空間數據采集與處理

第五章空間數據采集與處理5.1概述5.1.1GIS數據源地圖數據遙感影像數據實測數據統計數據共享數據多媒體數據文本資料數據1./index.shtml馬里蘭大學的這個網站目前最為常用，提供全球衛星影像數據，相關sensor列表見網頁左側。-2./-USGS提供的各類衛星影像數據，主要是MODIS和LANDSAT攜帶的sensor的。-3./data/datapool/-/cgi-bin/mirador/presentNavigation.pl?tree=project提供較為專業的氣象數據資料，研究大氣及環境變化狀況專用sensor影像較多。可獲取環境研究中不可缺少的太陽輻照度等數據。-4./products/elevation/gtopo30/hydro/index.html-美國聯邦地質調查局（USGS）提供的全球1km精度的DEM數據，應用范例可見萬方網《基于HYDRO1K的數字水文分析方法及實例》。具體下載情況未測試。-5./catalog/index.html-主要提供各國衛星數據應用結果，如（DEM,NWI,DLG,LU/LC,andTIGER），可在最初列表中選擇中國，目前主要有1999年及2000年MOSAICS數據，DEM數據，土地利用數據，交通路線等，具體國內區域不明。-6./EarthExplorer/-提供USGS提供的影像數據，航片數據等。-7./index.php/27/Sample+Imagery+Gallery-digitalglobe公司提供的高分辨率影像，googleearth的合作伙伴，目前中國部分可瀏覽sample區域有北京及三峽大壩。-8./data/-globallandcoverfacility數據資源庫，sensor較全，高空間分辨率、高光譜分辨率都有。-9./ortho/index.htm-提供landsatTM和ETM影像數據，非常難鏈接。-10./cn/default.asp-中巴衛星數據。-11./nsaa/p...2585A2A3950668E84A0-NOAA數據。-免費下DEM和衛星數據的網址5.1.2空間數據采集與處理的基本流程數據源的選擇采集方法的確定數據的編輯與處理數據質量控制與評價數據入庫5.2數據采集5.2.1空間數據的采集野外數據采集地圖數字化遙感與攝影測量野外數據采集平板測量全野外數字測量GPS

機動性高、精度高、成本高全野外數字測圖主要方式：全站儀+PDA全站儀，即全站型電子速測儀（ElectronicTotalStation）。是一種集光、機、電為一體的高技術測量儀器，是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統。因其一次安置儀器就可完成該測站上全部測量工作，所以稱之為全站儀。廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監測領域。全站儀具有角度測量、距離(斜距、平距、高差)測量、三維坐標測量、導線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內置專用軟件后，功能還可進一步拓展。2地圖數字化跟蹤數字化方式掃描矢量化方式

跟蹤數字化方式跟蹤數字化儀是以跟蹤單要素線劃的原理進行圖—數轉換，能把地圖圖形的全部轉換為矢量方式表示的數據。根據采集數據的方式，跟蹤數字化儀可分為機械式、超聲波式和全電子式三種；根據自動化程度可分為手扶跟蹤，半自動跟蹤和全自動跟蹤三種

數字化儀

跟蹤數字化儀的結構比較簡單，由電磁感應板，坐標輸入控制器（又叫傳送器或者游標）和相應的電子電路組成（見圖）。

工作原理：

感應板有四個控制點，我們把四個控制點的坐標輸入到計算機中，整幅圖的坐標也就確定了。當傳感器接觸到其圖形板上的某一位置時，會自動將畫筆位置的坐標轉換為二進制的數字，輸入計算機。隨著畫筆的運動就可以把整個圖形輸入到計算機中了。有兩種數字化方式：點方式和流方式。

手扶數字化的缺陷無法及時發現錯誤作業辛苦三維數字化儀ＰＸＤ系列數字化儀掃描矢量化的基本思想掃描矢量化是先通過掃描儀將紙質地圖以柵格數據形式輸入計算機，然后采用柵格數據矢量化的技術追蹤出線和面，采用模式識別技術識別出點和注記，并根據地圖內容和地圖符號的關系自動給矢量數據賦以屬性值。掃描矢量化臺式掃描儀滾筒式掃描儀

常見的幾種掃描儀a０幅彩色掃描儀快速數字切片掃描儀其他掃描儀VIDAR膠片掃描儀接觸式掃描儀掃描矢量化以及處理流程紙質地圖裁剪地圖拼接子圖塊掃描轉換圖像處理矢量化矢量圖合成矢量圖編輯分塊掃描專業軟件完成掃描矢量化通常采用半自動矢量化3攝影測量與遙感攝影測量與遙感是利用非接觸成像和其他傳感器對地球表面及環境、其他目標或過程獲取可靠的信息，并進行記錄、量測、分析和表達的科學與技術。攝影測量和遙感技術主要應用于基礎地理信息采集、國土資源調查、地表變遷及地質調查、地球資源（如土地利用）變化檢測、監測城市環境污染和自然災害（如洪水與森林、農作物病蟲害）等等。目前，應用數字攝影測量技術進行城市大比例尺地形圖的測繪與更新，已經非常普遍，很多城市測繪部門已經形成了一定規模的生產能力。5.2.2屬性數據的采集屬性數據的來源屬性數據的分類屬性數據的編碼

5.3數據編輯5.3.1圖形數據的編輯常見錯誤偽節點懸掛節點碎屑多邊形不規則多邊形上述錯誤一般會在建立拓撲的過程中發現并糾正。其他的圖形錯誤，如某些實體重復錄入或遺漏、圖形定為錯誤等則可采用如下方法進行糾正：疊合比較法；目視檢查法；邏輯檢查法拓撲建立前拓撲建立后5.3.2屬性數據的編輯屬性數據的校核包括兩部分：①屬性數據與空間數據是否關聯，標識碼是否唯一②屬性數據是否正確，是否超過其取值范圍等。5.4數學基礎變換

每一個地理信息系統包含的空間數據都應該具有相同的地理數學基礎，包括坐標系統、地圖投影等。統一的數學基礎是運用各種空間分析方法的前提。

因此，為了保證一致的地理數學基礎，我們需要對原始數據進行幾何糾正和坐標變換。5.4.1幾何校正柵格配準/影像校準（Georeferncing）:針對柵格數據的

采集完畢的數據，由于原始數據來自不同的空間參考系統，或者數據輸入時是一種投影，輸出時是另一種投影，造成同一空間區域的不同數據，它們的空間參考有時并不相同。為了將所有數據統一到同一空間參考下，需要進行坐標變換統一到同一空間參考下。大多數的GIS軟件都直接提供了常見投影之間的變換。ARCGIS投影變換：

5.4.2坐標變換ArcToolbox/DataManagementTools/ProjectionsandTransformations空間校正（spatialadjustment):針對矢量數據的相似坐標變換示意(a)平移(b)縮放(c)圖形旋轉

5.4.3柵格數據重采樣（Resample)

柵格數據重采樣是柵格數據空間分析中處理柵格分辨率匹配問題常用的數據處理方法。進行空間分析時，用來分析的數據資料由于來源不同，經常會出現不同柵格大小問題，這時為了便于分析，就需要做同一柵格大小的轉換處理，即柵格數據的重采樣過程。

柵格數據重采樣主要包括三種方法：最鄰近法采樣（NEAREST），雙線性采樣（BILINEAR）和三次卷積采樣（CUBIC）。最鄰近采樣（NEAREST）用簡單易用，計算量小，速度快。輸出柵格數據中最近鄰柵格值作為輸出值。因此在重采樣后的輸出柵格中的每個柵格值，都是輸入柵格數據中真實存在而未經改變的值。這種方法雙線性采樣（BILINEAR）取內插點（x,y）點周圍的四個鄰點，在y方向（或x方向）內插一次，再在x方向（或y方向）內插一次，得到（x,y）點的柵格值。三次卷積采樣（CUBIC）基本思想是增加鄰點來獲得最佳插值函數。取內插點周圍相鄰的16個采樣點數據，與雙線性內插類似，可以先在某一方向上內插，如先在x方向上，每四個值一次內插四次，在根據四次內插的結果在y方向上內插，最終得到插值結果。在ARCGIS中重采樣功能是在ArcToolbox下實現的，具體操作路徑為：

ArcToolbox/DataManagementTools/Raster/RasterProcessing/Resample5.5數據重構

5.5.1數據結構轉換

5.5.2數據格式轉換

不同的GIS平臺，它們所使用的數據格式往往不盡相同，為了實現相互之間數據和資源的共享，需要對數據格式進行轉換。目前,實現空間數據共享大體上有四種方案:外部數據交換方式、標準空間數據交換標準方式、數據互操作方案和開放式數據庫互接模式。數據交換文件GISAGISAGISBGISB內部文件外部文件外部文件內部文件GISAGISB數據交換標準OpenGISInternet/Intranet目前,實現空間數據共享大體上有四種方案:外部數據交換方式、標準空間數據交換標準方式、數據互操作方案和開放式數據庫互接模式。圖幅接邊前原始數據接邊處理圖幅接邊后數據5.6圖形拼接柵格數據的拼接:SpatialAnalysisTools/Datamanagement/raster/rasterdataset/MosaicToNewRaster矢量數據的拼接:AnalysisTools/general/append

5.7拓撲生成（topolopy）

在ArcGIS中有關拓撲的操作有兩個地方：Arccatalog中建立拓撲稱為建立拓撲規則；arcmap中建立拓撲稱為拓撲處理。

※arccatalog中所提供的創建拓撲規則，主要是用于進行拓撲錯誤的檢查，其中部分規則可以在溶限（toleranceradius）內對數據進行一些修改調整。建立好拓撲規則后，就可以在arcmap中打開些拓撲規則，根據錯誤提示進行修改。

多邊形topology1.mustnotoverlay：單要素類，多邊形要素相互不能重疊2.mustnothavegaps：單要素類，連續連接的多邊形區域中間不能有空白區（非數據區）3.containspoint：多邊形＋點，多邊形要素類的每個要素的邊界以內必須包含點層中至少一個點4.boundarymustbecoveredby：多邊形＋線，多邊形層的邊界與線層重疊（線層可以有非重疊的更多要素）5.mustbecoveredbyfeatureclassof：多邊形＋多邊形，第一個多邊形層必須被第二個完全覆蓋（省與全國的關系）6.mustbecoveredby：多邊形＋多邊形，第一個多邊形層必須把第二個完全覆蓋（全國與省的關系）7.mustnotoverlaywith：多邊形＋多邊形，兩個多邊形層的多邊形不能存在一對相互覆蓋的要素8.mustcovereachother：多邊形＋多邊形，兩個多邊形的要素必須完全重疊9.areaboundarymustbecoveredbyboundaryof：多邊形＋多邊形，第一個多邊形的各要素必須為第二個的一個或幾個多邊形完全覆蓋10.mustbeproperlyinsidepolygons：點＋多邊形，點層的要素必須全部在多邊形內11.mustbecoveredbyboundaryof：點＋多邊形，點必須在多邊形的邊界上

線topology

1.mustnothavedangle：線，不能有懸掛節點

2.mustnothavepseudo-node：線，不能有偽節點

3.mustnotoverlay：線，不能有線重合（不同要素間）

4.mustnotselfoverlay：線，一個要素不能自覆蓋

5.mustnotintersect：線，不能有線交叉（不同要素間）

6.mustnotselfintersect：線，不能有線自交叉

7.mustnotintersectortouchinterrior：線，不能有相交和重疊

8.mustbesinglepart：線，一個線要素只能由一個path組成

9.mustnotcoveredwith：線＋線，兩層線不能重疊

10.mustbecoveredbyfeatureclassof：線＋線，兩層線完全重疊

11.endpointmustbecoveredby：線＋點，線層中的終點必須和點層的部分（或全部）點重合

12.mustbecoveredbyboundaryof：線＋多邊形，線被多邊形邊界重疊

13.mustbecoveredbyendpointof：點＋線，點被線終點完全重合

14.pointmustbecoveredbyline：點＋線，點都在線上

5.8數據壓縮矢量數據壓縮的幾種方法：間隔取點法垂距法和偏角法分裂法5.9空間數據質量問題“任何分析結果的可靠性和有用性始終取決于數據的質量，盡管數據質量并不是唯一的影響因素。不僅對于空間數據分析來說是這樣，對于任何類型的數據分析來說都如此。任何分析結果的有效性都不可能超過數據質量所能保證的水平”——《ArcViewGIS與ArcGIS地理信息統計分析》，DavidW.S.Wong5.9.1空間數據質量的含義空間數據質量的好壞不是一個絕對的概念。較準確的定義是：空間數據質量指空間數據對特定用途的分析和操作適用的程度。即數據質量是指數據適用于不同應用的能力。空間數據質量分析的目的空間數據質量分析的目的在于分析和了解空間數據誤差的性質、類型、大小和來源以及產生原因，對系統數據和處理結果中的不確定性因素進行模擬和估計，從而了解空間數據的可靠性和可信度。在此基礎上，實現空間數據質量控制。

空間數據質量控制:指在空間數據采集和分析過程中，對這些步驟和過程的一些指標和參數予以規定，對可能引入誤差的步驟和過程加以控制，對檢查出的誤差和錯誤進行糾正，以達到提高空間數據質量和提高空間分析應用水平的目的。（P181）5.9.2空間數據質量的相關概念

準確度（accuracy）精度（precision）不確定性（uncertainty）相容性（compatibility）一致性（consistency）完整性（completeness）可得性（accessibility）現勢性（timeliness）準確度（Accuracy）指測量值、計算值或估計值與真實值（或可視為真實值的值）的接近程度，用誤差來表示；位置準確度屬性準確度時間精度即現勢性（Timeliness）

要素位置的準確度。包括數學基礎精度、平面坐標精度、高程精度、接邊精度、形狀再現精度、像元定位精度（分辨率）等為地理實體的屬性值與其真實值相符的程度。屬性精度通常取決于數據的類型，包括分類分級的正確性、定量屬性的正確性等；主要指數據的現勢性，表示數據反映客觀現象目前狀況的程度。可以通過數據采集的時間和數據更新的時間和頻度來表示精度（Precision）指數據表示的精密程度，它表示了測量值本身的離散程度；不確定性（Uncertainty）表示真實值不能被精確測量或肯定的程度； 當真值不可測或無法知道時，就無法確定誤差，因而用不確定性取代誤差。實際上，不確定性一般是包含了真實值的一個范圍。這個范圍越大，數據的不確定性就越大。一致性（Consistency）指對同一現象或同類現象在表達上一致程度,包括數據內容、數據結構、屬性的一致性，也包括拓撲結構上的一致性；數據完整性（Completeness）指具有同一準確度和精度的空間數據在范圍、內容及結構等方面的完整程度；相容性（Compatibility）：指不同來源的數據在同一個應用中匹配的程度；可得性（Accessibility）：指獲取或使用數據的容易程度；適用性5.9.3空間數據質量評價評價指標（P178）評價方法直接評價法：對數據集通過全面檢測或抽樣檢測的方式進行評價，又稱為驗收度量。間接評價法：是一種基于外部知識的數據質量評價方法（元數據、地理相關分析）。僅在直接評價方法不能使用時使用。5.9.4空間數據質量問題的來源A、空間數據現象自身的不穩定性。

空間數據是對現實理事物的抽象和表達，由于現實地理事物的無限復雜性和模糊性，以及人類認識和表達能力的局限性，這種抽象和表達是不可能完全達到真實值，而只能在一定程度上接近真實值。而且，真實值往往是不可知的或不可測的（不確定性），由此，誤差總是存在著的。B、數據源在實際采集過程中產生的誤差。如：測量中測量方法、儀器精度和人員操作等形成的誤差；物理介質的變化。原數字化材料上的各種變形誤差。遙感解譯過程中產生的定位和分類誤差；C、空間數據處理中的誤差投影變換地圖數字化和掃描矢量化處理數據格式轉換數據抽象建立拓撲關系數據的疊加與更新……..D、空間數據使用中的誤差在空間數據使用的過程中導致的誤差主要表現在兩個方面：一、對數據的解釋過程；二、缺少文檔。5.9.5常見的空間數據的誤差分析誤差的類型邏輯誤差幾何誤差屬性誤差時間誤差傳統的手工方法元數據方法地理相關法5.5.7空間數據質量控制的主要方法5.8空間數據的元數據1.元數據的概念及類型

元數據（Medadata)描述數據的數據。

空間元數據是GIS必不可少的一部分，通過它可以了解GIS系統所提供地理空間數據的情況，如：有什么數據？數據質量如何？數據有哪些格式？以什么方式在哪兒可以得到數據？等等和數據有關的信息。通過這些信息可以實現地理空間數據的不同部門、不同專業領域的網絡共享，避免因地理空間數據的重復收集、錄入和處理導致的大量時間、人力和物力的浪費。2.元數據的作用幫助用戶了解和分析數據空間數據質量控制在數據集成中應用數據存貯和功能實現3.元數據的內容對數據集的描述，對數據集各數據項、數據來源、