名校gis課件第4章+空間數(shù)據(jù)的獲取與處理new

4.1空間數(shù)據(jù)處理內(nèi)容4.2空間數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)4.3空間數(shù)據(jù)的仿射變換4.4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換4.5空間數(shù)據(jù)的壓縮4.6空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插第4章空間數(shù)據(jù)的處理4.1空間數(shù)據(jù)處理內(nèi)容空間數(shù)據(jù)編輯

圖形數(shù)據(jù)的編輯；屬性數(shù)據(jù)的編輯圖形的幅面處理圖形的拼接；圖形的分割；窗口的剪裁空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)變換

投影變換；坐標(biāo)變換；比例尺變換；幾何校正空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換

矢量向柵格的轉(zhuǎn)換；柵格向矢量的轉(zhuǎn)換空間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)間數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換空間數(shù)據(jù)的插值

點(diǎn)的內(nèi)插；區(qū)域的內(nèi)插4.2空間數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)1、弧段和多邊形的外接矩形弧段坐標(biāo)鏈中最大最小值XminYminXmaxYmax組成的矩形稱(chēng)該弧段的外接矩形。多邊形坐標(biāo)鏈中最大最小值XminYminXmaxYmax組成的矩形稱(chēng)該多邊形的外接矩形。

外接矩形的應(yīng)用引入外接矩形可大大提高弧段求交、多邊形求交速度。判斷外接矩形相交的邏輯表達(dá)式為：(Xmin≤X1min≤Xmax)AND(Ymin≤Y1min≤Ymax)OR(Xmax≥X1max≥Xmin)AND(Ymax≥Y1max≥Ymin)其中Xmin，Ymin，Xmax，Ymax；X1min，Y1min，X1max，Y1max分別為兩個(gè)外接矩形。2、點(diǎn)、線、面的捕捉和判斷1）點(diǎn)的捕捉

設(shè)圖幅上有一點(diǎn)A（x,y），要捕捉該點(diǎn)可設(shè)定一捕捉半徑D（通常為幾個(gè)象素），當(dāng)你選擇點(diǎn)S（x,y）離A點(diǎn)距離小于D，認(rèn)為，捕捉A點(diǎn)成功。實(shí)際中為避免作平方運(yùn)算，常把捕捉區(qū)域設(shè)定成矩形。判斷捕捉該點(diǎn)的邏輯表達(dá)式為：

(Xmin≤Sx≤Xmax)AND(Ymin≤Sy≤Ymax)AA2）線的捕捉從理論上說(shuō)，光標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)S（x,y）到弧段的各直線段之間距離d1,d2,d3…中如有一個(gè)距離di滿足di<D

，認(rèn)為該弧段被捕捉到。通過(guò)外接矩形可大大縮小尋找目標(biāo)的范圍；進(jìn)一步捕捉3）多邊形的捕捉多邊形的捕捉實(shí)際上是求光標(biāo)點(diǎn)S（x,y）是否在多邊形內(nèi)。通過(guò)外接矩形可大大縮小尋找目標(biāo)的范圍；進(jìn)一步捕捉。4）點(diǎn)、弧段、多邊形的位置判斷點(diǎn)、弧段、多邊形的位置判斷方法，其基本原理同點(diǎn)、弧段、多邊形的捕捉類(lèi)似，只是在對(duì)點(diǎn)、弧段、多邊形的判斷時(shí)，有時(shí)要進(jìn)一步定量化。如求離點(diǎn)D（x,y）最近的一弧段、求穿過(guò)多邊形的弧段等。3、弧段的求交

在GIS中弧段的求交是一種基本工作，在拓?fù)潢P(guān)系建立、圖形疊置分析、緩沖區(qū)建立、圖形顯示等很多地方均要用到弧段求交算法。假定兩條弧段分別有m和n個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，則求兩條弧段的交點(diǎn)就要進(jìn)行（m-1）*(n-1)次直線求交和判斷直線是否相交的運(yùn)算。為提高速度弧段求交初步判斷直線求交運(yùn)算多邊形求交與之類(lèi)似4.3空間數(shù)據(jù)的仿射變換

圖形編輯可消除數(shù)字化產(chǎn)生的錯(cuò)誤，但無(wú)法糾正圖紙變形等誤差。幾何糾正是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和圖紙變形的誤差糾正。常用的幾何糾正方法有高次變換、二次變換和仿射變換。

仿射變換是使用最多的一種幾何變換。設(shè)x,y為數(shù)字化儀坐標(biāo)，X,Y為理論坐標(biāo)，m1、m2為橫向和縱向的實(shí)際比例尺，兩坐標(biāo)系夾角為α，數(shù)字化儀原點(diǎn)O‘相對(duì)于理論坐標(biāo)系原點(diǎn)平移了a0、b0，則根據(jù)圖形變換原理，得出仿射變換公式：設(shè)a1=m1cosα

b1=-m1sinα

a2=m2sinα

b2=m2cosα仿射變換是使用最多的一種幾何變換變換方程為：

X=a0+a1x+a2yY=b0+b1x+b2ya0、a1、a2、b0、b1、b2為待定系數(shù)。理論上只要不在一條直線上的3個(gè)控制點(diǎn)坐標(biāo)值和理論值，即可求得待定系數(shù)。實(shí)際上用4個(gè)以上控制點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行處理，以提高處理精度。誤差方程為：Ex=X–(a0+a1x+a2y)Ey=Y–(b0+b1x+b2y)X,Y為已知理論值，求誤差最小。4.4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換一、矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換概念

實(shí)質(zhì)上是將矢量圖上點(diǎn)、線、面實(shí)體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為規(guī)則的格網(wǎng)數(shù)據(jù)再給予填充。矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要將矢量表示的多邊形轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)，使多邊形內(nèi)部所有柵格賦于多邊形號(hào)。(行列)=？坐標(biāo)1）選擇單元的大小和形狀，確定柵格的行和列；

2）將點(diǎn)和線實(shí)體角點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到預(yù)定分辨率和已知位置的矩陣中；

3）利用單根掃描線（沿行或列）或一組相連接的掃描線去測(cè)試線性要素與單元邊界的交叉點(diǎn)，并記錄穿過(guò)交叉點(diǎn)的柵格單元個(gè)數(shù)；

4）測(cè)試多邊形時(shí)，先測(cè)試角點(diǎn)，再對(duì)剩下線段進(jìn)行二次掃描，到達(dá)邊界位置時(shí)，記錄其位置與屬性值。1、矢量到柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換步驟矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)后，圖形的幾何精度必然要降低，所以選擇柵格尺寸的大小要盡量滿足精度要求，使之不過(guò)多地?fù)p失地理信息。為了提高精度，柵格需要細(xì)化，但柵格細(xì)化，數(shù)據(jù)量將以平方指數(shù)遞增，因此，精度和數(shù)據(jù)量是確定柵格大小的最重要的影響因素。柵格尺寸確定①計(jì)算若干個(gè)小多邊形的面積S（i＝1，2，…，n）；②求最小多邊形的面積＝Smin；③求柵格尺寸L=1/2*（Smin

）1/2。柵格尺寸確定AH/2H=1/2*（min{Ai}）1/2網(wǎng)格邊界的確定A++++H1）柵格行列數(shù)確定矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前，還要根據(jù)研究區(qū)域的分辨率要求，確定柵格行列數(shù)。xmax-xmin

j=xymax-ymin

i=y其中i,j,分別為y,x,方向的柵格數(shù)；Xmin,xmaxymin,ymax

為矢量數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍；x,y分別按需要確定的為每個(gè)柵格單元的邊長(zhǎng)。ji柵格元素大小和數(shù)量的確定矢量圖

柵格圖

如一研究區(qū)域X方向長(zhǎng)15公里，Y方向長(zhǎng)30公里，現(xiàn)有該區(qū)域的1:1萬(wàn)比例尺的矢量圖，要將其轉(zhuǎn)成柵格結(jié)構(gòu)圖，要求柵格的最低分辨率是30m*30m。柵格數(shù)的確定：

行數(shù)

I=30km/30m=1000格

列數(shù)

J=15km/30m=500格

柵格行列數(shù)確定—EXAMPLEABAB中心點(diǎn)法BA長(zhǎng)度優(yōu)先法BA面積優(yōu)先法BB重要性優(yōu)先法AB2）柵格單元的歸屬邊界確定法實(shí)現(xiàn)矢柵轉(zhuǎn)換1、點(diǎn)的轉(zhuǎn)換2、線的轉(zhuǎn)換線的轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)是找出組成曲線的直線段對(duì)應(yīng)的柵格串(1)首先將A，B點(diǎn)轉(zhuǎn)成柵格；(2)確定行列值的范圍；(3)求直線中間柵格，實(shí)質(zhì)是由行求列。以一個(gè)柵格為例,已知i行,求j列

i行同直線相交的y值由y值從直線方程求x值由x值求對(duì)應(yīng)的j

射線法3、區(qū)域的填充8方向擴(kuò)散法

內(nèi)部擴(kuò)充法

從柵格單元轉(zhuǎn)換到幾何圖形的過(guò)程稱(chēng)為矢量化，矢量化過(guò)程要保證以下兩點(diǎn)：轉(zhuǎn)換物體正確的外形點(diǎn)：某個(gè)單元的值與周?chē)煌?，代表點(diǎn)；線：具有相同屬性值的連續(xù)的單元格，將其搜索出來(lái)并細(xì)化處理，成為一條線；面：將具有同一屬性的單元?dú)w為一類(lèi)，再檢測(cè)兩類(lèi)不同屬性的邊界作為多邊形的一條邊。保持柵格表示出的連通性與鄰接性；三、柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換多邊形邊界提取；邊界線追蹤；去除多余點(diǎn)及曲線光滑；拓?fù)潢P(guān)系生成1、柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的典型過(guò)程多邊形邊界提取

二值化細(xì)化59101411389531022451567314417813223732125682911214167512411076547133519235011013564724412251213520116612715591194821122114350225622剝皮法：其實(shí)質(zhì)是從數(shù)字圖像上，由上而下，自左到右一次選3×3個(gè)像元，進(jìn)行分析，以不影響其連通性為原則決定中心像元是否可以剝離，逐次排下去，可以將線條帶剝離成單個(gè)像元的細(xì)線。多邊形邊界提取

二值化細(xì)化

2345101112162124283334353842434650邊界線追蹤：邊界線跟蹤的目的就是將寫(xiě)入數(shù)據(jù)文件的細(xì)化處理后的柵格數(shù)據(jù)，整理為從結(jié)點(diǎn)出發(fā)的線段或閉合的線條，并以矢量形式存儲(chǔ)于特征柵格點(diǎn)中心的坐標(biāo)拓?fù)潢P(guān)系生成：對(duì)于矢量表示的邊界弧段，判斷其與原圖上各多邊形空間關(guān)系，形成完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并建立與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系。去除多余點(diǎn)及曲線圓滑：由于搜索是逐個(gè)柵格進(jìn)行的，必須去除由此造成的多余點(diǎn)記錄，以減少冗余。孤立點(diǎn)：8鄰城中沒(méi)有為1的象元。端點(diǎn)：8鄰城中只有一個(gè)為1的象元。結(jié)點(diǎn)：8鄰城中有三個(gè)或三個(gè)以上為1的象元。

點(diǎn)端點(diǎn)中間點(diǎn)結(jié)點(diǎn)

1、從左向右，從上向下搜索線劃起始點(diǎn)，并記下坐標(biāo)。2、朝該點(diǎn)的8個(gè)方向追蹤點(diǎn)，若沒(méi)有，則本條線的追蹤結(jié)束，轉(zhuǎn)(1)進(jìn)行下條線的追蹤；否則記下坐標(biāo)。

3、把搜索點(diǎn)移到新取的點(diǎn)上，轉(zhuǎn)2。邊界線追蹤拓?fù)浠瘮?shù)據(jù)壓縮的目的節(jié)省存貯空間節(jié)省處理時(shí)間4.5空間數(shù)據(jù)的壓縮與綜合數(shù)據(jù)壓縮途徑壓縮軟件:原數(shù)據(jù)信息基本不丟失而且可以大大節(jié)省存貯空間，缺點(diǎn)是壓縮后的文件必須在解壓縮后才能使用。數(shù)據(jù)消冗處理:原數(shù)據(jù)信息不會(huì)丟失，得到的文件可以直接使用，缺點(diǎn)是技術(shù)要求高，工作量大，對(duì)冗余度不大的數(shù)據(jù)集合效用小。用數(shù)據(jù)子集代替數(shù)據(jù)全集:在規(guī)定的精度范圍內(nèi)，從原數(shù)據(jù)集合中抽取一個(gè)子集，缺點(diǎn)以信息損失為代價(jià)，換取空間數(shù)據(jù)容量的縮小。常見(jiàn)空間數(shù)據(jù)的壓縮方法曲線數(shù)據(jù)的壓縮面域柵格數(shù)據(jù)的壓縮面域鄰接線段的刪除特征點(diǎn)篩選法：篩選抽取曲線特征點(diǎn)，并刪除全部多余點(diǎn)以達(dá)到節(jié)省存貯空間的目的。

曲線數(shù)據(jù)的壓縮面域柵格數(shù)據(jù)的壓縮面域鄰接線段的刪除通過(guò)壓縮編碼技術(shù)來(lái)消除冗余數(shù)據(jù)：鏈碼游程長(zhǎng)度編碼塊碼四叉樹(shù)編碼小波算法常見(jiàn)空間數(shù)據(jù)的壓縮方法曲線數(shù)據(jù)的壓縮面域柵格數(shù)據(jù)的壓縮面域鄰接線段的刪除數(shù)據(jù)屬性的重新分類(lèi)和空間圖形的化簡(jiǎn)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮相鄰界線的刪除共同屬性的合并常見(jiàn)空間數(shù)據(jù)的壓縮方法

每隔k個(gè)點(diǎn)取一點(diǎn)，或每隔一規(guī)定的距離取一點(diǎn)，但首末點(diǎn)一定要保留。這種方法可大量壓縮數(shù)字化使用連續(xù)方法獲取的點(diǎn)和柵格數(shù)據(jù)矢量化而得到的點(diǎn)，但不一定能恰當(dāng)?shù)乇Ａ舴较蛏锨曙@著變化的點(diǎn)。1.間隔取點(diǎn)法這種方法是按垂距的限差選取符合或超過(guò)限差的點(diǎn)，其方法如圖所示。P2點(diǎn)的垂距大于限差，應(yīng)保留；P3點(diǎn)的垂距小于限差，予以舍棄。2.垂距法P1

P2

P3

P4

曲線數(shù)據(jù)的壓縮這個(gè)方法是沿著邊界線，逐點(diǎn)計(jì)算通過(guò)當(dāng)前點(diǎn)Pj的兩條直線Lj1和Lj2之間的夾角aj，其中Lj1是經(jīng)過(guò)Pj和Pj-k0兩點(diǎn)的直線，而Lj2是經(jīng)過(guò)Pj和Pj+k0這兩點(diǎn)的直線。若|aj|小于某一閾值a0，那么就認(rèn)為Pj是一應(yīng)保留點(diǎn)。3.合并法（偏角法）Pj-2PjPj+2αj這個(gè)方法可用以下幾步來(lái)描述：(1)在給定的曲線的兩端之間連一直線。(2)對(duì)曲線上每一點(diǎn)計(jì)算它與直線的垂直距離。若所有這些距離均小于某一閾值εo，那么就用它來(lái)表示原曲線。(3)若(2)中條件不滿足，含有最大垂直距離的點(diǎn)Pj為保留點(diǎn)將原曲線分成兩段曲線，對(duì)它們遞歸地重復(fù)使用分裂法。4.分裂法(道格拉斯－普克法)圖中，實(shí)線為原曲線，虛線為壓縮后的曲線。道格拉斯－普克法波分析是把信號(hào)分解成低頻al和高頻dl兩部分，在分解中，低頻al中失去的信息由高頻dl捕獲。在下一層的分解中，又將al分解成低頻a2和高頻d2兩部分，低頻a2中失去的信息由高頻d2捕獲，如此類(lèi)推下去，可以進(jìn)行更深層次的分解。小波變換柵格數(shù)據(jù)的壓縮面域鄰接線段的刪除空間數(shù)據(jù)的綜合

4.6數(shù)據(jù)的插值現(xiàn)有離散曲面的分辨率、像元大小、方向與要求不符；現(xiàn)有連續(xù)曲面的數(shù)據(jù)模型與要求不一致；現(xiàn)有數(shù)據(jù)不能完全覆蓋所要求的區(qū)域空間插值的理論假設(shè)是：空間位置上越靠近的點(diǎn)，越可能具有相似的特征值，而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其特征值相似的可能性越小。Whatisinterpolation?Spatialinterpolationcalculatesanunknownvaluefromasetofsamplepointswithknownvaluesthataredistributedacrossanarea.Thedistancefromthecellwithunknownvaluetothesamplecellscontributestoitsfinalvalueestimation.Theunknownvalueofthecellisbasedonthevaluesofthesamplepointsaswellasthecell'srelativedistancefromthosesamplepoints.插值已知點(diǎn)全部通過(guò)構(gòu)造的函數(shù)求符合函數(shù)的其它點(diǎn)逼近已知點(diǎn)整體上接近構(gòu)造的函數(shù)求符合函數(shù)的其它點(diǎn)擬合插值逼近的統(tǒng)稱(chēng)

光滑一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)基本概念內(nèi)插和外推SampledpointsEstimatedpoints1.離散空間：空間具有跳躍特征（土地利用類(lèi)型），重要變化發(fā)生在邊界上，邊界內(nèi)的變化則是均勻的，同質(zhì)的，即在各個(gè)方面都是相同的。鄰近元法：以最相鄰近圖元的特征值表征未知圖元的特征值。

2.連續(xù)空間：空間具有漸變特征（地形表面），內(nèi)插技術(shù)必須采用連續(xù)的空間漸變模型實(shí)現(xiàn)這些連續(xù)變化，可用一種平滑的數(shù)學(xué)表面加以描述。這類(lèi)技術(shù)可分為整體擬合和局部擬合技術(shù)兩大類(lèi)。整體擬合技術(shù)：擬合模型是由研究區(qū)域內(nèi)所有采樣點(diǎn)上的全部特征觀測(cè)值建立的。通常采用的技術(shù)是整體趨勢(shì)面擬合。這種內(nèi)插技術(shù)一般用于模擬大范圍內(nèi)的變化，而不能提供內(nèi)插區(qū)域的局部特性局部擬合技術(shù)：則是僅僅用鄰近的數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)估計(jì)未知點(diǎn)的值，而不受局部范圍外其它點(diǎn)的影響。這類(lèi)技術(shù)包括雙線性多項(xiàng)式內(nèi)插、樣條函數(shù)、移動(dòng)擬合法等等。1.連續(xù)空間的插值構(gòu)造整體曲面函數(shù)

距離倒數(shù)權(quán)重法樣條函數(shù)法（Spline）

Kriging法

趨勢(shì)面法（Trend）

ArcView具有常用的空間插值功能，IDW和Spline法。ArcGIS具有以上的IDW、Spline、Kriging法計(jì)算方法距離倒數(shù)權(quán)重法（IDW法）InverseDistanceWeighted通用，簡(jiǎn)單以距離的倒數(shù)為權(quán)重，距離越小、影響越大。常用與地形生成。樣條函數(shù)法（Spline）用樣條函數(shù)方程Spline方程擬和。橡皮＋釘子Spline函數(shù)的表達(dá)式表面的總體曲率最小。不適合于在短距離內(nèi)有較大變化的表面。適用于地下水位、高程、大氣污染。TheSplinemethodofinterpolationestimatesunknownvaluesbybendingasurfacethroughknownvalues.Kriging法Kriging法：點(diǎn)與點(diǎn)之間在距離、方向上存在相互影響關(guān)系，可以預(yù)先知道計(jì)算量大，取樣地點(diǎn)有限制，用于土壤成份、