第4章 空间数据采集与处理(数据输入处理与编辑6789)

第四章空间数据的采集、编辑、处理第一节数据输入第二节空间数据编辑第三节属性数据的输入与管理第四节空间数据的几何变换第五节空间数据结构的转换第六节空间数据的压缩与融合第七节空间数据质量与元数据第一节数据输入目录：数据源类型与数字采集方式扫描数字化介绍一数据源类型与数字采集方式数据源类型：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.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.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。一数据源类型与数字采集方式数字化仪一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.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。一数据源类型与数字采集方式小型扫描仪工程扫描仪一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.数据通讯方式从遥感影像上直接提取专题信息。一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.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

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拓扑错误拓扑编辑非拓扑编辑其他编辑操作一拓扑错误几何要素的拓扑错误：伪节点、悬挂节点、多边形之间的缝隙、多边形重叠图层之间的拓扑错误二拓扑错误拓扑规则编辑ArcGIS制图流程

三非拓扑编辑编辑现有要素：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Arcgisview-toolbars-editor四其他编辑操作图幅拼接线的简化和平滑第三节属性数据的输入与编辑属性数据的输入（字段定义、数据输入、属性数据校核）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第四节空间数据的坐标转换一几何变换几何变换是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系；几何变换的方法包括仿射变换、相似变换、二次变换和高次变换等。平移变换

0yxP（x，y）P′(x′，y′)xyx′=x+Δx′y′=y+Δy′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′=x·Sxy′=y·Syx′=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

yP（x，y）0xθP′(x′，y′)x′=x•cosθ-y

•sinθy′=x•sinθ+y•cosθx′=x0+(x-x0)cosθ-(y-y0)

•sinθy′=y0+(x-x0)

sinθ+(y-y0)

cosθ空间数据处理的方法-平面坐标变换仿射变换举例第四节空间数据的坐标转换仿射变换控制点均方根（RMS）误差像元值重采样（邻近点插值、双线性插值和三次卷积插值法）上机：学会在arcgis中对矢量数据、栅格数据进行校正步骤。二投影转换投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等。第四节空间数据的坐标转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,y)

变换成另一种投影的坐标(X,Y)由一种投影的坐标(x,y)反解出地理坐标（λ,φ)

，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)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地图投影转换等面积伪圆锥投影斜轴等面积方位投影第五节空间数据结构的转换一由矢量向栅格的转换当数据采集采用矢量数据，而空间分析采用栅格数据时，需要将矢量数据转换为栅格数据；由矢量数据向栅格数据的转换方法，根据原数据文件的不同，可以分别应用：边界点代数；内部点扩散；射线算法。一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换点的栅格化一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换直线栅格化直线插补法扫描线法面域的栅格化

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）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。闭合多边形多边形矢量结构向栅格结构的转换

全栅格数据结构

2)、内部点扩散算法步骤按一定栅格尺寸将矢量图经栅格化后，对矢量图内每个面域多边形分别选择一个内部点（种子点）；从种子点开始，向其8个相邻栅格扩散，分别判断这8个栅格是否在多边形的边界上：若是，则该栅格不作为种子点；若不是，则该栅格作为新的种子点；新种子点与原种子点一起进行新的扩散运算；重复以上过程，直到所有新老种子点填满该多边形并遇到边界为止。缺点：算法程序设计比较复杂，需要在栅格矩阵中进行搜索，当栅格尺寸取得不合理时，某些复杂图形的两条边界落在同一个或相邻的两个栅格内，会造成多边形不变通。3)、射线算法逐个栅格判断是否位于某个多边形之内：由待定栅格向任意方向引射线，判断该射线与某多边形所有边界的相交总次数；如果相交偶数次，则待定点在该多边形的外部，如为奇数，则待定点在该多边形内部。二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换多边形边界提取边界线追踪拓扑关系生成去除多余点及曲线圆滑边界线追踪：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，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标拓扑关系生成：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，并建立与属性数据的联系。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。二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换栅格矢量化举例（栅格数据）栅格矢量化得到的弧段数据弧段数据自动生成多边形第六节空间数据的压缩与融合一空间数据的压缩空间数据的压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的程度范围内最好地逼近原集合，而且具有最大的压缩比a

式中：m为曲线的原点数；n为曲线经压缩后的点数。曲线上点的压缩方法：道格拉斯-普克法(Douglas-Peucker)；Li-openshaw的自然综合法则法；垂距法。一矢量数据压缩技术间隔取点法；垂距法和偏角法；道格拉斯—普克（Douglas—Peucker)法；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（Douglas—Peucker)法二多源空间数据的融合遥感与GIS数据的融合遥感图像与数字地图数据的融合；遥感图像与DEM数据的融合；遥感图像与地图扫描数据的融合。不同格式数据的融合基于转换器的数据融合；基于数据标准的数据融合；基于公共接口的数据融合；基于直接访问的数据融合。第七节空间数据的内插方法点的内插点的内插是研究具有连续变化特征现象（如地形、气温、气压等）的数值内插方法；点的内插方法可以采用：分块内插法（线性内插法等）；逐点内插法（移动拟合法、加权平均法、克里格（Kriging）整体内插法（N次多项式拟合法）。区域的内插区域的内插是研究根据一组分区的已知数据来推求同一地区另一组分区未知数据的内插方法；区域的内插方法可以采用：叠置法；比重法。SampledpointsEstimatedpoints内插和外推在已存在观测点的区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。第七节空间数据的内插方法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将离散的数据点转化为连续的数据曲面用已知点来估算其他未知点的过程需要插值的原因现有离散曲面的分辨率、像元大小、方向与要求不符；现有连续曲面的数据模型与要求不一致；现有数据不能完全覆盖所要求的区域

控制点分布

控制点密度

控制点的自相关程度

一空间插值基础：控制点——已知数值的点——数据取样控制点影响空间插值的因素：二数据内插整体内插法分块内插法逐点内插法（一）整体内插法——趋势面模型可利用控制点估算，用研究区所有采样点的数据进行全区特征拟合趋势面回归模型基本思路：z=f(x,y)ControlPoints趋势面模型趋势面模型1、思路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据。理论假设是地理坐标是独立变量，属性值z也是独立变量且是正态分布。

2、趋势面分析所用内插函数1stOrderTrend

Originalsurface2ndOrderTrend

3rdOrderTrend

3、常用趋势面分析内插函数特性分析图：三阶趋势面（二）分块内插法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：

定义一个邻域或搜索范围；（三）逐点内插法——控制点的样本估算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。移动拟合法加权平均法（泰森多边形、反距离权重）样条函数内插技术克里金内插方法1泰森多边形（已介绍）2密度估算（移动拟合法的一种）用已知点的样本量测栅格中的像元密度。分为简单密度估计和核密度估计核密度估算用核函数联系控制点进行估算。基本思想：空间自相关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。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。程度：距离的n次幂倒数

3反距离权重插值IDW

IDW基本公式【式中，n为落在搜索圆中的数据点的个数；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；】

【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】

IDW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（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

RARARAazZRAZRAzzzAAAaRRRRRRRRRayxTnizRARARAyxTinjidnizyxyxnnnnnnnnniinniiiiijiii++++===÷÷÷÷÷÷øöççççççèæ=÷÷÷÷÷÷øöççççççèæ÷÷÷÷÷÷øöççççççèæ===++++==-LMMLLMMMMMMLLLLLL求解插值点求解上述方程组为例）组成求解方程组（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（RegularizedsplinewithtensionThinplatesplinewithtension样条函数示例（3）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——空间自协方差最佳地学统计简介法国数学家GeorgeMatheron和南非矿业工程师D.G.Krige

区域变量理论随机变量和确定变量之间地理分布现象不规则，不能用平滑数学函数进行模拟内在假定差异的稳定性和可变形当结构成分确定后，差异变化为同性变化，不同位置之间的差异仅为距离的函数(1)克里金插值方法的区域性变量理论假设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：1半变异图和模型用半变异测定空间相关要素半变异图是探测研究对象空间变异性的重要工具区间分组：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。半方差图半变异γ(h)梁sill变程range块金C0距离h基台值总基台值C1理论（Semivariance）

空间相关性的度量指标定义为所有恒定距离的成对点的方差之半特性随距离增加而按确定规律变化距离=0，半方差=0；参数块金：样对距离为0的半变异；变程：半变异开始稳定时的样对距离；总基台值：超过变程，半变异趋于恒定值。1）半方差理论dγ(d)高斯线性球面指数圆形2模型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。指数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。线性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方差拟合。高斯dd=1d=2d=3半方差计算：规则分布点31579298xy半方差计算：不规则分布点（二）普通克立金（三）通用克里金克里金（Kriging）内插法举例高程数据设置参数插值结果三维显示（三）、数据精度分析在研究区内随机选取n个数据点，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

学习目标理解空间数据质量及其相关概念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说明控制空间数据质量的措施理解元数据的概念，了解空间数据元数据所用到的概念了解空间数据元数据的分类和标