第6章 空间数据采集与处理
整个地理信息系统就是围绕着空间数据的采集、处理、存储、分析和表现而展开的，因此空间数据来源、采集手段、生成工艺、数据质量都直接影响到地理信息系统应用的潜力、成本和效率。本章首先介绍数据源及其基本特征，同时概述空间数据采集与处理的基本流程；在此基础上，分别介绍空间数据和属性数据的采集方式，数据编辑、数学基础变换以及数据重构等数据处理的原理与方法；然后讲解了数据质量评价与控制相关理论，最后简述了数据入库的主要流程。
6.1概述
空间数据的准确、高效的获取是GIS健壮运行的基础。空间数据的来源多种多样，包括地图数据、野外实测数据、空间定位数据、摄影测量与遥感图像、多媒体数据等等。不同的数据有不同的采集方法，能够获取的空间数据也不尽相同，这其中涉及到：①数据源的选择；②采集方法的确定；③数据的进一步编辑与处理，包括错误消除、数学基础变换、数据结构与格式的重构、图形的拼接、拓扑的生成、数据的压缩、质量的评价与控制等等，保证采集的各类数据符合数据入库及空间分析的需求；④数据入库，让采集的空间数据统一进入空间数据库。本章将系统介绍数据采集与处理过程所涉及的理论方法和关键技术。
6.1.1数据源分类
GIS数据源比较丰富，类型多种多样，通常可以根据数据获取方式或数据表现形式进行分类（图6.1）。
按获取方式 按表现方式 GIS数据源 图6.1 GIS数据源分类示意图
根据数据获取方式可以分为：①地图数据。地图是传统的空间数据存储和表达的方式，数据丰富且具有很高的精度。国家基本比例尺系列地形图以及各类专题地图，经过数字化处理，是GIS最重要的数据源之一；②遥感影像数据。随着航空、航天和卫星遥感技术的发展，遥感影像数据以其现时性强等诸多优点迅速成为GIS的主要数据源之一。摄影测量技术可以从立体像对中获取地形数据，对遥感影像的解译和判读还可以得到诸如土地利用类型
图、植被覆盖类型等等诸多数据信息；③实测数据。各种野外、实地测量数据也是GIS常用的获取数据的方式。实测数据具有精度高、现势性强等优点，可以根据系统需要灵活地进行补充。④共享数据。地理信息系统发展的过程中，产生了大量的数据信息。经过格式转换，许多数据、信息在不同的系统中是可以重复利用的。因此，很多时候有必要进行数据共享以降低系统成本和防止资源浪费。同时，通信、网络技术的高度发达，为地理信息共享提供了高效可行的通道。⑤其他数据。通过其他方式获取的数据。
按照数据的表现形式还可以将数据分为数字化数据、多媒体数据及文本资料数据。
6.1.2数据源特征
1. 地图数据
各种类型的地图是目前GIS最常见的数据源。地图是地理数据的传统描述形式，是具有共同参考坐标系统的点、线、面的二维平面形式的表示，内容丰富，图上实体间的空间关系直观，而且实体的类别或属性可以用各种不同的符号加以识别和表示。不同种类的地图，其研究的对象不同，应用的部门、行业不同，所表达的内容也不同。主要包括普通地图和专题地图两类。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地理和社会经济要素，主要表达居民地、交通网、水系、地貌、境界、土质和植被等。其中大比例尺地形图具有较高的几何精度，真实反映区域地理要素的特征。专题地图着重反映一种或少数几种专题要素，如地质、地貌、土壤、植被和土地利用等原始资料。通常以地图作为GIS数据源时可将地图内容分解为点、线和面三类基本要素，然后以特定的编码方式进行组织和管理。此外，地图是经过系列制图综合的产物，在GIS趋势分析、模式分析等方面具有非常重要的作用。
在应用地图数据时应注意以下几点：
（1）地图存储介质的缺陷。由于地图多为纸质，在不同的存放条件下存在不同程度的变形，具体应用时，须对其进行纠正。
（2）地图现势性较差。传统地图更新周期较长，造成现存地图的现势性不能完全满足实际需要。
（3）地图投影的转换。使用不同投影的地图数据进行交流前，须先进行地图投影的转换。
2. 遥感影像数据
遥感影像（航空、卫星）数据是GIS中一个极其重要的信息源（图6.2，图6.3）。通过遥感影像可以快速、准确地获得大面积的、综合的各种专题信息，航天遥感影像还可以取得周期性的资料，这些都为GIS提供了丰富的信息。每种遥感影像都有其自身的成像规律、变形规律，所以在应用时要注意影像的纠正、影像的分辨率、影像的解译特征等方面的问题。
图6.2 卫星遥感影像局部 图6.3 航空影像局部
3. 实测数据
实测数据主要指各种野外实验、实地测量所得数据，它们通过转换可直接进入GIS的空间数据库以用于实时分析和进一步应用。其中，GPS点位数据、地籍测量数据等通常具有较高的精度和较好的现势性，是GIS的重要数据来源。 4. 统计数据
许多部门和机构都拥有不同领域如人口、自然资源等方面的大量统计资料、国民经济的各种统计数据，这些常常也是GIS的数据源，尤其是属性数据的重要来源。统计数据一般都是和一定范围内的统计单元或观测点联系在一起，因此采集这些数据时，要注意包括研究对象的特征值、观测点的几何数据和统计资料的基本统计单元。当前，在很多部门和行业内，统计工作已经在很大程度上实现了信息化，除以传统的表格方式提供使用外，已建立起各种规模的数据库，数据的建立、传送、汇总已普遍使用计算机。各类统计数据可存储在属性数据库中与其它形式的数据一起参与分析。表6.1为一统计图表，记录不同地区不同月份的气温递减率。
表6.1 各地气温递减率/℃/100m（据伍光和,2000）
地区 天山南坡 天山北坡 祁连山北坡 贺兰山区
测站 阿克苏—阿合奇 乌鲁木齐—小渠子 玉门镇—玉门市 银川—贺兰山
高度差(m) 883 1266 800 1789
1月 0.03 -0.40 -0.03 0.29
4月 0.57 0.50 0.49 0.59
7月 0.59 0.74 0.50 0.64
10月 0.31 0.40 0.26 0.50
5. 共享数据
目前，随着各种专题图件的制作和各种GIS系统的建立，直接获取数字图形数据和属性数据的可能性越来越大。GIS数据共享已成为地理信息系统技术的一个重要研究内容，已有数据的共享也成为GIS获取数据的重要来源之一。但对已有数据的采用需注意数据格式的转换和数据精度、可信度的问题。 6. 多媒体数据
由多媒体设备获取的数据（包括声音、录像等）也是GIS的数据源之一，目前其主要功能是辅助GIS的分析和查询，可通过通讯口传入GIS的空间数据库中。 7. 文本资料数据
各种文字报告和立法文件在一些管理类的GIS系统中，有很大的应用，如在城市规划管理信息系统中，各种城市管理法规及规划报告在规划管理工作中起着很大的作用。在土地资源管理、灾害监测、水质和森林资源管理等专题信息系统中，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。在区域信息系统中，文字报告是区域综合研究不可缺少的参考资料。文字报告还可以用来研究各种类型地理信息系统的权威性、可靠程度和内容的完整性，以便决定地理信息的分类和使用。文字说明资料也是地理信息系统建立的主要依据，须认真加以研究，准确送入计算机系统，使搜集资料更加系统化。
对于一个多用途的或综合型的系统，一般都要建立一个大而灵活的数据库，以支持其非常广泛的应用范围。而对于专题型和区域型统一的系统，则数据类型与系统功能密切相关。
6.1.3空间数据采集与处理的基本流程
不同的数据源，有不同的采集与处理方法，总体上讲，空间数据的采集与处理包含图数据源 地图数据 采集方法 扫描数字化成果 影像数据 野外数据采集 野外实测数据 摄影测量 统计数据 遥感图像处理 数字数据 数据交换 多媒体数据 键盘输入 文本数据 图6.4 空间数据采集的基本内容
6.4所示的基本内容。
1. 数据源的选择
地理信息系统可用的数据源多种多样，进行选择时，应注意从以下几个方面考虑：①是
否能够满足系统功能的要求；②所选数据源是否已有使用经验。如果传统的数据源可用的话，就应避免使用其他它的陌生数据源。一般情况下，当两种数据源的数据精度差别不大时，宜采用有使用经验的传统数据源；③系统成本。因为数据成本占GIS工程成本的70%甚至更多，所以数据源的选择对于系统整体的成本控制来说至关重要。 2. 采集方法的确定
根据所选数据源的特征，选择合适的采集方法。如图6.4所示，地图数据的采集，通常采用扫描矢量化的方法；影像数据包括航空影像数据和卫星遥感影像两类，对于它们的采集与处理，已有完整的摄影测量、遥感图像处理的理论与方法；实测数据指各类野外测量所采集的数据，包括平板仪测量，一体化野外数字测图、空间定位测量（如GPS测量）等；统计数据可采用扫描仪输入作为辅助性数据，也可直接用键盘输入；已有的数字化数据通常可通过相应的数据交换方法转换为当前系统可用的数据；多媒体数据通常也是以数据交换的形式进入系统；文本数据可用键盘直接输入。 3. 数据的编辑与处理
各种方法所采集的原始空间数据，都不可避免地存在着错误或误差，属性数据在建库输入时，也难免会存在错误，所以对图形数据和属性数据进行一定的检查、编辑是很有必要的。不同系统对图形的数学基础、数据结构等可能会有不同的要求，往往需要进行数学基础、数据结构的转换。此外，根据系统分析功能的要求，需要对数据进行图形拼接、拓扑生成等处理。如果考虑到存储空间和系统运行效率，往往需要对数据进行一定程度的压缩。 4. 数据质量控制与评价
无论何种数据源，使用何种方法进行采集，都不可避免地存在各种类型的误差，而且误差会在数据处理及系统的各个环节之中累计和传播。对于数据质量的控制和评价是系统有效
运行的重要保障和系统分析结果可靠性的前提条件之一。 5. 数据入库
数据入库就是按照空间数据管理的要求，把采集和处理的成果数据导入到空间数据库中。
6.2数据采集
数据采集就是运用各种技术手段，通过各种渠道收集数据的过程。服务于地理信息系统的数据采集工作包括两方面内容：空间数据的采集和属性数据的采集，它们在过程上有很多不同，但也有一些具体方法是相通的。空间数据采集的方法主要包括野外数据采集、现有地图数字化、摄影测量方法、遥感图像处理方法等。属性数据采集包括采集及采集后的分类和编码，主要是从相关部门的观测、测量数据、各类统计数据、专题调查数据、文献资料数据等渠道获取。此外，遥感图像解译也是获取属性数据的重要渠道。本节将对空间数据和属性数据的采集作系统介绍。
6.2.1 空间数据采集
1. 野外数据采集
野外数据采集是GIS数据采集的一个基础手段。对于大比例尺的城市地理信息系统而言，野外数据采集更是主要手段。
（1）平板测量
平板测量获取的是非数字化数据。虽然现在已不是GIS野外数据获取的主要手段，但由于它的成本低、技术容易掌握，少数部门和单位仍然在使用。平板仪测量包括小平板测量和大平板测量，测量的产品都是纸质地图。在传统的大比例尺地形图的生产过程中，一般在野外测量绘制铅笔草图，然后用小笔尖转绘在聚酯薄膜上，之后可以晒成蓝图提供给用户使用。当然也可以对铅笔草图进行手扶跟踪或扫描数字化使平板测量结果转变为数字数据。
（2）全野外数字测图
全野外数据采集设备是全站仪加电子手簿或电子平板配以相应的采集和编辑软件，作业分为编码和无码两种方法。数字化测绘记录设备以电子手簿为主。还可采用电子平板内外业一体化的作业方法，即利用电子平板（便携机）在野外进行碎部点展绘成图。
全野外数据采集测量工作包括图根控制测量、测站点的增补和地形碎部点的测量。采用
全站仪进行观测（图6.5），用电子手簿记录观测数据或经计算后的测点坐标。每一个碎部点的记录，通常有点号、观测值或坐标，除此以外还有与地图符号有关的编码以及点之间的连接关系码。这些信息码以规定的数字代码表示。信息码的输入可在地形碎部测量的同时进行，即观测每一碎部点后按草图输入碎部点的信息码。地图上的地理名称及其它各种注记，除一部分根据信息码由计算机自动处理外，不能自动注记的需要在草图上注明，在内业通过人机交互编辑进行注记。
全野外空间数据采集与成图分为三个阶图6.5 全野外数字测图
段：数据采集、数据处理和地图数据输出。数
据采集是在野外利用全站仪等仪器测量特征点，并计算其坐标，赋予代码，明确点的连接关系和符号化信息。再经编辑、符号化、整饰等成图，通过绘图仪输出或直接存储成电子数据。