GIS基本理论之三：空间数据处理理论与空间数据库

         GIS基本理论系列是在《地理信息系统原理和应用》读书报告基础上完成的，当作自己对GIS理论的一次复习回顾。

1.     空间信息处理的内容有哪些

在图形数据录入完毕后，需要进行各种处理，空间信息处理包括以下内容：

第一，图形坐标变换。

在地图录入完毕后，经常需要进行投影变换，得到经纬度参照系下的地图。对各种投影进行坐标变换的原因主要是输入时地图是一种投影，而输出的地图产物是另外一种投影。进行投影变换有两种方式，一种是利用多项式拟合，类似于图像几何纠正；另一种是直接应用投影变换公式进行变换。

第二是，是图形拼接。

在对底图进行数字化以后，由于图幅比较大或者使用小型数字化仪时，难以将研究区域的底图以整幅的形式来完成，这是需要将整个图幅划分成几部分分别输入。在所有部分都输入完毕并进行拼接时，常常会有边界不一致的情况，需要进行边缘匹配处理（图6-13）。边缘匹配处理，类似于下面提及的悬挂节点处理，可以由计算机自动完成，或者辅助以手工半自动完成。

第三，是拓扑生成。

在图形数字化——无论是手扶跟踪数字化还是扫描矢量化——完成后，对于大多数地图需要建立拓扑，以正确判别地物之间的拓扑关系。这又包括两部分，一是图形修改，即在建立拓扑关系的过程中，一些在数字化输入过程中的错误需要被改正，否则，建立的拓扑关系将不能正确地反映地物之间的关系，二是建立拓扑关系，即在图形修改完毕之后，就意味着可以建立正确的拓扑关系，拓扑关系可以由计算机自动生成，目前大多数GIS软件也都提供了完善的拓扑功能；但是在某些情况下，需要对计算机创建的拓扑关系进行手工修改，典型的例子是网络连通性。

 

2.     空间坐标变换都有哪些类型和方法

空间坐标变换包括矢量转换和栅格转换。

首先是矢量转换，有三种方式：

第一是表格坐标(u, v)转换为原地图投影坐标(x, y)，是平面坐标到平面坐标的转换。 （1）对应关系明确、已知的，按相应关系式计算，如旋转变换的公式为：

     X1 = x * cosa - y * sina    

     Y1 = x * sina + y * cosa 

（2）对应关系不明确、未知的，可通过拟合对应关系式来实现，如采用二元多项式拟合两种坐标之间的转换关系式：

     x = a0+ a1*u+ a2*v+a3*u2 + a4*u*v+ a5*v2

     y = b0+ b1*u+ b2*v+b3*u2 + b4*u*v+ b5*v2

第二是投影坐标到地理坐标的转换。将原地图的投影坐标(x, y)从平面坐标转换为用经纬度表示的地理坐标。是地图投影的逆变换，与投影类型和椭球体有关。要求提供投影参数。

    第三是地理坐标到工作投影坐标的转换。将用经纬度表示的地理坐标转换为工作投影坐标(x’, y’) 坐标(平面坐标)。

其次是栅格转换。包括栅格单元（像素）空间重建和属性值重建两步。

    第一是空间坐标的转换，分两种情况转换（重建）。若输入栅格数据的地理投影类型已知，使用正转换方程；若输入栅格数据的地理投影类型未知（未经过地学编码），使用适合地面控制点的高阶多项式进行拟合。

第二是栅格单元（像素）属性值重新确定（重采样）。在新的栅格中像素值根据一个或更多相邻像素值确定。常用方法有：最近邻法、线性内插法和三次卷积法。

 

3.     如何实现栅格数据和矢量数据的空间对应

可以通过GCP，建立栅格单元与地理坐标之间的对应关系。

具体处理步骤：选取并打开栅格图象；定义地理坐标（设置投影参数）；选取GCP；设定校正区域（通常是整个图像），计算对应关系；执行校正，生成含地理信息新图像，保存对应关系。

下面谈谈栅格数据与矢量数据的相互转换。

矢量结构与网格结构的相互转换，是地理信息系统的基本功能之一，目前已经发展了许多高效的转换算法；但是，从栅格数据到矢量数据的转换，特别是扫描图像的自动识别，仍然是目前研究的重点。

对于点状实体，每个实体仅由一个坐标对表示，其矢量结构和栅格结构的相互转换基本上只是坐标精度变换问题，不存在太大的技术问题。线实体的矢量结构由一系列坐标对表示，在变为栅格结构时，除把序列中坐标对变为栅格行列坐标外，还需根据栅格精度要求，在坐标点之间插满一系列栅格点，这也容易由两点式直线方程得到。线实体由栅格结构变为矢量结构与将多边形边界表示为矢量结构相似，因此需要重点讨论多边形（面实体）的矢量结构与栅格结构相互转换。

 

4.     地图、空间信息分析和地理信息系统三者的关系

地理信息系统可以称为“动态的地图”，它提供了比普通地图更为丰富和灵活的空间数据表现方式，如动态信息表达、虚拟现实等等。但是，从另外的角度来看，制图学又是一门艺术，单纯依靠计算机系统是难以制作完美的地图的，它需要人工的交互干预，如制图综合。

可以说，地图是客观世界的形象——符号——概括模型。首先，地图是客观世界的形象模型，地图与其它地学模型的主要区别和优点在于它具有形象性，能对实际对象做出完整的、清晰的和直观的图形描述和说明。“地图是地表空间关系和空间形式的视觉图解表象”。其次，地图是客观世界的符号模型。地图区别于其它许多图示模型的又一特征是它采用专门设计和事先规定的符号来反映地物、现象和地理过程，并表示它们的位置、质量特征和数量特征。各种符号的组合便构成一种地图形象，而多种地图形象的汇集便组成一幅完整的地图图形。地图符号的作用并不仅仅局限于传输信息，它们还是记录知识、使知识定型并系统化的强大工具。第三，地图是客观世界的概括模型。地图不是客观对象的完全再现，而是通过地图制图工作者脑和手的“过滤”、概括和抽象出来的模型。对地物进行取舍、图形化简、数量和质量概括、地物协调，以及夸大表示等处理，是地图学者对地物进行深刻理解、综合分析并抽象概括等一系列复杂的科学思维和创造性劳动的结果。因此，对制图对象进行地图概括是地图作为客观实际模型的一个最重要的特征。

 

5.     空间数据的输入包括哪些内容，输入方法有哪几种

空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有多种实现方式包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中已有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力资源的工作。在GIS中，录入的内容包括空间信息和非空间信息，前者是录入的主体。目前，空间信息的录入主要有两种方式，即手扶跟踪数字化和扫描矢量化。

所谓的地图数字化就是当纸地图经过计算机图形图像系统光——电转换量化为点阵数字图像，经图像处理和曲线矢量化，或者直接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸地图相对应的计算机数据文件称为矢量化电子地图。这种地图工作时需要有应用软件和硬件系统的支撑。对矢量化地图的操作是以人机交互方式，通过GIS应用软件对硬件设备的控制来实现的。

第一是手扶跟踪数字化。尽管手扶跟踪数字化（Manual Digitising）工作量非常繁重，但是它仍然是目前最为广泛采用的将已有地图数字化的手段。利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标。其具体的输入方式与地理信息系统软件的实现有关，另外一些GIS系统也支持用数字化仪输入非空间信息，如等高线的高度，地物的编码数值等等。

第二是扫描矢量化以及处理流程。随着计算机软件和硬件更加便宜，并且提供了更多的功能，空间数据获取成本成为GIS项目中最主要的成分。由于手扶跟踪数字化需要大量的人工操作，使得它成为以数字为主体的应用项目瓶颈。扫描技术的出现无疑为空间数据录入提供了有力的工具。由于扫描仪扫描幅面一般小于地图幅面，因此大的纸地图需先分块扫描，然后进行相邻图对接；当显示终端分辨率及内存有限时，拼接后的数字地图还要裁剪成若干个归一化矩形块，对每个矩形块进行矢量化处理后生成便于编辑处理的矢量地图，最后把这些矢量化的矩形图块合成为一个完整的矢量电子地图，并进行修改、标注、计算和漫游等编辑处理。

 

6.     空间数据的编辑包括哪些内容

空间数据的编辑包括以下内容：

第一是误差或错误的检查与编辑。

图形和属性数据的误差主要有：空间数据的不完整或重复，包括点、线、面数据的丢失或重复，多边形中心点的遗漏，数据断线、多边形不封闭等；空间数据位置不准确，点位不准确，线段过长或过短，结点不重合；比例尺不准确；数据变形；属性与空间数据连接错误；属性不完整。检查方法有叠合比较、目视检查、逻辑检查。

第二是图形图象的纠正。包括仿射变换、相似变换、透视变换。

第三是坐标系统变换。包括设备坐标到真实世界坐标变换、地图投影变换。

第四是数据格式变换。包括数据介质不同的转换，矢栅转换；数据结构不同的转换，不同系统之间数据文件的转换。

第五是图形编辑。包括结点吻合、结点与线的吻合、清楚假结点、删除与增加角点、移动角点、删除与增加弧段、数据清理、更新数据。

第六是剪裁、拼接与合并。剪裁是通过剪裁巨型或多边形进行。拼接包括几何接边、逻辑接边。合并包括图形合并、图幅合并（逻辑无缝合并，物理无缝合并）。

 

7.     地理信息的输出技术有哪些，GIS产品有哪些

空间数据的输出，即GIS产品，是指由系统处理、分析后，可以直接提供给决策部门使用的产品，是地理空间数据的表现形式。主要是GIS对空间数据库进行检索、对相关数据进行处理和分析的结果、结论。

目前输出地图的方式包括笔式绘图仪或栅格式彩色绘图仪输出纸质彩色地图、高分辨率彩色屏幕输出电子地图以及影像曝光仪（印前处理系统）输出分色加网胶片。

产品形式包括：地图，即各种各样的专题地图；图像，即影像地图（专题地图+背景图）；统计图表和文字报告；一些数字产品。同时，随着多媒体、网络、虚拟现实模型语言(VRML)等计算机新技术的发展，产品形式更具多样花，如网络地图、多媒体地图等。

具体而言，包括以下内容：

第一，全要素地形图。其内容包括水系、地貌、植被、居民地、交通、境界、独立地物等。它们具有统一的大地控制、统一的地图投影和分幅编号，统一的比例尺系统（1:5000、1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万、1:100万），统一的编制规范和图式符号，属于国家基本比例尺地形图。它们是编制各类专题地图的基础。

第二是专题图。它是突出表示一种或几种自然或社会经济现象的地图。它主要由地理基础和专题内容两部分组成。从专题图内容或要素的显示特征来看，一般包括空间分布、时间变异以及数量、质量特征三个方面。专题图按照空间分布的点状、线状和面状分布大致有以下的一些表示方法：定点符号法、线状符号法、质别底色法、等值线法、定位图表法、范围法、点值法分级比值法、分区图表法和动线法等

第三是遥感影像地图。随着遥感技术的发展，遥感影像地图已成为地理信息系统产品的一种表达形式。遥感可以提供及时、准确、综合和大范围的各种资源与环境数据，成为地理信息系统重要数据数据源之一。同时，在将遥感图像进行纠正的基础上，按照一定的数学法则，运用特定的地图符号，结合表示地面特征的地图，可以将遥感图像编制成遥感影像地图。遥感影像地图具有遥感图像和地形图的双重优点。既包含了遥感图像的丰富信息内容，又保证了地形图的整饰和几何精度。遥感影像地图按其内容又可分为普通影像地图和专题影像地图。两者的主要区别在于：前者表示包括等高线等地形内容要素，后者主要反映专题内容。

第四是统计图表、数据报表。在地理信息系统中，属性数据大约占数据量的80%左右。它们是以关系（表）的形式存在的，反映了地理对象的特征、性质等属性。属性数据的表示方法可以采用前面所列的专题图的形式，同时还可以直接用统计图表和数据报表的形式加以直观表示。

第五是数字地图。地理信息系统的完善和发展，改变了人们对传统地图的认识以及地图的生产工艺，同时也出现了一种崭新的地图形式——数字地图，即电子地图：以地图数据库为基础，以数字形式记录和存储于计算机内，可在电子屏幕上实时显示的可视地图。

 

8.     地理对象可视化的技术和内容

空间数据的图形显示和表达是GIS的重要功能之一。初期阶段主要是对颜色的配置、多边形填充等，随着相关技术进步，空间数据的图形表达也从二维静态的图形显示发展到动态的交互的三维可视化及虚拟现实技术。

地理空间可视化是把获取的各种地理空间数据，经空间可视化模型的计算分析，转换成可被人的视觉感知的计算机二维或三维图形图像，并可对生成的影像进行二维或三维的空间查询或地学模型的计算分析。地理空间可视化包括地理空间二绍可视化和地理空间三维可视化。地理空间二维可视化，二维到二维的映射，只需把地理大地坐标系与屏坐标系相对应即可。地理空间三维可视化，三维到二维的映射，需要一系列图形学处理技术。

其类型包括地图可视化、GIS可视化、专业应用领域可视化。

地图可视化类型包括：

（1）虚拟地图，在计算机屏幕上产生的地图。

（2）动态地图，由于地学数据存储于计算机内存，可以动态显示地学数据的不同角度的观察，不同方法的表示结果，或者随时间的变化结果。

（3）交互交融地图，是指人可与地图进行相互作用和信息交流。交互即相互改变显示行为，交融即投入感和沉浸感。

（4）超地图，多媒体地图。是与超文本概念对应的。

GIS可视化主要指真三维的可视化、2.5维、动态可视化等。

专业可视化是指专业应用领域的计算、模拟和结果在GIS支持下的可视化显示。

 

9.     空间数据库的管理模式有哪些

空间数据库是一种应用于地理空间数据处理与信息分析领域的具有工程性质的数据库，它所管理的对象主要是地理空间数据(包括空间数据和非空间数据)。大多数商品化的GIS软件都不是采取传统的某一种单一的数据模型，也不是抛弃传统的数据模型，而是采用建立在关系数据库管理系统(RDBMS)基础上的综合的数据模型，归纳起来，主要有以下三种：

⑴     混合结构模型（Hybrid Model）

它的基本思想是用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据，其中属性数据存储在常规的RDBMS中，几何数据存储在空间数据管理系统中，两个子系统之间使用一种标识符联系起来

由于这种混合结构模型的一部分是建立在标准RDBMS之上，故存储和检索数据比较有效、可靠。但因为使用两个存储子系统，它们有各自的规则，查询操作难以优化，存储在RDBMS外面的数据有时会丢失数据项的语义；此外，数据完整性的约束条件有可能遭破坏。

⑵扩展结构模型（Extended Model）

混合结构模型的缺陷是因为两个存储子系统具有各自的职责，互相很难保证数据存储、操作的统一。扩展结构模型采用同一DBMS存储空间数据和属性数据。其做法是在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。这种模型的优点是省去了空间数据库和属性数据库之间的繁琐联结，空间数据存取速度较快，但由于是间接存取，在效率上总是低于DBMS中所用的直接操作过程，且查询过程复杂。

⑶统一模数据型（Integrated Model）

这种综合数据模型不是基于标准的RDBMS，而是在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达功能。空间扩展完全包含在DBMS中，用户可以使用自己的基本抽象数据类型(ADT)来扩充DBMS。在核心DBMS中进行数据类型的直接操作很方便、有效，并且用户还可以开发自己的空间存取算法。该模型的缺点是，用户必须在DBMS环境中实施自己的数据类型，对有些应用将相当复杂。

 

10. 面向对象的数据模型有哪些优点

面向对象方法基本出发点就是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。客观世界是由许多具体的事物或事件、抽象的概念、规则等组成的。因此，我们将任何感兴趣或要加以研究的事物概念都统称为“对象”(或称目标)。面向对象的方法正是以对象作为最基本的元素，它也是分析问题，解决问题的核心。OO方法很自然地符合人的认识规律。计算机实现的对象与真实世界具有一对一的对应关系，不需作任何转换，这样就使OO方法更易于为人们所理解、接受和掌握。面向对象方法具有的模块化，信息封装与隐藏、抽象性、多形性等独特之处,为解决大型软件管理，提高软件可靠性、可重用性、可扩充性和可维护性提供了有效的手段和途径，很快被引入到所有与计算机科学有关的领域。