地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

會計學(xué)1地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第二章地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第一節(jié)地理空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)一、地球空間參考二、空間數(shù)據(jù)投影三、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四、空間尺度五、地理格網(wǎng)第二節(jié)地理空間與空間數(shù)據(jù)表達(dá)第三節(jié)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第四節(jié)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第2頁/共42頁第1頁/共42頁第一節(jié)地理空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

地理空間的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是GIS空間位置數(shù)據(jù)定位、量算、轉(zhuǎn)換和參與空間分析的基準(zhǔn)。

地理空間的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)主要包括：一、地球空間參考二、空間數(shù)據(jù)投影三、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換四、空間尺度五、地理網(wǎng)格第3頁/共42頁第2頁/共42頁一、地球空間參考地球空間模型描述

根據(jù)大地測量學(xué)的研究成果，地球表面幾何模型可以分為四類，分述如下：第一類是地球的自然表面第二類是相對抽象的面，即大地水準(zhǔn)面。第三類是地球橢球面，就是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立起來的地球橢球體模型。第四類是數(shù)學(xué)模型第4頁/共42頁第3頁/共42頁地球表面幾何模型第5頁/共42頁第4頁/共42頁地球橢球及其參數(shù)第6頁/共42頁第5頁/共42頁

地球橢球體

幾何參數(shù)長半徑a（赤道半徑）短半徑b（極半徑）扁率α=(a-b)/a我國使用的橢球克拉索夫斯基橢球體IAG75橢球體WGS84橢球體

我國的大地坐標(biāo)系和高程系1954年北京坐標(biāo)系1980年國家大地坐標(biāo)系——西安原點(diǎn)GPS測量數(shù)據(jù)1956年黃海高程系1985年國家高程基準(zhǔn)地球橢球及其參數(shù)第7頁/共42頁第6頁/共42頁一、地球空間參考地理空間坐標(biāo)系統(tǒng)分類球面坐標(biāo)系統(tǒng)（地理坐標(biāo)系）平面坐標(biāo)系統(tǒng)（投影坐標(biāo)系統(tǒng)）地理坐標(biāo)系：直接建立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)地理對象位置投影第8頁/共42頁第7頁/共42頁二、空間數(shù)據(jù)投影為什么要進(jìn)行地圖投影？地面點(diǎn)用縮小的球面（如地球儀）不易于使用和保管，平面圖更合適。地球橢球體為不可展曲面，使用物理方法會導(dǎo)致裂口，褶皺和重疊。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。地圖投影的目的是通過將不可展的球面投影到一個可展曲面上，然后將該曲面展開成為一個平面，保證空間信息的連續(xù)性、完整性和可測性。第9頁/共42頁第8頁/共42頁什么是地圖投影簡單地講：地圖投影的實(shí)質(zhì)是將地球橢球面上的經(jīng)緯網(wǎng)按照一定的數(shù)學(xué)法則轉(zhuǎn)移到平面上。具體來說：由于球面上一點(diǎn)的位置是用地理坐標(biāo)(經(jīng)度？緯度？)表示，而平面上是用直角坐標(biāo)(縱坐標(biāo)？橫座標(biāo)？)表示，所以要想將地球表面上的點(diǎn)轉(zhuǎn)移到平面上，必須采用一定的數(shù)學(xué)方法來確定地理坐標(biāo)與平面直角坐標(biāo)之間的關(guān)系。這種在球面和平面之間建立點(diǎn)與點(diǎn)之間函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，稱為地圖投影。第10頁/共42頁第9頁/共42頁地圖投影的分類（按輔助投影面類型）圓錐投影圓柱投影方位投影第11頁/共42頁第10頁/共42頁常用地圖投影—高斯-克呂格投影高斯－克呂格投影是由高斯于19世紀(jì)20年代擬定，后經(jīng)克呂格補(bǔ)充而形成的一種地圖投影方式。這種投影是將橢圓柱面套在地球橢球的外面，并與某一子午線相切（此子午線叫中央子午線或中央經(jīng)線），橢圓柱的中心軸通過地球橢球的中心，然后按某種條件將中央子午線東西兩側(cè)各一定經(jīng)差范圍內(nèi)的地區(qū)投影到柱面上，并將此柱面展成平面，即獲得高斯投影。第12頁/共42頁第11頁/共42頁高斯—克呂格投影（Gauss-KrugerProjection）

---投影分帶3度帶和6度帶3度帶：從0度開始，自西向東每6度分為一個投影帶。6度帶：從東經(jīng)1度30分開始，自西向東每3度分為一個投影帶。第13頁/共42頁第12頁/共42頁高斯—克呂格投影（Gauss-KrugerProjection）

---投影分帶高斯投影在我國系列比例尺地形圖中的應(yīng)用我國1:1萬至1:50萬的地形圖全部采用高斯－克呂格投影。1:2.5萬至1:50萬的地形圖，采用6°分帶方案，全球共分為60個投影帶；我國位于東經(jīng)72°到136°間，共含11個投影帶；1:1萬比例尺圖采用3°分帶方案。第14頁/共42頁第13頁/共42頁三、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換變換目的不同來源的空間數(shù)據(jù)會存在地圖投影和地理坐標(biāo)的差異，為了獲得一致的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行空間坐標(biāo)的變換。方法投影轉(zhuǎn)換坐標(biāo)值變換第15頁/共42頁第14頁/共42頁四、空間尺度比例尺對于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖，比例尺=圖上距離/實(shí)地距離。數(shù)字式比例尺：如“1∶10000”；文字式比例尺：如“圖上1厘米等于實(shí)地1千米”我國系列比例尺地形圖為1:1萬、1:2．5萬、1:5萬、1:10萬、1:25萬、1:50萬、1:100萬分辨率一般指圖像分辨率，表示圖像中目標(biāo)細(xì)微程度的指標(biāo)。第16頁/共42頁第15頁/共42頁五、地理格網(wǎng)含義是按一定的數(shù)學(xué)法則對地球表面進(jìn)行劃分形成的格網(wǎng)，通常是指以一定長度或經(jīng)緯度間隔表示的格網(wǎng)。作用是空間區(qū)域框架的組成部分，是信息采集、存儲和提取的共同基礎(chǔ)。國家出版的基礎(chǔ)地圖以地理格網(wǎng)作為存儲和表達(dá)空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。第17頁/共42頁第16頁/共42頁第二節(jié)地理空間與空間數(shù)據(jù)表達(dá)第一節(jié)地理空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)地理空間與空間數(shù)據(jù)表達(dá)一、地理空間的概念二、空間數(shù)據(jù)基本特征三、地理實(shí)體描述四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系第三節(jié)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第四節(jié)矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第18頁/共42頁第17頁/共42頁地理空間（GeographicSpace）地理空間是地球上大氣圈、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)中的空間概念常用“地理空間”（Geospatial）來表述。一、地理空間的概念第19頁/共42頁第18頁/共42頁二、

空間數(shù)據(jù)的基本特征

空間數(shù)據(jù)基本特征空間特征用以描述事物或現(xiàn)象的地理位置以及空間位置相互關(guān)系。一般以坐標(biāo)數(shù)據(jù)表現(xiàn)?？臻g特征數(shù)據(jù)又可再分為拓?fù)涮卣骱蛶缀翁卣鳎ǘㄎ惶卣鳎?。屬性特征非定位?shù)據(jù)。用以描述事物或現(xiàn)象的特性。時間特征用以描述事物或現(xiàn)象隨時間的變化。第20頁/共42頁第19頁/共42頁JackDangermond1984空間數(shù)據(jù)的基本特征第21頁/共42頁第20頁/共42頁空間特征是指空間對象的位置及與相鄰對象的空間關(guān)系或拓?fù)潢P(guān)系第22頁/共42頁第21頁/共42頁屬性特征是指空間對象的專題屬性第23頁/共42頁第22頁/共42頁三、地理實(shí)體描述地理實(shí)體在地理空間世界中，空間對象一般按地形維數(shù)進(jìn)行歸類劃分，地理現(xiàn)象被抽象為點(diǎn)、線、面、體。抽象后的地理現(xiàn)象稱為地理實(shí)體（空間實(shí)體）。1、點(diǎn)（0維）2、線（1維）3、面（2維）4、體（3維）第24頁/共42頁第23頁/共42頁點(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個地震位置第25頁/共42頁第24頁/共42頁面實(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中國土地利用分布圖第26頁/共42頁第25頁/共42頁空間對象：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)體狀實(shí)體一般具有以下一些空間特征：1）體積，如工程開控和填充的土方量。2）每個二維平面的面積。3）周長4）厚度5）高度第27頁/共42頁第26頁/共42頁抽象成地理實(shí)體的空間現(xiàn)象維度空間實(shí)體地理現(xiàn)象0點(diǎn)城鎮(zhèn)、居民地、交通樞紐、車站、碼頭、工廠、學(xué)校、醫(yī)院、商場、寫字樓、機(jī)關(guān)、火山口、山峰、景點(diǎn)、基地等1線河流、海岸、鐵路、公路、地下管網(wǎng)、行政邊界等2面土壤、耕地、森林、草原、沙漠、行政區(qū)域、綠地、操場等3體云、水體、礦體、高層建筑等第28頁/共42頁第27頁/共42頁四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系地理實(shí)體實(shí)體類型組合現(xiàn)實(shí)世界的各種現(xiàn)象比較復(fù)雜，往往由不同的空間單元組合而成例如根據(jù)某些空間單元或幾種空間單元的組合將空間問題表達(dá)出來，復(fù)雜實(shí)體由簡單實(shí)體組合表達(dá)。點(diǎn)、線、面兩兩之間組合表達(dá)復(fù)雜的空間問題：如：線—面、面—面、點(diǎn)—面、點(diǎn)—線第29頁/共42頁第28頁/共42頁四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系地理實(shí)體實(shí)體類型組合（1）線——面組合1、區(qū)域包含線：計算區(qū)域內(nèi)線的密度，某省的水系分布情況。2、線通過區(qū)域：公路上否通過某縣。3、線環(huán)繞區(qū)域：區(qū)域邊界，搜索左右區(qū)域名稱，中國與哪些國家接壤。4、線與區(qū)域分離：距離。第30頁/共42頁第29頁/共42頁四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系地理實(shí)體實(shí)體類型組合（2）面——面組合1、包含：島,某省的湖泊分布。2、相交：重疊，學(xué)校服務(wù)范圍與菜場服務(wù)范圍重疊區(qū)。3、相鄰：計算相鄰邊界性質(zhì)和長度，公共連接邊界。4、分離：計算距離。

學(xué)校菜場第31頁/共42頁第30頁/共42頁四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系

地理實(shí)體間的空間關(guān)系在研究兩個以上的空間實(shí)體時，空間關(guān)系是其中重要的研究內(nèi)容?？臻g關(guān)系是地理實(shí)體之間由實(shí)體的幾何特性（位置、形狀）所決定的關(guān)系。地理實(shí)體間的空間關(guān)系實(shí)際是研究實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系。第32頁/共42頁第31頁/共42頁四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系1、拓?fù)潢P(guān)系的定義Topology一詞來自希臘文，它的原意是“形狀的研究”。拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個分支，它研究在拓?fù)渥儞Q下能保持不變的幾何屬性——拓?fù)鋵傩?。地理?shí)體不僅具有空間位置、形狀、大小等空間特征，而且不同實(shí)體間還存在鄰接、關(guān)聯(lián)、包含等空間相互關(guān)系特征，由于描述這種關(guān)系時不需要考慮空間坐標(biāo)和距離因素，所以又稱為拓?fù)潢P(guān)系。是明確定義空間關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法。在GIS中，用來描述并確定空間的點(diǎn)線面之間的關(guān)系及屬性，并可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的查詢和檢索。第33頁/共42頁第32頁/共42頁四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系2、對拓?fù)潢P(guān)系的理解指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)。第34頁/共42頁第33頁/共42頁地理實(shí)體間的空間關(guān)系2、對拓?fù)潢P(guān)系的理解我們可以設(shè)想一塊高質(zhì)量的橡皮，可被任意拉伸壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)折疊。表面上有由結(jié)點(diǎn)、弧、環(huán)和區(qū)域組成的圖形。若對該橡皮進(jìn)行任意拉伸、壓縮，但不扭轉(zhuǎn)和折疊，則在橡皮形狀的這些變換中，圖形的一些屬性將得到保留，有些屬性將消失。

拓?fù)渥儞Q（橡皮變換）第35頁/共42頁第34頁/共42頁幾何形狀不同的圖形，結(jié)點(diǎn)和面的拓?fù)潢P(guān)系可以是相同的。拓?fù)潢P(guān)系反映了空間實(shí)體之間的邏輯關(guān)系，它不需要坐標(biāo)、距離信息，不受比例尺限制，也不隨投影關(guān)系變化。

第36頁/共42頁第35頁/共42頁兩點(diǎn)之間的距離一個點(diǎn)指向另一個點(diǎn)的方向弧段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積一個點(diǎn)在一個弧段的端點(diǎn)一個點(diǎn)在一個區(qū)域的邊界上一個點(diǎn)在一個區(qū)域的內(nèi)部一個點(diǎn)在一個區(qū)域的外部一個面是一個簡單的面（無島）非拓?fù)鋵傩酝負(fù)鋵傩?/p>

拓?fù)渥儞Q（橡皮變換）3、拓?fù)鋵傩院头峭負(fù)鋵傩运?、地理?shí)體之間的空間關(guān)系第37頁/共42頁第36頁/共42頁地理實(shí)體間的空間關(guān)系4、拓?fù)湓攸c(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第38頁/共42頁第37頁/共42頁起點(diǎn)終點(diǎn)中間點(diǎn)弧段1弧段3弧段2弧段4點(diǎn):面:弧:拓?fù)湓氐?9頁/共42頁第38頁/共42頁地理實(shí)體間的空間關(guān)系5、拓?fù)潢P(guān)系分類拓?fù)溧徑樱和愒刂g的拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：不同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)浒和惒煌壴刂g的拓?fù)潢P(guān)系。第40頁/共42頁第39頁/共42頁N1e1e2e