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1、第四讲 空间数据的采集与处理,本讲内容导引空间实体的分类与编码空间数据的采集与编辑 空间数据的处理空间数据质量分析和控制,GIS工程是以空间数据处理为线索的软件工程硬件软件数据=12 7,空间数据源种类,图形图像数据地图 工程图规划图照片航空与遥感影像等文字数据调查报告文件统计数据实验数据野外调查的原始记录等,4.1 空间实体的分类与编码,空间数据几何定位数据空间关系数据属性数据其中属性数据包括：语义特征量度特征空间数据的分类与编码，主要针对语义属性特征。分类与编码的目的在于合理地组织数据，并有利于分析。,空间实体的分类和分级分类：具有共同属性或特征的事物或现象归并在一起（相似的特征（管线）、
2、相同的功能（如交通，铁路和公路）。方法：层级法（线分类法）分级：对事物或现象的数量或特征进行等级划分，包括确定分级数和分级线。方法：数列分级、最优分割分级、统一标准分级等。,空间实体的编码编码在分类、分级的基础指定属性数据的代码的方法和过程；空间实体的编码是对在语义特征分类的基础上进行；编码方案数字、字母、数字字母混合型,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
3、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。,编码方法,采用多位码来表示，例如国土基础地理信息数据分类与编码（GB/T 13923-1992）采用6位码：,X,X,XX,X,X,大类码,小类码,一级代码,二级代码,识别码,用于扩充，一般为0,空间数据采集流程,4.2 空间数据的采集与编辑,不同数据源与其对应的数字化设备,地图,地面测量数据,统计资料,航空、遥感,文字数据,多媒体,坐标几何,数字化仪,扫描仪,摄影测量系统,键盘,空间数据库,编辑、加工、处理,数据交换,图形数字化桌,Contex大幅面工程图纸
4、扫描仪,扫描方式：二值灰度真彩色扫描精度：DPI（dots per inch）,R2V扫描数字化软件界面,属性数据的采集,属性数据包括各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野外调查的原始记录等，如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据；对于待输入的属性数据，若数据量较小，可通过键盘直接键入，若数量大，一般使用关系型数据库或文件、表格、数据库导入；对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据，则必须进行编码输入；,空间数据的检核与编辑,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采集中的常见错误数据不完整、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
5、变形几何和属性连接有误属性数据不完整,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,数据检核检核方法目标检核：将图形实体显示在屏幕上，检查一些明显的错误，如丢失了线段、图斑不闭合、线段过长等。机器检核：这种检核主要是对数字化数据的拓扑一致性进行逻辑检核，把弧段连接成多边形以进行数字化限差的检查等。图形叠合比较法：即按与原图相同的比例尺用数据输出模块把输入的图形及其相应的属性绘到透明材料上，然后与原图精确套叠，在透光桌上仔细地观察和比较，查找遗漏、位置错误等，并做好相应的标记。属性数据检
6、核：属性数据的检核方法很多，常用且简单的方法是用打印机输出属性文件，逐行检核。另一种方法是编制检核程序，用程序扫描数据文件，看有无文字代替了数字或数字超过了允许范围等粗差，该程序还应有标出误差或者错误的能力。,编辑操作,结点吻合(Snap)/结点匹配、结点咬合、结点附和方法：结点移动，用鼠标将其它两点移到另一点；鼠标拉框，用鼠标拉一个矩形，落入该矩形内的结点坐标通过求它们的中间坐标匹配成一致；求交点，求两条线的交点或其延长线的交点，作为吻合的结点；自动匹配，给定一个吻合容差，或称为咬合距，在图形数字化时或之后，将容差范围内的结点自动吻合成一点。,一般，若结点容差设置合理，大多数结点能够吻合在一
7、起，但有些情况还需要使用前四种方法进行人工编辑。,结点的编辑,结点与线的吻合,编辑的方法：结点移动，将结点移动到线目标上。使用线段求交；自动编辑，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。,需要考虑的两种特殊情况：要求坐标一致，而不建立拓扑关系；如 高架桥（不需打断，直接移动）不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关系；如 道路交叉口（需要打断）,有结点,清除假结点（伪结点）,有些系统要将这种假结点清除掉（如ARC/INFO），即将目标A 和B合并成一条，使它们之间不存在结点;但有些系统并不要求清除假结点，如Geostar,因为它们并不影响空间查询、分析和制图。,由仅有两个线目标相关联的结点称为假结点
8、。,图形编辑,包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。删除和增加一个顶点 删除顶点：在数据库中不用整体删除与目标有关的数据，只是在原来存储的位置重写一次坐标，拓扑关系不变。增加顶点：则操作和处理都要复杂。不能在原来的存储位置上重写，需要给一个新的目标标识号，在新位置上重写，而将原来的目标删除，此时需要做一系列处理，调整空间拓扑关系。移动一个顶点 移动顶点只涉及某个点的坐标，不涉及拓扑关系的维护，较简单。删除一段弧段 复杂，先要把原来的弧段打断,存储上原来的弧段实际被删除，拓扑关系需要调整和变化.,数据检查与清理,数据检查指拓扑关系的检查，结点是否匹配，是否存在悬挂
9、弧段，多边形是否封闭，是否有假结点。要求系统能将有错误或不正确的拓扑关系的点、线和面用不同的颜色和符号表示出来，以便于人工检查和修改。数据清理则是用自动的方法清除空间数据的错误。例如给定一个结点吻合的容差使该容差范围内的结点自动吻合在一起，并建立拓扑关系。给定悬挂弧段容差，将小于该容差的短弧自动删除。在Arc/info中用Data Clean 命令，在Geostar中选择整体结点匹配菜单。,撤消与恢复编辑 Undo,Redo功能是必要的。但功能的实现是困难的。当撤消编辑，即恢复目标，要恢复目标的标识和坐标、拓扑关系。因此，有些GIS不在图形编辑时实时建立和维护拓扑关系，如Arc/Info等，而
10、在图形编辑之后，发Clean 或Build命令重新建立拓扑关系。这样，在每次进行任何一次编辑，都要重新Clean 或Build，对用户不便。,补充材料：图形编辑与拓扑生成关键算法,可设一捕捉半径D(通常为35个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定)。,点的捕捉,设光标点为S(x,y)，某一点状要素的坐标为A(X，Y),若S和A的距离d小于D则认为捕捉成功，即认为找到的点是A，否则失败，继续搜索其它点。,乘方运算影响了搜索的速度，可把距离d的计算改为：,捕捉范围由圆改为矩形，这可大大加快搜索速度。,线的捕捉,设光标点坐标为S(x,y)，D为捕捉半径，线的坐标为(x1,y1),(x2,y2)
11、,(xn,yn)。通过计算S到该线的每个直线段的距离d。.若min(d1,d2,dn-1)D，则认为光标S捕捉到了该条线，否则为未捕捉到。加快线捕捉的速度的方法：在实际的捕捉中，可每计算一个距离di就进行一次比较，若diD，则捕捉成功，不再进行下面直线段到点S的距离计算。把不可能被光标捕捉到的线，用简单算法去除。对于线段也采用类似的方法处理。简化距离公式：点S(x,y)到直线段(x1,y1),(x2,y2)的距离d为：,面的捕捉,实际上就是判断光标点S(x,y)是否在多边形内，若在多边形内则说明捕捉到。判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法或转角法。垂线法的基本思想是从光标点引垂线(实际上可以
12、是任意方向的射线)，计算与多边形的交点个数。若交点个数为奇数则说明该点在多边形内；若交点个数为偶数，则该点在多边形外。加快速度的方法：找出该多边形的外接矩形，若光标点落在该矩形中，才有可能捕捉到该面，否则放弃对该多边形的进一步计算和判断。对不可能有交点的线段应通过简单的坐标比较迅速去除。运用计算交点的技巧。,点线拓扑关系的自动建立,a1,a2,N1,N2,N3,N4,a3,a1,a2,N1,N2,N3,N3,a1,a2,N1,N2,N4,a3,a4,结点-弧段表,弧段-结点表,在图形采集和编辑中实时建立,拓扑关系的自动生成,在图形采集和编辑之后自动建立，其基本方法与实时建立类似。,多边形拓扑关
13、系自动建立,链的组织找出在链的中间相交的情况，自动切成新链；把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号。结点匹配 把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取多个端点的平均值。对结点顺序编号。,检查多边形是否闭合通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行；多边形不闭合的原因：由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端点未匹配；由于数字化误差较大，或数字化错误，这些可以通过图形编辑或重新确定匹配限差来确定；还可能这条链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑，这种情况下可以作一标记，使之不参加下一阶段拓扑建立多边形的工作。,建立多边形,相关概念顺时针方向构多边形：指多边形是在链的右侧。最右边的链：指从链的
14、一个端点出发，在这条链的方向上最右边的第一条链，实质上它也是左边最近链，例如a的最右边的链为d 多边形面积的计算,当多边形由顺时针方向构成时，面积为正；反之，面积为负。,建立多边形的基本过程,顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链；取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作为下一条链；是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转第四步；否则，转第二步；取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转第二步；若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转第一步。,从P1开始，起始链定为P1P2,从P2点算起，P1P2最右边的链为P2P
15、5；从P5算起，P2P5最右边 的链为P5P1,.形成的多边形为P1P2P5P1。从P1开始，以P1P5为起始链，形成的多边形为P1P5P4P1。从P1开始，以P1P4为起始链,形成的多边形为P1P4P3P2P1。这时P1为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点P2，继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。共可追踪出五个多边形，即A1、A2、A3、A4、A5,岛的判断,找出多边形互相包含的情况：计算所有多边形的面积；分别对面积为正的多边形和面积为负的多边形排序：从面积为正的多边形中，顺序取每个多边形，取完为止。若负面积多边形个数为0，则结束；找出该多边形所包含的所有面积为负的多边形，并
16、把这些面积为负的多边形加入到包含它们的多边形中，转第三步。其中：正面积多边形包含的负面积多边形是关键。找出所有比该正面积多边形面积小的负面积多边形；用外接矩形法去掉不可能包含的多边形。即负面积多边形的外接矩形不和该正面积多边形的外接矩形相交或被包含时，则不可能为该正面积多边形包含；取负面积多边形上的一点，看是否在正面积多边形内，若在内，则被包含；若在外，则不被包含。,单多边形被追踪两次,p1,p2,p3,p1,p2,p3,-p1,-p2,-p3,确定多边形的属性生成多边形内点；多边形以内点标识：内点与多边形匹配后,多边形属性赋于内点。,空间数据与属性数据的连接,手工连接方式；自动连接方式（计算
17、机自动完成）：,A,B,D,C,1,8,2,9,4,7,5,3,6,空间数据与属性数据的联接,常见的GIS图形编辑,GIS空间数据编辑方法汇总,图幅数据几何纠正,图纸本身存在着变形，图纸在数字化时的位置是任意的，则数字化坐标与地理坐标间存在着变形、比例尺、旋转和平移关系：,X,4.3 空间数据的处理,地图投影变换,空间数据的简化处理,数据简化是从数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼近原集合，同时取得尽可能大的压缩比。栅格数据压缩技术有游程编码、四叉树法等。矢量数据简化实际上是对原矢量坐标串中的多个矢量点根据曲线形态，减少数据点。矢量数据简化对象主要
18、有：线实体简化；双线中心线生成；多边形消融；多边形轮廓聚合,间隔取点法比较相邻两特征点的距离与阈值的大小，确定是否保留或舍弃？,线实体对象的简化,垂距和偏角法利用曲线上顺序的3点Pn-1，Pn，Pn+1，将Pn-1与Pn+1相连，计算Pn到Pn+1的垂直距离（垂距法）或Pn-1Pn 与PnPn+1直线的夹角（偏角），并规定限差，决定点的取舍。,Douglus-Peucker法该法首先将一条曲线首位相连得到一条直线，直线方程为Ax+By+C=0，曲线上各点到该直线的距离为：di=|Axi+Byi+C|/(A2+B2)1/2取距离最大者与规定的限差比较，若大于限值,保留该点，且将原曲线分成2部分，
19、否则所有点都不保留。逐段按上述方法进行。,双线中心线生成,根据道路边线抽取道路中心：,多边形消融,消除具有相同属性相邻多边形的公共边界,多边形轮廓化简与聚合,图幅拼接,图幅接边形成无缝数据库,几何裂缝：指由数据文件边界分开的一个地物的两部分不能精确地衔接。-几何接边逻辑裂缝：同一地物地物编码不同或具有不同的属性信息，如公路的宽度，等高线高程等。-逻辑接边,几何接边,识别或提取相邻图幅-要求图幅编号合理,直接移动，突变,回缩2-3个点，减少突变,逻辑接边,检查同一地物在相邻图幅的地物编码和属性值是否一致，不一致，进行人工编辑。将同一地物在相邻图幅的空间数据在逻辑上连在一起。,A3,A,A1,A2
20、,图3,图2,图1,总目标文件,a、索引文件，建立双向指针。,b、关键字，空间操作的方法。,逻辑接边,图3,图2,图1,相同属性多边形公共边界的删除,开窗处理,裁剪前,裁剪后窗口放大,方式：正窗：提取窗口内的数据；开负窗：提取窗口外的数据子集；矩形窗和多边形窗。算法：包括点、线、面的窗口裁剪-计算机图形学。而不规则多边形开窗-相当于多边形叠置处理。,正窗,负窗,区域分割,区域分割是把预先定义的区域多边形作为窗口对空间数据层进行开窗裁剪处理：,数据更新,空间数据随时间变化而变化；为了保证空间数据的时效性，对旧数据（图形和属性）进行修改就是数据更新。根据数据的变化程度，采用不同的更新方法：直接使用
21、图形和属性编辑方法（小范围）；大面积更新：对变化区域作负开窗处理；重新数字化变化区域；图形叠置处理。拓扑关系重新生成。,多源数据相互转换,矢量栅格数据的相互转换矢量栅格转换,X,Y,J,I,确定栅格单元大小：X，Y,X,Y,J,I,XmaxYmin,XmaxYmax,XminYmin,XminYmax,Y,X,点的变换：由（X，Y）到（I，J）,Y,J,I,XmaxYmin,XmaxYmax,XminYmin,XminYmax,Y,X,X,线的变换直线确定两端点的行、列号（I1，J1）和（I2，J2）；由（I1，I2）确定中间网格的行号，计算每一行网格中心线的Y坐标；,X,Y,J,I,Xmax
22、Ymin,XmaxYmax,XminYmin,XminYmax,X,由网格中心线的Y坐标确定与直线交点的X坐标；由X坐标确定中间网格点的列号；用直线的属性值填充相应的网格。,Y,J,I,XminYmin,XminYmax,X,面的充填 将面域边界栅格化并对边界网格赋属性值；填充面域内部网格的属性值；,X,Y,J,I,填充方法 射线法：平行线扫描法，铅垂线跌落法,X,Y,J,I,X,Y,J,I,填充方法边界点跟踪法：顺时针跟踪边界栅格，保证多边形位于前进方向的右方；对跟踪格网进行编码：向上L，向下R，不变N；行扫描，对L,R数据对之间的格网充填。,X,Y,J,I,填充方法 种子点扩散法多边形内部
23、点作为种子，由种子栅格向递归外扩张至边界栅格。,栅格矢量转换,分类栅格数据,扫描栅格数据,边界搜索、边界提取、,二值化,编辑,细化,二值化,自动跟踪矢量化,矢量栅格转换技术流程,边界提取（对分类栅格数据）采用2*2栅格窗口顺序扫描栅格数据，并对各栅格进行边界标记：属性值相同，无边界；有两种属性值，边界点；有三个及以上不同的值，视为结点。,边界搜索,二值化 阈值的确定,当属性值 t 时，取1；当属性值 t 时，取0,细化（对扫描图象）将占有多个栅格宽的图形要素缩减为只有单栅格宽的图形要素。剥皮法剥掉外层栅格，只保留彼此连通的由单个栅格组成的图形。用3*3窗口进行检测,剥皮法抽取骨架线,矢量化 标
24、记结点；跟踪栅格各线段，找出其经过的栅格，以链码表示；将栅格坐标（I，J）变为直角坐标（X，Y）；删除位于同一线段上的多余点（曲线简化）；,1：（1，5），5，4，5，6，E;2：（4，2），5，E；3:（4，2），7，7，E；4:（6，4），6，6，E；5:（3，8），5，5，4，5，E；,已运行的各种GIS系统，存在着许多空间数据，是空间数据的重要来源；不同软件平台对矢量数据的数据结构及数据格式不同，如ARCGIS的Geodatabase；Mapinfo的MIF，Microstation的DGN格式；不同的数据格式导致某一系统不能直接操作另一系统的数据；可行的途径是空间数据的相互转换或互操
25、作；数据格式的相互转换是目前可行的方法，转换中需要考虑三个方面的问题：空间定位信息（实体的坐标）；空间拓扑关系；实体的属性数据空间数据格式转换的途径有：直接转换外部文件交换方式标准空间数据交换方式FME转换工具空间数据互操作（OpenGis）,空间数据格式的相互转换与互操作,直接转换方式,系统A内部数据格式,系统B内部数据格式,系统A数据转换功能,系统B数据转换功能,外部文件交换方式,系统A内部数据格式,系统B外部交换格式,系统A外部交换格式,系统B内部数据格式,二次交换,三次交换,外部文件格式：E00，MID，DXF，ASCII Loader等,标准空间数据交换方式,美国 STDI中国 CN
26、SDTF，包括:矢量数据交换格式 栅格数据交换格式 数字高程模型交换格式标准,空间数据互操作方式（OpenGIS）,FME空间数据转换工具,语义转换（Semantic Translation）是由 OpenGIS 协会创造的一个术语，允许用户在转换过程中重新构造数据，以解决第一代数据转换软件存在的问题。语义转换使以下目标成为可能：用户可以根据其特殊的需求，提取相同数据源的不同层面和内容，而不是以单一格式输入数据。,FME提供丰富的数据模型（粗管道）、大量的输入输出格式和他们之间的双向转换；,FME平台允许：定义A和B之间的影射；要素处理语言；可重新定义几何类型，如几何关系1几何关系2，面向对象
27、1面向对象2；提供函数来实现查找、统计和计算；提供过程把原始数据转换为所需的类型；使用引擎（带有语言）重新定义数据；,Data Format A,Data Format A,FME数据模型,FME由三个主要模块组成语义数据转换引擎：核心，负责实际的数据转换；语义影射文件注册表，提供了由于管理众多不同语义影射文件的机制，注册表提供简单的规律操作，以便在转换过程中选择所需的影射文件；自动语义影射生成器：可使FME以完全自动的方式执行转换；,FME的特点,实现超过100 种GIS及CAD空间数据格式如DWG、DXF、DGN、ArcInfo Corvage、Shape File、ArcSDE、Orac
28、le、SDO等的相互转换；直接浏览各种格式的空间数据（同时浏览图形属性和坐标数据）；提供为数据转换进行自定义的图形化界面，能够可视化定义从原始数据到目标数据的图形与属性的对应关系；将数据转换与丰富的GIS数据处理功能结合在一起，如坐标系统转换、叠加分析、相交运算、构造闭合多边形、属性合并等；提供了FME Plug-in Builder API、FME Object API，用户可以为FME扩展新的数据格式，通过这些接口将FME嵌入到自己的应用系统中，实现方便的应用集成；支持海量数据处理大型的数据转换，通过编写脚本及批处理模式高效运行，支持多达数千个甚至上万个文件的输入数据。,FME Suite
29、 的组成,FME Universal Translator 界面,FME Universal Workbench,通过直观的图形界面来定义从源数据到目标数据之间的转换工作流程；可操作空间图形和属性数据；直观的界面操作使用户自定义转换变得轻松简单；所有的FME函数能够以图形方式使用；集成了 FME Universal Viewer；,FME Universal Workbench 界面,FME Universal Viewer,在数据转换前、后，甚至在转换过程中，浏览多种不同格式的数据；检查要素,定义属性和值,通过改变颜色、符号和标注来增强显示效果。,4.4 空间数据质量分析与控制,空间数据质量
30、的概念空间数据质量是指数据对特定用途的分析和操作的适用程度；空间数据质量与空间分辨率或制图比例尺有关；相关概念：准确性(Accuracy)：即一个记录值(测量或观察值)与它的真实值之间的接近程度；数据的精密度（Precision）：对现象描述的详细程度；分辨率（Resolution）：两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；比例尺(Scale)。地图上两个点间图面距离和它所表现的真实世界的距离之间的一个比值；误差（Error）：表示数据与其真值之间的差异；不确定性（Uncertainty）：关于空间事物、现象的特征和过程不能被准确地确定的程度；,空间数据质量的指标体系,空间数据质量的指标 数据情
31、况说明(source/lineage)位置精度(metric accuracy)属性精度(attribute accuracy）时间精度(temporal accuracy）逻辑一致性(logical consistency)数据完整性(completeness)数据相容性(compatibility)数据可得性(accessibility)表达形式的合理性（reasonability),空间数据质量问题的原因 空间现象自身存在的复杂性、不稳定性和模糊性；空间数据的获取和表达所产生的质量问题；空间数据处理过程中产生的空间数据质量问题；空间数据应用中产生的空间数据质量问题。,空间数据质量问题的来
32、源,常见的空间数据源的误差分析 地面测量数据的误差 遥感数据误差 数据获取误差 数据预处理误差 数据转换误差 人工判读误差地图数字化数据的误差 制图误差（控制点展绘、编绘、绘图、地图综合、地图复制、分色版套合、绘图材料变形、比例尺归化、特征定义、特征夸大等 数字化误差（要素本身、作业员、数字化设备）,空间数据位置不确定性评价模型 点实体位置不确定性评价模型,x,点位不确定性模型,点位误差分布,y,x,x,y,X方向误差分布,y方向误差分布,误差分布等概率椭圆,空间数据位置不确定性评价模型 线实体位置不确定性评价模型,线状实体位置不确定性的带模型,直线上任一点坐标,直线上任一点坐标误差,空间数据位置不确定性评价模型 面实体位置不确定性评价模型,空间数据处理中误差的传播算术关系下的误差传播逻辑关系下的误差传播布尔逻辑运算下的误差传播 不精确推理关系下的误差传播,空间数据质量的控制空间数据质量控制方法 传统的手工方法 元数据方法 地理相关法数据质量控制应体现在数据生产和处理的各个环节数据源的选择；数字化过程的数据质量控制：数据预处理；数字化设备的选用；数字化对点精度(准确性)；数字化限差；数据的精度检查,
