空间数据的采集.ppt

现实世界,内容,5.1空间数据采集在GIS中的地位5.2空间数据采集的主要内容与任务5.3GIS的数据来源5.4空间数据采集5.5采集过程中常出现的误差和错误,5.1空间数据采集在GIS中的地位,空间数据的采集是指将非数字化形式的各种信息通过某种方法数字化，并经过编辑处理，变成系统可以存储管理和分析的形式。空间数据的采集主要包括属性数据和图形数据的采集对于属性数据的采集经常是通过键盘直接输入；图形数据的采集实际上就是图形数字化的过程。GIS的核心是地理数据库，建立gis的第一步就是对有关空间实体的几何数据和属性数据进行合理的组织，形成地理数据库，这个过程也就是gis的数据采集。地理信息系统的价值及其功能在很大程度上取决于系统内所包含的地理空间数据的内容与质量,以数据为处理线索硬件软件数据=127,数据是GIS的血液数字线划数据影像数据数字高程模型地物的属性数据,5.2空间数据采集的主要内容与任务,主要内容空间图形数据的采集非空间属性数据的采集空间数据和非空间数据的连接主要任务将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接受的数字形式数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性不同的数据来源要用到不同的设备和方法数据的转换装载数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等,5.3GIS数据来源,GIS数据可以概括为五类数字线划图（DLG,DigitalLineGraph）数字正射影像（DOM,DigitalOrthographMap）数字高程模型（DEM,DigitalElevationModel）数字栅格地图（DRG,DigitalRasterGraph）地物的属性数据（Attribute）空间数据的元数据（Metadata）,D产品,数据源分类图形图像数据：地图工程图规划图照片航空与遥感影像等文字数据：调查报告文件统计数据实验数据野外调查的原始记录等,空间数据初步处理,1）已有电子数据-2）纸质地图-3）遥感数据-4）实地勘测数据-5）其他统计资料及文本数据-,数据转换手扶跟踪数字化、扫描矢量化、鼠标录入遥感解译GPS定位仪等仪器测量键盘录入,地图是重要的信息源。这不仅是因为地图的内容直观与丰富，而且是由于在地理信息系统诞生以前，地图是表示空间与非空间信息强有力的手段，从某种意义上说，一册完备的专题地图集是一个很好的人工操作地理信息系统。遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源。它具有下列一些特点：能取得大面积、综合的信息；速度快；降低数据储存冗余和不连续性；能提供各类专题所需要的信息。文字数据主要用来描述空间对象的属性，比如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据确定应用哪些类型的数据是由系统的功能所确定的。例如要建立一个土地的适宜性和承载力的信息系统，所需要的数据有地形、土壤类型、降雨、地下水位、运输条件等。,5.4空间数据采集,GIS需要输入两方面的数据，即图形数据与属性数据。为此需进行三方面的工作，即图形数据的采集、属性数据的采集和图形数据与属性数据的连接。,图形数据的采集,（一）、手工键盘输入1输入矢量数据输入坐标值2输入栅格数据按行列号输入各象元的属性,输入方法简单，对设备要求低效率低，工作烦琐,（二）、手扶跟踪数字化仪输入,手扶跟踪数字化仪,根据其采集数据的方式分为机械式、超声波式和全电子式三种,其中全电子式数字化仪精度最高，应用最广。按照其数字化版面的大小可分为A0、A1、A2、A3、A4等。,图形数据的采集,数字化过程把待数字化的图件固定在图形输入板上，首先用鼠标器输入图幅范围和至少四个控制点的坐标，随后即可输入图幅内各点、曲线的坐标。通过数字化仪采集数据数据量小，数据处理的软件也比较完备，但由于数字化的速度比较慢，工作量大，自动化程度低，数字化的精度与作业员的操作有很大关系，所以，目前很多单位在大批量数字化时，已不再采用它。,（三）、扫描仪输入,扫描仪简介扫描仪是直接把图形(如地形图)和图象(如遥感影象、照片)扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储表示的设备。按其所支持的颜色分类，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件又分为电荷耦合器件(CCD)扫描仪、MOS电路扫描仪、紧贴型扫描仪等；按扫描宽度和操作方式分为大型扫描仪、台式扫描仪和手动式扫描仪。扫描仪的分辨率是指在原稿的单位长度(英寸)上取样的点数，单位是dpi，常用的分辨率有300-1000dpi之间。扫描图象的分辨率越高，所需的存储空间就越大。现在多数扫描仪都提供了可选择分辨率的功能。对于复杂图象，可选用较高的分辨率；对于较简单的图象，就选择较低的分辨率。,图形数据的采集,小型扫描仪,工程扫描仪,主要工具是扫描仪和矢量化软件,扫描仪分为栅格扫描仪和矢量扫描仪,1、栅格扫描仪法,扫描得到的是栅格数据，从栅格图象中提取点、线、面及文字信息，这一过程包括去除噪音、线的细化等。此后的处理需借助人机交互实现，如断线的连接、属性码的添加等，此类处理俗称“抬头数字化”。,屏幕跟踪矢量化流程：,选择投影和单位输入控制点编辑控制点,扫描过程扫描时，必须先进行扫描参数的设置（具体扫描界面如图5-3所示），包括：a、扫描模式的设置，（分二值、灰度、彩色），对地形图的扫描一般采用二值扫描，或灰度扫描。对彩色航片或卫片采用彩色扫描，对黑白航片或卫片采用灰度扫描。b、扫描分辨率的设置，根据扫描要求，对地形图的扫描一般采用300dpi或更高的分辨率。c、针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、对比度、色调、GAMMA曲线等。d、设定扫描范围。通过扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。如一张地形图采用300dpi灰度扫描其数据量就有20兆左右。除此之外，扫描获得的数据还存在着噪声和中间色调像元的处理问题。噪声是指不属于地图内容的斑点污渍和其它模糊不清的东西形成的像元灰度值。,噪音范围很广，没有简单有效的方法能加以完全消除，有的软件能去除一些小的脏点，但有些地图内容如小数点等和小的脏点很难区分。对于中间色调像元，则可以通过选择合适的阈值选用一些软件如Photoshop等来处理。一般对获得的栅格数据还要进行一些后续处理如图象纠正、矢量化扫描输入因其输入速度快、不受人为因素的影响、操作简单而越来越受到大家的欢迎，再加之计算机运算速度、存储容量的提高和矢量化软件的踊跃出现，使得扫描输入已成为图形数据输入的主要方法。,全自动矢量化半自动矢量化（交互式）手工式,AutoCAD环境下的数字化方法调入图象用CAD点、线工具跟踪图象中需要数字化的边界分层数字化所有需要的信息将图形文件予以保存,作业质量有所提高，提高工作效率，降低了劳动强度,扫描数字化界面(1),扫描数字化界面(2),2、矢量扫描仪法,是实现直接跟踪扫描原图上的曲线，并直接产生矢量数据。目前以激光方式为主，作业员用光标引导激光束到被数字化的曲线上，激光束自动沿线跟踪，碰到线交叉处或端点时，自动停止移动。这种方法数字化精度高，数据量小，但对原图件要求高，设备也相对昂贵。,（四）、解析测图法输入,由航空或航天立体象对重建三维立体模型，测量地面三维坐标，并传输到计算机。,目前，解析测图法已发展至全数字测图阶段,图形数据的采集,1）平板仪（经纬仪）测量采用平板仪或经纬仪到野外进行测量是最传统的野外测量方法、仪器成本低产品是纸质（模拟）地形图，即非数字形式野外劳动强度大、工作效率不高、图形描绘质量因人而异要转换成数字形式必须采用数字化的方式进行,野外数据采集,平板仪测量,2）全站仪测量是电子经纬仪和测距仪的集成，得到数字形式的方位角、距离或三维坐标作业灵活、精度高作业形式全站仪+与电子手簿：野外采集数据点、绘草图，室内进行数据导入、图形编辑电子平板：是平板仪的电子形式，野外即测即所得，可以及时了解测绘的正确与否,野外数据采集,3）GPS测量GPS的基本概念全球定位系统（GPS），有美国海军于1973年开始实施，并于20世纪90年代开始使用由三部分组成：空间部分、控制部分和用户部分空间部分：包括卫星和在佛罗里达州Canaeral海岬携载卫星升空的德而塔火箭；卫星系统24颗卫星组成，高度为20183KM，分布在6个轨道面上，轨道面之间的夹角为60度，并且与赤道面的交角为55度，以保证可以覆盖极地地区,野外数据采集,摄影测量,1）摄影测量学(Photogrammetry）概念：对研究的对象进行摄影，根据所获得的构像信息，从几何方面和物理方面加以分析研究，从而对所摄对象的本质提供各种资料的一门学科研究内容获取被研究物体的影像单张或多张像片处理的理论、方法、设备和技术如何用图形、图像或数字形式将所测得的成果表示出来任务测制各种比例尺的地形图建立地形数据库，为各种GIS和LIS提供基础数据,2）摄影测量分类（按处理技术手段）模拟摄影测量：利用模拟仪器完成摄影测量工作，制作模拟地形图解析摄影测量：利用解析仪器*（精密立体测图仪）完成摄影测量工作，生产数字线划图、数字高程模型数字摄影测量：利用计算机完成摄影测量工作，输出结果也是数字线划图、数字高程模型、以及数字正射影像,3）摄影测量处理流程,1）遥感（RemoteSensing）的定义从广义上说，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测从狭义上说，遥感是借助对电磁波敏感的仪器，从远处（不与探测目标相接触）记录目标物对电磁波的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出目标物的特征性质及其变化的综合性探测技术,遥感图像处理,2）遥感分类根据运载工具不同，遥感可分为：航天遥感、航空遥感、近地遥感、地面遥感根据辐射源不同，遥感方式又可分为：主动式和被动式遥感按电磁波的波谱范围，遥感可分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多谱段遥感按应用领域或专题，遥感还可分为：环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等,航空、航天遥感示意图,3）遥感技术系统由遥感平台、遥感器、信息传输接收装置以及数字或图像处理设备等及其技术组成,4）遥感技术优势视域广阔，监测范围最大可覆盖整个地球可瞬时成像、实时传输、快速处理，有助于迅速获取信息和实施动态监测遥感影像形象逼真，信息丰富，可进行定性、定量分析和量测可利用不同目标物对不同波段电磁波的穿透或反射特性来认识目标物加宽了人眼所能观测的光谱范围，从可见光到紫外和红外波段,多光谱卫星传感器获得的全球天然彩色图像,5）遥感数据类型(主要)目前，已有美国、法国、日本、硬度等国发射了陆地卫星，我过已发射了国土资源普查卫星、与巴西合作美国陆地卫星（Landsat）,1972.7.23、1975.1.22、1978.3.5简称Landsat-1、2、3号MSS多光谱扫描仪分辨率79*79、周期18天Landsat-4(1982)、5(1984),专题制图仪（TM）、分辨率30*30、周期16天美国诺阿气象卫星的甚高分辨率辐射仪法国SPORT卫星数据，SPORT-1(1986)、SPORT-2(1990)SPORT-3(1993)、SPORT-4(1998)，高分辨率可见光传感器（HRV）,分辨率10*10（全色）、20*20（分色绿、红、红外）、周期26天，同一地区的成像周期为（3.7-2.4天），SPORT-5(分辨率为5M、10M)日本地球资源卫星(JERS),JERS-1(1992),合成孔径雷达（SAR）、分辨率18M印度遥感卫星（IRS）,IRS-1A(1988),IRS(1991),周期22天欧洲遥感卫星（ERS）数据，ERS-1(1991),7种传感器，其中合成孔径雷达用于土地利用/土地覆盖调查，ERS-2（1995）美国商用通讯卫星QUICKBIRD（快鸟）（2001.10）,分辨率达0.61M,6）遥感图像处理系统目前国内外流行的遥感图像处理软件有ERDASIMAGINE、ENVI、PCI、TITANImage、ImageXuiteRS、Matlab遥感图象处理系统的功能包括文件管理、图像编辑、图像浏览、图像的几何处理、图像增强、图像滤波、图像运算、图像统计、图像分类、图像变换、图像融合、遥感图像制图,7）遥感与GIS集成与相互作用RS与GIS的集成可用于全球环境变化监测、空间数据自动更新遥感与GIS系统集成的角度看，可分无缝集成、整体集成从数据相互利用的角度看，遥感与GIS结合（相互作用）主要有五个层次,遥感与GIS的结合层次,图像解译,遥感影象的信息，要进入GIS，很重要的一步就是图像解译：从图像中提取有用信息的过程。对图像进行解译，是一项涉及诸多内容的复杂过程。这些内容包括：研究地理区域的一般知识；掌握影像分析的经验和技能；对影像特征的深入理解。有时，在图象解译之前，还会对其进行图象增强处理。图像解译过程一般是建立在对图像及其解译区域进行系统研究的基础之上，具体包括图象的成像原理、图象的成像时间、图象的解译标志、成像地区的地理特征、地图、植被、气候学以及区域内有关人类活动的各种信息。遥感图象的解译标志很多，包括图象的色调或色彩、大小、形状、纹理、阴影、位置及地物之间的相互关系等。色调被认为是最基本的因素，因为没有色调变化，物体就不能被识别。大小、形状和纹理较复杂，需要进行个体特征的分析和解译。而阴影、类型、位置和相互关系则最为复杂，涉及特征间的相关关系。影像分析是一个不断重复的过程，其中要对各种地物类型的信息以及信息之间的相关关系进行周密调查，收集资料、检验假说、作出解译并不断修正错误，才能最终得出正确的结果。遥感图象的解译有目视判读和计算机自动解译两种方法，其中，自动解译又可分为监督分类和非监督分类两种。,（五）、已有数字形式空间数据的录入,遥感数据其他与GIS数据库不兼容的数字化信息,图形数据的采集,属性(Attribute)数据：空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。,它是描述地理实体的社会、经济或其它专题数据。其表达方式是字符串、各种代码或统计数值等。属性数据是对地理实体的详细描述，在GIS数据中占有很大比重，是GIS处理的主要对象，它为管理、规划与决策提供充分的参考信息。,属性(Attribute)数据的采集,属性数据的存在方式,直接记录在栅格或矢量数据文件中单独输入数据库存储，通过关键字（ID码）与图形数据联系,属性数据输入方式,一般采用键盘输入对照图形输入预先建立属性表输入属性数据，然后根据关键字与图形数据自动关联,国家资源与环境信息系统规范在“专业数据分类和数据项目建议总表”中，将数据分为社会环境、自然环境和资源与能源三大类共14小项，并规定了每项数据的内容及基本数据来源。,数据采集常用设备,定位设备,数字化设备,数据源与相应设备,地图,地面测量数据,统计资料,航空、遥感,文字数据,多媒体,坐标几何,数字化仪,扫描仪,摄影测量系统,键盘,空间数据库,编辑处理,数据交换,数据采集方案,空间数据的采集流程,几何数据与属性数据的连接,为了把空间实体的几何数据与属性数据联系起来，必须在几何数据与属性数据之间有一公共标识符。标识符可以在输入几何数据或属性数据时手工输入，也可以由系统自动生成(如用顺序号代表标识符)。只有当几何数据与属性数据有一共同的数据项时，才能将几何数据与属性数据自动地连接起来；当几何数据或属性数据没有公共标识码时，只有通过人机交互的方法，如选取一个空间实体，再指定其对应的属性数据表来确定两者之间的关系，同时自动生成公共标识码。,图幅数据几何纠正,x=A1x+A2y+ay=B1x+B2y+b,变换参数A1，A2，a,B1，B2，b,5.5采集过程中常出现的误差和错误,空间数据编辑的必要性修正数据输入错误维护数据的完整性和一致性更新地理信息空间数据的编辑与处理的主要内容误差或错误的检查与编辑图象纠正数据格式的转换地图投影转换图象解译图幅拼接,误差或错误的检查与编辑,通过矢量数字化或扫描数字化所获取的原始空间数据，都不可避免的存在着错误或误差，属性数据在建库输入时，也难免会存在错误，所以，对图形数据和属性数据进行一定的检查、编辑是很有必要的。图形数据和属性数据的误差主要包括以下几个方面：数据不完整、重复空间数据位置不正确空间数据比例尺不准确空间数据变形几何和属性连接有误属性数据不完整,数字化误差常见误差类型,(a),实际地物,(b),不及,(c),过头,伪节点,多边形不封闭,接点不重合,(a),正常多边形,(b),不正规多边形,图幅拼接（边界匹配）,在相邻图幅的边缘部分，由于原图本身的数字化误差，使得同一实体的线段或弧段的坐标数据不能相互衔接，或是由于坐标系统、编码方式等不统一，需进行图幅数据边缘匹配处理。图幅的拼接总是在相邻两图幅之间进行的。要将相邻两图幅之间的数据集中起来，就要求相同实体的线段或弧的坐标数据相互衔接，也要求同一实体的属性码相同，因此必须进行图幅数据边缘匹配处理。,图幅接边误差,图幅接边误差,方法：第一种方法是小心地修改空间数据库中点和矢量的坐标，以维护数据库的连续性；第二种方法是先对准两幅图的一条边缘线，然后再小心地调整其它线段使其取得连续。图幅接边步骤：边界匹配（edgematch）图幅接边(mapjoin)边界融合（dissolve）,为发现并有效消除误差，一般采用如下方法进行检查：1、叠合比较法。是空间数据数字化正确与否的最佳检核方法，按与原图相同的比例尺用把数字化的内容绘在透明材料上，然后与原图叠合在一起，在透光桌上仔细的观察和比较。2、目视检查法。指在屏幕上用目视检查的方法，检查一些明显的数字化误差与错误，如上图所示，包括线段过长或过短、多边形的重叠和裂口、线段的断裂等；3、逻辑检查法。如根据数据拓扑一致性进行检验，将弧段连成多边形，进行数字化误差的检查。有许多软件已能自动进行多边形结点的自动平差。另外，对属性数据的检查一般也最先用这种方法，检查属性数据的值是否超过其取值范围。属性数据之间或属性数据与地理实体之间是否有荒谬的组合。纠正对于空间数据的不完整或位置的误差，主要是利用GIS的图形编辑功能，如删除（目标、属性、坐标），修改（平移、拷贝、连接、分裂、合并、整饰），插入等进行处理。对空间数据比例尺的不准确和变形，可以通过比例变换和纠正来处理。,误差修正一般过程：设定容许值连接接点重建拓扑关系,图像纠正,纠正的必要性：由于如下原因，使扫描得到的地形图数据和遥感数据存在变形，必须加以纠正。（此处的图象主要指通过扫描得到的地形图和遥感影象）1、由于受地形图介质及存放条件等因素的影响，使地形图的实际尺寸发生变形；2、在扫描过程中，工作人员的操作会产生一定的误差，如扫描时地形图或遥感影象没被压紧、产生斜置或扫描参数的设置等因素都会使被扫入的地形图或遥感影象产生变形，直接影响扫描质量和精度；3、由于遥感影象本身就存在着几何变形；4、由于所需地图图幅的投影与资料的投影不同，或需将遥感影象的中心投影或多中心投影转换为正射投影等。5、由于扫描时，受扫描仪幅面大小的影响，有时需将一幅地形图或遥感影象分成几块扫描，这样会使地形图或遥感影象在拼接时难以保证精度。,纠正的实质：主要是建立要纠正的图象与标准的地形图或地形图的理论数值或纠正过的正射影象之间的变换关系主要方法：目前，主要的变换函数有：仿射变换、双线性变换、平方变换、双平方变换、立方变换、四阶多项式变换等具体采用哪一种，则要根据纠正图象的变形情况、所在区域的地理特征及所选点数来决定。,地形图和遥感影象的纠正过程及具体步骤：1、地形图的纠正对地形图的纠正，一般采用四点纠正法或逐网格纠正法。四点纠正法：一般是根据选定的数学变换函数，输入需纠正地形图的图幅行、列号、地形图的比例尺、图幅名称等，生成标准图廓，分别采集四个图廓控制点坐标来完成。逐网格纠正法：是在四点纠正法不能满足精度要求的情况下采用的。这种方法和四点纠正法的不同点就在于采样点数目的不同，它是逐方里网进行的，也就是说，对每一个方里网，都要采点。具体采点时，一般要先采源点（需纠正的地形图），后采目标点（标准图廓），先采图廓点和控制点，后采方里网点。,2、遥感影象的纠正遥感影象的纠正，一般选用和遥感影象比例尺相近的地形图或正射影象图作为变换标准，选用合适的变换函数，分别在要纠正的遥感影象和标准地形图或正射影象图上采集同名地物点。具体采点时，要先采源点（影像），后采目标点（地形图）。选点时，要注意选点的均匀分布，点不能太多。如果在选点时没有注意点位的分布或点太多，这样不但不能保证精度，反而会使影象产生变形。另外选点时，点位应选由人工建筑构成的并且不会移动的地物点，如渠或道路交叉点、桥梁等，尽量不要选河床易变动的河流交叉点，以免点的移位影响配准精度。,思考与练习,空间数据采集方法有哪些？它们分别适合采集什么样的数据？说说在数字化中属性数据采集的原则和方法？为什么要对数字化地图进行编辑与处理后才能入GIS数据库？,数据格式的转换,数据格式的转换一般分为两大类：不同数据介质之间的转换，即将各种不同的源材料信息如地图、照片、各种文字及表格转为计算机可以兼容的格式，主要采用数字化、扫描、键盘输入等方式数据结构之间的转换，同一数据结构不同组织形式间的转换。包括不同栅格记录形式之间的转换（如四叉树和游程编码之间的转换）和不同矢量结构之间的转换（如索引式和DIME之间的转换）。这两种转换方法要视具体的转换内容根据矢量和栅格数据编码的原理和方法来进行。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两种。,例：栅格转换,地图投影转换,1、正解变换:通过建立一种投影变换为另一种投影的严密或近似的解析关系式，直接由一种投影的数字化坐标x、y变换到另一种投影的直角坐标X、Y。2、反解变换:即由一种投影的坐标反解出地理坐标(x、yB、L)，然后再将地理坐标代入另一种投影的坐标公式中(B、LX、Y)，从而实现由一种投影的坐标到另一种投影坐标的变换(x、yX、Y)。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，或有限差分法，最小二乘法、或有限元法，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。目前，大多数GIS软件是采用正解变换法来完成不同投影之间的转换，并直接在GIS软件中提供常见投