第二章 空间数据获取

第二章空间数据获取第二章空间数据获取GIS的数据源GIS数据源的分类空间数据采集的任务数据源与相应设备几何数据的采集栅格数据编码采集前的准备属性数据采集栅格数据的建立基本概念图形表示矢量数据获取矢量数据组织矢量数据编码矢栅结构选择矢栅结构比较相互转换算法空间数据概述数据采集方法矢量数据获取栅格数据的获取空间数据是GIS的血液，实际上整个GIS都是围绕空间数据的采集、加工、组织、存储、分析、可视化这几个方面展开的空间数据的获取手段、生产工艺、数据质量都会直接影响到GIS的成本、效率和应用潜力数据采集方法有野外数据采集（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）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）

空间数据概述GIS数据采集的方法是根据已有的数据源形式，现有设备条件、人和财力状况来选定本讲主要介绍空间数据源及其获取方法、空间数据质量问题汽油数据GIS中数据费用比例硬件∶软件∶数据=1∶2∶7

空间数据概述空间数据的内容空间数据的基本特征空间数据测量的尺度和精度数据来源空间数据概述GIS数据可以概括为四类数字线划图（DLG,DigitalLineGraph）数字影像数据（DOM,DigitalOrthographMap）数字高程模型（DEM,DigitalElevationModel）地物的属性数据（AttributeData）空间数据的内容1）数字线划图（DLG）DLG是现有地形图上基础地理要素的矢量数据集（用点、线、面坐标来描述地理要素的位置和形状），且保存地理要素间空间关系和相关的属性信息特点：基于实体的数据(对实体抽象的数据，将实体抽象为点线面)拓扑关系复杂用抽象图形（符号、颜色、宽度）表达空间实体的特性空间数据的内容2）影像数据（ImageData）包括遥感影像和航空影像，彩色图或者灰度图均可特点：基于栅格表示的模型直观而详细记录地表自然现象数据源丰富生产效率高

空间数据的内容3）数字高程模型（DEM）DEM是在高斯投影平面上规则格网点或三角网点平面坐标（x，y）及其高程（z）的数据集用来表示地表的高程信息空间数据的内容4）地物的属性数据对描述空间实体的数量、质量、等级等特征的数据包含两层含义是什么？即它属于那一类地物实体特征的详细描述信息，如：公路的描述信息包括公路名称、等级、宽度、路面材料、车道数、建设年代、路面状况等属性数据往往以表格的形式存在，但可以以可视化方式描述属性数据，如道路宽度、颜色可以反映道路的不同等级、饼图反映不同属性值之间的比例属性数据的数据采集工作量往往很大，如地籍信息空间数据的内容空间数据的特征空间特征是GIS所独有的数据类型在地理坐标框架下，刻画空间对象的位置、形状和大小等几何特征表示方法：绝对描述—坐标（直角坐标、经纬度）相对描述—空间拓扑关系（邻接、连接、方位）专题特征除空间特征、时间特征外的其它特征，如地形坡度、坡向、某地的年降雨量、土壤的酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等专题特征用于制作专题图或专题信息系统时间特征空间数据总是在特定的时间或时间段内采集得到或计算得到的当数据考虑时间特征时就成为时态数据，如地籍数据就具有非常明显的时间特征城镇规划前后的地表信息发生变化GIS建设应该考虑数据更新问题空间数据的特征空间对象描述包括两个方面：定性和定量描述定性描述对空间对象的鉴别、分类和命名主要表现在属性方面，例如分类代码（土地利用类型、植被类型等）数值类型：以一定的数值作为类型标识，不代表对象量化程度不同应用领域的空间对象描述详细程度不同土地利用类型分类、基础地理信息代码的详细程度随空间数据库比例尺的不同而异空间数据测量的尺度和精度定量描述包括空间对象的图形、属性两个方面图形：指空间坐标测量的尺度取决于采样点的取舍和测量坐标的精度比例尺决定空间数据的密度、坐标精度或影像数据的分辨率，例如公路在大比例尺中看成是面状地物、坐标精确到厘米在小比例中视为线，坐标精确到分米或米属性：指属性项的量化值，如土壤的酸碱度、某职工的工资，统计调查数据空间对象测量尺度和精度的原则计算机输出的地图满足同等比例尺地图的精度要求空间数据测量的尺度和精度数据来源1）GIS数据来源

(1)基础制图数据：包括地形数据和人文景观数据(2)自然资源数据：描述自然资源性质、分布的数据(3)调查统计数据：统计部门经过调查分析所得到的各种统计数据(4)数字高程数据：关于地表位置布局的高程测量数据(5)法律文档数据(6)已有系统数据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、航空影象和数据分辨率、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原始数据加工后的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、工程测量数据航空、遥感像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2）GIS数据来源分类

数据来源地图地面测量数据统计资料航空、遥感数字数据多媒体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内容与相应设备1）平板仪（经纬仪）测量

野外数据采集如右图所示,设在地面上有A、O、B三点,在O点安置一块图板,并使其水平，平板上铺上一张图纸,在纸上绘出o点,使o点与地面O点处于同一铅垂线上。设想通过OA、OB两方向各作竖直面,该两竖直面与图板的交线oa′与ob′的水平角就表示了地面直线OA、OB的水平角。如再测得OA、OB的水平距离,并按测图的比例尺,分别在oa′、ob′上截取a、b两点,则图上a、b、o三点构成的图形与地面A、B、O三点所构成的图形为对应各边相平行的相似图形。这便是平板仪测图的原理。2）全站仪测量是电子经纬仪和测距仪的集成，得到数字形式的方位角、距离或三维坐标作业灵活、精度高作业形式全站仪+与电子手簿：野外采集数据点、绘草图，室内进行数据导入、图形编辑电子平板：是平板仪的电子形式，野外即测即所得，可以及时了解测绘的正确与否

野外数据采集3）GPS测量GPS的基本概念全球定位系统（GPS），有美国海军于1973年开始实施，并于20世纪90年代开始使用由三部分组成：空间部分、控制部分和用户部分空间部分：包括卫星和在佛罗里达州Canaeral海岬携载卫星升空的德而塔火箭；卫星系统24颗卫星组成，高度为20183KM，分布在6个轨道面上，轨道面之间的夹角为60度，并且与赤道面的交角为55度，以保证可以覆盖极地地区GPS卫星群

野外数据采集控制部分：包括位于科罗拉多州科罗拉多泉的猎鹰空军基地的主控制站，和位于猎鹰空军基地、太平洋上的夏威夷、阿松森岛、印度洋上的DiegoGarcia环礁、以及在南太平洋上的夸贾林环礁的监测站网，这些站网的任务是监测GPS卫星。控制部分预报每颗GPS卫星轨道和原子钟的工作状态，并上行到GPS卫星，再传输到用户的GPS接收机用户部分：包括军事人员和民间用户接收GPS信号的设备

GPS的特点具有全天候、高精度和自动测量的特点；可以在全球任何地方和任何天气条件下，为使用者提供位置、速度、以及时间的准确信息GPS的主要用途包括陆地应用：车辆导航、大气物理观测、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制与地形测绘等海洋应用：远洋船航线设定与监测、船只实时调度与导航、海洋救援、海平面升降监测等航空航天应用：飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等地图数字化特点：简单、效率高，但精度低地图数字化扫描矢量化手扶跟踪数字化｛地图数字化确定数字化路线地图定向1）手扶踪数字化手扶跟踪数字化方法使用的仪器是数字化仪关键是图板定向：建立图板上地图的图廓点（控制点）坐标(x,y)与相应点大地坐标（X,Y）的对应关系数字化仪的工作方式有：点方式、流方式两种点方式：按一下键，就将十字丝交点的坐标送入计算机；流方式：按特定的时间间隔或距离间隔，连续向计算机发送十字丝交点的坐标手扶跟踪数字化缺点：几何精度较低、速度较慢，且劳动强度大、易疲劳

2）扫描数字化扫描数字化方法使用的仪器是扫描仪，它的作用是：将纸质地图转换成数字栅格图象关键是图形定向：原理与手扶跟踪数字化相同特点是：自动化程度较高、精度受扫描仪分辨率的限制、劳动强度小工作流程：扫描数字化基本步骤：纸质地图，扫描转化，拼接子图块，几何校正，屏幕跟踪矢量化，矢量图合成接边，矢量图编辑，存入空间数据库。

屏幕跟踪矢量化流程：准备扫描图像栅格图像配准新建数字化图层屏幕跟踪矢量化地图选择投影和单位输入控制点编辑控制点3）数字化编辑处理任务：改正数字化过程中的错误或误差维护采集对象拓扑关系的一致性（包括逻辑、几何）进行图幅接边数字化误差常见误差类型图幅接边误差由于航空图像和卫星图像的原始数据存在着一定的几何变形，这种几何变形是由各种各样的系统误差和非系统误差引起的，诸如相机和传感器的旋转、地形的起伏、地球的曲率、扫描误差和量测误差等。如果在没有经过校正处理的图像上直接进行量测，所获取的空间信息是不可靠的，其用途是非常有限的。数字摄影测量处理是对遥感图像进行校正的基本方法摄影测量摄影测量1）摄影测量学(Photogrammetry）

概念：对研究的对象进行摄影，根据所获得的构像信息，从几何方面和物理方面加以分析研究，从而对所摄对象的本质提供各种资料的一门学科研究内容获取被研究物体的影像单张或多张像片处理的理论、方法、设备和技术如何用图形、图像或数字形式将所测得的成果表示出来任务测制各种比例尺的地形图建立地形数据库，为各种GIS提供基础数据1）遥感（Remote

Sensing）的定义从广义上说，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测从狭义上说，遥感是借助对电磁波敏感的仪器

，从远处（不与探测目标相接触）记录目标物对电磁波的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出目标物的特征性质及其变化的综合性探测技术

遥感图像2）遥感分类根据运载工具不同，遥感可分为：航天遥感、航空遥感、近地遥感、地面遥感根据辐射源不同，遥感方式又可分为：主动式和被动式遥感按电磁波的波谱范围，遥感可分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多谱段遥感按应用领域或专题，遥感还可分为：环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等航空、航天遥感示意图

3）遥感技术系统由遥感平台、遥感器、信息传输接收装置以及数字或图像处理设备等及其技术组成4）遥感技术优势①视域广阔，监测范围最大可覆盖整个地球②可瞬时成像、实时传输、快速处理，有助于迅速获取信息和实施动态监测③遥感影像形象逼真，信息丰富，可进行定性、定量分析和量测④可利用不同目标物对不同波段电磁波的穿透或反射特性来认识目标物⑤加宽了人眼所能观测的光谱范围，从可见光到紫外和红外波段多光谱卫星传感器获得的全球天然彩色图像5）遥感数据类型(主要)目前，已有美国、法国、日本、硬度等国发射了陆地卫星，我过已发射了国土资源普查卫星、与巴西合作美国陆地卫星（Landsat）,1972.7.23、1975.1.22、1978.3.5简称Landsat-1、2、3号MSS多光谱扫描仪分辨率79*79、周期18天Landsat-4(1982)、5(1984),专题制图仪（TM）、分辨率30*30、周期16天美国诺阿气象卫星的甚高分辨率辐射仪法国SPORT卫星数据，SPORT-1(1986)、SPORT-2(1990)SPORT-3(1993)、SPORT-4(1998)，高分辨率可见光传感器（HRV）,分辨率10*10（全色）、20*20（分色绿、红、红外）、周期26天，同一地区的成像周期为（3.7-2.4天），SPORT-5(分辨率为5M、10M)日本地球资源卫星(JERS),JERS-1(1992),合成孔径雷达（SAR）、分辨率18M印度遥感卫星（IRS）,IRS-1A(1988),IRS(1991),周期22天欧洲遥感卫星（ERS）数据，

ERS-1(1991),7种传感器，其中合成孔径雷达用于土地利用/土地覆盖调查，ERS-2（1995）美国商用通讯卫星QUICKBIRD（快鸟）（2001.10）,分辨率达0.61M卫星传感器空间分辨率重访周期主要用处美国陆地卫星LandsatTM30m热红外120m16天水深、水色、叶绿素、植物长势、土壤和植物水分、云及地表温度、岩石类型美国气象卫星NOVAA-AVHRR1.1km0.5天植物、云、冰雪、大气及地表温度法国SPOT卫星SPOT-HRV可见光10m红外20m26局部2-3天水色、植被状况、植物长势、制图美国QiuckBird全色1-0.61m多光谱4-2.5m94.4分制图、农业、城市规划、气象、军事欧洲遥感卫星ERS-SAR25m用于土地利用/土地覆盖调查……………………光谱分辨率：是指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率愈高空间分辨率：是指图像像素所代表得相应地面范围的大小，空间分辨率愈高，像素所代表的范围愈小。辐射分辨率：是指传感器能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量。时间分辨率：是指同一地点进行遥感采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。北京故宫_SPOT_2.5m北京故宫_QuickBird_0.6mLasVegas,1992LasVegas,1972LasVegas,1986卫星—航天遥感航空遥感地面遥感探测器——航宇遥感属性数据也称为统计数据或专题数据，是对目标空间特征以外的目标特性的描述，包括：目标类型：地物类型定义目标具体说明与描述：宗地信息属性数据获取方式：资料的调查与收集整理，数据分为：社会环境数据：城市人口、交通自然资源数据：地形、水系、基础地质资源与能源数据：土地资源、生物资源、矿产资源属性类型：字符串、数字、图片、录象、声音、文本等属性数据一般用键盘输入，输入方式：即时输入事后输入:

一次性输入属性表，然后建立图形与属性之间的关系属性数据获取由于数据生产可由专门从事数据生产的部门、私营企业和民间组织来完成，空间数据转换也可作为空间数据获取手段之一空间数据转换的内容空间定位信息、空间关系、属性信息由于各种软件对空间数据组织方法存在差异，所以转换时会存在信息丢失拓扑关系信息：是否支持拓扑关系属性信息：一般都能转换投影信息：类型是否支持或自定义类型第三节空间数据转换空间数据转换方法数据交换文件GISAGISAGISBGISB内部文件外部文件外部文件内部文件

GISAGISB数据交换标准同构空间数据库OpenGIS(API函数)第四节空间数据质量1）数据质量概念空间数据质量是指地理数据正确反映现实世界空间对象的精度、一致性、完整性、现势性以及适应性的能力数据质量信息数据采集日期(现势性)位置精度(几何精度)分类精度(属性精度)完整性（是否缺少数据？）数据采集与编码方法（直接影响数据质量）2）数据质量的基本特征准确度：测量值与其实际真值的接近程度精度：对象表达的详细程度，包括定位精度、属性精度、空间分辨力AB(1)AB(2)BA(3)A的准确度低于B，但A的精度高于B(1)、(2)中A、B准确度一致，但A的精度高于B2）数据质量的基本特征（续）不确定性：当某种现象不能精确测定时，其值无法知道，其误差也就无法确定，这时就用不确定性代替误差，一般采取对同一现象进行多次观测并求标准差来表示相容性：两个来源数据在同一应用中的难易程度土地利用图拼接时，边缘处地物类型和几何位置应该相容不同比例尺可造成数据的不相容，如一种图上有，而另一种图上被忽略一致性：同一现象或同类现象表达的一致程度，包括位置不一致：河流,行政边界在不同的图上形状不同逻辑不一致：道路不能穿越房子、等高线不能交叉2）数据质量的基本特征（续）完整性：指数据的完整性，包括分层的完整性、分类的完整性、内容完整性（不缺少数据）可得性：获得或使用数据的容易程度现势性：数据反映客观现象目前状况的程度，对许多类型的地理信息来说，时间是一个严格的因素，如人口统计信息、土地利用类型信息适用性：数据质量的适用性主要取决于所使用数据的内容与质量、用户的财力、获得数据的易容程序等上述这些数据质量的基本特征决定了数据质量的好坏。3）数据误差或不确定性来源数据的误差大小即数据的不准确程度是一个