第4章+空间数据采集与处理

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1、现实世界,第四章 地理信息系统数据采集与处理,3,图形编辑,一、空间数据的采集,地理信息系统的数据源是多种多样的，总的来说，地理信息系统的数据可以分为图形图像数据与文字数据两大类。 图形图像数据： 地图 工程图 规划图 照片 航空与遥感影像等 就GIS数据源的状态而论，可分为原始数据（第一手数据）和经过处理加工后的数据（第二手数据）； 而按数据源的记录方式来说，则可分为电子数据和非电子数据两类。GIS工作者面临的大多数数据为第二手数据。,1、GIS数据源,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,GIS的不同数据源及种类,2、属性数据的获取与输入,属性数据的编码,属

2、性数据的输入,属性数据即空间实体的特征数据，主要定义图形图像数据或制图特征所表示的内容，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。 属性数据获取主要在于资料的收集，在建立地理信息系统之前，首先要进行详细的用户调查，确定需要存储那些属性信息、属性数据应当如何编码以及信息的来源等。,属性数据的编码编码原则,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、每一种编码应该是以最小的数据量

3、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。,属性数据的编码编码内容,登记部分：用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序编码； 分类部分：用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征； 控制部分：用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据量较大情况下具有重要意义。,属性数据的编码编码方法,列出全部制图对象清单； 制定对象分类、分级原则和指标将制图对象进行分类分级； 拟定分类代码系统； 设定代码及其格式； 建立代码和编码对象的对照表。,层次分类编码法：是按照分类对象的从

4、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。,属性数据的编码 编码方法,2)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。,3、空间数据采集图形数据的采集,（三）扫描矢量化,（四）解析测图法 （五）已有数据转入,地图数字化,（一）手工数字化,（二）数字化仪数字化,地图数字化,确定数字化路线,地图预处理,等,1、手工矢量数字化,（一）手工数字化,（一）手工数字化,（二）数字化仪数字化,用数字化软件进行数字化,1、流程：,2、用数字化软件进行数字化,（二）数字化仪数字化,扫描转换,拼

5、接子图块,裁剪地图,屏幕跟踪矢量化,矢量图合成、接边,矢量图编辑,纸质地图,空间 数据库,（三）扫描矢量化,1、扫描矢量化处理流程：,2、屏幕跟踪矢量化流程：,选择投影和单位 输入控制点 编辑控制点,（三）扫描矢量化,(四)摄影测量数字化采集,数字摄影测量工作站,一、空间数据的采集,4、数据的检核,采集的原始图形和属性数据，都不可避免地存在着错误和误差。在将这些数据并入空间数据库之前，必须经过检核和编辑，以修正这些数据。,检核的方法有： 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

6、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：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，在投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，该程序还应有标出错误或粗差的能力。,一、空间数据的采集,数据的检核方法,数据处理涉及的内容很广泛，主要取决于原始数据的特点和用户的具体需求，一般包括数据变换、数据重构、数据提取等内容。数据处理

7、是针对数据本身完成的操作，不涉及内容的分析。因此，空间数据处理又称为数据形式的操作。 数据变换：指数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换， 包括几何纠正、投影转换和辐射纠正，以解决几何配准问题； 数据重构：指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换、格式变换、类型替换等； 数据提取：指对数据进行某种有条件的提取，包括类型提取、窗口提取、空间内插等。,二、空间数据的处理,二、空间数据的处理,(a) 平移,(b) 缩放,(c) 旋转,(b) 旋转,1 坐标转换,坐标变换公式推导,设 为输入设备坐标， 为理论坐标, 为地图两坐标轴方向的实际比例尺，两坐标系夹角为 ，坐标系原点平移 ，其坐标变

8、换公式为：,设：,x,y,空间数据的坐标变换,上式中，有六个未知参数，因此，需要知道不在同一直线上的三对控制点（已知坐标数据点），才能求得上述六个参数，为了对坐标变换进行检核，实际工作中常利用四个以上控制点进行几何纠正。,三个或三个以上已知控制点参与坐标变换时，采用最小二乘原理解算 上述变换称为二维的仿射变换！,上式是高次曲线方程，符合上式的变换称为高次变换。式中有12个未知数，所以在进行高次变换时，所以至少需要有6对以上控制点的坐标和理论值，才能求出待定系数。,空间数据的坐标变换,2 数据格式转换,空间数据转换的内容主要包括三个方面的信息：空间定位信息，即实体的坐标；空间拓扑关系；属性信息。

9、 目前不同的空间数据格式的数据转换的途径有三种。,外部数据交换方式,标准空间数据交换格式,空间数据互操作方式,大部分商用GIS软件都定义了外部数据交换格式，一般为ASCII文件，可以直接阅读。如ArcGIS的e00文件、MapInfo的MID/MIF文件等。这样，从系统A的内部数据转换到系统B，可能需要经过23次转换。如图4-6所示，先从A的内部文件转到A的交换文件，如果B系统能够直接读取A系统的交换文件，需要转换两次。否则要从A的外部交换文件到B的外部交换文件，再从B的外部交换到B的内部文件，就需要经过三次转换。,外部数据交换方式,由于GIS软件系统很多，每一个系统都不可能提供直接读写所有商

10、用GIS软件的外部数据文件的程序。因此，为了方便地进行空间数交换，也为了尽量减少空间数据交换所造成的信息损失，使之更加科学化和标准化，许多国家和国际组织制定了空间数据交换标准，如美国的SDTS(Spatial Data Transfer Standard)。我国也制定了相应的空间数据交换格式（CNSDTF）标准。有了空间数据交换的标准格式以后，每个系统都提供读写这一标准格式的空间数据的程序，可以避免大量的编程工作，而且数据转换只需要两次,标准空间数据交换格式,空间数据交换标准可减少不同软件系统编写数据转换的软件编程工作。但是对用户来说，它仍然需要进行两次转换。能否将空间数据的转换变成一次或者不

11、进行转换？这就是OpenGIS的思想，即实现不同GIS软件系统之间空间数据的互操作。OpenGIS提供一套读取空间数据的标准函数，每个系统软件都按照这一标准提供读写自己系统空间的驱动程序，其他软件都可以通过调用这一程序，直接读取对方的内部数据，从系统A到系统B只需要进行一次转换。,空间数据互操作方式,二、空间数据处理,3 投影变换,投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据； 投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等。 正解变换： 反解变换： 数值变换：采用插值法、差分法等实现坐标变换,利用若干同名数字化点（对同一点在两种投影中均已

12、知其坐标的点），采用插值法、有限差分法或多项式逼近的方法，即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式。,例如，采用二元三次多项式进行变换:,通过选择10个以上的两种投影之间的共同点，并组成最小二乘法的条件式，进行解算系数。,投影变换之数值变换法,矢量向栅格转换,点：简单的坐标变换 线：线的栅格化 面：线的栅格化 +面填充 面(多边形)的填充方法 1、内部点扩散法（种子扩散法） 2、扫描法 3、射线法 4、复数积分法 5、边界代数算法,4 空间数据结构的转换,图形编辑是一交互处理过程， GIS具备的图形编辑功能的要求是： 1）具有友好的人机界面，即操作灵活、易于理解、响应迅速等； 2）具有对几何数

13、据和属性编码的修改功能，如点、线、面的增加、删除、修改等； 3）具有分层显示和窗口操作功能，便于用户的使用。,图形编辑又叫数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工，其主要的目的是在改正数据差错的同时，相应地改正数字化资料的图形。,三、图形编辑,三、图形编辑,主要内容： 编辑操作 点操作 线操作 面操作 关键算法 点的算法 线的算法 面的算法（面积算法） 图幅拼接,1）结点吻合(Snap)：或称结点匹配、结点咬合，结点附和 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

14、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起，但有些情况还需要使用前三种方法进行人工编辑。,1、结点的编辑,2）结点与线的吻合：在数字化过程中，常遇到一个结点与一个线状目标的中间相交。由于测量或数字化误差，它不可能完全交于线目标上，需要进行编辑，称为结点与线的吻合。 A、 结点移动，将结点移动到线目标上。 B、 使用线段求交； C、 自动编辑，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。,3）需要考虑两种情况 A、 要求坐标一致，而不建立拓扑关系；如 高架桥（不需打断

15、，直接移动） B、 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）,1、结点的编辑,三、图形编辑,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。,4）清除假结点（伪结点） 由仅有两个线目标相关联的结点成为假结点。,1、结点的编辑,三、图形编辑,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

16、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, 原来的弧段实际被删除，拓扑关系需要调整和变化.,三、图形编辑,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)。,设光标点为S(x,y)，某一点状要素的坐标为A(X，Y),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。,乘方运算影响了搜索的速度，因此，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。,三、图形编辑,点的捕捉,2、点、线、面的捕捉关键算法,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),(xn,yn)。通过