空间数据采集和质量控制培训课件

第三章空间数据采集和质量控制教师：杨勇华中农业大学资源与环境学院6/7/20231概述现实世界文字报告、遥感图象等数字化仪扫描仪解析测图仪键盘等编辑、接边、分层、图形与属性连接、加注记等空间数据库数据源?如何采集?质量如何?6/7/20232GIS的数据来源

地理信息系统的数据来源非常广泛。既有通过传统手段野外实测获得，也有通过航天航空全球卫星定位糸统（GPS）等现代技术获得。不同的资料提供了不同形式的信息，不同的信息，输入计算机和计算机处理的方法也不相同。6/7/20233GIS的数据来源统计数据地图存储介质、现势性、投影转换地面测量数字数据格式、精度多媒体，辅助GIS空间分析和查询GIS空间数据遥感、航空影象和数据分辨率、变形规律、纠正、解译特征6/7/20234GIS的数据来源

地图数据：是地理信息系统的主要的数据来源。地图的种类不同，研究的对象不同，应用的部门不同，图件编制的内容也不同。按内容划分，包括各种比例尺的普通地图和专题地图。

普通地图是以相对平衡的详细程度表示地球表面上的自然地理和社会经济要素，主要表达居民地、交通网、水系、地貌、境界、土质植被等。

专题地图重点反映某一种或几种专门的要素，对于各种不同比例尺的专题地图，常常提供如地质、地貌、土壤、植被和土地利用等原始资料。6/7/20235普通地图（资料来自于国家基础地理信息中心）6/7/20236专题地图6/7/20237专题图6/7/20238专题图6/7/20239GIS的数据来源遥感数据：为地理信息系统的重要信息源。从卫星或飞机上获取的图像信息主要有胶片和数字磁带两种记录形式。

胶片是一种模拟信号，必需通过A/D转换装置将模拟量转换成数字量后，才能送入计算机内进行存贮和分析。

数字磁带是一种数字图像记录，简称CCT。用户得到CCT磁带后可以根据磁带密度要求将数据读入计算机，然后通过图像处理系统的监视器可以显示图像，供用户分析。6/7/202310GIS的数据来源数字资料：

对于各种数据形式的原始资料，包括社会经济数据、人口普查数据、野外调查或监测数据。统计数据一般都和一定范围内的统计单元或观测点联系在一起的，因此搜集这些数据，要注意包括研究对象的特征值、观测点的几何数据和统计资料的基本统计单元。统计数据是GIS建立必不可少的资料，常常在分析中起着重要的作用。

气温监测图6/7/202311GIS的数据来源文字报告：文字说明资料是地理信息系统建立的主要依据，必需认真加以研究，准确送入计算机系统，使搜集资料更加系统化。通过文字报告还可以用来研究各种类型地理信息的权势性、可靠程度和内容的完整性，以便决定地理信息的分类和使用。6/7/202312空间数据采集的任务空间数据采集的任务是将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图像、文本资料等转换称GIS可以处理与接收的数字形式，通常要经过验证、修改、编辑等处理不同数据输入需要用不同的设备6/7/202313空间数据的输入方法：键盘输入手扶跟踪数字化输入扫描数字化仪输入其他类型的自动数字化仪器地图数字化6/7/202314空间数据的输入1、键盘输入

键盘输入就是通过手工在计算机终端上输入数据。实际上就是将图形元素点、线、面实体的地理位置数据（各种坐标系中的坐标）通过键盘输入数据文件或程序中去。实体坐标可以用地图上的坐标网或将其他格网复盖在材料上量取，这是最简单又不用任何特殊设备的图形数据输入法。6/7/202315空间数据的输入2、手扶跟踪数字化输入数字化仪由电磁感应板（操作平台）、坐标输入控制器（标示器）和接口装置组成。目前，市场上数字化仪的规格按其可处理的图幅面积来划分，有A0、A1、A3等幅面。典型的用于制图的数字化仪是A0规格，其幅面为1.0m×1.5m。较小的数字化设备称为数字化板普通地图可用胶带纸固定在操作平台上，当标示器放到操作平台上时，由于电磁感应，标示器在图上的相对位置就会转变成电信号。靠预先设计好的软件，传输给计算机的电信号可以光标的形式显示在图形显示器上，操作者按动标示器上的按钮，坐标数据就记录在计算机中。

6/7/202316空间数据的输入2、手扶跟踪数字化输入流程6/7/202317空间数据的输入2、手扶跟踪数字化输入2、用数字化软件进行数字化6/7/202318空间数据的输入2、手扶跟踪数字化输入数字化方式点方式数字化时，只要将标示器十字丝交点对准数字化原图上要数字化的点，按下标示器上相应的按键，记录该点x、y坐标。每记录一次坐标，操作员需要按键一次。流方式数字化时，将标示器十字丝交点沿曲线从起点移动到终点，让它以等时间间隔或等距离间隔方式记录曲线上一系列密集的离散点坐标，操作员无需对每个点都按键一次，仅在曲线的始点和终点各按一次相应的按键即可，对于不规则的曲线图形，如河流、等高线、海岸线等，常使用流方式数字化。

6/7/202319空间数据的输入2、手扶跟踪数字化输入

数字化精度：受数字化仪误差、数字化方式、操作人员人为误差、编稿原图误差等多种因素的影响。6/7/202320空间数据的输入3、扫描数字化仪输入扫描数字化仪简介：绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理。扫描仪可分为滚筒式、平板式、CCD直接摄像式三种，其中大幅面的地图以滚筒（卷纸）式用得最多。目前市场上常见的A0幅面的滚筒式单色分灰度扫描仪的分辨率为400～800dpi，操作的精度要高。普通的扫描仪大都按灰度分类扫描，高级的可按颜色分类扫描。6/7/202321空间数据的输入3、扫描数字化仪输入扫描数字化仪简介：滚筒式扫描仪由旋转滚筒和光学扫描头两个主要部件构成。图纸安装在滚筒上，作Y方向旋转，扫描头在X方向沿导轨移动。平板式扫描仪主要由扫描头、平台和主梁组成。图纸固定在平板上，扫描头沿主梁作X方向移动，主梁沿Y方向移动。

CCD直接摄像式由摄像头和电源组成。摄像头由光学透镜加CCD固态面阵组成。摄像时，从图形或图像反射回来的光线，经过透镜后成像在位于焦平面位置的固态面阵上。每个光敏元件将图像的明暗转换成CCD内电子流浓度的高低并存贮起来，然后用多时脉冲将一排排的图像信息移至终端，经信号线把电信号传进图像卡中，从而完成图数转换。6/7/202322扫描数字化仪滚筒式平板式CCD直接摄像式6/7/202323空间数据的输入扫描前准备1、原图准备：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。2、记录格式：选择数据扫描数字化仪的数据记录格式有两种，一种是数字格式，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；一种是连续格式，每个网格记录一个灰度值（0～255个灰阶），这适用于对像片数字化。

6/7/202324空间数据的输入扫描前准备

3、光孔孔径----扫描仪采样头中透光孔的孔径有好多规格，如：

12.5μ×12.5μ

25μ×12.5μ

50μ×25μ

50μ×40μ

100μ×100μ

（μ(微米)=1/1000毫米），它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100μ×100μ（或50μ×40μ）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。

4、计算坐标差：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。

6/7/202325空间数据的输入栅格扫描数据到矢量数据的转化

①对扫描后的图像作手工编辑，去掉不需要的要素、杂点，对不清楚的地方作简单修补。

②由软件将栅格数据转换成矢量（线化）数据，同时进行灰度、颜色、符号、线型、注记的识别，这一处理过程（特别是符号、注记的识别）往往花费较多的计算时间。

③再由手工对转换后的矢量图形进行编辑，使之符合GIS数据库的要求。

6/7/202326空间数据的输入扫描并自动矢量化的过程6/7/202327空间数据的输入扫描与跟踪比较--手扶跟踪数字化方法速度慢、精度低、作业劳动强度大。扫描仪在快速、经济地处理山区地形图时比手工数字化有效。--数字化仪在处理少量信息地图时比扫描仪合算些。栅格扫描仪输入地形图的主要困难是从栅格影像中提取点、线、面信息。--栅格扫描仪数字化存在的问题除数据量大外，更主要的问题是噪声和中间色调象元的处理问题。噪声灰度的范围很广，没有简单有效的方法能加以清除，因此，即使用最先进的扫描仪和高级软件产生的数字也不很完美。6/7/202328空间数据的输入4、现有数据转换

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，这种服务大致有五类信息：基本数字化地图、自然资源数据、地面数字高程、遥感数据、与人口统计相结合的空间、属性、地址数据。这些数据服务可以减少在数据收集与数据输入方面多付出的劳动，对GIS普及将起到了有力的促进作用。6/7/202329非空间属性数据的输入非空间属性有时称为特征编码或简单地称为属性，是那些需要在系统中处理的空间实体的特征数据。属性数据的输入可在程度的适当位置键入，但数据量较大时一般都与空间数据分开输入且分别存贮。将属性数据首先键入一个顺序文件，经编辑、检查无误后转存数据库的相应文件或表格。6/7/202330空间数据与非空间属性数据的连接属性数据采集1、键盘，人机对话方式2、程序批量输入。a1a2001002001002程序空间数据库属性和几何数据的连接1、可手工输入2、由系统自动生成(如用顺序号代表标识符)标识码属性数据几何数据6/7/202331建立多边形矢量数据库的过程6/7/202332地理实体分类与数据编码地理实体的分类地理实体：地理数据库中的实体，是一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。地理目标：实体在地理数据库中的表示。地理目标的表示方法随比例尺、目的等情况的变化而变化。6/7/202333地理实体与地理目标的类型地理实体地理目标点状实体0维线状实体1维面状实体2维体状实体3维6/7/202334地理实体的描述编码位置类型行为属性说明关系6/7/202335地理实体时间维的描述如果只是地理实体的属性数据变化，则可以把不同时间的属性数据记录下来，作为该地理实体的属性数据如果地理实体的空间位置随时间变化，则必须把地理实体的空间特征变化也记录下来，同时对实体进行时间标记。6/7/202336地理目标数据的分层

空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常称为图层（Coverage）。空间数据分层方法：1）专题分层每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。2）时间序列分层即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。3）地面垂直高度分层把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。

Z6/7/202337空间数据分层的目的便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。1）空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理就简化为对各数据层的管理，而一个数据层的数据结构往往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单；2）对分层的空间数据进行查询时，不需要对所有空间数据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因而可加快查询速度；3）分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图层，因而增加了图形显示的灵活性；4）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。6/7/202338地理实体编码属性数据是描述实体数据的属性特征的数据

在属性数据中，有一部分是与几何数据的表示密切有关的。例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的形状、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把这部分属性数据用编码的形式表示，并与几何数据一起管理起来。

编码：是指确定属性数据的代码的方法和过程。

代码：是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号，是计算机鉴别和查找信息的主要依据和手段。

编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。6/7/202339分类是将具有共同的属性或特征的事物或现象归并在一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过程。分类是人类思维所固有的一种活动，是认识事物的一种方法。分类的基本原则是：科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性、稳定性、不受比例尺限制、灵活性把数据输入到计算机之前，必须先按使用要求进行分类。如国家资源和环境信息系统数据规范在“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。其中关于资源与能源类的划分为：分类编码的原则6/7/202340

地貌类型土地资源土地利用类型‥‥‥资源与能源气候和水热资源生物资源‥‥‥6/7/202341比如土地利用现状调查和农村地籍调查中土地类型划分如下：土地类型土地类型土地类型土地类型名称代码名称代码名称代码名称代码耕地1园地2居民点及工矿用地5交通用地6灌溉水田11果园21城镇51铁路61望天田12桑园22农村居民点52公路62水浇地13茶园23独立工矿用地53农村道路63旱地14橡胶园24盐田54民用机场64菜地15其它园地25特殊用地55港口码头656/7/202342分类码和标识码6/7/2023436/7/2023446/7/202345在信息系统设计过程中要注意进行编码的几个问题（1）凡国家正规施行的编码规范和标准，均按国家规定的执行。（2）必须可靠地识别数据信息分类，以较小的代码提供丰富的参考信息，以及根据代码结构能进行数据间关系的逻辑推理判别。（3）不宜过长，一般为4～7位字节长，从而减少出错的可能性和节省存储空间。（4）编码要标准化，以保证统一的格式和含义的唯一性。（5）凡大型的信息库都有自行的编码，需要编写数据分类和编码表，以便交流。6/7/202346GIS数据质量空间数据质量是指空间数据可靠性和精度，通常用空间数据误差来度量。在某些情况下，由于多种原因，计算机分析结果甚至会比手工分析的误差更大。这是除软件、硬件的质量，计算方法上的问题，以及分类、编码、输入、操作上的明显疏忽以外，数据本身的质量也是重要的原因。GIS主要功能之一是综合不同来源，不同分辨率和不同时间的数据，利用不同比例尺和数据模型进行操作分析，这种不同来源数据的综合和比例尺的改变使GIS数据误差问题变得极为复杂。

6/7/202347数据质量问题微观方面

定位精度属性精度逻辑一致性分辨率宏观方面

完整性时间性地域性数据档案6/7/202348研究空间数据质量的目的和意义定义：GIS数据质量是指GIS中空间数据的可靠性，通常用空间数据的误差来度量。研究目的：建立一套空间数据分析何处理的体系，包括误差源的确定、误差的鉴别何度量方法、误差传播的模型、控制何削弱误差的方法等，使未来的GIS在提供产品的同时，提供产品的质量指标，即建立GIS产品的合格证制度。GIS数据质量的研究分为两大问题：正演问题和反演问题。6/7/202349数据质量问题定位精度

GIS的空间坐标数据与其真实的地面位置之间的误差。这种误差主要有两种：偏差大小、偏移分布。

偏差是描述真实位置与表达位置偏移的距离。可在地图上抽取某些要素，用这些要素在数据库中的坐标值和对应物体的实测坐标进行比较，据此来判断偏移是否过大。理想的偏差应为零，表明图上位置与实际位置没有系统偏差。

偏移量在某些地方很小，另一些地方很大，则说明偏移的分布不均匀，数据质量不稳定。如果各个点的偏移量都差不多，虽然总量并不很小，但分布比较均匀，这说明数据的质量还比较稳定。位置精度常采用标准差和均方差来度量。6/7/202350数据质量问题属性精度：是指属于地理数据库中点、线、面的属性数据正确与否。属性定义往往也会有误差，除人为因素外，还有技术因素，属性误差度量取决于数据的类型6/7/202351数据质量问题

逻辑一致性：是指数据之间要维护良好的逻辑关系。例如森林的边界与道路的边界应当是不一样的，但制图时，往往只给出道路边界；行政境界与管理区域境界应严格一致。

两个数据集合如果位置上存在微小不同，也许仍能满足位置精度水平的要求，但当两个数据进行叠合时，这种微小差别会在缝隙处产生一个非常小的区域，称之为裂片。

逻辑一致性没有量测标准。虽然同一特征在位置上的不一致性是可以量测的，然而它们或许是具有逻辑一致关系的几种特征的组合体，量测所有可能的叠加组合体的不一致性可能是不现实的。

逻辑一致性的检查最好是在数据输入GIS前就去做，在地图数字化的准备阶段和单幅图的数字化检查阶段进行，必要时，可重绘该幅图进行逻辑一致性检查。6/7/202352逻辑一致性6/7/202353数据质量问题

分辨率

栅格型空间数据库，分辨率越高，象素就越小，这就意味着每个度量单元具有较多的信息和潜在的细节，分辨率越低，就意味着象素越大，每个度量单元的细节就越小，因而看起来有些粗糙。矢量空间数据库的比例主要由分辨率和位置精度决定，必须在数据库设计阶段就定义好最小制图单位，在数据输入时，小于最小制图单位的元素（主要是线段长度太短）不存入数据库，大于最小制图单位的元素则必须存入。在实践中，采用手工数字化输入地图时，图纸的比例尺稍大一些容易保证输入的精度和分辨率。

对于专题图来说，分解力是指所表达的最小物体的大小，称之为最小制图元。如何确定图中表达的最小物体单元，取决于地图的编辑过程、使用目的、可读性、原始数据精度、制图成本、信息的表达和存贮要求等。6/7/202354空间分辨率示例RealWorldVectorDataRasterData1pixel=10mX10m分辨率=10m10M10M1Pixel6/7/202355数据质量问题（宏观方面）完整性：包括数据层完整性，分类完整性和检验完整性。时间性：数据资料的现势性地域性：地域间数据精度和分类标准不同数据档案：数据来源、内容以及处理这些数据所使用的处理步骤等6/7/202356误差来源具体分析原因6/7/202357数据误差来源测量误差包括：人差、仪器差、环境影响、GPS数据误差等（1对中误差、读数误差、平差误差2不完善、缺乏检校、未作改正3气候、气压、温度、磁场、信号干扰、风、光源4信号精度、接收机精度、定位方法、处理算法、坐标变换、轨道信号等）遥感误差包括：仪器差、解译误差（摄影平台、传感器的结构及稳定性、信号数字化、光电转换、分辨率）制图误差包括：展绘控制点、编绘、清绘、综合、复制、套色等输入误差包括：原稿质量、操作员人为误差、纸张变形、数字化仪精度、数字化方式等处理误差包括：几何改正、坐标变换、投影变换、数据编辑、数据格式转换、拓扑匹配、地图叠置等输出误差包括：比例尺误差、输出设备误差、媒质不稳定等使用误差包括：用户错误理解信息造成的误差、不正确地使用信息造成的误差等6/7/202358数据质量控制空间数据质量控制是一个复杂的过程，需要从质量问题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。常见的空间数据质量控制手段有：手工方法：将数字化数据与数据源进行逐一比较元数据方法：在元数据中描述数据的质量信息（原始质量、处理质量），以供使用过程中掌握。地理相关法：用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。如山区的河流在局部范围内（微地形）应处于最低点；建筑物一般不会建筑在水面上；等等。6/7/202359空间元数据元数据（Metadata），是关于数据的数据（DataAboutData），是关于数据和信息资源的描述性信息。空间元数据（SpatialMetadata），是关于地理空间数据和相关信息资源的描述性信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、条件、位置和其他特征进行描述与说明，帮助和促进人们有效地定位、评价、比较、获取和使用地理相关数据。由于网络的发展，元数据已经由一种数据描述与索引的方法扩展到包括数据发现、数据转换、数据管理和数据使用的整个网络信息过程中不可缺少强有力的工具和方法之一。6/7/202360空间元数据空间元数据的主要作用有：确定一套地理空间数据的存在性及其位置确定一套地理空间数据对某种应用的适宜性确定获取一套地理空间数据的手段确定成功地转换一套