第五章空间数据采集与处理
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地理信息系统5-空间数据的处理
§5-3 拓扑关系的自动建立
5、岛的判断
单多边形被追踪两次
找出多边形互相包含的情况.
p1
p3
p2
1°、计算所有多边形的面积。
2°、分别对面积为正的多边形和面积为负的多边形排序。p1,p2,p3, -p1,-p2,-p3,
3°、从面积为正的多边形中，顺序取每个多边形，取完为止。若负面积多边形个数 为0，则结束。来自一、点线拓扑关系的自动建立
1、在图形采集和编辑中实时建立
弧段-结点表
结点-弧段表
Oid 起结点 终结点
a1 N1
N2
a2 N2
N3
Oid 弧段 号 N1 a1 N2 a1,a2 N3 a2
N2 a2 N1 a1
N3
(a)
N2 a2 N1 a1
N3
a3
Oid 起结点 终结点
a1 N1
N2
a2 N2
N3
一般，若结点容差设置合理，大多数结点能够吻合在一起， 但有些情况还需要使用前三种方法进行人工编辑。
§5-2 图形编辑
2）结点与线的吻合
在数字化过程中，常遇到一个结点与一个线
状目标的中间相交。由于测量或数字化误差，
它不可能完全交于线目标上，需要进行编辑，
称为结点与线的吻合。
C
编辑的方法： A、 结点移动，将结点移动到线目标上。 B、 使用线段求交； C、 自动编辑，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。
§5-1 坐标变换
3、仿射变换
实质是两坐标系间的旋转变换。 设图纸变形引起x,y两个方向比例尺不同，当x,y比例尺相同时，为相似变换。
特性：
· · ·
求解上式中的6个未知数，需不在一直线上的3对已知控制点，由 于误差，需多余观测，所以，用于图幅定向至少需要四对控制点。
第五章 数据采集与处理答案
第五章 数据采集与处理
习题
（一）填空题 1、 在数字信号处理中，为避免频率混叠，应使被采样的模拟信号成为 数字 ，还应使采样 频率满足采样定理即 采样频率大于信号最高频率的 2 倍 。 2、 如果一个信号的最高频率为 50Hz，为了防止在时域采样过程中出现混叠现象，采样频 率应该大于 100 Hz。 3、 在设计数据采集系统时，选择 A／D 转换器所依据的主要技术指标是 分辨率 和 转换 速度 。一般，要求 A／D 转换器的位数至少要比精度要求的分辨力 大 。 4、 A／D 转换器是将 模拟 信号转换为 数字 信号的装置．N 位 D／A 转换器分辨力为 1/2N 。 5、 当多个信号的采样共同使用一个 A／D 转换器时， 必须采用 多路分时 法切换，完成 此切换的器件是 多路模拟开关 。
2、若模/数转换器输出二进制数的位数为 10，最大输入信号为 2.5V，则该转换 器能分辨出的最小输入电压信号为（ B ） 。 A． 1.22mV B． 2.44mV ） 。 C． 3.66mV D． 4.88mV 3、A／D 转换器的位数越多，则（ C
A．转换精度越低 C．转换精度越高
B 转换速度越快 D．分辨力越低
5、 互相关函数是偶实函数。 （ ×
6、 利用系统输入 x(t) 与输出 y(t)的自功率谱密度函数，可求该系统的频率响应函数。 （ × ）
7、 若系统是完全线性的，则输入-输出的相干函数一定为 1。 （ × ）
（三） 、单项选择题 1、 在 A／D 转换器中， 若被采样模拟信号的最高频率分量为 f H ， 则采样频率 f s 应 （ D ） 。 A．= f H B．> f H C．< f H D．>2 f H
m 14
2、 模数转换时，采样间隔 分别取 1ms，0.5ms，0.25ms 和 0.125ms。按照采样定理，要 求抗频混滤波器的上截止频率分别设定为多少 Hz（设滤波器为理想低通）？ 根据采样定理，抗频混滤波器的上截止频率应分别设为 500、1000、2000、4000Hz。 3、某信号 xt 的幅值频谱如下图。试画出当采样频率 fs 分别为 1)2500Hz，2) 2200Hz，3) 1500Hz 时离散信号 xn 在 0～fN 之间的幅值频谱。 A(f) 2 2.8 0 1.8 0
空间数据采集与处理的工作流程与细节
空间数据采集与处理的工作流程与细节引言在现代科技的推动下，空间数据的采集与处理变得越来越重要。
无论是地理信息系统（GIS）的建设，还是气候变化研究，空间数据的准确性和可靠性都起着至关重要的作用。
本文将探讨空间数据采集与处理的工作流程与细节，包括数据获取、处理与分析的环节，以及常见的数据采集技术和方法。
数据获取空间数据的获取是空间数据采集与处理的第一步，也是最关键的一步。
主要的数据获取来源包括卫星遥感、航空摄影和地面调查等。
卫星遥感技术通过卫星传感器获取地球表面的影像和其他信息。
航空摄影则通过飞机或无人机进行拍摄，获取更高分辨率的图像。
地面调查则是通过实地勘测、传感器测量和数据采集设备来获取数据。
数据处理一旦获取到空间数据，接下来就需要进行数据处理。
数据处理的目标是将原始数据转化为可用的、清晰的和高质量的数据。
这个过程包括数据预处理、数据清洗、数据转换和数据集成等环节。
数据预处理是为了解决数据质量、数据一致性和数据完整性的问题。
数据质量评估是对数据质量进行评估和改进，消除数据中的错误和噪声。
数据清洗则是通过清除错误、重复和缺失的数据来提高数据的质量。
数据转换是将不同源的数据统一为一致的数据格式和坐标系统，以方便后续的数据分析和处理。
数据集成则是将不同的数据源和类型进行整合，形成一个完整的数据集，以便进行后续的空间分析和建模。
数据分析数据分析是空间数据采集与处理的重要环节，通过对数据进行统计、模型建立和空间分析，可以得出有价值的结论和洞见。
数据分析的方法包括统计分析、空间插值、地理回归和空间建模等。
统计分析是对数据进行汇总和概述，以了解数据的分布、趋势和关系等。
空间插值则是通过将已知的数据点之间的关系推广到未知位置的点，以填充空间上的缺失数值。
地理回归是通过对空间数据和其他因素进行回归分析，了解变量之间的关系和影响。
空间建模则是通过对空间数据进行建模和模拟，预测未来的变化和趋势。
数据可视化数据可视化是将数据以图形或图像的形式展示出来，以便于人们理解和使用。
第五章 数据采集与处理
二、数据采集系统基本功能
5、能够定时或随时以表格或图形形式 打印采集数据。 6、具有实时时钟 。 7、系统在运行过程中，可随时接受由 键盘输入的命令，以达到随时选择采集、 显示、打印的目的。
第一节
数据采集系统的 基本功能和一般结构
一、数据采集系统组成原理
二、数据采集系统基本功能 三、数据采集系统的一般结构 四、数据采集系统的三种工作方式
二、标度变换 三、非线性补偿 四、查表法 五、上下限检查
本科课程：
计算机控制系统
二、标度变换 在微型计算机控制系统中，检测的物理 参数都有着不同的量纲和数值 ，由A／D转 换后得到的都是只能表示其大小的二进制代 码。 为了便于显示、打印及报警，必须把这些数 字量转换成它所代表的实际值，即工程量， 这就是所谓的标度变换 。 标度变换的方法有：线性变换法、公式转换 法、多项式插值法和查表法等等。
一、数字滤波 2、算术平均滤波 压力、流量等周期变化的参数进行平滑 加工效果较好，而对消除脉冲干扰效果 不理想，所以它不适合脉冲干扰比较严 重的场合。对于n值的选择， 通常流量取12次， 压力取4次。
一、数字滤波 3、限幅滤波 考虑到被测参数在两次采样时间间隔内， 一般最大变化的增量 x 总在一定的范围内， 如果两次采样的实际增量 xn xn1 x 则认为是正常的，否则认为是干扰造成的， 则用上次的采样 xn1 代替本次采样值 xn
一、数字滤波 5、一阶滞后滤波 一阶滞后滤波又称为一阶惯性滤波，它相 当于RC低通滤波器。 假设滤波器的输入电压为 Ui(t) ， 输出为Uo(t) ，则们之间存在下列关系 ：
duo (t ) RC u o (t ) u i (t ) dt
一、数字滤波 5、一阶滞后滤波 采用两点式数值微分公式，可得：
空间数据的采集与处理
▪ 2、目视检查法。指在屏幕上用目视检查的方法，检查一些明显的数字化 误差与错误，如上图 所示，包括线段过长或过短、多边形的重叠和裂口、 线段的断裂等；
▪ 3、逻辑检查法。如根据数据拓扑一致性进行检验，将弧段连成多边形， 进行数字化误差的检查。有许多软件已能自动进行多边形结点的自动平 差。另外，对属性数据的检查一般也最先用这种方法，检查属性数据的 值是否超过其取值范围。属性数据之间或属性数据与地理实体之间是否 有荒谬的组合。
方法数字化，并经过编辑处理，变成系统可以存储管理和 分析的形式。空间数据的采集主要包括属性数据和图形数 据的采集
▪ 对于属性数据的采集经常是通过键盘直接输入； ▪ 图形数据的采集实际上就是图形数字化的过程。
• GIS的核心是地理数据库，建立gis的第一步就是对有关
空间实体的几何数据和属性数据进行合理的组织，形成地 理数据库，这个过程也就是gis的数据采集。
• 遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源。它具有下列一些
特点：
▪ ①能取得大面积、综合的信息； ▪ ②速度快； ▪ ③降低数据储存冗余和不连续性； ▪ ④能提供各类专题所需要的信息。
• 文字数据主要用来描述空间对象的属性，比如人口数据、经济数据、
土壤成份、环境数据
• 确定应用哪些类型的数据是由系统的功能所确定的。例如要建立一个
6
400 ～500 米
7
500 ～1000米
1000～2000米
1
弯曲度：2.5公里弯曲 深度 宽度
2
>40 >50 >50
3
>40 >50 >75
24
4
>25 >50 >75
5
▪ 3、逻辑检查法。如根据数据拓扑一致性进行检验，将弧段连成多边形， 进行数字化误差的检查。有许多软件已能自动进行多边形结点的自动平 差。另外，对属性数据的检查一般也最先用这种方法，检查属性数据的 值是否超过其取值范围。属性数据之间或属性数据与地理实体之间是否 有荒谬的组合。
方法数字化，并经过编辑处理，变成系统可以存储管理和 分析的形式。空间数据的采集主要包括属性数据和图形数 据的采集
▪ 对于属性数据的采集经常是通过键盘直接输入； ▪ 图形数据的采集实际上就是图形数字化的过程。
• GIS的核心是地理数据库，建立gis的第一步就是对有关
空间实体的几何数据和属性数据进行合理的组织，形成地 理数据库，这个过程也就是gis的数据采集。
• 遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源。它具有下列一些
特点：
▪ ①能取得大面积、综合的信息； ▪ ②速度快； ▪ ③降低数据储存冗余和不连续性； ▪ ④能提供各类专题所需要的信息。
• 文字数据主要用来描述空间对象的属性，比如人口数据、经济数据、
土壤成份、环境数据
• 确定应用哪些类型的数据是由系统的功能所确定的。例如要建立一个
6
400 ～500 米
7
500 ～1000米
1000～2000米
1
弯曲度：2.5公里弯曲 深度 宽度
2
>40 >50 >50
3
>40 >50 >75
24
4
>25 >50 >75
5
空间数据采集以及处理方法方法
二、空间数据质量评价
1、空间数据质量标准
空间数据质量标准是生产、使用和评 价空间数据的依据，数据质量是数据整体 性能的综合体现。目前，世界上已经建立 了一些数据质量标准，如美国FGDC的数据 质量标准等。
空间数据质量标准的建立必须考虑空间 过程和现象的认知、表达、处理、再现等 全过程。
空间数据质量标准要素如下：
曲线数据的压缩 面域栅格数据的压缩 面域邻接线段的删除
数据属性的重 新分类和空间 图形的化简需 要对数据进行 压缩 相邻界线的删
除
共同属性的合
并
3、空间数据处理的方法-压缩处理
面域邻接线段的删除
4、空间数据处理的方法-类型转换
网格尺寸的确定
矢量向栅格转换
点的网格化 直线网格化
多边形网格化
栅格向矢量转换
错误检查主要方法 ⑴叠合比较法 ⑵目视检查法
⑶逻辑检查法
二、空间数据处理
数据处理的概念 数据处理的内容 数据处理的意义
对采集的各种数据，按 照不同的方式方法对数 据进行编辑运算，清除 数据冗余，弥补数据缺 失，形成符合用户要求 的数据文件格式
数据处理的概念 数据处理的内容 数据处理的意义
数踞编辑 数据压缩 数据变换 数据格式转换 空间数据内插 边沿匹配 数据提取
2、与数据质量相关的几个概念
（1）误差(Error)：误差反映了数据与真实 值或者大家公认的真值之间的差异，它是 一 种常用的数据准确性的表达方式。
（2）数据的准确度(Accuracy)：数据的准 确度被定义为结果、计算值或估计值与真 实值或者大家公认的真值的接近程度。
（3）数据的精密度(Resolution)：数据的精 密度指数据表示的精密程度，亦即数据表 示的有效位数。它表现了测量值本身的离 散程度。
第五章：GIS数据获取讲解
二、地图扫描数字化
原图预处理及扫描 图像编辑、去除噪音
图像配准、编辑 要素矢量化 编辑、检查
入库
属性数据输入 建立拓朴关系
拼图 切边与接边
坐标转换
二、地图扫描数字化
（1）地图扫描
由于扫描仪扫描幅面一般小于地图幅面，因此大的纸 地图需先分块扫描，然后进行相邻图对接
当显示终端分辨率及内存有限时，拼接后的数字地图 还要裁剪成若干个归一化矩形块
地理信息编码
使数据简化 方便信息分类、校核、汇总、检索 包括：空间数据编码和属性数据编码
编码原则
唯一性 可扩充性 易识别 简单 完整
代码类型
数字 字母 数字和字母组合
§5.2 分类与编码
GIS编码的种类
分类码：标识要 素的类别，如： 污染源类别等
二、地图扫描数字化
(3)要素矢量化
②设置编辑环境及工具
添加已配准的影像图层 添加新建的图层
编辑图层中要素的属性：
属性字段可以在创建图层时， 也可以在ArcMap中添加
字段名称：field name 数据类型：data type 字段宽度：width 精度：decimal precision 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
b)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
二．数字化仪跟踪数字化 三．扫描数字化 四．摄影测量与遥感数据处理 五．野外调查 六．现有数据资源共享
§5.3 空间数据采集
数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备
特
点：范围大，速度快
空间数据采集与处理的常用工具介绍
空间数据采集与处理的常用工具介绍导言空间数据采集与处理是地理信息系统（GIS）中的重要环节，它涉及到从各种来源收集空间数据，并对这些数据进行处理、分析和可视化。
在这篇文章中，我们将介绍一些常用的工具和技术供专业人士和爱好者使用。
一、全球定位系统（GPS）全球定位系统（GPS）是一种由美国政府建立和维护的卫星导航系统，它可以通过接收卫星信号确定地球上某一点的位置。
GPS广泛应用于空间数据采集领域，它可以精确地测量地点的经纬度、海拔高度等信息。
为了使用GPS，用户需要携带可接收卫星信号的设备，如GPS接收器或智能手机，并保持良好的天线接收。
二、无人机随着无人机技术的飞速发展，无人机在空间数据采集与处理中的应用越来越普遍。
通过搭载摄像机和传感器等设备，无人机可以飞越地面进行空中摄影测量和数据采集。
它可以快速获取大范围的高分辨率影像数据，并且能够灵活地进行飞行路径规划和数据采样。
无人机可以应用于土地测绘、环境监测、城市规划等领域。
三、地理信息系统软件地理信息系统软件是空间数据采集与处理中不可或缺的工具。
它们提供了一系列功能，用于导入、处理、分析和可视化地理空间数据。
ArcGIS是一个广泛使用的地理信息系统软件，它具有强大的数据处理能力和丰富的地理分析工具。
QGIS是另一个开源的地理信息系统软件，它具有用户友好的界面和丰富的插件库，可满足不同用户的需求。
其他常用的地理信息系统软件还包括MapInfo和Google Earth 等。
四、遥感技术遥感技术是通过卫星、飞机等远距离获取地球表面信息的技术。
通过遥感技术，可以获取大范围的地理空间数据，包括高分辨率影像、地表温度、植被指数等。
这些数据对环境监测、农业、气象等领域具有重要意义。
常见的遥感数据处理软件包括ENVI和ERDAS IMAGINE，它们提供了强大的图像处理和遥感数据分析功能。
五、全球导航卫星系统（GNSS）全球导航卫星系统（GNSS）是一系列由不同国家建立的卫星导航系统，包括GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗导航系统等。
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水域 76
未利用地 77
有林地 731
灌木地 732
疏林地 733
未成林林地 734
迹地 735
针叶树疏林地 7331
阔叶树疏林地 7332
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
12
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
1
平原河
属23 性数据的编码——编过山渡地码河 河 方法
1
常年河
2
时令河
多源分类编码法： 3
13
1
空间数据采集——图形数据的采集
采集基本模式有两 种： ①将地理信息实 体以x,y坐标的形 式，以顺时针或 逆时针方法依次 输入。 ②用点、线、多 边形和格网邻接 的方法表示地理 实体。
8
空间数据采集——属性数据的采集
国家资源与环境信 息系统规范在 “专业数据分类 和数据项目建议 总表”中，将数 据分为社会环境、 自然环境和资源 与能源三大类共 14小项，并规定 了每项数据的内 容及基本数据来 源。
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
9
属性数据的编码——编码原则
系统性和科学性：满足所涉及学科的科学分类方法，能反 映出同一类型中不同的级别特点。
河长：一组—— 1公里以下 二组—— 2公里以下 三组—— 5公里以下 四组——10公里以下 五组——10公里以上
1 2 3 4 5 6 7 8
西北大学城市与资源学系 谢元礼
河宽：一组—— 5～10 米 二组—— 10～20 米 三组—— 20～30 米 四组—— 30～60 米 五组—— 60～120米 六组——120～300米 七组——300～500米 八组——500米以上
等
2021/3/26
第一手数据 第二手数据
非电子数据
平板测量数据 工程测量数据
笔记 航空、遥感相片
人口普查 社会经济调查 各种统计资料
地图 专题地图 统计图表
电子数据
全站仪、GPS数据 地球物理、地球化学
遥感数据
已建各种数据库 GIS数据
西北大学城市与资源学系 谢元礼
5
数据源种类
目前各种类型的地图是重要的信息源。这不仅是因为地图的内容直观 与丰富，而且是由于在地理信息系统诞生以前，地图是表示空间与非 空间信息强有力的手段，从某种意义上说，一册完备的专题地图集是 一个很好的人工操作地理信息系统。
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
11
属性数据的编码——编码方法
层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺
序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格
的隶属关系。
土地利用类型 7耕地 71园地 72林地 73
牧草地 74
居民点及公矿用地 75
交通用地 75
– 不同的数据来源要用到不同的设备和方法。 – 数据的转换装载 – 数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
4
数据源种类
图形图像数据
文字数据
图形图像数据： 地图 工程图 规划图 照片 航空与遥感影像等 文字数据： 调查报告 文件 统计数据 实验数据 野外调查的原始记录
影像数据
数据源丰富 生产效率高 直观详细记录地表自然现象
数字高程模型 属性数据
是什么，判读和考察 详细描述信息
2021/3/26
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3
数据采集任务
– 将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥 感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接受 的数字形式。
– 数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理， 保证数据在内容和逻辑上的一致性。
第五章 空间数据采集
与处理
通向计算机接口
叉丝 按扭
游标 电磁感应板
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
1
数据采集在GIS中的地位
以数据为处理线索 硬件∶软件∶数据 = 1∶2 ∶7
汽油
数据
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
2
GIS数据的内容
数字线化数据
地形测图思想：点、线、面
一致性：对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一 的。
标准化和通用性：有国家或行业标准的要按标准进行，没 有标准的必须考虑在有可能的条件下实现标准化。
简捷性：在满足国家标准的前提下、每一种编码应该是以 最小的数据量载负最大的信息量。
可扩展性：编码的设置应留有扩展的余地，避免新对象的 出现而使原编码系统失效、造成编码错乱现象。
包括各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野 外调查的原始记录等，如人口数据、经济数据、土 壤成份、环境数据。
对于要输入属性库的属性数据，通过键盘直接键入或 文件、表格、数据库导入。
对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据， 则必须进行编码输入。
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
10
属性数据的编码——编码内容
登记部分：用来标识属性数据的序号，可 以是简单的连续编号，也可划分不同层次 进行顺序编码；
分类部分：用来标识属性的地理特征，可 采用多位代码反映多种特征；
控制部分：用来通过一定的查错算法，检 查在编码、录入和传输中的错误，在属性 数据量较大情况下具有重要意义。
消失河
对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的
分类依据分别进行12 编码，各位数字代码之间并没有隶属通不航通关河 航河系。
2021/3/26
1 2 3 4 5 6
树状河 平行河 筛状河 辐射河 扇形河 迷宫河
1 2 3 4 5 6 7
主〔要河〕流∶一级 支 流∶二级
三级 四级 五级 六级 七级
1 2 3 4 5
遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源，它至少具有下列 一些特点：①能取得大面积、综合的信息；②速度快；③降低数据储 存冗余和不连续性；④能提供各类专题所需要的信息。
文字数据主要用来描述空间对象的属性，比如人口数据、经济数据、 土壤成份、环境数据
确定应用哪些类型的数据是由系统的功能所确定的，例如要建立一个 土地的适宜性和承载力的信息系统，所需要的数据有地形、土壤类型、
降雨、地下水位、运输条件等。
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
6
数据源与相应设备
地图 地面测量数据 航空、遥感
统计资料 文字数据 多媒体
坐标几何 扫描仪 数字化仪 摄影测量系统 数据交换
键盘
编辑处理
空间 数据库
2021/3/26
西北大学城市与资源学系 谢元礼
7
空间数据采集——属性数据的采集