第4章空间数据的获取与处理

4.1空间数据的获取4.2空间数据处理内容4.3空间数据处理基础4.4空间数据的编辑4.5空间数据的坐标变换4.6空间数据格式的转换和数据共享4.7空间数据结构的转换4.8空间数据的压缩4.9空间数据的内插,第4章空间数据的获取与处理,4.1GIS中的数据源,GIS数据源种类多，来源广泛，处理方法差异大；GIS数据源获取方法手段多，既有传统手工获取方法，又有用现代化技术获取方法；GIS系统数据源采集必需根据所建立系统的需要和实际条件确定。,GIS信息的获取途径,信息类型,空间信息,属性信息,获取途径,野外测量、遥感、现场调查、已有资料,遥感、现场调查、社会调查、已有资料,4.2空间数据处理内容,空间数据编辑图形数据的编辑；属性数据的编辑图形的幅面处理图形的拼接；图形的分割；窗口的剪裁空间数据坐标变换投影变换；坐标变换；比例尺变换；几何校正空间数据结构的转换矢量向栅格的转换；栅格向矢量的转换空间数据格式的转换系统间数据格式的转换空间数据的插值点的内插；区域的内插,4.3空间数据处理基础,1、弧段和多边形的外接矩形弧段坐标链中最大最小值XminYminXmaxYmax组成的矩形称该弧段的外接矩形。多边形坐标链中最大最小值XminYminXmaxYmax组成的矩形称该多边形的外接矩形。,外接矩形的应用,引入外接矩形可大大提高弧段求交、多边形求交速度。判断外接矩形相交的逻辑表达式为：(XminX1minXmax)AND(YminY1minYmax)OR(XmaxX1maxXmin)AND(YmaxY1maxYmin)其中Xmin，Ymin，Xmax，Ymax；X1min，Y1min，X1max，Y1max分别为两个外接矩形。,2、点、线、面的捕捉和判断,1）点的捕捉设图幅上有一点A（x,y），要捕捉该点可设定一捕捉半径D（通常为几个象素），当你选择点S（x,y）离A点距离小于D，认为，捕捉A点成功。实际中为避免作平方运算，常把捕捉区域设定成矩形。判断捕捉该点的逻辑表达式为：(XminSxXmax)AND(YminSyYmax),A,A,2）线的捕捉,从理论上说，光标点坐标S（x,y）到弧段的各直线段之间距离d1,d2,d3中如有一个距离di满足di1图形整幅按比例缩小；当0s1图形整幅按比例放大；三维变换矩阵是4*4矩阵。,齐次坐标表示法就是用N+1维向量来表示一个N维向量。在齐次坐标系统中，点(X,Y)用(X,Y,H)来表达，其中H为非零的一个任意数。,6、二维变换矩阵的一般形式,二、几何纠正,图形编辑可消除数字化产生的错误，但无法纠正图纸变形等误差。几何纠正是实现数字化数据的坐标转换和图纸变形的误差纠正。常用的几何纠正方法有高次变换、二次变换和仿射变换。仿射变换是使用最多的一种几何变换。,设x,y为数字化仪坐标，X,Y为理论坐标，m1、m2为横向和纵向的实际比例尺，两坐标系夹角为，数字化仪原点O相对于理论坐标系原点平移了a0、b0，则根据图形变换原理，得出仿射变换公式：,设a1=m1cosb1=-m1sina2=m2sinb2=m2cos,仿射变换是使用最多的一种几何变换,4.7空间数据结构的转换,一、矢量数据向栅格数据转换概念,矢量数据向栅格数据转换要将矢量表示的多边形转成栅格数据，使多边形内部所有栅格赋于多边形号。实质上是将矢量图上点、线、面实体的坐标数据转为规则的格网数据再给予填充。,(行列)=？,坐标,1）选择单元的大小和形状，确定栅格的行和列；2）将点和线实体角点的笛卡尔坐标转换到预定分辨率和已知位置的矩阵中；3）利用单根扫描线（沿行或列）或一组相连接的扫描线去测试线性要素与单元边界的交叉点，并记录穿过交叉点的栅格单元个数；4）测试多边形时，先测试角点，再对剩下线段进行二次扫描，到达边界位置时，记录其位置与属性值。,1、矢量到栅格数据的转换步骤,矢量数据转换成栅格数据后，图形的几何精度必然要降低，所以选择栅格尺寸的大小要尽量满足精度要求，使之不过多地损失地理信息。为了提高精度，栅格需要细化，但栅格细化，数据量将以平方指数递增，因此，精度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素。栅格尺寸确定计算若干个小图斑的面积S（i1，2，n）；求最小图斑的面积Smin；求栅格尺寸L=1/2*（Smin）1/2。,栅格尺寸确定,H/2,H=1/2*（minAi）1/2,网格边界的确定,1）栅格行列数确定矢量数据向栅格数据转换前，还要根据研究区域的分辨率要求，确定栅格行列数。,其中i,j,分别为y,x,方向的栅格数；Xmin,xmaxymin,ymax为矢量数据的数值范围；x,y分别按需要确定的为每个栅格单元的边长。,j,i,栅格元素大小和数量的确定,矢量图,栅格图,如一研究区域X方向长15公里，Y方向长30公里，现有该区域的1:1万比例尺的矢量图，要将其转成栅格结构图，要求栅格的最低分辨率是30m*30m。栅格数的确定：行数I=30km/30m=1000格列数J=15km/30m=500格,栅格行列数确定EXAMPLE,A,B,A,B,中心点法BA长度优先法BA面积优先法BB重要性优先法AB,2）栅格单元的归属,边界确定法实现矢栅转换,1、点的转换,2、线的转换,线的转换实质是找出组成曲线的直线段对应的栅格串(1)首先将A，B点转成栅格；(2)确定行列值的范围；(3)求直线中间栅格，实质是由行求列。以一个栅格为例,已知i行,求j列i行同直线相交的y值由y值从直线方程求x值由x值求对应的j,射线法,3、区域的填充,8方向扩散发,内部扩充法,从栅格单元转换到几何图形的过程称为矢量化，矢量化过程要保证以下两点：转换物体正确的外形点：某个单元的值与周围不同，代表点；线：具有相同属性值的连续的单元格，将其搜索出来并细化处理，成为一条线；面：将具有同一属性的单元归为一类，再检测两类不同属性的边界作为多边形的一条边。保持栅格表示出的连通性与邻接性；,三、栅格数据向矢量数据转换,多边形边界提取；边界线追踪；去除多余点及曲线光滑；拓扑关系生成,1、栅格数据向矢量数据转换的典型过程,多边形边界提取二值化细化,5,9,10,141,138,9,5,3,1,0,2,245,156,73,144,178,132,23,7,3,212,5,6,8,29,11,214,167,5,124,110,7,6,5,4,7,133,5,192,350,110,135,6,4,7,244,12,2,5,12,135,201,166,127,155,9,1,1,9,4,8,21,12,211,43,5,0,2,256,22,剥皮法：其实质是从数字图像上，由上而下，自左到右一次选33个像元，进行分析，以不影响其连通性为原则决定中心像元是否可以剥离，逐次排下去，可以将线条带剥离成单个像元的细线。,多边形边界提取二值化细化,2345101112162124283334353842434650,边界线追踪：边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。,孤立点：8邻城中没有为1的象元。端点：8邻城中只有一个为1的象元。结点：8邻城中有三个或三个以上为1的象元。,点端点中间点结点,1、从左向右，从上向下搜索线划起始点，并记下坐标。2、朝该点的8个方向追踪点，若没有，则本条线的追踪结束，转(1)进行下条线的追踪；否则记下坐标。3、把搜索点移到新取的点上，转2。,边界线追踪,拓扑化,4.8空间数据的压缩与综合,数据压缩途径,压缩软件:原数据信息基本不丢失而且可以大大节省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解压缩后才能使用。数据消冗处理:原数据信息不会丢失，得到的文件可以直接使用，缺点是技术要求高，工作量大，对冗余度不大的数据集合效用小。用数据子集代替数据全集:在规定的精度范围内，从原数据集合中抽取一个子集，缺点以信息损失为代价，换取空间数据容量的缩小。,常见空间数据的压缩方法,曲线数据的压缩,面域栅格数据的压缩,面域邻接线段的删除,特征点筛选法：筛选抽取曲线特征点，并删除全部多余点以达到节省存贮空间的目的。,曲线数据的压缩,面域栅格数据的压缩,面域邻接线段的删除,通过压缩编码技术来消除冗余数据：链码游程长度编码块码四叉树编码小波算法,常见空间数据的压缩方法,曲线数据的压缩,面域栅格数据的压缩,面域邻接线段的删除,数据属性的重新分类和空间图形的化简需要对数据进行压缩相邻界线的删除共同属性的合并,常见空间数据的压缩方法,每隔k个点取一点，或每隔一规定的距离取一点，但首末点一定要保留。这种方法可大量压缩数字化使用连续方法获取的点和栅格数据矢量化而得到的点，但不一定能恰当地保留方向上曲率显著变化的点。,1.间隔取点法,这种方法是按垂距的限差选取符合或超过限差的点，其方法如图所示。P2点的垂距大于限差，应保留；P3点的垂距小于限差，予以舍弃。,2.垂距法,曲线数据的压缩,这个方法是沿着边界线，逐点计算通过当前点Pj的两条直线Lj1和Lj2之间的夹角aj，其中Lj1是经过Pj和Pj-k0两点的直线，而Lj2是经过Pj和Pj+k0这两点的直线。若|aj|小于某一阈值a0，那么就认为Pj是一应保留点。,3.合并法（偏角法）,这个方法可用以下几步来描述：(1)在给定的曲线的两端之间连一直线。(2)对曲线上每一点计算它与直线的垂直距离。若所有这些距离均小于某一阈值o，那么就用它来表示原曲线。(3)若(2)中条件不满足，含有最大垂直距离的点Pj为保留点将原曲线分成两段曲线，对它们递归地重复使用分裂法。,4.分裂法(道格拉斯普克法),图中，实线为原曲线，虚线为压缩后的曲线。,道格拉斯普克法,波分析是把信号分解成低频al和高频dl两部分，在分解中，低频al中失去的信息由高频dl捕获。在下一层的分解中，又将al分解成低频a2和高频d2两部分，低频a2中失去的信息由高频d2捕获，如此类推下去，可以进行更深层次的分解。,小波变换,栅格数据的压缩,面域邻接线段的删除,空间数据的综合,4.9数据的插值,现有离散曲面的分辨率、像元大小、方向与要求不符；现有连续曲面的数据模型与要求不一致；现有数据不能完全覆盖所要求的区域,空间插值的理论假设是：空间位置上越靠近的点，越可能具有相似的特征值，而距离越远的点，其特征值相似的可能性越小。,Whatisinterpolation?,Spatialinterpolationcalculatesanunknownvaluefromasetofsamplepointswithknownvaluesthataredistributedacrossanarea.Thedistancefromthecellwithunknownvaluetothesamplecellscontributestoitsfinalvalueestimation.,Theunknownvalueofthecellisbasedonthevaluesofthesamplepointsaswellasthecellsrelativedistancefromthosesamplepoints.,插值已知点全部通过构造的函数求符合函数的其它点逼近已知点整体上接近构造的函数求符合函数的其它点拟合插值逼近的统称光滑一阶导数连续,基本概念,内插和外推,1.离散空间：空间具有跳跃特征（土地利用类型），重要变化发生在边界上，边界内的变化则是均匀的，同质的，即在各个方面都是相同的。邻近元法：以最相邻近图元的特征值表征未知图元的特征值。2.连续空间：空间具有渐变特征（地形表面），内插技术必须采用连续的空间渐变模型实现这些连续变化，可用一种平滑的数学表面加以描述。这类技术可分为整体拟合和局部拟合技术两大类。,整体拟合技术：拟合模型是由研究区域内所有采样点上的全部特征观测值建立的。通常采用的技术是整体趋势面拟合。这种内插技术一般用于模拟大范围内的变化，而不能提供内插区域的局部特性局部拟合技术：则是仅仅用邻近的数据点来估计未知点的值，而不受局部范围外其它点的影响。这类技术包括双线性多项式内插、样条函数、移动拟合法等等。,1.连续空间的插值,构造整体曲面函数,距离倒数权重法样条函数法（Spline）Kriging法趋势面法（Trend）ArcView具有常用的空间插值功能，IDW和Spline法。ArcGIS具有以上的IDW、Spline、Kriging法,计算方法,距离倒数权重法（IDW法）,InverseDistanceWeighted通用，简单以距离的倒数为权重，距离越小、影响越大。常用与地形生成。,样条函数法（Spline）,用样条函数方程Spline方程拟和。橡皮钉子Spline函数的表达式表面的总体曲率最小。不适合于在短距离内有较大变化的表面。适用于地下水位、高程、大气污染。,TheSplinemethodofinterpolationestimatesunknownvaluesbybendingasurfacethroughknownvalues.,Kriging法,Kriging法：点与点之间在距离、方向上存在相互影响关系，可以预先知道计算量大，取样地点有限制，用于土壤成份、地质构造。,WhenyouinterpolateasurfaceusingKriging,thedistanceanddir