第四讲空间数据的采集与处理

第4讲空间数据的采集与处理中山大学地理科学与规划学院2009-3-8内容5.1空间数据采集在GIS中的地位5.2空间数据采集的主要内容与任务5.3GIS的数据来源5.4空间数据采集5.5空间数据的编辑与处理5.6空间数据质量及其精度分析4.1空间数据采集在GIS中的地位空间数据的采集是指将非数字化形式的各种信息通过某种方法数字化，并经过编辑处理，变成系统可以存储管理和分析的形式。空间数据的采集主要包括属性数据和图形数据的采集对于属性数据的采集经常是通过键盘直接输入；图形数据的采集实际上就是图形数字化的过程。GIS的核心是地理数据库，建立gis的第一步就是对有关空间实体的几何数据和属性数据进行合理的组织，形成地理数据库，这个过程也就是gis的数据采集。地理信息系统的价值及其功能在很大程度上取决于系统内所包含的地理空间数据的内容与质量以数据为处理线索硬件∶软件∶数据=1∶2∶7汽油数据GIS技术数据核心数据是GIS的血液数字线划数据影像数据数字高程模型地物的属性数据4.2空间数据采集的主要内容与任务主要内容空间图形数据的采集非空间属性数据的采集空间数据和非空间数据的连接主要任务将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接受的数字形式数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性不同的数据来源要用到不同的设备和方法数据的转换装载数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等4.3GIS数据来源统计数据地图存储介质、现势性、投影转换遥感、航空影象和数据分辨率、变形规律、纠正、解译特征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空间数据数据源分类图形图像数据：地图工程图规划图照片航空与遥感影像等文字数据：调查报告文件统计数据实验数据野外调查的原始记录等第一手数据第二手数据非电子数据电子数据全站仪、GPS数据地球物理、地球化学遥感数据地图专题地图统计图表平板测量数据工程测量数据笔记航空、遥感相片人口普查社会经济调查各种统计资料已建各种数据库GIS数据空间数据初步处理1）已有电子数据-----2）纸质地图-----------3）遥感数据-----------4）实地勘测数据-----5）其他统计资料及文本数据-----数据转换手扶跟踪数字化、扫描矢量化、鼠标录入遥感解译GPS定位仪等仪器测量键盘录入地图是重要的信息源。这不仅是因为地图的内容直观与丰富，而且是由于在地理信息系统诞生以前，地图是表示空间与非空间信息强有力的手段，从某种意义上说，一册完备的专题地图集是一个很好的人工操作地理信息系统。遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源。它具有下列一些特点：①能取得大面积、综合的信息；②速度快；③降低数据储存冗余和不连续性；④能提供各类专题所需要的信息。文字数据主要用来描述空间对象的属性，比如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据确定应用哪些类型的数据是由系统的功能所确定的。例如要建立一个土地的适宜性和承载力的信息系统，所需要的数据有地形、土壤类型、降雨、地下水位、运输条件等。5.4空间数据采集GIS需要输入两方面的数据，即图形数据与属性数据。为此需进行三方面的工作，即图形数据的采集、属性数据的采集和图形数据与属性数据的连接。图形数据的采集（一）、手工键盘输入1输入矢量数据

输入坐标值2输入栅格数据按行列号输入各象元的属性输入方法简单，对设备要求低效率低，工作烦琐（二）、手扶跟踪数字化仪输入手扶跟踪数字化仪,根据其采集数据的方式分为机械式、超声波式和全电子式三种,其中全电子式数字化仪精度最高，应用最广。按照其数字化版面的大小可分为A0、A1、A2、A3、A4等。

图形数据的采集数字化过程把待数字化的图件固定在图形输入板上，首先用鼠标器输入图幅范围和至少四个控制点的坐标，随后即可输入图幅内各点、曲线的坐标。通过数字化仪采集数据数据量小，数据处理的软件也比较完备，但由于数字化的速度比较慢，工作量大，自动化程度低，数字化的精度与作业员的操作有很大关系，所以，目前很多单位在大批量数字化时，已不再采用它。（三）、扫描仪输入扫描仪简介扫描仪是直接把图形(如地形图)和图象(如遥感影象、照片)扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储表示的设备。按其所支持的颜色分类，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件又分为电荷耦合器件(CCD)扫描仪、MOS电路扫描仪、紧贴型扫描仪等；按扫描宽度和操作方式分为大型扫描仪、台式扫描仪和手动式扫描仪。扫描仪的分辨率是指在原稿的单位长度(英寸)上取样的点数，单位是dpi，常用的分辨率有300-1000dpi之间。扫描图象的分辨率越高，所需的存储空间就越大。现在多数扫描仪都提供了可选择分辨率的功能。对于复杂图象，可选用较高的分辨率；对于较简单的图象，就选择较低的分辨率。

图形数据的采集小型扫描仪工程扫描仪主要工具是扫描仪和矢量化软件扫描仪分为栅格扫描仪和矢量扫描仪

1、栅格扫描仪法扫描得到的是栅格数据，从栅格图象中提取点、线、面及文字信息，这一过程包括去除噪音、线的细化等。此后的处理需借助人机交互实现，如断线的连接、属性码的添加等，此类处理俗称“抬头数字化”。

纸地图

扫描转换

拼接子图块

裁剪地图

矢量图编辑

矢量图合成

图像处理矢量化

扫描过程扫描时，必须先进行扫描参数的设置（具体扫描界面如图5-3所示），包括：a、扫描模式的设置，（分二值、灰度、彩色），对地形图的扫描一般采用二值扫描，或灰度扫描。对彩色航片或卫片采用彩色扫描，对黑白航片或卫片采用灰度扫描。b、扫描分辨率的设置，根据扫描要求，对地形图的扫描一般采用300dpi或更高的分辨率。c、针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、对比度、色调、GAMMA曲线等。d、设定扫描范围。通过扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。如一张地形图采用300dpi灰度扫描其数据量就有20兆左右。除此之外，扫描获得的数据还存在着噪声和中间色调像元的处理问题。噪声是指不属于地图内容的斑点污渍和其它模糊不清的东西形成的像元灰度值。噪音范围很广，没有简单有效的方法能加以完全消除，有的软件能去除一些小的脏点，但有些地图内容如小数点等和小的脏点很难区分。对于中间色调像元，则可以通过选择合适的阈值选用一些软件如Photoshop等来处理。一般对获得的栅格数据还要进行一些后续处理如图象纠正、矢量化

扫描输入因其输入速度快、不受人为因素的影响、操作简单而越来越受到大家的欢迎，再加之计算机运算速度、存储容量的提高和矢量化软件的踊跃出现，使得扫描输入已成为图形数据输入的主要方法。

全自动矢量化半自动矢量化（交互式）手工式AutoCAD环境下的数字化方法调入图象用CAD点、线工具跟踪图象中需要数字化的边界分层数字化所有需要的信息将图形文件予以保存作业质量有所提高，提高工作效率，降低了劳动强度

2、矢量扫描仪法是实现直接跟踪扫描原图上的曲线，并直接产生矢量数据。目前以激光方式为主，作业员用光标引导激光束到被数字化的曲线上，激光束自动沿线跟踪，碰到线交叉处或端点时，自动停止移动。这种方法数字化精度高，数据量小，但对原图件要求高，设备也相对昂贵。（四）、解析测图法输入由航空或航天立体象对重建三维立体模型，测量地面三维坐标，并传输到计算机。目前，解析测图法已发展至全数字测图阶段图形数据的采集（五）、已有数字形式空间数据的录入

遥感数据其他与GIS数据库不兼容的数字化信息图形数据的采集属性(Attribute)数据：空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。它是描述地理实体的社会、经济或其它专题数据。其表达方式是字符串、各种代码或统计数值等。属性数据是对地理实体的详细描述，在GIS数据中占有很大比重，是GIS处理的主要对象，它为管理、规划与决策提供充分的参考信息。

属性(Attribute)数据的采集属性数据的存在方式直接记录在栅格或矢量数据文件中单独输入数据库存储，通过关键字（ID码）与图形数据联系属性数据输入方式一般采用键盘输入对照图形输入预先建立属性表输入属性数据，然后根据关键字与图形数据自动关联

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。属性数据的编码原则

系统性和科学性：满足所涉及学科的科学分类方法，能反映出同一类型中不同的级别特点。一致性：对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。标准化和通用性：有国家或行业标准的要按标准进行，没有标准的必须考虑在有可能的条件下实现标准化。简捷性：在满足国家标准的前提下、每一种编码应该是以最小的数据量载负最大的信息量。可扩展性：编码的设置应留有扩展的余地，避免新对象的出现而使原编码系统失效、造成编码错乱现象。

属性数据的编码内容

登记部分：用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序编码；分类部分：用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征；控制部分：用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据量较大情况下具有重要意义。

属性数据的编码方法编码的一般方法是：（1）列出全部制图对象清单。（2）制定对象分类，分级原则和指标将制图对象进行分类、分级。（3）拟定分类代码系统。（4）设定代码及其格式。设定代码使用的字符和数字、码位长度、码位分配等。（5）建立代码和编码对象的对照表．这是编码最终成果档案，是数据输人计算机进行编码的依据。目前，较为常用的编码方法有层次分类编码法与多源分类编码法两种基本类型。

耕地71园地72林地73牧草地74居民点及公矿用地75交通用地75水域76未利用地77土地利用类型7有林地731灌木地732疏林地733迹地735针叶树疏林地7331阔叶树疏林地7332未成林林地734层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系。多源分类编码法：

又称独立分类编码法,是指对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代码之间并没有隶属关系。下表以河流为例说明了属性数据多源分类编码法的编码方法。

标

志

编

号

分类

ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ123

平原河过渡河山地河

123

常年河时令河消失河

12

通航河不通航河

123456

树状河平行河筛状河辐射河扇形河迷宫河

1234567

主〔要河〕流∶一级支

流∶二级

三级

四级

五级

六级

七级

12345

河长：一组——1公里以下

二组——2公里以下

三组——5公里以下

四组——10公里以下

五组——10公里以上

12345678

河宽：一组——5～10米

二组——10～20米

三组——20～30米

四组——30～60米

五组——60～120米

六组——120～300米

七组——300～500米

八组——500米以上

1234567

河流间的最短距离50米50～100米100～200米200～400米400～500米500～1000米1000～2000米

12345弯曲度：2.5公里弯曲

深度

宽度>40>50>50>40>50>75>25>50>75>25>50>100<25>75>150数据采集常用设备定位设备野外测量：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数字化设备数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备特点：范围大，速度快使用范围：大面积GIS数据采集、资源普查等数字化仪扫描仪数字摄影测量工作站数据源与相应设备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数据采集方案随机采样系统采样系统随机采样可变系统采样蔟聚采样断面采样等高线采样空间数据的采集流程计划调查编辑处理评价准备收集数字化几何数据与属性数据的连接为了把空间实体的几何数据与属性数据联系起来，必须在几何数据与属性数据之间有一公共标识符。标识符可以在输入几何数据或属性数据时手工输入，也可以由系统自动生成(如用顺序号代表标识符)。只有当几何数据与属性数据有一共同的数据项时，才能将几何数据与属性数据自动地连接起来；当几何数据或属性数据没有公共标识码时，只有通过人机交互的方法，如选取一个空间实体，再指定其对应的属性数据表来确定两者之间的关系，同时自动生成公共标识码。图幅数据几何纠正YaO‘X’Y‘XObθx=A1x’+A2y’+ay=B1x’+B2y’+b变换参数A1，A2，a,B1，B2，b5.5空间数据的编辑与处理空间数据编辑的必要性修正数据输入错误维护数据的完整性和一致性更新地理信息空间数据的编辑与处理的主要内容误差或错误的检查与编辑图象纠正数据格式的转换地图投影转换