地理空间及其表达.doc

地理空间及其表达地理空间: 地理空间是物质、能量、信息的数量及行为在地理范畴中的广延性存在形式。特指形态、结构、过程、关系、功能的分布方式和分布格局同时在某一静止时刻的延续。 地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列的空间坐标值组成。相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，它是由不同实体之间的空间关系构成。地理空间的表达:地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的理论基础。地理空间中的空间对象复杂多变，但通过抽象和归类，其表达方法主要有如下几种类型。 矢量表达法 栅格表达法 面向对象的表达方法矢量表达法: 矢量表达法主要表现了空间实体的形状特征。包括（1）0维矢量（2）一维矢量（3）二维矢量（4）三维矢量零维矢量: 0维矢量为空间中的一个点（point）。点在二维、三维欧氏空间中分别用(x,y)和(x,y,z)来表示。在数学上，点没有大小、方向。 点包括如下几类实体：实体点（Entity point）：代表一个实体。如钻孔点、高程点、建筑物和公共设施。注记点（Text point）:用于定位注记。内点（Label point）:存在于多边形内，用于标识多边形的属性。结点（Node）:表示弧段的起点和终点。角点(Vertex)或中间点:表示线段或弧段的内部点。 点对象: 1）注记点：用于定位注记2）实体点：用来代表一个实体3）内点：用于负载多边形的属性，存在于多边形内。4）角点、结点Vertex：表示线段和弧段上的连接点。 一维矢量 一维矢量表示空间中的线划要素，它包括线段、边界、弧段、网络等。用有序的坐标对表示： 在二维欧氏空间中，形式是(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(xn,yn) (n=1)在三维欧氏空间中，形式是(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3), (xn,yn,zn) (n=1) 一维矢量自身的空间关系主要有如下几种： (1)坐标序列中的首点和末点统称为结点，且分别为首结点和末结点。位于首尾结点间的点 为拐点或中间点或角点。2) 首尾结点可以重合，即弧段首尾相接。相应的数学表达式为： x1=xn y1=yn3) 弧段不能与自身相交。如果相交，需以交点为界把弧段分为几个一维矢量。 二维矢量 二维矢量表示空间的一个面状要素，在二维欧氏平面上是指由一组闭合弧段所包围的空间区域。所以，二维矢量又称多边形，是对岛、湖泊、地块、储量块段、行政区域等现象的描述。在三维欧氏空间中二维矢量为空间曲面。目前通过二维矢量对空间曲面的表达主要有等高线和剖面法两种。等高线通过设置等间距，把具有相同高程值的点连接起来形成等高线（一维矢量），这些等高线就可完成对空间曲面的描述。 是按一定的间距和剖面方向切割空间曲面，切割而成的多组剖面就完成了对空间曲面的描述。 二维矢量的主要参数 面积：指封闭多边形的面积。对于三维欧式空间中的空间曲面而言，还包括其在水平面上的投影面积。周长：如果形成多边形的弧段为折线，那么，周长为各折线段长度之和；多边形由曲线组成，则计算方法较为复杂，如积分法。 凹凸性：用于二维矢量的形态描述。凸多边形是指多边形内所有边之间的夹角小于180 。反之，则为凹多边形。走向、倾角和倾向：在描述地形、地层的特征要素时常使用这些参数。 三维矢量三维矢量用于表达三维空间中的现象和物体，是由一组或多组空间曲面所包围的空间对象，它具有体积、长度、宽度、高度、空间曲面的面积、空间曲面的周长等属性。栅格表达法栅格表达法主要描述空间实体的级别分布特征及其位置。栅格类似于矩阵。在栅格表达中，对空间实体的最小表达单位为一个单元或象素(Cell或Pixel)，依行列构成的单元矩阵叫栅格(Grid),每个单元通过一定的数值表达方式（如颜色、灰度级）表达诸如环境污染程度、植被覆盖类型等空间地理现象 0维矢量就是表现为具有一定数值的栅格单元，一维矢量就表现为按线性特征相连接的一组相邻单元，二维矢量则表现为按二维形状特征连续分布的一组单元。 栅格表示法的精度与分辨率有关。地理信息系统基础：GIS 基本概念 数据、信息、地理信息 信息系统 地理信息系统数据与信息数据（Data）是对某一对象定性、定量描述的、未经加工的原始资料。数字、文字、符号、图像都是数据。信息（Information）来源于数据。数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是对数据的内容和解释。例如，从实地或社会调查数据中可获取到各种专门信息；从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息；从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。地理信息地理信息是有关地理实体和现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。指与空间地理分布有关的信息，是表示地表物体和环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图形、图像的总称。地理信息的特征具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：（1）空间分布性。地理信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，其属性表现为多层次。（2）数据量大。地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。（3）数据格式多样化，电子地图、遥感数据、资源环境数据、各种测量数据、电子表格等各有不同的数据格式，增加了数据融合的工作强度。信息系统信息系统的基本组成信息系统是具有采集、存储、管理、分析和表达数据能力的系统。信息系统由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成、另外，智能化的信息系统还包括知识。地理信息系统是以地理学为理论依托，对整个地球表面空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的信息系统。它所处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感数据、属性数据等，用于分析现象和过程。地理信息系统是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、编辑、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统GIS地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。GIS可以回答的问题1）位置（Locations）即在某个特定的位置有什么。2）条件（Conditions）即什么地方有满足某些条件的东西。3）变化趋势（Trends）该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。4）分布规律（Patterns）该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。（如交通事故：地点？与时间有关？是不是在特定的路口？在这些路口有什么？5）模型建模（Models）假如某类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。（如超市学校选址问题）地理信息系统的构成人员people软件software硬件hardware数据data 规则、流程、模型地理信息系统的构成：计算机硬件系统；计算机软件系统；地理空间数据；系统开发、管理和使用人员计算机硬件系统包括各类计算机处理、终端、输入输出设备；软件是支持数据信息的采集、存贮加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统；地理空间数据则是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。 GIS硬件配置一般包括四个部分：1、计算机主机；2、数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；3、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；4、数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。 系统软件：系统软件主要是计算机的操作系统以及各种标准外设的驱动软件，目前流行的有Windows98/Nt/2000/2003/XP/Win7、Linux等。系统软件关系到GIS软件和开发语言使用的有效性，是GIS软硬件环境的重要组成部分。基础软件：数据库软件 用来管理空间数据，包括图形数据和属性数据。流行数据库软件主要有Oracle、 SQL Server、 DB2、 Sybase、Informix、Ingress、access等。Oracle、Informix、Ingress等关系数据库管理软件都相继增加了空间数据类型。地理信息系统软件GIS 软件 获取数据 存储数据 数据查询 数据分析 数据可视化 输出数据地理信息系统基本功能数据采集、处理存储与编辑 数据查询、统计、计算功能 空间分析功能 显示表达功能GIS专业软件ESRI公司的ArcGIS；MapInfo公司的MapInfo；北京超图公司的SuperMap；中地数码公司的MapGIS；武大吉奥公司的GeoStar地理空间数据地理空间数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等形式。地理空间数据可由GIS系统建立或者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，或者是历史积累数据的相应转换结果，是系统程序作用的对象，是现实世界经过模型抽象、并使用GIS系统的表达。地理空间数据包括空间数据、属性特征、时域特征、关系数据、及应用分析模型等部分。空间数据数据描述地物所在位置、形状、大小。这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的相邻、包含等；属性数据有时又称非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标。时域特征是指地理数据采集或地理现象发生存在时间/时刻/时段情况。关系数据是地理要素之间的空间关系，如相邻、关联、包含等。应用分析模型是人们在解决实际问题中所总结、归纳或推理出的能够科学地描述和解决实际问题的一些数学模型。系统开发、管理和使用人员人是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。应该指出的是：地理信息系统只是一种技术手段或工具，它的作用，是人自身分析思想的延伸。它的作用在很大程度上取决于用户（规划人员，管理人员，领导者）的水平、技能和经验。系统可快速地采集和显示所需的资料（按地理位置分布的空间信息），执行指定的分析计算，提供结果信息，帮助用户制定决策，但系统本身并不作决策，它只是辅助和支持用户，而不是代替用户决策。 GIS应用基本内容应用领域 应用环境 单机应用 网络应用 移动应用GIS应用领域土地规划和管理 城市规划、建设、运营、管理 资源领域 环境领域GIS软件的发展60年代初期，地理信息系统处于萌芽和开拓期，GIS应用刚刚起步。如加拿大地理信息系统CGIS用于土地调查，加拿大统计局的GPDSR系统用于资源普查数据的处理，美国人口调查局利用GBF/DIME进行人口统计数据的处理。进入70年代，地理信息系统进入巩固发展期，美国地质调查局通过GIS软件获取和处理地质、地理、地形和水资源信息。80年代则是地理信息系统的大发展时期。地理信息系统应用领域迅速扩大，涉及到许多的学科和领域，是商业化实用系统进入市场。90年代，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而使得地理信息系统应用领域扩大化、深入化。GIS软件的发展趋势网络GIS（Web-GIS） 组件式GIS（Com-GIS） 虚拟现实GIS（VR GIS）时态GIS（TGIS） 互操作GIS ArcGIS9.3基础操作ArcGIS 9.3概述ArcGIS是ESRI开发的地理信息系统软件，功能强大，界面友好，使用方便。整个体系结构包括桌面GIS、嵌入式GIS、移动GIS和服务器GIS。ArcGIS9.3 Desktop是一个专业GIS 应用的完整套件，包含了一套带有用户界面组件的Windows 桌面应用，包括ArcMap，ArcCatalog ，ArcToolbox、ArcScene 以及ArcGlobe。嵌入式GISArcGIS Engine，是开发GIS 应用的嵌入式开发组件，提供专用的控件、软件运行时和一系列的类库，可以在Visual studio和Java开发环境下开发具有全部地图表现、编辑、制图、分析的功能。移动式GISArcPad，为使用Windows CE系统的用户提供了使用GIS功能的手段，实现移动GIS 效果，便于进行野外专题数据和野外信息获取、野外计算。服务器GIS包括ArcSDE，ArcIMS和ArcGIS Server。ArcSDE 是一个在多种关系型数据库管理系统中管理地理信息空间数据服务器，可使跨网络的多个用户群体中共享空间数据库。ArcIMS是一个可伸缩的，通过Internet 协议进行GIS 地图、数据和元数据发布的地图服务器，为Web 上的用户提供数据分发服务和地图服务。ArcGIS Server是一个基于Web中表现GIS功能的应用服务器，并包含了一套在企业和Web 框架上建设服务器GIS应用的共享GIS 软件对象库。通过其可在web中实现地理数据的表现、编辑、分析等功能。ArcMap 是 ArcGIS Desktop 中一个主要的应用程序，它集成了空间数据编辑、查询、 显示、分析、报表和制图等 GIS 功能。ArcCatlog用于组织和管理所有 GIS 数据。用于浏览和查找 地理数据、记录和浏览元数据、快速显示数据集及为地理数据定义数据结构。ArcToolbox 是一个简单的包含了各种用于空间处理的 GIS 工具的应用程序。ArcToolbox 内嵌在 ArcCatalog 和 ArcMap 中，在 ArcView、ArcEditor 和 ArcInfo 中 都可以使用。ArcToolbox 具有许多复杂的空间处理功能，包括的工具有：数据管理；数据转换；Coverage 的处理；矢量分析；地理编码 ；统计分析ArcGlobe 是 ArcGIS 桌面系统中 3D 分析扩展模块中的一个部分，提供了全球地理信息的连续、多分辨率的交互式浏览功能。可将所有的 GIS 数据源整合到一个通用的全 球的框架中。ArcScene 是ArcGIS Desktop中专门用于显示三维数据的独立程序。ArcScene的功能：浏览三维数据、创建表面、进行表面分析、三维飞行模拟。主要操作ArcGIS9.3软件界面与操作；地图文件操作；图层操作；图层组操作；图层属性；属性表的操作；要素的查询ArcGIS9.3软件界面与操作地图容器、图层控制控件、地图版图；菜单、快捷工具栏、右键功能地图文档操作地图文档打开、保存、另存为；地图文档的格式.mxd；图层文件.shp图层操作图层的显示、隐藏；图层的掩映关系；添加图层、删除图层；图层改名；图层复制图层的属性图层组操作创建图层组；给图层组添加图层；从图层组删除图层；图层顺序调整；图层的属性保存图层属性表的操作打开属性；列的设置；属性表的常用设置；记录的定位、排序和选择查询地图要素指定选择图层；通过属性表查询要素；按属性条件查询要素；按指定图形区域选择选中要素的相关操作高亮度显示选择要素；放大选择要素；显示选中要素的属性；显示选中要素的统计特性导出选中要素课堂实验地图文档操作；图层操作；图层组操作；图层属性；属性表的操作；查询地图要素空间参考系统现实世界和坐标空间的联系任何空间特征都表示为地球表面的一个特定位置，而位置依赖于既定的坐标系来表示。坐标系一个坐标系由地球椭球体、基准面、投影和单位组成。地球椭球体是人们定义的由形状决定的地球表面的几何模型，它可以数学方式进行表达。基准面在量测与制图时，必须采用一个规则的曲面来代替地球的自然表面。水平基准面与大地水准面当海洋静止时，其自由水面必定与该面上各点的重力方向（铅垂线方向）正交，我们把这个面称为水平基准面，一个精致的平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面，就是大地水准面。整体上看，大地水准面是一个很接近于绕地球自转轴（短轴）旋转的椭球体。所以在测量和制图中就用旋转椭球体来代替大地球体，这个旋转球体通常称地球椭球体。地球椭球体模型：以大地水准面为基准建立的。地球的形状接近于椭圆绕其短轴形成的椭球体，通过扁率表示椭球体的扁平程度。大地水准面与具有微小扁率的旋转椭球面非常接近，可用旋转椭球体代替大地球体。椭球体参数长半径 a（赤道半径）短半径 b（极半径）扁 率 =(a-b)/a第一偏心率 e2=(a2- b2)/ a2第二偏心率 e2=(a2- b2)/ b2克拉索夫斯基椭球地球椭球的新的参数：长半径为6378245米；短半径为6356863米；扁率为1298.3。北京54坐标系(BJZ54)，为参心大地坐标系，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。大地原点在原苏联的普尔科沃，在我国的呼玛、吉拉宁、东宁与克球连接。西安80坐标系，即80国家坐标系，采用国际地理联合会（IGU）第十六届大会推荐的椭球参数，大地坐标原点在陕西省泾阳县永乐镇的大地坐标系，又称西安坐标系。C80是为了进行全国天文大地网整体平差而建立的。 坐标系统坐标系统分为地理坐标系统和投影坐标系统。地理坐标系统是使用经纬度来定义球面或椭球面上位置的参照系统，是一种球面坐标。地理坐标系统地球表面上一个点用经度和纬度值来定义。经纬度是从地球中心到地球表面上这个点的角度量算的，其单位用度来表示。在球体系统中，水平线或者东西方向线一般是具有相同纬度的线，或者是一些平行线；而垂直线或者南北向的线是具有相同的经度的线，也称为子午线。这些线共同包围着球面，形成格状网络，被称作为经纬网。地理空间坐标系平面坐标系统（笛卡儿坐标系统） 以平面为基础的平面坐标系。现实世界是以相对于指定原点的XY坐标值来定位的，单位常用英尺或米（通常为正值）。 可以将经纬度坐标转换成平面直角坐标，这样就可以方便地进行距离、方位、面积的计算： F:(,)(x,y)， 为经度， 为纬度地图地图是按一定的法则，以二维形式在平面上表示地理空间中的要素信息的图形或图像，包括位置及其上的特征。地图具有严格的数学基础、符号系统、文字注记等。地图是地球整体表面或局部表面在平面上的投影。所谓投影指的是在两个点集之间建立一一映射关系。投影坐标系统不论我们把地球看作一个球体还是一个椭球体，要把它在地图上表达，必须转换它的三维表面来生成一个平面地图，地球上的点通过投影对应到地图平面上，这种数学上的转换被定义为地图投影。经过投影后所形成的坐标系，就是投影坐标系统。一种投影坐标系统通过二维性，往往具有具有恒定的长度、角度和面积。投影坐标系统是基于地理坐标系统的，也就是基于球体或者椭球体的理论。地图投影地图投影的变形用地图投影的方法将球面展开为平面，虽然可以保持地域上的联系和完整性，但它们与球面上的经纬度网线形状并不一致。即投影后，地图上的经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘在地图上的各种要素，也必然随着变形。这种变形使得地理要素的几何特性受到破坏： 长度变形：地球仪上，纬线长度不等；同一纬线上，经差相同，纬线长度相同；同一经线上，纬差相同而经线长度不同；所有经线长度相等。 面积变形：地球仪上，同一纬度带内，经差相同的网格面积相等；同一经度带内，纬度越高，面积越小。 角度变形：地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交。按变形性质分类： 等角投影：角度变形为零。 等积投影：面积变形为零。 任意投影：长度、角度和面积都存在变形。 经投影后地图上所产生的长度变形、角度变形和面积变形是相互联系相互影响的：等积与等角互斥；任意投影不能等角和等积；等积投影角度变形大，等角投影面积变形大。关于地图投影的几点结论：实现等角、等面积、等距离同时做到的投影不存在投影方式有多种多样，一个国家或地区依据自己所处在的经纬度、幅员大小以及图件用途选择投影方式 在大于1：10万的大比例尺图件中，各种投影带来的误差可以忽略。空间数据处理空间数据的坐标变换几何纠正 坐标转换几何纠正在图纸图形数字化后难免会产生变形误差、数字化误差，要实现与理论值的一一对应关系保持数字的准确性，需要消除和改正这些数字化后产生的明显误差，而图纸变形产生的误差难以改正，因此要进行几何纠正。几何纠正常用的有高次变换、二次变换和仿射变换。 几何纠正的实质是把变形后的几何数据与通过转换恢复成为原有几何形状。假定变形了的点的坐标为 x , y (称为旧坐标)，纠正后点的坐标为X，Y(称为新坐标)，则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为： 基本变换平移变换；旋转变换；比例变换总结：空间数据的坐标变换空间数据坐标变换的实质是建立两个平面点之间的一一对应关系。主要包括平移变换、旋转变换、比例变换（图形缩放）、地图投影转换 投影转换当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。投影转换的方法可以采用： 解析变换法；数值变换法 ；数值解析变换法解析变换法 这类方法是找出两投影间坐标变换的解析计算公式。正解变换反解变换地图投影变换正解变换反解变换数值变换 空间数据结构的转换主要包括：矢量到栅格数据的转换；栅格到矢量数据的转换 当数据采集采用矢量数据，而空间分析采用栅格数据时，需要将矢量数据转换为栅格数据；矢量到栅格数据的转换矢量数据转换成栅格数据也称栅格化 。矢量空间数据一般是以点、线、面存放的。点状数据转成栅格数据时是取离点最近的一个栅格单元来存放。线状数据转成栅格数据时就变成连续的锯齿状的栅格点，必要时可以加宽。面状数据的转换主要是在每个多边形内部用等值的栅格填满。 点状数据转成栅格数据时是取离点最近的一个栅格单元来存放。适量线的栅格化方法线是由多个直线段组成的，所以线的栅格化需要分段处理，先把各段结点转换成栅格结点，再根据结点进行栅格化处理。线的栅格化方法包括DDA法(数字微分分析法)和Bresenham算法。面（多边形）的栅格化方法 内部点扩散法；扫描法；边填充算法内部点扩散法由一个内部的种子点，向其4个方向的邻点扩散。判断新加入的点是否在多边形边界上，如果是，不作为种子点，否则当作新的种子点，直到区域填满，无种子点为止。该算法比较复杂，而且可能造成阻塞而造成扩散不能完成，此外若多边形不完全闭合时，会扩散出去。扫描法按扫描线的顺序，计算多边形与扫描线的相交区间，再用相应的属性值填充这些区间，即完成了多边形的栅格化。这种方式的计算量较大。 边填充算法其基本思想是：对于每一条扫描线和每条多边形边上的交点，将该扫描线上交点右方的所有象素取原属性值之补。对多边形的每条边作此处理，多边形的方向任意。边填充算法的优点是算法简单，缺点是对于复杂图形，每一象素可能被访问多次，增加了运算量。 当由栅格数据分析的结果通过矢量绘图机输出，或者将栅格数据加入矢量数据库时，都需要将栅格数据转换为矢量数据；栅格数据转换成矢量数据栅格数据转换成矢量数据也称矢量化。把栅格数据转成矢量点的方法比较简单。栅格数据转成线大致有三个步骤： (1)分类；(2)线的细化； (3) 线的提取。面状信息的矢量化和线状信息的矢量化类似：(1) 分类； (2) 获得边界；(3) 边界线的矢量化。 栅格数据转成线(1)分类：设定图象灰度的阈值，是数据成为0或1的值；(2)线的细化；经过细化，逐步剥除轮廓边缘的点，保留线的骨架。(3) 线的提取，追踪线的骨架，形成矢量结构。多源空间数据的融合由于地理数据的多语义性、多时空性、多尺度性、获取手段的多样性、存储格式的不同以及数 据模型与数据结构的差异等，导致多源数据的产生，给数据的集成和信息共享带来困难。而实际工作的需要，产生了多源空间数据融合的现实需求。o 不同格式数据的融合o 遥感与GIS数据的融合不同格式数据融合的主要方法(1)基于转换器的数据融合(2)基于数据标准的数据融合(3)基于公共接口的数据融合(4)基于直接访问的数据融合 遥感与GIS数据的融合遥感图像与数字地图数据的融合；遥感图像与DEM数据的融合；遥感图像与地图扫描数据的融合图幅数据边沿匹配处理通过矢量数字化或扫描数字化所获取的原始空间数据，都不可避免的存在着错误或误差，属性数据在建库输入时，也难免会存在错误，需要进行一定的检查、排除和修正数据输入错误、维护数据的完整性和一致性。图幅数据边沿匹配处理识别和检索相邻图幅的数据；相邻图幅边界点坐标数据的匹配；相同属性多边形公共界线的删除；连续图幅数据文件的建立。空间数据编辑图幅数据边沿匹配处理目标：将图幅分割后的数字化数据连接在一起，组成连续统一的图幅数据，以便加入大型数据库或输出拼接后的图形。但实际应用中，可能在相邻图幅的边沿部分，由于原图本身的数字化的误差，使得同一实体的线段后弧段的坐标数据不能相互衔接，而且由于图幅的数字化数据，不仅坐标系统不已知，编码方法也不统一。因此，要讲这些分幅数据联系在一起，组成统一的数据文件，需要进行图幅数据边沿匹配的处理。边沿匹配处理的任务包括以下几个方面：1.识别和检索相邻图幅的数据。2.相邻图幅边界点坐标数据的匹配。3.相同属性多边形公共边界线的删除。 识别和检索相邻图幅的数据每次对图幅数据的边沿匹配总是在相邻两幅图之间进行的，要将相邻两幅图的数据集中在一起，首先要识别它们，这可以通过图幅编号与分幅数字化的数据联系起来的方法来解决。 方法如下：各图幅通常按行列给以数字编号：十位数指示图幅的横向顺序，个位数指示图幅的纵向顺序，并记录图幅的长宽标准尺寸。 横向拼接时，总是将十位数编号相同的收集在一起。纵向拼接时，总是将个位数编号相同的收集在一起。其次，图幅数据的边沿匹配处理主要是针对跨越相邻图幅的线段或弧而言的，为了减少数据量，提高速度，一般只提取图幅边沿的数据，进行目标匹配，再合并。 相邻图幅边界点坐标数据的匹配 相邻图幅边界点坐标数据的匹配采用追踪拼接法。追踪拼接有下图四种情况，只要符合下述条件，两条线段或弧即可匹配衔接：（1）相邻图幅边界两条线段或弧的左右码各自相同或相反；（2）相邻图幅同名边界点坐标在某一许可定值的边沿内。匹配衔接时时以一条弧或线段链作为处理的单元，因此，当边界点位于两个结点之间时，须分别取出相关的两个结点，然后按照结点之间线段链方向一致性的原则进行数据的记录好存储。相同属性多边形公共界限的删除 进行边沿处理，组成较大区域的连续图幅后，需对属性相同的图斑合并。对数据库的数据作定向处理，包括数据属性的重新分类、空间图形的化简和图形特征的内插。 空间数据编辑空间数据的编辑是对采集后的数据进行编辑操作。它是丰富完善空间数据以及纠正错误的重要手段。空间数据的编辑主要包括数据的几何图形编辑和数据的属性编辑。数据几何图形的编辑针对的是图形的操作，如新建、修改和删除空间要素等。数据的属性编辑是针对的是属性的操作，如添加、删除和修改图形要素的属性等。空间数据编辑的需求空间数据输入录入；空间数据完善修改；空间数据错误更正；小图幅数据合并为大图幅数据多源、多格式数据融合空间数据错误及解决方法o 数字化错误n 定位错误n 拓扑错误o 空间数据编辑n 消除拓扑错误n 消除几何错误定位错误几何要素位置偏差；几何要素缺失；几何要素重复；数据转换空间数据的错误1、空间数据的不完整或重复：主要包括空间点、线、面数据的丢失或重复、区域中心点的遗漏、栅格数据矢量化时引起的断线等；2、空间数据位置的不准确：主要包括空间点位的不准确、线段过长或过短、线段的断裂、相邻多边形结点的不重合等；3、空间数据的比例尺不准确；4、空间数据的变形；5、空间属性和数据连接有误；6、属性数据不完整；剪裁、拼接与合并处理剪裁：通过剪裁巨型或多边形进行拼接：几何接边；逻辑接边合并图形合并；图幅合并（逻辑无缝合并，物理无缝合并）拓扑错误拓扑关系 连接性相邻线段之间，首尾相接 面定义多边形应闭合 邻接性相邻多边形之间，共线拓扑错误的产生 不遵循拓扑关系拓扑错误的种类 几何要素的拓扑错误； 图层之间的拓扑错误几何要素拓扑错误例点要素的拓扑错误： 点不在多边形内线要素的拓扑错误：未及；过伸；悬挂结点；伪节点；方向错误多边形要素的拓扑错误 未闭合多边形，如湖泊边线必须闭合 两个多边形之间有缝隙，如相邻之间的宅基地 多边形重叠，如相邻之间的宅基地空间数据编辑实验1 编辑工作的准备了解软件的使用编辑中需要指定目标图层、明确操作方式TASK。编辑状态的进入：打开编辑状态、放弃编辑关闭、保存编辑结果、关闭编辑状态。ArcMap的数据编辑工具ArcMap的数据编辑需要借助编辑工具来完成实验内容在图层中创建新要素空间要素的操作要素的创建在点图层中创建点要素在线图层中创建线要素在多边形图层中创建多边形要素要素的操作指定和选中要素；移动要素；复制要素；分割要素；合并要素；按指定要素生成缓冲区延长与修剪线要素；要素变形 要素的移动具体的操作为，首先使用“选择”工具或“选择要素”工具，在图形区选择需要移动的要素，然后按下鼠标左键同时移动鼠标，把选取的对象移到指定位置。也可以单击“编辑器”按钮，选择“移动”命令，弹出“X，Y增量”对话框。在对话框X、Y数值框中（前一个文本框是X值，后一个是Y值）输入精确的移动距离后，按下“Enter”键，来移动要素要素的复制复制的方法1原样复制2平行线复制3缓冲区复制4镜面复制要素的合并与分割在数据处理的实际过程中，经常会遇到需要将要素进行合并或者是分割操作。例如，在土地利用变化的数据处理中，要将同一种土地利用类型的斑块合并为一个斑块。或者原来是同一类型的一个斑块，若干年后产生变化，变成两种不同类型的斑块，就需要将原来的一个斑块分割为两个斑块。1要素的合并2要素的分割线要素的修剪在线要素数据处理的实际过程中，经常会遇到需要将线要素进行延长或裁剪的操作。这时就可以用 “扩展/裁剪要素”功能来对线进行延长或裁剪。1线要素的延长2线要素的裁剪面要素的修剪与求相交在面要素数据的编辑中，可能会需要修整或裁剪已经存在的面。1面要素的修整2面要素的裁剪3面要素的求相交要素结点编辑操作面要素可以视为由线要素封闭而形成，线要素又可以视为由一个一个点所组成，这些组成线的点就可以视为要素的结点。在数据的编辑中，可以通过添加、删除和移动结点来对要素进行各种编辑操作。1添加要素结点2删除要素结点3移动要素结点空间数据结构地理数据的来源 地图数据。来源于各种类型的普通地图和专题地图，内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的类别或属性清晰，是地理信息系统最重要的信息源。 影像数据。主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影像数据 地形数据。来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。属性数据。来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。元数据。来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。空间数据的类型 (1)类型数据。例如考古地点、道路线、土壤类型的分布等。(2)面域数据。例如随机多边形的中心点，行政区域界线、行政单元等。(3)网络数据。例如道路交点、街道、街区等。(4)样本数据。例如气象站、航线、野外样方分布区等。(5)曲面数据。例如高程点、等高线、等值区域等。(6)文本数据。例如地名、河流名称、区域名称等。(7)符号数据。例如点状符号、线状符号、面状符号(晕线)等。空间数据的基本特征 1、空间特征 表示地物或现象的空间位置或现在所处的地理位置、形状、大小、拓扑关系等。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。 2、属性特征 表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等等。3、时间特征 指现象或地物对象随时间变化的一些特性。空间拓扑关系 把地物和现象经过抽象所形成点、线、面作为基本的空间单位。用结点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联、包含和连通关系。 拓扑关联性表示空间图形中不同类元素之间的拓扑关系。如结点、弧段及多边形之间的拓扑关系。拓扑邻接性拓扑邻接性表示图形中同类元素之间的拓扑关系。如多边形之间的邻接性、弧段之间的邻接性以及结点之间的邻接性(连通性)。拓扑包含性拓扑包含性是表示空间图形中，面状实体所包含的其他面状实体或线状、点状实体的关系。简单包含；多层包含；等价包含弧段与结点的拓扑关联表结点和弧段之间的拓扑关联表 多边形与弧段的拓扑关联表 看PPT多边形之间的邻接性 多边形与弧段之间的邻接性 弧段之间的邻接性空间数据的拓扑关系的重要意义 （1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。拓扑关系能清楚地反应实体之间的逻辑结构关系，它比集合数据具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。（2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如，某条铁路通过那些地区，某县与那些县领接。又如，分析河流能为那些地区的居民提供水源，某些湖泊周围的土地类型及生物栖息环境作出评价等。（3）可以根据拓扑关系重建地理实体。例如，根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳的路径的选择等。空间数据的结构数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。矢量数据结构；栅格数据结构矢量数据结构矢量数据结构是通过记录坐标的方式表现点、线、面地理实体，通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。点实体：空间的一个坐标点；线实体：多个点组成的弧段；面实体：多个弧段组成的封闭多边形。点实体点实体包括由单独一对x，y坐标。另外，还应存储其它一些与点实体有关的数据来描述点实体的类型、制图符号和显示要求等。 线实体直线元素由两对以上的x，y坐标定义。最简单的线实体只存储它的起止点坐标、属性、显示符等有关数据。弧、链是n个坐标对的集合，这些坐标可以描述任何连续而又复杂的曲线。 面实体记录反映边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。多边形环路法、树状索引法、双重独立式、链状双重独立式。树状索引法树状索引法数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。 栅格数据结构栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。在栅格结构中，地表或目标区域被分成相互邻接、规则排列的矩形方块(特殊的情况下也可以是三角形或菱形、六边形等），每个地块与一个栅格单元相对应。栅格单元由行、列号定义，并包含一个代码，表示该点象素的属性类型或量值 点用一个栅格单元表示；线状地物则用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。任何以面状分布的对象(土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等)，都可以用栅格数据逼近。直接栅格编码直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。游程长度编码基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，可采取如下方法记录数据，已达到压缩数据的效果。方法1：只在各行(或列)数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数。方法2：逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。只在各行(或列)数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数。方式1：沿行方向进行形成如下游程长度编码：逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。方式2：沿列方向进行形成如下游程长度编码：四叉树编码四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压编数据的方法。它将2n2n像元阵列连续进行4等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止，而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码。四叉树编码法的优点：（1）容易而有效地计算多边形的数量特征；（2）阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；（3）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容易；（4）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。四叉树编码的最大缺点是转换的不定性。 栅格数据与矢量数据比较分析 比较内容 矢量格式 栅格格式 数据量 小 大 图形精度 高 低 图形运算 复杂、高效 简单、低效 遥感影像格式 不一致 一致或接近 输出表示 抽象、昂贵 直观、便宜 数据共享 不易实现 容易实现 拓扑和网络分析 容易实现 不易实现栅格数据结构的优点：(1)结构简单；(2)空间数据的叠置与组合十分方便；(3)空间分析易于进行；(4)数学模拟方便(5)技术开发费用低。栅格数据结构的缺点(1)图形数据量大；(2)难以建立网络连接关系；(3)地图输出不精美。矢量数据结构的优点(1)结构严密，数据量小；(2)能完整地描述拓扑关系；(3)图形数据和属性数据的恢复、更新和综合都能实现；(4)图形输出精确美观。矢量数据结构的缺点(1)结构复杂，处理技术也复杂；(2)图形叠置与图形组合很困难；(3)绘图费用高，尤其高质量绘图；(4)数学模拟和空间分析极困难。 空间数据库数据库 数据库是用来存储和管理有组织的、结构化的、存在相关关系的数据集合。 数据库管理系统是处理数据库数据存取和各种管理控制的软件。 数据模型数据库结构的基础是数据模型。数据模型是数据库中对数据逻辑组织形式的描述，描述了数据的基本结构及相互之间的关系，以及在数据上的各种操作。数据模型三要素：数据结构、数据操作、数据约束条件。 数据结构 数据结构是数据库中数据模型最重要的要素。它描述数据的静态特性，指实体类型及关系的表达和实现 。数据操作 数据操作主要是对数据库的检索和更新（插入、删除、修改）两大类，它描述数据的动态特性。数据模型要定义这些操作的符号、规则、操作语言等。数据约束条件数据的约束条件是一组完整性规则的集合，指对数据及其联系的制约和依赖规则。如关系数据库中必需要有关键字等。数据库组织体系数据库按三级体系结构进行组织（美国国家标准学会ANSI制定的SPARC标准，1975年），这三级机构以内模式、概念模式、外模式来描述数据库。概念模式也称为逻辑模式，是数据库关系模式结构的中间层。概念模式对是数据库中全体数据的逻辑结构和特性的描述，是所有用户的公共数据视图。逻辑模式指出每一个数据的逻辑定义及数据之间的逻辑联系，统一考虑所有用户的要求。外模式也称子模式或用户模式，是数据库用户看到的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式通常是概念模式的子集，是各个用户的数据视图，不同的用户的外模式描述不同。内模式也叫物理模式，是全体数据库数据的内部表示或低层描述，用来定义数据的存储方法和实际物理结构。 模式之间的映射概念模式与外模式之间的映射，这种映射把概念数据库与用户级数据库联系起来。概念模式与内模式之间的映射：这种映射把概念数据库与物理数据联系起来。通过上述两者映射，才能把用户对数据库的逻辑操作转化为对数据库的物理操作。上述二级映像功能，使得数据库系统中的数据具有较高的逻辑独立性和物理独立性。 数据库的结构模型层次性网状关系性关系模型规范化关系模型规范化的目的是为了消除存储异常，减少数据冗余，保证数据的完整性和存储效率。关系数据库中的关系是要满足一定规范化要求的，对于不同规范化程度，可以使用“范式”来衡量，记作NF。满足最低要求的为I范式，简称1NF，在I范式的基础上，进一步满足一些的为II范式，简