1、第三部分 地理空間數據的獲取與處理（一）1第九章 地理空間數據獲取 數據的獲取與處理是建設GIS工程的基礎工作。因空間數據的來源不同，數據存在的類型和格式不同，數據的獲取方法是不同的。由于數據在獲取過程都不同程度的存在錯誤或誤差，以及空間數據庫對數據組織管理的需要，都需要對數據進行編輯和處理。2第一節 數據源的種類 數據源是指建立GIS的地理數據庫所需的各種數據的來源，主要包括地圖、遙感圖像、文本資料、統計資料、實測數據、多媒體數據、已有系統的數據等。可歸納為原始采集數據、再生數據和交換數據三種來源。34 GIS需要的數據源不同數據源的獲取方法、設備、精度和成本。5第一節 數據源的種類一、地圖

2、數據 地圖數據是GIS的主要數據源，因為地圖包含著豐富的內容，不僅含有實體的類別和屬性，而且含有實體間的空間關系。地圖數據主要通過對地圖的跟蹤數字化和掃描數字化獲取。地圖數據不僅可以作宏觀的分析(用小比例尺地圖數據)，而且可以作微觀的分析(用大比例尺地圖數據)。在使用地圖數據時，應考慮到地圖投影所引起的變形，在需要時進行投影變換，或轉換成地理坐標。6第一節 數據源的種類地圖數據主要用于生成DLG、DRG數據或DEM數據。7第一節 數據源的種類二、遙感數據（影像數據） 遙感數據（影像數據）是GIS的重要數據源。遙感數據含有豐富的資源與環境信息，在GIS支持下，可以與地質、地球物理、地球化學、地球

3、生物、軍事應用等方面的信息進行信息復合和綜合分析。遙感數據是一種大面積的、動態的、近實時的數據源，遙感技術也是GIS數據更新的重要手段。遙感數據(影象數據)用于提取線劃數據和生成數字正射影象數據（DOM）、DEM數據。8第一節 數據源的種類三、文本資料 文本資料是指各行業、各部門的有關法律文檔、行業規范、技術標準、條文條例等，如邊界條約等。這些也屬于GIS的數據。9第一節 數據源的種類四、統計資料 國家和軍隊的許多部門和機構都擁有不同領域(如人口、基礎設施建設、兵要地志等)的大量統計資料，這些都是GIS的數據源，尤其是GIS屬性數據的重要來源。10第一節 數據源的種類五、實測數據 野外試驗、實

4、地測量等獲取的數據可以通過轉換直接進入GIS的地理數據庫，以便于進行實時的分析和進一步的應用，如通過物探得到的地下管線數據。GPS(全球定位系統)所獲取的數據也是GIS的重要數據源。11第一節 數據源的種類六、多媒體數據 多媒體數據(包括聲音、錄像等)通常可通過通訊口傳入GIS的地理數據庫中，目前其主要功能是輔助GIS的分析和查詢。12第一節 數據源的種類七、已有系統的數據 GIS還可以從其它已建成的信息系統和數據庫中獲取相應的數據。由于規范化、標準化的推廣，不同系統間的數據共享和可交換性越來越強。這樣就拓展了數據的可用性，增加了數據的潛在價值。13第一節 數據源的種類上述這些數據經地理信息系

5、統數字化和編輯后，形成不同格式和數據結構的數據集。數據集是一個結構化的相關數據的集合體，包括數據本身和數據間的聯系。數據集獨立于應用程序而存在，是數據庫的核心和管理對象。GIS 的主要數據集，包括數字線劃數據（DLG）、數字掃描數據（DRG）、影像數據（DOM）、數字高程數據（DEM）和屬性數據（包括社會經濟數據）、專業領域數據。14第二節 數據采集的方法 空間數據采集的任務是將現有的地圖、外業觀測成果、航空像片、遙感圖像、文本資料等轉換成GIS可以處理與接收的數字形式，通常要經過驗證、修改、編輯等處理。 15第二節 數據采集的方法不同類型的數據輸入需要用到不同的設備。例如，對于文本數據通常用

6、交互的方式通過鍵盤錄入，也可用掃描儀掃描后用字符識別軟件自動錄入；對于矢量地圖數據，可用平板數字化儀，采用手扶跟蹤的方法輸入，也可用掃描儀掃描成圖像后，用柵格數據矢量化的方法自動追蹤輸入，等等。GIS軟件的這一部分還應具有數據轉換裝載的功能，即能把其它GIS或專題數據庫中的數據通過轉換裝載到當前的GIS系統中。 16第二節 數據采集的方法在空間數據的采集過程中，有些數據的采集結果本身就是數字數據，它們只需通過軟件進行格式轉換即可。如遙感影像經圖象處理系統處理和解譯后得到的數字結果，數字測圖成果也一般是以CAD格式存在，實測的數據一般也是以數字形式記錄的，多媒體數據、已有系統的數據等本身就是數字

7、形式，它們經過格式轉換，進行數據編輯和處理后，即可滿足GIS數據庫建庫的需要。而屬性數據則主要是通過鍵盤或讀取文件的方法輸入，方法比較簡單。這里主要介紹圖形數據的兩種輸入方法，即手扶跟蹤數字化和掃描矢量化方法。17第二節 數據采集的方法一、圖形數據的手扶跟蹤數字化輸入 紙質地形圖可以通過數字化儀方式輸入。數字化儀由電磁感應板、游標和相應的電子線路組成。數字化儀的幅面有A0 ，A1 ，A3 ，A4等。18 矢量數據的數字化儀輸入手扶跟蹤數字化儀示意圖 19第二節 數據采集的方法 數字化的過程是先將圖件固定在數字化儀上，首先數字化圖幅范圍的至少四個控制點的坐標，用于進行數字化儀的坐標到指定的GIS

8、數據庫建庫時定義的坐標的轉換。隨后即可輸入圖中的其它圖形數據。 數字化儀數字化的精度與采集點的密度、控制點的精度、數字化的操作技術、圖紙的變形以及數字化儀自身的精度有關。 20第二節 數據采集的方法GIS數字化軟件主要提供以下的功能：1、圖幅信息錄入和管理功能 即對所需數字化的地圖的比例尺、圖幅號、成圖時間、坐標系統、投影等信息進行錄入和管理。這是所采集的矢量數據的數據質量的基本依據。21第二節 數據采集的方法2、特征碼清單設置 特征碼清單是指安放在數字化儀臺面或屏幕上的由圖例符號構成的格網狀清單，每種類型的符號占居清單中的一格。 3、數字化鍵值設置 即設置數字化標識器上各按鍵的功能，以符合用

9、戶的習慣。4、數字化參數定義 主要是指系統應能選定不同類型的數字化儀，并確定數字化儀與主機的通訊接口。22第二節 數據采集的方法5、數字化方式的選擇 主要是指選擇點方式還是流方式等進行數字化。6、控制點輸入功能 能提示用戶輸入控制點坐標，以便于進行隨后的幾何糾正。231234控制點的數量與分布24 矢量數據的數字化儀輸入地圖數字化的主要問題：數字化過程，地圖可能會伸縮變形，影響精度。地圖自身存在錯誤。相鄰地圖可能存在接邊處理的問題25 矢量數據的數字化儀輸入數字化過程可能產生的錯誤26第二節 數據采集的方法 二、空間數據的掃描儀輸入 紙質地形圖或像片可以通過掃描儀數字化。掃描儀是直接把圖形（地

10、形圖）和圖像（遙感影像、照片）掃描輸入到計算機，以像素信息進行存儲表示的設備。27第二節 數據采集的方法28地理數據的掃描輸入掃描儀用于轉換地圖或影像到GIS為柵格格式。有黑白和彩色之分。機械掃描儀，也成滾筒掃描儀。圖34（ a ）視頻掃描儀，不精確，但便宜。圖34（ b）CCD相機，比視頻掃描儀穩定和精確。圖34（ c ）CCD掃描儀，精確但昂貴。圖34（ d ）29 地理數據的掃描輸入30 地理數據的掃描輸入31第二節 數據采集的方法掃描儀的掃描過程是，先對掃描儀的參數進行設置，對地形圖一般采用二值掃描，或灰度掃描。對彩色航空影像或衛星像片采用彩色掃描，對黑白航空像片或衛片采用灰度掃描；再

11、對分辨率進行設置，根據掃描要求，地形圖一般采用300dpi或更高分辨率掃描；針對特殊需要，有時還需要調整亮度、對比度、色調等；最后設置掃描范圍。完成掃描后，即可獲得某個地區的掃描柵格數據。 掃描得到柵格數據后，如果需要線劃圖，還需要使用矢量化軟件進行處理，得到線劃數據。32第二節 數據采集的方法矢量化軟件提供的主要功能為：1、地圖掃描輸入功能 即能使用各種掃描儀把地圖掃描數字化為柵格數據。2、圖像格式轉換和圖像編輯功能 能接受不同格式的柵格數據，并具有基本的圖像編輯功能。3、彩色地圖圖像數據的分版功能 能夠將所掃描的彩色地圖圖像分成不同要素版的圖像數據，以便于跟蹤和識別。33第二節 數據采集的

12、方法4、線狀要素的矢量化功能 能夠對線狀要素進行細化、斷線修復、跟蹤，也即具有自動提取線狀要素中心線的功能。由于目前的自動化程度還不夠高，經常需要進行人機交互，諸如在多條線的交叉點找到粘連及斷開處，原實體連續擔圖形中斷處（橋下河，橋中路），需人機交互指明繼續追蹤的方向。34第二節 數據采集的方法5、點狀符號和注記的自動識別功能 應該能對點狀符號和注記字進行自動識別，但完全自動化目前仍有困難，因此，有時需要人工在屏幕上進行數字化。35第二節 數據采集的方法6、屬性編碼的自動賦值 應能對已數字化的要素自動根據其符號特征賦以相應的編碼(包括等高線的高程)。這方面目前還需要較多的人機交互。36第二節

13、數據采集的方法7、圖幅信息錄入與管理功能 同地圖跟蹤數字化一樣，地圖掃描數字化也需要錄入圖幅信息，以便于管理和質量控制。37第二節 數據采集的方法8、要素編碼設置功能 為了能進行屬性編碼的自動賦值，以及人機交互地進行屬性編碼賦值，都必須針對不同的要求進行地圖要素的編碼設置。9、控制點輸入功能 為了進行數字化后的數據糾正，必須具有控制點輸入功能。38第十章 空間數據的編輯 GIS軟件的數據編輯工作主要是幾何糾正、圖形和文本數據的編輯、圖幅的拼接、拓撲關系的生成等，即完成GIS的空間數據在裝入GIS的地理數據庫前的各種工作。39第一節 圖形數據的編輯地圖數字化后，會存在一些問題，有的問題是數字化錯

14、誤造成的，有的是數據結構定義所必須修改的。通過圖形數據的編輯就是解決這些問題，滿足數據庫建庫的需要。40第一節 圖形數據的編輯一、結點的編輯 結點是線（弧段）目標的端點，在GIS中有著重要地位。編輯相當部分是針對結點進行的。通過移動結點或結點粘合，可以解決（a）、（d）、（ f ）等問題。偽結點是同一條弧段之間的多余結點，刪除即可，或者將兩段弧段合并。結點超出可以通過移動結點或刪除懸掛弧段解決。 41第一節 圖形數據的編輯常見的編輯問題 42第一節 圖形數據的編輯二、線（弧）的編輯 直線懸空相交問題，在早期的GIS中，需通過增加結點解決。在面向對象的系統中，可以不處理。刪除角點、增加結點均會改

15、變線的形狀。跑線問題則需要重新數字化。43第一節 圖形數據的編輯三、多邊形編輯 碎多邊形問題一般需要重新數字化，不嚴重時，可取中線。奇異多邊形需要先打斷弧段，再刪除多余部分。對于多余小多邊形，刪除即可。對于（m）、（n）、（o）的情況，一般執行編輯軟件的相應功能即可實現。44第一節 圖形數據的編輯總之，編輯遇到的圖形問題可能是復雜的，它們并不能明顯被區分是點、線或面的問題，需要一系列的操作才能解決。45第二節 圖形數據的幾何糾正地圖在數字化時可能產生整體的變形，歸納起來主要有仿射變形、相似變形和透視變形。圖紙的變形常常產生前兩種變形，直接從沒有經過幾何變換的航空影像上提取的圖形信息，會產生透視

16、變形。另外一種情況是，當把數字化儀坐標、掃描影像坐標變換到投影坐標系，或兩種不同的投影坐標系之間進行變換時，也需要進行仿射變換或相似變換。4647不均勻縮放傾斜旋轉平移4849第二節 圖形數據的幾何糾正1、相似變換 相似變換主要解決兩個坐標系之間的變換。如數字化儀坐標到投影坐標系的變換。當兩個坐標系存在夾角，坐標原點需要平移，兩坐標軸之間具有相同的比例因子時，變換公式為： 計算這種變換，至少需要對應坐標系的兩個對應控制點計算四個變換參數即可。50第二節 圖形數據的幾何糾正2、仿射變換 如果存在坐標在X，Y方向的比例因子不一致，如圖紙存在仿射變形，就需要采用仿射變換。仿射變換的公式為： 計算這種

17、變換，至少需要對應坐標系的三個對應控制點計算六個變換參數即可。51仿射變換的例子52第二節 圖形數據的幾何糾正3、透視變換 如果圖形存在透視變形，就需要進行透視變換。透視變換的公式為： 其中， 分別為影像的攝影比例尺和攝影機主距。計算這種變換，至少需要對應坐標系的五個對應控制點計算十個變換參數即可。53第三節 圖幅的拼接為了建立無縫圖層，需要將分幅數字化的地圖進行合并，使它在空間上是連續的。由于數據采集和人工操作的誤差，兩個相鄰圖幅的地圖的空間圖形數據在接合處出現幾何裂縫或邏輯裂縫 無論是建立邏輯無縫圖層，還是建立物理無縫圖層，幾何裂縫都必須消除。5455拼接的例子（APPEND/MERGE）

18、56相鄰圖幅的幾何接邊過程（邊界匹配） 57接邊的例子58消除幾何裂縫的方法是對接合處不能很好吻合的圖形，通過移動結點或結點粘合的方法使之在空間位置上取得一致。一般是以其中的一幅地圖作參考，移動另一幅圖上的目標。如果差距較大，各自移動一半。完成幾何接邊后，還要檢查屬性賦值是否一致。若不一致，則需改正過來。最后根據軟件提供的功能，實現圖幅的合并。59邊界匹配的例子60第四節 拓撲關系的編輯多數情況下拓撲關系的建立可由GIS軟件自動生成。特殊情況下，需要人工對拓撲關系進行人工修改，如建立管網或路網數據的分析網絡時，就需要對結點、管段的方向等進行編輯。616263第四節 拓撲關系的編輯一個支持管網分

19、析的網絡數據模型，由幾何網絡和邏輯網絡兩部分組成。幾何網絡，由線性系統的一組特征組成，是邊界和連接點的集合。邊界和連接點稱為網絡特征元素。表現為圖形和屬性表 6465第四節 拓撲關系的編輯邏輯網絡，是與幾何網絡相聯系的，定義非圖形化的網絡關系。它與幾何網絡最大的區別是沒有坐標、沒有特征，但有元素。元素是與特征相聯系的，編輯特征，影響元素。邏輯網絡表現為聯系表格。 66第四節 拓撲關系的編輯交通系統的幾何網絡 交通系統的邏輯網絡 Yan 11.967第四節 拓撲關系的編輯1、簡單邊界的連接 當幾何網絡的邊界連接關系較簡單時，可以直接建立邏輯網絡如圖（a），有時也需要對管段進行簡單的分割處理，如圖

20、（b）的情況，將一根管段通過結點簡單分為三個管段。 68第四節 拓撲關系的編輯簡單邊界連接處理 69第四節 拓撲關系的編輯2、復雜邊界連接 構成邏輯網絡的管段不能簡單分為三段，需定義子管段與主管段的關系。 70第四節 拓撲關系的編輯復雜邊界連接處理 71第四節 拓撲關系的編輯3、復雜的連接點 對于復雜的連接點，需要進行幾何和邏輯上的處理。 72第四節 拓撲關系的編輯 4、流向定義 對于具有流向的線特征，需要定義流向。有時可以通過改變結點的順序實現。73 5、網絡其他屬性定義 在進行網絡分析時，需要定義網絡元素的權重（消費代價）、網絡標志點（網絡分析路線的必經點）、網絡障礙點（網絡元素失效的位置

21、）等。74第五節 文本數據的編輯文本數據主要是對屬性表數據和注記數據。對屬性表的數據的編輯主要是查找屬性錯誤，把它改正過來。對注記數據主要是檢查注記的錯誤、注記文本的字型、風格等。屬性表數據的錯誤主要通過屬性查詢檢查。如分類碼的錯誤可通過分類檢索和符號、顏色填充發現。發現文本數據錯誤，使用軟件提供的工具把它們改正過來。75屬性數據輸入的例子（字段定義，輸入）注記的例子76第三部分 地理空間數據的獲取與處理(二)77第十一章 空間數據的處理方法GIS中空間數據的處理方法涉及圖形數據和柵格數據。其中關于圖形方面的算法主要來自計算機圖形學，柵格數據的處理方法主要來自圖象處理或遙感圖象處理原理與方法等

22、。這里主要介紹拓撲關系的自動生成算法、空間數據的壓縮算法、空間數據的格式轉換、矢量和柵格數據轉換等。78第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法圖形編輯的關鍵是點、線、面的捕捉，即如何根據光標的位置找到需要編輯的要素，以及圖形編輯的數據組織。下面分別作簡要介紹。79第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法一、點的捕捉算法 圖形編輯是在計算機屏幕上進行的，因此首先應把圖幅的坐標轉換為當前屏幕狀態的坐標系和比例尺。設光標點為S(x，y)，圖幅上某一點狀要素的坐標為A(X，Y)，則可設一捕捉半徑D(通常為35個象素，這主要由屏幕的分辯率和屏幕的尺寸決定)。若S和A的距離d小于D則認為捕捉成功，即認為找到的點是A

23、，否則失敗，繼續搜索其它點。 80第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法二、線的捕捉算法 設光標點坐標為S(x, y)，D為捕捉半徑，線的坐標為(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)。通過計算S到該線的每個直線段的距離di 。在實際的捕捉中，可每計算一個距離di就進行一次比較，若diD，則捕捉成功，不需再進行下面直線段到點S的距離計算了。 81第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法 為了加快線捕捉的速度，可以把不可能被光標捕捉到的線以簡單算法去除。如圖，對一條線可求出其最大最小坐標值Xmin，Ymin，Xmax，Ymax，對由此構成的矩形再向外擴D的距離，若光標點S落在該矩形內，才可能捕捉到該

24、條線，因而通過簡單的比較運算就可去除大量的不可能捕捉到的情況。 82第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法對于線段與光標點也應該采用類似的方法處理。即在對一個線段進行捕捉時，應先檢查光標點是否可能捕捉到該線段。即對由線段兩端點組成的矩形再往外擴D的距離，構成新的矩形，若S落在該矩形內，才計算點到該直線段的距離，否則應放棄該直線段，而取下一直線段繼續搜索。 83第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法可以看出計算量較大，速度較慢，因此可按如下方法計算。即從S(x，y)向線段(x1,y1)(x2,y2)作水平和垂直方向的射線，取dx，dy的最小值作為S點到該線段的近似距離。由此可大大減小運算量，提高搜索速度

25、。計算方法為：84第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法三、面的捕捉算法 面的捕捉實際上就是判斷光標點S(x,y)是否在多邊形內，若在多邊形內則說明捕捉到。判斷點是否在多邊形內的算法主要有垂線法或轉角法，這里介紹垂線法。85第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法垂線法的基本思想是從光標點引垂線(實際上可以是任意方向的射線)，計算與多邊形的交點個數。若交點個數為奇數則說明該點在多邊形內；若交點個數為偶數，則該點在多邊形外。86第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法為了加速搜索速度，可先找出該多邊形的外接矩形，即由該多邊形的最大最小坐標值構成的矩形，如上圖。若光標點落在該矩形中，才有可能捕捉到該面，否則放棄對

26、該多邊形的進一步計算和判斷，即不需進行作垂線并求交點個數的復雜運算。通過這一步驟，可去除大量不可能捕捉的情況，大大減少了運算量，提高了系統的響應速度。 87第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法在計算垂線與多邊形的交點個數時，并不需要每次都對每一線段進行交點坐標的具體計算。對不可能有交點的線段應通過簡單的坐標比較迅速去除。 88第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法多邊形的邊分別為18，而其中只有第3、7條邊可能與S所引的垂直方向的射線相交。即若直線段為(x1,y1)(x2,y2)時，若x1xx2，或x2xx1時才有可能與垂線相交，這樣就可不對1，2，4，5，6，8邊進行繼續的交點判斷了。89第二節

27、空間數據的拓撲關系自動生成矢量數據拓撲關系在空間數據的查詢與分析中非常重要，矢量數據拓撲關系自動建立的算法是GIS中的關鍵算法之一，下面介紹其實現的基本步驟和要點。90第二節 空間數據的拓撲關系自動生成一、歐拉定理 對于一個多邊形圖形，其結點數n，弧段數a，和多邊形數b之間滿足函數關系： b包含邊界里面和外面多邊形 b僅包含邊界里面多邊形 91第二節 空間數據的拓撲關系自動生成歐拉定理的用途是用于拓撲檢驗，可以發現點、線、面的不匹配情況和多余或遺漏圖形元素，出現這些情況時，公式等式就不成立。但滿足等式的圖形，并不能說明圖形關系不存在錯誤。92第二節 空間數據的拓撲關系自動生成二、點、線拓撲關系

28、的建立 它的實質是建立結點弧段、弧段結點的關系表格，有兩種方案：（1）在圖形采集和編輯時自動建立。主要記錄兩個數據文件：一個記錄結點所關聯的弧段，即結點弧段列表；另一個記錄弧段的兩個端點（起、始結點）的列表。數字化時，自動判斷新的弧段周圍是否有已存在的結點，若有，將其結點編號登記，若沒有，產生一個新的結點，并進行登記。（2）在圖形采集和編輯后自動建立。93第二節 空間數據的拓撲關系自動生成三、多邊形矢量數據自動拓撲關系自動建立 多邊形有四種基本圖形： 94第二節 空間數據的拓撲關系自動生成1、 多邊形矢量數據自動拓撲的步驟 主要是找出在鏈的中間相交，而不是在端點相交的情況，自動切成新鏈；把鏈按

29、一定順序存儲，如按最大或最小的x或y坐標的順序，這樣查找和檢索都比較方便，然后把鏈按順序編號。 鏈中間相交 95第二節 空間數據的拓撲關系自動生成（2）結點匹配 結點匹配是指把一定限差內的鏈的端點作為一個結點，其坐標值取多個端點的平均值。然后，對結點順序編號。 結點匹配 96第二節 空間數據的拓撲關系自動生成（3）檢查多邊形是否閉合 檢查多邊形是否閉合可以通過判斷一條鏈的端點是否有與之匹配的端點來進行。 弧a的端點P沒有與之匹配的端點，因此無法用該條鏈與其它鏈組成閉合多邊形。 97第二節 空間數據的拓撲關系自動生成2、多邊形矢量數據自動拓撲的算法 （1）建立多邊形拓撲關系的概念 1順時針方向構

30、多邊形 所謂順時針方向構多邊形是指多邊形在鏈的右側（圖a），多邊形在閉合曲線內。逆時針方向構多邊形是指多邊形在鏈的左側（圖b），多邊形在閉合曲線外。順時針構建的多邊形 (a) 逆時針構建的多邊形 (b) 98第二節 空間數據的拓撲關系自動生成2最靠右邊的鏈 最靠右邊的鏈是指從鏈的一個端點出發，在這條鏈的方向上最右邊的第一條鏈，實質上它也是左邊最近鏈，a的最右邊的鏈為d。找最靠右邊的鏈可通過計算鏈的方向和夾角實現。99第二節 空間數據的拓撲關系自動生成3多邊形面積的計算 設構成多邊形的坐標串為(xi, yi )，i1,2,n，則多邊形的面積A可用如下公式求出：100第二節 空間數據的拓撲關系自動

31、生成當多邊形由順時針方向構成時，面積為正；反之，面積為負 .101第二節 空間數據的拓撲關系自動生成（2）建立多邊形的基本過程 1順序取一個結點為起始結點，取完為止；取過該結點的任一條鏈作為起始鏈 2取這條鏈的另一結點，找這個結點上，靠這條鏈最右邊的鏈，作為下一條鏈。 3是否回到起點：是，已形成一多邊形，記錄之，并轉4；否，轉2。 4取起始點上開始的，剛才所形成多邊形的最后一條邊作為新的起始鏈，轉2；若這條鏈已用過兩次，即已成為兩個多邊形的邊，則轉1。102第二節 空間數據的拓撲關系自動生成 例如 :1從P1結點開始，起始鏈定為P1P2；從P2點算起，P1P2最右邊的鏈為P2P5；從P5算起，

32、P2P5最右邊 的鏈為P5P1。所以，形成的多邊形為P1P2P5P1。2從P1結點開始，以P1P5為起始鏈，形成的多邊形為P1P5P4P1。3從P1開始，以P1P4為起始鏈形成的多邊形為P1P4P3P2P1。4這時P1為結點的所有鏈均被使用了兩次，因而轉向下一個結點P2，繼續進行多邊形追蹤，直至所有的結點取完。共可追蹤出五個多邊形，即A1、A2、A3、A4、A5。103第二節 空間數據的拓撲關系自動生成（3）島的判斷 島的判斷即指找出多邊形互相包含的情況，也即尋找多邊形的連通邊界。 104第二節 空間數據的拓撲關系自動生成根據上述追蹤多邊形的方法，單多邊形(即由單條鏈或由多條鏈順序構成的，不與

33、其它多邊形相交的多邊形，被追蹤了兩次，因為每條鏈必須使用兩次，所以，多邊形的一個面積是為正的，另一個是為負的。如果一個多邊形包含另一多邊形，則必然是面積正的多邊形包含面積負的多邊形。所以，解決多邊形包含問題的步驟為：105第二節 空間數據的拓撲關系自動生成 1計算所有多邊形的面積。2分別對面積為正的多邊形和面積為負的多邊形排序。3從面積為正的多邊形中，順序取每個多邊形，取完為止。若負面積多邊形個數為0，則結束。4找出該多邊形所包含的所有面積為負的多邊形，并把這些面積為負的多邊形加入到包含它們的多邊形中，轉3。106第二節 空間數據的拓撲關系自動生成（4）確定多邊形的屬性 在追蹤出每個多邊形的坐

34、標后，經常需確定該多邊形的屬性。如果在原始矢量數據中，每個多邊形有內點，則可以把內點與多邊形匹配后，把內點的屬性賦于多邊形。由于內點的個數必然與多邊形的個數一致，所以，還可用來檢查拓撲的正確性。如果沒有內點，則必須通過人機交互，對每個多邊形賦屬性。107第三節 空間數據的壓縮編碼方法數據壓縮的目的是刪除冗余數據，減少數據的存貯量，節省存貯空間，加快后繼處理的速度。在GIS數據存儲中具有重要作用。分為矢量數據壓縮和柵格數據壓縮方法。108第三節 空間數據的壓縮編碼方法一、矢量數據的壓縮(簡化) 矢量數據壓縮是有損壓縮。當數字化采集的點過密時，經常需要刪除一些交點，簡化數據。下面介紹幾種常用的矢量

35、數據的壓縮算法，以及它們之間的異同點。109第三節 空間數據的壓縮編碼方法1、道格拉斯普克法(DouglasPeucker) 當數字化的圖形如圖，需要刪除一些交點時，可以采用該方法。其算法思想是：對每一條曲線的首末點虛連一條直線，求所有點與直線的距離，并找出最大距離值d-max，用d-max與限差D相比： 若d-maxD，這條曲線上的中間點全部舍去； 若d-maxD，保留d-max對應的坐標點，并以該點為界，把曲線分為兩部分，對這兩部分重復使用該方法。110第三節 空間數據的壓縮編碼方法2、垂距法 如圖，垂距法的算法思想是：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

36、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處理，直到這條線結束。111第三節 空間數據的壓縮編碼方法3、光欄法 如圖，光欄法的算法思想是：定義一個扇形區域，通過判斷曲線上的點在扇形外還是在扇形內，確定保留還是舍去。 112第三節 空間數據的壓縮編碼方法二、柵格數據的壓縮1、直接柵格編碼 將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行(或逐列)記錄代碼，可以每行都從左到右記錄，也可以奇數行從左到右，偶數行從右到左。 113第三節 空間數據的壓縮編碼方法柵格數據 114第三節 空間數據的壓縮編碼方法柵格數據可存儲記錄為：（AAAAABBBAABBAABB）。這種記錄柵格數據的文

37、件常稱為柵格文件，且常在文件頭中存有該柵格數據的長和寬，即行數和列數和兩方向的密度。這樣，具體的象元值就可連續存儲了。其特點是處理方便，但沒有壓縮。 115第三節 空間數據的壓縮編碼方法2、游程長度(行程)編碼 地理數據往往有較強的相關性，也就是說相鄰象元的值往往是相同的。 游程長度編碼的基本思想是：按行掃描，將相鄰等值的象元合并，并記錄代碼的重復個數。 116第三節 空間數據的壓縮編碼方法 其編碼為（A4 A1 B3 A2 B2 A2 B2）。 若在行與行之間不間斷地連續編碼，則為（A5 B3 A2 B2 A2 B2）。 117第三節 空間數據的壓縮編碼方法對于游程長度編碼，區域越大，數據的

38、相關性越強，則壓縮越大。其特點是，壓縮效率較高，疊加、合并等運算簡單，編碼和解碼運算快。 118第三節 空間數據的壓縮編碼方法3、四叉樹編碼 四叉樹編碼是最有效的柵格數據壓縮編碼方法之一，在GIS中有廣泛的應用。 119第三節 空間數據的壓縮編碼方法十進制Morton碼的編碼 120第三節 空間數據的壓縮編碼方法121第三節 空間數據的壓縮編碼方法這樣就可將用行列表示的二維圖像，用Morton碼寫成一維數據，通過Morton碼就可知道象元的位置。 把一幅2 n2 n的圖像壓縮成線性四叉樹的過程為：1按Morton碼把圖象讀入一維數組。2相鄰的四個象元比較，一致的合并，只記錄第一個象元的Mort

39、on碼。3比較所形成的大塊，相同的再合并，直到不能合并為止。 對用上述線性四叉樹的編碼方法所形成的數據還可進一步用游程長度編碼壓縮。壓縮時只記錄第一個象元的Morton碼。122第三節 空間數據的壓縮編碼方法例：四叉樹Morton碼編碼結果 123第三節 空間數據的壓縮編碼方法124第三節 空間數據的壓縮編碼方法 解碼時，根據Morton碼，就可知道象元在圖像中的位置。從左上角，本Morton碼和下一個Morton碼之差即為象元個數。知道了象元的個數和象元的位置就可恢復出圖像了。 線性四叉樹編碼的優點是：壓縮效率高，壓縮和解壓縮比較方便，陣列各部分的分辯率可不同，既可精確地表示圖形結構，又可減

40、少存貯量，易于進行大部分圖形操作和運算。缺點是：不利于形狀分析和模式識別，即具有圖形編碼的不定性，如同一形狀和大小的多邊形可得出完全不同的四叉樹結構。125第四節 空間數據的格式轉換因GIS軟件的原因，不同的GIS軟件對空間數據定義和存儲結構的差別，GIS數據庫中的數據格式之間存在不兼容的問題。即不同的GIS軟件所支持的數據存儲格式不能直接相互利用。需經過格式轉換才能相互被對方使用。126第四節 空間數據的格式轉換一、數據格式轉換的內容數據格式轉換的內容包括三個方面的內容：空間定位信息，即幾何信息，主要是實體的坐標。空間關系信息，幾何實體之間的拓撲或幾何關系數據。屬性信息，幾何實體的屬性說明數

41、據。127第四節 空間數據的格式轉換二、數據格式轉換的方式 主要有三種方式：128第四節 空間數據的格式轉換1、通過外部數據交換文件進行。大部分GIS工具軟件都定義了外部交換文件格式， 軟件名稱外部交換格式ARCINFOE00;MapInfoMID;AutoCADDXF;MGEASCII Loader129第四節 空間數據的格式轉換外部交換格式轉換 B,11,11,25130第四節 空間數據的格式轉換2、通過標準空間數據文件轉換在系統之間進行數據格式轉換的另一種解決方案是，定義標準的空間數據交換文件標準，每個GIS軟件都按這個標準提供外部交換格式，并且提供讀入標準格式的軟件。這樣系統之間的數據

42、交換經過二次轉換即可完成。131第四節 空間數據的格式轉換標準數據文件交換 132第四節 空間數據的格式轉換3、通過標準的API函數進行轉換上述兩種方式都是經過文件實現的數據轉換方式。如果GIS軟件都提供直接讀取對方存儲格式的API函數，則系統之間的轉換只需一次轉換即可完成 。133第四節 空間數據的格式轉換函數轉換 134第五節 矢量數據和柵格數據的轉換由于矢量數據和柵格數據各自的優點和互補性，矢量到柵格、柵格到矢量的轉換的情況在GIS中經常發生。135第五節 矢量數據和柵格數據的轉換 一、矢量柵格轉換 由于矢量數據的點到柵格數據的點只是簡單的坐標變換，所以，這里主要介紹線和面(多邊形)的矢

43、量數據向柵格數據的轉換。136第五節 矢量數據和柵格數據的轉換1、線的柵格化方法線是由多個直線段組成的，因此，線的柵格化的核心就是直線段如何由矢量數據轉換為柵格數據 。137第五節 矢量數據和柵格數據的轉換設直線段的兩端點坐標轉換到柵格數據的坐標系后為(xA,yA),(xB,yB)。 138第五節 矢量數據和柵格數據的轉換2、面(多邊形)的柵格化方法 多邊形的柵格化方法主要有三種算法。（1）內部點擴散法 由一個內部的種子點，向其4個方向的鄰點擴散。判斷新加入的點是否在多邊形邊界上，如果是，不作為種子點，否則當作新的種子點，直到區域填滿，無種子點為止。 該算法比較復雜，而且可能造成阻塞而造成擴散

44、不能完成（如圖），此外若多邊形不完全閉合時，會擴散出去。139第五節 矢量數據和柵格數據的轉換（2）掃描法 如圖，按掃描線的順序，計算多邊形與掃描線的相交區間，再用相應的屬性值填充這些區間，即完成了多邊形的柵格化。140第五節 矢量數據和柵格數據的轉換（3）邊填充算法其基本思想是：對于每一條掃描線和每條多邊形邊上的交點，將該掃描線上交點右方的所有象素取原屬性值之補。對多邊形的每條邊作此處理，多邊形的方向任意。如圖，是一個簡單的例子。141第五節 矢量數據和柵格數據的轉換二、 柵格矢量轉換 柵格數據到矢量數據轉換的一般過程可描述為：1、二值化 由于掃描后的圖像是以不同灰度級存儲的，為了進行柵格數

45、據矢量化的轉換，需壓縮為兩級(0和1)，稱為二值化。地圖掃描灰度影像直方圖 142第五節 矢量數據和柵格數據的轉換2、二值圖像的預處理 對于掃描輸入的圖幅，由于原稿不干凈等原因，總是會出現一些飛白、污點、線劃邊緣凹凸不平等。 圖象預處理 143第五節 矢量數據和柵格數據的轉換3、細化 所謂細化就是將二值圖像象元陣列逐步剝除輪廓邊緣的點，使之成為線劃寬度只有一個象元的骨架圖形。細化后的圖形骨架既保留了原圖形的絕大部分特征，又便于下一步的跟蹤處理。 細化的基本過程是：(1)確定需細化的象元集合；(2)移去不是骨架的象元；(3)重復，直到僅剩骨架象元。144第五節 矢量數據和柵格數據的轉換(1)、(

46、2)是可剝去的，而(3)、(4)的中心點是不可剝去的。 145第五節 矢量數據和柵格數據的轉換如果是對掃描后的地圖圖像進行細化處理，應符合下列基本要求：（1）保持原線劃的連續性；（2）線寬只為一個象元；（3）細劃后的骨架應是原線劃的中心線；（4）保持圖形的原有特征。146第五節 矢量數據和柵格數據的轉換4、追蹤細化后的二值圖像形成了骨架圖，追蹤就是把骨架轉換為矢量圖形的坐標序列。其基本步驟為：（1）從左向右，從上向下搜索線劃起始點，并記下坐標。（2）朝該點的8個方向追蹤點，若沒有，則本條線的追蹤結束，轉(1)進行下條線的追蹤；否則記下坐標。（3）把搜索點移到新取的點上，轉（2）。 注意的是，已

47、追蹤點應作標記，防止重復追蹤。147第五節 矢量數據和柵格數據的轉換5、拓撲化為了進行拓撲化，需找出線的端點和結點，以及孤立點。（1）孤立點：8鄰城中沒有為1的象元。如圖(1)。（2）端點：8鄰城中只有一個為1的象元。如圖(2)。（3）結點：8鄰城中有三個或三個以上為1的象元。如圖（3）。148第五節 矢量數據和柵格數據的轉換拓撲化 149第十二章 地理空間數據的質量GIS數據質量的研究是GIS的重要研究內容之一。長期以來，對GIS數據及其分析結果的誤差分析和處理方法的研究，一直處于滯后狀況，缺乏評定GIS的數據質量以及分析結果的可靠性的必要方法。150第一節 GIS數據質量的概念關于數據質量

48、研究的目的、意義、內容和類型以及評定數據質量的指標構成了數據質量的整體概念。關于評定指標，不同的數據使用目的，可能存在差別。151第一節 GIS數據質量的概念一、什么是GIS的數據質量 GIS的數據質量是指GIS中空間數據(幾何數據和屬性數據)在表達空間位置、屬性和時間特征時所能達到的準確性、一致性、完整性以及三者統一性的程度。152第一節 GIS數據質量的概念二、GIS數據質量研究的目的 GIS數據質量研究的目的是建立一套空間數據的分析和處理的體系，包括誤差源的確定、誤差的鑒別和度量方法、誤差傳播的模型、控制和削弱誤差的方法等，使未來的GIS在提供產品的同時，附帶提供產品的質量指標，即建立G

49、IS產品的合格證制度。 從應用的角度，可把GIS數據質量的研究分為兩大問題。當GIS錄入數據的誤差和各種操作中引入的誤差已知時，計算GIS最終生成產品的誤差大小的過程稱為正演問題。而根據用戶對GIS產品所提出的誤差限值要求，確定GIS錄入數據的質量稱為反演問題。顯然，誤差傳播機制是解決正反演問題的關鍵。153第一節 GIS數據質量的概念三、研究GIS數據質量的意義 研究GIS數據質量對于評定GIS的算法、減少GIS設計與開發的盲目性都具有重要意義。如果不考慮GIS的數據質量，那么當用戶發現GIS的結論與實際的地理狀況相差較大時，GIS會失去信譽。154第一節 GIS數據質量的概念四、GIS的數

50、據質量的內容和類型1、GIS數據質量的基本內容GIS數據質量包含如下五個方面：（1）位置精度：如數學基礎、平面精度、高程精度等，用以描述幾何數據的質量。（2）屬性精度：如要素分類的正確性、屬性編碼的正確性、注記的正確性等，用以反映屬性數據的質量。（3）邏輯一致性：如多邊形的閉合精度、結點匹配精度、拓撲關系的正確性等。（4）完備性：如數據分類的完備性、實體類型的完備性、屬性數據的完備性、注記的完整性等。（5）現勢性：如數據的采集時間、數據的更新時間等。155第一節 GIS數據質量的概念2、空間數據的誤差類型GIS空間數據的誤差可分為源誤差和處理誤差。156第一節 GIS數據質量的概念（1） 源誤

51、差源誤差是指數據采集和錄入中產生的誤差，包括：1遙感數據：攝影平臺、傳感器的結構及穩定性、分辯率等。2測量數據：人差(對中誤差、讀數誤差等)、儀差(儀器不完善、缺乏校驗、未作改正等)、環境(氣候、信號干擾等)。3屬性數據：數據的錄入、數據庫的操作等。4GPS數據：信號的精度、接收機精度、定位方法、處理算法等。5地圖：控制點精度，編繪、清繪、制圖綜合等的精度。6地圖數字化精度：紙張變形、數字化儀精度、操作員的技能等。157第一節 GIS數據質量的概念（2） 處理誤差處理誤差是指GIS對空間數據進行處理時產生的誤差，例如在下列處理中產生的誤差就是處理誤差。1幾何糾正；幾何糾正所用控制點的精度、糾正

52、的數學模型精度是產生這類誤差的主要原因。2坐標變換；控制點的布局、精度、轉換的數學模型是產生這類誤差的主要原因。3幾何數據的編輯；在編輯過程中，結點、線的移動，交點的增加、刪除、移動等都會產生編輯誤差。158第一節 GIS數據質量的概念4屬性數據的編輯；屬性取值的合理性是主要誤差產生原因。5空間分析(如多邊形疊置等)；疊加算法的自動取舍、誤差容限的給定是主要原因。6圖形化簡(如數據壓縮)；壓縮算法是主要原因。7數據格式轉換；數據格式轉換會丟失數據信息，如拓撲關系信息、屬性信息等。8計算機截斷誤差；與算法規則有關。9空間內插；與內插的算法有關，與數據點的分布有關。10矢量柵格數據的相互轉換。與算

53、法有關，與二值化和細線化有關。二值化和細線化會影響線的中心位置的確定。柵格分辨率也是影響因素。159第一節 GIS數據質量的概念（3） GIS中的誤差傳播誤差傳播是指對有誤差的數據，經過處理生成的GIS產品也存在著誤差。誤差傳播在GIS中可歸結為三種方式。1代數關系下的誤差傳播：這是指對有誤差的數據進行代數運算后，所得結果的誤差。2邏輯關系下的誤差傳播：即指在GIS中對數據進行邏輯交、并等運算所引起的誤差傳播，如疊置分析時的誤差傳播。3推理關系下的誤差傳播：這是指不精確推理所造成的誤差。160第二節 GIS數據質量的研究方法數據質量的研究涉及數據問題的檢查方法、評價方法和標準等內容。161第二

54、節 GIS數據質量的研究方法一、GIS數據質量問題的檢查方法 發現數據錯誤，探測數據精度和準確性，是研究數據質量的前提。GIS中對數據質量檢查的方法主要有直接評價、間接評價和非定量描述等。162第二節 GIS數據質量的研究方法1、 直接評價法（1）用計算機程序自動檢測 某些類型的錯誤可以用計算機軟件自動發現，數據中不符合要求的數據項的百分率或平均質量等級也可由計算機軟件算出。例如，可以檢測文件格式是否符合規范、編碼是否正確、數據是否超出范圍等。 （2）隨機抽樣檢測 在確定抽樣方案時，應考慮數據的空間相關性。 163第二節 GIS數據質量的研究方法2、間接評價法 所謂間接評價法是指通過外部知識或

55、信息進行推理來確定空間數據的質量的方法。用于推理的外部知識或信息如用途、數據歷史記錄、數據源的質量、數據生產的方法、誤差傳遞模型等。164第二節 GIS數據質量的研究方法3、非定量描述法 非定量描述法是指通過對數據質量的各組成部分的評價結果進行的綜合分析來確定數據的總體質量的方法。165第二節 GIS數據質量的研究方法二、研究GIS數據質量的常用方法1、敏感度分析法 一般而言，精確確定GIS數據的實際誤差非常困難。為了從理論上了解輸出結果如何隨輸入數據的變化而變化，可以通過人為地在輸入數據中加上擾動值來檢驗輸出結果對這些擾動值的敏感程度。然后根據適合度分析，由置信域來衡量由輸入數據的誤差所引起

56、的輸出數據的變化。166第二節 GIS數據質量的研究方法為了確定置信域，需要進行地理敏感度測試，以便發現由輸入數據的變化引起輸出數據變化的程度，即敏感度。這種研究方法得到的并不是輸出結果的真實誤差，而是輸出結果的變化范圍。對于某些難以確定實際誤差的情況，這種方法是行之有效的。 在GIS中，敏感度檢驗一般有以下幾種：地理敏感度、屬性敏感度、面積敏感度、多邊形敏感度、增刪圖層敏感度等。敏感度分析法是一種間接測定GIS產品可靠性的方法。167第二節 GIS數據質量的研究方法2、尺度不變空間分析法 地理數據的分析結果應與所采用的空間坐標系統無關，即為尺度不變空間分析，包括比例不變和平移不變。尺度不變是

57、數理統計中常用的一個準則，一方面在能保證用不同的方法能得到一致的結果，另一方面又可在同一尺度下合理地衡量估值的精度。 也就是說，尺度不變空間分析法使GIS的空間分析結果與空間位置的參考系無關，以防止由基準問題而引起分析結果的變化。168第二節 GIS數據質量的研究方法3、Monte Carlo實驗仿真 由于GIS的數據來源繁多，種類復雜，既有描述空間拓撲關系的幾何數據，又有描述空間物體內涵的屬性數據。對于屬性數據的精度往往只能用打分或不確定度來表示。對于不同的用戶，由于專業領域的限制和需要，數據可靠性的評價標準并不相同。因此，想用一個簡單的、固定不變的統計模型來描述GIS的誤差規律似乎是不可能

58、的。在對所研究問題的背景不十分了解的情況下，Monte Carlo實驗仿真是一種有效的方法。169第二節 GIS數據質量的研究方法Monte Carlo實驗仿真首先根據經驗對數據誤差的種類和分布模式進行假設，然后利用計算機進行模擬試驗，將所得結果與實際結果進行比較，找出與實際結果最接近的模型。對于某些無法用數學公式描述的過程，用這種方法可以得到實用公式，也可檢驗理論研究的正確性。170第二節 GIS數據質量的研究方法4、空間濾波 獲取空間數據的方法可能是不同的，既可以采用連續方式采集，也可采用離散方式采集。這些數據采集的過程可以看成是隨機采樣，其中包含傾向性部分和隨機性部分。前者代表所采集物體

59、的實際信息，而后者是由觀測噪聲引起的。171第二節 GIS數據質量的研究方法 空間濾波可分為高通濾波和低通濾波。高通濾波是從含有噪聲的數據中分離出噪聲信息；低通濾波是從含有噪聲的數據中提取信號。例如經高通濾波后可得到一隨機噪聲場，然后用隨機過程理論等方法求得數據的誤差。 對GIS數據質量的研究，傳統的概率論和數理統計是其最基本的理論基礎，同時還需要信息論、模糊邏輯、人工智能、數學規劃、隨機過程、分形幾何等理論與方法的支持。172第二節 GIS數據質量的研究方法三、數據采集中數據質量的評價內容 GIS中數據采集的方法通常可分為直接方法和間接方法兩種。直接方法是指直接從野外采集，以獲取觀測數據、圖

60、像等，間接方法是指從已有的圖件上進行采集。 直接方法獲 取的數據受人差、儀差、環境等的影響，但已有傳統的方法可以解決。間接方法獲取的數據中，除了含有直接方法中的誤差外，還有展繪控制點的誤差、編繪的誤差、制圖綜合的誤差，數字化的誤差等。 地圖數字化是獲取矢量數據的主要方法之一，也是GIS中的重要誤差源，是GIS數據質量研究的重點之一。在地圖數字化中，原圖固有誤差和數字化過程中引入的誤差是兩個主要的誤差源。下面對地圖數字化的數據誤差作一分析。173第二節 GIS數據質量的研究方法1、地圖固有誤差的來源和類型 在地圖的固有誤差中，除了含有控制點和碎部點引入的誤差外，至少存在下列誤差：（1）控制點展繪