地理信息系統導論.ppt

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地理信息系統導論第六章 空間數據獲取1.地圖數字化1.1概述隨著技術的發展,人們對地圖的要求進一步提高。由于傳統紙地圖效率、速度和精度很低,因此難以適應現代和未來科技發展。而通過GIS工具,可以把紙地圖經過一系列處理而轉換成可以在屏幕上顯示的電子化地圖,可以滿足人們使用地圖的新的要求。 矢量電子地圖定義:當紙地圖經過計算機圖形圖像系統光——電轉換量化為點陣數字圖像,經圖像處理和曲線矢量化,或者直接進行手扶跟蹤數字化后,生成可以為地理信息系統顯示、修改、標注、漫游、計算、管理和打印的矢量地圖數據文件,這種與紙地圖相對應的計算機數據文件稱為矢量化電子地圖。1.地圖數字化矢量電子地圖優點:計算距離和標注地名符號快速準確;可對地圖局部放大、全圖縮小和移動顯示、漫游功能很強;分層顯示地圖;可以以圖元為單位進行信息編緝修改,人機交互畫線標注符號文字,刪除地圖上多余的信息;1.地圖數字化矢量電子地圖優點:可以通過計算機網絡進行電子地圖傳遞,提供信息共享,傳遞的速度快,保密性強;如果能有效解決地圖符號自動分割和識別問題,則能實現地圖的智能矢量化。相同信息量下文件相對要小,圖越復雜表現越明顯;1.地圖數字化1.2 地圖數據類型1)空間數據(或圖形數據)空間數據是構成地圖內容要素的幾何圖形。為表示這些要素在二維平面上空間圖形的定位特征,常用一對平面直角坐標(X,Y)來表示,這種地圖數據稱為矢量數據;或用其通過柵格單元的左下角坐標(行和列)來表示,稱此為柵格數據。地圖要素圖形大致可以分為點、線、面三種基本類型。1.地圖數字化2)屬性數據語義數據又稱為非幾何數據,包括定性數據和定量數據。定性數據用來描述要素的分類或對要素進行標名。定量數據是說明要素的性質、特征或強度的,例如距離、面積、人口、產量、收人、流速,以及溫度和高程等.1.地圖數字化1.3 數字化儀數字化1.3.1 手扶跟蹤數字化盡管手扶跟蹤數字化工作量非常繁重,但是它仍然是目前最為廣泛采用的將已有地圖數字化的手段。利用手扶跟蹤數字化儀可以輸入點地物、線地物以及多邊形邊界的坐標。其具體的輸入方式與地理信息系統軟件的實現有關。1.地圖數字化(a)距離流方式:當前接收的點與上一點距離超過一定閾值,才記錄該點;(b) 時間流方式:按照一定時間間隔對接收的點進行采樣。1.地圖數字化 圖6-1:距離流方式和時間流方式1.地圖數字化采用時間流方式錄入時,一個優點是當錄入曲線比較平滑時,錄入人員往往移動游標比較快,這樣記錄點的數目少;而曲線比較彎曲時,游標移動較慢,記錄點的數目就多。而采用距離流方式時,容易遺漏曲線拐點,從而使曲線形狀失真。所以在保證曲線的形狀方面,時間流方式要優于距離流方式。1.地圖數字化其它的矢量數據錄入方式:1)其它數據轉換:其它格式數據的轉換包括三種情形:(1.1)其它矢量格式數據(2.2)坐標數據(2.3)位置描述信息2)鍵盤錄入:3)鼠標錄入:4)其它定點測量設備:1.地圖數字化 表6-1:測站信息表(部分) 6-2:企業員工信息表(部分)1.地圖數字化1.3.2曲線離散化算法在數字化過程中,需要對曲線進行采樣簡化,即在曲線上取有限個點,將其變為折線,并且能夠在一定程度上保持原有的形狀。下面介紹Douglas-Peucker算法(圖6-2)。1)在曲線首尾兩點A、B之間連接一條直線段AB,該直線稱為曲線的弦;2)得到曲線上離該直線段距離最大的點C,并計算其與AB的距離d;3)比較該距離與預先給定閾值ε的大小,如果小于ε,則將該直線段作為曲線的近似,該段曲線處理完畢;4)如果距離大于閾值,則用C將曲線分為兩段AC和BC,并分別對兩段曲線進行1-3步的處理。5)當所有曲線都處理完畢后,依次連接各個分割點形成的折線,即可以作為曲線的近似。很明顯,該算法是一個遞歸算法。1.地圖數字化 圖6-2:曲線的離散算法1.地圖數字化1.4 掃描矢量化及常用算法1.4.1 掃描矢量化以及處理流程由于手扶跟蹤數字化需要大量的人工操作,使得它成為以數字為主體的應用項目瓶頸。掃描技術的出現無疑為空間數據錄入提供了有力的工具。常見的地圖掃描處理的過程如圖6-3所示。1.地圖數字化圖6-3:地圖信息處理流程圖在掃描后處理中,需要進行柵格轉矢量的運算,一般稱為掃描矢量化過程。1.地圖數字化將柵格圖像轉換為矢量地圖一般需要以下一系列步驟:1)圖像二值化(Threshold)2)平滑(Smooth)3)細化4)鏈式編碼5)矢量線提取1.地圖數字化1.4.2圖像拼接/裁剪1)圖像拼接以兩相鄰地圖圖像的部分重疊區為基礎,把它們合成為一幅整圖的過程叫做圖像拼接,分上下拼接和左右拼接。以左右拼接為例,取左圖右邊緣一個矩形區域A,取右圖左邊緣一個矩形區域B,如果A和B有一定的重疊區,可以利用計算機實現自動的匹配,其拼接算法如下:1.地圖數字化(1.1)由A中右側邊緣從右至左依次取若干個列L1(O),L1(1),…,L1(n),以各列內像素灰度的長度序列為特征向量,分別求出以上各列的特征向量V1(O),V1(1),…,V1(n)。(2.2)自動拼接 即由B中左側從左至右依次取若干列L2(n),L2(n-1),…,L2(O),以各列內像素灰度的長度序列為特征向量,分別求出以上各列的特征向量V2(n):V2(n-1),…,V2(O)。若向量序列[V1(O);V1(1),…,V1(n)]和[V2(O),V2(1),…,V2(n)]匹配,則轉向步驟4。(2.3)人工拼接 即固定A,通過人機交互控制B以一定步長上下左右移動,直到A和B重疊區對齊為止。(2.4)根據步驟2匹配情況或步驟3的偏移情況對兩相鄰地圖圖像進行修正和合成。1.地圖數字化2)圖像裁剪把一幅圖像裁成兩兩相鄰的規則圖塊的過程稱為地圖裁剪。圖像裁剪非常簡單,實際應用中,可以根據不同的硬件配置確定采用和不采用圖像裁剪技術。1.地圖數字化1.4.3 圖像細化預處理二值圖像平滑在將地圖掃描或攝像輸入時,由于線不光滑以及掃描、攝像系統分辨率的限制,使得一些曲線目標帶來多余的小分支(即毛刺噪聲);此外,還有孔洞和凹陷噪聲,如圖6-4所示。1.地圖數字化 圖6-4:掃描圖像的“毛刺”和“凹陷孔洞”1.地圖數字化為了去除毛刺噪聲的影響,可以采用如圖5所示的3×3模板進行處理。處理的過程是:按點陣格式掃描圖像上每一像素,只要圖像相應區域與圖6-5中的模板(包括其三次900旋轉所形成的模板)匹配,則判定為毛刺,對應于模板中心的像素數值變為O。根據需要可進行多次這種匹配運算。 圖6-5:去毛刺模板,X為任意數值1.地圖數字化為了去除。省略部分。結果2.空間數據錄入后的處理2.3拓撲生成對于大多數地圖需要建立拓撲,以正確判別地物之間的拓撲關系。拓撲關系可以定義以下內容:1)區域,如果多邊形數據DIME數據模型,每個多邊形可以用一組封閉的線*來表示,而不需要記錄封閉線上的所有點,避免兩次記錄相鄰多邊形的公共邊界,這樣減少了數據冗余*。2.空間數據錄入后的處理2)鄰接性,另一種可以用拓撲描述的屬性是多邊形之間的相互鄰接性。3)連通性,連通性是指對弧段連接的判別,連通性的建立和表現是網絡分析的基礎。2.空間數據錄入后的處理2.3.1 圖形修改在建立拓撲關系的過程中,一些在數字化輸入過程中的錯誤需要被改正,否則,建立的拓撲關系將不能正確地反映地物之間的關系。2.空間數據錄入后的處理造成數字化錯誤的具體原因包括:1)遺漏某些實體;2)某些實體重復錄入,由于地圖信息是二維分布的,并且信息量一般很大,所以要準確記錄哪些實體已經錄入,哪些實體尚未錄入是困難的,這就容易造成重復錄入和遺漏;2.空間數據錄入后的處理3)定位的不準確,數字化儀分辨率可以造成定位誤差,但是人的因素是位置不準確的主要原因,如手扶跟蹤數字化過程中手的抖動,兩次錄入之間圖紙的移動都可以使位置不準確;更重要的,在手扶跟蹤數字化過程中,難以實現完全精確的定位,例如在水系的錄入中(圖6-14),將支流的終點恰好錄入在干流上基本上是不可能的(圖6-14-a),更常見的是圖(b)和(c)所示的兩種情況。2.空間數據錄入后的處理 圖6-14:數字化錯誤——不及和過頭2.空間數據錄入后的處理數字化地圖上,錯誤的表現形式有:1)偽節點(Pseudo Node),偽節點使一條完整的線變成兩段(圖15)。 圖6-15:偽節點2.空間數據錄入后的處理2)懸掛節點(Dangling Node),如果一個節點只與一條線相連接,那么該節點稱為懸掛節點。懸掛節點有多邊形不封閉、不及和過頭,節點不重合等幾種情形。 (a)多邊形不封閉 (b)節點不重合 圖6-16:懸掛節點的兩種情形2.空間數據錄入后的處理3)“碎屑”多邊形或“條帶”多邊形(Sliver Polygon)由于前后兩次錄入同一條線的位置不可能完全一致,造成了“碎屑”多邊形。另外,由于用不同比例尺的地圖進行數據更新,也可能產生“碎屑”多邊形。 圖6-17:碎屑多邊形2.空間數據錄入后的處理4)不正規的多邊形(Weird Polygon)不正規的多邊形在進行拓撲生成時,同樣會產生“碎屑”多邊形。 圖6-18:不正規的多邊形2.空間數據錄入后的處理 上述的錯誤,一般會在建立拓撲的過程中發現,需要進行編輯修改。一些錯誤,如懸掛節點,可以在編輯的同時,由軟件自動修改,通常的實現辦法是設置一個“捕獲距離”,當節點之間、或者節點與線之間的距離小于此數值后,即自動連接;而另外的錯誤需要進行手工編輯修改。2.空間數據錄入后的處理2.3.2建立拓撲關系拓撲關系可以由計算機自動生成,目前大多數GIS軟件也都提供了完善的拓撲功能;但是在某些情況下,需要對計算機創建的拓撲關系進行手工修改。正如拓撲的定義所描述的,建立拓撲關系時只需要關注實體之間的連接、相鄰關系,而節點的位置、弧段的具體形狀等非拓撲屬性則不影響拓撲的建立過程。2.空間數據錄入后的處理1)多邊形拓撲關系的建立多邊形拓撲關系的表達需要描述以下實體之間的關系:多邊形的組成弧段;弧段左右兩側的多邊形,弧段兩端的節點;節點相連的弧段。下面簡述多邊形拓撲建立過程(圖6-19)。2.空間數據錄入后的處理圖6-19中共有4個節點,以A、B、C、D表示;6條弧段,用數字表示;以及I、II、III三個多邊形(圖6-19-a)。首先定義以下概念:由于弧段是有方向的,算法中將弧段A的起始節點稱為首節點Ns(A),而終止節點為尾節點NE(A);考慮到弧段的方向性,沿弧段前進方向,將其相鄰的多邊形分別定義為左多邊形和右多邊形PL(A)和PR(A)。2.空間數據錄入后的處理 圖6-19:多邊形拓撲的建立過程2.空間數據錄入后的處理在建立拓撲之前,首先將所有弧段的左右多邊形(在實現中,可以用多邊形的編碼表示)都設置為空;然后對每個節點計算與其相連弧段的在連接處的角度,并進行排序(圖6-19-b)(注意,這個排序是循環的)。2.空間數據錄入后的處理建立拓撲的算法如下:(1)得到第一條弧段A,并設置為當前弧段;(2)判斷PL(A)和PR(A)是否為空。如果都非空,轉到第一步,當所有弧段處理完畢后,算法結束;(3)如果左多邊形為空,則創建一個新的多邊形P,多邊形的第一條弧段為當前弧段,并設置PL(A)=P,設置搜尋起始節點為Ns(A),搜尋當前節點為NE(A)。如果右多邊形為空,則創建一個新的多邊形P,多邊形的第一條弧段為當前弧段,并設置PR(A)=P,設置搜尋起始節點N0=NE(A),搜尋當前節點NC=NS(A)。(4)判斷N0和NC是否相等,如果是,則多邊形所有弧段都已經找到,轉到第一步。2.空間數據錄入后的處理5)檢查與當前節點相連接的、已經排列好的弧段序列,將當前弧段的下一條弧段A'作為多邊形的第二條弧段。(6)如果NC=NS(A'),設置PL(A')=P,NC=NE(A);如果NC= NE(A'),設置PR(A')=P,NC=NS(A),轉到第四步。如圖6-19-c所示,如果從弧段4開始搜尋,找到節點C后,根據弧段的排序,下一條弧段是2;然后找到節點A,弧段1,整個搜尋結束,建立多邊形I,其組成弧段為4、2、1。按照這種算法,生成多邊形的弧段從多邊形內部看,是逆時針排列的。如果節點弧段排序為順時針,則算法中用PL(A)代替PR(A),用PR(A)代替PL(A),生成的多邊形弧段是順時針排列的。2.空間數據錄入后的處理多邊形拓撲的建立,要注意多邊形帶“島”的情況,按照上述算法,對于帶“島”的多邊形,或者稱為環,其包含的弧段構成了多個閉合曲線,并且“島”的弧段排序是順時針的(圖6-20)(實際上,從環狀多邊形內部看,它仍然是逆時針的)。 圖6-20:帶“島”的多邊形建立拓撲的結果。2.空間數據錄入后的處理2)網絡拓撲關系的建立在輸入道路、水系、管網、通信線路等信息時,為了進行流量以及連通性分析,需要確定線實體之間的連接關系。網絡拓撲關系的建立包括確定節點與連接線之間的關系。 圖6-21:將實際不連通的線路形成的節點刪除2.空間數據錄入后的處理
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