python地理空間(1)--概念引入

學習一些遙感GIS的成圖、圖像處理

ushahidi是一個優秀的地理空間地圖應用，回寝FQ看一下。

ushahidi有一個python庫-ushapy

地理空間救災模組化程式是最近比較突出的案例。

進一步深入了解地理空間分析在不同行業的應用-http://geospatialrevolution.psu.edu

Roger Tomlinson開發了CGIS，被稱為GIS之父，博士論文題目是“計算機技術在資料的存儲、編輯和分析中的應用”

Howard Fisher 在哈佛研究所學生院的計算機圖形和空間分析實驗室工作時所做的貢獻：用行式列印機列印GIS軟體SYMAP的輸出結果。

SYMAP帶動了GRID(後來的IMGRID)和Odyssey項目。

紀錄片，介紹使用SYMAP輸出顯示 http://youtu.be/xj8DQ7IQ8_o 這12個非常實用的GIS軟體，你可能一個都不知道 - 知乎 (zhihu.com)

遙感一般是指應用探測儀器，不與探測目标相接觸，從遠處把目标的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征資訊及其變化的綜合性探測技術。

在地理空間分析中，探測對象是地球。遙感包括資訊收集的過程。地理資訊系統的潛能隻受限于地理資料的數量。遙感還可以從圖像和地理資料中提取特征資訊，自動/半自動生成GIS資料。

1858年Nabar拍攝了史上第一張航空照片，1920年介紹航空攝影的書籍出現。

美蘇冷戰促進了遙感技術的發展。

國内機構----對地觀測與數字地球中心 (cas.cn)

數字高程模型(DEM)，是一個星球表面的三維模型。數字高程模型曆史沒有遙感影像複雜，但并不簡單。

CAD雖然沒有和地理空間分析直接相關，但是仍然值得一提--因為CAD系統的發展史和地理空間分析曆史密切相關。

CAD借鑒了GIS系統，GIS有些程式可以導入包含地理資訊的CAD資料。

現在的地理空間分析可以通過商業或開源的應用軟體即可輕松完成，而用程式設計語言的原因：

希望完全掌握底層的算法、資料和執行過程

希望用最小代價在一個大而全的地理空間架構中實作重複任務的自動化

希望建立一個程式友善共享

希望深入學習地理空間分析

面向對象程式設計是一種軟體開發規範，其理念是對象模組化。将對象的特征和行為分别用屬性和方法表示，該規範的目标是将軟體子產品化，鼓勵對象繼承一個或多個對象實作軟體複用。

python語言以多面手聞名，可以是設計良好的面向對象程式設計語言，也可以是過程式語言、甚至還可以是函數式程式設計語言。

python的原生資料類型就是對象，并且所有的python庫都是子產品化的，遵循基本對象的結構和行為。

地理空間分析可以更好輔助我們進行決策。

Google Earth使用者可以建立個性化的KML檔案(基于XML文法與格式、用于描述和儲存地理資訊的編碼規範)，這個軟體常被稱為地理空間浏覽工具，其資料分析能力有限。

OpenStreetMap是一個雄心勃勃的多資料源全球項目。

還有一個： NationalAtlas.gov

專題地圖就是表達某些特定主題的地圖。專題地圖被用來指導開始戰争、追蹤定位緻命病毒、選舉、國際援助、消除貧困、瀕危物種保護以及災難救援等。

以純粹的方式來看，資料庫僅僅是一個有序的資訊集合。

資料庫管理系統(DBMS)就是能和資料庫互動的軟體。

資料庫通常包含字母和數字等類型的資料，在某些情況下包括二進制大對象或blobs。大部分資料庫還支援關系型資料庫結構，規範化的表之間可以互相引用來建立一對多和多對多的關系。

地理空間資料庫通過特定軟體擴充了普通的關系型資料庫管理系統的功能。這樣就可以達到查詢二維、三維空間資料的目的。在此資料庫中，地理特征的屬性可以像普通的關系型資料庫那樣存儲和查詢。擴充功能還支援使用SQL像一般資料庫那樣查找幾何圖形。

空間索引是為了更快地讀取地理空間矢量資料地組織過程。主要用于查詢和渲染等的資料預過濾。

空間索引可以将資料分組，提高查詢效率。

關于資料的資料，用于儲存資料。

地理空間中繼資料最有影響力的的是國際标準 ISO 19115-1，其中包括幾百個預定義地地字段用于描述一個獨立的地理空間資料集，，此外-2還為地理空間影像資料和網格資料提供了支援。

現在的中繼資料可以自動生成被調用，還可以有很多利于工作的功能。

開放地理空間資訊聯盟(OGC)建立了CSW标準來管理者資料。python的第三方軟體pycsw實作了csw标準pycsw • Metadata Publishing Just Got Easier

這部分知識很多。是指将三維對象拍扁放在平面上。

地圖投影沒有一個放置四海皆準的方法，通常是選取精度誤差較小方案間的折中。投影通常是由包含四十多個參數的XML或文本檔案構成(WKT)，其内容是投影算法定義

過去，投影方式多樣且難以統一，有時給了分析師很大的麻煩。而現在，計算機技術的發展可以使得全球底圖支援多種常用的投影方式。

如谷歌使用的投影是Web墨卡托投影，EPSG代碼3857. 地理空間資訊門戶項目如OpenStreetMap.org和NationalAtlas.gov為大部分投影方式提供了統一的資料集。

現代的分析軟體還能實時對資料重投影。

地圖投影和大地基準有關，大地基準是地球表面的一種模型，用來比對地球中路徑特征的坐标系統。通用的是WGS84。

地理空間資料包括點、線以及若幹點組成的多邊形。它們都是由(x,y)或(x,y,z)等元組組成的。如今三維地圖也開始流行。

對于遙感資料的處理，難題是檔案的大小，一個中等規模衛星影像經過壓縮後也有幾十到幾百兆。無損壓縮通過技術手段，減小檔案體積而不丢失任何資料。有損壓縮通過減少檔案的資料量減小檔案的體積，同時避免圖檔内容發生顯著變化。

渲染一張圖檔到螢幕上計算量很大，大部分遙感檔案格式都支援存儲多個低品質圖像----即概要或影像金字塔，目的是使得在不同比例尺下更快渲染圖檔。影像金字塔_百度百科 (baidu.com)

大部分GIS概念的描述也适用于栅格資料，但栅格資料也有一些特有的屬性。之前我們關注從太空平台獲得地球影像，其實栅格資料來源豐富：地面雷達、雷射測距儀以及其他檢測儀器。

栅格資料在計算機上的計算機上的存儲方式是以若幹行和列的數組構成的。

如果數組是多光譜的，資料集通常會包含多個相同大小的數組（被稱為帶），通過地理空間的格式被引用到一起，表達一個地理區域。

我們可以對這些數組進行處理得到想要的結果。

計算機螢幕顯示圖檔是通過對RGB三個顔色通道的變化組合來比對人類視覺。至于衛星和其他裝置能夠捕獲不可見光譜，而在計算機中，不可見光譜以可見光譜的形式顯示（被稱為僞彩色影像）。

首先聲明，矢量資料與栅格資料是兩種不同的資料，前者表示地貌特征的效果比栅格資料好，前者更精确；而大規模采集矢量資料成本較高。

GIS矢量資料由坐标構成。可能包括x,y,z以及輔助資訊測量值和時間戳。

這些坐标組成了

點、線、面等元素，進而對世界模組化。

一個GIS特征可以是點、線、多邊形以及更複雜的形狀。

另外兩個重要的矢量資料結構是邊框與凸包。

邊框中的最小邊框是包含資料集中所有點的最小矩形。

凸包則是多邊形。是包含資料集中所有點的最小多邊形。資料集的邊框哦通常也包含它的凸包。

緩沖區操作适用于點、線、多邊形，該操作會在對象周圍自動建立特定寬度的緩沖多邊形。

緩沖區分析常用于臨近分析，例如在危險區周圍建立一個安全隔離帶。

融合操作為相連的多邊形建立一個更大的多邊形。

普通的融合操作常用于在稅務資料庫合并同一納稅人的兩個相似屬性。融合也用于簡化遙感影像資料。

很多構成對象的點對于地理空間分析模組化來說都是不必要的，可以将其簡化用正常一些的形狀代替。這是一種提高資料結構和可視化效率的優化技術。這種技術對網絡地圖應用非常有用。

一般的顯示器的每英寸點數是72，更詳細的資料點将不會被顯示，是以可以通過資料優化，減少帶寬傳輸，更快地将地圖展示出來。

至于具體實作，會帶後續學習。

該操作 用來判斷某一特征是否和其他特征重疊。

這個操作常用于臨近分析中的空間查詢，并且通常後續操作是緩沖區分析。

合并操作将兩個或多個非重疊的形狀合并成複合形狀對象。複合形狀對象意味着雖然是獨立的幾何圖形，但是在GIS系統中會被當做一個單一的屬性集。

地理空間操作中，有一個很基本的操作是：檢查一個點是否在多邊形裡面。

最有效的算法是光線投射法：

執行一個測試，檢查這個點是否在邊界上

從該點引出一根“射線”，與多邊形的任意若幹條邊相交。

統計相交的邊的數目，如果是奇數，點在多邊形内；否則，點在多邊形外。

很少用到，但是在兩個或多個重疊的多邊形組合成單一形狀時非常有用。和融合相似；但是在這種情況下，多邊形是重疊關系而非相鄰關系。

通常該操作是用來清理遙感操作自動生成的特征資料集的。

主要用來合并兩個以上的資料表。

在了解連接配接操作前，先來看看資料庫中的連接配接操作。

在資料庫中，關系型資料庫中的一對多關系是為了避免存儲備援資訊而設計的。

在GIS中，可以在支援空間資料庫的軟體中使用空間連接配接。對于空間連接配接來說，将屬性組合成兩個特征的方法和SQL連節操做類似，但是他們的關系是基于相鄰空間的兩個特征。這與關系型資料庫中連接配接做的事情相同。

這裡不太懂。因為不太懂資料庫原理。

在地理空間分析中，其中提到的多邊形和數學描述的多邊形有幾個關鍵差別：

多邊形有且至少有4個點，第一個點和最後一個點必須重合（閉合）；

多邊形不能和自身重疊；

圖層中的多邊形不能重疊；

圖層中的多邊形在其他多邊形中被當作多邊形下面的一個洞來處理。（這裡的一個洞我不了解）

為了避免莫名其妙的錯誤，最好確定多邊形遵循了上面所有的規則。

遙感栅格資料是一組數字矩陣，對其的基本操作如下：

波段運算是多元數組數學計算。主要是線性代數的相關處理。

變化檢測的流程是比較不同時間相同位置的兩張圖檔的差異，并将其高亮展示。

有很多算法可以檢測圖像的變化，同時顯示一些決定性因素（例如變化是多久以前發生的）

柱狀圖是數值在資料集中的統計分布圖。水準方向代表資料集中唯一的數值，豎直方向表示該唯一值在光栅中出現的頻率。柱狀圖在大部分光栅處理過程中是一項關鍵操作。

适用于一切以增強圖檔對比度為基礎的對象分類和圖檔比較。如下圖所示：

特征提取是以手動或者自動的方式将圖檔中的點、線和多邊形等元素數字化的工程。

這個過程也是光栅轉換成矢量資料過程中圖檔矢量化的基礎。

特征提取的一個執行個體是提取衛星影像中的海岸線資訊并且将其另存為矢量資料集。（如果對過去幾年的資料進行這一操作，就可以監測海岸線的侵蝕以及其他變化）

地面物體反射不同波長的光依賴于其材料構成，特定類型的地面覆寫物有其特征的波長資訊，總結為特征庫。計算機可以根據這個特征庫自動定位到一張新的圖檔上的相同位置。

對于這種方法，計算機可以在圖檔上對相似的反射值根據像素進行分組，并且不需要借助類似直方圖之類的參考資訊。