arcgis5第5课：栅格影像配准及地图数字化.ppt

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1、GIS GIS 空间分析使用空间分析使用ArcGISArcGIS2005-10.17(5)http:/www.geo-影像配准及地图数字化3.2影像配准及地图数字化影像配准及地图数字化3.2.1 地图矢量化地图矢量化3.2.2 屏幕跟踪数字化过程屏幕跟踪数字化过程3.2.3影像配准影像配准3.2.4要素矢量化要素矢量化3.2.1 3.2.1 地图矢量化地图矢量化数字化可分为手扶跟踪数字化和扫描数字化对于栅格数据的获取，GIS 主要涉及使用扫描仪等设备对图件的扫描数字化，这部分的功能也较简单。因为通过扫描获取的数据是标准格式的图像文件，大多 可直接进入 GIS 的地理数据库。从遥感影像上直接提取

2、专题信息，需要使用几何纠正、光谱纠正、影像增强、图像变换、结构信息提取、影像分类等技术，主要属于遥感图像处理的内容。因此，以下主要介绍 GIS 中矢量数据的采集。手扶跟踪数字化通过数字化仪获取是一种最普通的传统方法是单调而细致的工作数字化仪工作原理操作人员在数字化仪上点击一点或跟踪一条线段y=10 x=5坐标被存入到GIS数据库中3.2.2 3.2.2 屏幕跟踪数字化过程屏幕跟踪数字化过程1.配准影像2.新建要素类3.在ArcMap中加载已配准的影像和新建的图层（要素类）4.在ArcMap中使用“编辑器”，分层提取要素（对于二值化扫描地图，可使用ArcScan模块进行半自动化的屏幕跟踪数字化）

3、3.2.33.2.3影像配准影像配准栅格数据通常是通过扫描纸质地图或采集航空及卫星照片获得。通过扫描获取的影像不包含定义其地理空间位置所需的信息。而航空及卫星照片所使用的坐标系统是相对于通用GIS平台软件所使用的坐标系统是独立的。为了能够将这些影像数据与其它的数据集成，以便进行分析，就必须对其进行处理：用户需要事先将这些数据校准（配准）到一个指定的地图坐标系扫描地图的误差来源GIS中数据的来源主要是对地图图纸的数字化,扫描数字化过程中引起的误差主要决定于要素对象软件处理技术扫描仪扫描要素对象扫描要素对象要素本身的宽度、复杂程度、粘连以及图面的整洁和清晰程度都对扫描数字化误差有一定的影响。例如,

4、线条的粘连,结合处易出现较大的误差;线条发虚,会得到多个实体;图面不整洁引入了噪声,易引起软件误判;线条不光滑,易出现毛刺等。软件处理技术软件处理技术在扫描数字化过程中,三个主要参数:分辨率、门槛值(灰度值或对比度值)和滤波值的确定将对扫描图的质量产生重大的影响;而图像处理、几何校正和矢量化等后处理技术,其功能的强弱、模型的优化将直接影响扫描数字化的精度。如采用合适的校正模型(仿射变换、双线形变换、多项式变换等)、定向点的自动对中、采样点的自动对中等,将有效的提高扫描数字化的精度。扫描仪扫描仪在扫描过程中,由于使用CCD扫描仪,会引入一些误差。主要包含有:扫描仪的分辨率;光学误差;电信号传输过

5、程中造成的辐射误差;沿导轨扫描过程中,由于机械运动、速度不均或其它原因所造成的直线性误差;线阵方向与扫描方向不垂直所引起的CCD线阵的直线性误差;外界因素影响产生的误差;随机性误差等等。所有以上这些扫描的误差引起的几何变形,可看成平移、旋转、缩放、仿射、弯曲以及各种更高变形的综合作用结果。在实际操作过程中,很难对这些误差一一进行变形改正,只能综合考虑它们的影响,综合校正。输入到计算机中的图形，实际上都是通过其位置坐标(x,y)来表示，因此校正过程实质上是找一种数学关系(或函数关系)，描述变换前图形坐标(x,y)与变换后图形坐标(x,y)之间的换算，其数学关系一般描述为 x=f1(x,y)y=f

6、2(x,y)多项式变换(Polynomial)这个数学关系常表示为二元多项式一次、二次或三次及更高次表达式.其中A、B代表二次以上高次项之和。上式是高次变换方程，符合上式的变换称为高次变换。在进行高次变换时，需要有6对以上控制点的坐标和理论值，才能求出待定系数。当不考虑高次变换方程中的A和B时，则变成二次变换方程，称为二次变换。二次变换适用于原图有非线性变形的情况，至少需要5对控制点的坐标及其理论值，才能求出待定系数。仿射变换（1次多项式）仿射变换是使用最多的一种几何纠正方式，只考虑到x和y方向上的变形，仿射变换的特性是：直线变换后仍为直线；平行线变换后仍为平行线；不同方向上的长度比发生变化。

7、对于仿射变换，只需知道不在同一直线上的三对控制点的坐标及其理论值，就可求得待定系数。但在实际使用时，往往利用4个以上的点进行纠正，利用最小二乘法处理，以提高变换的精度。名词：Georeference 地理配准：是为了使得影像数据可以和GIS矢量数据集成在一起，而为影像数据指定一个参考坐标系的过程。将扫描地图配准到坐标系下影像配准的步骤（RegisterRectify）校准栅格数据（选择控制点）坐标变换（求解二元多项式n次方程）检查均方差（计算控制点误差）重采样矫正（Rectify）：生成新的影像文件（三种重采样算法）校准栅格数据通常,你会将栅格数据校准到已经存在具有坐标信息的空间数据（矢量数据

8、）。首先假定矢量化数据中的一些空间要素(目标数据)也同时存在于要进行配准的栅格图像上比如：街道、建筑物、河流.地理配准的基本过程是在栅格图像中选取一定数据的控制点，将它们的坐标指定为矢量数据中对应点的坐标（在空间数据中，这些点的坐标是已知的，坐标系统为地图坐标系）控制点在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标，即控制点。控制点可以是经纬 线网格的交点、公里网格的交点或者一些典型地物的坐标。我们可以从 图中均匀的取几个点。如果我们知道这些点在我们矢量坐标系内坐标，则直接输入控制点的坐标值，如果不知道它们的坐标，则可以采用间接方法获取从矢量数据中选取。选取控制点控制点的数目取决于 你打算使用哪一种数学

9、方法来实现坐标转换.但是，过多的控制点并不一定能够保证高精度的配准。要尽可能使控制点均匀分布于整个格格图像，而不是只在图像的某个较小区域 选择控制点。通常,先在图像的四个角选择4个控制点，然后在中间的位置有规律地选择一些控制点能得到较好的效果地形图中，读取控制点的坐标，图中红色控制点的坐标为（564000,2776000），单位：米输入控制点坐标坐标变换坐标变换一旦你选取了足够的控制点,你就可以将栅格数据变换（或转换）到地图坐标系统下.转换(Transformation)运用一种数学变换方法来重新确定栅格数据中每个像元的灰度值。一次多项式：仿射（affine）变换可以将栅格数据平移,缩放,及旋

10、转.栅格图像中的一条直线变换后然后为直线。矩形和正方形变换后为平行四边形检查均方差检查均方差(RMS)(RMS)坐标转换的准确程度可以通过比较某一点在地图中的实际坐标与根据变换公式得到的坐标来判断。这两个点之间的距离之差称为残差(residual error).通过计算均方差(RMS)获取控制点总误差。均方差(RMS)的大小描述了变换公式在不同控制点间的一致性。可以将残差特别大控制点删除，然后添加新的控制点。RMS 比较小时，说明控制点的选取是比较准确的，但也要注意有可能存在残差非常大的控制点，但由于其它控制点是很精确的，所以总的RMS误差比较小的情况。矫正栅格数据矫正栅格数据-重采样重采样你

11、可能会认为一旦实现了栅格数据到地图坐标变换之后，每一个像元都被转换到了新的地图坐标。事实并非如此。在地理配准过程中，将基于地图坐标生成一个“空的”矩阵,矩阵中每个元素的值（表示颜色）将通过重采样重新计算。有三种通用的图像重采样技术 最小紧邻双线性内插立方卷积Nearest neighbor assignment takes the value from the cell closest to the transformed cell as the new value.Its the fastest resampling technique and is appropriate for cate

12、gorical,or thematic,data.Bilinear interpolation and cubic convolution techniques combine a greater number of nearby cells(4 and 16,respectively)to compute the value for the transformed cell.These two techniques use a weighted averaging method to compute the output transformed cell value and thus are

13、 only appropriate for continuous data such as elevation,slope,and other continuous surfaces.RectifyRectify：矫正栅格数据：矫正栅格数据Rectify 生成一个新的已经过地理配准的的格文件。可以保存为 ESRI GRID、TIFF或者 ERDAS IMAGINE的格式.其它的矢量化工具R2V for Windows(9X,NT,2000,ME,XP)是一款高级光栅图矢量化软件系统。该软件系统将强有力的智能自动数字化技术与方便易用的菜单驱动图形用户界面有机地结合到 Windows 环境中，为用

14、户提供了全面的自动化光栅图像到矢量图形的转换，它可以处理多种格式的光栅（扫描）图像，是一个可以用扫描光栅图像为背景的矢量编辑工具。由于该软件的良好的适应性和高精确度，其非常适合于 GIS、地形图、CAD 及科学计算等应用。VPMax3.2.43.2.4要素矢量化要素矢量化要素编辑的一般步骤创建新图层（要素类）：点、线、多边形编辑环境及工具点要素编辑线要素编辑多边形要素编辑要素编辑的一般步骤1.在ArcCatlog中创建新的要素类2.在ArcMap中加载新建的要素类，如有必要，加载经过配准的扫描地图3.在ArcMap中打开“编辑器”工具栏，执行其中的“开始编辑”命令，进入编辑状态。4.利用“编辑

15、器”的功能完成地图要素的分层提取，打开图层的属性表，输入要素的相关属性5.在编辑过程中，点击“编辑器”中的“保存编辑”可以随时保存修改的结果，点“停止编辑”完成编辑。创建新图层（要素类）ArcCatalog中可以创建矢量数据集(shape文件和地理数据库geodatabase=“要素类”)点：Point线：Line多边形：Polygon在ArcMap中提供了全面的工具，可以完成矢量数据的编辑空间数据属性数据新建图层要素类指定要素类型：点？线？多边形？在创建图层时指定坐标系统在ArcMap中指定数据框的坐标系统在创建图层（要素类）的时候除指定坐标系外，还需要指定要素类的坐标范围可以从已有的数据导

16、入或手动指定这个范围添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在编辑器中，点击“开始编辑”，并在目标图层中选中要编辑的图层。屏幕跟踪数字化从“编辑器”工具栏中选中草图工具，根据扫描地图上的内容分层提取地图要素。编辑图层中要素的属性属性字段可以在创建图层是定义，也可以在ArcMap中添加Fields are added;define字段名称：field name数据类型：data type字段宽度：width精度：decimal precision打开图层（要素类）的属性表，添加新字段添加属性字段编辑要素属性信息在属性字段添加后，就可以输入或修改要素的属性编辑环境及工具主要编辑环境“编辑器”工具栏“

17、编辑器”工具栏捕捉环境Snapping捕捉或悬挂操作:how features align during creation/editing线段之间的连接(在两条线段连接的地方加一个结点)completion of polygonsavoid overshoots/undershootsavoid slivers or gaps捕捉环境Snapping通过捕捉环境对话框设定在编辑时捕捉方式Snapping optionsInteractive snapping optionsSnap to an existing vertexSnap to an existing line segment or

18、 polygon edgeSnap to an intersection of two or more linesSnap to an existing line endpointSnapping can be layer-to-layer_捕捉线段Undoing editsEdits can be undone in reverse orderEdits can be undone up to the previous save(or creation)Once a datasets changes are saved,edits cannot be undoneSaving editsSa

19、ve EARLY and OFTENYou are prompted to save edits when:Dataset is closed for editingAnother dataset is opened for editingDocument is saved or closedArcGIS is closed点要素的编辑在图层中新建、删除、移动一个点要素线要素的编辑悬挂功能修改线段的形状（编辑顶点）分割线要素、公共顶点的编辑合并线要素封闭线段打断线要素打断工具封闭线段多边形要素的编辑多边形顶点编辑（改变形状）分割多边形公共边的编辑要素合并（Union）：求并集，比如：由多个岛屿

20、组成的行政区，飞地。要素联合（Combine):中心有岛屿的湖泊要素相减（Subtract）：去除重叠部分（landuse)要素相交（Intersection):获取多个多边形的公共部分Altering the shape of lines and polygonstopological editingAltering the shape of lines and polygonsnon-topological editingSplitting(cutting)polygonsSplitting featuresGeodatabase splitting policiesAttributes

21、are handled by policiesDuplicate:values in new records are copied from the parent recordGeometry property(e.g.,area,perimeter,length)automatically handledGeometry ratio(e.g.,population)_Splitting featuresAttribute splitting(for geodatabase feature classes)is handled by policiesimage from ESRIMerging

22、 polygonsselect multiple polygons from the same layer original polygons are merged into a single new polygonMerging polygonsAttributes are handled by rules in the same way as splittingimage from ESRIUnioning polygonssimilar to merge,but can combine features from 1 layerIntersecting polygonsspatial area as the set for intersectioncommon areas are preservedlike mathematical intersectionIntersecting polygonsClipping polygonswhen overlapping polygons are combined,an erase occursClipping polygons