第二章地理信息系统数据结构

1、赵 姗 环境与水利学院 2012.11 第二章第二章 地理信息系统数据结构地理信息系统数据结构第二章第二章 地理信息系统数据结构地理信息系统数据结构第一节第一节 地理空间数学基础地理空间数学基础一、地球空间参考二、空间数据投影三、空间坐标转换四、空间尺度五、地理格网第二节第二节 地理空间与空间数据表达地理空间与空间数据表达第三节第三节 栅格数据结构栅格数据结构第四节第四节 矢量数据结构矢量数据结构第一节第一节 地理空间数学基础地理空间数学基础 地理空间的数学基础是地理空间的数学基础是GISGIS空间位置数空间位置数据定位、量算、转换和参与空间分析的基据定位、量算、转换和参与空间分析的基准。准。

2、 地理空间的数学基础主要包括：地理空间的数学基础主要包括：一、地球空间参考一、地球空间参考二、空间数据投影二、空间数据投影三、坐标转换三、坐标转换四、空间尺度四、空间尺度五、地理网格五、地理网格一、地球空间参考一、地球空间参考地球空间模型描述地球空间模型描述 根据大地测量学的研究成果，地球表根据大地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类，分述如下：面几何模型可以分为四类，分述如下：第一类是地球的自然表面 第二类是相对抽象的面，即大地水准面。 第三类是地球椭球面，就是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。 第四类是数学模型 地球表面几何模型地球表面几何模型地球椭球及其参数地球椭球及

3、其参数地球椭球体几何参数长半径 a（赤道半径）短半径 b（极半径）扁 率 =(a-b)/a我国使用的椭球我国使用的椭球克拉索夫斯基椭球体克拉索夫斯基椭球体IAG75IAG75椭球体椭球体WGS84WGS84椭球体椭球体 我国的大地坐标系和高程系我国的大地坐标系和高程系19541954年北京坐标系年北京坐标系19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系西安原点西安原点GPSGPS测量数据测量数据19561956年黄海高程系年黄海高程系19851985年国家高程基准年国家高程基准地球椭球及其参数地球椭球及其参数一、地球空间参考一、地球空间参考地理空间坐标系统分类地理空间坐标系统分类球面坐标系统

4、（地理坐标系）平面坐标系统（投影坐标系统）地理坐标系：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二、二、 空间数据投影空间数据投影为什么要进行地图投影？为什么要进行地图投影？地面点用缩小的球面（如地球仪）不易于使用和保管，平面图更合适。地球椭球体为不可展曲面，使用物理方法会导致裂口，褶皱和重叠。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。地图投影的目的是通过将不可展的球面投影到一个可展曲面上，然后将该曲面展开成为一个平面，保证空间信息的连续性、完整性和可测性。曲面 平面什么是地图投影什么是地图投影简单地讲

5、：地图投影的实质是将地球椭球面上的简单地讲：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。经纬网按照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置是用地理坐标( (经度？纬度？经度？纬度？) )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？横座标？纵坐标？横座标？) ) 表示，所以要想将地球表面表示，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之间的关系。来确定地理坐标与平面直角坐标之间的关系。这种在球面和平面之

6、间建立点与点之间函数关系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，称为地图投影。的数学方法，称为地图投影。投影面地球什么是地图投影什么是地图投影地图投影地图投影的分类（按辅助投影面类型）的分类（按辅助投影面类型）圆锥投影圆柱投影方位投影投影变形投影变形用地图投影的方法将球面展开为平面，虽然可以用地图投影的方法将球面展开为平面，虽然可以保持地域上的联系和完整性，但它们与球面上的保持地域上的联系和完整性，但它们与球面上的经纬度网线形状并不一致。即投影后，地图上的经纬度网线形状并不一致。即投影后，地图上的经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘

7、在地图上的各种要素，也必然随着变形。在地图上的各种要素，也必然随着变形。角度变形面积变形距离变形地图投影：投影选择因素地图投影：投影选择因素 根据美国著名地图投影学家根据美国著名地图投影学家J.P.Snyder统计，全世界地图投影种类现有统计，全世界地图投影种类现有256种种，依据不同的目的和要求可以，依据不同的目的和要求可以采用不同指标采用不同指标对繁多的地图投影进行选择。对繁多的地图投影进行选择。地理坐标地图（球面坐标表示为平面方式）等积圆柱投影墨卡托投影：正轴等角切圆柱投影编制世界时区图横轴墨卡托投影常用地图投影常用地图投影高斯高斯- -克吕格投影克吕格投影高斯克吕格投影是由高高斯克吕格

8、投影是由高斯于斯于1919世纪世纪2020年代拟定，后年代拟定，后经克吕格补充而形成的一种经克吕格补充而形成的一种地图投影方式。地图投影方式。这种投影是将椭圆柱面套这种投影是将椭圆柱面套在地球椭球的外面，并与某在地球椭球的外面，并与某一子午线相切（此子午线叫一子午线相切（此子午线叫中央子午线或中央经线），中央子午线或中央经线），椭圆柱的中心轴通过地球椭椭圆柱的中心轴通过地球椭球的中心，然后按某种条件球的中心，然后按某种条件将中央子午线东西两侧各一将中央子午线东西两侧各一定经差范围内的地区投影到定经差范围内的地区投影到柱面上，并将此柱面展成平柱面上，并将此柱面展成平面，即获得高斯投影。面，即获得

9、高斯投影。高斯高斯克吕格投影克吕格投影（Gauss-Kruger Projection） -投影分带投影分带3 3度带和度带和6 6度带度带3度带：从0度开始，自西向东每6度分为一个投影带。6度带：从东经1度30分开始，自西向东每3度分为一个投影带。高斯高斯克吕格投影克吕格投影（Gauss-Kruger Projection） -投影分带投影分带高斯投影在我国系列比例尺地形图中的应用高斯投影在我国系列比例尺地形图中的应用我国我国1:11:1万至万至1:501:50万的地形图全部采用高斯克吕格万的地形图全部采用高斯克吕格投影。投影。1:2.51:2.5万至万至1:501:50万的地形图，采用万的

10、地形图，采用6 6分带方案，全球分带方案，全球共分为共分为6060个投影带；我国位于东经个投影带；我国位于东经7272到到136136间，间，共含共含1111个投影带；个投影带；1:11:1万比例尺图采用万比例尺图采用3 3分带方案。分带方案。三、空间坐标转换三、空间坐标转换变换目的变换目的不同来源的空间数据会存在地图投影和地理坐标的差异，为了获得一致的数据，必须进行空间坐标的变换。方法方法投影转换坐标值变换四、空间尺度四、空间尺度比例尺比例尺对于传统纸质地图，比例尺=图上距离/实地距离。数字式比例尺：如“110000”；文字式比例尺：如“图上1厘米等于实地1千米”我国系列比例尺地形图为1:1

11、万、1:25万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万、1:100万分辨率分辨率一般指图像分辨率，表示图像中目标细微程度的指标。五、五、 地理格网地理格网含义含义是按一定的数学法则对地球表面进行划分形成的格网，通常是指以一定长度或经纬度间隔表示的格网。作用作用是空间区域框架的组成部分，是信息采集、存储和提取的共同基础。国家出版的基础地图以地理格网作为存储和表达空间数据的基础。第二节第二节 地理空间与空间数据表达地理空间与空间数据表达第一节第一节 地理空间数学基础地理空间数学基础第二节第二节 地理空间与空间数据表达地理空间与空间数据表达一、地理空间的概念二、空间数据基本特征三、地理实体描述

12、四、地理实体之间的空间关系第三节第三节 栅格数据结构栅格数据结构第四节第四节 矢量数据结构矢量数据结构地理空间（地理空间（Geographic Geographic Space Space ）地理空间是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。 地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”（Geospatial）来表述。一、地理空间的概念一、地理空间的概念二、二、 空间数据的基本特征空间数据的基本特征 空间数据基本特征空间数据基本特征空间特征空间特征 用以描述事物或现象的地理位置以及空间位置相互关系。一般以坐标数据表现。 空间特征数据又可再分为拓扑特征和几何特征（定位特征）。属性特

13、征属性特征 非定位数据。用以描述事物或现象的特性。时间特征时间特征 用以描述事物或现象随时间的变化。Jack Dangermond1984空间数据的基本特征三、地理实体描述三、地理实体描述地理实体地理实体在地理空间世界中，空间对象一般按地形维数进行归类划分，地理现象被抽象为点、线、面、体。抽象后的地理现象称为地理实体（空间实体）。 1、点（0维） 2、线（1维） 3、面（2维） 4、体（3维）点实体有位置，无宽度和长度；有位置，无宽度和长度；抽象的点抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站美国佛罗里达洲地震监测站20022002年年9 9月该洲月该洲可能的可能的500500个地震位置个地震位置线实体有

14、长度，但无宽度和高度有长度，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度量实体距离城市道路网分布面实体具有长和宽的目标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通常用来表示自然或人工的封闭多边形中国土地利用分布图空间对象：体有长、宽、高的目标有长、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、矿体等三维目标体等三维目标体状实体一般具有以下一些空间特体状实体一般具有以下一些空间特征征：1）体积，如工程开控和填充的土方）体积，如工程开控和填充的土方量。量。2）每个二维平面

15、的面积。）每个二维平面的面积。3）周长）周长4）厚度）厚度5）高度）高度 抽象成地理实体的空间现象抽象成地理实体的空间现象维度维度 空间空间实体实体地理现象地理现象0 0点点城镇、居民地、交通枢纽、车站、码头、工城镇、居民地、交通枢纽、车站、码头、工厂、学校、医院、商场、写字楼、机关、火厂、学校、医院、商场、写字楼、机关、火山口、山峰、景点、基地等山口、山峰、景点、基地等1 1线线河流、海岸、铁路、公路、地下管网、行政河流、海岸、铁路、公路、地下管网、行政边界等边界等2 2面面土壤、耕地、森林、草原、沙漠、行政区域土壤、耕地、森林、草原、沙漠、行政区域、绿地、操场等、绿地、操场等3 3体体云、

16、水体、矿体、高层建筑等云、水体、矿体、高层建筑等四、地理实体之间的空间关系四、地理实体之间的空间关系地理实体地理实体实体类型组合实体类型组合 现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成单元组合而成 例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：如：线如：线面、面、面面面面、 点点面面、 点点线线四、地理实体之间的空间关系四、地

17、理实体之间的空间关系地理实体地理实体实体类型组合实体类型组合 （1 1）线）线面组合面组合1、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的、区域包含线：计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。水系分布情况。2、线通过区域：公路上否通过某县。、线通过区域：公路上否通过某县。3、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称、线环绕区域：区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。，中国与哪些国家接壤。4、线与区域分离：距离。、线与区域分离：距离。四、地理实体之间的空间关系四、地理实体之间的空间关系地理实体地理实体实体类型组合实体类型组合 （2 2）面）面面组合面组合1、包含：岛、包含：岛,某省的湖某省的湖

18、泊分布。泊分布。2、 相交：重叠，学校相交：重叠，学校服务范围与菜场服务范服务范围与菜场服务范围重叠区。围重叠区。3、 相邻：计算相邻边相邻：计算相邻边界性质和长度，公共连界性质和长度，公共连接边界。接边界。4、分离：计算距离。、分离：计算距离。 学校学校菜场菜场四、地理实体之间的空间关系四、地理实体之间的空间关系 地理实体间的空间关系地理实体间的空间关系在研究两个以上的空间实体时，空间关系是其在研究两个以上的空间实体时，空间关系是其中重要的研究内容。中重要的研究内容。空间关系空间关系是地理实体之间由实体的几何特性（是地理实体之间由实体的几何特性（位置、形状）所决定的关系。位置、形状）所决定的

19、关系。地理实体间的空间关系实际是研究实体间的地理实体间的空间关系实际是研究实体间的拓拓扑关系。扑关系。四、地理实体之间的空间关系四、地理实体之间的空间关系1 1、拓扑关系的定义、拓扑关系的定义Topology一词来自希腊文，它的原意是一词来自希腊文，它的原意是“形状的研究形状的研究”。拓扑学是几。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性拓拓扑属性。扑属性。地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在间还存在邻接、关联、包含邻接、关联、

20、包含等空间相互关系特征，由于描述这种关系等空间相互关系特征，由于描述这种关系时不需要考虑空间坐标和距离因素，所以又称为拓扑关系。时不需要考虑空间坐标和距离因素，所以又称为拓扑关系。是明确定义空间关系的一种数学方法。在是明确定义空间关系的一种数学方法。在GIS中，用来描述并确定空间中，用来描述并确定空间的点线面之间的关系及属性，并可实现相关的查询和检索。的点线面之间的关系及属性，并可实现相关的查询和检索。四、地理实体之间的空间关系四、地理实体之间的空间关系2 2、对拓扑关系、对拓扑关系的理解的理解指图形保持连续状态指图形保持连续状态下变形，但图形关系下变形，但图形关系不变的性质不变的性质。地理实

21、体间的空间关系地理实体间的空间关系2、对拓扑关系的理解 我们可以设想一块高质量的橡皮，可被我们可以设想一块高质量的橡皮，可被任意拉伸压缩，但不能扭转折叠。表面任意拉伸压缩，但不能扭转折叠。表面上有由结点、弧、环和区域组成的图形上有由结点、弧、环和区域组成的图形。若对该橡皮进行任意拉伸、压缩，但。若对该橡皮进行任意拉伸、压缩，但不扭转和折叠，则在橡皮形状的这些变不扭转和折叠，则在橡皮形状的这些变换中，图形的一些属性将得到保留，有换中，图形的一些属性将得到保留，有些属性将消失。些属性将消失。 拓扑变换拓扑变换（橡皮变换（橡皮变换）几何形状不同的图形，几何形状不同的图形，结点和面的拓结点和面的拓扑关系可以是相同的。扑关系可以是相同的。拓扑关系反映了空间拓扑关系反映了空间实体之间的逻辑关系，实体之间的逻辑关系，它不需要坐标、距离它不需要坐标、距离信息，不受比例尺限信息，不受比例尺限制，也不随投影关系制，也不随投影关系变化。变化。 两点之间的距离两点之间的距离一个点指向另一个点的方向一个点指向另一个点的方向弧段的长度弧段的长度一个区域的周长一个区域的周长一个区域的面积一个区域的面积一个点在一个弧段的端点一个点在一个弧段的端点一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上