第五講 空間數(shù)據(jù)采集和處理

1、4/9/20221南京曉莊學院生物化工與環(huán)境工程學院第五講第五講4/9/2022Page 2第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集第三節(jié)第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯數(shù)據(jù)編輯第四節(jié)第四節(jié) 數(shù)學基礎變換數(shù)學基礎變換第五節(jié)第五節(jié) 數(shù)據(jù)重構數(shù)據(jù)重構第六節(jié)第六節(jié) 圖形拼接圖形拼接第七節(jié)第七節(jié) 拓撲生成拓撲生成第八節(jié)第八節(jié) 數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮第九節(jié)第九節(jié) 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與控制數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與控制第十節(jié)第十節(jié) 數(shù)據(jù)入庫數(shù)據(jù)入庫4/9/2022Page 3第一節(jié)第一節(jié)4/9/2022Page 4數(shù)字線化數(shù)據(jù)數(shù)字線化數(shù)據(jù) 地形測圖思想：點、線、面地形測圖思想：點、線、面影象數(shù)據(jù)影象數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)源豐富數(shù)據(jù)源豐富 生產(chǎn)效

2、率高生產(chǎn)效率高 直觀詳細記錄地表自然現(xiàn)象直觀詳細記錄地表自然現(xiàn)象數(shù)字高程模型數(shù)字高程模型屬性數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù) 是什么，判讀和考察是什么，判讀和考察 詳細描述信息詳細描述信息第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 5空間特征空間特征 GIS獨有的數(shù)據(jù)獨有的數(shù)據(jù)類型類型 刻畫空間對象的刻畫空間對象的位置、形狀和大位置、形狀和大小等幾何特征小等幾何特征 表示：絕對描表示：絕對描述述坐標（直角坐標（直角坐標、經(jīng)緯度）坐標、經(jīng)緯度） 相對描述相對描述空間空間關系關系專題特征專題特征 除空間特征、時除空間特征、時間特征外的其它間特征外的其它特征特征時間特征時間特征第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述

3、4/9/2022Page 6空間對象描述表示：空間對象描述表示： 定性和定量定性和定量定性：定性： 空間對象的鑒別、空間對象的鑒別、分類和命名分類和命名 屬性數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù) 分類代碼 數(shù)值類型：僅作為一種標識，不代表對象量化程度 不同應用領域的不同應用領域的空間對象描述詳空間對象描述詳細程度不同細程度不同定量：圖形幾何坐定量：圖形幾何坐標、屬性量化指標標、屬性量化指標 屬性量化指標：屬性量化指標：統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計調(diào)查數(shù)據(jù)，可信度與完整性可信度與完整性 圖形幾何坐標：圖形幾何坐標：采樣點密度、比采樣點密度、比例尺、特征點選例尺、特征點選取取原則：原則： 計算機輸出的地計算機輸出的地圖滿足同等比例

4、圖滿足同等比例尺地圖精度要求尺地圖精度要求第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 7第一手數(shù)據(jù)第二手數(shù)據(jù)非電子數(shù)據(jù)電子數(shù)據(jù)全站儀、GPS數(shù)據(jù)地球物理、地球化學遙感數(shù)據(jù)地圖專題地圖統(tǒng)計圖表平板測量數(shù)據(jù)工程測量數(shù)據(jù)筆記航空、遙感相片人口普查社會經(jīng)濟調(diào)查各種統(tǒng)計資料已建各種數(shù)據(jù)庫GIS數(shù)據(jù)第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 8第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述數(shù)據(jù)源的選擇采集方法的確定數(shù)據(jù)的進一步編輯與處理數(shù)據(jù)入庫4/9/2022Page 9GIS數(shù)據(jù)源按獲取方式按表現(xiàn)方式GIS數(shù)據(jù)源分類示意圖第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 10數(shù)字地圖的精度

5、與源圖直接相關數(shù)字地圖的精度與源圖直接相關紙質(zhì)地圖并不是很好的數(shù)據(jù)源紙質(zhì)地圖并不是很好的數(shù)據(jù)源數(shù)字化所的數(shù)據(jù)精度不會高于原始地圖數(shù)字化所的數(shù)據(jù)精度不會高于原始地圖原始地圖中的誤差會傳播原始地圖中的誤差會傳播第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 11GIS空間數(shù)據(jù)地圖存儲介質(zhì)、現(xiàn)勢性、投影轉換統(tǒng)計數(shù)據(jù)多媒體，輔助GIS空間分析和查詢遙感、航空影象和數(shù)據(jù)分辨率、變形規(guī)律、糾正、解譯特征地面測量數(shù)字數(shù)據(jù)格式、精度第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 12地圖數(shù)據(jù)通常以地圖作為GIS數(shù)據(jù)源時可將地圖內(nèi)容分解為點、線和面三類基本要素，然后以特定的編碼方式進行組織和管理

6、。此外，地圖是經(jīng)過系列制圖綜合的產(chǎn)物，在GIS趨勢分析、模式分析等方面具有非常重要的作用。（1）地圖存儲介質(zhì)的缺陷。由于地圖多為紙質(zhì)，在不同的存放條件下存在不同程度的變形，具體應用時，須對其進行糾正。（2）地圖現(xiàn)勢性較差。傳統(tǒng)地圖更新周期較長，造成現(xiàn)存地圖的現(xiàn)勢性不能完全滿足實際需要。（3）地圖投影的轉換。使用不同投影的地圖數(shù)據(jù)進行交流前，須先進行地圖投影的轉換。在應用地圖數(shù)據(jù)時應注意以下幾點：在應用地圖數(shù)據(jù)時應注意以下幾點：第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 13遙感影像數(shù)據(jù)遙感影像（航空、衛(wèi)星）數(shù)據(jù)是GIS中一個極其重要的信息源。通過遙感影像可以快速、準確地獲得大面積的

7、、綜合的各種專題信息，航天遙感影像還可以取得周期性的資料，這些都為GIS提供了豐富的信息每種遙感影像都有其自身的成像規(guī)律、變形規(guī)律，所以在應用時要注意影像的糾正、影像的分辨率、影像的解譯特征等方面的問題。圖6.3 航空影像局部圖6.2 衛(wèi)星遙感影像局第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述4/9/2022Page 14第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述實測數(shù)據(jù) 實測數(shù)據(jù)主要指各種野外實驗、實地測量所得數(shù)據(jù)，它們通過轉換可直接進入GIS的空間數(shù)據(jù)庫以用于實時分析和進一步應用。其中，GPS點位數(shù)據(jù)、地籍測量數(shù)據(jù)等通常具有較高的精度和較好的現(xiàn)勢性，是GIS的重要數(shù)據(jù)來源統(tǒng)計數(shù)據(jù) 常常也是GIS的數(shù)據(jù)源，尤其是屬性

8、數(shù)據(jù)的重要來源。統(tǒng)計數(shù)據(jù)一般都是和一定范圍內(nèi)的統(tǒng)計單元或觀測點聯(lián)系在一起，因此采集這些數(shù)據(jù)時，要注意包括研究對象的特征值、觀測點的幾何數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料的基本統(tǒng)計單元。各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)可存儲在屬性數(shù)據(jù)庫中與其它形式的數(shù)據(jù)一起參與分析。共享數(shù)據(jù)GIS數(shù)據(jù)共享已成為地理信息系統(tǒng)技術的一個重要研究內(nèi)容，已有數(shù)據(jù)的共享也成為GIS獲取數(shù)據(jù)的重要來源之一。但對已有數(shù)據(jù)的采用需注意數(shù)據(jù)格式的轉換和數(shù)據(jù)精度、可信度的問題。4/9/2022Page 15第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述由多媒體設備獲取的數(shù)據(jù)（包括聲音、錄像等）也是GIS的數(shù)據(jù)源之一，目前其主要功能是輔助GIS的分析和查詢，可通過通訊口傳入GIS的空間數(shù)

9、據(jù)庫中。 多媒體數(shù)據(jù)文本資料數(shù)據(jù) 文字說明資料也是地理信息系統(tǒng)建立的主要依據(jù)，須認真加以研究，準確送入計算機系統(tǒng)，使搜集資料更加系統(tǒng)化4/9/2022Page 16第一節(jié) 空間數(shù)據(jù)采集與處理概述鍵盤輸入掃描數(shù)字化成果數(shù)據(jù)交換遙感圖像處理攝影測量野外數(shù)據(jù)采集地圖數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)野外實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)數(shù)字數(shù)據(jù)多媒體數(shù)據(jù)文本數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源采集方法4/9/2022Page 17數(shù)據(jù)采集第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 18數(shù)據(jù)采集在GIS中的地位數(shù)據(jù)采集任務將現(xiàn)有的地圖、外業(yè)觀測成果、航空像片、遙感圖片數(shù)據(jù)、文本資料等轉換成GIS可以接受的數(shù)字形式。數(shù)據(jù)庫入庫之前進行驗證、修改、編輯等處理，保證數(shù)據(jù)在內(nèi)

10、容和邏輯上的一致性。不同的數(shù)據(jù)來源要用到不同的設備和方法。數(shù)據(jù)的轉換裝載數(shù)據(jù)處理：幾何糾正、圖幅拼接、拓撲生成等。第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 19汽油數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)為處理線索硬件軟件數(shù)據(jù) = 12 7第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 20野外測量：大平板、全站儀、GPS、移動測繪系統(tǒng)特 點：精度高、效率較低適合范圍：小范圍GIS數(shù)據(jù)采集或局部數(shù)據(jù)更新第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 21數(shù)字化設備：數(shù)字化儀、掃描儀、攝影測量設備特 點：范圍大，速度快使 用 范 圍：大面積GIS數(shù)據(jù)采集、資源普查等數(shù)字化儀掃描儀數(shù)字攝影測量工作站第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page

11、 22數(shù)據(jù)交換文件GIS A GIS A GIS B GIS B 內(nèi)部文件 外部文件 外部文件 內(nèi)部文件 GIS A數(shù)據(jù)交換標準Open GISInternet / Intranet第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 23地圖地面測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料航空、遙感數(shù)字數(shù)據(jù)多媒體坐標幾何數(shù)字化儀掃描儀攝影測量鍵盤空間數(shù)據(jù)庫編輯處理數(shù)據(jù)交換第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 24隨機采樣系統(tǒng)采樣系統(tǒng)隨機采樣可變系統(tǒng)采樣蔟聚采樣斷面采樣等高線采樣第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 25計劃調(diào)查準備收集數(shù)字化編輯處理評價第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 26第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集就

12、是運用各種技術手段，通過各種渠道收集數(shù)據(jù)的過程數(shù)據(jù)采集的概念服務于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作包括兩方面內(nèi)容：空間數(shù)據(jù)的采集屬性數(shù)據(jù)的采集，4/9/2022Page 27第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集野外數(shù)據(jù)采集 平板測量 全野外數(shù)字測圖空間定位測量 GPS測量方法地圖數(shù)字化 手扶跟蹤數(shù)字化 掃描矢量化攝影測量方法 攝影測量原理 數(shù)字攝影測量的數(shù)據(jù)處理流程遙感圖像處理 觀測數(shù)據(jù)的輸入 再生、校正處理 變換處理、分類處理 處理結果的輸出4/9/2022Page 28屬性數(shù)據(jù)的來源 社會環(huán)境數(shù)據(jù) 自然環(huán)境 資源與能源屬性數(shù)據(jù)的分類 地球表面的自然和社會基礎信息分為9個大類，分別為測量控制點、水系、居民地、交通、管

13、線與垣柵、境界、地形與土質(zhì)、植被和其他類，在每個大類下又依次細分為小類、一級和二級類屬性數(shù)據(jù)的編碼 編碼方法有層次分類編碼法與多源分類編碼法兩種基本類型第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集4/9/2022Page 29第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯第三節(jié)第三節(jié)4/9/2022Page 30空間數(shù)據(jù)編輯的空間數(shù)據(jù)編輯的必要性必要性 修正數(shù)據(jù)輸入錯修正數(shù)據(jù)輸入錯誤誤 維護數(shù)據(jù)的完整維護數(shù)據(jù)的完整性和一致性性和一致性 更新地理信息更新地理信息空間數(shù)據(jù)編輯內(nèi)空間數(shù)據(jù)編輯內(nèi)容容 數(shù)據(jù)不完整、重數(shù)據(jù)不完整、重復復 空間數(shù)據(jù)位置不空間數(shù)據(jù)位置不正確正確 空間數(shù)據(jù)比例尺空間數(shù)據(jù)比例尺不準確不準確 空間數(shù)據(jù)變形空間數(shù)據(jù)變形 幾何和屬性連接幾何和

14、屬性連接有誤有誤 屬性數(shù)據(jù)不完整屬性數(shù)據(jù)不完整主要方法主要方法 疊合比較法疊合比較法 目視檢查法目視檢查法 邏輯檢查法邏輯檢查法第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯4/9/2022Page 31圖紙移動圖紙移動圖紙變形圖紙變形制圖誤差制圖誤差數(shù)字化誤差數(shù)字化誤差各種誤差將影響到各種誤差將影響到GIS數(shù)據(jù)處理的各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理的各個環(huán)節(jié)第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯4/9/2022Page 32第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯4/9/2022Page 33第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯4/9/2022Page 34第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯4/9/2022Page 35圖形數(shù)據(jù)圖形數(shù)據(jù)的編輯的編輯屬性數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)的編輯的編輯第三節(jié) 數(shù)據(jù)編輯4/9/2022Page 3

15、6第四節(jié)第四節(jié)4/9/2022Page 37對掃描得到的圖像進行糾正，主要是建立要糾正的圖像與標準的地形圖或地形圖的理論數(shù)值或糾正過的正射影像之間的變換關系，消除各類圖形的變形誤差。幾何糾正幾何糾正第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 38糾正原因糾正原因 地圖變形地圖變形(均勻變形、均勻變形、非均勻變形）非均勻變形） 數(shù)字化中的數(shù)字化中的位置移動位置移動 遙感影像本遙感影像本身存在幾何身存在幾何變形變形 投影方式不投影方式不同同 分幅掃描分幅掃描實質(zhì)實質(zhì) 建立糾正圖建立糾正圖象與標準地象與標準地圖的一一對圖的一一對應關系應關系變換方法變換方法 精確方法：精確方法：仿射變換、仿射變換、

16、雙線性變換、雙線性變換、平方變換、平方變換、立方變換等立方變換等 近似方法：近似方法：橡皮板變換橡皮板變換糾正步驟糾正步驟 糾正點糾正點數(shù)數(shù)據(jù)采集據(jù)采集函函數(shù)建立數(shù)建立逐逐點或網(wǎng)格糾點或網(wǎng)格糾正正第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 39第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 40空間數(shù)據(jù)坐標變化方法投影變換坐標變換方法仿射投影相似變換橡皮拉伸第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 41等積變換等積變換，可旋轉，保持形狀和面積不變類似變換類似變換，可旋轉，保持形狀但面積可變仿射變換仿射變換，角度可變形但并行線性質(zhì)不變投影變換投影變換，角度、長度、面積均可變形拓撲變換拓撲變換

17、：拓撲性質(zhì)，但不保持形狀、第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 42第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 43墨卡特投影摩爾魏特投影第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 44投影A（x，y）投影B（X，Y）正解變換：解析函數(shù)關系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yxbabaYXnn11第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 45 在保持目標平行條件下，允許進行 旋轉、平移、傾斜、不均勻縮放等第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2

18、022Page 46FEyDxyCByAxxx、y 是數(shù)字化單位的坐標x、y 是地圖坐標A, B, C, D, E, F是轉換系數(shù)解算：最少3對數(shù)據(jù)，一般大于等于 4 最小二乘法求解是剪切因子，可由是旋轉角度，方向的比例尺變化為方向的比例尺變化，為方向的平移表示在方向的平移表示在kktSSttkSEtSDttkSBtSAFCyxyxyxarctan yxcossinsin sincos)cos(Y X 第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 47為控制點數(shù)量全圖平均控制點NNestYactYestXactXRMSEestYactYestXactXRMSE/ )()( )()( 2222第

19、四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 48第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 49第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 50第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 511MMU = 1公頃1MMU = 9公頃MMU：最小制圖單位第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 52第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 53幾何變換必要性流程幾何變換方法仿射變換定義幾何解釋 均方根誤差第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 54仿射變換x和y表示行和列系數(shù)E小于零多項式方程或橡皮板變換反復進行重采樣 最鄰近法雙線性內(nèi)插三次卷積第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2

20、022Page 55選擇控制點控制點變換數(shù)字化一到經(jīng)緯度控制點投影只有控制點圖層數(shù)字化地圖要素幾何變換第四節(jié) 數(shù)學變換基礎4/9/2022Page 56 數(shù)據(jù)重構第五第五節(jié)節(jié)4/9/2022Page 57數(shù)據(jù)重構主要包括數(shù)據(jù)結構的轉換和數(shù)據(jù)格式轉換第五節(jié) 數(shù)據(jù)重構4/9/2022Page 58矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉換柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)的轉換第五節(jié) 數(shù)據(jù)重構4/9/2022Page 59第五節(jié) 數(shù)據(jù)重構4/9/2022Page 60遙感影像或分類圖掃描圖邊界提取二值化二值化細化矢量化第五節(jié) 數(shù)據(jù)重構4/9/2022Page 61實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉換的方法多種多樣，一般可以通過以下三種途徑實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)交換

21、方式標準空間數(shù)據(jù)交換標準方式空間數(shù)據(jù)的互操作方式第五節(jié) 數(shù)據(jù)重構4/9/2022Page 62 圖形拼接第六節(jié)第六節(jié)4/9/2022Page 63不同圖幅的連接自動、手工第六節(jié) 圖形拼接4/9/2022Page 64第六節(jié) 圖形拼接4/9/2022Page 65識別和檢識別和檢索相鄰圖索相鄰圖幅幅邏輯一致邏輯一致性的處理性的處理相鄰圖幅相鄰圖幅邊界點坐邊界點坐標數(shù)據(jù)的標數(shù)據(jù)的匹配匹配相同屬性相同屬性多邊形公多邊形公共邊界的共邊界的刪除刪除第六節(jié) 圖形拼接4/9/2022Page 66第七節(jié)拓撲生成4/9/2022Page 67點線拓撲關系的建立點線拓撲關系的建立多邊形拓撲關系的建立多邊形拓撲關系的建立網(wǎng)絡拓撲關系的建立網(wǎng)絡拓撲關系的建立第七節(jié) 拓撲生成4/9/2022Page 68第八節(jié)數(shù)據(jù)壓縮4/9/2022Page 69q數(shù)據(jù)壓縮簡化數(shù)據(jù)記錄節(jié)約存儲量q數(shù)據(jù)概化比例尺變換精度減少矢量：更少的點、線、面柵格：重采樣（小格網(wǎng)到大格網(wǎng)）第八節(jié) 數(shù)據(jù)壓縮4/9/2022Page 70第八節(jié) 數(shù)據(jù)壓縮4/9/2022Page 71第九節(jié)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與控制第九節(jié) 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與控制4/9/2022Page 72q數(shù)據(jù)采集日期(現(xiàn)勢性)q位置精度(幾何精度)q分類精度(屬性精度)q完整性q數(shù)據(jù)采集與編碼方法第九節(jié) 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與控制4/9/20