第二章1-2节 城市地理信息系统的技术与方法

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1、城市地理信息系统 Urban Geographic Information System,四川农业大学资源环境学院 李 豪,GIS通向数字地球的桥梁,第二章 UGIS的技术和方法,2.1 UGIS数据的获取 2.2 UGIS数据处理 2.3 城市空间数据库技术 2.4 WebUGIS原理与方法,2.1 UGIS数据的获取,2.1.1 UGIS的数据组成及其特点 2.1.2 UGIS空间数据获取,四川农业大学创办于1906年，位于雅安市雨城区新康路46号，占地总面积约4500亩，学校现有各类全日制在校生28000余人。,时间（时间数据）,地点（空间数据）,属性（属性数据）,属性（属性数据）,元数

2、据（MetaData）,元数据（MetaData）,“Meta”是一个希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”，即对数据的描述,元数据的内容 1）对数据集的描述，对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者等的说明 2）对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率等 3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等 4）对数据转换方法的描述 5）对数据库的更新、集成等的说明,元数据的主要作用,帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量及数据销售等方

3、面的信息，便于用户查询、检索地理空间数据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断,元数据的获取,数据元数据的获取是个较复杂的过程，可以概括为三个阶段和五种方法,三个阶段 数据收集前：根据要建设的数据库的内容而设计的元数据； 数据收集中：随数据的形成同步产生 数据收集后：在上述数据收集到以后，根据需要产生的，包括：数据处理过程描述、数据的利用情况、数据质量评估、浏览文件的形成、拓扑关系、影像数据的指示体及指标、数据集大小、数据存放路径等,获取的方法 键盘输入、关联表、测量法、计算法和推理法,2.1

4、.1 UGIS的数据组成及其特点,非空间数据,空间数据,空间数据（Spatial Data）又称几何数据，是用来表示物体位置、形态、大小、分布等各方面的信息，是对现实世界中的具有定位意义的事物和现象的定量描述,2.1.1.1 空间数据结构,空间数据,矢量数据(图形),栅格数据(图像),矢量格式,1 矢量（图形）数据结构,矢量数据结构,简单数据结构（点、线、面、体） 拓扑数据结构：点相对独立，点连成线，线构成面 曲面数据结构（TIN数据结构）,点实体（ Point）,美国佛罗里达州地震监测站2002年9月该州可能的500个地震位置,由一对坐标（x，y）表示，抽象的点，有位置没有形状也没有大小，如

5、：井位、钻孔、高程点等,简单数据结构,线实体（Line）,有长度，但无宽度和高度，用一串有次序的坐标表示，如：河流、街道、等高线等 度量实体距离,香港城市道路网分布,简单数据结构,面实体（Area）,具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭不规则多边形，如地块、高程面等 一般分为连续面和不连续面,中国土地利用分布图（连续面）,简单数据结构,不连续面,面是由线围起来的封闭的不规则多边形 注意：实际使用时也要受存储量的限制 如小比例尺地图数据库中的河流不能表示出实际的宽度变化；大比例尺地图数据库中的房屋边界，也往往略去一些小的转折,面目标的表达,体实体（Volume）,有长、宽、高的目标 通

6、常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标,空间实体实际上是点、线、面、体多种要素的复杂组合，即空间实体常常被认为由一些基本的空间单元组合生成；这种组合既表示了不同类型的空间关系，也同时组合成不同的实体类型,实体类型组合,实体类型组合图例,（2）拓扑数据结构,在地理信息系统中用拓扑关系来描述并确定空间的点、线、面之间关系及属性，并可实现查询和检索 拓扑（Topology）来源于希腊文 关心的是空间的点、线、面之间的联接关系，而不管实际图形的几何形状。几何形状相差很大的图形，它们的拓扑结构却可能相同,四色定理,加州,俄勒冈,内华达,亚利桑那,犹他,拓扑结构的空间元素,拓扑学是几何学的

7、一个分支，其基本元素： 结点（Node）：3条或3条以上弧段（坐标链）的交点 弧段（Arc）：相邻两结点之间的坐标链。 多边形（Polygon）（图斑或面）：有限弧段组成的封闭区,起点,终点,中间点,弧段1,弧段3,弧段2,弧段4,点:,面:,弧:,地理数据的拓扑关系,拓扑邻接： 元素之间的拓扑关系 拓扑关联： 元素之间的拓扑关系 拓扑包含： 元素之间的拓扑关系,不 同 类,同 类,同类不同级,邻接：同类元素之间的拓扑关系 ，N1/N4 ，P1/P3 关联：不同类元素之间的拓扑关系 ，N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5 包含 ：同类但不同级的元 素之间的拓扑关系，P2包含P4,空间

8、拓扑结构,拓扑关系：空间对象的位置及与相邻对象的空间关系,（3）曲面数据结构（不规则三角网TIN）,2 栅格（图像）数据结构,用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划分为网格阵列，其中每个栅格也称“像元”或“像素”。根据所表示的信息，各个像元可用不同的“灰度值”来表示，但每个像元被认为是内部一致的基本单元。,栅格数据文件类型：TIF、JPG、IMG,栅格数据单元可以是三角形、四边形、六边形。 不同几何特征：相同方向性正方形和六边形； 可再分性正方形和三角形 对称性六边形,栅格数据结构：坐标系与描述参数,Y：列,X：行,西南角格网坐标 （XWS，YWS）,格网分辨率,位置由行，列号定义，属性

9、为栅格单元的值,点：由单个栅格表达 线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达 面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达 栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值 在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则排列的地块，每个地块与一个象元相对应 栅格数据的比例尺就是栅格(像元)的大小与地表相应单元的大小之比，当像元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。每个象元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方面的偏差,栅格数据表示的空间是不连续的，且与实物存在一定的偏差。,上图说明： 本为一直线（图A），却表示为图B中的折线,栅格（图像）数据,A B,3,4,

10、二值图像,如果一个图像的灰度值只有两种，通常用“1”表示前景元素，用“0”表示背景元素，则这个图像也称“二值图像”,典型的栅格数据结构有：遥感影像、数字高程模型DEM和数字正射影像DOM,Jeju Island，2000. 4. 6,矢量+栅格,栅格数据,优点： 数据结构简单 空间数据的叠置和组合方便 各类空间分析很易于进行 数学模拟方便 缺点： 图形数据量大 用大像元减少数据量时，精度和信息量受损 地图输出不美观 难以建立网络连接关系 投影变换比较费时,在GIS建立过程中，应根据应用目的要求、实际应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配制情况，在矢量和栅格数据结构中选择合适的

11、数据结构。 矢量数据结构是人们最熟悉的图形表达形式，对于线划地图来说，用矢量数据来记录往往比用栅格数据节省存贮空间。相互连接的线网络或多边形网络则只有矢量数据结构模式才能做到，因此矢量结构更有利于网络分析（交通网，供、排水网，煤气管道，电缆等）和制图应用。矢量数据表示的数据精度高，并易于附加对制图物体的属性的描述。矢量数据只能在矢量式数据绘图机上输出。,矢量数据结构与栅格数据结构的选择,栅格数据结构是一种影像数据结构，适用于遥感图像的处理。它与制图物体的空间分布特征有着简单、直观而严格的对应关系，对于制图物体空间位置的可探性强，并为应用机器视觉提供了可能性，对于探测物体之间的位置关系,栅格数据

12、最为便捷。 一般来说，大范围小比例的自然资源、环境、农业、林业、地质等区域问题的研究，城市总体规划阶段的战略性布局研究等,使用栅格模型比较合适。城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用，矢量模型比较合适。,矢量数据结构与栅格数据结构的选择,2.1.1.2 非空间数据,解译、调查,城市专题属性数据,质量描述数据,时间因素等属性语义信息,实体属性数据,统计数据,城市结构化数据,数字、文本、声音、影像、图表等形式,结构化数据是对属性信息的语义描述，反映空间实体的本质特征，是空间实体相互区别的重要标识,城市结构化数据,被记录信息的类型,格式等属性是固定的,如:空间实体的名称、类型、数量，

13、社会经济统计调查数据，影像成像设备、像幅、分辨率、灰度级等,由于城市结构化数据中专题属性数据占有很大的比重,所以直接称其为属性数据,2.1.2 UGIS的数据获取,2.1.2.1 二维数据的获取 2.1.2.2 三维城市模型数据获取,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,UGIS数据采集,空间数据输入,属性数据的输入,UGIS数据的输入是指将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式的过程。,2.1.2.1 二维数据的获取,数据来源与采集方法 数字化技术与方法,数据采集,空间数据,野外实地测量 地图数字化 遥感数据获取

14、 以GPS为数据源,遥感数据获取 现场调查 社会调查 已有的各类统计资料,属性数据,野 外 测 量,全球定位系统（GPS）,63,全球定位系统（GPS）,GPS技术是依靠导航卫星来决定地球上某一位置坐标的技术。GPS所采集的数据X，Y，Z坐标点，这些点的信息可以以文本的形式存储，然后根据数据库和GIS软件的要求，使用一些很简单的程序便能够将其转换成有拓扑关系的图形。,实时动态（差分）测量,遥 感,利用遥感仪器不直接接触被研究的目标，感测目标特征（一般是指反射或发射电磁波）的信息。将遥测得到的光学图象或数字图像经过几何纠正、信息增强、信息提取及信息复合和分类等影像处理便能得到所需要的信息。 用遥

15、感技术获取信息有范围大、速度快、信息广的特点，长期在地球轨道上运行的遥感卫星可时时刻刻地向地面传送探测到的信息。,ASTER、LANDSAT（TM、ETM）、MODIS、SPOT5、QuickBird、CBERS,地图与经济数据,野外测量：全站仪、GPS、移动测绘系统 特 点：精度高、效率较低 适合范围：小范围UGIS数据采集或局部数据更新,空间数据采集设备,数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备 特 点：范围大，速度快 使 用 范 围：大面积UGIS数据采集、资源普查等,数字化仪,数字摄影测量工作站,扫描仪,空间数据采集流程,计划 调查,编辑 处理,评价,准备 收集,数字化,数字化的步骤

16、,确定数字化技术路线,数字化地图,（2） 数字化技术与方法,1. 确定数字化技术路线,数字化方式 数字化精度要求 选取数字化底图 选取数字化要素 要素分层 分幅数字化,UGIS是以图层方式管理地图，点、线、面等地理实体按其性质的不同分别归入不同的图层进行分层管理,要素分层,数据分层的原则,1、特征类型：点、线、面分别处于不同层 2、特征的逻辑分组：相关的地物位于同一层，如河流水系组织在一个层面上，道路组织在一个层面上，尽管其都是以线特征来表示的 3、应使处理更加方便,分层：道路中心线,道路中心线： 高速路、城市道路和对外交通道路的中心线（一般用于相关信息的查询及检索）,居民地： 包括单栋房屋、楼房和街区,分层：