ch03 拓撲處理與圖形變換課件

1、第三講 拓撲處理與圖形變換張青年遙感與地理信息工程系本章內(nèi)容拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系建立拓撲關(guān)系編輯投影變換坐標轉(zhuǎn)換拓撲關(guān)系拓撲是在拓撲變換下保持不變的圖形之間的關(guān)系拓撲關(guān)系可實現(xiàn)要素必須符合的簡單規(guī)則，比如，地塊是多邊形，不能有相互重疊的區(qū)域；線狀道路之間不能有重疊的線段，等高線不能相交等。圖形之間的重疊、縫隙等都可以通過拓撲檢驗予以發(fā)現(xiàn)和處理邊界的嚴密重合、面與其他圖形之間的包含關(guān)系都可使用拓撲機制得以檢驗和保證因此，拓撲關(guān)系對于實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的高質(zhì)量要求是非常有用的。若干種拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系術(shù)語ArcGIS拓撲關(guān)系存儲著三套參數(shù)：拓撲規(guī)則(rules)、線簇容差(cluster tolera

2、nce)和等級( ranks)。在要素層中也存儲著問題區(qū)域(dirty areas)、差錯(errors)和例外(exceptions )，這些可以用來維護拓撲關(guān)系中的數(shù)據(jù)的質(zhì)量。拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系術(shù)語線簇容差(cluster tolerance)在拓撲驗證過程中，線簇容差(cluster tolerance)定義了要素拐點不能被捕捉為一個拐點的最小距離，要素拐點在線簇容差之內(nèi)被認為是一致的并被捕捉到一起，變成一個拐點。線簇容差應(yīng)該設(shè)置為一個比實際精度要小的值，因為如果線簇容差設(shè)置大了的話，地理要素會被扭曲變形。驗證拓撲時，在線簇容差之內(nèi)的拐點被捕捉到一起，變成一個拐點，如圖所示。拓撲關(guān)系拓撲關(guān)

3、系術(shù)語等級(rank)在驗證拓撲的過程中，有自動捕捉(snap)過程，等級(rank)用來控制要素移動。等級高(rank值小)的要素相對不動；等級低(rank值大)的要素向等級高的要素移動。當要處理的要素類來自不同的數(shù)據(jù)源，比如來自常規(guī)測量，差分GPS數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)源的可靠性來設(shè)置等級(rank)的值，當拐點在線簇容差范圍之內(nèi)，數(shù)據(jù)可靠性較高的相對不動。拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系術(shù)語問題區(qū)域(dirty areas)當添加、刪除要素時，被編輯、更新和影響到的范圍稱為問題區(qū)域(dinky areas)。問題區(qū)域可以限制在拓撲驗證時檢查拓撲差錯的范圍，還可以追蹤編輯違背拓撲規(guī)則的區(qū)域，以便僅選擇部分而不

4、是拓撲的全部范圍來進行編輯后的驗證。在創(chuàng)建要素或刪除要素、更新要素的幾何屬性(geometry )，改變要素的子類(suhtype)時，問題區(qū)域(dirty areas)就會被創(chuàng)建。問題區(qū)域在拓撲中作為一個單一要素存儲，新的問題區(qū)域加到已存在的問題區(qū)域要素層中，問題區(qū)域被驗證之后移除問題區(qū)域要素層。拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系術(shù)語差錯(errors)和例外(exceptions) 差錯(errors)指不符合拓撲規(guī)則的地方，例外(exceptions)指某些可以接受的差錯，標記為例外。差錯和例外作為要素存儲在拓撲層中，還可以用不同形狀、顏色來渲染這些不符合拓撲規(guī)則的要素。ArcGIS中的拓撲規(guī)則ArcGI

5、S定義了許多拓撲規(guī)則，用戶可以在地理數(shù)據(jù)庫(Geodatabase)中為要素添加各種拓撲規(guī)則。拓撲規(guī)則分點拓撲規(guī)則、線拓撲規(guī)則和多邊形拓撲規(guī)則三大類。一部分拓撲規(guī)則可以控制同一要素類中要素之間的空間關(guān)系；另一部分則控制同一要素集中不同要素類的要素之間的空間關(guān)系。拓撲規(guī)則還可以在要素的子類之間定義，比如街道要素必須與其他街道要素的端點連接。用戶應(yīng)依據(jù)自己數(shù)據(jù)的實際需要選取一些拓撲規(guī)則予以實施，使圖形數(shù)據(jù)之間的拓撲關(guān)系符合特定需要。ArcMap提供檢查拓撲錯誤和修正拓撲錯誤的工具，若檢查出某一要素不符合拓撲規(guī)則，將這一要素渲染，很容易定位到這一要素。然后采用特定的編輯工具進行修改（例如用Clip工

6、具切除另一個要素的重疊部分） 。示例：某些要素類及其拓撲關(guān)系拓撲關(guān)系建立在ArcGIS中有兩類拓撲：一類稱為地圖拓撲(Map Topology)；另一類稱為地圖數(shù)據(jù)庫拓撲(Geoclatabase Topology)。地圖拓撲(Map Topology)地圖拓撲是在ArcMap中建立的，是一種簡單的且是暫時的僅存在于對要素的編輯過程中的拓撲關(guān)系。不像地理數(shù)據(jù)庫拓撲，地圖拓撲沒有長期存儲，在地圖中也沒有作為一個層。地圖拓撲不存在拓撲規(guī)則，沒有驗證拓撲的過程。用地圖拓撲來編輯要素類時，Topology工具欄上的驗證拓撲、修復(fù)拓撲差錯的按鈕是不可用的。地理數(shù)據(jù)庫拓撲(Geodatabase Topo

7、logy)地理數(shù)據(jù)庫拓撲是在ArcCatalog中創(chuàng)建，作為一種數(shù)據(jù)對象被創(chuàng)建并存儲在地理數(shù)據(jù)庫中。它可以像其他數(shù)據(jù)一樣，作為一個數(shù)據(jù)層導(dǎo)入ArcMap中。地理數(shù)據(jù)庫拓撲定義了一系列拓撲規(guī)則，這些規(guī)則是為了更好地控制要素集中要素類之間的空間關(guān)系。對要素類進行編輯之后，可以通過驗證拓撲來檢查這些編輯是否違背了拓撲規(guī)則，若有違背拓撲規(guī)則，將被標記為差錯(errors)和例外(exceptions)。需要注意的是，在編輯地理數(shù)據(jù)庫拓撲錯誤時，必須將參與拓撲的要素類也導(dǎo)入ArcMap中。創(chuàng)建、編輯、驗證地理數(shù)據(jù)庫拓撲需要ArcEditor或者ArcInfo的license。Geodatabase拓撲類

8、是在ArcCatalog下建立和管理的。參與到一個拓撲類的各個要素類必須在同一個要素數(shù)據(jù)集中使用ArcCatolog建立拓撲類設(shè)計拓撲類1列出數(shù)據(jù)庫的要素類2指定各要素類的幾何類型(點、線，或面)3列出需要共享幾何并且需要一起編輯和維護的要素類4將要素類組織到feature dataset5指定各個要素類的等級(rank,坐標精度級別)6指定各個要素類應(yīng)滿足的拓撲規(guī)則7指定要素類之間應(yīng)滿足的拓撲規(guī)則8建立一個試驗數(shù)據(jù)庫，載入測試數(shù)據(jù)驗證拓撲類設(shè)計9優(yōu)化和完善數(shù)據(jù)庫的拓撲類設(shè)計建立拓撲類在ArcCatalog中選中一個數(shù)據(jù)庫中待建立拓撲的feature dataset鼠標右擊該feature d

9、ataset，在彈出菜單中選中NewTopology命令，出現(xiàn)新建Topology向?qū)г谙驅(qū)У诙街兄付ㄍ負涞拿Q和容差值在向?qū)У谌街兄付▍⑴c拓撲的要素類在向?qū)У谒牟街兄付ㄍ負渲幸仡惖牡燃?rank)在向?qū)У谖宀街刑砑右仡悆?nèi)及要素類間的拓撲規(guī)則創(chuàng)建拓撲之后即可進行拓撲驗證指定拓撲規(guī)則拓撲驗證在ArcCatalog中進行拓撲驗證鼠標右擊一個拓撲類，在彈出菜單中選取Validate命令進行拓撲驗證在ArcMap中進行拓撲驗證啟動編輯添加Topology工具條到界面選用Topology工具條上的驗證整個拓撲、驗證當前范圍的拓撲、驗證指定區(qū)域的拓撲三個按鈕之一進行驗證拓撲錯誤處理可能的處理方式有

10、三種：改正拓撲錯誤?？墒褂肨opology工具條上的拓撲編輯工具；也可在設(shè)置好捕捉的前提下使用普通編輯工具進行編輯。對該錯誤暫不處理。將該錯誤設(shè)置為例外。拓撲錯誤處理拓撲錯誤：不滿足指定的拓撲規(guī)則的要素（點、線、面）被認定是拓撲錯誤。例外：拓撲錯誤中可以接受的部分錯誤可標識為例外。地圖拓撲關(guān)系編輯啟動ArcMap，打開地圖文件，創(chuàng)建地圖拓撲。將地圖放大到有圖形重疊的地方。在編輯圖形之前，設(shè)置好捕捉環(huán)境。點擊Editor菜單下的Snapping，在Snapping Environment對話框中設(shè)置捕捉對象。 1.選擇、移動共享結(jié)點鼠標點擊拓撲編輯工具，在圖形窗口中選中需要移動的共享結(jié)點，結(jié)點以

11、高亮度顯示。為了確保只選擇共享結(jié)點而不包含共享邊線，可在單擊想要選擇的結(jié)點時按下N鍵。按住鼠標左鍵將結(jié)點拖到新的位置釋放左鍵即可移動該結(jié)點。數(shù)據(jù)集中與其拓撲關(guān)聯(lián)的邊線和結(jié)點都相應(yīng)地更新了位置。此外，在選擇共享結(jié)點時單擊鼠標右鍵會彈出一個快捷菜單，選擇其中的Move(移動)等命令可指定需要移動的X,Y距離，或者指定移動后的絕對坐標值，按Enter鍵，共享結(jié)點就被移動了。地圖拓撲關(guān)系編輯2.選擇、移動共享邊線鼠標點擊拓撲編輯工具，在圖形窗口中選中需要移動的共享邊線，邊線以高亮度顯示。為了確保選擇的僅僅是共享邊線，而不包括共享結(jié)點，可在單擊想要選擇的共享邊線時按下E鍵。按住鼠標左鍵將邊線拖到新的位置

12、釋放左鍵即可移動該邊線。數(shù)據(jù)集中與其拓撲關(guān)聯(lián)的邊線和結(jié)點都相應(yīng)地更新了位置。3.重新繪制共享邊線單擊Task按鈕右側(cè)的下拉箭頭，選擇”拓撲任務(wù)”選項(Topology Task)中的Reshape Edge。再使用拓撲編輯工具選中需要重新繪制的共享邊線，邊線以高亮度顯示。使用草圖工具( sketch tool)重新繪制共享邊線，雙擊鼠標左鍵完成繪制。4.修改共享邊線單擊Task按鈕右側(cè)的下拉箭頭，選擇”修改邊線”選項(Modify Edge)。再使用拓撲編輯工具選中需要重新繪制的共享邊線，邊線以高亮度顯示。根據(jù)實際需要對邊線進行修改，包括添加、移動、刪除結(jié)點等操作。地圖拓撲關(guān)系編輯5.切分拓撲

13、邊切分拓撲邊有兩種方法，可以在定位點切分，也可以輸入從端點到切分點的距離，根據(jù)距離來切分邊。第一種方法：使用拓撲編輯工具，選擇需要切分的邊，單擊右鍵，選擇彈出菜單的Split Edge At a Distance(根據(jù)距離切分邊)，在地圖上標出將要切分邊的方向，并在彈出的對話框中輸入切分距離，選擇是從邊的起點或終點開始，單擊OK按鈕，切分點變成了一個節(jié)點，再次選擇拓撲邊的時候，邊已經(jīng)被切分。第二種方法：使用拓撲編輯工具，選擇將要切分的拓撲邊，按住Ctrl鍵，將Anchor(錨)移動到想要切分的位置，右鍵選擇彈出的快捷菜單Split Edge At Anchor(在定位點切分邊)，切分點變成了一

14、個節(jié)點，再次選擇拓撲邊時邊已經(jīng)被切分。上述第1,2中講述了選擇、移動節(jié)點，切分拓撲邊。將這兩步結(jié)合起來，首先切分，然后移動，可以移動拓撲邊的端點。地圖拓撲關(guān)系編輯6.重建拓撲緩存當用拓撲編輯工具選擇一個拓撲元素(節(jié)點或邊)時，ArcMap會創(chuàng)建一個拓撲緩存，用來存儲在當前可視范圍內(nèi)，要素的節(jié)點、邊之間的位置關(guān)系。若編輯需要將地圖放大到一個很小的區(qū)域，返回先前的范圍，新范圍內(nèi)要素之間的關(guān)系可能沒有保存在拓撲緩存中，可以重建包括這些要素的拓撲緩存，重建拓撲緩存可以移除為了捕捉和編輯而創(chuàng)建的臨時的拓撲節(jié)點。單擊拓撲編輯工具，在當前地圖范圍內(nèi)單擊鼠標右鍵，選擇Build Topology cache(

15、重建拓撲緩存)即可重建。地圖拓撲關(guān)系編輯7.取消選擇拓撲元素有時候選擇了拓撲元素之后，不需要對其進行操作，需要取消選擇。如果取消選擇一個拓撲元素，鼠標點擊拓撲編輯工具，按住shift鍵，單擊已經(jīng)選擇的拓撲元素，即可取消選擇拓撲元素；若需要取消選擇多個拓撲元素，需單擊鼠標右鍵，選擇彈出的快捷菜單項Clear Selected Topology Elements(清除選擇的拓撲元素)。在該快捷菜單中，還有Show Shared Features(顯示共享要素), Select Shared Features(選擇共享要素)和Merge Connected Edges(融合相連的邊線)等菜單命令。S

16、how Shared Features菜單用來顯示共享拓撲元素的要素，使用這個菜單，彈出一個對話框，我們知道有哪些要素共享了這個拓撲元素，還可以暫時關(guān)閉某個要素共享此拓撲元素。Select Shared Feature菜單用來選擇共享拓撲元素的所有要素。Merge Connected Edges菜單用來將選擇的相連的邊線融合。地圖投影變換坐標系統(tǒng)是在一個統(tǒng)一的地理框架內(nèi)表示地理要素、圖像和各種觀測數(shù)據(jù)的參考系統(tǒng)。在ArcGIS中，每個數(shù)據(jù)集都有一個坐標系統(tǒng)。該坐標系統(tǒng)是ArcGIS將不同來源的數(shù)據(jù)整合到一個統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中的依據(jù)。坐標系統(tǒng)主要包含：測量框架：地理測量框架或平面測量框架。在地理測

17、量框架中，測量值是以地心為球面坐標；在平面測量框架中，測量值是球面坐標投影到二維平面上的值。測量單位。通常地理坐標系下的單位為度，投影坐標系下的坐標單位為米。地圖投影的定義。其他測量系統(tǒng)屬性。如橢球參考、基準以及諸如平行線、中央子午線、可能的x或Y方向上的偏移等投影參數(shù)。地圖投影變換地圖投影地圖投影變換投影變換墨卡特投影摩爾魏特投影地圖投影轉(zhuǎn)換方法投影變換投影A（x，y）投影B（X，Y）正解變換：解析函數(shù)關(guān)系X=f (x , y) ，Y=g( x , y )反解變換：經(jīng)緯度B=f (x , y) , L=g( x , y )X=F(B, L) , Y=G( B, L)數(shù)值變換：數(shù)學方法地圖投影

18、轉(zhuǎn)換方法 1、正解變換: 通過建立一種投影變換為另一種投影的嚴密或近似的解析關(guān)系式，直接由一種投影的數(shù)字化坐標x、y變換到另一種投影的直角坐標X、Y。2、反解變換: 即由一種投影的坐標反解出地理坐標(x、yB、L)，然后再將地理坐標代入另一種投影的坐標公式中(B、LX、Y)，從而實現(xiàn)由一種投影的坐標到另一種投影坐標的變換(x、yX、Y)。3、數(shù)值變換: 根據(jù)兩種投影在變換區(qū)內(nèi)的若干同名數(shù)字化點，采用插值法，或有限差分法，最小二乘法、或有限元法，或待定系數(shù)法等，從而實現(xiàn)由一種投影的坐標到另一種投影坐標的變換。 目前，大多數(shù)GIS軟件是采用正解變換法來完成不同投影之間的轉(zhuǎn)換，并直接在GIS軟件中提

19、供常見投影之間的轉(zhuǎn)換。 ArcToolBox投影變換工具當項目中涉及的地圖數(shù)據(jù)具有不同來源時，可能由于投影不同而無法疊合在一起。ArcToolBox提供了投影變換工具。投影變換工具矢量投影變換界面柵格投影變換界面坐標變換 上節(jié)介紹了ArcGIS中有多種地圖坐標系，包括地理坐標系和投影坐標系，利用ArcGIS可以在不同的坐標系之間相互轉(zhuǎn)換。ArcMap還提供空間校正(Spatial Adjustment)功能，在坐標系不變的情況下，校正要素的坐標。對矢量數(shù)據(jù)主要有三種校正:坐標轉(zhuǎn)換(Transform )、坐標拉伸(Rubber Sheeting)、接邊(Edge Snap )。對柵格數(shù)據(jù)提供影

20、像配準(Image Adjust)的方法。坐標轉(zhuǎn)換對要素進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、傾斜等處理。缺省情況下，在ArcMap中提供三種方式可選擇：仿射變換(Affine)、相似變換(Similarity)和投影(Projection)。坐標變換 上節(jié)介紹了ArcGIS中有多種地圖坐標系，包括地理坐標系和投影坐標系，利用ArcGIS可以在不同的坐標系之間相互轉(zhuǎn)換。ArcMap還提供空間校正(Spatial Adjustment)功能，在坐標系不變的情況下，校正要素的坐標。對矢量數(shù)據(jù)主要有三種校正:坐標轉(zhuǎn)換(Transform )、坐標拉伸(Rubber Sheeting)、接邊(Edge Snap )。

21、對柵格數(shù)據(jù)提供影像配準(Image Adjust)的方法。坐標轉(zhuǎn)換對要素進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、傾斜等處理。缺省情況下，在ArcMap中提供三種方式可選擇：仿射變換(Affine)、相似變換(Similarity)和投影(Projection)。坐標變換坐標變換空間校正-橡皮膜變換ArcGIS中的坐標變換示例(1)在ArcMap中打開“Chapter304Transform.mxd”文檔，從數(shù)據(jù)源中可以看到該文檔中的4個圖層的數(shù)據(jù)均在同一個Geodatabase的同一個數(shù)據(jù)集SimpleEdits中，參照的坐標系是相同的，但具體位置不一致。SimpleBuildings,SimpleParcel

22、s的相互位置基本準確，但新的建筑和地塊New Buildings、NewParcels的位置與前兩者的位置有明顯偏差，可以看出，NewBuildings、New Parcels需要移動、旋轉(zhuǎn)才能和SimpleBuildings, SimpleParcels一致。(2)增加工具欄Spatial Adjustment(空間校正)，點擊Start Editing使地圖處于編輯狀態(tài)，點擊Editor(編輯器)的子菜單Snapping(捕捉)設(shè)置捕捉環(huán)境，彈出捕捉環(huán)境對話框，在NewParcels、SimpleParcels的Vertex上打勾(捕捉到節(jié)點)，關(guān)閉對話框。ArcGIS中的坐標變換示例(3

23、)在Spatial Adjustment工具條中選擇菜單Spatial AdjustmentSet Adjust Data，彈出選擇校正對象對話框(Choose Input For Adjustment)，這里選定NewBuildings和NewParcels兩個圖層作為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)層，點擊OK按鈕。(4)在Spatial Adjustment工具條中選擇Adjustment Methods，選擇一種空間校正的方法。這里采用坐標轉(zhuǎn)換，坐標轉(zhuǎn)換有三種模型：仿射變換(Affine)、投影(Projective)、相似變換(Similarity)。在這里，因為需要保證新地塊與舊地塊在形狀上的相似，而相似

24、變換并未改變要素的形狀，故選擇相似變換。ArcGIS中的坐標變換示例選擇空間校正方法ArcGIS中的坐標變換示例(5)在Spatial Adjustment工具條中選擇New Displacement Link(新建移位連接)工具，用鼠標在屏幕上先確定校正圖層NewParcels上需要校正的某一特征點，然后在SimpleParcels圖層上找到正確位置的對應(yīng)點，這就繪出了一條移位連接線(Displacement Link)。其中，第(2)步中設(shè)置的捕捉環(huán)境是為現(xiàn)在新建移位連接線做準備的。如果輸入的移位連接線位置有差錯，可用Spatial Adjustment工具條中的Mdodify Link(

25、修改移位鏈接)工具，用Select Elements(選擇要素)工具選中需要調(diào)整的移位連接線，用鼠標對準該連接線的端點，按住鼠標左鍵不放，可以拖動該端點微調(diào)。若不需要某移位連接線，選中它，按下Delete鍵刪除。ArcGIS中的坐標變換示例(6) 在校正之前，要知道校正的精度如何，可用Spatial Adjustment工具條中的View Link Table(查看移位連接表)工具，查看坐標轉(zhuǎn)換的精度。如果某些點的坐標事先已知，可以用鼠標點擊連接表中的坐標值，實現(xiàn)精確控制，還可以在Link Table表中刪除精度不高的移位連接線。另外一種查看校正效果的方式是用Spatial Adjustmen

26、t工具條中的Spatial Adjustment/Preview Window，在預(yù)覽窗口中查看轉(zhuǎn)換后的效果。(7)通過用Preview Window預(yù)覽能達到預(yù)期效果之后，用Spatial Adjustment工具條中的Spatial Adjustment Adjust完成坐標轉(zhuǎn)換。NewParcels層經(jīng)旋轉(zhuǎn)、移動等變換，校正到預(yù)定的坐標位置上。依次使用Save Editing(保存編輯),Stop Editing(停止編輯)保存坐標轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換）分為：同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同組織形式間的轉(zhuǎn)換。包括不同柵格記錄形式之間的轉(zhuǎn)換（如四叉樹和游程編碼之間的轉(zhuǎn)換）和不同矢量結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換（如索引式和DIME之間的