第四章空间数据的转换与处理

第四章空间数据的转换与处理,问题,为什么要进行空间数据的转换与处理？为什么进行投影？温故而知新,1、地图地图是按一定的法则，以二维形式在平面上表示地理空间中的要素信息的图形或图像，包括位置及其上的特征。地图具有严格的数学基础、符号系统、文字注记等由于地图本身的尺寸与其描述的地理空间范围之间是不同的，因此，通常说地图具有某种比例尺。所谓地图比例尺，指的是地图上的距离与地面上相应距离之比。比例尺分类大比例尺：大于和等于1：10万的地图中比例尺：大于1：100万和小于1：10万的地图小比例尺：1：100万和更小比例的地图,1、地图投影-理论基础,地球椭面是曲面，但地图是平面，因此需要用一定的数学方法把大地坐标系转化为某投影面上的平面直角坐标系。GIS用各种平面坐标系统去描绘地球，而每种平面坐标均基于特殊的地图投影。虽然由于地球表面形态发生了变化，但在一定的空间范围内却提供了很好的近似，可以帮助人们对地理空间建立一个良好的视觉感，进行各种量算以及进一步的空间数据处理和分析。,2、投影概念投影指的是在两个点集之间建立一一映射关系。因为地球是一个不规则的球体，将地球表面的地理坐标转换为平面坐标的过程称为地图投影。空间信息系统不能仅依靠地理坐标，必须要有平面坐标，地图投影对空间信息系统来说是不可缺少的。地图投影的使用保证了空间信息从地理坐标变换为平面坐标后能够保持在地域上的联系和完整性。地图投影之后的结果记录是以地图作为保存形式的。,投影原理：设想的地球是透明体，在球心有一点光源S（投影中心），向四周辐射投影射线，通过球表面（各点A、B、C、D）射到可展面（投影面）上，得到投影点a、b、c，然后再将投影面展开铺平，又将其比例尺缩小到可见程度，从而制成地图。,2、地图投影投影原理,3、地图投影地图投影的变形,用地图投影的方法将球面展开为平面，虽然可以保持地域上的联系和完整性，但它们与球面上的经纬度网线形状并不一致。即投影后，地图上的经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘在地图上的各种要素，也必然随着变形。,这种变形使得地理要素的几何特性受到破坏：长度变形：地球仪上，纬线长度不等；同一纬线上，经差相同，纬线长度相同；同一经线上，纬差相同而经线长度不同；所有经线长度相等。面积变形：地球仪上，同一纬度带内，经差相同的网格面积相等；同一经度带内，纬度越高，面积越小。角度变形：地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交。,3、地图投影地图投影的变形,地图投影的变形示意,3、地图投影地图投影的变形,按变形性质分类：等角投影：角度变形为零。等积投影：面积变形为零。任意投影：长度、角度和面积都存在变形。经投影后地图上所产生的长度变形、角度变形和面积变形是相互联系相互影响的：等积与等角互斥；任意投影不能等角和等积；等积投影角度变形大，等角投影面积变形大。,4、地图投影地图投影的分类,关于地图投影的几点结论：实现等角、等面积、等距离同时做到的投影不存在。投影方式有多种多样，一个国家或地区依据自己所处在的经纬度、幅员大小以及图件用途选择投影方式。在大于1：10万的大比例尺图件中，各种投影带来的误差可以忽略。,4、地图投影地图投影的分类,从投影面（可展曲面）类型划分为：圆锥、圆柱、平面（方位投影）从投影面与地球位置关系划分为：正轴、横轴、斜轴，切、割,圆柱投影方位投影圆锥投影,4、地图投影地图投影的分类,正轴切圆锥投影正轴割圆锥投影,横轴切圆锥投影横轴割圆锥投影,横轴切圆柱投影横方位投影,正轴割圆柱投影斜轴切圆柱投影,斜轴切圆锥投影正轴切圆柱投影,正方位投影斜方位投影,5、我国常用地图投影,在开始GIS建库之前搞清所采用的地图投影非常重要。原因：存在投影变形，或是形状、面积、方向不同的投影有不同的变形某种投影决定了它适宜某种应用。,对我国来讲，除1：1000000（及小于此比例尺）采用Lambert（正轴等角割圆锥）投影外，其余基本采用高斯-克吕格投影（横轴等角切圆柱）,比例尺表明了地图数据的详细（精确）程度，因此不同比例尺地图往往需要采用不同的地图投影方式。,5.1高斯克吕格投影（Gauss-KrugerProjection）,高斯克吕格投影是由高斯于19世纪20年代拟定，后经克吕格补充而形成的一种地图投影方式。属于横轴等角切圆柱投影。这种投影是将椭圆柱面套在地球椭球的外面，并与某一子午线相切（此子午线叫中央子午线或中央经线），椭圆柱的中心轴通过地球椭球的中心，然后用等角条件将中央子午线东西两侧各一定经差范围内的地区投影到柱面上，并将此柱面展成平面，即获得高斯投影,横轴圆柱投影,高斯克吕格投影,x,y,高斯-克吕格投影原理图,高斯投影特征：中央经线和赤道投影为互相垂直的直线，且为投影的对称轴投影后无角度变形，即保角投影中央经线无长度变形同一条经线上，纬度越低，变形越大，赤道处最大同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影在6带范围内，长度变形线最大不超过0.14%,高斯克吕格投影,3度带和6度带从0度开始，自西向东每6度分为一个投影带。从东经1度30分开始，自西向东每3度分为一个投影带。,高斯克吕格投影-投影分带,我国1:1万至1:50万的地形图全部采用高斯克吕格投影。1:2.5万至1:50万的地形图，采用6分带方案，全球共分为60个投影带；我国位于东经72到136间，共含11个投影带；1:1万比例尺图采用3分带方案，全球共120个带。,分割条带号规定：从0子午线开始分6经度为一带，东半球东经3、9、15177分别是1、2、330条6带的中央子午线，然后继续自西向东旋转，每转6增加带号1。,分割3带原则上与6带相同，只是从东经130（即1.5E）起，每隔3带为1个投影带。,高斯克吕格投影-投影分带,在高斯克吕格投影上，规定以中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴的交点为坐标原点。X坐标值在赤道以北为正，以南为负；Y坐标值在中央经线以东为正，以西为负。我国在北半球，X坐标皆为正值。Y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。为了避免Y坐标出现负值，通常将各带的坐标纵轴西移500公里，即将所有Y值都加500公里。,高斯克吕格投影-投影分带,5.2正轴割圆锥投影-（Lambert投影）,这种投影是将一圆锥面套在地球椭球外面，将地球表面上的要素投影到圆锥面上，然后将圆锥面沿某一母线（经线）展开，即获得Lambert投影。,这种投影中，经线为交于一点的直线束，纬线为同心圆圆弧，圆心即直线束的交点经线呈辐射状，为纵向直线，纬线近似于弧形，与经线正交适用于1：100万（包括1：100万）以上地形图,误差情况：圆锥与地球相交处为北纬25与北纬47，距离误差随地点纬度不同而不同，在成图范围内北部最大达+4%，南部达3%，中部为-1.8%，面积变形相对误差相比距离相对误差要大一倍。,一幅图可覆盖大片中纬度地区，可整幅覆盖我国境内领土,正轴割圆锥投影（Lambert投影）,6、地图投影的选择,地图投影将直接影响地图的精度和使用价值。通常地图投影对中小比例尺地图影响很大，对于大比例尺地图，则影响很小。一般国家基本比例尺地形图的地图投影选择是由国家测绘部门制订，不允许随便更改。地图投影的选择主要考虑以下因素：制图区域的范围、形状和地理位置；地图的用途、出版方式及其他要求等。,地图投影的选择一般遵循以下原则：使制图区域与投影平面上变形小的地方匹配；编制系列图时，经线与纬线正交较好；许多地图对投影的要求，不仅是一个或一些专门特征，如等积和方位，其他一些投影特性如平行纬线、局部面积变形和直角坐标，也很重要。,世界地图的投影：保证全球整体变形不大，多圆锥投影，任意伪圆柱投影等。半球地图的投影：东西半球有横轴等面积（等角）方位投影；南北半球有正轴等面积（等角、等距离）方位投影。各大洲地图的投影：各洲都选用了斜轴等面积方位投影，此外，亚洲和北美洲（彭纳投影）、欧洲和大洋州（正轴等圆锥投影）、南美洲（桑逊投影）。我国各种地图投影：全国地图（各种投影，lambert投影居多）、分省区地图（各种投影，高斯克吕格投影最多）、大比例尺地形图（高斯克吕格投影）。,地图投影的选择,地理信息系统的处理对象空间信息需要有共同的地理坐标和平面系统；对于不同来源的地理信息，需要统一在同一个地理定位框架内。,6、地图投影的选择,地理信息系统中地图投影配置的一般原则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、基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；系统一般只考虑至多采用两种投影系统，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；所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统(特别是一级网格)在投影带中应保持完整。,6、地图投影的选择,7、地图的分幅和编号,我国基本比例尺地形图有1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:20万、1:50万和1:100万七种。大于等于1:10万的称为大比例尺地图；1:10万至1:100万地称为中比例尺地图；小于1:100万的称为小比例尺地图。由于一个国家范围很大，因此不可能用一幅地图来描述，因此地图的分幅和编号就非常重要。目前，我国采用的地形图分幅方案是以1:100万地形图为基准的，按照相同的经差和纬差定义其他更大比例尺地形图的分幅。,1:100万地形图分幅：纬度在060之间，经差6，纬差4纬度在6076之间，经差12，纬差4纬度在7680之间，经差24，纬差4分幅是根据不同比例尺对每一分幅图编号，每一分幅图给一个固定的号码，相互不能重复，以便确认。分幅编号需要有一定的系统性，不能太任意。不同比例尺有不同的编号方法，请大家在课后参照参考书学习。,7、地图的分幅和编号,思考题,阅读地图投影方面的材料如果你拿到一幅数字地形图，如何了解地图是否已经经过投影？是否可以忽略投影方式？,新：,在GIS中，空间数据是一个重要的部分。整个GIS都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现展开的。而原始空间数据本身通常在数据结构、数据组织、数据表达上和用户自己的信息系统不一致，就需要对原始数据进行转换与处理，如投影变换，不同数据格式之间的相互转换，以及数据的裁切、拼接等处理。以上所述的各种数据转换与处理均可以利用ArcToolbox中的工具实现。,操作内容,投影变换数据格式转换数据处理,4.1投影变换,由于数据源的多样性，当数据与所研究、分析问题的空间参考系统（坐标系统、投影方式）不一致时，就需要对数据进行投影变换。同样，在对本身有投影信息的数据采集完成时，为了保证数据的完整性和易交换性，要对数据定义投影。,图4.1投影变换工具,4.1投影变换,图4.2（a）地理坐标系下的经纬网,4.1投影变换,图4.2（b）投影坐标系下的经纬网,4.1投影变换,4.1.1定义投影定义投影（DefineProjection），指按照地图信息源原有的投影方式，为数据添加投影信息。在ArcGIS中利用DataManagementTools工具箱,ProjectionsandTransformations工具集中的DefineProjection命令，能够为数据定义投影。,图4.4SpatialReference属性对话框,图4.3DefineProjection对话框,定义投影,小节练习,将文件夹中的中国和世界地图进行投影定义:使用select为中国地图选择一个投影。比如：北京54的某一个带。使用import为世界地图导入中国地图的投影坐标。使用new为中国地图新建一个坐标系统（如下页图示）。,参考理论文件：123,4.1投影变换,4.1.2投影变换投影变换（Project）是将一种地图投影转换为另一种地图投影，主要包括投影类型、投影参数或椭球体等的改变。在ArcToolbox的DataManagementTools工具箱,ProjectionsandTransformations工具集中分为栅格和要素类两种类型的投影变换，其中对栅格数据进行投影变换时，要进行重采样。,4.1投影变换,1.栅格（Raster）数据的投影变换：利用DataManagementTools工具箱,ProjectionsandTransformations中Raster工具集,ProjectRaster命令对栅格数据进行投影变换。,图4.5ProjectRaster对话框,4.1投影变换,2.要素类（Feature）数据的投影变换：利用DataManagementTools工具箱,ProjectionsandTransformations中的Feature工具集,Project命令，对矢量数据进行投影变换。,图4.6Project对话框,要素类的数据投影变换：和前面不同的是生成新的图层,投影变换要素类,以世界地图为例试验,投影变换栅格类,栅格类的数据投影变换：关键是定义重采样方式和输出栅格的大小,以土地利用地图为例试验,栅格数据的重采样,栅格数据的重采样主要基于三种方法：最邻近采样（NEAREST），双线性ILINEAR）和三次卷积采样（CUBIC）。（1）.最邻近采样：它用输入栅格数据中最临近栅格值作为输出值。因此，在重采样后的输出栅格中的每个栅格值,都是输入栅格数据中真实存在而未加任何改变的值。这种方法简单易用，计算量小，重采样的速度最快。（2）.双线性采样：此重采样法取待采样点（x，y）点周围四个邻点，在y方向（或X方向）内插两次，再在x方向（或y方向）内插一次，得到（x，y）点的栅格值。（3）.三次卷积采样：这是进一步提高内插精度的一种方法。它的基本思想是增加邻点来获得最佳插值函数。取待计算点周围相邻的16个点，与双线性采样类似，可先在某一方向上内插，如先在x方向上，每四个值依次内插四次，再根据四次的计算结果在y方上内插，最终得到内插结果。,4.1投影变换,4.1.3数据变换数据变换是指对数据进行诸如放大、缩小、翻转、移动、扭曲等几何位置、形状和方位的改变等的操作。对矢量数据的相应操作在ArcMap中Editor工具条的若干工具实现（详见第三章）。而栅格数据的相应操作则集中于ArcToolbox的DataManagementTools工具箱ProjectionsandTransformations中的Raster工具集中，以下分别就栅格数据的翻转（Flip）、镜像（Mirror）、重设比例尺（Rescale）、旋转（Rotate）、移动（Shift）和扭曲（Warp）等分别介绍。,4.1投影变换,1.翻转（Flip）：是指将栅格数据沿着通过数据中心点的水平轴线，将数据进行上下翻转。利用Flip命令，对数据进行翻转。,图4.7Flip对话框,4.1投影变换,2.镜像（Mirror）：是指将栅格数据沿着通过数据中心点的垂直轴线，将数据进行左右翻转。利用Mirror命令，对数据进行镜像。,图4.9Mirror对话框,4.1投影变换,3.重设比例尺（Rescale）：是指将栅格数据按照指定比例分别沿X轴和Y轴放大或缩小。Rescale命令，对数据重设比例尺。,图4.12重设比例尺（Rescale）的图解表达,图4.11Rescale对话框,4.1投影变换,4.旋转（Rotate）：是指将栅格数据沿着指定的中心点旋转指定的角度。利用Rotate命令，对数据进行旋转。,图4.13Rotate对话框,图4.14旋转（Rotate）的图解表达,4.1投影变换,5.移动（Shift）：是指将栅格数据分别沿X轴和Y轴移动指定的距离。利用Shift命令，对数据进行移动。,图4.15Shift对话框,图4.16移动（Shift）的图解表达,4.1投影变换,6.扭曲（Warp）：是指将栅格数据通过输入的控制点进行多项式变换。利用Warp命令，对数据进行扭曲变换。,图4.17Warp对话框,数据变换针对栅格类,翻转，镜像，重设比例尺，旋转，移动，扭曲。,以土地利用地图为例试验,4.2数据格式转换,空间数据的来源有很多，如地图、工程图、规划图、照片、航空与遥感影像等，因此空间数据也有多种格式。根据应用需要，对数据的格式要进行转换。转换是数据结构之间的转换，而数据结构之间的转化又包括同一数据结构不同组织形式间的转换和不同数据结构间的转换。其中，不同数据结构间的转换主要包括矢量到栅格数据的转换和栅格到矢量数据的转换。,图4.19数据格式转换工具,4.2数据格式转换,基于文件的空间数据类型包括对多种GIS数据格式的支持，如coverage，shapefile，grid，image和TIN。Geodatabase数据模型也可以在数据库中管理同样的空间数据类型。,表1ArcGIS中的数据类型,4.2数据格式转换,4.2.1数据结构转换地理信息系统的空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构，这两种数据结构是模拟地理信息的两种不同的方法。在地理信息系统中栅格数据与矢量数据各具特点与适用性，为了在一个系统中可以兼容这两种数据，以便有利于进一步的分析处理，常常需要实现两种结构的转换。,4.2数据格式转换,1.栅格数据向矢量数据的转换栅格向矢量转换处理的目的，是为了将栅格数据分析的结果，通过矢量绘图装置输出，或者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据表示的多边形边界，但是主要目的是为了能将自动扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库。由栅格数据可以转换为3种不同的矢量数据，分为点状、线状和面状的矢量数据。但转换操作大同小异，例如利用ConversionTools工具箱，FromRaster工具集中的RastertoPolygon命令，可将栅格数据转换成面状矢量数据。,4.2数据格式转换,图4.20RastertoPolygon对话框,4.2数据格式转换,2.矢量数据向栅格数据的转换矢量数据直接用于多种数据的复合分析等处理将比较复杂，特别是不同数据要在位置上一一配准，寻找交点并进行分析。相比之下利用栅格数据模式进行处理则容易得多。加之土地覆盖和土地利用等数据常常从遥感图像中获得，这些数据都是栅格数据，因此矢量数据与它们的叠置复合分析更需要把其从矢量数据的形式转变为栅格数据的形式。利用ConversionTools工具箱，ToRaster工具集中的FeaturetoRaster命令，可将矢量数据转换成栅格数据。,4.2数据格式转换,图4.22FeaturetoRaster对话框,4.2数据格式转换,4.2.2数据格式转换1.CAD数据的转换CAD数据是一种常用的数据类型，例如大多数的工程图、规划图都是CAD格式。ArcGIS中的要素类，Shapefile数据可以转换成CAD数据，CAD数据也可以转换成要素类和地理数据库。,4.2数据格式转换,（1）数据输出CAD格式：将要素类或者要素层转换成CAD数据。可利用ConversionTools工具箱，ToCAD工具集中的ExporttoCAD命令。,图4.24ExporttoCAD对话框,4.2数据格式转换,（2）CAD的输入转换：将CAD数据转换成要素类和数据表。可利用ConversionTools工具箱，ToGeodatabase工具集中的ImporttoCAD命令。,图4.25ImporttoCAD对话框,4.2数据格式转换,2栅格数据与ASCII文件之间的转换（1）栅格数据向ASCII文件的转换利用ConversionTools工具箱，FromRaster工具集中的RastertoASCII命令，可实现由栅格数据向ASCII文件的转换。,图4.26RastertoASCII对话框,4.2数据格式转换,（2）ASCII文件向栅格数据的转换利用ConversionTools工具箱，ToRaster工具集，中的ASCIItoRaster命令，可实现由ASCII文件向栅格数据的转换。,图4.27ASCIItoRaster对话框,数据格式转换练习,数据结构转换：矢量栅格数据格式转换：常用的cad格式转入转出、mapinfo格式与arcgis格式的互转.栅格数据间不同格式的转换。,数据结构间转换,栅格转矢量多边形、点，线,以高程分级地图为例试验,矢量转栅格多边形、点，线,数据格式间转换,大部分时候数据转换存在数据属性的丢失,以世界地图为例试验tocad以高程.txt文件为例试验toraster,4.3数据处理,数据裁切数据拼接数据提取都是从矢量和栅格两种数据结构上分别讲。,4.3数据处理,4.3.1数据裁切数据裁切是从整个空间数据中裁切出部分区域，以便获取真正需要的数据作为研究区域，减少不必要数据参与运算。1矢量数据的裁切：可利用AnalysisTools工具箱，Extract工具集中的Clip命令,图4.28Clip对话框,4.3数据处理,2栅格数据的裁切栅格数据的裁切有多种方法，例如用圆形、点、多边形、矩形，以及用已存在的数据进行裁切。其中最常用的方法是利用已存在的栅格或矢量数据裁切栅格数据。可利用SpatialAnalystTools工具箱，Extraction工具集中的ExtractbyMask