城市信息系统(第2讲).pptx

河南大学环境与规划学院 主讲教师 王海鹰 第二讲地理信息系统理论 GIS的组成 功能与原理空间参照系统GIS空间数据结构 地理信息系统基础理论 GIS一般由五个要素组成 数据 软件 硬件 模型和人员 GIS的组成 数据 GIS最重要的部分就是数据 GIS将空间数据和非空间数据集成在一起 由数据库管理系统进行统一管理 硬件 GIS所操作的计算机及其相关设备 以及网络环境 软件 GIS软件提供数据输入和检验 存储和管理 数据变换 显示与输出等功能和工具 模型 是GIS应用系统成败的关键 为GIS提供空间数据的专业分析能力 人员 GIS设计人员 专业使用人员 管理和维护人员 GIS的功能 GIS的五大功能 输入 处理 存储与管理 查询与分析 可视化 输入 按照一定的数字格式 如 参考坐标系 编码 标准和数据结构 将地理信息输入到GIS系统 有些数据与GIS兼容 可以直接输入 有些数据需要进行人工或自动的数字化 处理 GIS能够对数据进行各种处理 如 编辑 转换等操作 对数据进行处理 使之适应于GIS系统的专门用途 存储与管理 这是一个数据集成的过程 同时也是建立地理信息系统数据库的关键步骤 涉及空间数据及属性的数据的结构与组织 关系型数据库管理系统是目前最为广泛应用的数据库系统 可以帮助数据存储 管理和组织 GIS的工作原理 GIS将现实世界抽象为相互联结不同特征的层面 layer 组合 用以解决各种复杂的地理问题 将地面实物用多个层面来表示 依照实物的特性 可以分为点 线 面三种典型层面 对每个特征层面 可以进一步用矢量或栅格格式来存储地理数据 通过这些数据 进行相关操作和分析 空间参照系统 地球表面 earth ssurface 地球的自然表面是一个起伏不平 十分不规则的表面 它不能用数学公式来表达 尽管如此 但它的总体形状接近一个由大地水准面所包围的形体 大地水准面 geoidalsurface 大地水准面是由静止海水面并向大陆延伸与平均海水面相吻合的称为大地水准面所形成的不规则的封闭曲面 它是重力等位面 即物体沿该面运动时 重力不做功 如水在这个面上是不会流动的 地球椭球体 Ellipsoid 假想一个扁率极小的椭圆 绕大地球体短轴旋转所形成的规则椭球体称之为地球椭球体 地球椭球体表面是一个规则的数学表面 并近似于地球大地水准面 可以用数学公式表达 所以在测量和制图中就用它替代地球的自然表面 空间参照系统 地球自然表面 大地水准面和地球椭球面之间的关系 地球椭球体 大地坐标系 大地基准面 Geodeticdatum 它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义 此关系能以6个量来定义 通常是大地纬度 大地经度 原点高度 原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角 如何理解 基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近 每个国家或地区均有各自的基准面 我们通常称谓的北京54坐标系 西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面 椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系 也就是基准面是在椭球体基础上建立的 但椭球体不能代表基准面 同样的椭球体能定义不同的基准面 即使用同一个椭球面 不同的地区由于关心的位置不同 需要最大限度的贴合自己的那一部分 因而大地基准面就会不同 大地坐标系 大地坐标系 以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系 地面点的位置用大地经度L 大地纬度B和大地高度H表示 大地坐标系的确立包括选择一个椭球 对椭球进行定位和确定大地起算数据 一个形状 大小和定位 定向都已确定的地球椭球叫参考椭球 参考椭球一旦确定 则标志着大地坐标系已经建立 大地坐标系亦称为地理坐标系 大地坐标系 经纬线和经纬度 大地经度是通过该点的大地子午面与起始大地子午面之间的夹角 大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角 大地高是地面点沿法线到参考椭球面的距离 大地坐标系 我国的大地坐标系 我国目前沿用了两种坐标系 即1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系 我国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系 我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基椭球体建立了我国的北京54坐标系 1978年采用国际大地测量协会推荐的IAG75地球椭球体建立了我国西安80坐标系 WGS1984基准面采用WGS84椭球体 它是一地心坐标系 即以地心作为椭球体中心 目前GPS测量数据多以WGS1984为基准 地图投影 地图投影 地球椭球面是一个不可展开的曲面 为了能将其表面内容显示在平面上 必须进行地图投影变换 运用一定的数学法则 投影变换公式 将大地坐标系转化为某投影平面上的平面直角坐标系的过程叫地图投影 根据地图投影中可能引起变形的性质 将投影分为等角投影 等面积投影 任意投影 根据投影的可展曲面不同 可以分为圆锥投影 圆柱投影和方位投影 同时 根据投影面与地球轴向的相对位置 区分为正轴投影 斜轴投影 横轴投影 一般而言 距投影面越近 变形越小 地图投影 按照投影面的不同 可分为方位 圆柱 圆锥投影三种 地图投影 常用投影示意图 地图投影 我国采用的地图投影我国的基本比例尺地形图 1 5千 1 1万 1 2 5万 1 5万 1 10万 1 25万 1 50万 1 100万 中 大于等于50万的均采用高斯 克吕格投影 Gauss Kruger 又叫横轴墨卡托投影 Transverse Mercator 小于50万的地形图采用正轴等角割园锥投影 又叫兰勃特投影 LambertConformalConic 海上小于50万的地形图多用正轴等角园柱投影 又叫墨卡托投影 Mercator 在城市GIS系统中均采用6度或3度分带的高斯 克吕格投影 因为一般城建坐标采用的是6度或3度分带的高斯 克吕格投影坐标 地图投影 高斯 克吕格 Gauss Kruger 投影高斯 克吕格 Gauss Kruger 投影 即横轴墨卡托投影 TransverseMecatorProjection 在小范围内保持形状不变 可以想象成将一个圆柱体橫躺 套在地球外面 再将地表投影到这个圆柱上 然后将圆柱体展开成平面 圆柱与地球沿南北经线方向相切 我们将这条切线称为 中央经线 中央经线无变形 由中央经线往東西两侧延伸 地表图形会被逐渐放大 变形也会越来越严重 变形最大处在投影带内赤道的两端 按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带 这是高斯投影中限制长度变形的最有效方法 为了保持投影精度在可接受范围内 每次只能取中央经线两侧附近地区来用 因此必须切割为许多投影带 就像将地球沿南北子午线方向 如切西瓜一般 切割为若干带状 再展成平面 地图投影 以中央经线 L0 投影为纵轴X 赤道投影为横轴Y 两轴交点即为各带的坐标原点 为了避免横坐标出现负值 高斯 克吕格投影北半球投影中规定将坐标纵轴西移500公里当作起始轴 地图投影 Projection Gauss KrugerParameters False Easting 500000 000000False Northing 0 000000Central Meridian 117 000000Scale Factor 1 000000Latitude Of Origin 0 000000LinearUnit Meter 1 000000 GeographicCoordinateSystem Name GCS Beijing 1954Alias Abbreviation Remarks AngularUnit Degree 0 017453292519943299 PrimeMeridian Greenwich 0 000000000000000000 Datum D Beijing 1954Spheroid Krasovsky 1940SemimajorAxis 6378245 000000000000000000SemiminorAxis 6356863 018773047300000000InverseFlattening 298 300000000000010000 简单的说投影坐标系是地理坐标系 投影过程 高程系统 我国采用的高程系统我国曾规定采用青岛验潮站求得的1956年黄海平均海水面 作为我国统一的高程基准 从1985年起 我国开始改用 1985年国家高程基准 两个基准的换算公式为 在缺少基本高程控制网的地区 不仅可建立独立平面直角坐标系 也可建立局部高程系统 在建立城市地理信息系统时 凡采用局部高程系统的空间数据都必须转换为85国家高程系统 高程原点的高程改正公式为 空间数据结构 GIS系统的数据分类 图形数据 数字化的矢量图形数据图像数据 航空和航天的遥感影像数据实体属性数据 图形图像的属性数据 多为数字型或字符型统计数据 描述型数据 空间数据结构 空间数据 用于描述空间实体的位置 形状 大小及其分布特征储多方面的数据 空间数据是现实世界地理实体或现象在信息世界的映射 地理空间数据是符号化表示地球表层空间地理现象和事物的记录 是表征地球表层地理现象和事物的数量 运动状态 分布特征 联系和规律的数字 文字 图形 图像等 以及一切有关知识的总称 空间数据可分为 图形数据和图像数据 空间数据结构 空间数据特征空间特征 空间地物的位置 形状和大小等几何特征 以及与相邻地物的空间关系 相邻 距离 相连 包含等 用于描述空间实体的位置 形状 大小及其分布特征储多方面的数据 属性特征 除了时间和空间特征以后的空间实体的其它特征 自然 人文属性 属性特征可以说明空间事物或现象 是什么 及 怎么样 属性特征与空间特征相结合 才能表达空间实体的全貌 时间特征 指空间特征和属性特征随着时间的动态变化特征 如何有效利用多时态数据进行时空分析和动态模拟目前仍处于研究阶段 空间数据结构 空间数据表达空间实体的几何形态 任何复杂地理实体都可以抽象为点 线 面 体四种几何形态来表达 空间实体特征的描述 对地理要素空间性信息的描述 位置 方向 角度 距离 面积 对地理要素非空间信息的描述 识别码 行为与功能 属性 类型 说明等 空间数据模型 结构 是空间数据的组织形式 是用于存储 管理和处理空间数据的逻辑结构 目前尚无一种统一的数据结构能同时存储各种类型的数据 而是将不同类型的空间数据以不同的数据结构存储 认可的三种基本空间数据形式为 矢量数据形式 栅格数据形式 TIN数据形式 在矢量形式中 关于点 线和多边形的信息被编码并以x y坐标形式储存 栅格形式是连续特征的模式 栅格图象包含有网格单元 像元灰度值 扫描的地图或图像照片等 矢量和栅格形式 空间数据结构 矢量模式 栅格模式 真实世界 栅格数据结构 栅格数据 是以二维矩阵的形式表示空间地物位置的数据组织方式 每个矩阵单位称为一个栅格单元 CELL 栅格数据结构 是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的 它是指将地球表面划分为大小均匀 紧密相邻的网格阵列 每个网格做为一个像元或像素 包含一个代码表示该像素的属性类型或量值 栅格数据的位置隐含在行列号中栅格数据与矢量数据一样能表达点 线 面 栅格数据中的点线面 点 表示为单个像元 线 在一定方向上连接成串的相邻像元的集合 面 由聚集在一起的相邻像元的集合 栅格数据的获取 遥感方法获取 航天与航空 图片扫描获取 纸介质的地图等扫描 矢量数据转换而来 由平面上均匀划分网格 可利用固定的行距 列距进行抽样 将抽样结果编码 菜成栅格数据 栅格取值方法 主要包括 1 中心归属法 连续分布地理现象 人口密度 大气污染 2 长度占优法 3 面积占优法 城市绿地面积分布 4 重要性法 具有特殊意义而面积较小的地理要素 中心归属法 长度占优法 面积占优法 栅格数据的压缩技术 直接栅格编码长度编码法 LengthCodes 改变扫描顺序法 ExchangeOrders 链式编码 ChainCodes 游程长度编码 Run LengthCodes 块式编码 BlockCodes 四叉树编码 QuadtreeEncoding 栅格数据的压缩技术 直接栅格编码是将栅格看作一个数据矩阵 逐行逐个记录代码数据 可以每行都从左到右 也可奇数行从左到右 或者采用其它特殊的方法 1 直接栅格编码 2 行程编码 行程编码又称为游程长度编码 是栅格数据压缩的重要编码方法 也是图像编码中比较简单的方式之一 行程 是指行 或列 上具有相同属性值的相邻像元的个数 sk lk sk 栅格的属性值 0 255 lk 行程长度 两个字节 行数可达65536 栅格数据的压缩技术 行程编码分为 游程长度编码 游程终止编码游程长度编码 sk lk sk 栅格的属性值lk 游程的连续长度游程终止编码 sk lk sk 栅格的属性值lk 游程的终止列号 栅格数据的压缩技术 行程编码图及编码表 A B C D 行程编码方式 行程编码的组织 是将行程编码按顺序组成行程序列表 并建立顺序表索引 从而实现对行程编码的快速访问 行程索引文件和行程数据文件 3 块码 块码是行程编码向二维扩展的情况 又称二维行程编码 采用方形区域作为记录单元 每个记录单元包括相邻的若干栅格 数据结构由初始位置 行 列号 和半径 再加上记录单元的代码组成 栅格数据的压缩技术 14个单位正方形 4个4单位正方形 2个9单位正方形 1个16单位正方形编码为 1 1 2 0 1 3 1 0 1 4 1 0 1 5 1 0 1 6 3 4 2 3 1 0 2 4 2 4 3 1 2 0 3 3 1 4 4 3 2 4 4 5 1 4 4 6 1 4 4 7 1 8 4 8 1 8 5 1 1 2 5 2 1 2 5 5 4 8 6 1 3 2 6 4 1 4 7 4 1 2 8 4 1 2 4 链式编码 链式编码又称弗里曼编码或边界编码 链式编码将线状地物或区域边界表示为由某一起始点和在某些基本方向上的单位矢量链组成 单位矢量的长度为一个栅格单元 每个后续点可能位于其前继点的8个基本方向之一 栅格数据的压缩技术 链式编码方式 链式编码表 费尔曼链码编码 等值线图 等值线的费尔曼链码表 八方向图 费尔曼链码的优缺点 优点 较强的数据压缩率 便于长度 面积计算 探测边界急弯和凹进部分比较容易 便于存储图形数据 缺点 不便于合并和插入操作 不便于叠置分析 相邻区域的边界有数据冗余 5 四叉树编码 四叉树编码是栅格数据结构的一种压缩数据的编码方法 应用前景广阔 基本思想 是把一幅图像或一幅栅格地图等分成四个子区 不断检查每个子区的所有格网值 如该子区都含有相同的值 灰度或属性 这个子区就不再往下分割 否则 把该子区再分割成四个子区 这样递归地分割 直到每个子区都只含有相同的值为止 栅格数据的压缩技术 四叉树编码示意 0 11 13 32110 基于十进制的线性四叉树编码 基于四进制的线性四叉树直观上很切合四叉树的分割 但大部分语言不支持四进制变量 需要用十进制的长整型量表示Morton码 是一种浪费 基于四进制的线性四叉树的线性表的排序过程要花费较多的时间 鉴于以上两个原因 逐渐采用十进制的Morton码 MD码 作为线性四叉树的地址码 并采用自下而上的合并方法建立四叉树 MD码的计算公式 按位操作的运算法 设十进制表示的MD码的行列号在计算机内部的二进制数分别为 行II inin 1 i3i2i1 列JJ jnjn 1 j3j2j1 十进制的MD码实际上是按II JJ的二进制数字交叉结合的结果 即MD injnin 1jn 1 i3j3i2j2i1j1 将得到的MD码由二进制数转换为十进制数 即为栅格的编码值 例1 已知栅格单元位于第二行 第二列 求栅格的线性四叉数的十进制编码 MD码 解 第二行 第二列的二进制形式为 010 行 010 列MD 001100