GIS地理信息系统中的空间数据.

1、 表征地理空间内事物的数量、质量、分 布、内在联系和变化规律的图形、图像、 符号、文字和数据等统称为空间（地理） 数据。 空间数据是GIS的核心，也有人称它是 GIS的血液，因为GIS操作对象是地理数 据，因此，设计和使用GIS的第一步工 作就是根据系统的功能，获取所需要的 地理数据，并创建空间数据库 。 文件图表文件图表数据获取 原始原始数据数据 存储检索 空间查询 空间分析 数据编辑 投影变换 数据输出 制图、表格制图、表格 交互展示交互展示 结构化结构化数据数据 空间 数据库 数据的处理与应用 是GIS核心 地理空间信息描述法地理空间信息描述法 空间数据的基本特征空间数据的基本特征 地理

2、空间 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 地图对地理空间的描述 遥感数据对地理空间的描述 地理空间信息的数字化描述方法 v地理空间范围 上至大气电离层，下至地幔莫霍面 v地球空间模型 地球的自然表面 起伏不平，十分不规则 包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面 大地水准面 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 仍然起伏不平 地球自然表面 相对抽象的面-大地水准面 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 扁率 =(a-b)/b 平均椭球体全球范围内贴合大地基准面 参考椭球体局部范围

3、内贴合大地基准面 1954 北京坐标系克拉索夫斯基椭球体 1980 西安坐标系 数学模型 地球表面 水准面 大地水准面 铅垂线 地球椭球体 确定地面点的位置，最直截了当的方法就是用地理坐标(纬度、 经度)来表示 地理坐标系 直接建立在球体上用经度和纬度表达地理对象位置 以地理极(北极、南极)为极点。地理极是地轴 (地球椭球体的旋转轴)与椭球面的交点 含有地轴的平面，称为子午面 子午面与地球椭球体的交线，称为经线 垂直地轴的平面与椭球体的交线为纬线 地理坐标是一种球面坐标，难以进行距离、方向、面积等参数 的计算，为此，最好把地面上的点表示在平面上，采用平面坐 标系(笛卡儿平面直角坐标)。 由于地

4、球表面是不可展开的曲面，也就是说曲面上的各点不能 直接表示在平面上，因此必须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，使地球表面上任一个由地理坐标 (x，y)确定的点，在平面上必有一个与它相对应的点 N S Q 赤 道 纬 线 本 初 子 午 线 E A 地图是现实世界的模型，它按照一定的比例、 一定的投影原则，有选择地将复杂的三维现 实世界的某些内容投影到二维平面媒介上， 并用符号将这些内容要素表现出来。地图上 各种内容要素之间的关系，是按照地图投影 建立的数学规则，使地表各点和地图平面上 的相应各点保持一定的函数关系，从而在地 图上准确地表达地表空间各要素的关系和分 布规律，

5、反映它们之间的方向、距离和面积。 在地图学上，把地理空间的实体分为点、 线、面三种要素，分别用点状、线状、 面状符号来表示。具体分述如下： 点状要素。点状要素。指那些占面积较小，不能按 比例尺表示，又要定位的事物。因此， 面状事物和点状事物的界限并不严格。 如居民点，在大、中比例尺地图上被表 示为面状地物，在小比例尺地图上则被 表示为点状地物。 对点状要素的质量和数量特征，用点状 符号表示。 线状要素线状要素 对于地面上呈线状或带状的事物如交通 线、河流、境界线、构造线等，在地图 上均用线状符号来表示。当然，对于线 状和面状实体的区分，也和地图的比例 尺有很大的关系。如河流，在小比例尺 的地图

6、上，被表示成线状地物，而在大 比例尺的地图上，则被表示成面状地物。 通常用线状符号的形状和颜色表示质量 的差别，用线状符号的尺寸变化(线宽 的变化)表示数量特征。 面状要素面状要素 面状分布的地理事物很多。其分布状况并不 一样，有连续分布的，如气温、土壤等，有 不连续分布的，如森林、油田、农作物等 对于不连续分布或连续分布的面状事物的分 布范围和质量特征，一般可以用面状符号表 示。 对于连续分布的面状事物的数量特征及变化 趋势，常常可以用一组线状符号等值线 表示，如等温线、等降水量线、等深线、等 高线等，其中等高线是以后GIS建库中经常用 到的一种数据表示方式。 遥感影像对空间信息的描述主要是

7、通过 不同的颜色和灰度来表示的。这是因为 地物的结构；成分、分布等的不同，其 反射光谱特性和发射光诺特性也各不相 同，传感器记录的各种地物在某一波段 的电磁辐射反射能量也各不相同，反映 在遥感影像上，则表现为不同的颜色和 灰度信息。所以说，通过遥感影像可以 获取大量的空间地物的特征信息。 对地理信息进行数字化描述，就是要使 计算机能够识别地理事物的形状，为此， 必须精确地指出空间模式如何处理、如 何显示等。在计算机内描述空间实体有 两种形式：显式描述和隐式描述。 一条河流的表示 显示表示，就是栅格中的一系列像元。 隐式表示，是由一系列定义了始点和终点 的线及某种连接关系来描述，线的始点和 终点

8、坐标定义为一条表示河流及其河心洲 形状的矢量 计算机对地理实体的显式描述也称栅格 数据结构，计算机对地理实体的隐式描 述也称矢量数据结构。 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。 空间数据的类型 空间特征数据(定位数据)、时间属性数 据（尺度数据）和专题属性数据(非定 位数据)。 对于绝大部分地形信息系统的应用来说， 时间和专题属性数据结合在一起共同作 为属性特征数据，而空间特征数据和属 性特征数据统称为空间数据(或地理数 据)。 1 1、空间特征、空间特征 空间特征又称定位特征或几何特征。数据的空间 性是指这些数据反映现象的空间位置及空间位置关系。 通常以坐标数据形式来表示

9、空间位置，以拓扑关系来 表示空间位置关系。 2 2、属性特征、属性特征 数据的属性是指描述实体的特征，如实体的名称、 类别、质量特征和数量特征等。属性数据本身属于非 空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分。 3 3、时间特征时间特征 空间数据的时间性是指空间数据的空间特征和属性 特征随时间而变化。它们可以同时随时间变化，也可 以分别独立随时间变化。 实体随时间的变化具有周期性，其变化的周期有超 短周期的、短期的、中期的和长期的。 空间特征是地理信息区别于其他信息的最重要的 特征之一，地理信息的定位特征与时间过程相结合， 大大提高了地理信息的应用价值。 一般地，表示地理现象的空间数据可以细分为

10、： 类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分有等； 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； 网络数据：例如道路交点、街道和街区等； 样本数据：例如气象站、航线和野外样方的分布区等； 曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域； 文本数据：例如地名、河流名称和区域名称； 符号数据：例如点状符号、线状符号和面状符号(导线)等 点 状 符 号 线 状 符 号面 状 符 号 地 点 名 称线 状 要 素 名 称区 域 名 称 高 程 点等 值 线概 略 等 值 区 气 象 站航 线样 方 分 布 区 点 状 要 素线 状 要 素面 状 要 素 区 域 中 心境 界 线行 政 单

11、 元 道 路 交 点街 道街 区 6 0 6 1 5 9 A B C D 2 08 区 2 09 区 2 08 2 09 8 9 4 0 5 7 3 雷 德 兰 科 顿 方 塔 内 2 3 7 商 业 区 2 05 2 06 2 06 2 06 2 07 2 07 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 05 2 06 2 07 2 0 5 206 20 7 Metadata可以译成元数据，是描述数据 的数据。在地理空间数据中，元数

12、据说 明数据内容、质量、状况扣其他有关特 征的背景信息。 1)帮助数据生产单位有效地管用和维护空间数据、 建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时， 也不会失去对数据情况的了解； 2)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； 3)帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需 求作出正确的判断； 4)提供有关信息，以便户处理和转换有用的数据。 元数据是使数据充分发挥作用的重要条件之一，它 可以用于许多方面，包括数据文档建立、数据发布、 数据浏览、数据转换等。元数据对于促进数据的管 理、使用相共享均有重要的

13、作用。 地理基础是地理信息数据表示格式与规 范的重要组成部分。 统一的地图投影系统； 统一的地理网格坐标系 统一的地理编码系统。 它为各种地理信息的输入和输出以及匹 配处理提供了一个统一的定位框架，从 而使各种地理信息和数据能够具有共同 的地理基础。 地图投影的基本问题是如何将地球表面（椭球 面或圆球面）表示到地图平面上。由于地球椭 球面或圆球面是不可展开的曲面，即不能展开 成平面，而地图又必须是一个平面，所以将地 球表面展开成地图平面必然会产生裂隙或褶皱。 那么采用什么样的数学方法将曲面展开成平面 才能使其误差最小呢？回答是必须采用地图投 影的方法，即用各种方法将地球表面的经纬网 线投影到地

14、图平面上。不同的投影方法具有不 同性质和大小的投影变形，因此在各类地理信 息系统的建立过程中，选择恰当的地图投影系 统就是首先必须要考虑的问题。 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 回顾旧知回顾旧知-坐标系坐标系 1 2 3 4 地图投影与GIS 5 地图投影实质 地图投影变形 地图投影分类 为什么要进行地图投影 不规则的地球表面可以用地球椭球体来替代 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 算与分析。 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

15、算和各种 空间分析 地球椭球体是不 可展曲面，而地 图是一个平面， 当球面展开为平 面时必然产生破 裂或褶皱。“地 图投影”就是要 解决球面不可展 的矛盾。 地图投影地图投影保证信息保证信息连续连续 性性、完整性完整性和和可测度性可测度性 直接剥开，必然产生破直接剥开，必然产生破 裂或褶皱，无法完整呈裂或褶皱，无法完整呈 现原本的地球实际形态现原本的地球实际形态 简单地讲：地图投影的实质是将地球椭球面上的经纬网按照简单地讲：地图投影的实质是将地球椭球面上的经纬网按照 一定的数学法则转移到平面上。一定的数学法则转移到平面上。 具体来说：由于球面上一点的位置是用地理坐标具体来说：由于球面上一点的位

16、置是用地理坐标( (经度、纬经度、纬 度度) )表示，而平面上是用直角坐标表示，而平面上是用直角坐标( (纵坐标、横坐标纵坐标、横坐标) )或者极坐标或者极坐标 ( (极径、极角极径、极角) )表示，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，表示，所以要想将地球表面上的点转移到平面上， 必须采用一定的数学方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极必须采用一定的数学方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极 坐标之间的关系。坐标之间的关系。 这种这种在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法， 称为称为地图投影地图投影。 地图投影是保证地图 精确度的重要的数

17、学 基础之一。 可假设地球按比例尺缩小成一个透明的地球仪那样的球体 ，在其球心、球面或球外安放一个发光点，将地球仪上经 纬线（连同控制点及地形、地物）投影到球外的平面上， 即成为地图，如图所示： 投影面 局部投影 变形较大 科学的投影方法是建立地球椭球面上的的经纬线网与平面 上相应的经纬线网相应的数学基础，其实质就是建立地球 椭球面上点的坐标（,）与平面上对应的坐标（x，y） 的函数关系。 ., ;, fy fx 由于要将不可展的地球椭球面展开成平面， 且不能有断裂，那么图形必将在某些地方被 拉伸，某些地方被压缩，因而投影变形是不 可避免的。 长度变形长度变形 面积变形 角度变形 地图投影分类

18、地图投影分类 基于投影面与球面相关位置的分类基于投影面与球面相关位置的分类 基于投影变形的分类基于投影变形的分类 基于投影方程的分类基于投影方程的分类 基于投影方法的分类基于投影方法的分类 投影变形性质 等角投影 等积投影 任意投影 地图投影分类地图投影分类 投影面及球面的 位置 圆锥投影 圆柱投影 方位投影 投影分类1：基于投影面与球面的位置 形状不变 面积不变 特定方向 距离不变 等积投影 任意投影 等角投影 1 同纬度带内梯同纬度带内梯 形面积不等的形面积不等的 投影肯定不是投影肯定不是 等积投影等积投影 3 投影为直线的投影为直线的 经线经线(中央经中央经 线线)上纬距不上纬距不 等的

19、投影肯定等的投影肯定 不是不是等距投影等距投影 2 经纬网不是处经纬网不是处 处正交的投影处正交的投影 肯定不是肯定不是等角等角 投影投影 常见变形性质的确定常见变形性质的确定 穆尔威投影：每一个小圆 的圆面积相等，故为等积 投影。 可以保有正确的面积比例 ，中央地带最准确。 经线和纬线都维持正确比 例、一者放大，另一者呈 反比的缩小 。 麦卡托投影 所有的小圆维持正圆，是 典型的等角投影。 纬度愈高，小圆的半径 与面积愈大，表示高纬地 区面积与长度被放大甚多 。 中心点至图上任何地点的距离，都具有相同、正确的比 例，故为等距投影 纬线是一圈圈同心圆，经线由中心的北极向外呈放射状 。 世界图世

20、界图 全国图：正轴圆锥投影全国图：正轴圆锥投影 地形图：高斯克吕格投影（分带）地形图：高斯克吕格投影（分带） 南北半球（或两极）图：正轴方位投影、南北半球（或两极）图：正轴方位投影、 亚洲图：斜轴方位投影亚洲图：斜轴方位投影 半球图半球图 东西半球图：横轴方位投影东西半球图：横轴方位投影 欧洲图：彭纳投影欧洲图：彭纳投影 国内出版：等差分纬线多圆锥投影国内出版：等差分纬线多圆锥投影 国外出版：摩尔威特投影国外出版：摩尔威特投影 地球仪：地球仪： 普通多圆普通多圆 锥投影锥投影 海海 图：墨卡托投影图：墨卡托投影中国图中国图 大洲图大洲图 GIS中所存储记录、管理分析、显示应用的内 容是地理信息

21、，而地理信息的描述必须要有 指定的地理参照系，且地理位置应以地理坐 标或平面坐标的方式表达出来 地图不仅是GIS的重要数据源，而且是表示地 理信息的最佳媒介。 由于GIS大多是以地图的方式来显示地理信息 的，而地图是平面，地理信息则是在地球椭 球体上的，因此，地图投影在GIS中是不可缺 少的。 地理基础地理基础 (地图投影地图投影) （据边馥苓，（据边馥苓，1996） 数据获取 （数据源地图的投影） 数据标准化预处理 （按某一参照系数字化） 数据存储 （统一的坐标基础） 数据处理 （投影转换） 数据应用 （检索查询、覆盖分析等） 数据输出 （具有相应投影的地图） n1：100万1：5000除1

22、：100万外采用高斯克吕格投影 n我国1：100万地形图采用Lambert投影，其分幅原则与 国际地理学会规定的地球统一使用国际百万分之一地图 投影保持一致 n我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也采用 Lambert投影和属于这一投影系统的Albers投影 nLambert投影中，地球表面上两点间的最短距离（即大 圆航线）表现为近于直线，这有利于地理信息系统中和 空间分析量度的正确实施 一、空间数据源 二、空间数据采集 几何数据的采集 属性数据的采集 三、空间数据的检核 地图数据地图数据 野外实测数据野外实测数据 数字数据数字数据 影像数据影像数据 多媒体数据多媒体数据 文本数据文本数

23、据 扫描数字化扫描数字化 摄影测量摄影测量 野外数据采集野外数据采集 键盘输入键盘输入 数据交换数据交换 空间 数据库 编编 辑辑 处处 理理 遥感图像处理遥感图像处理 统计数据统计数据 质质 量量 评评 价价 统计数据 地图 存储介质、现势性、投影转换 遥感、航空影象和数据 分辨率、变形规律、纠正、解译特征 地面测量 数字数据 格式、精度 多媒体，辅助 GIS空间分析 和查询 GIS 空间数据 1. 地图数据 普通地图空间信息 专题地图专题（属性）信息 2. 遥感(RS)影像数据 数据 图片 3. 实测数据 空间数据：数字测图仪、GPS接收器 属性数据：气象气候数据等 Global Posi

24、tioning System Remote Sensing 4. 统计数据 数字：人口、产值、收入、消费 文字：土地类型、污染情况 1、地图跟踪数字化 2、地图扫描数字化 小型扫描仪小型扫描仪 工程扫描仪工程扫描仪 扫描输入后的图像一般需要进行矢量 化。 通常是将地图扫描后，作为底图显示在屏幕上，用 鼠标参照底图进行采点。由于鼠标定位不如数字化仪精 确，所以一般用于输入一些示意图。 纸地图扫描转换拼接子图块裁剪地图 矢量图编辑矢量图合成图像处理矢量化 扫描矢量化的主要步骤： 分层采集： 在进行数字化之前，首先要确定需要数字化哪些信息，GIS系 统对空间数据往往采用分层管理，所以要确定输入哪些图

25、层， 以及每个图层包含的具体内容。 坐标系统、空间位置确定与匹配： 确定坐标系统的方式 两次输入之间地图的位置匹配 不同时间输入，图件与数字化板可能相对于发生错动，导致前 后两次录入的坐标就会偏移或旋转。输入至少三个定位点(Tick Marks),进行定位点坐标之间的关系进行匹配。 选择输入模式： 点模式(point mode)或流模式(stream mode) 流模式可分为 距离流模式(Distance stream)和时间流模式(Time stream Mode) 距离流模式(Distance stream) 距离流方式记录数据是：按当前接收的点与上一点距离超过一定阈 值才记录该点坐标值；

26、 时间流模式(Time stream Mode) 采用时间流方式记录数据是：按照一定时间间隔对接收的点进行采 样； 采用时间流方式录入的优点是：当录入曲线比较平滑时，录 入人员往往移动游标比较快，这样记录点的数目少；而曲线 比较弯曲时，游标移动较慢，记录点的数目就多。 而采用距离流方式时，容易遗漏曲线拐点，从而使曲线形状 失真。所以在保证曲线的形状方面，时间流方式要优于距离 流方式。 图形拼接或边缘匹配处理 图幅比较大或者使用小型数字化仪时 1)输入、输出标准分幅的地形图 Original two map sheets Two sheets brought together showing d

27、iscontinuities Derived single sheet with edges adjusted 空间数据定位的不准确 伪节点（Pseudo Node） 伪节点使一条完整的线变成两段 2）悬挂节点（Dangling Node） 伪节点 3）“碎屑”多边形或“条带”多边形（Sliver Polygon） 一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条线的位置不可 能完全一致，造成了“碎屑”多边形。 4）不正规的多边形（Weird Polygon） 是由于输入线时，点的次序倒置或者位置不准 确引起的 (a)正常多边形(b)不正规多边形 上述的错误，一般在建立拓扑的过程中都会发现，而且需

28、要手 工编辑修改； 悬挂节点的问题则可以由软件系统自动修改。通常的实现办法 是设置一个“容许误差 Tolerance”，当节点之间、或者节点与 线之间的距离小于此数值后，即自动连接悬挂接点。 在图形错误修改完毕之后，可以建立图形数据的拓 扑关系。拓扑关系的建立通常由计算机自动生成， 目前大多数GIS软件具有完善的拓扑功能； 每一次修改数据错误、或增加、减少图形数据后（ 即对矢量数据进行编辑后），对具有拓扑关系的矢 量数据需要重新建立他们之间的拓扑关系 如在ArcInfo 系统中，建立拓扑关系的命令为： Build point; Build line; build polygon; Clean

29、point; Clean line; Clean polygon 属性数据的录入主要采用键盘输入的方法，有时也 可以辅助于字符识别软件。 当属性数据的数据量较小时，可以在输入几何数据 的同时，用键盘输入；但当数据量较大时，一般与 几何数据分别输入，并检查无误后转入到数据库中。 当空间实体的几何数据与属性数据连接起来之后， 就可进行各种GIS的操作与运算了。 4 11 9 21 ID面积周长 土壤类型 443588018 921058025 11628114021 2125265015 土壤类型 名称pH 15 Black soil 6.5 21Brown soil6.0 25Red soil5

30、.0 在关系数据库中存储空间 对象的属性特征值 1、空间数据输入的误差 2、空间数据的检查 误差来源 数据采集人为使用数据前处理 野外测量 遥感仪器 人为误差 数据转换 数据输入 遥感解译 理解与随意性 数据处理过程误 差 来 源 数据搜集 野外测量误差：仪器误差、记录误差 遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差 地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷 数据输入 数字化误差：仪器误差、操作误差 不同系统格式转换误差：栅格-矢量转换、三角网-等值线转换 数据存储 数值精度不够 空间精度不够：每个格网点太大、地图最小制图单元太大 数据处理 分类间隔不合理 多层数据叠合引起的误差