第二章空间信息基础

2020 4 7 1 地理信息系统基础 主讲教师 王卫红 2020 4 7 2 第二章空间信息基础 常规的地理空间信息描述法地理信息数字化描述法空间数据的类型和关系元数据思考与练习 2020 4 7 3 1常规的地理空间信息描述法 地球空间模型地理空间坐标系的建立地图投影地图比例尺空间实体的地图表达 2020 4 7 4 1 1地球空间模型 大地水准面与大地体旋转椭球面与旋转椭球体 2020 4 7 5 地球的自然形体 2020 4 7 6 水准面 液体受重力而形成的静止表面 称为水准面 水准面是一个重力等位面 2020 4 7 7 水准面的特性 1 水准面上任一点的铅垂线都与水准面相正交 2 是不规则的表面 受地球内部质量分布不均匀的影响 有无穷多个 3 水准面与铅垂线可作为野外实地采集空间数据的基准面和基准线 4 同一水准面上的重力位能处处相等 2020 4 7 8 大地水准面和大地体 与平静的平均海水面相重合 并延伸穿过陆地而形成的封闭曲面称为大地水准面 大地水准面所包裹的球体叫大地体 大地水准面是不规则曲面 无法准确描述和计算 也难以在其上处理测量成果 2020 4 7 9 总椭球体与WGS84椭球体 1 用一非常接近大地水准面的数学面 旋转椭球面代替大地水准面 用旋转椭球体描述地球 与大地体最接近的椭球体 叫做总地球椭球体 简称总椭球体或总椭球 其表面叫做总椭球面 2020 4 7 10 总椭球体与WGS84椭球体 2 总椭球体必须满足以下几个几何条件 1 总椭球体的中心应与地球质心重合 2 总椭球体的旋转轴应与地轴重合 赤道应与地球赤道一致 3 总椭球体的体积应与大地体的体积相等 大地水准面与总椭球面之间的高差平方和最小 4 总椭球体的总质量应等于地球的总质量 5 总椭球体的旋转角速度应等于地球的旋转角速度 1984年国际大地测量与地球物理联合会通过的模拟地球的椭球体 WGS84椭球体 是目前应用比较广泛的总椭球体 全球定位系统GPS观测采用的就是该椭球体 2020 4 7 11 参考椭球体 推求在全球范围内与大地水准面符合最好的总椭球体 需要运用全球范围内的观测资料 这是很难做到的 因而只能做到椭球面与所用资料区域的局部大地水准面密切符合 测量学上称这样的椭球体为参考椭球体 简称参考椭球 理论上总椭球只有一个 而参考椭球可有无数个 它们都不尽相同 仅用某国或某区域的天文 大地和重力测量资料推算 我国采用的椭球体 我国1952年前采用的海福特椭球 1953年起改用克拉索夫斯基椭球 1978年后开始采用1975年由国际大地测量与地球物理联合会 IUGG 颁布的参考椭球体 并以此建立了我国新的大地坐标系 1980年国家大地坐标系C80 2020 4 7 12 地球空间模型 地球表面 大地水准面 2020 4 7 13 1 2地理空间坐标系的建立 要确定一个点的空间位置 实际上可以通过确定这个点在某基准面上的投影及该点沿基准线到该基准面的距离来进行 野外实地采集空间数据采用的基准面和基准线分别是大地水准面和与之垂直的重力线 铅垂线 内业计算采用的基准面和基准线分别是旋转椭球面和与之垂直的法线 2020 4 7 14 坐标和高程 采用不同的基准面和基准线 可以建立不同的坐标系对地面点进行定位 一般确定某点在基准面上的投影位置可以采用大地坐标 天文坐标和 高斯 平面直角坐标 而确定某点沿基准线到基准面的距离可以采用大地高和正高 要确定一个空间点的位置 实际上就是要确定其坐标和高程 1 2坐标系统 2020 4 7 15 地理坐标系 分别以旋转椭球面和法线为基准面和基准线的球面坐标 称为大地经度L和大地纬度B 分别以大地水准面和铅垂线为基准面和基准线的球面坐标 称为天文经度 和天文纬度 1 2坐标系统 2020 4 7 16 平面直角坐标系统 直接建立在椭球面上的大地地理坐标 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 地图投影 1 2坐标系统 2020 4 7 17 为什么要进行投影 地理坐标为球面坐标 不方便进行距离 方位 面积等参数的量算 地图为平面 符合视觉心理 并易于进行距离 方位 面积等量算和各种空间分析 1 2坐标系统 2020 4 7 18 1 3地图投影 定义投影变形投影分类GIS中的地图投影我国常用的投影方法通用横轴墨卡托投影SuperMapDeskpro5的地图投影SuperMapDeskpro5的坐标系 2020 4 7 19 地图投影的定义 将地球椭球面上各点的大地坐标 按照一定的数学法则 变换为平面上相应点的平面直角坐标 称为地图投影 所谓地图投影 也就是建立大地坐标 L B 与对应点的平面坐标 x y 之间的函数关系 当给定不同的具体条件时 将得到不同类型的投影方式 1 3地图投影 2020 4 7 20 投影变形 地球椭球体为不可展曲面 将不可展的地球椭球面展开成平面 并且不能有断裂和重叠 则图形必将在某些地方被拉伸 某些地方被压缩 故投影变形是不可避免的 长度变形面积变形角度变形 1 3地图投影 2020 4 7 21 投影分类 变形分类 等角 正形 投影 投影前后角度不变等面积投影 投影前后面积不变 任意投影 角度 面积 长度均变形投影面 椭圆柱投影 投影面为椭圆柱圆锥投影 投影面为圆锥方位投影 投影面为平面投影面位置 正轴投影 投影面中心轴与地轴相互重合斜轴投影 投影面中心轴与地轴斜向相交横轴投影 投影面中心轴与地轴相互垂直相切投影 投影面与椭球体相切相割投影 投影面与椭球体相割 1 3地图投影 2020 4 7 22 GIS中的地图投影 GIS主要以地图方式显示地理信息 而地图是平面 地理信息则在地球椭球上 因此地图投影在GIS中不可缺少 GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时 则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标 而输出或显示时 则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标 GIS中 地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式 但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时 一般采用国家基本系列地图所用的投影 1 3地图投影 2020 4 7 23 我国常用地图投影 1 100万 兰勃投影 正轴等积割圆锥投影 大部分分省图 大多数同级比例尺也采用兰勃投影1 50万 1 25万 1 10万 1 5万 1 2 5万 1 1万 1 5000采用高斯 克吕格投影 1 3地图投影 2020 4 7 24 以椭圆柱为投影面 使地球椭球体的某一经线与椭圆柱相切 然后按等角条件 将中央经线两侧各一定范围内的地区投影到椭圆柱面上 再将其展成平面而得 由德国数学家 天文学家高斯及大地测量学克吕格共同创建 高斯 克吕格投影 等角横切椭圆柱投影 1 3地图投影 2020 4 7 25 高斯 克吕格投影无角度变形 中央经线无长度变形 为保证精度 采用分带投影的方法 经差6 或3 分带 长度变形 0 14 1 3地图投影 2020 4 7 26 高斯 克吕格直角坐标 yA 245863 7myB 168474 8m yA通 20745863 7myB通 20331525 2m 1 3地图投影 2020 4 7 27 通用横轴墨卡托投影 UTM UniversalTransverseMercator 投影 1 以横轴椭圆柱面割地球于南纬80度 北纬84度两条等高圈 按等角条件 将中央经线两侧各一定范围内的地区投影到椭圆柱面上 再将其展成平面而得 1 3地图投影 2020 4 7 28 此投影无角度变形 中央经线长度比为0 9996 距中央经线约 180km处的两条割线上无变形 长度变形 0 04 该投影将地球划分为60个投影带 每带经差为6度 从180度经线开始向东将这些投影带编号 从1编至60 北京处于第50带 UTM南半球投影除了将纵轴西移500公里外 横轴还南移10000公里 也可采用3 分带 通用横轴墨卡托投影 UTM UniversalTransverseMercator 投影 2 1 3地图投影 2020 4 7 29 SuperMapDeskpro5的地图投影 SuperMapGIS5桌面产品的投影子系统包含了国内外常见的40种基本投影类型 具有从地理坐标转换到投影坐标的正算和从投影坐标到地理坐标的反算功能 使用户能够充分利用现有的不同坐标系统的数据源 1 3地图投影 2020 4 7 30 SuperMapDeskpro5的坐标系 SuperMapGIS5桌面产品的投影系统不仅提供丰富 便捷的投影坐标系 而且提供不带投影系统的普通平面坐标系 系统缺省坐标系 和直接使用经纬度的地理坐标系 投影坐标系 适合于需要在平面坐标系统中进行显示和操作的地图 也可以对具有不同投影的多种数据源进行投影系统的相互转换 1 3地图投影 2020 4 7 31 建立坐标系 1 新建数据源时 坐标系可以新建也可以复制 SuperMapDeskpro5的投影坐标系 有用户自定义投影系和预定义投影系两类 在SueprMapDeskpro投影设置中 默认的高斯克吕格带号都是按照6度分带设定的 如果想用3度分带 需要进行自定义设置 1 3地图投影 2020 4 7 32 建立坐标系 2 预定义投影坐标系统是已经设定好投影方式 投影所依赖的地理坐标系 坐标单位以及所用到的投影参数 使用时只要根据制图区域选择合适的坐标系即可 1 3地图投影 2020 4 7 33 投影变换 转换数据源投影 不同投影间的变换过程通常不是完全可逆的 每种投影都被设计用于减少给定区域在给定特性上的变形量 因而各种投影有一定的适用范围 在进行投影变换时 应尽可能在相近坐标系范围间进行变换 否则投影变换结果的精度难以保证 1 3地图投影 软件演示 2020 4 7 34 1 4地图比例尺 地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系 比例尺的含义 确定比例尺要考虑的因素纸质地图 内容 概括程度 数据精度等 GIS 数据精度 我国地图比例尺分级系统 大比例尺 1 500 1 10万中比例尺 1 25万 1 50万小比例尺 1 100万 2020 4 7 35 1 5空间实体的地图表达 空间实体类型点实体线实体面实体体实体空间实体的地图表达 2020 4 7 36 1 5 1空间实体类型 空间对象一般按地形维数进行归类划分点 零维线 一维面 二维体 三维空间对象的维数与比例尺相关 1 5空间实体的地图表达 2020 4 7 37 1 5 2点实体 有位置 无宽度 长度和高度 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 1 5空间实体的地图表达 2020 4 7 38 1 5 3线实体 有长度 但无宽度和高度 香港城市道路网分布 2020 4 7 39 1 5 4面实体 具有长和宽 但无高度的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形一般分为连续面和不连续面 中国土地利用分布图 不连续面 2020 4 7 40 面实体 续 连续变化曲面 如地形起伏 整个曲面在空间上曲率变化连续 不连续变化曲面 如土壤 森林 草原 土地利用等 属性变化发生在边界上 面的内部是同质的 1 5空间实体的地图表达 2020 4 7 41 1 5 5体实体 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 2020 4 7 42 1 5 6空间实体的地图表达 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 面 位置 x1 y1 x2 y2 xi yi xn yn 属性 符号变化等值线 本节结束 2020 4 7 43 2地理信息数字化描述方法 地图是地理实体的传统载体 具有存储 分析与显示地理信息的功能 因其直观 综合的特点 曾经是地理实体的主要载体 但随着人们对地理信息需求量的增加及对其需求质量和速度的提高 再加之计算机技术的发展 使得用计算机管理空间信息 建立地理信息系统成为可能 2020 4 7 44 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 2020 4 7 45 栅格结构 显性描述 p22 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 2020 4 7 46 空间实体的遥感影像表达 遥感传感器平台 传感器 2020 4 7 47 矢量结构 隐性描述 P23 点状地物的位置用其所在位置的一对坐标表示 线状地物的位置用一组有序的坐标对来表示 面状地物的位置用组成面状地物边界的闭合矢量线段来表示 其属性值都要用其它的数据项来表示 本节结束 2020 4 7 48 3空间数据的类型和关系 空间数据的基本特征空间数据的类型空间数据的拓扑关系 2020 4 7 49 3 1空间数据的特征 空间特征 描述空间对象的地理位置以及相互关系 属性特征 描述空间对象的特性 即是什么 如对象的类别 等级 名称 数量等 时间特征 描述空间对象随时间的变化 2020 4 7 50 3 2空间数据的类型 点 线 面数据 按其表示内容可以分为七种不同的类型 参见P27 类型数据面域数据网络数据样本数据曲面数据文本数据符号数据 2020 4 7 51 2020 4 7 52 3 3空间对象的拓扑关系 拓扑元素基本拓扑关系空间拓扑关系表达 关系表拓扑关系的作用点 线 面之间的空间关系 2020 4 7 53 3 3 1拓扑元素 结点 两条或多条弧段 链 的拓扑连接点 或一条弧段 链 的端点 弧段 链 结点之间的拓扑关联 是一个无分支而有方向的序列 两端以结点为界 而这两个结点不一定相异 多边形 在二维平面中由封闭弧段包围的区域 2020 4 7 54 3 3 2基本拓扑关系 邻接 同类拓扑元素之间的拓扑关系 关联 不同类拓扑元素之间的拓扑关系 包含 同类但不同级元素之间的拓扑关系 2020 4 7 55 3 3 3空间拓扑关系表达 关系表 表2 1多边形与弧段的拓扑关系多边形弧段P1a b c gP2b d fP3c f eP4g 表2 2结点与弧段的拓扑关系结点弧段Aa c eBa d bCd e fDb f cEg 表2 3弧段与结点的拓扑关系弧段结点aA BbB DcD AdB CeC AfC DgE E 表2 4弧段与多边形的拓扑关系弧段左多边形右多边形aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1 2020 4 7 56 3 3 4拓扑关系的作用 根据拓扑关系 不需要利用坐标或距离 就可以确定某空间实体相对于另一空间实体的位置关系 拓扑关系具有比几何数据更大的稳定性 不随地图投影而变化 利用拓扑关系便于空间要素的查询 可以根据拓扑关系重建地理实体 关于其算法可参见 地理信息系统概论 修订版 黄杏元等 2001年12月 高等教育出版社P39 41 2020 4 7 57 点 线 面之间的空间关系 3 3 5 本节结束 2020 4 7 58 4元数据 对空间数据的有效生产和利用 要求空间数据的规范化和标准化 以利于数据的交换 更新 检索 数据库集成以及数据的二次开发利用等 meta 是一希腊语词根 意思是 改变 Metadata 一词的原意是关于数据变化的描述 一般都认为元数据就是