地理信息系統概論第五章空間數據采集與處理內容提要空間數據源種類一空間數據采集二空間數據處理三空間數據質量及精度分析四一、空間數據源種類地圖數據：普通圖、專題圖遙感數據：航天遙感、航空遙感、地面遙感……地形數據：來源于已建立的數字高程模型(DEM)和其他實測的地形數據屬性數據：統計報表、年鑒、實測紀錄……空間數據結構的建立根據用戶需求確定數據項目根據數據項目確定數據源數據分類與編碼確定數據模型和數據結構數據輸入與編輯矢量數據輸入與編輯柵格數據輸入與編輯矢量數據庫柵格數據庫二、空間數據采集1、空間數據的分類與編碼空間數據的分類，是指根據系統功能及國家規范和標準，將具有不同屬性或特征的要素區別開來的過程，以便從邏輯上將空間數據組織為不同的信息層(見下圖)；1、空間數據的分類與編碼空間數據的編碼：是指將數據分類的結果，用一種易于被計算機和人識別的符號系統表示出來的過程，編碼的結果是形成代碼。代碼由數字或字符組成。例如，我國基礎地理信息數據的分類代碼由六位數字組成，其代碼結構如下所示：

× × ×× × ×

大類碼小類碼一級代碼二級代碼識別位

大類碼、小類碼、一級代碼和二級代碼分別用數字順序排列。識別位由用戶自行定義，以便于擴充。國家基礎信息數據分類與代碼舉例

1：測量控制點

11：平面控制點12：高程控制點13：其他控制點1102：三角點1103：導線點11021：一等11022：二等11023：三等11024：四等編碼的原則系統性和科學性一致性標準化和通用性簡捷性可擴展性編碼的方法層次分類編碼法多源分類編碼法1、空間數據的分類與編碼空間對象的層次分類編碼按照分類對象的從屬和層次關系為排列順序。有林地731跡地735土地利用類型:7園地72耕地71牧草地74林地73灌木地732疏林地733未成林林地734闊葉樹疏林地7332針葉樹疏林地7331空間對象的多源分類編碼按空間對象不同特性進行分類并進編碼代碼之間沒有隸屬關系，反映對象特性具有較大的信息量，有利于空間分析河流特性分類與編碼通航情況通航：1不通航：2常年河：1時令河：2消失河：3

<1km：1<2km：2<5km：3<10km：4>10km：5流水季節河流寬度河流長度河流深度

5~10m：110~20m：220~30m：330~60m：460~120m：5120~300m：6300~500m：7>500m：8

<1m：11~2m：22~5m：35~20m：420~50m：5>50m：62、柵格數據的采集透明格網采集輸入掃描數字化輸入其他數據傳輸和轉換輸入透明格網采集單位格網交點歸屬法單位格網面積占優法單位柵格長度占優法3、矢量數據的采集矢量數據的輸入，是指將分類和編碼的空間對象圖形轉換為一系列x、y坐標，然后按照確定的數據結構加入到線段或標識點計算機數據文件中去。跟蹤數字化自動矢量化數據編輯建立拓撲關系圖形控制(圖像配準)跟蹤數字化—使用Tablet手扶跟蹤數字化儀：一種用來記錄和跟蹤地圖點、線位置的手工數字化設備。感應板標識器跟蹤數字化—使用Tablet(續)Point-modeStream-modeSelectingpointstodigitize三、空間數據處理空間數據處理數據變換數據重構數據提取幾何糾正投影變換輻射糾正結構轉換格式變換類型替換數據拼接邊沿匹配類型提取窗口提取布爾提取空間內插GIS中的坐標地球坐標經度、緯度地圖投影變換地圖投影變換地圖坐標直角坐標屏幕顯示坐標數字化儀、掃描儀坐標用戶坐標物理坐標1、空間數據的坐標變換ChangeofpositionanddirectionChangeofscaleChangesinshapeandsize坐標變換方法等積變換(Equiarea

Transformation)

Allowsrotationandpreservesshapeandsize相似變換(Similarity

Transformation)

Allowsrotationandpreservesshapebutnotsize仿射變換(Affine

Transformation)

Allowsangulardistortionbutpreservesparallelismoflines

Parallellinesremainparallellines投影變換(Projective

Transformation)

Allowsbothangularandlengthdistortions坐標變換基本原理YXxyPααa0b0OO’平移旋轉縮放數字化時的坐標變換DigitizingtabletcoordinatesystemMapcoordinatesystem2、投影變換目的：將某一研究區域不同投影方式的圖件統一起來。因此需將一種投影方式轉換成另一種投影方式。通常有三種方式：（1）正解變換x,y→嚴密的解析解→X,Y（2）反解變換x,y→B,L→X,Y（3）數值變換x,y→數值計算→X,Y3、矢量數據壓縮Linesimplification-processofsimplifyingorgeneralizingalinebyremovingsomeofitspoints基本元素：點、線、面壓縮對象：線壓縮方法：垂距法、光欄法、Douglas-Peucker垂距法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d＜D，則中間點去掉；若d≥D，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。壓縮算法好，可在數字化時實時處理，每次判斷下一個數字化的點，且計算量較小；缺點是有可能刪去特征點。光欄法定義一個扇形區域，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。算法簡單，速度快，但有時會將曲線的彎曲極值點p值去掉而失真。Douglas-Peucker將一曲線首末點連成直線，找出與該直線垂直距離最大的點。如該距離小于誤差限制值，則刪去該曲線上所有內點；如大于限制值，則將該曲線分成兩段，再分別重復上述步驟。該方法能減少刪除特征點的可能性，但計算工作量大，且只有所有數據完成數字化后才能壓縮。ExampleofDouglas-PeuckeralgorithmAteachstage:Original13points,aftersimplification6points.ExampleofDouglas-PeuckeralgorithmThreshold:5metersBlacksolid:originallines;Reddash:aftersimplificationThreshold:10meters4、數字化誤差類型1）幾何數據的不完整或重復；2）幾何數據的位置不正確；3）比例尺不正確；4）變形；5）幾何數據與屬性數據的連接有誤；6）屬性數據錯誤、不完整。CausesforDigitizingErrorsHumanerrorsinmanualdigitizingErrorsinscanningandtracingErrorsinconvertingdigitizedmapintoreal-worldcoordinates拓撲錯誤ViolationoftopologicalrelationshipsUnclosedpolygonsGapsbetweenpolygonsOverlappingpolygonsDanglingnodesUndershootsOvershoots圖層數據之間錯誤或誤差LinefeaturesfromonelayerthatdonotconnectwiththoseofanotherlayerPointfeaturesofonelayerdonotalignwithlinefeaturesofanotherlayer圖形編輯圖形編輯又叫數據編輯、數字化編輯，是指對地圖資料數字化后的數據進行編輯加工，其主要的目的是在改正圖形及數據的差錯。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：具有友好的人機界面，即操作靈活、易于理解、響應迅速等；具有對幾何數據和屬性編碼的修改功能，如點、線、面的增加、刪除、修改等；具有分層顯示和窗口操作功能，便于用戶的使用。

結點的編輯結點捕捉(Snap)：或稱結點匹配、結點附和。方法：結點移動、鼠標拉框、求交點、自動匹配。結點與線的捕捉：在數字化過程中會遇到一個結點與一個線狀目標的中間相交。由于誤差，它不可能完全交于線目標上，需要進行編輯，稱為結點與線的捕捉。方法：結點移動、使用線段求交、自動編輯。ABDCE圖形編輯示例

包括用鼠標增加或刪除一個點、線、面實體，移動、旋轉一個點、線、面實體。刪除頂點增加頂點

移動頂點刪除一段弧段jkjkabL3L1L25、空間數據的內插方法空間數據內插概念設已知一組空間數據，它們可以是離散點的形式，也可以是分區數據的形式，空間數據的內插就是從這些數據中找到一個函數關系式，使該關系最好地逼近這些已知的空間數據，并能根據該函數關系式推求出區域范圍內其他任意點或任意分區的值。空間數據內插方法根據已知點和已知分區數據的不同，將空間數據內插分為點的內插區域的內插5、空間數據的內插方法一、點內插

插值過程中，由于取樣的數據點呈離散分布形式，或者數據點雖然按格網排列，但格網的密度不能滿足使用的要求，這樣就需要以數據點為基礎進行插值運算。插值運算的手段是選擇一個合理的數學模型，使用已知點上的信息求出函數的待定系數。通常采用：逐點內插局部函數內插5、空間數據的內插方法（1）逐點內插

移動擬合法是典型的逐點內插法。移動擬合法是指對每一個待定點取用一個多項式曲面擬合該點附近的地表面。此時取待定點作平面坐標的原點，并用待定點為圓心，以R為半徑的圓內取數據點來定義函數的待定系數。數學模型設取二次多項式來擬合，則待求點的高程可寫成一般式為：

zp=Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F上式中有6個待定系數，至少取用6個點的數據代入方程，求解待定系數。5、空間數據的內插方法當取用的數據點多于6個時，則以數據點高程z作為觀測值，可列出誤差方程式

Q=Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F-Z

并以數據點到待求點的距離給予適當的權重，按最小二乘法平差原理求解。權值應與距離成反比，間距愈近，對待求點測定值的影響應愈大。如取

W=1/d2或(

(R-d)/d)2

式中：d為待定點到數據點間的水平距離，

R為定義函數待定參數時所求的圓半徑。該方法稱為按距離加權最小二乘內插算法。5、空間數據的內插方法（2）局部函數內插局部函數法通常以格網小塊為加密區，采用低次項函數擬合地表面。線性內插雙線性多項式內插雙三次多項式（樣條函數）5、空間數據的內插方法①線性內插當分塊插值區的地表面為一平面，按直線比例內插待定點的高程。數學模型使用最靠近待定點的3個數據點來定義函數。設待定點高程為zp，則線性內插函數為：

zp=a0+a1x+a2y

將3個數據點的坐標值代入，聯立求解出系數a0

，a1

，

a2

，待定點在給予平面坐標xp，yp之后，即可求出內插高程zp.5、空間數據的內插方法

②雙線性多項式內插當分塊插值區內待定點的高程在軸x（和y

）平行的方向上與坐標y（和x）成直線比例關系。數學模型設待定點的高程為zp，則按雙線性多項式內插的函數式為：

zp=a0+a1x+a2y+a3xy此時取最靠近的4個數據點定義函數的待定參數。5、空間數據的內插方法

③雙三次多項式（樣條函數）當分塊插值區用雙三次多項式即樣條函數模擬地表面時。數學模型設待定點的高程為zp，函數式為：

zp=f(x，y)=a1x3y3+a2x2y3+a3xy3+a4y3+a5x3y2+a6x2y2+a7xy2+a8y2+a9x3y+a10x2y+a11xy+a12y+a13x3+a14x2+a15x+a16

需要4個格網節點的數據，以及x和y方向的斜率、曲面的扭曲來定義函數的待定值。雙三次多項式樣條函數是正方形格網布點時內插加密常用方法之一。5、空間數據的內插方法點內插實現過程①數據取樣：數據整理過程，包括簡單的數據插值運算、數據檢查等；②數據內插方法選擇：根據數據特點，選擇數學模型進行數據內插運算；③數據記錄：將內插結果按一定的數據結構形式，存儲起來，供系統使用。5、空間數據的內插方法主要方法：疊置法比重法

區域內插主要解決離散屬性數據問題。研究的目標是從已知分區的數據(如社會經濟數據)中推出同一地區的另一組分區數據。如：

已知某地區各縣中歷年的人口分布數據，但因行政區劃分使該地區中某些縣的邊界線發生了變化，現在需要推算新行政區中歷年的人口分布數據，就可用這種插值方法。

二、區域內插人口面積A357B306C103ACBC1A1B1歷史區現實區5、空間數據的內插方法主要過程：(1)在歷史區上疊加滿足精度的格網，將歷史區內的各格網賦予平均。(2)按鄰域法平滑數據，計算公式可用四鄰域或八鄰域法。四鄰域法公式：zij=(zi+1,j+zi-1,j+zi,j+1+zi,j-1)／4

八鄰域法公式：zij=(zi+1,j+zi-1,j+zi,j+1+zi,j-1+zi+1,j+1+zi+1,j-1+zi-1,j+1+zi-1,j-1)／8區域內插方法-比重法比重法使用平滑密度函數5、空間數據的內插方法(3)按四鄰域或八鄰域法平滑數據，求平滑后區域內各網格值之和。如按四鄰域法求U1A，U1B，U1C

，得到數據的變化率，檢查是否符合要求。

PA=UA

／U1A

PB=

UB

／U1B

PC=

UC

／U1C(4)若數據變化率不符合要求，各格網值乘以變化率，得到調整后的格網值，再進行第二次平滑。如此循環，直到區域數據的變化率滿足要求。5、空間數據的內插方法例證：區域內插方法-比重法

已知某地區有A、B、C三個區域，并已知該三個區域的面積和人口數，人口數分別為UA、UB

、UC

，如下圖所示。現將該區域重新劃分A1、B1

、C1三個區域，如圖，請用區域屬性數據的插值法求A1、B1

、C1三個區域的面積和人口數。人口面積A357B306C103ACBC1A1B1歷史區現實區5、空間數據的內插方法(1)在歷史區上疊加滿足精度的格網。將歷史區內的各格網賦予平均值。假設整個區域分為4x4柵格，求出：

A區每個柵格值為35／7=5.0

B區每個柵格值為30／6=5.0

C區每個柵格值為10／3=3.3

如圖所示人口面積A357B306C1035.05.05.05.05.05.03.33.35.05.05.03.35.05.05.05.0圖歷史區ABC5、空間數據的內插方法

(2)對圖歷史區數據做第一次平滑后，得圖1-1。5.05.05.05.05.03.33.35.05.05.03.35.05.05.05.05.05.04.44.25.04.64.63.95.05.04.24.45.05.05.04.2注：在進行鄰域法平滑計算（zij=(zi+1,j+zi-1,j+zi,j+1+zi,j-1)／4）時，當點在邊緣時，應除2或3。圖歷史區數據圖1-1第一次平滑數據4.65.05.05.03.35.05.05.05.03.34.6+++=()/4z22=5、空間數據的內插方法5.05.05.05.05.05.03.33.35.05.05.03.35.05.05.05.05.05.04.44.25.04.64.63.95.05.04.24.45.05.05.04.2(3)計算數據的變化率，對結果（圖1-1）進行調整。計算各分區變化率：

PA=UA／U1A=35／33.2(5.0+5.0+5.0+5.0+4.6+4.4+4.2)=1.05

PB=UB／U1B=30／28.4(5.0+5.0+5.0+5.0+4.2+4.2)=1.06

PC=UC／U1C=10／12.9(4.6+3.9+4.4)=0.78計算第一次平滑調整值：各個網點值×分區變化率

調整后得到圖1-2第一次平滑調整值圖歷史區數據圖1-1第一次平滑值5.35.34.64.45.34.83.63.05.35.34.53.45.35.35.34.5圖1-2第一次平滑調整值5、空間數據的內插方法(4)反復進行（2）、（3）計算，直到數據的變化率滿足要求（接近1），或者相應分區的格網值比較一致時，計算結束。5.05.05.05.05.05.03.33.35.05.05.03.35.05.05.05.05.05.04.44.25.04.64.63.95.05.04.24.45.05.05.04.2圖歷史區數據圖1-1第一次平滑值5.35.34.64.45.34.83.63.05.35.34.53.45.35.35.34.5圖1-2第一次平滑調整值5.34.94.43.85.14.94.23.85.35.04.44.05.35.34.84.4計算變化率PA=35／33.7=1.04PB=30／29.2=1.03PC=10／12.0=0.835.55.14.64.05.35.13.53.25.55.24.53.35.55.54.94.5圖2-1第二次平滑值圖2-2第二次平滑調整值5、空間數據的內插方法(5)當變化率滿足要求時，計算目標區的內插值。現實區內插值如下：A1區：5.5+5.3+5.5+5.2+4.5=26

B1區：5.5+5.5+4.9+4.5+5.2+4.5=30C1區：5.1+5.1+4.6+3.5+4.0=22C122A126B1305.55.14.64.05.35.13.53.25.55.24.53.35.55.54.94.5現實區內插值滿足變化率最終調整值5、空間數據的內插方法

在進行平滑，以及變化率計算時，分區范圍使用的是歷史區的范圍；當平滑結束后，現實區內插值使用現實區提供的范圍。C122A126B1305.55.14.64.05.35.13.53.25.55.24.53.35.55.54.94.5現實區內插值滿足變化率最終調整值6、圖幅數據邊沿匹配處理小心地修改空間數據庫中點和矢量的坐標，以維護數據庫的連續性；先對準兩幅圖的一條邊緣線，然后再小心地調整其它線段使其取得連續。圖幅數據邊緣匹配處理，一般可采用二種方法來調整邊界。6、圖幅數據邊沿匹配處理1、識別和檢索相鄰圖幅的數據利用輸入數據時的圖幅編碼，將相鄰圖幅聯系在一起。有時為了減少數據量，也可考慮僅提取邊沿數據，進行目標匹配，然后再將其合并，完成邊沿處理。圖幅數據邊沿數據匹配示意圖幅編號及圖幅邊沿數據的提取6、圖幅數據邊沿匹配處理追蹤拼接法：符合下列條件，兩條線段即可匹配銜接：①相鄰圖幅邊界兩條弧段的左右碼各自相同或相反②相鄰圖幅同名邊界點在某一許可的范圍內。2、相鄰圖幅邊界點坐標數據的匹配追蹤拼接法6、圖幅數據邊沿匹配處理通過邊沿處理，組成較大區域的連續圖幅的數據后，需對屬性相同的圖斑合并。3相同屬性多邊形公共界線的刪除6、圖幅數據邊沿匹配處理邊沿匹配前原始數據匹配處理邊沿匹配后數據7、遙感與GIS數據的融合RS信息特點：周期動態性、信息豐富、獲取效率高。GIS的特點：高效的空間數據管理和靈活的空間數據綜合分析能力兩者的融合能大大提高數據信息的利用效率。常用的融合方法：遙感圖像與圖形的融合遙感數據與DEM的融合

(GoogleEarth、ArcGISExplorer)遙感圖像與地圖掃描圖像的融合1、遙感與GIS數據的融合7、遙感與GIS數據的融合這種影像地圖具有一定的數學基礎，有豐富的光譜信息與幾何信息有行政界線和屬性信息提高了用戶的可視化效果；并使用戶能夠方便的得到各種統計信息，如：某個行政單元的土地利用類型、數量等。經過正射糾正后的遙感影像，與數字地圖信息融合，可產生影像地圖。具有如下特點：(1)遙感圖像與GIS數據的融合7、遙感與GIS數據的融合有助于實施遙感影像的幾何校正與配準，消除遙感圖像中因地形起伏所造成的像元位移，提高遙感圖像的定位精度；DEM可參與遙感圖像的分類，改善分類精度提高GIS空間分析能力。(2)遙感數據與DEM的融合7、遙感與GIS數據的融合

將不同時期的遙感圖像配準疊合，可以從遙感圖像中快速發現已發生變化的區域，進而實現GIS數據庫的自動／半自動快速更新。2000年(TM)1998年(SPOT)2、多衛星、多時相遙感數據融合水系與DEM復合道路與DEM復合居民點與DEM復合居民點與DEM復合8、不同格式數據的融合—轉換器通過各系統定義的交換文件進行不同格式數據的融合—數據標準由系統提供向標準格式轉換的功能不同格式數據的融合—公共接口數據互操作，實際上是數據訪問標準的定義OGCSafe公司的F