交通地理信息系统04空间数据获取与处理汇总

1、交通地理信息系统04空间数据获取与处理汇总课 题：空间数据获取与处理目的要求：理解GIS的数据采集方式；掌握地图数字化的方法、步骤；掌握地图数据的各种处理方法；理解属性数据编码的深化含义，理解空间数据压缩处理方法及优缺点教学重点： 地图数字化的方法、步骤及其中涉及到的算法；地图数据的各种处理方法：地图空间变换、投影变换；图幅拼接；拓扑建立。教学难点：拓扑关系建立算法 特征点挑选法 教学课时：2课时教学方法: 讲授本次课涉及的学术前沿：新一代三维数字化仪主要内容地图数字化空间数据处理属性数据输入与编辑第一节 地图数字化一、数据输入方式1、手工方式手工方式是通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键

2、盘输入。2、手扶跟踪数字化方式 手扶跟踪数字化仪是一种图形数字化设备，是常用的地图数字化方式。3、扫描方式 扫描仪是一种图形、图像输入设备，可以快速地将图形、图像输入计算机系统，是目前开展很快的数字化设备，已经成为图文通信、图像处理、模拟识别、出版系统等方面的重要输入设备。第一节 地图数字化4、影像处理和信息提取方式 影像处理和信息提取是从遥感影像上直接提取专题信息，影像处理技术包括几何纠正、光谱纠正、影像增强、图像变换、构造信息提取、影像分类等。是目前技术程度下，一种非常有效的快速信息采集方式。5、数据通讯方式 数据通讯是指在连网方式下，信息系统内部各子系统之间以及与其他信息系统之间实现信息

3、交流和信息共享的主要方式。数据通讯技术的开展对地理信息系统中数据采集系统的性能进步，将起到极大的推动作用。第一节 地图数字化二、矢量电子地图 当纸质地图经过计算机图形图像系统光电转换量化为点阵数字图像，经过图像处理和曲线矢量化，或者直接进展手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、遨游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸质地图相对应的计算机数据文件称为矢量化电子地图。1、矢量电子地图的含义 2、矢量图与纸质地图相比的优点 计算间隔 和标注地名符号快速准确地图显示和阅读遨游的功能强大可分层显示可以图元为单位进展信息编辑修改可以通过网络进展地图传递假设能有效解决地图符号自

4、动分割和识别问题，那么能实现地图的智能矢量化 第一节 地图数字化3、矢量电子地图与点阵地图图像相比的优点： 一样信息量前提下，矢量图文件要小得多，图越复杂越明显 矢量地图的编辑功能强大，点阵地图只能以像素为根本单位运算和复制。 矢量图可分层，点阵图像可以进展开窗显示。第一节 地图数字化三、手扶跟踪数字化1. 数字化仪的组成 数字化仪一般由感应板又叫数字化板和定标器又叫游标两局部组成，如图1所示。手扶跟踪数字化仪一般采用点方式、流方式。 1点方式：是一种手控图形数字化方式。每按下定标器的键，感应板发送一对坐标数据到计算机。2流方式：时间流方式：是一种时控图形数字化方式。数字化仪每隔一定的时间就向

5、计算机发送坐标数据。 间隔 流方式增量方式：是一种距控图形数字化方式。当定标器在感应板上挪动某个间隔 步长，计算机自动记录经过点的坐标。数字化仪第一节 地图数字化 图1 手扶跟踪数字化仪示意图数字化仪示意图 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地图数字化的操作步骤准备设置数字化读图和分层输入初始化参数设置输入控制点设置数字化参数设置定标器按键 固定地图数字化检查和修改数字化错误第一节 地图数字化2. 地图数字化的操作步骤地图数字化是地理数据采集的重要组成局部，一般包括以下几个步骤：1读图和分层 图形数字化以前，首先对地图上的图形要素进展分类。每一类

6、作为一个图层，每一个图层赋一个图层名。2固定地图 在感应板的有效区域内平整地固定地图，地图在感应板上的摆放方向不受限制，一般开场数字化后不再挪动地图。3输入初始化参数 包括数字化的阈值数字化两点间的最短间隔 、图幅四角点的理论坐标、图幅长度和宽度、比例尺、地图投影等。第一节 地图数字化4设置与输入控制点 一旦设置好投影方式后，就需要设置与输入控制点，它主要完成对输入数据偏向的纠正。找到地图上一些坐标的点，按下定标器的按键。一般应用程序提示输入数据，将图上点的真实坐标输入。应该至少设置4个点，输入的点越多，对图幅数据纠正的越准确。5设置数字化参数 数字化参数包括： 自动封闭线形式。 允许游标锁定

7、。 数字化光阴滑线。每数字化一条图元时，系统会自动光滑这条线。 设置数字化方式，如点方式、流方式等。第一节 地图数字化6数字化 参照预先设定的图层及内容，手持游标分别跟踪点、线、多边形等图形，完成图形矢量化。当数字化的图形过大，超过感应板上的有效范围，需将地图分幅数字化。一般将图形按矩形分为上下两幅或左右两幅图形，或者分为左上、右上、左下、右下四幅矩形图形等。数字化时，首先对各个分幅矩形的范围进展数字化，即对左下角、左上角，右上角、右下角进展数字化。经过这样处理后，就为图形的拼接提供了参数和根据。 7检查和修改数字化错误 通过屏幕或绘图显示，检查线段缺失或多余、线段过长或过短、结点不匹配、悬挂

8、节点等各种错误，并予以改正。新一代三维数字化仪第一节 地图数字化四、扫描矢量化方法1. 扫描仪工作原理 扫描仪可以捕捉各种地图、照片、航空像片以及较薄物体的图像信息。它是一种高精度的光电一体化产品，能通过光电器件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟/数字转换器转化为数字信号传输到计算机中处理。 2. 扫描数字化流程1工作方式 扫描矢量化是利用扫描仪直接扫描原图，以栅格形式存储于图像文件中如*.TIF等，然后经过矢量化转换成矢量数据，存入到线文件或点文件中，再进展编辑、输出。第一节 地图数字化2 扫描矢量化处理流程 原图用扫描仪原图扫描图像校正拼接子图块读图、分层装入光栅数据矢量图合

9、成设置当前层和缺省参数设置矢量化参数设置矢量化范围交互矢量化保存文件可用二值扫描、灰度扫描或彩色扫描一般情况下，先矢量化后对矢量图形数据进展校正但有时需要与已有的图形套合，这时需要先将扫图形进展校正，然后与已有的图形配准。 抽稀因子就是控制线在抽稀后与原光栅中心线之间的最大偏向值，实际上就是控制线的坐标点数，要适宜精度要求。 扫描矢量化流程图小型扫描仪工程扫描仪第一节 地图数字化将栅格图像转换为矢量地图一般需要以下几个步骤：图像二值化 图像二值化用于从原始扫描图像到黑白二值图像，通常将图像上白色区域的栅格点赋值为0；而黑色区域为1，黑色区域对应了要矢量化提取的地物，又称为前景。这里通常要给定一

10、个灰度阈值，当图像上的区域的灰度值小于这个阈值，那么赋值为0，大于这个阈值赋值为1平滑 图像平滑用于去除图像中的随机噪声，通常表现为斑点。细化 将一条线细化为只有一个像素宽，细化是矢量化过程中的重要步骤，也是矢量化的根底。链式编码 将细化后的图像转换成为点链的集合，其中每个点链对应于一条弧段。矢量线提取 将每个点链转化成为一条矢量线。每条线由一系列点组成，点的数目取决于线的弯曲程度和要求的精度。 第一节 地图数字化1图像拼接和裁剪图像拼接：以两相邻地图图像的局部重叠区为根底，把它们合成为一幅整图的过程叫做图像拼接，分为上下拼接和左右拼接。地图裁剪：一幅图像裁成两两相邻的规那么图块的过程称为地图

11、裁剪。2 图像细化预处理二值图像平滑对扫描输人的栅格图，由于各种原因，获取的栅格图上总会存在污点、污迹、线轮廓凹凸不平等现象。为此，在二值化前要进展预处理，如通过人工交互编辑处理，修补断线，通过低通滤波除去污迹，通过高通滤波除去污点等等。预处理消除毛刺噪声、空洞和凹陷噪声，使用一些滤波模板来进展平滑计算。第一节 地图数字化3图像细化线细化：就是不断去除曲线上不影响连通性的轮廓像素的过程。细化本质是消除线段横截面栅格数的不一致，将图像中的线条沿中心细化，使其具有一个像素宽度的线条。 细化意味着要删除一局部栅格，但细化后要保持图像的连接性不变，要保存原图像的关键局部，如图的突出局部、线段的端点等。

12、细化处理是图像处理的一种重要处理方法，实现算法很多，主要有“剥皮法和“骨架法，为获得好的处理结果，算法的选择应视图像情况而定。要求： 保证细化后曲线的连通性， 其结果是原曲线的中心线； 保存细线端点。内接圆法、经典算法、异步算法、快速并行算法等第一节 地图数字化3214p05674链码是由Freeman提出的用曲线出发点坐标和线的斜率来描绘二值线图形的一种方法。任一一条细线都可用链码序列表示为下式: C=a1a2an,0ai7假设起始点a1和终点an重合，那么说明曲线是闭合的。3，021100066567012345第一节 地图数字化矢量线生成生成过程中涉及到取点的一些算法，如特征点挑选法，并

13、且自动矢量化还应在形式识别方面做更多的研究。1扫描准备 准备要数字化的原图，最好为不易变形的聚酯薄膜图，并把它正确装入扫描仪。2扫描参数设置 扫描参数的设置包括： 扫描形式的设置：扫描形式分二值、灰度和百万种彩色等，对单色地图一般采用二值或灰度扫描；对黑白航空像片或卫星像片采用灰度扫描；对彩色地图可采用灰度扫描或百万种彩色扫描；对彩色航空像片或卫星像片采用百万种彩色扫描。 扫描分辨率的设置：根据扫描要求设定分辨率，一般采用300dpi，特殊需要可采用更高的分辨率。 针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、比照度、色彩等值。第一节 地图数字化3图形扫描 扫描参数设置完毕后，进展图形预览，并设定扫描范

14、围，然后进展扫描。4图像装入 进入输入子系统，系统读入该图像的数据，并显示在图像数据的窗口内。5采集控制点 选择系统的这一功能项时，系统会弹出一对话框，在此对话框中可设置投影、坐标单位。用鼠标采集控制点，控制点采集完成后，系统会提示输入点的坐标，并计算误差值。6分层矢量化 分析扫描地图，进展分层。选择矢量化方式，在矢量化工具箱中点取相应按钮开场矢量化工作。7检查和修改数字化错误 将数字化后的矢量图与原扫描图像叠置，检查数字化过程中出现的错误或误差，并逐个予以改正。数据处理的概念空间数据处理的方法空间数据的编辑处理第二节 空间数据处理数据处理的概念一 、数据处理的概念二、 数据处理的内容三、 数

15、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踞进展编辑运算，去除数据沉余，弥补数据缺失，形成符合用户要求的数据文件格式数据处理的概念一 、数据处理的概念二、 数据处理的内容三、 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一 、数据处理的概念二、 数据处理的内容三、 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进步资源利用效果1.平面坐标变换2.空间数据的压缩处理3.空间数据类型的转换4.空间数据插值5.数据提取空间数据处理的方法坐标变换空间数据处理的方法-平面坐标变换平移变换 0yxP（x，y）P(x，y)xyx=x+xy=y+

16、y空间数据处理的方法-平面坐标变换旋转变换 yP（x，y）0 xP(x，y)x=xcos-y sin y=xsin+y cosx=x0+(x- x0)cos-(y- y0) siny=y0+(x- x0) sin+(y- y0) cos空间数据处理的方法-平面坐标变换比例变换图形缩放 点可以通过对其Px，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间隔 。 x=xSxy=ySyx=x0+(x- x0) Sx y=y0+(y- y0) Sy空间数据处理的方法-平面坐标变换空间数据处理的方法-平面坐标变换仿射变换Affine Tranformation 因地图变形引起的实际比例尺在

17、x和y方向上都不一样而进展图纸变形的纠正。公式： 仿射变换在不同的方向可以有不同的压缩和扩张，可以将球变为椭球，将正方形变为平行四边形 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通过建立两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 )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由一种投影的坐标 (x,y)反解

18、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)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根据两种投影在变换区内假设干同名的坐标点，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空间数据处理的方法-平面坐标变换空间数据处理图形拼接图形拼接 图幅拼接(a)拼接前；(b)拼接中的边缘不匹配；(c)调整后的拼接结果空间数据处理图形拼接图幅拼接的步骤如下： 1、 逻辑一致性的处理由于人工操作的失误，两个相邻图幅的空间数

19、据在接合处可能出现逻辑裂隙，如一个多边形在一幅图层中具有属性A，而在另一幅图层中有属性B。此时，必须使用交互编辑的方法，使两相邻图斑的属性一样，获得逻辑一致性。空间数据处理图形拼接2、识别和检索相邻图幅的数据 利用输入数据时的图幅编码，将相邻图幅联络在一起。有时同时为了减少数据量，也可考虑仅提取边沿数据，进展目的匹配，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编号及图幅边沿数据的提取空间数据处理图形拼接追踪拼接法：符合以下条件，两条线段即可匹配衔接： 相邻图幅边界两条弧段的左右码各自一样或相反 相邻图幅同名边界点在某一容许的范围内。3、相邻图幅边界点坐标数据的匹配追踪拼接法空间

20、数据处理图形拼接当图幅内图形数据完全拼接后，相邻图斑会有一样属性。此时，应将一样属性的两个或多个相邻图斑组合成一个图斑，即消除公共边界，并对共同属性进展合并 4、 一样属性多边形公共界限的删除一样属性多边形公共边界的删除与属性合并空间数据处理图形拼接多边形公共边界限的删除，可以通过构成每一面域的线段坐标链，删除其中共同的线段，然后重新建立合并多边形的线段链表，如以下图。对于多边形的属性表，除多边形的面积和周长需要重新计算外，其余属性保存其中之一图斑的属性即可。图 多边形公共边界的自动删除空间数据处理图形拼接边沿匹配前原始数据匹配处理边沿匹配后数据空间数据处理拓扑生成 拓扑生成 图形修改 建立拓

21、扑关系 空间数据处理拓扑生成1、结点的编辑 结点的吻合(结点挪动法、容差法、求交法等。 假结点和悬线的消除； 多余点的消除； 2、弧段编辑公共弧段一致性检查编辑，弧段打折检查；3、拓扑编辑 欧拉定理进展拓扑关系的逻辑检查编辑，假结点的检查编辑，悬线悬点的检查编辑等。图形修改空间数据处理拓扑生成在图形矢量化完成之后，对于大多数数字地图而言需要建立拓扑，这样可以防止两次记录相邻多边形的公共边界，减少了数据冗余，同时有利于地图的编辑和整饰。建立拓扑关系空间数据处理拓扑生成1. 拓扑处理对数据的要求在建立拓扑关系的过程中，一些数字化输入过程中的错误需要被改正，否那么，建立的拓扑关系将不能正确地反映地物

22、之间的关系。ESRI定义了判断录入图形是否正确的6个准那么，可以帮助发现拓扑错误。所有录入的实体都可以表现出来；没有输入额外的实体；所有的实体都在正确的位置上，并且其形状和大小正确；所有具有连接关系的实体都已经连上；所有的多边形都有且只有一个标志点以识别它们；所有的实体都在边界之内。上述的准那么，特别是、两条，只是针对ESRI的ARC/INFO软件而言，其他软件由于详细实现的不同，可能会有差异。建立拓扑关系空间数据处理拓扑生成拓扑关系的建立是拓扑处理的核心。为了便于拓扑关系的建立，需要对数据进展预处理，需做好以下几点：1数字化或矢量化时，对结点处几个弧段的相交处应注意：一是使其断开；二是尽量采

23、用抓线头或结点平差等软件功能使其吻合，防止产生较大的误差。使结点处尽量与实际相符，防止端点回折，不要产生超过1毫米长的无用短线段；2面域必须由封闭的弧段组成。3将原始数据线数据转为弧段数据4尽量防止多余重合的弧段产生。5进展拓扑查错。查错可以检查重叠坐标、悬挂弧段、弧段相交、重叠线段，结点不封闭等是严重影响拓扑关系建立的错误。去除所有拓扑错误。建立拓扑关系空间数据处理拓扑生成2、拓扑关系的建立。 手工建立：手工建立是人机交互操作的方式，用户通过操作输入设备鼠标或键盘，在屏幕上依次指出构成一个区域的各个弧段、一个区域包含了另外哪几个区域、组成一条线路的各个线段等等。自动建立：那么是利用系统提供的

24、拓扑关系自动建立功能，对获取的矢量数据进展分析判断，从而可以建立多边形、弧段、结点之间的拓扑关系。自动建立网构造元素的拓扑关系多采用弧段跟踪法。首先，有原始线段数据建立弧段的邻接关系，同时也确定了弧段与结点的关联关系；其次，按一定规那么顺时针或逆时针沿弧段跟踪形成闭合环区域，同时记下每个区域的编号；第三，根据点是否在多边形内的判断法那么，依次找出区域与区域之间的嵌套关系。空间数据处理拓扑生成建立拓扑关系手工建立与自动建立拓扑关系的方法各有其优势和缺点：手工建立拓扑关系方法自动建立拓扑关系方法操作复杂，工作量大生成速度快对原始数据要求不严原始数据要求严修改时不必重复计算要求弧段结点匹配好 空间数

25、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:原数据信息根本不丧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:原数据信息不会丧失，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 特征点挑选法：挑选抽取曲线特征点，并删除全部多余点以到达节省存贮空间的目的。 空间数据处理的

26、方法-压缩处理空间数据处理的方法-压缩处理一、曲线矢量数据的压缩1. 间隔取点法每隔一规定的间隔 取一点，舍去那些离已选点较近的点，但首末点必须保存。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，但不一定能恰当地保存方向上曲率显著变化的点。2. 垂距法垂距法是按垂距的限差选取符合或超过限差的点。即利用曲线点序列中顺序的3点，Pn-1,Pn,Pn+1,把Pn-1和Pn+1点相连，计算Pn点到Pn-1 Pn+1线的垂距，并与规定的限差比较，以确定Pn点是取还是舍。空间数据处理的方法-压缩处理3. 偏角法偏角法是按偏角的限差选取符合或超过限差的点。即利用曲线点序列中顺序的

27、3点，Pn-1,Pn,Pn+1,把Pn-1和Pn+1点相连,计算Pn-1Pn与Pn-1 Pn+1直线的夹角，并与规定的限差比较，以确定Pn点是取还是舍。垂距法和偏角法虽然不能同时考虑相邻点间的方向和间隔 ，且有可能舍去不该舍去的点，但比间隔取点法好。4. 特征点挑选法特征点挑选法是通过挑选抽取曲线特征点，并删除非特征点以实现数据压缩。当要输出该曲线时，通过调用曲线特征点数据，并经内插计算自动加密数据点与特征点相匹配，这样就能输出符合精度要求的一条完好曲线。 空间数据处理的方法-压缩处理间隔取点法空间数据处理的方法-压缩处理垂距法和偏角法空间数据处理的方法-压缩处理这种数据压缩方法步骤如下：1在给定曲线的起点和终点之间建立直线方程；2计算曲线上每一点与直线的垂直间隔 ；3设置数据压缩的垂距极差被舍去点间隔 直线之间的最大偏向，假设所有点的垂直间隔 均小于，那么舍去这些点；4假设步骤3中条件不满足，找出最大垂直间隔 的点作为保存点，将原曲线分成两段曲线；5重复上述步骤，对他们进展递归操作，直到全部多余点被删除。空间数据处理的方法-压缩处理 曲线