空间数据编辑与维护

5.2.4　空间数据编辑与维护

进行空间数据维护是为了维持一个具有现势性的空间数据库。由于空间数据的数据源有多种，它们在数据形式、输入方式和内容精度方面互不相同;同时，在进行空间分析时根据具体需要，对空间数据还要做一些预处理工作。这些都要求空间系统软件具备适当的数据维护功能，一般可将它们分为如下几类:拓扑约束、格式转换、坐标转换、投影变换、接边、线坐标优化、数据整合、图形编辑、图层更新。

1.图形要素编辑

图形要素包括点、线、多边形、注记及各GIS软件约定的特殊要素。图形编辑是GIS的基本特色，一般软件都有一组丰富的命令来完成对图形要素的编辑，这些命令的功能可以简单地描述如下:

·移动(move)

·复制(copy)

·融合(merge)

·分割(split)

·删除(delete)

·添加(add)

·旋转(rotate)

·延伸(extend)

·编辑内点(vertex editing)

2.空间拓扑关系

对空间要素建立完整的拓扑结构是进行空间分析的基础。一般情况下，拓扑结构是针对点、线、面三种空间要素的，在特殊情况下，也可以对其他空间要素(如结点)建立拓扑结构。所谓拓扑，是指空间要素间相邻或相接的一种逻辑量度。这种量度是通过一定的空间算法对要素进行搜索而获得的。显然，如果空间要素间的连接有误或位置不准确，那么所建立的拓扑就包含了错误的信息。

例如，两条本来连接在一起的线并没有连在一起，也就是说它们没有共有的结点，那么拓扑中就不会有它们相连的信息;本该闭合的多边形在结点处没有闭合，那么拓扑中多边形大小的量度信息也就是不真实的了。

图5-5是ArcGIS中显示的拓扑错误，其前提是预先定义图形要素之间的拓扑关系，该关系的含义为线段要素的两个端点必须与另外一个点图层中的点要素重叠。发生以上两种情况的原因有多种，需要通过细致的检查才能发现。一般GIS软件采用模糊容限或结点匹配容限的方法可以消除大部分错误，也有很多软件采用强制闭合多边形的方法来解决多边形不闭合的问题。

图5-5　GIS中拓扑关系定义及拓扑错误显示

为了更正图形要素的拓扑错误，图形数据的编辑是必不可少的，如形状的改变、移动结点、修改或添加用户标识等。

3.格式转换

从计算机开始被运用于地图制图至当今的GIS软件，产生了许多存储空间数据的数据格式，这样在应用数据时会经常出现需要将数据从一个系统转移到另一个系统中去。由于系统之间的格式不统一，这种转换需要用专门的程序来完成。数据格式要进行转换大致是基于如下几种原因:

①用户开始应用一套新的GIS系统;

②一个部门想使用另一个部门(不同系统)的数据;

③为了完成某一种特殊的项目。

每个GIS系统都有自己独特的数据格式，而且都定义了多种空间要素类型，属性数据格式也不尽一致，因此格式转换过程中或多或少会损失一些信息，如拓扑信息丢失、坐标精度降低、属性数据精度降低等。格式转换时应该尽可能避免信息损失。

除了各GIS软件自有的数据格式之外，一些CAD软件也有自己的格式。如AutoCAD是一种常用的CAD软件，在城市规划领域有很大的应用价值，它的存储采用DWG文件形式。同时，它的数据能很方便地转换为DXF格式，DXF也是较为通用的一种图形文件格式，几乎所有的GIS软件都能将这种格式的文件转换到自己的系统之中。DXF格式的数据没有拓扑信息，只带有图形表现特征的属性信息(如线型、颜色、线宽等)。

4.地理坐标转换

图形的定位方式有如下两种:一种是纳入全国的通用坐标体系或世界通用坐标体系之中，这种方式可以称为绝对定位;另一种是在局部范围内定义一个起始点，所有的地物都相对于这个起始点进行定位，这种方式可称为相对定位。

由于图形定位方式不同，同一地区的地形要素在不同的体系中有不同的坐标值，这将会对分析造成困难。因此有必要将图形从一个坐标体系转换到另一个坐标体系之中。

坐标转换操作之前，应该明确两个坐标体系的关系。如一般图形有四个角的控制点，就要弄清四个角点的坐标，以及新的坐标体系下四个角点的坐标。这一过程很可能会花去整个转换过程90%的时间，因为控制点的位置是最为关键的。

5.投影变换

由于地球是一个椭球体，在将地球上的空间物体表示在平面的图纸或计算机屏幕上时会使地物的形状产生变化。地图学家们已经研究出了多种地图投影的方法，这些方法可以归为三大类(图5-6)。

投影变换就是将地图坐标从一种投影方式转换为另一种投影方式。由于球面上的物体投影到平面的图纸后都会导致形状的改变，投影方式不同则变形的程度也不同，而且，这种变形只有在足够大的区域范围中才会明显地显示出来。小范围的区域若非特殊需要，一般不再作投影变换。

由于是处理空间地理数据的系统，所有GIS软件都应提供投影变换的功能，这是与CAD制图软件在图形处理方面的根本区别。

6.接边

在运用计算机技术之前，传统的地形测量总是利用分幅的方式来描述大范围的地表特征。相邻的图幅在其公共边界上由于各种原因，使得越过边界的地面要素很难在公共边界上准确地连接在一起，这样就产生了接边的问题。

图5-6　三类地图投影

由于目前大部分的空间数据源仍来自分幅地图，这些地图或是以扫描方式或是以手工数字化方式被输进计算机的空间数据库中。与测量过程类似，图形的输入过程也难免会产生一些误差，于是接边的概念很自然地被引入地理信息系统之中。

接边的关键是要找出“同名点”。一般GIS软件都能够自动完成大部分查找对应工作，对应点之间通过“连接矢量”相关联，如图5-7所示，其中左边为关联前的状态，右边为关联后的状态。如果关联不正确，用户可以通过修改“连接矢量”来指定同名点。同名点的关联完成之后，软件根据给定的算法自动完成接边所需的修正工作。

图5-7　接边过程

7.线坐标优化

线坐标优化是为了解决线状(包括面状边界)图形输入时坐标采样点过密的问题。线状图形输入计算机时，如果采样点过稀，则图形的细部变化将丢失;如果采样点过密，虽然保证了图形的形状不变，但采集过程将过于费时，而且将大大增加数据量，影响计算机软件的处理速度。因此对线状物体的坐标应该有一个取舍规则。

图5-8是线坐标优化的一个例子。它的基本原则是保证特征部分点的密度，而将非特征中间的点“优化”掉。这样得到的图形在输出时不够美观，可以借助样条函数显示出光滑的曲线来。

图5-8　线坐标优化

保证线坐标不过密的一种方法是在数据输入时设置一个坐标优化容限，如果两个坐标点之间的距离小于这个容限，则刚输入的点不被记录;另一种方法是在建立拓扑结构时设置一个模糊容限，可以起到同样的效果。而真正考虑地物特征的线优化则需用专门的程序来完成。

8.数据整合

数据整合是指调整不同数据层中同一要素以便使它们完全重合的一套过程。考虑同一地区不同年份的植被图，理想的情况是，当这两幅图被输入计算机中后，两图中的大部分图形要素应该完全重合。但因受各种因素的影响，实际情况却不是这样，这些影响因素可能包括两幅图的来源不同，图形输入不够精确，或者，图中的实体要素如河道在这些年中发生了自然的变迁等。

整合的目的就是使得这样两幅图叠置时相同的地理要素完全重合。如果它们的边界有细微的差别，就会产生细碎的小多边形，这样的小多边形是没有任何意义的。

如果用手工方式进行整合，就要先取一幅图作为基准图，然后在透光桌上对其他图进行调整。计算机处理时也大致是这样一个过程，但调整的方法更为灵活。其基本方法是要先找出两幅图中的一些要素的同名点，然后将对应的同名点相连成为一个“连接矢量”(link)，最后以这些矢量为基础进行坐标变换，即可对齐两幅图中的相同要素。

整合的另一个重要应用是进行属性数据的传递。例如在一幅位置不太精确的街区图上已经输入了各街道的很多属性信息，这些属性信息非常重要，只是它们所依附的街道位置不很精确;假如新输入了同一街区的位置相当准确的街道图，这些街道的属性信息在老的图中已经存在，那么只要将两幅图中的街道一一对应起来，再进行一次属性数据的传递便可将新的街道图赋上属性信息。这类整合的意义在于将属性数据从不太精确的图层转移到位置精确的图层中去。

9.图层更新

图层更新是指在图层的局部范围内对图层的要素进行更新。例如，有些老城区的旧城改造，拆除原有的破旧房屋，还建以满足现代要求的住宅和商业用房，那么这一地块的地形图就要被更新。只要测绘出该地块现有的建筑布置，就可利用图层更新功能将这块新图覆盖掉同一区域的老图。

图层更新的特点是被更新层中的要素被更新层中的要素所取代。更新操作一般只在局部范围内，更新层中的要素都包含在一个或多个多边形中，被更新层中只有这些多边形范围内的要素才会被更新，其他要素则保持不变。

由于城市在扩展，城市内部的建筑也在不断变化，因而空间数据维护中要经常应用图层更新的功能。

图层更新的另一种形式是在更新层中定义一些空的多边形，并用这些多边形清除被更新层中相应的区域。这种更新可能存在于下列情形中，即某地块的建筑物被拆除，而暂时又没有将该地块加以利用。

10.要素提取

要素提取是将源图层中某一区域的要素提取出来成为一个新图层。要素提取的空间范围由预先确定的多边形区域指定。

要素提取操作类似于GIS的查询功能，但该操作是要将提取出的空间要素作为新图层保留，而查询主要是一个显示操作。要素提取可用于去除那些不感兴趣的区域，从而突出图中的重要内容，以加强图形输出的效果。例如，某市的GIS系统中存有该市的地形图，现要提取出该市某一行政区的地形图，只要做出行政区划的范围，便可利用要素提取命令达到目的。又如，要分析某一地块的建设状况，只需提取出该地块的数据。

以上所述是定义空间范围来提取图形要素，其实也可以利用属性信息来定义条件表达式，从而提取出满足条件的那些空间要素，这是图形与属性数据联合操作的结果。