第14章空間數據采集本章內容第一節(jié)數據采集方式第二節(jié)矢量化的步驟第三節(jié)ArcScan矢量化第四節(jié)空間校正第五節(jié)章小結

將遙感影像、紙質地圖、外業(yè)觀測數據等不同來源的數據進行處理，使其成為GIS軟件能夠識別及分析的形式，這就是空間數據采集。本章以遙感影像和紙質地圖的矢量化為例，介紹矢量化及地理配準的步驟，再講解ArcScan矢量化的過程，最后介紹空間校正的原理與方法。第一節(jié)數據采集方式數據采集包括圖形數據和屬性數據的采集。圖形數據采集主要包括手扶跟蹤矢量化和掃描跟蹤矢量化兩種方法；屬性數據的輸入通常有4種方法：鍵入法、使用光學的字符識別技術、在數字化或矢量化的過程中賦值以及人工編輯法。本節(jié)主要介紹圖形數據的采集方式。第一節(jié)數據采集方式手扶跟蹤矢量化手扶跟蹤矢量化主要利用電磁原理記錄數字化儀面板上的點的平面坐標來獲取矢量數據。手扶跟蹤矢量化的基本過程是：將需要矢量化的圖件（如紙質地圖、航片等）固定在數字化儀面板上，然后設定數字化范圍，填寫相關參數，設置特征碼清單，選擇數字化方式，按地圖要素類別實施圖形矢量化。該方法是最早采用的紙質地圖矢量化的方式，由于其對復雜地圖的處理能力較弱、效率不高、精度較低，目前已基本淘汰。第一節(jié)數據采集方式掃描跟蹤矢量化掃描跟蹤矢量化是使用具有適當分辨率和掃描幅面的掃描儀及掃描圖像處理軟件將紙質地圖掃描成柵格圖像，然后經過幾何糾正、噪聲消除、線細化、配準等一系列處理，最終達到矢量化的操作步驟。掃描跟蹤矢量化作業(yè)速度快、精度高，操作人員工作強度較低，是目前最常用的地圖數據采集方式。第一節(jié)數據采集方式掃描跟蹤矢量化柵格數據矢量化的方式主要有以下兩種：（1）軟件自動矢量化：是通過特定的算法將地圖上的線條自動轉化為矢量要素，工作速度快、但是由于軟件只能化的局限性，后期需要大量的人工處理與編輯，因此，實際應用中一般不常采用此方法。（2）屏幕鼠標跟蹤矢量化：通常常用的是半自動矢量化方法，該方法是人工先指定一條線的起點，軟件自打工跟蹤至它不能判斷去向的位置（通常是多條線段的交叉點，線段不連續(xù)處、文字標注等隔段處）然后人工指定新的位置，軟件自動進行新的跟蹤，直到人工結束一條線的跟蹤為止。由于此方法兼顧人工對地物的判斷和軟件的自動化，因此矢量化速度較快，是目前普遍采用的矢量化方法。第二節(jié)矢量化的步驟矢量化是把柵格數據轉化成矢量數據的處理過程。通常要經過圖像準備及預處理、地理配準、數據分層、圖形數據追蹤等幾個步驟。圖像準備及預處理圖像準備是將紙質地圖矢量化的第一步，目前最常用的是對紙質地圖的掃描。進行紙質地圖的掃描之前，需要對相關參數進行設置：掃描模式：不同類型圖件的掃描模式有所不同，地形圖的掃描通常采用二指掃描或灰度掃描，黑白航片或衛(wèi)片采用灰度掃描，彩色航片及衛(wèi)片需采用彩色掃描。分辨率：根據掃描的要求，地形圖一般采用300dpi的分辨率即可。亮度、對比度、色調、GAMMA曲線等，根據需要進行調整。第二節(jié)矢量化的步驟經過掃描后的圖像還要經過圖像預處理才能消除圖像中無關的信息，恢復有用的真實信息，增強有關信息的可檢測性，從而提高特征抽取、圖像分割、匹配和識別的可靠性。圖像預處理包括幾何校正和投影變換等。（1）幾何校正由于受地圖介質及存放條件等因素的影像，地圖的紙張容易發(fā)生變形，或者遙感影像本身就存在著幾何變形，通過幾何校正可以在一定程度上改善數據質量。幾何校正最常用的是仿射變換法，該方法可以在X軸與Y軸方向繼續(xù)寧不同比例的縮放，同時進行旋轉和平移。（2）投影變換不同的地圖投影文件，為了將其進行統(tǒng)一，就需要將源數據轉換為所需要統(tǒng)一的地圖投影，投影變換的方法有正解變換、反解變換及數值變換。數值變換是較常用的投影變換方法，常用的有三參數法和七參數法。第二節(jié)矢量化的步驟地理配準通過掃描得到的地圖數據不包括空間參考信息，航片及衛(wèi)片的位置精度往往也較低，因此需要通過具有較高位置精度的控制點將這些數據匹配到用戶指定的地理坐標系中，這個過程稱為地理配準。地理配準工具條在ArcMap主菜單中，單擊“Customize（自定義）”|“Toolbars（工具條）”|“Georeferencing（地理配準）”，加載地理配準工具條，如圖14.1所示。第二節(jié)矢量化的步驟地理配準地理配準的步驟Step01啟動ArcMap，加載已有的圖像文件，如圖14.2所示，按照該節(jié)前述的方法加載地理配準工具條。第二節(jié)矢量化的步驟地理配準地理配準的步驟Step02在主菜單中單擊“View（視圖）”|“DataFrameProperties…（數據框屬性）”，打開“數據框屬性”對話框，單擊“CoordinateSystem（坐標系）”標簽，打開“坐標系”選項卡，選擇坐標系統(tǒng)，本例選取“GeographicCoordinateSystems（地理坐標系統(tǒng)）”|“World”|“WGS1984”，如圖14.3所示，然后單擊“確定”按鈕。第二節(jié)矢量化的步驟地理配準地理配準的步驟Step03在內容表中右擊該圖像，單擊“ZoomToLayer（縮放至圖層）”，全圖顯示該圖像，在“配準”工具條上，單擊“Georeferencing”下拉箭頭下的“FitToDisplay”。Step04單擊“配準”工具條上的按鈕，在圖片上選取已知經緯度的點（例如經緯線的交點），單擊鼠標左鍵，然后右擊選擇“InputXandY（輸入X和Y）”選項，輸入已知點的坐標。Step05依次在圖像上增加5~7個控制點，單擊“配準”工具條上的

按鈕，打開“ViewLinkTable（連接表）”對話框，可以查看各點的殘差與RMS總誤差。第二節(jié)矢量化的步驟地理配準地理配準的步驟Step06單擊“Georeferencing（配準）”|“Transformation（變換）”|“1stOrderPolynomial（一次多項式）”。Step07單擊“Georeferencing（配準）”|“UpdateGeoreferencing（更新地理配準）”，完成柵格圖像的配準。Step08單擊“Georeferencing（配準）”|“Rectify（糾正）”，打開“SaveAs（另存為）”對話框，如圖14.4所示，根據需要選擇輸出路徑，點擊Save完成保存。第二節(jié)矢量化的步驟數據分層在矢量化開始之前，應該制定詳細的分層方案。一般的，矢量化過程中可以劃分較多的圖層，以便于對某一類地物的屬性統(tǒng)一賦值。數據分層過程中一般應遵循以下原則：（1）不同類的要素分不同圖層進行保存，如河流、居民地、學校、湖泊等。（2）不同幾何形狀的要素分不同的圖層存放，如湖泊、行政區(qū)域等面狀地物與水井等點狀地物應區(qū)別存放。（3）同種性質、不同類別的地物宜分布在不同圖層，如同為交通線的鐵路與公路宜分布在不同圖層；但同種類型，不同等級的地物宜放在同一個圖層，如等級不同的公路應該置于同一個圖層中。（4）不同時間段的數據分布在不同的圖層上。第二節(jié)矢量化的步驟圖形數據追蹤圖形數據追蹤是以柵格數據為基礎，用矢量化軟件依次對各個圖層的地物進行跟蹤矢量化。實際操作中，需要先使目標圖層處于可編輯狀態(tài)，并進行相應的捕捉設置，以便準確定位，提高數字化的精度。第二節(jié)矢量化的步驟屬性錄入屬性數據的錄入可在矢量化的過程中進行，也可在處理好幾何數據后在進行錄入。第三節(jié)ArcScan矢量化ArcScan是ArcGIS柵格數據矢量化的工具集，使用ArcScan模塊可以將柵格數據矢量化為Shapefile或者地理數據庫要素類的格式文件。ArcScan簡介ArcScan矢量化方法分為柵格追蹤矢量化與自動矢量化兩種。柵格追蹤矢量化可以完全控制矢量化的過程，它具有半自動矢量化的功能，是較為常用的矢量化方法。而自動矢量化則是通過執(zhí)行命令來自動生成矢量要素。下面以實例來介紹柵格跟蹤矢量化的具體步驟：Step01在ArcMap的啟動過程中，選擇目標路徑（本例選擇G:\gis\ArcScan），單擊

按鈕，新建文件地理數據庫文件，命名為ArcScanGDB，如圖14.5所示。第三節(jié)ArcScan矢量化ArcScan是ArcGIS柵格數據矢量化的工具集，使用ArcScan模塊可以將柵格數據矢量化為Shapefile或者地理數據庫要素類的格式文件。ArcScan簡介Step02在ArcScanGDB數據庫中創(chuàng)建線要素類Line，用于存儲邊界線，加載ParcelScan.img圖像文件及Lines線要素類到ArcMap中。Step03在ArcMap桌面上選擇“Customize（自定義）”|“Extensions（擴展）”，在彈出的Extensions對話框中，勾選ArcScan前的復選框，如圖14.6所示。第三節(jié)ArcScan矢量化Step04在激活ArcScan后，選擇“Customize（自定義）”|“Toolbars（工具條）”|“ArcScan”，將其顯示到ArcMap桌面上。Step05在內容列表中右擊ParcelScan.img，點擊“ZoomToLayer（縮放至圖層）”。再右擊ParcelScan.img，點擊“Properties（屬性）”，打開“LayerProperties（圖層屬性）”對話框，單擊“Symbology（符號系統(tǒng)）”標簽，設置相關參數如圖14.7所示，將柵格圖像二值化處理。點擊“確定”后，結果如圖14.8所示。第三節(jié)ArcScan矢量化Step06在Editor工具條上，單擊“Editor”的下拉箭頭，點擊“StartEditing（開始編輯）”，選擇“Lines”線要素類，單擊“OK”按鈕。Step07在ArcScan工具條上，單擊“RasterCleanup（柵格清理）”|“StartCleanup（開始清理）”，啟動柵格清理。再單擊“CellSelection（像元選擇）”下的“SelectConnectedCells（選擇已連接像元）”，打開“SelectConnectedCells”對話框，設置如圖14.9所示。單擊“OK”按鈕，選擇圖像上的文字，再單擊“RasterCleanup（柵格清理）”|“EraseSelectedCells（擦除所選像元）”，將多余的文字和數字標注刪除，刪除后的結果如圖14.10所示。最后單擊“RasterCleanup（柵格清理）”|“StopCleanup（停止清理）”。第三節(jié)ArcScan矢量化Step8點擊菜單“Bookmarks（書簽）”|“Tracelines（線追蹤）”來設置當前區(qū)域為本次練習的區(qū)域范圍。當顯示刷新后，你就可以看到跟蹤區(qū)域了，如圖14.11所示。第三節(jié)ArcScan矢量化Step09在ArcScan工具欄上點擊RasterSnappingOptions按鈕打開設置柵格捕捉選項對話框。設置maximumlinewidth為7，這個設置將使得能捕捉邊界的柵格像元，點擊OK，如圖14.12所示。第三節(jié)ArcScan矢量化Step10點擊Editor工具欄中Snapping來打開SnappingEnvironment對話框，點擊Raster前的+號展開，選擇Centerlines和Intersection來進行捕捉。Step11單擊“Editor”工具欄中的“CreateFeatures”按鈕，然后在ArcScan工具欄上點擊VectorizationTrace按鈕移動鼠標捕捉到線上一點，然后沿著邊界單擊，開始對該區(qū)域跟蹤矢量化，當跟蹤完成了整條線，按F2鍵或雙擊完成草圖，如圖14.13所示。第三節(jié)ArcScan矢量化Step12矢量化完成后，在Editor工具條上單擊Editor|SaveEdits。Step13單擊Editor工具條上的按鈕，單擊要輸入屬性的線要素，單擊Editor工具條上的

按鈕，打開“屬性對話框”，如圖14.14所示，根據需要輸入屬性值，然后單擊Editor|StopEditing，停止編輯要素。第三節(jié)ArcScan矢量化ArcScan自動矢量化以ArcTutor中的實例ArcScanBatch.mxd為例，其操作步驟如下：Step01啟動ArcMap，打開地圖文檔ArcScanBatch.mxd（位于ArcTutor\ArcScan目錄下），加載ArcScan工具條。Step02在內容列表中右擊ParcelScan.img，點擊“ZoomToLayer（縮放至圖層）”。再右擊ParcelScan.img，點擊“Properties（屬性）”，打開“LayerProperties（圖層屬性）”對話框，單擊“Symbology（符號系統(tǒng)）”標簽，設置相關參數如圖14.7所示，將柵格圖像二值化處理。點擊“確定”后，結果如圖14.8所示。第三節(jié)ArcScan矢量化ArcScan自動矢量化Step03在ArcScan工具條上，單擊“RasterCleanup（柵格清理）”|“StartCleanup（開始清理）”，啟動柵格清理。再單擊“RasterCleanup（柵格清理）”|“RasterPaintingToolbar（柵格繪畫工具條）”，打開柵格繪畫工具條，如圖14.15所示。第三節(jié)ArcScan矢量化ArcScan自動矢量化Step04點擊在RasterPainting工具欄上的擦除按鈕，點擊并按住鼠標左鍵來擦除地塊頂上的注記。繼續(xù)單擊另一個工具叫做MagicErase工具按鈕

，允許你通過單擊并畫框的方式來擦除連續(xù)的一系列像元。我們圍繞標號為001區(qū)塊的注記畫個框，即可刪除這個注記。刪除前后對比圖分別見圖14.16，如圖14.17所示。第三節(jié)ArcScan矢量化ArcScan自動矢量化Step05在ArcScan工具條上，單擊“Vectorization（矢量化）”|“VectorizationSettings…（矢量化設置）”，打開“矢量化設置”對話框，設置相關參數如圖14.18所示。第三節(jié)ArcScan矢量化ArcScan自動矢量化Step06單擊“Vectorization（矢量化）”|“ShowPreview（顯示預覽）”，預覽矢量化后的結果，若不滿意，可從新設置矢量化參數，直至達到滿意的效果。Step07單擊“Vectorization（矢量化）”|“GenerateFeatures…（生成要素）”，打開“生成要素對話框”，如圖14.19所示。單擊“Template（模版）”，選擇“ParcelLinesBatch”，然后單擊“OK”，完自動矢量化過程。第四節(jié)空間校正為了將幾何形狀發(fā)生變化的不同地理數據源進行整合，我們需要對這些矢量數據進行空間校正。空間校正與地理配準的操作方法類似，不同是空間校正的對象是矢量數據，而地理配準則是針對柵格數據。第四節(jié)空間校正空間校正工具條介紹為了調出空間校正工具條，我們在ArcMap中單擊“Custmoze（自定義）”|“Toolbars（工具條）”|“SptialAdjustment（空間校正）”，打開“空間校正”工具條，如圖14.20所示。第四節(jié)空間校正空間校正的方法空間校正方法包括空間校正變換（仿射變換、射影變換、相似變換），橡皮頁變換，邊匹配等。空間校正變換用于在坐標系內移動、平移或者轉換單位。若需在坐標系之間轉換數據，則應先對數據進行投影。橡皮頁變換用于糾正幾何圖形。邊匹配是對鄰接圖層進行對齊的工具。第四節(jié)空間校正空間校正變換空間校正變換用于將未定義空間參考的數據轉換為實際坐標。現已示例說明其操作步驟：Step01在ArcMap中打開地圖文檔Transform.mxd（位于ArcTutor文件夾中），并按照14.4.1節(jié)中描述加載“空間校正”工具條。Step02打開“Editor”工具條。Step03在“空間校正”工具條上，單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“SetAdjustData…（設置校正數據）”，打開“ChooseInputForAdjustment（選擇要校正的輸入）”對話框，選中“Allfeaturesintheselayers：（以下圖層中的所有要素）”，選擇要校正的數據“Newparcels”及“NewBuildings”，如圖14.21所示。第四節(jié)空間校正空間校正變換Step04單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“AdjustmentMethods（校正方法）”|“Transformation—Affine（變換-仿射）”，指定校正方法。Step05在“Editor（編輯）”工具條上，單擊“Editor（編輯）”|“Snapping（捕捉）”|“SnappingToolbar（捕捉工具條）”，打開“捕捉工具條”，點擊

按鈕，選擇“頂點捕捉”，以便準確捕捉。Step06單擊“空間校正”工具條上的

按鈕，單擊被校正要素圖層上的頂點，再單擊基準要素圖層上的對應點，建議一個連接（起點是被校正要素上的某點，終點是基準要素上的對應點）。用同樣的方法，建立頂點的4個連接，如圖14.22所示。第四節(jié)空間校正空間校正變換Step07在“空間校正”工具條上，單擊

按鈕，查看各個連接點的坐標值和相對誤差，如圖14.23所示。在此可對殘差過大的連接進行刪除或重新設置，以提高精確度。第四節(jié)空間校正空間校正變換Step08單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“AdjustmentPreview（校正預覽）”，預覽校正效果，如圖14.24所示。若效果滿意，便可執(zhí)行校正；若不滿意，返回Step7，檢查并刪除RMS誤差較大的連接，并重新建立連接。第四節(jié)空間校正空間校正變換Step09單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“Adjust（校正）”，即可完成校正變換，結果如圖14.25所示。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換為了對數據進行小范圍的幾何校正，以將一個圖層與另外一個與之十分靠近的圖層相對齊，則需使用橡皮頁變換。操作步驟如下：Step01在ArcMap中打開地圖文檔Rubbersheet.mxd（位于ArcTutor文件夾中），并點擊“Editor”|“StartEditing”，啟動數據編輯。Step02在“Editor（編輯）”工具條上，單擊“Editor（編輯）”|“Snapping（捕捉）”|“SnappingToolbar（捕捉工具條）”，打開“捕捉工具條”，點擊

按鈕，選擇“頂點捕捉”，以便準確捕捉。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step03加載“空間校正”工具條后，單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“SetAdjustData…（設置校正數據）”，打開“ChooseInputForAdjustment（選擇要校正的輸入）”對話框，選中“Allfeaturesintheselayers：（以下圖層中的所有要素）”，選擇要校正的數據“ImportStreets”圖層，如圖14.26所示，單擊“OK”按鈕。以調整其與“ExistingStreets”圖層進行匹配。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step04單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“AdjustmentMethods（校正方法）”|“Rubbersheet（橡皮頁變換）”，指定校正方法。Step05單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“Options…（選項）”，打開“AdjustmentProperties（校正屬性）”對話框，單擊“General（常規(guī)）”選項卡，在“AdjustmentMethods（校正方法）”下拉框中選擇“Rubbersheet（橡皮頁變換）”，如圖14.27所示。單擊“Options（選項）”按鈕，打開“Rubbersheet（橡皮頁變換）”對話框，選擇“NaturalNeighbor（自然領域法）”單選按鈕，單擊“確定”按鈕，返回“校正屬性”對話框，再次單擊“確定”按鈕，完成設置。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step06在ArcMap主菜單中單擊“Bookmarks（書簽）”|“ImportStreets”，單擊“空間校正”工具條上的按鈕，添加新位移連接，共添加8個連接點，如圖14.28所示。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step07在ArcMap主菜單中單擊“Bookmarks（書簽）”|“CurveFeatures（曲線要素）”，單擊“空間校正”工具條上的按鈕，先單擊“ImportStreets”圖層中的彎曲的道路要素，然后單擊“ExistingStreets”圖層中的彎曲的道路要素，系統(tǒng)提示輸入要創(chuàng)建連接的數量，接受默認值10，回車確定，地圖中即會顯示多個連接，用同樣的方式為其他彎曲要素創(chuàng)建多個連接，如圖14.29所示。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step08單擊“空間校正”工具條上的

按鈕，在地圖的5個不變的交叉點處添加5個標識連接，如圖14.30所示。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step09單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“AdjustmentPreview（校正預覽）”，預覽校正效果，如圖14.31所示。若效果滿意，便可執(zhí)行校正；若不滿意，返回上一步修改。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step10單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“Adjust（校正）”，即可完成變換，結果如圖14.32所示。第四節(jié)空間校正橡皮頁變換Step11在ArcMap主菜單中單擊“Edit（編輯）”|“SelectallElements（選擇所有元素）”，然后按Delete鍵，刪除這些元素，保存并停止編輯后，結果如圖14.33所示。第四節(jié)空間校正邊匹配邊匹配通常用于相鄰圖層的邊緣對齊操作。實例操作步驟如下：Step01在ArcMap主菜單中打開地圖文檔EdgeMatch.mxd（位于ArcTutor文件夾中），并啟動數據編輯。Step02加載“空間校正”工具條，在“空間校正”工具條上，單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“SetAdjustData…（設置校正數據）”，打開“ChooseInputForAdjustment（選擇要校正的輸入）”對話框，選中“Allfeaturesintheselayers：（以下圖層中的所有要素）”，選擇要校正的數據“StreamsNorth”。第四節(jié)空間校正邊匹配Step03單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“AdjustmentMethods（校正方法）”|“Edgesnap（邊捕捉）”，指定校正方法。Step04單擊“SpatialAdjustment（空間校正）”|“Options…（選項）”，打開“AdjustmentProperties（校正屬性）”對話框，在“Genral”選項卡中，單擊“Options”，選擇“smooth（平滑）”方法。單擊“EdgeMatch（邊匹配）”選項卡，按照圖14.34所示進行設置后單擊“確定”。第四節(jié)空間校正邊匹配Step05單擊“空間校正”工具條上的按鈕，拖動鼠標左鍵，在兩個圖層的連接處繪制矩形框，顯示的圓點是自動得到的連接點。如果邊范圍拖出框后并未創(chuàng)建任何連接，可以稍微縮