地理信息系统景海涛9th.ppt

第五章第五章 空间数据采集与处理空间数据采集与处理一、数据源种类一、数据源种类二、空间数据采集二、空间数据采集三、空间数据的编辑与处理三、空间数据的编辑与处理四、空间数据的处理四、空间数据的处理五、空间数据不确定性五、空间数据不确定性Real WorldObjects（（Point、、line、、polygon））Geo_Spatial Data数据特点，数数据特点，数据组织、数据据组织、数据结构、数据压结构、数据压缩等等缩等等如何采集？如何采集？如何处理？如何处理？Ø地理信息系统的数据源是多种多样的，总的来说，地理信息地理信息系统的数据源是多种多样的，总的来说，地理信息系统的数据可以分为图形图像数据与文字数据两大类系统的数据可以分为图形图像数据与文字数据两大类Ø就就GIS数据源的状态而论，可分为原始数据（第一手数据）和数据源的状态而论，可分为原始数据（第一手数据）和经过处理加工后的数据（第二手数据）；经过处理加工后的数据（第二手数据）；Ø而按数据源的记录方式来说，则可分为电子数据和非电子数而按数据源的记录方式来说，则可分为电子数据和非电子数据两类GIS工作者面临的大多数数据为第二手数据工作者面临的大多数数据为第二手数据。

一、数据源种类一、数据源种类项　目　目第一手数据第一手数据第二手数据第二手数据非非电子数据子数据地面地面测量数据、航空像片、手簿量数据、航空像片、手簿记录数据、社会数据、社会经济调查地地图、、统计图表表电子数据子数据全站全站仪实测数据、数据、GPS观测数据、数据、数字数字摄影影测量、遥感数据、量、遥感数据、现代代地球物理、地球化学数据地球物理、地球化学数据计算机数据算机数据库存存储数据数据l地图地图lRSl统计数据统计数据l实测数据实测数据l数字数据数字数据l各种文字和文件各种文字和文件数据源种数据源种类可以概类可以概括以下六括以下六大类大类地图地图中国最早的古地图汉代古地图l纸质地图易变形纸质地图易变形l地图现势性差地图现势性差l经常需要地图投影变换经常需要地图投影变换清代的实测地图清代的实测地图《《皇舆全览图皇舆全览图》》RS数据数据快速、准确获取大面积、快速、准确获取大面积、综合的各种信息综合的各种信息l统计数据：各种国民经济的统计数据，统计数据：各种国民经济的统计数据，如人口数量等如人口数量等l实测数据：实测数据：GPS、、Total_Stationl数字数据：数字图形数据和属性数据数字数据：数字图形数据和属性数据l各种文字报告和立法文件各种文字报告和立法文件二、空间数据采集二、空间数据采集属性数据的获取与输入属性数据的获取与输入属性数据的编码属性数据的编码 属性数据的输入属性数据的输入 Ø属性数据即空间实体的特征数据，主要定义空间数据或属性数据即空间实体的特征数据，主要定义空间数据或制图特征所表示的内容，一般包括名称、等级、数量、制图特征所表示的内容，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。

代码等多种形式Ø属性数据获取主要在于资料的收集，在建立地理信息系属性数据获取主要在于资料的收集，在建立地理信息系统之前，首先要进行详细的用户调查，确定需要存储那统之前，首先要进行详细的用户调查，确定需要存储那些属性信息、属性数据应当些属性信息、属性数据应当如何编码如何编码以及信息的来源等以及信息的来源等 属性数据的编码属性数据的编码 1：测量控制点 11：平面控制点12：高程控制点13：其他控制点1101：三角点1102：导线点11011：一等11012：二等11013：三等11014：四等国国家家基基础础信信息息数数据据分分类类与与代代码码举举例例Table_1”Join”Table_2属性数据的输入属性数据的输入 图形数据的获取与输入图形数据的获取与输入l全野外数字测图全野外数字测图l地图数字化地图数字化lRS数据处理数据处理l摄影测量摄影测量测量车测量车 大部分商用大部分商用GIS软件都定义了外部数据交换格式，一般为软件都定义了外部数据交换格式，一般为ASCII文件，可以直接阅读如文件，可以直接阅读如ArcGIS的的e00文件、文件、MapInfo的的MID/MIF文件等。

这样，从系统文件等这样，从系统A的内部数据转换到系统的内部数据转换到系统B，可，可能需要经过能需要经过2~3次转换如图所示，先从次转换如图所示，先从A的内部文件转到的内部文件转到A的的交换文件，如果交换文件，如果B系统能够直接读取系统能够直接读取A系统的交换文件，需要转系统的交换文件，需要转换两次否则要从换两次否则要从A的外部交换文件到的外部交换文件到B的外部交换文件，再从的外部交换文件，再从B的外部交换到的外部交换到B的内部文件，就需要经过三次转换的内部文件，就需要经过三次转换系统系统A内部文件内部文件系统系统A外部交换文件外部交换文件系统系统B内部文件内部文件系统系统B外部交换文件外部交换文件交换交换交换交换二次转换二次转换 由于由于GIS软件系统很多，每一个系统都不可能提供直接读软件系统很多，每一个系统都不可能提供直接读写所有商用写所有商用GIS软件的外部数据文件的程序因此，为了方便软件的外部数据文件的程序因此，为了方便地进行空间数交换，也为了尽量减少空间数据交换所造成的信地进行空间数交换，也为了尽量减少空间数据交换所造成的信息损失，使之更加科学化和标准化，许多国家和国际组织制定息损失，使之更加科学化和标准化，许多国家和国际组织制定了空间数据交换标准，如美国的了空间数据交换标准，如美国的STDI。

我国也制定了相应的空我国也制定了相应的空间数据交换格式（间数据交换格式（CNSDTF）标准有了空间数据交换的标准）标准有了空间数据交换的标准格式以后，每个系统都提供读写这一标准格式的空间数据的程格式以后，每个系统都提供读写这一标准格式的空间数据的程序，可以避免大量的编程工作，而且数据转换只需要两次序，可以避免大量的编程工作，而且数据转换只需要两次 系统系统A A内部文件内部文件标准空间数据交标准空间数据交换文件换文件系统系统B B内部文件内部文件准备扫描图像准备扫描图像栅格图像配准栅格图像配准新建数字化图层新建数字化图层屏幕跟踪矢量化地图屏幕跟踪矢量化地图选择投影和单位选择投影和单位输入控制点输入控制点编辑控制点编辑控制点 数据处理涉及的内容很广泛，主要取决于原始数据的特点和数据处理涉及的内容很广泛，主要取决于原始数据的特点和用户的具体需求，一般包括数据变换（坐标变换）、数据重构用户的具体需求，一般包括数据变换（坐标变换）、数据重构（数据结构变换）、数据提取等内容数据处理是针对数据本身（数据结构变换）、数据提取等内容数据处理是针对数据本身完成的操作，不涉及内容的分析因此，空间数据处理又称为数完成的操作，不涉及内容的分析。

因此，空间数据处理又称为数据形式的操作据形式的操作v 数数据据变变换换：：指指数数据据从从一一种种数数学学状状态态到到另另一一种种数数学学状状态态的的变变换换，， 包括几何纠正、投影转换和辐射纠正，以解决几何配准问题；包括几何纠正、投影转换和辐射纠正，以解决几何配准问题；v数数据据重重构构：：指指数数据据从从一一种种格格式式到到另另一一种种格格式式的的转转换换，，包包括括结结构构转换、格式变换、类型替换等；转换、格式变换、类型替换等；v数数据据提提取取：：指指对对数数据据进进行行某某种种有有条条件件的的提提取取，，包包括括类类型型提提取取、、窗口提取、空间内插等窗口提取、空间内插等三、空间数据的编辑与处理三、空间数据的编辑与处理 (a) 平移平移(b) 缩放缩放(b) 旋转旋转比例尺变换比例尺变换变形误差消除变形误差消除坐标旋转和平移坐标旋转和平移投影变换投影变换1 空间数据的坐标变换空间数据的坐标变换设设 为为输入设备输入设备坐标，坐标， 为理论坐标为理论坐标, 为为地图两坐标轴方向的实际比例尺，两坐标系夹角为地图两坐标轴方向的实际比例尺，两坐标系夹角为 ，，坐标系原点平移坐标系原点平移 ，其坐标变换公式为：，其坐标变换公式为： 设：设：四、空间数据的处理四、空间数据的处理空间数据的坐标变换空间数据的坐标变换 上式中，有六个未知参数，因此，需要知道不在同一上式中，有六个未知参数，因此，需要知道不在同一直线上的三对控制点（已知坐标数据点），才能求得上述直线上的三对控制点（已知坐标数据点），才能求得上述六个参数，为了对坐标变换进行检核，实际工作中常利用六个参数，为了对坐标变换进行检核，实际工作中常利用四个以上控制点进行几何纠正。

四个以上控制点进行几何纠正 三个或三个以上已知控制点参与坐标变换时，采用最小三个或三个以上已知控制点参与坐标变换时，采用最小二乘原理解算二乘原理解算 上上式式是是高高次次曲曲线线方方程程，，符符合合上上式式的的变变换换称称为为高高次次变变换换式式中中有有1212个个未未知知数数，，所所以以在在进进行行高高次次变变换换时时，，所所以以至至少少需需要要有有6 6对以上控制点的坐标和理论值，才能求出待定系数对以上控制点的坐标和理论值，才能求出待定系数空间数据的坐标变换空间数据的坐标变换配准配准几何纠正几何纠正投影变换投影变换Ø投投影影转转换换是是指指当当系系统统使使用用来来自自不不同同地地图图投投影影的的图图形形数数据据时时，，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；Ø投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等l正解变换：正解变换：l反解变换：反解变换：l数值变换：采用插值法、差分法等实现坐标变换数值变换：采用插值法、差分法等实现坐标变换球面球面地地 理理坐标系坐标系地地 理理极坐标极坐标平面平面平面直平面直角坐标角坐标平面极平面极坐坐 标标基本元素基本元素线段线段面积面积角度角度建立平面与球面的关系，并以基本公式表示建立平面与球面的关系，并以基本公式表示空间数据处理空间数据处理 利用若干同名数字化点（对同一点利用若干同名数字化点（对同一点在两种投影中均已知其坐标的点），在两种投影中均已知其坐标的点），采用插值法、有限差分法或多项式逼采用插值法、有限差分法或多项式逼近的方法，即用数值变换法来建立两近的方法，即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式。

投影间的变换关系式 例如，采用二元三次多项式进行变换例如，采用二元三次多项式进行变换: 通过选择通过选择10个以上的两种投影之间的共同点，并组成最小个以上的两种投影之间的共同点，并组成最小二乘法的条件式，进行解算系数二乘法的条件式，进行解算系数投影变换之投影变换之数值变换法数值变换法 五、空间数据不确定性五、空间数据不确定性l人们认知世界过程中，除了测量误差之外，客观事物人们认知世界过程中，除了测量误差之外，客观事物中还存在更多的不确定性，表现为模糊性、不明确性、中还存在更多的不确定性，表现为模糊性、不明确性、不稳定性、未知性、不可知性不稳定性、未知性、不可知性l不确定性是比误差更广的一个概念，可以视为一种广不确定性是比误差更广的一个概念，可以视为一种广义误差义误差什么是误差？什么是正确度？什么是精什么是误差？什么是正确度？什么是精密度？密度？空间数据不确定性的含义空间数据不确定性的含义空间数据不确定性的来源空间数据不确定性的来源l客观本体的不确定性客观本体的不确定性不同地貌类型之间的过渡性不同地貌类型之间的过渡性l人类认知能力的局限性人类认知能力的局限性恐龙灭绝的原因、仅仅依靠恐龙灭绝的原因、仅仅依靠RS还不能还不能解决解决“同物异谱同物异谱”、、“同谱异物同谱异物”问问题题lGIS数据获取、分析过程中的不确定性：数据获取、分析过程中的不确定性：ü数字化过程数字化过程ü野外数据采集野外数据采集ü数据模式转换数据模式转换lRS数据获取、处理过程中的不确定性数据获取、处理过程中的不确定性ü大气条件、大气条件、RS平台的不稳定性平台的不稳定性ü几何纠正、多源数据融合几何纠正、多源数据融合误差误差评定评定方差方差（中误差）（中误差）协方差协方差不确定性（广义误差）不确定性（广义误差）不不确确定定性性问问题题，，或或者者是是数数据据质质量量控控制制问问题题基基本本理理论论就就是是利利用用概概率率论论理理论进行数据处理（平差）论进行数据处理（平差）空间数据不确定性模型空间数据不确定性模型点实体位置不确定性评价模型点实体位置不确定性评价模型点位真误差点位真误差点位中误差点位中误差点落入该椭圆的概率为点落入该椭圆的概率为P线实体位置不确定性评价模型线实体位置不确定性评价模型线实体的位置不确定性模型可以从点实体出发来推导，实际线实体的位置不确定性模型可以从点实体出发来推导，实际上是围绕线实体本身的一个误差带上是围绕线实体本身的一个误差带最简单的是最简单的是 带模型，沿着线实体的两侧等距离地产生一带模型，沿着线实体的两侧等距离地产生一个平行于该线实体的条带个平行于该线实体的条带 的大小是以线的端点以及与线的垂直方向的中误差来确定的的大小是以线的端点以及与线的垂直方向的中误差来确定的设直线设直线 上的点上的点 在在 和和 方向上的中误差方向上的中误差 为为 和和 ，，点点 的坐标：的坐标： 当当线位置不确定模型误差带模型线位置不确定模型误差带模型概率密度分布函数概率密度分布函数面实体位置不确定性评价模型面实体位置不确定性评价模型真实位置真实位置不确定区间不确定区间面面由由多多边边形形边边界界定定义义，，因因此此，，对对面面实实体体的的不不确确定定性性评评价价完完全全可可以以参参照照对对线线实实体体的的位位置置不确定性评价模型不确定性评价模型空间数据不确定性的传递空间数据不确定性的传递线性函数的误差传递线性函数的误差传递设有线性函数设有线性函数 ，则：，则：推导过程如下：推导过程如下：GIS数据不确定性传递数据不确定性传递空间位置的不确定性传递数据主要集中在边和边的空间位置的不确定性传递数据主要集中在边和边的交点上，而交点的不确定性是由产生该交点的两条交点上，而交点的不确定性是由产生该交点的两条的不确定性决定的（边的不确定性传递到交点上，的不确定性决定的（边的不确定性传递到交点上，产生交点的不确定性）产生交点的不确定性）叠置分析叠置分析多边形叠置分析中交点的不确定性多边形叠置分析中交点的不确定性如右图如右图为了求为了求 P 点的不确定性，就是要知道其点的不确定性，就是要知道其方差方差----协方差矩阵，必须求出协方差矩阵，必须求出 和和 端点的方差端点的方差----协方差矩阵及协方差矩阵及P点坐点坐标标所有端点的方差所有端点的方差----协方差矩阵：协方差矩阵：P点坐标及点坐标及P的方差的方差-----协方差矩阵协方差矩阵量测缓冲区量测缓冲区缓冲区分析中的不确定性传递缓冲区分析中的不确定性传递l冗余误差（冗余误差（R-error））:是指不属于真实缓冲区而被错误地划是指不属于真实缓冲区而被错误地划到量测缓冲区中的位置，（以到量测缓冲区中的位置，（以“假假”当当“真真”）；）；l遗漏误差（遗漏误差（O-error））:是指未被量测缓冲区包含的且属于真是指未被量测缓冲区包含的且属于真实缓冲区中的区域，（以实缓冲区中的区域，（以“真真”当当“假假”）。

点元缓冲区误差实例点元缓冲区误差实例点量测位置点量测位置真实缓冲区真实缓冲区冗余误差冗余误差遗漏误差遗漏误差点真实位置点真实位置点元缓冲区不确定性分析点元缓冲区不确定性分析 思路：思路：1.点集构成真实缓冲区和量测缓冲区点集构成真实缓冲区和量测缓冲区2.计算冗余误差和遗漏误差计算冗余误差和遗漏误差3.根据误差传播计算概率密度函数根据误差传播计算概率密度函数。