第五章：GIS数据获取ppt课件

.,1,前面章节,GIS概述坐标系统数据模型GIS是如何抽象表达周围的空间实体GIS数据的基本类型、各自特征及框架GIS引用建模的基本步骤本章讲述如何获取GIS数据，为创建空间数据库做准备主要讲述方法步骤，具体操作通过实验课学习,.,2,第五章:空间数据的获取,5.1现有的地理信息系统数据5.2分类与编码5.3空间数据采集5.4数据质量5.5数据标准化5.6元数据,.,3,5.1数据来源及特征,GIS项目花费最大的部分就是数据库建设纸质地图数字化是以前最常用的数据获取方法随着数据获取、管理技术的发展，数字化地图资源越来越丰富，已有的数字化成果逐步成为当前数据库建设的主要资源,地图数据遥感数据实测数据野外试验实地测量GPS,文本数据统计资料多媒体数据外部数据库,.,4,5.1数据来源及特征,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,.,5,5.1数据来源及特征,测绘部门的数字地图数字栅格地图（DigitalRasterGraphic，DRG）纸质地形图经扫描、纠正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格文件本产品可作为背景用于数据参照或修测其他与地理相关的信息也可与DOM、DEM等数据集成使用，派生新的可视信息还可以绘制纸质地图，改变地图存储和印制的传统方式,.,6,5.1数据来源及特征,测绘部门的数据产品数字线划地图（DigitalLineGraphic，DLG）,.,7,5.1数据来源及特征,测绘部门的数据产品数字正射影像图（DigitalOrthophotoMap，DOM）利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空相片/遥感相片（单色/彩色），经逐象元进行纠正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据一般带有公里格网、图廓内/外整饰和注记的平面图,.,8,5.1数据来源及特征,测绘部门的数据产品数字高程模型（DigitalElevationModel简称DEM）是在高斯投影平面上规则格网点平面坐标（x,y）及其高程（z）的数据集主要用途高程分析精度分析量测坐标、距离、面积、体积（挖填方）坡度、坡向分析通视性分析剖面图生成等高线生成叠加相关矢量数据和影像数据,.,9,5.2分类与编码,地理信息分类必要性复杂、种类多、相关关系复杂分类是通用的科学研究方法分类的基本要素：地理要素的属性特征、关系特征及作用等分类结果：形成分类、编目方案,.,10,5.2分类与编码,分类原则科学性：按信息特征分类、层次分类、树状结构系统性：整体性稳定性：周期更新性完整与可扩展性：覆盖现在和将来可能出现的所有信息易用性：沿用专业习惯、简单、便于记忆灵活性：能够灵活转换不受比例尺限制与有关国家规范和标准协调一致考虑数据来源,.,11,5.2分类与编码,分类方法线分法：层次树状结构，同一分支的同级子类目不重复、不交叉,.,12,5.2分类与编码,面分类法：将拟分类的集合根据属性，分成相互之间没有关系的面，每个面都包含一组类目东南亚湿地、东北亚森林等学院2013级环保信息专业学生、环保学院2012环境监测专业学生,.,13,5.2分类与编码,分级:按照事物或现象的数量或特征进行等级的划分，主要包括：确定分级数：符合精度要求顾及可视化效果分布特征分级方法数学方法数列最优分割,.,14,5.2分类与编码,地理信息编码使数据简化方便信息分类、校核、汇总、检索包括：空间数据编码和属性数据编码,编码原则唯一性可扩充性易识别简单完整,代码类型数字字母数字和字母组合,.,15,5.2分类与编码,GIS编码的种类分类码：标识要素的类别，如：污染源类别等标识码：标识个体，如：姓名、学号、身份证编号等,编码方法空间位置联系编码人为编码,.,16,5.3空间数据采集,数据采集通过各种手段获取工程需求的各种数据资料，并转换成GIS可以处理与接收的数据形式地理信息系统建设首先要进行的任务包括：几何数据、属性数据的获取与输入及两者之间的链接,.,17,5.3空间数据采集,GIS数据采集的6个基本步骤：任务分析：结合具体的工程需要，确定必要的功能需要和数据需求，包括：范围、分类与编码、内容、精度、可靠性等资料收集、调查与实测等：根据任务分析的结果，有目的去搜集所需的数据数据验证：无论通过什么途径获取的数据都必须经过验证，确认观测时间、观测精度、可靠性等数据录入：收集的资料往往来自不同的部门、参照了不同的标准、产品的形式也是多种多样数据处理：在有些情况下，录入数据需要进一步的处理，才能直接应用创建元数据,.,18,5.3空间数据采集,几何数据的采集方式键盘输入：对于数据量较小、已知地物精确坐标的情况下，可以采用键盘录入；也是录入属性数据的主要手段数字化仪跟踪数字化扫描数字化摄影测量与遥感数据处理野外调查现有数据资源共享,.,19,5.3空间数据采集,.,20,一、手扶跟踪数字化,1.通过数字化仪获取是一种最普通的传统方法利用一、手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标输入非空间信息，如等高线的高度，地物的编码数值等等,.,21,一、手扶跟踪数字化,坐标被存入到GIS数据库中,2.工作原理,.,22,3.工作模式点方式（PointMode）当录入人员按下游标(Puck)的按键时，向计算机发送一个点的坐标点状地物要素：必须使用点输入方式线和多边形地物：可以使用点方式，在输入时，输入者可以有选择地输入能够反映曲线的特征的采样点流方式（StreamMode）当录入人员沿着曲线移动游标时，能够自动记录经过点的坐标,距离流方式:当前接收的点与上一点距离超过一定阈值，记录该点；时间流方式:按照一定时间间隔对接收的点进行采样,一、手扶跟踪数字化,.,23,采用流方式录入曲线时，往往采集点的数目要多于点方式，造成数据量过大一个解决的方案是对记录的点进行实时采样，即尽管系统接收到了点的坐标，但是可以根据采样原则确定是否记录该点,3.工作模式流模式,一、手扶跟踪数字化,.,24,原图预处理及设备准备,参考点的选择,地图控制点的选择,手扶数字化,编辑、检查,坐标转换,切边与接边,拼图,建立拓朴关系,属性数据输入,入库,4.一、手扶跟踪数字化流程图,一、手扶跟踪数字化,.,25,目前最常用的数字化获取方法扫描得到的是栅格图像扫描后处理不作任何处理（DRG）影像配准矢量化主要内容：（1）地图扫描（2）影像配准（地理配准、Georeference）（3）要素矢量化,二、地图扫描数字化,.,26,原图预处理及扫描,图像编辑、去除噪音,要素矢量化,编辑、检查,坐标转换,切边与接边,拼图,建立拓朴关系,属性数据输入,入库,图像配准、编辑,二、地图扫描数字化,.,27,（1）地图扫描由于扫描仪扫描幅面一般小于地图幅面，因此大的纸地图需先分块扫描，然后进行相邻图对接当显示终端分辨率及内存有限时，拼接后的数字地图还要裁剪成若干个归一化矩形块对每个矩形块进行矢量化（Vectorization）处理后生成便于编辑处理的矢量地图，最后把这些矢量化的矩形图块合成为一个完整的矢量电子地图,二、地图扫描数字化,.,28,（1）地图扫描扫描仪简介：它是一种将地图或图像按一定的分辨率一般转换成栅格格式数据的装置,按辐射分辨率划分：二值扫描仪灰度扫描仪彩色扫描仪；按结构划分滚筒扫描仪平台扫描仪CCD摄像机,二、地图扫描数字化,.,29,（1）地图扫描扫描前准备原图准备：首先要选择色调分明，线划实在而不膨胀的地图作为原图；其次要在图上精确划定数字化的范围，标出坐标原点最后要清理图面，如修净污点，连好线划上的断头。记录格式：数字格式:也就是每个网格记录一个二进制数“0”或“1”，它适用于对黑白或彩色线划地图数字化连续格式:每个网格记录一个灰度值（0255个灰阶），这适用于对像片数字化,二、地图扫描数字化,.,30,（1）地图扫描扫描前准备光孔孔径选择：孔径有好多规格：12.512.5、2512.5、5025、5040、100100、（(微米)=1/1000毫米）；用来控制网格的大小，也就是用以控制分辨率，孔径越小，网格就越小，分辨率就越高，数据量也就越大根据地图的精度要求，应选择具有一定的分辨率，数据量又不致过大的孔径，通常选择100100（或5040）的孔径，即地图上0.1毫米粗的线划一般只占1至2个网格。坐标差计算：当原图经过定向，固定的在滚筒（或平台）上之后，要算出扫描仪原点和原图原点之差，以便控制记录装置,二、地图扫描数字化,.,31,(2）影像配准（后面章节讲）(3)要素矢量化创建新图层（要素类）ArcCatalog中可以创建矢量数据集(shape文件和地理数据库geodatabase=“要素类”)点：Point线：Line多边形：Polygon在ArcMap中提供了全面的工具，可以完成矢量数据的编辑空间数据属性数据,二、地图扫描数字化,.,32,新建图层要素类,指定要素类型：点？线？多边形？,二、地图扫描数字化,.,33,在创建图层时指定坐标系统,在ArcMap中指定数据框（定义地图）的坐标系统,.,34,在创建图层（要素类）的时候除指定坐标系外，还需要指定要素类的坐标范围可以从已有的数据导入或手动指定这个范围,.,35,(3)要素矢量化设置编辑环境及工具添加已配准的影像图层添加新建的图层编辑图层中要素的属性：属性字段可以在创建图层时，也可以在ArcMap中添加字段名称：fieldname数据类型：datatype字段宽度：width精度：decimalprecision在编辑器中，点击“开始编辑”，并在目标图层中选中要编辑的图层,二、地图扫描数字化,.,36,(3)要素矢量化从“编辑器”工具栏中选中草图工具，根据扫描地图上的内容分层提取地图要素,二、地图扫描数字化,.,37,“编辑器”工具栏,二、地图扫描数字化,.,38,设置编辑环境及工具,主要编辑环境“编辑器”工具栏,.,39,捕捉环境Snapping,捕捉或悬挂操作:控制在新建或编辑要素时，要素如何排列线段之间的连接(在两条线段连接的地方加一个结点)避免长悬线（overshoots）/短悬线undershoots避免多边形区域的重叠或间隙,.,40,捕捉环境Snapping,通过捕捉环境对话框设定在编辑时捕捉方式,.,41,捕捉线段,.,42,a)点要素的编辑,在图层中新建、删除、移动一个点要素,.,43,b)线要素的编辑,悬挂功能修改线段的形状（编辑顶点）分割线要素、公共顶点的编辑合并线要素封闭线段,.,44,打断线要素,打断工具,.,45,封闭线段,.,46,c)多边形要素的编辑,多边形顶点编辑（改变形状）分割多边形公共边的编辑要素合并（Union）：求并集，比如：由多个岛屿组成的行政区，飞地。要素联合（Combine):中心有岛屿的湖泊要素相减（Subtract）：去除重叠部分（landuse)要素相交（Intersection):获取多个多边形的公共部分,.,47,修改线段或多边形的形状,拓扑编辑,.,48,修改线段或多边形的形状,非拓扑编辑,.,49,分割多边形,.,50,分割要素,属性发生变化,imagefromESRI,复制字段：对共同的属性进行复制几何属性重新计算（面积，周长，长度）数值字段按面积比重新计算划分（比如人口数据）,.,51,多边形融合,从同一图层中选择多个多边形,多个多边形被融合为一个,.,52,多边形融合,属性发生改变：与分割操作类似,imagefromESRI,.,53,多边形要素合并,求并集，可以将多个图层中的要素合并,.,54,多边形要素相交,取两个多边形空间上相交的区域,求交集,.,55,多边形要素相交,.,56,多边形裁剪,从一个多边形中去除与另一个多边形相交的部分,.,57,d)撤销编辑,编辑操作可以撤销编辑操作可以恢复到先前保存的状态一旦进行了保存操作，所做编辑和修改无法再撤销,.,58,保存编辑成果,在编辑过程中注意保存修改成果执行以下操作时，软件会提示进行保存:停止数据集的编辑操作开始另一个数据集的编辑操作保存或关闭地图文档关闭ArcGIS,.,59,其它的矢量化工具R2VforWindows(9X,NT,2000,ME,XP)是一款高级光栅图矢量化软件系统。该软件系统将强有力的智能自动数字化技术与方便易用的菜单驱动图形用户界面有机地结合到Windows环境中，为用户提供了全面的自动化光栅图像到矢量图形的转换，它可以处理多种格式的光栅（扫描）图像，是一个可以用扫描光栅图像为背景的矢量编辑工具。由于该软件的良好的适应性和高精确度，其非常适合于GIS、地形图、CAD及科学计算等应用。,二、地图扫描数字化,.,60,二、地图扫描数字化,.,61,VPMax,.,62,三、野外测量,野外测量：大平板、全站仪、GPS、移动测绘系统特点：精度高、效率较低适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新,.,63,三、野外测量,.,64,四、摄影测量与遥感数据处理,.,65,四、摄影测量与遥感数据处理,遥感(RemoteSensing):利用自然界的电磁波、或人工发射电磁波、或利用地物自身的电磁波，将波谱及其几何位置记录下来，判读（解译）地表物体的分布规律，实现对地表远距离、非接触的观察。遥感的电磁辐射源：主要是太阳的可见光和红外线，有时也用微波雷达或地物自身的红外线。探测、记录电磁波的仪器称传感器，它可以安装在飞机（或气球）上，称航空遥感，也可安装在人造地球卫星上，称航天遥感航空遥感的灵活性大、针对性强、图像的几何分辨率高航天遥感的通用性强，卫星可以长期在太空飞行，一日数次或隔数十日一次对相同地物反复观察。主动遥感，被动遥感航空遥感：大比例、更新周期长，卫星遥感（航天遥感）：小比例、大范围、更新周期短（几天）,.,66,遥感技术的发展国外商用卫星影像，对地表的分辨率已经达到1.0-0.6米，正在向0.3米迈进。可以制作1:10000-1:5000，甚至1：2000的基础地图。航空影像也在向扫描、数字成像的方向发展。美国陆地卫星LANDSAT系列：LANDSAT-7，16天重复循环，分辨率为15米。法国SPOT卫星：SPOT-5，26天重复循环，5m分辨率的全色影像。IKONOS卫星：美国太空影像公司1999，2.9天重复循环，第一个提供1米分辨率的商用卫星遥感图像，最大成图比例尺可达12,500QuickBird（快鸟）：美国Digitalglobe公司2001，商业卫星中分辨率最高，全色波段分辨率为0.61米，最大成图比例尺能达到11,50012,000,四、摄影测量与遥感数据处理,.,67,.,68,.,69,遥感图像的解释和判读判读、解译：获得遥感图像后可以进一步辨认地物的空间分布、相关特征判读、解译的主要依据：波谱特征，物理特征，几何特征。遥感信息在城市规划中的典型应用地形测绘土地使用调查建筑物调查绿化、植被调查环境调查景观调查,四、摄影测量与遥感数据处理,.,70,遥感的局限性图像判读、解译后获得的往往是对地物的大致估计，或间接信息，和实际情况有出入。在很多情况下用计算机判读、解译比用熟练的人工误差大，但全靠人工，解译工作量很大、周期很长城市规划中需要地物的社会属性，靠遥感只能间接获取，主要靠实地调查遥感信息的获取、解译技术还比较复杂，需要多种专业人员的配合才能实现,四、摄影测量与遥感数据处理,.,71,五、数据共享,任何信息系统总要利用已有数据，以减轻信息收集、编码、输入的工作量。除了利用本单位、本部门的现成资料外，常用的、通用的数据供社会共享已成为一种趋势特别在发达国家，有很多政府机构或私人公司已经开始向社会公开提供数据服务，这种服务大致有四类信息：基本数字化地图目前测绘部门提供中小比例尺的DRG、DLG、DOM、DEM和其它的纸质成果；自然资源数据；遥感数据很多遥感卫星数据代理中心，可以购买各种分辨率的遥感卫星数据；也有一些网站提供了免费的卫星遥感数据和其它类型的数据；与人口统计相结合的空间、属性、地址数据国家及地方的统计部门和其它职能部门提供了多种监测和统计数据,.,72,五、数据共享,数据共享的四种模式：基于交换器的模式标准数据格式转换模式；数据互操作模式；直接数据访问模式。,.,73,五、数据共享,基于转换器的共享,.,74,五、数据共享,2.基于数据标准的数据融合采用一种空间数据的转换标准来实现多源GIS数据的融合,.,75,五、数据共享,2.基于数据标准的数据融合美国国家空间数据协会（NSDI）制定了统一的空间数据格式规范SDTS（SpatialDataTransformationStandard），括几何坐标、投影、拓扑关系、属性数据、数据字典，也包括栅格格式和矢量格式等不同的空间数据格式的转换标准我国也同样制定了相应的空间数据交换格式（CNSDTF）目前许多GIS软件提供了标准的空间数据交换格式，如ARC/INFO的SDTSIMPORT和SDTSEXPORT模块等，可供其他系统调用。,.,76,五、数据共享,3.数据互操作模式数据互操作模式是美国开放地理信息系统协会OpenGISConsortium(OGC)制定的规范。所谓互操作是指在异构环境下两个或两个以上实体，它们可以相互通信和协作，以完成某一特定任务。,缺点：短期内不现实；用户必须同时拥有多个GIS软件。,.,77,五、数据共享,.,78,五、数据共享,4.直接数据访问模式直接数据访问指在一个GIS软件中实现对其他系统数据格式的直接访问，用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。,缺点：必须对要访问的数据格式充分了解；这种访问模式存在滞后性的问题。,.,79,Intergraph公司的Geomedia支持多源数据,五、数据共享,.,80,5.3空间数据采集,属性数据（1）与空间数据同时输入键码法直接输入法特征码清单法（2）单独输入文本文件或数据库中通过同一的识别符实现空间数据和属性数据的连接,.,81,属性数据的采集-专业数据分类和数据项目建议总表,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。,5.3空间数据采集,.,82,一、空间数据质量的相关概念（1）准确性（Accuracy）一个记录值（测量或者观察值）与它的真实值之间的接近程度；空间数据的准确性通常是根据所指的位置、拓扑或者非空间属性来分类的；可以误差（Error）来衡量空间数据的准确性；,5.4空间数据质量,.,83,一、空间数据质量的相关概念（2）精度（Precision）数据精度表示数据对现象描述的详细程度数据精度和数据准确性的区别：精度低的数据不一定准确度也低；数据精度如果超出了测量仪器的已知准确度，这样的纪录数字在效率上是冗余的；例如：在设计精度为0.1mm的数字化仪上测量返回的坐标数据为（10.11mm,12.233mm），其中就含有冗余的数据；,5.4空间数据质量,.,84,一、空间数据质量的相关概念（3）空间分辨率（SpatialResolution）分辨率是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；空间分辨率可以看作是记录变化的最小幅度；空间分辨率示例：地图上最细线宽度对应的地理范围，遥感图像上一个像素代表的实际地理范围大小空间分辨率数据精度,5.4空间数据质量,.,85,空间分辨率示例,RealWorld,VectorData,RasterData,.,86,一、空间数据质量的相关概念（4）比例尺（Scale）地图上一个记录的距离和它所表现的“真实世界”的距离之间的一个比例；如右图中，这幅地图的比例尺=10cm:1000m=1:10000比例尺是刻画数据精度的量（如最小线宽为地图的空间分辨率）；,5.4空间数据质量,.,87,一、空间数据质量的相关概念（5）误差（Error）描述测量值和真实值之间的差别；在大部分情况下，误差的大小是很不准确的，因为待测量的真实值往往无法得到；研究如何给出误差大小的最佳估计以及误差传播规律，是很有用的；误差的分析包括:位置误差（如点、线、多边形的位置误差）；属性误差；位置和属性误差之间的联系；,5.4空间数据质量,.,88,一、空间数据质量的相关概念（6）不确定性（Uncertainty）对于空间信息科学技术来说，数据的正确性与错误并存，正常与异常并存，精确与粗糙并存，质量高与质量低并存，什么时候是正确的，什么时候不正确的，这些都属于不确定性现象；GIS中数据的不确定性包括：位置的不确定性、属性的不确定性、时域的不确定性、逻辑上的不一致性以及数据的布完整性；研究不确定性可以更好的了解测量数据的性质？,5.4空间数据质量,.,89,5.4空间数据质量,二、空间数据质量问题的来源空间现象自身存在的不稳定性:分布的不确定性、属性类型划分和表达多样性等；空间现象的表达:测量误差、地图投影、数值采样和量化等；空间数据处理中的误差:投影转换、地图数字化与扫描矢量化、格式转换、数据抽象（聚类、归并等）、空间分析、可视化等；空间数据使用中的误差：生产者和使用者对数据的解释和理解不同，可通过空间数据的元数据来沟通；,.,90,5.4空间数据质量,.,91,5.4空间数据质量,三、空间数据的误差分析空间数据误差的类型空间数据误差分为：几何误差、属性误差、时间误差和逻辑误差；逻辑误差和几何误差为GIS特有逻辑误差：语义角度判断数据的合理性,.,92,三、空间数据的误差分析空间数据误差的类型（2）几何误差：空间数据表达的位置信息误差，在二维平面上主要反映在点（位置）误差和线（位置）误差上；线误差分布可以用Epsilon模型（等宽）或者误差带模型（不等宽）来描述,图：折线误差的分布（误差带模型）,图：折线和曲线的误差,图：曲线的误差分布（误差带模型）,5.4空间数据质量,.,93,三、空间数据的误差分析其他数据质量问题地图数据的质量问题：地图固有误差、地图材料变形、地图扫描及数字化误差；遥感数据的质量问题：遥感仪器观测过程误差（表现为空间分辨率、光谱分辨率、几何畸变以及辐射误差等）、图像处理和解译过程误差（校正匹配、解译判读、分类等）测量数据的质量问题：选定的大地坐标系及投影、环境影响、测量仪器精度、操作误差、偶然误差等,5.4空间数据质量,.,94,5.4空间数据质量,四、空间数据质量的控制应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差；常见的数据质量空间方法有：传统的手工方法：与原始地图或者属性数据比较；元数据方法：阅读元数据了解数据质量的信息；地理相关法：利用空间数据描述的地理特征要素自身的相关性,.,95,5.5地理信息系统的标准,目前，有很多个组织和政府部门召集或主持制定地理信息系统标准，其内容主要包括空间数据模型空间服务模型空间数据共享（DataSharing）互操作（DataInteroperation）比较重要的有：地理信息/地球信息科学(Geographicinformation/Geomatics)专业委员会制定的ISO/TC211地理信息标准OGC(OpenGISConsortium)制定的OpenGIS,.,96,5.5地理信息系统的标准,国际标准化组织地理信息标准（ISO/TC211）,.,97,5.5地理信息系统的标准,.,98,5.5地理信息系统的标准,OpenGIS规范：开放的地理数据(OpenGeodata)模型：定义了一个概括的、公用的基本地理信息类型集合OpenGIS将现实世界抽象成为两类基本对象：要素（Feature）和覆盖（Coverage），前者描述现实世界中的实体对象，后者描述现实世界中的现象对于要素，将与空间坐标相关的属性抽取出来，称为几何体(Geometry)OpenGIS又定义了要素的时空参照系统、语义(Semantics)以及元数据来对要素进行描述，以便于共享和互操作,OGCOpenGeospatialConsortium开放地理信息联盟，是一个非盈利的志愿的国际标准化组织引领着空间地理信息标准及定位基本服务的发展目前在空间数据互操作领域基于公共接口访问模式的互操作方法是一种基本的操作方法,.,99,5.5地理信息系统的标准,OpenGIS服务定义了一个服务的集合，该集合用于访问地理数据模型中定义的地理类型，提供了同一信息团体（InformationCommunity）内不同用户之间，或者不同信息团体之间的地理数据共享能力。