空间数据处理

地理信息系统原理GIS第五章空间数据处理地理信息系统原理GIS1、空间数据处理的目的•消除数字化错误；解决比例尺不统一，投影不统一，数据格式不统一，数据冗余，数据表达不连续和图形接边等问题，为空间数据入库及应用创造条件。第五章空间数据的处理地理信息系统原理GIS第五章空间数据的处理§5-3坐标变换§5-1图形编辑§5-2拓扑关系的自动建立§5-7图形的裁剪、合并与图幅接边§5-6空间插值§5-4数据压缩与光滑§5-5空间数据格式转换2、空间数据处理的内容地理信息系统原理GIS§5-1图形编辑地理信息系统原理GIS图形编辑是交互处理过程，要求GIS具备图形编辑功能：1）具有友好的人机界面，即操作灵活、易于理解、响应迅速等；2）具有对几何数据和属性编码的修改功能，如点、线、面的增加、删除、修改等；3）具有分层显示和窗口操作功能，便于用户的使用。第五章空间数据的处理图形编辑又叫数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工，其主要的目的是在改正数据差错的同时，相应地改正图形。§5-1图形编辑地理信息系统原理GIS一、编辑操作1）结点吻合(Snap)或称结点匹配、结点咬合，结点附和。方法：A、结点移动，用鼠标将其它两点移到另一点；B、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中间坐标匹配成一致；C、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；D、自动匹配，给定一个吻合容差，或称为咬合距，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。第五章空间数据的处理§5-1图形编辑一般，若结点容差设置合理，大多数结点能够吻合在一起，但有些情况还需要使用前三种方法进行人工编辑。1、结点的编辑地理信息系统原理GIS2）结点与线的吻合编辑的方法：A、结点移动，将结点移动到线目标上。B、使用线段求交；C、自动编辑，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。第五章空间数据的处理§5-1图形编辑ABDCE在数字化过程中，常遇到一个结点与一个线状目标的中间相交。由于测量或数字化误差，它不可能完全交于线目标上，需要进行编辑，称为结点与线的吻合。需要考虑两种情况A、要求坐标一致，但不建立拓扑关系；如高架桥（不需打断，直接移动）B、不仅坐标一致，且要建立拓扑关系；如道路交叉口（需要打断）无结点有结点地理信息系统原理GIS3）清除假结点（伪结点）第五章空间数据的处理§5-1图形编辑有些系统要将这种假结点清除掉（如ARC/INFO），即将目标A和B合并成一条，使它们之间不存在结点;由仅有两个线目标相关联的结点称为假结点。但有些系统并不要求清除假结点，如Geostar,因为它们并不影响空间查询、分析和制图。地理信息系统原理GIS2、图形编辑包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。1）删除和增加一个顶点删除顶点，在数据库中不用整体删除与目标有关的数据，只是在原来存储的位置重写一次坐标，调整拓扑关系。增加顶点，需要给一个新的目标标识号，在新位置上重写，将原来的目标删除，此时需要做一系列处理，调整空间拓扑关系。2）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，较简单。3）删除一段弧段复杂，先要把原来的弧段打断,存储上原来的弧段实际被删除，拓扑关系需要调整和变化.第五章空间数据的处理§5-1图形编辑jkjkabL3L1L2地理信息系统原理GIS3、数据检查与清理数据检查指拓扑关系的检查，结点是否匹配，是否存在悬挂弧段，多边形是否封闭，是否有假结点。要求系统能将有错误或不正确的拓扑关系的点、线和面用不同的颜色和符号表示出来，以便于人工检查和修改。第五章空间数据的处理§5-1图形编辑数据清理则是用自动的方法清除空间数据的错误.例如给定一个结点吻合的容差使该容差范围内的结点自动吻合在一起，并建立拓扑关系。给定悬挂弧段容差，将小于该容差的短弧自动删除。在Arc/info中用DataClean命令，在Geostar中选择整体结点匹配菜单。地理信息系统原理GIS第五章空间数据的处理§5-1图形编辑4、撤消与恢复编辑Undo,Redo功能是必要的。但功能的实现是困难的。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.因此，有些GIS不在图形编辑时实时建立和维护拓扑关系，如Arc/Info等，而在图形编辑之后，发Clean或Build命令重新建立拓扑关系。这样，在每次进行任何一次编辑，都要重新Clean或Build，对用户不便。N1N2A2N1N2A2地理信息系统原理GIS二、关键算法可设一捕捉半径D(通常为3～5个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定)。第五章空间数据的处理§5-1图形编辑1、点的捕捉设光标点为S(x,y)，某一点状要素的坐标为A(X，Y)若S和A的距离d小于D则认为捕捉成功，即认为找到的点是A，否则失败，继续搜索其它点。乘方运算影响了搜索的速度，因此，把距离d的计算改为：捕捉范围由圆改为矩形，这可大大加快搜索速度。地理信息系统原理GIS2、线的捕捉设光标点坐标为S(x,y)，D为捕捉半径，线的坐标为(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)。通过计算S到该线的每个直线段的距离d。.若min(d1,d2,…dn-1)＜D，则认为光标S捕捉到了该条线，否则为未捕捉到。加快线捕捉的速度的方法：1）在实际的捕捉中，可每计算一个距离di就进行一次比较，若di＜D，则捕捉成功，不需再进行下面直线段到点S的距离计算了。2）把不可能被光标捕捉到的线，用简单算法去除。3）对于线段也采用类似的方法处理。4）简化距离公式：点S(x,y)到直线段(x1,y1),(x2,y2)的距离d的计算公式为：第五章空间数据的处理§5-1图形编辑简化为：地理信息系统原理GIS3、面的捕捉实际上就是判断光标点S(x,y)是否在多边形内，若在多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垂线法或转角法。垂线法的基本思想是从光标点引垂线(实际上可以是任意方向的射线)，计算与多边形的交点个数。若交点个数为奇数则说明该点在多边形内；若交点个数为偶数，则该点在多边形外。加快速度的方法：1）找出该多边形的外接矩形，若光标点落在该矩形中，才有可能捕捉到该面，否则放弃对该多边形的进一步计算和判断。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。3）运用计算交点的技巧。第五章空间数据的处理§5-1图形编辑地理信息系统原理GIS4、图形编辑的数据组织—空间索引为加速检索，需要分层建索引，主要方法有格网索引和四叉树索引。1）格网索引第五章空间数据的处理§5-1图形编辑a、每个要素在一个或多个网格中b、每个网格可含多个要素c、要素不真正被网格分割，格网号(Peano或Morton)空间对象空间对象格网号(Peano或Morton)对象索引空间索引地理信息系统原理GIS2）四叉树索引第五章空间数据的处理§5-1图形编辑线性四叉树和层次四叉树都可以用来进行空间索引。57131546121413802Peano码Side空间对象04E02D11A41F82C151B,GCABGFDEA、线性四叉树，先采用Morton或Peano码，再根据空间对象覆盖的范围进行四叉树分割。B、层次四叉树，需要记录中间结点和父结点与子结点之间的指针，若某个地物覆盖了哪个中间结点，还要记录该空间对象的标识。0E0D1A44F8C1215GB层1边长4层2边长2层3边长1建立了索引文件后的图形编辑，不仅要修改原始的空间数据，而且要修改相关的索引文件。地理信息系统原理GIS§5-2拓扑关系的自动建立地理信息系统原理GIS§5-2拓扑关系的自动建立一、点线拓扑关系的自动建立第五章空间数据的处理a1a2N1N2N3N4a3a1a2N1N2N3a1a2N1N2N3N4a3a4(b)(a)(c)结点-弧段表Oid起结点终结点a1a2N1N2N2N3Oid弧段号N1N2N3a1a1,a2a2弧段-结点表1、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、在图形采集和编辑之后自动建立，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1、链的组织1）找出在链的中间相交的情况，自动切成新链；2）把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号。2、结点匹配1）把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取多个端点的平均值。2）对结点顺序编号。3、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.§5-2拓扑关系的自动建立第五章空间数据的处理多边形不闭合的原因：1）由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端点未匹配；2）由于数字化误差较大，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。3）还可能这条链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑，这种情况下可以作一标记，使之不参加下一阶段拓扑建立多边形的工作。地理信息系统原理GIS4、建立多边形1）概念a、顺时针方向构多边形：指多边形是在链的右侧。b、最靠右边的链：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。右图中a的最右边的链为dc、多边形面积的计算§5-2拓扑关系的自动建立第五章空间数据的处理当多边形由顺时针方向构成时，面积为正；反之，面积为负。地理信息系统原理GIS2）建立多边形的基本过程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。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。3°是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转4°；否，转2°。4°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2°；若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转1°。§5-2拓扑关系的自动建立第五章空间数据的处理例：1°从P1开始，起始链定为P1P2,从P2点算起，P1P2最右边的链为P2P5；从P5算起，P2P5最右边的链为P5P1,...形成的多边形为P1P2P5P1。2°从P1开始，以P1P5为起始链，形成的多边形为P1P5P4P1。3°从P1开始，以P1P4为起始链,形成的多边形为P1P4P3P2P1。4°这时P1为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点P2，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A1、A2、A3、A4、A5。地理信息系统原理GIS5、岛的判断找出多边形互相包含的情况.1°、计算所有多边形的面积。2°、分别对面积为正的多边形和面积为负的多边形排序。3°、从面积为正的多边形中，顺序取每个多边形，取完为止。若负面积多边形个数为0，则结束。4°、找出该多边形所包含的所有面积为负的多边形，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3°。正面积多边形包含的负面积多边形是关键.1°、找出所有比该正面积多边形面积小的负面积多边形。2°、用外接矩形法去掉不可能包含的多边形。即负面积多边形的外接矩形不和该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。3°、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。6、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,内点的属性常赋于多边形.§5-2拓扑关系的自动建立第五章空间数据的处理单多边形被追踪两次p1p2p3p1,p2,p3,-p1,-p2,-p3,地理信息系统原理GIS§5-3坐标变换地理信息系统原理GIS一、图幅数据的坐标变换1、比例尺变换：乘系数2、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3、坐标旋转和平移即数字化坐标变换，利用仿射变换改正。4、投影变换：三种方法。第五章空间数据的处理§5-3坐标变换几何纠正返回地理信息系统原理GIS二、几何纠正(对数字化后坐标系进