地理信息系统第三章

1、第三章第三章 空间数据的采集空间数据的采集 3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 空间数据的地理参照系和控制基础空间数据的地理参照系和控制基础 3.3 3.3 空间数据的分类空间数据的分类 3.4 3.4 空间数据的分层空间数据的分层 3.5 3.5 空间数据采集空间数据采集 3.6 3.6 空间数据的编码空间数据的编码 3.1 概述概述 n地图数据地图数据 n遥感数据遥感数据 n文本资料文本资料 n统计资料统计资料 n实测数据实测数据 n多媒体数据多媒体数据 n已有系统的数据已有系统的数据 地图是最主要数据源，遥感数据、地图是最主要数据源，遥感数据、GPS数据是数据是 GIS数据更新的重

2、要手段数据更新的重要手段 。 GISGIS的数据源的数据源 3.1. 空间数据采集的任务空间数据采集的任务 将现有的将现有的地图地图、外业观测成果外业观测成果、航空像片航空像片、遥感图像遥感图像、 文本资料文本资料等转换成等转换成GIS可以处理与接收的数字形式。可以处理与接收的数字形式。 3.2 空间数据的地理参照系和控制基础空间数据的地理参照系和控制基础 3.2.1 3.2.1 空间数据的地理参照系空间数据的地理参照系 3.2.2 3.2.2 地图投影地图投影 3.2.1 3.2.1 空间数据的地理参照系空间数据的地理参照系 一、地球椭球体基本要素一、地球椭球体基本要素 1、地球的形状、地球

3、的形状 n大地水准面大地水准面 设想将静止的海水面向陆地延伸，形成一个封闭的设想将静止的海水面向陆地延伸，形成一个封闭的 曲面，称为水准面。由于海水有潮汐变化，时高时曲面，称为水准面。由于海水有潮汐变化，时高时 低，所以水准面有无限多个。其中，通过平均海水低，所以水准面有无限多个。其中，通过平均海水 面的水准面，称为大地水准面。面的水准面，称为大地水准面。 n旋转椭球体旋转椭球体 a b c 2 2、高程系、高程系 描述空间点在垂直高度上的特性描述空间点在垂直高度上的特性-高程。高程。 n绝对高程绝对高程 地面点沿铅垂线到大地水准面的距离地面点沿铅垂线到大地水准面的距离 n相对高程相对高程 地

4、面点沿铅垂线到任意水准面的距离地面点沿铅垂线到任意水准面的距离 19561956年黄海高程系、年黄海高程系、19851985年国家高程基准年国家高程基准 二二、坐标系、坐标系 n空间直角坐标系空间直角坐标系 二二、坐标系、坐标系 n地理坐标系地理坐标系: :采用采用经纬度经纬度来表示来表示地面点的位置地面点的位置。地。地 面上任一点面上任一点M的位置可由经度的位置可由经度和纬度和纬度来决定来决定,记记 为为M（, ). n平面坐标系平面坐标系 将椭球面上的点通过投影的方法投影到平面上。将椭球面上的点通过投影的方法投影到平面上。 三、我国目前常用的坐标系三、我国目前常用的坐标系 1 1、1954

5、1954年北京坐标系年北京坐标系 新中国成立初期采用新中国成立初期采用克拉索夫斯基椭球克拉索夫斯基椭球参数，将我国参数，将我国 东北端地区的呼玛、吉拉林、东宁三个点与苏联大东北端地区的呼玛、吉拉林、东宁三个点与苏联大 地网联测后的坐标作为我国天文大地网起算数据，地网联测后的坐标作为我国天文大地网起算数据， 然后通过天文大地网坐标，推算出北京一点的坐标。然后通过天文大地网坐标，推算出北京一点的坐标。 该坐标系存在一些问题：该坐标系存在一些问题： （1 1）参考椭球长半轴偏长，比地球总椭球的长半轴）参考椭球长半轴偏长，比地球总椭球的长半轴 长了长了100m100m多；多； （2 2）椭球面与我国境

6、内的大地水准面不太吻合，东）椭球面与我国境内的大地水准面不太吻合，东 部高程异常值可达部高程异常值可达+68m+68m； （3 3）点位精度不高。）点位精度不高。 2 2、西安、西安8080坐标系坐标系 采用采用IUGG-75IUGG-75地球椭球参数，大地原点选在陕西省永地球椭球参数，大地原点选在陕西省永 乐镇，椭球面与我国境内的大地水准面达到了最乐镇，椭球面与我国境内的大地水准面达到了最 佳密合。佳密合。 3 3、WGS-84WGS-84坐标系坐标系 采用采用WGS-84WGS-84地球椭球参数，地心为坐标原点。地球椭球参数，地心为坐标原点。 . .2 .2 地图投影地图投影 一、地图投影

7、的实质一、地图投影的实质 建立地球椭球面上的点与投影平面上点的一一对应建立地球椭球面上的点与投影平面上点的一一对应 关系。关系。 x=f1(, ) y=f2(, ) 二、地图投影的变形二、地图投影的变形 （1）类型）类型 n长度变形长度变形 地图上的经纬线长度并非都是按照同一比例缩小的。地图上的经纬线长度并非都是按照同一比例缩小的。 n角度变形角度变形 n面积变形面积变形 地图上经纬线网格面积不是按照同一比例缩小的。地图上经纬线网格面积不是按照同一比例缩小的。 三、地图投影的分类三、地图投影的分类 按变形性质，可将地图投影分为三类：按变形性质，可将地图投影分为三类： 等角投影等角投影 等面积投

8、影等面积投影 任意投影任意投影 等角投影等角投影 投影面上某点的任意两方向线夹角与椭球面上相应两投影面上某点的任意两方向线夹角与椭球面上相应两 线段夹角相等，即角度变形为零。线段夹角相等，即角度变形为零。 n等角投影等角投影 n等积投影等积投影 在投影面上任意一块面积与椭球面上相应的面积相等，在投影面上任意一块面积与椭球面上相应的面积相等， 即面积变形等于零。即面积变形等于零。 n等距投影等距投影 定义为沿某一特定方向的距离，投影前后保持不变。定义为沿某一特定方向的距离，投影前后保持不变。 三、地图投影的分类三、地图投影的分类 按照构成方法，分为按照构成方法，分为几何投影几何投影和和非几何投影

9、非几何投影。 （1）几何投影）几何投影 把椭球面上的经纬线网投影到把椭球面上的经纬线网投影到几何面几何面上，然后将几何面上，然后将几何面 展为平面得到。展为平面得到。 根据几何面的形状，分为：根据几何面的形状，分为： n方位投影方位投影 以平面作为投影面，使平面与球面相切或相割。以平面作为投影面，使平面与球面相切或相割。 n圆柱投影圆柱投影 以圆柱面为投影面以圆柱面为投影面 n圆锥投影圆锥投影 圆锥投影方位投影圆柱投影 经纬网 图03-09 正轴几何投影的经纬线形状 我国常用的地图投影的情况为：我国常用的地图投影的情况为： 1)、我国基本比例尺地形图、我国基本比例尺地形图(1：100万、万、1

10、：50万、万、1： 25万、万、1：10万、万、1：5万、万、1：2.5、1：1万、万、1：5000), 除除1：100万外均采用万外均采用高斯高斯克吕格投影克吕格投影为地理基础；为地理基础； 2)、我国、我国1：100万地形图采用了万地形图采用了Lambert投影投影，其，其 分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际 百万分之一地图投影保持一致。百万分之一地图投影保持一致。 四、高斯四、高斯-克吕格投影克吕格投影 几何名称：等角横切椭圆柱投影几何名称：等角横切椭圆柱投影 中央经线中央经线和和赤道赤道为互相垂直的直线，为互相垂直的直线， 其他

11、经线均为凹向并对称于中央经线的曲线，其他经线均为凹向并对称于中央经线的曲线， 其他纬线均为以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线，其他纬线均为以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线， 经纬线成直角相交。经纬线成直角相交。 特点特点 n中央经线上无变形。中央经线上无变形。 n同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大。同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大。 n同一条经线上，纬度越低，变形越大。同一条经线上，纬度越低，变形越大。 由于高斯投影除中央子午线投影长度不变外，其他由于高斯投影除中央子午线投影长度不变外，其他 子午线长度投影后均有变形，且离中央子午线愈子午线长度投影后均有变形，且离中央子午线愈 远，这种

12、变形越大。当变形超过一定限度后，就远，这种变形越大。当变形超过一定限度后，就 会影响测图、施工的精度。会影响测图、施工的精度。 因此，必须控制这种变形在一定的范围内，控制的因此，必须控制这种变形在一定的范围内，控制的 方法是将投影区域限制在靠近中央子午线两侧的方法是将投影区域限制在靠近中央子午线两侧的 狭长地带内，狭长地带内，即确定投影宽度的投影方法即确定投影宽度的投影方法称为分称为分 带投影。带投影。 投影宽度是以两条中央子午线的经度差投影宽度是以两条中央子午线的经度差L来划分来划分 的，其划分的方法有：的，其划分的方法有： n六度带六度带 六度带是从六度带是从0子午线起，自西向东每隔子午线

13、起，自西向东每隔6为一带，为一带， 编号为编号为160 ，中央子午线的经度，中央子午线的经度L6n依次为依次为3、 9、 15、 357 n三度带三度带 自东经自东经1.5开始以经度差开始以经度差3划分的，编号为划分的，编号为1120 ， 各带中央子午线经度各带中央子午线经度L3k依次为依次为3、 6、 9、 360 高斯克吕格投影的分带 在我国领土范围内，在我国领土范围内，六度带是从六度带是从1323带共带共11带带，而，而 三度带是从三度带是从2545带共带共21带带。两种分带的带号与。两种分带的带号与 中央子午线经度的关系为：中央子午线经度的关系为： L6n=6n-3 L3k=3k L6

14、n、L3k分别为分别为6带、带、 3带的中央子午线经带的中央子午线经 度；度； n、k各自代表各自代表6带和带和 3带的带号。带的带号。 高斯分带投影后，每一个投影带就形成了高斯平面直高斯分带投影后，每一个投影带就形成了高斯平面直 角坐标系。投影后的中央子午线与赤道为两条正交角坐标系。投影后的中央子午线与赤道为两条正交 的直线，其交点的直线，其交点o为坐标原点，为坐标原点，中央子午线为纵坐中央子午线为纵坐 标轴标轴x，赤道为横坐标轴，赤道为横坐标轴y，并规定，并规定x轴正方向指向轴正方向指向 北，北，y轴正方向指向东。轴正方向指向东。 我国位于北半球，纵坐标均为正值。为了避免横坐标我国位于北半

15、球，纵坐标均为正值。为了避免横坐标 出现负值，出现负值，规定把纵坐标轴向西平移规定把纵坐标轴向西平移500km。 将地面点在纵坐标轴平移以前的高斯平面直角坐标系将地面点在纵坐标轴平移以前的高斯平面直角坐标系 中的坐标值称为中的坐标值称为该点坐标的自然值；该点坐标的自然值； 将地面点在纵坐标轴平移以后的高斯平面直角坐标系将地面点在纵坐标轴平移以后的高斯平面直角坐标系 中的坐标值称为中的坐标值称为该点的通用值该点的通用值。同时为了区分点位。同时为了区分点位 于哪一带，于哪一带，通用值要求在横坐标值前面冠以带号通用值要求在横坐标值前面冠以带号。 例如例如P点位于点位于6带第带第20带，其平面坐标自然

16、值为带，其平面坐标自然值为 Xp=278 324.836m yp=-327 876.382m 则该点平面坐标的通用值为则该点平面坐标的通用值为 Xp=278 324.836m yp=20 172 123.618m 国家基本地形图上的坐标值及测绘部门提供的坐标成果均为通国家基本地形图上的坐标值及测绘部门提供的坐标成果均为通 用值。用值。 . 空间数据的分类空间数据的分类 1 1、分类目的、分类目的 分类是将分类是将具有共同的属性具有共同的属性或或特征特征的事物或现象的事物或现象归并归并在在 一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过 程。程。 在进行

17、具体分类时，首先根据图形原则，将空间在进行具体分类时，首先根据图形原则，将空间 数据分为数据分为点、线、面点、线、面三种类型；三种类型； 其次是对象原则，例如其次是对象原则，例如河流和道路河流和道路，虽然它们同为线，虽然它们同为线 状要素，但是属于不同的地理对象，应当作为不同的状要素，但是属于不同的地理对象，应当作为不同的 数据存储层。数据存储层。 以我国基础地理信息数据分类为例，分为测量控以我国基础地理信息数据分类为例，分为测量控 制点、水系、居民地、交通、管线与垣栅、境界、制点、水系、居民地、交通、管线与垣栅、境界、 地形与土质和植被八个大类，然后再依次细分为小地形与土质和植被八个大类，然

18、后再依次细分为小 类，一级类、二级类等。类，一级类、二级类等。 3.5 空间数据的分层空间数据的分层 空间数据空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常称可按某种属性特征形成一个数据层，通常称 为图层为图层. . n按专题分层按专题分层 每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。 如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。 3.5 空间数据的分层空间数据的分层 1 1、空间数据分层的目的、空间数据分层的目的 便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。 2 2）对分层的空间

19、数据）对分层的空间数据进行查询进行查询时，不需要对所有时，不需要对所有 空间数据进行查询，空间数据进行查询，只需要对某一层空间数据只需要对某一层空间数据进行查进行查 询即可，因而可询即可，因而可加快查询速度加快查询速度； 1）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的 管理就管理就简化为对各数据层的管理简化为对各数据层的管理，而一个数据层的数，而一个数据层的数 据结构往往比较单一，数据量也相对较小，管理起来据结构往往比较单一，数据量也相对较小，管理起来 就相对简单；就相对简单； 3 3）分层后的空间数据，由于便于）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要

20、显示任意选择需要显示 的图层的图层，因而增加了图形显示的灵活性；，因而增加了图形显示的灵活性； 4 4）对对不同数据层进行叠加不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间，可进行各种目的的空间 分析。分析。 3.6 矢量数据采集矢量数据采集 n地图跟踪数字化地图跟踪数字化 n地图扫描数字化地图扫描数字化 n已有数据转入已有数据转入 ArcGIS屏幕跟踪数字化过程 1. 配准影像 2. 新建图层 3. 在ArcMap中加载已配准的影像和新建的图层（要素 类） 4. 在ArcMap中使用“编辑器”，分层提取要素 1、影像配准 1、栅格数据通常是通过扫描纸质地图或采集航空及 卫星照片获得。 2、通过扫描

21、获取的影像不包含定义其地理空间位置 所需的信息。 3、为了能够将这些影像数据与其它的数据集成，以 便进行分析， 就必须对其进行处理：用户需要事先 将这些数据校准（配准）到一个指定的地图坐标系 名词：名词：Georeference 地理配准：是为了使 得影像数据可以和 GIS矢量数据集成 在一起，而为影像 数据指定一个参考 坐标系的过程。 将扫描地图配准到坐标系下 影像配准的步骤影像配准的步骤 （RegisterRectify） 校准栅格数据 （选择控制点） 坐标变换 （求解二元多项式n次方程） 检查均方差（计算控制点误差） 重采样校正（Rectify）：生成新的影像文件 （三种重采样算法） 校

22、准栅格数据 通常,你会将栅格数据校准到已经存在具有坐标信息 的空间数据 （矢量数据） 。首先假定矢量化数据 中的一些空间要素 (目标数据)也同时存在于要进 行配准的栅格图像上 比如： 街道、建筑物、河流. 地理配准的基本过程是在栅格图像中选取一定数 据的控制点，将它们的坐标指定为矢量数据中对应点 的坐标（在空间数据中，这些点的坐标是已知的，坐 标系统为地图坐标系） 控制点 n 在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标，即控制点。 n 控制点可以是经纬线网格的交点、公里网格的交点或 者一些典型地物的坐标。 n 我们可以从图中均匀的取几个点。如果我们知道这些 点在我们矢量坐标系内坐标， 则直接输入控制

23、点的 坐标值，如果不知道它们的坐标，则可以采用间接方 法获取从矢量数据中选取。 选取控制点选取控制点 控制点的数目取决于你打算使用哪一种数学方法来实 现坐标转换. 但是，过多的控制点并不一定能够保 证高精度的配准 。要尽可能使控制点均匀分布于整 个格格图像，而不是只在图像的某个较小区域 选择 控制点。 通常,先在图像的四个角选择4个控制点，然后在中间 的位置有规律地选择一些控制点能得到较好的效果 n 地形图中，读取控制点的坐标，图中红色控制点的 坐标为（564000,2776000），单位：米 Rectify：校正栅格数据 Rectify 生成一个新的已经地理配准的栅格文件。可 以保存为 ES

24、RI GRID、 TIFF或者 ERDAS IMAGINE 的格式. 要素矢量化要素矢量化 要素编辑的一般步骤要素编辑的一般步骤 l创建新图层（要素类）：点、线、多边形创建新图层（要素类）：点、线、多边形 l编辑环境及工具编辑环境及工具 l点要素编辑点要素编辑 l线要素编辑线要素编辑 l多边形要素编辑多边形要素编辑 要素编辑的一般步骤要素编辑的一般步骤 1 1、在、在ArcCatalogArcCatalog中创建新的要素类中创建新的要素类 2 2、在、在ArcMapArcMap中加载新建的要素类，加载经过配准的中加载新建的要素类，加载经过配准的 扫描地图扫描地图 3 3、在、在ArcMapAr

25、cMap中打开中打开“编辑器编辑器”工具栏，执行其中的工具栏，执行其中的 “开始编辑开始编辑”命令，进入编辑状态。命令，进入编辑状态。 4 4、利用、利用“编辑器编辑器”的功能完成地图要素的分层提取，的功能完成地图要素的分层提取， 打开图层的属性表，输入要素的相关属性打开图层的属性表，输入要素的相关属性 5 5、在编辑过程中，点击、在编辑过程中，点击“编辑器编辑器”中的中的“保存编辑保存编辑” 可以随时保存修改的结果，点可以随时保存修改的结果，点“停止编辑停止编辑”完成完成 编辑。编辑。 创建新图层（要素类）创建新图层（要素类） ArcCatalogArcCatalog中可以创建矢量数据集中可

26、以创建矢量数据集(shape(shape文件和地理文件和地理 数据库数据库geodatabase = “geodatabase = “要素类要素类”) ) 1 1、点：、点：PointPoint 2 2、线：、线：LineLine 3 3、多边形：、多边形：PolygonPolygon 在在ArcMapArcMap中提供了全面的工具，可以完成矢量数据的中提供了全面的工具，可以完成矢量数据的 编辑编辑 1 1、空间数据、空间数据 2 2、属性数据、属性数据 添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在编辑添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在编辑 器中，点击器中，点击“开始编辑开始编辑”，并在目标

27、图层中选中要，并在目标图层中选中要 编辑的图层。编辑的图层。 屏幕跟踪数字化 从从“编辑器编辑器”工具栏中选中草图工具，根据扫描地图工具栏中选中草图工具，根据扫描地图 上的内容分层提取地图要素。上的内容分层提取地图要素。 编辑环境及工具 主要编辑环境主要编辑环境“编辑器编辑器”工具栏工具栏 “编辑器”工具栏 捕捉环境Snapping 通过捕捉环境对话框设定在编辑时捕捉方式通过捕捉环境对话框设定在编辑时捕捉方式 举例举例 以云南普吉图和海燕乡行政区划图为例以云南普吉图和海燕乡行政区划图为例 包括：如何创建包括：如何创建Shapefile,创建表（为创建表（为 Shapefile和表赋属性。）和表

28、赋属性。） 如何创建如何创建Coverage 如何创建如何创建Geodatabase数据库数据库 其它的矢量化工具其它的矢量化工具 R2V for Windows (9X, NT, 2000, ME, XP)R2V for Windows (9X, NT, 2000, ME, XP)是是 一款高级光栅图矢量化软件系统。一款高级光栅图矢量化软件系统。 Geodatabase是按照层次型的数据对象来组织地理数据是按照层次型的数据对象来组织地理数据,这这 些数据对象包括对象类些数据对象包括对象类(Object Classes)、要素类、要素类 （Feature Classes）和要素数据集）和要素数

29、据集(Feature dataset)。 对象类是指存储非空间数据的表格（对象类是指存储非空间数据的表格（Table）。）。 要素类是具有相同几何类型和属性的要素的集合，即同类要素类是具有相同几何类型和属性的要素的集合，即同类 空间要素的集合，如河流、道路、植被、用地、电缆等。空间要素的集合，如河流、道路、植被、用地、电缆等。 要素类之间可以独立存在，也可具有某种关系。当不同的要素类之间可以独立存在，也可具有某种关系。当不同的 要素类之间存在关系时，应考虑将它们组织到一个要素数要素类之间存在关系时，应考虑将它们组织到一个要素数 据集（据集（Feature datasetFeature data

30、set）中。）中。 要素数据集是共享空间参考系统并具有某种关系的多要素数据集是共享空间参考系统并具有某种关系的多 个要素类的集合。个要素类的集合。 创建拓扑创建拓扑 创建本地创建本地Geodatabase创建数据集创建数据集创建要素类或创建要素类或 导入导入shapefile 等等 创建拓扑创建拓扑拓扑检验拓扑检验修改拓扑错误修改拓扑错误 图形编辑图形编辑 (a)实际地物 (b)不及 (c)过头 在数字化后的地图上，错误的具体表现形式有： 1）伪节点（Pseudo Node），伪节点使一条完整的线 变成两段,造成伪节点的原因常常是没有一次录入完 毕一条线。 伪节点 2）悬挂节点（Danglin

31、g Node），如果一个节点只与一 条线相连接，那么该节点称为悬挂节点. 悬挂节点有多边形不封闭、不及和过头，节点不重 合等几种情形。 (a)多边形不封闭 (b)节点不重合 3）“碎屑”多边形或“条带”多边形（Sliver Polygon） 一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条 线的位置不可能完全一致，造成了“碎屑”多边形。 另外，由于用不同比例尺的地图进行数据更新，也 可能产生“碎屑”多边形。 4）不正规的多边形（Weird Polygon） 不正规的多边形是由于输入线时，点的次序倒置或者 位置不准确引起的。在进行拓扑生成时，同样会产 生“碎屑”多边形。 (a)正 常 多 边 形(b)不 正 规 多 边 形 三三、属性数据采集、属性数据采集 属性数据的录入主要采用属性数据的录入主要采用键盘输入键盘输入的方法，