第2章 空间信息基础

第二章空间信息基础 第一节GIS的地学基础 地球模型坐标参考系统地图投影地图比例尺地理数据特征地图对地理现象表达遥感影像对地理现象表达 地理信息系统中的空间 地理空间 geo spatial 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 地理信息系统中的空间常用地理空间表述 一般包括地理空间定位框架及其所连接的特征实体 地理空间定位框架即大地测量控制 有平面控制网和高程控制网构成 为所有地理数据的坐标位置提供了一个通用参考系 GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中 以实现不同来源数据的融合 连接与统一 地球表面几何模型的建立 最自然的面 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 大地水准面 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 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不可能是十分规则的表面 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 椭球体模型 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 地球的近似 地球并不是规则的圆球椭球 ellipsoid 长半轴 a 短半轴 b 扁率 f a b a地理坐标 地球模型 地球表面 大地水准面 国家大地坐标系 1980 基准面 datum IUGG75椭球 spheroid a 6378140mb 6356755mf 1 298 257坐标原点 西安原点 设在陕西省泾阳县永乐镇其他坐标系 1954北京坐标系 地理空间坐标系 地理坐标系是以地理极 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 地图投影 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球椭球体为不可展曲面地图为平面 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 地图是2维的 以x y坐标表示地球表面是3维的 以纬度和经度表示怎样实现3维向2维的的转变 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 地图投影 MapProjections 将地理坐标 经纬度 从球面空间转换成平面空间的直角坐标的数学方法 投影坐标系 又称平面直角坐标系建立在某种特定的地图投影基础上2维笛卡尔坐标 x y 地图投影 投影实质 建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础 也就是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 当给定不同的具体条件时 将得到不同类型的投影方式 地图投影 投影变形 将不可展的地球椭球面展开成平面 并且不能有断裂 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 地图投影 投影分类 变形分类 等角投影 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 横圆柱投影 投影面为横圆柱圆锥投影 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 地图投影 投影选择因素 制图区域的地理位置 形状和范围制图比例尺地图内容出版方式 地图投影 GIS中地图投影 GIS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 地图投影 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 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纸质地图 内容 概括程度 数据精度等GIS 数据精度比例尺的含义 制图区域较小 采用各方面变形都较小的地图投影 图上各处的比例是一致的 故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例 制图区域较大时 地图投影比较复杂 地图上长度因地点和方向的不同而有所变化 这种地图比例尺一般是指在地图投影时 对地球半径缩小的比率 称为主比例尺 地图经过投影后 体现在图上只有个别点线没有长度变形 也就是说 只有在这些长度没有变形的点或线上 才可用地图上注明的比例尺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 10万 1 100万小比例尺 1 100万无级比例尺概念 高程控制网 高程系统 描述空间点在垂直高度上的特性 高程 由高程基准面起算的地面点的高度 1956年黄海高程系 1985年国家高程基准面 地理实体 空间实体 指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元 它是一个具体有概括性 复杂性 相对意义的概念 理解 地理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 南京是一个点 这个点不能再分割 因此可以把南京定为一个空间实体 而在大比例尺的南京市地图上 许多房屋 街道都要表达出来 所以南京必须再分割 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 空间对象 实体 的地图表达 空间对象 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 三维时间 通常以第四维表达 但目前GIS还很难处理时间属性 空间对象的维数与比例尺是相关的 点实体 有位置 无宽度和长度 抽象的点 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 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 香港城市道路网分布 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 空间对象 面 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 空间对象 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 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 空间对象 实体 的遥感影像表达 遥感传感器平台 传感器 第二节地理信息数字化描述方法 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 矢量 Vector vs 栅格 Raster Vector 用于实现对象模型PointLinePolygon Raster 用于实现场模型Grids TIN etc Contour 简单要素表达 矢量数据结构 矢量数据结构 VectorDataStructure 现实世界中的对象可以描述为点 线 面3种形式points标识位置lines连接点areas polygons 链接线利用点的x y坐标集合来进行点 线 面的表达 点 Point 0维没有长度和宽度 只有空间位置x y坐标又称node或vertex 实体点 注记点 标识点 Vertex 线 Line 1维具有长度和空间位置由沿着某路径上点的x y坐标串组成又称edges或links如 道路 河流 面 Area 2维 长度和宽度 具有面积和周长属性由边界线组成 边界上点的坐标串 又称polygon如 行政分区 水体 矢量数据结构发展 ESRI Inc ARC INFO coveragesArcViewGIS shapefilesArcGIS geodatabaseARC INFOandArcViewGIS地理关系数据模型空间数据和属性数据分开存储 通过标识码进行连接ArcGISis面向对象数据模型空间数据和属性数据存储在一起 不相互分离 简单数据结构 非拓扑矢量数据Shapefile ESRI 公共边界上的弧段重复存储优势显示更迅速更通用 利于数据互操作 为何采用栅格数据结构 Vectors point line area矢量有利于空间位置明确的离散要素的表达 而不能对连续数据进行较好的表达更好的方式是采用raster数据模型如 DEM 卫星影像 数字正射影像图 扫描地图 图形表达 栅格结构用规则的正方形 或三角形 多边形 将地理区域划分为网格 Grid 阵列 点 由单个栅格表达 线 由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达 面 由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达 基本要素 位置由行 Rows 列 Columns 号定义属性为栅格单元 Cells Pixels 的值 原点 栅格单元位置 左上角行 y坐标列 x坐标每个栅格单元由行 列位置进行定义 栅格单元大小 分辨率较大的栅格单元大小具备较低的精度原则 应能有效地逼近空间对象的分布特征 又减少数据的冗余度 栅格数据特点 栅格的空间分辨率指一个像元在地面所代表的实际大小对于同一图形 随着分辨率增大 存储空间也随之增大表达空间目标 计算空间实体相关参数的精度时分辨率越高 精度越高非常适合进行空间分析不适合进行比例尺变化 投影变换等 栅格数据类型 卫星影像DEM数字正射影像图数字栅格图GIS软件特定栅格图 矢量与栅格的比较 第三节空间数据的类型和关系 空间数据的特征属性特征 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 空间特征 描述空间对象的地理位置以及相互关系 又称几何特征和拓扑特征 前者用经纬度 坐标表示 后者如交通学院与电力学院相邻等 时间特征 描述空间对象随时间的变化 地理数据的类型 1 类型数据例如考古地点 道路线和土壤类型的分布等 2 面域数据例如随机多边形的中心点 行政区域界线和行政单元等 3 网络数量例如道路交点 街道和街区等 4 样本数量例如气象站 航线和野外样方的分布区等 5 曲面数据例如高程点 等高线和等值区域 6 文本数据例如地名 河流名称和区域名称 7 符号数据例如点状符号 线状符号和面状符号等 空间对象的空间关系表达 描述空间对象之间的空间相互作用关系方法绝对关系 坐标 角度 方位 距离等 相对关系 相邻 包含 关联等相对关系类型拓扑空间关系 描述空间对象的相邻 包含等顺序空间关系 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 度量空间关系 描述空间对象之间的距离等 地图 遥感影象上的空间关系是通过图形识别的 在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达 空间关系的描述多种多样 目前尚未有具体的标准和固定的格式 但基本原理一致 不同的GIS可能采用不同的方法进行描述 空间数据的拓扑空间关系 基于点集拓扑理论拓扑元素 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基本拓扑关系关联 不同拓扑元素之间的关系邻接 相同拓扑元素之间的关系包含 面与其他元素之间的关系层次 相同拓扑元素之间的层次关系拓扑元素量之间的关系 欧拉公式点 线 面之间的拓扑关系 空间拓扑关系表达 关系表 表2 1面域与弧段的拓扑关系面域弧段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弧段与面域的拓扑关系弧段左邻面右邻面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1 拓扑关系的意义 确定实体间的空间位置关系有利于空间要素的查询可以重建实体 空间对象 自相关特征 空间对象在属性上存在相关性 两空间对象越接近 其值也越接近 反之亦然 相关类型负相关 位置越接近 属性值相差越远正相关 位置越接近 特征也越接近不相关 属性与空间位置无关 A 高度空间负向相关 B 无规律分布 C 空间独立 D 空间聚类现象 E 高度正向相关 第四节元数据 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 关于数据的数据 元数据的主要作用 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据 建立数据文档提供有关数据生产单位数据存储 数据分类 数据内容 数据质量 数据交换网络 clearinghouse 及数据销售等方面的信息 便于用户查询检索地理空间数据提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径 以及与数据交换和传输有关的辅助信息帮助用户了解数据 以便就数据是否能满