第二章 地理空间信息基础

1、第二章第二章 第二章第二章 地理空间信息基础地理空间信息基础地理空间信息是：地理空间信息是：lGIS研究的对象研究的对象lGIS表达的对象表达的对象地理空间信息的描述方法地理空间信息的描述方法矢量数据的属性描述矢量数据的属性描述2.1 2.1 地理空间信息的描述方法地理空间信息的描述方法地球空间模型描述地球空间模型描述地球表面大地水准面铅垂线地球椭球体 为了深入研究地理空间，需要建立地球表面的几为了深入研究地理空间，需要建立地球表面的几何模型，地球表面模型可以分为四类：何模型，地球表面模型可以分为四类：q 最自然的面：最自然的面：包括海洋底部、高山、高原等包括海洋底部、高山、高原等在内的固体地

2、球表面。在内的固体地球表面。太复杂，难以建模，太复杂，难以建模，各种量算也非常困难。各种量算也非常困难。q 相对抽象的面：相对抽象的面：也称为大地水准面，是静止也称为大地水准面，是静止海平面的延伸。以它为基准，可以用水准仪测量海平面的延伸。以它为基准，可以用水准仪测量地球自然表面上任意点的高程。地球自然表面上任意点的高程。海平面的起海平面的起伏将导致测量的不确定伏将导致测量的不确定。大地水准面所包围的球大地水准面所包围的球体，叫大地球体。体，叫大地球体。q地球椭球体地球椭球体模型：以大地水准面为基准模型：以大地水准面为基准建立的建立的。地球的形状接近于椭圆绕其短轴地球的形状接近于椭圆绕其短轴形

3、成的椭球体，通过扁率表示椭球体的扁形成的椭球体，通过扁率表示椭球体的扁平程度。大地水准面与具有微小扁率的旋平程度。大地水准面与具有微小扁率的旋转椭球面非常接近，可用旋转椭球体代替转椭球面非常接近，可用旋转椭球体代替大地球体。大地球体。三个重要的地球椭球体三个重要的地球椭球体从从1953年起采用克拉索夫斯基年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)椭球体，椭球体，建立了北京建立了北京54坐标系坐标系1978年采用国际大地测量协会推荐的年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体，地球椭球体，建立了西安建立了西安80坐标系坐标系 WGS1984基准面采用基准面采用WGS84椭球体，它是一种地心

4、椭球体，它是一种地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据测量数据多以多以WGS1984为基准。为基准。椭球体名称椭球体名称年代年代长半轴长半轴 米米短半轴短半轴 米米扁率扁率克拉索夫斯基克拉索夫斯基1940637824563568631:298.3IAG 751975637814063567551:298.26WGS 841984637813763567521:298.26q 其他数学模型：其他数学模型：为了解决特定的大地测为了解决特定的大地测量问题而提出的。如类地形面、准大地水量问题而提出的。如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。准面

5、、静态水平衡椭球体等。现实世界和坐标空间的联系现实世界和坐标空间的联系 任何空间特征都表示为地球表面的一个特定位任何空间特征都表示为地球表面的一个特定位置，而位置依赖于既定的坐标系来表示。置，而位置依赖于既定的坐标系来表示。地理坐标系地理坐标系纬度（纬度（Latitude）l通过椭球面通过椭球面P点作椭球面点作椭球面的垂线，即过的垂线，即过P点的法线。点的法线。法线与赤道面的交角，叫法线与赤道面的交角，叫做做P点的纬度，以点的纬度，以表示。表示。赤道上纬度为赤道上纬度为0度，纬线离度，纬线离赤道愈远，纬度愈大，至赤道愈远，纬度愈大，至极点纬度为极点纬度为90度。度。经度（经度（Longitud

6、e）l过过P点的子午面与通过英点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，为面所夹的二面角，为P点点的经度，用的经度，用表示。首子午表示。首子午线经度为线经度为0度，向东度，向东0-180度为东经，向西度为东经，向西0-180度为度为西经。西经。地面上点位的确定地面上点位的确定l经线和纬线是地球表面上经线和纬线是地球表面上两组相交为两组相交为90度的曲线，度的曲线，地面上任一点的位置可用地面上任一点的位置可用经度和纬度来决定，即经度和纬度来决定，即地地理坐标系理坐标系。地图投影地图投影地球椭球面是不可展地球椭球面是不可展曲面，而地图是一个曲面，而地图是一个平面

7、，将地球椭球面平面，将地球椭球面上的点映射到平面上上的点映射到平面上来的方法，称为地图来的方法，称为地图投影。对于较小区域投影。对于较小区域范围，可以视地表为范围，可以视地表为平面，这样就可以认平面，这样就可以认为投影没有变形。为投影没有变形。投影坐标系投影坐标系投影坐标系投影坐标系：运用地图投影的方法，建立地球表面和平：运用地图投影的方法，建立地球表面和平面（直角坐标系）上点的函数关系，使地球表面上任一面（直角坐标系）上点的函数关系，使地球表面上任一点由地理坐标点由地理坐标（、）确定的点，在平面上得到一个与确定的点，在平面上得到一个与它相对应的点，通常记为它相对应的点，通常记为P(x，y)

8、。高程系高程系l1956年黄海高程系：年黄海高程系：以青岛验潮站以青岛验潮站19501956年验潮资料算得年验潮资料算得的平均海面为零的高程系统。原点设在青岛市观象山，高程为的平均海面为零的高程系统。原点设在青岛市观象山，高程为72.289米。米。l1985年国家高程基准年国家高程基准：以青岛验潮站：以青岛验潮站1952年年1979年的潮汐观年的潮汐观测资料为计算依据，建立了位于青岛的新水准原点。测资料为计算依据，建立了位于青岛的新水准原点。l两个高程系的关系为：两个高程系的关系为：1985年国家高程基准高程年国家高程基准高程=1956年黄海高程年黄海高程 - 0.029m。为什么地图会变形？

9、为什么地图会变形？地地图图投投影影的的方方法法地理坐标系转换地理坐标系转换是一个常遇到而又麻烦的问题是一个常遇到而又麻烦的问题算法可见算法可见坐标系转换公式坐标系转换公式青岛海洋地质研青岛海洋地质研究所究所 戴勤奋戴勤奋 译。原文由译。原文由EPSG（欧洲石油勘（欧洲石油勘探组织）编写，初稿时间探组织）编写，初稿时间1995，最新更新时间，最新更新时间2004 年年1 月。月。世界各国参考椭球体参数及基准面转换参数，世界各国参考椭球体参数及基准面转换参数，可上网查阅：可上网查阅：l（/military/library/policy/arm

10、y/fm/6-2/appe2.htm#tabe_22）。）。地图对地理空间的描述地图对地理空间的描述地图是地理信息的一种图形语言形式，它以一地图是地理信息的一种图形语言形式，它以一定的比例和投影，用符号表示三维地理实体。定的比例和投影，用符号表示三维地理实体。 计算机是不能直接识别和处理各种以计算机是不能直接识别和处理各种以图图形形式形形式表达的地理空间实体表达的地理空间实体要使计算机能识别和处理它们，首先要要使计算机能识别和处理它们，首先要对空间实体进行描述。对空间实体进行描述。地理实体地理实体抽象成点、线和面抽象成点、线和面 输入计算机输入计算机空间对象：点 有位置，无宽度和长度； 抽象的

11、点美国加利福尼亚州地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置空间对象：线 有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体香港城市道路网分布空间对象：面 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）空间事物类型典型对象典型属性图形图象表达形式1）点学校、环保监测站规模、有关监测指标点状符号2）线道路、电缆、水系交通量、电压、水质线型3）面（多边形）地块、行政区土地使用、人口填充符号、边界线地地图图对对地地理理空空间间的的描描述述影影像像对对地地理理空空间间的的描描述述影像是影像是记录了记录了地理实地理实体分布体分布的写照的写照模型

12、。模型。受摄影受摄影比例尺比例尺或空间或空间分辨率分辨率的影响的影响哈哈尔尔滨滨地地图图局局部部哈哈尔尔滨滨影影像像局局部部肇东影像肇东影像地理信息的数字化描述地理信息的数字化描述矢量数据矢量数据栅格数据栅格数据数字高程模型数字高程模型栅格图南川市 南川市 李渡区 李渡区 长寿县 长寿县 垫江县 垫江县 渝中区 渝中区 丰都县 丰都县 彭水苗族土家族自治县 彭水苗族土家族自治县 南岸区 南岸区 沙坪坝区 沙坪坝区 江北区 江北区 九龙坡区 九龙坡区 大渡口区 大渡口区 巴南区 巴南区 江津市 江津市 隆昌县 隆昌县 安岳县 安岳县 潼南县 潼南县 大足县 大足县 荣昌县 荣昌县 永川市 永川市

13、 武胜县 武胜县 合川市 合川市 渝北区 渝北区 邻水县 邻水县 石柱土家族自治县 石柱土家族自治县 忠县 忠县 武隆县 武隆县 华蓥市 华蓥市 铜梁县 铜梁县 璧山县 璧山县 北碚区 北碚区 双桥区 双桥区 0.07.5 15.0 22.5 30.0 37.5 km区县区划图区县区划图河流河流机场机场区县界线区县界线主要公路主要公路县区政府驻地县区政府驻地西苑西苑颐和园颐和园西北望西北望玉泉山玉泉山卧佛寺卧佛寺香山香山八大处八大处西郊机场西郊机场黄庄黄庄五里坨五里坨BEIJING1.BMP北京街区铁路水域城区边界Labels of 主要地名主要地名矢量图矢矢量量数数据据以以x,y,H坐坐标表

14、示点状标表示点状地物地物以有序的以有序的x,y,H坐标坐标串表示线状串表示线状和面状地物和面状地物点：（x，y） 线：(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn) 面(x1,y1),(x2,y2),xn,yn) , (x1,y1) 大庆市区大庆市区20012001年年TMTM影像影像3030米分辨率米分辨率列行目视解译水库水面居民点旱旱 地地点线面对于栅格数据结构点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。栅格数据模型用单元填满空间，每一个单元是一个小的正方形，称为grid。用同一种方法，实现了点、线、面三种对象的表达。早期的GIS大多数采用栅格数据模

15、型行西南角格网坐标（XWS，YWS）格网分辨率格网方向列栅栅 格格 数数 据据数字高程模型数字高程模型 DEMDEM2.2 2.2 矢量数据的属性描述矢量数据的属性描述国道国道(G222)哈尔滨哈尔滨伊春伊春公路公路(简称哈伊公路简称哈伊公路)，该，该线均在黑龙江省境内，南线均在黑龙江省境内，南起哈尔滨市，北至伊春市。起哈尔滨市，北至伊春市。路线全长路线全长338.607公里，其公里，其中中 重复黑大公路重复黑大公路0.085公公里，净里程里，净里程338.522公里。公里。公路技术等级为公路技术等级为 一一般一级路般一级路2.500公里，一般公里，一般二级路二级路186.310公里，一般公里

16、，一般三级路三级路149.712公里。公里。从图查属性从图查属性 点击左图的点击左图的222国道，屏上即显示右侧文字国道，屏上即显示右侧文字油田的油井属性油田的油井属性2.3 2.3 矢量数据类型和空间关系矢量数据类型和空间关系矢量数据的表示类型矢量数据的表示类型矢量数据的空间关系矢量数据的空间关系邻接矩阵和关联矩阵邻接矩阵和关联矩阵矢量数据的表示类型矢量数据的表示类型点数据点数据线数据线数据面数据面数据点：节点点：节点 结点结点链：链：弧弧 边边 线线 线线段段面：多边形面：多边形 区域区域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

17、线状要素面状要素区域中心境界线行政单元道路交点街道街区606159ABCD208区209区2082098940573雷德兰科顿方塔内237商业 . . 型数据类型数据面域数据面域数据网络数据网络数据样本数据样本数据曲面数据曲面数据文本数据文本数据符号数据符号数据拓扑性质：指拓扑性质：指图形保持连续状态下变图形保持连续状态下变形形，但图形关系不变的性质。，但图形关系不变的性质。将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。或折叠。 拓扑变换拓扑变换（橡皮变换）（橡皮变换） 非拓扑属性非拓扑属

18、性（几何）（几何）拓扑属性拓扑属性（没发生变化的属性）（没发生变化的属性）两点间距离两点间距离一点指向另一点的方一点指向另一点的方向向弧段长度、区域周长、弧段长度、区域周长、面积面积 等等一个点在一条弧段的端点一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交）一条弧是一简单弧段（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边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部/外部外部一个点在一个环的内一个点在一个环的内/外部外部一个面是一个简单面一个面是一个简单面一个面的连通性一个面的连通性 面内任两点从一点面内任两点从一点可在面的内部走向另一点可在面的内部走向另一点矢量数据的

19、空间关系矢量数据的空间关系弧段的连接性弧段的连接性多边形区域的定义多边形区域的定义多边形的邻接性多边形的邻接性点点线线面面之之间间的的拓拓扑扑关关系系邻接邻接相交相交重合重合相离相离包含包含点点点点点点线线点点面面线线面面面面面面线线线线邻接矩阵邻接矩阵邻接矩阵是用顶点为行，同一顶点集合为列的矩阵。表示邻接矩阵是用顶点为行，同一顶点集合为列的矩阵。表示为为A(G) = aij.其中，其中，aij是顶点和顶点连接成边的数目。是顶点和顶点连接成边的数目。 关联矩阵关联矩阵关联矩阵是用顶点为行（列），边为列（行）的矩阵。表示关联矩阵是用顶点为行（列），边为列（行）的矩阵。表示为为M(G)=mij,其

20、中，其中，mij是顶点和边的关联次数（是顶点和边的关联次数（0，1，2）。 M(G)=e1 e2 e3 e4 e5V1V2V3V4拓扑:移动结点无拓扑:移动结点2.4 2.4 元数据元数据 MetadataMetadata元数据的概念元数据的概念l关于数据的数据、描述数据的数据关于数据的数据、描述数据的数据元数据的标准元数据的标准元数据的获取与管理元数据的获取与管理元元数数据据的的概概念念属性属性精度值域属性分辨率空间精度空间范围空间标识空间特征属性特征时间特征质量评价数据管理数据形式元数据空间元数据时间周期数据收集期元数据联系元数据检查元数据时间数据来源使用限制使用面境数据持有者数据存放地址

21、存放方法数据压缩数据状态主题词数据集摘要逻辑一致性完整性继承性栅格说明数据格式转换格式空间参考矢量说明坐标系元数据详细集元数据基本集元数据基础集描述数据的数描述数据的数据。说明数据据。说明数据的内容、质量、的内容、质量、现状、生产者、现状、生产者、格式等信息。格式等信息。 地形图的索引数据地形图的索引数据地形图的元数据表地形图的元数据表地形图元数据表的建立包括以下的几个地形图元数据表的建立包括以下的几个信息：信息：l数据标识信息数据标识信息l质量信息质量信息l参照系信息参照系信息l分发信息分发信息l元数据信息元数据信息数据标识信息数据标识信息名称：名称：B-49摘要：图名：南通礁摘要：图名：南

22、通礁, 54-80参考参考图号：图号：B49, 出版年代：出版年代：1980, 密密级：非公开级：非公开, 比例尺：比例尺：100万万, 关键字：关键字：B-49状况：完成状况：完成日期：日期：版本：版本：1.0负责单位（人）信息负责单位（人）信息负责人名：负责人名：负责单位名：国家基础地理信息负责单位名：国家基础地理信息中心中心职务：职务：传真：传真责：生产者职责：生产者数据资源格式数据资源格式格式名称：格式名称：格式版本：格式版本：空间表示类型：矢量空间表示类型：矢量比例尺：比例尺：语种：语种：zh字符集：字符集：GB2312专题类型：测绘地理基础专题类型：测绘

23、地理基础联系信息联系信息地址地址详细地址：海淀区紫竹详细地址：海淀区紫竹院百胜村院百胜村1号号城市：北京城市：北京行政区：北京行政区：北京邮政编码：邮政编码：100044国家：中国国家：中国电子邮件地址：电子邮件地址：电话：电话盖范围覆盖范围东边经度：东边经度：114.0000南边纬度：南边纬度：4.0000西边经度：西边经度：108.0000北边纬度：北边纬度：8.0000限制信息限制信息用途限制：用途限制：安全限制分级：未分级安全限制分级：未分级使用限制：知识产权使用限制：知识产权质量和参照系信息质量和参照系信息质量信息质量信息l数据质量说明：质量合格数据质量说明：质量合格参照系信息参照系信息l参照系名称：地理坐标（经纬度）参照系名称：地