土地信息系统3章A

1LIS的数据源

2LIS的数据输入3LIS的数据输出与表达4LIS的数据质量5空间数据的元数据§1LIS的数据源

第三章

数据的输入与输出

一、空间数据的测量尺度

从宏观到微观分为四个层次：命名量、次序量、间隔量、比率量。二、空间数据源

1图件2野外测量（大地与GPS测量）3现场调查与遥感调查4统计资料5现有数据库信息类型空间信息属性信息获取途径已有图件、野外调查、遥感、现场调查、已有资料野外调查、遥感、现场调查、社会调查、已有资料§2数据输入注意问题:1.统一的地理基础2.空间定位3.性状描述2.1地理基础统一的地图投影系统统一的地理坐标系统统一的编码系统土地信息系统中的投影坐标系统配置一般性特征：

(1)各个国家的土地信息系统采用的投影系统与该国的基本地图系列所用投影系统一致；(2)各地区的土地信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致。地图投影配置的选择原则：

(1)投影系统应与相应比例尺的国家基本图(基于比例尺地形图、基本省区图或国家大地图集)投影系统一致。(2)一般只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理系统，另一种服务于中小比例尺的数据处理系统。2.2空间数据输入主要是对图形的数字化处理输入方法可以采用数字化仪、扫描仪、摄影测量仪以及测量全站型速测仪、GPS接收机等能以数字形式自动记录测量数据的测量仪器。2.3属性数据输入及其与空间数据连接1．属性数据的输入

主要包括三个方面：(1)描述地块实体的数量、质量、权属和利用状况的数据；(2)描述有关地理实体的基本特征的数据；(3)描述地块实体与地理实体相互关系的数据。2．属性数据与空间数据的连接

在输人空间数据时虽然可以直接在图形实体上附加特征编码，但是当数据量较大时，这种交互输人的效率就太低了。因此，可以用特定的程序把属性与已数字化的点、线、面空间实体连接起来。

2.4数据编辑空间数据(图形数据)的编辑属性数据(非图形数据)的编辑

2.4.2属性数据编辑处理

属性数据一般较为规范；便于用表格形式表达，所以一般在LIS中以关系型数据库管理系统管理属性数据。

§3空间数据的质量3.1空间数据质量的概念1．空间数据质量

空间位置、专题特性、时间是表达现实世界空间变化的三个基本要素。

空间数据是有关空间位置、专题特征及时间信息的符号记录。

数据质量

是空间数据在表达这三个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性以及它们三者之间统一性的程度。空间数据是对现实世界中空间特征和过程的抽象表达。由于现实世界的复杂性和模糊性以及人类认识和表达能力的局限性，这种抽象表达总是不可能完全达到真值的，而只能在一定程度上接近真值。从这种意义上讲，数据质量发生问题是不可避免的；另一方面，对空间数据的处理也会导致出现一定的质量问题，例如，在某些应用中，用户可能根据需要来对数据进行一定的删减或扩充，这对数据记录本身来说也是一种误差。因此，空间数据质量的好坏是一个相对概念，并具有一定程度的针对性。尽管如此，我们仍可以脱离具体的应用，从空间数据存在的客观规律性出发来对空间数据的质量进行评价和控制。

2．空间数据测量尺度测量的尺度大致可以分成四个层次，由粗略至详细依次为：命名或类型、次序、间隔以及比率。

1)命名量

命名量属定性而非定量，是不能进行任何算术运算的符号或数，如一个城市的名字。命名式的测量尺度也称为类型测量尺度，只对特定现象进行标识，赋予一定的数值或符号而不定量描述。例如，可以用不同数值表示不同的土地利用类型、植被类型或岩石类型，但是这些数值之间无数量关系，对命名数据的逻辑运算只有“等于”或“不等于”两种形式，而其近似均值只能使用众数。

2)次序量

次序量是线性坐标上不按值的大小，而是按顺序排列的数，例如，事故发生危险程度的级别由大到小被标为1，2，3，……，级别的序号越低，其危险性越大，但危险性到底有多大并未给予定量的表达。序数值相互之间可以比较大小，但不能进行加、减、乘、除等算术运算。次序测量尺度是基于对象进行排序来标识的，如可以把山峰按高度分级为极高山、高山、中山、低山和丘陵等，将坡度分为陡、中、缓等。不同次序之间的间隔大小可以不同。对次序数据的逻辑运算除了“等于”与“不等于”之外，还可以比较它们的大小，即“大于”或“小于”。

3)间隔量

间隔量是不参照某个固定点，而是按间隔表示相对位置的数。

按间隔量测的值相互之间可以比较大小，并且它们之间的差值大小是有意义的。温度是间隔尺度的数据而不是比例数据，因为它的“0”测量值随着所使用的不同温度测量单位而不同。不能说150F的温度是75F的温度的两倍，因为这个比例在使用摄氏单位时就改变了。相反，降水量是比例数据，因为它有真的零值。比例数据和间隔数据可用于加、减、乘、除等运算，而且可以求算术平均。

4)比率量

比率量是比例测量尺度的测量值，指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据，比例测量尺度与使用的测量单位无关。间隔测量尺度与比例测量尺度相似，但是间隔尺度的测量值无真的零值。比例数据或间隔数据可以比较容易地被转变成次序或命名数据。而命名数据则很难被转化成次序、间隔数据或比例数据。由此可见，尽管命名数据或次序数据便于使用，易于理解，但有时不够精确，不能用于较高级的算术运算。而比例数据或间隔数据比较精确，便于计算机处理，但是在较复杂的LIS应用中，往往上述几种测量尺度的数据均需用到。

3.与数据质量相关的几个概念

(1)误差

误差反映了数据与真值或者大家公认的真值之间的差异，它是一种常用的数据准确性的表达方式。定义出一个所记录的测量和它的事实之间的准确性以后，很明显对于大多数数据而言，它的数值是不准确的。误差研究包括：位置误差，即点的位置的误差、线的位置的误差和多边形的位置的误差；属性误差；位置和属性误差之间的关系。空间数据处理过程中，容易产生的误差有以下几种：

投影变换：地图投影是将三维地球椭球面到二维场平面的拓扑变换。在不同投影形式下，地理特征的位置、面积和方向的表现会有差异。

地图数字化和扫描后的矢量化处理：数字化过程采点的位置精度、空间分辨率、属性赋值等都可能出现误差。

数据格式转换：在矢量格式和栅格格式之间的数据格式转换中，数据所表达的空间特征的位置具有差异性。

数据抽象：在数据发生比例尺度变换时，对数据进行的聚类、归并、合并等操作时产生的误差，如知识性误差和数据所表达的空间特征位置的变化误差。

建立拓扑关系：拓扑过程中伴随有数据所表达的空间特征的位置坐标的变化。

与主控数据层的匹配：一个数据库中，常存储同一地区的多层数据面，为保证各数据层之间空间位置的协调性，一般建立一个主控数据层以控制其他数据层的边界和控制点。在与主控数据层匹配的过程中也会存在空间位移，从而导致误差。

数据叠加操作和更新：数据在进行叠加运算以及数据更新时，会产生空间位置和属性值的差异。

数据集成处理：指在来源不同、类型不同的各种数据集的相互操作过程中所产生的误差。数据集成是包括数据预处理、数据集之间的相互运算、数据表达等过程在内的复杂过程，其中位置误差、属性误差都会出现。

数据的可视化表达：数据在可视化过程中为适应视觉效果，需对数据的空间特征位置、注记等进行调整，由此产生数据表达上的误差。

数据处理过程中误差的传递和扩散：在数据处理的各个过程中，误差是累计和扩散的，前一过程的累计误差可能成为下一个阶段的误差起源，从而导致新的误差的产生。

(2)数据的准确度

数据的准确度被定义为结果、计算值或估计值与真实值或者大家公认的真值的接近程度。即一个记录值(测量或观察值)与它的真实值之间的接近程度。在实际中，测量的知识可能依赖于测量的类型和比例尺。一般而言，单个的观察或测量的准确性的估价仅仅是通过与可获得的最准确的测量或公认的分类进行比较。空间数据的准确性经常是根据所指的位置、拓扑或非空间属性来分类的，它可用误差来衡量。

(3)数据的精密度数据的精密度指数据表示的精密程度，亦即数据表示的有效位数，它表现了测量值本身的离散程度。由于精密度的实质在于它对数据准确度的影响，同时在很多情况下，它可以通过准确度而得到体现，故常把二者结合在一起称为精确度，简称精度，即对现象描述的详细程度。

(4)不确定性不确定性是关于空间过程和特征不能被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。在内容上，它是以真值为中心的一个范围，这个范围越大，数据的不确定性也就越大。土地信息系统的不确定性包括空间位置的不确定性、属性不确定性、时域不确定性和逻辑上的不一致性及数据的不完整性。空间位置的不确定性指LIS中某一被描述物体与其地面上真实物体位置上的差别；属性不确定性是指某一物体在LIS中被描述的属性与其真实的属性之差别；时域不确定性是指在描述地理现象时，时间描述上的差错；逻辑上的不一致性指数据结构内部的不一致性，尤其是指拓扑逻辑上的不一致性；数据的不完整性指对于给定的目标，GIS没有尽可能完全地表达该物体。

(5)空间分辨率分辨率是空间目标可辨识的最小尺寸。如遥感影像上最小可分辨的地物目标。在一个图形扫描仪中最小的物理分辨率从理论上讲是由设施的像元大小来确定的。在一个激光打印机上这是84．67X10—3rnlTl，而且在高质量的激光扫描仪上，这会细化10倍。

(6)比例尺比例尺是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。地图的比例尺将决定地图上一条线的宽度所表现的地面的距离。例如，在一个1：10000比例尺的地图上，一条0．51TInl宽度的线对应着5m的地面距离。如果这是线的最小的宽度，那么就不可能表示小于5m的现象。

3.2空间数据质量的评价1.空间数据质量标准空间数据质量标准是生产、使用和评价空间数据的依据、质量、整体性能的综合体现。空间数据质量标准的建立必须考虑空间过程和现象的认知、表达、处理、再现等全过程。空间数据质量标准要素及其内容如下：

(1)数据情况说明

(2)位置精度或称定位精度

(3)属性精度

(4)时间精度

(5)逻辑一致性

(6)数据完整性

(7)表达形式的合理性2．空间数据质量的评价就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题和时间特征进行评价。(1)质量评价过程

(2)多尺度评价依据

(3)数据的实效性与惟一性(4)数据精度的测试与报告3.3空间数据源误差及其分析1．空间数据源误差

(1)地图固有误差(2)材料变形产生的误差(3)图形数字化误差

跟踪数字化数字化要素对象数字化操作人员数字化仪数字化操作

扫描数字化

(4)遥感数据误差(5)测量数据的误差

主要指使用大地测量、GPS、城市测量、摄影测量和其他一些测量方法直接量测所得的测量对象的空间位置信息。这部分数据质量问题，主要是空间数据的位置误差。2．常见空间数据的误差分析

LIS中的误差是指LIS中数据表示与其现实世界本身的差别。数据误差的类型可以是随机的，也可以是系统的。归纳起来，数据的误差主要有四大类，即几何误差、属性误差、时间误差和逻辑误差。

属性误差和时间误差与普通信息系统中的误差概念是一致的，几何误差是土地信息系统所特有的。几何误差、属性误差和时间误差都会造成逻辑误差

(1)逻辑误差

对数据进行质量控制或质量保证或质量评价，一般先从数据的逻辑性检查人手。

(2)几何误差。由于地图是以二维平面坐标表示位置，在二维平面上的几何误差主要反映在点和线上。

a．点误差。关于某点的点误差即为测量位置(X0，y0)与其真实位置(X，Y)的差异。真实位置的测量方法比测量位置的要更加精确，如在野外使用高精度的GPS方法得到。

b．线误差线可表示线性现象可通过连成的多边形表示面状现象。

第一类是线上的点在真实世界中是可以找到的，如道路、河流、行政界线等，这类线性特征的误差主要产生于测量和对数据的后处理；第二类是现实世界中找不到的，如按数学投影定义的经纬线、按高程绘制的等高线，或者是气候区划线和土壤类型界限等，这类线性特征的线误差及在确定线的界限时的误差，被称为解译误差。解译误差与属性误差直接相关，若没有属性误差，则可以认为那些类型界线是准确的，因而解译误差为零。

3.4空间数据的元数据一、元数据的概念

元数据(Metadata)，是描述数据的数据。在地理空间数据中，元数据说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。

元数据的主要内容包括：(1)对数据集的描述，对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代(数据生产历史)等的说明；(2)对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等；(3)对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；(4)对数据转换方法的描述；(5)对数据库的更新、集成等的说明。LIS中元数据的主要作用：

(1)帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情况的了解；(2)提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索空间数据；(3)帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的判断；(4)提供有关信息，以便于用户处理和转换有用的数据。

二、元数据的类型1．根据元数据描述对象分类

(1)数据层元数据。指描述数据集中每个数据的元数据，内容包括日期、位置、量纲、注释、误差标识、缩略标识、存在问题标识、数据处理过程等。

(2)属性元数据。是关于属性数据的元数据，内容包括为表达数据及其含义所建的数据字典、数据处理规则(协议)，如采样说明、数据传输线路及代数编码等。

(3)实体元数据。是描述整个数据集的元数据，内容包括数据集区域采样原则、数据库的有效期、数据时间跨度等。2．根据元数据在系统中的作用分类(1)系统级别元数据。指用于实现文件系统特征或管理文件系统中数据的信息，如访问数据的时间、数据的大小、在存储级别中的当前位置、如何存储数据块以保证服务控制质量等。(2)应用层元数据。指有助于用户查找、评估、访问和管理数据等与数据用户有关的信息，如文本文件内容的摘要信息、图形快照、描述与其他数据文件相关关系的信息。它往往用于高层次的数据管理，用户通过它可以快速获取合适的数据。

3．根据元数据的作用分类(1)说明元数据。是为用户使用数据服务的元数据。它一般用自然语言表达，如元数据覆盖的空间范围、元数据图的投影方式及比例尺的大小、数据集说明文件等，这类元数据多为描述性信息，侧重于数据库的说明。(2)控制元数据。是用于计算机操作流程控制的元数据，这类元数据由一定的关键词和特定的句法来实现。其内容包括数据存储的检索文件、检索中与目标匹配的方法、目标的检索和显示、分析查询结果排列显示、根据用户要求修改数据库中原有的内部顺序、数据转换方法、空间数据和属性数据的集成、根据索引项把数据绘制成图、数据模型的建设和利用等。这类元数据主要是与数据库操作有关的方法。

1LIS的数据源

2LIS的数据输入3LIS的数据输出与表达4LIS的数据质量5空间数据的元数据§1LIS的数据源

1图件2野外测量（大地与GPS测量）3现场调查与遥感调查4统计资料5现有数据库

第三章

数据的输入与输出

信息类型空间信息属性信息获取途径已有图件、野外调查、遥感、现场调查、已有资料野外调查、遥感、现场调查、社会调查、已有资料§4空间数据编辑处理

处理的目的：是消除数字化过程中产生的错误，重新组织数字化的数据，使之成为便于进一步处理和使用的形式。

消除数字化错误：消除点、线丢失或错位；图斑属性码的错、漏；结点代码、区域属性码不符合拓朴一致性要求等。

重新组织数据(数据重构)：根据输入文件和输出结果的要求，将图幅数据分割、合并为便于处理的块(分幅)；改变存储格式；数字化文件的连接。

1.图幅定位与定向(坐标变换)；2.图形元素形状检查与编辑；3.建立拓朴关系；

4.图幅编辑（拼接与分割）5.数据重构(以不同形式图形数据文件保存\数据结构变换)；6.数据更新；7.数据加密；8.数据压缩与综合；9.图面整饰；10.几何计算。4.1图幅数据处理边缘匹配结果两拼幅拼合后图幅数据处理一般包括：图幅边缘匹配、坐标变换一、图幅边缘匹配

数字化时，因图幅较大或采用小型数字化仪，难以将研究区的底图以整幅的形式来完成，只能分幅完成输入；在分幅输入完成并经过误差检查和编辑后，虽然对每一分幅图来说错误订正是完成了，当进行分幅的拼接时一般仍然会出现边缘不匹配的情况，边缘匹配处理，一般可采用二种方法来调整边界，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。

步骤：

1.识别和检索相邻图幅的数据：为了能便于相邻图幅的识别及计算机处理，在对图幅进行编号时可用十位数来指示图幅的横向顺序而以个位数来表示图幅的纵向顺序。3l32332122231112132.相邻图幅边界点坐标数据的匹配

相邻图幅边界点坐标数据的匹配采用追踪拼接法，只要符合下述条件，两条线段或弧即可匹配衔接：

①相邻图幅边界两条线段或弧的左右图斑编码各自相同或相反；②相邻图幅同名边界点坐标在某一许可定值的范围内(例如≤±0.5mm)。

匹配衔接时是以一条弧或线段链作为处理的单元，因此，当边界点位于两个结点之间时，须分别取出相关的两个结点，然后按照结点之间线段链方向一致性的原则进行数据的记录和存储。教材图3—39就是根据图3—38的原始数据，按照跟踪拼接法处理后输出的图形。3.相同属性多边形公共界线的删除

当图幅数据通过边沿匹配处理，组成较大区域的连续图幅的数据以后，常常伴随着比例尺的缩小和属性类型的合并，需要对具有相同属性的多边形公共边界线予以删除。4.2坐标变换空间数据坐标变换的实质是建立两个平面点之间的一一对应关系，包括几何纠正和投影转换。原因：1.设备坐标系与用户确定的坐标系不一致(需对原图的数据做坐标系转换)；

2.数字化原图图纸发生变形(需对原图数据做变形误差的消除)；3.不同来源的地图还存在地图投影与地图比例尺的差异(需进行地图投影的转换和地图比例尺的统一)。1．几何纠正几何纠正是为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的改正。商业GIS软件一般都具有仿射变换、相似变换、二次变换等几何纠正功能。仿射变换是假设地图因变形而引起的实际比例尺在x、y方向上都不相同，因此，具有图纸变形的纠正功能，是GIS数据处理中使用最多的一种几何纠正方法。它的主要特性为：同时考虑到x和y方向上的变形，因此纠正后的坐标数据在不同方向上的长度比将发生变化。其他方法还有相似变换(x和y方向上加a、b的变形)和二次变换(x和y方向上nm的变形)等。2．投影转换当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。投影转换的方法可以采用：

(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、y→B、L)，然后将地理坐标代人另一种投影的坐标公式中(B、L→X、Y)，从而实现由一种投影的坐标到另一种投影标的变换(x、y→X、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，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。4.3空间数据结构变换

由于矢量数据结构和栅格数据结构各具有不同的优缺点，一般对它们的应用原则是：数据采集采用矢量数据结构，有利于保证空间实体的几何精度和拓扑特性的描述；而空间分析则主要采用栅