1、2022/8/181第四章 GIS數(shù)據(jù)處理22022/8/18前言數(shù)據(jù)處理是建立和應用GIS過程中不可缺少的一個階段。對輸入的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查與糾正： 圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)編輯及其對應關系 空間數(shù)據(jù)的誤差校正對輸入的圖形數(shù)據(jù)進行整飾處理： 壓縮與光滑、拓撲關系建立、矢柵轉(zhuǎn)換、圖形變換32022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯又叫數(shù)字化編輯，指對地圖資料數(shù)字化后的數(shù)據(jù)進行編輯加工，主要目的是在改正數(shù)據(jù)差錯的同時，相應地改正數(shù)字化資料的圖形。GIS的圖形編輯系統(tǒng)圖形編輯屬性編輯窗口顯示及操作交互過程是GIS編輯的特色42022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯一、窗口操作 窗口是溝通用戶與GIS數(shù)據(jù)之間的橋梁，窗

2、口操作是交互式圖形編輯系統(tǒng)的重要工具，一般包括全圖顯示、移動窗口顯示、放大、縮小等。 開窗顯示就是按用戶制定的空間范圍，進行圖形子集合的選取，這個制定范圍稱為“窗口”。有正開窗和負開窗之分。52022/8/18正開窗62022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯一、窗口操作兩個技術：裁剪技術和二維視見變換技術72022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯1、裁剪技術 計算機內(nèi)部存儲的圖形數(shù)據(jù)量往往比較大，而屏幕顯示的只是圖的局部部分。因此需要確定圖形中哪些部分落在顯示區(qū)之內(nèi)，哪些落在顯示區(qū)之外，以便只顯示落在顯示區(qū)內(nèi)的那部分圖形。這個選擇過程稱為裁剪。按圖形類型分為點選取、線選取和面選取82022/8/184.1

3、 數(shù)據(jù)編輯1、裁剪技術（1）點的選?。╔l, Yl）（Xr, Yr）P(Xp, Yp)IF （XlXpXr AND YlYpYr） THEN 選取ELSE 舍去92022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯1、裁剪技術（1）線的選取 首先對直線段的兩個端點按所在區(qū)域進行分區(qū)編碼，根據(jù)編碼可以迅速地判明全部在內(nèi)的線和全部在某邊界外側(cè)的線。只有不屬于這兩種情況的線，才需要求出交點，舍去交點外側(cè)部分，然后把剩下部分作為新的線段看待，又從頭開始考慮。兩遍循環(huán)之后，就能確定該線段是部分裁留下來，還是全部舍棄。102022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯1、裁剪技術 （1）線的選取步驟第一步、分區(qū)編碼0000100010

4、10100100010010010101000110假設兩個端點為P1(x1, y1)和P2(x2, y2)，求出其區(qū)域代碼分別為C1和C2。112022/8/18線的選取步驟第二步：判別，三種情況：情況一、 C1和C2都為0，則線段完全在窗口內(nèi)情況二、 C1和C2邏輯與不全為0，則它們處于窗口某一邊線的同側(cè)，即摒棄。情況三、 C1和C2不都為0， C1和C2邏輯與全為0，則線段部分可見，部分不可見，則需要進行下一步與窗口邊界求交運算。第三步：求交，依據(jù)交點，可得至多三條線段第四步：對剩下的線段，重復一到三步，至多重復三次，剩下的線或者全在窗外，或全在窗內(nèi)。122022/8/184.1 數(shù)據(jù)編

5、輯1、裁剪技術（1）面的選取 裁剪方法基本上同線狀要素類似，但在顯示時要進行校正，即把窗口邊界上的有關線段加入顯示部分的多邊形的邊形成一個封閉的值。132022/8/18線段的正開窗處理剪切前剪切后142022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯二維視見變換：三種坐標系：（1）世界坐標系 用戶坐標系 原始（2）規(guī)格化數(shù)據(jù)庫坐標 數(shù)據(jù)庫中的統(tǒng)一坐標系（3）設備坐標系 物理設備顯示時的坐標系（屏幕的像素）152022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯坐標系之間的轉(zhuǎn)換世界坐標系WC（用戶坐標）規(guī)格化坐標系NDC（數(shù)據(jù)庫坐標）圖形設備坐標系DC（設備相對坐標）圖形輸出圖形獲取圖形數(shù)據(jù)交互編輯162022/8/184.1

6、 數(shù)據(jù)編輯二維視見變換視見變換將兩種不同坐標系中的圖形聯(lián)系起來，將窗口（邏輯）轉(zhuǎn)為視口（設備）。轉(zhuǎn)換過程是：窗口平移172022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯二、圖形數(shù)據(jù)編輯圖形數(shù)據(jù)編輯是十分重要而且經(jīng)常的步驟：將數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存顯示與檢查定位與修改Undo保存結(jié)果地圖數(shù)據(jù)可能被處理的程度是衡量一個數(shù)據(jù)結(jié)構價值的重要標志182022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯圖形編輯是一交互處理過程， GIS具備的圖形編輯功能的要求是：1）具有友好的人機界面，即操作靈活、易于理解、響應迅速等；2）具有對幾何數(shù)據(jù)和屬性編碼的修改功能，如點、線、面的增加、刪除、修改等；3）具有分層顯示和窗口操作功能，便于用戶的使用。192

7、022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯三、屬性數(shù)據(jù)編輯刪除、修改、拷貝，增加屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)相連202022/8/184.1 數(shù)據(jù)編輯四、矢量數(shù)據(jù)的圖形編輯的關鍵點、線、面的捕捉，即如何根據(jù)光標的位置找到需要編輯的要素以及圖形編輯的數(shù)據(jù)組織1、點的捕捉A(X,Y)DS(x,y)212022/8/182，線的捕捉設光標點的坐標為,D為捕捉半徑，線的坐標為。計算S到該線的每個直線段的距離為，若，則認為光標S捕捉到了該線，否則為未捕捉到。在實際計算過程中，有一些加快計算速度的方法，如首先判斷外接矩形。222022/8/183，面的捕捉實際上就是判斷光標點是否在多邊形內(nèi)，主要有垂線法，即從光標點引垂線（實

8、際上可以是任意方向的射線），計算與多邊形的交點個數(shù)。若交點個數(shù)為奇數(shù)則說明該點在多邊形內(nèi)，若交點個數(shù)為偶數(shù)，則該點在多邊形外。也可通過判斷點是否在多邊形外接矩形內(nèi)節(jié)省計算時間，此外還有其他一些方法以加快計算速度。（P101）使用該方法要特別注意交點為多邊形節(jié)點的問題232022/8/184、圖形編輯的數(shù)據(jù)組織由于空間數(shù)據(jù)是海量的，因此如果每次捕捉都對所有空間數(shù)據(jù)進行是不現(xiàn)實的，所以要建立空間索引，索引通常是分圖層建立，主要方法有四叉樹和格網(wǎng)索引。242022/8/18格網(wǎng)索引記錄每個格網(wǎng)內(nèi)包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容當編輯圖形時，對格網(wǎng)記錄進行更新252022/8/1825 誤差探測與編輯空間數(shù)據(jù)一般錯誤

9、多邊形不閉合 裂縫 交叉 屬性錯誤等等262022/8/1826 誤差修正一般過程設定容許值 連接接點 重建拓撲關系 容許范圍272022/8/184.2 坐標變換坐標變換的實質(zhì)是建立兩個平面點之間的一一對應關系，包括幾何糾正和投影變換。幾何糾正：是指對數(shù)字化原圖數(shù)據(jù)進行的坐標系轉(zhuǎn)換和圖紙變形誤差的改正，以實現(xiàn)與理論值的一一對應關系；幾何糾正的方法包括仿射變換、相似變換、二次變換和高次變換等。282022/8/18平移變換0yxP（x，y）P(x，y)xyx=x+xy=y+y292022/8/18旋轉(zhuǎn)變換yP（x，y）0 xP(x，y)x=xcos-y sin y=xsin+y cosx=x0

10、+(x- x0)cos-(y- y0) siny=y0+(x- x0) sin+(y- y0) cos302022/8/18比例變換（圖形縮放） 點可以通過對其P（x，y）坐標分別乘以各自的比例因子Sx和Sy來改變它們到坐標原點的距離。 x=xSxy=ySyx=x0+(x- x0) Sx y=y0+(y- y0) Sy312022/8/18仿射變換上式中x，y為數(shù)字化的坐標，X，Y為轉(zhuǎn)換后的坐標，A0，A1，A2，B0，B1，B2為六個未知系數(shù)。設有n個控制點(n2)，可用最小二乘法原理來計算這六個未知數(shù)：上式中xi，yi為第i個控制點的數(shù)字化坐標，ui，vi認為對應的實測坐標，由最小和最小，

11、可以解出A0，A1，A2，B0，B1，B2，實現(xiàn)圖幅的變形校正。322022/8/18地圖投影變換 當系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)來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)地圖投影變換正解變換反解變換數(shù)值變換通過建立兩個投影的解析關系式，直接把一種投影坐標 ( x , y ) 變換成另一種投影的坐標 ( X , Y )332022/8/18地圖投影變換 當系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)來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)地圖投影變換正解變換反解變換數(shù)值變換由一種投影的坐標 (x,y)反解出地理坐標（,) ，然后再將地理坐標代入另一種投影公式中，求

12、出該投影下的直角坐標（X,Y)342022/8/18地圖投影變換 當系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)來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)地圖投影變換正解變換反解變換數(shù)值變換根據(jù)兩種投影在變換區(qū)內(nèi)若干同名的坐標點，采用插值法、有限差分法、待定系數(shù)法等，實現(xiàn)不同投影之間的轉(zhuǎn)換352022/8/18地圖投影轉(zhuǎn)換等面積偽圓錐投影362022/8/18斜軸等面積方位投影372022/8/184.3 空間數(shù)據(jù)的壓縮與光滑將大量的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的、有條理的、精煉而簡單的信息，這個轉(zhuǎn)換過程稱為數(shù)據(jù)簡化或數(shù)據(jù)壓縮。相反，將壓縮的數(shù)據(jù)恢復其本來面目，必須對它們進行光滑處理，稱為曲線光滑

13、。382022/8/184.3 空間數(shù)據(jù)的壓縮與光滑一、數(shù)據(jù)壓縮1、間隔取點法每隔K個點或每隔一定距離取一點，保留首末點，方法簡單，但不一定能恰當?shù)乇Ａ舴较蛏锨曙@著變化的點。2、垂距法按垂距的限差選取符合或超過限差的點。每次順序取曲線上的三個點，計算中間點與其它兩點連線的垂線距離d，并與限差D比較。若dD，則中間點去掉；若dD，則中間點保留。然后順序取下三個點繼續(xù)處理，直到這條線結(jié)束。392022/8/184.3 空間數(shù)據(jù)的壓縮與光滑一、數(shù)據(jù)壓縮3、合并法舍去夾角較大的節(jié)點，保留夾角較小的節(jié)點Pj-2PjPj+2aj402022/8/184.3 空間數(shù)據(jù)的壓縮與光滑一、數(shù)據(jù)壓縮4、Dougl

14、asPeucker412022/8/184.3 空間數(shù)據(jù)的壓縮與光滑二、數(shù)據(jù)光滑 是假象曲線為一組離散點，尋找形式較簡單、性能良好的曲線解析式。插值方式：曲線通過給定的離散點。拉格朗日插值，三次樣條曲線逼近方式：曲線盡量逼近給定離散點。如貝塞爾和B樣條曲線。422022/8/184.4 空間數(shù)據(jù)的結(jié)構轉(zhuǎn)換矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)也稱柵格化。矢量空間數(shù)據(jù)一般是以點、線、面存放的。點狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)時是取離點最近的一個柵格單元來存放，線狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)時就變成連續(xù)的鋸齒狀的柵格點，必要時可以加寬，面狀數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換主要是在每個多邊形內(nèi)部用等值的柵格填滿。柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)也稱矢量化。普通地圖經(jīng)掃

15、描儀輸入后可以通過軟件自動或半自動的轉(zhuǎn)成矢量數(shù)據(jù)。把柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量點的方法比較簡單。柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成線大致有三個步驟： (1)分類；(2)線的細化； (3) 線的提取。432022/8/18一、矢量柵格轉(zhuǎn)換1、點的柵格化點的轉(zhuǎn)換實質(zhì)上是將點的矢量坐標轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)中行列值i和j，從而得到點所在柵格元素的位置。其中： Integer 表示對運算值取整。x，y 為所求點在矢量坐標下坐標值。x，y 分別為每個柵格單元對應邊長。ymax，xmin 表示矢量數(shù)據(jù)的y最大值及x最小值。i，j 為所求點所在柵格坐標中行與列值442022/8/182、線的轉(zhuǎn)換由于曲線可用折線來表示的，也就是當折線上取點足夠多時

16、，所畫的折線在視覺上成為曲線。因此，線的變換實質(zhì)上是完成相鄰兩點之間直線的轉(zhuǎn)換。若已知一直線AB其兩端點坐標分別為A(x1，y1)和B(x2，y2)，則其轉(zhuǎn)換過程不僅包括坐標點A，B分別從點矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，還包括求出直線AB所經(jīng)過的中間柵格數(shù)據(jù)。其過程如下：452022/8/182、線的轉(zhuǎn)換1利用上述點轉(zhuǎn)換法，將點A(x1，y1)，B(x2，y2)分別轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，求出相應的柵格的行列值。2由上述行列值求出直線所在行列值的范圍，若行差大于列差，則。3確定直線經(jīng)過的中間柵格點。若從直線兩端點轉(zhuǎn)換中，求出該直線經(jīng)過的起始行號為i1，終止行號im，其中間點行號必定為i2，i3im-1?，F(xiàn)在的問題是求出相應行號相交于直線的列號，其步驟如下：462022/8/182、線的轉(zhuǎn)換1)求出相應i行中心處同直線相交的y值 2)用直線方程求出對應y