空间信息系统原理03

第三讲空间服务,1、空间信息获取与处理2、空间信息管理3、空间分析4、空间信息表现与制图5、其他空间服务,1、空间信息获取与处理,空间信息的获取是一个空间信息系统建设的首要任务。一个空间信息系统建设，70以上的工作（费用）将花费在空间信息的获取上面。,1、空间信息获取与处理数据来源,对于一个空间应用系统的建设来说，空间数据的来源主要有四种渠道：数据转换：各种交换格式数据（DXF/E00/MIF等）遥感/GPS数据：图象、GPS坐标点文件等数字测量：形成纸质地图或坐标点文件已有纸质地图数据转换是目前空间数据共享的一个重要途径，因此，一般的空间信息系统平台都提供了各种交换格式的数据转入/转出功能。将坐标点文件转为地图数据也是空间信息系统平台必须提供的基本功能。,1、空间信息获取与处理地图数字化,从已有纸质地图进行数字化录入，是目前空间应用系统建设所广泛采用的手段，但也是最耗费人力资源的工作。目前，将纸质地图数字化为矢量电子地图，主要有两种方式：手扶跟踪数字化扫描数字化,1、空间信息获取与处理地图数字化,手扶跟踪数字化：利用数字化仪将地图上的空间实体进行离散化采点。数字化仪是通过串口与计算机相联的，它可以设置一系列参数（包括通信参数和数字化仪操作参数）以保证数据录入的准确性和精度。数字化仪的主要工作部分就是面板和游标。在进行地图手扶跟踪数字化时，需要在数字化仪面板坐标和地图真实坐标之间建立映射关系，通常的做法是先录入三个不在同一条直线上的控制点。,1、空间信息获取与处理地图数字化,1、空间信息获取与处理地图数字化,除了利用数字化仪进行地图数字化之外，还可以利用键盘和鼠标进行地图数字化，前者主要是针对文字数据而言，且数据量不太大；后者则主要用于示意图的数字化，不需要很高的精度。,示例,1、空间信息获取与处理地图数字化,扫描数字化：利用扫描仪将地图转换成图象数据，然后基于图象数据进行矢量化。地图扫描字化主要包括以下几个步骤：,目前，扫描矢量化只能做一些简单地图中点、线状实体的矢量化，所获得的也只是一些几何信息，并且不太可靠。理想化的扫描矢量化还需模式识别等技术的进一步发展。,1、空间信息获取与处理地图数字化,在地图数字化过程中，空间数据最容易产生误差，因此在此过程中要进行严格的误差检查：空间数据不完整或重复：数字化不完整；重复数字化；空间数据位置不正确：数字化、材料或仪器引起；原点和比例尺有误引起；空间数据的比例尺不准确；变形：原数字化材料上的各种变形误差。,1、空间信息获取与处理数据后处理,地图的编辑修改：点、线、面等实体的位置变化、及其他修改操作。点：删除、移动位置、更改属性线：删除、移动折点、增减折点、合并与分离线、更改属性等面：删除、更改形状、更改属性等标注：删除、移动位置、更改方向、更改字体等,示例,1、空间信息获取与处理数据后处理,坐标变换：将地图数据从一种投影转换成另一种投影。,1、空间信息获取与处理数据后处理,地图拼接：将两幅或多幅地理空间范围相邻的电子地图合并成一幅电子地图。在地图拼接时需要将那些横跨两个或多个图幅的同一个实体合并成一个实体。,示例,1、空间信息获取与处理数据后处理,拓扑关系生成：主要是指多边形拓扑关系的生成。线的拓扑关系可以在数字化的时候录入。有些空间信息系统并不存储拓扑关系，实体存储时相互之间是孤立的，只在进行拓扑分析时即时计算得到，但这种即时获得的拓扑关系并不准确（有关拓扑关系的表达与存储参见第二讲中的“空间数据结构”）。多边形拓扑关系的生成指的是从具有面状特性的、带拓扑关系的线图中生成面实体。有关多边形生成算法，请大家课后进一步了解。,示例,1、空间信息获取与处理数据后处理,地图剪裁和再分类地图剪裁是从已有的图层当中，按照某种几何形状（如：矩形、圆、多边形等）作为剪裁区域，将落在该区域中的实体剪裁出来，形成一个新的图层。地图再分类是对已有的图层当中的实体进行更进一步的分类，将不同类别的实体拆分成不同的新图层。,2、空间信息管理,空间数据库是存取、管理空间信息的数据库。与一般数据库相比，空间数据库具有以下特征：数据量特别巨大空间数据和属性数据统一应用广泛在第二讲中讲过，空间信息是按分层的方式组织的，空间数据和属性数据统一管理的模式分为：文件模式、混合模式、关系数据库模式、对象关系数据库模式、面向对象数据库模式等五种。,2、空间信息管理,不论采取哪种管理模式，空间数据库都必须提供以下功能：数据管理：图层检索、图层删除等数据备份：图层备份、数据库备份等数据存取：图层数据存取、图层中部分实体存取等为了提高空间数据库中各种功能的效率，空间索引技术是任何空间数据库都必须采纳的基本技术之一。此外，在网络环境下，为了提高空间数据的访问效率，减少空间数据的传输，网络空间缓存技术也是非常必要的。,2、空间信息管理,空间索引技术空间实体的表达形式复杂，数据量大，各种空间操作不仅计算量巨大，而且多具有面向邻域的特点。空间索引正是顾及了空间实体的这些特点，依据空间实体的位置和形状或空间实体之间的某种空间关系，按一定顺序排列的一种数据结构，其中包含空间实体的概要信息如对象的标识、外接矩形及指向空间实体实体的指针。作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法和空间实体之间，通过它的筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间实体被排除掉，从而提高空间操作的效率。空间索引结构主要有三大类：R树结构、四叉树结构和线性映射结构。,层次网格空间索引,2、空间信息管理,2、空间信息管理,网络空间缓存技术的作用包括两个方面：一是空间数据库的存取效率，特别是采用对象关系数据库存储空间对象时的效率；另一个是减少空间数据的网络传输量，提空间数据的网络传输效率。网络空间缓存一般包含三个层次：数据库缓存、局部缓存代理以及客户端缓存（参考丛升日博士论文）。,2、空间信息管理,网络空间缓存结构,数据库缓存,局部缓存代理,客户端缓存,2、空间信息管理,与一般的数据库提供结构化查询语言（SQL）相似，空间数据库也试图提供一套标准化的查询语言，用于空间数据库的管理、备份合存取操作，这就是所谓的空间查询语言（SpatialQueryLanguage）。例如：select*fromcitywherecity.population100andcity.Distance((京九铁路)50;空间查询语言在表达和使用上十分复杂，它需要嵌入各种空间查询与分析操作。目前，空间查询语言仍然处于理论发展和技术探索阶段。,3、空间分析,3、空间分析空间查询,图形查询：实体之间的空间关系查询，实体的属性信息查询等。属性查询：基于实体的属性信息进行查询，与一般的数据库查询相同，只不过最后查询的结果需要再与图形关联起来。图形属性互查：将空间关系和属性结合起来进行查询，并将最后结果以图形和属性两种方式显示出来。如：查询京九线沿线人口大于100万的城市及各种属性信息。地址匹配：根据一个地理名字（如学校名字）来定位相关实体并获得其属性信息。其基础是地理编码，即将一个地理名字与一个或若干个空间实体关联起来、或者与实体的某个属性关联起来、或者与某个地理坐标关联起来。,3、空间分析空间量算,3、空间分析缓冲区分析,3、空间分析缓冲区分析,3、空间分析叠加分析,叠加分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生新的要素，它是空间信息系统中最常用的提取隐含信息的手段之一。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较，它可以分为以下五类：视觉信息的叠加：将多个图层内容放在一起进行显示点与多边形的叠加：实质上是计算多边形对点的包含关系，用于统计或属性赋值。线与多边形的叠加：主要用于计算线落在哪些多边形中以及各自的部分。多边形叠加：最常用的叠加分析。栅格图层叠加：利用某种计算模型对不同栅格图层中相同位置像元的值进行计算，得到新的栅格图层。,3、空间分析叠加分析,从几何运算上看，两个多边形通过不同的叠加运算可以得到不同的结果：,3、空间分析叠加分析,矢量图层叠加分析,3、空间分析叠加分析,栅格图层叠加,3、空间分析网络分析,对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如电信线、电力线、给水线等）进行地理分析和模型化，是网络分析的主要目的，其根本目标就是研究、筹划一项网络工程如何安排、并使其运行效果最好。一个网络中最基本的组成部分包括：链（Link）：网络中流动的管线，如电线。障碍（Barrier）：禁止网络中链上流动的点，如刀闸。拐角点（Turn）：出现在网络链中所有分割点上，如电阻。中心（Center）：接受或分配资源的位置，如电站。站点（Stop）：在路径选择中资源增减的站点，如电厂。网络分析的应用主要包括三个方面：路径分析、地址匹配和资源分配。,3、空间分析网络分析,路径分析静态最佳路径：给定每条链上的属性后，求两点间的最佳路径。动态最佳路径：网络中每条链上的属性是动态变化的，而且可能出现一些障碍点，需要动态求最佳路径。N条最佳路径：求出代价较小的N条路径，以供选择。最短路径：确定起点、终点以及所要经过的中间点、中间线，求最短路径。动态分段：将网络中的链根据其属性将特征相近的连线分段。分段是动态进行的，因为它与当前连线的属性相对应，如果属性改变了，动态分段将创建一组新的分段。如按公里数将一条道路分段。,3、空间分析网络分析,地址匹配将路径分析和地理编码结合起来使用，如物流配送，需要将货物送到多家单位。此时可先通过地理编码进行地址查询，获得各单位的地理位置，再利用最短路径方法确定最短送货线路。资源分配资源分配模型中的网络主要由中心点（分配中心）组成，有两种分配方式：一是由分配中心向四周输出；另一种是从四周向分配中心集中。资源分配的应用包括消防站点的分布和求援区划分、学校选址、停水/停电对区域的社会和经济的影响等。,3、空间分析空间统计分析,3、空间分析空间插值,空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，它包括内插和外推两种算法。前者是通过已知点的数据计算同一区域内其他未知点的数据，后者则是通过已知区域的数据，求未知区域的数据。通常，在以下几种情况下要做空间插值：现有数据的分辨率不够，如遥感图象从一种分辨率转换到另一种分辨率。现有数据的结构与所需结构不同，如将栅格数据转换到TIN数据。现有数据没有完全覆盖整个区域，如只有一些离散点数据。需要进行空间插值处理的原始数据包括：航片/卫片、野外测量采样数据、等值线图等。,3、空间分析空间插值,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。空间插值方法正是依据该假设设计的，分为整体插值方法和部分插值方法两类。整体插值：用研究区域所有采样点的数据进行全区域特征拟合，如边界内插法、趋势面分析等。部分插值：仅仅用邻近的数据点来估计未知点的值，如最邻近点法（泰森多边形方法）、移动平均插值方法（距离倒数插值法）、样条函数插值方法、空间自协方差最佳插值方法（克里金插值）等。,示例,3、空间分析数字高程模型,DEM与DTM数字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）：研究地面起伏数字地形模型（DigitalTerrainModel，DTM）：含有地面起伏和属性（如坡度、坡向等）两个含义,DEM的目的在数字地形图数据库中存贮高程数据；解决道路设计和其他民用及军用工程中的一些与高程有关的问题；三维地形显示及风景设计和规划；剖面视觉分析；道路规划、大坝选址等；不同地形之间的静态分析和比较；产生坡度图、坡向、及坡度剖面图，辅助地貌分析（淹没分析、土方计算等）或建立侵蚀图；,3、空间分析数字高程模型,3、空间分析数字高程模型,DEM的目的作为专题信息的显示背景或将地形数据与专题数据如土壤、土地利用或植被等进行叠加；为景观的图像模拟和景观处理提供数据；通过将高程替换为其他连续变化的属性，DEM能表示传播时间、费用、人口、污染程度、地下水深等信息,3、空间分析数字高程模型,DEM数据的表示数学分片表示法使用三维函数模拟复杂曲面；将一个完整曲面分解成方格网或面积上大体相等的不规则格网，每个格网中有一个点的观测值，即为格网值；适用于曲面插值来表示地下水或土壤的特性；图形表示法线模型点模型,3、空间分析数字高程模型,DEM数据的表示：线模式描述高程曲线的等高线；数字化现有等高线地图产生的DEM比直接利用航空摄影测量方法产生的DEM质量要差；数字化的等高线对于计算坡度或生成着色地形图不十分适用。,3、空间分析数字高程模型,DEM数据的表示：点模式高程矩阵（规则矩形格网）表示方法：将区域划分成网格，记录每个网格的高程；线模型到高程矩阵的转换：格雷兹地面模型；优点：计算机处理以栅格为基础的矩阵很方便，使高程矩阵称为最常见的DEM；缺点：在平坦地区出现大量数据冗余；若不改变格网大小，就不能适应不同的地形条件；在视线计算中过分依赖格网轴线。,3、空间分析数字高程模型,DEM数据的表示：点模式不规则三角网(TIN)表示方法：将区域划分为相邻的三角面网络，区域中任意点落在三角面顶点、线或三角形内，落在顶点其高程与顶点相同，落在线上则由两个顶点线性插值得到，落在三角形内则由三个顶点插值得到生成方法：由不规则点、矩形格网或等高线转换而得到TIN允许在地形复杂地区收集较多的信息，而在简单的地区收集少量信息，避免数据冗余对于某些类型的运算比建立在数字等高线基础上的系统更有效，如坡度、坡向等,3、空间分析数字高程模型,DEM数据的采集采集方法地面测量：利用自动记录的测距经纬仪在野外实地测量现有地图数字化：对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化空间传感器：利用GPS，结合雷达和激光测高仪采集数据数字摄影测量：利用带自动记录装置的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测。其原理是在摄影图的基础上利用测图仪进行测量。,3、空间分析数字高程模型,DEM数据的采集数字摄影测量采样点的选取沿等高线采样：主要用于山区采样规则网格采样：按规则矩形网格进行采样，可直接生成规则矩形格网的DEM数据渐进采样：根据地形使采样点合理分布，即平坦地区采样点少，地形复杂区采样点多选择采样：根据地形特征进行采样，如沿山脊线、山谷线等进行采集混合采样,所有采集的数据都要按一定的空间插值方法转换成点模式格式数据,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,空间建模与空间辅助决策是针对具体的应用领域存在的空间分析问题而采取的解决手段：采用各种简单或复杂的空间分析操作，建立空间分析模型。模型可能是一系列空间分析操作的简单组合；也可能是将空间信息及空间分析操作的结果转化为知识，再进行复杂的空间推理。对于后者，往往就形成所谓的空间决策支持系统、专家系统等。,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,一般步骤确定目标和评价准则准备分析数据建立模型寻求手段结果评价应用最佳路径、选址、定位分析、资源分配等,实例分析（1）,问题背景为了在某地建立一森林公园旅游点，需参考一定的旅游条件，假设该旅游点须满足距公路、铁路0.5km以外10km以内，非市区，有林地，要求在行政区划图上选出该旅游点位置，并注明面积大小。数据源公路及铁路分布图；森林分布及权属图；城镇行政区划图；,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,所涉及的GIS功能属性重分类；面状边界消除与合并；缓冲区生成；拓扑叠加；面积量测；绘图输出；生成报表,实例分析（1）,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,实例分析（1）,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,实例分析（1）,具体步骤(6)将城镇行政区划图重新分类，生成市区、非市区两类；(7)拓扑叠加(5)、(6)生成的图层，得到非林地；林地且市区；林地、非市区、距道路0.5km内；林地、非市区、距道路0.5km外10km内；林地、非市区、距道路10km外(8)依约束条件，提取第4类多边形，并计算其面积；(9)与行政区划图叠加，打印输出结果；,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,实例分析（2）,道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算所解决的问题及约束条件计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑面积和房产价值；道路拓宽改建的标准是：道路从原有的20米拓宽到60米；拓宽道路应尽量保持直线；部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除；所需资料现状道路图；区域内建筑物分布图；,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,实例分析（2）,空间操作选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区；将缓冲区图与建筑物分布图进行拓扑叠加，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息；统计分析选择落入拆迁区内的楼层高为10层以上的建筑物，将其排除掉，其余为拆迁建筑物；对所需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算，包括建筑物面积、房产价值。,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,实例分析（3）,辅助建设项目选址需解决的问题和约束条件需解决的问题：确定一些具体的地块，作为一个轻度污染工厂的可能建设位置约束条件：(1)地块建设用地面积不小于10000m2(2)地块的地价不超过1万元/m2(3)地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施,3、空间分析空间建模与空间辅助决策,实例分析（3）,所需数据全市所有地块信息的数据层全市公共设施的分布图空间分析从地块图中选取所有满足条件(1)(2)的地块与公共设施层数据进行拓扑叠加对叠加的结果进行邻域分析和特征提取，选择出满足要求的地块将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出,4、空间信息表现与制图,人们常说，一幅图胜过千言万语，指的是地图所包含的信息十分丰富。在空间信息系统中，如何将空间信息的丰富语义表现出来呢？通常的手段是：文字注记（标注）图例表示专题表现专题制图文字注记：对空间实体进行简要的说明，如名字、分类等。图例表示：用特定的图形符号（包括大小、颜色等）来表示空间实体的分类、属性、统计等信息。专题表现：利用各种手段（颜色、直方图、饼图等）来表示面状实体的分类、属性、统计等信息。专题制图：通过多种制图单元（如多图层叠加、鸟瞰图、附属图、表格、说明文字、指北针、图名、图框、比例尺等等）来表现各种空间信息。,4、空间信息表现与制图,文字注记并不是自然界的组成部分，但它是地图的重要组成部分。文字注记包括名称注记（说明空间实体专有的名称）、说明注记（说明空间实体的种类、属性和特征等）和数字注记（说明空间实体的数量特征，如高度）三种。在地图上加入文字注记要注重美观性，需要考虑文字注记的字体、大小、颜色、位置等。从某种意义上看，文字注记除了可以对地图进行补充外，它还可以用于辅助定位。,示例,4、空间信息表现与制图,图例是地图的语言，是表达地图内容的基本手段。图例是由形状不同、大小不一和色彩有别的图形和文字组成。就单个图例而言，它可以表示空间实体的位置、大小、质量和数量等特征；就同类图例而言，可以反映空间实体的分布特点；而各类图例的总和，则可以表现空间实体之间的相互关系及区域的总体特征。根据空间实体的类型，图例一般分为点、线、面三种。一般空间信息系统平台都提供了图例编辑器以制作各种图例。,示例,4、空间信息表现与制图,面状实体由于它具有一定的面积，因此其信息的表达方式就更加丰富。除了用图例表示之外，还有很多其他的专题表示方法，包括：等值线法：表示一个面实体内某种属性的密度分布点值法：表示一个面实体内某种属性的密度分布质底法：用不同底色表示不同面实体的属性范围法：用附加区域表示面实体及其之间的属性图例法：用点或线图例表示一个面实体内的属性动线法：用闪烁、流动的线（箭头线）来表示动态属性统计图法：用直方图、饼图表示统计信息DEM法：用三维的方式表现属性,4、空间信息表现与制图,示例,制图单元包括：图层内容、鸟瞰图、附属图、表格、说明文字、指北针、图名、图框、比例尺等,4、空间信息表现与制图,制图综合是从已有的地图数据中对空间实体进行取舍和简化，形成新的概括性地图。取舍和简化要根据地图的用途和地图比例尺进行，把最主要的实体的基本轮廓、主要特征和基本规律反映到新的地图上。制图综合围绕着几何性和地理性两个方面进行：几何性：对空间实体的几何形状、大小进行简化。地理性：根据专题内容需要，对空间实体进行舍弃和类型更换。制图综合一般是针对大比例尺地图进行的，以获得小比例尺图。影响制图综合的因素包括：地图比例尺、地图的专题和用途、制图区域的地理特征等。制图综合目前只处于探索阶段。,4、空间信息表现与制图,虚拟地理环境是试图综合利用各种空间信息技术及计算机科学技术（包括数据的获取、表达、组织、空间分析、可视化、虚拟现实等）在计算机中真实再现或更加直观地表现我们所生存的地理空间中的各种信息，使得使用者能够方便地浏览和操作各种空间信息。从目前来看，虚拟地理环境还只是一个遥远的梦。但有关空间信息的二维显示、三维仿真、时态模拟等方面都取得了很大的进展，都达到了一定的实用水平。,比如，可以设想一个小孩来到地方博物馆的一个数字地球陈列室，当她戴上头盔显示器，她将看到就象是出现在空中