地 理 信 息 系 统

1 地地 理理 信信 息息 系系 统统 第一节 地理信息系统基本概念 一 数据和信息 1 数据 Data 通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号 不仅数字是数据 而且文字 声音和图像也是数 据 2 信息 Information 用数据来表示事件 事物 现象等的内容 数量或特征 以便向人们 或系统 提供关于现 实世界新的事实的知识 作为生产 管理 经营 分析和决策依据 3 信息与数据的关系 1 信息来源于数据 是数据的内容和解释 2 信息与数据是不可分离的 数据是记录下来的某种可以识别的符号 具有多种多样的形式 也可以加以转换 但 其中包含的信息内容不会改变 3 不同知识 经验的人 对于同一数据的理解 可得到不同信息 4 信息的特征 客观性 适用性 可传输性 共享性 二 地理数据与地理信息 1 地理数据 表示地理系统诸要素的数量 质量 分布特征 相互联系和变化规律的图 文 声 像等的总称 2 地理信息 与研究对象的地理分布有关的信息 是地理数据所有蕴含和表达的地理含义 3 地理信息的特征 地理信息除了具有信息的一般特性 还具有以下独特特性 空间特征空间特征 是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志 位置 形状 空间关系 空间分布 数据量大数据量大 地理信息既有空间数据 也有属性数据 时间数据 数据的分析 处理对系统带来很大压力 多维属性特征多维属性特征 属性数据有时又称非空间数据 是属于一定地物 描述其特征的定性或定量指标 指在同一位置上可有多种专题的信息结构 时序特征时序特征 时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化 因此 一实时的 GIS 系统要求能及时采集和更 新地理信息 使得地理信息具有现势性 3 信息系统 1 信息系统 具有采集 处理 管理和分析数据能力的系统 它能为单一的或有组织的决策过程提供各种有用信息 2 分类 从系统结构及处理方法看 信息系统主要分为 管理信息系统 决策支持系统 智能决策支持系统 空间信息系统 1 管理信息系统 是一种基于数据库的回答系统 它主要停留在数据库上支持管理者 如人事管理信息系统 财务管理信息系统 产 品销售信息系统等 2 决策支持系统 是在管理信息系统基础上发展起来的 不仅为管理者提供数据支持 还提供方法和模型的支持 可对问题进行 模拟 从而辅助决策者对问题的解决选择最佳方案 3 智能决策支持系统 是在决策支持系统中进一步引入人工智能技术 如专家决策系统 可提高系统决策的智能化程度 4 空间信息系统 由于空间数据的特殊性 使空间信息系统的组织结构及处理方法有别于一般信息系统 4 地理信息系统 对于地理学家 以下三个间题是最基本的 地理空间中地理现象发生的地点 现象的特征 各现象之间的空间关系 要回答这些问题 地理学家必须处理各种描述地理现象的地理数据 而这些数据的最大特点是具有空间位置 地理现象和事物的空间表达 点 线 面 1 地理信息系统 由计算机软 硬件和不同的方法组成的系统 该系统设计来支持空间数据的采集 管理 处理 分析 建模和显示 以便解决复杂的规划和管理问题 总的分析 1 多元化 2 从以前侧重系统和技术角度考察 GIS 到逐渐关注应用中的人员问题 组织管理问题和社会背景问题 2 3 地理空间是 GIS 的独特标志 张超 地理信息系统应用教程 P252 2 GIS 定义 对 GIS 的理解 GIS 的物理外壳是计算机化的技术系统 GIS 的操作对象是空间数据 空间数据的管理与操作 是 GIS 区别于其它信息系统的根本标志 也是技术难点之一 GIS 的技术优势在于它的空间分析能力 陈述彭认为地理信息系统的最根本的特点是每个数据都按地理坐标来编码 即首先是定位 然后才是各种定性 分 类 定量的属性 处理空间数据是地理信息系统的最大特点 是区别于其它信息系统的标志 同时也是它的技术难点 和关健所在 小结 小结 GIS 是地图学理论 方法与功能的延伸 地图学与 GIS 是一脉相承的 它们都是空间信息处理的科学 只不过地 图学强调图形信息传输 而 GIS 则强调空间数据管理 处理与分析 辅助决策 地理信息系统 在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据 并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理 分析和应用 第二节 GIS 的组成 概论 主要的 GIS 产品供应商 国外 INTERGAPH ESRI AutoDesk Smallworld MapInfo Other 国内 GIS 产品 武测 吉奥之星 Geostar 中国地质大学 MapGIS 超图 SUPERMAP 输入设备 数字化仪 全站仪 遥感 输出设备 绘图仪 空间数据 人员 应用模型 第三节 GIS 的功能 一 核心问题 位置 Locations 条件 Conditions 趋势 Trends 模式 Patterns 模型 Models 二 GIS 的功能 数据流程角度 1 数据获取 2 编辑变换与处理 目的 保证数据在入库时在内容上的完整性 逻 辑上的一致性 方法 数据编辑与处理 错误修正 数据格式转化 矢量 栅个格转化 不同数据格式转化 数据比例转化 平移 旋转 比例 纠正 投影变换 投影方式 数据概化 平滑 特征集结 数据重构 几何形态变换 拼接 截取 压缩 结构 地理编码 拓扑结构 3 数据组织与管理 数据的集成 几何数据与属性数据组织 数据结构 矢量结构 栅格结构 栅格 矢量结构 决定着 GIS 的数据分析能力 效率和精度 数据管理 层次模型 网络模型 关系模型 混合管理模式 4 空间分析 空间查询 位置查询 属性查询 拓扑查询 空间分析 地形分析 网络分析 缓冲区分析 几何量测 地图分析 叠置分析 统计分析 决策分析 5 数据输出 数据交换 统计表格 制图 专题地图 影象地图 统计地图 地形图 地理信息系统目前的发展 网络地理信息系统 移动 ComGIS 三维 GIS 云计算 3 第二章 地理信息系统数据结构 第一节 地理空间及其表达 1 地理空间 地球表层 其基准是陆地表面和大洋表面 它是人类活动频繁发生的区域 是人地关系最为复杂 紧密的 区域 地理信息系统中的地理空间 通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间 它的理论基础在于 旋转椭球体和地图投影变换 二 空间实体的表达 1 空间实体 在空间数据中不可再分的最小单元被称为空间实体 空间实体是对存在于自然界中的地理实体的抽象 空间实体一 般按地形维数进行归类划分 主要包括点 线 面和实体等基本类型 点 零维 线 一维 面 二维 体 三维 时 间 点 一般指那些占面积较小 不能按比例尺表示 又要定位的事物 有位置 无宽度和长度 具体或抽象的点 线 有长度 但无宽度和高度 用来描述线状实体 通常在网络分析中使用较多 面 在二维欧氏平面上是指由一组闭合弧段所包围的空间区域 具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 同质区域的封闭多边形 一般分为连续面和不连续 面 不连续变化曲面 如土地利用等 属性变化发生在边界上 面的内部是同质的 连续变化曲面 如地形起伏 整个曲面在空间上曲率变化连续 体 有长 宽 高的目标 通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 2 空间实体的描述与表达 1 矢量表达法示意 点 线 面 2 栅格表达法 点 具有一定数值的栅格单元 线 表现为按线特征相连接的一组单元 面 表现为按二维形状特征相连接的一组单元 空间实体的数据表达方法 如果采用一个没有大小的点 坐标 来表达基本点要素时 称为矢量表示法 如果采用一个有固定大小的点 面元 来表达基本点要素时 称为栅格表示法 3 空间关系是指地理实体之间存在的与空间特性有关的关系 如度量关系 方向关系 顺序关系 拓扑关系 相似关系 相关关系等 是数据组织 查询 分析和推理的基础 拓扑关系拓扑关系 图形在保持连续状态下变形 但图形关系不变的性质 用拓扑关系来描述并确定空间的点 线 面之间关系及属性 关心的是点 线 面之间的联接关系 而不管实际图形的 几何形状 拓扑学与欧几里得几何学的不同之处在于它不涉及距离 方位或曲直等性质 即不涉及图形的量度性质 结点一指孤立点 线的端点 弧的连接点等 弧一指两个结点间的有序弧段 弧的两个结点可以是不同的结点 也可以是同一个结点 面域一指若干闭合弧段围成的多边形区域 通常用对应的多边形表示 结点 弧段和多边形的拓扑关系结点 弧段和多边形的拓扑关系 拓扑邻接 同类元素之间的拓扑关系 邻接关系是借助于不同类型的拓扑元素描述的 如面通过链而邻接 拓扑关联 不同类元素之间的拓扑关系 拓扑包含 同类不同级元素之间的拓扑关系 拓扑关系的关联表达拓扑关系的关联表达 全显式表达 不仅明确表示空间数据多边形 弧段 点之间拓扑关系 同时还明显表达点 弧段 多边形之间关系 半隐式表示 空间数据拓扑关系的意义空间数据拓扑关系的意义 不需要利用坐标或距离 可以确定空间实体的位置关系 利用拓扑关系便于空间要素的查询 根据拓扑关系可以重建地理实体 例如利用弧段构建多边形等 方向关系方向关系 地理事物在空间中的相互方位和排列顺序 地理空间数据的度量关系地理空间数据的度量关系 度量关系主要是指空间对象之间的距离关系 主要距离 欧氏距离 曼哈顿距离 出租车距离 时间距离 4 第二节 地理空间数据及其特征 一 GIS 中的空间数据分类 1 按来源 地图数据 来源于各种类型的普通地图和专题地图 影像数据 来源于航空航天遥感 数据类型丰富 包括多平台 多时相 多光谱 多分辨率的遥感影象数据 属性数据 来源于各类调查报告 实测数据 文献资料 解译信息 2 按数据结构分类 1 矢量数据 2 栅格数据 3 按数据特征分类 1 空间定位数据 2 非空间属性数据 4 按数据几何特征分类 5 按数据发布形式分类 4D 产品产品 DLG 数字线划图 Digital Line Graphic DEM 数字高程模型 Digital Elevation Model DOM 数字正射影像图 Digital Orthophoto Map DRG 数字栅格地图 Digital Raster Graphic 第三节 空间数据结构的类型 为了能够利用信息系统工具来描述现实世界 并解决其中的问题 必须对现实世界进行建模 对于地理信息系统而 言 其结果就是空间数据模型 概念模型 场模型 对象模型 网络模型 逻辑数据模型 矢量模型 栅格模型 数字高程模型 矢量和栅格的混合数据模型 物理数据模型 对象模型 也称作要素模型 将研究的整个地理空间看成一个空域 地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域 中 场模型 也称作域 field 模型 是把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待 数据结构 数据组织的形式 适合于计算机存贮 管理 处理的数据逻辑结构 空间数据结构是空间数据在计算机中的 具体组织方式 主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储 一 栅格数据结构 栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织方式 组织中的每个数据表示地理要素的非几何属 性特征 一 特点与获取方法 特点 属性明显 定位隐含 获取方法 来自于遥感数据 来自于对图片的扫描 由矢量数据转换而来 由手工方法获取 均匀划格 确定属性 二 栅格系统的确定 1 单元 cell 尺寸和形状 栅格单元的尺寸确定的原则是应能有效地逼近空间对象的分布特征 又减少数据的冗余度 2 栅格坐标系的确定 3 栅格代码 属性值 的确定 三 栅格数据的偏差 几何偏差 属性偏差 四 栅格数据中混合像元的处理 方案一 面积占优法 长度占优法 中心点法 重要性法 方案二 缩小栅格单元的面积 五 栅格数据分层组织 影像金字塔结构 指在同一的空间参照下 根据用户需要以不同分辨率进行存储与显示 形成分辨率由粗到细 数 据量由小到大的金字塔结构 5 六 栅格数据结构 1 直接栅格编码 直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵 逐行 或逐列 逐个记录代码 可以每行从左到右逐像元记录 也可 奇数行从左到右而偶数行由右向左记录 为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序 栅格数据为什么要编码 1 便于读取 2 数据压缩 栅格数据量大 格网数多 由于地理数据往往有较强相关性 即相邻像元的值往往是相同的 所以出现了各种栅格数据 压缩方法 数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术 分为 无损压缩 在编码过程中信息没有丢失 经过解码可恢复原有的信息 信息保持编码 有损压缩 最大限度压缩数据 在编码中损失一些认为不太重要的信息 解码后 这部分信息无法恢复 信息不保持 编码 2 链码 链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界 把线状地物和面状地物的边界表示为 由某一起始点开始并按某 些基本方向确定的单位矢量链 单位矢量的长度默认为一个栅格单元 链式编码前两个数字表示起点的行 列数 从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量方向 八个方向以 0 7 的 整数代表 3 游程长度编码 游程是指栅格矩阵一行内相邻同值的栅格数量 只在各行 或列 数据值发生变化时依次记录该值以及相同值重复的个数 从而实现数据的压缩 并实现数据的组 织 经编码后 原始栅格数据阵列转换为 si li 数据对 其中 si 为属性值 li 为行程长度 4 块码 采用方形区域作为记录单元 数据编码由初始位置行列号加上半径 再加上记录单元的代码组成 5 四叉树编码 根据栅格数据二维空间分布的特点 将空间区域按照 4 个象限进行递归分割 2n 2n 且 n 1 直到子象限的数 值单调为止 最后得到一棵四分叉的倒向树 四叉树的树形表示四叉树的树形表示 根 整个区域 叶 不能再分割的块 树叉 还需分割的块 建立四叉树结构的方式建立四叉树结构的方式 自上而下方式 top down 从顶层开始 即先检测全区域 其值不单调时再四划分 直到数值或内容单调为止 自下而上方式 bottom up 从底层开始 对栅格数据按莫顿码的顺序进行检测 如果每相邻四个网格值相同则进行合并 反之为叶结点 逐次往 上递归合并 直到符合四叉树的原则为止 四叉树结构类型四叉树结构类型 根据四叉树存储结构 可以将四叉树结构类型分为 常规四叉树 线性四叉树 常规四叉树 结点之间的联系用指针联系 每个结点需要 6 个变量 父结点指针 四个子结点的指针和本结点的属性值 线性四叉树 记录叶结点的位置 深度 几次分割 和属性 地址码 四进制 十进制 优点 存贮量小 只对叶结点编码 节省了大量中间结点的存储 地址码隐含着结点的分割路径和分割次数 线性四叉树可直接寻址 通过其坐标值直接计算其 Morton 码 而不用建立四叉树 定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作 莫顿码 实质上是按左上 右上 左下 右下的顺序 从零开始对每个栅格进行自然编码 第二讲 12 直接栅格编码直接栅格编码 简单直观 是压缩编码方法的逻辑原型 栅格文件 链码链码 压缩效率较高 以接近矢量结构 对边界的运算比较方便 但不具有区域性质 区域运算较难 游程长度编码游程长度编码 在很大程度上压缩数据 最大限度保留了原始栅格结构 编码解码十分容易 十分适合于微机地理信息 系统采用 块码和四叉树编码块码和四叉树编码 具有区域性质 又具有可变的分辨率 有较高的压缩效率 四叉树编码可以直接进行大量图形图象 运算 效率较高 是很有前途的编码方法 6 二 矢量数据结构 一 矢量数据结构的定义 矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表示点 线 面等地理实体的一种数据组织方式 二 特点 定位明显 属性隐含 三 获取方法 1 由外业测量获得 2 由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术 把栅格数据转换为矢量数据 3 跟踪数字化 四 矢量数据结构 实体型 实体型数据结构是最简单的数据结构 以实体为单位记录其坐标 点用一个坐标对来表示 线用两个或者两个以上的有序坐标对来表示 多边形用首尾相同的坐标对来表示 特点 1 数据按点 线或多边形为单元进行组织 具有编码容易 数字化操作简单和编排直观等优点 2 每个多边形都以闭合线段存储 邻接多边形的公共边被数字化和存储两次 结点被多次记录 不仅造成数据冗余 引起严重的匹配误差 如裂隙的产生 3 每个多边形自成体系 缺少有关的邻域关系的信息 岛只作为一个单个图形 没有与外界多边形的联系 4 点 线和多边形有各自的坐标数据 但没有拓扑数据 互相之间不关联 拓扑结构 多边形的边界被分割成线 弧 链 和点 结点 等拓扑要素 多边形是由弧段连接而成的 线有方向 并与左右多边形相邻接 双重独立编码结构 对图上网状或面状要素的任何一条线段 用顺序的两点定义以及相邻多边形来予以定义 链状双重独立式数据结构 DIME 数据结构的一种改进 在 DIME 中 一条边只能用直线两端点的序号及相邻的多边形 来表示 而在链状数据结构中 将若干直线段合为一个弧段 或链段 每个弧段可以有许多中间点 拓扑数据模型与非拓扑数据模型比较 拓扑结构明确反映拓扑关系 可以高效地存储数据 拓扑信息与空间坐标分别存储 公共弧段只存储一次弧段坐标 两个相邻多边形共享弧段 有利于邻近 包含和相连等查询操作 拓扑表必须在一开始就创建 需要时间和空间 3 矢量与栅格的比较 见书本 P80 四 他数据结构 1 曲面数据结构 7 按单元形状可分为 规则格网和不规则格网 前者采用统一形状的单元 一般为正方形 后者不规则单元形状 主 要为 TIN Triangulated Irregular Network 和泰森多边形 2 三维空间数据结构 3 八叉树编码 八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域 即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的 小立方体 同 区域的属性相同 八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题 第四节 空间数据结构的建立 一 空间数据的分类和编码 1 空间数据的分类 空间数据的分类 是指根据系统功能及国家规范和标准 将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程 以便从逻 辑上将空间数据组织为不同的信息层 为数据采集 存储 管理 查询和共享提供依据 空间分幅 属性分层 时间分段 原则 图形原则 即按点 线和面状要素分类 对象原则 即根据不同的对象分层 例如 可以把道路 河流 管道归为线状图形层 也可以把它们分别归为 道路 层 河流 层 管道 层 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 1 分层后 每个数据层的数据结构往往比较单一 数据量也相对较小 管理起来就相对简单 2 查询时 不需要对所有空间数据进行查询 只需要对某一层空间数据进行查询即可 因而可加快查询速度 3 便于任意选择需要显示的图层 因而增加了图形显示的灵活性 4 对不同数据层进行叠加 可进行各种目的的空间分析 2 空间数据的编码 编码 将数据分类的结果 用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程 编码的结果是形成代码 代码由数字或字符组成 或由它们共同组成的混合码 码位 码段及其与编码的关系 码位 编码中每个字符或数字的位置称为码位 码段 若干个码位组合成一个独立的意思 称为码段 码位是编码的最小单位 码段是编码的基本单位 码位 组成 码段 组成 编码 编码方法 层次分类编码 分类对象的从属和层次关系 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系 多源分类编码 按空间对象不同特性进行分类并编码 代码之间没有隶属关系 具有较大的信息量 有利于空间分析 二 地图数据的获取 地图数字化仍然是目前空间数据获取的主要手段 数字化方式有两种 手扶跟踪数字化 地图扫描数字化 数字化仪的操作方式 点方式 Point Mode 操作员能选择最有利于表现曲线特征的那些点位进行数字化 流方式 Stream Mode 等时间间隔或等距离间隔自动记录坐标 手扶跟踪数字化仪输入法具体步骤手扶跟踪数字化仪输入法具体步骤 原图准备 将原图内容转绘到不易引起变形的聚脂薄膜上 检查原图内容的完整性 分别标识原图的图幅角点 内部的控制点 等 输入初始化参数和控制点坐标 包括数字化的阈值 数字化两点间的最短距离 图幅四角点的理论坐标 比例尺 地图投影等 地图数字化 输人数字化图幅内的图形 直到形成一个数字化信息存储层 检查和修改数字化错误并予以改正 建立拓扑关系和输入属性 手扶跟踪数字化采样误差分析 8 人工操作误差 属于偶然误差 包括采点时的误差 以及取点的代表性误差 此项误差与操作人员的经验和熟练程度有很大关系 仪器误差 是指由于数字化仪本身的结构及其分辨率等因素引起的误差 属于系统误差 目前数字化仪的精度一般可达到 0 1mm 0 05mm 可以满足数字化图的精度要求 二 地图扫描矢量化 1 屏幕跟踪矢量化输入法具体步骤 数据源准备 将已有的地图 通过扫描仪扫入计算机 以栅格形式保存 进行必要的格式转换后 输入 GIS 软件 影象变换处理 输入地面控制点坐标 进行影象纠正 投影转换 利用屏幕跟踪技术 实现专题图层矢量化 在 GIS 软件支持下 将要数字化的影象作为背景图层 增加 建立 矢量要素层 进行屏幕跟踪数字化 直到形成 一个数字化信息存储层 检查和修改数字化错误 建立拓扑关系 属性输入 2 地图扫描数字化误差分析 1 扫描仪的分辨率和精度 选择适当的扫描仪 2 栅格数据矢量化的精度损失 栅格数据矢量化过程中的细化 跟踪等均可能引入一些误差 三 栅格数据获取 1 栅格数据采集 产生和栅格数据结构相适应的 GIS 空间数据的过程 其方法包括 遥感影像 图形扫描输入 以及其它数据转换输 入 2 透明网格采集输入步骤 A 确定栅格单元大小 B 准备栅格网 C 对栅格单元进行编码 D 读取栅格单元值 E 数据录入 四 遥感数据获取 遥感数据是 GIS 重要数据源 也是 GIS 数据更新的主要手段 通过遥感信息处理 可以得到矢量数据和栅格数据两 种格式 2 目视法获取遥感影像数据 利用航空航天影像 经过目视判读 编制出各种专题图 目视判读其实质是将遥感影像目视解译结果形成专题系列图提 供给 GIS 这些专题系列图的各专题要素因来自同一信息源 保证了时相和图幅位置配准 因而很适合 GIS 中进行多重信息的 综合分析 从而派生出综合性数据及图件 目视判读的结果 专题图件 为矢量图矢量图 3 遥感影像自动分类 遥感影像数据经信息提取和分类后 其结果为分类图 属于栅格数据 栅格数据 五 摄影测量数据获取 1 摄影测量与遥感都是对非接触传感器系统获得的影像及其数字表达 通过记录 测量和解译来获取有关自然对象的数 据的技术 摄影测量在我国的基本比例尺测图生产中起关键作用 我国的大部分 1 10000 1 50000 地形图都使用摄 影测量方法 二 摄影测量数据的获取模式 1 地面摄影测量和航空摄影测量 摄影测量中较为有效的方式是立体摄影测量 通过对同一地区同时摄影的两张或多张重叠的像片 最后通过数字摄 影测量工作站 获取空间数据 作为 GIS 数据源 在计算机上重构目标 2 解析摄影测量 解析测图仪可用于数字测图 模拟立体测图仪通过软件与电子计算机连接后成为机助和机控测图系统 测图仪测量结果可直接存人计算机 然后由计算机编图和绘图 数据产品也可直接进入 GIS 系统 9 3 数字摄影测量 数字摄影测量主要指全数字摄影测量 是完全数字化的新型摄影测量方法 用于生产数字高程模型 数字正射影像 等 在全数字摄影测系统中所有的数据处理过程全部在计算机中进行 包括存储和处理数字影像 建立立体数字高程模 型 输出数字地图 数字正射摄影像等 六 实测数据的获取 第三章 空间数据质量与空间数据处理 第一节 空间数据质量 1 空间数据质量 空间数据质量是空间数据在表达空间位置空间位置 专题特征专题特征以及时间时间这三个基本要素时 所能够达到的准确性准确性 一致性一致性 完整性完整性 以及它们三者之间统一性统一性的程度 2 与数据质量相关的几个概念 1 误差 Error 误差反映了数据与真实值或公认的真值之间的差异 2 数据的准确度 Accuracy 计算值或估计值与真实值或者公认的真值的接近程度 3 空间数据质量评价 就是用空间数据质量标准对数据进行评价 数据情况说明数据情况说明 要求对地理数据来源 内容及其处理过程等做出准确 全面和详尽的说明 位置精度位置精度 指空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度 通常表现为空间三维坐标数据精度 属性精度属性精度 指空间实体的属性与其真值相符的程度 时间精度时间精度 指数据的现势性 可以通过数据更新的时间和频度来表现 逻辑一致性逻辑一致性 指地理数据关系上的可靠性 数据完整性数据完整性 指地理数据在范围 内容等方面满足所有要求的完整程度 包括数据范围 属性特征分类等方面的完整性 表达形式的合理性表达形式的合理性 主要指数据抽象 数据表达与真实地理世界的吻合性 包括空间特征 专题特征 时间特征表达的 合理性 4 误差的具体来源 5 空间数据质量的控制方法 手工方法手工方法 将数字化数据与数据源进行逐一比较 叠合比较法 目视检查法 逻辑检查法 元数据方法元数据方法 元数据中描述数据的质量信息 原始质量 处理质量 以供使用过程中掌握 地理相关法地理相关法 用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量 6 元数据元数据 简要地说元数据就是关于数据的数据 是一种说明性数据说明性数据 用于描述地理数据内容 质量状况 表示方式 空间参考及其他特征 7 元数据的主要内容 1 对数据集的描述 对数据集中各数据项 数据来源 数据所有者及数据序代 数据生产历史 等的说明 10 2 对数据质量的描述 如分辨率 数据 比例尺等 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 第二节 空间数据的变换 1 空间数据变换的主要类型 几何纠正几何纠正 主要解决数字化原图变形等原因引起的误差 G1S 中设备坐标同用户坐标的不一致 设备坐标之间的不一致 问题 投影变换投影变换 主要解决地理坐标到平面坐标之间的转换问题 2 变换的实质变换的实质是建立两个坐标系坐标点间的数学关系 3 变换的意义 1 将设备坐标转换为地理要素的实际坐标 2 实现多幅图的拼接或叠置 3 减少各种变形 投影变形 扫描变形 纸张变形等 仿射变换 要实现仿射变换 需要知道不在同一直线上的 3 对控制点的数字化坐标及其理论坐标值 可求得上述的 6 个待定参数 按最小二乘法原理来求解待定参数 有关最小二乘法的计算请参照相关算法 4 配准的目的 变换通过配准来实现 配准的方法 采集一定数量的控制点 生产实践中常常出现的问题 控制点分布不均匀 或点位不精确 5 投影转换 当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时 需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据 1 地图投影的转换方法 1 1 正解变换 利用解析关系式 直接由一种投影的 x y 坐标变换到另一种投影的 x y 坐标 1 2 反解变换 由一种投影的坐标反解出地理坐标 x y B L 将地理坐标代入另一投影坐标公式中 B L X Y 从而实 现由一种投影的坐标到另一种投影坐标的变换 1 3 数值变换 根据两种投影在变换区内的若干同名数字化点 采用插值法 或待定系数法等 从而实现由一种投影的坐标到另一种投 影坐标的变换 第三节 空间数据结构转换 1 结构转换意义 为了有效的利用不同数据结构的优点 有必要进行数据结构之间的转换 2 转换种类 矢量向栅格的转换 栅格向矢量的转换 3 矢量向栅格的转换 矢量数据的基本要素是点 线 面 只要实现点 线 面的转换 变换问题都可以得到解决 栅格数据中线段由相邻的栅格单元组成 多边形数据的栅格化 即在多边形边界内部的所有栅格上赋予相应的多边形编号 从而形成栅格数据阵列 多边形数据栅格化的转换方法 边界代数算法 1 假定沿边界前进方向 Y 值下降为下行 Y 值上升为上行 2 上行时 对搜索多边形边界曲线左侧进行填充 填充值是左多边形减右多边形 3 下行时 对搜索多边形边界曲线左侧 从曲线前进方向看为右侧 进行填充 填充值是右多边形减左多边形 4 每次将填充值同该处的原值做代数运算 得到最终的属性值 11 内部点扩散法 复数积分算法 也称为检验夹角之和 由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分 如果积分值为 2 则该待判点属于此多 边形 赋予多边形编号 纪录属性 如果积分值为 0 则该待判点在此多边形外部 射线算法和扫描算法 射线算法是由待判点向图外某点引射线 判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数 1 如相交偶数次 则待判点在该多边形的外部 2 如相交奇数次 则待判点在该多边形内部 基于弧段的栅格化方法 4 栅格向矢量的转换 目的 为了能自动将扫描仪获取的图像加入矢量形式的数据库 为了将栅格数据分析的结果 通过矢量绘图装置输出 为了数据压缩的需要 将大量的面状栅格数据转换为由少量数表示的多边形边界 方法 基于图象数据的转换方法 栅格数据的转换方法 线段的矢量化 实质是将具有相同属性值的连续的单元格搜索出来 最后得到细化的一条线 多边形 面 的矢量化 提取以相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系 并表示成多个小直线段 组成的矢量格式边界线的过程 提取以相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系 并表示成多 个小直线段组成的矢量格式边界线的过程 图像向矢量格式转换的一般步骤 1 栅格数据的二值化 2 多边形边界提取和细化 3 多边形边界跟踪 4 去除多余点及曲线光滑 5 扑关系生成 1 栅格数据的二值化 由于栅格数据常以不同灰度级来表示 为实现矢量化转换需要先进行二值化 二值化关键是在灰度级的范围内取一 个阈值 小于阈值的灰度级取值为 0 大于阈值的灰度级取值为 1 2 多边形边界提取和细化 细化实质使线段横截面具有一个像素宽度 注意保持图像的连接性不变 边相连或角相连 主要有 剥皮法剥皮法 和和 骨架法骨架法 剥皮法 3 3 个像元 以不影响连通性为原则决定中心像元是否可以剥离 由上而下 自左到右 逐次排下去 可以 将线条带剥离成单个像元的细线 3 多边形边界跟踪 多边形边界跟踪的目的是 将细化处理后的栅格数据转换成矢量图形坐标系列 4 去除多余点及曲线光滑 由于上述过程是逐个栅格进行的 因此存在大量多余点需要除去 多余点去除根据直线方程 在直线上时 去除中 间点 5 拓扑关系生成 第五节 空间数据的压缩与重分类 一 空间数据压缩的意义 1 数据采集系统获得的坐标数据量极其巨大 2 简化次要内容 压缩比 1 二 矢量 曲线 数据的压缩 1 Douglas Peucker 算法 也可称为迭代端点拟合迭代端点拟合算法 用于压缩线状数据 1 在曲线首尾两点 A B 之间连接一条直线段 AB 该直线称为曲线的弦 2 得到曲线上离该直线段距离最大的点 C 并计算其与 AB 的距离 d 3 比较该距离与预先给定阈值 的大小 如果小于 则将该直线段作为曲线的近似 该段曲线处理完毕 4 如果距离大于阈值 则用 C 将曲线分为两段 AC 和 BC 并分别对两段曲线进行 1 3 处理 12 5 当所有曲线都处理完毕后 依次连接各个分割点形成的折线 即可以作为曲线的近似 2 垂距法 基本思路是 每次顺序取曲线上的三个点 计算中间点与其它两点连线的垂线距离 d 并与限差 D 比较 若 d D 则 中间点去掉 若 d D 则中间点保留 然后顺序取下三个点继续处理 直到这条线结束 三 栅格数据的压缩 影像数据压缩的可能性是像素之间存在着较强的相关性 从统计观点统计观点上看 某像素的灰度值总是和周围其他像素的灰度值有某种关系 应用编码方法提取并减少这种相关牲 便 可实现影像数据的压缩 从信息论观点信息论观点来看 影像压缩就是减少影像信息中无用的冗余信息 四 空间数据综合 重分类 1 数据属性的重新分类 2 空间图形的化简 当属性数据发生变化后 势必有一些图斑与相邻图斑的属性一致 这时就应该将这些图斑合并 即去掉公共边 五 区域内插 区域内插研究目标是从已知分区的数据 如社会经济数据 中推出同一地区的另一组分区数据 主要方法 叠置法 比重法 六 空间数据的编辑处理 空间数据编辑处理的目的是为了消除地图数字化过程中所产生的错误 以及将数字化数据重新组织以便得到进一步 处理和使用的格式 1 点线拓扑关系 2 多边形拓扑关系的建立 第七节 图幅数据边沿匹配处理 一 拓扑关系的建立 1 点线拓扑关系的建立 首先进行结点匹配 snap 建立结点 弧段拓扑关系 在结点匹配的基础上 对产生的结点进行编号 并产生两个文件表 第六节 栅格数据分析 1 栅格数据的运算 逐点 邻域 区域 广域 1 逐点运算常见运算分为三组 数据的重新分类 reclassification 根据一定的分类规则或逻辑运算规则 将每个网格值重新分类 输出一个新的栅格 图层 表示重新分类的结果 数值计算 computation 算术运算 指数 对数 三角函数 幂 逐点的叠置分析 location specific overlay analysis 类似于矢量形式的叠置分析 但在栅格中是将两个或者两个以上的 输入栅格图层中同一位置 行 列相同 的栅格数值进行逻辑 算术或统计运算 以一个新的栅格图层表示运算结果 视觉复合 将不同专题的内容叠加显示在结果图件上 以便判断不同专题地理实体的相互空间关系 获得更为丰富的信 息 2 邻域变换 focal 邻域运算输出的网格值为环绕每个输入网格邻域内所有输入网格值的函数 在计算新层栅格单元值时 要考虑原始 图层相应单元的值以及与该单元邻域栅格单元的值 邻域运算 空间的聚集 过滤 坡度和坡向的计算 空间聚集和重采样空间聚集和重采样 地图综合过程 用比较大的网格对原始数据重新采样 resampling 以便减少网格数量 降低栅格数 据的空间精度 栅格 影像数据进行配准或纠正 投影等几何变换后 像元中心位置通常会发生变化 其在输入栅格中的 位置不一定是整数的行列号 因此需要根据输出栅格上每个像元在输入栅格中的位置 对输入栅格按一定规则进行重采 样 进行栅格值的重新计算 建立新的栅格矩阵 过滤过滤 用一个移动窗口 以每个输入网格为焦点网格 逐个网格的对移动窗口定义的领域中所有网格值进行特定的运算 得到每个网格的新值 坡度和坡向坡度和坡向 3 区域变换 zonal 13 区域由具有相同属性的网格组成 一个区域可以是一组相互邻接的网格 也可以是若干不相连但具有相同属性值的 网格组成 分析结果层的各栅格单元的属性值 不仅与原叠置层对应的栅格属性值有关 还与栅格单元所在的区域特性有关 4 广域运算主要涉及到距离的运算 简单距离计算 计算到某一类地理实体的距离 类似与缓冲区 分配网格到给定的最近地理实体 泰森多边形 复杂距离计算 费用距离 第八节 网络分析 网络是一个由点 线的二元关系构成的系统 通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动 网络分析主要用途是 选择最佳路径 最佳布局中心的位置 一 基本概念 图 由一些点及一些点之间的连线 带箭头或不带箭头 所组成 边 两点之间的不带箭头的连线 弧 两点之间的带箭头的连线 无向图 简称图 由点及边构成的图 有向图 由点及弧构成的图 点用集合 V v1 vn 表示 联结点 vi 和 vj V 的边记为 vi vj 或 vj vi 联结点 vi 和 vj V 的弧记为 vi vj 方向是从 vi 指向 vj 无向图记为 G V E V E 分别为 G 的点集合和边集合 有向图记为 D V A V A 分别为 G 的点集合和弧集合 二 存储 图的四种常用的存储形式 邻接矩阵和加权邻接矩阵 邻接表 十字链表 邻接多重表 三 路径优化 最短路径 Dijkstra 算法 由 Dijkstra 于 1959 年提出 可用于求解指定两点 vs vt 间的最短路 或从指定点 vs 到其余各点的最短路 1 基本步骤 用两种标号 T 标号与 P 标号 T 标号为试探性标号 P 为永久性标号 给 vi 点一个 P 标号时 表示从 vs 到点 vi 的最短路权 vi 点的标号不再改变 给 vi 点一个 T 标号时 表示从 vs 到 vi 点的估计最短路权的上界 是一种临时标号 凡没有得到 P 标号的点都有 T 标号 算法每一步都把某一点的 T 标号改为 P 标号 当终点 vt 得到 P 标号时 全部计算结束 2 计算步骤 第 1 步 给始点 vs 标上永久性标号 d vs 0 其余各点标临时性标号 d vj 无穷 第 2 步 若 vi 为刚得到 P 标号的点 考虑这样的点 vj vi vj 属于 D 且 vj 为 T 标号 对 vj 的 T 标号进行如下的更改 d vj min d vj d vi ij 若 d vi ij d vj 设置 vj 的前一个顶点为 vi 第 3 步 比较所有具有 T 标号的点 把最小者改为 P 标号 即 当存在两个以上最小者时 可同时改为 P 标号 若全部点均为 P 标号则停止 否则用 代 vi 转回第二步 第五章 第一节 空间分析的基本理论 空间分析是基于空间数据的分析技术 它是以地球科学原理为依托 通过分析算法 从空间数据中获取有关地理对 象的空间位置 空间分布 空间形态 空间构成 空间演变等信息 本课程的空间分析方法 叠置分析 缓冲区分析 空间量算 网络分析 栅格分析 表面分析 空间查询 泰森多边形分析 空间分析的步骤 明确问题 要分析什么 明确所需要的数据 需要哪些数据 设计工作流程 如何操作 i v 14 执行需要进行的空间分析 分析结果 表达结果 第二节 叠置分析 overlay analysis 1 叠加分析的基本原理 空间叠加分析是指在统一的空间参照系统下 把分散在不同层上的空间信息按相同的空间位置叠加到一起 以产生 空间区域的多重属性特征 或建立地理对象之间的空间对应关系 然后再进一步对属性作其他的数学运算 从而发现类型 结构上相互联系 以及动态变化等特征 通过坐标计算点层中的矢量点与面层中的多边形的包含关系 确定每个多边形内有多少个点 同时将多边形的属性 连接到点上 点与多边形叠加 通过计算比较线上坐标与多边形弧段坐标的关系 判断线是否落在多边形内 通常是计算线与多边形的交点 只要 相交则产生一个结点 将原线分成一条条弧段 并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段 线与多边形叠加 先对两个或多个不同图层多边形的弧段求交 然后拓扑生成新的多边形图层 新图层综合了原来两层或多层的属性 栅格数据叠加是代数叠加 2 叠加方法 合并运算 Union 求交运算 Intersect 同一运算 Identity 15 裁剪运算 Clip 擦除运算 Erase 3 属性运算 多边形叠置中的属性数据计算可以采取各种方法 常见的可为三类 布尔逻辑叠置模型 模糊逻辑叠置模型 图层权重叠置模型 对各个输入数据层给予不同的权重 对具有不同权重的输入层按数学运算进行组合 就构成图层 权重叠置模型 4 破碎多边形 slivers 即沿着输入图层与叠加图层的相关或共同边界线的细小多边形 造成原因往往是数字化误差 判读误差 第三节 缓冲区分析 buffer analysis 1 基本原理 缓冲区为离开多边形对象边界 线目标以及点不超过一定距离的范围所形成的区域 2 缓冲区分类 点的缓冲区 线的缓冲区 面的缓冲区 3 缓冲区的应用 常被用于规划或调整 如距离学校某个范围内不能设酒店等娱乐场所 第四节 空间查询 按一定的要求 对 GIS 所描述的空间实体及其空间信息进行搜寻 以挑选出满足要求的空间实体与其相应的属性 1 查询方法 几何查询 临近空间对象与属性 属性查询 空间对象分布 拓扑查询 空间关系 SQL 查询 空间对象与属性 SQL 结构化查询语言 是一种专门为关系型数据库设计的数据处理语言 一般格式