跟牟老师学ArcGIS｜第4章 空间数据采集
| 第4章 空间数据采集 |
空间数据采集是指将遥感影像、纸质地图、外业观测数据等不同来源的数据进行处理，使之成为能够识别和分析的形式，这往往是构建一个具体的GIS系统的第一步。
本章首先以遥感影像和纸质地图的矢量化为例，介绍矢量化和地理配准的详细步骤，再通过实例讲解使用ArcScan进行矢量化的过程，最后介绍了空间矫正的原理与方法。
本章主要内容:
4.1空间数据采集基础知识
4.2 数据采集方式
4.3 矢量化步骤
4.4 地理配准
4.5 ArcScan矢量化
4.6 空间校正
4.1 空间数据采集基础知识
建立一个GIS系统经常要用到不同类型的数据，主要包括：地图数据、遥感影像数据、统计数据、实测数据、文本资料数据。GIS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)是否满足系统功能要求；
(2)所选数据源是否已有使用经验；
(3)系统成本。
4.2 数据采集方式
图形数据的采集往往采用矢量化的方法，主要包括手扶跟踪矢量化和扫描跟踪矢量化两种方法。属性数据的采集主要使用键盘输入、属性数据表的链接等方式。手扶跟踪矢量化是在数字化软件的支持下应用手扶跟踪数字化仪来完成，主要利用电磁原理记录数字化仪面板上点的平面坐标来获取矢量数据。
扫描跟踪矢量化法是目前最常用的地图数据采集方法，其作业速度快、精度高，操作人员工作强度较低。
4.3 矢量化的步骤
地图矢量化是把栅格数据转换成矢量数据的处理工程。
(1)扫描。
(2)图像预处理。
(3)地理配准。
(4)数据分层。
(5)图形数据追踪。
(6)属性录入。
4.3.1 扫描
扫描是纸质地图矢量化的第一步，它将纸质地图转化为计算机可以识别的数字形式，扫描时需要设定的相关参数如下：
(1)扫描模式。地形图扫描一般采用二值扫描或灰度扫描，黑白航片或卫片采用灰度扫描，彩色航片或卫片采用彩色扫描。
(2)扫描分辨率。根据扫描要求，地形图扫描一般采用300dpi或更高的分辨率。
(3)亮度、对比度、色调、GAMMA曲线等，根据需要调整。
4.3.2 图像预处理
图像预处理是在图像分析中，对输入图像进行特征抽取、分割、匹配和识别前所进行的处理。
(1)几何校正。
几何校正最常用的方法是仿射变换法。
仿射变换法的特性是：直线变换后仍为直线，平行线变换后仍为平行线，不同方向上的长度发生变化。
(2)投影变换。
当数据源采用不同的地图投影时，需要将源数据转换为所需要的地图投影，这一过程称为投影变换，投影变换的方法有正解变换、反解变换和数值变换。
4.3.3 地理配准
通过具有较高位置精度的控制点将扫描得到的地图数据匹配到用户指定的地理坐标系中，这个过程就叫做地理配准。地理配准中控制点的选择要遵循以下原则：
(1)变换公式是n次多项式，则控制点个数最少为（n+1)(n+2)/2。
(2)应选取图像上易分辨且较精细的特征点。
(3)特征变化大的地区应多选点。
(4)图像边缘处要尽量选点。
(5)尽可能满幅、均匀地选点。
4.3.4 数据分层
数据分层是当前GIS软件处理空间数据最基本的策略，数据分层过程中一般应遵循以下原则：
(1)不同类的要素分布在不同的图层。
(2)不同几何形状的要素分布在不同的图层。
(3)同种性质、不同类别的地物分布在不同图层；但同种类型，不同等级的地物宜放在同一图层。
(4)不同时段的数据分布在不同的图层上。
4.3.5 图形数据追踪
图形数据追踪是以栅格数据为基础，用矢量化软件依次对各个图层的地物进行跟踪矢量化。
点、线、面图层矢量化的方法为：
(1)点的矢量化比较简单，只需将地图上的点放大到合适的大小，然后在其中心处定位即可。
(2)线的矢量化要求将线条放大到合适的宽度，按栅格图像中线条的整体走势进行矢量化，而且尽量使线条平滑，矢量化过程中通常会用到捕捉工具来捕捉结点。
(3)面的矢量化比较为复杂，因为面的矢量化过程中要正确处理拓扑关系。
4.3.6 属性录入
属性数据的录入可随矢量化几何数据同步进行，也可以在处理好几何数据以后边检查图形数据质量边录入。
4.4 地理配准
4.41 地理配准工具条介绍
启动ArcMap，在主菜单中单击【自定义】→【工具条】→【地理配准】，在加载【地理配准】工具条，其对应的功能如下图：
【地理配准】工具条
4.4.2 地理配准的步骤
地理配准一般都要经过选择坐标系统、添加控制点、检查残差、选择地理配准方法以及进行地理配准等几个步骤。
打开进行地理配准的地图文档如下图：
4.5 ArcScan矢量化
4.51ArcScan简介
在ArcMap主菜单中单击【自定义】→【工具条】→【ArcScan】，加载【ArcScan】工具条，如下图：
ArcScan是ArcGIS Desktop的扩展模块，是栅格数据矢量化的一套工具集。ArcScan 的矢量化方法分为交互式矢量化和自动矢量化两种。
4.5.2 ArcScan自动矢量化
矢量化的工作量一般很大，人工完成效率较低，可考虑使用ArcScan的自动矢量化功能，自动矢量化过程中栅格数据的清理和矢量化设置对矢量化的结果影响很大。对于大多数图像文件来说，自动矢量化的后续处理工作量较大，实际中一般很少采用。
4.6 空间校正
4.6.1空间校正工具条介绍
在ArcMap主菜单中，单击【自定义】→【工具条】→【空间校正】，打开【空间校正】工具条，如下图：
4.6.2 空间校正的方法
空间校正变换用于在坐标系内移动、平移数据或者转换单位。如果要在坐标系之间转换数据，则应该先对数据进行投影。像皮页变换用于纠正几何变形。边匹配是沿着某一层的边要素与邻接图层的要素对齐。属性传递是在图层之间复制属性。
4.6.3 空间校正变换
空间校正变换常常用于将数据从未定义空间参考的数字化仪或扫描仪的单位转换为实际坐标。其操作步骤如下：
(1)启动ArcMap,打开地图文档Transform.mxd，加载【空间校正】工具条。
(2)确定【编辑器】工具条处于打开状态，启动数据编辑。
(3)在【空间校正】工具条上，单击【空间校正】→【设置校正数据】，打开【选择要校正的输入】对话框，选中【以下图层中的所有要素】单选按钮，选择要校正的数据design，如图4.15。
(4)单击【空间校正】→【校正方法】→【变换—仿射】，选择校正方法。
(5)在【编辑器】工具条上，单击【编辑器】→【捕捉】→【捕捉工具条】，选择折点捕捉，以便准确地建立校正链接。
(6)单击【空间校正】工具条上的按钮
(7)理论上有三个连接就能作仿射变换，但实际使用中可尽量多建立几个连接，尤其是在拐点等特殊点上，而且要均匀分布。在【空间校正】工具条上，单击按钮
(8)单击【空间校正】→【校正预览】，预览校正效果。若对效果满意，便可执行校正；若不满意校正效果，则应该返回到第(7)步，检查位移连接的设置是否恰当，删除RMS误差较大的连接线，并重新新建位移连接。
(9)单击【空间校正】→【校正】，完成操作，结果如图4.18所示。
图4.16 建立好的位移连接
4.6.4 橡皮页变换
橡皮页变换常用于对数据进行小型的几何校正。在橡皮页变换校正中，经常将一个图层与另外一个与之十分靠近的图层对齐，调整源图层以适应更精确的目标图层。在橡皮页变换中，表面被逐渐拉伸，并使用保留直线的分段变换方法来移动要素。其操作步骤如下：
(1)启动ArcMap,打开地图文档Rubbersheet.mxd，启动数据编辑。
(2)单击【编辑器】→【捕捉】→【捕捉工具条】，打开【捕捉】工具条，设置相应的捕捉环境。
(3)加载【空间校正】工具条，单击【空间校正】→【设置校正数据】，选中【以下图层中的所有要素】单选按钮，选择ImportStreets图层，单击【确定】按钮。在本例中，ImportStreets图层需要调整与ExistingStreets图层进行匹配。
(4)单击【空间校正】→【校正方法】→【橡皮页变换】，设置校正方法。
(5)单击【空间校正】→【选项】，打开【校正属性】对话框，单击【常规】选项卡，在【校正方法】下拉框中选择“橡皮页变换”，如图4.19所示。单击【选项】按钮，打开【橡皮页变换】对话框，选中【自然领域法】单选按钮，单击【确定】按钮，返回【校正属性】对话框，再次单击【确定】按钮，完成设置。
(6)在主菜单中单击【书签】→【ImportStreets]，单击【空间校正】工具条上的按钮
(7)单击【书签】→【Curve features】，定位到该研究区域。
单击【空间校正】工具条上的按钮
(8)单击【空间校正】工具条上的按钮
(9)单击【空间校正】→【校正预览】，预览校正结果，如果不满意，可进一步修改。最后单击【空间校正】→【校正】，实现变换，校正结果如图4.23所示。
(10)因为所有创建的所有位移连接均已转换成标识连接，所以可删除这些连接。在菜单栏中单击【编辑】→【选择所有元素】，可选择所有连接，因为它们都是图形元素，按Delete，删除这些元素。保存编辑内容并停止对数据的编辑。
图 4.20 位移连接示意图
图 4.22 添加标识连接
4.6.5 边匹配
边匹配用于沿相邻图层的边缘将要素对齐。通常，对包含较低精度的要素图层进行调整，而将精度高的要素图层用做目标图层。其操作步骤如下：
(1)启动ArcMap，打开地图文档EdgeMatch.mxd，启动数据编辑。
(2)加载【空间校正】工具条，单击【空间校正】→【设置校正数据】，选中【所选要素】单选按钮，单击【确定】按钮，完成校正数据的设置。
(3)单击【空间校正】→【校正方法】→【边捕捉】，设置校正方法。
(4)单击【空间校正】→【选项】，打开【校正属性】对话框，单击【常规】标签，打开【常规】选项卡，在校正方法中选择“边捕捉”，单击【选项】按钮，在方法中选择【平滑】。单击【边匹配】标签，打开【变匹配】选项卡，在【源图层】下来框中选择“roadl”,在【目标图层】下拉框中选择“road2”，选中【避免重复连接线】复选框，如图4.24所示。单击【确定】按钮，完成设置。
(5)单击【空间校正】工具条上的按钮
(6)单击【编辑器】工具条上的按钮
(7)单击【空间校正】→【校正预览】，预览结果，如果不满意，可以进一步修改。
(8)单击【空间校正】→【校正】，实现变换。保存编辑内容并停止对数据的编辑。
4.6.6 属性传递
属性传递通常用于将属性从精度较低的图层复制到精度较高的图层。例如，将水文要素的名称从先前数字化的比例尺为1:5万的高度概化的地图传递到比例尺为1：2.5万的更为详细的地图。在ArcMap中，可指定要在图层间传递哪些属性，然后以交互方式选择源要素和目标要素。其操作步骤如下：
(1)启动AcrMap,打开地图文档AttributeTransfer.mxd，启动数据编辑。
(2)加载【空间校正】工具条，单击【空间校正】→【属性传递映射】，打开【属性传递映射】对话框。在弹出的【属性传递映射】对话框中，在【源图层】下拉框中选择“Streets”,在【目标图层】下拉框中选择“NewStreets”。先后在源图层和目标图层字段列表框中单击NAME字段，然后单击【添加】按钮。用同样方法添加type字段，如图4.26所示。单击【确定】按钮。
(3)在主菜单中，单击【书签】→【New streets】，将当前视图设置为本练习的编辑区域。
(4)设置捕捉环境，以便准确地使用属性传递工具将源要素属性传递到目标要素中。在捕捉工具条上单击按钮
(5)单击【基础工具】工具条上的按钮
(6)单击【空间校正】工具条上的按钮
(7)对所传递属性的目标要素进行验证，验证方法如第(5)步所
示。
(8)保存编辑内容并停止对数据的编辑。
牟乃夏老师简介
牟乃夏（1973-），男，博士、博士后，现为山东科技大学测绘学院副教授，硕士生导师。在扎实科研的同时，更乐于将所思所学传授给学生，曾经连续六年带领七组学生进入Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛的总决赛，成为学生培养的传奇和美谈。从教十年来已培养研究生40余名，都在自己的工作岗位上为GIS的发展应用做出了重要贡献。
为使全国的GIS学子更快更好的掌握GIS基本技能，他组织团队经过两年多的时间精心编写了《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》《ArcGIS Engine地理信息系统开发教程：基于C#.NET》两本教材，深受广大学子喜爱，已成为学习GIS的必备工具书。同时为了推广GIS、传授GIS，他还开设了博客、微博，QQ群等，进行GIS知识的传播和交流，由于他为GIS教学与推广做出的贡献，2015年被CPGIS（全球海外华人地理联合会）授予杰出教育奖。
图书简介
《ArcGIS10地理信息系统教程：从初学到精通》一书2012年9月由测绘出版出版（截至2016年2月已经印刷9次），销量长期位于同类图书的榜首。目前已被全国60余所高校采纳为相关课程的教材或者参考书。该书内容翔实、深入浅出、通俗易懂，层次合理，初学者能够很快入门，对ArcGIS已经熟悉的读者来讲，也是一本必备的案头书。
该书是作者在总结多年GIS教学与科研工作的基础上，充分考虑本科生、研究生的知识结构、操作水平及生产单位的实际需求编写而成的。内容包括：ArcGIS10基础，ArcGIS10快速入门，空间数据库，空间数据的采集、编辑与拓扑处理，空间投影与变换，空间数据可视化，地图制图，矢量与栅格数据的空间分析，网络分析，三维分析，水文分析，地统计分析等。特别的，针对Esri杯中国大学生GIS软件开发大赛而设计了ModelBuilder与空间建模一章，并提供了两个获奖实例，供读者参考。本书配有大量具有实际背景的应用实例及其详细的操作步骤，随书光盘中包含所有实例的数据，供读者练习。
本书强调新颖性、实用性、技巧性、全面性和实战性，注重理论与实践的结合。既可作为高等学校地理信息系统、测绘工程、遥感科学与技术、地理科学、城市规划、土地资源管理、市政工程、交通运输、环境保护、地质工程等相关专业的本科生、研究生的理论课教材和实验指导书，也可作为相关部门的研究人员、管理人员和技术人员的参考用书。
GeoTalks
微信号：geotalks
一个开放的交流平台
聚焦测绘地信话题，传播创新理念
欢迎社会各界投稿荐稿
投稿邮箱: geotalks@qq.com