第3章-地图数据来源

第3章地图数据来源,空间数据可视化构成地图，产生地图的空间数据有多种途径。1、地面量测（实地量测）2、遥感与摄影测量数据3、GPS测量数据4、各种地理调查,第1节地面测量数据,在测区的控制点上测定许多碎部点，按比例绘制成图。测量工作的主要目的是确定点的坐标和高程。原则：先整体后局部；先控制后碎部小区域的控制测量碎部测量地面测量的现代方法,1、小区域的控制测量,平面控制测量高程控制测量,（1）平面控制测量,三角测量（步骤）在测区内从大地控制点开始，选择控制点建立三角网进行三角测量。也可构成独立的三角锁、网。精确的测定起始边的边长和坐标方位角，然后测定三角形各内角和竖直角。由已知点起算，按三角形的边角关系逐一推算其余各边边长和方位角，求出三角点的坐标值和高差。,三角测量略图,在地面选定一系列的点（称三角点，见图中的A、B、C、），按三角形连接成网。观测三角形网中的所有角度1、2、3。若A、B为已知点（其坐标可用天文测量确定），则AB边的长度和方位角也为已知值。按三角形正弦公式，由AB边可以推算出AC、BC边长，进而求得网中所有边长。根据已知边的方位角和网中各角可以推算网中各边的方位角。再根据已知点坐标及各边的方位角和边长，就能逐次求得其它各点的坐标。,随着空间技术的发展，人造地球卫星上天，空间三角测量也迅速发展起来了。空间三角测量的基本原理与地面三角测量不同之处仅在于：空间三角测量的角度是由卫星根据每一个标定并放有接收卫星信号设备的地面点来测定的，而且这种观测是严格按一定时间间隔进行的。此外，在同一时间内还根据卫星发射的信号测定地面各点至卫星的距离。这样，有了测得的角度和距离值便可求出地面各点的坐标。如下图所示。,空中三角测量略图,小三角测量和导线测量一样，也是建立平面控制的方法之一。所谓小三角测量即是在小范围内进行的三角测量，不考虑地球曲率的影响，按近似的平差方法进行成果计算。它的特点是：各控制点(即三角点)间由连续的三角形构成，只须测量一两条边的长度(称为基线)，所以丈量距离的工作量少，主要工作是观测各三角形的内角。因此这种平面控制形式对于不适应丈量距离的地区(如山区、丘陵区等)来说是简便的。在桥梁和隧道建筑中，为测定桥梁和隧道的轴线长度以及测设隧道开挖方向等，经常用小三角测量方法来解决。,小三角测量,小三角网的布置形式根据测区的地形条件、工程要求、原有的控制网状况等因素，小三角网可以布置成以下等形式：1、三角锁如测区形状是狭长地带，可布设成如图所示的小三角锁，在锁的两端设置两条基线，这种图形的布设与汁算均比较简便，是桥梁、隧道勘测时常用的图形。2大地四边形在跨河测量、测定桥梁轴线或桥梁施工测量中，为了提高点位精度，可在两个三角形中间加入一条对角线，如图所示，称为大地四边形，AB为基线。,外定向线形锁,内定向线形锁,中点多边形,大地四边形,单三角网,小三角的等级在公路工程测量中，小三角测量根据测区大小、精度要求的不同分为一级和二级小三角共两个等级，它们的精度要求与同级导线基本上是一致的。小三角测量可作为国家三角测量进一步的加密控制，在独立测区义可作为首级控制使用。各级小三角测量的主要技术要求见表。,角度交会在一定条件下，用测定某些角度进行控制点加密的方法。前方交会后方交会侧方交会,前方交会作业方式：在已知点A、B上分别向新点P观测水平角和，从而可以计算P点的坐标。,检核：从三个已知点A、B、C上分别向新点P进行角度观测，由两个三角形分别解算P点的坐标。,侧方交会法实质：利用两个高级控制点测定另一未知点的坐标作业模式：在一个已知点A和未知点P上安置仪器，观测水平角A和P。,检核：在P点时，除了观测P之外，还需瞄准第三个已知点C，观测角(称为检验角)作为检核之用。,后方交会法作业模式：将仪器安置在未知点P点向三个已知点进行观测，测出水平角，然后进行计算。,检核：向四个已知点进行观测，测出水平角与检验角(K点为已知点)。,A,B,P,1,1,C,1,2,2,2,D,导线测量作用：平面控制测量，由高等级控制点确定未知点平面位置，作为对下一级的控制,将测区内相邻控制点用直线连接而构成的折线图形，称为导线。,构成导线的控制点，称为导线点。,A,B,x,1,2,3,C,D,x,导线测量就是依次测定各导线边的长度和各转折角值，再根据起算数据，推算出各边的坐标方位角，从而求出各导线点的坐标。,用经纬仪测量转折角，用钢尺测定导线边长的导线，称为经纬仪导线；,若用光电测距仪测定导线边长，则称为光电测距导线。,闭合导线附合导线支导线,导线边长测量,导线边长可用钢尺直接丈量，或用光电测距仪直接测定。,A,B,D,光电测距原理,可在A点安置能发射和接收光波的光电测距仪，在B点设置反射棱镜。,光电测距仪发出的光束经棱镜反射后，又返回到测距仪。,通过测定光波在AB之间传播的时间t，根据光波在大气中的传播速度c，按下式计算距离D：,转折角测量,导线转折角的测量一般采用测回法观测。,图根导线，一般用DJ6经纬仪测一测回，当盘左、盘右两半测回角值的较差不超过40时，取其平均值。,连接测量,导线与高级控制点进行连接，以取得坐标和坐标方位角的起算数据，称为连接测量。,1,2,3,4,5,A,B,DB1,B,1,经纬仪,电子经纬仪,测距仪,（2）高程控制测量,小区域的高程控制和大地控制网一样，有水准测量和三角高程测量。水准测量：建成区、平原三角高程测量：丘陵、山地,三角高程测量,三角高程测量是一种间接测定两点之间高差的方法要求观测两点之间的水平距离D(或斜距S)以及两点之间的垂直角。使用于山区或不便于进行水准测量的地区。,三角高程测量原理较远距离的三角高程测量,一.三角高程测量原理,三角高程测量原理,A点高程已知，在测站A观测AB水平距离D和垂直角，则：,或,B点的高程：,自动安平水准仪,水准仪,2、碎部测量,（1）展绘坐标点（2）距离量测（3）碎部点的选择与施测（4）绘图,（1）展绘坐标点小区域的测量任务通常应用聚酯薄膜进行测图。在聚酯薄膜上绘制坐标网格，按测图比例尺展绘控制测量的全部控制点坐标。以控制点为测站测定周围的碎部。,（2）距离量测碎部测量的距离测定方法钢尺量测视距法测定距离,（3）碎部点的选择与施测为了获得地物的平面轮廓，碎部点应选择在地物特征点上。将测定的碎部点顺序连接起来，构成其平面轮廓。测绘地形点用于碎部的高程标注，也为了绘制等高线。地形点选择在山脊线、谷底线的坡度变换点上。碎部测图多数用经纬仪进行，包括测角、量距和计算。同时配备小平板用于野外的草图绘制。,（4）绘图区域地图（地形图或地籍图）的绘制按地形图图式、地籍图规范规定的符号表示。地图质量检查：图上的地物、地形是否清晰易读；各种符号注记是否正确；地形点高程与等高线是否相符。野外验证与修测以上完成的区域地图是各类地图编制的数据源之一。,3、地面测量的现代方法,（1）全站仪测图组成部分：电子经纬仪电磁波测距仪微处理器功能：测角测距测高测量-数据存储-传输-绘图一体化集成,南方NTS350系列全站仪,拓普康全站仪,（2）数字测图系统由测量设备采集地图数据输入计算机，以制图软件进行编辑处理，成图。电子平板全站仪便携机测图软件,第2节摄影测量与遥感数据,一、遥感数据从一定距离接收地表或近地表地物发射或反射的电磁波，来识别目标地物的理论和方法。电磁波谱：按电磁波的波长、频谱等顺序排列起来。遥感常用的波段：紫外可见光红外微波,电磁波谱,植物的光谱曲线,注意同物异谱、同谱异物的现象,（1）遥感影像特征空间分辨率即地面分辨率,指遥感仪器所能分辨的最小目标的实地尺寸,也就是遥感图像上一个像元所对应地面范围的大小.波谱分辨率传感器在接收目标辐射的波谱时能够分辨的最小波长间隔。时间分辨率静止气象卫星：20-30秒（气象）极轨气象卫星：12小时（气象）Landsat:16天（植物、作物长势）CBERS、SPOT:26天（植物、作物长势）还有不定期的。（城市发展、土地利用等为一年或多年为单位）辐射分辨率传感器接收波谱信号时，能够分辨的最小辐射度差异。,IKONOS,TM,NOAA,空间分辨率,全色波段图（0.40-0.76微米）,0.52-0.60、0.63-0.69、0.76-0.90微米波段的合成,波谱分辨率,（2）遥感影像处理,遥感图像处理内容：遥感图像校正（几何校正、辐射校正）遥感图像增强遥感图像变换遥感图像处理的方法光学图像处理数字图像处理,TM1,TM2,TM3,TM4,TM5,TM6,TM7,TM7,4,1,TM5,7,2,TM5,4,3,TM4,3,2,标准假彩色合成,TM标准假彩色合成图像,TM7(R)、4(G)、2(B),TM3(R)、2(G)、1(B),TM4(R)、5(G)、3(B),TM5,4,3,TM4,3,2,实际应用时，应根据不同的应用目的经实验、分析，寻找最佳合成方案，以达到最好的目视效果。通常，以合成后的信息量最大和波段之间的信息相关最小作为选取合成的最佳目标，例如，TM的4，5，3波段依次被赋予红、绿、蓝色进行合成，可以突出较丰富的信息，包括水体、城区、山区、平原及线性特征等，有时这一合成方案甚至优于标准的4，3，2波段的假彩色合成,（3）遥感影像判读,遥感图像判读方法目视判读（地物特征进行B区玉米的变率为0.28可利用计算机SQL查询,2.顺序量表按某种标志将制图物体或现象排序，表现为一种相对的等级，称为顺序量表。如一级公路、二级公路等分级定性：大小、主次、新旧等顺序量表有等级，无数量排序标志:(1)单因素或多因素:河流长、宽(2)定性：长年河、时令河(3)某种数量关系：港口吞吐量大小,顺序量表的运算方法是选择中位数，并以四分法研究数据的排序位置或编号的离差。,四平镇蚕丝生产,如：表中中位数位置在顺序6、7之间中位数Q2：（543+329）/2=436较高的四分位Q1：（1967+1213）/2=1590较低的四分位Q3:（98+72）/2=85若为四级分序，则1590、436、85正好为产量优良中差的分界。,3.间隔量表给顺序量表赋予一定的量的概念，即利用某种单位对顺序增加距离信息，就成了间隔量表。间隔量表：顺序量表+距离（量的差别）如：表示城市人口的顺序量表大、中、小间隔量表为：100万人以下100-200）万人200-300）万人300万人以上,采用间距量表可以区分空间数据的差别，常用的统计量是算数平均值，而描述数据平均值离散度的是标准差。,大名县小麦产量,N为乡数X为乡的每公顷产量平均值与标准差之间存在一些数学法则：当数据具有频率曲线的钟形分布时，成为正态分布。间距量表间的间距可定为标准差，或标准差的0.5倍、1.5倍。,在本例子中，分别为x=1690；,间距的排序可为：,上表中间距数值为：6761183169021972704,4.比率量表,按数据的间隔排序，但呈比率变化，从绝对零值开始并能执行各种算术运算。,四平镇蚕丝生产,上表为例，设有5个间距排序，最大值为H，最小值为L，比率为r，则间距为：,2334669311863比率量表为：1863,通常以临近的整数表示。则上为：,18632000,（二）两种现象的相关分析相关分析的意义和作用世界各种事物之间的普遍联系是客观存在的，但联系的表现形式却各不相同。这些不同的表现形式大致分两类：一类指事物之间具有完全确定性的关系，称为函数关系。例如圆的面积等于半径的平方乘以，用代表式表示为S=R2。另一类指事物之间的不完全确定关系，称为相关关系。例如农作物的产量与施肥量之间的关系，它们之间不具备完全确定的关系，因为农作物的产量不仅受施肥量的影响，还受种子、土壤、雨量、田间管理等一系列因素的影响，施肥量只是诸因素之一，所以农作物的产量和施肥量之间不能用一一对应的函数关系来描述。但农作物的产量和施肥量之间的关系，通过大量观察能够反映出一种大概趋势，即施肥量增加，从一般意义上说农作物产量也相应增加。相关分析要用一个量数表明事物间相互依存的密切关系程度，这个表明关系密切程度的量数称为相关系数。在社会调查资料的分析中测定出两个事物之间密切程度是十分重要的事情。,同一区域内相关现象的分布特征可以通过相关分析和回归残差分析进行比较，是地图数据处理常用的方法，但分析时要求有比较精确的定量数据。按照数据的定量特征，数据采集的方法有：在两幅相同地域的专题图上，各绘制相同数量的纵横格网，在对应的格网上分别记录其统计值，对这些数据值进行分析。在两幅专题地图上的同位置点（同名点）采集数据，这些点应选择在专题要素有影响的位置上，如河流交汇点、道路转折点、地形特征点、记录其统计值，对这些数值进行分析。,散点图当从定性分析上判明两个事物之间有相关关系之后，要先作一张相关图，判明事物间是否成直线相关，然后才能计算相关系数，在相关图中，横坐标代表一个变量，纵坐标代表另一个变量，将各对资料依次用坐标点绘于图上，这个图便称为散点图。散点图可以说明变量间有无线性相关关系、相关的方向，但不能精确地说明变量之间的密切程度，因此需要计算相关系数来描述两个变量之间关系的密切程度。,在取得两组样本后，可从两个方面获得对象的相关状态：通过数值分布图了解它的相关分布,在坐标纸上按X,Y坐标将数值点标绘点位，若这些点是散乱的，没有任何规律和系统性，说明两种对象之间缺乏联系；若点的分布在图上形成一个狭长的条带，说明两种对象是紧密相关的。,相关关系的类型,相关关系,线性相关,非线性相关,正相关,负相关,通过相关分析取得定量数据,200,150,100,60,50,40,30,20,同一地区,地表径流图,降水量图,利用格网的交点检验出它们的数值。当降水量和地表径流是线性相关时，检验公式为：,相关系数的取值范围及意义,1.r的取值范围为1，1.2.，称完全相关，即存在线性函数关系.r1，称完全正相关.r1，称完全负相关.3.r0，称零相关，即不存在线性相关关系.4.r0，称负相关.5.r0，称正相关.6.愈大，表示相关关系愈密切.,其中n=36经数据计算后得：（见113页表3-8）X=149.8y=44.8,r值说明该地区地表径流的出现和降水量有密切联系，正相关说明地表径流随降水量的增加而增大。,相关分析的目的在于了解两个变量之间的关系密切程度，不涉及两个变量间有无因果关系。从本质上说，相关分析中介对客观事物的一种描述。回归分析是对有相关关系的对象，根据关系的形态选一合适的数学模型来近似地表达变量间平均变化关系。这个数学模型称为回归方程式。从本质上说回归分析具有推理的性质，作为结果的变量为因变量，作为原因的变量为自变量。用Y来表示因变量，用X来表示自变量。这种因果关系的确定依赖于事先的定性分析。相关分析中两个变量的关系是双向的，而回归分析是单向的，就是指这种因果关系不能颠倒。回归分析比相关分析前进了一步，增加了因果性，有了预测功能，因此它的作用也大于相关分析。,一元回归模型和计算(线性回归模型）回归计算的目的就是找出一条最佳的直线，使它与实际数值的偏差为最小。这条最佳回归线可以用数学方程式表示为：Y=b+aX，这也就是常说的数学模型。其中a和b是待定系数，b为直线在Y轴上的截距，a为直线的斜率，也称回归系数，a和b一旦确定，直线也就确定了。上例子中,相关关系和回归分析的及应注意的几个问题1.相关是回归的必要条件，也就是说有相关关系未必有回归关系，无相关关系必无回归关系，之所以有相关关系未必有回归关系，是因为这两个事物虽有密切关系，但不是因果关系。2.相关关系不仅可以说明变量之间关系的密切程度，还可以度量回归议程对实际资料的拟合优度。3.应用回归方程进行预测时，不能使用超出资料所包括范围的自变量数值。4.预测的回归方程只能反映一定时期内事物间的相互关系，随着时间的推移，这种关系会起变化。,（三）回归残差制图,除了两个变量间关联的数值指标外，回归分析和相关分析在残差制图中也很重要，有助于辨别和确定那些不能很好解释回归方程的局部问题（是否存在可疑数据）。它可以检验出回归方程超出或界限以外所出现数据产生的原因。残差=计算值（回归方程式）和实际值的差,例子：怀雨县21个乡的水稻面积和产量数据,计算结果,计算标准估算误差可以估计回归线或计算a、b值与数据的吻合程度，实际上它是上述残差值的标准差，公式为：,本例子的标准估算误差为：24.98,21个乡布点、回归方程、误差示意图,X,Y,水稻生产回归示意图见116页7、9、21乡明显增产8乡明显减产,量表相关分析回归残差分析,第5节地理数据库,一、数据库特征地理数据库为数字制图和地理信息系统所应用。地理数据分为空间数据和属性数据。特征：数据集成化，集中控制管理数据，便于数据共享；数据冗余度小，更新、修改时要保证数据的一致性；数据独立，与应用程序相互独立；应用不同的数据模型以表述空间数据的组织和联系；数据保护，安全、完整、多路存取、故障的发现和恢复。,采集的数据,入库管理,空间数据库属性数据库,手扶数字化扫描矢量化测量数据航空像片遥感影像属性记录,二、数据模型,常用的数据模型有：（一）层次数据模型（二）网状数据模型（三）关系数据模型GIS中还包括：(四）面向对象的数据模型,（一）层次数据模型是一种用树形结构表示实体之间的联系的模型。将数据组织成一对多的关系结构。如：,这种数据模型的特点：（1）有且仅有一个节点无双亲，即树的根（2）其他节点有且仅有一个双亲（3）具有数据冗余该数据模型用于GIS数据库管理时的缺点：（1）不能表示多对多的关系，即复杂的地理实体间有公共边或公共点时。（2）对于任何对象的查询都要从根节点开始，最末一级节点的查询效率很低，速度慢，难以进行反向查询。（3）数据独立性差，数据的更新、插入和删除操作较复杂，父节点删除意味着它的下级所有子节点都被删除。,该种数据模型特别适合用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织，如：全国省市县乡十分标准的有向树,交通工程,（二）网状数据模型是一种用丛（网）结构来表示实体及其联系的模型。各记录模型间可以有任意个连接关系。一个子节点可以有多个父节点可以有一个以上的节点无父节点父节点与某个子节点间可以有多种联系（一对一、多对一、多对多）,该数据模型特别适合于数据间关系非常复杂的情形。除了图形数据外，还可以表示企业内容不同的生产部门之间的生产和消耗间的关系。缺点是：数据间关系要靠指针来联系，从而使得数据量大大增加，占用存储空间；修改数据时，其指针也要随着修改，维护起来不方便。,（三）关系数据模型基本思想是：利用二维表来表示实体及其联系。列：对应实体的一个属性，并给出属性值行：对应一个特定的实体及其多种属性，称为元组（记录）关键字：记录由一个或多个属性来标识，称为关键字，主关键字：表的关键字称为实体间的联系通过二维表之间的联系进行。,关系模型可以有多张二维表。,关系模型遵循以下条件：（1）同一列的属性相同（2）赋予表中各列不同的属性名（3）表中各列的次序无关紧要（4）没有相同内容的记录（5）表中各行的次序无关紧要,优点：（1）结构灵活、便于运算（2）便于SQL查询缺点：当数据量大时，顺序查找会花费较多的时。用来设计地理属性数据，该模型较为适宜,（四）面向对象数据模型无论怎样复杂的事例都可用一个对象表示。每个对象包含数据集和操作集，即面向对象的数据模型具有封装性的特点。1、面向对象的概念（OO）对象与封装性每个实体都可看成一个对象，是由描述它的状态的数据和表示它的行为的一组操作（方法）组成的。对象是行为与数据的统一体。,如：面向对象的程序设计方法,（1）对象与封装性一个对象（Object）可以定义成一个三元组：Object（ID,S,M）其中：ID是对象的标识M是方法集S为对象的内部状态，可以是一属性值；也可是另外一组对象的集合。（2）分类（CLASS）同类对象的集合，每个对象都是这个类的一个实例，即每个对象可能有不同的属性值，可以用一个三元组来建立一个类型：,Class=（CID,CS,CM）其中：CID为类标识或类型名CS状态描述部分（属性）CM应用于该类的操作（方法）如：一个城市的GIS中,包括建筑物、街道、公园等设施类型，而交校路5号主办公楼则是建筑物类中的一个实例（对象），建筑物中可有如，用途、地址等属性，并可能有更新属性数据等操作。,（3）概括（CLASS）将几种类型中某些具有公共特征的属性和操作抽象出来，形成更一般的类，即超类。设：CLASS1=（CID1,CS1,CS2,CM1,CM2）CLASS2=（CID2,CS1,CS3,CM1,CM3）于是有SUPERCLASS=(SID1,CS1,CM1)因此，前二者就为：CLASS1=（CID1,CS2,CM2）CLASS2=（CID2,CS3,CM3）此时，CLASS1和CLASS2就称为SUPERCLASS的子类，即SUBCLASS。,如：建筑物是饭店的超类，因为饭店也是建筑物，子类还可以进一步进行分类，如饭店类可以进一步分成小餐馆、普通旅舍、宾馆等类型。,建筑物,饭店,小餐馆,普通旅舍,超类子类,建立超类是为了避免说明和存储上的大量冗余,（4）联合将同一类对象中的几个具有相