第三章數(shù)據(jù)來源與處理

2/6/202311.數(shù)據(jù)源種類2.空間數(shù)據(jù)采集的任務(wù)2.1數(shù)據(jù)采集任務(wù)2.2數(shù)據(jù)采集方法2.3矢量數(shù)據(jù)采集2.3.1地圖跟蹤數(shù)字化2.3.2地圖掃描矢量化2.4屬性數(shù)據(jù)采集3.空間數(shù)據(jù)處理主要內(nèi)容2/6/20232數(shù)據(jù)源指建立GIS的地理數(shù)據(jù)庫以及進行應(yīng)用分析所需的各種數(shù)據(jù)的來源。

空間信息的獲取是一個空間信息系統(tǒng)建設(shè)的首要任務(wù)。一個空間信息系統(tǒng)建設(shè)，70％以上的工作（費用）將花費在空間信息（特別是矢量數(shù)據(jù)）的獲取上面。第一節(jié)數(shù)據(jù)源種類2/6/20233GIS工程是以空間數(shù)據(jù)處理為線索的軟件工程硬件∶軟件∶數(shù)據(jù)=1∶2∶7汽油數(shù)據(jù)2/6/20234

對于一個GIS應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)來說，空間數(shù)據(jù)（圖形數(shù)據(jù)）的來源主要有四種渠道：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：各種交換格式數(shù)據(jù)（DXF/E00/MIF等

遙感/GPS數(shù)據(jù)：圖象、GPS坐標點文件等

數(shù)字測量：形成紙質(zhì)地圖或坐標點文件已有紙質(zhì)地圖：地圖數(shù)字化統(tǒng)計數(shù)據(jù)：GIS重要的屬性數(shù)據(jù)源文本資料：行業(yè)部門的有關(guān)法律文檔、行業(yè)規(guī)范等。2/6/20235數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是目前空間數(shù)據(jù)共享的一個重要途徑，因此，一般的空間信息系統(tǒng)平臺都提供了各種交換格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入/轉(zhuǎn)出功能。

紙質(zhì)地圖是GIS主要的數(shù)據(jù)源。主要通過對地圖的跟蹤數(shù)字化和掃描數(shù)字化獲取。在使用地圖時，應(yīng)考慮到地圖投影所引起的變形，必要時需要進行坐標轉(zhuǎn)換或投影變換。遙感影像含有豐富的資源環(huán)境信息，是大面積、動態(tài)的、實時的數(shù)據(jù)源，是GIS數(shù)據(jù)更新的重要方式。將坐標點文件轉(zhuǎn)為地圖數(shù)據(jù)也是空間信息系統(tǒng)平臺必須提供的基本功能。2/6/20236一、采集任務(wù)：將地理實體的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)輸入到地理數(shù)據(jù)庫中，就是GIS的數(shù)據(jù)采集。即將現(xiàn)有的地圖、外業(yè)觀測成果、航空像片、遙感圖像、文本資料等轉(zhuǎn)換成GIS可以處理和接收的數(shù)字形式，通常經(jīng)過驗證、修改、編輯等處理。采集方式與數(shù)據(jù)源有關(guān)第二節(jié)空間數(shù)據(jù)采集的任務(wù)2/6/20237矢量化處理流程2/6/20238二、主要采集方法已存在于其它系統(tǒng)的幾何數(shù)據(jù)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換裝載測量儀器獲得的幾何數(shù)據(jù)，傳輸進入數(shù)據(jù)庫遙感影像提取專題信息，需要進行幾何糾正、光譜糾正、影像增強、圖像變換、結(jié)構(gòu)信息提取等，屬于遙感圖像處理內(nèi)容柵格數(shù)據(jù)的獲取，通過掃描儀輸入，大多可直接進入GIS矢量數(shù)據(jù)采集2/6/20239不同數(shù)據(jù)源與其對應(yīng)的數(shù)字化設(shè)備地圖地面測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計資料航空、遙感文字數(shù)據(jù)多媒體坐標幾何數(shù)字化儀掃描儀攝影測量系統(tǒng)鍵盤空間數(shù)據(jù)庫編輯、加工、

處理數(shù)據(jù)交換2/6/202310三、矢量數(shù)據(jù)的采集矢量（圖形）輸入要解決的問題：即幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。拓撲數(shù)據(jù)一般在已有的幾何數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成。一般需要進行三方面的工作，即幾何數(shù)據(jù)的采集、屬性數(shù)據(jù)的采集、幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接。2/6/202311兩種方式地圖跟蹤數(shù)字化（數(shù)字化儀輸入、屏幕矢量化）——傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法。地圖掃描矢量化（自動或半自動矢量化）：較為先進的地圖數(shù)字化方式2/6/202312

數(shù)字化儀原理

目前較為常用的數(shù)字化儀是電磁感應(yīng)式數(shù)字化儀，它是利用電磁感應(yīng)原理檢測出圖形坐標數(shù)據(jù)的。由游標線圈（定位器）、工作桌面（包括鋪設(shè)其下的柵格陣列導(dǎo)線）以及電子部件、微處理器和輸出裝置組成。其中游標線圈是電磁發(fā)射源，工作桌面接收信號，電子部件、微處理器把游標線圈在工作桌面上的位移量轉(zhuǎn)換成x，y坐標，最后經(jīng)輸出裝置輸入計算機

1、地圖跟蹤數(shù)字化2/6/202313

基本過程

將需要數(shù)字化的圖件（地圖、航片等）固定在數(shù)字化板上，設(shè)定數(shù)字化范圍，輸入有關(guān)參數(shù)，選擇數(shù)字化方式，按地圖要素的類別實施數(shù)字化在進行地圖手扶跟蹤數(shù)字化時，需要在數(shù)字化儀面板坐標和地圖真實坐標之間建立映射關(guān)系，通常的做法是先錄入三個不在同一條直線上的控制點。

2/6/202314控制點（tic）概念地圖上具有控制地圖圖幅精確度的一些點，也稱地理控制點（同名點），通常這些點都具有準確的實地坐標或可以精確定位的，如圖幅圖廓點、公路網(wǎng)格點、測量點、道路交叉口等2/6/202315通向計算機接口叉絲游標按扭電磁感應(yīng)板圖形數(shù)字化桌2/6/2023161、掃描儀數(shù)字化思想通過掃描將地圖轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，然后采用柵格數(shù)據(jù)矢量化的技術(shù)追蹤出線和面，采用模式識別技術(shù)識別出點和注記，并根據(jù)地圖內(nèi)容和地圖符號的關(guān)系自動給矢量數(shù)據(jù)賦以屬性值。2、主要方法自動矢量化交互式矢量化：采用人機交互方式2、地圖掃描數(shù)字化2/6/2023171、灰度二值化

灰度二值化是將一幅有各種灰度（亮度）分布的黑白圖像變?yōu)榉呛诩窗祝ǚ恰?”即“0”）的二值圖像，是將圖像變?yōu)閳D形的一種過渡。二值化閾值確定方法：經(jīng)驗法、直方圖、人機交互法和數(shù)理統(tǒng)計法。2/6/202318空間數(shù)據(jù)輸入：掃描儀輸入

掃描儀：滾筒式、平板式。大幅面A0一般是滾筒式，小幅面一般是平板式A4。掃描得到的是柵格圖像。掃描后，必須進行后續(xù)處理。這一工作稱為“矢量化”2/6/202319Contex大幅面工程圖紙掃描儀掃描方式：二值灰度真彩色掃描精度：DPI（dotsperinch）2/6/202320地圖掃描數(shù)字化（自動矢量化）2、線條細化剝離法：其實質(zhì)是從數(shù)字圖像上，由上而下，自左到右一次選3×3個像元，進行分析，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像元的細線。（如圖只有2、3、4、5、10、11、12、16、22、23、28、33、34、35、38、42、43、46、50可以將中心點剝?nèi)ィ?/6/2023212/6/2023223、跟蹤，生成矢量格式坐標鏈自動搜索方法●搜索結(jié)點——3×3網(wǎng)格法●結(jié)點間8個方向跟蹤組成網(wǎng)格鏈，逐個網(wǎng)格取其中心點坐標，轉(zhuǎn)換成矢量坐標鏈弧段

點端點中間點結(jié)點

地圖掃描數(shù)字化（自動矢量化）2/6/202323R2V掃描數(shù)字化軟件界面2/6/202324四、屬性數(shù)據(jù)的采集1、屬性數(shù)據(jù)（統(tǒng)計數(shù)據(jù)或?qū)ｎ}數(shù)據(jù)）的采集數(shù)據(jù)量較小，可以在輸入幾何數(shù)據(jù)的同時，用鍵盤輸入；數(shù)據(jù)量大，與幾何數(shù)據(jù)分別輸入，根據(jù)預(yù)先建立屬性表輸入屬性；從其它統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入屬性，通過關(guān)鍵字段聯(lián)接圖形。2、幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系：公共標識碼（用戶ID），即幾何數(shù)據(jù)（圖形數(shù)據(jù)）與屬性數(shù)據(jù)之間的公共標識符2/6/2023251、遙感數(shù)據(jù)

2、手工方式：可在專題地圖上均勻地劃分網(wǎng)格，每一單位格子覆蓋部分的屬性數(shù)據(jù)成為各點的值，形成柵格地圖文件；五、柵格數(shù)據(jù)常用的獲取方法

3、矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：數(shù)字化儀跟蹤，得到矢量數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)；4、圖片掃描數(shù)據(jù)：掃描數(shù)字化方法，逐步掃描專題地圖，將掃描數(shù)據(jù)重新采樣和再編碼得到柵格數(shù)據(jù)文件。2/6/202326第三節(jié)空間數(shù)據(jù)處理

采集之后的數(shù)據(jù)處理工作包括：幾何糾正、圖形和文本數(shù)據(jù)的編輯、圖幅的拼接、拓撲關(guān)系的生成等，即完成GIS的空間數(shù)據(jù)在裝入GIS的地理數(shù)據(jù)庫前的各種工作。3.1矢量數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系的自動建立3.2圖形編輯3.3空間數(shù)據(jù)的坐標變換3.4圖幅拼接3.5數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，包括矢量柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，不同軟件數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，不同介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2/6/202327一、矢量數(shù)據(jù)拓撲關(guān)系的自動建立1鏈（弧段）的組織2結(jié)點編輯3建立多邊形4確定左右多邊形5圖形編輯找出坐標鏈的相交點自動切成新的坐標鏈（弧段）把弧段按照一定的順序存儲，如按照最大或最小的x或y坐標的順序，以便檢索把弧段按照順序編號實現(xiàn)的基本步驟包括：2/6/202328二、圖形編輯空間數(shù)據(jù)編輯的必要性修正數(shù)據(jù)輸入錯誤維護數(shù)據(jù)的完整性和一致性更新地理信息

空間數(shù)據(jù)編輯內(nèi)容

數(shù)據(jù)不完整、重復(fù)空間數(shù)據(jù)位置不正確空間數(shù)據(jù)比例尺不準確空間數(shù)據(jù)變形幾何和屬性連接有誤屬性數(shù)據(jù)不完整

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糾正數(shù)據(jù)采集錯誤的重要手段，以及圖形更新的必要步驟，如對點、線、面的增加、刪除、修改等。首先是點、線、面的捕捉再進行拓撲編輯（局部或全部拓撲）多邊形連接編輯弧段和結(jié)點連接編輯

思考：刪除一個弧段影響兩個還是多個多邊形的拓撲結(jié)構(gòu)屬性？2/6/2023301圖斑合并：指兩相鄰的圖斑合并，即系統(tǒng)將相鄰的兩圖斑共用弧段刪除，用戶給出合并后的圖斑編碼，在軟件支持下實現(xiàn)兩圖斑的合并2圖斑分裂：圖斑合并的逆操作2/6/202331GIS的數(shù)據(jù)處理——拓撲編輯小結(jié)拓撲編輯（1）建立或生成拓撲關(guān)系：找交點生成結(jié)點和弧段裝配多邊形建立多邊形標簽（label）建立多邊形（弧段）屬性表（2）數(shù)據(jù)糾錯（凈化處理）:清除假結(jié)點和多余的中間點（3）拓撲編輯：按拓撲數(shù)據(jù)的要求（比如修改后的數(shù)據(jù)重新建拓撲）進一步編輯2/6/2023321概念：空間數(shù)據(jù)從一種數(shù)學(xué)狀態(tài)到另一種數(shù)學(xué)狀態(tài)的變換，實質(zhì)是建立兩個平面點之間（或球面坐標和平面坐標）的一一對應(yīng)關(guān)系，是空間數(shù)據(jù)處理的基本內(nèi)容之一。主要包括數(shù)字化儀坐標和掃描影像坐標與地理坐標的變換，以及兩個不同投影的坐標變換2空間數(shù)據(jù)需要進行坐標轉(zhuǎn)換的原因（地理意義）3坐標變換的主要內(nèi)容幾何糾正投影變換三、空間數(shù)據(jù)的坐標變換2/6/202333坐標變換原因2/6/202334

(1)實現(xiàn)地圖的數(shù)學(xué)法則(2)實現(xiàn)由設(shè)備坐標（數(shù)字化儀坐標或柵格圖像坐標）到現(xiàn)實世界坐標（實際地理坐標）的轉(zhuǎn)換

坐標變換的地理意義

指將地球球面上的地理對象表示在平面上的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（如投影方式、比例尺、方向等）。對地圖進行數(shù)字化時必須將這種數(shù)學(xué)法則反映到數(shù)字地圖中由數(shù)字化設(shè)備讀取的坐標值直接依賴于該設(shè)備的坐標系統(tǒng)及其設(shè)置，并不代表實際地理坐標，因此有必要建立坐標轉(zhuǎn)換公式，在數(shù)字化過程中將設(shè)備坐標轉(zhuǎn)換為實際地理坐標。2/6/202335(3)控制數(shù)據(jù)采集的精度坐標變換的地理意義由控制點建立的坐標轉(zhuǎn)換公式實際上是一組回歸方程，通過在圖面上均勻選取適當數(shù)目的控制點，并精確輸入控制點的實際地理坐標，可以提高回歸方程的擬和精度，進一步控制數(shù)字化的精度。2/6/202336控制點建立的坐標轉(zhuǎn)換電子地圖數(shù)字化儀面板紙質(zhì)地圖控制點X地圖=X面板*a1+Y面板*b1+c1Y地圖=X面板*a2+Y面板*b2+c2X面板1,Y面板1X面板2,Y面板2X面板3,Y面板3X地圖1,Y地圖1X地圖2,Y地圖2X地圖3,Y地圖3將上面三組數(shù)據(jù)代入此方程組，就可以求得：a1b1c1a1b1c1

這六個參數(shù)。2/6/202337坐標變換的地理意義當需要對多幅地圖進行數(shù)字化時，如果在多幅地圖之間或在不同比例尺之間建立了一個統(tǒng)一的坐標系，并在每一幅地圖都輸入一定數(shù)量的控制點及相應(yīng)的地理坐標，則經(jīng)由控制點擬合的坐標變換公式，將所有圖幅的數(shù)字化儀平面坐標轉(zhuǎn)換為所建立的坐標系中的坐標，使得圖幅拼接或不同比例尺間地圖的匹配成為可能。(4)實現(xiàn)多圖幅拼接或不同比例尺間地圖的匹配2/6/202338坐標變換的主要內(nèi)容

將地圖上各點的原坐標，轉(zhuǎn)換成新的坐標。可分為兩類：一是將非地理坐標轉(zhuǎn)換為地理坐標（地理坐標化georeferencing）;二是校正或配準（registration，幾何糾正），可在任意兩個坐標系中進行，不一定非要轉(zhuǎn)為地理坐標。1幾何糾正(1)主要應(yīng)用：掃描地形圖、遙感影像，進行圖紙變形誤差的糾正，建立實際地理坐標系。(2)采用方法：仿射變換：使用最多的一種幾何糾正方式相似變換二次變換2/6/202339（2.1）仿射變換公式：特性：只考慮x和y方向上的變形直線變換后仍為直線平行線變換后仍為平行線不同方向上的長度比發(fā)生變化（2）主要方法2/6/202340基本坐標變換示意(a)平移(b)縮放(c)圖形旋轉(zhuǎn)

2/6/202341(2.2)坐標變換中待定系數(shù)的確定——地面控制點（或同名點）是求解轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)

要實現(xiàn)仿射變換，需要知道不在同一直線上的3對控制點的數(shù)字化坐標及其理論值，才能求得上述6個待定參數(shù)。實際中通常利用4個點（控制點）。（2）主要方法2/6/202342(2.2)坐標變換中待定系數(shù)的確定計算方法：數(shù)值變換法，這種方法主要用于地圖的數(shù)字化。最小二乘法是最為常用的數(shù)值變換法。

利用最小二乘法的基本思想是，先用一組線性多項式擬合坐標變換公式，實際上是建立回歸曲線（轉(zhuǎn)換曲線），用該曲線進行原坐標系的所有點的坐標變換?？刂泣c是轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)。在地圖上選取若干控制點，獲取控制點的數(shù)字化儀坐標和實際地理坐標，然后利用這組坐標值，根據(jù)最小二乘法原理算出多項式的系數(shù)。這樣在地圖數(shù)字化過程中，就可以利用這組多項式計算出任意一點的地理坐標。一般的GIS軟件都提供了坐標變換功能。

2/6/202343(2.3)相似變換與二次變換相似變換與仿射變換（affine）的區(qū)別TheSIMILARITYtransformationscales,rotates,andtranslatesthedata.Itwillnotindependentlyscaletheaxes,norwillitintroduceanyskew.Asimilaritytransformationrequiresaminimumoftwocontrolpoints.二次變換適用于原圖有非線性變換的情況2/6/202344控制點數(shù)目的選取需注意的問題一般來講，線性關(guān)系采用四個或更多的TIC點提高糾正精度;非線性轉(zhuǎn)換中，轉(zhuǎn)換多項式的次數(shù)與控制點數(shù)目可以用公式：

k=(n+1)(n+2)/2

其中n為多項式的次數(shù)，k為最少控制點數(shù)目多項式轉(zhuǎn)換關(guān)系并非次數(shù)越高越好，實踐中一般先取一次多項式，用足夠多的控制點擬和、觀察、分析，有必要再“升級”；常用的分析方法，是計算每一個控制點相對于回歸線的偏離，用均方根表示：均方根=如果某點的均方根特別大，說明該點有問題，去掉不用；若較多的點有問題，可以考慮升級。2/6/2023452投影變換（1）目的：當系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)來自不同地圖投影時，需要將一種投影的幾何數(shù)據(jù)（x,y）轉(zhuǎn)成所需投影的數(shù)據(jù)(X,Y)。實質(zhì)是建立兩個平面點之間的一一對應(yīng)關(guān)系。

公式：X=f1(x,y),Y=f2(x,y)2/6/202346解析法，已知坐標變換公式（如各種投影類型），直接利用變換公式進行計算。分為正解變換與反解變換：地理經(jīng)緯度與X、Y坐標變換。GIS中圖形的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)及三唯變換等操作中都使用這種變換。正解變換：x=fx(L,B)y=fy(L,B)反解變換：L=FL(x,y)B=FB(x,y)（2）解算這種法則有幾種方法數(shù)值變換法：如果不易求出兩投影之間坐標的直接關(guān)系，可以采用多項式逼近的方法，一般選擇10個以上的同名點。2/6/202347四、圖幅拼接1為什么需要圖幅拼接？數(shù)字化過程經(jīng)常把一幅圖分成幾部分數(shù)字化標準的地形圖是分幅的2圖幅拼接步驟邏輯一致性的操作（屬性的一致）識別與檢索相鄰圖幅相鄰圖幅邊界點坐標數(shù)據(jù)的匹配（兩條線段的銜接）。相同屬性多邊形公共邊界的刪除2/6/202348圖幅拼接(a)拼接前；(b)拼接中的邊緣不匹配；(c)調(diào)整后的拼接結(jié)果圖形拼接2/6/202349ArcGIS數(shù)據(jù)拼接1、矢量數(shù)據(jù)的拼接

（1）展開DataManagementTools工具箱，打開General工具集，雙擊Append，打開Append對話框Append的圖解表達2/6/2023502/6/202351柵格數(shù)據(jù)的拼接2/6/202352涉及復(fù)雜的數(shù)值運算；轉(zhuǎn)換后的誤差存在

1矢量到柵格的轉(zhuǎn)換—柵格化

五、矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換點的柵格化123線的柵格化面的柵格化2/6/202353yx0109876543212345678910dxdyxmin,yminIJ坐標系統(tǒng)2/6/202354一、點的柵格化設(shè)：矢量坐標點（x，y）轉(zhuǎn)換后的單元行列值為I，J柵格單元大?。篸x，dy圖形最小坐標值：xmin，ymin則有：2/6/202355二、線的柵格化設(shè)：線段兩端點坐標分別為：（x1，y1）和（x2，y2），轉(zhuǎn)換后的單元行列值分別為：(I1,J1),(I2,J2)行數(shù)差：?I=|I2–I1|，列數(shù)差：?J=|J2–J1|分兩種情況：列數(shù)差大于行數(shù)差?J>?I行數(shù)差大于列數(shù)差?I>?J2/6/202356三、面的柵格化又稱為邊界填充，就是在矢量表示的多邊形界內(nèi)部的所有柵格上賦予相應(yīng)的多邊形編號?；诨《螖?shù)據(jù)的柵格化基于多邊形數(shù)據(jù)的柵格化方法：2/6/202357基于弧段數(shù)據(jù)的柵格化（帶掃描算法）對每條弧段求與各掃描線交點記錄每個交點的左右區(qū)碼逐段生成柵格111111122211111222221111322222113333222233333332223333333322弧段1弧段2弧段311322(xi,yi)(xi+1,yi+1)(x2,y2)(x3,y3)(x1,y1)ym2/6/202358Arcinfo中的轉(zhuǎn)換命令2/6/202359ArcGIS矢量-》柵格轉(zhuǎn)換工具往往在Field窗口選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時所依據(jù)的屬性值。2/6/2023601目的將柵格數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過矢量繪圖裝置輸出為了壓縮數(shù)據(jù)，將大量面狀柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為少量數(shù)據(jù)表示的多邊形的邊界將掃描儀獲取的柵格數(shù)據(jù)加入矢量形式的數(shù)據(jù)庫2柵格格式到矢量格式的轉(zhuǎn)換2/6/202361柵格－→矢量轉(zhuǎn)換分類柵格數(shù)據(jù)掃描柵格數(shù)據(jù)邊界搜索、邊界提取、二值化編輯細化二值化自動跟蹤矢量化矢量－→柵格轉(zhuǎn)換技術(shù)流程2/6/202362邊界提取（對分類柵格數(shù)據(jù)）

采用2*2柵格窗口順序掃描柵格數(shù)據(jù)，并對各柵格進行邊界標記：屬性值相同，無邊界；有兩種屬性值，邊界點；有三個及以上不同的值，視為結(jié)點。aabbabaaaaababbbababaaba2/6/202363邊界搜索

08428888222288882222888842228888442288844400884444004444400