第2章-土地信息技术基础-150323PPT课件.ppt

1 第2章土地信息技术基础 内容提要 2 1土地信息分类与编码2 2土地信息的空间参考体系2 3地图投影2 4地图分幅与编号 2 2 1土地信息分类与编码 土地信息分类 将土地信息系统化 以便于管理 应用和信息共享2 1 1信息分类的基础2 1 2土地利用信息分类2 1 3土地信息编码 3 2 1 1信息分类的基础分类过粗 可能会影响将来分析的深度 分类过细 增大工作量 计算机负荷加重 有时在技术上也难以做到 遥感图像分类受分辨率限制 1 分类原则 科学性原则 按照土地信息特征进行严密的科学分类 采用层级分类法 形成树形结构 系统性原则 土地信息分类从最高一级到最低一级应该排列成一个有机的整体 稳定性原则 土地信息分类应以我国使用多年的基础信息和土地利用信息的常规分类为基础 能在较长时间里不发生重大变更 完整性和可扩展性原则 能容纳各专业领域现有的和将来可能产生的所有信息 代码结构和具体编码时应留有适当的余地和给出扩充办法 4 易用性原则 分类名称尽量沿用专业习惯名称 代码尽可能简短和便于记忆 灵活性原则 现有系统分类和编码可灵活转换成标准的分类和代码 不受比例尺限制原则 在不同比例尺数据库中 同一要素具有一致的分类和编码 与有关国家规范和标准协调一致原则 凡已经颁布实施的相关国家标准可以直接引用 与有关行业标准和地方标准求得最大限度地协调一致 考虑数据来源原则 土地利用数据一级分类应该能够从卫星遥感影像识别 便于卫星遥感监测土地资源 5 2 分类体系作为土地信息编码基础的分类体系 主要是由分类与分级方法形成的 分类的基本方法 分级的概念 原则及基本方法 分类与分级的关系 6 分类的基本方法 线分类法 又称层级分类法 是将初始的分类对象按选定的若干个属性或特征依次分成若干个层级目录 并编排成一个有层次的分类体系 对土地信息的分类一般是采用线分类法 7 面分类法 将给定的分类对象按选定的若干个属性或特征分成互不相依 互不相干的若干方面 每个面中又分成许多彼此独立的若干个类目 由类目组合形成类的一种分类方法 8 分级 是对事物或现象的数量或特征进行等级的划分 主要包括确定分级数和分级界限 确定分级数的基本原则 包括 分级数应符合数值估计精度的要求 分级数多 数值估计的精度就高 分级数应顾及可视化的效果 分级数应符合数据的分布特征 确定分级界线的基本原则 包括 使级内差异尽可能的小 各级之间的差异尽可能的大 在任何一个等级内部都必须有数据 任何数据都必须落在某一个等级内 尽可能采用有规则变化的分级界线 9 分级的基本方法 在分级时大多采用数学方法 如数列分级 最优分割等级等 分级所依据的指标 一般以土地特征的数量指标或质量指标为主 分类与分级的关系 分类把研究对象划分为若干个类组 分级则是对同一类组对象再按某一方面量的差别进行分级 分类描述地物间的分类关系 隶属关系 而分级描述地物间的等级关系 10 2 1 2土地利用信息分类从土地利用角度对土地信息分类 一般以土地利用的类型 土地利用的性质和土地经营的特点为依据来设计分类系统 比如 城市 主要是考虑高密度的土地利用和配置 并侧重于经济要素和人文要素 农村 则主要是研究大量的自然资源信息及利用问题 因此 我国针对城镇和农村土地遵循不同的原则制订了两套土地利用信息分类体系 即 土地利用现状调查技术规程 和 城镇地籍调查规程 11 1984年 我国颁布的 土地利用现状调查技术规程 中制定了 土地利用现状分类及其含义 采用两级分类 其中一级类分耕地 园地 林地 牧草地 居民点及工矿用地 交通用地 水域及未利用土地8类 二级类分47类 土地详查和土地变更调查就是采用土地利用现状分类 从1984年颁布开始 一直沿用到2001年12月 土地利用现状调查技术规程 12 1 耕地 灌溉水田 望天田 水浇地 旱地 菜地 5 2 园地 果园 桑园 茶园 橡胶园 其他园地 5 3 林地 有林地 灌木林 疏林地 未成林造林地 迹地 苗圃 6 4 牧草地 天然草地 改良草地 人工草地 3 5 居民点及工矿用地 城镇 农村居民点 独立工矿用地 盐田 特殊用地 5 6 交通用地 铁路 公路 农村道路 民用机场 港口码头 5 7 水域 河流水面 湖泊水面 水库水面 坑塘水面 苇地 滩涂 沟渠 水工建筑物 冰川及永久积雪 9 8 未利用土地 荒草地 盐碱地 沼泽地 沙地 裸土地 裸岩石砾地 田坎 其他未利用地 8 13 1989年9月 我国颁布的 城镇地籍调查规程 中制定了 城镇土地分类及含义 城镇土地分类主要根据土地用途的差异 将城镇土地分为商业金融业用地 工业 仓储用地 市政用地 公共建筑用地 住宅用地 交通用地 特殊用地 水域用地 农用地及其他用地10个一级类 24个二级类 城镇土地分类用于城镇地籍调查和城镇地籍变更调查 从1989年发布开始 一直沿用到2001年12月 城镇地籍调查规程 14 1 商业金融业用地 商业服务业 旅游业 金融保险业 3 2 工业 仓储用地 工业 仓储 2 3 市政用地 市政公用设施 绿化 2 4 公共建筑用地 文体娱 机关宣传 科研设计 教育 医卫 5 5 住宅用地 6 交通用地 铁路 民用机场 港口码头 其它交通 4 7 特殊用地 军事设施 涉外 宗教 监狱 4 8 水域用地 9 农用地 水田 菜地 旱地 园地 4 10 其它用地 15 从信息系统开发应用角度对土地信息分类 基础地理信息指空间参考坐标系 地形地貌 水系 植被和线状道路等基础信息专题图形信息指在建立土地信息系统时涉及到的有关土地方面的信息图层 地籍 现状 规划 质量 区划等专题属性信息包括反映特定地块最基本属性的信息 土地权利和限制 价值和税收 用途 房屋和建筑物等土地相关属性信息与土地相关的其他属性信息包括 人口 土壤 植被 水文 气候 交通运输等 16 概念区分 编码 是将经过分类的信息用适当的数码 字符串或数值 来表示 也称代码化 编码的类型是指代码符号的表示形式 有数字型 字母型 数字和字母混合型三类 代码 是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号 是计算机的符号 是计算机鉴别和查找信息的主要依据和手段 编码的直接产物就是代码 而分类分级则是编码的基础 2 1 3土地信息编码 17 LIS中属性信息代码种类 分类码和标识码 分类码 根据土地信息分类体系设计出来的用于识别不同类别的数据 根据它可以从数据中查找出所需类别的全部数据 18 标识码 在分类码的基础上 对每类数据设计出全部或主要实体的标识码 用以对某一类数据中的某个实体进行个别查询检索 从而弥补分类码不能进行个体分离的缺陷 标识码是联系几何信息和属性信息的关键字 19 20 标识码编码方法举例 如县级农用地分等单元编号采用的是标识码 单元编号用12位数字表示 省级行政代码 2位 地级市行政代码 2位 县级行政代码 2位 单元流水编号 6位 行政代码按 中华人民共和国行政区划代码 GB2260 91 执行 单元流水编号不足6位前面补0 21 农用地分等单元的编号 22 空间信息的编码方式 用空间坐标来表示地理要素的位置 空间坐标码在空间要素间建立起联系 反映空间位置上的相互关系 拓扑结构 四叉树结构对空间要素人为的给定一些编码或字符串 空间位置附加属性码比较 空间坐标码有定位精确 图形显示直观的优点 拓扑结构 四叉树结构能建立空间要素之间空间位置上的相互联系 空间位置附加属性码便于人的识别 记忆 因此 一个实用的土地信息系统往往是同时使用上述三类编码 以相互取长补短 23 思考 地球空间中空间实体的位置如何表达 2 2土地信息的空间参考系 依坐标绝对定位依空间实体间的空间关系来定位 为了深入研究地理空间 我们要知道空间实体的绝对位置 因此有必要建立地球表面的几何模型 即地球空间模型 土地数据输入必须在统一的 或转换为统一的 土地空间参考框架下才能保证描述同一目标的不同来源的土地信息相互正确地对照 24 25 2 2 1地球空间模型描述根据大地测量学的研究成果 地球表面几何模型可以分为四类 地球的自然表面相对抽象的面 即大地水准面地球椭球体其他数学模型 26 地球的自然表面 它是一个起伏不平 十分不规则的表面 包括海洋底部 高山 高原等在内的固体地球表面 非常复杂 难以用数学表达式描述 不适合建模 各种几何量算也十分的困难 27 相对抽象的面 即大地水准面 假设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 尽管大地水准面比起实际的固体地球表面要平滑得多 但实际上 由于海水温度的变化 盛行风的存在 可以导致海平面高达百米以上的起伏变化 这使得大地水准面十分复杂而不能在其上进行运算 28 地球椭球体 以大地水准面为基础建立的 虽然大地水准面十分复杂 但从整体来看 起伏是微小的 很接近与绕自转轴旋转的椭球体 所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体 这个旋转球体通常称地球椭球体 地球椭球体是建立土地信息空间参考系的基础 椭球体元素 长半径 a 短半径 b 扁率 计算公式如下 a b b 一个国家或地区在建立大地参考系时 为使地球椭球面更切合本国或本地区的自然地球表面 往往需要选择合适的椭球参数 确定一个大地原点的起始数据 并进行椭球的定位和定向 29 我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基椭球体 Krassovsky 建立了我国的北京54坐标系统 到20世纪80年代初 我国已基本完成了天文大地测量 经计算表明 54坐标系统普遍低于我国的大地水准面 平均误差为29米左右 1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系统 西安80坐标系统 我国大地测量就是依这两种坐标系统进行的 由于两种坐标系统地球椭球参数 定位和定向的变化 必然引起地形图的图廓线 公里线以及地形地物相关位置的改变 因此 建立土地信息系统时 若同时使用根据两种坐标系统测制的地形图的情况下 必然会涉及54坐标向80坐标转换的问题 30 美国国防部在1984年建立了世界大地测量坐标系统 WorldGeodeticSystem 简称WGS 84坐标系统 是目前国际上统一采用的大地坐标系 WGS 84坐标系统所使用的地球椭球体 称为WGS 84椭球体 目前GPS定位所得出的结果都属于WGS 84坐标系统 而在工程中使用的大多是国家坐标系 因此要建立WGS 84和国家坐标系之间的转换模型 目前已有坐标转换模型可求得WGS 84和国家坐标系之间的转换参数 进而得到国家坐标系成果 31 图2 1地球的自然表面 大地水准面面和地球椭球体之间的关系 32 其他数学模型 为了解决特定的大地测量问题而提出的 如类地形面 Tel1uriod 准大地水准面 静态水平衡椭球体等 33 2 2 2土地信息的空间参考系空间参考系 主要指大地参考系 是指用数学方法来定义地面实体在通用坐标系中的绝对位置和大小 大地参考系的基础是地球椭球体 常用的大地参考系有 地理坐标系空间大地直角坐标系平面直角坐标系 同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式 一种形式实际上就是一种坐标系 34 地理坐标系 以经纬和纬度表示地面点位置的球面坐标系 地理坐标系 地理坐标根据参考基准不同可分为 大地经纬度 天文经纬度 35 图2 2大地经纬度的起算基准 大地经纬度以参考椭球面和法线作为基准面和基准线 天文经纬度是以水准面和铅垂线为基准面和基准线 说明 天文经纬度是实测的 和重力有关 而一般的经纬度是在假想的椭球面上的大地控制网中推算出来的 是一种数学上的规则东西 36 大地经度 观测点大地子午面与起始大地子午面之间的两面角 大地纬度 观测点椭球垂直线 法线 与赤道面之间的夹角 天文经度 观测点子午面与起始天文子午面之间的两面角 天文纬度 观测点铅垂线 重力线 与赤道面之间的夹角 经度向东量度为东经 正 向西量度为西经 负 其值各为0 180 纬度向北量度为北纬 正 向南量度为南纬 负 其值各为0 90 比如 我国地处东半球 又处于北半球 所以我国地域内各点的地理坐标都是东经和北纬 如北京某地点的地理坐标为东经116 28 北纬39 54 37 空间大地直角坐标系 图2 3空间大地直角坐标系 38 运用地图投影的方法 建立地球表面和平面上点的函数关系 使地球表面上任意一个由地理坐标确定的点 在平面上必有一个与其相对应的点 平面上任一点的位置可以用极坐标或直角坐标表示 我国目前采用高斯 克吕格投影来建立地球表面和平面上点的函数关系 平面直角坐标系 o X Y 39 空间点的高程是以大地水准面为基准建立的 大地水准面又由地球重力场决定 由于地球重力场的复杂性 大地水准面不能惟一确定 各国或地区均是选择一个平均水平面来代替它 以建立高程基准 我国有1956年黄海高程系 原点高程值为72 289m 和1985年国家高程基准 原点高程值为72 260m 转换关系为 H85 H56 0 029 式中 H85 H56一一新旧高程基准原点的正常高程 在建立LIS时 若采用不同高程基准的地形图或工程图做基础数据时 应将高程基准全部统一到1985年国家高程基准 高程参考系统 40 GIS中常用的坐标系是与地图测绘密切相关的地理坐标系和平面直角坐标系 41 为什么进行地图投影 采用平面直角坐标系较符合人们的习惯 但直接把大地坐标系展平作为直角坐标系时 不能正确表示各地面景物的形状 大小和相互关系 图形失真较严重 什么是地图投影 地图投影就是指建立地球表面上的点与投影平面上的点之间的一一对应关系 2 3地图投影 图2 4地图投影 摘自UnderstandingGIS 42 地图投影变形形式 长度变形 地图上的经纬线长度并非都是按照同一比例缩小的 面积变形 地图上经纬度线网格面积不是按照同一比例缩小的 角度变形 地图上角度与相应景物在球面上的相应角度不相等 43 图2 5地图投影变形 44 地图投影的选择 高斯 克吕格投影采用高斯横圆柱投影的方法来建立平面直角坐标系统 称为高斯平面直角坐标 在我国 除1 1000000地形图采用Lambert 正轴等角割圆锥 投影外 其余基本比例尺地图 1 500000 1 250000 1 100000 1 50000 1 25000 1 10000 1 5000 均采用高斯 克吕格 横轴等角切椭圆柱 投影 45 投影的基本思想 设想用一个大小合适的椭圆柱面 横套在参考椭球体的外面 如下图左所示 地球表面上只有一条子午线与柱面相切 在保持投影前后相应图形等角的条件下 将球面上的图形投影到柱面上 然后将柱面沿着过南北极的母线切开 并展成平面 就得一张平面图形了 球面上的点与平面上的点建立起一一对应的关系 如下图右所示 相切的那条子午线 投影后为直线 长度不变 它两边的子午线投影后为凹向相切的子午线 长度变长 距离相切子午线愈远则变形愈大 投影结果为中央经线和赤道投影都成直线 若以中央经线的投影作为纵坐标轴 X 赤道投影作为横坐标轴 Y 两投影的交点作为坐标原点 O 正好构成平面直角坐标系 46 投影带的划分 由上所述 高斯投影的最大变形处为各投影带在赤道边缘处 为了控制变形 我国地形图采用分带方法 即将地球按一定间隔的经差 6 或3 划分为若干相互不重叠的投影带 各带分别投影 1 2 5万至1 50万的地形图均采用6 分带方案 即从格林尼治零度经线起算 每6 为一个投影带 全球共分为60个投影带 我国领土位于东经72 到136 之间 共包括11个投影带 13 23带 1 1万及更大比例尺地形图采用3 分带方案 全球共分为120个投影带 我国包括21个投影带 25 45带 下图为高斯投影6 和3 带分带方案 47 注意 我国位于北半球 全部X值都是正值 在每个投影带中则有一半的Y坐标值为负 为了避免Y坐标出现负值 规定纵坐标轴向西平移500km 半个投影带的最大宽度不超过500km 又为了区别各带坐标的不同 规定在Y值 己加500km 的前面冠以带号 这种坐标称为国家统一坐标 在实际计算时 要去掉带号并减去500Km恢复原来的数值 如 某点Y 19123456 789m 该点位于19带内 其相对于中央子午线而言的横坐标是 首先去掉带号 再减去500KM 最后得y 376543 211m 需要特别注意 在实际使用中部分数据的y坐标不包括带号 但未减去500km 48 地形图中 读取控制点的坐标 图中红色点的控制点坐标为 564000 2776000 单位 米 49 思考题 下图中红色点的平面坐标 50 高斯 克吕格投影 高斯 克吕格投影的换带 由于每个带分别建立自己的坐标系 且各带坐标系上相互独立 当覆盖范围跨越不同带时应以一个带为主 将相邻带的坐标换算成本带的坐标 这就是换带问题 1 直接换带 X1 Y1 一 L B 一 X2 y2 2 间接换带 根据专门的换带表按一定的公式查表计算 由于目前计算机应用普及 换带计算一般采用编程方式由计算机自动实现 51 2 4 1地图分幅 2 4地图分幅与编号 矩形分幅每幅地图的图廓都是一个矩形 因此 相邻图幅是以直线划分的 可分为拼接的和不拼接的两种 经纬线分幅 梯形分幅 地图的图廓由经纬线构成 这是当前世界各国地形图和大区域的小比例尺分幅地图所采用的主要分幅形式 我国的基本比例尺地图就是以经纬线分幅制作的 52 2 4 2我国基本比例尺地形图的分幅与编号 70 80年代我国基本比例尺地形图的分幅编号 图2 51 100万地图的分幅编号 在国际规定1 100万地形图基础上 按经纬度进行分幅编号 53 表2 170 80年代国家基本比例尺地形图分幅编号表 54 以1 100万为基础分 例J 50 1 100万 J 501 50万 2 2等分100万图 J 50 A1 20万 6 6等分100万图 J 50 32 1 10万 12 12等分100万图 J 50 144 55 以1 10万为基础再分 例J 50 5 1 2 A B C D 1 2 3 4 1 5万 2 2等分10万图 J 50 5 A1 2 5万 2 2等分5万图 J 50 5 A 41 1万 8 8等分10万图 J 50 5 64 56 90年代我国基本比例尺地形图的分幅编号 方法 按1991年制订的国家