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文档简介

1、第四章 空间数据采集与数据处理,1.数据源种类 2.空间数据采集的任务 2.1数据采集任务 2.2数据采集方法 2.3矢量数据采集 2.3.1 地图跟踪数字化 2.3.2 地图扫描矢量化 2.4属性数据采集 3.空间数据处理,数据源指建立GIS的地理数据库以及进行应用分析所需的各种数据的来源。 空间信息的获取是一个空间信息系统建设的首要任务。一个空间信息系统建设,70以上的工作(费用)将花费在空间信息(特别是矢量数据)的获取上面。,1.数据源种类,对于一个GIS应用系统的建设来说,空间数据(图形数据)的来源主要有四种渠道: 数据转换:各种交换格式数据(DXF/E00 /MIF等 遥感/GPS数

2、据:图象、GPS坐标点文件等 数字测量:形成纸质地图或坐标点文件 已有纸质地图:地图数字化 统计数据:GIS重要的属性数据源 文本资料:行业部门的有关法律文档、行业规范等。,1.数据源种类,1.数据源种类,数据转换是目前空间数据共享的一个重要途径,因此,一般的空间信息系统平台都提供了各种交换格式的数据转入/转出功能。 纸质地图是GIS主要的数据源。主要通过对地图的跟踪数字化和扫描数字化获取。在使用地图时,应考虑到地图投影所引起的变形,必要时需要进行坐标转换或投影变换。 遥感影像含有丰富的资源环境信息,是大面积、动态的、实时的数据源,是GIS数据更新的重要方式。将坐标点文件转为地图数据也是空间信

3、息系统平台必须提供的基本功能。,2.空间数据采集的任务,2.1采集任务:将地理实体的几何数据和属性数据输入到地理数据库中,就是GIS的数据采集。 即将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图像、文本资料等转换成GIS可以处理和接收的数字形式,通常经过验证、修改、编辑等处理。采集方式与数据源有关,2.空间数据采集的任务,2.2 主要采集方法 已存在于其它系统的几何数据,经过转换装载 测量仪器获得地几何数据,传输进入数据库 遥感影像提取专题信息,需要进行几何纠正、光谱纠正、影像增强、图像变换、结构信息提取等,属于遥感图像处理内容 栅格数据的获取,通过扫描仪输入,大多可直接进入GIS 矢量数据采集

4、,2.3矢量数据的采集,矢量(图形)输入要解决的问题:即几何数据与属性数据。拓扑数据一般在已有的几何数据基础上生成。一般需要进行三方面的工作,即几何数据的采集、属性数据的采集、几何数据与属性数据的连接。,矢量化处理流程,2.3矢量数据的采集,两种方式 地图跟踪数字化(数字化仪输入、屏幕矢量化)传统的数据采集方法。 地图扫描矢量化(自动或半自动矢量化):较为先进的地图数字化方式,数字化仪原理 目前较为常用的数字化仪是电磁感应式数字化仪,它是利用电磁感应原理检测出图形坐标数据的。由游标线圈(定位器)、工作桌面(包括铺设其下的栅格阵列导线)以及电子部件、微处理器和输出装置组成。其中游标线圈是电磁发射

5、源,工作桌面接收信号,电子部件、微处理器把游标线圈在工作桌面上的位移量转换成x,y坐标,最后经输出装置输入计算机,2.3.1地图跟踪数字化,基本过程 将需要数字化的图件(地图、航片等)固定在数字化板上,设定数字化范围,输入有关参数,选择数字化方式,按地图要素的类别实施数字化 在进行地图手扶跟踪数字化时, 需要在数字化仪面板坐 标和地图真实坐标之间 建立映射关系,通常的 做法是先录入三个不在 同一条直线上的控制点。,2.3.1地图跟踪数字化,控制点(tic)概念,地图上具有控制地图图幅精确度的一些点,也称地理控制点(同名点),通常这些点都具有准确的实地坐标或可以精确定位的,如图幅图廓点、公路网格

6、点、测量点、道路交叉口等,软件数字化技术路线:参看资料,通过实验掌握,1、扫描仪数字化思想 通过扫描将地图转换为栅格数据,然后采用栅格数据矢量化的技术追踪出线和面,采用模式识别技术识别出点和注记,并根据地图内容和地图符号的关系自动给矢量数据赋以属性值。 2、主要方法 自动矢量化 交互式矢量化 :采用人机交互方式,2.3.2 地图扫描数字化,1、灰度二值化 灰度二值化是将一幅有各种灰度(亮度)分布的黑白图像变为非黑即白(非“1”即“0”) 的二值图像,是将图像变为图形的一种过渡。 二值化阈值确定方法:经验法、直方图、人机交互法和数理统计法。,地图扫描数字化(自动矢量化),地图扫描数字化(自动矢量

7、化),2、线条细化 剥离法:其实质是从数字图像上,由上而下,自左到右一次选3 3个像元,进行分析,以不影响其连通性为原则决定中心像元是否可以剥离,逐次排下去,可以将线条带剥离成单个像元的细线。(如图只有2、3、4、5、10、11、12、16、22、23、28、33、34、35、38、42、43、46、50可以将中心点剥去),3、跟踪,生成矢量格式坐标链 自动搜索方法 搜索结点 3 3网格法 结点间8个方向跟踪组成网格链,逐个网格取其中心点坐标,转换成矢量坐标链弧段,点 端点 中间点 结点,地图扫描数字化(自动矢量化),2.4属性数据的采集,2.4.1属性数据(统计数据或专题数据)的采集 数据量

8、较小,可以在输入几何数据的同时,用键盘输入; 数据量大,与几何数据分别输入,根据预先建立属性表输入属性; 从其它统计数据库导入属性,通过关键字段联接图形。 2.4.2几何数据与属性数据之间的联系:公共标识码(用户ID),即 几何数据(图形数据)与属性数据之间的公共标识符,2.5.1 遥感数据 2.5.2手工方式:可在专题地图上均匀地划分网格,每一单位格子覆盖部分的属性数据成为各点的值,形成栅格地图文件;,2.5 栅格数据常用的获取方法,2.5.3 矢量数据转换:数字化仪跟踪,得到矢量数据,再转为栅格数据;,2.5.4 图片扫描数据 :扫描数字化方法,逐步扫描专题地图,将扫描数据重新采样和再编码

9、得到栅格数据文件。,3.空间数据处理,采集之后的数据处理工作包括:几何纠正、图形和文本数据的编辑、图幅的拼接、拓扑关系的生成等,即完成GIS的空间数据在装入GIS的地理数据库前的各种工作。 3.1矢量数据拓扑关系的自动建立 3.2图形编辑 3.3空间数据的坐标变换 3.4图幅拼接 3.5数据格式转换,包括矢量栅格数据转换,不同软件数据格式的转换,不同介质之间的数据转换,3.1矢量数据拓扑关系的自动建立,3.1.1链(弧段)的组织 3.1.2结点编辑 3.1.3建立多边形 3.1.4确定左右多边形 3.1.5图形编辑,找出坐标链的相交点 自动切成新的坐标链(弧段) 把弧段按照一定的顺序存储,如按

10、照最大或最小的x或y坐标的顺序,以便检索 把弧段按照顺序编号,实现的基本步骤包括:,3.2 图形编辑,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 空间数据编辑内容 数据不完整、重复 空间数据位置不正确 空间数据比例尺不准确 空间数据变形 几何和属性连接有误 属性数据不完整,纠正数据采集错误的重要手段,以及图形更新的必要步骤,如对点、线、面的增加、删除、修改等。 首先是点、线、面的捕捉 再进行拓扑编辑(局部或全部拓扑) 多边形连接编辑 弧段和结点连接编辑 思考:删除一个弧段影响两个还是多个多边形的拓扑结构属性?,3.2 图形编辑,3.2.1 图斑合并:指两相邻

11、的图斑合并,即系统将相邻的两图斑共用弧段删除,用户给出合并后的图斑编码,在软件支持下实现两图斑的合并 3.2.2 图斑分裂:图斑合并的逆操作,3.2 图形编辑,课后练习:试写出图斑合并过程的算法,3.2.3图斑定积分裂: 指在指定图斑内或边界上的某部位,寻找一点,将该点与图斑边界线的两点(在地籍图中就是两界址点)连线,分裂出一个小区域,要求该校区域内面积为定值。这是房地产出售中经常遇到的实际问题。,3.2 图形编辑,GIS的数据处理拓扑编辑小结,拓扑编辑 (1)建立或生成拓扑关系:找交点生成结点和弧段 装配多边形 建立多边形标签(label) 建立多边形(弧段)属性表 (2)数据纠错(净化处理

12、):清除假结点和多余的中间点 (3)拓扑编辑:按拓扑数据的要求(比如修改后的数据重新建拓扑)进一步编辑,3.3.1 概念:空间数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换,实质是建立两个平面点之间(或球面坐标和平面坐标)的一一对应关系,是空间数据处理的基本内容之一。主要包括数字化仪坐标和扫描影像坐标与地理坐标的变换,以及两个不同投影的坐标变换 3.3.2 空间数据需要进行坐标转换的原因(地理意义) 3.3.3 坐标变换的主要内容 几何纠正 投影变换,3.3 空间数据的坐标变换,坐标变换原因,(1)实现地图的数学法则 (2)实现由设备坐标(数字化仪坐标或栅格图像坐标)到现实世界坐标(实际地理坐标)的

13、转换,3.3.2坐标变换的地理意义,指将地球球面上的地理对象表示在平面上的数学基础(如投影方式、比例尺、方向等)。对地图进行数字化时必须将这种数学法则反映到数字地图中,由数字化设备读取的坐标值直接依赖于该设备的坐标系统及其设置,并不代表实际地理坐标,因此有必要建立坐标转换公式,在数字化过程中将设备坐标转换为实际地理坐标。,(3)控制数据采集的精度,3.3.2 坐标变换的地理意义,由控制点建立的坐标转换公式实际上是一组回归方程,通过在图面上均匀选取适当数目的控制点,并精确输入控制点的实际地理坐标,可以提高回归方程的拟和精度,进一步控制数字化的精度。,控制点建立的坐标转换,3.3.2坐标变换的地理

14、意义,当需要对多幅地图进行数字化时,如果在多幅地图之间或在不同比例尺之间建立了一个统一的坐标系,并在每一幅地图都输入一定数量的控制点及相应的地理坐标,则经由控制点拟合的坐标变换公式,将所有图幅的数字化仪平面坐标转换为所建立的坐标系中的坐标,使得图幅拼接或不同比例尺间地图的匹配成为可能。,(4)实现多图幅拼接或不同比例尺间地图的匹配,3.3.3 坐标变换的主要内容,将地图上各点的原坐标,转换成新的坐标。可分为两类:一是将非地理坐标转换为地理坐标(地理坐标化georeferencing);二是校正或配准(registration,几何纠正),可在任意两个坐标系中进行,不一定非要转为地理坐标。 3.

15、3.3.1几何纠正 (1)主要应用:扫描地形图、遥感影像,进行图纸变形误差的纠正,建立实际地理坐标系。 (2)采用方法: 仿射变换:使用最多的一种几何纠正方式 相似变换 二次变换,(2.1)仿射变换,公式:,特性:只考虑x和y方向上的变形 直线变换后仍为直线 平行线变换后仍为平行线 不同方向上的长度比发生变化,(2)主要方法,基本坐标变换示意,(a)平移,(b)缩放,(c)图形旋转,(2.2)坐标变换中待定系数的确定地面控制点(或同名点)是求解转换的基础,要实现仿射变换,需要知道不在同一直线上的3对控制点的数字化坐标及其理论值,才能求得上述6个待定参数。实际中通常利用4个点(控制点)。,(2)

16、主要方法,(2.2)坐标变换中待定系数的确定,计算方法:数值变换法,这种方法主要用于地图的数字化。最小二乘法是最为常用的数值变换法。 利用最小二乘法的基本思想是,先用一组线性多项式拟合坐标变换公式,实际上是建立回归曲线(转换曲线),用该曲线进行原坐标系的所有点的坐标变换。控制点是转换基础。 在地图上选取若干控制点,获取控制点的数字化仪坐标和实际地理坐标,然后利用这组坐标值,根据最小二乘法原理算出多项式的系数。这样在地图数字化过程中,就可以利用这组多项式计算出任意一点的地理坐标。 一般的GIS软件都提供了坐标变换功能。,(2.3)相似变换与二次变换,相似变换与仿射变换(affine)的区别 Th

17、e SIMILARITY transformation scales, rotates, and translates the data. It will not independently scale the axes, nor will it introduce any skew. A similarity transformation requires a minimum of two control points. 二次变换适用于原图有非线性变换的情况,(2)主要方法,控制点数目的选取需注意的问题,一般来讲,线性关系采用四个或更多的TIC点提高纠正精度; 非线性转换中,转换多项式的次数

18、与控制点数目可以用公式: k=(n+1)(n+2)/2 其中n为多项式的次数,k为最少控制点数目 多项式转换关系并非次数越高越好,实践中一般先取一次多项式,用足够多的控制点拟和、观察、分析,有必要再“升级”; 常用的分析方法,是计算每一个控制点相对于回归线的偏离,用均方根表示: 均方根= 如果某点的均方根特别大,说明该点有问题,去掉不用;若较多的点有问题,可以考虑升级。,3.3.3.2 投影变换,(1)目的:当系统所使用的数据来自不同地图投影时,需要将一种投影的几何数据(x,y)转成所需投影的数据(X,Y)。实质是建立两个平面点之间的一一对应关系。 公式:X=f1(x,y),Y=f2(x,y)

19、,解析法,已知坐标变换公式(如各种投影类型),直接利用变换公式进行计算。分为正解变换与反解变换:地理经纬度与X、Y坐标变换。 GIS中图形的缩放、平移、旋转及三唯变换等操作中都使用这种变换。,正解变换:x=fx(L,B) y=fy(L,B) 反解变换:L=FL(x,y) B=FB(x,y),(2)解算这种法则有几种方法,数值变换法:如果不易求出两投影之间坐标的直接关系,可以采用多项式逼近的方法,一般选择10个以上的同名点。,3.3.3.2 投影变换,3.4 图幅拼接,3.4.1为什么需要图幅拼接? 数字化过程经常把一幅图分成几部分数字化 标准的地形图是分幅的,3.4.2图幅拼接步骤 逻辑一致性

20、的操作(属性的一致) 识别与检索相邻图幅 相邻图幅边界点坐标数据的匹配(两条线段的衔接)。 相同属性多边形公共边界的删除,图幅拼接,(a)拼接前; (b)拼接中的边缘不匹配; (c)调整后的拼接结果,图形拼接,涉及复杂的数值运算;转换后的误差存在 3.5.1 矢量到栅格的转换 设dx、dy分别为栅格单元在x和y方向上的边长,xmin、ymin、xmax、ymax表示图形的边界范围,M、N表示转换后的行列数,则有如下关系: M=|ymax - ymin |/dy N=|xmax - xmin |/dx,3.5矢量数据与栅格数据的相互转换,(1)点 设点的矢量坐标为(x,y),转换后栅格单元的行列

21、值分别为I和J,则 I=1+INT(ymax-y)/dy) J=1+INT(xxmin)/dx) (2)线 线实体由一系列坐标对表示,在变为栅格结构时,除把序列中坐标对变为栅格行列坐标以外,还需要按照栅格精度要求,在坐标点之间插满一系列栅格点,可以用栅格中心扫描线与直线段求交后进行点转换获得行列号。(详细参看相关资料),3.5.1矢量到栅格的转换:点、线、面转换,(3)多边形 多种方法(内部点扩散法、射线法、扫描法、复数积分法和边界代数法等),边界代数法基本思想: 对每幅图的全部具有左右多边形编号的边界弧段,沿其前进的方向逐个搜索,当边界上行时,将边界线位置与左图框之间的网格点加上一个值=(左多边形号)-(右多边形号);当边界线下行时,将边界线位置与左图框之间的网格点加上一个值=(右多边形号)-(左多边形号),而不管边界线的排列顺序。,3.5.1矢量到栅格的转换:点、线、面转换,优点 不需要逐点搜寻判

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