石大地理信息系統(tǒng)講義03空間數(shù)據(jù)的獲取與處理

第三章空間數(shù)據(jù)的獲取與處理第一節(jié)空間數(shù)據(jù)的獲取空間數(shù)據(jù)獲取——地理信息系統(tǒng)建設首先要進行的任務它可以有多種實現(xiàn)方式：包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遙感數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字測量等等，其中已有地圖的數(shù)字化錄入，是目前被廣泛采用的手段，也是最耗費人力資源的工作。一、野外數(shù)據(jù)采集1、對于大比例尺的城市地理信息系統(tǒng)而言，野外數(shù)據(jù)采集可能是一個主要手段。2、野外數(shù)據(jù)采集涉及到地形測量的整套技術(shù)和生產(chǎn)工藝，詳細內(nèi)容請參閱地形測量的有關(guān)教程。測量的儀器：平板測量（1）全站儀（電子平板）測量（2）GPS測量在圖形數(shù)據(jù)錄入完畢后，需要進行各種處理，包括坐標變換、拼接等等。其中最重要的是建立拓撲關(guān)系，在拓撲建立過程中，需要先對各種錯誤修改，二、地圖數(shù)字化隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對地圖的要求進一步提高，由于傳統(tǒng)紙地圖效率、速度和精度很低，因此難以適應現(xiàn)代和未來科技發(fā)展。而通過GIS工具，可以把紙地圖經(jīng)過一系列處理而轉(zhuǎn)換成可以在屏幕上顯示的電子化地圖，可以滿足人么使用地圖的新的要求。1、矢量化電子地圖當紙地圖經(jīng)過計算機圖形圖象系統(tǒng)光一電轉(zhuǎn)換量化為點陣數(shù)字圖象，經(jīng)圖象處理和曲線矢量化，或者直接進行手扶跟蹤數(shù)字化后，生成可以為地理信息系統(tǒng)顯示、修改、標注、漫游、計算、管理和打印的矢量地圖數(shù)據(jù)文件，這種與紙地圖相對應的計算機數(shù)據(jù)文件稱為矢量化電子地圖。這種地圖工作時需要有應用軟件和硬件系統(tǒng)的支撐。對矢量化地圖的操作是以人機交互方式，通過GIS應用軟件對硬件設備的控制來實現(xiàn)的。2、矢量電子地圖與紙地圖相比有如下優(yōu)點：（1）計算距離和標注地名符號快速準確；（2）可對地圖局部放大、全圖縮小和移動顯示、漫游功能很強；（3）分層顯示地圖（當對地圖上各種信息分不同層歸類存放后，則可以顯示某些層，關(guān)閉不顯示的層）；（4）可以以圖元為單位進行信息編輯修改，人機交互畫線標注符號文字，刪除地圖上多余的信息。（5）可以通過計算機網(wǎng)絡進行電子地圖傳遞，提供信息共享，傳遞的速度快，保密性強。（6）如果能有效解決地圖符號自動分割和識別問題，則能實現(xiàn)地圖的智能矢量化。這里智能化是指自動矢量化和自動標注符號，最佳路徑優(yōu)化選擇和自動跟蹤目標等。3、矢量電子地圖與點陣電子地圖圖像相比的優(yōu)點（1）相同信息量下前者的文件相對要小得多，圖越復雜表現(xiàn)越明顯；（2）前者可對所有圖元分層顯示，后者只能做到對整圖某區(qū)域（矩形區(qū)）的開窗顯示控制。（3）前者可以以圖元為單位進行信息編輯修改刪除，人機交互畫線標注符號文字。后者只能以像素為基本單位進行拷貝、移動或刪除，即它的編輯功能很差。4、地圖數(shù)字化的方式：（1）手扶化儀數(shù)字化盡管手扶跟蹤數(shù)字化工作量非常繁重，但是它仍然是目前最為廣泛采用的將已有地圖數(shù)字化的手段。利用手扶跟蹤數(shù)字化儀可以輸入點地物、線地物以及多邊形邊界的坐標。其具體的輸入方式與地理信息系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)有關(guān)，另外一些GIS系統(tǒng)也支持用數(shù)字化儀輸入非空間信息，如等高線的高度、地物的編碼數(shù)值等等。手扶跟蹤數(shù)字化儀是通過相關(guān)接口與計算機進行連接的，為了能夠進行正確的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，為了保證數(shù)據(jù)錄入的正確，必須設置數(shù)字化軟件的參數(shù)和數(shù)字化儀的一致。在進行數(shù)字化前，首先要確定需要數(shù)字化哪些信息，在目前由于大多數(shù)GIS軟件對空間數(shù)據(jù)采用分層管理，所以要確定輸入哪些圖層，以及每個圖層包含的具體內(nèi)容。另外，由于數(shù)字化過程不可能一次完成，在兩次輸入之間地圖的位置可能相對于數(shù)字化板發(fā)生錯動，這樣前后兩次錄入的坐標就會偏移或旋轉(zhuǎn)。在每次錄入之前，先輸入至少三個定位點，或稱為注冊點，這些點相對于地圖的位置是固定的，這樣兩次輸入的內(nèi)容就可以根據(jù)定位點坐標之間的關(guān)系進行匹配。（2）掃描矢量化由于手扶跟蹤數(shù)字化需要大量的人工操作，使得它成為以數(shù)字為主體的應用項目瓶頸。掃描技術(shù)的出現(xiàn)無疑為空間數(shù)據(jù)錄入提供了有力的工具。在掃描后處理中，需要進行柵格轉(zhuǎn)矢量的運算，一般成為掃描矢量化過程。掃描矢量化可以自動進行，但是掃描地圖中包含多種信息，系統(tǒng)難以自動識別分辨，這使得完全自動矢量化的結(jié)果不那么“可靠”，所以在實際應用中，常常采用交互跟蹤矢量化，或者成為半自動矢量化。5、將柵格圖像轉(zhuǎn)換為矢量地圖一般需要以下一系列步驟（1）圖像二值化（Threshold）圖像二值化用于從原始掃描圖像計算得到黑白二值圖像（BinaryImage),通常將圖像上的白色區(qū)域的柵格點賦值為0；而黑色區(qū)域為1，黑色區(qū)域?qū)艘噶炕崛〉牡匚铮址Q為前景。（2）平滑圖像平滑用于去除圖像中的隨機噪聲，通常表現(xiàn)為斑點。（3）細化細化將一條線細化為只有一個像素寬，細化是矢量化過程中的重要步驟，也是矢量化的基礎。（5）鏈式編碼鏈式編碼將細化后的圖像轉(zhuǎn)換成為點鏈的集合，其中每個點鏈對應于一條弧段。（6）矢量線提取將每個點鏈轉(zhuǎn)化成為一條矢量線。每條線由一系列點組成，點的樹木取決于線的彎曲程度和要求的精度。三、攝影測量攝影測量在我國基本比例尺圖生產(chǎn)中起了關(guān)鍵作用,我國絕大部分1:1萬和1:5萬基本比例尺地形圖使用攝影測量方法。同樣，在GIS空間數(shù)據(jù)采集的過程中，隨著數(shù)字攝影測量技術(shù)的推廣，亦將起越來越重要的作用。四、遙感圖像處理五、屬性數(shù)據(jù)處理一般采用鍵盤輸入，輸入的方式有兩種：1、對照圖形直接輸入2、預先建立屬性表輸入屬性，或從其他統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫中導入屬性，然后根據(jù)關(guān)鍵字與圖形數(shù)據(jù)自動聯(lián)接。第二節(jié)空間數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)處理包括：1、數(shù)據(jù)變換指數(shù)據(jù)從一種數(shù)學狀態(tài)到另一種數(shù)學狀態(tài)的變換，包括幾何糾正、投影轉(zhuǎn)換和輻射糾正等，以解決空間數(shù)據(jù)的幾何配準。2、數(shù)據(jù)重構(gòu)數(shù)據(jù)重構(gòu)指數(shù)據(jù)從一種格式到另一種格式的轉(zhuǎn)換，包括結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、格式變換、類型替換等，以解決空間數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)、格式和類型上的統(tǒng)一，實現(xiàn)多源和異構(gòu)數(shù)據(jù)的聯(lián)接與融合。3、數(shù)據(jù)提取數(shù)據(jù)提取指對數(shù)據(jù)進行某種有條件的提取，包括類型提取、窗口提取、空間內(nèi)插等，以解決不同用戶對數(shù)據(jù)的特定需求。一、空間數(shù)據(jù)的坐標變換空間數(shù)據(jù)坐標變換的實質(zhì)是建立兩個平面點之間的一一對應關(guān)系，包括：1、幾何糾正2、投影變換1、幾何糾正幾何糾正是為了實現(xiàn)對數(shù)字化數(shù)據(jù)的坐標轉(zhuǎn)換和圖紙變形誤差的改正?，F(xiàn)有的幾種商業(yè)GIS軟件一般都具有仿射變換、相似變換、二次變換等幾何糾正功能。2、投影變換當系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)取自不同地圖投影的圖幅時，需要將一種投影的數(shù)字化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需要投影的坐標數(shù)據(jù)。投影轉(zhuǎn)換的方法可以采用：（1）正解變換（2）反解變換（3）數(shù)值變換3、地圖投影的類型（1）方位投影（2）圓錐投影（3）圓柱投影我國常用的地圖投影我國的GIS應用工程所采用的投影一般與我國基本地形圖系列一致的地圖投影系統(tǒng)，這就是大中比例尺（1：50萬以上）的高斯—克呂格投影（橫軸等角切橢圓柱投影）和小比例尺（1：100萬以下）時的蘭勃特（Lambert)投影（正軸等角割圓錐投影）。我國基本比例尺地形圖（1：100萬、1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1：1萬、1：5000），除1：100萬外均采用高斯—克呂格投影為地理基礎。我國1：100萬地形圖采用了Lambert投影，其分幅原則與國際地理學會規(guī)定的全球統(tǒng)一使用的國際百分之一地圖投影保持一致。我國大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)的阿爾伯斯（Albers）投影（正軸等面積割圓錐投影）；二、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換由于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各具有不同的優(yōu)缺點，一般對它們的應用原則是：1、數(shù)據(jù)采集采用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于保證空間實體的幾何精度和拓撲特性的描述；2、而空間分析則主要采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于加快系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運行速度和分析應用的進程。由矢量向柵格的轉(zhuǎn)換由柵格向矢量的轉(zhuǎn)換三、多源空間數(shù)據(jù)的融合1、遙感與GIS數(shù)據(jù)的融合2、不同格式數(shù)據(jù)的融合1、遙感與GIS數(shù)據(jù)的融合兩者的數(shù)據(jù)融合，有利于增強多重數(shù)據(jù)的復合能力，改善遙感信息提取的及時性和可靠性，便于利用遙感影像輔助GIS空間數(shù)據(jù)的獲取與更新，有效地提高各類數(shù)據(jù)的使用率。遙感與GIS數(shù)據(jù)的融合，目前最常用的方法具體表現(xiàn)為：（1）遙感圖像與圖形的融合。經(jīng)過正射糾正后的遙感影像，與數(shù)字地圖信息融合，可產(chǎn)生影像地圖。這種影像地圖具有一定的數(shù)學基礎，有豐富的光譜信息與集合信息，又有行政界限和屬性信息，直接提高了用戶的可視化效果。（2）遙感數(shù)據(jù)與DEM的融合。DEM代表精確的地形信息，它與遙感數(shù)據(jù)的融合，有助于實施遙感影像的幾何校正與配準，消除遙感圖像中因地形起伏所造成的像元位移，提高遙感圖像的定位精度，同時DEM可參與遙感圖像的分類，改善分類精度。（3）遙感圖像與地圖掃描圖像的融合。將地圖掃描圖像配準疊合，可以從遙感圖像中快速發(fā)現(xiàn)已發(fā)生變化的區(qū)域，進而實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)庫的自動/半自動快速更新。2、不同格式數(shù)據(jù)的融合由于GIS軟件的多樣性，每種GIS軟件都有自己特定的數(shù)據(jù)模型，造成數(shù)據(jù)存儲格式和結(jié)構(gòu)的不同。目前不同GIS軟件系統(tǒng)使用的空間數(shù)據(jù)格式主要有：ESRI公司的ARC/INFOCoverageArcShapefiles、E00格式；Aotodesk公式的DXF和DWG格式；MapInfo公司的MIF格式；Intergraph公司的DGN格式等等。解決這些不同格式數(shù)據(jù)之間的融合，主要有以下幾種方法：（1）基于轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)融合。在這種模式下，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一般通過交換格式進行?；跀?shù)據(jù)標準的數(shù)據(jù)融合采用一種空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換標準來實現(xiàn)多源GIS數(shù)據(jù)的融合。（2）基于公共接口的數(shù)據(jù)融合又稱為數(shù)據(jù)互操作模式。接口相當于一種規(guī)程，它是大家都遵守并達成統(tǒng)一的標準。（3）基于直接訪問的數(shù)據(jù)融合指在一個GIS軟件中實現(xiàn)對其他軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問，用戶可以使用單個GIS軟件存取多種數(shù)據(jù)格式。四、空間數(shù)據(jù)的壓縮與綜合1、空間數(shù)據(jù)的壓縮所謂數(shù)據(jù)壓縮，即從所取得的數(shù)據(jù)集合S中抽出一個子集A，這個子集作為一個新的信息源，在規(guī)定的精度范圍內(nèi)最好地逼近原集合，而又取得盡可能大的壓縮比。壓縮比表示曲線信息載量減少的程度。2、數(shù)據(jù)壓縮的意義利用現(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來量化空間要素，其分辨率目前可達5um的數(shù)量級，對如此龐大的坐標數(shù)據(jù)量，不采取數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，整個系統(tǒng)在存儲空間和處理時間上都將承受巨大的壓力，而導致系統(tǒng)的失敗。此外，隨著處理空間數(shù)據(jù)的比例尺發(fā)生變化，同樣也存在數(shù)據(jù)壓縮的需要。五、空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法通過已知點或分去的數(shù)據(jù)，推求任意點或分區(qū)數(shù)據(jù)的方法就稱為空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插。根據(jù)已知點和已知分區(qū)數(shù)據(jù)的不同，將空間數(shù)據(jù)內(nèi)插分為點的內(nèi)插和區(qū)域的內(nèi)插。它們是地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理常用的方法之一，廣泛用于等值線自動制圖、數(shù)字高程模型的建立、不同區(qū)域界線現(xiàn)象的相關(guān)分析和比較研究等等1、點的內(nèi)插是研究具有連續(xù)變化特征現(xiàn)象（例如地面高程等）的數(shù)值內(nèi)插方法。建立按一定網(wǎng)絡形式排列的地面點高程數(shù)據(jù)，一般需要經(jīng)過數(shù)據(jù)采樣數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)記錄三個過程。（1）數(shù)據(jù)取樣是指數(shù)據(jù)點的選取和坐標的確定；可采用隨機取樣方案。該方案任意應按系統(tǒng)的功能、地面形態(tài)特征和對地形分析的精度要求來確定，以保證具有足夠的地面信息，作為數(shù)據(jù)處理的控制依據(jù)。（2）數(shù)據(jù)處理是以數(shù)據(jù)點作為控制基礎，用某一數(shù)學模型來模擬地表面，進行內(nèi)插加密計算，確定三角網(wǎng)或格網(wǎng)節(jié)點處的特征值（3）數(shù)據(jù)內(nèi)插