地理信息系统导论

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第六章空间数据获取

1 ．地图数字化• 1 ． 1 概述• 随着技术的发展，人们对地图的要求进一

步提高。由于传统纸地图效率、速度和精度很低，因此难以适应现代和未来科技发展。而通过 GIS 工具，可以把纸地图经过一系列处理而转换成可以在屏幕上显示的电子化地图，可以满足人们使用地图的新的要求。

• 矢量电子地图定义：• 当纸地图经过计算机图形图像系统光——

电转换量化为点阵数字图像，经图像处理和曲线矢量化，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示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸地图相对应的计算机数据文件称为矢量化电子地图。

1 ．地图数字化

• 矢量电子地图优点：• 计算距离和标注地名符号快速准确；• 可对地图局部放大、全图缩小和移动显示、

漫游功能很强；• 分层显示地图；• 可以以图元为单位进行信息编缉修改，人

机交互画线标注符号文字，删除地图上多余的信息；


• 矢量电子地图优点：• 可以通过计算机网络进行电子地图传递，

提供信息共享，传递的速度快，保密性强；

• 如果能有效解决地图符号自动分割和识别问题，则能实现地图的智能矢量化。

• 相同信息量下文件相对要小，图越复杂表现越明显；


• 1 ． 2 地图数据类型• 1 ）空间数据（或图形数据）• 空间数据是构成地图内容要素的几何图形。

为表示这些要素在二维平面上空间图形的定位特征，常用一对平面直角坐标（ X,Y ）来表示，这种地图数据称为矢量数据；或用其通过栅格单元的左下角坐标（行和列）来表示，称此为栅格数据。

• 地图要素图形大致可以分为点、线、面三种基本类型。


• 2 ）属性数据• 语义数据又称为非几何数据，包括定性数

据和定量数据。定性数据用来描述要素的分类或对要素进行标名。定量数据是说明要素的性质、特征或强度的，例如距离、面积、人口、产量、收人、流速，以及温度和高程等．


• 1 ． 3 数字化仪数字化• 1 ． 3 ． 1 手扶跟踪数字化• 尽管手扶跟踪数字化工作量非常繁重，但

是它仍然是目前最为广泛采用的将已有地图数字化的手段。

• 利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标。其具体的输入方式与地理信息系统软件的实现有关。


• (a) 距离流方式：• 当前接收的点与上一点距离超过一定阈值，才记录该点；

• (b) 时间流方式：• 按照一定时间间隔对接收的点进行采样。


图 6-1 ：距离流方式和时间流方式

(a) (b)


• 采用时间流方式录入时，一个优点是当录入曲线比较平滑时，录入人员往往移动游标比较快，这样记录点的数目少；而曲线比较弯曲时，游标移动较慢，记录点的数目就多。而采用距离流方式时，容易遗漏曲线拐点，从而使曲线形状失真。所以在保证曲线的形状方面，时间流方式要优于距离流方式。


• 其它的矢量数据录入方式：• 1 ）其它数据转换：• 其它格式数据的转换包括三种情形：• （ 1 ． 1 ）其它矢量格式数据• （ 2 ． 2 ）坐标数据• （ 2 ． 3 ）位置描述信息• 2 ）键盘录入：• 3 ）鼠标录入：• 4 ）其它定点测量设备：


• 表6-1 ：测站信息表（部分）

• 6-2 ：企业员工信息表（部分）


• 1 ． 3 ． 2 曲线离散化算法• 在数字化过程中，需要对曲线进行采样简化，即在曲线上取有限个点，将其变为折线，并且能够在一定程度上保持原有的形状。下面介绍Douglas-Peucker 算法（图 6-2 ）。

• 1 ）在曲线首尾两点 A 、 B 之间连接一条直线段 AB ，该直线称为曲线的弦；

• 2 ）得到曲线上离该直线段距离最大的点 C，并计算其与 AB的距离 d；

• 3 ）比较该距离与预先给定阈值ε的大小，如果小于 ε，则将该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕；

• 4 ）如果距离大于阈值，则用 C 将曲线分为两段 AC和 BC ，并分别对两段曲线进行 1-3 步的处理。

• 5 ）当所有曲线都处理完毕后，依次连接各个分割点形成的折线，即可以作为曲线的近似。很明显，该算法是一个递归算法。


图6-2 ：曲线的离散算法

(a) (b)

(c) (d)

(e)(f)

A

B

C

d


• 1 ． 4 扫描矢量化及常用算法• 1 ． 4 ． 1 扫描矢量化以及处理流程• 由于手扶跟踪数字化需要大量的人工操作，

使得它成为以数字为主体的应用项目瓶颈。扫描技术的出现无疑为空间数据录入提供了有力的工具。

• 常见的地图扫描处理的过程如图 6-3所示。


• 图 6-3 ：地图信息处理流程图• 在扫描后处理中，需要进行栅格转矢量的运算，

一般称为扫描矢量化过程。

纸地图扫描转换拼接子图块裁剪地图

矢量图编辑矢量图合成图像处理矢量化


• 将栅格图像转换为矢量地图一般需要以下一系列步骤：

• 1 ）图像二值化（ Threshold ）• 2 ）平滑（ Smooth ）• 3 ）细化• 4 ）链式编码• 5 ）矢量线提取


• 1 ． 4 ． 2 图像拼接 / 裁剪• 1 ）图像拼接• 以两相邻地图图像的部分重叠区为基础，把

它们合成为一幅整图的过程叫做图像拼接，分上下拼接和左右拼接。以左右拼接为例，取左图右边缘一个矩形区域A ，取右图左边缘一个矩形区域B，如果 A 和 B有一定的重叠区，可以利用计算机实现自动的匹配，其拼接算法如下：


• （ 1 ． 1 ）由 A 中右侧边缘从右至左依次取若干个列L1（ O）， L1（ 1 ），…， L1（ n），以各列内像素灰度的长度序列为特征向量，分别求出以上各列的特征向量 V1（ O）， V1（ 1 ），…， V1（ n）。

• （ 2 ． 2 ）自动拼接即由 B 中左侧从左至右依次取若干列 L2（ n）， L2（ n-1 ），…， L2（ O），以各列内像素灰度的长度序列为特征向量，分别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，则转向步骤 4 。

• （ 2 ． 3 ）人工拼接即固定 A ，通过人机交互控制B以一定步长上下左右移动，直到A 和 B重叠区对齐为止。

• （ 2 ． 4 ）根据步骤 2 匹配情况或步骤 3 的偏移情况对两相邻地图图像进行修正和合成。


• 2 ）图像裁剪• 把一幅图像裁成两两相邻的规则图块的

过程称为地图裁剪。图像裁剪非常简单，实际应用中，可以根据不同的硬件配置确定采用和不采用图像裁剪技术。


• 1 ． 4 ． 3 图像细化预处理二值图像平滑• 在将地图扫描或摄像输入时，由于线不光滑以及扫描、摄像系统分辨率的限制，使得一些曲线目标带来多余的小分支（即毛刺噪声）；此外，还有孔洞和凹陷噪声，如图 6-4所示。


图 6-4 ：扫描图像的“毛刺”和“凹陷孔洞”


• 为了去除毛刺噪声的影响，可以采用如图 5 所示的 3×3模板进行处理。处理的过程是：按点阵格式扫描图像上每一像素，只要图像相应区域与图 6-5中的模板（包括其三次 900旋转所形成的模板）匹配，则判定为毛刺，对应于模板中心的像素数值变为O。根据需要可进行多次这种匹配运算。

• 图 6-5 ：去毛刺模板， X 为任意数值


• 为了去除孔洞及凹陷噪声，我们采用如图 6-6所示的模板进行处理，只要图像对应区域与该模板（包括其三次 90O旋转）匹配，则区域中心点数值变为 1 。

图 6-6 ：去孔洞凹陷模板• 总之，通过以上两种平滑处理，基本上消除了毛刺和孔洞凹陷噪声的影响。


• 1 ． 4 ． 4 图像细化（ Thinning ）• 线细化是处理包含线状地物二值图像的一

种重要技术，在地图扫描处理中，由于地图上主要信息是不同粗细和不同形状的线，必须首先进行线细化，以准确、有效地提取这些线信息，并进一步完成跟踪矢量化。


• 线细化，就是不断去除曲线上不影响连通性的轮廓像素的过程。

• 对细化的一般要求是：• 保证细化后曲线的连通性• 细化结果是原曲线的中心线• 保留细线端点


• 根据各种不同的应用，目前已经提出了许多线细化算法，如内接圆法、经典算法、异步算法、快速并行算法及并行八边算法等，不同的算法在处理速度和效果上各有其特点。


• 下面介绍一个常用的细化算法，其它算法基本是此算法的改进。首先介绍几个相关的概念和符号。对于二值栅格图像中每个像素点 p，以及该像素直接相邻的 8 个像素点（图 6-7 ）。

• 图6-7 ：像素周围的 8 个直接相邻像素

p


• 1 ） N(p)为 p的邻点的数值的和；• 2 ）图像像素联接数 T(p) ，如果旋转着看像素周围的点， T(p)就是 p 周围 8 个点从 0 变成 1 的次数，它反映了像素邻点的联接的块数（图 6-8 ）。

• 3 ） pW， pE， pS， pN 分别指像素左侧、右侧、下边、上边邻点的数值。

图 6-8 ：像素联结数

1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1

1

1 1

1 1

1

1 1

1 1

1

1 1

1

1 1 1

1

1 1 1

1 1

1

1

1 1

1

1 1

(a)T=0 (b)T=0 (c)T=1

(d)T=1 (e)T=2 (f)T=2

(g)T=2 (h)T=3 (i)T=4


• 算法步骤如下：• 1 ：对于栅格图像中的每个点 p，进行如下操作：• 如果 2N(p)6 并且 T(p)=1并且 pNpSpE=0并且

pWpEpS=0• 则标志p点；• 2 ：将所有被标志的栅格点赋值为 0 ，如果没有被标志的

点，则算法结束；• 3 ：对于栅格图像中的每个点 p，进行如下操作：• 如果 2N(p)6 并且 T(p)=1并且 pNpSpW=0并且

pWpEpN=0• 则标志p点；• 4 ：将所有被标志的栅格点赋值为 0 ，如果没有被标志的

点，则算法结束；• 5 ：转到第一步。


• 图 6-9 显示了采用该算法细化的过程和结果。

图 6-9 ：线状地物的细化


• 1 ． 4 ． 5 链码（弗里曼码）• 链码是由弗里曼（ Freeman ）提出的用曲线出发点坐

标和线的斜率来描述二值线图形的一种方法。图 6-10（ a）所示是链码的八个方向及它们的序号。图 6-10（ b）的细线的链码为 (3,0)21100066567 ，其中（ 3,0 ）为起始点坐标，之后的数值序列描述了方向。

• 任意一条细线都可用链码序列表示为下式：• C ＝ a1a2...an， 0≤ai≤7• 如果始点 a1 和终点 an 重合，则说明曲线是闭合的。


图 6-10 ：链码及其对细线的表示 (a) ：链码的 8 个方向； (b)细线

3

765

0p4

12

(a) (b)

0

1

2

3

4

5


• 1 ． 4 ． 5 矢量线生成• 扫描矢量化的最后一步是生成矢量线，可

以很方便地将链式编码的每一条链转换成为一条矢量线。自然地，弯曲的矢量线比直线需要更多的点，这还取决于要求的精度。在矢量线生成过程中，可以使用Douglas-Peucher 算法。


2 ．空间数据录入后的处理• 2 ． 1 图形坐标变换• 在地图录入完毕后，经常需要进行投影变换，得到经纬度参照系下的地图。对各种投影进行坐标变换的原因主要是输入时地图是一种投影，而输出的地图产物是另外一种投影。进行投影变换有两种方式，一种是利用多项式拟合，类似于图像几何纠正；另一种是直接应用投影变换公式进行变换。

• 2 ． 1 ． 2 基本坐标变换• 在投影变换过程中，有以下三种基本的操作：平移、旋转和缩

放。• 1 ）平移• 平移是将图形的一部分或者整体移动到笛卡尔坐标系中另外的

位置 (图 6-11-a) ，其变换公式如下：• X’=X+Tx• Y’=Y+Ty

(a) 平移

2 ．空间数据录入后的处理

• 2 ）缩放• 缩放操作可以用于输出大小不同的图形（图 6-11-b ），其公式为：

• X’=XSx• Y’=YSy

(b) 缩放


• 3 ）旋转• 在地图投影变换中，经常要应用旋转操作（图 6-11-c ），实

现旋转操作要用到三角函数，假定顺时针旋转角度为 θ，其公式为：

• X’=Xcosθ+Ysinθ• Y’=-Xsinθ+Ycosθ

(c) 图形旋转


• 2 ． 1 ． 2 仿射变换• 综合考虑图形的平移、旋转和缩放，坐标变换式如下：

• 上式是一个正交变换，其更为一般的形式是：

Y

X

T

T

Y

XYX

cossin

sincos)','(

Y

X

T

T

Y

X

dc

baYX )','(


• 后者被称为二维的仿射变换，仿射变换在不同的方向可以有不同的压缩和扩张，可以将球变为椭球，将正方形变为平行四边形（图 6-12 ）。

图 6-12 ：仿射变换


• 2 ． 2 图形拼接• 在对底图进行数字化以后，由于图幅比较大

或者使用小型数字化仪时，难以将研究区域的底图以整幅的形式来完成，这是需要将整个图幅划分成几部分分别输入。在所有部分都输入完毕并进行拼接时，常常会有边界不一致的情况，需要进行边缘匹配处理（图 6-13 ）。边缘匹配处理，类似于下面提及的悬挂节点处理，可以由计算机自动完成，或者辅助以手工半自动完成。


• 除了图幅尺寸的原因，在 GIS 实际应用中，由于经常要输入标准分幅的地形图，也需要在输入后进行拼接处理，这时，一般需要先进行投影变换，通常的做法是从地形图使用的高斯——克吕格投影转换到经纬度坐标系中，然后再进行拼接。


(a)拼接前；（ b）拼接中的边缘不匹配； (c)调整后的拼接结果

(a)

(b)

(c)


• 2 ． 3 拓扑生成• 对于大多数地图需要建立拓扑，以正确判别

地物之间的拓扑关系。拓扑关系可以定义以下内容：

• 1 ）区域，如果多边形数据 DIME 数据模型，每个多边形可以用一组封闭的线来表示，而不需要记录封闭线上的所有点，避免两次记录相邻多边形的公共边界，这样减少了数据冗余。


• 2 ）邻接性，另一种可以用拓扑描述的属性是多边形之间的相互邻接性。

• 3 ）连通性，连通性是指对弧段连接的判别，连通性的建立和表现是网络分析的基础。


• 2 ． 3 ． 1 图形修改• 在建立拓扑关系的过程中，一些在数字化输入过程中的错误需要被改正，否则，建立的拓扑关系将不能正确地反映地物之间的关系。


• 造成数字化错误的具体原因包括：• 1 ）遗漏某些实体；• 2 ）某些实体重复录入，由于地图信息是二

维分布的，并且信息量一般很大，所以要准确记录哪些实体已经录入，哪些实体尚未录入是困难的，这就容易造成重复录入和遗漏；


• 3 ）定位的不准确，数字化仪分辨率可以造成定位误差，但是人的因素是位置不准确的主要原因，如手扶跟踪数字化过程中手的抖动，两次录入之间图纸的移动都可以使位置不准确；更重要的，在手扶跟踪数字化过程中，难以实现完全精确的定位，例如在水系的录入中（图 6-14 ），将支流的终点恰好录入在干流上基本上是不可能的（图 6-14-a），更常见的是图（ b）和（ c）所示的两种情况。


图 6-14 ：数字化错误——不及和过头

(a)实际地物

(b)不及

(c)过头


• 数字化地图上，错误的表现形式有：• 1 ）伪节点（ Pseudo Node ），伪节点使一条完整的

线变成两段（图 15 ）。

图 6-15 ：伪节点

伪节点


• 2 ）悬挂节点（ Dangling Node ），如果一个节点只与一条线相连接，那么该节点称为悬挂节点。悬挂节点有多边形不封闭、不及和过头，节点不重合等几种情形。

(a) 多边形不封闭 (b)节点不重合图 6-16 ：悬挂节点的两种情形


• 3 ）“碎屑”多边形或“条带”多边形（ Sliver Polygon ）• 由于前后两次录入同一条线的位置不可能完全一致，造成了“碎屑”多边形。另外，由于用不同比例尺的地图进行数据更新，也可能产生“碎屑”多边形。

图 6-17 ：碎屑多边形


• 4 ）不正规的多边形（ Weird Polygon ）• 不正规的多边形在进行拓扑生成时，同样会产生“碎屑”多边形。

图 6-18 ：不正规的多边形

(a)正常多边形 (b)不正规多边形


上述的错误，一般会在建立拓扑的过程中发现，需要进行编辑修改。一些错误，如悬挂节点，可以在编辑的同时，由软件自动修改，通常的实现办法是设置一个“捕获距离”，当节点之间、或者节点与线之间的距离小于此数值后，即自动连接；而另外的错误需要进行手工编辑修改。


• 2 ． 3 ． 2 建立拓扑关系• 拓扑关系可以由计算机自动生成，目前大多数

GIS软件也都提供了完善的拓扑功能；但是在某些情况下，需要对计算机创建的拓扑关系进行手工修改。正如拓扑的定义所描述的，建立拓扑关系时只需要关注实体之间的连接、相邻关系，而节点的位置、弧段的具体形状等非拓扑属性则不影响拓扑的建立过程。


• 1 ）多边形拓扑关系的建立• 多边形拓扑关系的表达需要描述以下实体之

间的关系：• 多边形的组成弧段；• 弧段左右两侧的多边形，弧段两端的节点；• 节点相连的弧段。• 下面简述多边形拓扑建立过程（图 6-19 ）。


• 图 6-19中共有 4 个节点，以 A 、 B、 C 、D 表示； 6 条弧段，用数字表示；以及I、 II、 III 三个多边形（图 6-19-a ）。首先定义以下概念：

• 由于弧段是有方向的，算法中将弧段A 的起始节点称为首节点 Ns(A) ，而终止节点为尾节点 NE(A) ；

• 考虑到弧段的方向性，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 PL(A)和 PR(A) 。


图 6-19 ：多边形拓扑的建立过程

1

2

3

45

6

A

B

CD

A 3 2 1

B 4 6 1

C 2 5 4

D 3 6 5

节点表，其中对于每个节点记录了顺时针方向排序的相连的弧段

I

II

III

2

45

B

C

A(a)

I

(b)

(c)

1


• 在建立拓扑之前，首先将所有弧段的左右多边形（在实现中，可以用多边形的编码表示）都设置为空；然后对每个节点计算与其相连弧段的在连接处的角度，并进行排序（图 6-19-b ）（注意，这个排序是循环的）。


• 建立拓扑的算法如下：• （ 1 ）得到第一条弧段A ，并设置为当前弧段；• （ 2 ）判断 PL(A)和 PR(A) 是否为空。如果都非空，

转到第一步，当所有弧段处理完毕后，算法结束；• （ 3 ）如果左多边形为空，则创建一个新的多边形P，多边形的第一条弧段为当前弧段，并设置PL(A)=P ，设置搜寻起始节点为 Ns(A) ，搜寻当前节点为 NE(A) 。如果右多边形为空，则创建一个新的多边形 P，多边形的第一条弧段为当前弧段，并设置 PR(A)=P ，设置搜寻起始节点 N0=NE(A) ，搜寻当前节点 NC=NS(A) 。

• （ 4 ）判断 N0和 NC 是否相等，如果是，则多边形所有弧段都已经找到，转到第一步。


• 5 ）检查与当前节点相连接的、已经排列好的弧段序列，将当前弧段的下一条弧段 A' 作为多边形的第二条弧段。

• （ 6 ）如果 NC=NS(A') ，设置PL(A')=P， NC=NE(A) ；如果 NC= NE(A') ，设置PR(A')=P， NC=NS(A) ，转到第四步。

• 如图 6-19-c所示，如果从弧段 4 开始搜寻，找到节点 C 后，根据弧段的排序，下一条弧段是 2 ；然后找到节点 A ，弧段 1 ，整个搜寻结束，建立多边形 I，其组成弧段为 4 、 2 、 1 。

• 按照这种算法，生成多边形的弧段从多边形内部看，是逆时针排列的。如果节点弧段排序为顺时针，则算法中用 PL(A) 代替 PR(A) ，用 PR(A) 代替 PL(A) ，生成的多边形弧段是顺时针排列的。


• 多边形拓扑的建立，要注意多边形带“岛”的情况，按照上述算法，对于带“岛”的多边形，或者称为环，其包含的弧段构成了多个闭合曲线，并且“岛”的弧段排序是顺时针的（图 6-20 ）（实际上，从环状多边形内部看，它仍然是逆时针的）。

图 6-20 ：带“岛”的多边形建立拓扑的结果。


• 2 ）网络拓扑关系的建立• 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，需要确定线实体之间的连接关系。网络拓扑关系的建立包括确定节点与连接线之间的关系。

图 6-21 ：将实际不连通的线路形成的节点删除


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