地理信息系统笔记整理全

1第一章地理信息系统概说数据与信息数据（DATA）是未经过加工的原始材料，是客观对象的表示。信息（INFORMATION）是对数据的解释、运用与解算，是数据内涵的意义。数据处理对数据进行收集、筛选、排序、归并转换、存储、检索、计算、分析、模拟和预测等操作。信息的特点客观性、适用性、传输性、共享性。地理信息是表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息的特征体现在区域性、多层次性和动态变化上空间位置通过公共地理参考来描述地物所在位置，如大地参照系、地物间的相对位置。多维结构在二维空间的基础上，实现多专题的第三维的信息结构。时序特征指地理数据采集或地理现象发生的时刻/时段。地理信息系统由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。物理外壳计算机化的技术系统操作（处理）对象空间数据。技术优势在于它的混合数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段、以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等。对GIS的三种认识地图观点强调GIS作为信息载体与传播媒介的地图功能。数据库观点强调数据库系统在GIS中的重要作用。分析工具的观点强调GIS的空间分析与模型分析功能，认为GIS是一门空间信息科学，这是其有别与其它系统的唯一特征。GIS概念框架和构成数据库建立和数据库输入用户界面系统和数据库管理空间数据处理和分析产品生成和输出地理信息系统的分类、地理信息系统2GIS的基本构成硬件；软件；数据；人员；方法硬件计算机是GIS硬件的核心，GIS软件可以在从中央服务器到桌面计算机，从单机到网络环境上运行。GIS的外部设备包括；输入、输出设备，数据存储和传输设备，网络设备。它能影响到处理的速度，使用的便捷性和可用的输出类型。软件GIS软件是系统的核心，它提供GIS所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的组分有1输入和处理地理信息的工具2数据库管理系统DBMS3支持地理查询、分析和视觉化的工具4容易使用这些工具的图形化界面GUI软件不仅包括GIS软件，还包括各种数据库、绘图、统计、图象以及其它软件。数据GIS系统中最重要的部件就是数据，它也是GIS的操作对象。地理数据和相关的表格数据可以自己采集或者购买商业数据。GIS将把空间数据和其他数据源的数据集成在一起，而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系统，来管理空间数据。数据的可用性和精确性将最终影响到分析或查询的结果。地理数据的组成要素几何位置表示地理要素与现实世界位置的联系，地理要素抽象为点、线、面。属性表示地理要素的描述性信息。行为取决于用户定义的环境，表示可以对地理要素进行某些编辑、显示、分析操作。人员这是GIS最重要的要素，人必须开发程序，定义GIS任务，人们经常会克服GIS其它要素的不足。但事实上，世界上最好的软件和硬件都有无法弥补的缺憾。GIS技术如果没有人来管理系统和制定计划应用于实际问题，将没有什么价值。GIS的用户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该系统并完成他们每天工作的人员。GIS组织数据的方法GIS以专题分层的方式存贮信息，各层可以按地理特征联系起来。各层具有相同的地理范围；每层具有相似的属性。13GIS的基本功能数据采集（CAPTUREDATA）GIS提供多种地理数据和属性数据的输入方法，可用的数据方法越多，则GIS的通用性越广。地理数据库是昂贵和生存期最长的GIS要素。数据存储（STOREDATA）GIS能够用矢量和栅格两种格式存储地理数据。数据查询（QUERYDATA）GIS必须提供根据位置或属性值确定某些特定要素的工具。数据分析（ANALYZEDATA）3GIS能够回答有关各种数据集之间空间关系的问题。最常见的两种邻近分析（PROXIMITYANALYSIS）叠加分析（OVERLAYANALYSIS）数据显示（DISPLAYDATA）GIS提供以各种颜色符号可视化显示地理要素的工具。数据输出（OUTPUTDATA）显示的结果将能够以各种格式，如地图、报表、图表的形式输出。14与GIS相关的科学与技术是传统科学与现代技术的结合。地图学与GIS的区别地图强调的是数据载体、符号化与显示，而GISS则注重于信息分析。同时，地图学理论与方法对GISS的发展有重要的影响，并成为GISS发展的根源之一。15GIS的主要应用领域世界各国的政府部门、商业机构、学术团体已广泛采用GIS。美国三里岛核事故中，USGS应用GIS及时作出判断与决策加拿大应用CGIS于70年代完成全国土地资源潜力的评价。GIS可应用于任何涉及空间数据分析处理的领域，尤其是资源与环境的调查、规划和管理方面。资源调查与分析是GIS应用最广泛的领域和趋于成熟的方面野生动植物保护、洪泛平原、湿地、农田蓄水层、森林等管理。视域分析；有毒或有害设施定址；地下水模拟和有害物质跟踪；野生动物栖息地分析、迁移路线规划。全球信息化是社会发展的必然趋势，地理信息是各种信息中最重要的基础信息，关系到经济建设、国防建设、人们的生活质量和社会可持续发展。GIS系统可广泛应用于土地管理、城市规划、智能化交通、精准农业环境污染、土地荒漠化及其时空变化海洋、河流与水资源、森林、草场等自然资源现状及变迁情况地下矿藏的空间结构、储量，如何开采这些矿藏最有利于可持续发展南水北调选线方案等国家重大基础建设项目的三维仿真军用三维电子地图、远程精确制导、打击效果评估16GIS发展历史的回顾国外六十年代与计算机图形学的关系，应用主要针对城市和土地利用，局部的算法研究七十年代应用的发展，软件的成熟，与遥感的结合；1969年ESRI和INTERGRAPH成立八十年代DBMS成熟与GIS的结合，各方面的算法完善，微机GIS九十年代社会化阶段，3S集成应用，网络发展417GIS可以回答的问题位置（LOCATION）WHATISAT要找出在某一特定的位置上存在什么。这个位置可以是地名、邮政编码、地理坐标等。条件（CONDITION）WHEREISIT要找出在什么地方有满足某些条件的东西。它是第一个问题的变换，要求通过空间分析加以回答。如找出在某一公路100米以内，土壤条件适合建筑，面积大于2000M2的无林地。趋势（TRENDS）WHATHASCHANGEDSINCE这一问题同前两个问题都有关，它是要寻求发现某一范围在时间上的变化。第二章地理空间参照系统与地图投影21地理空间“空间”（SPACE）概念物理学空间是指宇宙在三个相互垂直方向上所具有的广延性。天文学空间是指时/空连续体的一部分。地理学空间（GEOGRAPHICSPACE）是指物质、能量、信息的存在形式在空间形态、结构过程、功能关系上的分布、格局及其在时间上的延续。地理空间的概念GIS中的空间概念常用“地理空间”来表达。地理空间上至大气电离层、下至地幔莫霍面。它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程就发生在这里。地理空间既可以是具有属性描述的空间位置的集合（由一系列的空间坐标值组成）；也可以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构成）。地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的理论基础。地图传统的地理信息表达方式现实地理世界抽象模型点（位置）高程点,控制点,三角点,地形特征点水井位,水泉位,油井位,钻井位站台,车站,水文站,气象站,天文台,地震台乡镇驻地线由点与点之间步长、方向确定交通线铁路线,公路线,高速公路线,道路线水系干流,支流,渠系等值线等高线,等温线,等压线,等径流线边界线国界线,省界线,流域线,海岸线,岸边线临界线区域界线,自然地带分界线,经济带分界线5阈值线植物生长阈值线多边形由线封闭的面积,构成地理类型或地理区域土地利用耕地,园地,草地,林地,水域,城镇,荒地地貌类型高原,山地,丘岭,平原植被类型针叶林,阔叶林,混交林土壤类型棕壤,褐土,黄壤,红壤流域面积小流域区域面积行政区,经济区,自然保护区,特区表面（场）地图描述地理信息的方式1符号和注记2空间关系隐含基本地图比例尺比例尺等级有级1100,1200,1500,11000,12000150000,1100000,12000001500000,11000000,12000000,1400000018000000,110000000,120000000,1500000001100000000全世界一览无遗22地球椭球体基本要素地球的形状（大地测量学将地球表面的几何模型分四类）地球的实际表面最自然的面。地球自然表面起伏不平、十分不规则，无法用数学公式表达和运算，不适宜数字建模，所以在量测与制图时，必须找一个规则的曲面来代替地球的自然表面。大地水准面相对抽象的面。地球表面的72被流体状态的海水所覆盖。假设，当海洋处于完全静止的平衡状态时，一个静止的平均海水面延伸到所有陆地下部，与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面。大地水准面所包围的形体，叫大地球体。由于地球体内部质量分布不均，引起重力方向的变化，导致大地水准面成为一个形状十分复杂，不能用数学表达的不规则曲面。从整体来看，大地水准面起伏微小，是一个很接近于绕自转轴（短轴）旋转的椭球体，通常称地球椭球体。模型以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型，三轴椭球体模型在数学上可行，又十分接近大地水准面。椭球体的大小，通常用长/短半径A/B，或由一个半径和扁率来决定。扁率为（AB）/A。由于地球椭球体的基本元素A、B、等的推求年代、使用方法以及测定地区不同，故地球椭球体的参数值有多种。三轴椭球体模型C椭球体短轴半径，表示从极地到地心的距离；A和B椭球体长轴和中轴上的半径，表示赤道面上的两个主轴。基于大地水准面建立地球三轴椭球体模型数学模型数学上定义的地球是由一个椭圆绕着其短轴旋转而成的椭球体。122CZBYAX6它是一个较为接近地球形状的几何模型。用于解决其它一些大地测量学问题。地球的形状与椭球的大小地球的形状地球体、大地体、椭球体椭球的大小长半径A（赤道半径）；短半径B（极半径）扁率AB/A我国的椭球中国在1952年以前采用海福特（HAYFORD）椭球体，从19531980年采用克拉索夫斯基（KRASOVSKY）椭球体。也采用IAG75椭球体。23坐标系坐标系包含两方面的内容一是在把大地水准面上的测量成果换算到椭球体面上的计算工作中，所采用的椭球的大小；二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。选定了一个一定大小的椭球体，并确定了它与大地水准面的相关位置，就确定了一个坐标系。地理空间坐标系的建立地理坐标系用经度和纬度表示地球表面特征的位置。笛卡儿平面直角坐标系（二维欧几里德（EUCLIDEAN）空间用于距离、方向、面积等参数的计算。GIS中的地理空间通常是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。地理坐标地球表面空间要素的定位参照系统。由经线和纬线组成地理格网。地理坐标以经度坐标（LONGITUDE）/纬度坐标（LATITUDE）表示。坐标原点为本初子午线与赤道的交点。高程绝对高程地面点到大地水准面的高程。P0P0为大地水准面，地面点A和B到P0P0的垂直距离HA和HB为A、B两点的绝对高程。相对高程地面点到任一水准面的高程。A、B两点至任一水准面P1P1的垂直距离HA和HB为A、B两点的相对高程。7地面点的坐标系统大地坐标系/地理坐标系与我国的大地坐标系1954年北京坐标系1980年国家大地坐标系西安大地坐标系高程系和中国的高程系1956年黄海高程系高程起算面是黄海平均海水面。1985年国家高程基准1956年黄海高程系比1985国家高程基准上升29毫米。地理坐标系平面直角坐标系用于绘制地图平面极坐标系用于地图投影计算地图坐标系统的建立由投影几何特征建立平面直角坐标系自行规定坐标系原点/横、纵轴24地图投影由于地球是近似椭球的，故从椭球面到平面必须经过数学变换，这个数学变换称为地图投影（PROJECTION）。按变形性质可以分为三类等角投影、等积投影和任意投影按构成方法可以分为两大类几何投影方位投影、圆柱投影、圆锥投影非几何投影伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影按照投影面与地球相割或相切分类割投影、切投影8地图投影的一些概念标准线投影面与参考椭球的切线。对于圆柱和圆锥投影，相切（割）时有一（两）条标准线。如果标准线沿（经）纬线方向，称为标准（经）纬线。标准线指明投影变形分布的模式，标准线上没有投影变形。中心线定义地图投影的中心或原点。通常它与标准线不同。横坐标（X）坐标东移，纵坐标（Y）北移。用于改变地图投影原点，避免坐标出现负值。X平移，Y平移。减少坐标读取位数。地图投影的基本问题就是利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到平面上。在GIS中使用地图投影保证了空间信息在地域上的联系和完整性，在各类GIS的建立过程中，选择适当的地图投影系统是首先要考虑的问题。地图投影的变形1长度变形2面积变形3角度变形地图投影的选择选择制图投影主要考虑以下因素制图区域的范围、形状和地理位置，地图的用途、出版方式及其他特殊要求等。世界地图常用正圆柱、伪圆柱和多圆锥投影。墨卡托投影绘制世界航线/交通/时区图；我国出版的世界地图多采用等差分纬线多圆锥投影。东、西半球图常选用横轴方位投影；南、北半球图常选用正轴方位投影；水、陆半球图一般选用斜轴方位投影。对于其他中、小范围的投影选择，须考虑其轮廓形状和地理位置，最好是使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致。9圆形地区一般适于采用方位投影，在两极附近则采用正轴方位投影，以赤道为中心的地区采用横轴方位投影，在中纬度地区采用斜轴方位投影。在东西延伸的中纬度地区，一般多采用正轴圆锥投影，如中国与美国。在赤道两侧东西延伸的地区，则宜采用正轴圆柱投影，如印度尼西亚。在南北方向延伸的地区，一般采用横轴圆柱投影和多圆锥投影，如智利与阿根廷。常用的一些地图投影各大洲地图投影亚洲地图的投影斜轴等面积方位投影、彭纳投影。欧洲地图的投影斜轴等面积方位投影、正轴等角圆锥投影。北美洲地图的投影斜轴等面积方位投影、彭纳投影。南美洲地图的投影斜轴等面积方位投影、桑逊投影。澳洲地图的投影斜轴等面积方位投影、正轴等角圆锥投影。拉丁美洲地图的投影斜轴等面积方位投影。中国各种地图投影全国地图投影斜轴等面积方位投影、斜轴等角方位投影、彭纳投影、伪方位投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角割圆锥投影。分省（区）地图的投影正轴等角割圆锥投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角圆柱投影、高斯克吕格投影（宽带）。大比例尺地图的投影多面体投影（北洋军阀时期）、等角割圆锥投影（兰勃特投影）（解放前）、高斯克吕格投影（解放后）。高斯克吕格投影高斯投影是一种横轴等角切椭圆柱投影，其条件为中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴；等角投影；中央经线上没有长度变形。由公式可分析出高斯投影变形具有以下特点中央经线上无变形同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；同一条经线上，纬度越低，变形越大；等变形线为平行于中央经线的直线。6度带从0度子午线起，自西向东，全球分为60带。3度带从1度30分的经线起，自西向东，全球分为120带。正轴圆锥投影LAMBERT投影（正轴等角割圆锥投影）。10投影变换与坐标转换地图投影对大范围、小比例尺的地图，在某些部位（一般是边缘）失真很明显。在设计GIS数据库时，依当地情况或标准来选择投影方式和坐标系。统一的坐标系统是地理信息系统建立的基础各国家的地理信息系统所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致；各比例尺的地理信息系统中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；各地区的地理信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；各种地理信息系统一般以一种或两种投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一。地理信息系统中地图投影配置的一般原则为所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本地图投影系统一致；系统一般地只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺；所用投影以等角投影为宜；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在投影带中应保持完整。地图投影的设置ARCTOOLBOX中的PROJECTWIZARD可以设置投影和坐标系统。我国GIS中常用的地图投影配置与计算我国基本比例尺地形图（1100万、150万、125万、110万、15万、125万、11万、15000）除1100万外均采用高斯克吕格投影为地理基础；我国1100万地形图采用了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；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；LAMBERT投影中，地球表面上两点间的最短距离表现为近于直线，这有利于地理信息系统中的空间分析和信息量度的正确实施。地形图的分幅和编号国家基本比例尺地形图有11万、125万、15万、110万、120万、150万和1100万七种。11普通地图通常按比例尺分为大、中、小三种大比例尺地图110万比例尺的地图；中比例尺地图110万至1100万的地图；小比例尺地图150万为高斯克吕格投影；中央经线和赤道投影后互为垂直的直线，作为直角坐标轴；两种坐标网格经纬网和公里网25地理空间距离度量地球表面特征度量，最直截方法是用经、纬度来表示，这种方法有利于空间物理位置的精确测定，但难以进行有关空间距离、方向、面积等应用性参数的计算。这些参数计算的理想环境是笛卡儿平面直角坐标系，即二维欧几里德（EUCLIDEAN）空间。用经度、纬度表示的地球旋转椭球体（,）与平面直角坐标系（,）之间的转换关系F（,）（,）这个空间转换关系F就是地图投影。地图投影变换必然引起地理空间立体要素在平面形态上的变化（变形），包括在长度、方向和面积上的变化。但是，平面直角坐标系（,）却能建立对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。GIS中的地理空间，一般就是指经过投影变换后放在笛卡儿平面坐标系中的地球表层特征投影空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。1欧几里德距离在相对较小的地理空间中，采用笛卡儿坐标系，定义地理空间中所有点的集合，组成笛卡儿平面，记为R2。在R2中，任意两点（I,I）和（J,J）间的欧几里德距离D（I，J）如下22,JIJIYXJID13地理空间中所有点间的欧几里德距离函数组成度量空间S。度量空间具有如下特点（1）如I和J代表不同的点，则，DI，J0的条件在欧几里德空间中总得到满足。（2）对称性，即，DI，JDJ，I。（3）三角不等性，即，给定S中的任意3个距离M，N，L，则存在如下关系式MNL2曼哈顿距离曼哈顿距离是指两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离，即曼哈顿距离又称为出租车距离。曼哈顿距离的度量性质与欧氏距离的性质相同，保持对称性和三角不等式成立。曼哈顿距离只适用于讨论具有规则布局的城市街道的相关问题3时间距离时间距离（旅行时间距离）是根据从空间中一点到达另一点所需时间进行度量的。时间距离不具有前述欧几里德距离和曼哈顿距离的度量空间性质，即其对称性，三角形不等式不一定成立。第三章矢量数据模型31数据涵义与数据类型数据是信息的载体。其具体形式多种多样，如文本、图像、声音等。在信息系统中，数据的格式随着载荷它的物理设备的形式而改变。数据处理就是获得数据中所包含的信息的过程。在GIS中，输入、存储的各种专题地图和统计图表是数据；系统软件中所包含的代码是计算机系统中的二进制数据；用户对地理信息系统发出的各种指令也是数据。因此，GIS的建立和运行，就是信息或数据按一定的方式流动的过程。数据的类型JIJIYXJID,14原始数据（PRIMARYDATA）次生数据SECONDARYDATA原始数据经过GISS和RSIPS（遥感影像处理系统）处理后都可以转化为次生数据。原始数据主要包括各种地图数据、表格数据和影像数据。对于大多数地理信息系统的应用来说，它们常用的是各种类型的次生数据。当原始数据经过解释、编辑和处理后，它们将转化为次生数据。常用的次生地球科学数据主要表现为诸如地图、表格以及空间信息的地学编码等形式。地理数据（空间数据）的基本特征地理数据一般具有三个基本特征空间特征或几何特征（定位数据）表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。属性特征（非定位数据），表示实际现象或特征，例如变量、级别、数量特征和名称等。时间特征（时间尺度）指现象或物体随时间的变化，其变化的周期有超短期的、短期的、中期的、长期的等。空间数据的类型空间特征数据记录空间实体的位置、拓扑关系和几何特征，这是GIS区别于其他数据库管理系统的标志。空间特征指空间物体的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻物体的拓扑关系。这是地理信息系统所独有的。空间位置可由不同的坐标系统来描述，如经纬度、地图投影坐标或直角坐标等。拓扑关系确定某一目标与其他更熟悉的目标间的空间位置关系，如一所学校位于哪个路口或哪条街道。专题特征指地理实体所具有的各种性质，以数字、符号、文本和图像等形式表示，可被其它类型的信息系统存储和处理，如地形坡度、某地年降雨量、土地类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。时间属性是指地理实体的时间变化或数据采集的时间等。空间数据的表示方法类型数据考古地点、道路线和土壤类型的分布等；面域数据随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等；网络数据道路交点、街道和街区等；样本数据气象站、航线和野外样方的分布区等；曲面数据高程点、等高线和等值区域；文本数据地名、河流名称和区域名称；符号数据点状符号、线状符号和面状符号（晕线）等。32地理空间的矢量表达矢量表达法主要表现空间实体的形状特征。0维矢量空间中的一个点（POINT），在二维、三维欧氏空间中分别用X,Y和X,Y,Z来表示。在数学上，点没有大小、方向。点包括如下几类实体实体（ENTITY）点、注记（TEXT）点、内点（LABEL）、结点（NODE）、角点VERTEX或中间点。15一维矢量表示空间中的线划要素，它包括线段、边界、弧段、网络等。在二维（见（21）式）、三维（见（22）式）欧氏空间中用有序的坐标对表示一维矢量的空间关系主要有如下几种1坐标序列中的首点（X1，Y1）和末点（XN，YN）统称为结点（首结点和末结点）。位于首尾结点间的点（X1，Y1），（X2，Y2），（XN1，YN1）为拐点或中间点或角点（见图A）；2首尾结点可以重合，即弧段首尾相接。相应的数学表达式为图BX1XN，Y1YN（3）弧段不能与自身相交。如果相交，需以交点为界把弧段分为几个一维矢量（见图C）。在图C中，弧段数为3，而不是1。三个弧段分别为AK,KBCDEFGHK,KIJ。一维矢量的主要参数有长度从起点到终点的总长。弯曲度表示像道路拐弯时弯曲的程度。方向性开始于首结点，结束于末结点。如河流中的水流方向，高速公路允许的车流方向等等。二维矢量（又称多边形）表示空间的一个面状要素。在二维欧氏平面上指由一组闭合弧段所包围的空间区域,见图A。在三维欧氏空间中二维矢量为空间曲面。目前通过二维矢量对空间曲面的表达主要有等高线和剖面法两种，见图BC。等高线通过设置等间距，把具有相同高程值的点连接起来形成等高线（一维矢量），来描述空间曲面。剖面是按一定的间距和剖面方向切割空间曲面，切割而成的多组剖面就完成了对空间曲面的描述。二维矢量的主要参数如下面积指封闭多边形的面积。对于三维欧式空间中的空间曲面而言，还包括其在水平面上的投影面积。周长如果形成多边形的弧段为折线，那么，周长为各折线段长度之和；多边形由曲线组成，则计算方法较为复杂，如积分法。凹凸性用于二维矢量的形态描述。凸多边形是指多边形内所有边之间的夹角小于180。反之，则为凹多边形。走向、倾角和倾向在描述地形、地层特征要素时常使用这些参数。地理空间的拓扑“拓扑”（TOPOLOGY）一词源于希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学16的一个重要分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。理解拓扑变换和拓扑属性假设在欧氏平面中一块高质量的橡皮，表面上有由结点、弧段、多边形组成的任意图形。若只对橡皮进行拉伸、压缩，而不进行扭转和折叠，则在橡皮形状变化过程中，图形的一些属性将继续存在，一些属性将发生变化。例如，如果多边形中有一点A，那么，点A和多边形边界间的空间位置关系不会改变，但多边形的面积会发生变化。这时，称多边形内的点具有拓扑属性，而面积则不具有拓扑属性，拉伸和压缩这样的变换称为拓扑变换。拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个面是一个简单的面（面上没有岛）一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点间的距离一个点指向另一点的方向弧段的长度区域的面积和周长弧段在结点处的相互联接关系。每个弧段都有一个起始端点和一个终止端点，从起始端点到终止端点表示了弧段的方向，而所有弧段的端点序列则定义了弧段与结点的拓扑关系，空间拓扑关系分析就是通过在端点序列中寻找弧段之间的共同结点来判断弧段与弧段之间是否存在连接性。多个弧段首尾相连构成多边形的内部域。在矢量模型中，多边形区域是由一系列弧段序列组成的。17根据弧段的方向性及其左右边来判断弧段左右多边形的邻接性。弧段的左与右的拓扑关系（LEFTRIGHTTOPOLOGY）表现了邻接性。一个具有方向性的弧段，沿弧段方向有左边和右边之分。空间拓扑关系分析正是依据弧段的左边与右边的关系来判断位于该弧段两边多边形的邻接性。二意性组合图问题基于结点弧段多边形（NODEARCPOLYGON）的拓扑分析，描述了空间实体之间的连接性和邻接性。但是，它对于两种不同的空间配置仍有可能给出相同的拓扑关系描述，组合图理论解决了这一空间配置的二意性组织问题。为解决组合图问题，定义由结点和弧段形成的组合图边界网络遵守如下规则弧段具有方向性，若沿着弧段运动时，由弧段组成的多边形对象总是位于弧段的右边，弧18段的这一运动方向就是弧段的正方向；当弧段运动至某个结点时，以结点为轴按反时针方向旋转，选取尚未走过的弧段正方向离开结点的几个弧段中的第一个弧段；由上规则跟踪完所有弧段为止。空间关系地理空间实体对象之间的空间相互作用关系。空间关系分为三大类拓扑空间关系（TOPOLOGICALSPATIALRELATIONSHIP）描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系。度量空间关系METRICSPATIALRELATIONSHIP描述空间实体的距离或远近等关系。距离是定量描述，而远近则是定性描述。顺序空间关系（ORDERSPATIALRELATIONSHIP）描述空间实体之间在空间上的排列次序，如实体之间的前后、左右和东南西北等方位关系。目前对前两者的研究较成熟，算法也较简单；后者的判别方法较复杂，尤其在三维欧氏空间中。拓扑关系拓扑是研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质。在图论中，拓扑是指用图表或图形来研究几何对象排列及其相互关系。拓扑关系明确表达了实体/要素之间的空间相互关系。结点、弧段、多边形间的拓扑关系主要有如下三种拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。空间数据的拓扑关系拓扑邻接存在于空间图形的同类图形实体之间的拓扑关系。如结点间的邻接关系和多边形间的邻接关系。左图中，结点N1与结点N2、N3、N4相邻，多边形P1与P2、P3相邻。拓扑关联存在于空间图形实体中的不同类图形实体之间的拓扑关系。如弧段在结点处的联结关系和多边形与弧段的关联关系。N1结点与弧段A1、A5、A3相关联，多边形P2与弧段A3、A5、A6相关联。拓扑包含不同级别或不同层次的多边形图形实体之间的拓扑关系。下图的A、B、C分别有2、3、4个层次。19空间数据的拓扑关系在GIS数据处理和空间分析中的作用根据拓扑关系，不需要利用坐标和距离就可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的空间位置关系。因为拓扑数据已经清楚地反映出空间实体间的逻辑结构关系，而且这种关系较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。利用拓扑数据有利于空间数据的查询。例如判别某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些居民区提供水源，某行政区域包括哪些土地利用类型等等。利用拓扑数据进行道路的选取，进行最佳路径的计算等。33矢量数据模型模型对现实世界的简化表达。一幅地图是一个符号模型，存贮数字地图的文件是一种符号模型。数据模型根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式。空间数据结构是对空间数据进行合理的组织，以便于计算机的处理。数据结构是数据模型和文件格式之间的中间媒介，是数据模型的具体实现。数据建模指把反映现实世界的数据，按某种逻辑组合方式组织为有用，且能反映世界现实规律的数据集的过程。数据建模具体有三步选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织；选择一种数据结构来表达该数据模型；选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。例如，表示地表高程的空间数据可以选用栅格模型进行组织，栅格模型选用游程编码数据结构进行表达，处理后的数据则以诸如后缀名为COT的文件进行存储；可用矢量模型来组织，即以等高线来表示，数据以POLYVRT的拓扑结构进行安排，以DLGDIGITALLINEGRAPH文件格式存储；不规则三角网（TIN）模型也能很好地表达高程数据。对一种空间数据进行建模可能有几种可选的数据模型来描述，而每一种数据模型则可能有若干种数据结构来表达，而每一种数据结构又可能有多种文件格式进行存储。由此可见，只有同时理解了存储数据的数据模型和数据结构，用户才能够更好地使用数据。矢量数据模型用点及其X，Y坐标来构建空间要素。20构建矢量数据模型的一般方法用简单的几何对象（点、线和面）来表示空间要素；在GIS的一些应用中，明确地表达空间要素之间的相互关系；数据文件的逻辑结构必须恰当，使计算机能够处理空间要素及其相互关系；陆地表面数据、重叠的空间要素和路网适于用简单几何对象的组合来表示。几何对象点、线、面这三种类型的几何对象由维数和特征来区别。点是零维的，只有位置特征，线是一维的，有长度特征，面是二维的，有面积和边界特征。点及其坐标是矢量数据模型的基本单元。线要素由点定义。面要素由线定义，其边界把区域分成了内部区域和外部区域，它既可以是单独的，也可以是连续的。矢量数据的表示受比例尺制约。矢量模型非常适于表达图形对象和进行高精度制图。在矢量模型中，包围多边形面的线是由一系列相连的点或中间点（VERTICES）组成，每个中间点也就是一个空间坐标对（见下图）。在矢量模型中，空间实体的拓扑属性，如邻接性、包含关系（CONTAINMENT）和连接性不会随着诸如移动、缩放、旋转和剪切等变换而改变，而空间坐标，还有一些几何属性（如面积、周长、方向等）会受到影响。矢量模型能方便地进行比例尺变换、投影变换。矢量模型数字设备数字化仪，笔式绘图仪等。矢量数据存贮结构比栅格的复杂，且以矢量形式进行图形叠加的算法也很复杂。栅格和矢量模型最根本的不同在于它们如何表达空间概念。矢量模型用边界或表面来表达空间目标对象的面或体要素，通过记录目标的边界，同时采用标识符（IDENTIFIER）表达它的属性来描述对象实体。一般GISS都支持矢量和栅格两种模型，以充分利用两种数据结构的优点。21三维矢量用于表达三维空间中的现象和物体，是由一组或多组空间曲面所包围的空间对象，它具有体积、长度、宽度、高度、空间曲面的面积、空间曲面的周长等属性。不规则三角网的表达方法不规则三角网（TRIANGULATEDIRREGULARNETWORK,简称TIN）属于镶嵌模型（TESSELLATIONMODEL）中的一种类型。单个三角形的顶点就是原始数据点或其它空间信息的控制点。不规则三角网模型（TIN模型）TIN模型利用不规则三角形来描述数字高程表面。在TIN模型中，同样可以建立三角形顶点（数据点）、三角形边、三角形个体间的拓扑关系。TIN模型示意图见下图。如果建立了TIN模型图形实体（三角形顶点、三角形边、三角形）的拓扑关系，将大大加快处理三角形的速度。数字高程模型的主要优点是能够方便地进行空间分析和计算，如对地表坡度、坡向的计算等。TIN表达法有以下特点能够表达不连续的空间变量（图A）。栅格方法很难处理逆断层、悬崖峭壁等特殊空间对象（图BA、B），而TIN的处理则相当容易。由于三角形顶点VERTEX就是实际的控制点，所以，它对空间对象的表达精度较高。能够精确表达河流、山脊、山谷等线性地形特征图BC。TIN的空间几何特征为三角形顶点（VERTEX）。三角形边（EDGE）。三角面（TRIANGULARFACET）。三角网的一个优点是，其三角形大小随点密度变化而自动变化，当数据点密集时生成的三角形小，表示地形陡峭，数据点较稀时生成的三角形较大，表示地形平缓。TIN也能表示不连续对象，如悬崖、断层、海岸线和山谷谷底。把TIN转化为栅格，可用线性内插方法，也可用非线内插方法。矢量数据模型特别适用于表示和保存诸如建筑、管线或地类界线这样的具体特征。点是X,Y坐标对；线是决定其形状的一组坐标；面是定义所包围区域界线的一组坐标。ARCGIS采用三种方式实现矢量数据模型COVERAGESHAPEFILEGEODATABASE34矢量数据结构数据结构即数字数据文件的结构和文件之间的关系。数据结构是数据模型和文件格式之间的中间媒介，是数据模型的具体实现。数据结构的选择主要取决于数据的性质和使用方式。基于拓扑关系的矢量数据结构有利于数据文件的组织，并减少数据冗余。例如两个多边形共享一个边界。22矢量拓扑数据结构点要素可用标识号码（IDS）和成对的X，Y坐标来编码。拓扑关系不适于应用点，因为点是彼此分开的。线要素由弧段坐标表表示。弧段节点表列出了弧段与节点之间的关系。面要素中，多边形/弧段清单显示多边形和弧段之间的关系；左/右多边形清单显示弧段及其左多边形与右多边形之间的关系。1）SPAGHETTI结构2）拓扑数据结构与SPAGHETTI结构相比，ROESSEL结构优点消除了相邻多边形之间共同边界的重复记录；拓扑信息与空间坐标分别存储，有利于空间关系查询与分析。ROESSEL结构缺点拓扑表必须一开始时就创建，这需要一定时间和空间；一些简单操作，如图形显示较慢，因为显示要的是坐标而非拓扑结构。TIN数据结构与编码空间数据组织与编码空间数据组织依据地理实体之间不同特征（如因公路和铁路的建造方式不同而将它们视为不同的类）、相似特征（如因公路和铁路都具有运输功能而将它们视为一类）以及不同地理实体的组合特征（如飞机跑道、出租车道、建筑楼群和停车场共同组成飞机场）来对地理特征进行分类，以实现空间数据的组织。空间特征数据的表达方式包括各种数据结构，并表现为点、线、面等各种图形符号信息；属性特征数据的表达方式包括基于地理特征（包括空间特征和属性特征）的多种分类关系的表格。GISS正是通过建立空间特征数据的图形符号表达与属性特征数据的表格表达之间的联系，才具备了强大的空间分析能力。空间数据编码GISS中对实体（对象）的描述一般包括三种基本信息语义信息、量度信息和关系结构信息。语义信息表明实体的类型，量度信息用于描述实体的形状和位置等几何属性，关系结构信息用于描述一个实体与其它实体的联系。空间数据的编码则主要是指语义信息的数据化，它是建立在地理特征的分类及其等级组织基础之上的空间信息数据编码，用于表明实体元素在数据分类分级中的隶属关系和属性性质。编码方式主码子码。其中，主码表示实体元素类别，子码则是对实体元素的23标识和描述。ESRI矢量数据格式简介1COVERAGE基于拓扑的矢量数据格式COVERAGE是ARCINFOWORKSTATION的原生数据格式。称之为“基于文件夹的存储”。所有信息都以文件夹的形式来存储。空间信息以二进制文件的形式存储在独立的文件夹中，文件夹名称即为该COVERAGE名称，属性信息和拓扑数据则以INFO表的形式存储。COVERAGE将空间信息与属性信息结合起来，并存储要素间的拓扑关系。COVERAGE二进制文件与存储属性信息的INFO文件夹中的INFO表联合表达为COVERAGE，当使用ARCCATALOG对COVERAGE进行创建、移动、删除或重命名等操作时，ARCCATALOG将自动维护他们的完整性，将COVERAGE和INFO文件夹中的内容同步改变。所以对COVERAGE进行操作，一定要在ARCCATALOG中进行。2SHAPEFILE非拓扑矢量数据格式SHAPEFILE是ARCVIEWGIS3X的原生数据格式，属于简单要素类，用点、线、多边形存储要素的形状，却不能存储拓扑关系，具有简单、快速显示的优点。一个SHAPEFILE是由若干个文件组成的，空间信息和属性信息分离存储，所以称之为“基于文件”。在WINDOWS资源管理器下，可以看见这个名为ACTC的SHAPEFILE是由ACTCSHP、ACTCSHX、ACTCDBF三个文件组成。3GEODATABASE基于对象的矢量数据格式GEODATABASE体现了很多第三代地理数据模型的优势。带有空间信息的地理数据也利用成熟的数据库技术进行管理。ESRI推出了GEODATABASE数据模型，利用数据库技术高效安全地管理地理数据。三种矢量数据模型的优点COVERAGE基于拓扑关系的数据结构，有利于数据文件的组织，减少数据冗余。（如相邻的多边形共享边界只存储一次，减少冗余，便于修改、维护）SHAPEFILE1）非拓扑数据结构比拓扑数据结构能更快速地显示；2）非拓扑数据具有非专业性和互操作性，使其可以在不同软件间通用。GEODATABASE1）GEODATABASE的等级结构对于数据组织和管理十分有利；2）GEODATABASE是ARCOBJECTS的一部分，具有面向对象的优势；3）GEODATABASE提供了即时拓扑，适用于要素类内的要素或者两个、多个要素共同参与（如数据编辑、要素间关系等）；4）在ARCOBJECTS中有许多对象、属性、方法可供GIS用户定制应用，减少大量工作的重复性（如数据集的投影等）；5）ARCOBJECTS提供了一个可以按照各行各业需要定制对象的模型。可以将显示世界中各个对象的不同属性、行为定制到数据模型中（如交通对象等）。35空间数据的元数据元数据METADATA是描述数据的数据。在地理空间数据中，元数据是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。传统的图书馆卡片、图书的版权说明、磁盘的标签等都是元数据。24地图的元数据包括地图类型、地图图例，图名、空间参照系和图廓坐标、地图内容说明、比例尺和精度、编制出版单位和日期或更新日期、销售信息等。在这种形式下，用户通过它可以非常容易地确定该地图是否能够满足其应用的需要。元数据的内容包括对数据集的描述；对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（数据生产历史）等的说明；对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等；对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；对数据转换方法的描述；对数据库的更新、集成等的说明。空间数据元数据的应用帮助用户获取数据空间数据质量控制在数据集成中的应用数据集层次的元数据记录了数据格式、空间坐标体系、数据的表达形式、数据类型等信息；系统层次和应用层次的元数据则记录了数据使用软硬件环境、数据使用规范、数据标准等信息。这些信息在数据集成的一系列处理中，如数据空间匹配、属性一致化处理、数据在各平台之间的转换使用等是必要的。这些信息能够使系统有效地控制系统中的数据流。36空间数据质量与数据质量相关的几个概念误差ERROR反映了数据与真实性或大家公认的真值之间的差异，是一种常用的数据准确性的表达方式；数据的准确度ACCURACY指结果、计算值或估计值与真实值或者大家公认的真值的接近程度；数据的精密度RESOLUTION指数据表示的精密程度，也即数据表示的有效位数。其实质在于它对数据准确度的影响，在很多情况下，它可通过准确度得到体现。数据的不确定性UNCERTAINTY是关于空间过程和特征不能被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。在内容上，它是以真值为中心的一个范围（如误差范围），范围越大，不确定性就越大。如不同等级国家测控网中测量点的数值有严格的误差范围。空间数据质量标准空间数据质量标准是生产、使用和评价空间数据的依据，数据质量是数据整体性能的综合体现。空间数据质量标准的建立必须考虑空间过程和现象的认知、表达、处理、再现等全过程。空间数据标准要素及内容如下数据情况的说明要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等作出准确、全面和详尽的说明；位置或定位精度为空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常表现为空间三维坐标数据精度。它包括数学基础精度、平面精度、高程精25度、接边精度（指同类图形不同图幅的接边）、形状再现精度、像元定位精度（图象分辨率）等。平面精度和高程精度又分为相对精度和绝对精度；属性精度指空间实体的属性值与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类型，常与位置精度有关。主要包括要素分类与代码的正确性、要素属性值的准确性及其名称的正确性等；时间精度通过数据更新的时间和频度来表现；一般情况下，与交通管理、工业生产（主要指控制）有关的GIS系统的精度要求高，而与矿产资源探查、社会调查有关的GIS系统的精度要求低。逻辑一致性指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容（包括空间特征、专题特征和时间特征），以及拓扑性质上的内在一致性；数据完整性指地理数据在范围、内容及结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性；表达形式的合理性指数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专题特征和时间特征的合理性等。数据质量微观方面的数据质量问题位置精度地图要素的坐标与实际物体坐标间的误差，包括偏移的距离和偏移的分布。属性精度人为因素和技术因素造成属性定义的误差。逻辑上的一致性数据在输入计算机之前，因分类定义不严密而产生矛盾。分辨率栅格型和矢量型数据都有精度问题。矢量空间数据库的比例主要由分辨率和位置精度决定。在数据库设计时应定义最小制度单位。宏观方面的数据质量问题完整性包括地图或地图所表示的空间范围内各种信息是否遗漏或重复，分类是否重复或缺损，