GIS原理与应用-4 空间数据采集与处理

第四章空间数据采集与处理一、空间数据采集二、空间数据处理四、空间数据质量分析与控制三、空间数据索引主要内容:21）数据采集在GIS中的地位以数据为处理线索硬件∶软件∶数据=1∶2∶7汽油数据一、空间数据采集32）数据采集任务将现有的地图、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。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。不同的数据来源要用到不同的设备和方法。数据的转换装载数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等44.1空间数据的采集与组织ThemostexpensivepartofaGISprojectisdatabaseconstruction.数据是GIS的血液

数字线划数据影像数据数字高程模型地物的属性数据5项目第一手数据第二手数据非电子数据平板仪测量、工程测量笔记、航空像片、人口普查社会经济调查地图统计图表电子数据全站仪，GPS数据，地球物理，地球化学，遥感数据，其它测量与监测仪器数据库64.1.1数据采集

包括空间数据采集和属性数据采集一、空间数据采集常规测量工作全站仪测量

GPS测量

地图数字化

数字摄影测量（DPS）

遥感技术7891011二、属性数据采集（专业与专题工作）

社会调查，记录统计汇总遥感专用监测仪器测试数据环境监测与采样数据（水，大气等）124.1.2图形数据的输入

图形数字化一、手工键盘输入1输入矢量数据

输入坐标值2输入栅格数据按行列号输入各象元的属性1314二、手扶跟踪数字化仪输入1手扶跟踪数字化仪简介(Digitizer)电磁感应板接口计算机15Calcomp

DrawingboardⅢ型数字化仪162数字化过程

将待数字化的资料固定在图形输入板上输入至少四个控制点的坐标和图幅范围逐项数字化图幅内的各点、线点方式(PointMode)

流方式(StreamMode)

距离流(DistanceStream)

时间流(TimeStream)

分层数字化17GIS中的地图跟踪数字化软件基本功能：1图幅信息录入和管理功能

即对所需数字化的地图的比例尺、图幅号、成图时间、坐标系统、投影等信息进行录入和管理。这是所采集的矢量数据的数据质量的基本依据。2特征码清单设置

由图例符号构成的格网状清单，每种类型的符号占特征码清单是指安放在数字化仪台面或屏幕上的清单中的一格。在数字化时只要点中特征码清单区的符号所在的网格，就可知道所数字化要素的编码，以方便属性码的输入。地图跟踪数字化软件应能使用户方便地按自己的意愿设置和定义特征码清单。183数字化键值设置

即设置数字化标识器上各按键的功能，以符合用户的习惯。4数字化参数定义

主要是指系统应能选定不同类型的数字化仪，并确定数字化仪与主机的通讯接口。5数字化方式的选择

主要是指选择点方式还是流方式等进行数字化。6控制点输入功能

应能提示用户输入控制点坐标，以便于进行随后的几何纠正。19三、自动扫描输入栅格数据向矢量数据的转换

全自动矢量化

半自动矢量化(R2V)

交互式矢量化（屏幕数字化）20Rasterimagetovectormap

图象二值化(threshold)

平滑(Smoothing)

细化（Thinning)

边界跟踪(FreemanEncoding)

矢量线提取数据压缩21AutoCAD环境下的数字化方法调入图象用CAD点、线工具跟踪图象中需要数字化的边界分层数字化所有需要的信息将图形文件予以保存22图4-2Contex大幅面工程图纸扫描仪2324四、解析测图仪空间数据输入

由航空或航天立体象对重建三维立体模型，测量地面三维坐标，并传输到计算机25六、已有数字形式空间数据的输入遥感数据其他与GIS数据库不兼容的数字化信息264.1.3属性数据的输入

属性(Attribute)数据：空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。直接记录在栅格或矢量数据文件中单独输入数据库存储，通过关键字（ID码）与图形数据联系一般采用键盘输入对照图形输入预先建立属性表输入属性数据，然后根据关键字与图形数据自动关联27284.1.4GIS数据的检核与编辑目的：消除数据输入过程中引入的错误和误差空间点位不正确变形空间点位和线段的丢失或重复线段过长或过短面域不封闭区域中心识别码的遗漏结点代码和区域代码不能符合拓扑一致性属性的错误分类错误编码和误输入29房屋形状变形多边形不封闭线段过头与不及结点不重合多边形自身交叉多边形边界不重合而产生碎屑多边形碎屑多边形几种典型的空间数据采集错误和误差形式30数据检核：目视检核机器检核图形叠合比较法属性数据检核逻辑检核31数据检核：通过图形实体与其属性的联合显示，发现数字化中的遗漏、重复、不匹配等错误；

在屏幕上用地图要素对应的符号显示数字化的结果，对照原图检查错误；把数字化的结果绘图输出在透明材料上，然后与原图叠加以发现错漏；4对等高线，通过确定最低和最高等高线的高程及等高距，编制软件来检查高程的赋值是否正确；32对于面状要素，可在建立拓扑关系时，根据多边形是否闭合来检查，或根据多边形与多边形内点的匹配来检查等；对于属性数据，通常是在屏幕上逐表、逐行检查，也可打印出来检查；对于属性数据还可编写检核程序，如有无字符代替了数字，数字是否超出了范围，等等；8对于图纸变形引起的误差，应使用几何纠正来进行处理。33编辑图形编辑建立拓扑关系属性编辑地物类型图形编辑建立拓扑关系属性编辑创建点目标创建直线创建折线创建光滑曲线创建多边形创建椭圆创建圆创建圆弧创建矩形注记删除元素创建线状目标人工建立多边形自动建立多边形拓扑关系装配复杂地物删除一类地物输入属性属性人工连接切断属性联接属性自动联接删除属性修改属性拷贝属性删除实体修改图形拷贝移动旋转平行线镜面反射联接元素断开联接显示漫游开窗切割关闭窗口整体放大整体缩小开窗放大开窗缩小34点编辑线编辑面编辑目标编辑删除移动拷贝旋转追加水平对齐垂直对齐删除移动拷贝追加旋转（改向）剪断光滑求平行线弧段加点弧段删点弧段移点删除弧段移动弧段插入弧段剪断弧段删除目标旋转目标拷贝目标移动目标放大目标缩小目标开窗口GIS的图形编辑35点的捕捉图幅坐标与屏幕坐标的转换设光标点为S(x,y)，某点状要素的坐标为A(X,Y)，可设捕捉半径D36线的捕捉图幅坐标与屏幕坐标的转换设光标点为S(x,y)线的坐标串已知，计算S到每个直线段的距离，若最小值小于D则捕捉成功快速办法：将线的最小外接矩形向外扩展D，先判断S是否在该矩形内，再按照以上方法捕捉37面的捕捉实质是面在多边形内的判断设光标点为S(x,y)

射线法先确定最小外接矩形看是否可能捕捉384.1.6空间数据与属性数据的连接

在空间数据输入时为图形实体附加特征编码，进行交互式编辑采用专用程序自动将属性数据与空间实体数据连接起来（通过标识符） 因GIS系统而异，以ARC/INFO为例，通过机内代码和用户标识码建立空间实体和属性的连结3940属性数据的编码——编码原则

系统性和科学性：满足所涉及学科的科学分类方法，能反映出同一类型中不同的级别特点。一致性：对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。标准化和通用性：有国家或行业标准的要按标准进行，没有标准的必须考虑在有可能的条件下实现标准化。简捷性：在满足国家标准的前提下、每一种编码应该是以最小的数据量载负最大的信息量。可扩展性：编码的设置应留有扩展的余地，避免新对象的出现而使原编码系统失效、造成编码错乱现象。41属性数据的编码——编码内容

登记部分：用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序编码；分类部分：用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征；控制部分：用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据量较大情况下具有重要意义。

42属性数据的编码——编码方法

层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系。耕地71园地

72林地

73牧草地74居民点及公矿用地

75交通用地75水域

76未利用地

77土地利用类型7有林地

731灌木地

732疏林地733迹地

735针叶树疏林地7331阔叶树疏林地7332未成林林地734437）空间数据采集——图形数据的采集采集基本模式有两种：

①将地理信息实体以x,y坐标的形式，以顺时针或逆时针方法依次输入。

②用点、线、多边形和格网邻接的方法表示地理实体。特征数码位置点11x,y（点）线21x1,y1,x2,y2,...,xn,yn(线）面31x1,y1,x2,y2,...,xn,yn（面）44空间数据采集——图形数据的采集空间数据采集方法：手扶跟踪数字化仪采集摄影测量数字化采集扫描跟踪数字化采集外业实地数字化采集选择采集方法的依据是如何应用图形数据，图形数据类型，现有设备状况，现有人力，物力，财力状况等。45空间数据采集——图形数据的采集数字化设备：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46空间数据采集——数据交换数据交换文件GISAGISAGISBGISB内部文件外部文件内部文件外部文件

GISA数据交换标准OpenGISInternet/Intranet47空间数据采集——方案随机采样系统采样系统随机采样可变系统采样蔟聚采样断面采样等高线采样48空间数据采集——流程计划调查编辑处理评价准备收集数字化49空间数据编辑的必要性修正数据输入错误维护数据的完整性和一致性更新地理信息空间数据一般性错误数据不完整、重复空间数据位置不正确空间数据比例尺不准确空间数据变形几何和属性连接有误属性数据不完整错误检查主要方法叠合比较法目视检查法逻辑检查法二、空间数据处理50数字化错误的原因

1）遗漏某些实体；

2）某些实体重复录入；

3）定位不准确；

4）人的主观因素；实际地物

不及

过头

51数字化错误的具体表现

1）伪节点（PseudoNode）

伪节点522）悬挂节点（DanglingNode）

多边形不封闭

节点不重合

533）“碎屑”多边形或“条带”多边形（SliverPolygon）

544）不正规的多边形（WeirdPolygon）

(a)正常多边形

(b)不正规多边形

55主要内容:1、坐标转换

2、数据格式转换

3、投影转换

4、空间数据压缩

5、图幅拼接

6、拓扑关系生成

7、其他56空间数据处理1.图形坐标变换基本坐标变换

1）平移X’=X+TxY’=Y+Ty

2）缩放X’=XSxY’=YSy

3）旋转X’=Xcosθ+YsinθY’=-Xsinθ+Ycosθ

57坐标变换58X方向Y方向平移

旋转

缩小

59仿射变换（Affinetranformation）二维仿射变换

正交变换

60数值变换：根据两种投影在变换区内的若干同名数字化点，建立变换公式612.数据格式转换建立两种系统的数据转换模块一个系统可以操作和调用其他格式的数据GIS软件GIS软件GIS软件GIS软件GIS软件62通过两个系统之间的外部数据交换文件进行系统A内部文件系统A外部交换文件系统B内部文件系统B外部交换文件交换交换二次转换三次转换63通过两个系统之间的外部数据交换文件进行SystemA内部格式SystemA外部格式SystemB外部格式SystemB内部格式64

通过标准格式进行两个系统间的数据交换如：转换成DXF（图形交换文件）和DBF格式我国的空间数据交换格式标准CNSDTF系统A内部文件标准空间数据交换文件系统B内部文件65通过标准格式进行两个系统间的数据交换公共交换格式标准SpatialDataBSpatialDataASpatialDataDSpatialDataC66通过OpenGIS的空间数据交换—互操作GIS系统A内部文件标准API函数系统B内部文件标准API函数67直接读写异构空间数据库GISAGISBGISCDBADBBDBC68DriverADatabaseADriverCDriverBDatabaseCDatabaseB公共API函数GIS1GIS2GIS3GIS4基于公共API函数的互操作（OGIS)69GIS中空间分析（如叠置分析）要求所有的地理信息必须是同种投影。

1）正解变换：建立由一种投影到另一种投影的严密或近似的解析关系式

2）反解变换：由一种投影坐标反解出地理坐标（经度和纬度），再把地理坐标代入另一种投影坐标计算公式中进行计算；3）数值变换：根据两种投影在变换区内的已知坐标的同名变换点，利用某种数值方法（待定系数最小二乘法、有限差分法等），实现两种坐标之间的变换；3.投影变换70投影变换：投影A（x，y）投影B（X，Y）正解变换：解析函数关系X=f(x,y)，Y=g(x,y)反解变换：经纬度B=f(x,y),L=g(x,y)X=F(B,L),Y=G(B,L)数值变换：数学方法714.空间数据压缩处理1)间隔取点法2)垂距法和偏角法3)Douglas-Peucker方法主要介绍矢量数据的压缩编码方法。主要是根据线性要素中心轴线和面状要素的边界线的特征，在保持规定的精度范围内，减少弧段矢量坐标串中顶点的个数。721)间隔取点法特点：可大量减少弧段顶点序列中点的个数，但不一定能恰当地保留弧段曲线的大弯曲部分。732)垂距法和偏角法74在曲线上取有限个点，将其变为折线，并且能够在一定程度上保持原有的形状。

1）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；2）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；3）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；4）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。5）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。

3)Douglas-Peucker方法75(a)(b)(c)(d)(e)(f)ABCd曲线的离散算法

765.图幅拼接

以两相邻地图图形的部分重叠区为基础，把它们合成为一幅整图的过程叫做图幅拼接，分上下拼接和左右拼接。以左右拼接为例，取左图右边缘一个矩形区域A，取右图左边缘一个矩形区域B，如果A和B有一定的重叠区，可以利用计算机实现自动的匹配。77图形拼接原因：1）扫描的图幅较大：2）使用了小型的数字化仪器；3）所扫描的地图本身就是分幅的；图形拼接方法：

1、2种情况进行边缘匹配处理；

3种情况多先进行投影变换，再拼接78(a)拼接前；（b）拼接中的边缘不匹配；(c)调整后的拼接结果

79图幅拼接步骤

1)逻辑一致性的处理(属性)

利用交互编辑的方法处理逻辑裂缝属性A属性B80

2)识别和检索相邻图幅

将待拼接的图幅数据编号：十位数表示横向顺序，各位数表示纵向顺序；

图幅数据的边缘匹配主要针对跨越相邻图幅的线段或弧而言的，多提取图幅边界2cm范围内的数据作为匹配和处理的目标。81

3)相邻图幅边界点坐标数据匹配

匹配条件：相邻图幅边界两条线段或弧段左右码各自相同或相反；相邻图幅同名边界点坐标在某一允许值范围内；824)相同属性多边形公共边界的删除

83公共边界消除后，要对对象进行相关属性的更新（如面积、周长等）

84以多边形（具有公共边界）为例进行介绍(1)结点匹配ABC三个没有吻合在一起的弧段端点结点匹配处理后产生同一结点6.拓扑关系建立85误差修正一般过程：设定容许值连接接点重建拓扑关系86(2)建立结点-弧段拓扑关系

产生两个文件表：结点所关联的弧段弧段两端的结点87(3)多边形自动生成：实际是建立多边形-弧段拓扑关系，并将弧段关联的左右多边形填入弧段文件中。各结点关联的弧段按方位角大小排序（由x轴逆时针方向量算）88各结点关联的弧段按方位角大小排序（由x轴逆时针方向量算）OABCXY89多边形自动生成过程90拓扑关系的自动生成（关键在于左右多边形的确定）

在多边形生成过程中判断添加在完成多边形建立后根据坐标判断建立917.地图剪裁把一幅图像裁成两两相邻的规则(不规则)图块的过程称为地图裁剪。即把大区域的空间数据分割为小区域数据的过程。

用户以给定的空间范围（窗口），进行空间数据的提取，包括提取窗口内的空间实体及其属性。92分割窗口为矩形1）点要素层剪裁窗口的坐标（Xmin,Ymin）和(Xmax,Ymax)待判定点坐标P(x,y)Xmin<Xp<xmax

且Ymin<Yp<Ymax932）线要素层剪裁空间划分（9个子区）对线段的两个端点AB编码判断

（1）如果AB的4位码都是“0”，则接受

（2）若AB端点码对应位逻辑“与”不为“0”，则舍

（3）若不符合1，2则求线段与窗口的交点，根据交点进行线段的取

舍3）多边形的剪裁940000100100010101100001001010001001102）线要素层剪裁95分割窗口为任意形状窗口判断空间数据库中的点是否位于窗口多边形的最小外接矩形内；不在则舍去；如果在，则使用铅垂线法判断是否在窗口多边形内；弧段：判断组成弧段的各条线段是否与窗口多边形各边有交点，如有：计算交点，对点进行裁剪。96三、空间索引

概念：

是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。

空间索引类型971）实体范围索引记录每个空间实体的外接矩形的最大和最小坐标。特点：没有建立真正的空间索引文件，依靠空间计算来进行判别，仍然需要对整个数据文件的空间实体进行检索，花费时间较大。982）格网型空间索引基本思想是将研究区域用