计算机地图制图课件【3】地图数据处理

1、第六讲：计算机制图工艺流程与软件系统第六讲：计算机制图工艺流程与软件系统实习课：上机实习（利用实习课：上机实习（利用ArcMapArcMap制作地图）制作地图）课程内容课程内容0_0_概念：什么是计算机地图制图？概念：什么是计算机地图制图？第一讲：计算机地图制图概述第一讲：计算机地图制图概述1_1_逻辑：如何实施计算机地图制图？逻辑：如何实施计算机地图制图？第二讲：地图数据组织结构第二讲：地图数据组织结构第三讲：地图数据采集与质量控制第三讲：地图数据采集与质量控制第四讲：地图数据处理第四讲：地图数据处理第五讲：地图数据可视化第五讲：地图数据可视化2_2_物理：怎样利用软件系统完成地图制作？物理

2、：怎样利用软件系统完成地图制作？形式设计形式设计数据加工处理数据加工处理表达输出表达输出数据采集建库数据采集建库计算机地图制图基本过程计算机地图制图基本过程第四讲第四讲 地图数据处理地图数据处理主要内容：主要内容： 数据格式转换数据格式转换 坐标变换坐标变换 图形属性编辑图形属性编辑 数据裁切与接边数据裁切与接边 拓扑及逻辑一致性关系改正拓扑及逻辑一致性关系改正 数据压缩与光滑数据压缩与光滑 对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数踞进行编辑运算，对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数踞进行编辑运算，清除数据沉余，弥补数据缺失，形成符合用户要求的数据文件格式。清除数据沉余，弥补数据缺失，形成

3、符合用户要求的数据文件格式。4.1 地图数据格式转换地图数据格式转换数据格式：地图数据格式：地图数据在文件或记录中的编排格式数据在文件或记录中的编排格式 。导致地图数据格式不同的原因包括：导致地图数据格式不同的原因包括：（1 1）采用不同的数据结构）采用不同的数据结构矢量数据格式矢量数据格式栅格数据格式栅格数据格式（2 2）不同行业、软件系统出于各种原因定义不同的数据格式）不同行业、软件系统出于各种原因定义不同的数据格式ShapeGeodatabaseCoverageMifDxf矢量矢量数据格式数据格式BmpGifGridJPEGTiff栅格栅格数据格式数据格式1 1、矢、矢栅格式转换栅格式转

4、换（1 1）矢量数据栅格化）矢量数据栅格化基本条件：栅格形状、大小、行列数量基本条件：栅格形状、大小、行列数量 即找出矢量点数据所在处的栅格单元。设矢量数据的坐标点值为即找出矢量点数据所在处的栅格单元。设矢量数据的坐标点值为 (x , y)转成转成栅格数据其行列值为栅格数据其行列值为(i , j) i= 1+ integer ( ( ymax- y ) / y ) j= 1+ integer ( (xmax- x) / x ) ymax 表示表示区域区域数据数据 Y 最大值最大值 xmin 表示表示区域区域数据数据 X 最小值最小值 x y 每个栅格单元对应的边长每个栅格单元对应的边长1 点要

5、素的转换点要素的转换PAB2 线要素的转换线要素的转换 线由多个直线段组成的，线栅格化分解为若干直线段的栅格化。线由多个直线段组成的，线栅格化分解为若干直线段的栅格化。 DAA法（数字微分分析法）法（数字微分分析法）假设线段假设线段AB与栅格格网的交点坐标与栅格格网的交点坐标为（为（xi, yi），则：），则：其中，其中，此外，还有此外，还有Bresenham算法，算法效率更高，可参考相关教材学习。算法，算法效率更高，可参考相关教材学习。3 面要素的转换面要素的转换 边界线的转换与线要素相同，主要是面区域内栅格的填充；边界线的转换与线要素相同，主要是面区域内栅格的填充； 填充的关键问题是，判断

6、哪些栅格单元在多边形内，哪些在填充的关键问题是，判断哪些栅格单元在多边形内，哪些在多边形外；多边形外； 内部点扩散法内部点扩散法 射线法射线法 平行线扫描法平行线扫描法 边界代数填充法边界代数填充法 边界点跟踪算法边界点跟踪算法内部点扩散法内部点扩散法射线法射线法平行线扫描法平行线扫描法（2 2）栅格数据矢量化）栅格数据矢量化Step1：二值化。栅格数据是按二值化。栅格数据是按0255的不同灰度值表达的。为了的不同灰度值表达的。为了简化追踪算法，将简化追踪算法，将256个灰阶压缩为个灰阶压缩为2个灰阶，即个灰阶，即0和和1两级。两级。Step2：边界细化。边界细化。使每一条线只保留代表其轴线或

7、周围轮廓线（对使每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线（对多边形而言）位置的单个栅格的宽度。多边形而言）位置的单个栅格的宽度。Step3：边界跟踪。把细化后的栅格数据整理为从结点出发的线段或边界跟踪。把细化后的栅格数据整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式加以存储。闭合的线条，并以矢量形式加以存储。Step4：曲线化简及光滑 。直接提取的边界线节点密集、有明显的抖动锯齿感，需进行化简及光滑处理。Step5：生成拓扑关系，建立节点、弧段及多边形间的连接关系。2 2、矢量数据间不同格式的转换、矢量数据间不同格式的转换 矢量数据一般包括坐标信息、拓扑信息、属性信息、索引信息矢量数据一般包括坐

8、标信息、拓扑信息、属性信息、索引信息等，不同软件系统或行业在数据文件定义及信息组织中，采用的方等，不同软件系统或行业在数据文件定义及信息组织中，采用的方法不同，造成数据不能兼容，需要进行格式转换。法不同，造成数据不能兼容，需要进行格式转换。ArcGIS数据转换接口数据转换接口4.2 地图数据坐标变换地图数据坐标变换 几何纠正几何纠正，解决数字化过程引起的变形误差。，解决数字化过程引起的变形误差。 坐标系转换坐标系转换，解决设备坐标系间以及与用户坐标系间的不一致。，解决设备坐标系间以及与用户坐标系间的不一致。 投影变换投影变换，解决地理坐标到平面坐标转换问题，解决地理坐标到平面坐标转换问题。 地

9、图扫描变形地图扫描变形误差误差不同坐标系不同坐标系地理坐标与平地理坐标与平面坐标转换面坐标转换1 1、几何纠正方法（坐标系转换可以纳入几何纠正范畴）、几何纠正方法（坐标系转换可以纳入几何纠正范畴）（1 1）基本变换类型）基本变换类型旋转旋转平移平移缩放缩放（2 2）采用的方法）采用的方法仿射变换仿射变换仿射变换特性：仿射变换特性：直线变换后仍为直线；直线变换后仍为直线；平行线变换后仍为平行线；平行线变换后仍为平行线；不同方向上的长度比发生变化。不同方向上的长度比发生变化。 求解上式中的求解上式中的6 6个未知数，需不在一直线上的个未知数，需不在一直线上的3 3对已知控制点，由于误差，对已知控制

10、点，由于误差，需多余观测，所以，用于图幅定向至少需要四对控制点。需多余观测，所以，用于图幅定向至少需要四对控制点。x = a0 + a1x0 + a2y0y = b0 + b1x0 + b2y0 x = a0 + m * cos x0 + n * sin y0y = b0 + m * sin x0 + n * cos y0综合上述三种基本变换，得到：综合上述三种基本变换，得到：相似变换(m=n)仿射变换(m=n)（3 3）实例）实例TIC3TIC2TIC1TIC4针对扫描地图，给定图幅顶角针对扫描地图，给定图幅顶角4个点作为控制点，个点作为控制点，通过仿射变换进行几何纠正（也称为通过仿射变换进

11、行几何纠正（也称为“坐标配准坐标配准”）。）。2 2、投影变换、投影变换 假定假定原图点的坐标为原图点的坐标为x,y(称为旧坐标称为旧坐标)，新图点的坐标为新图点的坐标为X，Y(称称为新坐标为新坐标)，则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为：，则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为：（1 1）解析变换法）解析变换法2）反解变换法）反解变换法(又称间接变换法又称间接变换法)1）正解变换法）正解变换法(又称直接变换法又称直接变换法)（2 2）数值变换法）数值变换法 利用若干同名点，采用插值法、利用若干同名点，采用插值法、有限差分法或多项式逼近的方法，有限差分法或多项式逼近的方法，即用数值变换法来建立两

12、投影间的即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式。变换关系式。 例如，采用二元三次多项式进行变换例如，采用二元三次多项式进行变换:通过选择通过选择10个以上的两种投影之间的共同点，并组成最小二乘个以上的两种投影之间的共同点，并组成最小二乘法的条件式，进行解算系数。法的条件式，进行解算系数。（3 3）数值解析变换法）数值解析变换法 当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先通过数值当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先通过数值变换求出原投影点的地理坐标变换求出原投影点的地理坐标，然后代入新投影公式中，求出，然后代入新投影公式中，求出新投影点的坐标。即：新投影点的坐标。即：4.3 图形

13、属性编辑图形属性编辑常见的数据输入错误常见的数据输入错误（为什么需要进行编辑处理？）（为什么需要进行编辑处理？）3.3 图形属性编辑图形属性编辑1 1、图元捕捉、图元捕捉 1 1 点的捕捉点的捕捉 2 2 线的捕捉线的捕捉 3 3 面的捕捉面的捕捉2 2、图形属性编辑、图形属性编辑3 3、图幅接边、图幅接边 给定捕捉半径给定捕捉半径D（通常为（通常为35个象素，这主要由屏幕的分辩个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定）。若率和屏幕的尺寸决定）。若S和和A的距离的距离d小于小于D，则认为捕捉成，则认为捕捉成功，即认为找到的点是功，即认为找到的点是A，否则失败，继续搜索其它点。，否则失败，继

14、续搜索其它点。1 1、图元捕捉、图元捕捉设光标点为设光标点为S(x,y)，某一点状要素的坐标为某一点状要素的坐标为A(X，Y)乘方运算影响了搜索的速度，因此，把距离乘方运算影响了搜索的速度，因此，把距离d d的计算改为：的计算改为：捕捉范围由圆改为矩形，这可大大加快搜索速度。捕捉范围由圆改为矩形，这可大大加快搜索速度。 （1 1）点的捕捉）点的捕捉（2）线的捕捉）线的捕捉 设光标点坐标为设光标点坐标为S(x,y)，D为捕捉半径，线的坐标为为捕捉半径，线的坐标为(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)。通过计算。通过计算S到该线的每个直线段到该线的每个直线段的距离的距离d。若。若min(d

15、1,d2,dn-1)D，则认为光标，则认为光标S捕捉到捕捉到了该条线，否则为未捕捉到。了该条线，否则为未捕捉到。 简化为：简化为：加快线捕捉的速度的方法：加快线捕捉的速度的方法：1）在实际的捕捉中，可每计算一个距离）在实际的捕捉中，可每计算一个距离di就进行一次就进行一次比较，若比较，若diD，则捕捉成功，不需再进行下面直线段，则捕捉成功，不需再进行下面直线段到点到点S的距离计算了。的距离计算了。2）把不可能被光标捕捉到的线，用简单算法去除。）把不可能被光标捕捉到的线，用简单算法去除。3）对于线段也采用类似的方法处理。）对于线段也采用类似的方法处理。4）简化距离公式：）简化距离公式： 点点S(

16、x,y)到直线段到直线段(x1,y1),(x2,y2)的距离的距离d的计算公式为：的计算公式为：（3）面的捕捉）面的捕捉 实际上就是判断光标点实际上就是判断光标点S(x,y)是否在多边形内，若在多边是否在多边形内，若在多边形内则说明捕捉到。判断点是否在多边形内的算法主要有形内则说明捕捉到。判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法或转角法。垂线法或转角法。 垂线法的基本思想是从光标点引垂线垂线法的基本思想是从光标点引垂线(实际上可以是任意实际上可以是任意方向的射线方向的射线)，计算与多边形的交点个数。若交点个数为奇，计算与多边形的交点个数。若交点个数为奇数则说明该点在多边形内；若交点个数为偶数，则

17、该点在数则说明该点在多边形内；若交点个数为偶数，则该点在多边形外。多边形外。 加快速度的方法：加快速度的方法：1 1）找出该多边形的外接矩形，若光标点落在该矩形中，）找出该多边形的外接矩形，若光标点落在该矩形中，才有可能捕捉到该面，否则放弃对该多边形的进一步计才有可能捕捉到该面，否则放弃对该多边形的进一步计算和判断。算和判断。2 2）对不可能有交点的线段应通过简单的坐标比较迅速去）对不可能有交点的线段应通过简单的坐标比较迅速去除。除。3 3）运用计算交点的）运用计算交点的技巧。技巧。2 2、图形属性编辑、图形属性编辑删除、增加、修改、移动、复制、咬合删除、增加、修改、移动、复制、咬合（1 1）

18、结点的编辑）结点的编辑1 1）结点吻合）结点吻合(Snap)(Snap)，也称结点匹配、结点咬合，也称结点匹配、结点咬合，结点附和。结点附和。A A、 结点移动，用鼠标将其它两点移到另一点；结点移动，用鼠标将其它两点移到另一点；B B、 鼠标拉框，用鼠标拉一个矩形，落入该矩形鼠标拉框，用鼠标拉一个矩形，落入该矩形内的结点坐标通过求它们的中间坐标匹配成一致；内的结点坐标通过求它们的中间坐标匹配成一致；C C、 求交点，求两条线的交点或其延长线的交点，求交点，求两条线的交点或其延长线的交点，作为吻合的结点；作为吻合的结点；D D、自动匹配，给定一个吻合容差，或称为咬合、自动匹配，给定一个吻合容差，

19、或称为咬合距，在图形数字化时或之后，将容差范围内的结距，在图形数字化时或之后，将容差范围内的结点自动吻合成一点。点自动吻合成一点。 2）结点与线吻合。在数字化过程中，常）结点与线吻合。在数字化过程中，常遇到一个结点与一个线状目标的中间相交。遇到一个结点与一个线状目标的中间相交。由于测量或数字化误差，它不可能完全交由于测量或数字化误差，它不可能完全交于线目标上，需要进行编辑，称为结点与于线目标上，需要进行编辑，称为结点与线的吻合。线的吻合。A、 结点移动，将结点移动到线目标上。结点移动，将结点移动到线目标上。B、 使用线段求交；使用线段求交；C、 自动编辑，在给定容差内，自动求交自动编辑，在给定

20、容差内，自动求交并吻合在一起。并吻合在一起。（2 2）其它图形编辑）其它图形编辑 包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。线、面实体。 1）删除和增加一个顶点）删除和增加一个顶点2）移动一个顶点）移动一个顶点3）删除一段弧段）删除一段弧段4）多边形分割）多边形分割5）多边形合并）多边形合并（3 3）属性编辑）属性编辑交互式属性编辑（名称、类型等）交互式属性编辑（名称、类型等）批量式属性编辑（面积、长度、批量式属性编辑（面积、长度、ID等）等）4.4 数据裁切与接边数据裁切与接边1 1、数据裁切、数据裁切 本

21、质上是几何布尔运算中的交、差、被差，本质上是几何布尔运算中的交、差、被差，GISGIS及地图数据处及地图数据处理软件中成为叠置分析。理软件中成为叠置分析。完整的行政区域地图完整的行政区域地图按标准分幅裁切按标准分幅裁切按行政区按行政区裁切裁切任意多边形任意多边形裁切裁切去除某一区域去除某一区域（求差）（求差）ArcGIS提供多种形式的提供多种形式的地图数据裁切功能地图数据裁切功能2 2、图幅接边、图幅接边原始数据分幅采集原始数据分幅采集接边处理接边处理图幅接边后数据图幅接边后数据 图幅接边方法包括逻辑接边法和几何接边法。图幅接边方法包括逻辑接边法和几何接边法。 逻辑接边法逻辑接边法：主要考虑目

22、标唯一标示码、属性名称、等级等；：主要考虑目标唯一标示码、属性名称、等级等； 几何接边法几何接边法：通过位置、形状等几何信息实施接边。：通过位置、形状等几何信息实施接边。 实际应用中，需要将两种方法集成考虑。实际应用中，需要将两种方法集成考虑。 直接移动直接移动突变突变减少突变减少突变 4.5 拓扑及逻辑一致性关系改正拓扑及逻辑一致性关系改正1 1、拓扑关系自动构建、拓扑关系自动构建结点结点- -弧段表弧段表弧段弧段- -结点表结点表Oid起结点终结点a1a2a3a4N1N2N2N4N2N3N4N3Oid弧段 号N1N2N3N4a1a1,a2,a3a2,a4a3,a41 从从P1开始，起始链定

23、为开始，起始链定为P1P2,从从P2点算起，点算起，P1P2最右边的链为最右边的链为P2P5；从；从P5算起，算起，P2P5最右边最右边 的链为的链为P5P1,.形成的多边形为形成的多边形为P1P2P5P1。2 从从P1开始，以开始，以P1P5为起始链，形成的多边形为为起始链，形成的多边形为P1P5P4P1。3 从从P1开始，以开始，以P1P4为起始链为起始链,形成的多边形为形成的多边形为P1P4P3P2P1。4 这时这时P1为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点P2，继续继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。共可追踪出五个多边形，即

24、进行多边形追踪，直至所有的结点取完。共可追踪出五个多边形，即A1、A2、A3、A4、A5。例例1： 针对多边形边界共享产生的冲突情形提出六种改正方式针对多边形边界共享产生的冲突情形提出六种改正方式 相交型相交型 + 咬合式咬合式 相交型相交型 + 平差式平差式 相离型相离型 + 咬合式咬合式 相离型相离型 + 平差式平差式2 2、拓扑关系修复、拓扑关系修复 交织型交织型 + 咬合式咬合式 交织型交织型 + 平差式平差式道路与周边图斑多边形道路与周边图斑多边形不一致不一致改正后改正后 实例：实例： 河流、湖泊、沟渠等水系要素更新后，可能破坏整个水网的拓扑河流、湖泊、沟渠等水系要素更新后，可能破坏

25、整个水网的拓扑连通性，通过探测冲突进行弧段延长、弧段连接等操作自动改正其连通性，通过探测冲突进行弧段延长、弧段连接等操作自动改正其一致性关系。一致性关系。线面冲突线线冲突例例2：水网拓扑连通性修复：水网拓扑连通性修复例例1：水网与等高线逻辑一致性探测与改正：水网与等高线逻辑一致性探测与改正 河流偏离谷底线河流偏离谷底线 等高线提取谷地特征等高线提取谷地特征建立谷底点与河流交叉点的匹配关系建立谷底点与河流交叉点的匹配关系3 3、逻辑一致性关系改正、逻辑一致性关系改正（1）移动河流）移动河流（2）移动等高线）移动等高线（3）同时移动）同时移动 三种改正策略三种改正策略 道路更新后与周边邻近房屋产生

26、冲突（小板房压盖），通过探测，对有道路更新后与周边邻近房屋产生冲突（小板房压盖），通过探测，对有冲突关系的小板房进行旋转、位移处理自动改正该冲突关系。冲突关系的小板房进行旋转、位移处理自动改正该冲突关系。例例2：房屋与道路冲突探测与调整房屋与道路冲突探测与调整例例3：基于基于“空间场模型空间场模型”的群目标冲突的群目标冲突波及范围探测与一致性改正波及范围探测与一致性改正将地图综合种的移位方法应将地图综合种的移位方法应用到空间冲突改正中，提出一种用到空间冲突改正中，提出一种基于场论分析的移位方法，具有基于场论分析的移位方法，具有传递性与衰减性特征。传递性与衰减性特征。借助于物理学场论中的借助于物理学场论中的“等势线等势线”模型来表达这一移位现象，在模型来表达这一移位现象，在DelaunayDelaunay三角网支持下建立多级三角网支持下建立多级邻近关系曲线，探测内部冲突与邻近关系曲线，探测内部冲突与外部冲突。外部冲突。内外力共同作用下内外力共同作用下的冲突移位场的冲突移位场3.6 数据压缩与光滑数据压缩与光滑1 1、数据压缩：数据压缩：从所取得的数据集合从所取得的数据集合S S中抽出一个子集中抽出一个子集A A，这，这个子集作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼个子集作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。近原集合