空間信息基礎課件

1、第二章 空間信息基礎第一節(jié) GIS的地學基礎地球模型坐標參考系統(tǒng)地圖投影地圖比例尺地理數據特征地圖對地理現象表達遙感影像對地理現象表達地理信息系統(tǒng)中的空間地理空間(geo-spatial)：物質、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結構過程、功能關系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)，具體包括地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的區(qū)域。地理信息系統(tǒng)中的空間常用地理空間表述，一般包括地理空間定位框架及其所連接的特征實體。地理空間定位框架即大地測量控制，有平面控制網和高程控制網構成，為所有地理數據的坐標位置提供了一個通用參考系。GIS的任何空間數據都必須納入一個統(tǒng)一的空間參照系中，以實現不

2、同來源數據的融合、連接與統(tǒng)一。地球表面幾何模型的建立最自然的面：包括海洋底部、高山、高原在內的固體地球表面，起伏不定，難以用一個簡潔的數學式描述。大地水準面：假設一個當海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)時從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個連續(xù)、閉合的水準面。但地球的重力方向處處不同，處處與重力方向垂直的大地水準面不可能是十分規(guī)則的表面，且不能用簡單的數學公式來表達，因此，大地水準面不能作為測量成果的計算面。橢球體模型：為了測量成果計算的需要，選用一個同大地體相近的、可以用數學方法來表達的旋轉橢球來代替地球三軸橢球體。 ab c地球的近似地球并不是規(guī)則的圓球橢球 (ellipso

3、id)長半軸 ( a )短半軸 ( b )扁率 ( f )( a-b )/a地理坐標地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體國家大地坐標系(1980)基準面(datum) ：IUGG75橢球(spheroid)a = 6378140mb = 6356755mf = 1/298.257坐標原點：西安原點，設在陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)其他坐標系：1954北京坐標系地理空間坐標系地理坐標系是以地理極(北極、南極)為極點。通過A點作橢球面的垂線，稱之為過A點的法線。 法線與赤道面的交角，叫做A點的緯度。 過A點的子午面與通過英國格林尼治天文臺的子午面所夾的二面角，叫做A點的經度。 地圖投影：為什么要

4、進行投影地理坐標為球面坐標，不方便進行距離、方位、面積等參數的量算地球橢球體為不可展曲面地圖為平面，符合視覺心理，并易于進行距離、方位、面積等量算和各種空間分析地圖是2維的：以x, y坐標表示地球表面是3維的：以緯度和經度表示 怎樣實現3維向2維的的轉變?直接建立在球體上的地理坐標，用經度和緯度表達地理對象位置建立在平面上的直角坐標系統(tǒng)，用（x，y）表達地理對象位置投影地圖投影(Map Projections)將地理坐標（經緯度）從球面空間轉換成平面空間的直角坐標的數學方法。投影坐標系又稱平面直角坐標系建立在某種特定的地圖投影基礎上2維笛卡爾坐標 (x, y)地圖投影：投影實質 建立地球橢球面

5、上經緯線網和平面上相應經緯線網的數學基礎，也就是建立地球橢球面上的點的地理坐標（，）與平面上對應點的平面坐標（x，y）之間的函數關系： 當給定不同的具體條件時，將得到不同類型的投影方式。 地圖投影：投影變形將不可展的地球橢球面展開成平面，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。長度變形面積變形角度變形地圖投影：投影分類變形分類： 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：投影面為平面投影面位置： 正軸投影：投影面中心軸與地軸相互重

6、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地圖投影：投影選擇因素制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍制圖比例尺地圖內容出版方式地圖投影：GIS中地圖投影GIS以地圖方式顯示地理信息，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數據庫中地理數據以地理坐標存儲時，則以地圖為數據源的空間數據必須通過投影變換轉換成地理坐標；而輸出或顯示時，則要將地理坐標表示的空間數據通過投影變換變換成指定投影的平面坐標。GIS中，地理數據的顯示可根據用戶的需要而指定投影方式，但當所顯示的地圖與國家

7、基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。地圖投影：我國常用地圖投影1：100萬：蘭勃投影（正軸等積割圓錐投影）大部分分省圖、大多數同級比例尺也采用蘭勃投影1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1:1萬、1：5000采用高斯克呂格投影。地圖比例尺地圖比例尺反映了制圖區(qū)域和地圖的比例關系紙質地圖：內容、概括程度、數據精度等 GIS：數據精度比例尺的含義： 制圖區(qū)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，故此時比例尺的含義是圖上長度與相應地面長度的比例； 制圖區(qū)域較大時，地圖投影比較復雜，地圖上長度因地點和方向的不同而有所變化，這種

8、地圖比例尺一般是指在地圖投影時，對地球半徑縮小的比率， 稱為主比例尺。地圖經過投影后，體現在圖上只有個別點線沒有長度變形，也就是說，只有在這些長度沒有變形的點或線上，才可用地圖上注明的比例尺我國地圖比例尺分級系統(tǒng)： 大比例尺：1：5001：10萬 中比例尺：1：10萬1：100萬 小比例尺：1：100萬無級比例尺概念高程控制網高程系統(tǒng)：描述空間點在垂直高度上的特性。高程由高程基準面起算的地面點的高度。任意水準面大地水準面HAHA鉛垂線AHBHBhAB水準原點1985國家高程基準，72.2604米黃海海面1952-1979年平均海水面為0米1956年黃海高程系 1985年國家高程基準面地理實體(

9、空間實體)指自然界現象和社會經濟事件中不能再分割的單元，它是一個具體有概括性，復雜性，相對意義的概念。理解：地理實體類別及實體內容的確定是從具體需要出發(fā)的。例如，在全國地圖上由于比例尺很小，南京是一個點，這個點不能再分割，因此可以把南京定為一個空間實體；而在大比例尺的南京市地圖上，許多房屋，街道都要表達出來，所以南京必須再分割，不能作為一個空間實體，應將房屋，街道等作為研究的地理實體，由此可見，GIS中的空間實體是一個概括，復雜，相對的概念?？臻g對象（實體）的地圖表達空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數進行歸類劃分點：零維線：一維面：二維體：三維時間：通常以第四維表達，但目前GIS還很難

10、處理時間屬性?？臻g對象的維數與比例尺是相關的點實體 有位置，無寬度和長度； 抽象的點美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站2019年9月該洲可能的500個地震位置線實體 有長度，但無寬度和高度 用來描述線狀實體，通常在網絡分析中使用較多 度量實體距離香港城市道路網分布面實體 具有長和寬的目標 通常用來表示自然或人工的封閉多邊形 一般分為連續(xù)面和不連續(xù)面中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）空間對象：面（續(xù)）連續(xù)變化曲面：如地形起伏，整個曲面在空間上曲率變化連續(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，面的內部是同質的?？臻g對象：體有長、寬、高的目標通常用來表示人工或自然的三維目標，如建

11、筑、礦體等三維目標香港理工大學校園建筑點：位置：（x，y） 屬性：符號線：位置： (x1,y1),(x2,y2),(xn,yn) 屬性：符號形狀、顏色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn) 屬性：符號變化 等值線 空間對象（實體）的遙感影像表達遙感傳感器平臺傳感器第二節(jié) 地理信息數字化描述方法 柵格和矢量結構是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式。 矢量(Vector) vs. 柵格(Raster)Vector: 用于實現對象模型PointLinePolygonRaster: 用于實現場模型Grids, TIN, etc.Contour簡單要素表達矢量數

12、據結構矢量數據結構(Vector Data Structure)現實世界中的對象可以描述為點、線、面3種形式points 標識位置lines 連接點areas (polygons) 鏈接線利用點的 x, y 坐標集合 來進行點、線、面的表達NodeVertexpointslinesareas點(Point)0 維沒有長度和寬度, 只有空間位置x, y 坐標又稱node或vertex實體點注記點標識點Vertex線(Line)1 維具有長度和空間位置由沿著某路徑上點的x, y坐標串組成又稱 edges或 links如: 道路, 河流面(Area)2 維 (長度和寬度)具有面積和周長屬性由邊界線組

13、成(邊界上點的坐標串)又稱 polygon如: 行政分區(qū), 水體矢量數據結構發(fā)展ESRI, Inc.ARC/INFO: coveragesArcView GIS: shapefilesArcGIS: geodatabaseARC/INFO and ArcView GIS 地理關系數據模型空間數據和屬性數據分開存儲，通過標識碼進行連接ArcGIS is 面向對象數據模型空間數據和屬性數據存儲在一起，不相互分離簡單數據結構非拓撲矢量數據Shapefile (ESRI)公共邊界上的弧段重復存儲優(yōu)勢 顯示更迅速更通用，利于數據互操作為何采用柵格數據結構？Vectors - point, line, a

14、rea矢量有利于空間位置明確的離散要素的表達，而不能對連續(xù)數據進行較好的表達更好的方式是采用 raster數據模型如，DEM, 衛(wèi)星影像, 數字正射影像圖, 掃描地圖圖形表達柵格結構用規(guī)則的正方形(或三角形，多邊形)將地理區(qū)域劃分為網格(Grid)陣列。點：由單個柵格表達。線：由沿線走向有相同屬性取值的一組相鄰柵格表達。面：由沿線走向有相同屬性取值的一片柵格表達。基本要素位置由行(Rows)，列(Columns)號定義屬性為柵格單元(Cells, Pixels)的值。原點 (柵格單元位置) 左上角行 - y 坐標列 - x 坐標每個柵格單元由行、列位置進行定義柵格單元大小分辨率較大的柵格單元大

15、小具備較低的精度原則：應能有效地逼近空間對象的分布特征，又減少數據的冗余度。HH/2柵格數據特點柵格的空間分辨率指一個像元在地面所代表的實際大小對于同一圖形，隨著分辨率增大，存儲空間也隨之增大表達空間目標、計算空間實體相關參數的精度時分辨率越高，精度越高非常適合進行空間分析不適合進行比例尺變化，投影變換等柵格數據類型衛(wèi)星影像DEM數字正射影像圖數字柵格圖GIS軟件特定柵格圖 矢量與柵格的比較 優(yōu) 點 缺 點矢量便于面向現象(土壤類，土地利用單元等)結構緊湊，冗余度低，便于描述線或邊界。利于網絡、檢索分析，提供有效的拓撲編碼，對需要拓撲信息的操作更有效。圖形顯示質量好，精度高。數據結構復雜，各自

16、定義，不便于數據標準化和規(guī)范化，數據交換困難。多邊形疊置分析困難，沒有柵格有效，表達空間變化性能力差。 不能像數字圖像那樣做增強處理 軟硬件技術要求高，顯示與繪圖成本較高。 柵格結構簡單，易數據交換。疊置分析和地理(能有效表達空可變性)現象模擬較易。利于與感遙數據的匹配應用和分析，便于圖像處理。輸出快速，成本低廉。 現象識別效果不如矢量方法，難以表達拓撲。圖形數據量大，數據結構不嚴密不緊湊，需用壓縮技術解決該問題。投影轉換困難。圖形質量轉低，圖形輸出不美觀，線條有鋸齒，需用增加柵格數量來克服，但會增加數據文件。第三節(jié) 空間數據的類型和關系空間數據的特征屬性特征：描述空間對象的特性，即是什么，如

17、對象的類別、等級、名稱、數量等?？臻g特征：描述空間對象的地理位置以及相互關系，又稱幾何特征和拓撲特征，前者用經緯度、坐標表示，后者如交通學院與電力學院相鄰等。時間特征：描述空間對象隨時間的變化地理數據的類型1、類型數據 例如考古地點、道路線和土壤類型的分布等；2、面域數據 例如隨機多邊形的中心點，行政區(qū)域界線和行政單元等；3、網絡數量 例如道路交點、街道和街區(qū)等；4、樣本數量 例如氣象站、航線和野外樣方的分布區(qū)等；5、曲面數據 例如高程點、等高線和等值區(qū)域；6、文本數據 例如地名、河流名稱和區(qū)域名稱；7、符號數據 例如點狀符號、線狀符號和面狀符號等。空間對象的空間關系表達描述空間對象之間的空間

18、相互作用關系方法 絕對關系: 坐標、角度、方位、距離等； 相對關系：相鄰、包含、關聯等 相對關系類型拓撲空間關系：描述空間對象的相鄰、包含等順序空間關系：描述空間對象在空間上的排列次序，如前后、左右、東、西、南、北等。度量空間關系：描述空間對象之間的距離等。地圖、遙感影象上的空間關系是通過圖形識別的，在GIS中的空間關系則必須顯式的進行定義和表達?？臻g關系的描述多種多樣，目前尚未有具體的標準和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法進行描述空間數據的拓撲空間關系 基于點集拓撲理論 拓撲元素： 點：孤立點、線的端點、面的首尾點、鏈的連接點 線：兩結點之間的有序弧段，包括鏈、弧段

19、和線段 面：若干弧段組成的多邊形 基本拓撲關系 關聯：不同拓撲元素之間的關系 鄰接：相同拓撲元素之間的關系 包含：面與其他元素之間的關系 層次：相同拓撲元素之間的層次關系 拓撲元素量之間的關系：歐拉公式 點、線、面之間的拓撲關系鄰接相交重合相離包含點點點線點面線面面面線線空間拓撲關系表達關系表表2-1面域與弧段的拓撲關系面 域弧 段P1a, b, c, -gP2b, d, fP3c, f, eP4g表2-2 結點與弧段的拓撲關系結 點弧 段Aa, c, eBa, d, bCd, e, fDb, f, cEg 表2-3 弧段與結點的拓撲關系弧 段結 點aA , BbB , DcD , AdB ,

20、 CeC , AfC , DgE , E表2-4 弧段與面域的拓撲關系弧段 左鄰面 右鄰面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1拓撲關系的意義確定實體間的空間位置關系有利于空間要素的查詢可以重建實體空間對象:自相關特征空間對象在屬性上存在相關性，兩空間對象越 接近，其值也越接近，反之亦然。相關類型 負相關：位置越接近，屬性值相差越遠 正相關：位置越接近，特征也越接近 不相關：屬性與空間位置無關。（A）高度空間負向相關；（B）無規(guī)律分布；（C）空間獨立； （D）空間聚類現象；（E）高度正向相關第四節(jié) 元數據 “meta”是一希臘語詞根，意思是“改變”，“Metadata”一詞的原意是關于數據變化的描述。 一般都認為元數據就是 “關于數據的數據”。