第五讲空间数据处理课件.ppt

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1、第五讲空间数据处理第五讲空间数据处理第1页，此课件共54页哦第五讲 空间数据处理l基本算法基本算法l图形编辑图形编辑l属性编辑属性编辑l图形的裁剪与合并图形的裁剪与合并l图幅接边图幅接边l坐标变换坐标变换l投影变换投影变换l矢栅转换矢栅转换 第2页，此课件共54页哦基本算法基本算法设在平面笛卡尔坐标系中的两点a（x1，y1）和b（x2，y2）两点的距离212212yyxxabd两点的方向线不考虑线的方向abyyabxx1212sincos考虑线的方向，怎么办？第3页，此课件共54页哦基本算法基本算法点到线目标的距离 设有一直线段l，两端点的坐标为（xA，yA）和（xB，yB）,另一给定点P的坐

2、标为（xP，yP）。根据解析几何可知直线方程为：ax+by+c=0 其中a=yB-yAb=xA-xBc=yAxB-xAyB22bacbyaxDpp22BAABBABAPBPAPAPBxxyyyxxyyxyxxyxyD此种方法求得的为点到直线的垂直距离，垂足可能在线的延长线上，这不是我们所需要的？如何解决？第4页，此课件共54页哦基本算法基本算法线的长度或者面的周长线目标的长度和面目标的周长，实际上是所有线段两点之间距离的总和 niidL1面的面积是所有边与X或者Y轴构成的直角梯形的代数和 第5页，此课件共54页哦基本算法基本算法多边形的重心重心是分别求多边形顶点x坐标和y坐标的平均值 重心不一

3、定是在多边形内，有时重心在多边形外 nyCnxCniiyniix11第6页，此课件共54页哦基本算法基本算法线相交（交点）设有两条线段AB和CD，它们的端点坐标分别为（xA，yA），（xB，yB），（xC，yC），（xD，y D）BACDDCABABDCDCCDBABAiBACDDCABDCBABABADCDCixxyyxxyyyyyxxyyyyxxyyxxyyxxyyxxyxxyxxyxxyx求出的交点可能不是在两条线之间，而 y在它们的延长线上 也可能两条线平行，而没有交点 如何解决？第7页，此课件共54页哦基本算法基本算法曲线光滑处理张力样条分段三次多项式分段圆弧切线方向内插法五点法第8

4、页，此课件共54页哦基本算法基本算法曲线化简（压缩）DouglasPeucker压缩效果好，但必须在对整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大第9页，此课件共54页哦基本算法基本算法曲线化简（压缩）垂距法每次顺序取曲线上的三个点，计算中间点与其它两点连线的垂线距离d，并与限差D比较。若dD，则中间点去掉；若dD，则中间点保留。然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。第10页，此课件共54页哦基本算法基本算法曲线化简（压缩）光栏法 定义一个扇形区域，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。第11页，此课件共54页哦基本算法基本算法平行线处理直线段的平行线若线段AB的斜率为

5、k=tg其中是AB的方向角，则距AB为d的平行线与过A、B两点法线的交点为A、B，则：)2sin()2cos()2sin()2cos(dxydxxdyydxxbbbbaaaa其中（xa，ya），（xb，yb），（xa，ya），（xb，yb）分别是A、B、A和B的坐标。第12页，此课件共54页哦基本算法基本算法点在多边形中的判断点在多边形内的判别最直接的方法是铅重线法或者说平行线法或者说射线法，即从需判别的点开始划一任一方向的直线，（该直线可以是铅直线或平行线），然后计算它所通过多边形的交点，当交点的个数是奇数时，该点在多边形内，若是偶数，表明它在多边形外 第13页，此课件共54页哦基本算法基本

6、算法点在多边形中的判断但是使用射线法有时候可能失效，产生判断错误。当射线通过多边形的拐点或某一条边时，这时按统计通过多边形边界交点的奇偶数，产生错误的判断结果 第14页，此课件共54页哦基本算法基本算法线与多边形求交线与多边形是否相交，需要判断每条线段与多边形的边界线段是否有交点如果没有任何交点，再判断端点是在多边形内还是多边形外，如果两端点在多边形外，线段又与多边形不相交，则该线段相离多边形，如果两点都在多边形内，并且与多边形边界没有交点，则该线段在多边形内如果有一个或多个交点，该线段与多边形相交，部分在多边形内，部分在多边形外即使两个点都在多边形内如GH或都在多边形外如IJ，它们都可能与多

7、边形相交所以判断线与多边形是否相交，仅判别端点是不够的，必须判断线状目标的每一段与多边形边界的每一段是否有交点 第15页，此课件共54页哦基本算法基本算法多边形与多边形相交判断两个多边形是否相交需要判断两个多边形边界的所有线段相互之间是否有交点。如果没有任何交点，它们可能相分离，也可以一个多边形在另一个多边形之内两个多边形边界线段只要存在一个交点则表明两个多边形相交如果它们公共一条边界，则它们相邻 第16页，此课件共54页哦基本算法基本算法区域填充种子法第17页，此课件共54页哦基本算法基本算法区域填充扫描线法8第18页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑图形编辑又叫数据编辑、数字化编辑，是指对

8、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，相应地改正数字化资料的图形图形编辑是一交互处理过程，GIS具备的图形编辑功能的要求是：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19页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑点的选择设光标点为S(x,y),某一点状要素的坐标为A(X，Y)可设一捕捉半径D(通常为35个象素，这主要由屏幕的分辩率和屏幕的尺寸决定)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。

9、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。第20页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑线的选择设光标点坐标为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。第21页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑面的选择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。垂线法 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

10、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：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。第22页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑结点咬合结点匹配结点移动用鼠标拉一个矩形，落入在这矩形内的结点坐标符合成一致，即求它们的中点坐标 通过求交点的方法 自动匹配 第23页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑结点与线的咬合在数字化过程中，经常遇到一个结点与一个线状目标的中间相交，这时由于测量误差，它也可能不完全交于线目标上，而需要进行编辑，称为结点与线的咬合结点移动 线段求交 自动编辑的方法 第24页，此课件共54

11、页哦图形编辑图形编辑伪结点的删除由仅有两个线目标相关联的结点称为假结点有些系统要将这种假结点清除掉，有些系统并不要求清除假结点 这些所谓的假结点并不影响空间查询、空间分析和制图方法：线段或者弧断合并 需要考虑两种情况A、要求坐标一致，而不建立拓扑关系；如 高架桥（不需打断，直接移动）B、不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关系；如 道路交叉口（需要打断）第25页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑伪结点的删除由仅有两个线目标相关联的结点称为假结点有些系统要将这种假结点清除掉，有些系统并不要求清除假结点 这些所谓的假结点并不影响空间查询、空间分析和制图方法：线段或者弧断合并 第26页，此课件共54

12、页哦图形编辑图形编辑删除与增加结点第27页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑移动一个结点第28页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑删除一条弧断第29页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑数据检查与清理第30页，此课件共54页哦图形编辑图形编辑Redo and Undo对于一个实用的地理信息系统软件，Undo与Redo功能是必要的然而这一功能的实现对于空间数据的编辑来说是相当困难的因为它不象字处理系统那样，在进行文本编辑时只要记录编辑操作和编辑的字符即可进行Undo与Redo这里除了要记录编辑的操作和编辑目标的空间坐标以外，还要记录它的目标标识，以及空间拓扑关系 第31页，此课件共54页哦属性编辑

13、属性编辑类似于关系数据库的编辑第32页，此课件共54页哦图形的裁剪图形的裁剪 矩形裁剪排除没有交点的方法第33页，此课件共54页哦 图形的裁剪图形的裁剪 矩形裁剪求交第34页，此课件共54页哦 图形的裁剪图形的裁剪 多边形裁剪第35页，此课件共54页哦 图形的裁剪图形的裁剪 多边形裁剪逐边裁剪法 第36页，此课件共54页哦 图形的合并图形的合并 线线合并方法面面合并方法P1 P2 P第37页，此课件共54页哦 图幅接边图幅接边 由于空间数据采集的误差和人工操作的误差，两个相邻图幅的地图的空间数据在结合处可能出现逻辑裂隙与几何裂隙。逻辑裂隙指的是当一个地物在一幅图的数据文件中具有地物编码A，而在

14、另一幅图的数据文件中却具有地物编码B，或者同一个物体在这两个数据文件中具有不同的属性信息，如公路的宽度，等高线的高程等。几何裂隙指的是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。在地理信息系统和机助制图中，需要把单独数字化的相邻图幅的空间数据在逻辑上和几何上融成一个连续一致的数据体图幅接边包括几何接边和逻辑接边 第38页，此课件共54页哦 图幅接边图幅接边 几何接边调出需要接边的两幅或多幅图数据，以其中的一个作为活动图幅（或称活动工作区），其它图幅的作为参考，沿图幅的边缘选取一定范围例如5厘米的空间目标。这些目标（主要是弧段）一般都终结于图廓边附近，以活动工作区的目标为基准，根据图廓边

15、上弧段的结点坐标查找相邻图幅对应弧段，如果它们的地物编码相同，结点坐标在一定的容差范围内，则将两边的结点坐标取中数自动吻合，空间关系不变。如果地物编码不同，或超过接边的匹配容差，则需要进行人工编辑与接边 超限需人工接边第39页，此课件共54页哦 图幅接边图幅接边 逻辑接边逻辑接边包括两方面的含义，一是检查同一目标在相邻图幅的地物编码和属性赋值是否一致，如果不一致，则进行人工编辑修改。这种逻辑接边容易处理。另一种逻辑接边的含义是将同一目标在相邻图幅的空间实体数据在逻辑上连在一起。例如长江可能跨越多个图幅，当要进行查询时，点取到某幅图的一段目标时要能够同时将多幅图内的长江一起显示出来，这就要在逻辑

16、上建立某种联系。否则，由于每幅图的数据是单独存贮（见第六章），一般来说只能查询到该图幅内的空间数据（全关系型无缝数据库除外）。第40页，此课件共54页哦 图幅接边图幅接边 逻辑接边为了进行空间目标的逻辑接边，可以有两种方案，一种是在图幅数据文件的上一层，将有逻辑联系的空间目标，建立一个新的文件，即索引到它在每幅图的子目标，并建立双向指针（目标标识）。当在某一幅图点取子目标时，通过指针，指向上一层总目标文件的记录，这一条记录记录了所有该目标的子目标的目标标识，通过它即可显示整个目标 第41页，此课件共54页哦 图幅接边图幅接边 逻辑接边逻辑接边的另外一种方法是不建立总目标文件，也不在每幅图的空间

17、目标的数据文件中为逻辑接边的子目标建立索引，而是通过空间操作的方法，根据每个关键字如“长江”，让系统自动在周边图幅的文件中搜索到同一目标，从而在效果上，等同于建立了跨图幅空间目标的逻辑关系。第42页，此课件共54页哦坐标变换l产生原因：坐标系的不统一、数据变形、地图投影的差异等。产生原因：坐标系的不统一、数据变形、地图投影的差异等。l实质是建立两个平面点之间的一一对应关系。实质是建立两个平面点之间的一一对应关系。l包括几何纠正和投影转换。包括几何纠正和投影转换。第43页，此课件共54页哦坐标变换坐标变换 相似变换设XOY为新的平面直角坐标系如地面大地坐标系，xoy为旧的平面直角坐标系如数字化仪

18、坐标系，两坐标系之间的坐标轴夹角为，0相对于XOY坐标系原点的平移距离为A0，B0，两坐标系之间坐标的比例因子为m，则根据坐标变换原理，可写出变换公式为：X=m（xcos-ysin）+A0Y=m（xsin+ycos）+B0 第44页，此课件共54页哦坐标变换坐标变换 仿射变换 如果坐标在X、Y方向的比例因子不一致，或者说图纸存在仿射变形，此时需要采用仿射变换公式。令m1和m2分别表示X和Y方向的比例尺，则变换公式为：X=（m1cos）x-（m1sin）y+A0Y=（m2sin）x+（m2cos）y+B0 第45页，此课件共54页哦其他其他高次变换：高次变换：X=AX=A0 0+A+A1 1x+

19、Ax+A2 2y+Ay+A1111x x2 2+A+A1212xy+Axy+A2222y y2 2+A+AY=BY=B0 0+B+B1 1x+Bx+B2 2x+Bx+B1111x x2 2+B+B1212xy+Bxy+B2222y y2 2+B+B二次变换二次变换X=AX=A0 0+A+A1 1x+Ax+A2 2y+Ay+A1111x x2 2+A+A1212xy+Axy+A2222y y2 2Y=BY=B0 0+B+B1 1x+Bx+B2 2x+Bx+B1111x x2 2+B+B1212xy+Bxy+B2222y y2 2坐标变换坐标变换 第46页，此课件共54页哦l当系统所使用的数据是来

20、自不同地图投影的图幅时，必须按需求统一地图当系统所使用的数据是来自不同地图投影的图幅时，必须按需求统一地图投影，需要进行地图投影变换。投影，需要进行地图投影变换。l基本原理基本原理：X=fX=f1 1(x,y)(x,y)Y=fY=f2 2(x,y)(x,y)投影变换投影变换第47页，此课件共54页哦l基本方法：基本方法：解析变换法：找出两投影间的解析计算公式解析变换法：找出两投影间的解析计算公式正解变化法正解变化法:又称直接变换法又称直接变换法,是通过两种投影之间的严是通过两种投影之间的严密数学解析关系，直接由一种投影的数字化坐标精确变密数学解析关系，直接由一种投影的数字化坐标精确变化到令一种

21、投影的坐标化到令一种投影的坐标反解变换法：又称间接变化法，以地理坐标（反解变换法：又称间接变化法，以地理坐标（，）为中间媒介，先将一种投影坐标反解出地理坐标，然后为中间媒介，先将一种投影坐标反解出地理坐标，然后再将其地理坐标代入另一种投影的坐标计算公式中，计再将其地理坐标代入另一种投影的坐标计算公式中，计算出新的投影坐标算出新的投影坐标x,y,X,Y解析关系式解析关系式x,yX,Y解析关系式投影变换投影变换第48页，此课件共54页哦l基本方法：基本方法：数值变换法：通过选择若干个两种投影之间的同名点，采用多项式逼近的方法数值变换法：通过选择若干个两种投影之间的同名点，采用多项式逼近的方法来建立

22、连着之间的关系，从而实现两者之间的坐标变换来建立连着之间的关系，从而实现两者之间的坐标变换数值解析变化法数值解析变化法x,yX,YX,Y数值变换解析变换投影变换投影变换第49页，此课件共54页哦l在地理信息系统中，栅格数据与矢量数据各有千秋，在地理信息系统中，栅格数据与矢量数据各有千秋，它们互相补充，必要时可互相转换，这是由地理信息它们互相补充，必要时可互相转换，这是由地理信息系统处理方式以及这两种数据格式各自的特点所决定系统处理方式以及这两种数据格式各自的特点所决定的；的；l包括矢量数据包括矢量数据-栅格数据和栅格数据栅格数据和栅格数据-矢量数据。矢量数据。矢量矢量-栅格转换栅格转换第50页

23、，此课件共54页哦l矢量数据矢量数据-栅格数据栅格数据l点的栅格化点的栅格化 i=1+integer(Ymax-y)/dx)i=1+integer(Ymax-y)/dx)j=1+integer(x-Xmin)/dy)j=1+integer(x-Xmin)/dy)dx=(Xmax-Xmin)/J dx=(Xmax-Xmin)/J dy=(Ymax-Ymin)/I dy=(Ymax-Ymin)/I 其中其中(x,y)(x,y)为矢量点位坐标；为矢量点位坐标；dx,dydx,dy为栅格单元的两个边长；为栅格单元的两个边长；Xmin,YminXmin,Ymin表表示图幅范围的最小值，示图幅范围的最小值

24、，Xmax,YmaxXmax,Ymax表示图幅范围的最大值，表示图幅范围的最大值，I,JI,J表示全图表示全图网格单元的行数和列数网格单元的行数和列数。矢量矢量-栅格转换栅格转换第51页，此课件共54页哦l矢量数据矢量数据-栅格数据栅格数据1.1.线段的栅格化线段的栅格化矢量矢量-栅格转换栅格转换第52页，此课件共54页哦l矢量数据矢量数据-栅格数据栅格数据l面域的栅格化面域的栅格化种子点填充算法种子点填充算法射线算法射线算法扫描线算法扫描线算法复数积分算法复数积分算法1.1.边界代数算法边界代数算法矢量矢量-栅格转换栅格转换第53页，此课件共54页哦l栅格数据栅格数据-矢量数据矢量数据l点点l线线二值化二值化00、1 1细化细化-骨架图骨架图线追踪线追踪l面面二值化二值化00、1 1细化细化-骨架图骨架图边界线追踪边界线追踪拓扑关系生成拓扑关系生成2.2.去处多余点并进行曲线光滑去处多余点并进行曲线光滑矢量矢量-栅格转换栅格转换第54页，此课件共54页哦