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1、第五讲 地理信息系统的数据 程承旗北京大学遥感与地理信息系统所地理信息系统的数据l地理信息系统的一个重要部分就是数据。l数据类型:在开发一个特定的GIS时，要根据应用需求确定对各类数据的要求。l数据获取:随着GIS产业化的深入发展，越来越多的数据资料被不同数据生产部门数字化l数据质量:数据质量是指数据适用于不同应用的能力。一、数据类型确定GIS数据需求寻找数据源大地测量控制地籍测量航空测量遥感室外调查（土壤、植被、交通等）定点观察（地球物理、气象、水文、生态等）地形图人口普查工业/经济调查基础设施（通讯、电力、运输、医疗、教育等）有无所需的数据内容空间数据的基本特征l空间数据描述的是现实世界各
2、种现象的三大基本特征：空间、时间和专题属性。空间特征l空间特征指空间物体的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻物体的拓扑关系l人类对空间目标的定位一般不是通过记忆其空间坐标，而是确定某一目标与其他更熟悉的目标间的空间位置关系，而这种关系往往也是拓扑关系。l专题特征l专题特征指的是除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征。l如地形的坡度、坡向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等时间特征l空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算产生的数据的测量尺度l对特定现象的测量就是根据一定的标准对其赋值或打分。l命名式的测量尺度也称作类型测量尺度，只对特
3、定现象进行标识，赋予一定的数值或符号而不定量描述。l次序测量尺度是基于对现象进行排序来标识的。l比例测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据数据来源l数据来源可以大致分为原始数据或处理加工后的数据，又可将数据源分为非电子数据和电子数据两类。数据种类l1、基础制图数据l基础制图数据包括地形数据和人文景观数据。l1）图形结构l2）拓扑结构格式l2、自然资源数据l3、调查统计数据l4、数字高程数据l获取和存贮高程数据的方法有4种基本方法：规则格网法、离散等高线法、断面量测法和不规则三角网法。l5、法律文档数据l6、已有系统数据全球定位系统l全球定位系统l卫星如何测距？lGPS接收
4、机如何与卫星同步产生伪码？lGPS的误差与微分纠正lGPS系统:美国NAVSTARGPSlTRANSITl俄国GLONASSl欧空局GEOSTARR-=c航空象片l航空摄影胶片的特性l航空摄影l垂直摄影象片的几何性质l立体象对上测量高度并建立地面坐标系l1）航空象片相对定向，建立航空象片坐标系l2）测量象点视差计算象点高度l3）建立地面坐标系l航空象片坐标向通用的地图投影坐标系的转换l正射影象l航测数字景象目前可以有两种方式获得：l一是用高精度扫描仪对航空象片扫描得到数字影象；二是用数字摄影机直接得到数字影象遥感数据l遥感数据有下列优点：l1）增大了观测范围。l2）能够提供大范围的瞬间静态图象
5、。l3）能够进行大面积重复性观测，即使是人类难以到达的偏远地区也能够做到这一点。l4）大大加宽了人眼所能观察的光谱范围。l5）空间详细程度高。遥感图象的空间分辩率l名义分辩率=图象某行对应于地面的实际距离/该行的象元素l雷达是一种自身发射电磁能又回收这种能量的主动式系统，它又分为真实孔径雷达和合成孔径雷达。l雷达图象有两种分辩率：一种是由其发送信号脉冲持续的时间和信号传播方向与地面的夹角决定的，称为距离分辩率。另一种分辩率是由雷达波束的宽度和地物离飞行底线的距离决定的，而波束宽度又与雷达波长成正比，与天线的长度成反比，这种分辩率被称为方位分辩率。数据特点 l扫描式传感器所获图象l侧视雷达图象l
6、常的卫星数据l目前世界上常用的卫星数据仍是美国的陆地卫星（Landsat）专题制图仪（ThematicMapper，TM）、诺阿气象卫星的甚高分辩率辐射仪（NOAA-AVHRR）和法国SPOT卫星的较高分辩 率 传 感 器（HRV）数 据 及 美 国 的SPACEIMAGING的IKNOS高分辨率卫星数据。地图地图地图一般分为普通地图和专题地图。l普通地图是一般性的参考图，它主要用来表达六方面内容；居民地、道路、行政边界、地形、及地表覆盖、水系和典型目标物。l常见的专题地图：l天气预测图以天气类型、温度和降水空间分存为主的地图；l旅游图以介绍旅游景点位置和交通状况为主的地图；l交通图以介绍街区
7、和公共交通状况为主的地图；l地铁线路图反映地铁站点位置、路径、中转位置等为主的地图；l地势图以反映地形起伏和山脉高程为主的地图；l反映自然条件的专题地图有；地质图、土壤图、气候图、植被图、太阳能分布图、风能分布图、洋流图、潮汐图等；l反映经济状况的专题图：交通图、工业图、农业图、商业图、贸易图、水利图、电力图、渔业图、林业图、牧业图等。地图符号地图制作过程和地图综合l地图的制作与GIS开发过程有许多相似之处，大致可分下列步骤：l1）调查分析地图用户的要求；l2）确定制图目标，确定比例尺、投影、内容、设计符号、编制地图规范；l3）收集数据、野外测量、象片判读、问卷调查等；l4）对数据进行鉴别、分
8、析处理；l5）转绘数据到基础底图上；l6）进行地图综合，先选样区试验再对整个制图区域进行综合；l7）进行地图清绘；l8）检查质量，检验精度等；l9）修改后制版印刷。地图制图工作要点 l取舍；它实际上贯穿于整个制图过程中。l分类；指的是将同样的或类似的制图对象划入一组。l简化：实际上，取舍、分类和符号化都是为了简化细节，但简化还有其它形式。l符号化：由于不可能将所有制图对象的实际形状按比例缩小到地图上，所以地图上要用符号。符号又分为两类：抽象符号或象形符号。l地图综合分为两部分；图形综合和制图内容综合。l1）图形综合l对点状、线状、面状符号的综合需要不同的方法。l2）内容综合l内容综合有两个方面
9、：取舍和分类。TIGER文件l建立TIGER系统原是为了达到以下目的：l1）建立并维护一个覆盖美国所有领土的数字地理数据基础；l2）美国生产用于普查局查计和发表报告的地图；l3）能够给由地理特征所构成的多边形为基础产生的普查地段和地理区域赋予独立的地址。lTIGER文件的应用经历了三个阶段：产生、更新、应用维护。lTIGER整合各种类型数据的基础是三种几何单元：零维单元、一维单元、二维单元。lTopologicallyIntegratedGeographicEncodingReferencing零维单元只代表地表线状特征的交点和端点，而不是一般用于表达开头或其它类型的点；一维单元只代表连接两个
10、零维单元的线，而不代表任何线的形状；二维单元只代表一组相连的一维单元所构成的最小面积，一组二维单元可用来定义地理范围。二、数据获取 数据加工整理l一、数据分类标准l二、基础原始数据的确定l三、原始数据项目的确定l四、数据标准的准确性的确定l五、数据录入表设计数据采集l一、空间图形数据的采集二、非空间属性数据的采集三、空间数据和非空间数据的连接空间图形数据的采集l1、手扶跟踪数字化输入l1）数字化过程l2）数字化方式l数字化有两种基本方式：流方式和点方式。l3）数字化仪的其它输入功能l4）矢量到栅格数据的转换l5）数字化的精度l6）数据共享空间图形数据的采集l1、扫描数字化l1）栅格扫描仪扫描l
11、2）栅格扫描数据到矢量的转换l3）矢量扫描仪扫描l4）其它类型的自动数字化仪器l视频数字化仪l解析测图仪l5）已是数字形式的空间数据的输入l6）其它数字形式的空间数据源l内插数据l其它数据数字化设备数字化设备数字化设备种类数字化设备种类l手扶跟踪数字化仪（数字化仪）手扶跟踪数字化仪（数字化仪）l扫描数字化仪（扫描仪）扫描数字化仪（扫描仪）数字化仪，又称图数转换器，是一种数字化仪，又称图数转换器，是一种通过一定量测手段将图形或图像转换成通过一定量测手段将图形或图像转换成数字信息的装置。常用的数字化设备有：数字信息的装置。常用的数字化设备有：手扶跟踪数字化仪手扶跟踪数字化仪l简简称称数数字字化化仪
12、仪，是是一一种种用用来来记记录录和和跟跟踪踪地地图图点点、线线位位置置的手工数字化设备。的手工数字化设备。数字化仪的幅面数字化仪的幅面l根根据据尺尺寸寸和和使使用用条条件件的的不不同同，大大致可分为两类：致可分为两类：小型数字化仪小型数字化仪(Tablet)Tablet)：A A4 4，A A3 3，A A2 2；大型数字化仪大型数字化仪(Digitizer)Digitizer)：A A1 1，A A0 0，A A0000。数字化仪的构成数字化仪的构成l感应板感应板 (Drawing Board)Drawing Board)l标识器标识器 (Pointing Device)Pointing D
13、evice)数字化仪的性能参数数字化仪的性能参数l操作方式操作方式l输出格式输出格式l数据转换率数据转换率l分辨率分辨率l精度精度操作方式操作方式l点方式点方式l流流方方式式 (开开关关流流/连连续续流流)l增量方式增量方式 (距离距离/时间时间)l.扫描数字化仪扫描数字化仪l简简称称扫扫描描仪仪，它它是是一一种种将将地地图图或或图图像像按按一一定定的的分分辨辨率率一一般般转转换换成成栅栅格格格格式数据的装置。式数据的装置。扫描仪的种类扫描仪的种类l按辐射分辨率划分：按辐射分辨率划分：二值扫描仪、灰度扫描仪和彩色扫描仪；二值扫描仪、灰度扫描仪和彩色扫描仪；l按结构划分：按结构划分：滚筒扫描仪、
14、平台扫描仪和滚筒扫描仪、平台扫描仪和CCDCCD摄像机摄像机l按扫描方式划分：按扫描方式划分：栅格扫描仪、矢量扫描仪栅格扫描仪、矢量扫描仪扫描仪的构成扫描仪的构成l滚筒滚筒/平台平台l扫描头扫描头l光学系统光学系统l光电转换光电转换系统系统（CCDCCD单元单元将光将光信号转换信号转换为模拟为模拟电信号电信号）l模数模数转换器转换器（A/DA/D转换器将模拟电信号变为数字电信号）转换器将模拟电信号变为数字电信号）扫描仪的主要性能指标扫描仪的主要性能指标l光学分辨率光学分辨率l最大分辨率最大分辨率l辐射分辨率（色彩位数）辐射分辨率（色彩位数）l扫描幅面扫描幅面l接口方式接口方式光学分辨率光学分辨
15、率l是指扫描仪的光学系统可以采集的实是指扫描仪的光学系统可以采集的实际信息量，也就是扫描仪的感光元件际信息量，也就是扫描仪的感光元件CCDCCD的分辨率。的分辨率。例如例如A4A4扫描仪可扫描的最大宽度为扫描仪可扫描的最大宽度为216216mmmm（8.5 8.5英寸）英寸），它的它的CCDCCD含有含有51005100个单元，其光学分辨率个单元，其光学分辨率为为51005100点点/8.5/8.5英寸英寸=600=600dpidpi。最大分辨率最大分辨率l又叫内插分辨率，它是在相邻像素又叫内插分辨率，它是在相邻像素之间求出颜色或者灰度的平均值从之间求出颜色或者灰度的平均值从而增加像素数的办法
16、。内插算法增而增加像素数的办法。内插算法增加了像素数，但不能增添真正的图加了像素数，但不能增添真正的图像细节，因此，我们应更重视光学像细节，因此，我们应更重视光学分辨率。分辨率。辐射分辨率辐射分辨率l又叫色彩分辨率，或色彩深度、色又叫色彩分辨率，或色彩深度、色彩模式、色彩位或色阶，总之都是彩模式、色彩位或色阶，总之都是表示扫描仪分辨彩色或灰度细腻程表示扫描仪分辨彩色或灰度细腻程度的指标，它的单位是度的指标，它的单位是bitbit（位）。位）。色彩位确切的含义是用多少个位来色彩位确切的含义是用多少个位来表示扫描得到的一个像素。表示扫描得到的一个像素。接口方式接口方式l又称连接界面，是指扫描仪与计
17、算又称连接界面，是指扫描仪与计算机之间采用的接口类型。常用的有机之间采用的接口类型。常用的有USBUSB接口、接口、SCSISCSI接口和并行打印机接接口和并行打印机接口。口。SCSISCSI接口的传输速度最快，而接口的传输速度最快，而采用并行打印机接口则更简便。采用并行打印机接口则更简便。扫描数据处理扫描数据处理l二二值值化化：将将彩彩色色或或灰灰度度扫扫描描数数据据的的像像元元用用1 1位即用位即用0 0和和1 1表示。表示。l细细化化：将将扫扫描描图图中中的的线线划划减减细细为为分分辨辨单单元元宽的线划。宽的线划。l矢量化：将栅格数据转换为矢量数据。矢量化：将栅格数据转换为矢量数据。l断
18、断线线修修复复：由由于于扫扫描描质质量量的的影影响响或或删删除除了了某某些些符符号号造造成成一一些些矢矢量量线线不不连连续续，连连接接断断线即为断线修复。线即为断线修复。扫描数据处理扫描数据处理（续）（续）l要要素素提提取取：选选择择需需要要的的要要素素，剔剔除不需要的要素和噪声。除不需要的要素和噪声。l符号识别：提取出符号的特征。符号识别：提取出符号的特征。l属属性性赋赋值值：对对矢矢量量化化的的要要素素赋赋予予属性特征值。属性特征值。交互式地图扫描数字化交互式地图扫描数字化l也也称称屏屏幕幕数数字字化化，由由人人工工参参与与从从扫扫描描数数据据中中提提取取矢矢量量信信息息并并赋予属性值。赋
19、予属性值。扫描仪在制图中的利与弊扫描仪在制图中的利与弊l数字化速度快数字化速度快,人为误差小；人为误差小；l扫描数据量大，增加存储负担；扫描数据量大，增加存储负担；l后续处理比较复杂和费时；后续处理比较复杂和费时；l对扫描原图质量要求高。对扫描原图质量要求高。三、数据质量 数据质量ll数据质量是指数据适用于不同应用的能力。数据质量的基本特点l1）准确度（Accuracy）：即测量值与真值之间的接近程度，可用误差来衡量。l2）精度（Precision）：即对现象描述的详细程度。l3）不确定性（Uncertainty）：指某现象不能精确测得，当真值不可 测 或 无 法 知 道 时，我 们 就 无
20、法 确 定 误 差，因 而 用 不 确 定 性 取 代 误差。l4）相容性（Compatibility）：指两个来源的数据在同一个应用中使用的难易程度。l5）一致性（Consistency）：指对同一现象或同类现象的表达一致程度。l6）完整性（Completeness）：指具有同一准确度和精度的数据在类型上和特定空间范围内是否完整的程度。l7）可得性（Accessibility）：指获取或使用数据的容易程度。l8）现势性（Timeliness）：指数据反映客观现象目前状况的程度。一、空间数据质量的内容l1、微观部分l1）定位精度l2）属性精度l3）逻辑一致性l4）分解力l2、宏观部分l1）完整
21、性l2）时间性l3）数据档案l4)适用性数据的误差类型l数据误差l地形图的位置误差；l地形图的属性误差；l时域误差；l逻辑不一致性误差；l不完整性误差；l数据的误差类型l数据转换和处理的误差：l数字化误差；l格式转换误差；l不同GIS系统间数据转换误差；数据的误差类型l应用分析时的误差：l数据层叠加时的冗余多边形；l数据应用时，由应用模型引进的误差。这些误差分类对于了解误差分布特点、误差和处理方法、产生误差的特点有很多好处。常见的 误差原因l1）空间数据不完整主要因为数字化不完整。l2）空间位置误差可能是较小的位移，也可能是较大的粗差。l3）空间数据的比例尺错误和误差大多是在数字化时用了错误的
22、比例因子引起的。l4）空间数据的变形误差来源有原数字化材料上的各种变形误差。l5）空间与非空间数据的连接错误通常是在数字化时给空间实体输入了错误的识别符。l6）在非空间数据本来完整无缺的情况下，数据库中发生数据不全的现象主要是键盘输入错误和漏输数据；数字化前的准备工作中编码不完全或编码错误等。二、数据的检核和存贮l一、一般检查l二、误差检核l三、橡皮板变换和弯曲l四、数据检核l五、数据编辑l1、修改各类差错l2、数据更新l六、数据存贮ll几何误差的检测和表达l1）点误差l2）线误差属性误差l1）确定抽样方法l系统抽样；等间距布点；l随机抽样；对整个区域随机布点；l分区抽样；按一定的样点个数在划分的每个区域随机布点；l系统分区随机抽样：对整个区域内等面积分区，并在区内随机布点。l2）确定抽样数l1）使用其他方法确定每个样本的属性做为参考数据l2）建立误差矩阵计算各种精确定度或误差的方法下面列出几个常用指标；l总准确度：对角线样点数之和除以总样点数；l生产者准确度；每个属性值的正确样点数除以该属性值总的验证样点数（列合计）；l使用者准确度：每个属性值的正确样点数除以该属性值的总数（行合计）；l错判误码差（CommissionjError）：1-使用者准确度；l遗漏误差（OmissionError）；1-生产者准确度；属性数据的不确定性