地理信息系统考研

第

1

页共

75

页

目录

胡鹏《地理信息系统教程》考研核心笔记

.....................................................................................................2

第

1

章绪论

.....................................................................................................................................................2

考研提纲及考试要求

.................................................................................................................................2

考研核心笔记

.............................................................................................................................................2

第

2

章地理信息系统的空间数据结构和数据库

..........................................................................................7

考研提纲及考试要求

.................................................................................................................................7

考研核心笔记

.............................................................................................................................................7

第

3

章空间数据的采集和质量控制

...........................................................................................................18

考研提纲及考试要求

...............................................................................................................................18

考研核心笔记

...........................................................................................................................................18

第

4

章空间数据的处理

...............................................................................................................................28

考研提纲及考试要求

...............................................................................................................................28

考研核心笔记

...........................................................................................................................................28

第

5

章空间查询与空间分析

.......................................................................................................................48

考研提纲及考试要求

...............................................................................................................................48

考研核心笔记

...........................................................................................................................................48

第

6

章空间信息的可视化

...........................................................................................................................62

考研提纲及考试要求

...............................................................................................................................62

考研核心笔记

...........................................................................................................................................62

第

7

章地理信息系统的应用

.......................................................................................................................69

考研提纲及考试要求

...............................................................................................................................69

考研核心笔记

...........................................................................................................................................69

第

8

章地理信息系统的开发与评价

...........................................................................................................72

考研提纲及考试要求

...............................................................................................................................72

考研核心笔记

...........................................................................................................................................72

第

2

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75

页

胡鹏《地理信息系统教程》考研核心笔记

第

1

章绪论

考研提纲及考试要求

考点：信息与数据

考点：地理信息与地学信息

考点：信息系统和地理信息系统

考点：国际

GIS

的发展状况

考点：我国

GIS

发展

考点：

GIS

组成

考点：硬件配置

考研核心笔记

【核心笔记】

GIS

概念

1.

信息与数据

（

1

）信息

①定义：

信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图象等形式记录下来，进行传

递和处理

,

为人们的生产，建设，管理等提供依据。

②信息的特性：

a.

客观性：任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。

b.

适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同的。信息系统将地理空间的巨大数据流收

集，组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息，这是由

建立信息系统的明确目的性所决定的。

如股市信息，对于不会炒股的人来说，毫无用处，而股民们会根据它进行股票的购进或抛出，以达到

股票增值的目的。

c.

传输性：信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的传输网络，被形象地称为“信息高速公路”。

d.

共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息的并

发应用提供可能性。

（

2

）数据

指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、

符号、声音、图象等符号。

数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷

它的物理设备的形式而改变。

（

3

）两者关系（有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然）。

数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。

只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。

例如“

1

、”“

0

”独立的

1

、

0

均无意义。

当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供了“有”“无”信息，当用它来标识某种实体的类别

时，它就提供了特征码信息。

2.

地理信息与地学信息

（

1

）地理信息

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页

①定义：指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，

相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。

②特点：

a.

地域性：（是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志）。

地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现

的。

b.

多维结构：

指在同一位置上可有多种专题的信息结构。如某一位置上的地理信息包括（例图）

c.

时序特征：

时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。因此，一实时的

GIS

系统要求能及时采

集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。以免过时的信息造成决策的失误或因为缺少可靠的动态数

据，不能对变化中的地理事件或现象作出合理的预测预报和科学论证。例如

98

年龙王庙特大洪水险情正是

武汉勘测设计院利用先进的摇感、

GPS

技术测得实时数据为抗洪决策提供可靠依据。显然，如果用过时数

据，这将造成多大的损失，这就是地理信息的时序特征。

（

2

）地学信息

与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。两者信息源不同，地理信息的信息源是地球表面的岩石

圈、水圈、大气圈和人类活动等；地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气

层甚至宇宙空间。它是人们深入认识地球系统、适度开发资源、保护环境的前提和保证。

3.

信息系统和地理信息系统

（

1

）信息系统

(InformationSystem,IS)

①系统：

由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体。

②信息系统：

能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。具有采集、管理、

分析和表达数据的能力。

③类型：从适用于不同管理层次角度出发、信息系统分为下列不同类型。

事务处理系统、管理信息系统：主要支持操作层人员的日常事务处理，图书管理，借还书。

决策支持系统：从

MIS

中获取信息，进行推测，以辅助决策。

人工智能、专家系统：用计算机模仿人类思维过程进行推理，在医学上应用较成功。

为有效地对信息流进行控制，组织、管理、充分利用，就需要建立某种信息系统，那么对地理信息进

行管理、利用就需要建立地理信息系统。

（

2

）地理信息系统

(GeographicInformationSystem,GIS)

①定义：不同领域、不同专业对

GIS

的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的

是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的空间

位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、组织、存

储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。

b.

为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。

---

美国国家

地理信息与分析中心

c.

是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关

的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。

是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。

--

英国教育部

②理解

是一计算机系统，既然是系统，就要具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达，所以

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每个

GIS

系统都是由若干具有一定功能的模块组成。

的处理对象是有关的地理分布数据，也就是空间数据，为了能对这些空间数据进行定位，定性和

定量的描述，决定了

GIS

要对空间数据按统一地理坐标进行编码，这是

GIS

与其他信息系统不同的根本所

在。

（

3

）

GIS

与其它

IS

之间的关系和区别

①

GIS

与其它

IS

之间的关系（信息系统分类）

②

GIS

与其它

IS

的区别

与一般

MIS

：

GIS

离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是

GIS

广

泛使用的核心技术。

GIS

对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般

MIS

（数据库系统）侧重于非图形数据（属

性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、

分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。

如电话查号台是一个一般

MIS

，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码

外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。

与

CAD/CAM

GIS

与

CAD

共同点

GIS

与

CAD

不同点

都有空间坐标系统；

都能将目标和参考系联系起来；

都能描述图形数据的拓扑关系；

都能处理属性和空间数据

ＣＡＤ研究对象为人造对象ё规则几何图形及组合；

图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；

ＣＡＤ中的拓扑关系较为简单；一般采用几何坐标系。

ＧＩＳ处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；

GIS

的属性库结构复杂，功能强大；强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁；

GIS

采用地理坐标系。

GIS

与

CAM

GIS

与

CAM

共同点

GIS

与

CAM

不同点

都有地图输出、空间查询、分析和检索功能

ＣＡＭ侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有地图辅助设计和产生高质量矢量地图的输出机制；

它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺乏拓扑关系；

它与数据库的联系通常是一些简单的查询。

CAM

是

GIS

的重要组成部分；

综合图形和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策信息。

【核心笔记】

GIS

发展

GIS

起源于人口普查，土地调查和自动制图，

1960

年，加拿大测量学家

son

提出了把地图变

成数字形式的地图，

1963

年，又提出

GIS

这一本术语，并建立了第一个

GIS_

加拿大

GIS

，随后

GIS

以燎原

之势在全世界迅速发展起来。

1.

国际

GIS

的发展状况

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（

1

）

60

年代，探索时期（

GIS

思想和技术方法的探索）人们关注什么是

GIS

，

GIS

能干什么。

（

2

）

70

年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进

GIS

迅

速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。

（

3

）

80

年代，实破阶段，也是

GIS

普遍发展和推广应用阶段，人们把

GIS

与

RS

解决全球性问题，如

全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。

（

4

）

90

年代，全面应用，产业化阶段，对

GIS

进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模

式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。

2.

我国

GIS

发展

我国

GIS

起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：

（

1

）

70

年代，准备阶段：

一些知名人士

GIS

先驱看到

GIS

的广阔前景和

GIS

的重要性，进行极积呼吁，为

GIS

在我国的发展奠

定了与论准备基础并做了一些可行性实验。

（

2

）

80

年代，试验起步阶段

:

这期间，我国在

GIS

理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一

些典型，试验专题试验软件开发工作。

（

3

）

90

年代，我国

GIS

发展阶段：

我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需

GIS

为之服务，

这也推动

GIS

在我国的全面发展。

（

4

）

96

年以来，是我国

GIS

产业化阶段。

近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的

GIS

相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“

3S

”技术的重点

项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批高等院校开设了与

GIS

相关的新专业，

培养了一大批从事

GIS

研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的

GIS

基础软件的研制逐步进入了产

业化轨道，等等这些都标志我国

GIS

产业已进入新的发展阶段。

【核心笔记】

GIS

构成

组成

从计算机的角度看，

GIS

是由软件、硬件、数据和用户组成。

用户（

GIS

服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户）

软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统）

硬件（各种设备

-

物质基础）

数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础）

由于计算机的飞速发展和地理信息的时序特征，硬件寿命

3-5

年，软件（

5-15

年），数据（

1-2

年，

5-70

年不等）

GIS

需要不断维护、更新，所以用户要不断进行知识更新。

2.

硬件配置

前面说过，

GIS

作为技术系统必须具备数据的采集、管理、分析、表达和显示功能，一定功能必须由一

定的软件、硬件实现，所以

GIS

的硬件配置为：

输入数字化、解析测图仪、扫描仪遥感处理设备等存贮处理计算机硬盘光盘等存储设备输出打印机绘

图仪显示终端等

网络服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等网络设备。随着网络普及，信息共享成为时代要

求，

GIS

要有网络功能

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3.

软件配置

（

1

）

GIS

软件层次

有了计算机硬件之后，首先需要

OS,DOS,WINDOWS,UNIIX

等。裸机，没装任何

OS

的机子，是不能

工作的。

GIS

应用软件在

GIS

软件层次的外层，外层以内层软件为基础，共同完成用户指定的任务。

（

2

）

GIS

基础软件主要模块空间数据输入与转换图形及属性编辑空间数据管理系统制图与输出空间查

询与空间分析

【核心笔记】

GIS

功能和应用

功能

空间查询叠加分析缓冲区分析网络分析地形分析

数据显示与输出

主要应用领域

资源管理区域和城乡规划灾害监测环境评估作战指挥交通运输宏观决策。

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第

2

章地理信息系统的空间数据结构和数据库

考研提纲及考试要求

考点：空间数据结构

考点：实体类型组合

考点：矢量数据结构

考点：矢量数据结构的编码方式

考点：矢量数据表示

考点：面向对象地理数据模型的特点

考点：面向对象数据模型的四种核心技术

考研核心笔记

地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即

将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和

处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。本章重点介绍主要的空间

数据结构和空间数据库模型。

【核心笔记】空间数据结构

1.

概述

地理实体

含义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元。

理解：是一个具体有概括性、复杂性、相对意义的概念。

2.

空间数据

（

1

）空间数据的特征

属性特征ёё用以描述事物或现象的特性；

空间特征ёё用以描述事物或现象的地理位置，又称几何特征、定位特征；

时间特征ёё用以描述事物或现象随时间的变化。

（

2

）空间数据的类型

属性数据ёё描述空间数据的属性特征的数据，也称非几何数据；

几何数据ёё描述空间数据的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据；

关系数据ёё描述空间数据之间的空间关系的数据，主要是指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关系

进行明确定义的数学方法。

（

3

）空间数据的存储

将不同类型的空间数据以不同的数据结构存储

属性数据ёё二维关系表格形式存储；

元数据ёё以特定的空间元数据格式

空间特征数据ёё主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。

3.

实体的空间特征

（

1

）空间维数

①有零维、一维、二维、三维之分，对应着不同的空间特征类型：点、线、面、体；

②在地图中实体维数的表示可以改变

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（

2

）空间特征类型

①点状实体（点或节点、点状实体）：有特定位置，维数为

0

的物体。具体有下列类型的点：实体点、

注记点、内点和节点等不同类型；

②线状实体：具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示；

③面状实体（多边形）：由一封闭曲线加内点来表示；

④体、立体状实体：用于描述三维空间中的现象与物体。

【核心笔记】实体类型组合

现实世界的各种现象比较复杂，往往由上述不同的空间类型组合而成，复杂实体由简单实体组合表达。

1.

空间关系

（

1

）定义

拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。是指图形在保持连续状态下变形，但图形

关系不变的性质。可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸和压缩，但不能扭转或折

叠，这时原来图形的有些属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性，后者称为非拓扑属性或几何

属性。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。

（

2

）拓扑关系的种类

①关联（不同类要素之间）

结点与弧段：如

V9

与

L5,L6,L3

多边形与弧段：

P2

与

L3,L5,L2

②邻接

(

同类元素之间

)

多边形之间、结点之间。

③包含关系

(

面与其它拓扑元素之间的关系

)

④层次关系（相同拓扑元素之间的等级关系）

（

3

）拓扑关系的表示

（

4

）拓扑关系的意义

拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而

变化；

有助于空间要素的查询；

根据拓扑关系可重建地理实体。

【核心笔记】矢量数据结构

1.

矢量数据的图形表示

（

1

）点实体：记录点坐标和属性代码；

（

2

）线实体：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码；

（

3

）面实体：记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。

2.

矢量数据的获取方式

（

1

）由外业测量获得，可利用测量仪器自动记录测量成果

(

常称为电子手薄

)

，然后转到地理数据库中。

（

2

）由栅格数据转换获得，利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。

（

3

）跟踪数字化，用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。

3.

矢量数据表示

（

1

）矢量数据自身的存贮和处理。

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（

2

）与属性数据的联系。

（

3

）矢量数据之间的空间关系

(

拓扑关系

)

。

4.

矢量数据表示

（

1

）简单数据结构

（

2

）拓扑数据结构

（

3

）拓扑元素

点

(

结点

)

ёё孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点等。

线

(

链、弧段、边

)

ёё两结点间的有序弧段。

面

(

多边形

)

ёё若干条链构成的闭合多边形。

【核心笔记】编码方式

1.

矢量数据结构的编码方式

（

1

）实体式编码

点、线无影响

优点：编码容易、数字化操作简单、数据编排直观

缺点：

①边界坐标数据与多边形单元实体一一对应，各多边形边界单独编码和数字化，相邻多边形的公共边

界需要数字化两遍（冗余、垃圾图斑）

②无拓扑关系，则相邻多边形公共边界检索无法进行。

2.

索引式编码

基本思想：首先对所有的边界点编号，并按顺序建立点的坐标文件，再建立点与边界线、线与多边形

的索引文件。

优点：消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题

缺点：处理岛状信息和检查拓扑关系时较为困难。

3.

双重独立式编

（简称

DIME(DualIndependentMapEncoding)

，是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑

编码结构。）

基本思想：以直线段作为编码的主题，采用拓扑编码结构

文件格式：点文件（点号、坐标）、线文件（线号、左多边形、右多边形、起点、终点）

特点：

（

1

）该种结构的拓扑关系明确

（

2

）可通过线文件自动寻找并形成面文件

4

、链状双重独立式编码

DIME

编码的改进

基本思想：引入弧段的概念，以弧段为研究的主体。

（

1

）弧段坐标文件

弧段号弧段各点坐标序列

（

2

）弧段文件

弧段号，起点号，终点号，左多边形，右多边形

【核心笔记】栅格数据结构

第

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页

基本概念

1.

定义

栅格结构又称为网格结构（

raster

、

gridcell

）或像元结构（

pixel

）。在这种数据结构中，空间的二维投影

平面被划分为大小均匀紧密相邻的规则格网阵列（通常为正方形），每个格网作为一个像元或像素，由行、

列号定义，并包含一个表示该像素属性类型或量值的代码，或包含一个指向其属性记录的指针。

每个栅格的大小代表了定义的空间分辨率，每个栅格对应于一个特定的空间位置，栅格的值表达了这

个实际位置的状态。

2.

特点

属性明显、定位隐含。

操作简单、易于处理。

容易与遥感数据结合处理。

【核心笔记】栅格元的分类

矩形（正方形）

菱形

三角形、六边形

经纬网栅格（辐射形）

1.

栅格数据的图形表示

点实体：表示为一个像元；

线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合；

面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。

栅格数据的组织

（

1

）栅格数据的获取途径

①来自于遥感数据

②来自于对图片的扫描

③由矢量数据转换而来

④由手工方法获取（青岛掌心博阅电子书）

（

2

）栅格系统的确定

①栅格坐标系的确定

②栅格单元的尺寸

第

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页

③栅格代码（属性值）的确定

（

1

）中心归属法

（

2

）长度占优法

（

3

）面积占优法

（

4

）重要性法

【核心笔记】栅格结构的存储

1.

简单栅格数据结构

（

1

）含义：以某种栅格数据采样方法，对空间信息逐点采样，并以一个完整的数字矩阵（或数组）进

行信息记录的数据集合，称之为简单栅格数据结构（或全栅格数据结构）。

（

2

）在

GIS

中，绝大多数栅格数据的分析运作与处理是在全栅格数据下进行的。

2.

压缩编码方法

（

1

）链式编码（

chaincode

）

链式编码又称为弗里曼编码（

freeman,1961

）或边界链码。

基本思想：自线状要素或面状要素边界上的某一点开始，构建其基本方向矢量链，以此实现对线状地

物和面状地物的压缩编码存储。

优点：可有效压缩存储数据；具有一定运算功能

缺点：相邻界线重复存储产生冗余；边界的合并、插入等操作难以进行

（

2

）游程编码

游程编码又称为行程编码（

run-lengthcode

）。

基本思想：当栅格图象中各行数据代码发生改变时，依次记录该代码以及相同代码重复的个数，从而

实现数据的压缩。

优点：压缩效率高，对运算操作的影响不大

缺点：不适用于复杂图件

（

3

）块状编码（

blockcode

）

基本思想：块状编码是游程编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括

相邻的若干栅格。

编码格式：（初始行号，初始列号，半径，属性码）

特点：

（

a

）双向数据压缩

（

b

）数据的组织以正方形地块完成

4.

四叉树编码（

quad-treecode

）

基本思想：将一幅栅格图象等分为四等份，逐块检查其格网属性值（或灰度）。如果某个子区的所有格

网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则将该子区继续划分为四等份，直到每个子块都含

有相同的属性值为止。

优点：

（

1

）压缩效率高

（

2

）不受分辨率的影响

（

3

）可以利用树的一些性质进行运算操作

（

4

）易于表示洞

缺点：不适用于复杂图件

【核心笔记】矢量栅格一体化数据结构

第

12

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页

1.

矢量、栅格数据结构的优缺点

矢量ёё面向目标组织数据

栅格ёё面向空间分布组织数据

2.

矢栅一体化的概念

（

1

）采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的表达方法作为一体化数据结构的基础。

概念：无论是点状地物、线状地物、还是面状地物均采用面向目标的描述方法，因而它可以（

2

）完全

保持矢量的特性，而元子空间充填表达建立了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质。

3.

三个约定

地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位

置数据。

地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断

的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。

地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧

致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成。

4.

细分格网法

提高点、线（包括面状地物边界）数据的表达精度，使一体化数据结构的精度达到或接近矢量表达精

度。

在有点、线通过的基本格网内再细分成

256

×

256

细格网（精度要求低时，可细分为

16

×

16

个细格网）。

为了与整体空间数据库的数据格式一致，基本格网和细格网均采用十进制线性四叉树编码，将采样点和线

性目标与基本格网的交点用两个

Morton

码表示（简称

M

码）。前一

M1

表示该点（采样点或附加的交叉点）

所在基本格网的地址码，后者

M2

表示该点对应的细分格网的

Morton

码，亦即将一对

X,Y

坐标用两个

Morton

码代替。

5.

矢栅一体化数据结构的设计

线性四叉树ёё基本数据格式

三个约定ёё设计点、线、面数据结构的基本依据

细分格网法ёё保证足够精度。

（

1

）点状地物和结点的数据结构

第

13

页共

75

页

（

2

）线状地物的数据结构

（

3

）面状地物的数据结构

根据对面状地物的约定，一个面状地物应记录边界和边界所包围的整个面域。其中边界由弧段组成，

它同样引用表

2-4-2

中的弧段信息。面域信息则由线性四叉树或二维行程编码表示。

同一区域的各类不同地物可形成多个覆盖层，例如建筑物、耕地、湖泊等可形成一个覆盖层，土地利

用类型、土壤类型又可形成另外两个覆盖层。这里规定每个覆盖层都是单值的，即每个栅格内仅有一个面

状地物的属性值。每个覆盖层可用一棵四叉树或一个二维行程编码来表示。为了建立面向地物的数据结构，

做这样的修改，二维行程编码中的属性值可以是叶结点的属性值，也可以是指向该地物的下一个子块的循

环指针。即用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来，形成面向地物的结构。

（

4

）复杂地物的数据结构

【核心笔记】三维数据结构

三维边界表示法

1.

基本原理

采用下列表来表示一个平面多面体

顶点表：用来表示多面体各顶点的坐标；

边表：指出构成多面体某边的两个顶点；

面表：给出围成多面体某个面的各条边。

八叉树三维数据结构

（

1

）基本原理

假设要表示的形体

V

可以放在一个充分大的正方体

C

内，

C

的边长为

2n，形体

V

。

形体

V

是一颗树，其上的节点要么是叶节点，要么就是有八个子节点的灰节点。根节点与

C

相对应，

其它节点与

C

的某个子立方体相对应。青岛掌и心博阅电с子书

第二章地理信息系统的空间数据结构和数据库

第

14

页共

75

页

的数据模型

数据库基础知识

数据库技术产生于

60

年代末期，是计算机领域中最重要的技术之一，由数据集、物理存储介质和数据

库软件三个基本部分构成。数据库可以看作是与现实世界有一定相似性的模型，是认识世界的基础，是集

中、统一地存储和管理某个领域信息的系统，它根据数据间的自然联系而构成，数据较少冗余，且具有较

高的数据独立性，能为多种应用服务。

在数据库系统中，现实世界中的事物及联系是用数据模型来描述的，数据库中各种操作功能的实现是

基于不同的数据模型的，因而数据库的核心问题是模型问题。数据模型是数据库中对数据的逻辑组织形式

的描述。数据模型大体可以分为两种类型：一种是独立于计算机之外的，如实体ёё关系模型、语义数据

模型等，它们不涉及信息在计算机中如何表示，常称概念模型；另一种模型是直接面向计算机的，它们以

记录为单位构造数据模型，如数据库中常用的层次模型、网状模型和关系模型等。

数据库管理系统

(DBMS)

是处理数据库数据存取和各种管理控制的软件。它是数据库系统的核心，应用

程序对数据库的操作全部通过

DBMS

进行。数据库管理系统

(DBMS)

通常具有数据库定义、管理和维护功能。

传统数据模型及其存储空间数据的局限

（

1

）层次模型用于

GIS

地理数据库的局限性

①很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；

②对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查

询；

③数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层

所有子结点均被删除

④层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的

存取路径；

⑤基本不具备演绎功能和操作代数基础。

（

2

）网状模型用于

GIS

地理数据库的局限性

①由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所

处的位置；（青岛掌心博阅电子书）

②网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题；

③不直接支持对于层次结构的表达

④基本不具备演绎功能和操作代数基础。

3.

关系模型用于

GIS

地理数据库的局限性

（

1

）由于无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能

力较弱；

（

2

）用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致

存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理；

（

3

）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操

作，运行效率不够高。

【核心笔记】面向对象技术

1.

基本概念

对象ёё含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体；

类ёё共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类；

消息ёё对对象进行操作的请求，是连接对象与外部世界的唯一通道；

第

15

页共

75

页

方法ёё对对象的所有操作。

2.

面向对象的特性

抽象性

封装性

多态性

3.

面向对象数据模型的四种核心技术

分类：是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程

概括：将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程

聚集：聚集是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程

联合：相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的操作集合

4.

面向对象数据模型的核心工具

（

1

）继承：一类对象可继承另一类对象的特性和能力，子类继承父类的共性，继承不仅可以把父类的

特征传给中间子类，还可以向下传给中间子类的子类。它服务于概括。继承机制减少代码冗余，减少相互

间的接口和界面。

（

2

）传播：传播是一种作用于聚集和联合的工具，用于描述复合对象或集合对象对成员对象的依赖性

并获得成员对象的属性的过程。它通过一种强制性的手段将成员对象的属性信息传播给复合对象。

【核心笔记】面向对象地理数据模型

1.

面向对象数据模型的含义

（

1

）含义：为了有效地描述复杂的事物或现象，需要在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数

据模型，并用面向对象的方法进行统一的抽象。这就是面向对象数据模型的含义，其具体实现就是面向对

象的数据结构。

（

2

）优势：面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，

信息的继承和聚集。

（

3

）特点：允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。可以将空间对象根据ＧＩＳ需要，定义

合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以带和不带拓扑，当带拓扑时，涉及对象的嵌套、对象

的连接和对象与信息聚集。

（

4

）核心：对复杂对象的模拟和操纵

复杂对象及特点

含义：指具有复杂结构和操作的对象。复杂对象可以由多种关系聚合抽象而成，或由不同类型的对象

构成，或具有复杂的嵌套关系等。

特点：

一个复杂对象由多个成员对象构成，每个成员对象又可参与其它对象的构成；

具有多种数据结构，如矢量、栅格、关系表等；

一个复杂对象的不同部分可由不同的数据模型所支持，也就是说，可以分布于不同的数据库中。

面向对象的几何数据模型

面向对象的属性数据模型

4.

面向对象地理数据模型的特点

（

1

）可充分利用现有数据模型的优点。

（

2

）具有可扩充性。

第

16

页共

75

页

（

3

）可以模拟和操纵复杂对象。

5.

面向对象数据库系统

面向对象数据库系统所具有的优势

（

1

）缩小了语义差距

（

2

）减轻了“阻抗失配”问题

（

3

）适应非传统应用的需要

【核心笔记】空间数据库的设计

数据的管理模式

1.

基于文件管理的方式

概念：各个地理信息系统应用程序对应各自的空间和属性数据文件，当两个

GIS

应用程序需要的数据

有相同部分时，可以提出来作为公共数据文件。

2.

文件与关系数据库混合管理系统ёё双元模型

概念：目前大部分

GIS

软件采用混合管理模式，即文件系统管理几何图形数据，商用

DBMS

管理属性

数据，它们之间的联系通过目标标识码进行连接。

对属性数据来说，则因系统和历史发展而异，分为图形与属性结合的各自分开处理模式图和图形与属

性结合的混合处理模式。

3.

全关系型空间数据库管理系统

分层模型

（

1

）概念：将空间数据与属性数据统一用现有的

RDBMS

管理，但标准

RDBMS

又不能直接处理空间

数据，

GIS

软件商在标准

DBMS

顶层开发一个能容纳、管理空间数据的功能。

（

2

）对用

RDBMS

管理图形数据有两种模式：基于关系模型的方式；将图形数据的变长部分处理成

BinaryBlock

字段。

4.

对象

-

关系数据库管理系统

概念：

DBMS

软件商在

RDBMS

中进行扩展，使之能直接存储和管理非结构化的空间数据。

主要解决空间数据的变长记录的管理，效率比二进制块的管理高得多，但仍没有解决对象的嵌套问题，

空间数据结构不能由用户定义，用户不能根据ＧＩＳ要求再定义，使用上受一定限制。

【核心笔记】面向对象空间数据库管理系统

1.

空间数据库的设计

（

1

）需求分析

①调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法

②需求数据的收集和分析：包括信息需求

(

信息内容、特征、需要存储的数据

)

、信息加工处理要求

(

如

响应时间

)

、完整性与安全性要求等

③编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，

是需求分析的最终成果

（

2

）结构设计

空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是

第

17

页共

75

页

地理信息系统中空间实体的模型化问题。

概念设计ёё通过对错综复杂的现实世界的认识与抽象，最终形成空间数据库系统及其应用系统所需

的模型

表示概念模型最有力的工具是

E-R

模型，即实体

-

联系模型，包括实体、联系和属性三个基本成分。用

它来描述现实地理世界，不必考虑信息的存储结构、存取路径及存取效率等与计算机有关的问题，比一般

的数据模型更接近于现实地理世界，具有直观、自然、语义较丰富等特点，在地理数据库设计中得到了广

泛应用。

逻辑设计ёё在概念设计的基础上，按照不同的转换规则将概念模型转换为具体

DBMS

支持的数据模

型的过程ёё即导出具体

DBMS

可处理的地理数据库的逻辑结构

(

或外模式

)

，包括确定数据项、记录及记

录间的联系、安全性、完整性和一致性约束等。导出的逻辑结构是否与概念模式一致，能否满足用户要求，

还要对其功能和性能进行评价，并予以优化。从

E

ё

R

模型向关系模型转换的主要过程

①确定各实体的主关键字；

②确定并写出实体内部属性之间的数据关系表达式（函数依赖关系），即某一数据项决定另外的数据项；

③把经过消冗处理（规范化处理）的数据关系表达式中的实体作为相应的主关键字；

④根据②、③形成新的关系

⑤完成转换后，进行分析、评价和优化。

2.

结构设计

物理设计，指有效地将空间数据库的逻辑结构在物理存储器上实现ёё确定数据在介质上的物理存储

结构，其结果是导出地理数据库的存储模式

(

内模式

)

。主要内容包括确定记录存储格式，选择文件存储结构，

决定存取路径，分配存储空间。

3.

数据层设计

GIS

的数据可以按照空间数据的逻辑关系或专业属性分为各种逻辑数据层或专业数据层，原理上类似于

图片的叠置。

数据层的设计一般是按照数据的专业内容和类型进行的。数据的专业内容的类型通常是数据分层的主

要依据，同时也要考虑数据之间的关系。如需考虑两类物体共享边界

(

道路与行政边界重合、河流与地块边

界的重合

)

等，这些数据间的关系在数据分层设计时应体现出来。

4.

数据字典设计

数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说是一个数据的标

准规范，它可使数据库的开发者依此来实施数据库的建立、维护和更新。

数据字典的内容包括：

数据库的总体组织结构、数据库总体设计的框架、各数据层详细内容的定义及结构、数据命名的定义、

元数据（有关数据的数据，是对一个数据集的内容、质量条件及操作过程等的描述）等内容。

空间数据库的建立和维护

（

1

）空间数据库的建立

建立空间数据库结构

数据装入

调试运行

（

2

）空间数据库的维护

①建立空间数据库的重组织

②空间数据库的重构造

③空间数据库的完整性、安全性控制

第

18

页共

75

页

第

3

章空间数据的采集和质量控制

考研提纲及考试要求

考点：空间数据采集的任务

考点：地理空间的数学建构

考点：经纬度坐标系（地理坐标）

考点：

GIS

的地理基础

--

控制基础

考点：空间数据的组织

考点：空间数据的互操作

考点：互操作地理信息的工作方式（

OGIS

框架）

考研核心笔记

【核心笔记】概述

的数据源

地图数据，遥感数据，文本数据，统计数据

实测数据，多媒体数据，已有系统的数据

2.

空间数据采集的任务

将现有的上述类型数据转换成

GIS

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。

3.

研究

GIS

数据质量的目的和意义

GIS

的数据质量是指

GIS

中空间数据

(

几何数据和属性数据

)

的可靠性，通常用空间

数据的误差来度量。

误差是指数据与真值的偏离。

研究

GIS

数据质量对于评定

GIS

的算法、减少

GIS

设计与开发的盲目性都具有重要意义。精度越高，

代价越大。

GIS

数据质量对保证

GIS

产品的可靠性有重要意义。

【核心笔记】空间数据的地理参照系和控制基础

指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延

续，具体包括地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。

1.

地理空间具体被描述为

（

1

）绝对空间，具有属性描述的空间位置的集合，一系列坐标值组成。

（

2

）相对空间，是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系组成。

2.

地理空间的数学建构

如何建立地球表面的几何模型

（

1

）最自然的面：包括海洋底部、高山、高原在内的固体地球表面，起伏不定，难以用一个简洁的数

学式描述。

（

2

）相对抽象的面，即大地水准面

地球表面

72%

被海水覆盖，假设一个当海水处于完全静止的平衡状态时从海平面延伸到所有大陆下部，

而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面。

第

19

页共

75

页

可用水准仪完成地球自然表面上任一点的高程测量。但地球的重力方向处处不同，处处与重力方向垂

直的大地水准面显然不可能是一个十分规则的表面，且不能用简单的数学公式来表达，因此，大地水准面

不能作为测量成果的计算面。

（

3

）椭球体模型

为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球

---

三轴椭球体。

3.

地理参照系

（

1

）经纬度坐标系（地理坐标）对空间定位有利，但难以进行距离、方向、面积量算。

（

2

）笛卡儿平面坐标系便于量算和进一步的空间数据处理和分析。

（

3

）高程系统描述空间点在垂直高度上的特性

--

高程ёё由高程基准面起算的地面点的高度。

的地理基础

--

控制基础

各种

GIS

的数据源、服务目的和各自特征可以不同，但均有自身统一的地理基础。

（

1

）地理基础的内容

地理基础是地理信息数据表示格式与规范的重要组成部分

（

2

）投影与坐标系：

每一种投影都与一个坐标系统相联系。坐标系统是一套说明某一物体地理坐标的参数，参数之一为投

影。投影关系着如何将图形物体显示于平面上，而坐标系统则显示出地形地物所在的相对位置。

（

3

）统一的地图投影系统的意义：

为地理信息系统选择和设计一种或几种适用的地图投影系统和网格坐标系统，为各种地理信息的输入、

输出及匹配处理提供一个统一的定位框架，使各种来源的地理信息和数据能够具有共同的地理基础，并在

这个基础上反映出它们的地理位置和地理关系特征。

5.

地图投影

（

1

）

GIS

与地图投影关系

（

2

）

GIS

中地图投影设计与配置的一般原则

①所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图，基本省区图或国家大地图集）

投影系统一致。

②系统一般只考虑至多采用两种投影系统，一种应用于大比例尺的数据处理与输出、输入，另一种服

务于小比例尺。

③所用投影以等角投影为宜。

④所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统（特别是一级网格）在投影带中应保持

完整。

（

3

）我国

GIS

常用的地图投影配置

①我国常用的地图投影的情况为

a.

我国基本比例尺地形图

(1

：

100

万、

1

：

50

万、

1

：

25

万、

1

：

10

万、

1

：

5

万、

1

：

2.5

、

1

：

1

万、

1

：

5000),

除

1

：

100

万外均采用高斯ё克吕格投影为地理基础；

b.

我国

1

：

100

万地形图采用了

Lambert

投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际

百万分之一地图投影保持一致。

c.

我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用

Lambert

投影和属于同一投影系统的

Albers

投影

(

正轴等面积割圆锥投影

)

；

t

投影中，地球表面上两点间的最短距离

(

即大圆航线

)

表现为近于直线，这有利于地理信息系

统中空间分析量度的正确实施。。

第

20

页共

75

页

②

GIS

中地图投影设计与配置的一般原则

【核心笔记】空间数据的分类和编码

1.

空间数据的组织

2.

地理数据的分层

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

）。

（

1

）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时间序列分层即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。

③地面垂直高度分层把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。

（

2

）空间数据分层的目的

便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。

①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；

②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；

③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；

④对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。

3.

空间数据的分类与编码

（

1

）属性数据编码

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，并与几何数据一起管理起来。

编码：是指确定属性数据的代码的方法和过程。

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。

编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。

（

2

）分类编码的原则

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。

分类是人类思维所固有的一种活动，是认识事物的一种方法。

分类的基本原则是：

科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性、

稳定性、不受比例尺限制、灵活性

（

3

）分类码和标识码

【核心笔记】空间数据的采集

1.

输入前准备

（

1

）资料准备，区域标定

①基础原始数据的确定

②数据分类项目的确定

③数据标准的准确性的确定

第

21

页共

75

页

（

2

）进行三个统一：（地理基础统一，即确定投影、比例尺、分类分级编码）

（

3

）所用软件的检查、试用菜单准备及其它辅助工作

（

4

）硬件检查。

（

5

）精度试验。

（

6

）试验，样区、单项试验。

2.

几何图形数据的采集

（

1

）手工数字化

（

2

）手工矢量数字化

（

3

）数字化仪数字化

【核心笔记】空间数据的采集

1.

用数字化软件进行数字化

2.

手工栅格数字化

（

1

）扫描矢量化处理流程

（

2

）扫描矢量化

（

3

）屏幕跟踪矢量化流程

3.

属性数据采集

（

1

）键盘，人机对话方式

（

2

）程序批量输入。

4.

属性和几何数据的连接

（

1

）可手工输入

（

2

）由系统自动生成

(

如用顺序号代表标识符

)

5.

空间数据的编辑和检核

（

1

）空间数据输入的误差

①几何数据的不完整或重复。

②几何数据的位置不正确。

③比例尺不正确。

④变形。

⑤几何数据与属性数据的连接有误。

⑥属性数据错误、不完整。

键盘输入错误，漏输数据或属性错误分类、编码等。

（

2

）

①

②在屏幕上用地图要素对应的符号显示数字化的结果，对照原图检查错误；

③把数字化的结果绘图输出在透明材料上

④

⑤对于面状要素，可在建立拓扑关系时，根据多边形是否闭合来检查，或根据多边形与多边形内点的

⑥

⑦

第

22

页共

75

页

⑧对于图纸变形引起的误差，应使用几何纠正来进行处理。

【核心笔记】

GIS

的数据质量

的数据质量的内容（类型）

（

1

）

GIS

数据质量的基本内容

①位置（几何）精度：如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的误差。

②属性精度：如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。

③逻辑一致性：如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等，由几何或属性误差也会

引起逻辑误差。

④完备性：如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性，数据层完

⑤现势性：如数据的采集时间、数据的更新时间等。

（

2

）误差的具体来源

①数据采集

实测误差，地图制图误差（制作地图的每一过程都有误差），航测遥感数据分析误差（获取、判读、转

换、人工判读（识别要素）误差）

②数据输入

数字化过程中操作员和设备造成的误差，某些地理属性没有明显边界引起的误差（地类界）

③数据存贮

数字存贮有效位不能满足（由计算机字长引起，单精度、双精度类型）空间精度不能满足

④数据操作类别间的不明确、边界误差（不规则数据分类方法引起）

多层数据叠加误差

多边形叠加产生的裂缝（无意义多边形）

各种内插引起的误差

⑤数据输出比例尺误差、输出设备误差、媒质不稳定（如图纸伸缩）

（

3

）成果使用

用户错误理解信息、不正确使用信息

（

4

）误差传播

误差传播可分为

2

类：

①代数（算术）关系如差、倍数、线性关系，有一套成熟的经典测量误差理论处理。

②逻辑关系

a

、布尔逻辑关系：

GIS

中存在大量的逻辑运算，如叠置分析。

b

、不精确推理关系：

如专家系统中的不精确推理。

逻辑关系下的误差传播正处于研究中，需要借用信息论，模糊数学、人工智能、专家系统等学科有望

解决。

数据质量的评价方法

（

1

）直接评价法

①用计算机程序自动检测

某些类型的错误可以用计算机软件自动发现，数据中不符合要求的数据项的百分率或平均质量等级也

可由计算机软件算出。此外，还可检测文件格式是否符合规范、编码是否正确、数据是否超出范围等。

②随机抽样检测在确定抽样方案时，应考虑数据的空间相关性。

（

2

）间接评价法

-----

（地理相关法和元数据法）

第

23

页共

75

页

指通过外部知识或信息进行推理来确定空间数据的质量的方法。用于推理的外部知识或信息如用途、

数据历史记录、数据源的质量、数据生产的方法、误差传递模型等。

（

3

）非定量描述法

通过对数据质量的各组成部分的评价结果进行的综合分析来确定数据的总体质量的方法。

3.

数字化的误差评价和质量控制

（

1

）评价数字化误差的方法

①自动回归法

由于跟踪数字化不仅是一个随机序列，而且是一个时间序列，因此可用数理统计中的时间序列分析法

来确定数字化的误差。

②ε－

Band

法

该方法适用于任何类型的

GIS

数据，关键是如何给出合理的ε值。

③对比法

把数字化后的数据，用绘图机绘出，与原图叠合，选择明显地物点进行量测，以确定误差。除了几何

精度外，属性精度、完整性、逻辑一致性等也可用对比法进行对照检查。

（

2

）数字化过程中的质量控制

①数字化预处理工作

包括对原始地图、表格等的整理、清绘。

②数字化设备的选用

根据手扶数字化仪、扫描仪等设备的分辨率和精度等有关参数的进行挑选，这些参数不应低于设计的

数据精度要求。

③数字化对点精度（准确性）

数字化时数据采集点与原始点的重合程度，一般要求对点误差小于

0.1mm

。

④数字化限差

包括：采点密度（

0.2mm

）、接边误差（

0.02mm

）、接合距离

(0.02mm)

、悬挂距离

(0.007mm)

等。

⑤数据的精度检查

输出图与原始图之间的点位误差，一般要求对直线地物和独立地物，误差小于

0.2mm

，对曲线地物和

水系，误差小于

0.3mm

，对边界模糊的要素应小于

0.5mm

。

4.

数据处理中数据质量的评价

（

1

）数字高程模型

(DEM)

的精度

主要受原始资料的精度

(

采样密度、测量误差、地形类别、控制点等

)

和内插的精度

(

内插方法、地形类

型、原始数据的密度等

)

的影响。

DEM

的内插精度主要受原始采样点的采样密度的影响，与不同的插值方法的关系不很大。但在

DEM

精度评定的标准方面、地貌逼真度方面、

DEM

的粗差探测等方面仍没有得到圆满的解决。

目前

,

对

DEM

精度的评价常采用原始等高线与再生等高线叠合评价的方法。

（

2

）矢量数据栅格化的误差

包括属性误差和几何误差两种。

在矢量数据转换为栅格数据后，栅格数据中的每个象元只含有一个属性数据值，它是象元内多种属性

的一种概括。象元越大，属性误差越大。

几何误差是指在矢量数据转换成栅格数据后所引起的位置的误差，以及由位置误差引起的长度、面积、

拓扑匹配等的误差。几何误差的大小与象元的大小成正比。

其中矢量数据表示的多边形网用象元逼近时会产生较严重的拓扑匹配问题。

误差分析的一种方法：假设存在一幅理想的矢量地图，图上不同属性的制图单元由很细的线分开；对

第

24

页共

75

页

理想地图进行观测采样得到一幅具有规则格网的栅格地图，把这两幅图进行叠置比较。

（

3

）多边形叠置产生的误差

多边形叠置误差计算的思路是，先计算单层图的误差，再计算叠置图的误差。会产生拓扑匹配误差、

几何误差和属性误差。

①拓扑匹配误差

多边形叠置往往是不同类型的地图、不同的图层，甚至是不同比例尺的地图进行叠置，因此，同一条

边界线往往是不同的数据，这样在叠置时必然会出现一系列无意义的多边形。所叠置的多边形的边界越精

确，越容易产生无意义的多边形。这就是拓扑匹配误差。

多边形叠置所形成的多边形的数量与原多边形边界的复杂程度有关。如果多边形之间具有统计独立性

时，产生中等数量的多边形；如果是高度相关的，则产生大量无意义的多边形。

-----

需要合并无意义的多边

形。（青岛掌心博阅电子书）

合并无意义的多边形的方法：

a.

用人机交互的方法把无意义的多边形合并到大多边形中；

b.

根据无意义多边形的临界值，自动合并到大多边形中；

c.

用拟合后的新边界进行合并。

②几何误差：新边界可能会偏离已制图的边界位置（或真实位置）。为了保证人们习惯上认为重要的边

界线的精度，如境界、河流、主要道路等，处理时应对这些边界上的点加权使他们能尽可能地不被移动。

③属性误差：

实际上每个进行叠置的多边形本身的属性就是有误差的，因为属性值是分类的结果

(

如把植被分为不同

的类别

)

，而分类就会产生误差。多幅图的叠置会使误差急剧增加，以至使叠置出的结果不可信。

【核心笔记】空间数据标准

--

数据共享

1.

概述

（

1

）目前影响数据共享的因素

体制上：行业数据保密政策。

技术上：不同系统对空间数据采用的数据结构和数据格式不同。

网络化程度：资源共享是网络主要功能之一，用户可共享网络分散在不同地点的各种软硬件。

（

2

）空间数据标准：

是指空间数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式等的标准形式。每个地理信息

系统都必须具有相应的空间数据标准。

（

3

）空间数据标准的状况：

如果只针对某一地理信息系统设计空间数据标准，并不困难；如果所建立的空间数据标准能为大家所

承认，为大多数系统所接受和使用，就比较复杂和困难。

目前，我国已有一些与

GIS

有关的国家标准，内容涉及数据编码、数据格式、地理格网、数据采集技

术规范、数据记录格式等。

2.

空间数据分类标准

（

1

）原则：

①遵循已有的国家标准，以利于全国范围内的数据共享。

②遵循国务院有关部委以及军队正在使用的数据标准。

③遵循各领域中普遍使用和认同的数据标准。

④当各种数据标准相互矛盾时，应遵循由上而下的原则进行处理。

⑤制定新的数据标准时，应尽可能参考同类标准。

（

2

）目前我国已有的与

GIS

有关的关于空间数据分类的国家标准：

第

25

页共

75

页

GB2260-95

《中华人民共和国行政区划代码》

GB13923-92

《国土基础信息数据分类与代码》

GB11708-89

《公路桥梁命名和编码规则》

GB14804-93

《

1

：

500

、

1

：

1000

、

1

：

2000

地形要素分类与代码》等等。

3.

空间数据交换标准

（

1

）外部数据交换标准

特点：自动化程度不高，速度较慢等，但它可解决不同

GIS

之间的数据转换问题。它仍然是实现数据

共享的主流方式。

（

2

）空间数据互操作协议

特点：比外部数据交换标准方便，但由于各种软件存储和处理空间数据的方式不同，空间数据的互操

作函数又不可能很庞大，因此往往不能解决所有问题。

（

3

）空间数据共享平台服务器存放空间数据采用客户机

/

服务器体系结构，各种

GIS

通过一个公共的平

台在服务器存取所有数据，以避免数据的不一致性。

特点：思路较好，但现有的

GIS

软件各有自己的底层，要统一平台目前难以实现。

4.

统一数据库接口

在对空间数据模型有共同理解的基础上，各系统开发专门的双向转换程序，将本系统的内部数据结构

转换成统一数据库的接口。

特点：这种方式的前提，首先要求对现实世界进行统一的面向对象的数据理解，这不易实现的。

目前：外部数据交换标准仍是实现数据共享的主流方式。

四、我国空间数据交换格式

我国已发布了

GIS

的外部数据交换格式，包括矢量数据交换格式、栅格数据交换格式和数字高程模型

交换格式标准。

空间元数据（

GeospatialMetadata

）

（

1

）空间元数据的定义和作用

①定义：

地理的数据和信息资源的描述性信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描

述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。

②作用：

（

a

）用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源。

（

b

）帮助数据使用者查询所需空间信息。

（

c

）组织和维护一个机构对数据的投资。

（

d

）用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心。

（

e

）提供数据转换方面的信息。

（

2

）空间元数据的分类

①高层元数据（数据集系列

Metadata

），描述整个数据集的元数据，包括数据集区域采样原则，数据库

的有效期，数据的时间跨度、分辨率以及方法等。是用户用于概括性查询数据集的主要内容。

②中层元数据（数据集

Metadata

），既可以作为数据集系列

Metadata

的组成部分，也可以作为后面数据

集属性以及要素等内容的父

Metadata

数据集系列。全面反映数据集的内容。

③底层元数据（要素、属性的类型和实例

Metadata

），包括最近更新日期，位置纲量，存在问题标识（如

数据的丢失原因），数据处理过程等。是元数据体系中详细描述现实世界的重要部分。

（

3

）空间元数据的内容

第

26

页共

75

页

对空间元数据所要描述的一般内容进行层次化和范式化，指定出可供参考与遵循的空间元数据标准的

内容框架。

第一层是目录层，主要用于对数据集信息进行宏观描述，适合在数字地球的国家级空间信息交换中心

或区域以及全球范围内管理和查询空间信息时使用。

第二层是空间元数据标准的主体，由八个基本内容部分和四个引用部分组成。

（

4

）元数据的获取

数据收集前，得到的是根据要建设的数据库的内容而设计的元数据，包括数据类型、数据覆盖范围、

使用仪器说明、数据变量表示、数据收集方法、数据时间、数据潜在利用等。

数据收集中，随数据的形成同步产生的元数据，例如在测量海洋要素数据时，测点的水平和垂直位置、

深度、温度等是同时得到的。

数据收集后，根据需要产生的，包括数据处理过程描述、数据的利用情况、数据质量评估、数据集大

小数据存放路径等。

6.

空间数据的互操作

（

1

）互操作含义

指异构环境下两个或两个以上的实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不

同，但它们可以互相通信和协作，以完成某一特定任务，这些实体包括程序、对象、系统运行环境等。

互操作地理信息处理，是指数字系统的这些能力：

①自由地交换所有关于地球的信息，即所有关于地表上的、空中的、地球表面以下的对象的信息。

②通过网络协作运行能够操作这些信息的软件。

概括为自由交换地理空间信息及协作运行空间信息处理的软件。

（

2

）

GIS

互操作类型

①软件的互操作，强调软件功能块间的相互调用；

②数据的互操作，强调数据集之间相互透明的访问；

③语义湖操作，强调信息的共享，在一定语义约束下（对地理现象共同的理解下）的互操作。

（

3

）

GIS

互操作问题目前，所建立的

GIS

均被认为是信息孤岛，不同系统之间存在互操作问题，因为：

①没有统一的标准，各自采用不同的数据格式、数据存储和数据处理方法；

②系统的开发均建立在具体、相互独立和封闭的平台，且不同应用部门对地理现象有不同的理解，导

致对地理信息有不同的定义，使得不同应用系统之间在共同协作时无法进行信息交流和数据共享。

（

4

）急需实现异构

GIS

间的互操作

①解决基础数据的共享问题的需要；

②

GIS

应用趋向多学科综合和集成化；

③

GIS

走向社会化的需要；

④也是

InternetGIS

发展的需要。

（

5

）

GIS

互操作现状

目前，主要有两种方法初步实现互操作：

①

OPENGIS

规范，通过规定统一的系统设计和开发软件工具的框架，

OGC

（

OpenGISConsortium

）

OPENGIS

协会为实现

GIS

间的互操作制定了

OPENGIS

规范。

②构件（组件）技术，构件（组件）技术也是实现互操作的可行方法。程序设计中的组件技术，可以

在许多不同平台下使用，受之启发，可将

GIS

某功能包装成独立的组件，使之可以在不同的系统环境下调

用。这样可实现系统功能的相互调用。

S

规范

（

1

）含义

第

27

页共

75

页

OGIS

，也叫开放式地理数据交换规程，它是由开放地理信息系统协会（

OpenGISConsortium

）制定的一

系列开放标准和接口。

OpenGIS

规范是

OGC

规范的最高层次，是利用软件统一地表示地理数据和地理处理

的规范系统。

（

2

）目的

在传统

GIS

软件与高带宽的异构地学处理环境中架起一座桥梁，具体通过信息基础设施，把地理空间

数据和地理处理资源集成到主流的计算机技术中，促使可互操作的商业地理信息处理软件的广泛应用。

（

3

）特点：

①是一种统一的规范，使用户和开发者能进行互操作；

②能克服烦琐的批处理及导入、导出障碍，在分布操作系统异构数据库环境下获取数据及数据处理功

能资源；

③由于

OpenGIS

独立于具体平台，它只能是抽象层的概念描述，而不是具体的实现。

（

4

）多数据格式是多源空间数据集成的瓶颈，是

OpenGIS

出现的基础

①多语义性由于地理系统的研究对象的多种类特点决定了地理信息的多语义性。一个

GIS

研究的决不

会是一个孤立的地理语义，但不同系统解决问题的侧重点也有所不同，因而会存在语义分异问题。

②多时空性和多尺度

一个

GIS

系统中的数据源既有同一时间不同空间的数据系列；也有同一空间不同时间序列的数据。还

会根据系统需要而采用不同尺度对地理空间进行表达，不同的观察尺度具有不同的比例尺和不同的精度。

③获取手段多源性

获取地理空间的数据的方法有多种多样，包括来自现有系统、图表、遥感手段、

GPS

手段、统计调查、

实地勘测等。

④存储格式多源性

图形数据又可以分为栅格格式和矢量格式两类。传统的

GIS

一般将属性数据放在关系数据库中，而将

图形数据存放在专门的图形文件中。不同的

GIS

软件采取不同的文件存储格式。

（

5

）

OpenGIS

规范的作用

通过

OpenGIS

规范把商业部门、集成部门、用户、研究人员、数据提供商等连接到一起，通过必要的

软件工具和通信技术，为各种用户提供对地理信息的共享和互操作。

（

6

）互操作地理信息的工作方式（

OGIS

框架）

如何实现

OpenGIS

规范，

OpenGIS

规范并没有提出具体的标准实施模式，其框架主要由三部分组成

①开放的地理数据模型（

OpenGeodataModel,OGM

）

包含认可的类型和结构集合（将地理现实抽象为实体（特征）和现象（层）），通过这一集合，可表示

任何地理模型。

②

OGIS

服务模型（

OpenServiceModel

，

OSM

）

定义地学数据服务的对象模型，由一组相互可操作的软件构件集组成，为对特征的访问提供对象管理、

获取、操作、交换等服务设施。

③信息群模型（

InformationCommunitiesModel

）

信息群指共享数据的用户群，可以是数据提供者、使用者。不同用户对数据理解不同，引起语义上交

流障碍。信息群模型，主要任务是解决具有统一的

OGM

（开放地理数据模型）及语义描述机制的一个信息

部门内部以及不同

OGM

及语义描述的信息部门之间的数据共享问题。采用的主要方法是语义转换，使具有

不同特征类定义以及语义模式的信息用户群之间实现语义的互操作。

第

28

页共

75

页

第

4

章空间数据的处理

考研提纲及考试要求

考点：点线拓扑关系的自动建立

考点：多边形拓扑关系自动建立

考点：编辑操作

考点：关键算法

考点：图幅数据的坐标变换

考点：几何纠正

考点：地图投影变换

考点：矢量数据压缩

考研核心笔记

【核心笔记】拓扑关系的自动建立

1.

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

（

2

）在图形采集和编辑之后自动建立，其基本原理与前类似。

2.

多边形拓扑关系自动建立

（

1

）链的组织

①找出在链的中间相交的情况，自动切成新链；

②把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号。

（

2

）结点匹配

①把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取多个端点的平均值。

②对结点顺序编号。

（

3

）检查多边形是否闭合

通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行

.

多边形不闭合的原因：

①由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端点未匹配；

②由于数字化误差较大，或数字化错误，这些可以通过图形编辑或重新确定匹配限差来确定。

③还可能这条链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑，这种情况下可以作一标记，使之不参加下一

阶段拓扑建立多边形的工作。

（

4

）建立多边形

①概念

a.

顺时针方向构多边形：指多边形是在链的右侧。

b.

最靠右边的链：指从链的一个端点出发，在这条链的方向上最右边的第一条链，实质上它也是左边最

近链。

a

的最右边的链为

d

c.

多边形面积的计算

当多边形由顺时针方向构成时，面积为正；反之，面积为负。

②建立多边形的基本过程

a.

顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链。

b.

取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作为下一条链。

第

29

页共

75

页

c.

是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转

4

°；否，转

2

°。

d.

取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转

2

°；若这条链已用过两次，

即已成为两个多边形的边，则转

1

°。

（

5

）岛的判断

岛的判断即指找出多边形互相包含的情况，也即寻找多边形的连通边界

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。

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。

④找出该多边形所包含的所有面积为负的多边形，并把这些面积为负的多边形加入到包含它们的多边

形中，转

3

°。

在该算法中，找出正面积多边形包含的负面积多边形是关键，其基本过程可描述为：正面积多边形包

含的负面积多边形是关键

.

a.

找出所有比该正面积多边形面积小的负面积多边形。

b.

用外接矩形法去掉不可能包含的多边形。即负面积多边形的外接矩形不和该正面积多边形的外接矩形

相交或被包含时，则不可能为该正面积多边形包含。

c.

取负面积多边形上的一点，看是否在正面积多边形内，若在内，则被包含；若在外，则不被包含。

（

6

）确定多边形的属性

多边形以内点标识。内点与多边形匹配后

,

内点的属性常赋于多边形

.

【核心笔记】图形编辑

图形编辑又叫数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工，其主要的目的

是在改正数据差错的同时，相应地改正数字化资料的图形。

图形编辑是一交互处理过程，

GIS

具备的图形编辑功能的要求是：

（

1

）具有友好的人机界面，即操作灵活、易于理解、响应迅速等；

（

2

）具有对几何数据和属性编码的修改功能，如点、线、面的增加、删除、修改等；

（

3

）具有分层显示和窗口操作功能，便于用户的使用。

1.

编辑操作

（

1

）结点的编辑

①结点吻合

(Snap)

或称结点匹配、结点咬合，结点附和。

方法：

a.

结点移动，用鼠标将其它两点移到另一点；

b.

鼠标拉框，用鼠标拉一个矩形，落入该矩形内的结点坐标通过求它们的中间坐标匹配成一致；

c.

求交点，求两条线的交点或其延长线的交点，作为吻合的结点；

d.

自动匹配，给定一个吻合容差，或称为咬合距，在图形数字化时或之后，将容差范围内的结点自动吻

合成一点。

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。

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。

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；

第

30

页共

75

页

c.

自动编辑，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。

③需要考虑两种情况

a.

要求坐标一致，而不建立拓扑关系；如高架桥（不需打断，直接移动）

b.

不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关系；如道路交叉口（需要打断）

④清除假结点（伪结点）

由仅有两个线目标相关联的结点成为假结点。

有些系统要将这种假结点清除掉（如

ARC/INFO

），即将目标

A

和

B

合并成一条，使它们之间不存在结

点

;

但有些系统并不要求清除假结点，如

Geostar,

因为它们并不影响空间查询、分析和制图。

（

2

）图形编辑

包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。

①删除和增加一个顶点

删除顶点，在数据库中不用整体删除与目标有关的数据，只是在原来存储的位置重写一次坐标，拓扑

关系不变。

增加顶点，则操作和处理都要复杂。不能在原来的存储位置上重写，需要给一个新的目标标识号，在

新位置上重写，而将原来的目标删除，此时需要做一系列处理，调整空间拓扑关系。

②移动一个顶点

移动顶点只涉及某个点的坐标，不涉及拓扑关系的维护，较简单。

③删除一段弧段

复杂，先要把原来的弧段打断

,

存储上原来的弧段实际被删除，拓扑关系需要调整和变化

.

（

3

）数据检查与清理

数据检查指拓扑关系的检查，结点是否匹配，是否存在悬挂弧段，多边形是否封闭，是否有假结点。

要求系统能将有错误或不正确的拓扑关系的点、线和面用不同的颜色和符号表示出来，以便于人工检

查和修改。

数据清理则是用自动的方法清除空间数据的错误

.

（

4

）撤消与恢复编辑

Undo,Redo

功能是必要的。但功能的实现是困难的。当撤消编辑，即恢复目标，要恢复目标的标识和坐

标、拓扑关系。这一处理过程相当复杂。

因此，有些

GIS

不在图形编辑时实时建立和维护拓扑关系，如

Arc/Info

等，而在图形编辑之后，发

Clean

或

Build

命令重新建立拓扑关系。这样，在每次进行任何一次编辑，都要重新

Clean

或

Build

，对用户不便。

2.

关键算法

（

1

）点的捕捉

（

2

）线的捕捉

加快线捕捉的速度的方法：

①在实际的捕捉中，可每计算一个距离

di

就进行一次比较，若

di

＜

D

，则捕捉成功，不需再进行下面

直线段到点

S

的距离计算了。

②把不可能被光标捕捉到的线，用简单算法去除。

③对于线段也采用类似的方法处理。

④简化距离公式：

简化为：

第

31

页共

75

页

（

3

）面的捕捉

实际上就是判断光标点

S(x,y)

是否在多边形内，若在多边形内则说明捕捉到。

判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法或转角法。

垂线法的基本思想是从光标点引垂线

(

实际上可以是任意方向的射线

)

，计算与多边形的交点个数。

若交点个数为奇数则说明该点在多边形内；若交点个数为偶数，则该点在多边形外。

加快速度的方法：

①找出该多边形的外接矩形，若光标点落在该矩形中，才有可能捕捉到该面，否则放弃对该多边形的

进一步计算和判断。

②对不可能有交点的线段应通过简单的坐标比较迅速去除。

③运用计算交点的技巧。

（

4

）图形编辑的数据组织ё空间索引

①对象范围索引

为加速检索，需要分层建索引，主要方法有格网索引和四叉树索引。

②格网索引

a.

每个要素在一个或多个网格中

b.

每个网格可含多个要素

c.

要素不真正被网格分割，

③四叉树索引

线性四叉树和层次四叉树都可以用来进行空间索引。

a.

线性四叉树，先采用

Morton

或

Peano

码，再根据空间对象覆盖的范围进行四叉树分割。

b.

层次四叉树，需要记录中间结点和父结点与子结点之间的指针，若某个地物覆盖了哪个中间结点，还

要记录该空间对象的标识。（青岛掌心博阅电子书）

建立了索引文件后的图形编辑，不仅要修改原始的空间数据，而且要修改相关的索引文件。

【核心笔记】坐标变换

1.

图幅数据的坐标变换

几何变换

（

1

）比例尺变换：乘系数

（

2

）变形误差改正：通过控制点利用高次变换、二次变换和仿射变换加以改正。

（

3

）坐标旋转和平移

即数字化坐标变换，利用仿射变换改正。

（

4

）投影变换：三种方法。

2.

几何纠正

（

1

）高次变换

其中

A

、

B

代表二次以上高次项之和。

上式是高次曲线方程，符合上式的变换称为高次变换。式中有

12

个未知数，所以在进行高次变换时，

需要有

6

对以上控制点的坐标和理论值，才能求出待定系数。

（

2

）二次变换

当不考虑高次变换方程中的

A

和

B

时，则变成二次曲线方程，称为二次变换。二次变换适用于原图有

非线性变形的情况，至少需要

5

对控制点的坐标及其理论值，才能解算待定系数。

第

32

页共

75

页

（

3

）仿射变换

实质是两坐标系间的旋转变换。青岛掌ㅏ心博阅电子书

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：直线变换后仍为直线；平行线变换后仍为平行线；不同方向上的长度比发生变化。

求解上式中的

6

个未知数，需不在一直线上的

3

对已知控制点的坐标及其理论值，就可求得待定系数。

但在实际使用时，由于误差，需多余观测，往往利用

4

个以上的点进行纠正，利用最小二乘法处理，以提

高变换的精度。

3.

地图投影变换

地图投影变换的实质是建立两平面场之间点的一一对应关系。假定原图点的坐标为

x,y(

称为旧坐标

)

，

新图点的坐标为

X

，

Y(

称为新坐标

)

，则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为：

（

1

）

①反解变换法

(

又称间接变换法

)

②正解变换法

(

又称直接变换法

):

不需要反解出原地图投影点的地理坐标

,

而是直接求出两种投影点的直

角坐标关系式。青岛掌ㅑ心博阅电╞子书

（

2

）数值变换法

采用多项式逼近的方法

:

利用若干同名数字化点（对同一点在两种投影中均已知其坐标的点），采用插值

法、有限差分法或多项式逼近的方法，即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式。

（

3

）数值解析变换法

【核心笔记】数据压缩与光滑

1.

矢量数据压缩

矢量数据压缩的目的是删除冗余数据，减少数据的存贮量，节省存贮空间，加快后继处理的速度。下

面介绍几种常用的矢量数据的压缩算法，以及它们之间的异同点。

（

1

）

Douglas

ё

Peucker

基本思路：对每一条曲线的首末点虚连一条直线，求所有点与直线的距离，并找出最大距离值

dmax

，

用

dmax

与限差

D

相比：

若

dmax

＜

D

，这条曲线上的中间点全部舍去；

若

dmax

≥

D

，保留

dmax

对应的坐标点，并以该点为界，把曲线分为两部分，对这两部分重复使用该

第

33

页共

75

页

方法。

（

2

）垂距法

基本思想：每次顺序取曲线上的三个点，计算中间点与其它两点连线的垂线距离

d

，并与限差

D

比较。

若

d

＜

D

，则中间点去掉；若

d

≥

D

，则中间点保留。然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。

压缩算法好，可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；

（

3

）光栏法

基本思想：定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。

算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点

p

值去掉而失真。

（

4

）几种方法的比较

如果某种矢量数据的压缩算法既能精确地表示数据，又能最大限度地淘汰不必要的点，那就是一种好

的算法。具体可以依据简化后曲线的总长度、总面积、坐标平均值等与原始曲线的相应数据的对比来判别。

通过分析可以发现，大多数情况下道格拉斯ёё普克法的压缩算法较好，但必须在对整条曲线数字化

完成后才能进行，且计算量较大；垂距法的压缩算法也很好，并且可在数字化时实时处理，每次判断下一

个数字化的点，且计算量较小；光栏法算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点

p

值去掉而失真。

2.

栅格数据压缩

（

1

）四叉数编码

基本思路：

将

2n

×

2n

象元组成的图像

(

不足的用背景补上

)

所构成的二维平面按四个象限进行递归分割，直到子象

限的数值单调为止。也即将一幅栅格图象等分为四部分，逐块检查其格网属性值，如果某一子区的所有栅

格的属性值相同，则这个子区不再继续分割，否则还要把这个子区再分割为四个子区，这样依此地分割，

直到每个子区都有相同的属性值。最后得到一颗四分叉的倒向树，该树最高为

n

级。

常规四叉树除了要记录叶结点外，还要记录中间结点，结点之间的联系靠指针。因此，为了记录常规

四叉树，通常每个结点需要

6

个变量，即父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值。

结点所代表的图像块的大小可由结点所在的层次决定，层次数由从父结点移到根结点的次数来确定。

结点所的代表的图像块的位置需要从根节点开始逐步推算下来。因而常规四叉树是比较复杂的。为了解决

四叉树的推算问题，提出了一些不同的编码。

下面介绍最常用的线性四叉树编码。

线性四叉树编码的基本思想是：不需记录中间结点和使用指针，仅记录叶结点，并用地址码表示叶结

点的位置。

线性四叉树有四进制和十进制两种，下面介绍的是通常使用的十进制四叉树编码。十进制四叉树的地

址码又称

Morton

码。

为了得到线性四叉树的地址码，首先将二维栅格数据的行列号转化为二进制数，然后交叉放入

Morton

码中，即为线性四叉树的地址码。

在一个

2n

×

2n

的图像中，每个像元点都给出一个

Morton

码，就可将用行列表示的二维图像，用

Morton

码写成一维数据，通过

Morton

码就可知道象元的位置。

把一幅

2n

×

2n

的图像压缩成线性四叉树的过程为：

①按

Morton

码把图象读入一维数组。

②相邻的四个象元比较，一致的合并，只记录第一个象元的

Morton

码。

③比较所形成的大块，相同的再合并，直到不能合并为止。

对用上述线性四叉树的编码方法所形成的数据还可进一步用游程长度编码压缩。压缩时只记录第一个

象元的

Morton

码。

（

2

）四叉数编码

对于前图所示图像的

Morton

为：

第

34

页共

75

页

A0A1A4A5

A2B3B6B7

A8A9B12B13

A10A11B14B15

该图中象元值的右下脚标为

Morton

码，则压缩处理过程为：

①按

Morton

码读入一维数组。

Morton码：1112131415

象元值：AAABAABBAAAABBBB

②四相邻象元合并，只记录第一个象元的

Morton

码。

AAABAABBAB

③由于不能进一步合并，则用游程长度编码压缩。

0346812

ABABAB

解码时，根据

Morton

码就可知道象元在图像中的位置

(

左上角

)

，本

Morton

码和下一个

Morton

码之差

即为象元个数。知道了象元的个数和象元的位置就可恢复出图像了。

线性四叉树编码的优点是：压缩效率高，压缩和解压缩比较方便，阵列各部分的分辩率可不同，既可

精确地表示图形结构，又可减少存贮量，易于进行大部分图形操作和运算。

缺点是：不利于形状分析和模式识别，即具有图形编码的不定性，如同一形状和大小的多边形可得出

完全不同的四叉树结构。

3.

曲线光滑（拟合）

【核心笔记】空间数据格式转换

1.

矢量向栅格转换

点：简单的坐标变换线：线的栅格化面：线的栅格化

+

面填充

矢量向栅格的转换

确定栅格单元的大小

△

X=(Xmax

–

Xmin)/J

△

Y=(Ymax

–

Ymin)/I

点的变换

矢量数据的点到栅格数据的点只是简单的坐标变换

:

I=1+INT{(Ymax-Y)/

△

Y}

J=1+INT{(Xmax-X)/

△

X}

线的变换

线是由多个直线段组成的，因此，线的栅格化的核心就是直线段如何由矢量数据转换为栅格数据。

设直线段的两端点坐标转换到栅格数据的坐标系后为

(xA,yA),(xB,yB)

。则栅格化的两种常用方法为

DDA

法

(

数字微分分析法

)

和

Brenham

在算法实现时，令起始的误差项为

e

＝－

1/2

，然后在推断出下一点后，令

e

＝

e

＋△

y/

△

x,

若

e

≥

0

时，

e

＝

e

－

1

。这样只要根据

e

的符号就可确定下一点的增量，即：

若

e

≥

0

，取

(1

，

1)

点

若

e

＜

0

，取

(1

，

0)

点

为避免浮点运算，可令初值

e

’

=e

×

2

×△

x=2

×△

y

－△

x

（当△

x

≥

0

时，与

e

同号）当

e

’

>0

时，

y

方

向获增量

1

，即令

e

’＝

e

’－

2

×△

x

；

一般情况下

e

’＝

e

’＋

2

△

y

第

35

页共

75

页

（

1

）面

(

多边形

)

的填充方法

①内部点扩散法（种子扩散法）

由一个内部的种子点，向其

4

个方向的邻点扩散。判断新加入的点是否在多边形边界上，如果是，不

作为种子点，否则当作新的种子点，直到区域填满，无种子点为止。

该算法比较复杂，而且可能造成阻塞而造成扩散不能完成

(

如图

)

，此外若多边形不完全闭合时，会扩散

出去。

②扫描法

按扫描线的顺序，计算多边形与扫描线的相交区间，再用相应的属性值填充这些区间，即完成了多边

形的栅格化。

这种算法的缺点是计算量较大

③边填充算法

基本思想是：对于每一条扫描线和每条多边形边上的交点，将该扫描线上交点右方的所有象素取原属

性值之补。对多边形的每条边作此处理，多边形的方向任意。下图是一个简单的例子。

本算法的优点是算法简单，缺点是对于复杂图形，每一象素可能被访问多次，增加了运算量。

为了减少边填充算法访问象素的次数，可引入栅栏。所谓栅栏指的是一条与扫描线垂直的直线，栅栏

位置通常取多边形的顶点，且把多边形分为左右两半。栅栏填充算法的基本思路是：对于每个扫描线与多

边形的交点，将交点与栅栏之间的象素用多边形的属性值取补。若交点位于栅栏左边，则将交点右边，栅

栏左边的所有象素取补；若交点位于栅栏的右边，则将栅栏右边，交点左边的象素取补。

2.

栅格向矢量转换

从栅格单元转换为几何图形的过程为矢量化；

（

1

）要求（矢量化过程应保持）：

①栅

->

矢转换为拓扑转换，即保持实体原有的连通性、邻接性等；

②转换实体保持正确的外形。

（

2

）方法

方法一，实际应用中大多数采用人工矢量化法，如扫描矢量化，该法工作量大，成为

GIS

数据输入、

更新的瓶颈问题之一。

方法二，程序转化转换（全自动或半自动）

①二值化

由于扫描后的图像是以不同灰度级存储的，为了进行栅格数据矢量化的转换，需压缩为两级

(0

和

1)

，

这就称为二值化。

二值化的关键是在灰度级的最大和最小值之间选取一个阈值，当灰度级小于阈值时，取值为

0

，当灰度

级大于阈值时，取值为

1

。阈值可根据经验进行人工设定，虽然人工设定的值往往不是最佳阈值，但在扫描

图比较清晰时，是行之有效的。当扫描图不清晰时，需由灰度级直方图来确定阈值，其方法为：

设

M

为灰度级数，

Pk

为第

k

级的灰度的概率，

nk

为某一灰度级的出现次数，

n

为象元总数，则有：

Pk

＝

nk/nk

＝

1

，„，

M

对于地图，通常在灰度级直方图上出现两个峰值

(

见图

)

，这时，取波谷处的灰度级为阈值二值化的效果

较好。

第

36

页共

75

页

②二值图像的预处理

对于扫描输入的图幅，由于原稿不干净等原因，总是会出现一些飞白、污点、线划边缘凹凸不平等。

除了依靠图像编辑功能进行人机交互处理外，还可以通过一些算法来进行处理。

③细化

所谓细化就是将二值图像象元阵列逐步剥除轮廓边缘的点，使之成为线划宽度只有一个象元的骨架图

形。细化后的图形骨架既保留了原图形的绝大部分特征，又便于下一步的跟踪处理。

细化的基本过程是：

a.

确定需细化的象元集合；

b.

移去不是骨架的象元；

c.

重复，直到仅剩骨架象元。

细化的算法很多，各有优缺点。经典的细化算法是通过

3

×

3

的象元组来确定如何细化的。其基本原理

是，在

3

×

3

的象元组中，凡是去掉后不会影响原栅格影像拓扑连通性的像元都应该去掉，反之，则应保留。

3

×

3

的象元共有

2

的

8

次方即

256

种情况，但经过旋转，去除相同情况，共有

51

种情况，其中只有一部分

是可以将中心点剥去的，如图

(1)

、

(2)

是可剥去的，而

(3)

、

(4)

的中心点是不可剥去的。通过对每个象元点经

过如此反复处理，最后可得到应保留的骨架象元。

如果是对扫描后的地图图像进行细化处理，应符合下列基本要求：

a.

保持原线划的连续性；

b.

线宽只为一个象元；ㅜ心博阅电子书

c.

细划后的骨架应是原线划的中心线；

d.

保持图形的原有特征。

e.

追踪

细化后的二值图像形成了骨架图，追踪就是把骨架转换为矢量图形的坐标序列。其基本步骤为：

a.

从左向右，从上向下搜索线划起始点，并记下坐标。

b.

朝该点的

8

个方向追踪点，若没有，则本条线的追踪结束，转

(1)

进行下条线的追踪；否则记下坐标。

④拓扑化

为了进行拓扑化，需找出线的端点和结点，以及孤立点。

a.

孤立点：

8

邻城中没有为

1

的象元。

b.

端点：

8

邻城中只有一个为

1

的象元。

c.

结点：

8

邻城中有三个或三个以上为

1

的象元。

在追踪时加上这些信息后，就可形成结点和孤段，就可用矢量数据的自动拓扑方法进行拓扑化了。

【核心笔记】空间插值

1.

概述

用各种方法采集的空间数据往往是按用户自己的要求获取的采样观测值，亦既数据集合是由感兴趣的

区域内的随机点或规则网点上的观测值组成的。但有时用户却需要获取未观测点上的数据，而已观测点上

的数据的空间分布使我们有可能从已知点的数据推算出未知点的数据值。

在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程称为内插；在已观测点的区域外估算未观测点的数据

的过程称为外推。

空间数据的内插和外推在

GIS

中使用十分普遍。一般情况下，空间位置越靠近的点越有可能获得与实

际值相似的数据，而空间位置越远的点则获得与实际值相似的数据的可能性越小。

第

37

页共

75

页

内插

:

在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程；

外推

:

在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程

.

ё

--

预测。

1.

边界内插

首先假定任何重要的变化都发生在区域的边界上，边界内的变化则是均匀的、同质的。

边界内插的方法之一是泰森多边形法。

泰森多边形法的基本原理是，未知点的最佳值由最邻近的观测值产生。

2.

趋势面分析

是一种多项式回归分析技术。多项式回归的基本思想是用多项式表示线或面，按最小二乘法原理对数

据点进行拟合，拟合时假定数据点的空间坐标

X

、

Y

为独立变量，而表示特征值的

Z

坐标为因变量。

（

1

）当数据为一维时，

①线性回归②二次或高次多项式

（

2

）数据是二维的

多项式的次数并非越高越好，超过

3

次的多元多项式往往会导致奇异解，因此，通常使用二次多项式。

趋势面是一种平滑函数，难以正好通过原始数据点，除非数据点数和多项式的系数的个数正好相同。

这就是说，多重回归中的残差属正常分布的独立误差，而且趋势面拟合产生的偏差几乎都具有一定程度的

空间非相关性。心博阅┢┾电子书

3.

局部内插

利用局部范围内的已知采样点的数据内插出未知点的数据。

（

1

）线性内插

（

2

）双线性多项式内插

将内插点周围的

4

个数据点的数据值带入多项式，即可解算出系数

a

0

、

a

1

、

a

2

、

a

3

（

3

）双三次多项式（样条函数）内插

是一种分段函数

,

每次只用少量的数据点，故内插速度很快；样条函数通过所有的数据点，故可用于精

确的内插；可用于平滑处理。

双三次多项式内插的多项式函数为：

第

38

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75

页

4.

移动平均法

在局部范围（或称窗口）内计算个数据点的平均值

.

二维平面的移动平均法也可用相同的公式，但位置

Xi

应被坐标矢量

Xi

代替。

窗口的大小对内插的结果有决定性的影响。

小窗口将增强近距离数据的影响；大窗口将增强远距离数据的影响，减小近距离数据的影响。

当观测点的相互位置越近，其数据的相似性越强；当观测点的相互位置越远，其数据的相似性越低。

加权移动平均法

:

λ

i

是采样点

i

对应的权值青岛掌ㅡ心博阅电子书

加权平均内插的结果随使用的函数及其参数、采样点的分布、窗口的大小等的不同而变化。通常使用

的采样点数为

6

ё

8

点。对于不规则分布的采样点需要不断地改变窗口的大小、形状和方向，以获取一定数

量的采样点。

【核心笔记】图形的裁剪、合并和图幅接边

1.

图形的裁剪

--

开窗处理

（

1

）方式：

正窗：提取窗口内的数据。开负窗：提取窗口外的数据子集。

矩形窗和多边形窗。

（

2

）算法：

包括点、线、面的窗口裁剪

---

计算机图形学。

而不规则多边形开窗

------

相当于多边形叠置处理。

2.

图形合并

---

数据文件合并

一幅图内的多层数据合并在一起

;

或将相邻的多幅图的同一层数据合并

.

涉及到空间拓扑关系的重建。对于多边形，由于同一个目标在两幅图内已形成独立的多边形，合并时，

需去除公共边界，属性合并，具体算法，删去共同线段。实际处理过程是先删除两个多边形，解除空间关

系后，删除公共边，再重建拓扑。

3.

图幅接边ё形成无缝数据库

几何裂缝：指由数据文件边界分开的一个地物的两部分不能精确地衔接。

--

几何接边

逻辑裂缝：同一地物地物编码不同或具有不同的属性信息，如公路的宽度，等高线高程等。

---

逻辑接

边

（

1

）识别或提取相邻图幅。

--

要求图幅编号合理

（

2

）几何接边

（

3

）逻辑接边

第

39

页共

75

页

①检查同一地物在相邻图幅的地物编码和属性值是否一致，不一致，进行人工编辑。

②将同一地物在相邻图幅的空间数据在逻辑上连在一起。

a.

索引文件，建立双向指针。

b.

关键字，空间操作的方法。

【核心笔记】图像数据的处理方法

图象增强

一幅图像经过生成、复制、扫描、传输、变换后，由于多种因素的影响，图像的质量不能满足要求，

这时就需要进行图像增强处理。图像增强的目的是改善图像的效果，以更适应人眼的观察或计算机的处理。

但是，对图像质量的评价并没有统一的标准，图像增强的方法往往带有一定的针对性。下面介绍一些

基本的图像增强方法。

1.

灰度级的修整

直接修改图像像素点灰度级是一种简单而有效的图像增强方法，主要有两种形式：一种是灰度级校正，

通过修改像素点的灰度级来补偿记录图像时的不均匀曝光；另一种是灰度级变换，用统一的方法改变图像

的灰度，以提高图像的质量。

（

1

）灰度级校正

图像记录系统应将物体的亮度单调地映射成图像的灰度级。在理想情况下，上述映射关系不随像素点

的位置而变化，然而，实际上却随像素点的位置而变化，即是不均匀曝光。

假定均匀曝光下图像的灰度级为

f(x,y)

，而实际上非均匀曝光下图像的灰度级为：

g(x,y)=e(x,y)

·

f(x,y)

其中

e(x,y)

描述了曝光的非均匀性。

为了确定

e(x,y)

，可使用一个已知亮度的均匀场面的图像来核准图像记录系统。设这个均匀场面经过均

匀曝光后的灰度级为常数

C

，而这个均匀场面经过非均匀曝光后的图像为

gc(x,y)

，则：

e(x,y)=gc(x,y)

∕

C

这样根据

e(x,y)

就能校正该系统得到的任何图像。

（

2

）灰度变换

当图像成像时曝光不足或过度，图像记录设备的范围太窄等因素，都会产生对比不足的问题，使图像

的细节分辨不清。为此需对每一像素的灰度级进行变换，扩大图像灰度的范围，达到图像增强的目的。

设原图像中像素点

(x,y)

处的灰度级为

f(x,y)

，通过映射函数

T

，生成的图像的灰度级为

g(x,y)

，即：

g(x,y)=T[f(x,y)]

①线性灰度变换

将对比度较差的图像的灰度线性扩展，常能显著改善图像的质量。

假定原图像

f(x,y)

的灰度范围为

[a,b]

，变换后的图像

g(x,y)

的灰度范围为

[c,d]

，则有：

②非线性灰度变换

当用某些非线性函数，如对数、指数函数作为映射函数时，可实现图像灰度的非线性变换。对数变换

的一般公式为：

a

、

b

、

c

为可调参数。当希望对图像的低灰度区有较大的扩展，而对高灰度区进行压缩时，可采用此变

第

40

页共

75

页

换。

指数变换的形式为：

这种变换能对图像的高灰度区以较大的扩展。

③灰度分层切片

此变换将图像中的某一段灰度范围抽取出来，转换成最大的灰度值。

（

3

）直方图变换

直方图表示数字图像中每一灰度级与其出现的频数（具有该灰度级的像素的数目）间的统计关系，横

坐标表示灰度级，纵坐标表示频数（或相对频数

=

频数

/

总像素数）。

直方图能给出图像的概貌性描述，如图像的灰度范围、灰度级的大致分布情况等。

①直方图均衡化

把原图像的直方图变换为各灰度值频率固定的直方图称为直方图均衡化。

②直方图正态化

如果灰度的频率分布接近正态分布的形状，通常认为适合于人眼观察，但如果把与正态分布形状相差

较大的图像勉强进行直方图正态化时，往往会产生问题。如当原图像的某一灰度的频率很高，而正态分布

所对应的该灰度值的频率变得较低，就会造成这部分信息被压缩和丢失的情况。

因此，直方图正态化对于卫星图像那种原图像的动态范围窄，且不够鲜明的图像是非常有效的。

2.

空域处理

（

1

）平滑

图像在生成和传输过程中会受到各种噪声源的干扰和影响，使图像质量变差。反映在图像上，噪声使

原本均匀和连续变化的灰度突然变大或变小，形成一些虚假的物体边缘或轮廓。抑制或消除这些噪声而改

善图像质量的过程称为图像的平滑。

①邻域平均法

a.

简单平均法

设图像中某像素的灰度值为

f(x,y)

，它的邻域

S

为

M

×

N

的矩形窗口，则平滑后该点的灰度值为：

②阈值平均法

设图像中某像素的灰度值为

f(x,y)

，它的邻域为

M

×

N

的矩形窗口，则平滑后该点的灰度值为：

T

为给定的阈值。

f

’

(x,y)

的计算方法同简单平均法。

③

K

ё近邻平均发

在一个

M

×

N

的窗口中，属于同一个物体的像素的灰度值会高度相关。因此，窗口中心像素的灰度值

可用窗口内与中心点灰度最接近的

K

个邻点的平均灰度来代替。一般而言，

K

值越小，则噪声方差降低越

小，但细节保持较好；而较大的

K

值平滑噪声效果好，但也会使图像模糊。

（

2

）低通滤波法

第

41

页共

75

页

从频谱上看，噪声特别是随机噪声是一种具有较高频率分量的信号。平滑的目的就是通过一定的手段

滤去这类信号。一个很自然的想法就是使图像经过一个二维的低通数字滤波器，让高频信号得到较大的衰

减。在空间域上进行的这种滤波实际上就是对图像和滤波器的冲击响应函数进行卷积。

设图像为

f(x,y)

，滤波器的冲击响应函数为

H(x,y)

，则卷积表达式为：

（

3

）中值滤波法

中值滤波的思想是对一个窗口内的所有像素的灰度值进行排序，取排序结果的中间值作为原窗口中心

点处像素的灰度值。

中值滤波的关键在于选择合适的窗口大小和形状。但一般很难事先确定窗口的尺寸，通常是从小到大

进行多次尝试。窗口的形状可选为正方形，也可选为十字形。

①尖锐化

在图像判断和识别中，需要有边缘鲜明的图像。图像尖锐化技术常用来对图像的边缘进行增强。

a.

微分法

在图像的判断和识别中，边缘是由不同灰度级的相邻像素点构成的。因此，若想增强边缘，就应该突

出相邻点间的灰度级变化。微分运算可用来求信号的变化率，具有加强高频分量的作用。如果将其应用在

图像上，可使图像的轮廓清晰。由于常常无法事先确定轮廓的取向，因而在挑选用于轮廓增强的微分算子

时，必须选择那些不具备空间方向性和具有旋转不变性的线性微分算子。

b.

高通滤波法

由于边缘是由灰度级跳变点构成的，因此，具有较高的空间频率。所以可用高通滤波法让高频分量顺

利通过，使低频分量得到抑制。通过增强高频分量，使图像的边缘变得清晰，实现图像的尖锐化。

这一思想反应在空间域的处理中就是让图像和高通滤波器的冲击响应函数进行卷积。所用的表达式与

低通滤波法中所用的相同，只是冲击响应函数不同。

3.

频域处理

频域处理是指根据一定的图像模型，对图像的傅立叶频谱的各个频段进行不同程度的修改的技术。通

常总是假设：

引起图像质量下降的噪声在图像的傅立叶频谱中占据的是高频段；

图像的边缘在傅立叶频谱中占据的也是高频段；

图像的主体或图像中灰度变化较缓的区域在频谱中占据的是低频段。

（

1

）频域中的平滑

平滑的目的是滤去噪声，即保留低频段，使高频段受到大的抑制。最常用的方法是低通滤波，其数学

表达式为：

G(u,v)=H(u,v)

·

F(u,v)

其中，

F(u,v)

是图像的傅立叶频谱，

H(u,v)

是低通滤波的转移函数（即频谱响应）。

具体的数学表达式请参阅有关图像处理书籍。

(2)

频域中的锐化

锐化的目的是突出边缘，即保留高频段，而使低频段受到大的抑制。最常用的方法是高通滤波，其数

学表达式为：

G(u,v)=H(u,v)

·

F(u,v)

其中，

F(u,v)

是图像的傅立叶频谱，

H(u,v)

是高通滤波的转移函数（即频谱响应）。

具体的数学表达式请参阅有关图像处理书籍。

(3)

同态滤波

同态滤波的目的是通过对图像作非线性变换，使构成图像的非可加性因素成为可加性的，从而容易进

行滤波处理。下面举一例子加以说明。

设图像

f(x,y)

由照射分量

I(x,y)

和反射分量

r(x,y)

的乘积构成，即：

第

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页

f(x,y)=I(x,y)

·

r(x,y)

因而有：

ln[f(xy)]=ln[I(x,y)]+ln[r(x,y)]

I(x,y)

描述的是照射源的特性，一般假设是缓变的；而

r(x,y)

描述的是景物的特性，随物体的细节在空间

上作快速变化。

如果对

ln[f(xy)]

作傅立叶变换，则其一部分是低频段的

ln[I(x,y)]

频谱，另一部分是高频段的

ln[r(x,y)]

频谱。可以用同一个滤波器进行滤波处理，而达到图像增强的目的。

设滤波器的频谱响应为

H(u,v),

其低频特性可根据对

ln[I(x,y)]

的增强确定，其高频特性可根据对

ln[r(x,y)]

的增强确定。经过滤波处理后，再将

ln[f(xy)]

进行反变换，就可得到增强后的

f(x,y)

。

4.

伪彩色增强

人眼对灰度级是极不敏感的，通常可分辨十几到二十几个灰度级，但却可以分辨出数千种的彩色。因

此，可以用彩色来增强灰度图像。

伪彩色技术不是观察物体的真正的颜色，而是根据图像的灰度级通过一种关系来指定相应的颜色，和

物体本身的颜色毫无关系。

（

1

）灰度级到彩色的处理

根据图像像素的灰度级，建立三个独立的变换关系，将灰度级变换为红、绿、蓝色调。其数学表达式

为：

(r,g,b)=(R[f(x,y)],G[f(x,y)],B[f(x,y)])

（

2

）滤波方法

这种彩色处理的技术的目的是根据频率的成分对一幅图像的各个区域进行彩色编码。具体步骤是：先

利用三种不同的滤波器分别得到三个频率范围内的频率分量；然后对上述三种频率分量分别作傅立叶变换，

得到变换后的三幅图像；再将这三幅图像分别作为显示系统的红色、绿色、兰色的输入端。有时在送入输

入端之前，还进行一些附加处理，如直方图均衡化

【核心笔记】二值图象处理

在数字图像中，二值图像占有非常重要的地位。在对地图、文字的扫描数字化和识别时，通常都是当

作二值图像来处理的。在二值图像中，通常

1

表示图形，

0

表示背景。

1.

图像的二值化

二值化是为了从图像中分离出对象物，即把图形和背景作为二值图像对待。图像二值化可以可用下列

阈值处理方法进行。

这里的问题是阈值

t

的确定方法。下面介绍主要的方法

（

1

）状态法

（

2

）微分直方图法

设想图像的边界处的灰度值急剧变化。这样就可不直接利用图像的灰度值，而是利用微分值（灰度的

变化率）来确定阈值。

设图像中某一像素的为

S

，计算这个像素的微分值，如取邻域各像素与该像素灰度值之差的最大值，或

取各个灰度值之差的绝对值之和；求出图像中具有灰度值

S

的所有像素的微分值之和。对所有的灰度值作

同样的处理，即得到微分直方图。㈄心博☼阅Ы电子书

如果选择微分直方图中最高值的灰度值，就可认为这一灰度值对应于灰度变化率最高的部分。

（

3

）可变阈值法

第

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页

当由于图像位置不同而平均灰度值不同时，用单一的阈值不能有效地对整个图像进行二值化。这时，

可让阈值随着图像的不同部分而变化，从而对整个图像进行有效处理。

2.

二值图像的平滑去噪

对于扫描输入或经过二值化的地图图像，由于原稿不干净或图像质量较差，总是伴随着毛刺、污点、

线划边缘凸凹不平等，通过二值图像的平滑去噪，可以去掉孤立的毛刺、黑斑，平滑线划的边缘，填补面

状目标内的小孔等，提高图像的质量。

一般的平滑处理方法是，采用

n

×

n

的辅助矩阵（

n

一般为

3

～

5

）为模板，逐行、逐列与二值图像匹配，

根据辅助矩阵中

0

、

1

象元的分布，使处于矩阵中心的象元从“

0

”变成“

1

”，或从“

1

”变为“

0

”。

（

1

）去毛刺

通常采用图所示的

3

×

3

的矩阵，包括其

3

次

90

°旋转形成的矩阵。当矩阵模板在二值图像上移动时，

只要二值图像与模板匹配，则把模板中心的“

1

”变为“

0

”。

（

2

）、线划平滑与孔洞填补

通常采用图所示的

3

×

3

的矩阵，包括其

3

次

90

°旋转形成的矩阵。当矩阵模板在二值图像上移动时，

只要二值图像与模板匹配，则把模板中心的“

0

”变为“

1

”。

（

3

）、去除独立污点

独立污点（小黑斑）是指其周围的像素都为“

0

”，而其本身的大小又可被一个

n

×

n

的矩阵所覆盖。则

建立

n

×

n

的矩阵，使其在图像上移动。移动时计算矩阵周边像素值的和，若其和为

0

，则将矩阵中心

n-2

×

n-2

区域的像素值赋为“

0

”。

3.

二值图像的边缘特征提取

二值图像的边缘特征提取是

GIS

图像处理中常用的技术，例如可以用于对地图扫描数字化后的数据进

行面状要素的提取。二值图像边缘特征提取的过程实际上是寻找像素灰度值急剧变化的位置的过程，并在

这些位置上将像素值置为“

1

”，其余位置上的像素值置为“

0

”，从而求出目标的边界线。

二值图像的边缘特征提取是用数学算子实现的，如

Sobel

、

Prewitt

、

Kirsch

、拉普拉斯等多种算子。这

些算子都是以一个

3

×

3

的模板与图像中

3

×

3

的区域相乘，得到的结果作为图像中这个区域中心位置的边

缘强度。在计算出图像中每一个像素的边缘强度后，将边缘强度大于一定值的点提取出来，并赋以像素值

“

1

”，其余赋以像素值“

0

”

设

f(i,j)

是

(i,j)

处的像素值，

(i,j)

位置处的边缘强度通常用差分值或其函数来表示。简单的差分算法有：

x

方向差分值：△

xf(i,j)=f(i,j)-f(i,j-1)

y

方向差分值：△

yf(i,j)=f(i,j)-f(i-1,j)

边缘强度

=|

△

xf(i,j)|+|

△

yf(i,j)|

或

=

△

x2f(i,j)+

△

y2f(i,j)

，等等。

各种算子的区别实际上只是计算差分的方法不同。

（

1

）

Prewitt

算子

其特点是：对称于中心位置处各像素的权值相。△

xf

、△

yf

分别等于相应模板与图像中对应区域元素

相乘之和。即：

△

xf=[f(i-1,j-1)-f(i-1,j+1)]+[f(i,j-1)-f(i,j+1)]+[f(i+1,j-1)-f(i+1,j+1)]

△

yf=[f(i-1,j-1)-f(i+1,j-1)]+[f(i-1,j)-f(i+1,j)]+[f(i-1,j+1)-f(i+1,j+1)]

边缘强度

=|

△

xf|+|

△

yf|

或

=max(|

△

xf|,|

△

yf|)

。

（

2

）

Sobel

算子

其特点是：对称于中心位置处，左右或上下方向上与对角线方向上各像素的权值不一样。

（

3

）拉普拉斯算子

边缘强度△

2f

等于模板与图像中对应区域元素相乘之和，是一个二次差分，具有各相同性，即不依赖

第

44

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页

于边缘线的方向

（

4

）

Kirsch

算子

这是一种最佳适配的边缘检测法。具有如图所示的

0

°、

45

°、

90

°、

135

°、

180

°、

225

°、

270

°、

315

°八个方向上的模板。用

M0

～

M7

分别与图像的各对应元素相乘，取计算结果的最大值作为中央像素的

边缘强度。

4.

二值图像的细化

为了从二值图像中提取线状目标的坐标信息，需要将粗线转换成单一象元连接而成的细线，即进行二

值图像的细化，二值图像的细化在图像处理中有着广泛的应用。

通常细化后的图形应具有如下基本性质：

（

1

）线宽为

1

个象元。

（

2

）细化后的线应尽量在原图形的中心。

（

3

）应保持图形的连通性，不能因细化而断开。

细化算法：模板逐行逐列与图像配准。若与模板配准，则为骨架像素（粗线目标的中心线像素），否则

为轮廓像素（粗线目标的边缘像素）。

【核心笔记】图像的特征提取和分析

一幅数字遥感影像所蕴涵的信息是十分庞杂的，利用这些信息中前，往往需要进行图像的特征提取和

分析。由于景物的物理与几何特性差异，在影像中表现为局部区域的灰度产生明显变化，形成影像特征。

图像特征提取就是提取构成目标影像的特征，主要有点特征提取和线特征提取。而图像分析是在特征提取

得基础上，通过对目标特征的分析和匹配来识别目标。

1.

点特征提取

点特征主要指图像中的明显点，如房屋角点、圆点等，在图像匹配合遥感影像定位中很有用。用于点

特征提取得算子称为有利算子或兴趣算子。自七十年代以来出现一系列各不相同、个有特色的兴趣算子，

叫知名的有

Moravec

算子、

Hannah

算子与

Foistner

等。

下面以

Moravec

算子为例说明点特征提取：

Moravec

算子的基本思想是，以像元的四个主要方向上最小灰度方差表示该像元与邻近像元的灰度变化

情况，即像元的兴趣值，然后在图像的局部选择具有最大的兴趣值得点（灰度变化明显得点）作为特征点，

具体算法如下：

（

1

）计算各像元的兴趣值

IV(interestvalue)

（

2

）根据给定的阈值，选择兴趣值大于改阈值的点作为特征点的候选点。阈值得选择应以候选点中包

括需要的特征点，而又不含过多的非特征点。

（

3

）在候选点中选取局部极大值点作为需要的特征点。在一定大小的窗口内（可不同于兴趣值计算窗

口），去掉所有不是最大兴趣值的候选点，只留下兴趣值最大者，该象素即为一个特征点

2.

线特征提取

图像中线特征特别引人注目，它是视觉感知的重要线索，因此，提取线特征对于描述目标或解释目标

非常重要。线特征包括影像的“边缘”与“线”。“边缘”通常定义为影像局部特征不相同的那些区域间的

分界线，表现为局部影像的不连续，例如呈现出灰度级的突变，纹理结构突变等。而“线”则可以认为是

具有很小宽度的，其中间区域具有相同的影像特征的边缘对，也就是距离很小的一对边缘构成一条线。

(1)

边缘检测

边缘检测试抽取边缘轮廓信息并用于区域分割，边缘检测和区域分割具有互补性。在边缘检测中提取

不连续部分的特征，根据闭合的边缘求区域：在区域中把图像分割成特征相同的连续区域，将区域间的边

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页

界定义为边缘。

边缘检测同样是用算子实现的，各种边缘检测算子的定义在前面二值图像的边缘特征提取中已作介绍，

在这儿不再赘述。

(2)

线检测

在去除噪声影响的情况下，一幅图像中所有灰度或纹理特性发生突变得位置都有可能是边缘所在位置。