第二章地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

地理信息系統(tǒng)趙姍環(huán)境與水利學(xué)院2012.11

第二章地理信息系統(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)格一、地球空間參考地球空間模型描述

根據(jù)大地測(cè)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(duì)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(lái)的地球橢球體模型。第四類是數(shù)學(xué)模型地球表面幾何模型地球橢球及其參數(shù)

地球橢球體

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

我國(guó)的大地坐標(biāo)系和高程系1954年北京坐標(biāo)系1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系——西安原點(diǎn)GPS測(cè)量數(shù)據(jù)1956年黃海高程系1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)地球橢球及其參數(shù)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(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(huì)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(guò)將不可展的球面投影到一個(gè)可展曲面上，然后將該曲面展開成為一個(gè)平面，保證空間信息的連續(xù)性、完整性和可測(cè)性。曲面平面什么是地圖投影簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)：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(lái)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。2/6/2023投影面地球什么是地圖投影地圖投影的分類（按輔助投影面類型）圓錐投影圓柱投影方位投影投影變形用地圖投影的方法將球面展開為平面，雖然可以保持地域上的聯(lián)系和完整性，但它們與球面上的經(jīng)緯度網(wǎng)線形狀并不一致。即投影后，地圖上的經(jīng)緯度網(wǎng)線發(fā)生了變形，同樣根據(jù)地理坐標(biāo)展繪在地圖上的各種要素，也必然隨著變形。角度變形面積變形距離變形15地圖投影：投影選擇因素根據(jù)美國(guó)著名地圖投影學(xué)家J.P.Snyder統(tǒng)計(jì)，全世界地圖投影種類現(xiàn)有256種，依據(jù)不同的目的和要求可以采用不同指標(biāo)對(duì)繁多的地圖投影進(jìn)行選擇。地理坐標(biāo)地圖（球面坐標(biāo)表示為平面方式）等積圓柱投影墨卡托投影：正軸等角切圓柱投影編制世界時(shí)區(qū)圖橫軸墨卡托投影常用地圖投影—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(guò)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。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(gè)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(gè)投影帶。高斯—克呂格投影（Gauss-KrugerProjection）

---投影分帶高斯投影在我國(guó)系列比例尺地形圖中的應(yīng)用我國(guó)1:1萬(wàn)至1:50萬(wàn)的地形圖全部采用高斯－克呂格投影。1:2.5萬(wàn)至1:50萬(wàn)的地形圖，采用6°分帶方案，全球共分為60個(gè)投影帶；我國(guó)位于東經(jīng)72°到136°間，共含11個(gè)投影帶；1:1萬(wàn)比例尺圖采用3°分帶方案。三、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換變換目的不同來(lái)源的空間數(shù)據(jù)會(huì)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)值變換四、空間尺度比例尺對(duì)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(guó)系列比例尺地形圖為1:1萬(wàn)、1:2．5萬(wàn)、1:5萬(wàn)、1:10萬(wàn)、1:25萬(wàn)、1:50萬(wàn)、1:100萬(wàn)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)。五、地理格網(wǎng)含義是按一定的數(shù)學(xué)法則對(duì)地球表面進(jìn)行劃分形成的格網(wǎng)，通常是指以一定長(zhǎng)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(chǔ)和提取的共同基礎(chǔ)。國(guó)家出版的基礎(chǔ)地圖以地理格網(wǎng)作為存儲(chǔ)和表達(dá)空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。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)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(lái)表述。一、地理空間的概念二、

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傩蕴卣鞣嵌ㄎ粩?shù)據(jù)。用以描述事物或現(xiàn)象的特性。時(shí)間特征用以描述事物或現(xiàn)象隨時(shí)間的變化。JackDangermond1984空間數(shù)據(jù)的基本特征空間特征是指空間對(duì)象的位置及與相鄰對(duì)象的空間關(guān)系或拓?fù)潢P(guān)系屬性特征是指空間對(duì)象的專題屬性三、地理實(shí)體描述地理實(shí)體在地理空間世界中，空間對(duì)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）點(diǎn)實(shí)體有位置，無(wú)寬度和長(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)地震位置線實(shí)體有長(zhǎng)度，但無(wú)寬度和高度用來(lái)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)體距離城市道路網(wǎng)分布面實(shí)體具有長(zhǎng)和寬的目標(biāo)通常用來(lái)表示自然或人工的封閉多邊形中國(guó)土地利用分布圖空間對(duì)象：體有長(zhǎng)、寬、高的目標(biāo)通常用來(lái)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(gè)二維平面的面積。3）周長(zhǎng)4）厚度5）高度抽象成地理實(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(chǎng)、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(chǎng)等3體云、水體、礦體、高層建筑等四、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(lái)，復(fù)雜實(shí)體由簡(jiǎn)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(jì)算區(qū)域內(nèi)線的密度，某省的水系分布情況。2、線通過(guò)區(qū)域：公路上否通過(guò)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(guó)與哪些國(guó)家接壤。4、線與區(qū)域分離：距離。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(chǎng)服務(wù)范圍重疊區(qū)。3、相鄰：計(jì)算相鄰邊界性質(zhì)和長(zhǎng)度，公共連接邊界。4、分離：計(jì)算距離。

學(xué)校菜場(chǎng)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?jī)蓚€(gè)以上的空間實(shí)體時(shí)，空間關(guān)系是其中重要的研究?jī)?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。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(lái)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(gè)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(shí)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(lái)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。四、地理實(shí)體之間的空間關(guān)系2、對(duì)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)。地理實(shí)體間的空間關(guān)系2、對(duì)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(duì)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）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。

兩點(diǎn)之間的距離一個(gè)點(diǎn)指向另一個(gè)點(diǎn)的方向弧段的長(zhǎng)度一個(gè)區(qū)域的周長(zhǎng)一個(gè)區(qū)域的面積一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段的端點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的外部一個(gè)面是一個(gè)簡(jiǎn)單的面（無(wú)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氐乩韺?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?jí)元素之間