第四講空間數(shù)據(jù)的采集與處理

第4講空間數(shù)據(jù)的采集與處理中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院2009-3-8內(nèi)容5.1空間數(shù)據(jù)采集在GIS中的地位5.2空間數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容與任務(wù)5.3GIS的數(shù)據(jù)來(lái)源5.4空間數(shù)據(jù)采集5.5空間數(shù)據(jù)的編輯與處理5.6空間數(shù)據(jù)質(zhì)量及其精度分析4.1空間數(shù)據(jù)采集在GIS中的地位空間數(shù)據(jù)的采集是指將非數(shù)字化形式的各種信息通過(guò)某種方法數(shù)字化，并經(jīng)過(guò)編輯處理，變成系統(tǒng)可以存儲(chǔ)管理和分析的形式。空間數(shù)據(jù)的采集主要包括屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的采集對(duì)于屬性數(shù)據(jù)的采集經(jīng)常是通過(guò)鍵盤(pán)直接輸入；圖形數(shù)據(jù)的采集實(shí)際上就是圖形數(shù)字化的過(guò)程。GIS的核心是地理數(shù)據(jù)庫(kù)，建立gis的第一步就是對(duì)有關(guān)空間實(shí)體的幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織，形成地理數(shù)據(jù)庫(kù)，這個(gè)過(guò)程也就是gis的數(shù)據(jù)采集。地理信息系統(tǒng)的價(jià)值及其功能在很大程度上取決于系統(tǒng)內(nèi)所包含的地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容與質(zhì)量以數(shù)據(jù)為處理線索硬件∶軟件∶數(shù)據(jù)=1∶2∶7汽油數(shù)據(jù)GIS技術(shù)數(shù)據(jù)核心數(shù)據(jù)是GIS的血液數(shù)字線劃數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型地物的屬性數(shù)據(jù)4.2空間數(shù)據(jù)采集的主要內(nèi)容與任務(wù)主要內(nèi)容空間圖形數(shù)據(jù)的采集非空間屬性數(shù)據(jù)的采集空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的連接主要任務(wù)將現(xiàn)有的地圖、外業(yè)觀測(cè)成果、航空像片、遙感圖片數(shù)據(jù)、文本資料等轉(zhuǎn)換成GIS可以接受的數(shù)字形式數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)之前進(jìn)行驗(yàn)證、修改、編輯等處理，保證數(shù)據(jù)在內(nèi)容和邏輯上的一致性不同的數(shù)據(jù)來(lái)源要用到不同的設(shè)備和方法數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換裝載數(shù)據(jù)處理：幾何糾正、圖幅拼接、拓?fù)渖傻?.3GIS數(shù)據(jù)來(lái)源統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)地圖存儲(chǔ)介質(zhì)、現(xiàn)勢(shì)性、投影轉(zhuǎn)換遙感、航空影象和數(shù)據(jù)分辨率、變形規(guī)律、糾正、解譯特征地面測(cè)量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)格式、精度多媒體，輔助GIS空間分析和查詢GIS空間數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源分類(lèi)圖形圖像數(shù)據(jù)：地圖工程圖規(guī)劃圖照片航空與遙感影像等文字?jǐn)?shù)據(jù)：調(diào)查報(bào)告文件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)野外調(diào)查的原始記錄等第一手?jǐn)?shù)據(jù)第二手?jǐn)?shù)據(jù)非電子數(shù)據(jù)電子數(shù)據(jù)全站儀、GPS數(shù)據(jù)地球物理、地球化學(xué)遙感數(shù)據(jù)地圖專題地圖統(tǒng)計(jì)圖表平板測(cè)量數(shù)據(jù)工程測(cè)量數(shù)據(jù)筆記航空、遙感相片人口普查社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查各種統(tǒng)計(jì)資料已建各種數(shù)據(jù)庫(kù)GIS數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)初步處理1）已有電子數(shù)據(jù)-----2）紙質(zhì)地圖-----------3）遙感數(shù)據(jù)-----------4）實(shí)地勘測(cè)數(shù)據(jù)-----5）其他統(tǒng)計(jì)資料及文本數(shù)據(jù)-----數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手扶跟蹤數(shù)字化、掃描矢量化、鼠標(biāo)錄入遙感解譯GPS定位儀等儀器測(cè)量鍵盤(pán)錄入地圖是重要的信息源。這不僅是因?yàn)榈貓D的內(nèi)容直觀與豐富，而且是由于在地理信息系統(tǒng)誕生以前，地圖是表示空間與非空間信息強(qiáng)有力的手段，從某種意義上說(shuō)，一冊(cè)完備的專題地圖集是一個(gè)很好的人工操作地理信息系統(tǒng)。遙感影像是地理信息系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的數(shù)據(jù)源。它具有下列一些特點(diǎn)：①能取得大面積、綜合的信息；②速度快；③降低數(shù)據(jù)儲(chǔ)存冗余和不連續(xù)性；④能提供各類(lèi)專題所需要的信息。文字?jǐn)?shù)據(jù)主要用來(lái)描述空間對(duì)象的屬性，比如人口數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、土壤成份、環(huán)境數(shù)據(jù)確定應(yīng)用哪些類(lèi)型的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的功能所確定的。例如要建立一個(gè)土地的適宜性和承載力的信息系統(tǒng)，所需要的數(shù)據(jù)有地形、土壤類(lèi)型、降雨、地下水位、運(yùn)輸條件等。5.4空間數(shù)據(jù)采集GIS需要輸入兩方面的數(shù)據(jù)，即圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。為此需進(jìn)行三方面的工作，即圖形數(shù)據(jù)的采集、屬性數(shù)據(jù)的采集和圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接。圖形數(shù)據(jù)的采集（一）、手工鍵盤(pán)輸入1輸入矢量數(shù)據(jù)

輸入坐標(biāo)值2輸入柵格數(shù)據(jù)按行列號(hào)輸入各象元的屬性輸入方法簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低效率低，工作煩瑣（二）、手扶跟蹤數(shù)字化儀輸入手扶跟蹤數(shù)字化儀,根據(jù)其采集數(shù)據(jù)的方式分為機(jī)械式、超聲波式和全電子式三種,其中全電子式數(shù)字化儀精度最高，應(yīng)用最廣。按照其數(shù)字化版面的大小可分為A0、A1、A2、A3、A4等。

圖形數(shù)據(jù)的采集數(shù)字化過(guò)程把待數(shù)字化的圖件固定在圖形輸入板上，首先用鼠標(biāo)器輸入圖幅范圍和至少四個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)，隨后即可輸入圖幅內(nèi)各點(diǎn)、曲線的坐標(biāo)。通過(guò)數(shù)字化儀采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量小，數(shù)據(jù)處理的軟件也比較完備，但由于數(shù)字化的速度比較慢，工作量大，自動(dòng)化程度低，數(shù)字化的精度與作業(yè)員的操作有很大關(guān)系，所以，目前很多單位在大批量數(shù)字化時(shí)，已不再采用它。（三）、掃描儀輸入掃描儀簡(jiǎn)介掃描儀是直接把圖形(如地形圖)和圖象(如遙感影象、照片)掃描輸入到計(jì)算機(jī)中，以象素信息進(jìn)行存儲(chǔ)表示的設(shè)備。按其所支持的顏色分類(lèi)，可分為單色掃描儀和彩色掃描儀；按所采用的固態(tài)器件又分為電荷耦合器件(CCD)掃描儀、MOS電路掃描儀、緊貼型掃描儀等；按掃描寬度和操作方式分為大型掃描儀、臺(tái)式掃描儀和手動(dòng)式掃描儀。掃描儀的分辨率是指在原稿的單位長(zhǎng)度(英寸)上取樣的點(diǎn)數(shù)，單位是dpi，常用的分辨率有300-1000dpi之間。掃描圖象的分辨率越高，所需的存儲(chǔ)空間就越大?，F(xiàn)在多數(shù)掃描儀都提供了可選擇分辨率的功能。對(duì)于復(fù)雜圖象，可選用較高的分辨率；對(duì)于較簡(jiǎn)單的圖象，就選擇較低的分辨率。

圖形數(shù)據(jù)的采集小型掃描儀工程掃描儀主要工具是掃描儀和矢量化軟件掃描儀分為柵格掃描儀和矢量掃描儀

1、柵格掃描儀法掃描得到的是柵格數(shù)據(jù)，從柵格圖象中提取點(diǎn)、線、面及文字信息，這一過(guò)程包括去除噪音、線的細(xì)化等。此后的處理需借助人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)，如斷線的連接、屬性碼的添加等，此類(lèi)處理俗稱“抬頭數(shù)字化”。

紙地圖

掃描轉(zhuǎn)換

拼接子圖塊

裁剪地圖

矢量圖編輯

矢量圖合成

圖像處理矢量化

掃描過(guò)程掃描時(shí)，必須先進(jìn)行掃描參數(shù)的設(shè)置（具體掃描界面如圖5-3所示），包括：a、掃描模式的設(shè)置，（分二值、灰度、彩色），對(duì)地形圖的掃描一般采用二值掃描，或灰度掃描。對(duì)彩色航片或衛(wèi)片采用彩色掃描，對(duì)黑白航片或衛(wèi)片采用灰度掃描。b、掃描分辨率的設(shè)置，根據(jù)掃描要求，對(duì)地形圖的掃描一般采用300dpi或更高的分辨率。c、針對(duì)一些特殊的需要，還可以調(diào)整亮度、對(duì)比度、色調(diào)、GAMMA曲線等。d、設(shè)定掃描范圍。通過(guò)掃描獲得的是柵格數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大。如一張地形圖采用300dpi灰度掃描其數(shù)據(jù)量就有20兆左右。除此之外，掃描獲得的數(shù)據(jù)還存在著噪聲和中間色調(diào)像元的處理問(wèn)題。噪聲是指不屬于地圖內(nèi)容的斑點(diǎn)污漬和其它模糊不清的東西形成的像元灰度值。噪音范圍很廣，沒(méi)有簡(jiǎn)單有效的方法能加以完全消除，有的軟件能去除一些小的臟點(diǎn)，但有些地圖內(nèi)容如小數(shù)點(diǎn)等和小的臟點(diǎn)很難區(qū)分。對(duì)于中間色調(diào)像元，則可以通過(guò)選擇合適的閾值選用一些軟件如Photoshop等來(lái)處理。一般對(duì)獲得的柵格數(shù)據(jù)還要進(jìn)行一些后續(xù)處理如圖象糾正、矢量化

掃描輸入因其輸入速度快、不受人為因素的影響、操作簡(jiǎn)單而越來(lái)越受到大家的歡迎，再加之計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量的提高和矢量化軟件的踴躍出現(xiàn)，使得掃描輸入已成為圖形數(shù)據(jù)輸入的主要方法。

全自動(dòng)矢量化半自動(dòng)矢量化（交互式）手工式AutoCAD環(huán)境下的數(shù)字化方法調(diào)入圖象用CAD點(diǎn)、線工具跟蹤圖象中需要數(shù)字化的邊界分層數(shù)字化所有需要的信息將圖形文件予以保存作業(yè)質(zhì)量有所提高，提高工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度

2、矢量掃描儀法是實(shí)現(xiàn)直接跟蹤掃描原圖上的曲線，并直接產(chǎn)生矢量數(shù)據(jù)。目前以激光方式為主，作業(yè)員用光標(biāo)引導(dǎo)激光束到被數(shù)字化的曲線上，激光束自動(dòng)沿線跟蹤，碰到線交叉處或端點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)停止移動(dòng)。這種方法數(shù)字化精度高，數(shù)據(jù)量小，但對(duì)原圖件要求高，設(shè)備也相對(duì)昂貴。（四）、解析測(cè)圖法輸入由航空或航天立體象對(duì)重建三維立體模型，測(cè)量地面三維坐標(biāo)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。目前，解析測(cè)圖法已發(fā)展至全數(shù)字測(cè)圖階段圖形數(shù)據(jù)的采集（五）、已有數(shù)字形式空間數(shù)據(jù)的錄入

遙感數(shù)據(jù)其他與GIS數(shù)據(jù)庫(kù)不兼容的數(shù)字化信息圖形數(shù)據(jù)的采集屬性(Attribute)數(shù)據(jù)：空間實(shí)體的特征數(shù)據(jù)，一般包括名稱、等級(jí)、數(shù)量、代碼等多種形式。它是描述地理實(shí)體的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)或其它專題數(shù)據(jù)。其表達(dá)方式是字符串、各種代碼或統(tǒng)計(jì)數(shù)值等。屬性數(shù)據(jù)是對(duì)地理實(shí)體的詳細(xì)描述，在GIS數(shù)據(jù)中占有很大比重，是GIS處理的主要對(duì)象，它為管理、規(guī)劃與決策提供充分的參考信息。

屬性(Attribute)數(shù)據(jù)的采集屬性數(shù)據(jù)的存在方式直接記錄在柵格或矢量數(shù)據(jù)文件中單獨(dú)輸入數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，通過(guò)關(guān)鍵字（ID碼）與圖形數(shù)據(jù)聯(lián)系屬性數(shù)據(jù)輸入方式一般采用鍵盤(pán)輸入對(duì)照?qǐng)D形輸入預(yù)先建立屬性表輸入屬性數(shù)據(jù)，然后根據(jù)關(guān)鍵字與圖形數(shù)據(jù)自動(dòng)關(guān)聯(lián)

國(guó)家資源與環(huán)境信息系統(tǒng)規(guī)范在“專業(yè)數(shù)據(jù)分類(lèi)和數(shù)據(jù)項(xiàng)目建議總表”中，將數(shù)據(jù)分為社會(huì)環(huán)境、自然環(huán)境和資源與能源三大類(lèi)共14小項(xiàng)，并規(guī)定了每項(xiàng)數(shù)據(jù)的內(nèi)容及基本數(shù)據(jù)來(lái)源。屬性數(shù)據(jù)的編碼原則

系統(tǒng)性和科學(xué)性：滿足所涉及學(xué)科的科學(xué)分類(lèi)方法，能反映出同一類(lèi)型中不同的級(jí)別特點(diǎn)。一致性：對(duì)代碼所定義的同一專業(yè)名詞、術(shù)語(yǔ)必須是唯一的。標(biāo)準(zhǔn)化和通用性：有國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的必須考慮在有可能的條件下實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。簡(jiǎn)捷性：在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下、每一種編碼應(yīng)該是以最小的數(shù)據(jù)量載負(fù)最大的信息量?？蓴U(kuò)展性：編碼的設(shè)置應(yīng)留有擴(kuò)展的余地，避免新對(duì)象的出現(xiàn)而使原編碼系統(tǒng)失效、造成編碼錯(cuò)亂現(xiàn)象。

屬性數(shù)據(jù)的編碼內(nèi)容

登記部分：用來(lái)標(biāo)識(shí)屬性數(shù)據(jù)的序號(hào)，可以是簡(jiǎn)單的連續(xù)編號(hào)，也可劃分不同層次進(jìn)行順序編碼；分類(lèi)部分：用來(lái)標(biāo)識(shí)屬性的地理特征，可采用多位代碼反映多種特征；控制部分：用來(lái)通過(guò)一定的查錯(cuò)算法，檢查在編碼、錄入和傳輸中的錯(cuò)誤，在屬性數(shù)據(jù)量較大情況下具有重要意義。

屬性數(shù)據(jù)的編碼方法編碼的一般方法是：（1）列出全部制圖對(duì)象清單。（2）制定對(duì)象分類(lèi)，分級(jí)原則和指標(biāo)將制圖對(duì)象進(jìn)行分類(lèi)、分級(jí)。（3）擬定分類(lèi)代碼系統(tǒng)。（4）設(shè)定代碼及其格式。設(shè)定代碼使用的字符和數(shù)字、碼位長(zhǎng)度、碼位分配等。（5）建立代碼和編碼對(duì)象的對(duì)照表．這是編碼最終成果檔案，是數(shù)據(jù)輸人計(jì)算機(jī)進(jìn)行編碼的依據(jù)。目前，較為常用的編碼方法有層次分類(lèi)編碼法與多源分類(lèi)編碼法兩種基本類(lèi)型。

耕地71園地72林地73牧草地74居民點(diǎn)及公礦用地75交通用地75水域76未利用地77土地利用類(lèi)型7有林地731灌木地732疏林地733跡地735針葉樹(shù)疏林地7331闊葉樹(shù)疏林地7332未成林林地734層次分類(lèi)編碼法：是按照分類(lèi)對(duì)象的從屬和層次關(guān)系為排列順序的一種代碼，它的優(yōu)點(diǎn)是能明確表示出分類(lèi)對(duì)象的類(lèi)別，代碼結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格的隸屬關(guān)系。多源分類(lèi)編碼法：

又稱獨(dú)立分類(lèi)編碼法,是指對(duì)于一個(gè)特定的分類(lèi)目標(biāo)，根據(jù)諸多不同的分類(lèi)依據(jù)分別進(jìn)行編碼，各位數(shù)字代碼之間并沒(méi)有隸屬關(guān)系。下表以河流為例說(shuō)明了屬性數(shù)據(jù)多源分類(lèi)編碼法的編碼方法。

標(biāo)

志

編

號(hào)

分類(lèi)

ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ123

平原河過(guò)渡河山地河

123

常年河時(shí)令河消失河

12

通航河不通航河

123456

樹(shù)狀河平行河篩狀河輻射河扇形河迷宮河

1234567

主〔要河〕流∶一級(jí)支

流∶二級(jí)

三級(jí)

四級(jí)

五級(jí)

六級(jí)

七級(jí)

12345

河長(zhǎng)：一組——1公里以下

二組——2公里以下

三組——5公里以下

四組——10公里以下

五組——10公里以上

12345678

河寬：一組——5～10米

二組——10～20米

三組——20～30米

四組——30～60米

五組——60～120米

六組——120～300米

七組——300～500米

八組——500米以上

1234567

河流間的最短距離50米50～100米100～200米200～400米400～500米500～1000米1000～2000米

12345彎曲度：2.5公里彎曲

深度

寬度>40>50>50>40>50>75>25>50>75>25>50>100<25>75>150數(shù)據(jù)采集常用設(shè)備定位設(shè)備野外測(cè)量：大平板、全站儀、GPS、移動(dòng)測(cè)繪系統(tǒng)特點(diǎn)：精度高、效率較低適合范圍：小范圍GIS數(shù)據(jù)采集或局部數(shù)據(jù)更新數(shù)字化設(shè)備數(shù)字化設(shè)備：數(shù)字化儀、掃描儀、攝影測(cè)量設(shè)備特點(diǎn)：范圍大，速度快使用范圍：大面積GIS數(shù)據(jù)采集、資源普查等數(shù)字化儀掃描儀數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站數(shù)據(jù)源與相應(yīng)設(shè)備地圖地面測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料航空、遙感文字?jǐn)?shù)據(jù)多媒體坐標(biāo)幾何數(shù)字化儀掃描儀攝影測(cè)量系統(tǒng)鍵盤(pán)空間數(shù)據(jù)庫(kù)編輯處理數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)采集方案隨機(jī)采樣系統(tǒng)采樣系統(tǒng)隨機(jī)采樣可變系統(tǒng)采樣蔟聚采樣斷面采樣等高線采樣空間數(shù)據(jù)的采集流程計(jì)劃調(diào)查編輯處理評(píng)價(jià)準(zhǔn)備收集數(shù)字化幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接為了把空間實(shí)體的幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)，必須在幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間有一公共標(biāo)識(shí)符。標(biāo)識(shí)符可以在輸入幾何數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)時(shí)手工輸入，也可以由系統(tǒng)自動(dòng)生成(如用順序號(hào)代表標(biāo)識(shí)符)。只有當(dāng)幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)有一共同的數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，才能將幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)自動(dòng)地連接起來(lái)；當(dāng)幾何數(shù)據(jù)或?qū)傩詳?shù)據(jù)沒(méi)有公共標(biāo)識(shí)碼時(shí)，只有通過(guò)人機(jī)交互的方法，如選取一個(gè)空間實(shí)體，再指定其對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)表來(lái)確定兩者之間的關(guān)系，同時(shí)自動(dòng)生成公共標(biāo)識(shí)碼。圖幅數(shù)據(jù)幾何糾正YaO‘X’Y‘XObθx=A1x’+A2y’+ay=B1x’+B2y’+b變換參數(shù)A1，A2，a,B1，B2，b5.5空間數(shù)據(jù)的編輯與處理空間數(shù)據(jù)編輯的必要性修正數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和一致性更新地理信息空間數(shù)據(jù)的編輯與處理的主要內(nèi)容誤差或錯(cuò)誤的檢查與編輯圖象糾正數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換地圖投影轉(zhuǎn)換