第四章空間數(shù)據獲取

1、第四章 地理空間數(shù)據獲取鄒逸江目錄 地理空間數(shù)據獲取內容 地圖數(shù)字化獲取DLG數(shù)據 數(shù)字攝影測量獲取DLG數(shù)據 GNSS獲取DLG數(shù)據 等高線計算獲取DEM數(shù)據 遙感數(shù)據計算獲取DOM數(shù)據 MMS車測量獲取DMI數(shù)據 地理空間數(shù)據質量控制1.地理空間數(shù)據獲取內容 地理空間數(shù)據是GIS的血液，整個GIS都是圍繞地理空間數(shù)據展開的 地理空間數(shù)據種類：DLG、DRG、DOM、DEM和DMI 地理空間數(shù)據獲取內容：空間位置、空間屬性和空間關系 只有DLG具有空間位置、空間屬性和空間關系，DRG、DOM、DEM、DMI具有空間位置和空間屬性2.地圖數(shù)字化獲取DLG數(shù)據 地圖數(shù)字化是GIS中獲取地理空間數(shù)

2、據的主要手段 地圖數(shù)字化是實現(xiàn)紙質地圖到電子地圖轉換的前提 地圖數(shù)字化主要目標是獲取DLG數(shù)據或矢量地圖數(shù)據 地圖數(shù)字化有兩種方式：手扶跟蹤數(shù)字化 和掃描矢量數(shù)字化手扶跟蹤數(shù)字化 通過手扶數(shù)字化儀獲取矢量地圖數(shù)據 三個步驟：連數(shù)字化儀、圖版定向、矢量化和輸入屬性、圖形編輯、自動建立拓撲關系 連數(shù)字化儀：計算機與數(shù)字化儀連接 圖版定向：建立數(shù)字化儀坐標系與地理坐標系的關系 矢量化：沿著紙質地圖上的地理要素進行數(shù)字化，獲取矢量地圖數(shù)據 輸入屬性：輸入地理要素的屬性 圖形編輯：對矢量化錯的地理要素坐標數(shù)據和屬性數(shù)據進行增、刪、改 自動建立拓撲關系：自動建立地理要素之間的拓撲關系掃描矢量數(shù)字化 將紙質

3、地圖掃描成圖像（二值、灰度、彩色）得到DRG數(shù)據，通過屏幕數(shù)字化獲取矢量地圖數(shù)據 屏幕數(shù)字化三種方式：屏幕矢量化、交互式矢量化和自動矢量化 屏幕矢量化：完全手工矢量化 交互式矢量化：采取人機交互的方式，線和面狀地理要素自動化效率較高 自動矢量化：計算機自動矢量化，如等高線可實現(xiàn)自動矢量化 掃描矢量數(shù)字化幾個步驟：圖像編輯、圖像二值化、圖像細化、圖像定位、矢量化和輸入屬性、圖形編輯、自動建立拓撲關系 圖像編輯：除噪聲（臟點、毛刺）、分割連線、擦除、連接斷線 圖像二值化：將灰度或彩色圖像轉變成二值圖像 圖像細化：細化將一條線細化為只有一個像素寬單相互聯(lián)通的骨架 圖像定位：建立屏幕坐標系與地理坐標系

4、的關系 矢量化：將DRG圖像數(shù)字化成DLG矢量地圖數(shù)據 輸入屬性：輸入地理要素的屬性 圖形編輯：對矢量化錯的矢量地圖坐標數(shù)據和屬性數(shù)據進行增、刪、改 自動建立拓撲關系：自動建立地理要素之間的拓撲關系圖像編輯除噪前后掃描圖像的“毛刺”和“凹陷孔洞” 圖像編輯粘連點刪除前后 圖像編輯斷裂線增加前后 圖像二值化二值化前后圖像細化 細化，就是不斷去除曲線上不影響連通性的輪廓像素的過程 保證細化后曲線的連通性 細化結果是原曲線的中心線 ，保留細線端點 目前已經提出了許多線細化算法，如內接圓法、經典算法、異步算法、快速并行算法及并行八邊算法等 圖像細化線細化的結果圖像定位 基本原理：尋找圖像上已知幾個控制

5、點的理論坐標，以及屏幕上相對坐標，根據控制點的個數(shù)建立相應的方程解算系數(shù)，確定方程函數(shù)式 仿射變換： 二元二次變換：222111cybxaYcybxaX2222222211121121fyexdycxybxaYfyexdycxybxaX矢量化和輸入屬性自動建立拓撲關系 人工建立拓撲關系 拓撲前錯誤數(shù)據的圖形編輯 拓撲關系自動建立 拓撲關系錯誤自動檢查圖形編輯3.攝影測量獲取DLG數(shù)據 我國1：1萬和1：5萬地形圖采用攝影測量 攝影方式：航空攝影（垂直投影）和地面攝影（傾斜投影） 航空攝影存在兩種誤差：像片傾斜誤差（恢復攝影方位）和投影誤差（微分糾正） 攝影測量手段：常規(guī)攝影測量、解析攝影測量、

6、全數(shù)字攝影測量、近景攝影測量、三維激光掃描測量、多基線立體攝影測量常規(guī)攝影測量 由于像片存在誤差，用一系列儀器來恢復攝影方位和糾正投影誤差 整個比例尺相同得到正射影像 儀器：糾正儀、微分糾正儀、單投影儀和數(shù)字微分糾正儀 糾正后的影像重新曝光獲得正射投影的影像 用于曬蘭獲得紙質圖 人工描繪紙質圖上的地理要素獲得地圖解析攝影測量 攝影測量介質是航空像片或衛(wèi)星像片 恢復攝影方位和糾正投影誤差用計算機實現(xiàn)，即用計算機實現(xiàn)內定向、相對定向和絕對定向 用機械、光學和電學原理重現(xiàn)地形表面三維立體（航向重疊5565，旁向重疊30） 搖動手輪和腳盤，移動測標于地形表面上即得地理要素X、Y、Z坐標 事后通過圖形編

7、輯手段獲取屬性數(shù)據全數(shù)字攝影測量 攝影測量介質是數(shù)字航空像片或數(shù)字衛(wèi)星像片 恢復攝影方位和糾正投影誤差用計算機實現(xiàn)，即用計算機實現(xiàn)自動內定向、自動相對定向和自動絕對定向 用計算機和光學眼鏡重現(xiàn)地形表面三維立體（航向重疊5565，旁向重疊30） 搖動手輪和腳盤，移動測標于地形表面上即得地理要素X、Y、Z坐標 事后通過圖形編輯手段獲取屬性數(shù)據全數(shù)字攝影測量系統(tǒng) 全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)的思想（武漢大學于20世紀70年代中期，王之卓院士） 我國具有自主知識產權的全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)主要有VirtuoZo、JX4和DPGrid VirtuoZo數(shù)字攝影測量工作站（武漢大學于20世紀80年代初期，張祖勛院士 ）

8、 JX4數(shù)字攝影測量工作站（中國測繪研究院于20世紀90年代中期，劉先林院士 ） DPGrid數(shù)字攝影測量網格（武漢大學于21世紀初 期，張祖勛院士 ） 數(shù)字攝影測量推廣應用全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)RS簡介 處理數(shù)據對象：航片或衛(wèi)片遙感數(shù)據，得出DLG、DOM、DEM 定義：通過非接觸傳感器遙測物體幾何與物理特性的技術。接受、傳輸、處理、分析判讀和應用遙感數(shù)據全過程為遙感技術 電磁波譜：r射線、x射線、紫外、可見光、紅外、微波、無線電、聲波、交流電 可遙感的電磁波譜分類：紫外、可見光、紅外、微波 組成：遙感平臺、傳感器、數(shù)據接收、數(shù)據處理、分析解譯、矢量化 遙感平臺分類：地面（人、運載工具）、航空（

9、氣球、飛機）、航天（火箭、衛(wèi)星、飛船、航天飛機） 傳感器分類：光學攝影、光電成像、雷達 遙感方式：被動式（光學攝影類、光電成像類）、主動式（雷達類） 分辨率分類：地面分辨率、影像分辨率、灰度分辨率、波譜分辨率、時間分辨率 數(shù)據接收：回收式、傳輸式（中繼衛(wèi)星） 數(shù)據處理：圖像復原（幾何校正、輻射校正）、圖像增強（形式和特征）、圖像分類（識別和劃分）、圖像復合 分析解譯：幾何特征、物理性質 數(shù)字化：DLG、DOM、DEM 著名的遙感衛(wèi)星（Quickbird、Ikonos、Landsat、Spot、JERS1、ERS1、ENVISAT1、 IRS、EROS 、RADARSAT1、 CBERS、中國資

10、源二號、航天飛機）衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位與定軌與定軌遙感信遙感信息傳輸息傳輸目標提取、識別與目標提取、識別與變化監(jiān)測變化監(jiān)測(自動化、智能化自動化、智能化)數(shù)據處理數(shù)據處理(高光譜、高分辨率、雷達高光譜、高分辨率、雷達)分發(fā)分發(fā)多源數(shù)據融合與集成多源數(shù)據融合與集成用戶用戶遙感成像機理遙感成像機理與模型與模型GeoEye-1GeoEye-1（0 04141）QuickbirdQuickbird（0 06161）IkonosIkonos（1 10 0米）米）LandsatLandsat（15153030米）米）SPOT 5號全色波段圖像（號全色波段圖像（5米）米）SPOT 5 號假彩色合成圖像（號假彩色

11、合成圖像（5米）米）SPOT 7號全色波段圖像（號全色波段圖像（2.5米）米）CBERSCBERS1 1（2020米）米）JERSJERS1 1（1818米）米）ERSERS1 1（3030米）米）ENVISATENVISAT1 1（3030米）米）RADARSATRADARSAT1 1（3030米）米）中國資源二號全色波段圖像（中國資源二號全色波段圖像（15米）米）中國資源二號數(shù)據與中國資源二號數(shù)據與TM融合結果融合結果美國美國SRTM雷達地表影像（雷達地表影像（2000，2）ASTER風云一號第一張展寬云圖HY-1水色掃描儀三通道合成圖水色掃描儀三通道合成圖中分辨率成像光譜儀圖像 國外著名

12、的軟件：ERDAS（USA ERDAS）、ENVI（USA Research System INC）、ER Mapper（澳大利亞ERM）、PCI Geomatica（加拿大PCI）、GEOimage（法國）、Intergraph（USA）、Helava（Leica） 國內著名的軟件： IRSA（中科院）、 VirtuoZo （武大）、（武大）、JX4ADPW（中測（中測院）、院）、 DPGrid （武大）（武大）近景攝影測量 傾斜攝影，兩個不同角度同時對物體進行攝影 近景攝影測量原理：通過二臺高分辨率的相機對被測物同時拍攝，得到物體的2個二維影像，經計算機圖像匹配處理后得到精確的三維坐標 拍

13、攝物體表面紋理，通過計算機處理得到三維立體輪廓圖 三維立體輪廓圖貼上紋理得到逼真的物體三維仿真圖像三維激光掃描測量 三維激光掃描測量技術是近幾年來發(fā)展起來的一項高新技術，利用這一先進技術，要快速獲取特定目標的立體模型 主要由三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件組成，其工作目標就是快速、方便、準確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型 可更精密地用來測量古建筑和珍貴文物的三維模型。根據實際工作的應用需要，由模型可以生成斷面圖、投影圖、等值線圖等，并可將模型以Auto CAD和Microstation的格式輸出 多基線立體攝影測量4. GNSS獲取DLG數(shù)據 GNSS是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)簡稱 GNSS由GPS、GL

14、ONASS、 GALILEO、北斗一號構成，現(xiàn)在通常、北斗一號構成，現(xiàn)在通常由由GPS替代替代 通過GPS野外采集數(shù)據 技術之間集成（GISGPS）GNSSGNSS簡介簡介 處理對象：DGD，為DLG、DOM、DEM定位 定義：利用衛(wèi)星不斷向地面發(fā)送加載了特殊定位信息的無線電信號來實現(xiàn)地面定位測量的系統(tǒng) 種類：GPS、GLONASS、GALILEO 、北斗 組成：衛(wèi)星星座（時間、測距、坐標信號）、地面控制部分（測定軌道坐標、時鐘差異、軌道糾正）、用戶部分（接收信號、計算位置） 定位前提：能觀測到至少4顆衛(wèi)星，3顆用于定位，一顆用于時鐘檢測 1993年6月23日部署完畢 軍用精碼（P1、P2碼，

15、1米）、民用粗碼（C/A碼，30米）和M碼 廣播星歷：軌道坐標、鐘差參數(shù)、電離層延遲改正 24顆衛(wèi)星覆蓋全球，18顆定位，6顆候補 GPS信號易干擾性（GPS干擾機）、P碼捕獲的非獨立性 、星歷更新的強依他性 、高緯度地區(qū)信號差 差分計算精度：偽距35米，相位距厘米級GPS無無SASA時：時：C/AC/A碼單點定位精度碼單點定位精度 15-30m15-30m有有SASA時：時：C/AC/A碼單點定位精度碼單點定位精度 100 m100 m 軍用軍用P P碼單點定位精度碼單點定位精度 1 m1 mGPS衛(wèi)星衛(wèi)星基準站（坐標已知）GPS衛(wèi)星衛(wèi)星差分定位精度偽距：5m相 位 ： 厘 米 級 到毫米級

16、 待定站（坐標未知）GLONASS 于1997年正式部署完畢 從1997年到2000年，俄羅斯就沒有發(fā)射補網衛(wèi)星 期望到2008-2010年將衛(wèi)星增加到16-18顆 精密信號（SP，57-70米 ）和高精密信號（HP） 人們對俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)不是很放心GALILEO 論證階段（2000-2001） 系統(tǒng)研制和在軌驗證階段（2001-2005） 星座布設階段（2006-2007） 運營階段（從2008年開始？） 伽里略是第一個用于民用的衛(wèi)星定位和導航系統(tǒng) 伽里略的精度要優(yōu)于GPS,對于某一特定的應用，伽里略系統(tǒng)定位精度可達1米 充分考慮了和GPS的兼容問題北斗 目前有三顆定位衛(wèi)星在軌運

17、行 定位精度為：平面20米100米，高程10米 計劃2007年初發(fā)射兩顆北斗衛(wèi)星，2008年左右滿足中國及周邊地區(qū)用戶 目前我軍正在進行二代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的設計論證工作，現(xiàn)已立項 未來必將發(fā)展成為全球無源三維導航定位系統(tǒng),由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成 定位精度為10米 GNSS數(shù)據采集GPS采集道路數(shù)據 新增或改建道路很多 數(shù)字地圖的現(xiàn)勢性較差，影響到軍事和國民經濟建設 更新道路手段：常規(guī)技術、遙感技術、GPS技術 GPS技術經濟實用 關鍵技術：GPS數(shù)據接受、GPS數(shù)據差分、GPS數(shù)據坐標系轉換、GPS數(shù)據與DLG集成、集成數(shù)據的GIS處理、成果輸出原理圖衛(wèi)星衛(wèi)星1衛(wèi)星衛(wèi)星

18、2衛(wèi)星衛(wèi)星nGPS接收機接收機1GPS接收機接收機1GPS導航儀導航儀坐標數(shù)據與屬性數(shù)據坐標數(shù)據與屬性數(shù)據GIS數(shù)據處理數(shù)據處理成果數(shù)據成果數(shù)據GPS野外實測野外實測數(shù)據后處理數(shù)據后處理成果輸出成果輸出前期準備前期準備資料準備資料準備無線通訊無線通訊GNSS數(shù)據采集RSRS與與GPSGPS集成采集數(shù)據集成采集數(shù)據 處理數(shù)據對象：DOM 集成方式一：數(shù)據之間集成（DOM） 集成方式二：技術之間集成（RSGPS） 關鍵技術：利用差分GPS獲取攝影機三維坐標、空間控制取代地面控制、幾何處理影像、坐標系轉換、得到DOM衛(wèi)星衛(wèi)星1 1衛(wèi)星衛(wèi)星2 2衛(wèi)星衛(wèi)星3 3衛(wèi)星衛(wèi)星4 4單差分方式相對動態(tài)GPS定位

19、示意圖基準站航攝儀國外領土（敵占島礁）測繪GNSS數(shù)據采集=空基空基3S3S集成：用空集成：用空 地定位模式實現(xiàn)直接對地定位模式實現(xiàn)直接對地觀測，主要目的是在無地面控制點（或有少地觀測，主要目的是在無地面控制點（或有少量地面控制點）的情況下，實現(xiàn)航空航天遙感量地面控制點）的情況下，實現(xiàn)航空航天遙感信息的直接對地定位、偵察、制導、測量等信息的直接對地定位、偵察、制導、測量等 =地基地基3S3S集成：車載、艦載定位導航和對地面集成：車載、艦載定位導航和對地面目標的定位、跟蹤、測量等實時作業(yè)目標的定位、跟蹤、測量等實時作業(yè)GPSGPS接收機接收機電子羅盤電子羅盤CCDCCD相機相機車內裝車內裝備備3

20、530711241150.441.0442.44 等高線生成規(guī)則格網DEM包括：移動二元曲面法、距離加權平均法、斷面法、最大坡度法、有限元結合最小二乘配置法等 最大坡度、斷面算法比較適合山地和丘陵地的DEM計算 有限元結合最小二乘配置法適合于平原地區(qū)的DEM計算 移動二元曲面則適合曲率變化比較均勻，地形起伏變化不大的地區(qū)的DEM計算5.等高線計算獲取DEM數(shù)據6.遙感數(shù)據計算獲取DOM數(shù)據 數(shù)字正射影像圖（DOM）是利用DEM對遙感影像（單色或彩色），逐像元進行恢復像元方位糾正、輻射改正、投影（微分）糾正和鑲嵌等處理 并按規(guī)定圖幅范圍裁剪生成的影像數(shù)據，帶有公里格網、圖廓（內、外）整飾和注記的

21、平面圖 DOM同時具有地圖幾何精度和影像特征，精度高、信息豐富、直觀真實、制作周期短 7. MMS車測量獲取DMI數(shù)據 移動測量系統(tǒng)（MMS：Mobile Mapping System）是在行駛的機動車上裝配GPS（全球定位系統(tǒng)）、 GIS、CCD（攝影測量系統(tǒng)）、慣性導航系統(tǒng)（INS）等先進的傳感器和設備 在載體的高速行進之中，通過攝影測量的方式快速采集地物的空間位置數(shù)據和屬性數(shù)據，并同步存儲在系統(tǒng)計算機中 經專門軟件編輯處理，形成所需的部件專題圖數(shù)據、屬性報表數(shù)據和連續(xù)的可量測影像數(shù)據DMI 移動測量系統(tǒng)MMS MMS的DMI測量 二維電子地圖可量測實景影像二維電子地圖遙感影像可量測實景實

22、景影像二維電子地圖三維電子地圖可量測實景實景影像8.地理空間數(shù)據質量控制 數(shù)據質量的基本特點 數(shù)據誤差或不確定性的來源 數(shù)據誤差類型 幾何誤差的檢測和表達 屬性誤差 屬性數(shù)據的不確定性基本特點 準確度：即測量值與真值之間的接近程度，可用誤差衡量 精度：即對要素描述的詳細程度 不確定性：指某要素不能精確測得，當真值不知道或不可測，就無法知道誤差，因而用不確定性取代誤差，如海岸線 相容性：指兩個來源的數(shù)據在同一應用中使用的難易程度，如比例尺不一致 一致性：指對同一要素表達的一致程度，如同一河流在不同地圖上的形狀不同 完整性：指具有同一準確度和精度的數(shù)據在特定空間范圍內是否完整的程度，如缺少數(shù)據 可

23、得性：指獲取或使用數(shù)據的容易程度，如密級和價格 現(xiàn)勢性：指數(shù)據反映客觀要素目前狀況的程度誤差來源數(shù)據處理過程數(shù)據處理過程誤差來源誤差來源數(shù)據搜集野外測量誤差：儀器誤差、記錄誤差遙感數(shù)據誤差：輻射和幾何糾正誤差、信息提取誤差地圖數(shù)據誤差：原始數(shù)據誤差、坐標轉換、制圖綜合及印刷數(shù)據輸入數(shù)字化誤差：儀器誤差、操作誤差不同系統(tǒng)格式轉換誤差：柵格-矢量轉換、三角網-等值線轉換數(shù)據存儲數(shù)值精度不夠空間精度不夠：每個格網點太大、地圖最小制圖單元太大數(shù)據處理分類間隔不合理多層數(shù)據疊合引起的誤差傳播：插值誤差、多源數(shù)據綜合分析誤差比例尺太小引起的誤差數(shù)據輸出輸出設備不精確引起的誤差輸出的媒介不穩(wěn)定造成的誤差數(shù)據使用對數(shù)據所包含的信息的誤解對數(shù)據信息使用不當誤差類型 數(shù)據的誤差主要有四大類，即幾何誤差、屬性誤差、空間關系誤差和邏輯誤差 幾何誤差：要素位置錯誤產生的誤差 屬性誤差：要素屬性錯誤產生的誤差 空間關系誤差：要素關系錯誤產生的誤差 邏輯誤差：幾何誤差、屬性誤差和空間關系誤差都會造成邏輯誤差邏輯誤差邏輯誤差 數(shù)據的不完整性是通過上述四類誤差反映出來的。事實上檢查邏輯誤差，有助于發(fā)現(xiàn)不完整的數(shù)據和其他三類誤差。 對數(shù)據進行質量控制或質量保證或質量評價，一般先從數(shù)據的邏輯性檢查入手 其中橋或停車場等與道路是相接的，如果數(shù)據庫中只有橋或停車場，而沒有與道路相連，則說明道路數(shù)據被