第二章 空间数据获取

PrincipleandApplicationofGeographicInformationSystem第二章空间数据获取第二章空间数据获取GIS的数据源GIS数据源的分类空间数据采集的任务数据源与相应设备几何数据的采集栅格数据编码采集前的准备属性数据采集栅格数据的建立基本概念图形表示矢量数据获取矢量数据组织矢量数据编码矢栅结构选择矢栅结构比较相互转换算法空间数据概述数据采集方法矢量数据获取栅格数据的获取空间数据是GIS的血液，实际上整个GIS都是围绕空间数据的采集、加工、组织、存储、分析、可视化这几个方面展开的空间数据的获取手段、生产工艺、数据质量都会直接影响到GIS的成本、效率和应用潜力数据采集方法有野外数据采集（平板仪、经纬仪、全站仪、GPS等）手工数据输入法（各种调查统计数据）地图数字化（手扶跟踪、扫描数字化等）摄影测量与遥感其它系统的数据转换（公共的数据接口与转换标准）空间数据概述GIS数据采集的方法是根据已有的数据源形式，现有设备条件、人和财力状况来选定本讲主要介绍空间数据源及其获取方法、空间数据质量问题汽油数据GIS中数据费用比例硬件∶软件∶数据=1∶2∶7空间数据概述空间数据的内容空间数据的基本特征空间数据测量的尺度和精度数据来源空间数据概述GIS数据可以概括为四类数字线划图（DLG,DigitalLineGraph）数字影像数据（DOM,DigitalOrthographMap）数字高程模型（DEM,DigitalElevationModel）地物的属性数据（AttributeData）空间数据的内容1）数字线划图（DLG）DLG是现有地形图上基础地理要素的矢量数据集（用点、线、面坐标来描述地理要素的位置和形状），且保存地理要素间空间关系和相关的属性信息特点：基于实体的数据(对实体抽象的数据，将实体抽象为点线面)拓扑关系复杂用抽象图形（符号、颜色、宽度）表达空间实体的特性空间数据的内容2）影像数据（ImageData）包括遥感影像和航空影像，彩色图或者灰度图均可特点：基于栅格表示的模型直观而详细记录地表自然现象数据源丰富生产效率高空间数据的内容3）数字高程模型（DEM）DEM是在高斯投影平面上规则格网点或三角网点平面坐标（x，y）及其高程（z）的数据集用来表示地表的高程信息空间数据的内容4）地物的属性数据对描述空间实体的数量、质量、等级等特征的数据包含两层含义是什么？即它属于那一类地物实体特征的详细描述信息，如：公路的描述信息包括公路名称、等级、宽度、路面材料、车道数、建设年代、路面状况等属性数据往往以表格的形式存在，但可以以可视化方式描述属性数据，如道路宽度、颜色可以反映道路的不同等级、饼图反映不同属性值之间的比例属性数据的数据采集工作量往往很大，如地籍信息空间数据的内容空间数据的特征空间特征是GIS所独有的数据类型在地理坐标框架下，刻画空间对象的位置、形状和大小等几何特征表示方法：绝对描述—坐标（直角坐标、经纬度）相对描述—空间拓扑关系（邻接、连接、方位）专题特征除空间特征、时间特征外的其它特征，如地形坡度、坡向、某地的年降雨量、土壤的酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等专题特征用于制作专题图或专题信息系统时间特征空间数据总是在特定的时间或时间段内采集得到或计算得到的当数据考虑时间特征时就成为时态数据，如地籍数据就具有非常明显的时间特征城镇规划前后的地表信息发生变化GIS建设应该考虑数据更新问题空间数据的特征空间对象描述包括两个方面：定性和定量描述定性描述对空间对象的鉴别、分类和命名主要表现在属性方面，例如分类代码（土地利用类型、植被类型等）数值类型：以一定的数值作为类型标识，不代表对象量化程度不同应用领域的空间对象描述详细程度不同土地利用类型分类、基础地理信息代码的详细程度随空间数据库比例尺的不同而异空间数据测量的尺度和精度定量描述包括空间对象的图形、属性两个方面图形：指空间坐标测量的尺度取决于采样点的取舍和测量坐标的精度比例尺决定空间数据的密度、坐标精度或影像数据的分辨率，例如公路在大比例尺中看成是面状地物、坐标精确到厘米在小比例中视为线，坐标精确到分米或米属性：指属性项的量化值，如土壤的酸碱度、某职工的工资，统计调查数据空间对象测量尺度和精度的原则计算机输出的地图满足同等比例尺地图的精度要求空间数据测量的尺度和精度数据来源1）GIS数据来源(1)基础制图数据：包括地形数据和人文景观数据(2)自然资源数据：描述自然资源性质、分布的数据(3)调查统计数据：统计部门经过调查分析所得到的各种统计数据(4)数字高程数据：关于地表位置布局的高程测量数据(5)法律文档数据(6)已有系统数据GIS空间数据基础地图存储介质、现势性、投影转换多媒体辅助GIS空间分析和查询遥感、航空影象和数据分辨率、变形规律、纠正、解译特征地面测量其它系统的数字形式数据调查统计数据与法律文档数据原始数据加工后的数据非电子数据电子数据全站仪、GPS数据地球物理、地球化学遥感数据地图专题地图统计图表平板测量、工程测量数据航空、遥感像片人口普查社会经济调查各种统计资料已建各种数据库GIS数据2）GIS数据来源分类数据来源地图地面测量数据统计资料航空、遥感数字数据多媒体数字化仪扫描仪摄影测量键盘空间数据库编辑处理数据交换数据内容与相应设备1）平板仪（经纬仪）测量野外数据采集如右图所示,设在地面上有A、O、B三点,在O点安置一块图板,并使其水平，平板上铺上一张图纸,在纸上绘出o点,使o点与地面O点处于同一铅垂线上。设想通过OA、OB两方向各作竖直面,该两竖直面与图板的交线oa′与ob′的水平角就表示了地面直线OA、OB的水平角。如再测得OA、OB的水平距离,并按测图的比例尺,分别在oa′、ob′上截取a、b两点,则图上a、b、o三点构成的图形与地面A、B、O三点所构成的图形为对应各边相平行的相似图形。这便是平板仪测图的原理。2）全站仪测量是电子经纬仪和测距仪的集成，得到数字形式的方位角、距离或三维坐标作业灵活、精度高作业形式全站仪+与电子手簿：野外采集数据点、绘草图，室内进行数据导入、图形编辑电子平板：是平板仪的电子形式，野外即测即所得，可以及时了解测绘的正确与否野外数据采集3）GPS测量GPS的基本概念全球定位系统（GPS），有美国海军于1973年开始实施，并于20世纪90年代开始使用由三部分组成：空间部分、控制部分和用户部分空间部分：包括卫星和在佛罗里达州Canaeral海岬携载卫星升空的德而塔火箭；卫星系统24颗卫星组成，高度为20183KM，分布在6个轨道面上，轨道面之间的夹角为60度，并且与赤道面的交角为55度，以保证可以覆盖极地地区GPS卫星群野外数据采集控制部分：包括位于科罗拉多州科罗拉多泉的猎鹰空军基地的主控制站，和位于猎鹰空军基地、太平洋上的夏威夷、阿松森岛、印度洋上的DiegoGarcia环礁、以及在南太平洋上的夸贾林环礁的监测站网，这些站网的任务是监测GPS卫星。控制部分预报每颗GPS卫星轨道和原子钟的工作状态，并上行到GPS卫星，再传输到用户的GPS接收机用户部分：包括军事人员和民间用户接收GPS信号的设备GPS的特点具有全天候、高精度和自动测量的特点；可以在全球任何地方和任何天气条件下，为使用者提供位置、速度、以及时间的准确信息GPS的主要用途包括陆地应用：车辆导航、大气物理观测、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制与地形测绘等海洋应用：远洋船航线设定与监测、船只实时调度与导航、海洋救援、海平面升降监测等航空航天应用：飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等地图数字化特点：简单、效率高，但精度低地图数字化扫描矢量化手扶跟踪数字化｛地图数字化确定数字化路线地图定向1）手扶踪数字化手扶跟踪数字化方法使用的仪器是数字化仪关键是图板定向：建立图板上地图的图廓点（控制点）坐标(x,y)与相应点大地坐标（X,Y）的对应关系数字化仪的工作方式有：点方式、流方式两种点方式：按一下键，就将十字丝交点的坐标送入计算机；流方式：按特定的时间间隔或距离间隔，连续向计算机发送十字丝交点的坐标手扶跟踪数字化缺点：几何精度较低、速度较慢，且劳动强度大、易疲劳iiiiiiybxbbYyaxaaX2102102）扫描数字化扫描数字化方法使用的仪器是扫描仪，它的作用是：将纸质地图转换成数字栅格图象关键是图形定向：原理与手扶跟踪数字化相同特点是：自动化程度较高、精度受扫描仪分辨率的限制、劳动强度小工作流程：扫描数字化基本步骤：纸质地图，扫描转化，拼接子图块，几何校正，屏幕跟踪矢量化，矢量图合成接边，矢量图编辑，存入空间数据库。屏幕跟踪矢量化流程：准备扫描图像栅格图像配准新建数字化图层屏幕跟踪矢量化地图选择投影和单位输入控制点编辑控制点3）数字化编辑处理任务：改正数字化过程中的错误或误差维护采集对象拓扑关系的一致性（包括逻辑、几何）进行图幅接边数字化误差常见误差类型图幅接边误差由于航空图像和卫星图像的原始数据存在着一定的几何变形，这种几何变形是由各种各样的系统误差和非系统误差引起的，诸如相机和传感器的旋转、地形的起伏、地球的曲率、扫描误差和量测误差等。如果在没有经过校正处理的图像上直接进行量测，所获取的空间信息是不可靠的，其用途是非常有限的。数字摄影测量处理是对遥感图像进行校正的基本方法摄影测量摄影测量1）摄影测量学(Photogrammetry）概念：对研究的对象进行摄影，根据所获得的构像信息，从几何方面和物理方面加以分析研究，从而对所摄对象的本质提供各种资料的一门学科研究内容获取被研究物体的影像单张或多张像片处理的理论、方法、设备和技术如何用图形、图像或数字形式将所测得的成果表示出来任务测制各种比例尺的地形图建立地形数据库，为各种GIS提供基础数据1）遥感（RemoteSensing）的定义从广义上说，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波（声波、地震波）等的探测从狭义上说，遥感是借助对电磁波敏感的仪器，从远处（不与探测目标相接触）记录目标物对电磁波的辐射、反射、散射等信息，通过分析，揭示出目标物的特征性质及其变化的综合性探测技术遥感图像2）遥感分类根据运载工具不同，遥感可分为：航天遥感、航空遥感、近地遥感、地面遥感根据辐射源不同，遥感方式又可分为：主动式和被动式遥感按电磁波的波谱范围，遥感可分为：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多谱段遥感按应用领域或专题，遥感还可分为：环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感等航空、航天遥感示意图3）遥感技术系统由遥感平台、遥感器、信息传输接收装置以及数字或图像处理设备等及其技术组成4）遥感技术优势①视域广阔，监测范围最大可覆盖整个地球②可瞬时成像、实时传输、快速处理，有助于迅速获取信息和实施动态监测③遥感影像形象逼真，信息丰富，可进行定性、定量分析和量测④可利用不同目标物对不同波段电磁波的穿透或反射特性来认识目标物⑤加宽了人眼所能观测的光谱范围，从可见光到紫外和红外波段多光谱卫星传感器获得的全球天然彩色图像5）遥感数据类型(主要)目前，已有美国、法国、日本、硬度等国发射了陆地卫星，我过已发射了国土资源普查卫星、与巴西合作美国陆地卫星（Landsat）,1972.7.23、1975.1.22、1978.3.5简称Landsat-1、2、3号MSS多光谱扫描仪分辨率79*79、周期18天Landsat-4(1982)、5(1984),专题制图仪（TM）、分辨率30*30、周期16天美国诺阿气象卫星的甚高分辨率辐射仪法国SPORT卫星数据，SPORT-1(1