第14章 空间数据采集

第14章空间数据采集本章内容第一节数据采集方式第二节矢量化的步骤第三节ArcScan矢量化第四节空间校正第五节章小结

将遥感影像、纸质地图、外业观测数据等不同来源的数据进行处理，使其成为GIS软件能够识别及分析的形式，这就是空间数据采集。本章以遥感影像和纸质地图的矢量化为例，介绍矢量化及地理配准的步骤，再讲解ArcScan矢量化的过程，最后介绍空间校正的原理与方法。第一节数据采集方式数据采集包括图形数据和属性数据的采集。图形数据采集主要包括手扶跟踪矢量化和扫描跟踪矢量化两种方法；属性数据的输入通常有4种方法：键入法、使用光学的字符识别技术、在数字化或矢量化的过程中赋值以及人工编辑法。本节主要介绍图形数据的采集方式。第一节数据采集方式手扶跟踪矢量化手扶跟踪矢量化主要利用电磁原理记录数字化仪面板上的点的平面坐标来获取矢量数据。手扶跟踪矢量化的基本过程是：将需要矢量化的图件（如纸质地图、航片等）固定在数字化仪面板上，然后设定数字化范围，填写相关参数，设置特征码清单，选择数字化方式，按地图要素类别实施图形矢量化。该方法是最早采用的纸质地图矢量化的方式，由于其对复杂地图的处理能力较弱、效率不高、精度较低，目前已基本淘汰。第一节数据采集方式扫描跟踪矢量化扫描跟踪矢量化是使用具有适当分辨率和扫描幅面的扫描仪及扫描图像处理软件将纸质地图扫描成栅格图像，然后经过几何纠正、噪声消除、线细化、配准等一系列处理，最终达到矢量化的操作步骤。扫描跟踪矢量化作业速度快、精度高，操作人员工作强度较低，是目前最常用的地图数据采集方式。第一节数据采集方式扫描跟踪矢量化栅格数据矢量化的方式主要有以下两种：（1）软件自动矢量化：是通过特定的算法将地图上的线条自动转化为矢量要素，工作速度快、但是由于软件只能化的局限性，后期需要大量的人工处理与编辑，因此，实际应用中一般不常采用此方法。（2）屏幕鼠标跟踪矢量化：通常常用的是半自动矢量化方法，该方法是人工先指定一条线的起点，软件自打工跟踪至它不能判断去向的位置（通常是多条线段的交叉点，线段不连续处、文字标注等隔段处）然后人工指定新的位置，软件自动进行新的跟踪，直到人工结束一条线的跟踪为止。由于此方法兼顾人工对地物的判断和软件的自动化，因此矢量化速度较快，是目前普遍采用的矢量化方法。第二节矢量化的步骤矢量化是把栅格数据转化成矢量数据的处理过程。通常要经过图像准备及预处理、地理配准、数据分层、图形数据追踪等几个步骤。图像准备及预处理图像准备是将纸质地图矢量化的第一步，目前最常用的是对纸质地图的扫描。进行纸质地图的扫描之前，需要对相关参数进行设置：扫描模式：不同类型图件的扫描模式有所不同，地形图的扫描通常采用二指扫描或灰度扫描，黑白航片或卫片采用灰度扫描，彩色航片及卫片需采用彩色扫描。分辨率：根据扫描的要求，地形图一般采用300dpi的分辨率即可。亮度、对比度、色调、GAMMA曲线等，根据需要进行调整。第二节矢量化的步骤经过扫描后的图像还要经过图像预处理才能消除图像中无关的信息，恢复有用的真实信息，增强有关信息的可检测性，从而提高特征抽取、图像分割、匹配和识别的可靠性。图像预处理包括几何校正和投影变换等。（1）几何校正由于受地图介质及存放条件等因素的影像，地图的纸张容易发生变形，或者遥感影像本身就存在着几何变形，通过几何校正可以在一定程度上改善数据质量。几何校正最常用的是仿射变换法，该方法可以在X轴与Y轴方向继续宁不同比例的缩放，同时进行旋转和平移。（2）投影变换不同的地图投影文件，为了将其进行统一，就需要将源数据转换为所需要统一的地图投影，投影变换的方法有正解变换、反解变换及数值变换。数值变换是较常用的投影变换方法，常用的有三参数法和七参数法。第二节矢量化的步骤地理配准通过扫描得到的地图数据不包括空间参考信息，航片及卫片的位置精度往往也较低，因此需要通过具有较高位置精度的控制点将这些数据匹配到用户指定的地理坐标系中，这个过程称为地理配准。地理配准工具条在ArcMap主菜单中，单击“Customize（自定义）”|“Toolbars（工具条）”|“Georeferencing（地理配准）”，加载地理配准工具条，如图14.1所示。第二节矢量化的步骤地理配准地理配准的步骤Step01启动ArcMap，加载已有的图像文件，如图14.2所示，按照该节前述的方法加载地理配准工具条。第二节矢量化的步骤地理配准地理配准的步骤Step02在主菜单中单击“View（视图）”|“DataFrameProperties…（数据框属性）”，打开“数据框属性”对话框，单击“CoordinateSystem（坐标系）”标签，打开“坐标系”选项卡，选择坐标系统，本例选取“GeographicCoordinateSystems（地理坐标系统）”|“World”|“WGS1984”，如图14.3所示，然后单击“确定”按钮。第二节矢量化的步骤地理配准地理配准的步骤Step03在内容表中右击该图像，单击“ZoomToLayer（缩放至图层）”，全图显示该图像，在“配准”工具条上，单击“Georeferencing”下拉箭头下的“FitToDisplay”。Step04单击“配准”工具条上的按钮，在图片上选取已知经纬度的点（例如经纬线的交点），单击鼠标左键，然后右击选择“InputXandY（输入X和Y）”选项，输入已知点的坐标。Step05依次在图像上增加5~7个控制点，单击“配准”工具条上的

按钮，打开“ViewLinkTable（连接表）”对话框，可以查看各点的残差与RMS总误差。第二节矢量化的步骤地理配准地理配准的步骤Step06单击“Georeferencing（配准）”|“Transformation（变换）”|“1stOrderPolynomial（一次多项式）”。Step07单击“Georeferencing（配准）”|“UpdateGeoreferencing（更新地理配准）”，完成栅格图像的配准。Step08单击“Georeferencing（配准）”|“Rectify（纠正）”，打开“SaveAs（另存为）”对话框，如图14.4所示，根据需要选择输出路径，点击Save完成保存。第二节矢量化的步骤数据分层在矢量化开始之前，应该制定详细的分层方案。一般的，矢量化过程中可以划分较多的图层，以便于对某一类地物的属性统一赋值。数据分层过程中一般应遵循以下原则：（1）不同类的要素分不同图层进行保存，如河流、居民地、学校、湖泊等。（2）不同几何形状的要素分不同的图层存放，如湖泊、行政区域等面状地物与水井等点状地物应区别存放。（3）同种性质、不同类别的地物宜分布在不同图层，如同为交通线的铁路与公路宜分布在不同图层；但同种类型，不同等级的地物宜放在同一个图层，如等级不同的公路应该置于同一个图层中。（4）不同时间段的数据分布在不同的图层上。第二节矢量化的步骤图形数据追踪图形数据追踪是以栅格数据为基础，用矢量化软件依次对各个图层的地物进行跟踪矢量化。实际操作中，需要先使目标图层处于可编辑状态，并进行相应的捕捉设置，以便准确定位，提高数字化的精度。第二节矢量化的步骤属性录入属性数据的录入可在矢量化的过程中进行，也可在处理好几何数据后在进行录入。第三节ArcScan矢量化ArcScan是ArcGIS栅格数据矢量化的工具集，使用ArcScan模块可以将栅格数据矢量化为Shapefile或者地理数据库要素类的格式文件。ArcScan简介ArcScan矢量化方法分为栅格追踪矢量化与自动矢量化两种。栅格追踪矢量化可以完全控制矢量化的过程，它具有半自动矢量化的功能，是较为常用的矢量化方法。而自动矢量化则是通过执行命令来自动生成矢量要素。下面以实例来介绍栅格跟踪矢量化的具体步骤：Step01在ArcMap的启动过程中，选择目标路径（本例选择G:\gis\ArcScan），单击

按钮，新建文件地理数据库文件，命名为ArcScanGDB，如图14.5所示。第三节ArcScan矢量化ArcScan是ArcGIS栅格数据矢量化的工具集，使用ArcScan模块可以将栅格数据矢量化为Shapefile或者地理数据库要素类的格式文件。ArcScan简介Step02在ArcScanGDB数据库中创建线要素类Line，用于存储边界线，加载ParcelScan.img图像文件及Lines线要素类到ArcMap中。Step03在ArcMap桌面上选择“Customize（自定义）”|“Extensions（扩展）”，在弹出的Extensions对话框中，勾选ArcScan前的复选框，如图14.6所示。第三节ArcScan矢量化Step04在激活ArcScan后，选择“Customize（自定义）”|“Toolbars（工具条）”|“ArcScan”，将其显示到ArcMap桌面上。Step05在内容列表中右击ParcelScan.img，点击“ZoomToLayer（缩放至图层）”。再右击ParcelScan.img，点击“Properties（属性）”，打开“LayerProperties（图层属性）”对话框，单击“Symbology（符号系统）”标签，设置相关参数如图14.7所示，将栅格图像二值化处理。点击“确定”后，结果如图14.8所示。第三节ArcScan矢量化Step06在Editor工具条上，单击“Editor”的下拉箭头，点击“StartEditing（开始编辑）”，选择“Lines”线要素类，单击“OK”按钮。Step07在ArcScan工具条上，单击“RasterCleanup（栅格清理）”|“StartCleanup（开始清理）”，启动栅格清理。再单击“CellSelection（像元选择）”下的“SelectConnectedCells（选择已连接像元）”，打开“SelectConnectedCells”对话框，设置如图14.9所示。单击“OK”按钮，选择图像上的文字，再单击“RasterCleanup（栅格清理）”|“EraseSelectedCells（擦除所选像元）”，将多余的文字和数字标注删除，删除后的结果如图14.10所示。最后单击“RasterCleanup（栅格清理）”|“StopCleanup（停止清理）”。第三节ArcScan矢量化Step8点击菜单“Bookmarks（书签）”|“Tracelines（线追踪）”来设置当前区域为本次练习的区域范围。当显示刷新后，你就可以看到跟踪区域了，如图14.11所示。第三节ArcScan矢量化Step09在ArcScan工具栏上点击RasterSnappingOptions按钮打开设置栅格捕捉选项对话框。设置maximumlinewidth为7，这个设置将使得能捕捉边界的栅格像元，点击OK，如图14.12所示。第三节ArcScan矢量化Step10点击Editor工具栏中Snapping来打开SnappingEnvironment对话框，点击Raster前的+号展开，选择Centerlines和Intersection来进行捕捉。Step11单击“Editor”工具栏中的“CreateFeatures”按钮，然后在ArcScan工具栏上点击VectorizationTrace按钮移动鼠标捕捉到线上一点，然后沿着边界单击，开始对该区域跟踪矢量化，当跟踪完成了整条线，按F2键或双击完成草图，如图14.13所示。第三节ArcScan矢量化Step12矢量化完成后，在Editor工具条上单击Editor|SaveEdits。Step13单击Editor工具条上的按钮，单击要输入属性的线要素，单击Editor工具条上的

按钮，打开“属性对话框”，如图14.14所示，根据需要输入属性值，然后单击Editor|StopEditing，停止编辑要素。第三节ArcScan矢量化ArcScan自动矢量化以ArcTutor中的实例ArcScanBatch.mxd为例，其操作步骤如下：Step01启动ArcMap，打开地图文档ArcScanBatch.mxd（位于ArcTutor\ArcScan目录下），加载ArcScan工具条。Step02在内容列表中右击ParcelScan.img，点击“ZoomToLayer（缩放至图层）”。再右击ParcelScan.img，点击“Properties（属性）”，打开“LayerProperties（图层属性）”对话框，单击“Symbology（符号系统）”标签，设置相关参数如图14.7所示，将栅格图像二值化处理。点击“确定”后，结果如图14.8所示。第三节ArcScan矢量化ArcScan自动矢量化Step03在ArcScan工具条上，单击“RasterCleanup（栅格清理）”|“StartCleanup（开始清理）”，启动栅格清理。再单击“RasterCleanup（栅格清理）”|“RasterPaintingToolbar（栅格绘画工具条）”，打开栅格绘画工具条，如图14.15所示。第三节ArcScan矢量化ArcScan自动矢量化Step04点击在RasterPainting工具栏上的擦除按钮，点击并按住鼠标左键来擦除地块顶上的注记。继续单击另一个工具叫做MagicErase工具按钮

，允许你通过单击并画框的方式来擦除连续的一系列像元。我们围绕标号为001区块的注记画个框，即可删除这个注记。删除前后对比图分别见图14.16，如图14.17所示。第三节ArcScan矢量化ArcScan自动矢量化Step05在ArcScan工具条上，单击“Vectorization（矢量化）”|“VectorizationSettings…（矢量化设置）”，打开“矢量化设置”对话框，设置相关参数如图14.18所示。第三节ArcScan矢量化ArcScan自动矢量化Step06单击“Vectorization（矢量化）”|“ShowPreview（显示预览）”，预览矢量化后的结果，若不满意，可从新设置矢量化参数，直至达到满意的效果。Step07单击“Vectorization（矢量化）”|“GenerateFeatures…（生成要素）”，打开“生成要素对话框”，如图14.19所示。单击“Template（模版）”，选择“ParcelLinesBatch”，然后单击“OK”，完自动矢量化过程。第四节空间校正为了将几何形状发生变化的不同地理数据源进行整合，我们需要对这些矢量数据进行空间校正。空间校正与地理配准的操作方法类似，不同是空间校正的对象是矢量数据，而地理配准则是针对栅格数据。第四节空间校正空间校正工具条介绍为了调出空间校正工具条，我们在ArcMap中单击“Custmoze（自定义）”|“Toolbars（工具条）”|“SptialAdjustment（空间校正）”，打开“空间校正”工具条，如图14.20所示。第四节空间校正空间校正的方法空间校正方法包括空间校正变换（仿射变换、射影变换、相似变换），橡皮页变换，边匹配等。空间校正变换用于在坐标系内移动、平移或者转换单位。若需在坐标系之间转换数据，则应先对数据进行投影。橡皮页变换用于纠正几何图形。边匹配是对邻接图层进行对齐的工具。第四节空间校正空间校正变换空间校正变换用于将未定义空间参考的数据转换为实际坐标。现已示例说明其操作步骤：Step01在ArcMap中打开地图文档Transform.mxd（位于ArcTutor文件夹中），并按照14.4.1节中描述加载“空间校正”工具条。Step02打开“Editor”工具条。Step03在“空间校正”工具条上，单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“SetAdjustData…（设置校正数据）”，打开“ChooseInputForAdjustment（选择要校正的输入）”对话框，选中“Allfeaturesintheselayers：（以下图层中的所有要素）”，选择要校正的数据“Newparcels”及“NewBuildings”，如图14.21所示。第四节空间校正空间校正变换Step04单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“AdjustmentMethods（校正方法）”|“Transformation—Affine（变换-仿射）”，指定校正方法。Step05在“Editor（编辑）”工具条上，单击“Editor（编辑）”|“Snapping（捕捉）”|“SnappingToolbar（捕捉工具条）”，打开“捕捉工具条”，点击

按钮，选择“顶点捕捉”，以便准确捕捉。Step06单击“空间校正”工具条上的

按钮，单击被校正要素图层上的顶点，再单击基准要素图层上的对应点，建议一个连接（起点是被校正要素上的某点，终点是基准要素上的对应点）。用同样的方法，建立顶点的4个连接，如图14.22所示。第四节空间校正空间校正变换Step07在“空间校正”工具条上，单击

按钮，查看各个连接点的坐标值和相对误差，如图14.23所示。在此可对残差过大的连接进行删除或重新设置，以提高精确度。第四节空间校正空间校正变换Step08单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“AdjustmentPreview（校正预览）”，预览校正效果，如图14.24所示。若效果满意，便可执行校正；若不满意，返回Step7，检查并删除RMS误差较大的连接，并重新建立连接。第四节空间校正空间校正变换Step09单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“Adjust（校正）”，即可完成校正变换，结果如图14.25所示。第四节空间校正橡皮页变换为了对数据进行小范围的几何校正，以将一个图层与另外一个与之十分靠近的图层相对齐，则需使用橡皮页变换。操作步骤如下：Step01在ArcMap中打开地图文档Rubbersheet.mxd（位于ArcTutor文件夹中），并点击“Editor”|“StartEditing”，启动数据编辑。Step02在“Editor（编辑）”工具条上，单击“Editor（编辑）”|“Snapping（捕捉）”|“SnappingToolbar（捕捉工具条）”，打开“捕捉工具条”，点击

按钮，选择“顶点捕捉”，以便准确捕捉。第四节空间校正橡皮页变换Step03加载“空间校正”工具条后，单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“SetAdjustData…（设置校正数据）”，打开“ChooseInputForAdjustment（选择要校正的输入）”对话框，选中“Allfeaturesintheselayers：（以下图层中的所有要素）”，选择要校正的数据“ImportStreets”图层，如图14.26所示，单击“OK”按钮。以调整其与“ExistingStreets”图层进行匹配。第四节空间校正橡皮页变换Step04单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“AdjustmentMethods（校正方法）”|“Rubbersheet（橡皮页变换）”，指定校正方法。Step05单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“Options…（选项）”，打开“AdjustmentProperties（校正属性）”对话框，单击“General（常规）”选项卡，在“AdjustmentMethods（校正方法）”下拉框中选择“Rubbersheet（橡皮页变换）”，如图14.27所示。单击“Options（选项）”按钮，打开“Rubbersheet（橡皮页变换）”对话框，选择“NaturalNeighbor（自然领域法）”单选按钮，单击“确定”按钮，返回“校正属性”对话框，再次单击“确定”按钮，完成设置。第四节空间校正橡皮页变换Step06在ArcMap主菜单中单击“Bookmarks（书签）”|“ImportStreets”，单击“空间校正”工具条上的按钮，添加新位移连接，共添加8个连接点，如图14.28所示。第四节空间校正橡皮页变换Step07在ArcMap主菜单中单击“Bookmarks（书签）”|“CurveFeatures（曲线要素）”，单击“空间校正”工具条上的按钮，先单击“ImportStreets”图层中的弯曲的道路要素，然后单击“ExistingStreets”图层中的弯曲的道路要素，系统提示输入要创建连接的数量，接受默认值10，回车确定，地图中即会显示多个连接，用同样的方式为其他弯曲要素创建多个连接，如图14.29所示。第四节空间校正橡皮页变换Step08单击“空间校正”工具条上的

按钮，在地图的5个不变的交叉点处添加5个标识连接，如图14.30所示。第四节空间校正橡皮页变换Step09单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“AdjustmentPreview（校正预览）”，预览校正效果，如图14.31所示。若效果满意，便可执行校正；若不满意，返回上一步修改。第四节空间校正橡皮页变换Step10单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“Adjust（校正）”，即可完成变换，结果如图14.32所示。第四节空间校正橡皮页变换Step11在ArcMap主菜单中单击“Edit（编辑）”|“SelectallElements（选择所有元素）”，然后按Delete键，删除这些元素，保存并停止编辑后，结果如图14.33所示。第四节空间校正边匹配边匹配通常用于相邻图层的边缘对齐操作。实例操作步骤如下：Step01在ArcMap主菜单中打开地图文档EdgeMatch.mxd（位于ArcTutor文件夹中），并启动数据编辑。Step02加载“空间校正”工具条，在“空间校正”工具条上，单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“SetAdjustData…（设置校正数据）”，打开“ChooseInputForAdjustment（选择要校正的输入）”对话框，选中“Allfeaturesintheselayers：（以下图层中的所有要素）”，选择要校正的数据“StreamsNorth”。第四节空间校正边匹配Step03单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“AdjustmentMethods（校正方法）”|“Edgesnap（边捕捉）”，指定校正方法。Step04单击“SpatialAdjustment（空间校正）”|“Options…（选项）”，打开“AdjustmentProperties（校正属性）”对话框，在“Genral”选项卡中，单击“Options”，选择“smooth（平滑）”方法。单击“EdgeMatch（边匹配）”选项卡，按照图14.34所示进行设置后单击“确定”。第四节空间校正边匹配Step05单击“空间校正”工具条上的按钮，拖动鼠标左键，在两个图层的连接处绘制矩形框，显示的圆点是自动得到的连接点。如果边范围拖出框后并未创建任何连接，可以稍微缩