空間信息基礎課件

第二章空間信息基礎第二章空間信息基礎1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(shù)據(jù)特征地圖對地理現(xiàn)象表達遙感影像對地理現(xiàn)象表達第一節(jié)GIS的地學基礎地球模型2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(wǎng)和高程控制網(wǎng)構成，為所有地理數(shù)據(jù)的坐標位置提供了一個通用參考系。GIS的任何空間數(shù)據(jù)都必須納入一個統(tǒng)一的空間參照系中，以實現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的融合、連接與統(tǒng)一。地理信息系統(tǒng)中的空間地理空間(geo-spatial)：物質3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(nèi)的固體地球表面，起伏不定，難以用一個簡潔的數(shù)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(shù)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(shù)學方法來表達的旋轉橢球來代替地球——三軸橢球體。abc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4地球的近似地球并不是規(guī)則的圓球橢球(ellipsoid)長半軸(a)短半軸(b)扁率(f)(a-b)/a地理坐標地球的近似地球并不是規(guī)則的圓球5地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體6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北京坐標系國家大地坐標系(1980)基準面(datum)：IUGG77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ψ。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(jīng)度λ。地理空間坐標系地理坐標系是以地理極(北極、南極)為極點。8地圖投影：為什么要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(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(jīng)度表示怎樣實現(xiàn)3維向2維的的轉變?地圖投影：為什么要進行投影地理坐標為球面坐標，不方便進行距離9直接建立在球體上的地理坐標，用經(jīng)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(MapProjections)將地理坐標（經(jīng)緯度）從球面空間轉換成平面空間的直角坐標的數(shù)學方法。直接建立在球體上的地理坐標，用經(jīng)度和緯度表達地理對象位置建立10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)投影坐標系又稱平面直角坐標系11地圖投影：投影實質

建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和平面上相應經(jīng)緯線網(wǎng)的數(shù)學基礎，也就是建立地球橢球面上的點的地理坐標（λ，φ）與平面上對應點的平面坐標（x，y）之間的函數(shù)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：投影實質建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和12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：投影變形將不可展的地球橢球面展開成平面，并且不能有13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地圖投影：投影分類變形分類：14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15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)以地理坐標存儲時，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(shù)據(jù)通過投影變換變換成指定投影的平面坐標。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，但當所顯示的地圖與國家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：GIS中地圖投影GIS以地圖方式顯示地理信息，而地16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。地圖投影：我國常用地圖投影1：100萬：蘭勃投影（正軸等積割17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(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(jīng)過投影后，體現(xiàn)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：1：500—1：10萬中比例尺：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18高程控制網(wǎng)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H′AHA鉛垂線AH′BHBhAB高程控制網(wǎng)高程系統(tǒng)：描述空間點在垂直高度上的特性。

高程——19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年國家高程基準面水準原點1985國家高程基準，黃海海面1956年黃海高程系20地理實體(空間實體)指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)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(nèi)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）的地圖表達地理實體(空間實體)指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)濟事件中不能再分割的21空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)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還很難處理時間屬性?？臻g對象的維數(shù)與比例尺是相關的空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)進行歸類劃分22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個地震位置點實體有位置，無寬度和長度；美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站20123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(wǎng)絡分析中使用較多度量實體距離香港城市道路網(wǎng)分布線實體有長度，但無寬度和高度香港城市道路網(wǎng)分布24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）面實體具有長和寬的目標中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）25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(nèi)部是同質的?？臻g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26空間對象：體有長、寬、高的目標通常用來表示人工或自然的三維目標，如建筑、礦體等三維目標香港理工大學校園建筑空間對象：體有長、寬、高的目標香港理工大學校園建筑27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

點：位置：（x，y）線：位置：(x1,y1),(x2,y228空間對象（實體）的遙感影像表達遙感傳感器平臺傳感器空間對象（實體）的遙感影像表達遙感傳感器平臺傳感器29第二節(jié)地理信息數(shù)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。

第二節(jié)地理信息數(shù)字化描述方法柵格和矢量結構是計算機描述30矢量(Vector)vs.柵格(Raster)Vector:用于實現(xiàn)對象模型PointLinePolygonRaster:用于實現(xiàn)場模型Grids,TIN,etc.Contour矢量(Vector)vs.柵格(Raster)Raste31簡單要素表達——矢量數(shù)據(jù)結構矢量數(shù)據(jù)結構(VectorDataStructure)現(xiàn)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簡單要素表達——矢量數(shù)據(jù)結構矢量數(shù)據(jù)結構(VectorDa32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點(Point)0維實體點注記點標識點Vertex33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,河流線(Line)1維34面(Area)2維(長度和寬度)具有面積和周長屬性由邊界線組成(邊界上點的坐標串)又稱polygon如:行政分區(qū),水體面(Area)2維(長度和寬度)35矢量數(shù)據(jù)結構發(fā)展ESRI,Inc.ARC/INFO:coveragesArcViewGIS:shapefilesArcGIS:geodatabaseARC/INFOandArcViewGIS地理關系數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開存儲，通過標識碼進行連接ArcGISis面向對象數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在一起，不相互分離矢量數(shù)據(jù)結構發(fā)展ESRI,Inc.36簡單數(shù)據(jù)結構非拓撲矢量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)互操作簡單數(shù)據(jù)結構非拓撲矢量數(shù)據(jù)37為何采用柵格數(shù)據(jù)結構？Vectors-point,line,area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(shù)據(jù)進行較好的表達更好的方式是采用raster數(shù)據(jù)模型如，DEM,衛(wèi)星影像,數(shù)字正射影像圖,掃描地圖為何采用柵格數(shù)據(jù)結構？Vectors-point,li38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(wǎng)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。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39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、列位置進行定義基本要素位置由行(Rows)，列(Columns)號定義40柵格單元大小分辨率較大的柵格單元大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(shù)據(jù)的冗余度。HH/2柵格單元大小分辨率HH/241柵格數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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42柵格數(shù)據(jù)類型衛(wèi)星影像DEM數(shù)字正射影像圖數(shù)字柵格圖GIS軟件特定柵格圖……柵格數(shù)據(jù)類型衛(wèi)星影像43矢量與柵格的比較優(yōu)點

缺點矢量便于面向現(xiàn)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(wǎng)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(shù)據(jù)結構復雜，各自定義，不便于數(shù)據(jù)標準化和規(guī)范化，數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)交換。疊置分析和地理(能有效表達空可變性)現(xiàn)象模擬較易。利于與感遙數(shù)據(jù)的匹配應用和分析，便于圖像處理。輸出快速，成本低廉?，F(xiàn)象識別效果不如矢量方法，難以表達拓撲。圖形數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)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(shù)量來克服，但會增加數(shù)據(jù)文件。矢量與柵格的比較優(yōu)點44第三節(jié)空間數(shù)據(jù)的類型和關系空間數(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系，又稱幾何特征和拓撲特征，前者用經(jīng)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第三節(jié)空間數(shù)據(jù)的類型和關系空間數(shù)據(jù)的特征45地理數(shù)據(jù)的類型1、類型數(shù)據(jù)例如考古地點、道路線和土壤類型的分布等；2、面域數(shù)據(jù)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(wǎng)絡數(shù)量例如道路交點、街道和街區(qū)等；4、樣本數(shù)量例如氣象站、航線和野外樣方的分布區(qū)等；5、曲面數(shù)據(jù)例如高程點、等高線和等值區(qū)域；6、文本數(shù)據(jù)例如地名、河流名稱和區(qū)域名稱；7、符號數(shù)據(jù)例如點狀符號、線狀符號和面狀符號等。地理數(shù)據(jù)的類型1、類型數(shù)據(jù)例如考古地點、道路線和土壤類型46第2章空間信息基礎-課件47空間對象的空間關系表達描述空間對象之間的空間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(lián)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對象的空間關系表達描述空間對象之間的空間相互作用關系48空間數(shù)據(jù)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、弧段和線段面：若干弧段組成的多邊形基本拓撲關系關聯(lián)：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、面之間的拓撲關系空間數(shù)據(jù)的拓撲空間關系基于點集拓撲理論49鄰接相交重合相離包含點—點點—線點—面線—面面—面線—線鄰接相交重合相離包含點—點點—線點—面線—面面—面線—線50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 P1 a,b,c,-gP2 b,d,f P3 c,f,e P4 g 表2-2結點與弧段的拓撲關系結點 弧段 A a,c,e B a,d,b C d,e,f D b,f,c E g 表2-3弧段與結點的拓撲關系弧段 結點 a A,B b B,D c D,A d B,C e C,A f C,D g E,E

表2-4弧段與面域的拓撲關系弧段左鄰面右鄰面a P0 P1b P2 P1c P3 P1d P0 P2e P0 P3f P3 P2g P1

空間拓撲關系表達—關系表表2-1面域與弧段的拓撲關系表2-251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拓撲關系的意義52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?？臻g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53（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(xiàn)象；（E）高度正向相關（A）高度空間負向相關；（B）無規(guī)律分布；（C）空間獨立；54第四節(jié)元數(shù)據(jù)“meta”是一希臘語詞根，意思是“改變”，“Metadata”一詞的原意是關于數(shù)據(jù)變化的描述。一般都認為元數(shù)據(jù)就是“關于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”。第四節(jié)元數(shù)據(jù)“meta”是一希臘語詞根，意思是“改55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空間數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)文檔提供有關數(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)質量、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(clearinghouse)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)絡對數(shù)據(jù)進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)是否能滿足其需求作出正確的判斷提供有關信息，以便用戶處理和轉換有用的數(shù)據(jù)。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空間數(shù)據(jù)，56元數(shù)據(jù)的內(nèi)容對數(shù)據(jù)集中各數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)所有者及數(shù)據(jù)生產(chǎn)歷史等的說明對數(shù)據(jù)質量的描述，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)的比例尺等對數(shù)據(jù)處理信息的說明，如量綱的轉換等數(shù)據(jù)轉換方法的描述對數(shù)據(jù)庫的更新、集成方法等的說明

元數(shù)據(jù)的內(nèi)容對數(shù)據(jù)集中各數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)所有者及數(shù)據(jù)57空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的標準元數(shù)據(jù)標準名稱建立標準的組織CSDGM地球空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)內(nèi)容標準FGDC，美國聯(lián)邦空間數(shù)據(jù)委員會GDDD數(shù)據(jù)集描述方法MEGRIN，歐洲地圖事務組織CGSB空間數(shù)據(jù)集描述CSC，加拿大標準委員會CEN地學信息一數(shù)據(jù)描述一元數(shù)據(jù)CEN／TC287DIF目錄交換格式NASAISO地理信息ISO／TC211空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的標準元數(shù)據(jù)標準名稱建立標準的組織CSDG58思考與練習說說地理空間模型是怎樣建立的？GIS中為什么要考慮地圖投影？地理空間實體的三要素是什么？它們之間的關系是怎樣的？空間數(shù)據(jù)的基本特征有哪些？地理信息的數(shù)字化描述方法有哪些？思考與練習說說地理空間模型是怎樣建立的？59利用關系表來表達右圖的空間拓撲關系。什么是元數(shù)據(jù)？為什么要使用元數(shù)據(jù)？ebc41325ABC76Dada:結點號A:多邊形號1:弧段號弧段數(shù)字化方向利用關系表來表達右圖的空間拓撲關系。ebc41325ABC760第二章空間信息基礎第二章空間信息基礎61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(shù)據(jù)特征地圖對地理現(xiàn)象表達遙感影像對地理現(xiàn)象表達第一節(jié)GIS的地學基礎地球模型62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(wǎng)和高程控制網(wǎng)構成，為所有地理數(shù)據(jù)的坐標位置提供了一個通用參考系。GIS的任何空間數(shù)據(jù)都必須納入一個統(tǒng)一的空間參照系中，以實現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的融合、連接與統(tǒng)一。地理信息系統(tǒng)中的空間地理空間(geo-spatial)：物質63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(nèi)的固體地球表面，起伏不定，難以用一個簡潔的數(shù)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(shù)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(shù)學方法來表達的旋轉橢球來代替地球——三軸橢球體。abc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64地球的近似地球并不是規(guī)則的圓球橢球(ellipsoid)長半軸(a)短半軸(b)扁率(f)(a-b)/a地理坐標地球的近似地球并不是規(guī)則的圓球65地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體地球模型地球表面水準面大地水準面鉛垂線地球橢球體66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北京坐標系國家大地坐標系(1980)基準面(datum)：IUGG767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ψ。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(jīng)度λ。地理空間坐標系地理坐標系是以地理極(北極、南極)為極點。68地圖投影：為什么要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(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(jīng)度表示怎樣實現(xiàn)3維向2維的的轉變?地圖投影：為什么要進行投影地理坐標為球面坐標，不方便進行距離69直接建立在球體上的地理坐標，用經(jīng)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(MapProjections)將地理坐標（經(jīng)緯度）從球面空間轉換成平面空間的直角坐標的數(shù)學方法。直接建立在球體上的地理坐標，用經(jīng)度和緯度表達地理對象位置建立70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)投影坐標系又稱平面直角坐標系71地圖投影：投影實質

建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和平面上相應經(jīng)緯線網(wǎng)的數(shù)學基礎，也就是建立地球橢球面上的點的地理坐標（λ，φ）與平面上對應點的平面坐標（x，y）之間的函數(shù)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：投影實質建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和72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：投影變形將不可展的地球橢球面展開成平面，并且不能有73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地圖投影：投影分類變形分類：74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75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)以地理坐標存儲時，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(shù)據(jù)通過投影變換變換成指定投影的平面坐標。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，但當所顯示的地圖與國家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：GIS中地圖投影GIS以地圖方式顯示地理信息，而地76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。地圖投影：我國常用地圖投影1：100萬：蘭勃投影（正軸等積割77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(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(jīng)過投影后，體現(xiàn)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：1：500—1：10萬中比例尺：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78高程控制網(wǎng)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H′AHA鉛垂線AH′BHBhAB高程控制網(wǎng)高程系統(tǒng)：描述空間點在垂直高度上的特性。

高程——79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年國家高程基準面水準原點1985國家高程基準，黃海海面1956年黃海高程系80地理實體(空間實體)指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)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(nèi)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。空間對象（實體）的地圖表達地理實體(空間實體)指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)濟事件中不能再分割的81空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)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還很難處理時間屬性。空間對象的維數(shù)與比例尺是相關的空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)進行歸類劃分82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個地震位置點實體有位置，無寬度和長度；美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站20183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(wǎng)絡分析中使用較多度量實體距離香港城市道路網(wǎng)分布線實體有長度，但無寬度和高度香港城市道路網(wǎng)分布84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）面實體具有長和寬的目標中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）85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(nèi)部是同質的?？臻g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86空間對象：體有長、寬、高的目標通常用來表示人工或自然的三維目標，如建筑、礦體等三維目標香港理工大學校園建筑空間對象：體有長、寬、高的目標香港理工大學校園建筑87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

點：位置：（x，y）線：位置：(x1,y1),(x2,y288空間對象（實體）的遙感影像表達遙感傳感器平臺傳感器空間對象（實體）的遙感影像表達遙感傳感器平臺傳感器89第二節(jié)地理信息數(shù)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。

第二節(jié)地理信息數(shù)字化描述方法柵格和矢量結構是計算機描述90矢量(Vector)vs.柵格(Raster)Vector:用于實現(xiàn)對象模型PointLinePolygonRaster:用于實現(xiàn)場模型Grids,TIN,etc.Contour矢量(Vector)vs.柵格(Raster)Raste91簡單要素表達——矢量數(shù)據(jù)結構矢量數(shù)據(jù)結構(VectorDataStructure)現(xiàn)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簡單要素表達——矢量數(shù)據(jù)結構矢量數(shù)據(jù)結構(VectorDa92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點(Point)0維實體點注記點標識點Vertex93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,河流線(Line)1維94面(Area)2維(長度和寬度)具有面積和周長屬性由邊界線組成(邊界上點的坐標串)又稱polygon如:行政分區(qū),水體面(Area)2維(長度和寬度)95矢量數(shù)據(jù)結構發(fā)展ESRI,Inc.ARC/INFO:coveragesArcViewGIS:shapefilesArcGIS:geodatabaseARC/INFOandArcViewGIS地理關系數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分開存儲，通過標識碼進行連接ArcGISis面向對象數(shù)據(jù)模型空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲在一起，不相互分離矢量數(shù)據(jù)結構發(fā)展ESRI,Inc.96簡單數(shù)據(jù)結構非拓撲矢量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)互操作簡單數(shù)據(jù)結構非拓撲矢量數(shù)據(jù)97為何采用柵格數(shù)據(jù)結構？Vectors-point,line,area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(shù)據(jù)進行較好的表達更好的方式是采用raster數(shù)據(jù)模型如，DEM,衛(wèi)星影像,數(shù)字正射影像圖,掃描地圖為何采用柵格數(shù)據(jù)結構？Vectors-point,li98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(wǎng)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。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99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、列位置進行定義基本要素位置由行(Rows)，列(Columns)號定義100柵格單元大小分辨率較大的柵格單元大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(shù)據(jù)的冗余度。HH/2柵格單元大小分辨率HH/2101柵格數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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102柵格數(shù)據(jù)類型衛(wèi)星影像DEM數(shù)字正射影像圖數(shù)字柵格圖GIS軟件特定柵格圖……柵格數(shù)據(jù)類型衛(wèi)星影像103矢量與柵格的比較優(yōu)點

缺點矢量便于面向現(xiàn)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(wǎng)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(shù)據(jù)結構復雜，各自定義，不便于數(shù)據(jù)標準化和規(guī)范化，數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)交換。疊置分析和地理(能有效表達空可變性)現(xiàn)象模擬較易。利于與感遙數(shù)據(jù)的匹配應用和分析，便于圖像處理。輸出快速，成本低廉?，F(xiàn)象識別效果不如矢量方法，難以表達拓撲。圖形數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)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(shù)量來克服，但會增加數(shù)據(jù)文件。矢量與柵格的比較優(yōu)點104第三節(jié)空間數(shù)據(jù)的類型和關系空間數(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。空間特征：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(jīng)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第三節(jié)空間數(shù)據(jù)的類型和關系空間數(shù)據(jù)的特征105地理數(shù)據(jù)的類型1、類型數(shù)據(jù)例如考古地點、道路線和土壤類型的分布等；2、面域數(shù)據(jù)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(wǎng)絡數(shù)量例如道路交點、街道和街區(qū)等；4、樣本數(shù)量例如氣象站、航線和野外樣方的分布區(qū)等；5、曲面數(shù)據(jù)例如高程點、等高線和等值區(qū)域；6、文本數(shù)據(jù)例如地名、河流名稱和區(qū)域名稱；7、符號數(shù)據(jù)例如點狀符號、線狀符號和面狀符號等。地理數(shù)據(jù)的類型1、類型數(shù)據(jù)例如考古地點、道路線和土壤類型106第2章空間信息基礎-課件107空間對象的空間關系表達描述空間對象之間的空間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(lián)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對象的空間關系表達描述空間對象之間的空間相互作用關系108空間數(shù)據(jù)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、弧段和線段面：若干弧段組成的多邊形基本拓撲關系關聯(lián)：不同拓撲