GIS工程概论-第六章 几个领域GIS工程的介绍

第六章几个领域GIS工程的介绍第一节国家数字高程模型数据库工程第二节国家地理空间框架与平台第三节基于GIS的地图生产工程第四节综合型GIS工程第一节国家数字高程模型数据库工程一、国家数字高程模型数据库二、DEM的建立三、1:5万DEM数据工程的质量检查国家基础地理信息系统1:5万数据库中有十种数据，数据量约11TB。其中，1:5万数字高程模型数据库采集了25m格网间隔的全国范围内两万多幅图的DEM数据，数据量超过300GB。1:5万DEM数据库由数字化获得的矢量数据、用矢量数据内插生成的DEM数据以及DEM元数据等三部分内容构成。矢量数据包括从地形图采集的高程信息、特征信息和一些辅助要素。1国家数字高程模型数据库国家数字高程模型数据库工程DEM可用于各种线路选线的设计以及各种工程的面积、体积、坡度计算等。在测绘中可用于等高线、坡度、坡向图和立体透视图的绘制，还可以用于制作正射影像图以及地图的修测。DEM在很多行业得到了很好的应用，如：国家基础地理数据库的建立、土地利用现状分析和合理规划、洪水险情预报、导航及导弹制导、电子沙盘制作等。DEM的表示方法很多，如：①数学方法，用地面高程曲面拟合；②图形方法，地形图数据库中的很多要素是表示地形最常见的形式，例如：等高线、离散点。1国家数字高程模型数据库国家数字高程模型数据库工程DEM的用途1:5万或更大比例尺的DEM空间参考框架可以用经纬度或本国地形图所采用的地图投影，我国1:5万DEM选择6°分带高斯-克吕格投影，主要因为我国1:5万地形图采用6°分带高斯-克吕格投影，可以直接满足很多工程应用的需要，数据转换的工作量相对较少。水平分辨率全国统一为25m，高程分辨率为0.1m。DEM的高程精度随所使用资料的质量和地貌类型的变化而有所差异。1国家数字高程模型数据库国家数字高程模型数据库工程DEM的精度设计（1）利用自动记录的测距经纬仪在野外实测。（2）利用数字化仪对已有地图进行数字化，目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。（3）利用全球定位系统GPS，结合雷达和激光测高仪等进行数据采集。（4）利用立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数据。2DEM的建立国家数字高程模型数据库工程采集样点的方法基于离散点建立DEM的方法有：距离加权方法、克里金插值法、样条插值、趋势面插值、可定义多邻域类型的插值。ArcGIS中建立TIN可以使用BREAKLINE这一个概念，BREAKLINE分三种：硬BREAKLINE、软BREAKLINE和FAULTS（地形突变处）。软BREAKLINE沿线的Z值存放在TIN中，同时也可以规定这些线是TIN的边。硬BREAKLINE定义光滑曲面的突变，例如：街道、山脊、海岸线等，也可以用于增强线状要素的表达效果。2DEM的建立国家数字高程模型数据库工程DEM的建立方法2DEM的建立国家数字高程模型数据库工程1:5万DEM建库工程过程分为数据库设计、数据采集生产、数据入库检查、数据集成处理、数据库创建与管理系统开发等几个主要阶段。DEM数据质量检查重点表现在数据采集和入库两个阶段。数据采集过程中有严格的两级检查和一级验收的制度。两级检查是指生产作业小组对产品进行100%检查，工程项目组再进行100%的检查。一级验收是指局级验收，由各省测绘产品质量检验部门对产品进行100%图幅的重点内容概查，以及大于10%图幅的全部内容详查。另外，需要经过严格的入库检查验收，数据才能最终入库。31:5万DEM数据工程的质量检查国家数字高程模型数据库工程质量检查的制度（1）检查DEM数据文件是否缺少，名称是否正确，数据能否打开。（2）检查数学基础是否正确，包括平面坐标系、高程基准、投影及参数等；检查数据的有效值范围是否正确。（3）DEM粗差检查，特别是大于3倍等高距以上的粗差。重点检查由于矢量数据高程值错误而产生的DEM错误，包括等高线、高程点、面状水体、添加的特征点或特征线的错误，另外，也需要检查软件内插产生的错误，如少数像元为空值或错误值等。（后续）31:5万DEM数据工程的质量检查国家数字高程模型数据库工程DEM质量检查的主要内容（4）DEM与矢量数据一致性检查，DEM是否与矢量数据的高程严格相关，如果修改了矢量数据，DEM也必须相应修改。同时，检查DEM内插的方法和参数是否合理，保证DEM与矢量数据的高程严格相关。（5）DEM接边检查，DEM的有效值范围是否相接或重叠，有无漏洞。重叠部分DEM的高程误差是否在规定的限差范围内。31:5万DEM数据工程的质量检查国家数字高程模型数据库工程DEM质量检查的主要内容1、人工实物核对检查检查各种实物成果，将检查图与原图进行对照检查，发现数据错误的地方。2、人机交互检查通过对检查数据的查询和显示，人工可以判断其正确性，将数字化的等高线数据与经过纠正的原图扫描数据叠加显示，可以检查数字化的位置精度。3、软件自动检查借助算法程序，利用空间数据的图形与属性、图形与图形、属性与属性之间存在的逻辑关系和规律，检查和发现数据中存在的错误。31:5万DEM数据工程的质量检查国家数字高程模型数据库工程DEM质量检查的方法①检查元数据文件是否缺少，名称是否正确、数据能否打开；②检查所有数据项的定义是否正确、有无遗漏或多余，顺序是否正确；③检查所有元数据项的值是否正确，特别是图号、图幅的经纬度范围、坐标系及坐标值、高程基准等。31:5万DEM数据工程的质量检查国家数字高程模型数据库工程DEM数据的元数据的检查内容第二节国家地理空间框架与平台一、地理空间框架二、数字中国地理空间框架的总体结构设计三、地理信息公共平台的设计地理空间框架是地理信息数据及其采集、加工、交换、服务所涉及的政策、法规、标准、技术、设施和人力资源的总称，由基础地理信息数据体系、目录与交换体系、公共服务体系、政策法规与标准体系和组织运行体系等构成。1地理空间框架国家地理空间框架与平台地理空间框架的定义基础地理信息数据体系包括测绘基准和基础地理信息数据集。测绘基准是进行各种测量工作的起算数据和起算面。测绘基准主要包括大地基准、高程基准、重力基准和深度基准。其中，大地基准由大地坐标系统和大地坐标框架组成，目前我国采用2000国家大地坐标系统；高程基准由高程控制网和似大地水准面（从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭曲面）具体体现，目前我国采用1985国家高程基准定义的黄海平均海水面作为全国统一的高程起算面；重力基准由重力基本网体现，目前我国采用2000国家重力基本网；深度基准是海图及各种水深资料的深度起算面，在我国沿岸海域采用理论最低潮位，在内陆水域采用设计水位。（后续）1地理空间框架国家地理空间框架与平台国家基础地理信息数据体系的设计基础地理信息数据集主要包括大地测量数据、DLG数据、DOM数据、DEM数据和DRM数据。大地测量数据包括三角（导线）测量成果、水准测量成果、重力测量成果以及GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）测量成果等。DLG对应的比例尺系列为1:100万、1:50万、1:25万、1:10万、1:5万、1:2.5万、1:1万、1:5000、1:2000、1:1000和1:500。DOM包括航空摄影影像和航天遥感影像，可以为全色的或多光谱的。DEM包括地面规则网格点、特征点数据及边界线数据等。DRM包括通过地形图扫描纠正和数字线划图转换形成的数据。1地理空间框架国家地理空间框架与平台国家基础地理信息数据体系的设计在目录与交换体系中元数据包括编目、标识、内容、限制、数据说明、发行、范围、空间参考系、数据质量等内容。目录是基于元数据，面向不同类型需要生成的树形结构信息，用于展现信息资源之间的相互关系。用于数据交换的专题数据是由行业部门或单位按照统一标准规范，在业务数据基础上整合形成的可用于共享的数据，以扩展图层的形式提供服务。1地理空间框架国家地理空间框架与平台目录与交换体系的设计①以离线的方式向用户提供模拟地图，或者借助硬盘、光盘、磁带等存储介质，通过硬拷贝对外提供基础地理信息数据；②借助门户网站，利用在线地图、标准服务接口、应用开发接口和运行维护管理等方式，满足用户在线获取与应用地理信息以及快速分布式构建其专题系统的需求；③支撑环境是支持公共服务体系运行和维护的软硬件及网络系统，包括操作系统、数据库软件、专业地理信息平台软件、服务器设备、安全设备等。在部署运行网络时，应严格按照国家相关保密政策的要求，涉密的数据只能在涉密网中提供服务。1地理空间框架国家地理空间框架与平台公共服务体系包含的内容数字省区、数字城市等数字区域地理空间框架是数字中国地理空间框架的有机组成部分，与数字中国地理空间框架在总体结构、数据体系、标准体系、网络体系和运行平台等方面是统一的和协同的。纵向上实现国家、省区和市（县）三级框架的上下联通，构成数字中国从宏观到微观信息流的主干。横向上实现相邻省市之间基础地理信息的联通。另外属性域也要畅通，实现城市内部基础地理信息与各部门专题信息之间的有机集成和叠加。2数字中国地理空间框架的总体结构设计国家地理空间框架与平台2数字中国地理空间框架的总体结构设计国家地理空间框架与平台地理信息公共平台是实现地理空间框架应用服务功能的数据、软件及其支撑环境的总称。该平台依托地理信息数据，通过在线、服务器托管或其它方式满足政府及各部门、企事业单位和社会公众对地理信息和空间定位的基本需求，同时具备个性化应用的二次开发接口，可扩展应用空间。3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台地理信息公共平台的总体需求地理信息公共平台由数据集、管理交换系统、在线服务系统和支撑环境组成。数据集是地理信息公共平台的核心内容，主要包括地理实体、影像、地图、地名地址、三维景观等面向服务的数据和其他部门或单位可共享的专题数据，以及目录与元数据。管理交换系统是实现数据管理和交换的工具。在线服务系统是地理信息公共平台对外提供的“一站式”地理信息服务的出口，包含在线地图、标准服务接口、应用开发接口和其他功能。支撑环境是地理信息公共平台提供服务的保障条件。3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台地理信息公共平台的架构设计3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台1、数据组织结构根据不同安全级别运行环境的要求，地理信息公共平台数据集分为三类：基础版数据、政务版数据和公众版数据。基础版数据包括地理实体数据、影像数据、地图数据、地名地址数据和三维景观数据等面向服务的数据。（后续）3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台地理信息公共平台的数据内容设计3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台2、地理实体数据国家级地理实体数据的数据源是1:100万、1:25万和1:5万的基础地理信息数据；省区级地理实体数据的数据源是1:1万或1:5000的基础地理信息数据；市（县）级地理实体数据的数据源是1:2000、1:1000和1:500的基础地理信息数据。3、影像数据影像数据是以航空摄影影像、航天遥感影像等数据源为基础，经匀色、反差调整、重影消除和镶嵌等处理后形成的栅格数据。影像数据一般按一定尺寸裁切，形成多级瓦片数据。（后续）3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台4、地图数据地图数据以基础地理信息数据为基础，要经过多尺度融合、符号化表达、图面整饰等加工处理，形成色彩协调、图面美观的地图。地图数据的加工过程就是地图瓦片的形成过程，主要包括地图配图和瓦片生成两个步骤。地图配图需要确定配图等级、显示内容和符号表达。显示内容需要按照每一级别对应的显示比例尺，合理设置该级别的显示内容，保证各级别显示内容负载量适中，上下级别之间衔接过度平滑。任意级别的显示内容，应选择与其显示比例尺接近的对应比例尺地图。（后续）3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台5、地名地址数据地名地址数据包括行政区域街巷、标志物、门楼等要素的规范化名称、空间位置、属性及地理编码等信息，通常分为三个层次：行政区域地名、街巷名或小区名、门（楼）址或标志物名。县级以上行政区域地名采集时宜采用1:100万和1:25万比例尺基础地理信息数据为基础。街巷名采集时宜采用1:2000、1:1000和1:500比例尺基础地理信息数据为基础。6、三维景观数据三维景观数据包括多分辨率的影像数据、多网格间距的数字高程模型数据、三维模型数据以及影像裁切形成的多级瓦片数据。3地理信息公共平台的设计国家地理空间框架与平台第三节基于GIS的地图生产工程一、GIS数据与制图数据的差异二、地图生产过程的数据处理方案设计三、地图输出方案的设计GIS数据是指反映地理空间实体位置、形状、属性和拓扑关系的数据，GIS数据将空间对象抽象成点、线、面3种几何类型，有标准的分类与编码。GIS数据注重对地理实体空间、特征的反映，主要是用于空间分析。制图数据是指直接符号化后能以地图产品方式输出的数据，地图信息靠图中的地图符号、注记、地图整饰效果传达，图形数据均以制图规范规定的各种点状、线状和面状符号表示。制图数据分层比较简单，图形数据呈碎化、不连续的形式，这种数据能够满足用图者特定的用途。制图数据注重从形式上对地球表面的自然地理和社会人文各要素作形象、直观的描述，侧重于实体对象的几何信息，其核心是实体的符号化表达，缺乏对属性数据的支持，主要用于地图的可视化。1GIS数据与制图数据的差异基于GIS的地图生产工程GIS数据与制图数据的这种差异导致在同一数据库内不能很好地协调统一，解决问题的方法是建立两套数据库，一套作为地图制图使用，另一套作为地理分析使用。这种解决方案的弊端是：数据重复生产，既耗费了人力物力，又产生了大量数据冗余；在数据更新过程中，需要更新两套库中的数据，难以进行一致性维护。1GIS数据与制图数据的差异基于GIS的地图生产工程基于GIS的地图生产工程是以地图生产为目的的一种GIS数据工程，其重点在于选择合适的地图数据处理方案，对地理空间数据进行清洗、综合、分析、挖掘和融合，以便选择合适的可视化方法整合出地图。利用地理空间数据库制作各种基本比例尺地图和各种专题地图是当前数字地图制图的主要技术途径之一。2地图生产过程的数据处理方案设计基于GIS的地图生产工程地图生产工艺流程设计2地图生产过程的数据处理方案设计基于GIS的地图生产工程在多源数据融合、清洗、分析后，所得结果数据导入到制图软件中往往要进行数据格式转换，或者进行投影变换。在地图生产系统中必须有对异质、异构数据的集成处理模块。分层和分要素进行符号化是利用地图符号库对地图内容进行符号化，在符号化的过程中，应按所要求的尺寸来显示和记录，这样才能处理好地图上各要素之间的相互关系，解决诸如压盖、注记配置、移位、要素共边等问题。符号化地图仍需采用人工交互的方法进行图形编辑和修改，修改不合理的地方。同时利用现势资料和补充资料更新地图内容，并对地图内容进行认真检查，直到地图内容准确无误为止。2地图生产过程的数据处理方案设计基于GIS的地图生产工程面向地图生产的数据处理方法选择地图输出是将数字地图变成模拟地图的过程，可以用屏幕的形式输出（如电子地图），也可以用打印机、照排机、绘图机、分色机等输出纸质地图或分色胶片。如果地图的需求量较少，可以通过喷墨绘图机或激光打印机输出；如果需求量大，可以采用印刷方式。3地图输出方案的设计基于GIS的地图生产工程地图输出方式在地图交付印刷之前，必须对已编绘的地图数据进行印前处理，主要包括数据格式的转换、符号压印的透明化处理、光栅化处理（RasterImageProcess，RIP）、拼版、打样等。地图的输出设备主要有激光照排机、彩色数字打印机、数字式直接制版机和数字式直接印刷机。在后续输出工作之前，还需对地图印刷数据实施全面的检查修正。检查内容包括地图要素、叠印设置、色彩定义、字体配置、页面组版及分色版检查等，检查过程需借助不同的打印方法，以获得直观的效果。经各方面检查修正后，通过激光照排机等设备输出分色胶片，再晒制成印刷版；或通过CTP直接输出印刷版，之后将印刷版安置在胶印机上进行正式印刷。3地图印刷工艺设计基于GIS的地图生产工程地图印刷工艺设计3地图印刷工艺设计基于GIS的地图生产工程第四节综合型GIS工程一、政府GIS工程概述二、政府GIS工程的总体结构设计三、大众化综合型GIS工程的电子地图服务政府GIS工程是一种典型的综合型GIS工程，中央和地方政府机关对政府GIS的总体要求是：建成实用性强、开放性好、高效准确、易于维护、易于扩充、技术先进、安全可靠的政府GIS应用系统。政府GIS的建设和应用，既需要硬件设备和软件系统的支持，更依赖于多源数据的采集、建库、维护和更新。为了确保政府GIS的顺利建成，并实现政府综合资源的信息共享，首先需要制订政府GIS的标准体系框架，进而据此编制一系列技术标准。政府GIS的建设和应用是一个动态发展过程，随高新技术的发展而发展，这就决定政府GIS的成功建设和有效应用依赖于技术创新。政府GIS的建设涉及许多保密信息，如何保证信息安全和系统安全是政府GIS建设中的一个核心问题。1政府GIS工程概述综合型GIS工程综观国内外GIS的发展，开发基于广域网络环境的分布、协同式GIS（DistributedandGoordintedGIS）是大势所趋，政府GIS的建设尤其如此。协同式政府GIS是一种崭新的GIS，它对系统设计、数据模型、数据结构、建设模式、网络通信、数据的标准化和规范化等均提出了新要求。政府GIS是一个以高新技术为支持的空间信息系统，它具有办公自动化（OA）、管理信息系统（MIS）、地理信息系统（GIS）和决策支持管理系统（DSS）相结合的特点，是一个以高新技术群为支撑的复杂系统工程。2政府GIS工程的总体结构设计综合型GIS工程软件架构2政府GIS工程的总体结构设计综合型GIS工程政府GIS从应用角度看，需要以数据为中心，为政府办公和决策服务，因此这种GIS数据工程的数据应用策略和框架非常重要。基于空间数据仓库的政府GIS数据应用框架如图所示，系统的主要输入是数据库中的数据和知识库中的知识。（后续）2政府GIS工程的总体结构设计综合型GIS工程数据应用框架知识发现模块控制并管理知识发现过程，将数据的输入和知识库中的信息用于驱动数据选择、知识发现和评价引擎。人机交互模块通过自然语言和语义查询在政府部门与系统之间提供相互联系的集成界面。数据挖掘工具用于完成决策问题中的各种查询、多维数据分析和数据挖掘。查询工具是从多种不同的角度以各种不同的图表来表示数据，使人们更加方便地了解综合、分析和挖掘的结果，快速发现数据间的潜在关系，了解数据的复杂性和动态性；分析工具主要实现对数据仓库的数据进行分析和综合；挖掘工具负责从大量的数据中发现数据的关系，找出可能忽略的信息，预测事物的发展趋势和行为。2政府GIS工程的总体结构设计综合型GIS工程数据仓库管理模块负责整个系统的运转，主要有三个模块组成：（1）提炼部分。负责数据的标准化、清洗、过滤和匹配等，并为提取的数据信息打上时间标签。（2）重构部分。负责检验是否满足用户分析的需求，对多个系统中不同类型的数据进行集成，创建新的数据。（3）空间转换部分。对已存储数据进行转移，以便对最新衍生、创建或转换的数据不断进行更新。2政府GIS工程的总体结构设计综合型GIS工程（1）多媒体电子地图，是一种用多媒体技术建立、存储和传送的数字地图产品，集地图、图表、影像、动画、文字、音频和视频等多种媒体形式于一体，具有计算机屏幕快速显示、查询检索、量测、分析和输出等功能。（2）立体地图，也称三维立体地图，是以计算机为工具，利用三维技术生成具有视觉立体感效果的三维可视化地图。（3）动画地图，是一种采用动画方式表现空间地理物体与现象的运动方式、变化过程与演化趋势的动态地图。从其表现的视觉效果上看，动画地图可分为二维动画地图和三维动画地图。（后续）