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1、地理信息系统概论,授课教师：贺晓慧联系方式：,主讲内容,7,地图制图与输出,5,空间分析的原理与方法,第三章 空间数据获取与处理,3.1 空间数据的变换3.2 空间数据结构的转换3.3 多元空间数据的融合3.4 空间数据的压缩与重分类3.5 空间数据的内插方法3.6 空间数据的内插方法,3.1 空间数据的变换,空间数据的变换即空间数据坐标系的变换。其实质是建立两个坐标系坐标点之间的一一对应关系，包括几何纠正和投影转换。对于通过数字化地图获得的空间数据，由于数字化仪的设备坐标系与用户确定的地理空间坐标系不一致，以及由于数字化原图图纸常常发生变形等原因，需要对数字化原图的数据进行坐标转换和变形误差
2、的消除。有时，不同来源的地图还存在地图投影与地图比例尺的差异，因此，还需要进行地图投影的转换和地图比例尺的统一。几何纠正是为了实现对数字化数据的坐标系转换盒图纸变形误差的纠正。地图投影的主要任务除了研究曲面如何转化到平面的问题，还需进一步分析如何解决地图投影钟始终存在的变形问题。,当纸质地图经过计算机图形图像系统光电转换，量化为点阵数字图形，经图像处理和曲线矢量化，或者直接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸质地图相对应的计算机数据文件，称为矢量化电子地图。,矢量电子地图：,3.1 空间数据的变换,地理基础主要包括统一
3、的地图投影系统，统一的地理网格坐标系以及统一的地理编码系统，它为各种地理信息的输入和输出以及匹配处理提供了一个统一的定位框架，从而使各种地理信息和数据能够具有共同的地理基础。每一个GIS具有各自不同的特征，但有共同的地理基础。,GIS的地理基础：,3.1 空间数据的变换,1.高斯克吕格投影：等角横切椭圆柱投影，广泛 用于编制大比例尺地形图。2.墨卡托投影：等角圆柱投影，它在海图和小比例尺区域地图上有广泛的应用。3.通用横轴墨卡托投影：等角横割椭圆柱投影，广泛应用于编制大比例尺地形图。选择地图投影时，主要考虑的因素有：制图区域的范围、形状和地理位置，地图的用途、出版方式及其他特殊要求等，其中区域
4、的范围、形态和地理位置是主要的因素。,几种常见的投影：,3.1 空间数据的变换,通过对国内外各种GIS的分析可以发现，各种GIS中投影系统的配置与设计一般具有以下的特点：1.各个国家的GIS所采用的投影系统与该国的基本比例尺地图系列所用的投影系统一致；2.GIS中各种比例尺的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；3.各地区的GIS中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；4.各种GIS一般只采用一种或两种投影系统，以保证地理定位框架的一致。,GIS中地图投影的配置与设计：,3.1 空间数据的变换,1.所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图、基本省区图或国
5、家大地图集）投影系统一致；2.系统一般最多只采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺的数据处理与数据输入；3.所用投影以等角投影为宜；4.所用投影应能与网格坐标系统相一致，即所用的网格系统在投影带中应保持完整。,GIS中地图投影配置的一般原则：,3.1 空间数据的变换,3.2 空间数据结构的转换,矢量数据结构与栅格数据结构是GIS常用的两种数据结构，但两者各具有不同的优缺点，一般对它们的应用原则是：数据采集采用矢量数据结构，有利于保证空间实体的几何精度和拓扑特性的描述；空间分析则主要采用栅格数据结构，有利于加快系统数据的运行速度和分析应用的进程。因此，在
6、数据处理阶段，经常要进行两种数据结构的相互转换。矢量 栅格 栅格 矢量,A、矢量和栅格数据的相互转换的必要性,必要性：矢量数据和栅格数据各有优缺点，在功能完善的GIS软件中，两种格式的数据往往并存，但为了数据处理和分析的方便，需要在这两种格式的数据之间进行相互转换。栅格向矢量转换：将从扫描仪得到的基于图像的栅格数据转换为矢量格式，以减少从数字化仪数字化地图的艰巨劳动。为了压缩数据，将大量的面状栅格数据转换为少量数据表示的多边形边界；将栅格分析的结果，通过绘图仪输出；矢量向栅格转换：当数据采集采用矢量数据,为了进行矢量数据所不具备的地理分析(如空间分析和模拟等)，便于研究地理现象的渐变规律性，需
7、要将矢量数据转换为栅格数据；,3.2 空间数据结构的转换,1.由矢量向栅格的转换矢量向栅格转换处理的根本任务就是把点、线、面的矢量数据，转换成对应的栅格数据。栅格化可以分别针对点、线和面来进行，其中，点的栅格化是线和面的栅格化的基础。要将矢量数据的平面直角坐标系转换成栅格数据以行和列表示的栅格坐标，首先 要建立矢量数据的平面 直角坐标系和栅格行列 坐标系之间的对应关系。,点的栅格化,设矢量坐标点（x，y），转化后的栅格单元行列值为（I，J），则有：其中，方括号表示取整数运算。,线的栅格化,由于GIS中的线实体是由顺次连接一组坐标点形成的折线段来表达的，所以，线的栅格化可以分解成对组成折线的每一
8、个线段的栅格化。对于一条线段的栅格化，先使用点栅格化的方法，栅格化线段的两个端点，然后再栅格化线段中间的部分。而对于线段中间的部分的栅格化，需要分两种情况来处理：,面的栅格化,根据多边形矢量数据的不同结构，栅格化的两种不同的方法，即：基于弧段数据的栅格化方法和基于多边形数据的栅格化，分别采用不同的算法实现。基于弧段数据的栅格化方法：是针对拓扑数据结构的矢量数据进行栅格化的方法。其方法与线段栅格化的方法类似。,面的栅格化,基于多边形数据的栅格化方法：是基针对实体结构的多边形矢量数据栅格化的。原理：以非拓扑的实体多边形作为栅格化的处理单元，将一个多边形的内部栅格单元赋予多边形的属性值。基于多边形数
9、据的栅格化方法包括：内点填充法、边界代数法和包含检验法（检验夹角之和、铅垂线法）。,3.2 空间数据结构的转换,2.由栅格向矢量的转换栅格数据结构向矢量数据结构的转化又称为矢量化。矢量化的目的：一是将扫描仪获取的图像栅格数据存入矢量形式的空间数据库；二是将栅格数据进行数据压缩，将面状栅格数据转换为由矢量数据表示的多边形边界。（1）基于图形数据的矢量化图像数据是不同灰阶的影像，通过扫描仪按一定的分辨率进行扫描采样，得到不同灰度值（0-255）表示的数据。扫描仪的分辨率一般可达到0.0125mm，因此对一般粗细（例如0.1mm）的线条，其横断面扫描后也会有大约8个像元，而矢量的要求只允许横断面保持
10、一个栅格的宽度，因此需要进行二值化、细化（剥皮法、骨架法）和跟踪等矢量化步骤。,3.2 空间数据结构的转换,2.由栅格向矢量的转换（2）栅格数据的矢量化方法栅格数据的矢量化常常针对栅格数据中的多边形进行，其步骤为：首先在栅格数据中搜索多边形边界弧段相交处的结点位置，这些结点通常是相邻栅格单元不相同的属性值个数大于等于3的栅格处。接着从搜索出的节点里任选一个作为起始跟踪节点，顺着栅格单元属性值不同的两个栅格单元之间进行多边形边界弧段的跟踪，记录每一步跟踪的坐标，直到另一个节点为止，则完成一条边界弧段的跟踪矢量化。重复上述过程，做到所有的边界弧段都被生成。最后，将跟踪得到的弧段数据连接组织成多边形
11、，则完成了多边形栅格数据的矢量化。,3.3 多元空间数据的融合,GIS技术经过40多年的发展和应用，已经积累了大量的数据资源。但是，由于地理数据的多语意性、多时空性、多尺度性、获取手段的多样性、存储格式的不同以及数据模型与数据结构的差异等，导致多元数据的产生，给数据的集成和信息共享带来了困难。为了实现空间数据的共享，特别是随着因特网的发展、数字地球的兴起和GIS应用的日益深入，多源数据的融合已成为GIS设计者和用户的共同要求。,3.3 多元空间数据的融合,1.遥感与GIS数据的融合借助遥感技术获得的信息具有周期动态性、信息丰富、获取效率高等优势，而GIS则具有高效的空间数据管理和灵活的空间数据
12、综合分析能力。两者数据融合，有利于增强多重数据的复合能力，改善遥感信息提取的及时性和可靠性，便于利用遥感影像辅助GIS空间数据的获取与更新，有效地提高各类数据的使用率。遥感与GIS 数据的融合，目前最常用的方法具体表现为：（1）遥感影像与数字线画图（DLG）的融合：经过正射纠正后的遥感影像，与数字线画图信息融合，可产生影像地图。这种影像地图具有一定的数学基础，有丰富的光谱信息与几何信息，又有行政界线和属性信息，直接提高了用户的可视化效果。,3.3 多元空间数据的融合,1.遥感与GIS数据的融合（2）遥感影像与数字地形模型的融合：数字地形模型与遥感数据的融合，有助于实施遥感影像的几何校正与配准，
13、消除遥感影像中因地形起伏所造成的像元位移，提高遥感影像的定位精度，同时数字地形可参与遥感影像的分类，改善分类精度。遥感影像与数字栅格图的融合：将数字栅格地图与遥感图像配准叠合，可以从遥感图像中快速发现已发生变化的区域，进而实现空间数据库的自动/半自动更新。,2.不同格式数据的融合由于GIS软件的多样性，每种GIS软件都有自己特定的数据模型，造成数据存储格式和结构的不同。目前不同GIS软件系统使用的空间数据格式主要有：ESRI公司的ArcInfo Coverage、Shapefile、E00格式；Autodesk公司的DXF和DWG格式；MapInfo 公司的TAB和MIF格式；Intergra
14、ph 公司的DGN格式等。解决这些不同格式数据之间的融合，主要有以下几种方法：基于转化器的数据融合、基于数据标准的数据融合、基于公共接口的数据融合、基于直接访问的数据融合。,3.3 多元空间数据的融合,1.空间数据的压缩数据压缩的意义：由于空间数据具有巨大的数据量，不采取数据压缩技术，整个系统在存储空间和处理时间上都将承受巨大的压力。此外，随着处理空间数据的比例尺发生变化，同样也存在数据压缩的需要。空间数据压缩，即从空间坐标数据集合中抽取一个子集，使整个子集在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。压缩比表示信息载体减少的程度。以一条实线为例，设其空间坐标的原序列A：A1，
15、A2，,An，通过压缩处理后，获得子序列A:A1，A2，,Am，则压缩比a=m/n，a小于等于1，a的大小，既与线的复杂程度、缩小倍数、精度要求、数字化取点的密度等因素有关，又与数据压缩技术本身有关。,3.4 空间数据的压缩与重分类,1.空间数据的压缩基于矢量的压缩基于矢量的压缩通常是对线状实体上点的数量的压缩，其中最常用的是道格拉斯-佩克算法，该算法是基于线状实体的点压缩算法，是对数据的简化处理。原理：先拟定一个阀值，然后生成一条连接折线首尾节点的直线段，并计算原始折线上的点到直线段的垂直距离。假如所有折线上的点到直线段的距离都小于预先设定的阀值，这条直线段就被用来代替原来的那条折线；假如有
16、些点的距离大于阀值，距离最远的那一点保留，并将原折线分成两段。对两段折线重复上述过程，最后保留下来的点就是经过数据压缩的折线。道格拉斯-佩克算法可以采用递归的方法实现，但通常运算效率较低，所以一般会用非递归的算法实现。,3.4 空间数据的压缩与重分类,1.空间数据的压缩基于栅格的压缩栅格数据是GIS另一种常用的数据类型，扫描数字化数据、矢量栅格转换后的数据、遥感影像数据以及数字地形模型数据等都是栅格数据的形式。栅格数据的压缩可以采用游程编码和四叉树编码等方法。,3.4 空间数据的压缩与重分类,2.空间数据的重分类存储在空间数据库中的数据，是提供为多种目标服务的。当需要进行特定的数据分析时，常常
17、需要先对从数据库中提取的数据作属性的重新分类和空间图形的化简，以构成数据新的使用形式。经过重新分类，相邻的多边形可能具有相同的某一属性，因此，在空间几何图形上，这些多边形的共同边界需要删除，这些多边形之间界限的删除，可以先将相邻多边形分解为边界弧段，删去其中相同的弧段，然后重新组合弧段形成新的多边形。,3.4 空间数据的压缩与重分类,设已知一组空间数据，它们可以是离散点的形式，也可以是多边形分区数据的形式，现在要从这些数据中找到一个函数关系式，使关系式最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据该函数关系式推求出区域范围内其他任意点或任意多边形分区范围的值。这种通过已知点或多边形分区的数据，推求任意
18、点或多边形分区数据的方法就称为空间数据的内插。根据已知点和已知多边形分区数据的不同，将空间数据内插分为点的内插和多边形分区的内插。它们是GIS数据处理常用的方法之一，广泛应用于生成等值线、建立数字高程模型、不同区域范围现象的相关分析和比较研究。点的内插是用来建立具有连续变化特征现象（例如地面高程等）的数值方法。内插的理论基础在于对空间相关性的认知。区域的内插是根据一组多边形分区的已知数据来推求同一地区另一组多边形分区未知数据的内插方法。,3.5 空间数据的内插方法,拓扑数据结构最重要的特征是具有拓扑编辑功能。拓扑编辑功能包括多边形连接编辑和节点连接编辑。多边形连接编辑指顺序连接组成封闭多边形一
19、组线段的编辑。节点连接编辑指顺序连接环绕某个节点所有多边形的编辑。,3.6 空间拓扑关系的编辑,3.6 空间拓扑关系的编辑,1.多边形连接编辑 若对多边形P1进行编辑，其算法过程为：（1）从表2-8中，找出与当前编辑的多边形P1相关的所有记录，如下表：,3.6 空间拓扑关系的编辑,1.多边形连接编辑 若对多边形P1进行编辑，其算法过程为：（2）在找出的记录中，检查当前编辑的多边形P1所处的位置；如果P1处在左多边形位置，将之与处于右多边形位置的多边形号相交换，同时也将该记录的节点号位置作相应的交换；反之，如果当前编辑的多边形P1处于右多边形位置，则该记录的所有数据项顺序不作改变。,3.6 空间
20、拓扑关系的编辑,1.多边形连接编辑 若对多边形P1进行编辑，其算法过程为：（3）从经过代码位置转换的记录中，任取一个起始节点作为起点，顺序连接各个节点，必要时可对记录的前后顺序作调整，使得连接的节点能自行封闭，即N1-N2-N3-N1。,3.6 空间拓扑关系的编辑,如果依照上述顺序连接的节点不能自行闭合，或者出现记录缺损或记录多余等情况，则表示弧段文件有错，必须改正出错的记录。直到所有多边形都经过编辑和改正，再转入节点连接编辑。,2.节点连接编辑 若对节点N2进行编辑，其算法过程为：（1）从表2-8中，找出与当前编辑的节点N2相关的所有记录，如下表：,3.6空间拓扑关系的编辑,2.节点连接编辑
21、 若对节点N2进行编辑，其算法过程为：（2）在找出的记录中，检查当前编辑的节点N2所处的位置；如果N2处在起始节点的位置，将之与处在终止节点位置的节点号相交换，同时也将该记录的多边形号位置作相应的交换；反之，如果当前编辑的节点N2处于终止节点位置，则该记录的所有数据项顺序不作改变。,3.6 空间拓扑关系的编辑,2.节点连接编辑 若对节点N2进行编辑，其算法过程为：（3）从经过代码位置转换的记录中，任取一个左多边形作为起点，顺序连接各个多边形，必要时可对记录的前后顺序作调整，使得连接的多边形能首尾呼应，即P2-P1-P4-P2。,3.6 空间拓扑关系的编辑,如果依照上述顺序连接的多边形不恩能够首尾呼应，或者出现记录缺损或记录多余等情况，则表示弧段文件有错，必须改正出错的记录。直到所有节点都经过编辑和改正，才能将弧段文件用于数据库的建立。,谢 谢！,
