城市信息系统第4讲

河南大学环境与规划学院主讲教师：王海鹰第四讲城市GIS的数字化技术城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第1页!空间数据的采集和处理数字化成果质量评价和控制城市GIS的数字化技术城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第2页!现实世界文字报告、遥感图象等数字化仪扫描仪解析测图仪键盘等编辑、接边、分层、图形与属性连接、加注记等空间数据库数据源?如何采集和处理?质量如何?数字化流程概述城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第3页!数据源是指建立GIS的地理数据库所需的各种数据的来源，主要包括地图、遥感图像、文本资料、统计资料、实测数据、多媒体数据、已有系统的数据等。可归纳为原始采集数据、再生数据和交换数据三种来源。数据源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第4页!数据的种类及其来源第一手数据第二手数据非电子数据电子数据全站仪、GPS数据地球物理、地球化学遥感数据地图专题地图统计图表平板测量数据工程测量数据笔记航空、遥感相片人口普查社会经济调查各种统计资料已建各种数据库GIS数据数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第5页!二、遥感数据（影像数据）

遥感数据（影像数据）是GIS的重要数据源。遥感数据是一种大面积的、动态的、近实时的数据源，遥感技术也是GIS数据更新的重要手段。

遥感数据(影象数据)用于提取线划数据和生成数字正射影象数据（DOM）、DEM数据。数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第6页!四、统计资料

国家许多部门和机构都拥有不同领域(如人口、基础设施建设、兵要地志等)的大量统计资料，这些都是GIS的数据源，尤其是GIS属性数据的重要来源。数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第7页!六、多媒体数据

多媒体数据(包括声音、视频等)通常可通过通讯接口传入GIS的地理数据库中，目前其主要功能是辅助GIS的分析和查询。数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第8页!上述这些数据经地理信息系统数字化和编辑后，形成不同格式和数据结构的数据集。GIS的主要数据集，包括数字线划数据（DLG）、数字扫描数据（DRG）、影像数据（DOM）、数字高程数据（DEM）和属性数据（包括社会经济数据）、专业领域数据。数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第9页!地图地面测量数据统计资料航空、遥感数字数据多媒体坐标几何数字化仪扫描仪摄影测量键盘空间数据库编辑处理数据交换数据源与相应设备数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第10页!数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备特点：范围大，速度快使用范围：大面积GIS数据采集、资源普查等数字化仪扫描仪数字摄影测量工作站主要数据采集方法—各种数字化设备数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第11页!数据采集的方法野外数据采集（平板仪、经纬仪、全站仪、GPS等）手工数据输入法（各种调查统计数据、宗地信息等）地图数字化（手扶跟踪、扫描数字化等）摄影测量与遥感其它系统的数据转换（公共的数据接口与转换标准）数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第12页!地图数字化方法手扶跟踪数字化数字化方法点方式，按下按键，发送一个点坐标。流方式，移动游标，自动记录经过点坐标。实时采样距离流方式(DistanceStream)时间流方式(TimeStream)曲线离散化算法扫描矢量化一般采用交互跟踪矢量化或称半自动化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第13页!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）和相应的电子线路组成。数字化仪的幅面有A0，A1，A3，A4等。

手扶跟踪数字化仪示意图数字化技术——手扶跟踪数字化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第14页!有效区域数字化仪板面组成示意图数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第15页!2、数字化方式：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计算机发送坐标数据。距离流方式（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移动某个距离（步长），计算机自动记录经过点的坐标。手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第16页!2、用数字化软件进行数字化手扶跟踪数字化数字化仪的使用流程城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第17页!地图数字化是地理数据采集的重要组成部分，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行分类。每一类作为一个图层，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，一般开始数字化后不再移动地图。（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距离）、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。手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第18页!（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行数字化，即对左下角、左上角，右上角、右下角进行数字化。经过这样处理后，就为图形的拼接提供了参数和依据。（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、悬挂节点等各种错误，并予以改正。手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第19页!新一代三维数字化仪手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第20页!1、扫描仪简介绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理。扫描仪可分为滚筒式、平板式、CCD直接摄像式三种，其中大幅面的地图以滚筒（卷纸）式用得最多。目前市场上常见的A0幅面的滚筒式单色分灰度扫描仪的分辨率为400～800dpi，操作的精度要高。普通的扫描仪大都按灰度分类扫描，高级的可按颜色分类扫描。数字化技术—扫描矢量化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第21页!3.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，再进行编辑、输出。数字化技术—扫描矢量化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第22页!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行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行校正，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差值，实际上就是控制线的坐标点数，要适合精度要求。扫描矢量化流程图城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第23页!•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、对比度、色调等值。（3）图形扫描

扫描参数设置完毕后，进行图形预览，并设定扫描范围，然后进行扫描。（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。数字化技术—扫描矢量化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第24页!数字化技术—扫描矢量化5.自动矢量化技术

将栅格图像转换为矢量地图一般需要以下技术步骤[Musavi1988]：

图像二值化（Threshold）平滑（Smooth）细化链式编码

矢量线提取

除了上述五个步骤以外，还需要一些处理以方便图像矢量化过程，如图像拼接和剪裁等。数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第25页!③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，也是矢量化的基础。细化处理实现算法很多，主要有“剥皮法”和“骨架法”。④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。5.矢量化技术任一条细线都可用链码序列表示为下式:C=a1a2…an,0≤ai<≤7如果起始点a1和终点an重合，则说明曲线是闭合的。城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第26页!

为什么要进行处理常见数据输入错误图纸移动纸变形制图误差数字化误差各种误差将影响到GIS数据处理的各个环节数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第27页!误差的具体来源阶段误差来源数据采集

实测误差，地图制图误差（制作地图的每一过程都有误差），航测遥感数据分析误差（获取、判读、转换、人工判读（识别要素）误差）数据输入

数字化过程中操作员和设备造成的误差，某些地理属性没有明显边界引起的误差（地类界）

数据存贮

数字存贮有效位不能满足（由计算机字长引起，单精度、双精度类型）空间精度不能满足数据操作

类别间的不明确、边界误差（不规则数据分类方法引起）多层数据叠加误差多边形叠加产生的裂缝（无意义多边形）各种内插引起的误差

数据输出比例尺误差、输出设备误差、媒质不稳定（如图纸伸缩）成果使用

用户错误理解信息、不正确使用信息数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第28页!按数据流程分为：源误差、处理误差、使用误差按数据类型分为：几何误差、属性误差、时间误差、逻辑误差按误差性质分为：随机误差、系统误差、粗差

在几何误差、属性误差、时间误差与逻辑误差四类误差中，属性误差与时间误差与一般信息系统中的概念一致，而几何误差是GIS所特有的。数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第29页!数字化后的错误数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第30页!地理信息系统原理与应用31“碎屑”多边形或“条带”多边形（SliverPolygon）不正规的多边形数字化后的错误数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第31页!数据的采集和处理

误差的处理1、几何纠正；2、坐标变换；3、几何数据的编辑；4、属性数据的编辑；5、空间分析(如多边形叠置等)；6、图形化简(如数据压缩)；7、数据格式转换；8、计算机截断误差；9、空间内插；10、矢量栅格数据的相互转换。城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第32页!误差：数据与真值的差异，衡量数据准确性的指标。不确定性：空间过程和特征不能被准确确定的程度。内容上是一个以真值为中心的范围，范围越大，数据的不确定性越大。准确度：测量值与其实际真值的接近程度精度：数据的精密程度，如：对象表达的详细程度，包括定位精度、属性精度、空间分辨力数字化成果质量评价和控制2、相关的概念城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第33页!数字化成果质量评价和控制3、数据质量的内容GIS数据质量的基本内容1）位置（几何）精度：如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的误差。2)

属性精度：如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。3)逻辑一致性：如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等，由几何或属性误差也会引起逻辑误差。4)完备性：如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性，数据层完整性，检验完整性等。5)现势性：如数据的采集时间、数据的更新时间等。城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第34页!2、间接评价法-----（地理相关法和元数据法）指通过外部知识或信息进行推理来确定空间数据的质量的方法。用于推理的外部知识或信息如用途、数据历史记录、数据源的质量、数据生产的方法、误差传递模型等。3、非定量描述法通过对数据质量的各组成部分的评价结果进行的综合分析来确定数据的总体质量的方法。数字化成果质量评价和控制4、数据质量评价方法城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第35页!1）数据预处理工作2）数字化设备的选用3）数字化对点精度4）数字化限差5）数据的精度检查数字化成果质量评价和控制数字化过程的数据质量控制城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第36页!数据的采集和处理数据采集在GIS中的地位汽油数据GISGIS数据的费用比例硬件∶软件∶数据=1∶2∶7城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第37页!GIS空间数据基础地图存储介质、现势性、投影转换多媒体辅助GIS空间分析和查询遥感、航空影象数据分辨率、变形规律、纠正、解译特征地面测量其它系统的数字形式数据调查统计数据与法律文档数据数据源的特点数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第38页!一、地图数据地图数据是GIS的主要数据源，因为地图包含着丰富的内容，不仅含有实体的类别和属性，而且含有实体间的空间关系。地图数据包括：普通地图、专题地图。地图数据主要通过对地图的跟踪数字化和扫描数字化获取。

数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第39页!三、文本资料

文本资料是指各行业、各部门的有关法律文档、行业规范、技术标准、条文条例等，如边界条约等。这些也属于GIS的数据。数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第40页!五、实测数据

野外试验、实地测量等获取的数据可以通过转换直接进入GIS的地理数据库，以便于进行实时的分析和进一步的应用，如通过物探得到的地下管线数据。GPS(全球定位系统)所获取的数据也是GIS的重要数据源。数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第41页!七、已有系统的数据

GIS还可以从其它已建成的信息系统和数据库中获取相应的数据。由于规范化、标准化的推广，不同系统间的数据共享和可交换性越来越强。这样就拓展了数据的可用性，增加了数据的潜在价值。数据的种类及其来源数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第42页!空间数据采集的任务是将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图像、文本资料等转换成GIS可以处理与接收的数字形式，通常要经过验证、修改、编辑等处理。具体有如下任务：数据采集的任务

(1)将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据文本资料等转换成GIS可以接受的数字形式。

(2)数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性。

(3)不同的数据来源要用到不同的设备和方法。(4)数据的转换装载。(5)数据处理：误差错误检查、几何纠正、图幅拼接、投影变换、图像纠正等。数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第43页!野外测量：大平板、全站仪、GPS、移动测绘系统特点：精度高、效率较低适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新主要数据采集方法—各种定位设备数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第44页!数据交换文件GISAGISAGISBGISB内部文件外部文件外部文件内部文件

GISAGISB数据交换标准OpenGISInternet/Intranet主要数据采集方法—数据交换数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第45页!数字化方法手扶跟踪数字化扫描跟踪数字化解析测图法数字化人工矢量化半自动矢量化自动矢量化地图扫描图像处理：配准几何要素跟踪图形编辑数字摄影测量工作站数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第46页!地图数字化确定数字化路线地图预处理等地图数字化技术路线地图数字化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第47页!数字化仪示意图底座感应板定标器数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第48页!手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第49页!用数字化软件进行数字化3、流程：数字化技术—手扶跟踪数字化手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第50页!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4、步骤：手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第51页!（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差的纠正。找到地图上一些已知坐标的点，按下定标器的按键。一般应用程序提示输入数据，将图上已知点的真实坐标输入。应该至少设置4个点，输入的点越多，对图幅数据纠正的越精确。（5）设置数字化参数

数字化参数包括：①自动封闭线模式。②允许游标锁定。③数字化时光滑线。每数字化一条图元时，系统会自动光滑这条线。④设置数字化方式，如点方式、流方式等。手扶跟踪数字化城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第52页!53曲线离散化算法Douglas-Peucker在曲线首尾两点A、B之间连接一条直线段AB，该直线称为曲线的弦；得到曲线上离该直线段距离最大的点C，并计算其与AB的距离d；比较该距离与预先给定阈值ε的大小，如果小于ε，则将该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕；如果距离大于阈值，则用C将曲线分为两段AC和BC，并分别对两段曲线进行1-3步的处理。当所有曲线都处理完毕后，依次连接各个分割点形成的折线，即可以作为曲线的近似。手扶跟踪数字化4、算法：城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第53页!数字化技术—扫描矢量化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第54页!2.扫描仪工作原理

扫描仪能够捕捉各种地图、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。数字化技术—扫描矢量化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第55页!（2）扫描矢量化处理流程数字化技术—扫描矢量化3.扫描数字化流程数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第56页!4.交互式扫描矢量化操作步骤（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：•扫描模式的设置：扫描模式分二值、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。数字化技术—扫描矢量化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第57页!（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，进行分层。选择矢量化方式，在矢量化工具箱中点取相应按钮开始矢量化工作。（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。数字化技术—扫描矢量化数据的采集和处理城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第58页!①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。（这里通常要给定一个灰度阈值，当图像上的区域的灰度值小于这个阈值，则赋值为0，大于这个阈值赋值为1）②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。5.矢量化技术城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第59页!⑤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。(使用Douglas-Peucher算法)

5.矢量化技术城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第60页!

为什么要进行处理修正数据输入错误在坐标系、数据结构、数据类型上满足GIS要求维护数据的完整性和一致性数据的采集和处理空间数据处理的目的是为了消除地图数字化过程中所产生的错误，以及将数字化数据重新组织以便得到进一步处理和使用的格式。城市信息系统第4讲共70页，您现在浏览的是第61页!空间和非空间数据输入时