空间数据的获取

空间数据的获取第1页，课件共73页，创作于2023年2月23.1GIS中空间数据

GIS数据源种类多，来源广泛，处理方法差异大；GIS数据源获取方法手段多，既有传统手工获取方法，又有用现代化技术获取方法；GIS系统数据源采集必需根据所建立系统的需要和实际条件确定。第2页，课件共73页，创作于2023年2月31、GIS中空间数据含义三种主要地理信息AttributesGeometryBehaviorRulesStreetsandhighwaysmaynotintersect第3页，课件共73页，创作于2023年2月42、GIS数据源类型

地图数据遥感数据地形数据测量数据野外采集数据调查统计数据法律文档数据已有系统数据等等第4页，课件共73页，创作于2023年2月53.2地图简介和地图参照系地图是“地球表面全部或某部分选定特征在平面上的图形表达”（Makoweretal.,1990）地图既是GIS的重要数据源，又是GIS的重要输出形式。第5页，课件共73页，创作于2023年2月6

地图按内容分类可分为：普通地图；专题地图。专题地图是在普通地图的基础上，突出表示一种或多种自然或社会经济现象的地图。如地貌图、雨量分布图等一、地图的分类

1、地图按内容分类第6页，课件共73页，创作于2023年2月7地图的比例尺是描述地理实体的空间尺度可分大、中、小三大类大比例尺指比例尺大于等于1：10万的地图；中比例尺指比例尺在1：10万到1：100万的地图；小比例尺指比例尺小于等于1：100万的地图。

2、地图按比例尺分类地图显示比例尺可以通过硬件放缩或软件放缩来改变。影像放大的具体地区可通过窗口来定义，窗口所圈定地理范围由计算机自动存贮起来，影像可以由鼠标控制，通过“推移”或“漫游”在屏幕上移动，这些操作不改变显示的比例尺。第7页，课件共73页，创作于2023年2月8city1:2500001:24000小比例尺1:5001:5000大比例尺Êcityriverriver在地图中，不同比例尺的地图系列表示不同空间尺度的地理实体，小尺度下的实体到大尺度时，往往通过地图综合而被合并或忽略。

第8页，课件共73页，创作于2023年2月93、地图按结构分类线画地图用矢量数据结构来表示；影像地图用栅格数据结构来表示。任何图片或空间数据都可以表达为数字影像，GIS中的数字影像与其它影像（如医疗影像）的区别是：在GIS中数字影像具有地址编码，即影像中的像元点具有准确的投影位置记录，并且一般能够显示几种空间数据类型及其注记。影像地图的分辩率指一个像元所覆盖的地表面积。

数字地形图把测区按一定比例缩小成立体模型，然后将模型上的地形地物点用平行投影的方法表示在图纸平面上形成的地图。第9页，课件共73页，创作于2023年2月10三、地图的发展数字地图是模拟地图的数字化，一般是指静态地图。随着信息技术的发展数字地图的概念在不断发展。1、动态地图

动态地图用来动态地显示地图数据，可以从不同角度、用不同方法（如不同颜色、符号等）表达地理空间数据；同时可以表示地学现象随时间演变的过程等等。

第10页，课件共73页，创作于2023年2月112、交互交融地图

交互地图是人可以通过一定的途径，例如选择观察数据的角度、修改显示参数等来改变地图的显示行为（Butterfield1996）。在这个过程中，屏幕地图（如双眼视觉立体地图），与应用人员人脑中相关地学知识以及直觉等形成的心智图像（虚拟地图）一直处于相互作用、相互比较、相互修改、逐渐完善的信息联系和反馈状态。

指人与地图可进行相互作用和信息交流。

交融地图是人与地图的融合程度，也就是人在虚拟地图中的投入感和沉浸感（immersion）。

第11页，课件共73页，创作于2023年2月123、虚拟地图

相对于真实地图虚拟地图具有暂时性，实物地图具有静态永久性。虚拟地图与人的心智图像相互联系与作用的原理和过程，较之于传统的实物地图是不一样的，需要建立新的理论的方法。

第12页，课件共73页，创作于2023年2月13空间坐标系1、地理（空间）坐标

地理（空间）坐标系，也可称为真实世界的坐标系，是用于确定地物在地球上位置的坐标系。一个特定的地理坐标系是由一个特定的椭球体和一种特定的地图投影构成。其中：椭球体是一种对地球形状的数学描述；地图投影是将球面坐标转换成平面坐标的数学方法。绝大多数的地图都是遵照一种已知的地理坐标系来显示坐标数据。第13页，课件共73页，创作于2023年2月14地理空间坐标是一个球面坐标，用径纬度来表示地图上的各个点。地球上：子午面是通过地球旋转轴的面；赤道面是通过地心，垂直于地轴的平面。第14页，课件共73页，创作于2023年2月15地球图第15页，课件共73页，创作于2023年2月16纬线和纬度

赤道面的平行面同椭球面相交所截的圈称纬线。纬度是地球上点的法线与赤道面的交角。赤道上的纬度为零，离赤道愈远，纬度愈大，在极点的纬度为90度。第16页，课件共73页，创作于2023年2月17经线和经度

子午面和椭球面相交所截的圈为子午圈称经线；将通过格林尼治天文台的经线作为0°经线。经线与纬圈垂直排列，通过地球轴心的垂直大环称经线。用格林威治天文台的子午线为零度（称起始经线），向东0-180度称东经，向西0-180度称西经。经度1°的弧长随着纬度的增高而逐渐变短，直到最后达到两极时为零。第17页，课件共73页，创作于2023年2月182、平面直角坐标

GIS中的空间数据是地球表层的数据。地球表面是一个椭圆球面，由于球面坐标难以进行距离、方向、面积等参数的计算，需将球面坐标转换成平面坐标，形成平面直角坐标。

GIS中的地理空间通常是指经投影变换后，在平面直角坐标中的地球表层特征空间，即主要考虑二维地理空间问题。第18页，课件共73页，创作于2023年2月193.3地图的投影一、地图投影

由于球面的不可展示性，为了用平面坐标来表示球面上目标的空间位置，必须进行球面坐标到平面坐标的转换，这就是地图的投影变换。地球曲面转换成地图平面，不仅仅存在着比例尺变换，而且还存在着投影转换的问题

第19页，课件共73页，创作于2023年2月20

在地球表面上的空间实体的位置，或者是以地理坐标（有时称为球面坐标）或者是以按照某种投影类型的平面坐标来定义的。但是，所有空间数据最终都要以平面坐标形式在显视器上显示。因此，大多数地理信息系统是以平面地图投影方式来存贮空间坐标的。

1、地图投影概念第20页，课件共73页，创作于2023年2月21

地图投影的实质是建立球面和平面之间的函数关系，使球面上的点对应到平面上或可展示的平面上，其转换的数学函数是：

X=f1(

，）

Y=f2(

，）

其中（X，Y）是平面直角坐标；

(

，）

是地球表面的地理坐标。第21页，课件共73页，创作于2023年2月22正解变换和反解变换

一般地，我们把由地理坐标求出地图平面直角坐标的形式称为正算式，称正解变换，也称直接变换法

把由地图直角坐标求出地理坐标的形式称为反算式，称反解变换，也称间直接变换法

。第22页，课件共73页，创作于2023年2月232、地图投影的分类地球表面经投影变换后其角度、面积、形状、距离会产生畸变，为保证某种畸变最小，产生了各种不同的投影变换。1）按变形的性质分等角投影，等积投影，等距投影；2）按展开方式分方位投影、圆柱投影、圆锥投影；3）按投影面积与地球相割或相切分割投影和切投影。地图的投影变换是空间数据处理的重要内容之一。第23页，课件共73页，创作于2023年2月24（1）等角投影（ConformalProjection）等角投影中，地面特征间保持等角关系。对于面积较小的区域，等角投影所造成的畸变程度较小，随着面积增大，等角投影对区域所造成的畸变程度也将增大。因此，大面积的区域制图不适合应用等角投影。等角投影中常见的是墨卡托投影（Mercator）。（2）等面积投影（EqualAreaProjection）经纬线间距随着远离赤道逐渐减小，但保持等面积性质。由于点密度不受影响，因此，对于大面积上的点分布的表达适合于应用等面积投影。等面积投影中常见的是Alber投影。

（3）等距离投影（EquidistantProjection）

投影后，特征间角度关系和面积关系发生变化，但沿某个方向上距离关系保持不变。在地图集中有关大区域制图经常使用等距离投影，因为等距离投影在等面积投影所造成的角度畸变和等角度投影所造成的面积畸变之间起到平衡作用。

3、地图投影的畸变第24页，课件共73页，创作于2023年2月254、投影面和球面的关系圆锥投影圆柱投影方位投影第25页，课件共73页，创作于2023年2月26

几种投影方式展开图方位投影展开图

圆柱投影展开图圆锥投影展开图第26页，课件共73页，创作于2023年2月27地图投影投影转换圆柱方位圆锥第27页，课件共73页，创作于2023年2月285、GIS中地图投影的选择1）选择的投影系统应与国家基本图（基本比例尺地形图、基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；2）系统一般采用两种投影系统；一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出；一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出；3）所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统在投影带中应保持完整。随区域径纬度不同、地图比例尺不同、及地图用途不同，地图投影方法也不同，现有地图投影方法共有200多种。但常用的也就20多种。第28页，课件共73页，创作于2023年2月29GIS投影例

加拿大：>=1:50万——采用UTM（墨卡托投影）

<1:50万——采用Lambert（兰勃特

）;美国：>=1:50万——采用UTM;<1:50万——采用州平面坐标系统(以高斯投影和Lambert投影为主，局部地区采用HOM投影)；中国：>=1:50万——采用高斯投影；

<1:50万——采用Lambert（兰勃特

）。第29页，课件共73页，创作于2023年2月306、我国的地图投影1)我国常用的地图投影我国基本比例尺地形图(>100万)

采用高斯—克吕格投影（横轴等角切圆柱投影）;

我国1：100万地形图采用了Lambert(兰勃特)投影（正轴等角割圆锥投影）;此外也采用同Lambert投影和属于同一投影系统的Alberts(阿尔伯斯)投影（正轴等面积割圆锥投影）；第30页，课件共73页，创作于2023年2月312)高斯—克吕格投影(简称高斯投影)高斯—克吕格投影是横轴等角切椭圆柱投影。从几何上看，它用一个椭圆柱套在地球椭球体外面，并与某一子午线相切（此子午线称做中央经线），使椭圆柱的中心轴位于椭球体的赤道面上.经纬线的投影是首先将中央经线向东和向西按一定经差范围，将经纬线交点投影到椭圆柱面上，再将此椭圆柱面展为平面。高斯－克吕格投影不仅在我国而且在东欧一些国家也采用其作为地形图数学基础，美国、加拿大、法国等国家也有局部地区采用该投影作为大比例尺地图的数学基础。第31页，课件共73页，创作于2023年2月32

xy在高斯--克吕格投影中：中央子午线投影为X轴；赤道投影为Y轴；其它径纬线的投影均为曲线，中央径线没变形，离中央径线愈远变形愈大，为减小变形采用分带投影的方法。赤道投影中央子午线投影第32页，课件共73页，创作于2023年2月33（1）高斯投影特征中央经线和赤道投影后为互相垂直的直线，且为投影的对称轴；投影具有等角的性质(投影后经纬线相垂直)；中央经线投影后保持长度不变。第33页，课件共73页，创作于2023年2月34

由于高斯－克吕格投影的变形大小与经差有关，经差愈大则变形愈大，因此这种投影在用于大比例尺地图中时都采用分带的方法，即将地球按一定的经差（6度，3度）分成若干互不重叠的带，各带分别投影，从而将变形控制在一定的精度范围内。

第34页，课件共73页，创作于2023年2月35（2）我国高斯投影的分带方法1:2.5万至1:50万的地形图，采用6°带，全球共分为60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共含11个投影带；

1:1万及更大比例尺图采用3°带，全球共120个带。第35页，课件共73页，创作于2023年2月36（3）高斯--克吕格投影的优点

等角性别适合系列比例尺地图的使用与编制;

径纬网和直角坐标的偏差小，便于阅读使用;

计算工作量小，直角坐标和子午收敛角值只需计算一个带。由于高斯-克吕格投影采用分带投影，各带的投影完全相同，所以各投影带的直角坐标值也完全一样，所不同的仅是中央经线或投影带号不同。为了确切表示某点的位置，需要在Y坐标值前面冠以带号。如表示某点的横坐标为米，前面两位数字“20”即表示该点所处的投影带号。第36页，课件共73页，创作于2023年2月37二、地形图的分幅和编号我国，基本地形图的分幅和编号按国际规定的在1:100万地形图基础上，按径纬度进行。

1）1:100万地形图的分幅和编号按纬差4度，径差6度分

2）1:50万，1:20万，1:10万地形图的分幅和编号

1:50万按纬差2度，径差3度分,即一幅1:100万地形图包含4幅

1:50万地形图；

1:20万按纬差40‘，径差1度分,分36幅图;1:10万按纬差20‘，径差30’分,分144幅图;3）1:5，1:2.5万，1:1万地形图的分幅和编号这三种图在1:10万地形图基础上，按径纬度划分。第37页，课件共73页，创作于2023年2月381:50万，1:20万，1:10万地形图的分幅和编号1：50万1：20万1：10万以1:100万地形图为基础纬差4度径差6度第38页，课件共73页，创作于2023年2月393.4GIS中空间数据的获取

一、地图数据及其获取

地图数字化是获取地图数据最基本方法，这是指将传统的纸质或其它材料上的地图（模拟信号）转换成计算机可识别的图形数据，并将数字化数据在计算机中进行存储，以便分析和输出。通常有两种方法实现地图数字化，即直接数字化（数字化仪）输入；扫描（扫描仪）输入。

第39页，课件共73页，创作于2023年2月401、直接数字化获取地图数据手扶跟踪数字化仪是用来记录和跟踪地图点、线位置的手工数字化设备。手扶跟踪数字化的光标位置的记录是在平面笛卡尔坐标系中以毫米为单位进行的。

第40页，课件共73页，创作于2023年2月411）直接数字化获取坐标点

数字化采集的点的坐标是数字化的平面坐标，其坐标值取决于图放在数字化平面上的位置、数字化仪精度（采点精度为每毫米大约5到50个点）。这些点并没有实际的地理位置的意思。为了将数字化的点表示事物实际的地理坐标，必需将数字化仪坐标转换为地理坐标。第41页，课件共73页，创作于2023年2月422）数字化获取地理坐标点

为了使数字化上坐标点具有地理位置意义，需要实现由设备坐标到实际地理坐标的变换。实现变换需要设定投影方式,通常用Longitude/Latitude在地图上选取图幅点，确定图幅控制在地图上选取若干控制点，在对地图数字化时，必需给出所选控制点实际地理坐标。通过控制点的数字化仪坐标和对应的实际地理坐标的关系，实现数字化上坐标点向地理坐标点的转换。控制点的精确度直接影响数字化地图的精度。第42页，课件共73页，创作于2023年2月43

通常输图前在图板的地图上取4个点在数字化坐标上的坐标值。并给出该4个点的实际图件上坐标值。即4个同名点。按X=a0+a1x+a2y+a3xyY=b0+b1x+b2y+b3xy

转换方法a0，a1，a2，a3

，b0，b1，b2，b3

为待定系数图的变形很小时，a3，b3近于零;其中X,Y是实际图件上坐标值;x,y是数字化坐标上的坐标值;取3个点可求出系数，实际上用大于等于4个控制点，通过最小二乘法可求出待定系数。第43页，课件共73页，创作于2023年2月44用最小二乘法可求出待定系数X

在一些系统中允许用户输入4个以上的控制点，这时候可用用最小二乘法可求出最佳一组待定系数，以改善坐标转换的精度。通常待定系数不存入磁盘，即每次启动系统进行输入时都输入控制点值，一幅图可多次输入，并进行不同的误差校正。第44页，课件共73页，创作于2023年2月453）选择控制点的要求

实现由设备坐标到实际地理坐标的转换，控制数据采集要求：要求控制点均匀分布在图面上（控制点三点不能在一直线上）；

控制点数值精度尽量高。

第45页，课件共73页，创作于2023年2月464）数字化仪工作过程地图数字化工作过程：

确定数字化的技术路线，如确定数字化的底图，并对地图进行分层，分幅；

对地图进行预处理，尽量减少图纸变形的影响，如将图复制，进行透边处理等；选取控制点进行坐标匹配，控制点尽可能选在点要素或线要素的交点处；

连接数字化仪并进行数字化仪参数的设置；

图件数字化，数字化的过程是对曲线离散化的过程，图件数字化可用点方式、时间流方式或距离流方式工作，采样点必需能够反映曲线特点，以有利于精度的提高。第46页，课件共73页，创作于2023年2月47

YYN删除点返回上一点N读下一点打开通信接口及数据文件初始化数字化仪输入控制点及图幅范围关闭端口及数据文件结束结束否输入正确否保存文件读取并显示一个x,y值第47页，课件共73页，创作于2023年2月48

2、扫描仪获取地图数据

随着扫描仪性能价格比的不断提高和格式转换软件日趋成熟，用扫描仪获取数字地图数据愈来愈重要。扫描仪扫描后存储栅格图象格式，大多数栅格图象格式用压缩编码，如BMP、PCX等。每种格式都定义一个包含图象高、宽、每点的位数大小、分辨率、和颜色文件头，而图象数据另存。压缩方式采用游程编码、LWZ压缩编码等.第48页，课件共73页，创作于2023年2月49第49页，课件共73页，创作于2023年2月501）扫描仪获取地图数据过程（1）前期预处理准备扫描图象（原图）原图色彩分明、线条细实；确定数字化区域范围，原点；清除污点等。对被扫描图象作预处理主要是噪声处理、二值化处理、细化处理等。将原图定位，并设置扫描方式如扫描分辨率、数据纪录格式，以获取数字栅格影象数据；对获取扫描数据进行编辑、修补等处理。第50页，课件共73页，创作于2023年2月51（2）栅格数据矢量化栅格数据矢量化方法分半自动矢量化和自动矢量化。GIS中主要用半自动矢量化。目前半自动矢量化采用人机交互的方法进行。当线画状态较好时，系统自动跟踪，不能跟踪时人工介入。自动矢量化通常适合线条质量高，图形比较简洁的场合。（3）矢量化图后处理对矢量化图进行编辑处理，按要求的格式存入数据库第51页，课件共73页，创作于2023年2月52原始图扫描获取栅格文件（半）自动矢量化获取矢量文件存入数据库清理、选择栅格文件编辑处理人工交互矢量文件编辑2）栅格数据矢量化过程第52页，课件共73页，创作于2023年2月533、两种数字化地图方式的比较直接数字化扫描数据矢量化数据量小；数据量大；劳动强度大，技术要求低；涉及技术多；适合线条少，多余信息多的图；适合线条清晰地形图；

扫描数据矢量化愈来愈重要，但不能绝对代替直接数字化。第53页，课件共73页，创作于2023年2月54三、摄影测量数据及获取摄影测量在我国的基本比例尺测图生产中起关键作用。我国的大部分1：1万，1：5万地形图都使用摄影测量方法。第54页，课件共73页，创作于2023年2月551、地面摄影测量和航空摄影测量摄影测量包括垂直的航空摄影测量和倾斜的地面摄影测量。摄影测量中较有效的方式是立体摄影测量。通过对同一地区同时摄影两张或多张重叠的像片，最后通过数字摄影测量工作站，获取空间数据，做为GIS数据源，在计算机上重构目标。2、解析摄影测量获取高精度数字高程模型的重要手段。如在栅格数字高程模型中设定了X，Y方向的步距后，直接得数字高程模型。第55页，课件共73页，创作于2023年2月563、数字摄影测量数字摄影测量指全数字摄影测量，在解析摄影测量中操作仪器由计算机完成，观测是机械和光学的，象片是模拟的。全数字摄影测量是非功过完全数字化的新型测量，用于生产数字高程模型及数字正射影像。一些实用系统中包括智能识别系统。第56页，课件共73页，创作于2023年2月57四、属性数据及获取

1、属性数据源及其内容

属性数据是目标的空间特性以外的特性的详述。主要包括目标类型，具体目标特征和专题说明等详细描述。目标类型描述通常用类型编码来表示；专题说明描述用属性内容表示。各种统计数据及各类调查数据是属性数据主要数据源。通常包含特定位置上的社会、环境、资源、经济、人口等数据。

第57页，课件共73页，创作于2023年2月58

2、属性数据的获取

对照图件直接输入，即直接在GIS中，通过其数据库管理软件对照图形直接录入；用通用数据库软件录入，录入后转入GIS系统；从其它系统（如MIS）系统转入数据。第58页，课件共73页，创作于2023年2月59五、其它野外采集数据

野外数据采集可获取大比例尺的数据。主要通过全站仪、GPS测量。

全站仪是电子径纬仪和激光测距仪的集成。

GPS测量通过GPS接收机获取数据。第59页，课件共73页，创作于2023年2月60GPS作为一种新型的定位数据采集技术具有高精度，高效益，低成本，全天侯，灵活实时的优势。GPS在GIS中的应用：1）直接用于对GIS空间数据的实时更新和采集；2）将GPS的实时差分技术与GIS的电子地图结合，组成各种车载、机载电子导航系统；3）为GIS的空间数据获取提供实时定位数据。

第60页，课件共73页，创作于2023年2月61总之，不管是地图数字化、遥感数据、野外实测、还是文本数据的获取，常要GIS软件的支持，且数据的录入工作量大，所以，空间数据的获取是地理信息系统的关键也是瓶颈所在。第61页，课件共73页，创作于2023年2月62结论：

数据获取是建立应用地理信息系统的瓶颈，人们希望实现空间数据的快速采集实现空间数据快速采集的解决方案图形图像识别的自动化多种去信息源采集的技术集成数据资源的数据共享其中第一个问题难度最大第62页，课件共73页，创作于2023年2月63六、获取空间数据的检查

1、逻辑及正确性检查返回从逻辑概念出发对数据质量进行检查空间数据不完整或重复如数字化不完整，重复数字化；空间数据位置不正确如数字化、材料或仪器引起；空间数据的比例尺不准确（变形）如原数字化材料变形误差，数字化过程中选点过少空间与非空间数据连接有误如识别符错误、关系表对应表不对；非空间数据不完整。检核过程中可交互式的加入某些内容。第63页，课件共73页，创作于2023年2月642、数据检核返回

空间数据检核叠合比较法非空间数据检核打印出文件后逐行检核；编写检核程序；编写空间和非空间数据的连接程序。第64页，课件共73页，创作于2023年2月653.3空间元数据（metadata)1、空间元数据目前空间数据的共享问题十分突出，计算机技术的发展为空间数据的共享提供了技术基础。作为数据的生产者必需要有效地对数据进行管理和维护；作为数据的使用者必需要全面快速地访问、获取、管理空间数据。

第65页，课件共73页，创作于2023年2月661)什么是元数据

元数据是为了有效管理和应用地理信息资源而提出的重要技术手段。元数据是“数据的数据”，是关于数据和信息资源的描述信息,它描述数据的内容、质量、条件、和其它特征，使数据充分发挥作用，在实现数据共享方面十分重要。空间元数据是各类空间数据描述的集合。不同领域的数据库，元数据的内容会有很大的差别，通过元数据可以检索访问数据库，有效利用计算机系统资源，对数据进行加工和二次开发。

第66页，课件共73页，创作于2023年2月672)空间数据元数据的分类

元数据的分类体系和内容将会有很大的差异。首先不同性质、不同领域的数据所需要的元数据内容有差异；其二，为不同应用目的而建设的数据库，其元数据内容会有很大的差异。如模型元数据其内容包括：模型名称、模型类型、建模过程、模型参数、边界条件、作者、引用模型描述、建模型使用软件、模型输出等

服务型数据的元数据内容包括：数据收集情况、收集数据所用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法、数据质量控制、数据精度、数据的可信度、数据潜在应用领域等。

第67页，课件共73页，创作于2023年2月681）按元数据描述的对象分类数据层的元数据如日期、位置、误差、标识等；属性元数据如数据字典、数据处理规则等；实体元数据如区域数据采集原则、数据有效期等。2）按元数据在系统中的作用分类系统级的元