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1、第二章 空間信息基礎(chǔ)(jch)7/25/20221西北大學(xué)城市(chngsh)與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)GIS的地學(xué)(dxu)基礎(chǔ)地球模型坐標(biāo)參考系統(tǒng)地圖投影地圖比例尺地理數(shù)據(jù)(shj)特征地圖對(duì)地理現(xiàn)象表達(dá)遙感影像對(duì)地理現(xiàn)象表達(dá)7/25/20222西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地球(dqi)模型地球表面水準(zhǔn)面大地(dd)水準(zhǔn)面鉛垂線地球橢球體7/25/20223西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地理(dl)空間坐標(biāo)系地理(dl)坐標(biāo)系是以地理(dl)極(北極、南極)為極點(diǎn)。通過(guò)A點(diǎn)作橢球面的垂線,稱(chēng)之為過(guò)A點(diǎn)的法線。 法線與赤道面的交角,叫做A點(diǎn)的緯度。 過(guò)A點(diǎn)的子午面與通
2、過(guò)英國(guó)格林尼治天文臺(tái)的子午面所夾的二面角,叫做A點(diǎn)的經(jīng)度。 7/25/20224西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)坐標(biāo)參考系統(tǒng)(xtng)平面系統(tǒng)直接建立在球體上的地理坐標(biāo),用經(jīng)度和緯度(wid)表達(dá)地理對(duì)象位置建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng),用(x,y)表達(dá)地理對(duì)象位置投影7/25/20225西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)坐標(biāo)(zubio)系統(tǒng)高程系統(tǒng)任意水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面HAHA鉛垂線AHBHBhAB7/25/20226西北大學(xué)(x bi d xu)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)水準(zhǔn)原點(diǎn)1985國(guó)家高程基準(zhǔn),72.2604米黃海海面1952-1979年平均海水面為0米7/25/
3、20227西北大學(xué)城市與資源(zyun)學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(d t tu yn)為什么要進(jìn)行投影?地圖投影實(shí)質(zhì)投影變形投影方法(fngf)投影選擇所考慮的因素我國(guó)常用的投影方法7/25/20228西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(d t tu yn):為什么要進(jìn)行投影將地球橢球面上的點(diǎn)映射到平面上的方法,稱(chēng)為地圖投影地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo),不方便進(jìn)行(jnxng)距離、方位、面積等參數(shù)的量算地球橢球體為不可展曲面地圖為平面,符合視覺(jué)心理,并易于進(jìn)行距離、方位、面積等量算和各種空間分析7/25/20229西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(tuyng):投影
4、(tuyng)實(shí)質(zhì)7/25/202210西北大學(xué)城市與資源(zyun)學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(tuyng):投影(tuyng)實(shí)質(zhì) 建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和平面上相應(yīng)經(jīng)緯線網(wǎng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),也就是建立地球橢球面上的點(diǎn)的地理坐標(biāo)(d l zu bio)(,)與平面上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)(x,y)之間的函數(shù)關(guān)系: 當(dāng)給定不同的具體條件時(shí),將得到不同類(lèi)型的投影方式。 7/25/202211西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(d t tu yn):投影變形將不可展的地球橢球面展開(kāi)成平面,并且不能有斷裂,則圖形必將在某些地方被拉伸,某些地方被壓縮,故投影變形是不可避免的。長(zhǎng)度變形面積(m
5、in j)變形角度變形7/25/202212西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(tuyng):投影(tuyng)分類(lèi)變形分類(lèi): 等角投影:投影前后角度不變 等面積投影:投影前后面積不變; 任意投影:角度、面積、長(zhǎng)度均變形投影面: 橫圓柱投影:投影面為橫圓柱 圓錐投影:投影面為圓錐 方位投影:投影面為平面(pngmin)投影面位置: 正軸投影:投影面中心軸與地軸相互重合 斜軸投影:投影面中心軸與地軸斜向相交 橫軸投影:投影面中心軸與地軸相互垂直 相切投影:投影面與橢球體相切 相割投影:投影面與橢球體相割7/25/202213西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影:投影選擇
6、(xunz)因素制圖區(qū)域的地理位置、形狀(xngzhun)和范圍制圖比例尺地圖內(nèi)容出版方式7/25/202214西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(d t tu yn):GIS中地圖投影(d t tu yn)GIS以地圖方式顯示(xinsh)地理信息,而地圖是平面,地理信息則在地球橢球上,因此地圖投影在GIS中不可缺少。GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲(chǔ)時(shí),則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過(guò)投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo);而輸出或顯示時(shí),則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過(guò)投影變換變換成指定投影的平面坐標(biāo)。GIS中,地理數(shù)據(jù)的顯示可根據(jù)用戶的需要而指定投影方式,但當(dāng)所顯示的地圖與國(guó)家基本地
7、圖系列的比例尺一致時(shí),一般采用國(guó)家基本系列地圖所用的投影。7/25/202215西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖投影(d t tu yn):我國(guó)常用地圖投影(d t tu yn)1:100萬(wàn):蘭勃投影(正軸等積割圓錐投影)大部分分省圖、大多數(shù)同級(jí)比例尺也采用(ciyng)蘭勃投影1:50萬(wàn)、1:25萬(wàn)、1:10萬(wàn)、1:5萬(wàn)、1:2.5萬(wàn)、1:1萬(wàn)、1:5000采用高斯克呂格投影。7/25/202216西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖(dt)比例尺地圖比例尺反映了制圖區(qū)域和地圖的比例關(guān)系紙質(zhì)地圖:內(nèi)容、概括程度、數(shù)據(jù)(shj)精度等 GIS:數(shù)據(jù)精度比例尺的含義: 制圖區(qū)
8、域較小,采用各方面變形都較小的地圖投影,圖上各處的比例是一致的,故此時(shí)比例尺的含義是圖上長(zhǎng)度與相應(yīng)地面長(zhǎng)度的比例; 制圖區(qū)域較大時(shí),地圖投影比較復(fù)雜,地圖上長(zhǎng)度因地點(diǎn)和方向的不同而有所變化,這種地圖比例尺一般是指在地圖投影時(shí),對(duì)地球半徑縮小的比率, 稱(chēng)為主比例尺。地圖經(jīng)過(guò)投影后,體現(xiàn)在圖上只有個(gè)別點(diǎn)線沒(méi)有長(zhǎng)度變形,也就是說(shuō),只有在這些長(zhǎng)度沒(méi)有變形的點(diǎn)或線上,才可用地圖上注明的比例尺我國(guó)地圖比例尺分級(jí)系統(tǒng): 大比例尺:1:5001:10萬(wàn) 中比例尺:1:10萬(wàn)1:100萬(wàn) 小比例尺:1:100萬(wàn)無(wú)級(jí)比例尺概念7/25/202217西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間(kngjin)對(duì)象(
9、實(shí)體)的地圖表達(dá)點(diǎn):位置:(x,y) 屬性(shxng):符號(hào)線:位置: (x1,y1),(x2,y2),(xn,yn) 屬性:符號(hào)形狀、顏色、尺寸面:位置:(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn) 屬性:符號(hào)變化 等值線 7/25/202218西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象(實(shí)體)的遙感(yogn)影像表達(dá)遙感(yogn)傳感器平臺(tái)傳感器7/25/202219西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間(kngjin)現(xiàn)象及其描述現(xiàn)實(shí)世界空間數(shù)據(jù)地圖遙感影像特征(tzhng)關(guān)系行為觀察選擇抽象綜合測(cè)量:位置編碼:屬性建立關(guān)系:表達(dá) 7/25/2022
10、20西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象(duxing)(實(shí)體)類(lèi)型空間對(duì)象一般按地形維數(shù)進(jìn)行歸類(lèi)(u li)劃分點(diǎn):零維線:一維面:二維體:三維時(shí)間:通常以第四維表達(dá),但目前GIS還很難處理時(shí)間屬性??臻g對(duì)象的維數(shù)與比例尺是相關(guān)的7/25/202221西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)點(diǎn)實(shí)體(sht) 有位置,無(wú)寬度(kund)和長(zhǎng)度; 抽象的點(diǎn)美國(guó)佛羅里達(dá)洲地震監(jiān)測(cè)站2002年9月該洲可能的500個(gè)地震位置7/25/202222西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)線實(shí)體(sht) 有長(zhǎng)度,但無(wú)寬度和高度 用來(lái)(yn li)描述線狀實(shí)體,通常在網(wǎng)絡(luò)分析中使用較多 度量實(shí)
11、體距離香港城市道路網(wǎng)分布7/25/202223西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)面實(shí)體(sht) 具有長(zhǎng)和寬的目標(biāo) 通常用來(lái)表示自然(zrn)或人工的封閉多邊形 一般分為連續(xù)面和不連續(xù)面中國(guó)土地利用分布圖(不連續(xù)面)7/25/202224西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間(kngjin)對(duì)象:面(續(xù))連續(xù)變化(binhu)曲面:如地形起伏,整個(gè)曲面在空間上曲率變化(binhu)連續(xù)。不連續(xù)變化曲面,如土壤、森林、草原、土地利用等,屬性變化發(fā)生在邊界上,面的內(nèi)部是同質(zhì)的。7/25/202225西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間(kngjin)對(duì)象:體有長(zhǎng)、寬、高的目標(biāo)通
12、常用來(lái)(yn li)表示人工或自然的三維目標(biāo),如建筑、礦體等三維目標(biāo)香港理工大學(xué)校園建筑7/25/202226西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地理信息數(shù)字化描述(mio sh)方法 柵格和矢量結(jié)構(gòu)(jigu)是計(jì)算機(jī)描述空間實(shí)體的兩種最基本的方式。 7/25/202227西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地圖(dt)的矢量和柵格表示 7/25/202228西北大學(xué)城市(chngsh)與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象的描述(mio sh)要素編碼:區(qū)別不同的實(shí)體,包括分類(lèi)碼和識(shí)別碼。分類(lèi) 碼 表識(shí)空間對(duì)象的類(lèi)別,而識(shí)別碼對(duì)每個(gè)空間對(duì)象進(jìn)行表識(shí),是唯一的。位置:坐標(biāo)形式給出空間對(duì)
13、象的空間位置類(lèi)型:空間對(duì)象所屬(sush)的實(shí)體類(lèi)型,或有那些實(shí)體組成行為:空間對(duì)象所具備的行為和功能屬性:空間對(duì)象所對(duì)應(yīng)的非幾何信息說(shuō)明:實(shí)體數(shù)據(jù)來(lái)源、精度等關(guān)系:與其他實(shí)體之間的關(guān)系7/25/202229西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間(kngjin)對(duì)象的編碼為什么要進(jìn)行(jnxng)編碼?編碼對(duì)象:屬性數(shù)據(jù)編碼方法: 層次分類(lèi)編碼 多源分類(lèi)編碼編碼標(biāo)準(zhǔn)化7/25/202230西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象的層次(cngc)分類(lèi)編碼分類(lèi)對(duì)象的從屬和層次關(guān)系(gun x)有明確的分類(lèi)對(duì)象類(lèi)別和嚴(yán)格的隸屬關(guān)系高壓711電線架715管線:7地下電力線與電纜72電力
14、線71地下檢修井74管線73低壓712電桿713電塔714不依比例7142依比例71417/25/202231西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象的多源分類(lèi)(fn li)編碼按空間對(duì)象不同特性進(jìn)行分類(lèi)并進(jìn)編碼代碼之間沒(méi)有隸屬關(guān)系,反映對(duì)象特性具有較大(jio d)的信息量,有利于空間分析河流特性分類(lèi)與編碼通航情況通航: 1不通航:2常年河:1時(shí)令河:2消失河:3 1 km: 1 2 km: 2 5 km: 3 10 km:5流水季節(jié)河流寬度河流長(zhǎng)度河流深度 5 10 m : 110 20 m: 220 30 m: 330 60 m: 460 120 m: 5120 300 m:63
15、00 500 m:7500m: 8 50m: 67/25/202232西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象的空間關(guān)系(gun x)表達(dá)描述空間對(duì)象之間的空間相互作用關(guān)系方法 絕對(duì)關(guān)系: 坐標(biāo)、角度、方位、距離等; 相對(duì)關(guān)系:相鄰、包含、關(guān)聯(lián)等 相對(duì)關(guān)系類(lèi)型拓?fù)淇臻g關(guān)系:描述空間對(duì)象的相鄰、包含等順序空間關(guān)系:描述空間對(duì)象在空間上的排列次序,如前后、左右、東、西、南、北等。度量空間關(guān)系:描述空間對(duì)象之間的距離等。地圖、遙感影象上的空間關(guān)系是通過(guò)圖形識(shí)別的,在GIS中的空間關(guān)系則必須顯式的進(jìn)行定義(dngy)和表達(dá)。空間關(guān)系的描述多種多樣,目前尚未有具體的標(biāo)準(zhǔn)和固定的格式,但基本原理一
16、致。不同的GIS可能采用不同的方法進(jìn)行描述7/25/202233西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象(duxing)的拓?fù)淇臻g關(guān)系 基于點(diǎn)集拓?fù)淅碚?拓?fù)湓兀?點(diǎn):孤立點(diǎn)、線的端點(diǎn)、面的首尾點(diǎn)、鏈的連接點(diǎn) 線:兩結(jié)點(diǎn)之間的有序弧段,包括鏈、弧段和線段 面:若干弧段組成的多邊形 基本拓?fù)潢P(guān)系 關(guān)聯(lián):不同拓?fù)湓刂g的關(guān)系 鄰接:相同拓?fù)湓刂g的關(guān)系 包含:面與其他元素之間的關(guān)系 層次(cngc):相同拓?fù)湓刂g的層次(cngc)關(guān)系 拓?fù)湓亓恐g的關(guān)系:歐拉公式 點(diǎn)、線、面之間的拓?fù)潢P(guān)系7/25/202234西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)起點(diǎn)(qdin)終點(diǎn)(zhn
17、gdin)中間點(diǎn)弧段1弧段3弧段2弧段4點(diǎn):面:弧:7/25/202235西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)鄰接相交重合相離包含點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)線點(diǎn)面線面面面線線7/25/202236西北大學(xué)城市與資源(zyun)學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)歐拉公式:歐拉公式在GIS中有著重要的意義,主要用來(lái)檢查空間拓?fù)潢P(guān)系的正確性,能發(fā)現(xiàn)點(diǎn)、線、面不匹配的情況和多余、遺漏的圖形元素。c + a = n + bn: 結(jié)點(diǎn)數(shù)a: 弧段數(shù)b: 多邊形數(shù)c: 常數(shù),為多邊形地圖特征。若b包含邊界里面和外面的多邊形,則c=2,若b僅包含邊界內(nèi)部多邊形,則c=1n = 4, a = 4b = 1, c = 1n = 6, a =
18、 5b = 2, c = 1,p=2(圖形數(shù))n = 4, a = 5b = 2, c = 1n = 10, a = 12b = 3, c = 17/25/202237西北大學(xué)城市(chngsh)與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間(kngjin)拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)關(guān)系表表2-1面域與弧段的拓?fù)?tu p)關(guān)系面 域弧 段P1a, b, c, -gP2b, d, fP3c, f, eP4g表2-2 結(jié)點(diǎn)與弧段的拓?fù)潢P(guān)系結(jié) 點(diǎn)弧 段Aa, c, eBa, d, bCd, e, fDb, f, cEg 表2-3 弧段與結(jié)點(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系弧 段結(jié) 點(diǎn)aA , BbB , DcD , AdB , CeC , AfC
19、 , DgE , E表2-4 弧段與面域的拓?fù)潢P(guān)系弧段 左鄰面 右鄰面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP17/25/202238西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間對(duì)象(duxing):自相關(guān)特征空間對(duì)象在屬性(shxng)上存在相關(guān)性,兩空間對(duì)象越 接近,其值也越接近,反之亦然。相關(guān)類(lèi)型 負(fù)相關(guān):位置越接近,屬性值相差越遠(yuǎn) 正相關(guān):位置越接近,特征也越接近 不相關(guān):屬性與空間位置無(wú)關(guān)。7/25/202239西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)(A)高度空間(kngjin)負(fù)向相關(guān);(B)無(wú)規(guī)律分布;(C)空間(kngjin)獨(dú)立; (D)空間(kng
20、jin)聚類(lèi)現(xiàn)象;(E)高度正向相關(guān)7/25/202240西北大學(xué)城市與資源(zyun)學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地理數(shù)據(jù)(shj)的特征屬性特征:描述空間對(duì)象的特性,即是什么,如對(duì)象的類(lèi)別、等級(jí)、名稱(chēng)、數(shù)量等。空間特征:描述空間對(duì)象的地理位置以及相互(xingh)關(guān)系,又稱(chēng)幾何特征和拓?fù)涮卣鳎罢哂媒?jīng)緯度、坐標(biāo)表示,后者如交通學(xué)院與電力學(xué)院相鄰等。時(shí)間特征:描述空間對(duì)象隨時(shí)間的變化7/25/202241西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)地理數(shù)據(jù)(shj)的類(lèi)型屬性數(shù)據(jù):描述空間對(duì)象屬性特征的數(shù)據(jù),又稱(chēng)非幾何數(shù)據(jù),如類(lèi)型、名稱(chēng)(mngchng)、性質(zhì)等,一般通過(guò)代碼給予表達(dá)幾何數(shù)據(jù):描述空間
21、對(duì)象空間特征的數(shù)據(jù),也稱(chēng)位置數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù),一般用經(jīng)緯度、坐標(biāo)表達(dá)關(guān)系數(shù)據(jù):描述空間對(duì)象的空間關(guān)系的數(shù)據(jù),如鄰接、包含、關(guān)聯(lián)等,一般通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)。7/25/202242西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)元數(shù)據(jù)(shj) “meta”是一希臘語(yǔ)詞根,意思是“改變”,“Metadata”一詞的原意是關(guān)于數(shù)據(jù)變化的描述。 一般(ybn)都認(rèn)為元數(shù)據(jù)就是 “關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”。 7/25/202243西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)元數(shù)據(jù)的主要(zhyo)作用 幫助數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位有效地管理和維護(hù)空間數(shù)據(jù),建立數(shù)據(jù)文檔 提供有關(guān)數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分類(lèi)、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)
22、絡(luò)(clearing house)及數(shù)據(jù)銷(xiāo)售等方面的信息,便于用戶查詢檢索地理空間數(shù)據(jù) 提供通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢檢索的方法或途徑,以及與數(shù)據(jù)交換和傳輸有關(guān)的輔助信息 幫助用戶了解數(shù)據(jù),以便就數(shù)據(jù)是否能滿足其需求(xqi)作出正確的判斷 提供有關(guān)信息,以便用戶處理和轉(zhuǎn)換有用的數(shù)據(jù)。 7/25/202244西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)元數(shù)據(jù)(shj)的內(nèi)容 對(duì)數(shù)據(jù)集中各數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)來(lái)源(liyun)、數(shù)據(jù)所有者及數(shù)據(jù)生產(chǎn)歷史等的說(shuō)明 對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的描述,如數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)的邏輯一致性、數(shù)據(jù)完整性、分辨率、源數(shù)據(jù)的比例尺等 對(duì)數(shù)據(jù)處理信息的說(shuō)明,如量綱的轉(zhuǎn)換等 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法的描述 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新、集成方法等的說(shuō)明 7/25/202245西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮共四十九頁(yè)空間數(shù)據(jù)(shj)元數(shù)據(jù)(shj)的標(biāo)準(zhǔn) 元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)建立標(biāo)準(zhǔn)的組織 CSDGM地球空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)FGDC
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