03 第三讲 空间信息基础.ppt

第三讲空间信息基础 本讲主要内容 GIS的地学基础 GIS空间实体及其描述 GIS空间数据表达 GIS实体空间关系 空间信息基础 1 地理空间 GeographicSpace 的定义指物质 能量 信息的存在形式在形态 结构过程 功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续 具体包括地球上大气圈 水圈 生物圈 岩石圈和土壤圈交互作用的区域 地理空间具体被描述为 1 绝对空间 具有属性描述的空间位置的集合 一系列坐标值组成 2 相对空间 是具有空间属性特征的实体的集合 由不同实体之间的空间关系组成 GIS的地学基础 2 地球空间模型 包括海洋底部 高山 高原在内的固体地球表面 起伏不定 难以用一个简洁的数学式描述 1 最自然的面 2 相对抽象的面 即大地水准面 地球表面72 被海水覆盖 假设一个当海水处于完全静止的平衡状态时从海平面延伸到所有大陆下部 而与地球重力方向处处正交的一个连续 闭合的水准面 可用水准仪完成地球自然表面上任一点的高程测量 但地球的重力方向处处不同 处处与重力方向垂直的大地水准面显然不可能是一个十分规则的表面 且不能用简单的数学公式来表达 因此 大地水准面不能作为测量成果的计算面 为了测量成果计算的需要 选用一个同大地体相近的 可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球 三轴椭球体 3 椭球体模型 GIS的地学基础 地球表面 水准面 大地水准面 铅垂线 地球椭球体 地球表面 大地水准面和椭球体模型之间的关系 GIS的地学基础 3 地理坐标系地理坐标系 又称经纬度坐标系 是以地理极 北极 南极 为极点 通过A点作椭球面的垂线 称之为过A点的法线 法线与赤道面的交角 叫做A点的纬度 过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角 叫做A点的经度 对空间定位有利 但难以进行距离 方向 面积量算 GIS的地学基础 投影实质建立地球椭球面上的点的地理坐标 与平面上对应点的平面坐标 x y 之间的函数关系 一般存在长度变形 面积变形和角度变形 4 地图投影将地球椭球面上的点映射到平面上的方法 称为地图投影 GIS的地学基础 直接建立在球体上的地理坐标 用经度和纬度表达地理对象位置 建立在平面上的直角坐标系统 用 x y 表达地理对象位置 投影 坐标参考系统 平面系统 GIS的地学基础 5 笛卡儿平面坐标系笛卡儿平面坐标系是指平面直角坐标系 便于量算和进一步的空间数据处理和分析 用 x y 表达地理对象位置 笛卡儿平面直角坐标系上加上第三维z 并假设该笛卡儿平面是处处切过地球旋转椭球体的 这样z就代表了地面相对于该旋转椭球体表面的高程 其高程是由高程基准面起算的地面点的高度 高斯克吕格投影 大地坐标到平面坐标的转换 GIS的地学基础 GIS的地学基础 坐标系统 高程系统 GIS的地学基础 各种GIS的数据源 服务目的和各自特征可以不同 但均有自身统一的空间控制基础 3 统一的地图投影系统的意义为地理信息系统选择和设计一种或几种适用的地图投影系统和网格坐标系统 为各种地理信息的输入 输出及匹配处理提供一个统一的定位框架 使各种来源的地理信息和数据能够具有共同的地理基础 并在这个基础上反映出它们的地理位置和地理关系特征 2 投影与坐标系每一种投影都与一个坐标系统相联系 坐标系统是一套说明某一物体地理坐标的参数 参数之一为投影 投影关系着如何将图形物体显示于平面上 而坐标系统则显示出地形地物所在的相对位置 1 空间控制基础的内容 GIS的地学基础 GIS与地图投影关系 GIS的地学基础 GIS中地图投影设计与配置的一般原则 1 所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图 基本比例尺地形图 基本省区图或国家大地图集 投影系统一致 2 系统一般只考虑至多采用两种投影系统 一种应用于大比例尺的数据处理与输出 输入 另一种服务于小比例尺 3 所用投影以等角投影为宜 4 所用投影应能与网格坐标系统相适应 即所采用的网格系统 特别是一级网格 在投影带中应保持完整 GIS的地学基础 我国GIS常用的地图投影配置 采用与我国基本图系列一致的地图投影系统 我国常用的地图投影的情况 1 我国基本比例尺地形图 1 100万 1 50万 1 25万 1 10万 1 5万 1 2 5 1 1万 1 5000 除1 100万外均采用高斯 克吕格投影为地理基础 2 我国1 100万地形图采用了Lambert投影 其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致 3 我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影 正轴等面积割圆锥投影 4 Lambert投影中 地球表面上两点间的最短距离 即大圆航线 表现为近于直线 这有利于地理信息系统中空间分析量度的正确实施 GIS的地学基础 地理系统所表现出来的各种特征 即为空间现象 它代表了现实世界 GIS即是人们通过对各种地理现象的观察 抽象 综合取舍 得到实体目标 然后对实体目标进行定义 编码结构化和模型化 从而以数字的形式存入计算机中 下图表示了从空间现象到抽象表达的过程 GIS空间实体及其描述 1 定义空间实体 地理实体 又称空间对象 空间目标 指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元 它是由空间现象进行抽象而得的 是一个具体有概括性 复杂性 相对意义的概念 空间对象是GIS处理的对象 2 理解空间实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的 例如 在全国地图上由于比例尺很小 武汉就是一个点 这个点不能再分割 可以把武汉定为一个空间实体 而在大比例尺的武汉市地图上 武汉的许多房屋 街道都要表达出来 所以武汉必须再分割 不能作为一个空间实体 应将房屋 街道等作为研究的地理实体 由此可见 GIS中的空间实体是一个概括 复杂 相对的概念 二 空间实体 GIS空间实体及其描述 编码 区别不同的实体 包括分类码和识别码 分类码表示空间对象的类别 而识别码对每个空间对象进行表识 是唯一的 位置 坐标形式给出空间对象的空间位置类型 空间对象所属的实体类型 或有那些实体组成行为 空间对象所具备的行为和功能属性 空间对象所对应的非几何信息说明 实体数据来源 精度等关系 与其他实体之间的关系 3 空间实体的描述要素 GIS空间实体及其描述 为什么要进行编码 编码对象 属性数据编码方法 层次分类编码多源分类编码编码标准化 4 空间对象的编码 GIS空间实体及其描述 编码方法有层次分类编码和多源分类编码 1 空间对象的层次分类编码分类对象的从属和层次关系 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系 4 空间对象的编码 GIS空间实体及其描述 2 空间对象的多源分类编码按空间对象不同特性进行分类并进编码代码之间没有隶属关系 反映对象特性 具有较大的信息量 有利于空间分析 GIS空间实体及其描述 三 空间实体的描述 空间数据 1 描述的内容 反映了实体的三个特征 3 数据类型 4 数据结构 以什么形式存储和处理 几何数据 空间数据 图形数据 关系数据 实体间的邻接 关联包含等相互关系属性数据 各种属性特征和时间元数据 矢量 栅格 TIN 专用于地表或特殊造型 RDBMS属性表 采用MIS较成熟 同物理 化学等学科使用的数据类型相比 空间数据是一种较复杂的数据类型 涉及到空间特征 属性特征及它们之间关系的描述 空间元数据 位置 形状 尺寸识别码 名称 实体的角色 功能 行为 实体的衍生信息时间测量方法 编码方法 空间参考系等 空间特征 地理位置和空间关系属性特征 名称 等级 类别等时间特征 2 基本特征 GIS空间实体及其描述 2 空间数据基本特征 GIS空间实体及其描述 属性数据 描述空间对象属性特征的数据 又称非几何数据 如类型 名称 性质等 一般通过代码给予表达几何数据 描述空间对象空间特征的数据 也称位置数据 定位数据 一般用经纬度 坐标表达关系数据 描述空间对象的空间关系的数据 如邻接 包含 关联等 一般通过拓扑关系表达 GIS空间实体及其描述 3 空间数据的类型 3 空间数据的类型 1 依据数据来源的不同分为 地图数据地形数据属性数据元数据影象数据 2 依据表示对象的不同分为 GIS空间实体及其描述 GIS空间实体及其描述 四 实体的空间特征 一 空间维数 有0 1 2 3维之分 点 线 面 体 三 实体类型组合 在地图上实体维数的表示可以改变点 面线 单线河 面 双线河 通过地图综合 GIS空间实体及其描述 1 点状实体 点或节点 点状实体 点 有特定位置 维数为0的物体 4 角点 节点Vertex 表示线段和弧段上的连接点 1 实体点 用来代表一个实体 2 注记点 用于定位注记 3 内点 用于负载多边形的属性 存在于多边形内 GIS空间实体及其描述 美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置 点实体 有位置 无宽度和长度 抽象的点 GIS空间实体及其描述 2 线状实体 1 实体长度 从起点到终点的总长 2 弯曲度 用于表示像道路拐弯时弯曲的程度 3 方向性 如 水流方向 上游 下游 公路 单 双向之分 具有相同属性的点的轨迹 线或折线 由一系列的有序坐标表示 并有如下特性 线状实体包括 线段 边界 链 弧段 网络等 GIS空间实体及其描述 香港城市道路网分布 线实体 有长度 但无宽度和高度 用来描述线状实体 通常在网络分析中使用较多 度量实体距离 GIS空间实体及其描述 3 面状实体 多边形 面状实体的如下特征 1 面积范围 2 周长 3 独立性或与其它地物相邻 如中国及其周边国家 4 内岛屿或锯齿状外形 如岛屿的海岸线封闭所围成的区域 5 重叠性与非重叠性 如学校的分区 菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象 而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠 是对湖泊 岛屿 地块等一类现象的描述 在数据库中由一封闭曲线加内点来表示 GIS空间实体及其描述 面实体 具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形 中国土地利用分布图 GIS空间实体及其描述 4 体 立体状实体 立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体 它具有长度 宽度及高度等属性 立体状实体一般具有以下一些空间特征 1 体积 如工程开控和填充的土方量 2 每个二维平面的面积 3 周长 4 内岛 5 含有弧立块或相邻块 6 断面图与剖面图 GIS空间实体及其描述 体 有长 宽 高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标 如建筑 矿体等三维目标 香港理工大学校园建筑 三维矿井图 GIS空间实体及其描述 三 实体类型组合 现实世界的各种现象比较复杂 往往由不同的空间单元组合而成 例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来 复杂实体由简单实体组合表达 点 线 面两两之间组合表达复杂的空间问题 1 线 面2 面 面 用各要素之间的空间关系 可描述诸多空间问题 空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容 一方面它为GIS数据库的有效建立 空间查询 空间分析 辅助决策等提供了最基本的关系 另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言 便于空间特征的存储 提取 查询 更新等 GIS空间实体及其描述 1 线 面 1 区域包含线 计算区域内线的密度 某省的水系分布情况 2 线通过区域 公路上否通过某县 3 线环绕区域 区域边界 搜索左右区域名称 中国与哪些国家接壤 4 线与区域分离 距离 GIS空间实体及其描述 2 面 面 1 包含 岛 某省的湖泊分布 2 相合 重叠 学校服务范围与菜场服务范围重叠区 3 相交 划分子区 4 相邻 计算相邻边界性质和长度 公共连接边界 5 分离 计算距离 GIS空间实体及其描述 随着信息时代的到来 仅用传统的手段 地图和遥感影象 描述地理信息已存在许多问题 地图的生产周期太长 目前科研 生产与管理工作都要求及时得到有关地表变化的信息 这种情况下 传统的地图存储 生产已不能满足需要 遥感影象因为存在着变形 须首先对其进行纠正 另外 遥感影象因为其成像方式的不同 不同的影象有不同的影象特征 必须解译才能变成人们所习惯的地图方式 这需要很大的工作量 计算机软硬件技术的发展 使得利用计算机把地理信息数字化 并进一步对其进行管理 处理和利用成为可能 对地理信息进行数字化描述 就是要使计算机能够识别地理事物的形状 为此 必须精确地指出空间模式如何处理 如何显示等 一 空间数据的表达方式 GIS空间数据表达 在计算机内描述空间实体有两种形式 显式描述和隐式描述 例如一条河流 如图 a 所示 在计算机中的显示表示 就是栅格中的一系列像元 如图 b 所示 为使计算机认识这些像元描述的是河流而不是其它物体 这些像元都给予相同的编码值R或者用相同的颜色 符号 数字 灰度值来表示 河流的隐式表示是由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述 线的始点和终点坐标定义为一条表示河流及其河心洲形状的矢量 如图 c 图 a 图 b 图 c 河流的显示和隐式表示 GIS空间数据表达 计算机对地理实体的显式描述也称栅格数据结构 计算机对地理实体的隐式描述也称矢量数据结构 在栅格数据结构中 整个地理空间被规则地分为一个个小块地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定 小块的位置则由其横排竖列的数码决定 每个地理实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成 这种数据结构和遥感图象的数据相同 因而数字遥感图象就是栅格数据结构 在矢量数据结构中 地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定 矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图 一般用点 线 面对地理信息的描述 栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式 栅格和矢量结构编码方法的具体内容在第三章有专门的介绍 地图和遥感影象是空间信息的常见载体 所以 下面看一看地图和遥感影象描述的空间信息用数字化的方式 GIS空间数据表达 例 地图 右下 中有点状地物高程点 烟囱 线状地物铁路 面状地物居民点 林地 菜地等 用矢量和栅格数据结构的表示如下图所示 GIS空间数据表达 例 遥感图象中信息的矢量和栅格表示通过遥感影象提取的不同专题信息需用不同的文件分别存储和表示 GIS空间数据表达 由以上两例可看出 至少有两种数字化的方法可以表示空间信息 栅格法 由一系列 x y 坐标定位的像元 每个像元独立编码 并载有属性 矢量法 三种主要地理实体的点 线 面中 点类似于像元 但不占有面积 其余两种均由一系列内部相关联的坐标形成 一定的面或线则与一定的属性连接 另外 遥感影象的产品除了遥感图象外 还有遥感数字图象 采用的是栅格结构的方式 它主要是把空间地物在某一波段电磁辐射反射强度用数字来记录 是一个二维的离散的光密度 或亮度 函数 相对光学图象 它在空间坐标和密度上都已离散化 空间坐标 x y 仅取离散值 x x0 m x y y0 m y 式中 m 0 1 2 m 1 n 0 1 2 n 1为离散化的坐标间隔 同时f x y 也仅取离散值 一般取值区间为0 1 2 127或0 1 2 255等 数字图象可用一个二维矩阵表示 矩阵中每个元素称为像元 即 GIS空间数据表达 地图是现实世界的模型 它按照一定的比例 一定的投影原则有选择地将复杂的三维现实世界的某些内容投影到二维平面媒介上 并用符号将这些内容要素表现出来 地图上各种内容要素之间的关系 是按照地图投影建立的数学规则 使地表各点和地图平面上的相应各点保持一定的函数关系 从而在地图上准确地表达地表空间各要素的关系和分布规律 反映它们之间的方向 距离和面积 在地图学上 把地理空间的实体分为点 线 面三种要素 分别用点状 线状 面状符号来表示 具体分述如下 二 空间数据的矢量表达 GIS空间数据表达 1 点状要素点状要素 是指那些占面积较小 不能按比例尺表示 又要定位的事物 对点状要素的质量和数量特征 用点状符号表示 通常以点状符号的形状和颜色表示质量特征 以符号的尺寸表示数量特征 将点状符号定位于事物所在的相应位置上 2 线状要素对于地面上呈线状或带状的事物如交通线 河流 境界线 构造线等 在地图上 均用线状符号来表示 通常用线状符号的形状和颜色表示质量的差别 用线状符号的尺寸变化 线宽的变化 表示数量特征 GIS空间数据表达 3 面状要素面状分布的地理事物很多 其分布状况并不一样 有连续分布的 如气温 高程等 有不连续分布的 如森林 农作物等 对于不连续分布或连续分布的面状事物的分布范围和质量特征 一般可以用面状符号表示 符号的轮廓线表示其分布位置和范围 轮廓线内的颜色 网纹或说明符号表示其质量特征 对于连续分布的面状事物的数量特征及变化趋势 常常可以用一组线状符号 等值线表示 如等温线 等降水量线 等深线 等高线等 GIS空间数据表达 面 位置 x1 y1 x2 y2 xi yi x y 属性 符号变化 等值线 点 位置 x y 属性 符号 线 位置 x1 y1 x2 y2 xn yn 属性 符号 形状 颜色 尺寸 GIS空间数据表达 20世纪60年代以来 遥感技术在国民经济的各个方面都有了广泛的应用 如检测地表资源 环境变化 或了解沙漠化 土壤侵蚀等缓慢变化 或监视森林火灾 洪水和天气迅速变化状况 或进行作物估产 其核心是为空间信息资料的获取提供方便 卫星遥感可以覆盖全球每一个角落 对任何国家和地区都不存在由于自然或社会因素所造成的信息获取的空白地区 卫星遥感资料可以及时地提供广大地区的同一时相 同一波段 同一比例尺 同一精度的空间信息 航空遥感可以快速获取小范围地区的详细资料 也就是说 遥感技术在空间信息获取的现势性方面得到了很大的提高 三 空间数据的栅格表达 遥感影象对空间信息的描述主要是通过不同的颜色和灰度来表示的 这是因为地物的结构 成分 分布等的不同 其反射光谱特性和发射光谱特性也各不相同 传感器记录的各种地物在某一波段的电磁辐射反射能量也各不相同 反映在遥感影象上 则表现为不同的颜色和灰度信息 所以说 通过遥感影象可以获取大量的空间地物的特征信息 GIS空间数据表达 遥感传感器平台 传感器 GIS空间数据表达 遥感影象对空间信息的描述 右图所示的遥感图象 明显地可以获得这个区域的地貌特征和断裂带的信息 用地图的方式表示如下图 还要说明的是 利用遥感影象通常可以获得多层面的信息 对遥感信息的提取一般需要具有专业知识的人员通过遥感解译才能完成 GIS空间数据表达 GIS实体空间关系 1 空间相互关系绝对关系 坐标 角度 方位 距离等 相对关系 相邻 包含 关联等 2 相对关系类型 1 拓扑空间关系 描述空间对象的相邻 包含 关联等 2 顺序空间关系 又称方向空间关系 描述空间对象在空间上的排列次序 如前后 左右 东 西 南 北等 3 度量空间关系 描述空间对象之间的距离等 距离类别 欧氏距离 笛卡尔坐标系 曼哈顿 出租车 距离 时间距离 纬度差 大地测量距离 大地线 沿地球大圆经过两个城市中心的距离 一 空间关系的分类 1 拓扑元素点 孤立点 线的端点 面的首尾点 链的连接点 线 两结点之间的有序弧段 包括链 弧段和线段 面 若干弧段组成的多边形 二 拓扑关系 GIS实体空间关系 3 拓扑关系的定义拓扑关系指图形保持连续状态下变形 但图形关系不变的性质 在GIS中 为了真实地反映地理实体 不仅要包括实体的位置 形状 大小和属性 还必须反映实体之间的相互关系 这些关系就是指它们之间的拓扑关系 即邻接关系 关联关系和包含关系等 2 拓扑属性 GIS实体空间关系 4 点 线 面之间的拓朴关系 点 线 面基本数据之间的关系 代表了空间实体之间的位置关系 分析点 线 面三种类型的数据 得出其可能存在的空间关系有以下几种 1 点 点关系 点和点之间的关系主要有两点 通过某条线 是否相连 两点之间的距离是多少 如城市中某两个点之间可否有通路 距离是多少 这是在实际生活中常见的点和点之间的空间关系问题 2 点 线关系 点和线的关系主要表现在点和线的关联关系上 如点是否位于线上 点和线之间的距离等 3 点 面关系 点和面的关系主要表现在空间包含关系上 如某个村子是否位于某个县内 或某个县共有多少个村子 4 线 线关系 线和线是否邻接 相交是线和线关系的主要表现形式 如河流和铁路的相交 两条公路是否通过某个点邻接 5 线 面关系 线和面的关系表现为线是否通过面或和面关联或包含在面之内 6 面 面关系 面和面之间的关系主要表现为邻接和包含的关系 GIS实体空间关系 GIS实体空间关系 1 关联性 不同类要素之间 结点与弧段 如V9与L5 L6 L3多边形与弧段 P2与L3 L5 L2 2 邻接性 同类元素之间 多边形之间 结点之间 邻接矩阵重叠 邻接 1 不邻接 0 5 拓扑关系的种类 GIS实体空间关系 3 连通性 与邻接性相类似 指对弧段连接的判别 如用于网络分析中确定路径 街道是否相通 连通矩阵 重叠 连通 1 不连通 0 GIS实体空间关系 4 方向性 一条弧段的起点 终点确定了弧段的方向 用于表达现实中的有向弧段 如城市道路单向 河流的流向等 5 包含性 指面状实体包含了哪些线 点或面状实体 6 区域定义 多边形由一组封闭的线来定义 7 层次关系 相同元素之间的等级关系 武汉市有各个区组成 基本拓扑关系 关联 邻接 包含 层次 拓扑元素量之间的关系 欧拉公式 GIS实体空间关系 拓扑关系具体可由4个关系表来表示 1