实验二数据采集与处理.docx
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实验二数据采集与处理
实验二数据采集与处理
一、实验内容
（1）数字化操作
（2）投影与坐标系设置
二、实验目的
（1）通过实践，掌握采集数据的主要过程。
（2）通过操作，掌握ArcView的Shape文件格式如何通过其自身的实用工具创建，以及投影、坐标等设置。
三、实验指导
（一）构建数据库
实验内容：
利用ArcView构建GIS数据库。
实验目的：
通过实验，进一步了解GIS与一般数据库和图形软件的区别和联系。
实验数据：
①使用现有的数据（包括电子数据和非电子数据），②创建新的数据（可以由卫星影像、GPS数据或纸质地图创建新的GIS数据）
实验过程：
构建数据库的步骤如下。
（1）ArcViewGIS建库
①打开ArcViewGIS软件，选择“View（视图）│NewTheme（新专题）”命令，弹出“NewThemw（新专题）”对话框，对专题特征“点、线和面”进行选择。
如在图2.1中，选择“point（点）”为特征创建专题，单击OK（确认）按钮。
保存“Shape格式”的文件名（FileName）后，就可利用工具栏中的“DrawPoint（画点）”作图（如图2.2所示），在图2.2中的点与属性表信息通过ID关联。
若需要记录更多有关“点”的属性信息，可通过添加表格字段完成。
②选择菜单中“Edit（编辑）│AddFiled（加字段）”命令，进入“FieldDefinition（字段定义）”对话框（如图2.3所示），字段定义通常包括数据宽度、类型、小数位数。
宽度指为每一字段预留的位数，应满足数据中最大的或最长的字符串，符号与小数点所占位数也应包括在内。
数据类型必须是GIS软件包所允许的类型，可以是数值型或字符型。
小数的位数是实数数据类型定义的一部分。
图2.1选择特征创建专题
图2.2点与属性表关联示意
图2.3FieldDefinition（字段定义）对话框
提示1：
属性数据输入主要有键盘输入或从其他数据库系统导入属性数据（多数GIS软件包可以从数据库服务器，如Oracle/Access/Sybase/Informix导入dBASE和ASCⅡ文件）。
具体操作可见实验三数据格式转换等。
提示2：
属性数据的输入与编辑，一般在属性数据处理模块中进行。
但为了建立属性描述数据与几何图形的联系，通常需要在图形编辑系统中设计属性数据的编辑功能，主要是将一个实体的属性数据连接到相应的几何目标上，亦可在数字化及建立图形拓扑关系的同时或之后，对照一个几何目标直接输入属性数据。
提示3：
属性数据校核包括两个部分。
第一部分是确保属性数据与空间数据正确关联（注意：
标识码ID应该是唯一的，不含空值）；第二部分是检查属性数据的准确性（注意：
数据校核是很难的，因为数据不准确性可能归结于很多因素，如观察错误、数据过时和数据输入错误）。
检查数据的输入错误主要有两种方法：
第一种是把属性数据打印出来进行人工校对，这与用校核图来检查空间数据准确性相似，第二种是编写计算机程序来检查数据准确性。
请验证。
提示4：
凡是功能较强的图形编辑软件都可提供删除、修改、复制属性等功能。
（2）数字化
对于空间数据输入或编辑或更新现有地图等的数字化主要有：
屏幕数字化、手扶跟踪数字化和扫描数字化等。
数字化的主要步骤为：
①确定几个控制点；②记录要素的位置。
若用扫描件，需要先矢量化，才能完成数字化过程。
即：
对已扫描的文件需要跟踪描绘再把它转回到矢量格式。
矢量化是将“栅格线”转化为“矢量线”的过程，这个过程称为“跟踪描绘”。
主要有三个步骤：
①线的细化；②线的提取；③拓扑关系的重建。
数字化产生的错误（如图2.4所示）主要有定位和拓扑错误两种。
基于拓扑的GIS软件包（如：
ArcGIS、Arc/Info、AutoCAD、MGE、ILWIS和SPANS等），能发现和显示拓扑错误，并具有轻松消除拓扑错误的功能。
非拓扑的GIS软件包虽不能发现拓扑错误和建立拓扑关系，但可用于地图要素的数字化和编辑（如ArcView和MapInfo），请实验。
图2.4数据错误示意图
对图形数据的编辑是通过向系统发布编辑命令（多数是窗口菜单）用光标激活来完成的。
编辑命令主要有增加数据、删除数据和修改数据3类。
编辑的对象是点元、线元、面元及目标，编辑工作主要利用GIS的图形编辑功能（如表2.1所示）来完成。
表2.1GIS的图形编辑功能
点编辑
线编辑
面编辑
目标编辑
删除
移动
复制
旋转
追加
水平对齐
垂直对齐
删除
移动
复制
追加
旋转（改向）
剪断
光滑
求平行线
弧段加点
弧段删点
弧段移动
删除弧段
移动弧段
插入弧段
剪断弧段
删除目标
旋转目标
复制目标
移动目标
放大目标
缩小目标
开窗口
提示5：
数字化是将数据由模拟格式转化成数字格式的过程，需要数字化仪来完成。
使用数字化仪进行的数字化通常也称为手扶跟踪数字化。
数字化仪有一个内置的电子网，用来感知游标的位置。
操作者只要将游标的十字丝对准测量点后点击游标的按钮即可将点的x,y坐标传送到与之相连的计算机。
大尺寸的数字化仪的绝对精度通常可达0.001in（1in=2.54cm）。
GIS软件包通常含有内置的用于手扶跟踪数字化的数字化模块。
基于拓扑的GIS软件包具有使数字化的地图建立拓扑关系的功能，具体参阅相关软件说明。
提示6：
点要素的数字化使每个点只需点击一下便可记录它的位置，线和面要素的数字化可以分点模式或流模式。
在点模式中，操作者选择点进行数字化；在流模式中，按预设的时间间隔或距离间隔进行线的数字化，例如以每隔0.01in的间隔进行线的自动数字化。
大多数GIS用户更喜欢用点模式，因为用点模式比用流模式建立的数据文件小，并且以直线分段来数字化简单的线要素效率更高。
线或多边形要素的数字化可以分为分离模式或连续模式。
在分离模式中，操作者要注意遵循弧段-节点的拓扑关系。
线段会合或相交处的点作为节点数字化。
在连续模式又称为未结构化数字化中，操作者在对长且连续线条数字化时，GIS软件包在数字化过程中会自动建立弧段-节点关系。
提示7：
扫描是将模拟地图转化为扫描文件的数字化方法，扫描仪是将模拟地图转换为栅格格式的扫描图像文件。
地图通常被扫描为黑白地图：
黑线代表地图要素，白色区域表示背景。
源地图可以是纸质地图或聚酯薄膜地图，墨绘的或铅笔绘的。
扫描将地图转换成栅格格式的二值扫描文件，每个像元值为1（地图要素）或为0（背景）。
地图要素在扫描文件上表现为一系列像元相连成的栅格线。
像元的大小取决于扫描的分辨率，一般设为每英寸300或400个点（dpi）代表源地图上一条细墨线的栅格线可能有5～7个像元宽。
提示8：
ArcView的Shape文件格式可以通过其自身的实用工具创建或由其他数据转换。
章提示9：
多数情况下扫描比手扶跟踪数字化更好，因为扫描通过机器和计算机运算来做大部分工作，这样避免了由于疲劳或粗心引起的人为错误。
但在实际应用时多用屏幕跟踪矢量化。
（3）数据编辑
①对扫描得到的图像需要进行纠正。
主要是建立要纠正的图像与标准的地形图或地形图的理论数值或纠正过的正射影像之间的变换关系，消除各类图形的变形误差。
提示10：
目前，主要的变换函数包括仿射变换、双线性变换、平方变换、双平方变换、立方变换、四阶多项式变换等，具体采用哪一种，则要根据纠正图像的变形情况、所在区域的地理特征及所选点数来决定。
②对地形图的纠正，一般采用四点纠正法或逐网格纠正法。
四点纠正法，一般是根据选定的数学变换函数，输入需纠正地形图的图幅行、列号，地形图的比例尺，图幅名称等，生成标准图廓，分别采集四个图廓控制点坐标来完成。
逐网格纠正法，是在四点纠正法不能满足精度要求的情况下采用的。
这种方法和四点纠正法的不同点就在于采样点数目的不同，它是逐方里网进行的，即对每一个方里网，都要采点。
提示11：
经纬网（Graticule）是代表地图上经度和纬度的线型或定位点（TicMark）集合；方里网（MeasuredGrid）是显示地图上线性距离单位的线型或定位点集合，方里网是由平行于投影坐标轴的两组平行线所构成的方格网，其中每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线,所以称之为方里网。
具体采点时，一般要先采源点（需纠正的地形图），后采目标点（标准图廓），先采图廓点和控制点，后采方里网点。
③对遥感影像的纠正，一般选用和遥感影像比例尺相近的地形图或正射影像图作为变换标准，然后，选用合适的变换函数，分别在要纠正的遥感影像和标准地形图或正射影像图上采集同名地物点。
提示12：
具体采点时，要先采源点（影像），后采目标点（地形图）。
选点时，要注意选点的均匀分布，点不能太多。
如果在选点时没有注意点位的分布或点太多，这样不但不能保证精度，反而会使影像产生变形。
另外，选点时，点位应选由人工建筑构成的并且不会移动的地物点，如河流或道路交叉点、桥梁等，尽量不要选河床易变动的河流交叉点，以免点的移位影响配准精度。
④属性数据的更正，一般在属性数据库编辑中进行。
（二）屏幕跟踪矢量化
实验内容：
屏幕跟踪矢量化
实验目的：
通过实验，了解数字化的含义和操作步骤
所需数据：
Data2目录下的FUZHOU.jpg图像，一幅扫描的福州市旅游图，作为矢量化的底图。
实验过程:
屏幕跟踪矢量化的步骤如下。
（1）准备扫描图像
①选择要数字化的地图，识别该图的投影和坐标系统，在图上选取至少四个控制点，并获取其实际地理坐标。
②将地图扫描成MapInfo可识别的栅格图像格式保存。
提示13：
如果没有现成的坐标系统，也可以在图上建立自己的坐标系统（一般用笛卡尔坐标系）并读取相应的控制点的坐标。
（2）栅格图像配准
①在MapInfo中打开图像文件。
选择“文件（File）│打开表（OpenTable）”，以“表的方式”打开栅格图像文件，单击“打开”按钮，如图2.5所示。
图2.5以表的方式打开栅格图像
如果是第一次打开该图像，MapInfo会提示你是否配准（Register），见图2.6（a）。
请单击“配准”按钮，然后进入“图象配准”对话框，如图见2.6（b）所示。
图2.6（a）图象配准
（1）
图2.6（b）图象配准
（2）
提示14：
用MapInfo数字化地图时，首先必须设定投影方式，这样才能考虑到该地图的变形，并保持地图要素之间正确的空间关系。
需要注意的是，在数字化开始之后不能再改变投影方式，因此要确保正确地设置投影。
在图像配准时就要注意。
②选择投影类型
在“图像配准”对话框中，单击“投影（Projection）”按钮。
通常选择纸张地图图例中指定的地图投影，本案例采用的是以地理坐标经、纬度投影的福州市交通旅游图，图中网格交点坐标可根据经、纬度值获取，如图2.7所示。
在“选择投影”对话框中，单击“确定”按钮，完成选择投影。
图2.7地图投影的选择
③设定坐标系使用的地图单位。
例如，经、纬度投影中的地图将以度为单位显示地图坐标。
在”图象配准”对话框中，单击“单位”按钮，出现如图2.8所示的“单位”对话框，地图单位选择“度”，再单击“确定”按钮。
图2.8地图单位的选择
提示15：
如果没有该地图的坐标系统，那么需要把该地图数字化为非地球地图（Non_earthMap），这意味着该图象上的点只是彼此有关，而与地球上的点无关，这时可以使用其他地图单位（米、英里等）。
④输入控制点。
具体操作是在图象配准对话框的图象上选择一点并单击鼠标，然后在弹出的“增加控制点（AddControlPoint）”对话框中输入该点对应的实际坐标值，如图2.9和图2.10所示。
提示16：
在配准栅格图像对话框中可以增加控制点、修改控制点的坐标并且删除控制点。
输入4个控制点（如：
Pt1,Pt2,Pt3和Pt4）时应注意，其中任意3个点不能在一条直线上。
图2.9为图象配准输入控制点Pt1
图2.10为图象配准输入4个控制点
⑤编辑控制点。
当输入第四个控制点后，MapInfo以像素为单位计算控制点的输入误差。
若不符合精度要求，必须重做或编辑控制点。
若符合要求，单击“确定”按钮，完成栅格图象的配准。
图象出现在地图窗口。
若图象没有出现在地图窗口，可选择“地图（Map）│图层控制│（LayerControl）│显示（Display）”命令，取消选中“在缩放范围内显示”复选框，单击“确定“按钮，退出图层控制框，即可看到配准好的图象。
如图2.11所示。
图2.11配准好的地图
提示17：
MapInfo利用控制点进行数值变换，是靠该变换来倾斜、移动和调整数字化对象，使之与控制点相符。
MapInfo按设定的坐标系确定控制点的相对位置，对比这些点在栅格图像中相应的坐标，随后算出一个误差，即点在栅格图像上的位置和单击位置的实际坐标之间的偏差。
误差值应该与数字化仪的图形分辨率一致，大多数情况下误差不应超过图框宽度的千分之几或仅为几个像素。
为减小误差估计偏高的可能性，可增加控制点数量并且为控制点设定坐标时要尽可能精确。
同时，仔细检查在图象配准对话框中是否已设定正确的投影。
提示18：
栅格图象的配准过程实际上是利用最小二乘原理实现由栅格图象坐标到实际地理坐标的转换，然后就可以在屏幕上以实际地理坐标对栅格图象上的内容进行跟踪数字化。
（3）新建数字化图层
①选择“文件（File）│新建表（NewTable）”命令，在出现的“新建表”对话框中选择“添加到当前地图窗口”复选框，单击“创建”按钮，如图2.12所示。
图2.12创建新图层并添加到当前地图窗口
②在出现的“新表结构”对话框中类似“构建关系数据库结构”方法定义新建图层的表结构，如图2.13所示。
图2.13定义新建图层的表结构
③单击“创建”按钮。
完成创建“一个与配准的栅格图像具有相同数学要素的空白图层”，另保存为“fz”。
④选择“地图（Map）│图层控制（LayerControl）”命令，在出现的“图层控制”对话框中能看到“新建的空白图层fz”，可设置为编辑状况。
如图2.14所示。
提示19：
利用MapInfo工具栏内的点、线、面等绘图工具进行数字化和编辑，数字化的内容保存在新建图层中。
如果不能一次性完成数字化工作，在退出时请保存工作空间，以便下次可以直接打开工作空间继续数字化工作。
图2.14创建好的新图层设为可编辑状态
（4）屏慕跟踪矢量化地图
屏幕跟踪矢量化的基本步骤如下。
①激活地图窗口并确保有一个图层可编辑，如图2.14所示。
②在菜单栏中，选择“地图（Map）│改变视图（ChangeView）”命令，并在出现的“改变视图”对话框中放大地图窗口，使地图窗口的视野满足适合于屏幕跟踪的宽度，如图2.15所示，完毕，点击“确认”按钮。
图2.15地图窗口设置
③选择合适的绘图工具（点、线或面），开始跟踪地图。
用鼠标在新图层（如fz）上添加图形，如图2.16所示。
图2.16用多边形工具绘制部分福州市政区
提示20：
当使用“折线或多边形”工具时，MapInfo的自动跟踪特性允许方便地跟踪对象的结点。
这种特性允许不必要重新数字化该对象的共享边界，使数字化具有共享边界的对象更加容易，当打开“对齐方式（SNAP）”时，自动跟踪就可用了。
提示21：
只能对现有折线和多边形使用自动跟踪，不能自动跟踪矩形、椭圆、圆弧或其他由绘图工具制作的形状。
要在数字化时自动跟踪折线或多边形，如图2.17所示，可执行如下操作。
步骤1：
激活“对齐方式”（或按键盘上的S键），并单击“自动跟踪的折线或多边形”上的节点；
步骤2：
把光标移到同一对象的另一个节点。
步骤3：
执行以下操作之一：
对于折线按住Shift键并单击，对于多边形按住Shift键，或Ctrl键并单击。
一旦按住Shift键或Ctrl键，MapInfo就突出显示要自动跟踪的路径。
单击时，MapInfo在两节点间自动跟踪所有段，并把它们增加到正在绘制的折线或多边形中。
提示22：
Shift键自动跟踪两节点间较短的路径（节点个数较少的路径），而Ctrl键自动跟踪较长的路径（节点个数较多的路径）。
（5）输入属性值
当整个图层数字化完后，就要打开属性表，输入属性。
具体操作：
①在菜单栏中选择“窗口（Windows）│新建浏览窗口（NewWindows）”命令，在工具栏中打开“属性表”。
②对照地图窗口选中的图形，在浏览窗口交互输入属性值，如图2.18所示。
图2.17自动跟踪方式数字化多边形对象的共享边界
图2.18打开浏览窗口对照图形输入属性
提示23：
如果想修改表的结构（如添加或删除字段等操作），可通过表结构的维护功能来完成。
③选择“表（Table）│维护（Maintenance）│表结构（TableStructure）”命令，如图2.19所示，对打开的表结构进行数据修改，保存文件后，又可回到如图2.19的界面，可对表的结构再进行修改，直至满意。
图2.19“表│维护│表结构”命令操作界面
对于每一图层，重复从（3）到（5）中的各步，直到所需的所有图层输入完成后，根据提示保存内容，最后，选择“文件（File）│全部关闭（AllClose）”命令。
提示24：
当矢量化时，地图的分层要按图形和对象来划分，输入属性数据时要与地图对象相对应。
（三）投影、坐标系设置
实验内容：
利用ArcViewGIS进行地图投影、坐标系设置。
实验目的：
掌握地图投影、坐标系设置方法
所需数据：
Data2目录下的Stationsll.shp和Idll.shp,两个以十进制表示经
、纬度数值的Shape文件。
实验过程：
投影、坐标系设置的步骤如下。
①打开ArcViewGIS，在工具栏中单击“加载数据”按钮，打开所需数据（Stationsll.shp和Idll.shp文件），如图2.20所示。
图2.20经、纬度坐标地图
提示25：
Stationsll.shp和Idll.shp是以经、纬度坐标值显示的数据文件，需要改变单位。
②选择“View（视图）│Properties（属性）”命令，进入“ViewProperties（视图属性）”对话框中，改地图单位（MapUnits）为“米”，并单击“Projection（投影）”按钮，如图2.21所示。
图2.21设置地图单位为“米”
③在出现的“ProjectionProperties（投影属性）”对话框中。
选中“Custom（自定义）”单选按钮，并根据IDTM的参数来设置投影性质，如图2.22所示。
图2.22设置投影参数
④在“ProjectionProperties（投影属性）”对话框中，单击OK（确认）按钮，即可实现投影的设置，如图2.23所示。
图2.23设置投影后的地图
提示26：
地图投影是从球形的地球表面到平面的转换。
转换的结果是用平面上的线构成的体系来代表地理格网。
但是从地球表面到平面的转换总是带有变形，没有一种地图投影是完美的，每种地图投影都保留了某些空间性质，而牺牲了另外一些性质。
通常根据地图投影所保留的性质将其分为四类：
等角、等积、等距、等方向或真方位。
地图投影为小比例尺地图制图提供了工作底图，如1：
1000000或更小比例尺的世界和大洲地图。
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