第二章 GIS的基础及数据获取.pdf

第二章 GIS的基础及数据获取2.1 地图简介2.2 GIS工作的硬件配置2.3 GIS工作的软件构成 二2.4 GIS中的数据源2.5 空间数据的质量及精度分析2.6 地理信息的标准2.7 空间元数据第一节地图基础一.地图的分类二.地理空间坐标系三.地图的投影 四.地形图的分幅和编号一、地图的分类地图按内容分类地图按比例尺分类地图按结构分类二、地理空间坐标系1、地理空间坐标2、平面直角坐标三、地图的投影1、地图的投影由于球面的不可展示性，为了用平面坐标来表示球面上目标的空间位置，必须进 行球面坐标到平面坐标的转换，这就是地图的投影变换。2、地图投影的分类1）按变形的性质可分为等角投影，等积投影，等距投影；2）按展开方式可分方位投影、圆柱投影、圆锥投影；_ _ 3）按投影面积与地球相割或相切可分为割投影和切投影。投影面和球面的关系圆锥投影圆柱投影方位投影正轴斜轴横轴几种投影方式展开图:方位投影展开图 圆柱投影展开图圆锥投影展开图3、地图投影的选择我国的主要用高斯-克吕格投影地图投影。（横轴等角墨卡托投 影）72-136：1323共11个投影带4、高斯一克吕格投影四、地形图的分幅和编号我国，基本地形图的分幅和编号按国际规定的在1:100万地形图 基础上，按径纬度进行。1)1:100万地形图的分幅和编号按纬差4度，径差6度分2)1:50万，1:20万，1:10万地形图的分幅和编号1:50万按纬差2度，径差3度分,即一幅1:100万地形图包含4幅1:50万地形图；1:20万按纬差40、径差1度分，分36幅图；1:10万按纬差20，径差30,分，分144幅图；3)1:5,1:2.577,1:1万地形图的分幅和编号这三种图在1:10万地形图基础上，按径纬度划分。1:50 万1:20万，1:10万地形图的分幅和编号4039 203839 4012345 1 67 89 1011 1211)1，)1 J)31。)13IIII2425111361/)37AD(12I)-I 48491160-(L61，）)-7273/c A84-(185)(24D-9697108-(2109CL112刃I 120121/c C1/C/11 1329133 134(32135)1362”137 1383”139 140(35141 1)-142-Q刃143 144123126120第二节GIS的数据及其质量标准 一.数据的种类与形式 二空间数据的质量及精度分析 三.地理信息的标准 四.空间数据的元数据(metadata)2.5空间数据的质量及精度分析一、空间数据质量数据的准确度(accuracy)指记录值和真实值之间接近的程度；数据的精密度(precision)指数据表示的精密程度，如数据有效 位数；数据的分辨率(spatial resolution)指两个可测量数据之间可识别 的最小差异，常用最小线宽来表示；_数据的不确定性(uncertainty)包括空间位置不确定性、市里格 确定性、时域不确定性、逻辑上的不一致性、及数据的不完整性;数据的误差(error)表达数据准确性的一种表达方式。二、空间数据质量评价空间数据质量评价就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题 和时间特性进行评价，可用空间数据质量评价矩阵如下来表示：特性空间要空间特性时间特性专题特性位置精度属性精度逻件泡性身性表现形式准确性三、空间数据误差的来源1）数据采集引起的误差 如野外测量仪器的误差、记录的误差；RS数据纠正和提取的误差；地图印刷误差、坐标转换引起误差等。2）数据输入引起的误差 如数字化误差、格式转换引起的误差等。3）数据存储引起的误差数据存储选用精度不够、存储空间数据 的格网太大、比例尺太小等4）数据处理引起的误差如插值引起的误差、叠加引起的误差、算法学青蓄5）数据输出引起的误差如输出媒体不稳引起的误差、设备精度 引起的误差等。6）使用引起的误差如选择和使用不当引起的误差等。四、空间数据误差的种类1、源误差1）地面测量数据的误差2）地图数字化的误差3）RS数据误差2、GIS处理过程引起的误差1）计算机字长引起的误差2）拓朴分析引起的误差3）数据的分类和内插引起的误差2.6地理信息的标准一、地理信息标准化的意义1、促进地理信息的交换和使用2、促进地理信息的共享O二、信息技术的标准和机构1、信息技术标准分类(1)硬件设备标准 如RS232接口；(2)软件标准 如SQL查询语言；(3)数据和格式标准如数据格式标准；(4)数据集标准数据存放标准；(5)过程标准用于指导数据开发过程。2、从管辖范围看制定信息技术的标准和机构(1)国际级的标准化组织如 ISO(International Standard Organization)；(2)区域级标准化组织；(3)国家级标准化组织，如美国国家标准化组织ANSI、美国联邦地理数据委员 会FGDC；(4)政府和用户级标准化组织如GIS领域中的OGC(OpenGIS)；(5)其它标准化组织。如美国联邦空间数据委员会在1992年颁布了美国空间数据交换标准SDTS(Spatial Data Transfer Standard)三、国际上几个主要的GIS标准1、地理信息/地球信息科学专业会员会制定的地理信息标准ISO/TC211o ISO/TC2U主要用于指导GIS的开发和使用，它定义和描述了一系列地理信息、地理数据管理和地理过程的标准。该标准共分25部分，包括框架和参考模型、数 据模型和算子、地理空间数据管理、空间数据服务等内容，分别由美国、英国、澳大利亚、加拿大等国负责。参考资料 ISO/TC211 Geographic Information/Geomatics,1998 ISO2、美国OGC(OpenGIS Consorti,)制定的开放地理数据互操作规范OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification)。很多GIS厂商参于该组织OpenGIS的目标是制定一个规范，以建立分布的、无边界的、基于构件的地理数 据互操作环境，使GIS软件具有可操作性、可移植性、可升级性、开放性、互操 作性和易用性。目前国内的GIS开发机构也提出了中间交换数据文件格式，也提 出平开发了组件式GIS工具。这同OpenGIS尚有距离。OpenGIS的实质是制定出一套各方均能接受的空间数据操作函数APIOpenGIS主要定义了三个模型(1)开放的地理数据(Open Geodata)模型号定义了一个概括的、共用的基本 地理信息类型的集合；(2)OpenGIS服务(3)信息团体模型3、美国联邦地理数据委员会FGDC制定的美国空间数据元数据标 准。空间数据的元数据标准从7个方面对元数据进行了描述：标识(Identification)数据质量(Data Quality)产生该数据的原始数据，数据的精度,一致性，完整性等；空间数据的组织(Spatial Data Organization)数字编码的组 织，属性信息等；空间参照(SpatialReference)数据采用的投影方式，地球参照 系等；实体和属性信息(Entity&Attribute Information)数据中的地理信息，信 息的编码等；分发(Distribuution)数据的格式，存储介质，价格等；元数据参考 信息(Metadata Reference)数据完成日期和人等。4、美国联邦地理数据委员会FGDC制定的空间美国数据转换标准 SDTS(Special Data Transfer Standard)。SDTS是目前美国政府部门和商业组织采用的数据交换格式标准。一一SDTS使得任意两种空间数据可以相互转换，为国家空间数据基础设施的实现 起了决定性的意义。SDTS是一个分层的数据转换模型，分概念层、逻辑层、格式层三个层次。概念层 建立地理要素及特性的模型；逻辑层将概念层的地理要素转换成逻辑化的模型，记录，数据项等；格式层 定义了与文件相符的文件格式，以进行空间数据的转换。四、国内的GIS标准GIS标准可保证GIS技术及其应用向规范化发展，拓宽GIS应用实现 不同领域地理信息的共享和互操作。我国基础地理信息的标准还缺 乏系统性和完整性。但作为NSDI的重要组成的国家基础GIS(NFGIS)建设热潮很高。目前已完成如：中华人民共和国行政区划代码，GB2260-80；国土基础信息基础数据分类代码，GB/T13923-92；1：500、1：1000、1：2000 地形图要素分类代码，GB14804-93 9 1：5000 1：10000、1：25000 1：100000 地形图要素分类代 码，GB/T5660-1995等；1：100万、1：25万地形数据库、地名数据库；1：1万、1：5万 地形数据库、地名数据库(试验)等。2.7空间数据的元数据(metadata)一、空间数据元数据的概念目前空间数据的共享问题十分突出，计算机技术的发展为空间数据的共享提供 了技术基础。作为数据的生产者必需要有效地对数据进行管理和维护；作为数据的使用者必需要全面快速地访问、获取、管理空间数据。元数据是为了有效管理和应用地理信息资源而提出的重要技术手段。简单的说元数据是“数据的数据”，是关于数据和信息资源的描述信息，它描述 数据的内容、质量、条件、和其它特征，使数据充分发挥作用，在实现数据共享 方面十分重要。地理信息元数据的标准和操作工具已成为国家空间数据基础设施的重要组成部 分。不同领域的数据库其元数据的内容会有很大的差别，通过元数据可以检索访问数 据库，有效利用计算机系统资源，对数据进行加工和二次开发。、空间数据元数据的内容1）对数据集的描述描述数据集中数据项、数据来源、数据所有者、数据生产历史等;2）对数据质量的描述描述数据的精度、数据的完整性、数据分辨率、比例尺等；3）对数据转换方法和处理信息的描述4）对数据更新和集成等的说明.三、空间数据元数据的分类1、按元数据描述的对象分类数据层的元数据处理如日期、位置、误差、标识；属性元数据如数据字典、数据处理规则；实体元数据 如区域采集原则、数据有效期。2、按元数据在系统中的作用分类系统级的元数据，用于保证系统服务质量，数据块的大小，级别;应用层元数据，用户通过它可快速获取数据。二二二二二二二3、按元数据的功能分类说明性元数据，为用户使用数据服务；控制型元数据，控制数据库操作四、空间数据元数据的应用1）帮助用户获取数据通过元数据，用户可了解空间数据库的一系列问题，如这些数据 是什么数据？这些数据是如何得到的？这些数据的用处等，以便 用户进行浏览、检索和研究。2）进行空间数据的质量控制影响空间数据精度的因素主要是源数据的精度和数据处理的精度。通过元数据，说明数据的组成、数据来源，数据处理流程，按一 定组织集成到数据库中构成元数据信息系统对空间数据质量控制。3）在数据集成中的应用通过元数据，可在数据集成中了解数据格式、空间坐标系、数据 类型等，并进行数据空间匹配、数据格式转换等处理。4）在空间数据库管理中的应用空间数据库管理中的许多功能，如数据库检索、数据转换、数据 分析等都靠系统资源的开发实现的，利用元数据可大大增强数据 库的功能，减少数据库的建设费用。五、空间数据元数据的标准空间数据元数据的标准的建立是空间数据标准化的前提和保证。目前空间数据元数据已有一些区域性和部门性的标准。目前几个空间数据元数据的标准为：_元数据标准名CSDGM地球空间数据元数据内容标准GDDD数据库描述方CGSB空间数据库描述CEN地学信息数据描述元数DIF目录交换格式ISO地理信息建立元数据标准的机构FGDC美国联邦空间数据委员会ME GRIN欧洲地图事务组织CSC加拿大标准委员会CEN/TC287NASAISO/TC211其中美国联邦空间数据委员会的元数据影响最大第三节GIS数据获取 一.GIS输入设备二GIS数据获取-、GIS输入设备1、数字化仪功能：原理：主要部件：指标：软件：GIS产品：如Calcomp 34480 AO 0.127mm/128001pi 15000元2、扫描仪 越来越重要、OCR、半自动化种类：功能：原理：主要部件:指标：软件：产品：3、全数字摄影测量仪（工作站）处理完整的数字影像主要部件：计算机、立体显示卡、立体观察眼镜4、其它设备数码相机、摄像机、GPS接收机等2、GIS的输入子系统RS影像数据（航天、航空）其它数据图形数据编辑空间数据库2.4 GIS中的数据GIS数据的特点：空间性、时间性、专题性、分布性。GIS的数据源：地图数据遥曜测量数据野外采集数据其它数据一、地图数据及其获取1、地图表示的地理空间空间：属性：2、地图信息的数字化描述地理空间实体的数字化描述有两种方法:1）矢量法2）栅格法3、地图数据的逻辑组织模型地图数据从逻辑上组织成层次关系其关系是:地图 图层，空间对象坐标对图层n国层1的空间对象及 描述信息图层2的空间对象及 描述信息图层的空间对象及 描述信息4、地图数据的获取通常有两种方法实现地图数字化：1）直接数字化（数字化仪）输入;2）扫描（扫描仪）输入。1)直接数字化仪获取地图数据(1)坐标的转换问题通常输图前在图板的地图上取4个点在数字化坐标上的坐标值，并给出该4 个点的实际图件上坐标值。即4个同名点。按X=a 0+axx+a2y+a3 xy 当图的变形很小时，a3b3近于零Y=b 0+b1X+b2y+b3 xy 其中X,Y是实际图件上坐标值；x,y是数字化坐标上的坐标值；a0 a1a2a3 b 0 gb2 b3 为待定系数。这时候，就符合图形学坐标变换的公式，X=a 0+m(xcosot-y since)Y=b 0+n(x since+y cosot)ax=mcosaa2=-m sincebi=ncosab2=nsina用最小二乘法可求出待定系数在一些系统中允许用户输入4个以上的控制点，这时候可用用最小二乘法可求 出最佳一组待定系数，以改善坐标转换的精度。坐标变换的地理意义：(2)数字化仪工作过程(3)数字化仪工作的软件打开通信接口及数据文件 初始化数字化仪输入控制点及图幅范围读取并显示一个x,y值输入正确否Y N保存文件N-结束否关闭端口及数据文件 结束删除点返回上一点2）扫描仪获取地图数据二、遥感数据1、遥感数据的分类2、遥感数据质量指标1）空间分辨率2）时间分辨率3）光分辨率4）温度分辨率3、遥感数据的获取1）目视法获取遥感影像数据/RS信息，形信 业信酒后A初步解释一 详细解释专题图、再解释-调查.7、-44t、户一、小酒后2）将RS影像作为基础层输入到GIS中，实现栅格影象和GIS线 划图的叠置，从中提取信息。3）将RS直接进入GIS系统，利用RS实现对GIS空间数据和属性数 据的更新。地形图 专题图扫描仪输入数字化影象图航片 卫片数字影象图计算机图象处理识别系统oO输出影像匹配 影像识别 影像分类 地图识别RS和GIS的结合1）如上所述，RS作为GIS的数据源；2）利用GIS作辅助信息，帮RS进行分类，或者将RS中非监督分 类的结果与GIS中地物比较，校正分类结果的地物类型；3）RS和GIS结合进行联合空间分析，以大大提高GIS的空间分析 能力。如将RS和GIS叠置得洪水淹没模型；对农作物进行估产等三、摄影测量数据及获取摄影测量在我国的基本比例尺测图生产中起关键作用。我国的大 部分1：1万，1：5万地形图都使用摄影测量方法。1、地面摄影测量和航空摄影测量2、解析摄影测量 3、数字摄影测量四、属性数据及获取属性数据内容属性数据是目标的空间特性以外的特性的详述。主要包括目标类 型，具体目标特征和专题说明等详细描述。目标类型描述通常用类型编码来表示；专题说明描述用属性内容 表不。属性呻源各种统计数据及各类调查数据是属性数据主要数据源。通常包含 特定位置上的社会、环境、资源、经济、人口等数据。属性数据的获取对照图件直接输入，即直接在GIS中，通过其数据库管理软件对照图形直接录入；用通用数据库软件录入，录入后转入GIS系统；从其它系统（如MIS）系统转入数据。五、野外采集数据GPS作为一种新型的定位数据采集技术具有高精度，高效益，低成 本，全天侯，灵活实时的优势。GPS在GIS中的应用：D直接用于对GIS空间数据的实时更新和采集；2）将GPS的实时差分技术与GIS的电子地图结合，组成各种车载、机载电子导航系统；一3）为GIS的空间数据获取提供实时定位数据。