第四章 空间数据的转换与处理

第四章
空间数据的转换与处理
投影变换
数据格式转换
数据处理
ArcToolbox

4.1定义投影 在GIS中，空间数据是一个重要的部分。整个GIS 都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和 表现展开的。而原始空间数据本身通常在数据结 构、数据组织、数据表达上和用户自己的信息系 统不一致，就需要对原始数据进行转换与处理， 如投影变换，不同数据格式之间的相互转换，以 及数据的裁切、拼接等处理。以上所述的各种数 据转换与处理均可以利用ArcToolbox中的工具实 现。
Mirror对话框
镜像
镜像（Mirror）的图解表达
3.重设比例尺（ Rescale）：是指 将栅格数据按照 指定比例分别沿X 轴和Y轴放大或缩 小。Rescale命令 ，对数据重设比 例尺。
Rescale对话框
重设比例尺
重设比例尺（Rescale）的图解表达
4.旋转（Rotate） ：是指将栅格数 据沿着指定的中 心点旋转指定的 角度。利用 Rotate命令，对 数据进行旋转。
对于地理坐标，只需要确定两个 参数，即椭球体和大地基准面。

地球上同一位置的坐标在不同的基准面上是不 一样的，而基准面是构成坐标系的一个部分， 因为基准面在定位的时候牵扯到了相对地心的 平移或旋转等，所以对于地理坐标转换无法直 接进行，需要一个转换参数，而这些参数也是 基于不同的模型的，常用的有3参数和7参数， 3参数是比较简单的也是比较容易理解的，3参 数是在两个基准面之间进行了X，Y，Z轴的平 移
多项式变换(Polynomial)

这个数学关系常表示为二元多项式一次、二次或三次 及更高次表达式.
其中A、B代表二次以上高次项之和。上式是高次变换方 程，符合上式的变换称为高次变换。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。

当不考虑高次变换方程中的A和B时，则变成 二次变换方程，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，才能求出待定系数。
仿射变换（1次多项式）

仿射变换是使用最多的一种几何纠正方式，只 考虑到x和y方向上的变形，仿射变换的特性是：
–
– –
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。

对于仿射变换，只需知道不在同一直线上的三 对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，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。

当要素的坐标超出要素类的属性域范围时会发 生此错误。这种情况会在创建新要素或编辑现 有要素的坐标时发生。 坐标必须位于要素类 x,y 属性域以及 z 或 m 属 性域（如果要素类可存储这些值）的范围内。 属性域在创建要素类时设置并且无法在以后进 行编辑。如果需要在该 x,y 位置或者使用这些 z 或 m 值创建新要素，可将要素类导出为新要素 类并增加属性域值。
大地水准面是由静止海水面并向大陆延伸所形 成的不规则的封闭曲面。它是重力等位面，即 物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个 面上是不会流动的）
地球椭球体只不过是一个具有长半轴，短半轴 和变率的椭球体，可以任意放置的，它没有为 我们规定度量的起点，所以就有基准面的产生， 而基准面就是规定了度量标准。
Warp对话框
原数据
三次多项式
二次多项式 一次多项式
扭曲（Warp）的图解表达
4.1.3数据变换
一、矢量数据的空间校正 【空间校正】工具用于矢量数据的空间位置匹配 ，它提供用于对齐和整合数据的交互式方法， 看执行的一些任务包括：将数据从一个坐标系 转换到另一坐标系中、纠正几何变形、将沿着 某一图层的边的要素与邻接图层的要素对齐及 在图层之间的复制属性。由于空间校正在编辑 会话中执行，因此可使用现有的编辑功能来增 强校正效果。
所有以上这些扫描的误差引起的几何变形,可看成平移、 旋转、缩放、仿射、弯曲以及各种更高变形的综合作 用结果。在实际操作过程中,很难对这些误差一一进 行变形改正,只能综合考虑它们的影响,综合校正。

输入到计算机中的图形，实际上都是通过其位 置坐标(x,y)来表示，因此校正过程实质上是找 一种数学关系(或函数关系)，描述变换前图形 坐标(x,y)与变换后图形坐标(x′,y′)之间的换算， 其数学关系一般描述为 x’=f1(x,y) y’=f2(x,y)
3参数之间两个基准面的关系
如果知道了这三个平移的参数 外加个基准面上的点，那么另外一点的坐标就是
7参数的模型比较复杂，这种复杂的同 时让精度大为提高，7参数不仅仅考虑了 两个基准面之间的平移，还考虑了旋转外 加一个比例因子(椭球体的大小可能不一 样)
知道平移三参数, 旋转三参数 以及比例因子S，外加一个基准上的坐标就可按照下 面的公式求出另外一个基准面上的坐标：
1.翻转（Flip）：是 指将栅格数据沿 着通过数据中心 点的水平轴线， 将数据进行上下 翻转。利用Flip命 令，对数据进行 翻转。
Flip对话框
翻转
翻转（Flip）的图解表达
2.镜像（Mirror）： 是指将栅格数据 沿着通过数据中 心点的垂直轴线 ，将数据进行左 右翻转。利用 Mirror命令，对数 据进行镜像。
图4.13 Rotate对话框
旋转
旋转（Rotate）的图解表达
5.移动（Shift）： 是指将栅格数据 分别沿X轴和Y轴 移动指定的距离 。利用Shift命令 ，对数据进行移 动。
Shift对话框
移动
移动（Shift）的图解表达
6.扭曲（ Warp）： 是指将栅格 数据通过输 入的控制点 进行多项式 变换。利用 Warp命令 ，对数据进 行扭曲变换 。
4.1.1
定义投影
定义投影（Define Projection），指按照 地图信息源原有的投影方式，为数据添加投影 信息。在ArcGIS中利用【数据管理工具】工 具箱, 【投影变换】工具集中的【定义投影】 命令，能够为数据定义投影。
定义投影有三种方法

选择固定的投影 导入投影（当已知原始数据与某一数据的投影 相同时） 自定义投影
投影变换（projection
transformation）是将一种地图投 影点的坐标变换为另一种地图投 影点的坐标的过程,是研究投影点 坐标变换的理论和方法。
GIS中的坐标系定义是GIS系统的基础，正确定 义GIS系统的坐标系非常重要。GIS中的坐标 系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而 基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换 参数确定，因此欲正确定义GIS系统坐标系， 首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基 准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基 本概念及它们之间的关系。
二、地理配准


栅格数据通常是通过扫描纸质地图或采集航空 及卫星照片获得 。 通过扫描获取的影像不包含定义其地理空间位 置所需的信息。而航空及卫星照片所使用的坐 标系统是相对于通用GIS平台软件所使用的坐 标系统是独立的。 为了能够将这些影像数据与其它的数据集成， 以便进行分析， 就必须对其进行处理：用户 需要事先将这些数据校准（配准）到一个指定 的地图坐标系
① 校准栅格数据

通常,你会将栅格数据校准到已经存在具有坐标信 息的空间数据 （矢量数据） 。首先假定矢量化数 据中的一些空间要素 (目标数据)也同时存在于要进 行配准的栅格图像上
–
比如： 街道、建筑物、河流.

地理配准的基本过程是在栅格图像中选取一定数据 的控制点，将它们的坐标指定为矢量数据中对应点 的坐标（在空间数据中，这些点的坐标是已知的， 坐标系统为地图坐标系）
扫描地图的误差来源
GIS中数据的来源主要是对地图图纸的数 字化,扫描数字化过程中引起的误差主要 决定于 要素对象 软件处理技术 扫描仪
Leabharlann Baidu


扫描要素对象 要素本身的宽度、复杂程度、粘连以及图面 的整洁和清晰程度都对扫描数字化误差有一定的 影响。例如,线条的粘连,结合处易出现较大的误差; 线条发虚,会得到多个实体;图面不整洁引入了噪声, 易引起软件误判;线条不光滑,易出现毛刺等。

软件处理技术 在扫描数字化过程中,三个主要参数:分辨率、门 槛值(灰度值或对比度值)和滤波值的确定将对扫描图 的质量产生重大的影响;而图像处理、几何校正和矢量 化等后处理技术,其功能的强弱、模型的优化将直接影 响扫描数字化的精度。如采用合适的校正模型(仿射变 换、双线形变换、多项式变换等)、定向点的自动对中、 采样点的自动对中等,将有效的提高扫描数字化的精度。
基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面 的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准 面，我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐 标系实际上指的是我国的两个大地基准面.椭球 体与基准面之间的关系是一对多的关系，也就 是基准面是在椭球体基础上建立的，但椭球体 不能代表基准面，同样的椭球体能定义不同的 基准面，一般意义上基准面与参考椭球体是同 一个概念。

地理配准：是为了使得 影像数据可以和GIS矢 量数据集成在一起，而 为影像数据指定一个参 考坐标系的过程。

将扫描地图配准到坐标系下
影像配准的步骤 （Register－Rectify）
①
② ③ ④
校准栅格数据 （选择控制点） 坐标变换 （求解二元多项式n次方程） 检查均方差（计算控制点误差） 重采样－矫正（Rectify）：生成新的影像文件 （三种重采样算法）
因为没有识别出坐标系，所以提示错误。
选择投影坐 标系
使用已有 的投影坐 标系投影
以 t25_Projec t投影图像 的坐标系作 为投影坐标 系
新建一 个投影 坐标系

4.1.3 数据变换 数据变换是指对数据进行诸如放大、缩小 、翻转、移动、扭曲等几何位置、形状和方位 的改变等的操作。对矢量数据的相应操作在 ArcMap中【编辑器】工具条的若干工具实现 （详见第三章）。而栅格数据的相应操作则集 中于ArcMap中的地理配准工具条和 ArcToolbox中的投影和变换工具集来实现，以 下分别就栅格数据的翻转（Flip）、镜像（ Mirror）、重设比例尺（Rescale）、旋转（ Rotate）、移动（Shift）和扭曲（Warp）等 分别介绍。
控制点

在配准中我们需要知道一些特殊点的坐标，即控 制点。 控制点可以是经纬 线网格的交点、公里网格的交 点或者一些典型地物的坐标。 我们可以从 图中均匀的取几个点。如果我们知道 这些点在我们矢量坐标系内坐标， 则直接输入控 制点的坐标值，如果不知道它们的坐标，则可以 采用间接方法获取－从矢量数据中选取。
4.1.2投影变换
1 . 栅格（Raster）数据的投影变换：利用【数 据管理工具】工具箱,【投影和变换】中【栅 格】工具集,【投影栅格】命令对栅格数据进 行投影变换。 输入的栅格必须已具有投影信息，若没有则在【 输入坐标系】中指定数据的原始投影信息 【地理坐标变换】：当输入和输出坐标系的基准 面相同时，地理（坐标）变换为可选参数。如 果输入和输出基准面不同，则必须指定地理（ 坐标）变换。
选取控制点


控制点的数目取决于 你打算使用哪一种数学方法来实现 坐标转换. 但是，过多的控制点并不一定能够保证高精度 的配准 。要尽可能使控制点均匀分布于整个格格图像， 而不是只在图像的某个较小区域 选择控制点。 通常,先在图像的四个角选择4个控制点，然后在中间的位 置有规律地选择一些控制点能得到较好的效果
2 . 要素类（Feature）数据的投影变换 ：利用 【数据管理工具】工具箱, ,【投影和变换】中 的【要素】工具集,【投影】命令，对矢量数 据进行投影变换。 【批量投影】可以进行多个要素类的投影变换。
同时转换多 个文件
转换一个文件 转换栅格
一次处理多 个投影（不 经常用到）
选择Geographic Transformation时，可以选择 一种。

扫描仪 在扫描过程中,由于使用CCD扫描仪,会引 入一些误差。主要包含有:扫描仪的分辨率;光 学误差;电信号传输过程中造成的辐射误差;沿 导轨扫描过程中,由于机械运动、速度不均或 其它原因所造成的直线性误差;线阵方向与扫 描方向不垂直所引起的CCD线阵的直线性误 差;外界因素影响产生的误差;随机性误差等等。