二章節(jié)空間信息基礎(chǔ)課件

1、2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮1GIS的地學(xué)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)特征地圖對地理現(xiàn)象表達(dá)遙感影像對地理現(xiàn)象表達(dá)2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮2地球模型地球表面水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面鉛垂線地球橢球體2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮3地理空間坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系是以地理極(北極、南極)為極點(diǎn)。通過A點(diǎn)作橢球面的垂線，稱之為過A點(diǎn)的法線。 法線與赤道面的交角，叫做A點(diǎn)的緯度。 過A點(diǎn)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(diǎn)的經(jīng)度。 2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮4坐標(biāo)參考系統(tǒng)平面系統(tǒng)直接建立

2、在球體上的地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達(dá)地理對象位置建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，y）表達(dá)地理對象位置投影2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮5坐標(biāo)系統(tǒng)高程系統(tǒng)任意水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面HAHA鉛垂線AHBHBhAB2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮6水準(zhǔn)原點(diǎn)1985國家高程基準(zhǔn)，72.2604米黃海海面1952-1979年平均海水面為0米2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮7地圖投影為什么要進(jìn)行投影？地圖投影實(shí)質(zhì)投影變形投影方法投影選擇所考慮的因素我國常用的投影方法2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮8地圖投影：為什么要進(jìn)行投影將地球橢球面上的點(diǎn)

3、映射到平面上的方法，稱為地圖投影地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo)，不方便進(jìn)行距離、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，符合視覺心理，并易于進(jìn)行距離、方位、面積等量算和各種空間分析2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮9地圖投影：投影實(shí)質(zhì)2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮10地圖投影：投影實(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)（，）與平面上對應(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)，將得到不同類型的投影方式。 2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮11地圖投影：投影變形將不

4、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2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮12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2022/8/21西

5、北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮13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(nèi)容出版方式2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮14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(shù)據(jù)庫中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲時(shí)，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過投影變換轉(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)所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時(shí)，一般采用國家基本系列地圖所

6、用的投影。2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮15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(shù)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。2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮16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(guān)系紙質(zhì)地圖：內(nèi)容、概括程度、數(shù)據(jù)精度等 GIS：數(shù)據(jù)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(shí)比例尺的含義是圖上長度與相應(yīng)地面長度的比例； 制圖區(qū)域較大時(shí)，地圖投影比較

7、復(fù)雜，地圖上長度因地點(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)，對地球半徑縮小的比率， 稱為主比例尺。地圖經(jīng)過投影后，體現(xiàn)在圖上只有個(gè)別點(diǎn)線沒有長度變形，也就是說，只有在這些長度沒有變形的點(diǎn)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2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮17空間對象（實(shí)體）的地圖表達(dá)點(diǎn)：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,y

8、2),(xi,yi),(xn,yn) 屬性：符號變化 等值線 2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮18空間對象（實(shí)體）的遙感影像表達(dá)遙感傳感器平臺傳感器2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮19空間現(xiàn)象及其描述現(xiàn)實(shí)世界空間數(shù)據(jù)地圖遙感影像特征關(guān)系行為觀察選擇抽象綜合測量：位置編碼：屬性建立關(guān)系：表達(dá) 2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮20空間對象（實(shí)體）類型空間對象一般按地形維數(shù)進(jìn)行歸類劃分點(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對象的維數(shù)與比例尺是相關(guān)的2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮21

9、點(diǎn)實(shí)體 有位置，無寬度和長度； 抽象的點(diǎn)美國佛羅里達(dá)洲地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個(gè)地震位置2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮22線實(shí)體 有長度，但無寬度和高度 用來描述線狀實(shí)體，通常在網(wǎng)絡(luò)分析中使用較多 度量實(shí)體距離香港城市道路網(wǎng)分布2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮23面實(shí)體 具有長和寬的目標(biāo) 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）2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮24空間對象：面（續(xù)）連續(xù)變化曲面：如地形起伏，整個(gè)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

10、等，屬性變化發(fā)生在邊界上，面的內(nèi)部是同質(zhì)的。2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮25空間對象：體有長、寬、高的目標(biāo)通常用來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2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮26地理信息數(shù)字化描述方法 柵格和矢量結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)描述空間實(shí)體的兩種最基本的方式。 2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮27地圖的矢量和柵格表示 2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮28空間對象的描述要素編碼：區(qū)別不同的實(shí)體，包括分類碼和識別碼。分類 碼 表識空間對象的類別，而識別碼對每個(gè)空間對象進(jìn)行表識，是唯一的。位置：坐

11、標(biāo)形式給出空間對象的空間位置類型：空間對象所屬的實(shí)體類型，或有那些實(shí)體組成行為：空間對象所具備的行為和功能屬性：空間對象所對應(yīng)的非幾何信息說明：實(shí)體數(shù)據(jù)來源、精度等關(guān)系：與其他實(shí)體之間的關(guān)系2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮29空間對象的編碼為什么要進(jìn)行編碼？編碼對象：屬性數(shù)據(jù)編碼方法： 層次分類編碼 多源分類編碼編碼標(biāo)準(zhǔn)化2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮30空間對象的層次分類編碼分類對象的從屬和層次關(guān)系有明確的分類對象類別和嚴(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電力線71地下檢修井74管線73低壓712電桿713電塔714不依比例714

12、2依比例71412022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮31空間對象的多源分類編碼按空間對象不同特性進(jìn)行分類并進(jìn)編碼代碼之間沒有隸屬關(guān)系，反映對象特性具有較大的信息量，有利于空間分析河流特性分類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)河流寬度河流長度河流深度 5 10 m ： 110 20 m： 220 30 m： 330 60 m： 460 120 m： 5120 300 m：6300 500 m：7500m： 8 50m： 62022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮32空間對象的

13、空間關(guān)系表達(dá)描述空間對象之間的空間相互作用關(guān)系方法 絕對關(guān)系: 坐標(biāo)、角度、方位、距離等； 相對關(guān)系：相鄰、包含、關(guān)聯(lián)等 相對關(guān)系類型拓?fù)淇臻g關(guān)系：描述空間對象的相鄰、包含等順序空間關(guān)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(guān)系：描述空間對象之間的距離等。地圖、遙感影象上的空間關(guān)系是通過圖形識別的，在GIS中的空間關(guān)系則必須顯式的進(jìn)行定義和表達(dá)?？臻g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，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法進(jìn)行描述2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮33空間對象的拓?fù)淇臻g關(guān)系 基于點(diǎn)集拓?fù)淅碚?拓?fù)湓兀?/p>

14、 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：相同拓?fù)湓刂g的層次關(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2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮34起點(diǎn)終點(diǎn)中間點(diǎn)弧段1弧段3弧段2弧段4點(diǎn):面:弧:2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮35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2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮36歐拉公式：歐拉公式在GIS中有著重要

15、的意義，主要用來檢查空間拓?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 = 5b = 2， c = 1，p=2（圖形數(shù)）n = 4， a = 5b = 2， c = 1n = 10， a = 12b = 3， c = 12022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮37空間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)關(guān)系表表2-1面域與弧段的拓?fù)潢P(guān)系面 域弧 段P1a,

16、 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 , 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aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP12022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮38空間對象:自相關(guān)特征空間對象在屬性上存在相關(guān)性，兩空間對象越 接近，其值也越接近，反之亦然。相關(guān)類型 負(fù)相關(guān)：位置越接近，屬性值相差越

17、遠(yuǎn) 正相關(guān)：位置越接近，特征也越接近 不相關(guān)：屬性與空間位置無關(guān)。2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮39（A）高度空間負(fù)向相關(guān)；（B）無規(guī)律分布；（C）空間獨(dú)立； （D）空間聚類現(xiàn)象；（E）高度正向相關(guān)2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮40地理數(shù)據(jù)的特征屬性特征：描述空間對象的特性，即是什么，如對象的類別、等級、名稱、數(shù)量等?？臻g特征：描述空間對象的地理位置以及相互關(guān)系，又稱幾何特征和拓?fù)涮卣?，前者用?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：描述空間對象隨時(shí)間的變化2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮41地理數(shù)據(jù)的類型屬性數(shù)據(jù)：描述空間

18、對象屬性特征的數(shù)據(jù)，又稱非幾何數(shù)據(jù)，如類型、名稱、性質(zhì)等，一般通過代碼給予表達(dá)幾何數(shù)據(jù)：描述空間對象空間特征的數(shù)據(jù)，也稱位置數(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，一般通過拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)。2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮42元數(shù)據(jù) “meta”是一希臘語詞根，意思是“改變”，“Metadata”一詞的原意是關(guān)于數(shù)據(jù)變化的描述。 一般都認(rèn)為元數(shù)據(jù)就是 “關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”。 2022/8/21西北大學(xué)城市與資源學(xué)系 謝元禮43元數(shù)據(jù)的主要作用 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、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)(clearing house)及數(shù)據(jù)銷售等方面的信息，便于用戶查詢檢索地理空間數(shù)據(jù) 提供通過網(wǎng)絡(luò)對數(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