GIS课程教案( 空间数据处理).ppt

地理信息系统原理GIS第五章 空间数据的处理 §5-1 坐标变换§5-2 图形编辑§5-3 拓扑关系的自动建立§5-4 图形的裁剪、合并 与图幅接边§5-5 空间插值§5-6 数据压缩与光滑§5-7 空间数据格式转换 一、编辑操作二、关键算法一、点线拓扑关系自动建立二、多边形拓扑关系自动建立一、图形的裁剪二、图形的合并三、图幅接边一、边界内插二、趋势面分析三、局部内插四、移动平均法一、数据压缩二、曲线光滑二、几何纠正 一、图幅数据的坐标变换三、地图投影变换 一、矢量向栅格二、栅格向矢量地理信息系统原理GIS一、图幅数据的坐标变换1、比例尺变换：乘系数2、变形误差改正：通过控制点利用高次变换、二次变换和仿射变换加以改正3、坐标旋转和平移即数字化坐标变换，利用仿射变换改正4、投影变换：三种方法第五章 空间数据的处理§5-1 坐标变换几 何 变 换 返回地理信息系统原理GIS二、几何纠正 ￿￿其中A、B代表二次以上高次项之和上式是高次曲线方程，符合上式的变换称为高 次变换式中有12个未知数，所以在进行高次变换时，需要有6对以上控制点的坐标 和理论值，才能求出待定系数第五章 空间数据的处理§5-1 坐标变换1、高次变换2、二次变换当不考虑高次变换方程中的A和B时，则变成二次曲线方程，称为二次变换。

二 次变换适用于原图有非线性变形的情况，至少需要5对控制点的坐标及其理论值 ，才能解算待定系数 地理信息系统原理GIS3、仿射变换实质是两坐标系间的旋转变换设图纸变形引起x,y两个方向比例尺不同，当x,y比例尺相同时，为相似变换第五章 空间数据的处理§5-1 坐标变换特性：￿￿·直线变换后仍为直线；￿￿·平行线变换后仍为平行线；￿￿·不同方向上的长度比发生变化￿￿求解上式中的6个未知数，需不在一直线上的3对已知控制点，由 于误差，需多余观测，所以，用于图幅定向至少需要四对控制点返回地理信息系统原理GISTransformation in ArcGIS地理信息系统原理GIS三、地图投影变换 1、解析变换法￿￿1）反解变换法(又称间接变换法) 第五章 空间数据的处理§5-1 坐标变换假定原图点的坐标为x,y(称为旧坐标)， 新图点的坐标为X，Y(称为新坐标)，则 由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为 ：2）正解变换法(又称直接变换法)地理信息系统原理GISProjections and Transformations in ArcGIS 地理信息系统原理GIS2、数值变换法 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），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投影间的变换关 系式。

第五章 空间数据的处理§5-1 坐标变换例如，采用二元三次多项式进行变换:通过选择10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 算系数地理信息系统原理GISSpatial Adjustment In ArcGIS地理信息系统原理GIS3、数值解析变换法当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先 通过数值变换求出原投影点的地理坐标φ，λ，然后代入 新投影公式中，求出新投影点的坐标即：￿￿第五章 空间数据的处理§5-1 坐标变换地理信息系统原理GIS§5-2 图形编辑图形编辑是一交互处理过程， GIS具备的图形编辑功能的要求是：1）具有友好的人机界面，即操作灵活、易于理解、响应迅速等；2）具有对几何数据和属性编码的修改功能，如点、线、面的增加、删除、修改等 ；3）具有分层显示和窗口操作功能，便于用户的使用 第五章 空间数据的处理图形编辑又叫数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑 加工，其主要的目的是在改正数据差错的同时，相应地改正数字化资料的图形地理信息系统原理GIS一、编辑操作1）结点吻合(Snap)或称结点匹配、结点咬合，结点附和方法：A、 结点移动，用鼠标将其它两点移到另一点；B、 鼠标拉框，用鼠标拉一个矩形，落入该矩形内的结点坐标通过求它们的 中间坐标匹配成一致；C、 求交点，求两条线的交点或其延长线的交点，作为吻合的结点；D、自动匹配，给定一个吻合容差，或称为咬合距，在图形数字化时或之后 ，将容差范围内的结点自动吻合成一点。

第五章 空间数据的处理§5-2 图形编辑一般，若结点容差设置合理，大多数结点能够吻合在一起， 但有些情况还需要使用前三种方法进行人工编辑 1、结点的编辑地理信息系统原理GIS2）结点与线的吻合编辑的方法：A、 结点移动，将结点移动到线目标上B、 使用线段求交；C、编辑时自动咬合，在给定容差内，自动求交并吻合在一起第五章 空间数据的处理§5-2 图形编辑ABDCE在数字化过程中，常遇到一个结点与一个线 状目标的中间相交由于测量或数字化误差， 它不可能完全交于线目标上，需要进行编辑， 称为结点与线的吻合3）需要考虑两种情况A、 要求坐标一致，而不建立拓扑关系；如 高架桥（不需打断，直接移动）B、 不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关系；如 道路交叉口（需要打断）无结点有结点地理信息系统原理GIS编辑时自动咬合 Snapping in ArcGIS地理信息系统原理GISTopology Edit Tool Modify Feature地理信息系统原理GIS2、图形编辑包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个 点、线、面实体1）删除和增加一个顶点删除顶点，在数据库中不用整体删除与目标有关的数据，只是 在原来存储的位置重写一次坐标，拓扑关系不变。

增加顶点，则操作和处理都要复杂不能在原来的存储位置上 重写，需要给一个新的目标标识号，在新位置上重写，而将原来 的目标删除，此时需要做一系列处理，调整空间拓扑关系2）移动一个顶点移动顶点只涉及某个点的坐标，不涉及拓扑关系的维护，较简 单3）删除一段弧段复杂，先要把原来的弧段打断,存储上原来的弧段实际被删除， 拓扑关系需要调整和变化.第五章 空间数据的处理§5-2 图形编辑jkjkabL3L1L2地理信息系统原理GISEdit Tool--Modify Feature地理信息系统原理GIS3、数据检查与清理数据检查指拓扑关系的检查，结点是否匹配，是否存在悬挂弧段，多边形是否封闭 ，是否有假结点要求系统能将有错误或不正确的拓扑关系的点、线和面用不同的颜色和符号表示出来 ，以便于人工检查和修改第五章 空间数据的处理§5-2 图形编辑数据清理则是用自动的方法清除空间数据的错误.例如给定一个结点吻合的容差使该容差范围内的结点自动吻合在一起，并建立 拓扑关系给定悬挂弧段容差，将小于该容差的短弧自动删除4、撤消与恢复编辑Undo,Redo功能是必要的但功能的实现是困难的当撤消编辑，即恢复目标， 要恢复目标的标识和坐标、拓扑关系。

这一处理过程相当复杂.因此，有些GIS不在图形编辑时实时建立和维护拓扑关系，如Arc/Info等，而在 图形编辑之后，发Clean 或Build命令重新建立拓扑关系这样，在每次进行任何 一次编辑，都要重新Clean 或Build，对用户不便ARCGIS拓扑关系实时维护N1N2A2N1N2A2地理信息系统原理GIS二、关键算法可设一捕捉半径D(通常为3～5个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定)第五章 空间数据的处理§5-2 图形编辑1、点的捕捉设光标点为S(x,y)，某一点状要素的坐标为A(X，Y)若S和A的距离d小于D则认为捕捉成功，即认为找到的点是A，否则失败，继续搜索其它点乘方运算影响了搜索的速度，因此，把距离d的计算改为：捕捉范围由圆改为矩形，这可大大加快搜索速度 地理信息系统原理GIS2、线的捕捉 设光标点坐标为S(x,y)，D为捕捉半径，线的 坐标为(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)通过计算S到该 线的每个直线段的距离d若min(d1,d2,…dn-1)＜D，则认为光标S捕捉到了 该条线，否则为未捕捉到加快线捕捉的速度的方法：1）在实际的捕捉中，可每计算一个距离di就进行 一次比较，若di＜D，则捕捉成功，不需再进行下 面直线段到点S的距离计算了。

2）把不可能被光标捕捉到的线，用简单算法去除 3）对于线段也采用类似的方法处理4）简化距离公式：点S(x,y)到直线段(x1,y1),(x2,y2)的距离d的计 算公式为：第五章 空间数据的处理§5-2 图形编辑简化为：地理信息系统原理GIS3、面的捕捉实际上就是判断光标点S(x,y)是否在多边形内，若在多 边形内则说明捕捉到判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法或转角法垂线法的基本思想是从光标点引垂线(实际上可以是任意 方向的射线)，计算与多边形的交点个数若交点个数为奇数则说明该点在多边形内；若交点个数为 偶数，则该点在多边形外加快速度的方法：1）找出该多边形的外接矩形，若光标点落在该矩形中，才 有可能捕捉到该面，否则放弃对该多边形的进一步计算和判 断2）对不可能有交点的线段应通过简单的坐标比较迅速去除 3）运用计算交点的技巧 第五章 空间数据的处理§5-2 图形编辑地理信息系统原理GIS§5-3 拓扑关系的自动建立一、点线拓扑关系的自动建立第五章 空间数据的处理a1a2N1 N2N3N4a3a1a2N1 N2N3a1a2N1 N2N3N4a3a4(b)(a)(c)结点-弧段表Oid起结点终结 点a1 a2N1 N2N2 N3Oid弧段 号 N1 N2 N3a1 a1,a2 a2弧段-结点表1、在图形采集和编辑中实时建立 Oid起结点终结 点a1 a2 a3N1 N2 N2N2 N3 N4Oid弧段 号 N1 N2 N3 N4a1 a1,a2,a3 a2 a3Oid起结点终结 点a1 a2 a3 a4N1 N2 N2 N4N2 N3 N4 N3Oid弧段 号 N1 N2 N3 N4a1 a1,a2,a3 a2,a4 a3,a42、在图形采集和编辑之后自动 建立，其基本原理与前类似。

地理信息系统原理GIS二、多边形拓扑关系自动建立1、链的组织1）找出在链的中间相交的情况，自动切成新链；2）把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号2、结点匹配1） 把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取 多个端点的平均值2）对结点顺序编号 3、检查多边形是否闭合通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行.§5-3 拓扑关系的自动建立第五章 空间数据的处理多边形不闭合的原因：1）由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端 点未匹配；2）由于数字化误差较大，或数字化错误，这些 可以通过图形编辑或重新确定匹配限差来确定3）还可能这条链本身就是悬挂链，不需参加多 边形拓扑，这种情况下可以作一标记，使之不参 加下一阶段拓扑建立多边形的工作地理信息系统原理GIS4、建立多边形 1）概念a、顺时针方向构多边形：指多边形是在链的右侧b、最靠右边的链：指从链的一个端点出发，在这条 链的方向上最右边的第一条链，实质上它也是左边最 近链a的最右边的链为d c、多边形面积的计算§5-3 拓扑关系的自动建立第五章 空间数据的处理当多边形由顺时针方向构成时，面积为正；反之，面积为负地理信息系统原理GIS2）建立多边形的基本过程 1° 顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链。

2° 取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作为下一条链3° 是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转4°；否，转2°4°取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转2°；若 这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转1°§5-3 拓扑关系的自动建立第五章 空间数据的处理例：1°从P1开始，起始链定为P1P2,从P2点算起，P1P2最右边边的链为链为 P2P5；从P5算起，P2P5最 右边边 的链为链为 P5P1,.形成的多边形为P1P2P5P12°从P1。