gis第3章教案

第三章空间数据的输入与处理学习目标〃了解GIS的数据采集方式〃掌握地图数字化的方法、步骤〃掌握地图数据的各种处理方法〃理解属性数据编码的深刻含义〃了解空间数据压缩处理方法及优缺点第一节数据输入方式一、手工方式手工方式是通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘输入。

二、手扶跟踪数字化方式手扶跟踪数字化仪是一种图形数字化设备，是常用的地图数字化方式。

三、扫描方式扫描仪是一种图形、图像输入设备，可以快速地将图形、图像输入计算机系统，是目前发展很快的数字化设备，已经成为图文通信、图像处理、模拟识别、出版系统等方面的重要输入设备。

四、影像处理和信息提取方式影像处理和信息提取是从遥感影像上直接提取专题信息，影像处理技术包括几何纠正、光谱纠正、影像增强、图像变换、结构信息提取、影像分类等。

是目前技术水平下，一种十分有效的快速信息采集方式。

五、数据通讯方式数据通讯是指在连网方式下，信息系统内部各子系统之间以及与其他信息系统之间实现信息交流和信息共享的主要方式。

Internet是目前世界上最大的计算机网络和信息源，Internet上也有大量的有关地图制图学和地理信息系统的信息，能够搜寻、检索、显示、保存有关地图、地图制图学、数字制图的信息以及综合的地理信息系统、全球定位系统等。

数据通讯技术的发展对地理信息系统中数据采集系统的性能提高，将起到极大的推动作用。

第二节地图数字化一、手扶跟踪数字化1. 数字化仪的组成数字化仪一般由感应板（又叫数字化板）和定标器（又叫游标）两部分组成，如图3-1所示。

手扶跟踪数字化仪一般采用点方式、流方式和增量方式等。

（1）点方式：是一种手控图形数字化方式。

每按下定标器的键，感应板发送一对坐标数据到计算机。

（2）流方式：是一种时控图形数字化方式。

数字化仪每隔一定的时间就向计算机发送坐标数据。

（3）增量方式：是一种距控图形数字化方式。

当定标器在感应板上移动某个距离（步长），计算机自动记录经过点的坐标。

图3-1手扶跟踪数字化仪示意图3. 地图数字化的操作步骤地图数字化是地理数据采集的重要组成部分，一般包括以下几个步骤：（1）读图和分层图形数字化以前，首先对地图上的图形要素进行分类。

每一类作为一个图层，每一个图层赋一个图层名。

（2）固定地图在感应板的有效区域内平整地固定地图，地图在感应板上的摆放方向不受限制，一般开始数字化后不再移动地图。

（3）输入初始化参数包括数字化的阈值（数字化两点间的最短距离）、图幅四角点的理论坐标、图幅长度和宽度、比例尺、地图投影等。

（4）设臵与输入控制点一旦设臵好投影方式后，就需要设臵与输入控制点，它主要完成对输入数据偏差的纠正。

找到地图上一些已知坐标的点，按下定标器的按键。

一般应用程序提示输入数据，将图上已知点的真实坐标输入。

应该至少设臵4个点，输入的点越多，对图幅数据纠正的越精确。

（5）设臵数字化参数数字化参数包括：①.自动封闭线模式。

②.允许游标锁定。

③.数字化时光滑线。

每数字化一条图元时，系统会自动光滑这条线。

④.设臵数字化方式，如点方式、流方式等。

（6）数字化参照预先设定的图层及内容，手持游标分别跟踪点、线、多边形等图形，完成图形矢量化。

当数字化的图形过大，超过感应板上的有效范围，需将地图分幅数字化。

一般将图形按矩形分为上下两幅或左右两幅图形，或者分为左上、右上、左下、右下四幅矩形图形等。

数字化时，首先对各个分幅矩形的范围进行数字化，即对左下角、左上角，右上角、右下角进行数字化。

经过这样处理后，就为图形的拼接提供了参数和依据。

（7）检查和修改数字化错误通过屏幕或绘图显示，检查线段缺失或多余、线段过长或过短、结点不匹配、悬挂节点等各种错误，并予以改正。

二、扫描矢量化方法1. 扫描仪工作原理扫描仪能够捕捉各种地图、照片、航空像片以及较薄物体的图像信息。

它是一种高精度的光电一体化产品，能通过光电器件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟/数字转换器转化为数字信号传输到计算机中处理。

2. 扫描数字化流程（1）工作方式扫描矢量化是利用扫描仪直接扫描原图，以栅格形式存储于图像文件中（如*.TIF等），然后经过矢量化转换成矢量数据，存入到线文件或点文件中，再进行编辑、输出。

（2）矢量化流程扫描矢量化工作流程如图3-3所示。

将栅格图像转换为矢量地图一般需要以下几个步骤：①图像二值化图像二值化用于从原始扫描图像到黑白二值图像，通常将图像上白色区域的栅格点赋值为0；而黑色区域为1，黑色区域对应了要矢量化提取的地物，又称为前景。

②平滑图像平滑用于去除图像中的随机噪声，通常表现为斑点。

③细化将一条线细化为只有一个像素宽，细化是矢量化过程中的重要步骤，也是矢量化的基础。

④链式编码将细化后的图像转换成为点链的集合，其中每个点链对应于一条弧段。

⑤矢量线提取将每个点链转化成为一条矢量线。

每条线由一系列点组成，点的数目取决于线的弯曲程度和要求的精度。

3.扫描矢量化操作步骤（1）扫描准备准备要数字化的原图，最好为不易变形的聚酯薄膜图，并把它正确装入扫描仪。

（2）扫描参数设臵扫描参数的设臵包括：•扫描模式的设臵：扫描模式分二值、灰度和百万种彩色等，对单色地图一般采用二值或灰度扫描；对黑白航空像片或卫星像片采用灰度扫描；对彩色地图可采用灰度扫描或百万种彩色扫描；对彩色航空像片或卫星像片采用百万种彩色扫描。

•扫描分辨率的设臵：根据扫描要求设定分辨率，一般采用300dpi，特殊需要可采用更高的分辨率。

•针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、对比度、色调等值。

（3）图形扫描扫描参数设臵完毕后，进行图形预览，并设定扫描范围，然后进行扫描。

（4）图像装入进入输入子系统，系统读入该图像的数据，并显示在图像数据的窗口内。

（5）采集控制点选择系统的这一功能项时，系统会弹出一对话框，在此对话框中可设臵投影、坐标单位。

用鼠标采集控制点，控制点采集完成后，系统会提示输入点的坐标，并计算误差值。

（6）分层矢量化分析扫描地图，进行分层。

选择矢量化方式，在矢量化工具箱中点取相应按钮开始矢量化工作。

（7）检查和修改数字化错误将数字化后的矢量图与原扫描图像叠臵，检查数字化过程中出现的错误或误差，并逐个予以改正。

第三节地图数据处理一、数据处理的概念和意义在地图数字化过程中，不可避免地存在某些错误或与应用目标的不一致性。

例如数字化数据与使用格式不一致，各种数据来源的比例尺和投影不统一，各图幅数据之间的不匹配等。

必须经过数据处理，才能获得净化的数据文件，使存贮的数据符合规范化标准，数据形式便于进一步使用和分析的需要。

所谓数据处理，就是对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数据形式进行编辑运算，清除数据冗余，弥补数据缺失，形成符合用户要求的数据文件格式。

数据处理主要是针对数据本身完成的内容，不涉及内容的分析。

因此，数据处理又称数据形式的操作。

数据处理是实现地理信息系统数据组织管理的重要环节。

简而言之，数据处理的意义体现在以下几方面：（1）数据处理是实现空间数据有序化的必要过程。

采集来的空间数据往往杂乱无章，只有经过数据处理变得有序排列组合，才能在地理信息系统中使用。

（2）数据处理是检验数据质量的关键环节。

地理数据的特点是量大和相互关系复杂。

GIS对数据的质量要求很高，某些数据的虚假可能带来巨大的错误和利益损失。

因此在数据处理过程中通过精度测试和逻辑一致性检验，避免因错误的决策造成财产损失或人员伤亡。

显然，数据处理可以防患于未然，将很大一部分可能的错误预先避免。

（3）数据处理是实现数据共享的关键步骤。

建立数据库费用较大，实现数据共享，减少投入成本，避免资源浪费成为信息技术产业的重要课题。

数据处理正是实现数据共享的关键步骤，通过格式转换，运用软件系统以达到数据交互使用的目的。

二、图形坐标变换在GIS中，往往要对图形进行平移、旋转、缩小、放大等操作，其实质是图形的坐标变换。

图形坐标变换在数据处理中是重要内容之一，下面介绍几种常见的坐标变换方法。

1. 平移变换在一个直角坐标系上的点，可以通过原坐标值分别加上x,y 的偏移量来得到点的平移。

如图3-4所示，设原来点P 的坐标为(x,y)，新点P ′相对的偏移量为(△x,△y)，那么平移后P ′(x ′,y ′)由下式决定：⎩⎨⎧∆+=∆+=yy y x x x '' 可以用矢量方式来定义这一变换，令P =(x,y)，P ′=(x ′,y ′),T =(△x,△y),这样便可写成(x ′,y ′)=(x,y)+(△x,△y)或更简练地写成T P P +='.图3-4 点的平移图3-5 旋转变换 2. 旋转变换使点P(ｘ，ｙ)环绕坐标原点转动某个角度θ，从而获得一个新点P ′(x ′,y ′)的变换称为旋转变换，如图3-5所示，其变换公式为：⎩⎨⎧⋅+⋅=⋅-⋅=θθθθcos sin 'sin cos 'y x y y x x若将上式写成矩阵形式则是：(x′,y’)=(x,y)…θθθθcos sin sin cos -‟其中，T=…θθθθcos sin sin cos -‟称为旋转变换矩阵。

式中的θ角为转角，无旋转时，θ=0;逆时针方向旋转时，θ取正值；顺时针方向旋转时，θ取负值。

若以任一点(x 0,y 0)为基准点逆时针旋转角度θ，旋转公式为：⎩⎨⎧-+-+=---+=θθθθcos )(sin )('sin )(cos )('000000y y x x y y y y x x x x 3. 比例变换（图形缩放）点可以通过对其P(x,y)坐标分别乘以各自的比例因子S x 和S y 来改变他们到坐标原点的距离，称为比例变换。

即⎩⎨⎧⋅=⋅=y x S y y S x x '' 比例变换也常称为变比。

定义S=…y xS S 00‟，则用矩阵形式来重写上式：(x ’,y ’)=(x,y) …y xS S 00‟或 P ′= P 〃 S 若以任意一点（x 0,y 0）为中心点，则比例变换公式为：⎩⎨⎧⋅-+=⋅-+=y x S y y y y S x x x x )(')('0000 这里对图形而言，当S x =S y =1时，则图形没有发生变化；当S x =S y >1时，图形被放大；当S x =S y <1时，则图形按比例缩小；当S x ≠S y 时，图形发生变形。

三、地图投影变换当系统使用的数据取自不同投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。

地图投影转换的方法有：（1）正解变换通过建立资料地图的投影坐标数据到目标地图投影坐标数据的严密或近似的解析关系式，直接由资料地图投影坐标数据x ,y 转换为目标投影的直角坐标X ，Y 。