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1、第6章 空间数据的采集与处理,1.了解空间数据源的分类、特征及采集方式2.掌握地图数字化的方法、步骤3.掌握地图数据的各种处理方法4.了解空间数据的压缩处理的方法及优缺点,数据采集在GIS中的地位,以数据为处理线索硬件软件数据=12 7,汽油,数据,6.1 概述,数据源,按获取方式,地图数据,遥感影像数据,实测数据,共享数据,其它数据,按表现形式,数字化数据,多媒体数据,文字资料数据,数据源分类,地图,野外实测数据,统计数据,影像数据,文本数据,多媒体,野外数据采集,遥感图像处理,扫描数字化,摄影测量,键盘输入,空间数据库,编辑处理,数据交换,空间数据采集与处理的基本流程,数字数据,编辑处理,
2、6.2 数据采集,空间数据采集,1）野外数据采集,平板测量,全野外数字测图,空间定位测量,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,2）地图数字化,手扶跟踪数字化,扫描矢量化,3）摄影测量方法,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,4）遥感图像处理,数据交换文件GIS A GIS A GIS B GIS B 内部文件 外部文件 外部文件 内部文件,GIS A,数据交换标准,Open GIS,Internet/Intranet,5）数据交换,1.数字化仪矢量化图形数字化仪（也称桌式数字化仪）由电磁
3、感应板和坐标输入控制器组成。手工数字化的工作效率受三个因素的影响：（1）地图的预处理，图面情况；（2）操作者的熟练程度；（3）矢量化软件的设计是否便于操作。数字化工作的质量主要受原地图的精度、操作者的经验和对工作的负责态度、数字化仪本身的分辨率和误差的影响。,空间数据的矢量化方法,2.扫描仪输入除少数特殊产品外，绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理。扫描获得的图像数据主要有三种用途：（1）作增强、分类处理后进入栅格型空间数据库。（2）显示在计算机屏幕上作手工矢量化。（3）由软件自动转换成矢量地图。栅格数据的自动矢量化有两种用途：一是把栅格型的空间数据库转换成矢量型；二是普
4、通线化地图的扫描后矢量化，其处理过程大致如下：,原始地图,扫 描,栅格编辑,栅格文件,自动矢量化,矢量文件,文件转换,GIS数据库,矢量编辑,扫描并自动矢量化的过程,3.扫描矢量化与数字化仪矢量化的比较一般来说，扫描输入比手工数字化输入快5至10倍，但传统的地图往往要重绘后才能适合扫描；为了尽量减少对自动矢量化处理过程的人工干预，被扫描的地图必须清晰、干净、没有杂点、已经分类、信息单纯而完整，对原始图的要求很高；因此重绘工作量很大。综合考虑对地图预处理方面的限制，扫描之后的大量人工干预或完全的手扶数字化输入仍是不可放弃的重要手段。,4.坐标几何输入野外实地测量地图的结果是一些坐标、距离、方位等
5、资料。这些数据记录在磁盘、磁带上，传入计算机中，再进行编辑；也可以将这些数据用键盘和鼠标器输入，边输入边编辑：称为坐标几何输入法（Coordinate Geometry，简称COGO）坐标几何输入法比手工数字化仪输入慢4-20倍；得到的数字化地图的精度非常高，适合于某些工程项目、房产地籍法定边界等；,坐标几何输入法的特点：1）可输入一些关键点、关键边界，能够控制手工数字化或扫描处理的误差。2）当GIS数据库建成后，局部地区要更新地图，并已测得数据，则可用坐标几何法来更新相应的局部范围的数据。因此：1）有便于控制精度；2）便于更新局部地区资料，可和其他方法结合使用；3）COGO技术的发展，可实现
6、野外直接测量、成图、进库，把便携式计算和数字测量仪器（包括GPS）直接连接；,任何信息系统总要利用已有数据，以减轻信息收集、编码、输入的工作量；除了本单位、本部门的现成资料外，常用的、通用的数据社会化共享已成为一种大的趋势；在发达国家，有很多政府机构或私人公司已经开始向社会公开提供数据服务；因此数据转换是一种常规作业；,5.现有数据转换输入,属性数据的采集,1.属性数据的输入,1)对照图形直接输入2)预先建立属性表输入属性,或从其他统计数据库中导入属性,然后根据关键字与图形数据自动连接.,2.属性数据的来源,1)社会环境数据2)自然环境3)资源与能源,空间数据一般采用线分类法对空间实体进行分类
7、,也叫层级分类法.,3.属性数据的分类,我国(GB/T1392-1992)将地球表面的自然和社会基础信息分为9个大类.,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。,1)属性数据的编码原则,4.属性数据的编码,2)属性数据的编码方法,层次分类编
8、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。(见教材P154图6.13),多源分类编码法：对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代码之间并没有隶属关系。(见教材P154表6.4),6.3 数据编辑,GIS在获取空间数据和属性数据时,不可避免地产生错误或误差。因此，必需对空间数据进行编辑检查。,6.3.1 图形数据编辑,弧段打折,结点不吻合,公共弧不重合,悬线,桥线,多边形不封闭,几种主要的图形的几何编辑,编辑检查的方法：叠合比较法目视检查法逻辑检查法包括:空间数据完整性编辑，如数据的遗漏
9、，点线面数据的丢失或重复，断线；空间数据位置正确性编辑，如空间点位不准，线过长过短，相邻边不重合；空间和属性数据连接错；属性数据错误,6.3.2 属性数据编辑,属性数据与空间数据是否正确关联,标识码是否唯一,不含空值.,属性数据是否准确,属性数据的值是否超过其取值范围等.,1.属性数据校核,2.属性数据错误检查方法,1)利用逻辑检查,检查属性数值是否超其取值范围.,2)把属性数据打印出来进行人工校对.,6.4 数学基础变换,6.4.1 几何纠正,图形编辑可消除数字化产生的错误，但无法纠正图纸变形等误差。几何纠正是实现数字化数据的坐标转换和图纸变形的误差纠正。常用的几何纠正方法有仿射变换、双线性
10、变换、平方变换、双平方变换、立方变换、四阶多项式变换等。,1.地形图的纠正,1)四点纠正法,2)逐网格纠正法,2.遥感影像的纠正,遥感影像图的纠正通常选用同遥感影像图比例尺相同的地形图或正射影像图作变换标准图，在选择好变换函数后，在被纠正的遥感影像图和标准图上分别采集同名地物点，所选的点在图上应分布均匀、点位合适，通常选道路交叉点、河流桥梁等固定设施点，以保证纠正精度。,坐标数据的变换是空间数据处理的基本内容，它是将地理实体从一个坐标系转换为另一个坐标系，以建立其间的对应关系。,坐标变换,投影变换,仿射变换,相似变换,橡皮拉伸,坐标变换方法,1.地图投影变换,当系统使用的数据来自不同地图投影的
11、图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据,地图投影变换,正解变换反解变换数值变换,通过建立两个投影的解析关系式，直接把一种投影坐标(x,y)变换成另一种投影的坐标(X,Y),1.地图投影变换,当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据,地图投影变换,正解变换反解变换数值变换,由一种投影的坐标(x,y)反解出地理坐标（,)，然后再将地理坐标代入另一种投影公式中，求出该投影下的直角坐标（X,Y),1.地图投影变换,当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据,地图投影变换,正解
12、变换反解变换数值变换,根据两种投影在变换区内若干同名的坐标点，采用插值法、有限差分法、待定系数法等，实现不同投影之间的转换,2.仿射变换,平移，旋转，放缩，对称和错切是特例特点：只考虑x和y方向上的变形 保持平行线间的平行关系,特性：,平移变换,比例变换,2）比例变换,1）平移变换,3.相似变换,3）反射变换（镜像变换）,4）错切变换,5）旋转变换,4.橡皮拉伸,图幅变形纠正 rubber sheeting地图的不均匀变形。不能用坐标系旋转、缩放，平移校正的变形。,栅格数据重采样,校正前后图像的分辨率变化、像元点位置相对变化引起输出图像阵列中的同名点灰度值变化。,1.最邻近像元法 用距离投影点
13、最近像元灰度值代替输出像元灰度值。,最邻近像元法,双线性插值法,双三次卷积法,2.双线性内插法 投影点周围4个相邻像元灰度值，并根据各自权重计算输出像元灰度值，公式简述为：,3、双三次卷积法 获取与投影点邻近的16个像元灰度值计算输出像元灰度值，公式为：,1.矢量数据向栅格数据转换,矢量数据向栅格数据转换要将矢量表示的多边形转成栅格数据，使多边形内部所有栅格赋于多边形号。实质上是将矢量图上点、线、面实体的坐标数据转为规则的格网数据再给予填充。,6.5 数据重构,数据结构转换,1)栅格行列数确定矢量数据向栅格 数据转换前，还要根据研究区域的分辨率要求，确定栅格行列数。,其中 i,j,分别为y,x
14、,方向的栅格数；Xmin,xmax ymin,ymax 为矢量数据的数值范围；x,y 分别按需要确定的为每个栅格单元的边长。,j,i,栅格元素大小和数量的确定,矢量图,栅格图,如一研究区域X方向长15公里，Y方向长30公里，现有该区域的1:1万比例尺的矢量图，要将其转成栅格结构图，要求栅格的最低分辨率是30m*30m。栅格数的确定：行数 I=30km/30m=1000格 列数 J=15km/30m=500格,栅格行列数确定EXAMPLE,(1)点 设点的矢量坐标为（x，y），转换后栅格单元的行列值分别为I和J，则I=1+INT（ymax-y）/dy）J=1+INT（xxmin）/dx）(2)线
15、 线实体由一系列坐标对表示，在变为栅格结构时，除把序列中坐标对变为栅格行列坐标以外，还需要按照栅格精度要求，在坐标点之间插满一系列栅格点，可以用栅格中心扫描线与直线段求交后进行点转换获得行列号。（详细参看相关资料）,(3)多边形 多种方法（内部点扩散法、射线法、扫描法、复数积分法和边界代数法等）,射线法,区域的填充,内部扩充法,扫描线法,(1)目的1)将栅格数据分析结果，通过矢量绘图装置输出2)为了压缩数据，将大量面状栅格数据转换为少量数据表示的多边形的边界3)将扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库,2.栅格数据向矢量数据转换,从栅格单元转换到几何图形的过程称为矢量化.,(2)矢量化过程要
16、保证以下两点：转换物体正确的外形点：某个单元的值与周围不同，代表点；线：具有相同属性值的连续的单元格，将其搜索出来并细化处理，成为一条线；面：将具有同一属性的单元归为一类，再检测两类不同属性的边界作为多边形的一条边。保持栅格表示出的连通性与邻接性；,(3）步骤：,实质：提取以相同编号的栅格数据集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成多个小直线段的矢量格式的过程。,多边形边界提取边界线追踪拓扑关系生成去除冗余结点,灰度二值化线条细化,跟踪，生成矢量格式坐标链,剥皮法：其实质是从数字图像上，由上而下，自左到右一次选3 3个像元，进行分析，以不影响其连通性为原则决定中心像元是否可以剥离，
17、逐次排下去，可以将线条带剥离成单个像元的细线。,多边形边界提取 二值化 细化,2 3 4 5 10 11 12 16 21 24 28 33 34 35 38 42 43 46 50,边界线追踪：边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。,孤立点：8邻城中没有为1的象元。端点：8邻城中只有一个为1的象元。
18、结点：8邻城中有三个或三个以上为1的象元。,点 端点 中间点 结点,1.从左向右，从上向下搜索线划起始点，并记下坐标。2.朝该点的8个方向追踪点，若没有，则本条线的追踪结束，转(1)进行下条线的追踪；否则记下坐标。3.把搜索点移到新取的点上，转2。,边界线追踪,拓扑化,数据格式转换,空间数据格式的转换和数据共享用于提高数据获取和数据生产的效益，以实现数据的商品化和标准化。,数据交换模式,外部数据交换模式,直接数据访问模式,数据互操作模式,空间数据共享平台模式,优点:易被接受;缺点:耗人力物力，难于实时更新。如 MAPINFO的MIF/MID；ARC/INFO的E00；AUTCAD的DXF；MG
19、E的ASCII Loader间的交换,隐含,1.外部数据交换,2.通过数据交换标准,美国联邦空间数据委员会在1992年颁布了美国空间数据交换标准SDTS（Spatial Data Transfer Standard)中国的数据交换标准CNSDTS,（1）空间数据的互操作 空间数据的互操作具有理论性、前瞻性和实用性。空间数据的互操作的内涵：系统间可自由交换信息；在网络环境下，可在异地，异种环境下相互通信和协作。空间数据的互操作是系统集成的基础。,3.制定出空间数据的互操作和OpenGIS协议,空间数据的互操作实质是制订出一套各方均能接受的空间数据操作函数API，各厂商提出同API函数一致的驱动程
20、序，使各方都能驱动对方的数据。,GIS系统B,GIS系统都有自己的内部数据结构和存储形式，以表达、定义和存储空间对象，使空间数据共享困难。实现数据共享方法：1）通过数据交换实现数据共享；2）OPENGIS实现数据共享；3）采用数据共享平台，C(Client)/S(server)体系结构，数据放在Server上，应用软件放在Client上，使应用软件的的数据更新能及时反映到数据库中。但因采用了公共平台，各软件公司不愿丢掉自己的底层，这种共享要求SERVER管理大量基础地理数据，其功能要强。,(2)空间数据的共享,图幅拼接,(a)拼接前；(b)拼接中的边缘不匹配；(c)调整后的拼接结果,6.6 图
21、形拼接,数字化过程经常把一幅图分成几部分数字化;标准的地形图是分幅的.,1.原因,2.步骤,1)逻辑一致性的操作（属性的一致）2)识别与检索相邻图幅3)相邻图幅边界点坐标数据的匹配（两条线段的衔接）。4)相同属性多边形公共边界的删除,6.7 数据压缩,每隔k个点取一点，或每隔一规定的距离取一点，但首末点一定要保留。这种方法可大量压缩数字化使用连续方法获取的点和栅格数据矢量化而得到的点，但不一定能恰当地保留方向上曲率显著变化的点。,1.间隔取点法,这种方法是按垂距的限差选取符合或超过限差的点，其方法如图所示。P2点的垂距大于限差，应保留；P3点的垂距小于限差，予以舍弃。,2.垂距法,曲线数据的压
22、缩,这个方法是沿着边界线，逐点计算通过当前点Pj的两条直线Lj1和Lj2之间的夹角aj，其中Lj1是经过Pj和Pj-k0两点的直线，而Lj2是经过Pj和Pj+k0这两点的直线。若|aj|小于某一阈值a0，那么就认为Pj是一应保留点。,3.合并法（偏角法）,这个方法可用以下几步来描述：(1)在给定的曲线的两端之间连一直线。(2)对曲线上每一点计算它与直线的垂直距离。若所有这些距离均小于某一阈值o，那么就用它来表示原曲线。(3)若(2)中条件不满足，含有最大垂直距离的点Pj为保留点将原曲线分成两段曲线，对它们递归地重复使用分裂法。,4.分裂法(道格拉斯普克法),6.8 数据质量评价与控制,数据质量
23、是空间数据在表达空间位置、专题特征以及时间这三 个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度。,（1）误差（2）准确度（3）偏差（3）精密度（4）不确定性,数据质量的几个概念,（1）误差,数据与真值之间的差异。,（2）准确度,测量值与真值之间的接近程度。,（3）偏差,是全体测量值的统计模型，一般以平均误差来描述。,（4）精密度,对某个量的多次量测中，各量测值之间的离散程度。,（5）不确定性,关于空间过程和特征不能准确确定的程度，在真值不可测或无法知道时，取代误差。,空间数据质量评价,1.评价指标,（1）完备性：要素、要素属性和要素关系的存在和缺失。（2）逻辑一
24、致性：指数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容，以及拓扑性质上的内在一致性。（3）位置准确度：指空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常表现为空间三维坐标数据的精度。（4）时间准确度：要素时间属性和时间关系的准确度。（5）专题准确度：定量属性的准确度，定性属性的正确性，要素的分类分级以及其他关系。,2.评价方法,直接评价法,间接评价法,内部直接评价法,外部直接评价法,空间数据的误差源及误差传播,随机误差,系统误差,粗差,数据在采集和处理的每一个过程中都有可能产生误差。,误差类型分析,几何误差,属性误差,（1）传统的手工方法：主要是将数字化数据与数据源进行图形部分和属性部分的比较检查。
25、（2）元数据方法：通过元数据可以检查数据质量，通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化。（3）地理相关法：指的是用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。,空间数据质量的控制,6.9 元数据,是关于数据变化的描述，是描述数据的数据，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据的准确、高效与充分的开发与利用。,（1）帮助用户获取数据：通过元数据，用户可以对空间数据库进行浏览、检索和研究等。（2）空间数据质量控制：无论是统计数据还是空间数据都存在数据精度问题。影响空间数据精度的原因主要有两个方面：一是源数据精度；二是数据加工处理过程中精度质量的控制情况。,2.元数据的作用
26、,1.元数据概念,空间数据质量控制的主要内容有：1）由准确定义的数据字典，说明数据的组成、各部分的名称和表征的内容等。2）保证数据逻辑科学地集成，要求数据按一定逻辑关系有效地组合。3）有足够的说明数据来源、数据的加工处理过程、数据解译的信息。,（3）在数据集成中的应用：数据集层次的元数据记录了数据格式、空间坐标体系、数据的表达形式、数据类型等信息；系统层次和应用层次的元数据则记录了数据使用软硬件环境、数据使用规范、数据标准等信息。（4）数据存储和功能实现：元数据系统用于数据库的管理，可以避免数据的重复存储，通过元数据建立的逻辑数据索引可以高效查询检索分布式数据库中任何物理存储的数据，减少用户查询数据库及获取数据的时间，从而降低数据库的费用。,
