地理信息系統(tǒng)-第三章.ppt

1、地理信息系統(tǒng)概論,授課教師：賀曉慧 聯(lián)系方式： ,主講內(nèi)容,7,地圖制圖與輸出,5,空間分析的原理與方法,第三章 空間數(shù)據(jù)獲取與處理,3.1 空間數(shù)據(jù)的變換 3.2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換 3.3 多元空間數(shù)據(jù)的融合 3.4 空間數(shù)據(jù)的壓縮與重分類 3.5 空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法 3.6 空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法,3.1 空間數(shù)據(jù)的變換,空間數(shù)據(jù)的變換即空間數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的變換。其實質(zhì)是建立兩個坐標(biāo)系坐標(biāo)點之間的一一對應(yīng)關(guān)系，包括幾何糾正和投影轉(zhuǎn)換。 對于通過數(shù)字化地圖獲得的空間數(shù)據(jù)，由于數(shù)字化儀的設(shè)備坐標(biāo)系與用戶確定的地理空間坐標(biāo)系不一致，以及由于數(shù)字化原圖圖紙常常發(fā)生變形等原因，需要對數(shù)字化原圖的數(shù)據(jù)進行坐

2、標(biāo)轉(zhuǎn)換和變形誤差的消除。有時，不同來源的地圖還存在地圖投影與地圖比例尺的差異，因此，還需要進行地圖投影的轉(zhuǎn)換和地圖比例尺的統(tǒng)一。 幾何糾正是為了實現(xiàn)對數(shù)字化數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換盒圖紙變形誤差的糾正。 地圖投影的主要任務(wù)除了研究曲面如何轉(zhuǎn)化到平面的問題，還需進一步分析如何解決地圖投影鐘始終存在的變形問題。,當(dāng)紙質(zhì)地圖經(jīng)過計算機圖形圖像系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換，量化為點陣數(shù)字圖形，經(jīng)圖像處理和曲線矢量化，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(biāo)注、漫游、計算、管理和打印的矢量地圖數(shù)據(jù)文件，這種與紙質(zhì)地圖相對應(yīng)的計算機數(shù)據(jù)文件，稱為矢量化電子地圖。,矢量電子地圖：,3.1 空間數(shù)據(jù)的變換,

3、地理基礎(chǔ)主要包括統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)，統(tǒng)一的地理網(wǎng)格坐標(biāo)系以及統(tǒng)一的地理編碼系統(tǒng)，它為各種地理信息的輸入和輸出以及匹配處理提供了一個統(tǒng)一的定位框架，從而使各種地理信息和數(shù)據(jù)能夠具有共同的地理基礎(chǔ)。 每一個GIS具有各自不同的特征，但有共同的地理基礎(chǔ)。,GIS的地理基礎(chǔ)：,3.1 空間數(shù)據(jù)的變換,1.高斯克呂格投影：等角橫切橢圓柱投影，廣泛 用于編制大比例尺地形圖。 2.墨卡托投影：等角圓柱投影，它在海圖和小比例尺區(qū)域地圖上有廣泛的應(yīng)用。 3.通用橫軸墨卡托投影：等角橫割橢圓柱投影，廣泛應(yīng)用于編制大比例尺地形圖。 選擇地圖投影時，主要考慮的因素有：制圖區(qū)域的范圍、形狀和地理位置，地圖的用途、出版方

4、式及其他特殊要求等，其中區(qū)域的范圍、形態(tài)和地理位置是主要的因素。,幾種常見的投影：,3.1 空間數(shù)據(jù)的變換,通過對國內(nèi)外各種GIS的分析可以發(fā)現(xiàn)，各種GIS中投影系統(tǒng)的配置與設(shè)計一般具有以下的特點： 1.各個國家的GIS所采用的投影系統(tǒng)與該國的基本比例尺地圖系列所用的投影系統(tǒng)一致； 2.GIS中各種比例尺的投影系統(tǒng)與其相應(yīng)比例尺的主要信息源地圖所用的投影一致； 3.各地區(qū)的GIS中的投影系統(tǒng)與其所在區(qū)域適用的投影系統(tǒng)一致； 4.各種GIS一般只采用一種或兩種投影系統(tǒng)，以保證地理定位框架的一致。,GIS中地圖投影的配置與設(shè)計：,3.1 空間數(shù)據(jù)的變換,1.所配置的投影系統(tǒng)應(yīng)與相應(yīng)比例尺的國家基本

5、圖（基本比例尺地形圖、基本省區(qū)圖或國家大地圖集）投影系統(tǒng)一致； 2.系統(tǒng)一般最多只采用兩種投影系統(tǒng)，一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出，另一種服務(wù)于中小比例尺的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)輸入； 3.所用投影以等角投影為宜； 4.所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相一致，即所用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投影帶中應(yīng)保持完整。,GIS中地圖投影配置的一般原則：,3.1 空間數(shù)據(jù)的變換,3.2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是GIS常用的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但兩者各具有不同的優(yōu)缺點，一般對它們的應(yīng)用原則是： 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； 空間分析則主要采用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于加

6、快系統(tǒng)數(shù)據(jù)的運行速度和分析應(yīng)用的進程。 因此，在數(shù)據(jù)處理階段，經(jīng)常要進行兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換。 矢量 柵格 柵格 矢量,A、矢量和柵格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換的必要性,必要性： 矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)各有優(yōu)缺點，在功能完善的GIS軟件中，兩種格式的數(shù)據(jù)往往并存，但為了數(shù)據(jù)處理和分析的方便，需要在這兩種格式的數(shù)據(jù)之間進行相互轉(zhuǎn)換。 柵格向矢量轉(zhuǎn)換： 將從掃描儀得到的基于圖像的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量格式，以減少從數(shù)字化儀數(shù)字化地圖的艱巨勞動。 為了壓縮數(shù)據(jù)，將大量的面狀柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為少量數(shù)據(jù)表示的多邊形邊界； 將柵格分析的結(jié)果，通過繪圖儀輸出； 矢量向柵格轉(zhuǎn)換： 當(dāng)數(shù)據(jù)采集采用矢量數(shù)據(jù),為了進行矢量數(shù)據(jù)所不具備的

7、地理分析(如空間分析和模擬等) ，便于研究地理現(xiàn)象的漸變規(guī)律性，需要將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)；,3.2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,1.由矢量向柵格的轉(zhuǎn)換 矢量向柵格轉(zhuǎn)換處理的根本任務(wù)就是把點、線、面的矢量數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的柵格數(shù)據(jù)。 柵格化可以分別針對點、線和面來進行，其中，點的柵格化是線和面的柵格化的基礎(chǔ)。 要將矢量數(shù)據(jù)的平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)以行和列表示的柵格坐標(biāo)，首先 要建立矢量數(shù)據(jù)的平面 直角坐標(biāo)系和柵格行列 坐標(biāo)系之間的對應(yīng)關(guān)系。,點的柵格化,設(shè)矢量坐標(biāo)點（x，y），轉(zhuǎn)化后的柵格單元行列值為（I，J），則有： 其中，方括號表示取整數(shù)運算。,線的柵格化,由于GIS中的線實體是由順次連接

8、一組坐標(biāo)點形成的折線段來表達的，所以，線的柵格化可以分解成對組成折線的每一個線段的柵格化。 對于一條線段的柵格化，先使用點柵格化的方法，柵格化線段的兩個端點，然后再柵格化線段中間的部分。而對于線段中間的部分的柵格化，需要分兩種情況來處理：,面的柵格化,根據(jù)多邊形矢量數(shù)據(jù)的不同結(jié)構(gòu)，柵格化的兩種不同的方法，即：基于弧段數(shù)據(jù)的柵格化方法和基于多邊形數(shù)據(jù)的柵格化，分別采用不同的算法實現(xiàn)。 基于弧段數(shù)據(jù)的柵格化方法：是針對拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的矢量數(shù)據(jù)進行柵格化的方法。其方法與線段柵格化的方法類似。,面的柵格化,基于多邊形數(shù)據(jù)的柵格化方法：是基針對實體結(jié)構(gòu)的多邊形矢量數(shù)據(jù)柵格化的。 原理：以非拓撲的實體多邊形

9、作為柵格化的處理單元，將一個多邊形的內(nèi)部柵格單元賦予多邊形的屬性值。 基于多邊形數(shù)據(jù)的柵格化方法包括：內(nèi)點填充法、邊界代數(shù)法和包含檢驗法（檢驗夾角之和、鉛垂線法）。,3.2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,2.由柵格向矢量的轉(zhuǎn)換 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)向矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化又稱為矢量化。 矢量化的目的：一是將掃描儀獲取的圖像柵格數(shù)據(jù)存入矢量形式的空間數(shù)據(jù)庫；二是將柵格數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)壓縮，將面狀柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為由矢量數(shù)據(jù)表示的多邊形邊界。 （1）基于圖形數(shù)據(jù)的矢量化 圖像數(shù)據(jù)是不同灰階的影像，通過掃描儀按一定的分辨率進行掃描采樣，得到不同灰度值（0-255）表示的數(shù)據(jù)。 掃描儀的分辨率一般可達到0.0125mm，因此對一般

10、粗細（例如0.1mm）的線條，其橫斷面掃描后也會有大約8個像元，而矢量的要求只允許橫斷面保持一個柵格的寬度，因此需要進行二值化、細化（剝皮法、骨架法）和跟蹤等矢量化步驟。,3.2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,2.由柵格向矢量的轉(zhuǎn)換 （2）柵格數(shù)據(jù)的矢量化方法 柵格數(shù)據(jù)的矢量化常常針對柵格數(shù)據(jù)中的多邊形進行，其步驟為： 首先在柵格數(shù)據(jù)中搜索多邊形邊界弧段相交處的結(jié)點位置，這些結(jié)點通常是相鄰柵格單元不相同的屬性值個數(shù)大于等于3的柵格處。 接著從搜索出的節(jié)點里任選一個作為起始跟蹤節(jié)點，順著柵格單元屬性值不同的兩個柵格單元之間進行多邊形邊界弧段的跟蹤，記錄每一步跟蹤的坐標(biāo)，直到另一個節(jié)點為止，則完成一條邊界弧

11、段的跟蹤矢量化。重復(fù)上述過程，做到所有的邊界弧段都被生成。 最后，將跟蹤得到的弧段數(shù)據(jù)連接組織成多邊形，則完成了多邊形柵格數(shù)據(jù)的矢量化。,3.3 多元空間數(shù)據(jù)的融合,GIS技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù)資源。但是，由于地理數(shù)據(jù)的多語意性、多時空性、多尺度性、獲取手段的多樣性、存儲格式的不同以及數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的差異等，導(dǎo)致多元數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，給數(shù)據(jù)的集成和信息共享帶來了困難。 為了實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享，特別是隨著因特網(wǎng)的發(fā)展、數(shù)字地球的興起和GIS應(yīng)用的日益深入，多源數(shù)據(jù)的融合已成為GIS設(shè)計者和用戶的共同要求。,3.3 多元空間數(shù)據(jù)的融合,1.遙感與GIS數(shù)據(jù)的融合 借助遙感

12、技術(shù)獲得的信息具有周期動態(tài)性、信息豐富、獲取效率高等優(yōu)勢，而GIS則具有高效的空間數(shù)據(jù)管理和靈活的空間數(shù)據(jù)綜合分析能力。 兩者數(shù)據(jù)融合，有利于增強多重數(shù)據(jù)的復(fù)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）遙感影像與數(shù)字線畫圖（DLG）的融合：經(jīng)過正射糾正后的遙感影像，與數(shù)字線畫圖信息融合，可產(chǎn)生影像地圖。這種影像地圖具有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，有豐富的光譜信息與幾何信息，又有行政界線和屬性信息，直接提高了用戶的可視化效果。,3.3 多元空間數(shù)據(jù)的融合,1.遙感與GIS

13、數(shù)據(jù)的融合 （2）遙感影像與數(shù)字地形模型的融合：數(shù)字地形模型與遙感數(shù)據(jù)的融合，有助于實施遙感影像的幾何校正與配準(zhǔn)，消除遙感影像中因地形起伏所造成的像元位移，提高遙感影像的定位精度，同時數(shù)字地形可參與遙感影像的分類，改善分類精度。 遙感影像與數(shù)字柵格圖的融合：將數(shù)字柵格地圖與遙感圖像配準(zhǔn)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)空間數(shù)據(jù)庫的自動/半自動更新。,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ArcInfo Coverage 、Shape

14、file、E00格式；Autodesk公司的DXF和DWG格式；MapInfo 公司的TAB和MIF格式；Intergraph 公司的DGN格式等。 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：基于轉(zhuǎn)化器的數(shù)據(jù)融合、基于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)融合、基于公共接口的數(shù)據(jù)融合、基于直接訪問的數(shù)據(jù)融合。,3.3 多元空間數(shù)據(jù)的融合,1.空間數(shù)據(jù)的壓縮 數(shù)據(jù)壓縮的意義：由于空間數(shù)據(jù)具有巨大的數(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。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。 空間數(shù)據(jù)壓縮，即從空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)集合中抽取一個子集，使整個子集在規(guī)定的精

15、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。 壓縮比表示信息載體減少的程度。 以一條實線為例，設(shè)其空間坐標(biāo)的原序列A：A1，A2，,An，通過壓縮處理后，獲得子序列A:A1，A2，,Am，則壓縮比a=m/n，a小于等于1，a的大小，既與線的復(fù)雜程度、縮小倍數(shù)、精度要求、數(shù)字化取點的密度等因素有關(guān)，又與數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)本身有關(guān)。,3.4 空間數(shù)據(jù)的壓縮與重分類,1.空間數(shù)據(jù)的壓縮 基于矢量的壓縮 基于矢量的壓縮通常是對線狀實體上點的數(shù)量的壓縮，其中最常用的是道格拉斯-佩克算法，該算法是基于線狀實體的點壓縮算法，是對數(shù)據(jù)的簡化處理。 原理：先擬定一個閥值，然后生成一條連接折線首尾節(jié)點的直線段，

16、并計算原始折線上的點到直線段的垂直距離。假如所有折線上的點到直線段的距離都小于預(yù)先設(shè)定的閥值，這條直線段就被用來代替原來的那條折線；假如有些點的距離大于閥值，距離最遠的那一點保留，并將原折線分成兩段。對兩段折線重復(fù)上述過程，最后保留下來的點就是經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮的折線。 道格拉斯-佩克算法可以采用遞歸的方法實現(xiàn)，但通常運算效率較低，所以一般會用非遞歸的算法實現(xiàn)。,3.4 空間數(shù)據(jù)的壓縮與重分類,1.空間數(shù)據(jù)的壓縮 基于柵格的壓縮 柵格數(shù)據(jù)是GIS另一種常用的數(shù)據(jù)類型，掃描數(shù)字化數(shù)據(jù)、矢量柵格轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)以及數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)等都是柵格數(shù)據(jù)的形式。 柵格數(shù)據(jù)的壓縮可以采用游程編碼和四叉樹編

17、碼等方法。,3.4 空間數(shù)據(jù)的壓縮與重分類,2.空間數(shù)據(jù)的重分類 存儲在空間數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，是提供為多種目標(biāo)服務(wù)的。當(dāng)需要進行特定的數(shù)據(jù)分析時，常常需要先對從數(shù)據(jù)庫中提取的數(shù)據(jù)作屬性的重新分類和空間圖形的化簡，以構(gòu)成數(shù)據(jù)新的使用形式。 經(jīng)過重新分類，相鄰的多邊形可能具有相同的某一屬性，因此，在空間幾何圖形上，這些多邊形的共同邊界需要刪除，這些多邊形之間界限的刪除，可以先將相鄰多邊形分解為邊界弧段，刪去其中相同的弧段，然后重新組合弧段形成新的多邊形。,3.4 空間數(shù)據(jù)的壓縮與重分類,設(shè)已知一組空間數(shù)據(jù)，它們可以是離散點的形式，也可以是多邊形分區(qū)數(shù)據(jù)的形式，現(xiàn)在要從這些數(shù)據(jù)中找到一個函數(shù)關(guān)系式，使

18、關(guān)系式最好地逼近這些已知的空間數(shù)據(jù)，并能根據(jù)該函數(shù)關(guān)系式推求出區(qū)域范圍內(nèi)其他任意點或任意多邊形分區(qū)范圍的值。這種通過已知點或多邊形分區(qū)的數(shù)據(jù)，推求任意點或多邊形分區(qū)數(shù)據(jù)的方法就稱為空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插。 根據(jù)已知點和已知多邊形分區(qū)數(shù)據(jù)的不同，將空間數(shù)據(jù)內(nèi)插分為點的內(nèi)插和多邊形分區(qū)的內(nèi)插。它們是GIS數(shù)據(jù)處理常用的方法之一，廣泛應(yīng)用于生成等值線、建立數(shù)字高程模型、不同區(qū)域范圍現(xiàn)象的相關(guān)分析和比較研究。 點的內(nèi)插是用來建立具有連續(xù)變化特征現(xiàn)象（例如地面高程等）的數(shù)值方法。內(nèi)插的理論基礎(chǔ)在于對空間相關(guān)性的認(rèn)知。 區(qū)域的內(nèi)插是根據(jù)一組多邊形分區(qū)的已知數(shù)據(jù)來推求同一地區(qū)另一組多邊形分區(qū)未知數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法。,3

19、.5 空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法,拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最重要的特征是具有拓撲編輯功能。 拓撲編輯功能包括多邊形連接編輯和節(jié)點連接編輯。 多邊形連接編輯指順序連接組成封閉多邊形一組線段的編輯。 節(jié)點連接編輯指順序連接環(huán)繞某個節(jié)點所有多邊形的編輯。,3.6 空間拓撲關(guān)系的編輯,3.6 空間拓撲關(guān)系的編輯,1.多邊形連接編輯 若對多邊形P1進行編輯，其算法過程為： （1）從表2-8中，找出與當(dāng)前編輯的多邊形P1相關(guān)的所有記錄，如下表：,3.6 空間拓撲關(guān)系的編輯,1.多邊形連接編輯 若對多邊形P1進行編輯，其算法過程為： （2）在找出的記錄中，檢查當(dāng)前編輯的多邊形P1所處的位置；如果P1處在左多邊形位置，將之與處于右多邊形位置的多邊形號相交換，同時也將該記錄的節(jié)點號位置作相應(yīng)的交換；反之，如果當(dāng)前編輯的多邊形P1處于右多邊形位置，則該記錄的所有數(shù)據(jù)項順序不作改變。,3.6 空間拓撲關(guān)系的編輯,1.多邊形連接編輯 若對多邊形P1進行編輯，其算法過程為