《资源环境信息技术》PPT课件.ppt

资源环境信息技术 第一章 绪论 1、资源环境信息技术内容、研究范围 资源环境信息技术是指农业宏观资源环境信息 的采集、数据处理、数据管理、信息传播以及 辅助管理决策的整套技术。 主要内容 遥感技术: 大面积宏观地学信息快速获取的技术。 全球定位系统： 快速便携采集点位数据的技术。 地理信息系统： 存贮、管理、分析地学空间信息数据的 技术。 信息传播技术：通过计算机网络将图形、图像、声音、 文字表格等信息媒体传播的技术。 涉及到的信息技术有： 数据（仓）库技术、计算机图形学、大地测绘技术、 图像处理技术、专家系统技术等等。由此说明：资源环境 信息技术是以计算机技术为核心的技术领域，但计算机技 术并不等于信息技术。计算机技术与信息表达对象的结合 才是信息技术。 资源环境信息技术特点 综合性：高新技术集成 基础性：80%以上的国民经济的信息都与资源环境信息 技术有关 广泛性：事关“三农”问题的解决，为广大农业生产者、 农业管理者、农业科学工作者所需求的技术。 2、资源环境信息技术对于发展国民经济的重大意义 资源环境问题构成人类生存的巨大威胁。利 用现代信息技术强化资源环境管理是国民经 济可持续发展的根本保障。这项技术的发展 是一个国家实力的体现。 农业生产需要资源环境信息技术。产前、产 中、产后都需要信息技术来指引，“没有技 术的生产是愚蠢的生产，而没有信息的生 产则是盲目的生产。” 资源环境信息技术事关人们的衣食住行。 3、国内外资源环境信息技术的发展历程与现状 信息技术是生产力发展的必然产物 信息是物质世界各种事物存在 的表征。具有客观性、共用 性、时效性。 信息的重要性并非今天人们才认识，信息技术直到 20世纪 40 年代以后才独立成为一门技术领域是生产力发展的必然结 果。信息技术的发展需要社会生产力发展的驱动，同时也需 要以相关基础科学与技术为条件。 信息技术极大地从广度与深度上开阔了人们对自然界的认 识。资源环境信息技术使人们更加深刻地认识了地球 这一我们人类共同生存的空间。 在空间范围上，可以将数万平方公里的地学图形图像信 息容纳在一台计算机以内。 在时间维上，人们可以在瞬间将数千公里外的音像信息 传输到眼前。 在现代信息技术支持下，可以将巨大的时空范围事物变 化的过程可视化地表现在计算机屏幕上。 资源环境信息技术发展历程 20 世纪 60 年代，遥感技术开始出现，资源环境信息技 术开始形成。 70 年代，地理信息系统概念提出，加拿大建设世界上第 一套 CGIS 系统。 80 年代，全球定位系统投入使用，资源环境信息技术形 成一个独立的技术体系，技术集成度提高。 90 年代，资源环境信息与信息技术产业化。美国就业人 口中 52% 从事直接信息产业。 1998 年美国提出 “数字地球” 概念，世界各国响应，数字 农业（精确农业）、数字国土、数字北京等概念纷纷提 出，国家级信息工程纷纷上马。 第二章 资源环境信息数据表达 1、空间数据与属性数据 资源环境信息是宏观广域空间信息。它以空间数据为 信息表达的基本框架，而以属性数据为空间特性表达的内容 。 空间数据：指空间的位置，表达空间位置有多种参 照系，有天文坐标参照系、地理经纬度参照系、大 地直 角坐标系等等，它通过二维或三维坐标数据表 达空间位置 。 平面图件（地图）是空间数据的基本载体。图件分有纸 介图件，电子图件。 空间地物可分为点状、线状、面状地物三大类。这三种 地类在地图上称作地图三要素。三种地类存在着多种空间 关联。 空间数据有两种表达格式：矢量格式与网格格式。 矢量格式 网格格式 网格格式图件特点： ） 一个网格格式表示某种属性的一个均值，用代码表 达。网格是不可分割的数据单位，位置由行列号表示（， ），为整数。 ） 一个地物是具有相同或接近相同属性值的集合。 ） 面状地物的边界可以是网格的格线，也可以是相邻 网格串联在一起的集合。 ） 网格格式可以表现图像，也可以表达图形。在表达 图像时，各个网格可以有自己不同的颜色编码，在表达图 形时，边界网格赋于独立的属性。 矢量格式图件特点： ） 矢量格式数据只能表达图形，图形是图像的一种抽象 。 ） 矢量格式下的线状地物或面状地物只具有某种属性的 一个特定值，即认为一个线状地物上或面状地物（图斑）内是 属性均值的。 ） 矢量格式下的空间数据用坐标，表示，可 以是小数。 属性数据：它是指对于特定的空间位置或空间地物的 某种属性的数值或代码，比如降雨量、土壤类型、土 地权属等。 属性数据的特点： ） 每一属性数据都与一个空间位置或空间地物相联系， 即对于特定的属性类别，每一空间地物或空间位置都有一属性 值，两个不同的空间地物有可能具有相同的属性值。 ） 每一类别属性数据都有固定的阈值范围。比如土壤值 一定在之间，降雨量一定在 之间。 ） 一幅图件通常只表达一类属性值的分布，比如土壤类型分 布图，图中每一图斑表示的都是一种土类，当然允许有多种属 性值，比如该类土壤的值，土质状况等。 ） 属性数据与空间数据依赖有相同的识别码相联系。 ） 属性数据一般都用关系型数据库存贮。 （ ）模型 模型是将空间数据与属性数据按图层方式分门别 类地存贮并加以统一管理的数据存贮模型。比如，资源环境 信息经常使用到的图层数据有：土壤类型分布图、年均降雨 量分布图、等高线图、行政区划图、水系图等等。这些图件 全部数字化，而且： ）比例尺需要相同； ）投影方式需要相同； ）覆盖地域严格一致。 这样以便于做图形叠加分析。 在实际工作中，对有些图，将纸介图件数据分解还要过 细，将图中点状地物、线状地物、面状地物分别各作为一个 图层处理。 、代码与编码 定义 将系统内各种数据、文字符号、文件等以数字符号或 指定字母符号的组合标识出来，成为计算机系统可以接收 的形式，这种标识称作代码。用户制定代码的过程称作编 码。 代码的特点与编码的原则 唯一性，一个代码只能指定一个事物。 一致性，在系统自始至终一个代码只指固定的一件事物 。 通用性，一些代码有国际标准，如码，有些有 行业标准，如土地分类代码，城镇地籍数据文件名称代码， 在实际工作中，制定本系统特定代码中必须要与这些国标相 一致。 前瞻性，编码码位要留有余量，避免代码容纳不下表达 事物的数目。比如年份要用位，月份用位，日用位。 代码结构 代码一般分为若干码段，码段有相对独立性，表示一个独 立的意思，有固定的码位（字节数）。 比如行政村通常设位代码 前位表示乡，作为一个码段，后位表示村。码段这样 设置表示村与乡的管辖从属关系。对于代码结构需注意： 一个代码可以有多个码段，实用时还允许拆卸或增加， 比如在乡前再加县代码段。 在多码段的代码中，代码的唯一性是指整个代码的唯一 性，不排除两个代码的对应码段相同，比如不同乡有可能两 个村的码段代码相同。 代码一旦制定，绝对不允许在码段间码位 “借用” ， 比如将乡码段的一位码位 “借给” 村码段使用。如果这样 ，将发生混乱。代码的设制是一件相当细致谨慎的工作。 编码过程 数据整理、分类 分析数据类别间关系，有并列关系，有从属关系 估计数据数目，决定码位字节数量 调查相关行业编码标准 3、航摄投影 投影一般定义 空间任一点 A 与一固定点 S 的连线（包括其延长线） 被某面 P 所截，其交点 a 叫做空间点 A 在截面上的投影。 注意： 截面 P 并不一定是平面 点位 A 与投影点 a 不必须是在投影面 P 的两侧。 在特殊情况下，固定点 S 也可能在无穷远 处，此时 AS / BS / CS S p c b a ABC 中心投影 定义 投影面是平面的投影叫做中 心投影 照相机摄影是中心投影的实例。S 是镜头，投影面（远离实物一侧）是 胶片，影相为负片。 摄影中心投影中的几个术语定义： 1）固定点 S 称作投影中心 2）过投影中心垂直于投影面 P 的 直线称作主光轴 3）主光轴垂直于地面的投影称作垂直中心投影 4）投影中心 S 到投影面（胶片）的距离称作焦距 f ，S 到投 影面的垂足称作像中心点 比例尺 ab f 1 AB H m = 一般图件比例尺为 1 : 50 万; 1 : 25 万; 1 : 10 万; 1 : 5 万 , 1 : 500 依次比例尺由小变大 中心投影两个误差来源 1) 高低地面起伏引起投影误差 a0a S f H A A0 投影误差：r = 注意；1）误差与航高 H 成反 比；在卫星遥感中 H 达数百公 里，相对于地面相对高差h 大 h r H 出许多，误差可忽略不计。 2）投影误差呈径向分布，距离像中心点越远，即 r 越大，则 误差越大。 A 投影面与地面不平行 S S P0 P 说明： 1） 为辐射角，即在投 影面上点位辐射线与主横 线的夹角； 为投影面与 水平面的夹角；r为辐射 距；f 为焦距。 2）在投影面上坐标设置与地面起伏误差分析的坐标设置有 所不同，坐标原点设置在等角点上，即过倾斜投影面上的像 中心的垂线与过水平投影面像中心的垂线构成的角平分线与 倾斜投影面的交点作倾斜投影面的坐标原点；过原点在倾斜 投影面的横向直线（垂直于纸面见图）设为 X 坐标轴， 纵向设为 Y 坐标轴，并以 X 轴作为倾斜投影面的旋转轴。 一切误差分析都以这样的设置为基础，进行计算的。 x y ab c d o 3）这样看来，倾斜投影面上 的像中心点与坐标原点并不在 一个点上，因而这里的辐射距 r与地面起伏投影误差辐射距 r 并不相等，但是不难证明两 者相差不大，在倾斜角不超过 3 情况下，由于坐标原点设 置引起的误差可以忽略。 讨论： 1）投影面倾斜角一般不大于 3 ，sin 是正值，而取值却 从 0 到 360 变化，使辐射距覆盖整个影像，因而使误差可 正可负。具体分析如下： 当 0 180，则误差 为负值，即向内收缩； 当 180 360，则误差 为正值，即向外扩张； 2）投影面与地面不平行引起的投影误差与镜头焦距成反比 ，与辐射距平方成正比； 3）此种投影误差与航高无关，因而无论在航空摄影或卫星 遥感中都必须要加以注意纠正的。 正射投影 定义：将投影中心 S 点置于 无穷远处的中心投影称作正射 投影。 实际正射投影的定义：二次 投影，首先投影到一个假想投 影面上，比例尺为 1：1 ，然后 在做二次中心投影。 正射投影讨论： 1） 正射投影不存在投影误差是一种理想的投影 2） 如果地面平坦，摄相条件理想，即镜头平面平行于水 平面，则此时的摄相中心投影即为正射投影。 4、大地投影 地球模型 地球可以模拟为旋转椭球体。其长半轴为 6,378,140 m ，短 半轴为 6,356,755. 3 m 普通测量中可将地球看作为球体，其半径为 6371000 m。 大地投影 基本思想，将地球看为透明，将光源（即 S 点）置于地球心 ，光线（投影线）穿过地球球面上各个点，投影到地球外假想 的可展曲面上，如圆锥面、圆柱面或直接就是平面，然后将可 展曲面展开，并用理想中心投影的方法将其缩小，即制成不同 比例尺地图。 大地投影制图的种类 1）以投影面划分为：圆锥投影、圆柱投影、方位投影（投 影面是平面） 2）以投影面与地球的关系划分为：正切，横切，斜切，正 割，横割，斜割等 说明各国投影制图种类选择取决于该国地理的具体位置 以及幅员大小，形状特点等，以制图投影误差最小为原则。 大地投影误差讨论 1）误差的类别： 距离误差，即图上两点距离与实地两点距离的差别。 方位误差，即图上两点的指向与实地两点指向的差别。 面积误差，即图上图斑量测的面积与实地量测面积的差别。 2）不同投影下的误差分析 任何地图总存在两种或三种误差，不存在任何误差的图件 是没有的， 地图投影为某种特殊需要，采取复杂的数学变换，往往是 以牺牲某种误差增大为代价，而换取减弱甚至消除某一种误差 ，如等积投影，等角投影变换。 在制图比例尺大于 1：10 万情况下，可以不考虑投影方式 带来的误差差异。 5中国地图常用的两种投影 正割圆锥投影 技术特点：覆盖面积大，距离误差有正有负、方位误差较 小，面积误差很小；有两条纬线与投影面相交，两纬线之间 距离误差为负，而两纬线之外误差为正。经线为辐射状的直 线。中央经线指向垂直方向，两边经线对称，纬线为高次曲 线，两条正割纬线上无误差。 我国地形图实施情况 两条割线处于北纬 25 与北纬 47，综合考虑到了我国幅员 陆上部分北达北纬 53（漠河），南至18（海南岛）的广阔地 区，这是将各种误差相对较小的优化结果。 比例尺 适于制作 1：50万以上小比例尺制作行政区划图、地形图。 横切椭圆柱投影（又称高斯克吕格投影） x y 技术特点 1）有一条经线与投影面相切，这条线称为中央子午线， 在这条经线上没有误差 2）投影误差以中央子午线两侧为对称，越远离中央子午 线则误差越大。越远离赤道误差越小。 3）为减少误差，采取按经线分割条带，国际上按中央子 午线两侧1.5（3带分割），3（6带分割）分作投影带。 4）条带分割后误差最大处在赤道上的条带边缘，对于 6 带，长度最大误差达+0.14%，面积变形最大达+0.27% 。 实施情况 1）在我国1：50万（包含1：50万）以下比例尺制作地图用 此投影 2）比例尺不同，因而对每分割条带又作进一步切割成图件 ，切割按经纬度进行，即每幅图件的图廓线都是经纬线。图件 比例尺不同，每幅图件经差、纬差跨度不同。 1：50万图件按经差 3、纬差 2 分割 1：25万图件按经差1.5、纬差 1 分割 1：10万图件按经差30、纬差20分割 以此逐层次比例尺扩大，经纬差减少以保证图件实际图 件尺寸大小基本相同。 3）理论上，在一个条带中，每幅图件图廓的形状都不同， 基本上呈梯形，但梯形两侧的边线倾斜角度不同。 6数字地形图 坐标系设置 以每个 3 条带的中央子午线为 y 轴，以赤道为 x 轴，建立 直角坐标。 考虑到在每条带中，中央子午线西侧的 x 值含有负值，为 避免负值，又将 y 轴向西平移动500公里，构成通用坐标系。 图廓四角点 每幅标准地形图图廓四角点都标注经度纬度，纵向边线两 顶点经度相同，横向边线两顶点纬度相同。 注意：纵向边线两顶点的 x 坐标并不相同，同样横向边线 两顶点的 y 坐标也并不相同。 经纬度与 x、y 坐标系之间的变换 由地理参照系经纬度值（L，B）向 X、Y 坐标值的变换称 作正解变换，而反之，由（X，Y）向（L，B）变换称作反解 变换。 正反解变换都是非常复杂的非线性变换 随投影方式的不同，变换也不相同。 公里网（方里网） 在每条带的直角坐标系中，从坐标原点开始，横向与纵向 每一公里画出一条纵线与横线，构成的网格称作公里网，公 里网格线的交点坐标都是公里的整数倍。 各 3 带或 6 带中的公里网格线互不平行。 公里网的设置起误差控制作用 北向 每幅地形图的正上方向并不指严格意义的北向，即并不严 格地指向地轴的北极点，只是与中央子午线平行。 7图件的矢量格式表达 图形三要素 点点状地物，在计算机地理信息系统（GIS）中用（x , y） 表示，其标识码（ID码）定义其标识管理代号，并附有各种属 性，如地物种类（树、井位、村镇），面积以及其它特征。 线线状地物，系统中用坐标链表示 注意：相邻链节点用直线连接，链节长度不一定相等，其 长度取决于原曲线的曲率半径。 面面状地物，是一个封闭的区域，在图件上又称作图 斑。面由一个坐标链或多个坐标链组成其边界。 注意：面包括带有“岛”的封闭区域。 207 208 205 201 206 213 211 212 232 A B C D EF G H I 矢量格式图件的基本概念 坐标链（coordinate chain） 有方向的折线，或链接在一 起的矢量集合，在计算机中存贮为有一定顺序的X、Y坐标数据 结点（node） 三个或三个以上坐标链相交汇的点 弧段（arc） 相邻两结点之间的坐标链。通常一个弧段以 两个结点作为其端点，但岛弧段是由首尾相接的弧段组成，是 一种特殊的弧段，称之为岛弧段。 多边形（Polygon） 由弧段组成的封闭区域。多边形又称 为图斑，部分图斑内部有岛（内边界），这种有岛的多边形称 为多连通域，无岛多边形称为单连通域。 拓扑关系（Topological relationship） 这里指结点、弧段 、多边形之间的空间位置关系。即表达一个结点由哪些弧段在 此交汇；弧段前进方向的左右多边形是什么；一个多边形由哪 些弧段组成，进一步哪几条弧段是外边界，哪几条弧段是内边 界。这些拓扑关系用代码表示出来。注意每一个结点、弧段以 及多边形都有ID码。 坐标链、多边形的包络矩形（Range） 指坐标链或多边 形的外接矩形，其4个坐标特征值为： Xmin = MIN (x1,x2,xn)； Xmax = MAX (x1,x2,xn)； Ymin = MIN (y1,y2,yn)； Ymax = MAX (y1,y2,yn)； 矢量格式下的图形复杂性分析 结点关联弧段 弧段关联图斑，且线状地物本身有宽度，但在中比例尺图 件上只是一条线，常常因比例尺过小的原因，这条线的位置 无法表明该线是否为中轴线，只有在属性数据中加注明线的 左侧宽度，右侧宽度。 一个结点位置变化或一个弧段位置变化要引起至少两个甚 至三个或更多相关图斑面积的变化. 空间图形数据的复杂性决定着数据存贮格式的慎密严 谨，也需要相应计算机软件功能的支持。 矢量格式下空间数据的组织方法 一般来讲，不同软件其空间数据组织方法都不相同，这就是 软件间数据不相兼容的原因。数据组织方法大致可分为两类： 具有全拓扑关系的数据组织方法，如 ARC / INFO、MAPGIS 等 GIS 软件其方法要点是： 1）以弧段为基础数据组织单位，将点坐标组织在弧段内， 当然点状地物坐标数据除外；弧段设有代码（内码），并有 查找全部所属点的索引； 2）对于每个结点在数据库中要给出在此相交汇的弧段； 3）对于每个弧段在数据库中要给出其左右图斑 ID 代码 ； 4）每个图斑都有 ID 代码，并要给出其组成弧段的代码， 在这些弧段中区分内外边界，对于内边界还要进一步给出 内边界弧段组成独立封闭区域的注示数据。 5）具有严密高效的数据索引方式，其中要利用到包络矩 形的数据。数据索引图形编辑的数据一致性。 无全拓扑关系的数据组织方法，如 Oracle-spatical、Mapinfo 等软件，方法要点是： 1）采用面向对象的方法，分别按点、线、面作为对象组 织数据； 2）由于两个相邻的面有公共边，因而此数据组织方法必 须具有强有力的空间分析功能，能够在必要时将对应相邻 面边界快速查询出来，以保证在图形编辑时数据的一致性 。 3）采用四叉树方法实行分块索引机制。 两种数据组织方法优缺点分析 1）全拓扑关系数据组织方法数据结构较复杂，数据检索 速度快，数据容余小，便于复杂情况下的空间分析； 2）无全拓扑关系数据组织方法数据结构较简单，面向对象 的思想贯彻较彻底，使面向对象的高级计算机语言功能发挥 充分，便于数据管理； 3）全拓扑关系数据组织需要数据表格文件多，数据表格之 间关系复杂，影响数据库的稳定性，而无全拓扑关系数据组 织方法稳定性较好，错误数据容易恢复； 4）全拓扑关系数据组织方法数据结构紧凑，而无拓扑关系 数据组织方法数据容余量大，每个弧段坐标点数据要重复存 贮两次以上。 当前矢量格式下空间数据组织方法发展趋势 1）关系型数据表达，这种数据格式便于管理，能与大型数 据库标准化数据管理语言SQL相兼容，实现空间数据与属性 数据一体化在一个数据库下管理； 2）全拓扑数据表达是为了适应愈来愈复杂的时间、空间分 析的实际要求。 8、图件的网格格式表达 图件网格格式表达的基本思想 网格格式下数据组织 每个网格在数据库中都有（i ，j）编号，这个编号既表 示了空间位置，也可以成为其 ID 代码，对应于每一网格编 号，可以有其多种属性值。因而，在网格格式下，没有任 何拓扑关系表达的问题 ，在数据表达上，格式十分简单。 在网格格式下，图斑边界有两种表达方式： 1）图斑边界占有网格，赋以特殊的属性，这种表达方式通 常是在由矢量格式转来成为网格格式情况下采用。 2）图斑边界不占有网格，以网格线作为边界线，此时边界 线就真正没有宽度了。这种表达方式通常是在系统内部自动 生成的图件情况下采用，比如由点状数据自动生成面状数据 最终生成的图件就采用这种方式。 网格格式下的数据压缩 网格格式数据结构简单，可以表达地理图件、遥感图像等 数据，适用于多种空间分析数据处理的场合，但其基本问题在 于数据压缩。 数据压缩的两种类型 1）无损数据压缩，即数据压缩后还可以完全恢复到压缩 前的原样，信息不受任何损失，这种压缩通常压缩比不大。 这种类型的数据压缩使用在地理信息系统中。 2）有损数据压缩，即系统将次要的、无碍大局的信息数据 压缩掉，以求压缩比提高，这种压缩方法在实施后无法将 数据再恢复到原样。有损数据压缩有多种压缩方法，通常 使用在图像处理、网络图像传输、多媒体图像数据存贮等 多种场合中。 无损数据压缩主要思路 1）游程码（Running Code）分析网格格式数据可以看到， 在同一横行，连续几个相邻的网格可能属性码相同，此时就 可以将这几个网格合并表示其属性； （A1，P1）（A2，P2）（An，Pn） 其中A1为左起第一个连续相同属性网格的属性编码值， P1为 这连续相同属性网格最远达到的位置，以下A2 ， A3 An、 P2 ， P3 Pn 意义相同。当然如果某个网格独立具有某属性 ，那么Pi 则表示该网格的位置。以上所述连续相同属性合并 表示一个网格集合称作一个游程，显然网格格式图件中每个 横行的游程数是随机的，因而在数据表格上可以这样设计： 游程码数据表 游程序号 属性编码 游程列号（i ） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 5 0 1 2 0 10 0 3 0 5 2 4 7 8 10 2 3 4 10 10 游程索引表 网格行号（i ） 逐行游程累计数 1 2 3 6 5 9 14 30 注意：游程码数据表每一行表示一个游程； 而游程索引表每一行表示网格图件的一个行。 这种两个表格表示一个随机数据个数的方法值得借鉴 。 当然也可以用列来设置游程。 无论行游程还是列游程都只是在一维上实现了数据压缩，而 在另一维并未实现压缩。 2）四叉树数据压