空间数据获取与处理.ppt

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1、空间数据获取在空间数据获取在GISGIS中的地位中的地位汽油数据硬件硬件软件软件 数据数据=1 2 71第六章第六章 空间数据获取与处理空间数据获取与处理u1、地图数字化1.1 1.1 概述概述1.2 1.2 地图数据处理地图数据处理1.3 1.3 数字化仪数字化数字化仪数字化1.4 1.4 扫描矢量化及常用算法扫描矢量化及常用算法u2、空间数据录入后的处理2.1 2.1 图形坐标变换图形坐标变换2.2 2.2 图形拼接图形拼接2.3 2.3 拓扑生成拓扑生成21 1、地图数字化、地图数字化u1.1 概述地图是重要的信息形式地图是重要的信息形式纸质地图的弊端纸质地图的弊端电子地图（电子地图（G

2、ISGIS的基本功能）的基本功能）当纸地图经过计算机图形图像系统光当纸地图经过计算机图形图像系统光电转换量电转换量化为化为点阵数字图像点阵数字图像，经图像处理和曲线，经图像处理和曲线矢量化矢量化，或者直，或者直接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图矢量地图数据文件数据文件，这种与纸地图相对应的地图称为，这种与纸地图相对应的地图称为矢量化电子矢量化电子地图地图。3矢量电子地图的优点：矢量电子地图的优点：可视化：可视化：放大、缩小、漫游，分层显示地图；放

3、大、缩小、漫游，分层显示地图；智能化：智能化：多尺度表达，自动配置注记，最短路径查询等空间多尺度表达，自动配置注记，最短路径查询等空间分析功能；分析功能；交互性：交互性：编辑，计算距离和标注地名等；编辑，计算距离和标注地名等；时态性：时态性：监控，线路回放等。监控，线路回放等。4电子地图多比例尺表达。比例尺越大，表达越详细。电子地图多比例尺表达。比例尺越大，表达越详细。5航标监控中心航标监控中心电子航道图与航标遥测监控系统电子航道图与航标遥测监控系统GPSGPS定位技术定位技术电子电子地图地图技术技术通讯技术通讯技术传感技术传感技术6u1.3 数字化仪数字化输入点、线及多边形地物的坐标输入点、

4、线及多边形地物的坐标工作量非常繁重工作量非常繁重先确定需要数字化哪些信息，先确定需要数字化哪些信息，确定图层及图层包含的信息确定图层及图层包含的信息。确定三个定位点确定三个定位点7两种方式两种方式：点方式点方式流方式：数据量大，可以流方式：数据量大，可以实时采样（化简）实时采样（化简）来减少数据量来减少数据量距离流距离流时间流（优）时间流（优）8曲线化简算法曲线化简算法：Douglas-Peucker算法：算法：9u1.4 扫描矢量化及常用算法扫描矢量化及其处理过程扫描矢量化及其处理过程扫描仪扫描仪栅格转矢量的运算，一般栅格转矢量的运算，一般称为称为扫描矢量化过程扫描矢量化过程。在实际应用中，

5、常常采用在实际应用中，常常采用交互跟踪矢量化交互跟踪矢量化，或者称，或者称为半自动矢量化。为半自动矢量化。101.图像二值化2.平滑（去噪）3.细化4.链式编码5.矢量线提取矢量化过程矢量化过程：next11u1.4 扫描矢量化及常用算法扫描矢量化及其处理过程扫描矢量化及其处理过程扫描仪扫描仪栅格转矢量的运算，一般栅格转矢量的运算，一般称为称为扫描矢量化过程扫描矢量化过程。在实际应用中，常常采用在实际应用中，常常采用交互跟踪矢量化交互跟踪矢量化，或者称，或者称为半自动矢量化。为半自动矢量化。12图像拼接图像拼接：13图像裁剪图像裁剪：14图像细化预处理二值图像平滑图像细化预处理二值图像平滑：0

6、00010XXX去毛刺模板去毛刺模板X1X101XXX去孔洞模板去孔洞模板15图像细化图像细化：要求：要求：1、保证细化后曲线的连通性、保证细化后曲线的连通性2、细化结果是原曲线的中心线、细化结果是原曲线的中心线3、保留细线端点、保留细线端点0000p0110N(p)=2T(p)=1pW=0,pE=0,pS=1,pN=016“剥皮剥皮”图像细化算法图像细化算法：算法思想：算法思想：层层剥皮层层剥皮，从线条边缘开始一层一层向里剥夺，从线条边缘开始一层一层向里剥夺,直到线条剩下一个象素的为止直到线条剩下一个象素的为止过程：过程：1：对于栅格图像中的每个点：对于栅格图像中的每个点p：如果：如果2=N

7、(p)=6并且并且T(p)=1并且并且pNpEpS=0并且并且pWpEpS=0则标志则标志p点；点；2：将所有被标志的栅格点赋值为：将所有被标志的栅格点赋值为0，如果没有被标志的点，则，如果没有被标志的点，则算法结束；算法结束；3：pNpSpW=0并且并且pWpEpN=04：5：转到第一步。：转到第一步。17满足满足 2=N(p)=6 且且T(p)=1的的5种情况种情况:1)保证 P 是图像边缘点2)保证 P 不是细线端点和关键转折点1811111111111111111111111111111111 pNpEpS=0且且 pWpEpS=023 pEpWpN=0且且 pSpWpN=0450-第

8、第2步被被赋值步被被赋值0-第第4步被被赋值步被被赋值19链码（链码（Freeman），矢量线生成（），矢量线生成（Douglas-Peucher）用曲线出发点坐标和线的斜率来描述二值线图形的一种方法。用曲线出发点坐标和线的斜率来描述二值线图形的一种方法。C(SPx,SPy)a1a2.an，0ai720流程回顾流程回顾212 2、数据录入后的处理、数据录入后的处理u2.1 图形坐标变换（图形坐标变换（几何纠正，投影变换几何纠正，投影变换）概念概念概念概念:利用一套利用一套利用一套利用一套控制点控制点控制点控制点和和和和变换方程变换方程变换方程变换方程,将数字地图或图像将数字地图或图像将数字地图

9、或图像将数字地图或图像从一种坐标系转换成另一种坐标系的过程从一种坐标系转换成另一种坐标系的过程从一种坐标系转换成另一种坐标系的过程从一种坐标系转换成另一种坐标系的过程.2.1.1 2.1.1 几何纠正几何纠正几何纠正几何纠正1)1)高次变换高次变换高次变换高次变换需要有需要有6 6对以上控制点的坐标和理论值对以上控制点的坐标和理论值2)2)二次变换二次变换二次变换二次变换需要有需要有5 5对以上控制点的坐标和理论值对以上控制点的坐标和理论值3)3)仿射变换仿射变换仿射变换仿射变换 需要有需要有3 3对以上控制点的坐标和理论值对以上控制点的坐标和理论值 22u3)仿射变换仿射变换A A 基本坐标

10、变换：平移，缩放，旋转基本坐标变换：平移，缩放，旋转平移变换 XYOCABBACTx*Ty平移：平移：X=X+TxY=Y+Ty23u缩放变换是指对p点相对于坐标原点沿x方向放缩Sx倍，沿y方向放缩Sy倍。其中Sx和Sy称为比例系数。YX 缩放变换缩放变换(SxSx=2,Sy=3)=2,Sy=3)P(4,3)P(2,1)缩放：缩放：X=XSxY=YSy24u二维旋转是指将p点绕坐标原点转动某个角度（顺时针为正，逆时针为负）得到新的点p的重定位过程。YX 旋转变换PPrr旋转：旋转：X=Xcos+YsinY=-Xsin+Ycos25综合考虑图形的平移、旋转和缩放，则其坐标变换式如下：综合考虑图形的

11、平移、旋转和缩放，则其坐标变换式如下：仿射变换公式：仿射变换公式：特点特点：1、直线变换后仍为直线；、直线变换后仍为直线；2、平行线变换后仍为平行线；、平行线变换后仍为平行线；3、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。265050 m50.5 cm0,0451:10000Digitezer unitsreal-world coordinates4500仿射变换的作用仿射变换的作用:将数据的空间坐标从数字化的坐标系将数据的空间坐标从数字化的坐标系统转换为真实世界中的坐标系统统转换为真实世界中的坐标系统27u均方根误差RMS 控制点的实际位置（由控制点经纬度数值投影到输控制点的

12、实际位置（由控制点经纬度数值投影到输出地图上的）与估算位置（输入地图上数字化的）出地图上的）与估算位置（输入地图上数字化的）之间偏差的估量之间偏差的估量 一个控制点的一个控制点的RMS=sqrt(actX-estX)RMS=sqrt(actX-estX)2 2+(actY-estY)+(actY-estY)2 2 平均平均RMS=RMS=sqrtsqrt(在在X X和和Y Y中偏差的平方和中偏差的平方和)/()/(控制点的控制点的数量数量)为确保几何变换的精确度，控制点的为确保几何变换的精确度，控制点的RMSRMS误差必须误差必须控制在一定的容差值内。容差值依据源地图的精度控制在一定的容差值内

13、。容差值依据源地图的精度和比例尺而异。和比例尺而异。28u2.1.2 投影变换投影变换（1）解析变换法解析变换法 找出两投影间坐标变换的解析计算公式找出两投影间坐标变换的解析计算公式 A 正解正解 B 反解反解29（2）数值变换法）数值变换法 如果原投影点的坐标解析式不知道，或不易求出两投如果原投影点的坐标解析式不知道，或不易求出两投影之间坐标的直接关系，可以采用影之间坐标的直接关系，可以采用多项式逼近的方法多项式逼近的方法，即用数值变换法来即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式建立两投影间的变换关系式。例如，。例如，可采用二元三次多项式进行变换。二元三次多项式为：可采用二元三次多项式进行变

14、换。二元三次多项式为：30（3）数值解析变换法）数值解析变换法当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先通过数值当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先通过数值变换求出原投影点的地理坐标变换求出原投影点的地理坐标，然后代入新投影公式中，然后代入新投影公式中，求出新投影点的坐标。即求出新投影点的坐标。即:31u2.2 图幅拼接图幅拼接图幅尺寸图幅尺寸标准分幅地形图标准分幅地形图一般先进行投影变一般先进行投影变换，换，从地形图使用从地形图使用的高斯的高斯克吕格投克吕格投影转换到经纬度坐影转换到经纬度坐标系标系中，然后再进中，然后再进行拼接。行拼接。32图幅自动拼接图幅自动拼接(1)(1)

15、拉框选择多个图幅拉框选择多个图幅33图幅自动拼接图幅自动拼接(2)(2)34u2.3 拓扑生成(topology)2.3.1 2.3.1 图形修改图形修改2.3.2 2.3.2 建立拓扑关系建立拓扑关系352.3.1 图形修改图形修改造成数字化错误的具体原因：造成数字化错误的具体原因：1）遗漏某些实体；）遗漏某些实体；2）某些实体重复录入；）某些实体重复录入；3）定位的不准确。）定位的不准确。36数字化后的地图上，错误的具体表现形式：1 1）伪节点（）伪节点（Pseudo NodePseudo Node）2 2）悬挂节点（）悬挂节点（Dangling NodeDangling Node）37数

16、字化后的地图上，错误的具体表现形式：3 3）“碎屑碎屑”多边形或多边形或“条带条带”多边形（多边形（Sliver Sliver PolygonPolygon）4 4）不正规的多边形）不正规的多边形38N11256473P1P3P2P4N4N3N5N2DIME结构，双重独立地图编码（美国人口普查局于结构，双重独立地图编码（美国人口普查局于1970年提出）年提出）a、多边形、多边形-组成弧段（多边形表）组成弧段（多边形表）b、弧段、弧段-左右多边形，两端节点（弧段表）左右多边形，两端节点（弧段表）c、节点、节点-相邻的弧段（节点表）相邻的弧段（节点表）2.3.2 建立拓扑关系建立拓扑关系39几个概

17、念：几个概念：1、弧段有方向，弧段、弧段有方向，弧段A的起始节点称为首节点的起始节点称为首节点NS(A)，而，而终止节点为尾节点终止节点为尾节点NE(A)2、沿弧段前进方向，将其相邻的多边形分别定义为左多、沿弧段前进方向，将其相邻的多边形分别定义为左多边形和右多边形边形和右多边形PL(A)和和PR(A)3、N0 搜寻的起始节点，搜寻的起始节点，NC 当前节点当前节点40多多边边形形拓拓扑扑建建立立过过程程PL(A)=null？得到一条弧段得到一条弧段A，所有弧段处，所有弧段处理完毕，算法结束理完毕，算法结束NPR(A)=null？N创建多边形创建多边形PPL(A)=PN0=NS(A)NC=NE

18、(A)A为为P的一条弧段的一条弧段Y创建多边形创建多边形PPR(A)=PN0=NE(A)NC=NS(A)A为为P的一条弧段的一条弧段YN0=NC？Y检查当前节点连接的，检查当前节点连接的，当前弧段的下一条弧段当前弧段的下一条弧段 AA为为P的一条弧段的一条弧段NC=NS(A)？PL(A)=P NC=NE(A)YPR(A)=P NC=NS(A)NN当前节点是否为当前当前节点是否为当前弧段的起点弧段的起点?41拓扑关系的重要性：1 1）维护空间数据一致性）维护空间数据一致性2 2）空间分析）空间分析道路交通应用中，一些道路虽然在平面上相交，道路交通应用中，一些道路虽然在平面上相交，但是实际上并不连

19、通，如立交桥，这是需要手但是实际上并不连通，如立交桥，这是需要手工修改，将连通的节点删除。工修改，将连通的节点删除。42网络拓扑关系：在输入道路、水系、管网、通信线路等信网络拓扑关系：在输入道路、水系、管网、通信线路等信息时，为了进行流量以及连通性分析，需要确定线实体之息时，为了进行流量以及连通性分析，需要确定线实体之间的连接关系。间的连接关系。43要求掌握u掌握：常用的两种地图数字化方法u掌握：空间数据录入后要经过哪些处理?理解各处理过程的意义。u掌握:曲线离散化的道格拉斯算法u理解：仿射变换的原理和作用44思 考 题u1.栅格图像转换为矢量地图一般需要经过哪些步栅格图像转换为矢量地图一般需

20、要经过哪些步骤骤?u2.请结合图形描述一下道格拉斯曲线离散化算法请结合图形描述一下道格拉斯曲线离散化算法.451)1)高次变换高次变换高次变换高次变换其中其中A A、B B代表二次以上高次项之和。上式是高次变换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，需要有时，需要有6 6对以上控制点的坐标和理论值，才能求出待对以上控制点的坐标和理论值，才能求出待定系数。定系数。2)2)二次变换二次变换二次变换二次变换当不考虑高次变换方程中的当不考虑高次变换方程中的A A和和B B时，则变成二次变换时，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，至少需要形的情况，至少需要5 5对控制点的坐标及其理论值，才能对控制点的坐标及其理论值，才能求出待定系数。求出待定系数。了解了解46