地理数据采集和数据质量.ppt

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1、地理信息系统原理,邬国锋武汉大学资源与环境科学学院,第二讲 地理数据获取,地理数据的内容地理数据的基本特征地理数据测量的尺度与精度 地理数据来源空间数据的采集 空间数据转换属性数据获取地理数据质量,1、地理数据的内容,地理数据是GIS的血液。几乎所有的GIS操作都是围绕地理数据展开的。地理数据源、数据类型、数据质量都直接影响到GIS应用的潜力、成本和效率。地理数据的数字表达可以归为：数字线划数据（Digital Line Graph，DLG）数字栅格数据（Digital Raster Graphic，DRG）数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）数字正射影像图（

2、Digital Orthographic Map，DOM）影像数据（Image Data）属性数据(Attribute Data)（在测绘界和空间数据生产部门，将前四种数据统称为4D产品。）,数字线划数据（DLG）,数字线划数据是将空间地物直接抽象为点、线、面的实体，用坐标描述它的位置和形状。这种抽象的概念直接来源于地形测图的思想。数字线划地图是现有地形图基础上的矢量数据集，并且保存有要素间的空间关系信息,数字线划数据（DLG）,数字栅格数据（DRG）,数字栅格地图(DRG)：数字栅格地图是模拟纸质地图的数字化产品，地图经过扫描、纠正、图像处理与数据压缩，形成在内容、几何精度和色彩上与地图完全

3、一致的计算机栅格文件，主要用于计算机上地图查询以及各种计算机设计底图。,数字栅格数据（DRG）,数字高程模型(DEM),数字高程模型(DEM)：定义在x、y域离散点以高程表达地面起伏形态的数字集合。数字高程模型是现实世界地面山川河流起伏在计算机中的数字化表达。它在计算机中直观地反映现实的地貌情况。主要用于规划设计(如高速公路设计，无线通讯台站设计，开挖及填埋土方计算，洪水淹没分析等)。,Dont be confused about the expressions digital terrain model(DTM)an digital elevation model(DEM).DEM is o

4、nly the more general expression for digital surface data but you must define the kind of surface the elevation data are for:e.g.DEM of the vegetation surface,DEM of the groundwater surface or DEM of the relief of the earth surface which is also called digital terrain model.,数字高程模型(DEM),数字正射影像图(DOM),

5、数字正射影像图(DOM)：用数字形式储存的正射影像图。它是对遥感影像进行像元纠正、影像镶嵌等一系列处理后形成的影像平面图，带有坐标格网和图廓整饰，其上可叠加线画要素、文字注记等。较传统的地图而言，正射影像图具有信息量丰富、直观易读等特点；它生产周期短，现势性好。主要用于宏观规划、资源普查、环保管理等。这种图给人一种身临其境的感觉，具有很大的实用价值，用它可以修正大量过时的城区地图，并获取大量城市建设信息。,数字正射影像图(DOM),影像数据（Image data）,影像数据包括遥感影像和航空影像，它可以是彩色影像，也可以是灰度影像。影像数据直观而又详细地记录了地表的自然现象，人们使用它可以加工

6、出各种信息，如进一步采集数字线划数据。,影像数据（Image data）,SPOT 5 假彩色影像440 x 364 像素-46k,套叠后之彩色影像300 x 302 像素-37k,影像数据（Image data）,影像卫星信息高雄小港机场211 x 205 像素-13k,属性数据,属性数据包含两方面的含义：第一类：描述地理实体是什么，有什么样的特性，属于哪一类地理实体类型或地物类型。这种属性一般可以通过目视直接获得，同时考察它的形状和其他地理实体之间的关系；第二类属性是实体的详细描述信息，例如一栋房子的建造年限、房主、住户等，这些属性必须经过详细的调查。属性数据可以分为命名、次序、间隔和比值

7、四种测度中的一种,空间特征专题特征 时间特征,2、地理数据的基本特征,空间特征,空间特征是指空间地物的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻地物的空间关系。空间位置可以通过坐标来描述。GIS中地理实体的形状和大小一般也是通过空间坐标来体现。空间位置坐标是定义在特定的坐标系统下的，GIS的坐标系统有严格的定义，如经纬度地理坐标系，一些标准的地图投影坐标系或任意的直角坐标系等。空间关系是确定空间位置的另外一种重要方式，通过地理实体之间的相对位置关系，确定各自的空间位置。在GIS中直接存贮地理实体的空间坐标。对于空间关系，有些GIS软件存贮部分空间关系，如相邻、连接等关系。而大部分空间关系则是通过空

8、间坐标进行运算得到。,时间特征,地理实体都有一定存在时期，描述地理实体空间特征的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得到的，描述了那个特定时期地理实体的空间特征。时间特征对于时序性较强的地理实体和地理现象时间特征尤为重要，比如说人口分布、土地利用等，必须将其至于某个特定的时间段内说明或研究才具有实际意义。地理实体变化的周期有超短周期、短期、中期和长期之分在GIS数据记录中，往往将时间特征作为属性数据的一部分记录，用于说明某个地理实体的其他属性数据和空间数据的记录年代和时间。利用多时态数据在GIS中进行时空分析和动态模拟是当前GIS研究的难点和热点之一。,专题特征,专题特征亦指地理

9、现象或地理目标的属性特征，它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征，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。专题特征在专题GIS研究的主要内容，它是GIS中的属性数据所要表达的信息。同样的属性数据经过不同专题数据模型的处理可以表达不同的专题特征。,3、地理数据测量的尺度与精度,地理数据包括定性数据和定量数据：定性数据描述地理实体和地理现象的性质、分类和命名。定性数据主要反映属性特征。对地理实体和地理现象的分类就是一种定性数据。定性数据只从名义或语义上描述在地球表面不同位置某种地理现象的不同性质，不能说明任何数量上或程度上的差异。

10、尽管 有些定性数据采用数字形式记录，但也只是某个特征值的代码或标识，而不代表量化的任何概念。对某个地理实体或地理现象的定性描述不是一成不变的，不同的GIS应用领域或区域采用的定性描述标准可能不同，描述的详细程度也可能不尽相同。这表明在不同的应用系统中，定性数据的表达尺度和表达精度是变化的。,定量数据,定量数据可以描述地理实体的空间特征和属性特征。描述空间特征的定量数据就是空间数据。对于空间坐标的测量，测量的尺度主要取决于采样点的取舍和坐标测量的精确度。属性数据的采集尺度则取决具体应用对地理实体分类的详细程度和特征描述的深度等因素的要求。地图比例尺决定了地图表现的地理实体的精确程度，包括地理实体

11、的数量、形状、空间位置的准确性等。以地图作为数据源的GIS数据的精度也受到比例尺约束。以影像数据作为数据源的GIS数据的精度受到影像数据的空间分辨率的制约。GIS中的比例尺概念又不完全等同于地图。例如按1:1万比例尺的规范建立的地理信息系统，可以输出1:1.5万甚至1:2万比例尺的地图。关于GIS中空间目标的测量尺度和精度，一般原则是计算机输出的地图要满足同等比例尺地图的精度要求。描述属性特征的定量数据主要指一些量化指标，如工农业产值、职工工资等，它反映数量或程度上的差异。影响属性定量数据的精度的因素很多，不同属性特征具有不同的精度衡量标准。,4、地理数据的来源,数据源,数据采集,数据质量,数

12、据源可以分为原始数据（第一手数据）和经过加工处理后的数据（第二手数据），又存在非电子数据和电子数据两种形式。,数据源类型,数据源,野外观测数据地图数据遥感数据统计资料文字报告已有系统的数据,野外观测数据,平板测量：测量的成果都是纸质地图，通过手扶跟踪数字化和扫描方式成为数字数据；全站仪测量：两种方式，一种是它与电子手簿相连接，将数据存储到电子手簿上，回到室内进行编辑和处理；另一种是将便携机直接与全站仪相连接，直接记录、编辑和处理；GPS测量：得到GPS天线所在位置的3维椭球面坐标；,地图数据,地图是GIS的主要数据来源，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

13、表示空间与非空间信息强有力的手段；地图的种类不同，按内容划分，包括各种比例尺的普通地图和专题地图。普通地图是以相对平衡的详细程度表示地球表面上的自然要素和社会经济要素，主要表达境界、居民地、交通网、水系、地形和植被等；专题地图重点反映某一种或几种专门的要素，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；为了便于输入可将地图上表达的地理要素根据其分布形状分解为点、线和面三种基本要素。可以利用手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式输入计算机；,遥感数据,遥感数据是GIS的重要信息源，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)能提供各类专题所需要的

14、信息；从卫星或飞机上获取的图像信息主要有胶片和数字磁带两种记录形式。胶片是一种模拟信号，必须通过转换设备把模拟信号变为数字信号后，才能被计算机存储和处理；数字磁带是一种数字图像记录，通过读取设备可以直接进入计算机；遥感数据对GIS硬件和软件要求较高。,统计资料,统计资料是建立GIS必不可少的资料，在分析中起着重要的作用；包括社会经济数据、人口普查数据、野外调查和监测数据等；统计数据一般都和一定范围内的统计单元和观测点联系在一起；,文字报告,文字报告可以是各行业、各部门的有关法律文档、行业规范、技术标准、条文条例等；在专题信息系统中，各种文字说明资料对确定专题内容的属性特征起着重要的作用；在区域

15、信息系统中，描述区域地理特征的文字报告是区域综合研究不可缺少的参考资料。,已有系统的数据,GIS可以从其它已经建立的信息系统中和数据库中获取相关的数据。由于规范化、标准化的推广，不同系统间的数据共享和可交换性越来越强，这样就拓展了数据的可用性，增加了数据的潜在价值。已有系统的数据可以作为Internet GIS的重要数据源之一，Internet上存储者各种各样丰富的数据，通过一定的网络许可就可以访问这些数据，这样可以充分的发挥已有数据的效益，节省数据重复生产的开销，同时也可以一定程度上减少系统之间数据的不一致性。,5、空间数据采集,数据采集的任务：将现有的上述类型数据采用适宜的采集手段转换成G

16、IS可以处理与接收的数字形式，通常要经过验证、修改、编辑等处理进入地理数据库。数据采集需要考虑的要素：地理空间地理参照系地图投影空间数据的分类与编码属性数据的分类与编码空间数据采集的一般方法,空间数据的分类与编码,几个概念：分类、代码、编码、标识码编码方法空间数据组织空间数据分层空间数据分类与编码,分类、代码、编码、标识码,分类：是将具有共同的属性或特征的事物或现象归并在一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过程。代码：是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号，是计算机鉴别和查找信息的主要依据和手段。又称为标识码编码：是指确定属性数据的代码的方法和过程。编码的直接产物就是代码，而

17、分类分级则是编码的基础。,编码方法,在GIS中常用层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系作为排列顺序的一种编码方法，它的优点是能明确表示出分类对象的类别和层次关系，代码结构有严格的隶属关系。,空间数据组织,空间数据分层,空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常称为图层（Coverage）空间数据分层方法：1）专题分层 每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。2）时间序列分层 将相同时间或时期的数据作为一个数据层。3）地面垂直高度分层 将位于相同高度带上的数据作为一个数据层。上述分层方法可以联合使用，比如专题分层的基础上，对不同时间采集的数

18、据进行分层组织,专题分层,空间数据分层的目的,空间数据分层便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。空间数据分为若干数据层后，对所有空间数据的管理就简化为对各数据层的管理，而一个数据层的数据结构往往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单；对分层的空间数据进行查询时，不需要对所有空间数据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因而可加快查询速度；分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图层，因而增加了图形显示的灵活性；对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。,空间数据分类与编码,空间数据分类和编码的过程也是对现实世界的认识过程，依据一定规律或规则将地理实体进行分类，使其有

19、序的存储、检索和数据处理，同时便于后期以正确的方式表达空间数据。正确的分类是空间数据的专题分层的基础。,属性数据的分类与编码,空间数据的分类一般是根据“地理实体是什么”的原则进行分类的，它属于属性数据的一种，属性数据的分类与编码比空间数据分类编码更加丰富和复杂在属性数据中，有一部分是与几何数据的表示密切有关的。例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的形状、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把这部分属性数据用编码的形式表示，并与空间数据一起管理起来。,分类码和标识码,分类码示例,代码或标识码,空间数据采集的一般方法,几种常用的空间数据采集方法：地图扫描数字化手扶跟踪数字化屏幕跟踪数字化遥感影像定性

20、：定量：GPS和全站仪等,手扶跟踪数字化仪（Digitizer）,手扶跟踪数字化,三个主要步骤：连接数字化仪 图板定向，确定投影方式和坐标系用数字化软件进行数字化结果：生成矢量数据，数字线划图（DLG）,扫描数字化仪,扫描仪简介,台式扫描仪,滚筒式扫描仪,扫描数字化基本步骤,扫描仪精度：取决于扫描仪分辨率，一般用每英寸点数 DPI（Dot Per Inch）来表示，例如当分辨率为300DPI时，则扫描象元的大小为：2.54cm/300=0.085mm结果：生成栅格图像，数字栅格图（DRG）,扫描转换,拼接子图块,几何校正,屏幕跟踪矢量化,矢量图合成、接边,矢量图编辑,纸质地图,空间数据库,屏幕

21、跟踪数字化,用于将栅格图象矢量化，栅格图像包括扫描数据和遥感数据。数字化方式有自动矢量化和交互式矢量化两种方式。结果：生成矢量数据，数字线划图（DLG）,选择投影和单位输入控制点编辑控制点,由专门的数字化软件或利用GIS的编辑工具,根据数据用途和地理实体的分布状态进行分层,扫描数据遥感数据,遥感信息提取,分类：数据源，方法，精度定量遥感：数据源，方法，精度,GPS,全站仪,6、空间数据转换,空间数据转换作为空间数据获取的手段之一，在现代GIS的建设中起越来越重要的作用。可以用于实现不同GIS系统之间的数据共享和数据交流。根据具体应用的需求，将已有的空间数据转换为用户所需的数据格式，可以避免数据

22、的重复采集，缩短系统开发和应用的时间。空间数据转换的内容主要包括三个方面的信息，其一是空间定位信息（实体的坐标），其二是空间关系（如一条弧段的起结点、终结点、左多边形、右多边形等），其三是属性数据。但是在数据转换过程中会有不同程度的信息损失，比如特殊图形信息、空间拓扑关系、属性信息等。空间数据格式的相互转换：矢量数据和栅格数据的相互转换。,空间数据转换,基于外部数据交换文件的空间数据转换空间数据转换目前主要通过外部数据交换文件进行。大部分商用GIS软件定义了外部数据交换文件格式，一般为ASC码文件，如ARC/INFO的EOO，MapInfo的MID，Auto CAD的DXF，MGE的ASC L

23、oader等。系统之间的数据一般要通过2-3次的转换。,空间数据转换,基于空间数据交换标准的空间数据转换制定空间数据交换的标准格式，每个GIS系统都提供读写这一标准格式空间数据的程序，可以避免大量编程工作，而且数据转换仅需要两次即可,空间数据转换,基于空间数据的互操作的空间数据转换国际标准化组织之一的OGC（The Open Geospatial Consortium,Inc.）提出制定一套读写空间数据的标准函数，每个系统软件都按这一套标准提供读写自己系统空间数据的驱动程序，其它软件就可以通过调用这一程序，直接读到对方的内部数据。,7、属性数据获取,属性数据获取主要在于资料的收集，包括各类调查

24、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。在建立地理信息系统之前，首先要进行详细的用户调查，根据具体应用系统的需求，确定需要收集哪些数据、这些数据之间的关系是什么、属性数据和空间数据之间的关系如何、这些属性数据在什么单位收集等问题。属性数据输入的方式有两种，一种是对照图形，利用键盘直接输入，另一种是预先建立属性表输入属性，或从其它统计数据库中导入属性，然后根据关键字与空间数据自动联接，有些需要手工辅助确定属性数据和空间数据之间的关系。属性数据中最为普遍和重要的数据就是类型数据，它在说明地理实体或地理现象类型的同时，也影响空间数据的分层组织和

25、可视化表达。根据不同的应用，同种地理现象的分类标准和分类体系不同。,属性数据采集,地理数据采用空间数据文件和关系数据库相结合的方式存储采用对象关系数据库存储地理数据，空间数据和属性数据存储一体化，数据录入时两者的关系已经建立,属性和空间数据的连接,标识码,属性数据,空间数据,空间数据文件,属性数据表,8、地理数据质量,数据质量是指数据适用于不同应用的能力。只有了解数据质量之后才能判断数据对某种应用的适宜性。考察数据质量的几个关键数据特征：准确度(Accuracy)：即测量值与真值之间的接近程度，可用误差(error)来衡量 精度（Precision）：即对现象描述的详细程度,但精度低的数据并不

26、一定准确度也低。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就无法确定误差，因而用不确定性取代误差。可以用标准差来表示测量值不确定性 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。表现在空间数据和属性数据两方面。,地理数据质量,一致性（Consistency）：指对同一现象或同类现象的表达的一致程度。有地理实体状态描述的一致性和逻辑一致性。完整性（Completeness）：指具有同一准确度和精度的数据在特定空间范围内是否完整的程度。可得性（Accessibility）：指获取或使用数据的容易程度。现势性（Timeliness）：指数据反映客观现象目前状况的程度。,GIS数据误差的主要来源,