地理信息系统原理GIS第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理 5-15-1 坐标变换坐标变换5-25-2 图形编辑图形编辑5-5-3 3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立5-5-4 4 图形的裁剪、合并图形的裁剪、合并与图幅接边与图幅接边5-55-5 空间插值空间插值5-65-6 数据压缩与光滑数据压缩与光滑5-75-7 空间数据格式转换空间数据格式转换一、编辑操作一、编辑操作二、关键算法二、关键算法一、点线拓扑关系自动建立一、点线拓扑关系自动建立二、多边形拓扑关系自动建立二、多边形拓扑关系自动建立一、图形的裁剪一、图形的裁剪二、图形的合并二、图形的合并三、图幅接边三、图幅接边一、边界内插一、边界内插二、趋势面分析二、趋势面分析三、局部内插三、局部内插四、移动平均法四、移动平均法一、一、数据压缩数据压缩二、二、曲线光滑曲线光滑二二、几何纠正、几何纠正一、图幅数据的坐标变换一、图幅数据的坐标变换三、地图投影变换三、地图投影变换 一、一、矢量向栅格矢量向栅格二、二、栅格向矢量栅格向矢量地理信息系统原理GIS5-05-0空空间数据的地理参照系和控制基数据的地理参照系和控制基础一、地理空一、地理空间（Geographic SpaceGeographic Space）的定的定义 指物指物质、能量、信息的、能量、信息的存在形式存在形式在形在形态、结构构过程、功能关系上的程、功能关系上的分分布方式布方式和和格局格局及其及其在在时间上的延上的延续，具体包括地球上，具体包括地球上大气圈、水圈、生物大气圈、水圈、生物圈、岩石圈圈、岩石圈和和土壤圈土壤圈交互作用的区域。交互作用的区域。地理空间具体被描述为：地理空间具体被描述为： 1 1）绝对空间）绝对空间，具有属性描述的空间位置的集合，具有属性描述的空间位置的集合，一系列坐标值一系列坐标值组成。组成。2 2）相相对空空间，是具有空，是具有空间属性特征的属性特征的实体的集合，由不同体的集合，由不同实体之体之间的的空空间关系关系组成。成。返回返回地理信息系统原理GIS二、地理空间的数学建构二、地理空间的数学建构-如何建立地球表面的几何模型如何建立地球表面的几何模型包包括括海海洋洋底底部部、高高山山、高高原原在在内内的的固固体体地地球球表表面面，起起伏伏不不定定，难以用一个以用一个简洁的数学式描述。的数学式描述。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-2 4-2 地理参照系和控制基地理参照系和控制基础1 1、最自然的面：、最自然的面：2 2、相对抽象的面、相对抽象的面，即，即大地水准面大地水准面 地球表面地球表面72%72%被海水覆盖，被海水覆盖，假设假设一个当海水处于一个当海水处于完全静止完全静止的平衡状态时从的平衡状态时从海平面海平面延延伸到伸到所有大陆下部所有大陆下部，而与地球重力方向，而与地球重力方向处处正交处处正交的一个的一个连续、闭合连续、闭合的水准面。的水准面。可用可用水准仪水准仪完成地球自然表面上任一点的高程测量。但地球完成地球自然表面上任一点的高程测量。但地球的重力方向的重力方向处处不同处处不同，处，处处与重力方向垂直的大地水准面显然处与重力方向垂直的大地水准面显然不可能不可能是一个十分规则的表面，且是一个十分规则的表面，且不能用不能用简单的简单的数学公式来表达，因此，大地水准面数学公式来表达，因此，大地水准面不能作为不能作为测量成果的测量成果的计算面计算面。为了测量成果计算的需要，选用为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以一个同大地体相近的、可以用数用数学方法学方法来表达的来表达的旋转椭球旋转椭球来代替来代替地球地球-三轴椭球体三轴椭球体。3 3、椭球体模型、椭球体模型abc返回返回地理信息系统原理GIS三、地理参照系三、地理参照系1 1、经纬度坐标系（地理坐标）、经纬度坐标系（地理坐标） 对对空间定位有利空间定位有利，但，但难以难以进行距离、方向、面积量算。进行距离、方向、面积量算。2 2、笛卡儿平面坐标系、笛卡儿平面坐标系 便于便于量算和进一步的空间数量算和进一步的空间数据处理和分析。据处理和分析。3 3、高程系统、高程系统描描述述空空间间点点在在垂垂直直高高度度上上的的特特性性-高高程程由由高高程程基基准准面面起起算的地面点的高度。算的地面点的高度。地地图图投投影影“19561956年黄海高程系年黄海高程系”“19851985年国家高程基准年国家高程基准”第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-2 4-2 地理参照系和控制基地理参照系和控制基础椭椭球球体体模模型型返回返回地理信息系统原理GIS四、四、GISGIS的地理基础的地理基础-控制基控制基础各种各种GISGIS的数据源、服的数据源、服务目的和各自特征可以不同，目的和各自特征可以不同，但但均有均有自身自身统一一的地理基的地理基础。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-2 4-2 地理参照系和控制基地理参照系和控制基础3 3、统一的地一的地图投影系投影系统的意义的意义： 为地理信息系地理信息系统选择和和设计一种或几种一种或几种适用的适用的地地图投影系投影系统和和网格坐网格坐标系系统，为各种地理信息的各种地理信息的输入入、输出出及及匹配匹配处理理提供一个提供一个统一的定位框架一的定位框架，使，使各种各种来源的地理信息和数据能来源的地理信息和数据能够具有具有共同的共同的地理基地理基础，并在，并在这个基个基础上上反映反映出它出它们的的地理位置地理位置和和地理关系地理关系特征。特征。 地理基础地理基础是地理信息是地理信息数据表示格式数据表示格式与与规范的规范的重要重要组成部分组成部分统一的地图投影系统统一的地图投影系统统一的地理格网坐标系统（地理参照系）统一的地理格网坐标系统（地理参照系）统一的地理编码系统统一的地理编码系统2 2、投影与坐标系、投影与坐标系： 每一种每一种投影都与投影都与一个一个坐坐标系统标系统相联系相联系。坐标系。坐标系统是一套说明某一物体统是一套说明某一物体地理坐标的地理坐标的参数参数，参数，参数之一之一为投影。投影关系为投影。投影关系着着如何如何将图形物体显示将图形物体显示于平面上，而坐标系统于平面上，而坐标系统则显示出地形地物所在则显示出地形地物所在的的相对位置相对位置。1 1、地理基础的内容、地理基础的内容返回返回地理信息系统原理GIS五、地五、地图投影投影 1 1、GISGIS与地图投影关系与地图投影关系 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-2 4-2 地理参照系和控制基地理参照系和控制基础地理基础地理基础(地图投影地图投影)数据输出数据输出（具有相应投影的地图）（具有相应投影的地图）数据获取数据获取（不同投影的地图）（不同投影的地图）数据标准化预处理数据标准化预处理（按某一参照系数字化）（按某一参照系数字化）数据存储数据存储（统一的坐标基础）（统一的坐标基础）数据处理数据处理（投影转换）（投影转换）数据应用数据应用（检索查询、覆盖分析等）（检索查询、覆盖分析等）地理信息系统原理GIS 2 2、GISGIS中地图投影设计与配置的一般原则中地图投影设计与配置的一般原则1 1）所所配配置置的的投投影影系系统统应应与与相相应应比比例例尺尺的的国国家家基基本本图图（基基本本比比例例尺尺地地形形图图，基本省区图或国家大地图集）投影系统一致。基本省区图或国家大地图集）投影系统一致。2 2）系系统统一一般般只只考考虑虑至至多多采采用用两两种种投投影影系系统统，一一种种应应用用于于大大比比例例尺尺的的数数据据处理与输出、输入，另一种服务于处理与输出、输入，另一种服务于小比例尺小比例尺。3 3）所用投影以所用投影以等角投影等角投影为宜。为宜。4 4）所用投影所用投影应能与能与网格坐网格坐标系系统相适相适应，即所采用的网格系，即所采用的网格系统（特（特别是是一一级网格）在投影网格）在投影带中中应保持完整保持完整。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-2 4-2 地理参照系和控制基地理参照系和控制基础地理信息系统原理GIS3 3、我国、我国GISGIS常用的地图投影配置常用的地图投影配置采用与采用与我国基本图系列我国基本图系列一致一致的地图投影系统：的地图投影系统：我国我国常用的地图投影的情况常用的地图投影的情况为：为： 1)1)、我我国国基基本本比比例例尺尺地地形形图图(1(1：100100万万、1 1：5050万万、1 1：2525万万、1 1：1010万万、1 1：5 5万万、1 1：2.52.5、1 1：1 1万万、1 1：5000),5000),除除1 1：100100万万外外均均采采用用高高斯斯克克吕吕格格投投影影为地理基础；为地理基础；2)2)、我我国国1 1：100100万万地地形形图图采采用用了了LambertLambert投投影影，其其分分幅幅原原则则与与国国际际地地理理学学会会规定的规定的全球统一使用全球统一使用的国际的国际百万分之一百万分之一地图投影保持一致。地图投影保持一致。3)3)、我我国国大大部部分分省省区区图图以以及及大大多多数数这这一一比比例例尺尺的的地地图图也也多多采采用用LambertLambert投投影影和属于同一投影系统的和属于同一投影系统的AlbersAlbers投影投影( (正轴等面积割圆锥投影正轴等面积割圆锥投影) )； 4)4)、LambertLambert投影中，地球表面上两点间的投影中，地球表面上两点间的最短距离最短距离( (即大圆航线即大圆航线) )表现表现为近于直线，这为近于直线，这有利于有利于地理信息系统中地理信息系统中空间分析量度空间分析量度的正确实施。的正确实施。 。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-2 4-2 地理参照系和控制基地理参照系和控制基础地理信息系统原理GIS5-01 5-01 空空间数据的分数据的分类和和编码第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制分层分层区域分块区域分块空间数据库空间数据库GISGIS应用应用大范围大范围 地理区域地理区域合理组织合理组织面向对面向对象组织象组织矩形分块矩形分块经纬度分块经纬度分块一、空一、空间数据的数据的组织返回返回地理信息系统原理GIS二、地理数据的分层二、地理数据的分层空间数据可空间数据可按某种属性特征按某种属性特征形成一个形成一个数据层数据层，通常称为，通常称为图层图层（CoverageCoverage）。）。1、空间数据分层方法：空间数据分层方法：1 1）专题分层）专题分层每每个个图图层层对对应应一一个个专专题题，包包含含某某一一种种或或某某一一类类数数据据。如如地地貌貌层层、水水系系层层、道道路路层、居民地层等。层、居民地层等。2 2）时间序列分层）时间序列分层即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。3 3）地面垂直高度分）地面垂直高度分层把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制专题分层专题分层时间序列时间序列Z Z4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码地理信息系统原理GIS2 2、空间数据分层的目的、空间数据分层的目的便于空间数据的便于空间数据的管理、查询、显示、分析管理、查询、显示、分析等。等。1 1）空空间间数数据据分分为为若若干干数数据据层层后后，对对所所有有空空间间数数据据的的管管理理就就简简化化为为对对各各数数据据层层的的管管理理，而而一一个个数数据据层层的的数数据据结结构构往往往往比比较较单单一一，数数据据量量也也相对较小相对较小，管理起来就相对，管理起来就相对简单简单；2 2）对对分分层层的的空空间间数数据据进进行行查查询询时时，不不需需要要对对所所有有空空间间数数据据进进行行查查询询，只需只需要对要对某一层某一层空间数据进行查询即可，因而空间数据进行查询即可，因而可加快可加快查询速度；查询速度；3 3）分分层层后后的的空空间间数数据据，由由于于便便于于任任意意选选择择需需要要显显示示的的图图层层，因因而而增增加了加了图形显示图形显示的的灵活性灵活性；4 4）对）对不同数据层不同数据层进行叠加，可进行进行叠加，可进行各种目的各种目的的空间分析。的空间分析。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码返回返回地理信息系统原理GIS三、三、空间数据的分类与编码空间数据的分类与编码第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制分类、编码分类、编码点、线、面点、线、面特征码特征码、坐标、坐标信息世界信息世界4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码地理信息系统原理GIS1 1、属性数据编码、属性数据编码第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码 在属性数据中，有一部分是与几何数据的表示在属性数据中，有一部分是与几何数据的表示密切有关密切有关的。的。例如，道路的例如，道路的等级、类型等级、类型等，等，决定着决定着道路道路符号符号的形状、色彩、尺寸等。的形状、色彩、尺寸等。在在GISGIS中，通常把中，通常把这部分属性数据这部分属性数据用用编码编码的形式表示，并与几何数据的形式表示，并与几何数据一起管理一起管理起来。起来。 编码：编码：是指确定是指确定属性数据属性数据的的代码代码的的方法方法和和过程过程。 代码：代码：是一个或一组是一个或一组有序有序的的易于易于被计算机或人被计算机或人识别与处理识别与处理的的符号符号，是计，是计算机算机鉴别和查找信息鉴别和查找信息的主要依据和手段。的主要依据和手段。 编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。地理信息系统原理GIS2 2、分类编码的原则、分类编码的原则分类是将分类是将具有共同具有共同的属性或特征的事物或现象的属性或特征的事物或现象归并在一起归并在一起，而把，而把不同不同属属性或特征的事物或现象性或特征的事物或现象分开分开的过程。的过程。分类是人类思维所固有的一种活动，是认识事物的一种方法。分类是人类思维所固有的一种活动，是认识事物的一种方法。分类的分类的基本原则基本原则是：是：科学性、系统性、可扩性、实用性、科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性、兼容性、稳定性、不受比例尺限制、灵活性稳定性、不受比例尺限制、灵活性第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码地理信息系统原理GIS3 3、分类码和标识码分类码和标识码第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码资料来源于张超主编的资料来源于张超主编的地理信息系统实习教程地理信息系统实习教程所配光盘所配光盘地理信息系统原理GIS4 4、分类码示例分类码示例第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码资料来源于张超主编的资料来源于张超主编的地理信息系统实习教程地理信息系统实习教程所配光盘所配光盘地理信息系统原理GIS5 5、标识码示例标识码示例第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制4-3 4-3 空空间数据的分数据的分类和和编码C1492资料来源于张超主编的资料来源于张超主编的地理信息系统实习教程地理信息系统实习教程所配光盘所配光盘地理信息系统原理GIS5-025-02空间数据标准目录空间数据标准目录第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制5-025-02空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享5-5-02 02 空间数据标准空间数据标准一、概述一、概述二、二、空间数据分类标准空间数据分类标准三、三、空间数据交换标准空间数据交换标准四、我国空间数据交换格式四、我国空间数据交换格式五、五、GIS空间元数据空间元数据六、空间数据的互操作六、空间数据的互操作七、七、Open GISOpen GIS规范规范地理信息系统原理GIS5-025-02空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享一、概述一、概述1、目前影响数据共享的因素、目前影响数据共享的因素体制上体制上：行业数据保密政策。：行业数据保密政策。技术上技术上：不同系统对空间数据采用的数据结构和数据格式不同。：不同系统对空间数据采用的数据结构和数据格式不同。网网络络化化程程度度：资资源源共共享享是是网网络络主主要要功功能能之之一一，用用户户可可共共享享网网络络分分散散在在不不同同地地点点的的各各种软硬件。种软硬件。第五章第五章 空间数据处理空间数据处理3 3、空间数据标准的状况：、空间数据标准的状况： 如果只针对如果只针对某一某一地理信息系统设计空间数据标准，地理信息系统设计空间数据标准，并不困难并不困难；如果所建立的空间数；如果所建立的空间数据标准据标准能为大家所承认能为大家所承认，为大多数系统所接受和使用，就，为大多数系统所接受和使用，就比较复杂和困难比较复杂和困难。 目前，我国目前，我国已有一些与已有一些与GISGIS有关的国家标准有关的国家标准，内容涉及数据编码、数据，内容涉及数据编码、数据格式、地理格网、数据采集技术规范、数据记录格式等。格式、地理格网、数据采集技术规范、数据记录格式等。2 2、空间数据标准：、空间数据标准： 是指空间数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式等的是指空间数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式等的标标准形式准形式。每个地理信息系统都必须具有相应的空间数据标准。每个地理信息系统都必须具有相应的空间数据标准。返回返回地理信息系统原理GIS二、空间数据分类标准二、空间数据分类标准1 1、原则：、原则：1 1）遵循已有的国家标准，以利于全国范围内的数据共享。）遵循已有的国家标准，以利于全国范围内的数据共享。2 2）遵循国务院有关部委以及军队正在使用的数据标准。）遵循国务院有关部委以及军队正在使用的数据标准。3 3）遵循各领域中普遍使用和认同的数据标准。）遵循各领域中普遍使用和认同的数据标准。4 4）当各种数据标准相互矛盾时，应遵循由上而下的原则进行处理。）当各种数据标准相互矛盾时，应遵循由上而下的原则进行处理。5 5）制定新的数据标准时，应尽可能参考同类标准。）制定新的数据标准时，应尽可能参考同类标准。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享2 2、目前我国已有的与目前我国已有的与GISGIS有关的关于空间数据分类的国家标准有关的关于空间数据分类的国家标准：GB2260-95 GB2260-95 中华人民共和国行政区划代码中华人民共和国行政区划代码GB13923-92 GB13923-92 国土基础信息数据分类与代码国土基础信息数据分类与代码GB11708-89 GB11708-89 公路桥梁命名和编码规则公路桥梁命名和编码规则GB14804-93 GB14804-93 1 1：500500、1 1：10001000、1 1：20002000地形要素分类与代码地形要素分类与代码等等。等等。返回返回地理信息系统原理GIS三、空间数据交换标准三、空间数据交换标准1 1、外部数据交换标准、外部数据交换标准第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享特点特点：自动化程度不高自动化程度不高，速度较慢速度较慢等，但它等，但它可解决可解决不同不同GISGIS之间的数据转换问题。之间的数据转换问题。它仍然是实现数据共享的它仍然是实现数据共享的主流方式主流方式。GIS 1GIS 1数据格式数据格式 外部数据交换外部数据交换格式标准格式标准数据转换数据转换数据转换数据转换GIS 2GIS 2数据格式数据格式 地理信息系统原理GIS2 2、空间数据互操作协议、空间数据互操作协议特特点点：比比外外部部数数据据交交换换标标准准方方便便，但但由由于于各各种种软软件件存存储储和和处处理理空空间间数数据据的的方方式式不不同同，空间数据的互操作函数又不可能很庞大，因此空间数据的互操作函数又不可能很庞大，因此往往不能往往不能解决所有问题。解决所有问题。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享GIS 1GIS 1操操纵纵空空间间数数据据的的API直接调用直接调用 直接调用直接调用 GIS 2GIS 23 3、空间数据共享平台、空间数据共享平台服务器存放空间数据采用服务器存放空间数据采用客户机客户机/ /服务器体系结构服务器体系结构，各种，各种GISGIS通过一个通过一个公共的平台公共的平台在在服务器服务器存取所有数据，以存取所有数据，以避免避免数据的不一致性。数据的不一致性。特点：特点：思路较好，但现有的思路较好，但现有的GISGIS软件软件各有自己的底层各有自己的底层，要，要统一平台统一平台目前目前难以难以实现。实现。GIS 1GIS 1服服务务器器存存放放空空间数据间数据C/SC/S平台平台 C/SC/S平台平台 GIS 2GIS 2操纵操纵操纵操纵地理信息系统原理GIS4 4、统一数据库接口、统一数据库接口特特点点：这这种种方方式式的的前前提提，首首先先要要求求对对现现实实世世界界进进行行统统一一的的面面向向对对象象的的数数据据理理解解，这这不易实现不易实现的。的。目前：目前：外部数据交换标准仍是实现数据共享的外部数据交换标准仍是实现数据共享的主流方式主流方式。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享GIS 1GIS 1空空间间数数据据库库接口接口 转换程序转换程序 转换程序转换程序 GIS 2GIS 2在对空间数据模型有在对空间数据模型有共同理解共同理解的基础上，各系统开发专门的双向转换程序，的基础上，各系统开发专门的双向转换程序，将本系统的内部数据结构转换成将本系统的内部数据结构转换成统一数据库的接口统一数据库的接口。 我国我国已发布了已发布了GISGIS的的外部数据交换格式外部数据交换格式，包括矢量数据交换格式、栅格数据交换，包括矢量数据交换格式、栅格数据交换格式和数字高程模型交换格式标准。格式和数字高程模型交换格式标准。四、我国空间数据交换格式四、我国空间数据交换格式返回返回地理信息系统原理GIS五、五、GIS空间元数据（空间元数据（Geospatial MetadataGeospatial Metadata）1 1、空间元数据的定义和作用、空间元数据的定义和作用1 1）定义：）定义： 地地理理的的数数据据和和信信息息资资源源的的描描述述性性信信息息。它它通通过过对对地地理理空空间间数数据据的的内内容容、质质量量、条条件件和和其其他他特特征征进进行行描描述述与与说说明明，以以便便人人们们有有效效地地定定位位、评评价价、比比较较、获获取取和和使使用用与与地地理理相关的数据。相关的数据。 2）作用：）作用： （a）用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源。用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源。（b b）帮助数据使用者查询所需空间信息。帮助数据使用者查询所需空间信息。（c c）组织和维护一个机构对数据的投资。组织和维护一个机构对数据的投资。（d d）用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心。用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心。（e）提供数据转换方面的信息。提供数据转换方面的信息。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享地理信息系统原理GIS2 2、空间元数据的分类、空间元数据的分类1 1）高高层层元元数数据据（数数据据集集系系列列MetadataMetadata），描描述述整整个个数数据据集集的的元元数数据据，包包括括数数据据集集区区域域采采样样原原则则，数数据据库库的的有有效效期期，数数据据的的时时间间跨跨度度、分分辨辨率率以以及及方方法法等等。是是用用户户用用于于概概括括性性查询数据集的主要内容。查询数据集的主要内容。 2 2）中中层层元元数数据据（数数据据集集MetadataMetadata），既既可可以以作作为为数数据据集集系系列列MetadataMetadata的的组组成成部部分分，也也可可以以作作为为后后面面数数据据集集属属性性以以及及要要素素等等内内容容的的父父MetadataMetadata数数据据集集系系列列。全全面面反反映映数数据据集集的的内容内容 。3 3）底底层层元元数数据据（要要素素、属属性性的的类类型型和和实实例例MetadataMetadata），包包括括最最近近更更新新日日期期，位位置置纲纲量量，存存在在问问题题标标识识（如如数数据据的的丢丢失失原原因因），数数据据处处理理过过程程等等。是是元元数数据据体体系系中中详详细细描描述述现现实实世界的重要部分。世界的重要部分。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享地理信息系统原理GIS3、空间元数据的内容、空间元数据的内容 对对空空间间元元数数据据所所要要描描述述的的一一般般内内容容进进行行层层次次化化和和范范式式化化，指指定定出出可可供供参参考考与与遵遵循循的的空间元数据标准的内容框架。空间元数据标准的内容框架。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享第一层是目录层第一层是目录层，主要用于对数据集信息进行，主要用于对数据集信息进行宏观描述宏观描述，适合在适合在数字地球的国家级空间信数字地球的国家级空间信息交换中心或区域以及全球范围内管理和查询空间信息时使用。息交换中心或区域以及全球范围内管理和查询空间信息时使用。第二层是空间元数据标准的主体第二层是空间元数据标准的主体，由，由八个基本内容部分八个基本内容部分和和四个引用部分四个引用部分组成。组成。 地理信息系统原理GIS4、元数据的获取、元数据的获取 数数据据收收集集后后，根根据据需需要要产产生生的的，包包括括数数据据处处理理过过程程描描述述、数数据据的的利利用用情情况况、数数据据质质量量评评估估、数数据据集集大大小小、数数据据存存放放路路径径等等。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享数据收集前数据收集前，得到的是根据要建设的，得到的是根据要建设的数据库的内容数据库的内容而设计的而设计的元数据，包括数据类型、数据覆盖范围、使用仪器说明、数元数据，包括数据类型、数据覆盖范围、使用仪器说明、数据变量表示、数据收集方法、数据时间、数据潜在利用等。据变量表示、数据收集方法、数据时间、数据潜在利用等。1 1）三阶段：三阶段：数据收集中数据收集中，随数据的形成，随数据的形成同步同步产生的元数据，例如在测量海产生的元数据，例如在测量海洋要素数据时，测点的水平和垂直位置、深度、温度等是同时洋要素数据时，测点的水平和垂直位置、深度、温度等是同时得到的。得到的。2）获取方法：）获取方法：键盘输入键盘输入关联法关联法测量法测量法计算法计算法推理法推理法返回返回地理信息系统原理GIS5 5、现有的空间元数据标准、现有的空间元数据标准元数据标准名称建立标准的组织GSDGM地理空间数据元数据内容标准FGDC，美国联邦地理数据委员会 GDDD数据集描述方法 MEGRIN，欧洲地图事务所 CGSB空间数据集描述 CSC，加拿大标准委员会 CEN地学信息数据描述元数据 CEN/TC287 DIF目录交换格式 美国宇航局(NASA)和全球变化数据管理国际工作组(IWGDMGC) ISO地理信息 ISO/TC211 地理信息系统原理GIS六六、空间数据的互操作、空间数据的互操作第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享互操作地理信息处理互操作地理信息处理，是指数字系统的是指数字系统的这些能力这些能力：1）自由地交换所有关于地球的信息）自由地交换所有关于地球的信息，即所有关于地表上的、空中的、地球表面以下的对，即所有关于地表上的、空中的、地球表面以下的对象的信息。象的信息。2）通过网络协作运行能够操作这些信息的软件）通过网络协作运行能够操作这些信息的软件。概括为概括为自由交换地理空间信息自由交换地理空间信息及及协作运行空间信息处理协作运行空间信息处理的软件。的软件。互相通信互相通信互相协作互相协作实体实体1数据数据功能功能实体实体2数据数据功能功能互操作互操作1、互操作含义、互操作含义指指异构环境异构环境下两个或两个以上的实体，尽管它下两个或两个以上的实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但它们可以但它们可以互相通信和协作互相通信和协作，以完成某一特定任，以完成某一特定任务，这些实体包括程序、对象、系统运行环境等。务，这些实体包括程序、对象、系统运行环境等。2 2、GISGIS互操作类型互操作类型1 1）软件的互操作）软件的互操作，强调软件功能块间的相互调用；，强调软件功能块间的相互调用；2 2）数据的互操作）数据的互操作，强调数据集之间相互透明的访问；，强调数据集之间相互透明的访问；3 3）语义湖操作）语义湖操作，强调信息的共享，在一定语义约束下（对地理现象共同的理解下），强调信息的共享，在一定语义约束下（对地理现象共同的理解下）的互操作。的互操作。 地理信息系统原理GIS3 3、GIS互操作问题互操作问题第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享目目前前，所所建建立立的的GISGIS均均被被认认为为是是信信息息孤孤岛岛，不不同同系系统统之之间间存存在在互互操操作作问问题题，因为：因为：1 1）没没有有统统一一的的标标准准，各各自自采采用用不不同同的的数数据据格格式式、数数据据存存储储和和数数据据处处理理方方法；法；2 2）系系统统的的开开发发均均建建立立在在具具体体、相相互互独独立立和和封封闭闭的的平平台台，且且不不同同应应用用部部门门对对地地理理现现象象有有不不同同的的理理解解，导导致致对对地地理理信信息息有有不不同同的的定定义义，使使得得不不同同应应用用系统之间在共同协作时系统之间在共同协作时无法无法进行进行信息交流信息交流和和数据共享数据共享。互相通信互相通信互相协作互相协作GIS1数据数据功能功能GIS2数据数据功能功能互操作互操作地理信息系统原理GIS5、GISGIS互操作现状互操作现状目前，主要有两种方法目前，主要有两种方法初步实现初步实现互操作：互操作：1 1）OPEN OPEN GISGIS规规范范，通通过过规规定定统统一一的的系系统统设设计计和和开开发发软软件件工工具具的的框框架架，OGCOGC（Open Open GIS ConsortiumGIS Consortium）OPEN GIS OPEN GIS 协会为实现协会为实现GISGIS间的互操作制定了间的互操作制定了OPEN GISOPEN GIS规范。规范。2 2）构构件件（组组件件）技技术术，构构件件（组组件件）技技术术也也是是实实现现互互操操作作的的可可行行方方法法。程程序序设设计计中中的的组组件件技技术术，可可以以在在许许多多不不同同平平台台下下使使用用，受受之之启启发发，可可将将GISGIS某某功功能能包包装装成成独独立的组件立的组件，使之可以在，使之可以在不同的系统环境不同的系统环境下调用。这样可实现系统功能的相互调用。下调用。这样可实现系统功能的相互调用。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享4、急需实现异构、急需实现异构GIS间的互操作间的互操作1）解决基础数据的共享问题的需要；）解决基础数据的共享问题的需要；2）GIS应用趋向多学科综合和集成化；应用趋向多学科综合和集成化；3）GIS走向社会化的需要；走向社会化的需要；4）也是）也是InternetGIS发展的需要。发展的需要。返回返回地理信息系统原理GIS七、七、Open GISOpen GIS规范规范1 1、含义：含义：OGISOGIS，也也叫叫开开放放式式地地理理数数据据交交换换规规程程，它它是是由由开开放放地地理理信信息息系系统统协协会会（Open Open GIS GIS ConsortiumConsortium）制制定定的的一一系系列列开开放放标标准准和和接接口口。Open Open GISGIS规规范范是是OGCOGC规规范范的的最最高高层层次次，是利用软件统一地表示地理数据和地理处理的规范系统。是利用软件统一地表示地理数据和地理处理的规范系统。2 2、目的：目的：在在传传统统GISGIS软软件件与与高高带带宽宽的的异异构构地地学学处处理理环环境境中中架架起起一一座座桥桥梁梁，具具体体通通过过信信息息基基础础设设施施，把把地地理理空空间间数数据据和和地地理理处处理理资资源源集集成成到到主主流流的的计计算算机机技技术术中中，促促使使可可互互操操作的商业地理信息处理软件的作的商业地理信息处理软件的广泛应用广泛应用。3 3、特点特点：1 1）是一种是一种统一的规范统一的规范，使，使用户用户和和开发者开发者能进行互操作；能进行互操作；2 2）能能克克服服烦烦琐琐的的批批处处理理及及导导入入、导导出出障障碍碍，在在分分布布操操作作系系统统异异构构数数据据库库环环境境下下获获取数据及数据处理功能资源；取数据及数据处理功能资源；3 3）由由于于Open Open GISGIS独独立立于于具具体体平平台台，它它只只能能是是抽抽象象层层的的概概念念描描述述，而而不不是是具具体体的的实实现现。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享地理信息系统原理GIS4、多数据格式是多源空间数据集成的瓶颈，是多数据格式是多源空间数据集成的瓶颈，是OpenGIS出现的基础出现的基础1) 1) 多语义性多语义性 由由于于地地理理系系统统的的研研究究对对象象的的多多种种类类特特点点决决定定了了地地理理信信息息的的多多语语义义性性。一一个个GISGIS研研究究的的决决不不会会是是一一个个孤孤立立的的地地理理语语义义，但但不不同同系系统统解解决决问问题题的的侧侧重重点点也也有有所所不不同同，因因而会存在而会存在语义分异语义分异问题。问题。 2) 2) 多时空性和多尺度多时空性和多尺度一一个个GISGIS系系统统中中的的数数据据源源既既有有同同一一时时间间不不同同空空间间的的数数据据系系列列；也也有有同同一一空空间间不不同同时时间间序序列列的的数数据据。还还会会根根据据系系统统需需要要而而采采用用不不同同尺尺度度对对地地理理空空间间进进行行表表达达，不不同同的的观观察尺度具有察尺度具有不同的比例尺不同的比例尺和和不同的精度不同的精度。3) 3) 获取手段多源性获取手段多源性 获获取取地地理理空空间间的的数数据据的的方方法法有有多多种种多多样样，包包括括来来自自现现有有系系统统、图图表表、遥遥感感手手段段、GPSGPS手段、统计调查、实地勘测等。手段、统计调查、实地勘测等。4) 4) 存储格式多源性存储格式多源性 图图形形数数据据又又可可以以分分为为栅栅格格格格式式和和矢矢量量格格式式两两类类。传传统统的的GISGIS一一般般将将属属性性数数据据放放在在关关系系数数据据库库中中，而而将将图图形形数数据据存存放放在在专专门门的的图图形形文文件件中中。不不同同的的GISGIS软软件件采采取取不不同的文件存储格式同的文件存储格式。 第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享地理信息系统原理GIS5 5、OpenGIS规范的作用规范的作用第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享 通通过过OpenGISOpenGIS规规范范把把商商业业部部门门、集集成成部部门门、用用户户、研研究究人人员员、数数据据提提供供商商等等连连接接到到一一起起，通通过过必必要要的的软软件件工工具具和和通通信信技技术术，为为各各种种用用户户提提供供对对地地理理信信息息的的共共享享和和互操作。互操作。 地理信息系统原理GIS6、互操作地理信息的工作方式（互操作地理信息的工作方式（OGIS框架）框架）如如何何实实现现OpenGISOpenGIS规规范范，OpenGISOpenGIS规规范范并并没没有有提提出出具具体体的的标标准准实实施施模模式式，其其框框架架主要由三部分组成主要由三部分组成1）开放的地理数据模型（开放的地理数据模型（Open Open GeodataGeodata Model,OGM Model,OGM） 包包含含认认可可的的类类型型和和结结构构集集合合（将将地地理理现现实实抽抽象象为为实实体体（特特征征）和和现现象象（层层），通过这一集合，可表示任何地理模型。通过这一集合，可表示任何地理模型。2 2）OGISOGIS服务模型（服务模型（Open Service ModelOpen Service Model，OSMOSM） 定定义义地地学学数数据据服服务务的的对对象象模模型型，由由一一组组相相互互可可操操作作的的软软件件构构件件集集组组成成，为为对对特特征的征的访问访问提供对象管理、获取、操作、交换等提供对象管理、获取、操作、交换等服务设施服务设施。3 3）信息群模型（信息群模型（Information Communities ModelInformation Communities Model）信信息息群群指指共共享享数数据据的的用用户户群群，可可以以是是数数据据提提供供者者、使使用用者者。不不同同用用户户对对数数据据理理解不同，引起语义上交流障碍。解不同，引起语义上交流障碍。 信信息息群群模模型型，主主要要任任务务是是解解决决具具有有统统一一的的OGMOGM（开开放放地地理理数数据据模模型型）及及语语义义描描述述机机制制的的一一个个信信息息部部门门内内部部以以及及不不同同OGMOGM及及语语义义描描述述的的信信息息部部门门之之间间的的数数据据共共享享问问题题。采采用用的的主主要要方方法法是是语语义义转转换换，使使具具有有不不同同特特征征类类定定义义以以及及语语义义模模式式的的信信息息用用户户群之间实现群之间实现语义的互操作语义的互操作。第四章第四章 空间数据的采集和质量控制空间数据的采集和质量控制44.6空间数据标准空间数据标准-数据共享数据共享地理信息系统原理GIS第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理 数据处理的概念数据处理的概念 数据处理的内容数据处理的内容 数据处理的意义数据处理的意义对采集的各种数据，按对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数照不同的方式方法对数据进行编辑运算，清除据进行编辑运算，清除数据冗余，弥补数据缺数据冗余，弥补数据缺失，形成符合用户要求失，形成符合用户要求的数据文件格式的数据文件格式地理信息系统原理GIS数据处理的概念数据处理的概念数据处理的内容数据处理的内容数据处理的意义数据处理的意义数踞编辑数踞编辑数据压缩数据压缩数据变换数据变换数据格式转换数据格式转换空间数据内插空间数据内插边沿匹配边沿匹配数据提取数据提取地理信息系统原理GIS数据处理的概念数据处理的概念数据处理的内容数据处理的内容数据处理的意义数据处理的意义空间数据有序化空间数据有序化检验数据质量检验数据质量实现数据共享实现数据共享提高资源利用效果提高资源利用效果地理信息系统原理GIS一、图幅数据的坐标变换一、图幅数据的坐标变换1、比例尺变换、比例尺变换：乘系数：乘系数2 2、变形误差改正变形误差改正：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 3、坐标旋转和平移坐标旋转和平移即数字化坐标变换，利用仿射变换改正。即数字化坐标变换，利用仿射变换改正。4 4、投影变换：、投影变换： 三种方法。三种方法。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-1 5-1 坐标变换坐标变换几几何何变变换换 返回返回地理信息系统原理GIS平移变换平移变换 0yxP（x，y）P(x，y)xyx=x+xy=y+y1 1、空间数据处理的方法、空间数据处理的方法- -平面坐标变换平面坐标变换地理信息系统原理GIS旋转变换旋转变换 yP（x，y）0xP(x，y)x=xcos-y sin y=xsin+y cosx=x0+(x- x0)cos-(y- y0) siny=y0+(x- x0) sin+(y- y0) cos1 1、空间数据处理的方法、空间数据处理的方法- -平面坐标变换平面坐标变换地理信息系统原理GIS比例变换（图形缩放比例变换（图形缩放）点可以通过对其点可以通过对其P（x，y）坐标分别乘以各自的比坐标分别乘以各自的比例因子例因子Sx和和Sy来改变它们到坐标原点的距离。来改变它们到坐标原点的距离。x=xSxy=ySyx=x0+(x- x0)Sx y=y0+(y- y0) Sy1 1、空间数据处理的方法、空间数据处理的方法- -平面坐标变换平面坐标变换地理信息系统原理GIS二、几何纠正二、几何纠正 其其中中A A、B B代代表表二二次次以以上上高高次次项项之之和和。上上式式是是高高次次曲曲线线方方程程，符符合合上上式式的的变变换换称称为为高高次次变变换换。式式中中有有1212个个未未知知数数，所所以以在在进进行行高高次次变变换换时时，需需要要有有6 6对对以以上上控控制制点点的的坐坐标标和理论值，才能求出待定系数。和理论值，才能求出待定系数。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-1 5-1 坐标变换坐标变换1 1、高次变换、高次变换2、二次变换、二次变换 当当不考虑不考虑高次变换方程中的高次变换方程中的A和和B时，则变成二次曲线方程，称为时，则变成二次曲线方程，称为二次变换二次变换。二。二次变换适用于原图有次变换适用于原图有非线性变形非线性变形的情况，至少需要的情况，至少需要5对对控制点的坐标及其理论值，控制点的坐标及其理论值，才能解算待定系数。才能解算待定系数。地理信息系统原理GIS3 3、仿射变换、仿射变换 实质是两坐标系间的实质是两坐标系间的旋转变换旋转变换。设图纸变形引起设图纸变形引起x,yx,y两个方向两个方向比例尺不同比例尺不同，当，当x,y比例尺相同时比例尺相同时，为，为相似变换相似变换。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-1 5-1 坐标变换坐标变换特性：特性：直线变换后仍为直线；直线变换后仍为直线；平行线变换后仍为平行线；平行线变换后仍为平行线；不同方向上的长度比发生变化。不同方向上的长度比发生变化。 求解上式中的求解上式中的6个未知数个未知数，需不在一直线上的，需不在一直线上的3对对已知控制点，由已知控制点，由于误差，于误差，需多余观测需多余观测，所以，用于，所以，用于图幅定向图幅定向至少需要四对至少需要四对控制点。控制点。返回返回地理信息系统原理GIS图幅变形校正最常用的方法是六系数的线性变换法图幅变形校正最常用的方法是六系数的线性变换法( (SprhskySprhsky，19871987；黄杏元等，黄杏元等，1989)1989)：上式中上式中x x，y y为数字化的坐标，为数字化的坐标，X X，Y Y为转换后的坐标，为转换后的坐标，A A0 0，A A1 1，A A2 2，B B0 0，B B1 1，B B2 2为六个未知系数。设有为六个未知系数。设有n n个控制点个控制点(n(n2)2)，可用最小二乘法原理来计算这六个未知数：可用最小二乘法原理来计算这六个未知数：上式上式中中xi，yi为第为第i个控制点的数字化坐标，个控制点的数字化坐标，ui，vi认为对应的认为对应的实测坐标，由最小和最小，可以解出实测坐标，由最小和最小，可以解出A0，A1，A2，B0，B1，B2，实现图幅的变形校正。，实现图幅的变形校正。地理信息系统原理GIS 当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需时，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要投影的坐标数据地图投影变换地图投影变换正解变换正解变换反解变换反解变换数值变换数值变换三、地图投影变换三、地图投影变换通过建立两个投通过建立两个投影的解析关系式，影的解析关系式，直接把一种投影直接把一种投影坐标坐标 ( x , y ) 变变换成另一种投影换成另一种投影的坐标的坐标 ( X , Y )地理信息系统原理GIS 当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需时，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要投影的坐标数据地图投影变换正解变换正解变换反解变换反解变换数值变换数值变换由一种投影的坐由一种投影的坐标标 (x,y)反解出反解出地理坐标地理坐标（,) ，然后，然后再将地理坐标代再将地理坐标代入另一种投影公入另一种投影公式中，求出该投式中，求出该投影下的直角坐标影下的直角坐标（X,Y)三、地图投影变换三、地图投影变换地理信息系统原理GIS 当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需时，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要投影的坐标数据地图投影变换地图投影变换正解变换正解变换反解变换反解变换数值变换数值变换根据两种投影在根据两种投影在变换区内若干同变换区内若干同名的坐标点，采名的坐标点，采用插值法、有限用插值法、有限差分法、待定系差分法、待定系数法等，实现不数法等，实现不同投影之间的转同投影之间的转换换三、地图投影变换三、地图投影变换地理信息系统原理GIS三、地图投影变换三、地图投影变换 1、解析变换法、解析变换法1）反解变换法）反解变换法(又称间接变换法又称间接变换法)第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-1 5-1 坐标变换坐标变换 假定假定原图点原图点的坐标为的坐标为x,y(称为旧坐标称为旧坐标)，新图点新图点的坐标为的坐标为X，Y(称为新坐标称为新坐标)，则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为：为：2）正解变换法）正解变换法(又称直接变换法又称直接变换法)地理信息系统原理GIS2 2、数值变换法、数值变换法 利用若干利用若干同名数字化点同名数字化点（对同一点在两种投影中均（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，即用逼近的方法，即用数值变换法数值变换法来建立两投影间的变换关来建立两投影间的变换关系式。系式。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-1 5-1 坐标变换坐标变换例如，采用例如，采用二元三次多项式二元三次多项式进行变换进行变换:通过选择通过选择10个以上个以上的两种投影之间的共同点，并组成的两种投影之间的共同点，并组成最小二乘法最小二乘法的条件式，进行的条件式，进行解解算系数算系数。地理信息系统原理GIS3 3、数值解析变换法、数值解析变换法当当已已知知新新投投影影的的公公式式，但但不不知知原原投投影影的的公公式式时时，可可先先通通过过数数值值变变换换求求出出原原投投影影点点的的地理坐标地理坐标，然后代入然后代入新投影公式新投影公式中，求出新投影点的中，求出新投影点的坐标坐标。即：。即：第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-1 5-1 坐标变换坐标变换地理信息系统原理GIS4 4线性目标操作的基本算法线性目标操作的基本算法、数值解析变换法、数值解析变换法（P125）（1）求线相交）求线相交（2）曲线光滑）曲线光滑（3）曲线化简）曲线化简第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-1 5-1 坐标变换坐标变换地理信息系统原理GIS5-2 5-2 图形编辑图形编辑图形编辑是一图形编辑是一交互处理过程交互处理过程， GISGIS具备的具备的图形编辑功能图形编辑功能的的要求要求是：是：1 1）具有）具有友好的人机界面友好的人机界面，即操作灵活、易于理解、响应迅速等；，即操作灵活、易于理解、响应迅速等；2 2）具有对几何数据和属性编码的）具有对几何数据和属性编码的修改功能修改功能，如点、线、面的增加、删除、修改等；，如点、线、面的增加、删除、修改等；3 3）具有）具有分层显示分层显示和和窗口操作窗口操作功能，便于用户的使用。功能，便于用户的使用。 第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理 图形编辑又叫图形编辑又叫数据编辑数据编辑、数字化编辑数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑编辑加工加工，其主要的目的是在，其主要的目的是在改正改正数据数据差错差错的同时，相应地的同时，相应地改正改正数字化资料的数字化资料的图形图形。地理信息系统原理GIS一、编辑操作一、编辑操作1 1）结点吻合）结点吻合(Snap)(Snap) 或称结点匹配、结点咬合，结点附和。或称结点匹配、结点咬合，结点附和。方法方法：A A、结点移动结点移动，用鼠标将其它两点移到另一点；，用鼠标将其它两点移到另一点；B B、鼠标拉框鼠标拉框，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，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中间坐标匹配成一致；匹配成一致；C C、求交点求交点，求两条线的交点或其延长线的交点，作为吻合的结点；，求两条线的交点或其延长线的交点，作为吻合的结点；D D、自动匹配自动匹配，给定一个，给定一个吻合容差吻合容差，或称为，或称为咬合距咬合距，在图形数字化时或之后，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。将容差范围内的结点自动吻合成一点。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑 一般，若结点容差设置一般，若结点容差设置合理合理，大多数大多数结点能够吻合在一起，结点能够吻合在一起，但有些情况但有些情况还需要还需要使用前三种方法进行使用前三种方法进行人工编辑人工编辑。 1 1、结点的编辑、结点的编辑地理信息系统原理GIS2 2）结点与线的吻合）结点与线的吻合编辑的方法编辑的方法：A A、结点移动结点移动，将结点移动到线目标上。，将结点移动到线目标上。B B、使用线段求交使用线段求交；C C、自动编辑自动编辑，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑A AB BD DC CE E在数字化过程中，常遇到一个在数字化过程中，常遇到一个结点结点与一个与一个线线状目标状目标的的中间相交中间相交。由于测量或数字化误差，。由于测量或数字化误差，它它不可能不可能完全交于线目标上，需要进行完全交于线目标上，需要进行编辑编辑，称为称为结点与线的吻合结点与线的吻合。3 3）需要考虑两种情况）需要考虑两种情况A A、要求坐标一致，而不建立拓扑关系要求坐标一致，而不建立拓扑关系；如如 高架桥（高架桥（不需打断，直接移动不需打断，直接移动）B B、不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关系不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关系；如如 道路交叉口道路交叉口（需要打断需要打断）无结点无结点有结点有结点地理信息系统原理GIS4 4）清除假结点（伪结点）清除假结点（伪结点）第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑 有些系统有些系统要要将这种假结点将这种假结点清除掉清除掉（如（如ARC/INFOARC/INFO），），即将目标即将目标A A 和和B B合并成一合并成一条，使它们之间不存在结点条，使它们之间不存在结点; ; 但有些系统但有些系统并不要求并不要求清除假结点，如清除假结点，如GeostarGeostar, ,因为它们因为它们并不影响并不影响空间查询、空间查询、分析和制图。分析和制图。由由仅有两个仅有两个线目标相关联的结点成为线目标相关联的结点成为假结点假结点。A AB B地理信息系统原理GIS2 2、图形编辑、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。点、线、面实体。1 1）删除和增加一个顶点）删除和增加一个顶点删除顶点删除顶点，在数据库在数据库中不用整体删除中不用整体删除与目标有关的数据，只是与目标有关的数据，只是在在原来原来存储的位置存储的位置重写一次坐标重写一次坐标，拓扑关系不变拓扑关系不变。增加顶点增加顶点，则操作和处理都要，则操作和处理都要复杂复杂。不能不能在原来的存储位置上在原来的存储位置上重写，重写，需要给一个新的需要给一个新的目标标识号，目标标识号，在新位置上在新位置上重写，而将重写，而将原来原来的目标删除，此时需要做一系列处理，的目标删除，此时需要做一系列处理，调整调整空间拓扑关系。空间拓扑关系。2 2）移动一个顶点）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，移动顶点只涉及某个点的坐标，不涉及拓扑关系的维护，较简较简单单。3 3）删除一段弧段）删除一段弧段 复杂，先要把原来的弧段复杂，先要把原来的弧段打断打断, ,存储上原来的弧段实际存储上原来的弧段实际被删除被删除，拓扑关系拓扑关系需要调整需要调整和和变化变化. .第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑j jk kj jk ka ab bL3L3L1L1L2L2地理信息系统原理GIS3 3、数据检查与清理、数据检查与清理数据检查指数据检查指拓扑关系的检查拓扑关系的检查，结点是否匹配，是否存在悬挂弧段，多边形是否封闭，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。是否有假结点。要求系统能要求系统能将有错误或不正确的拓扑关系的点、线和面将有错误或不正确的拓扑关系的点、线和面用不同用不同的颜色和符号的颜色和符号表示表示出来，出来，以便于以便于人工检查和修改人工检查和修改。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑 数据清理则是用数据清理则是用自动的方法自动的方法清除空间数据的错误清除空间数据的错误. . 例如给定一个例如给定一个结点吻合结点吻合的容差使该容差范围内的结点的容差使该容差范围内的结点自动吻合自动吻合在一起，并建立在一起，并建立拓扑关系。给定拓扑关系。给定悬挂弧段容差悬挂弧段容差，将小于该容差的短弧，将小于该容差的短弧自动删除自动删除。在。在Arc/infoArc/info中用中用Data CleanData Clean 命令，在命令，在GeostarGeostar中选择中选择整体结点匹配整体结点匹配菜单。菜单。 4 4、撤消与恢复编辑、撤消与恢复编辑 Undo,RedoUndo,Redo功能是功能是必要必要的。但功能的实现是的。但功能的实现是困难困难的。的。当撤消编辑，即恢复目标，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，有些因此，有些GISGIS不在图形编辑时实时建立不在图形编辑时实时建立和和维护维护拓扑关系，如拓扑关系，如Arc/InfoArc/Info等，而在等，而在图形编辑图形编辑之后之后，发，发Clean Clean 或或BuildBuild命令命令重新建立拓扑重新建立拓扑关系。这样，在关系。这样，在每次每次进行任何进行任何一次编辑，一次编辑，都要都要重新重新Clean Clean 或或BuildBuild，对用户对用户不便不便。N1N1N2N2A2A2N1N1N2N2A2A2地理信息系统原理GIS二、关键算法二、关键算法可设一可设一捕捉半径捕捉半径D(D(通常为通常为3 35 5个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定) )。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑1 1、点的捕捉、点的捕捉设光标点为设光标点为S(x,y)S(x,y)，某一点状要素的坐标为某一点状要素的坐标为A(XA(X，Y)Y)若若S S和和A A的的距离距离d d小于小于D D则认为捕捉则认为捕捉成功成功，即认为，即认为找到找到的点是的点是A A，否则否则失败失败，继续搜索其它点。，继续搜索其它点。乘方运算影响了搜索的速度，因此，把距离乘方运算影响了搜索的速度，因此，把距离d d的计算改为：的计算改为：捕捉范围由捕捉范围由圆改为矩形圆改为矩形，这可，这可大大加快大大加快搜索速度。搜索速度。地理信息系统原理GIS2、线的捕捉、线的捕捉 设设光标点光标点坐标为坐标为S(x,y)S(x,y)，D D为为捕捉半径捕捉半径，线的线的坐标坐标为为(x(x1 1,y,y1 1),(x),(x2 2,y,y2 2),(),(x xn n,y,yn n) )。通过计算通过计算S S到该到该线的线的每个直线段每个直线段的的距离距离d d。. . 若若min(dmin(d1 1,d,d2 2,d,dn-1n-1) )D D，则认为光标则认为光标S S捕捉到了捕捉到了该条线，否则为该条线，否则为未捕捉到未捕捉到。 加快加快线捕捉的线捕捉的速度的方法：速度的方法：1 1）在实际的捕捉中，可在实际的捕捉中，可每计算每计算一个距离一个距离d di i就进行就进行一次比较，一次比较，若若d di iD D，则则捕捉成功捕捉成功，不需再不需再进行下进行下面直线段到点面直线段到点S S的距离计算了的距离计算了。2 2）把把不可能不可能被光标捕捉到的被光标捕捉到的线，用线，用简单算法去除。简单算法去除。3 3）对于对于线段线段也采用类似的方法处理。也采用类似的方法处理。4 4）简化距离公式）简化距离公式： 点点S(x,y)S(x,y)到直线段到直线段(x(x1 1,y,y1 1),(x),(x2 2,y,y2 2) )的距离的距离d d的计的计算公式为：算公式为： 第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑简化为：简化为：地理信息系统原理GIS3 3、面的捕捉、面的捕捉 实际上就是判断实际上就是判断光标点光标点S(x,y)S(x,y)是否在是否在多边形内，若在多多边形内，若在多边形内则说明捕捉到。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判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法垂线法或或转角法。转角法。 垂线法的垂线法的基本思想基本思想是从光标点引垂线是从光标点引垂线( (实际上可以是实际上可以是任意任意方向方向的的射线射线) )，计算与多边形的，计算与多边形的交点个数交点个数。 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。偶数，则该点在多边形外。 加快加快速度的方法：速度的方法：1 1）找出该多边形的外接矩形）找出该多边形的外接矩形，若光标点，若光标点落在落在该矩形中，该矩形中，才才有可能有可能捕捉到该面，捕捉到该面，否则放弃否则放弃对该多边形的进一步计算和判对该多边形的进一步计算和判断。断。2 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。）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 3）运用计算交点的技巧。）运用计算交点的技巧。 第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑地理信息系统原理GIS4 4、图形编辑的数据组织、图形编辑的数据组织空间索引空间索引 为加速检索，需要为加速检索，需要分层建分层建索引索引，主要方法有主要方法有格网索引格网索引和和四叉树索引四叉树索引。格网索引格网索引 第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-2 5-2 图形编辑图形编辑a、每个要素在一个或多个网格中每个要素在一个或多个网格中b、每个网格可含多个要素每个网格可含多个要素c、要素不真正被网格分割要素不真正被网格分割， 格网号格网号( (PeanoPeano或或Morton)Morton)空间对象空间对象空间对象空间对象 格网号格网号( (PeanoPeano或或Morton )Morton )对象索引对象索引空间索引空间索引地理信息系统原理GIS5-3 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立一、点线拓扑关系的自动建立一、点线拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理a1a1a2a2 N1 N1 N2N2N3N3N4N4a3a3a1a1a2a2 N1 N1 N2N2N3N3a1a1a2a2 N1 N1 N2N2N3N3N4N4a3a3a4a4(b)(b)(a)(a)(c)(c)结点结点- -弧段表弧段表Oid起结点终结点a1a2N1N2N2N3Oid弧段 号N1N2N3a1a1,a2a2弧段弧段- -结点表结点表1 1、在图形采集和编辑中实时建立、在图形采集和编辑中实时建立 Oid起结点终结点a1a2a3N1N2N2N2N3N4Oid弧段 号N1N2N3N4a1a1,a2,a3a2a3Oid起结点终结点a1a2a3a4N1N2N2N4N2N3N4N3Oid弧段 号N1N2N3N4a1a1,a2,a3a2,a4a3,a42 2、在图形采集和编辑之后自、在图形采集和编辑之后自动建立，其基本原理与前类似。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二、多边形拓扑关系自动建立1 1、链的组织、链的组织1 1）找出在链的）找出在链的中间相交中间相交的情况，自动切成新链；的情况，自动切成新链；2 2）把链按一定顺序存储，并把链按）把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号顺序编号。2 2、结点匹配、结点匹配1 1） 把把一一定定限限差差内内的的链链的的端端点点作作为为一一个个结结点点，其其坐坐标标值值取取多个端点的平均值。多个端点的平均值。2 2）对结点顺序编号。）对结点顺序编号。 3 3、检查多边形是否闭合、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 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理多边形多边形不闭合不闭合的的原因原因：1 1）由于）由于结点匹配限差结点匹配限差的问题，造成应匹配的端的问题，造成应匹配的端点未匹配；点未匹配；2 2）由于）由于数字化误差较大数字化误差较大，或数字化错误，这些，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。可以通过图形编辑或重新确定匹配限差来确定。3 3）还可能这条链本身就是）还可能这条链本身就是悬挂链悬挂链，不需不需参加多参加多边形拓扑，这种情况下可以边形拓扑，这种情况下可以作一标记作一标记，使之，使之不参不参加加下一阶段拓扑建立多边形的工作。下一阶段拓扑建立多边形的工作。地理信息系统原理GIS4 4、建立多边形、建立多边形 1 1）概念）概念a a、顺时针方向构多边形顺时针方向构多边形：指多边形是在链的：指多边形是在链的右侧。右侧。b b、最靠右边的链最靠右边的链：指从链的一个端点出发，在这条：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链的方向上最右边的第一条链，实质上它也是左边最近链。近链。a a的最右边的链为的最右边的链为d d c c、多边形面积的计算多边形面积的计算 5-3 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理 当多边形由当多边形由顺时针顺时针方向构成时，方向构成时，面积为正面积为正；反之反之，面积为负。面积为负。地理信息系统原理GIS2 2）建立多边形的基本过程）建立多边形的基本过程 1 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。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 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。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。33 是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转44；否，转；否，转22。44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22；若；若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转11。5-3 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理例：例：11从从P P1 1开始，起始链定为开始，起始链定为P P1 1P P2 2, ,从从P P2 2点算起，点算起，P P1 1P P2 2最右最右边的的链为P P2 2P P5 5；从；从P P5 5算起，算起，P P2 2P P5 5最右最右边 的的链为P P5 5P P1 1,.,. .形成的多形成的多边形为边形为P P1 1P P2 2P P5 5P P1 1。22从从P P1 1开始，以开始，以P P1 1P P5 5为起始链，形成的多边形为为起始链，形成的多边形为P P1 1P P5 5P P4 4P P1 1。33从从P P1 1开始，以开始，以P P1 1P P4 4为起始链为起始链, ,形成的多边形为形成的多边形为P P1 1P P4 4P P3 3P P2 2P P1 1。44 这时这时P P1 1为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点一个结点P P2 2，继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。共可追踪出五个多边形，即共可追踪出五个多边形，即A A1 1、A A2 2、A A3 3、A A4 4、A A5 5。地理信息系统原理GIS3 3）欧拉）欧拉dmteldl.pptdmteldl.ppt公式公式 5-3 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理地理信息系统原理GIS5 5、岛的判断、岛的判断 找出多边形互相包含的情况找出多边形互相包含的情况. .11、计算、计算所有所有多边形的面积。多边形的面积。22、分别对面积、分别对面积为正为正的多边形和面积的多边形和面积为负为负的多边形的多边形排序排序。33、从从面面积积为为正正的的多多边边形形中中，顺顺序序取取每每个个多多边边形形，取取完完为为止止。若若负负面面积积多多边边形形个个数数为为0 0，则结束。，则结束。44、找出该多边形所包含的所有面积、找出该多边形所包含的所有面积为负为负的多边形，并把这些面积为负的多边形加的多边形，并把这些面积为负的多边形加入到包含它们的多边形中，转入到包含它们的多边形中，转33。正面积多边形包含正面积多边形包含的的负面积多边形负面积多边形是关键是关键. .11、找出所有比该、找出所有比该正面积正面积多边形面积多边形面积小小的的负面积负面积多边形。多边形。22、用用外外接接矩矩形形法法去去掉掉不不可可能能包包含含的的多多边边形形。即即负负面面积积多多边边形形的的外外接接矩矩形形不不和和该该正正面积多边形的外接矩形相交或被包含时，则不可能为该正面积多边形包含。面积多边形的外接矩形相交或被包含时，则不可能为该正面积多边形包含。33、取负面积多边形上的一点，看是否在正面积多边形内，若在内，则被包含；若、取负面积多边形上的一点，看是否在正面积多边形内，若在内，则被包含；若在外，则不被包含。在外，则不被包含。6 6、确定多边形的属性、确定多边形的属性多边形以内点标识。内点与多边形匹配后多边形以内点标识。内点与多边形匹配后, ,内点的属性常赋于多边形内点的属性常赋于多边形. . 5-3 5-3 拓扑关系的自动建立拓扑关系的自动建立第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理单多边形被追踪两次单多边形被追踪两次 p1p1p2p2p3p3p1,p2,p3, -p1,-p2,-p3,p1,p2,p3, -p1,-p2,-p3,地理信息系统原理GIS一、图形的裁剪一、图形的裁剪-开窗处理开窗处理 1、方式、方式：正窗正窗：提取窗口内的数据。：提取窗口内的数据。 开负窗开负窗：提取窗口外的数据子集。：提取窗口外的数据子集。 矩形窗矩形窗和和多边形窗。多边形窗。2 2、算法、算法： 包括点、线、面的窗口裁剪包括点、线、面的窗口裁剪-计算机图形学。计算机图形学。 而不规则多边形开窗而不规则多边形开窗-相当于多边形叠置处理。相当于多边形叠置处理。5-4 5-4 图形的裁剪、合并和图幅接边图形的裁剪、合并和图幅接边第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理二、二、图形合并形合并-数据文件合并数据文件合并 一幅图一幅图内的内的多层数据多层数据合并在一起合并在一起; ; 或将相邻的或将相邻的多幅图多幅图的的同一层数据同一层数据合并合并. . 涉及到空间拓扑关系的涉及到空间拓扑关系的重建重建。对于多边形，由于同一个目标在两幅图内已形成独立的。对于多边形，由于同一个目标在两幅图内已形成独立的多边形，合并时，需多边形，合并时，需去除去除公共边界，属性合并，具体算法，删去共同线段。公共边界，属性合并，具体算法，删去共同线段。 实际处理实际处理过程过程是先删除两个多边形，解除空间关系后，删除公共边，再重建拓扑。是先删除两个多边形，解除空间关系后，删除公共边，再重建拓扑。p pL1L1p p A AA Ap pL1L1p p A AA Ap pL1L1p p A AA A去除去除公共边界公共边界属性属性合并合并地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS直线的窗口裁剪:矢量裁剪法矢量裁剪算法思想是：先从（A，B）为始点进行判断或进行求交运算，所得交点（x，y）保存在（xs，ys）中，然后再把矢量倒过来，即以（C，D）为始点，再用前面的判断及求交运算程序求得交点坐标（x，y），最后只输出从（xs，ys）到（x，y）之间的线段。空间数据的接边处理地理信息系统原理GIS直线的窗口裁剪:中点分割中点分割裁剪法又称对分法，其算法思想是：当一条线段既不能直接接受也不能直接舍弃，欲求其与区域的交点时，预先假设此交点落在线段的中点，如果这估计是错误的，则将直线分为两段，并对该两段再分别加以测试。用这种二分法搜索方式一直进行下去，直到原来线段的一段被直接接受，而另一段被直接舍弃。空间数据的接边处理地理信息系统原理GIS直线的窗口裁剪:中点分割设裁剪区域是正矩形，要裁剪的线段为P1P2，如图6-5所示，为求其可见部分AB，算法可分两个过程平行进行，即： (1)从P1出发，找出离P1最近的可见点A； (2)从P2出发，找出离P2最近的可见点B。此两点的连线AB，即为原线段P1P2的可见部分。空间数据的接边处理地理信息系统原理GIS多边形的窗口裁剪:逐边裁剪法 逐边裁剪法的具体做法是：每次用窗口的一条边界对要裁剪的多边形裁剪，把落在窗口外部区域的图形去掉，只保留窗口内部区域的图形，并把它作为下一次待裁剪的多边形。若连续用矩形窗口的4条边界对要裁剪的原始多边形进行裁剪，则最后得到的多边形即为裁剪后的结果多边形。空间数据的接边处理地理信息系统原理GIS多边形的窗口裁剪:逐边裁剪法空间数据的接边处理地理信息系统原理GIS多边形的窗口裁剪:双边裁剪法 首先沿Ps任一点出发，跟踪检测Ps的每一条边，当Ps与Pc的有效边框相交时：图6-8 多边形双边裁剪法执行过程图(1)若Ps的边进入Pc，则继续沿Ps的边往下处理，同时输出该线段；(2)若Ps的边是从Pc中出来，则从此点(称为前交点)开始，沿着窗口边框向右检测Pc的边，即用Pc的有效边框去裁剪Ps的边，找到Ps与Pc最靠近前交点的新交点，同时输出由前交点到此新交点之间窗边上的线段；(3)返回到前交点，再沿着Ps处理各条边，直到处理完Ps的每一条边，回到起点为止。空间数据的接边处理地理信息系统原理GIS多边形的窗口裁剪:双边裁剪法 空间数据的接边处理地理信息系统原理GIS图形的合并空间数据的接边处理如图所示，跨越图幅的同一个多边形，在它左右两个图幅内，借助于图廓边形成了两个独立的多边形。为了便于查询和制图(多边形填充符号)，现在要将它们合并在一起，形成一个多边形。此时需要去掉公共边。实际处理过程是先删除两个多边形，解除空间拓扑关系，然后删除公共边(实际上是图廓边)，然后重建拓扑关系。地理信息系统原理GIS三、图幅接边三、图幅接边形成无缝数据库形成无缝数据库几何裂缝几何裂缝：指由数据文件边界分开的一个地物的两部分不能精确地衔接。：指由数据文件边界分开的一个地物的两部分不能精确地衔接。-几何接边几何接边逻辑裂缝逻辑裂缝：同一地物地物：同一地物地物编码不同编码不同或具有或具有不同不同的的属性信息属性信息，如公路的宽度，等高线高，如公路的宽度，等高线高程等。程等。-逻辑接边逻辑接边 第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-4 5-4 图形的裁剪、合并和图幅接边图形的裁剪、合并和图幅接边2 2、几何接边、几何接边人人工工接接边边接边接边1 1、识别或提取相邻图幅、识别或提取相邻图幅。-要求图幅编号合理要求图幅编号合理313233212223111213直接移动，突变直接移动，突变回缩回缩2-32-3个点个点减少突变减少突变 地理信息系统原理GIS3 3、逻辑接边、逻辑接边第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-4 5-4 图形的裁剪、合并和图幅接边图形的裁剪、合并和图幅接边1 1）检查同一地物在相邻图幅的地物检查同一地物在相邻图幅的地物编码编码和和属性值是否一致属性值是否一致，不一致，进行人工编辑。，不一致，进行人工编辑。2 2）将同一地物在相邻图幅的空间数据在将同一地物在相邻图幅的空间数据在逻辑上逻辑上连在一起。连在一起。A3A3A AA1A1A2A2Oid 指针A1AOid 指针A2AOid 指针A3AOid指针A A1A2A3图图3 3图图2 2图图1 1总目标文件总目标文件a a、索引文件，建立双向指针。索引文件，建立双向指针。 b b、关键字，空间操作的方法。关键字，空间操作的方法。 逻辑接边逻辑接边Oid KeyA1AOid KeyA2AOid KeyA3A图图3 3图图2 2图图1 1地理信息系统原理GIS空间插值空间插值:内插内插: :在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程；在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程；外推外推: :在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程.-.-预测。预测。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-5 5-5 空间插值空间插值一、边界内插一、边界内插 首先首先假定假定任何任何重要的变化重要的变化都发生在都发生在区域的边界区域的边界上，上，边界内边界内的变化则是的变化则是均匀均匀的、的、同质同质的。的。 边界内插的方法之一是边界内插的方法之一是泰森多边形法泰森多边形法。泰森多边形法的泰森多边形法的基本原理基本原理是，未知点的是，未知点的最佳值最佳值由由最邻近最邻近的观的观测值产生。测值产生。 内插内插外推外推地理信息系统原理GIS二、趋势面分析二、趋势面分析 是是一一种种多多项项式式回回归归分分析析技技术术。多多项项式式回回归归的的基基本本思思想想是是用用多多项项式式表表示示线线或或面面，按按最最小小二二乘乘法法原原理理对对数数据据点点进进行行拟拟合合，拟拟合合时时假假定定数数据据点点的的空空间间坐坐标标X X、Y Y为为独独立立变变量量，而而表示特征值的表示特征值的Z Z坐标为坐标为因变量因变量。1 1、当数据为一维、当数据为一维时，时，1 1）线性回归线性回归: :第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-5 5-5 空间插值空间插值2 2）二次或高次多项式：）二次或高次多项式：2 2、数据是二维的、数据是二维的二元二次或高次多项式二元二次或高次多项式地理信息系统原理GIS三、局部内插三、局部内插 利利用用局局部部范范围围内内的的已已知知采采样样点点的的数数据内插出未知点的数据。据内插出未知点的数据。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-5 5-5 空间插值空间插值1 1、线性内插、线性内插将内插点周围的将内插点周围的3 3个数据点个数据点的数据值带入多项式，即可的数据值带入多项式，即可解算解算出出系数系数a a0 0、a a1 1、a a2 2 。2 2、双线性多项式内插、双线性多项式内插 将内插点周围的将内插点周围的4 4个数据点个数据点的数据值带入的数据值带入多项式，即可多项式，即可解算出解算出系数系数a a0 0、a a1 1、a a2 2、a a3 3 。当数据是按当数据是按正方形格网点正方形格网点布置布置:地理信息系统原理GIS3 3、双三次多项式（样条函数）内插、双三次多项式（样条函数）内插 是是一一种种分分段段函函数数, ,每每次次只只用用少少量量的的数数据据点点，故故内内插插速速度度很很快快；样样条条函函数数通通过过所所有有的的数据点数据点，故可用于，故可用于精确的内插精确的内插；可用于平滑处理。；可用于平滑处理。 双三次多项式内插的多项式函数为：双三次多项式内插的多项式函数为： 第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-5 5-5 空间插值空间插值将内插点周围的将内插点周围的1616个点个点的数据带入多项式，可计算出所有的系数。的数据带入多项式，可计算出所有的系数。 1616个点个点地理信息系统原理GIS四、移动平均法四、移动平均法 在局部范围（或称窗口）内计算个数据点的平均值在局部范围（或称窗口）内计算个数据点的平均值. .第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-5 5-5 空间插值空间插值 二维平面二维平面的移动平均法也可用的移动平均法也可用相同相同的公式，但位置的公式，但位置X Xi i应被应被坐标矢量坐标矢量X Xi i代替。代替。 窗口的大小窗口的大小对内插的结果有对内插的结果有决定性决定性的影响。的影响。 小窗口小窗口将增强近距离数据的影响；将增强近距离数据的影响； 大窗口大窗口将增强远距离数据的影响，减将增强远距离数据的影响，减小近距离数据的影响。小近距离数据的影响。加权移动平均法加权移动平均法:i i是采样点是采样点i i对应的权值对应的权值 加权平均内插的加权平均内插的结果结果随使用的函数及其参数、采样点的分布、窗口的大小等的不随使用的函数及其参数、采样点的分布、窗口的大小等的不同而变化。通同而变化。通 常使用的采样点数为常使用的采样点数为6868点。对于不规则分布的采样点需要点。对于不规则分布的采样点需要不断地改变不断地改变窗口的大窗口的大小、形状和方向，小、形状和方向，以获取以获取一定数量的采样点。一定数量的采样点。 当观测点的相互位置当观测点的相互位置越近越近，其数据的，其数据的相似性越强相似性越强；当观测点的相互位置；当观测点的相互位置越远越远，其数，其数据的相似性据的相似性越低越低。地理信息系统原理GIS一一 移动曲面拟合法移动曲面拟合法 根据参考点上的高程求出其它待定点上的高程， u整体函数内插 u局部函数内插 u逐点内插法地理信息系统原理GIS建立局部坐标2.移动曲面拟合法步骤移动曲面拟合法步骤对DEM每一个格网点，将坐标原点移至该DEM格网点P（Xp，Yp）地理信息系统原理GIS列出误差方程式选取邻近数据点 Pxyd i地理信息系统原理GIS误差方程式由n个数据点列出的误差方程为 地理信息系统原理GIS误差方程式由n个数据点列出的误差方程为 地理信息系统原理GIS内插参数解算地理信息系统原理GIS计算每一数据点的权 l法化求解 系数F是待定点内插高程值ZP地理信息系统原理GIS除满足n6，保证各象限都有数据点，当地形起伏较大时，半径R不能取很大当数据点较稀或分布不均匀时，可能产生很大的误差 3. 3. 注意事项注意事项地理信息系统原理GIS采用了多个邻近点之加权平均水平面移动拟合法内插： 4.加权平均水平面移动拟合法地理信息系统原理GIS二二 多面函数法多面函数法DEMDEM内插内插“任何一个圆滑的数学表面总是可以用一系列有规则的数学表面的总和，以任意的精度进行逼近。”也就是一个数学表面上某点（X，Y）处高程Z的表达式为:地理信息系统原理GIS1.1.核函数核函数选其中n个为核函数的中心点各数据点应满足 i=1,2m地理信息系统原理GIS2.误差方程 3.法化求解得地理信息系统原理GIS4.任意一点上的高程地理信息系统原理GISm=n 全部数据点取为核函数的中心 5.5.多面函数法解算多面函数法解算地理信息系统原理GIS克里金(Kriging)插值法又称空间自协方差最佳插值法，它是以法国DGKrige的名字命名的一种最优内插法。克里金法广泛地应用于地下水模拟、土壤制图等领域，是一种很有用的地质统计格网化方法 它首先考虑的是空间属性在空间位置上的变异分布确定对一个待插点值有影响的距离范围，然后用此范围内的采样点来估计待插点的属性值。该方法在数学上可对所研究的对象提供一种最佳线性无偏估计(某点处的确定值)的方法。它是考虑了信息样品的形状、大小及与待估计块段相互间的空间位置等几何特征以及品位的空间结构之后，为达到线性、无偏和最小估计方差的估计，而对每一个样品赋与一定的系数，最后进行加权平均来估计块段品位的方法。但它仍是一种光滑的内插方法 在数据点多时，其内插的结果可信度较高 。克里金法类型分常规克里金插值(常规克里金模型克里金点模型)和块克里金插值。常规克里金插值其内插值与原始样本的容量有关，当样本数量较少的情况下，采用简单的常规克里金模型内插的结果图会出现明显的凹凸现象；块克里金插值是通过修改克里金方程以估计子块B内的平均值来克服克里金点模型的缺点，对估算给定面积实验小区的平均值或对给定格网大小的规则格网进行插值比较适用。块克里金插值估算的方差结果常小于常规克里金插值，所以，生成的平滑插值表面不会发生常规克里金模型的凹凸现象。按照空间场是否存在漂移(drift)可将克里金插值分为普通克里金和泛克里金，其中普通克里金(Ordinary Kriging简称OK法)常称作局部最优线性无偏估计所谓线性是指估计值是样本值的线性组合，即加权线性平均，无偏是指理论上估计值的平均值等于实际样本值的平均值，即估计的平均误差为0，最优是指估计的误差方差最小。地理信息系统原理GIS一、一、数据压缩数据压缩wyl1、 DouglasDouglasPeuckerPeucker第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-6 5-6 数据压缩与光滑数据压缩与光滑图形显示输出图形显示输出数据数据存储存储数据压缩数据压缩光滑光滑矢量数据压缩矢量数据压缩栅格数据压缩栅格数据压缩 压缩效果好，但必须在对压缩效果好，但必须在对整条曲线数字化完成后才能整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大；进行，且计算量较大；地理信息系统原理GIS2 2、垂距法、垂距法每次顺序取曲线上的每次顺序取曲线上的三个点三个点，计算，计算中间中间点点与其它两点连线的与其它两点连线的垂线距离垂线距离d d，并与并与限差限差D D比较。若比较。若d dD D，则中间点则中间点去掉去掉；若若d dD D，则中间点则中间点保留保留。然后顺序取下。然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。三个点继续处理，直到这条线结束。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-6 5-6 数据压缩与光滑数据压缩与光滑 3、光栏法、光栏法 定义一个定义一个扇形区域扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。扇形内，确定保留还是舍去。压缩算法好，可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；压缩算法好，可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小； 算法简单，速度快，但算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值有时会将曲线的弯曲极值点点p p值去掉而失真。值去掉而失真。地理信息系统原理GIS二、曲线光滑（拟合二、曲线光滑（拟合） 是假象曲线为一组离散点，寻找形式较简单、性能良好的曲线解析式。是假象曲线为一组离散点，寻找形式较简单、性能良好的曲线解析式。第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-6 5-6 数据压缩与光滑数据压缩与光滑插值方式插值方式：曲线：曲线通过通过给定的离散点。如给定的离散点。如拉格朗日插值拉格朗日插值，三次样条曲线三次样条曲线逼近方式逼近方式：曲线尽量：曲线尽量逼近逼近给定离散点。如给定离散点。如贝塞尔贝塞尔和和B B样条曲线样条曲线。地理信息系统原理GIS一、矢量向栅格转换一、矢量向栅格转换 点：简单的坐标变换点：简单的坐标变换 线：线的栅格化线：线的栅格化 面：线的栅格化面：线的栅格化 + +面填充面填充（一）线的栅格化一）线的栅格化 1 1、DDADDA法法( (数字微分分析法数字微分分析法) )2 2、BresenhamBresenham算法算法 （二）面（二）面( (多边形多边形) )的填充方法的填充方法 1 1、内部点扩散法（种子扩散法）、内部点扩散法（种子扩散法）2 2、扫描法、扫描法 3 3、边填充算法、边填充算法 第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-7 5-7 空间数据格式转换空间数据格式转换地理信息系统原理GIS实质：在多边形内部给所有栅格象元上赋值，故也称多边形填充。 1、内部点扩算法思路：由每个多边形的一个内部点（种子点）开始，向周围8个方向的邻点扩散，然后判断新加入的点是否在边界上。若在边界上，则停止扩散；若不在边界上，则赋予属性代码，并作为种子点继续外扩，直至全部充满多边形为止。一、矢量向栅格转换地理信息系统原理GIS（1）算法程序设计复杂；（2）占用内存较大；（3）某些情况无法处理，在矢量时是相通的，但栅格象元的大小可能会使它不通，造成一个种子点无法完成填充。特 点：地理信息系统原理GIS2.2.复数积分算法复数积分算法对全部栅格阵列逐个栅格单元判断栅格归属的多边形编码，判别方法是由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分，对某个多边形，如果积分值为2i，则该待判点属于此多边形，赋予多边形编号，否则在此多边形外部，不属于该多边形。复数积分算法涉及许多乘除运算，尽管可靠性好，设计也并不复杂，但运算时间很长，难以在较低档次的计算机上采用。采用一些优化方法，如根据多边形边界坐标的最大最小值范围组成的矩形来判断是否需要做复数积分运算，可以部分地改善运算时间长的状况。地理信息系统原理GIS思路：逐点判断各栅格点是位于多边形之内还是外边，内部的赋予同一属性。 具体方法：从待判点向外引射线，然后判断该射线与多边形相交的次数，次数n=偶数据时，该点在外部，n为奇数据时，该点为内点，可为它赋值。 特点： * 因为要计算射线与边界的交点，所以计算量大 * 某些特殊情况需要单独处理，增加编程工作量3、射线算法地理信息系统原理GISA地理信息系统原理GIS射线算法和扫描算法射线算法和扫描算法 采用射线算法，要注意的是：射线与多边形边界相交时，有一些特殊情况会影响交点的个数，必须予以排除（图2）。 扫描算法是射线算法的改进，将射线改为沿栅格阵列的列或行方向扫描线，判断与射线算法相似。扫描算法省去了计算射线与多边形边界交点的大量运算，大大提高了效率。地理信息系统原理GIS 射线算法的改进 思路：沿栅格阵列的行（或列）方向进行逐行或列扫描，对扫描线每两次遇到的多边形边界交点之间的栅格，判为属于多边形内部的点而予以赋值。 缺点：对射线法中的特殊情况仍无法处理。4、扫描算法地理信息系统原理GIS思路：积分思想单个多边形情况单个多边形情况目标：多边形内赋值a方法：从多边形上某点开始顺时针搜索边界线一周，边界上行时，位于该边界左侧的具有相同行号的所有栅格减去a值；边界下行时，该边界左侧所有栅格象元加上一个a值，水平时不加减任何值，搜索完后，多边形内即赋完a值。5、边界代数法地理信息系统原理GIS多个多边形时 边界上行： 边界左侧赋值=左多边形编号-右多边形编号 边界下行： 边界左侧赋值=右多边形编号-左多边形编号地理信息系统原理GIS 左 右 上行 下行L1 4 0 4 -4L2 4 2 2 -2L3 2 0 2 -24 2L1L2L30 边界上行： 边界左侧赋值=左多边形编号-右多边形编号 边界下行： 边界左侧赋值=右多边形编号-左多边形编号多个多边形时地理信息系统原理GIS 左 右 上行 下行L1 4 0 4 -4L2 4 2 2 -2L3 2 0 2 -2地理信息系统原理GIS 特点：不逐点判断与边界的关系，而是根据边界的拓扑关系完成，通过简单的代数据运算，将边界位置信息动态地赋给各栅格点，实现矢量格式到栅格格式的高速转换，不需考虑边界与搜索轨迹的关系，因此，算法简单，可靠性好,各边界弧段只被搜索一次,避免了重复计算地理信息系统原理GIS基于图像数据的矢量化方法二值化细化跟踪地理信息系统原理GIS二、栅格向矢量转换二、栅格向矢量转换 从栅格单元转换为几何图形的过程为矢量化；从栅格单元转换为几何图形的过程为矢量化；（一）要求（一）要求（矢量化过程应保持）矢量化过程应保持）：1 1）栅栅-矢转换为拓扑转换，即保持实体原有的连通性、邻接性等；矢转换为拓扑转换，即保持实体原有的连通性、邻接性等；2 2）转换实体保持正确的外形。转换实体保持正确的外形。（二）方法（二）方法方方法法一一，实实际际应应用用中中大大多多数数采采用用人人工工矢矢量量化化法法，如如扫扫描描矢矢量量化化，该该法法工工作作量量大大，成成为为GISGIS数据输入、更新的瓶颈问题之一。数据输入、更新的瓶颈问题之一。方法二方法二，程序转化转换（全自动或半自动），程序转化转换（全自动或半自动）过程为：过程为：第五章第五章 空间数据的处理空间数据的处理5-7 5-7 空间数据格式转换空间数据格式转换遥感影象图遥感影象图栅格分类图栅格分类图边界边界提取提取二值化二值化编编辑辑矢矢量量跟跟踪踪数数据据压压缩缩原始线划图原始线划图二值化二值化细化细化分分类类图图扫描扫描预预处处理理拓拓扑扑化化1、边界提取、边界提取2 2、二值化、二值化 3 3、二值图像的预处理、二值图像的预处理 4 4、细化、细化:1:1）剥皮法）剥皮法 2)2)骨架法骨架法5 5、跟踪跟踪 6 6、拓扑化拓扑化 地理信息系统原理GIS二、矢量向栅格的转换二、矢量向栅格的转换由于矢量数据的基本要素是点、线、面，因而只要实现点、线、面的转换，各种线划图形的变换问题基本上都可以得到解决。 1、点的转换、点的转换设矢量数据的一坐标点值为(x，y)，转成栅格数据其行列值为(i，j)。ymax、xmin，表示矢量数据的Y最大值和X最小值。YOXmaxYminXminIJYmaxX(0,0)XY地理信息系统原理GIS(x,y)22(x,y)11(x,y)2、线的转换、线的转换1）用点栅格化方法，实现直线的起点和终点坐标点栅格化 用以上点栅格计算公式分别求出矢量数据中直线端点a、b的栅格行列值(ia、ja)和(ib、jb)。2）求出直线段所对应的栅格单元的行列值范围 这里直线段ab所对应的栅格单元的行范围为(ia - ib)；列范围为( ja - jb)。 线的转换ba地理信息系统原理GIS3）求直线经过的中间栅格数据所在行列值 由于栅格数据中线段由相邻的栅格单元组成，当已知线段对应的栅格单元行列值范围后，可利用连续的行(列)值，根据直线方程求线中间栅格的列（行）值。这里用已知直线中间栅格行值i，求列值j法。求出i行中心线同直线相交的y值 y = y max - y(i 1/2 ) 其中y max为矢量数据y的最大值由y值用已知直线方程，求出直线上对应点x值 x = (x2 x1，)(y2 - y1)(y y1) + x1由x值求出i行对应的j值 根据上面求出的x值，用点的栅格旋转换公式，求出 i 行对应的j值 j = 1 + Integer(x xmin )x) 其中，xmin 为矢量数据x的最小值。地理信息系统原理GIS栅格数据向矢量数据转换：提取以相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。步骤：（1）多边形边界提取：标识边界点； （2）边界线追踪：对每个边界弧段由一个结点向另一个结点搜索，通常对每个已知边界点,需沿除进入方向的其他7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段二、栅格数据向矢量数据转换地理信息系统原理GIS (3)拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段数据，判断其与原图上各多边形的空间关系，以形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据联系。 (4)去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须除去由此造成的多余点记录，以减少 数据冗余；搜索结果曲线由于栅格数据精度的限制可能不够圆滑，需采用一定的插补算法进行光滑处理，常用的算法：线性迭代法；分段三次多项式插值法；正轴抛物线平均加权法；斜轴抛物线平均加权法；样条函数插值法地理信息系统原理GIS例：双边界直接搜索算法(Double Boundary Direct Finding - DBDF)基本思路：通过边界提取将边界弧段的左右多边形信息保存在边界点或结点上，边界搜索采用2X2栅格阵列作为窗口，顺序沿行或列对整个栅格阵列进行全图搜索，根据当前窗口内四个栅格代码的结构模式，可以唯一确定下一个窗口的搜索方向和该弧段的拓扑关系。具体步骤：(1)边界点和结点提取：采用2X2栅格阵列沿行、列方向对全图扫描，如果窗口内有且仅有两个不同的编著号，则该四个栅格表示为边界点，并保留各栅格所有多边形原编号；地理信息系统原理GIS图4-28 边界点的六种结构 地理信息系统原理GIS 如果窗口内四个栅格有三个以上的不同编号，则标识为结点（即不同边界的交汇点），保持各栅格原多边形编号信息。对角线栅格两两相同的情况，由于造成了多边形不连通，也当作结点处理。 地理信息系统原理GIS (2)边界线搜索与拓扑信息生成 边界搜索由一个结点开始，选定与之相邻的任意一个边界点或结点进行搜索。首先记录边界点两个多边形编号作为被搜索边界的左右多边形，搜索的方向由当前点的进入方向和下一步走向来确定，因此每个边界点只能有两个走向：一个进入方向、一个是下步搜索方向。地理信息系统原理GIS 若该边界点由下方搜索到的，则进入点为下方，搜索方向则只能为右方，其弧段的左右多边形分别为a和b。 若由右方搜索到的，则搜索方向只能为下方，左右多边形编号为b和a。 其它情况依次类推。此种结构可唯一地确定搜索方向，从而减少搜索时间，同时完成左右多边形的拓扑信息a aa b地理信息系统原理GISaabc结点结点地理信息系统原理GIS(3)去除冗余点和曲线光滑 思路：当边界线为直线时，某些点即可去除。所以判断三个点是否在一定精度范围内的直线是去除与否的依据。 直线方程: (x1-x2)(y1-y3)= (x1-x3)( y1-y2) 若该式成立，则（x2y2）即可去除。地理信息系统原理GIS小 结概述：矢量表达；栅格表达空间数据的空间关系：拓扑关系矢量数据结构：拓扑型数据结构栅格数据结构：游程编码；四叉树数据结构；M码矢量数据结构与栅格数据结构的转换：积分法；双边界计算机处理过程: 数据结构(各种算法)-计算机语言实现。 计算机作用：提高效率地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS