《资源环境信息技术》PPT课件.ppt

资源环境信息技术 第一章绪论 1 资源环境信息技术内容 研究范围 资源环境信息技术是指农业宏观资源环境信息的采集 数据处理 数据管理 信息传播以及辅助管理决策的整套技术 主要内容 遥感技术 大面积宏观地学信息快速获取的技术 全球定位系统 快速便携采集点位数据的技术 地理信息系统 存贮 管理 分析地学空间信息数据的技术 信息传播技术 通过计算机网络将图形 图像 声音 文字表格等信息媒体传播的技术 涉及到的信息技术有 数据 仓 库技术 计算机图形学 大地测绘技术 图像处理技术 专家系统技术等等 由此说明 资源环境信息技术是以计算机技术为核心的技术领域 但计算机技术并不等于信息技术 计算机技术与信息表达对象的结合才是信息技术 资源环境信息技术特点 综合性 高新技术集成基础性 80 以上的国民经济的信息都与资源环境信息技术有关广泛性 事关 三农 问题的解决 为广大农业生产者 农业管理者 农业科学工作者所需求的技术 2 资源环境信息技术对于发展国民经济的重大意义 资源环境问题构成人类生存的巨大威胁 利用现代信息技术强化资源环境管理是国民经济可持续发展的根本保障 这项技术的发展是一个国家实力的体现 农业生产需要资源环境信息技术 产前 产中 产后都需要信息技术来指引 没有技术的生产是愚蠢的生产 而没有信息的生产则是盲目的生产 资源环境信息技术事关人们的衣食住行 3 国内外资源环境信息技术的发展历程与现状 信息技术是生产力发展的必然产物 信息是物质世界各种事物存在的表征 具有客观性 共用性 时效性 信息的重要性并非今天人们才认识 信息技术直到20世纪40年代以后才独立成为一门技术领域是生产力发展的必然结果 信息技术的发展需要社会生产力发展的驱动 同时也需要以相关基础科学与技术为条件 信息技术极大地从广度与深度上开阔了人们对自然界的认识 资源环境信息技术使人们更加深刻地认识了地球 这一我们人类共同生存的空间 在空间范围上 可以将数万平方公里的地学图形图像信息容纳在一台计算机以内 在时间维上 人们可以在瞬间将数千公里外的音像信息传输到眼前 在现代信息技术支持下 可以将巨大的时空范围事物变化的过程可视化地表现在计算机屏幕上 资源环境信息技术发展历程 20世纪60年代 遥感技术开始出现 资源环境信息技术开始形成 70年代 地理信息系统概念提出 加拿大建设世界上第一套CGIS系统 80年代 全球定位系统投入使用 资源环境信息技术形成一个独立的技术体系 技术集成度提高 90年代 资源环境信息与信息技术产业化 美国就业人口中52 从事直接信息产业 1998年美国提出 数字地球 概念 世界各国响应 数字农业 精确农业 数字国土 数字北京 等概念纷纷提出 国家级信息工程纷纷上马 第二章资源环境信息数据表达 1 空间数据与属性数据资源环境信息是宏观广域空间信息 它以空间数据为信息表达的基本框架 而以属性数据为空间特性表达的内容 空间数据 指空间的位置 表达空间位置有多种参照系 有天文坐标参照系 地理经纬度参照系 大地直角坐标系等等 它通过二维或三维坐标数据表达空间位置 平面图件 地图 是空间数据的基本载体 图件分有纸介图件 电子图件 空间地物可分为点状 线状 面状地物三大类 这三种地类在地图上称作地图三要素 三种地类存在着多种空间关联 空间数据有两种表达格式 矢量格式与网格格式 矢量格式网格格式 网格格式图件特点 一个网格格式表示某种属性的一个均值 用代码表达 网格是不可分割的数据单位 位置由行列号表示 为整数 一个地物是具有相同或接近相同属性值的集合 面状地物的边界可以是网格的格线 也可以是相邻网格串联在一起的集合 网格格式可以表现图像 也可以表达图形 在表达图像时 各个网格可以有自己不同的颜色编码 在表达图形时 边界网格赋于独立的属性 矢量格式图件特点 矢量格式数据只能表达图形 图形是图像的一种抽象 矢量格式下的线状地物或面状地物只具有某种属性的一个特定值 即认为一个线状地物上或面状地物 图斑 内是属性均值的 矢量格式下的空间数据用坐标 表示 可以是小数 属性数据 它是指对于特定的空间位置或空间地物的某种属性的数值或代码 比如降雨量 土壤类型 土地权属等 属性数据的特点 每一属性数据都与一个空间位置或空间地物相联系 即对于特定的属性类别 每一空间地物或空间位置都有一属性值 两个不同的空间地物有可能具有相同的属性值 每一类别属性数据都有固定的阈值范围 比如土壤 值一定在 之间 降雨量一定在 之间 一幅图件通常只表达一类属性值的分布 比如土壤类型分布图 图中每一图斑表示的都是一种土类 当然允许有多种属性值 比如该类土壤的 值 土质状况等 属性数据与空间数据依赖有相同的 识别码相联系 属性数据一般都用关系型数据库存贮 模型 模型是将空间数据与属性数据按图层方式分门别类地存贮并加以统一管理的数据存贮模型 比如 资源环境信息经常使用到的图层数据有 土壤类型分布图 年均降雨量分布图 等高线图 行政区划图 水系图等等 这些图件全部数字化 而且 比例尺需要相同 投影方式需要相同 覆盖地域严格一致 这样以便于做图形叠加分析 在实际工作中 对有些图 将纸介图件数据分解还要过细 将图中点状地物 线状地物 面状地物分别各作为一个图层处理 代码与编码 定义将系统内各种数据 文字符号 文件等以数字符号或指定字母符号的组合标识出来 成为计算机系统可以接收的形式 这种标识称作代码 用户制定代码的过程称作编码 代码的特点与编码的原则 唯一性 一个代码只能指定一个事物 一致性 在系统自始至终一个代码只指固定的一件事物 通用性 一些代码有国际标准 如 码 有些有行业标准 如土地分类代码 城镇地籍数据文件名称代码 在实际工作中 制定本系统特定代码中必须要与这些国标相一致 前瞻性 编码码位要留有余量 避免代码容纳不下表达事物的数目 比如年份要用 位 月份用 位 日用 位 代码结构代码一般分为若干码段 码段有相对独立性 表示一个独立的意思 有固定的码位 字节数 比如行政村通常设 位代码 前 位表示乡 作为一个码段 后 位表示村 码段这样设置表示村与乡的管辖从属关系 对于代码结构需注意 一个代码可以有多个码段 实用时还允许拆卸或增加 比如在乡前再加县代码段 在多码段的代码中 代码的唯一性是指整个代码的唯一性 不排除两个代码的对应码段相同 比如不同乡有可能两个村的码段代码相同 代码一旦制定 绝对不允许在码段间码位 借用 比如将乡码段的一位码位 借给 村码段使用 如果这样 将发生混乱 代码的设制是一件相当细致谨慎的工作 编码过程 数据整理 分类分析数据类别间关系 有并列关系 有从属关系估计数据数目 决定码位字节数量调查相关行业编码标准 3 航摄投影 投影一般定义空间任一点A与一固定点S的连线 包括其延长线 被某面P所截 其交点a叫做空间点A在截面上的投影 注意 截面P并不一定是平面点位A与投影点a不必须是在投影面P的两侧 在特殊情况下 固定点S也可能在无穷远处 此时AS BS CS S p cba A B C 中心投影 定义投影面是平面的投影叫做中心投影照相机摄影是中心投影的实例 S是镜头 投影面 远离实物一侧 是胶片 影相为负片 摄影中心投影中的几个术语定义 1 固定点S称作投影中心 2 过投影中心垂直于投影面P的直线称作主光轴3 主光轴垂直于地面的投影称作垂直中心投影4 投影中心S到投影面 胶片 的距离称作焦距f S到投影面的垂足称作像中心点 比例尺abf1ABHm 一般图件比例尺为1 50万 1 25万 1 10万 1 5万 1 500依次比例尺由小变大 中心投影两个误差来源1 高低地面起伏引起投影误差 a0 a S f H A A0 投影误差 r 注意 1 误差与航高H成反比 在卫星遥感中H达数百公里 相对于地面相对高差 h大 h r H 出许多 误差可忽略不计 2 投影误差呈径向分布 距离像中心点越远 即r越大 则误差越大 A 投影面与地面不平行 S S P0 P 说明 1 为辐射角 即在投影面上点位辐射线与主横线的夹角 为投影面与水平面的夹角 r 为辐射距 f为焦距 2 在投影面上坐标设置与地面起伏误差分析的坐标设置有所不同 坐标原点设置在等角点上 即过倾斜投影面上的像中心的垂线与过水平投影面像中心的垂线构成的角平分线与倾斜投影面的交点作倾斜投影面的坐标原点 过原点在倾斜投影面的横向直线 垂直于纸面 见图 设为X坐标轴 纵向设为Y坐标轴 并以X轴作为倾斜投影面的旋转轴 一切误差分析都以这样的设置为基础 进行计算的 x y a b c d o 3 这样看来 倾斜投影面上的像中心点与坐标原点并不在一个点上 因而这里的辐射距r 与地面起伏投影误差辐射距r并不相等 但是不难证明两者相差不大 在倾斜角不超过3 情况下 由于坐标原点设置引起的误差可以忽略 讨论 1 投影面倾斜角 一般不大于3 sin 是正值 而 取值却从0 到360 变化 使辐射距覆盖整个影像 因而使误差 可正可负 具体分析如下 当0 180 则误差 为负值 即向内收缩 当180 360 则误差 为正值 即向外扩张 2 投影面与地面不平行引起的投影误差与镜头焦距成反比 与辐射距平方成正比 3 此种投影误差与航高无关 因而无论在航空摄影或卫星遥感中都必须要加以注意纠正的 正射投影 定义 将投影中心S点置于无穷远处的中心投影称作正射投影 实际正射投影的定义 二次投影 首先投影到一个假想投影面上 比例尺为1 1 然后在做二次中心投影 正射投影讨论 1 正射投影不存在投影误差是一种理想的投影2 如果地面平坦 摄相条件理想 即镜头平面平行于水平面 则此时的摄相中心投影即为正射投影 4 大地投影 地球模型地球可以模拟为旋转椭球体 其长半轴为6 378 140m 短半轴为6 356 755 3m普通测量中可将地球看作为球体 其半径为6371000m 大地投影 基本思想 将地球看为透明 将光源 即S点 置于地球心 光线 投影线 穿过地球球面上各个点 投影到地球外假想的可展曲面上 如圆锥面 圆柱面或直接就是平面 然后将可展曲面展开 并用理想中心投影的方法将其缩小 即制成不同比例尺地图 大地投影制图的种类1 以投影面划分为 圆锥投影 圆柱投影 方位投影 投影面是平面 2 以投影面与地球的关系划分为 正切 横切 斜切 正割 横割 斜割等说明各国投影制图种类选择取决于该国地理的具体位置以及幅员大小 形状特点等 以制图投影误差最小为原则 大地投影误差讨论1 误差的类别 距离误差 即图上两点距离与实地两点距离的差别 方位误差 即图上两点的指向与实地两点指向的差别 面积误差 即图上图斑量测的面积与实地量测面积的差别 2 不同投影下的误差分析任何地图总存在两种或三种误差 不存在任何误差的图件是没有的 地图投影为某种特殊需要 采取复杂的数学变换 往往是以牺牲某种误差增大为代价 而换取减弱甚至消除某一种误差 如等积投影 等角投影变换 在制图比例尺大于1 10万情况下 可以不考虑投影方式带来的误差差异 5 中国地图常用的两种投影 正割圆锥投影技术特点 覆盖面积大 距离误差有正有负 方位误差较小 面积误差很小 有两条纬线与投影面相交 两纬线之间距离误差为负 而两纬线之外误差为正 经线为辐射状的直线 中央经线指向垂直方向 两边经线对称 纬线为高次曲线 两条正割纬线上无误差 我国地形图实施情况两条割线处于北纬25 与北纬47 综合考虑到了我国幅员陆上部分北达北纬53 漠河 南至18 海南岛 的广阔地区 这是将各种误差相对较小的优化结果 比例尺适于制作1 50万以上小比例尺制作行政区划图 地形图 横切椭圆柱投影 又称高斯 克吕格投影 x y 技术特点1 有一条经线与投影面相切 这条线称为中央子午线 在这条经线上没有误差2 投影误差以中央子午线两侧为对称 越远离中央子午线则误差越大 越远离赤道误差越小 3 为减少误差 采取按经线分割条带 国际上按中央子午线两侧 1 5 3 带分割 3 6 带分割 分作投影带 4 条带分割后误差最大处在赤道上的条带边缘 对于6 带 长度最大误差达 0 14 面积变形最大达 0 27 实施情况1 在我国1 50万 包含1 50万 以下比例尺制作地图用此投影2 比例尺不同 因而对每分割条带又作进一步切割成图件 切割按经纬度进行 即每幅图件的图廓线都是经纬线 图件比例尺不同 每幅图件经差 纬差跨度不同 1 50万图件按经差3 纬差2 分割1 25万图件按经差1 5 纬差1 分割1 10万图件按经差30 纬差20 分割 以此逐层次比例尺扩大 经纬差减少以保证图件实际图件尺寸大小基本相同 3 理论上 在一个条带中 每幅图件图廓的形状都不同 基本上呈梯形 但梯形两侧的边线倾斜角度不同 6 数字地形图 坐标系设置以每个3 条带的中央子午线为y轴 以赤道为x轴 建立直角坐标 考虑到在每条带中 中央子午线西侧的x值含有负值 为避免负值 又将y轴向西平移动500公里 构成通用坐标系 图廓四角点每幅标准地形图图廓四角点都标注经度纬度 纵向边线两顶点经度相同 横向边线两顶点纬度相同 注意 纵向边线两顶点的x坐标并不相同 同样横向边线两顶点的y坐标也并不相同 经纬度与x y坐标系之间的变换由地理参照系经纬度值 L B 向X Y坐标值的变换称作正解变换 而反之 由 X Y 向 L B 变换称作反解变换 正反解变换都是非常复杂的非线性变换随投影方式的不同 变换也不相同 公里网 方里网 在每条带的直角坐标系中 从坐标原点开始 横向与纵向每一公里画出一条纵线与横线 构成的网格称作公里网 公里网格线的交点坐标都是公里的整数倍 各3 带或6 带中的公里网格线互不平行 公里网的设置起误差控制作用 北向每幅地形图的正上方向并不指严格意义的北向 即并不严格地指向地轴的北极点 只是与中央子午线平行 7 图件的矢量格式表达 图形三要素点 点状地物 在计算机地理信息系统 GIS 中用 x y 表示 其标识码 ID码 定义其标识管理代号 并附有各种属性 如地物种类 树 井位 村镇 面积以及其它特征 线 线状地物 系统中用坐标链表示注意 相邻链节点用直线连接 链节长度不一定相等 其长度取决于原曲线的曲率半径 面 面状地物 是一个封闭的区域 在图件上又称作图斑 面由一个坐标链或多个坐标链组成其边界 注意 面包括带有 岛 的封闭区域 207 208 205 201 206 213 211 212 232 A B C D E F G H I 矢量格式图件的基本概念 坐标链 coordinatechain 有方向的折线 或链接在一起的矢量集合 在计算机中存贮为有一定顺序的X Y坐标数据结点 node 三个或三个以上坐标链相交汇的点弧段 arc 相邻两结点之间的坐标链 通常一个弧段以两个结点作为其端点 但岛弧段是由首尾相接的弧段组成 是一种特殊的弧段 称之为岛弧段 多边形 Polygon 由弧段组成的封闭区域 多边形又称为图斑 部分图斑内部有岛 内边界 这种有岛的多边形称为多连通域 无岛多边形称为单连通域 拓扑关系 Topologicalrelationship 这里指结点 弧段 多边形之间的空间位置关系 即表达一个结点由哪些弧段在此交汇 弧段前进方向的左右多边形是什么 一个多边形由哪些弧段组成 进一步哪几条弧段是外边界 哪几条弧段是内边界 这些拓扑关系用代码表示出来 注意每一个结点 弧段以及多边形都有ID码 坐标链 多边形的包络矩形 Range 指坐标链或多边形的外接矩形 其4个坐标特征值为 Xmin MIN x1 x2 xn Xmax MAX x1 x2 xn Ymin MIN y1 y2 yn Ymax MAX y1 y2 yn 矢量格式下的图形复杂性分析 结点关联弧段弧段关联图斑 且线状地物本身有宽度 但在中比例尺图件上只是一条线 常常因比例尺过小的原因 这条线的位置无法表明该线是否为中轴线 只有在属性数据中加注明线的左侧宽度 右侧宽度 一个结点位置变化或一个弧段位置变化要引起至少两个甚至三个或更多相关图斑面积的变化 空间图形数据的复杂性决定着数据存贮格式的慎密严谨 也需要相应计算机软件功能的支持 矢量格式下空间数据的组织方法一般来讲 不同软件其空间数据组织方法都不相同 这就是软件间数据不相兼容的原因 数据组织方法大致可分为两类 具有全拓扑关系的数据组织方法 如ARC INFO MAPGIS等GIS软件其方法要点是 1 以弧段为基础数据组织单位 将点坐标组织在弧段内 当然点状地物坐标数据除外 弧段设有代码 内码 并有查找全部所属点的索引 2 对于每个结点在数据库中要给出在此相交汇的弧段 3 对于每个弧段在数据库中要给出其左右图斑ID代码 4 每个图斑都有ID代码 并要给出其组成弧段的代码 在这些弧段中区分内外边界 对于内边界还要进一步给出内边界弧段组成独立封闭区域的注示数据 5 具有严密高效的数据索引方式 其中要利用到包络矩形的数据 数据索引图形编辑的数据一致性 无全拓扑关系的数据组织方法 如Oracle spatical Mapinfo等软件 方法要点是 1 采用面向对象的方法 分别按点 线 面作为对象组织数据 2 由于两个相邻的面有公共边 因而此数据组织方法必须具有强有力的空间分析功能 能够在必要时将对应相邻面边界快速查询出来 以保证在图形编辑时数据的一致性 3 采用四叉树方法实行分块索引机制 两种数据组织方法优缺点分析1 全拓扑关系数据组织方法数据结构较复杂 数据检索速度快 数据容余小 便于复杂情况下的空间分析 2 无全拓扑关系数据组织方法数据结构较简单 面向对象的思想贯彻较彻底 使面向对象的高级计算机语言功能发挥充分 便于数据管理 3 全拓扑关系数据组织需要数据表格文件多 数据表格之间关系复杂 影响数据库的稳定性 而无全拓扑关系数据组织方法稳定性较好 错误数据容易恢复 4 全拓扑关系数据组织方法数据结构紧凑 而无拓扑关系数据组织方法数据容余量大 每个弧段坐标点数据要重复存贮两次以上 当前矢量格式下空间数据组织方法发展趋势1 关系型数据表达 这种数据格式便于管理 能与大型数据库标准化数据管理语言SQL相兼容 实现空间数据与属性数据一体化在一个数据库下管理 2 全拓扑数据表达是为了适应愈来愈复杂的时间 空间分析的实际要求 8 图件的网格格式表达 图件网格格式表达的基本思想 网格格式下数据组织每个网格在数据库中都有 i j 编号 这个编号既表示了空间位置 也可以成为其ID代码 对应于每一网格编号 可以有其多种属性值 因而 在网格格式下 没有任何拓扑关系表达的问题 在数据表达上 格式十分简单 在网格格式下 图斑边界有两种表达方式 1 图斑边界占有网格 赋以特殊的属性 这种表达方式通常是在由矢量格式转来成为网格格式情况下采用 2 图斑边界不占有网格 以网格线作为边界线 此时边界线就真正没有宽度了 这种表达方式通常是在系统内部自动生成的图件情况下采用 比如由点状数据自动生成面状数据最终生成的图件就采用这种方式 网格格式下的数据压缩网格格式数据结构简单 可以表达地理图件 遥感图像等数据 适用于多种空间分析数据处理的场合 但其基本问题在于数据压缩 数据压缩的两种类型1 无损数据压缩 即数据压缩后还可以完全恢复到压缩前的原样 信息不受任何损失 这种压缩通常压缩比不大 这种类型的数据压缩使用在地理信息系统中 2 有损数据压缩 即系统将次要的 无碍大局的信息数据压缩掉 以求压缩比提高 这种压缩方法在实施后无法将数据再恢复到原样 有损数据压缩有多种压缩方法 通常使用在图像处理 网络图像传输 多媒体图像数据存贮等多种场合中 无损数据压缩主要思路1 游程码 RunningCode 分析网格格式数据可以看到 在同一横行 连续几个相邻的网格可能属性码相同 此时就可以将这几个网格合并表示其属性 A1 P1 A2 P2 An Pn 其中A1为左起第一个连续相同属性网格的属性编码值 P1为这连续相同属性网格最远达到的位置 以下A2 A3 An P2 P3 Pn意义相同 当然如果某个网格独立具有某属性 那么Pi则表示该网格的位置 以上所述连续相同属性合并表示一个网格集合称作一个游程 显然网格格式图件中每个横行的游程数是随机的 因而在数据表格上可以这样设计 游程码数据表 游程序号属性编码游程列号 i 12345678930 50120100305 2478102341010 游程索引表 网格行号 i 逐行游程累计数 1236 591430 注意 游程码数据表每一行表示一个游程 而游程索引表每一行表示网格图件的一个行 这种两个表格表示一个随机数据个数的方法值得借鉴 当然也可以用列来设置游程 无论行游程还是列游程都只是在一维上实现了数据压缩 而在另一维并未实现压缩 2 四叉树数据压缩四叉树的基本思想 区域二维压缩 MD码 实现四叉树数据压缩的基础 上图特点 1 Jf j 2If j 2 MD i j If Jf3 MD是自左上角向右下方以 田 字 4网格 格为最基本单位逐次铺开的 计算If的递推公式 计算Jf 用计算If相同的方法 得到 此说明二进制 i 作为偶次项 二进制 j 作为奇次项交叉组合 转换为十进制即为MD i j 反之亦然 MD码意义1 用一维正整数码MD i j 替代二维坐标系数值i j 每 i j 格点唯一对应MD一个值 2 MD与 i j 相互转换方便3 MD是与四叉树思想完全吻合 为四叉树数据压缩奠定基础 二阶MD码意义一幅图先分为16 16个子区 每区按MD1编码作为第1阶 然后 每个小区中又分为256 256个网格 每个网格按MD2编码作为第2阶 记为 MD1 MD2 二阶MD码不但减少了码位长度 增强了计算机程序的可操作性 而且将一阶MD码作为索引 加快了运行速度 MD码支持下的数据压缩 MD码支持下的四叉树数据压缩线性四叉数码 LinearQuadTree LQT 二维行程码 2DimensionRunningEncode 2DRE MD码数据压缩小结 MD码数据压缩是二维无损数据压缩MD码数据压缩效率与图形复杂程度相关 9 网格格式与矢量格式比较分析 网格格式与矢量格式是资源环境信息空间数据两种基本表达格式 比较两种格式优劣势可归结以下几点 1 网格格式的特点可表述为 只见树木 不见森林 而矢量格式为 只见森林 不见树木 2 网格格式数据表达简单 但数据存贮量大 易于做图形叠加分析 而矢量格式数据表达复杂 层次多 但数据冗余小 易于做除图形叠加以外的多种空间分析 比如计算图斑周长 面积 缓冲区分析等 3 网格格式通常受到计算机存贮量的限制 数据表达精确度不够高 但由于格式简单 易于标准化 各软件数据易于转换 而矢量格式数据表达精度高 但不易标准化 数据转换困难 4 目前计算机机助制图已经基本上基于网格格式 矢量格式数据要加以转换变为网格格式再行机助制图 5 目前电子图件数据格式以矢量格式为主 地理信息系统中数据存贮也是以矢量格式为主 而将来发展趋势要以网格格式为主 总之 网格格式与矢量格式各有优势 且优势互补 数据格式相互转换在地理信息系统中是必备的功能