数字化仪获取矢量地图数据 三个步骤：连数字化仪、图版定向、矢量化和输入属性、图形编辑、自动建立拓扑关系 连数字化仪：计算机与数字化仪连接 图版定向：建立数字化仪坐标系与地理坐标系的关系 矢量化：沿着纸质地图上的地理要素进行数字化，获取矢量地图数据 输入属性：输入地理要素的属性 图形编辑：对矢量化错的地理要素坐标数据和属性数据进行增、删、改 自动建立拓扑关系：自动建立地理要素之间的拓扑关系扫描矢量数字化 将纸质

3、地图扫描成图像（二值、灰度、彩色）得到DRG数据，通过屏幕数字化获取矢量地图数据 屏幕数字化三种方式：屏幕矢量化、交互式矢量化和自动矢量化 屏幕矢量化：完全手工矢量化 交互式矢量化：采取人机交互的方式，线和面状地理要素自动化效率较高 自动矢量化：计算机自动矢量化，如等高线可实现自动矢量化 扫描矢量数字化几个步骤：图像编辑、图像二值化、图像细化、图像定位、矢量化和输入属性、图形编辑、自动建立拓扑关系 图像编辑：除噪声（脏点、毛刺）、分割连线、擦除、连接断线 图像二值化：将灰度或彩色图像转变成二值图像 图像细化：细化将一条线细化为只有一个像素宽单相互联通的骨架 图像定位：建立屏幕坐标系与地理坐标系

4、的关系 矢量化：将DRG图像数字化成DLG矢量地图数据 输入属性：输入地理要素的属性 图形编辑：对矢量化错的矢量地图坐标数据和属性数据进行增、删、改 自动建立拓扑关系：自动建立地理要素之间的拓扑关系图像编辑除噪前后扫描图像的“毛刺”和“凹陷孔洞” 图像编辑粘连点删除前后 图像编辑断裂线增加前后 图像二值化二值化前后图像细化 细化，就是不断去除曲线上不影响连通性的轮廓像素的过程 保证细化后曲线的连通性 细化结果是原曲线的中心线 ，保留细线端点 目前已经提出了许多线细化算法，如内接圆法、经典算法、异步算法、快速并行算法及并行八边算法等 图像细化线细化的结果图像定位 基本原理：寻找图像上已知几个控制

5、点的理论坐标，以及屏幕上相对坐标，根据控制点的个数建立相应的方程解算系数，确定方程函数式 仿射变换： 二元二次变换：222111cybxaYcybxaX2222222211121121fyexdycxybxaYfyexdycxybxaX矢量化和输入属性自动建立拓扑关系 人工建立拓扑关系 拓扑前错误数据的图形编辑 拓扑关系自动建立 拓扑关系错误自动检查图形编辑3.摄影测量获取DLG数据 我国1：1万和1：5万地形图采用摄影测量 摄影方式：航空摄影（垂直投影）和地面摄影（倾斜投影） 航空摄影存在两种误差：像片倾斜误差（恢复摄影方位）和投影误差（微分纠正） 摄影测量手段：常规摄影测量、解析摄影测量、

6、全数字摄影测量、近景摄影测量、三维激光扫描测量、多基线立体摄影测量常规摄影测量 由于像片存在误差，用一系列仪器来恢复摄影方位和纠正投影误差 整个比例尺相同得到正射影像 仪器：纠正仪、微分纠正仪、单投影仪和数字微分纠正仪 纠正后的影像重新曝光获得正射投影的影像 用于晒兰获得纸质图 人工描绘纸质图上的地理要素获得地图解析摄影测量 摄影测量介质是航空像片或卫星像片 恢复摄影方位和纠正投影误差用计算机实现，即用计算机实现内定向、相对定向和绝对定向 用机械、光学和电学原理重现地形表面三维立体（航向重叠5565，旁向重叠30） 摇动手轮和脚盘，移动测标于地形表面上即得地理要素X、Y、Z坐标 事后通过图形编

7、辑手段获取属性数据全数字摄影测量 摄影测量介质是数字航空像片或数字卫星像片 恢复摄影方位和纠正投影误差用计算机实现，即用计算机实现自动内定向、自动相对定向和自动绝对定向 用计算机和光学眼镜重现地形表面三维立体（航向重叠5565，旁向重叠30） 摇动手轮和脚盘，移动测标于地形表面上即得地理要素X、Y、Z坐标 事后通过图形编辑手段获取属性数据全数字摄影测量系统 全数字摄影测量系统的思想（武汉大学于20世纪70年代中期，王之卓院士） 我国具有自主知识产权的全数字摄影测量系统主要有VirtuoZo、JX4和DPGrid VirtuoZo数字摄影测量工作站（武汉大学于20世纪80年代初期，张祖勋院士 ）

8、 JX4数字摄影测量工作站（中国测绘研究院于20世纪90年代中期，刘先林院士 ） DPGrid数字摄影测量网格（武汉大学于21世纪初 期，张祖勋院士 ） 数字摄影测量推广应用全数字摄影测量系统RS简介 处理数据对象：航片或卫片遥感数据，得出DLG、DOM、DEM 定义：通过非接触传感器遥测物体几何与物理特性的技术。接受、传输、处理、分析判读和应用遥感数据全过程为遥感技术 电磁波谱：r射线、x射线、紫外、可见光、红外、微波、无线电、声波、交流电 可遥感的电磁波谱分类：紫外、可见光、红外、微波 组成：遥感平台、传感器、数据接收、数据处理、分析解译、矢量化 遥感平台分类：地面（人、运载工具）、航空（

9、气球、飞机）、航天（火箭、卫星、飞船、航天飞机） 传感器分类：光学摄影、光电成像、雷达 遥感方式：被动式（光学摄影类、光电成像类）、主动式（雷达类） 分辨率分类：地面分辨率、影像分辨率、灰度分辨率、波谱分辨率、时间分辨率 数据接收：回收式、传输式（中继卫星） 数据处理：图像复原（几何校正、辐射校正）、图像增强（形式和特征）、图像分类（识别和划分）、图像复合 分析解译：几何特征、物理性质 数字化：DLG、DOM、DEM 著名的遥感卫星（Quickbird、Ikonos、Landsat、Spot、JERS1、ERS1、ENVISAT1、 IRS、EROS 、RADARSAT1、 CBERS、中国资

10、源二号、航天飞机）卫星定位卫星定位与定轨与定轨遥感信遥感信息传输息传输目标提取、识别与目标提取、识别与变化监测变化监测(自动化、智能化自动化、智能化)数据处理数据处理(高光谱、高分辨率、雷达高光谱、高分辨率、雷达)分发分发多源数据融合与集成多源数据融合与集成用户用户遥感成像机理遥感成像机理与模型与模型GeoEye-1GeoEye-1（0 04141）QuickbirdQuickbird（0 06161）IkonosIkonos（1 10 0米）米）LandsatLandsat（15153030米）米）SPOT 5号全色波段图像（号全色波段图像（5米）米）SPOT 5 号假彩色合成图像（号假彩色

11、合成图像（5米）米）SPOT 7号全色波段图像（号全色波段图像（2.5米）米）CBERSCBERS1 1（2020米）米）JERSJERS1 1（1818米）米）ERSERS1 1（3030米）米）ENVISATENVISAT1 1（3030米）米）RADARSATRADARSAT1 1（3030米）米）中国资源二号全色波段图像（中国资源二号全色波段图像（15米）米）中国资源二号数据与中国资源二号数据与TM融合结果融合结果美国美国SRTM雷达地表影像（雷达地表影像（2000，2）ASTER风云一号第一张展宽云图HY-1水色扫描仪三通道合成图水色扫描仪三通道合成图中分辨率成像光谱仪图像 国外著名

12、的软件：ERDAS（USA ERDAS）、ENVI（USA Research System INC）、ER Mapper（澳大利亚ERM）、PCI Geomatica（加拿大PCI）、GEOimage（法国）、Intergraph（USA）、Helava（Leica） 国内著名的软件： IRSA（中科院）、 VirtuoZo （武大）、（武大）、JX4ADPW（中测（中测院）、院）、 DPGrid （武大）（武大）近景摄影测量 倾斜摄影，两个不同角度同时对物体进行摄影 近景摄影测量原理：通过二台高分辨率的相机对被测物同时拍摄，得到物体的2个二维影像，经计算机图像匹配处理后得到精确的三维坐标 拍

13、摄物体表面纹理，通过计算机处理得到三维立体轮廓图 三维立体轮廓图贴上纹理得到逼真的物体三维仿真图像三维激光扫描测量 三维激光扫描测量技术是近几年来发展起来的一项高新技术，利用这一先进技术，要快速获取特定目标的立体模型 主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型 可更精密地用来测量古建筑和珍贵文物的三维模型。根据实际工作的应用需要，由模型可以生成断面图、投影图、等值线图等，并可将模型以Auto CAD和Microstation的格式输出 多基线立体摄影测量4. GNSS获取DLG数据 GNSS是全球导航卫星系统简称 GNSS由GPS、GL

14、ONASS、 GALILEO、北斗一号构成，现在通常、北斗一号构成，现在通常由由GPS替代替代 通过GPS野外采集数据 技术之间集成（GISGPS）GNSSGNSS简介简介 处理对象：DGD，为DLG、DOM、DEM定位 定义：利用卫星不断向地面发送加载了特殊定位信息的无线电信号来实现地面定位测量的系统 种类：GPS、GLONASS、GALILEO 、北斗 组成：卫星星座（时间、测距、坐标信号）、地面控制部分（测定轨道坐标、时钟差异、轨道纠正）、用户部分（接收信号、计算位置） 定位前提：能观测到至少4颗卫星，3颗用于定位，一颗用于时钟检测 1993年6月23日部署完毕 军用精码（P1、P2码，

15、1米）、民用粗码（C/A码，30米）和M码 广播星历：轨道坐标、钟差参数、电离层延迟改正 24颗卫星覆盖全球，18颗定位，6颗候补 GPS信号易干扰性（GPS干扰机）、P码捕获的非独立性 、星历更新的强依他性 、高纬度地区信号差 差分计算精度：伪距35米，相位距厘米级GPS无无SASA时：时：C/AC/A码单点定位精度码单点定位精度 15-30m15-30m有有SASA时：时：C/AC/A码单点定位精度码单点定位精度 100 m100 m 军用军用P P码单点定位精度码单点定位精度 1 m1 mGPS卫星卫星基准站（坐标已知）GPS卫星卫星差分定位精度伪距：5m相 位 ： 厘 米 级 到毫米级

16、 待定站（坐标未知）GLONASS 于1997年正式部署完毕 从1997年到2000年，俄罗斯就没有发射补网卫星 期望到2008-2010年将卫星增加到16-18颗 精密信号（SP，57-70米 ）和高精密信号（HP） 人们对俄罗斯的GLONASS系统不是很放心GALILEO 论证阶段（2000-2001） 系统研制和在轨验证阶段（2001-2005） 星座布设阶段（2006-2007） 运营阶段（从2008年开始？） 伽里略是第一个用于民用的卫星定位和导航系统 伽里略的精度要优于GPS,对于某一特定的应用，伽里略系统定位精度可达1米 充分考虑了和GPS的兼容问题北斗 目前有三颗定位卫星在轨运

17、行 定位精度为：平面20米100米，高程10米 计划2007年初发射两颗北斗卫星，2008年左右满足中国及周边地区用户 目前我军正在进行二代卫星导航定位系统的设计论证工作，现已立项 未来必将发展成为全球无源三维导航定位系统,由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成 定位精度为10米 GNSS数据采集GPS采集道路数据 新增或改建道路很多 数字地图的现势性较差，影响到军事和国民经济建设 更新道路手段：常规技术、遥感技术、GPS技术 GPS技术经济实用 关键技术：GPS数据接受、GPS数据差分、GPS数据坐标系转换、GPS数据与DLG集成、集成数据的GIS处理、成果输出原理图卫星卫星1卫星卫星

18、2卫星卫星nGPS接收机接收机1GPS接收机接收机1GPS导航仪导航仪坐标数据与属性数据坐标数据与属性数据GIS数据处理数据处理成果数据成果数据GPS野外实测野外实测数据后处理数据后处理成果输出成果输出前期准备前期准备资料准备资料准备无线通讯无线通讯GNSS数据采集RSRS与与GPSGPS集成采集数据集成采集数据 处理数据对象：DOM 集成方式一：数据之间集成（DOM） 集成方式二：技术之间集成（RSGPS） 关键技术：利用差分GPS获取摄影机三维坐标、空间控制取代地面控制、几何处理影像、坐标系转换、得到DOM卫星卫星1 1卫星卫星2 2卫星卫星3 3卫星卫星4 4单差分方式相对动态GPS定位

19、示意图基准站航摄仪国外领土（敌占岛礁）测绘GNSS数据采集=空基空基3S3S集成：用空集成：用空 地定位模式实现直接对地定位模式实现直接对地观测，主要目的是在无地面控制点（或有少地观测，主要目的是在无地面控制点（或有少量地面控制点）的情况下，实现航空航天遥感量地面控制点）的情况下，实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等 =地基地基3S3S集成：车载、舰载定位导航和对地面集成：车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业目标的定位、跟踪、测量等实时作业GPSGPS接收机接收机电子罗盘电子罗盘CCDCCD相机相机车内装车内装备备3

20、530711241150.441.0442.44 等高线生成规则格网DEM包括：移动二元曲面法、距离加权平均法、断面法、最大坡度法、有限元结合最小二乘配置法等 最大坡度、断面算法比较适合山地和丘陵地的DEM计算 有限元结合最小二乘配置法适合于平原地区的DEM计算 移动二元曲面则适合曲率变化比较均匀，地形起伏变化不大的地区的DEM计算5.等高线计算获取DEM数据6.遥感数据计算获取DOM数据 数字正射影像图（DOM）是利用DEM对遥感影像（单色或彩色），逐像元进行恢复像元方位纠正、辐射改正、投影（微分）纠正和镶嵌等处理 并按规定图幅范围裁剪生成的影像数据，带有公里格网、图廓（内、外）整饰和注记的

21、平面图 DOM同时具有地图几何精度和影像特征，精度高、信息丰富、直观真实、制作周期短 7. MMS车测量获取DMI数据 移动测量系统（MMS：Mobile Mapping System）是在行驶的机动车上装配GPS（全球定位系统）、 GIS、CCD（摄影测量系统）、惯性导航系统（INS）等先进的传感器和设备 在载体的高速行进之中，通过摄影测量的方式快速采集地物的空间位置数据和属性数据，并同步存储在系统计算机中 经专门软件编辑处理，形成所需的部件专题图数据、属性报表数据和连续的可量测影像数据DMI 移动测量系统MMS MMS的DMI测量 二维电子地图可量测实景影像二维电子地图遥感影像可量测实景实

22、景影像二维电子地图三维电子地图可量测实景实景影像8.地理空间数据质量控制 数据质量的基本特点 数据误差或不确定性的来源 数据误差类型 几何误差的检测和表达 属性误差 属性数据的不确定性基本特点 准确度：即测量值与真值之间的接近程度，可用误差衡量 精度：即对要素描述的详细程度 不确定性：指某要素不能精确测得，当真值不知道或不可测，就无法知道误差，因而用不确定性取代误差，如海岸线 相容性：指两个来源的数据在同一应用中使用的难易程度，如比例尺不一致 一致性：指对同一要素表达的一致程度，如同一河流在不同地图上的形状不同 完整性：指具有同一准确度和精度的数据在特定空间范围内是否完整的程度，如缺少数据 可

23、得性：指获取或使用数据的容易程度，如密级和价格 现势性：指数据反映客观要素目前状况的程度误差来源数据处理过程数据处理过程误差来源误差来源数据搜集野外测量误差：仪器误差、记录误差遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷数据输入数字化误差：仪器误差、操作误差不同系统格式转换误差：栅格-矢量转换、三角网-等值线转换数据存储数值精度不够空间精度不够：每个格网点太大、地图最小制图单元太大数据处理分类间隔不合理多层数据叠合引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差比例尺太小引起的误差数据输出输出设备不精确引起的误差输出的媒介不稳定造成的误差数据使用对数据所包含的信息的误解对数据信息使用不当误差类型 数据的误差主要有四大类，即几何误差、属性误差、空间关系误差和逻辑误差 几何误差：要素位置错误产生的误差 属性误差：要素属性错误产生的误差 空间关系误差：要素关系错误产生的误差 逻辑误差：几何误差、属性误差和空间关系误差都会造成逻辑误差逻辑误差逻辑误差 数据的不完整性是通过上述四类误差反映出来的。事实上检查逻辑误差，有助于发现不完整的数据和其他三类误差。 对数据进行质量控制或质量保证或质量评价，一般先从数据的逻辑性检查入手 其中桥或停车场等与道路是相接的，如果数据库中只有桥或停车场，而没有与道路相连，则说明道路数据被