地理信息系统：03 空间数据与空间数据模型

1、空间数据与空间数据模型空间数据的表达场模型要素模型地理参照空间数据地理数据（Geographic Data）是各种地理特征和现象间关系的符号化表示包括空间位置、属性特征以及时态特征三个部分空间数据（Spatial Data）其中标识空间位置的数据称为空间数据空间数据是与空间实体几何特征相关的数据，具有能够确定空间位置的特性更多的时候，地理数据也称为空间数据基本性质以空间位置为参照的数据空间相关性与空间位置相关具有特定的坐标和空间参照系尺度可以从抽象到具体从简单到复杂动态性空间动态变化时态变化坐标系统尺度时刻1时刻 2空间数据（地理数据）的基本特征空间特征（定位数据）表示现象的空间位置或现在所处

2、的地理位置空间特征又称为几何特征或定位特征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、数量特征和名称等等。时间特征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、长期的等等。三个基本特征（Jack Dangemond，1984）空间数据的类型在GIS中，按照空间数据的特征，分为三类空间特征数据定位数据时间特征数据时态数据专题特征数据非定位数据在GIS应用中时间特征数据和专题特征数据结合在一起共同作为属性特征数据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）空间特征数据是GIS区别于其它的软件的根本特征记录的是空间实体的位

3、置、拓扑关系和几何特征，是由于地物或现象的空间分布所产生通过特定空间参照系下的坐标直接表达经纬度坐标标准的地图投影坐标任意的直接坐标等基于坐标的派生数据定量的度量信息：面积、周长、质心、距离等定性的空间关系：拓扑关系、方位关系时间特征数据指地理实体的时间变化或数据采集的时间等空间数据涉及时间特征的几个方面地物的生命周期（产生、消亡）地物的移动（移动点）属性的时效性相关的问题时间关系 时空拓扑关系时态GIS数据模型是其关键专题属性数据描述地物所固有的，不是由于地物空间分布所带来的特征如某地的年降雨量、土地酸缄类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。这类数据在其它类型的信息系统中均可存储和处理专

4、题属性数据通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示空间特征数据与专题属性数据空间数据的时态特征空间参照系统空间参照系统（spatial reference system）确定空间目标平面位置和高程的平面坐标系和高程系空间实体要进行定位，必须嵌入到一个空间参照系中平面坐标系国家坐标系独立坐标系高程系国家高程系地方高程系空间参照系的两个重要基础椭球体基准面空间参考基准地球椭球体地球大小和形状的数学曲面长半轴：a短半轴：b扁率：=(a-b)/a第一偏心率：e第二偏心率：e高程系一般一个国家只采用一个平均海水面作为统一的高程基准面，由此高程基准面建立的高程系统称为国家高程系由高程基准面起算的地面点的高

5、度称为高程椭球体名称年代长半轴(米)短半轴(米)扁率白塞尔(Bessel)1841637739763560791：299.15克拉克(Clarke)1866637820663565841：295.0克拉克(Clarke)1880637824963565151：293.5海福特(Hayford)1910637838863569121：297克拉索夫斯基1940637824563568631：298.3I.U.G.G1967637816063567751：298.25GRS（1975）1975637814063567551298.257我国的空间参照系统国家坐标系1954北京坐标系苏联克拉索夫斯基

6、椭球体，在1954年完成测定工作原苏联普尔科沃为原点的1942年坐标系的延伸1980年国家大地坐标系（1980西安坐标系）1975年国际大地测量协会推荐的大地参考椭球体（GRS椭球体）大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇（西安市西北约60公里）采用1985国家高程基准国家高程系1956年黄海高程系：1985年前采用以19501956年青岛验潮站测定的平均海水面作为高程基准面1985国家高程基准：1985年开始启用以19521979年青岛验潮站测定的平均海水面作为高程基准面坐标系地理坐标系（geographic coordinate system）纬度（latitude）P点的法线与赤道面的交角。用表

7、示经度（longitude）过P点的子午面与本初子午面所夹的二面角。用表示经线和纬线是地球表面上两组正交的曲线，它们构成的坐标系称为地理坐标系地理坐标是球面坐标系平面坐标系欧几里德空间笛卡尔坐标系地图投影概念建立地球表面上的点与投影平面上点之间的一一对应关系基本问题：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分类变形性质等角投影、等积投影和任意投影构成方法几何投影：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、多圆锥投影投影面与地球的关系割投影、切投影高斯克吕格投影高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影“高斯投影”，“等角横切椭圆柱投影”一种横轴等

8、角切圆柱投影分带6度带：从0度子午线起，自西向东每隔经差6为一投影带，全球60带3度带：从东经1度30分的经线开始，每隔3度为一带，全球分为120带坐标中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴的交点为坐标原点X在赤道以北为正，以南为负；Y在中央经线以东为正，以西为负为了避免Y坐标出现负值，将各带的坐标纵轴西移500公里，即将所有Y值都加500公里在Y值前，需冠以带号，这样的坐标称为通用坐标我国常用的地图投影我国规定1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万比例尺地形图，均采用高斯克吕格投影1:2.5至1:50万比例尺地形图采用经差6度分带1:1万比例尺地形图采用经差3度分带1

9、: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份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（正轴等面积割圆锥投影）地理参照地理参照(Georeference)：空间参照(Spatial reference)用来描述指定地理位置的行为将一个要素与地理位置关联，或将其定位 特性唯一性：对于给定的地理参照，只有唯一的位置与之对应，因此对应的参照位置不会导致混淆许多地理参照系仅仅只在地球表面某个区域和范围内保持唯一性需要更多的限定通用性：含义在所有使用这些信息的用户，包括他们

10、的地理信息系统中，是共享的地理参照唯一性和通用性，允许将指向同一位置的不同的信息关联地理参照必须有时间持久性才能尽可能的有用每种地理参照都有相应的空间分辨率类型基于名称的：如北京大学电教104基于度量的：如北纬42度，东经121度一些常用的地理参照系统 （美国）系统唯一性范围是否为度量参照示例空间分辨率地名波动否加拿大 安大略省 伦敦根据不同的地理要素变化邮政地址全球否，但是在大部分国家沿街排列美国加利福利亚Goleta，990 West Campus Lane邮箱的服务范围邮政编码国家否93117（美国ZIP 编码）；WCIE 68T(英国Unit邮政编码)指定数量的邮箱所对应的范围电话区号

11、国家否805变化的地籍系统当地否美国，MA，Springfield城，01452954地块地块所占据范围公共土地测量系统美国西部，唯一的中央经线是Range 4N，Tow nShip 6E，Sec 5子区域划分的级数经度/纬度全球是西经119度45分，北纬34度40分十分好通用墨卡托南北半球的每个六度分带是563146E，43567 2N十分好国家平面坐标仅仅在美国，对于每个州和州内子区唯一是55086.34E，752 0.76N十分好线性参照系统利用在网络中从指定参照点沿着指定路径的距离来描述位置 围绕线性网络的应用中得到广泛应用，在交通基础设施管理、紧急事件处理中广泛应用 高速公路：京沈高

12、速公路540公里处铁路：京广线上北京到广州824.9公里里处电线、管道和沟渠高速公路部门利用线性参照定义桥梁、道路标识、路面凹坑和事故发生的位置，记录路况信息需要向经纬度等绝对地理坐标转换 应用领域交通地理信息系统(GIS-T)智能交通系统(intelligent transportation system，ITS)1#公路3#公路小路地理编码(Geocoding)概念将街道地址转换为经纬度或其他通用坐标系统的过程空间地址数据与空间位置(坐标) 相关联950 West Broadway in Columbia, Missouri, USA92.3527W, 38.9522N地理编码的过程地址标

13、准化：将街道地址处理为一种熟悉的、常用的格式，纠正街道和地址名称的拼写形式等地址匹配：确定具有地址事件的空间位置并且将其绘制在地图上主要方法找到所在街道的地理位置利用线性参照估计地址的地理位置应用人口普查：将每户的人口数据与所在区域联系起来公安部门119、110 报警系统依赖于地名、地址体系中国现有的地名、地址体系异常复杂，地名混乱、无序，缺乏规律性和统一的标准。坐标系与投影坐标系投影投影变换地图学数据的测量尺度为了描述地理世界，对任何事物都要鉴别、分类和命名，这些都是量测的组成部分它们所使用的参考标准或尺度是不同的测量的尺度大致可以分成四个层次，由粗略至详细依次为命名或类型次序间隔比率数据的

14、测量尺度的层次命名(Nominal)量（类型）只对特定现象进行标识，赋予一定的数值或符号定性而不定量描述如一个城市的名字、土地利用类型次序(Ordinal)量 基于对现象进行排序来标识的在线性坐标上，不按值的大小，而是按顺序排列的数例如，事故发生危险程度的级别被标为1、2、3、 间隔(Interval)量 不参照某个固定点，而是按间隔表示相对位置的数没有真的零值值相互之间可以比较大小，它们之间的差值大小是有意义的，但它们之间的比率值是没有意义的如温度 比率(Ratio)量有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据如降雨量、海拔高度、人口密度不同测量尺度数值的运算比率量 = != 命名量= != G

15、IS数据测量尺度示例点线面51015每个点代表500人人口大中小Q城镇飞机场洋流等高线304050高速公路普通公路街道道路边界线河流10020人口密度重要的次要的沼泽沙漠森林间隔与比率次序命名空间数据的表示方法空间数据模型数据模型数据模型是计算机中对描述和表现现实世界中感兴趣的某个方面的一组结构的集合。空间数据模型世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法实体关系空间数据模型类型三种类型场模型：Field Model表示二维或者三维空间中被看作是连续变化的现象 要素模型：Feature Model也称为对象模型刻画的是一个个离散对象，如点、线、

16、面，根据它们的边界以及组成它们或者与它们相关的其它对象，可以详细地描述离散对象 网络模型：Network Model描述离散的对象通过目标之间的相关联接（如路径）相互连接多个空间实体可以看成是基于点对象和线对象及其拓扑关系的集合的描述 模型实例场模型连续分布的现象温度、高程可以分布在二维空间，也可以是三维空间二维（或三维）空间中任意位置上，都有一个表现该现象的值在场的范围内，不存在没有值的空间位置场函数空间域到属性域的映射 z : s z(s)GIS中的一般情况函数是单值的，基本空间是欧氏平面场就自然看成表面或等值线场的特征空间结构特征连续现象 vs. 有限空间结构 离散化由于离散化而导致的误

17、差在所难免可以是规则的或不规则的分辨率和位置误差十分重要 属性域属性域的数值可以包含以下几种类型：名称、序数、间隔和比率支持空值，如果值未知或不确定则赋予空值连续的、可微的、离散的 与方向无关的和与方向有关的 空间自相关距离近的事物比距离远的事物之间的相关性更强基本原则：极少数情况可以用数学函数表达一个场在空间框架内确定有限多的采样点（线或面），并确定基于采样点的插值方法根据属性值发生变化的区域形成多边形分类（离散化的方式）离散点等高线空间镶嵌栅格TINVoronoi多边形场模型的主要类型均匀离散点栅格（均匀网格）多边形TIN等高线随机离散点栅格数据模型栅格数据模型是基于连续铺盖的，将连续空间

18、离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间铺盖可以分为规则的和不规则的铺盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间距对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性的铺盖在边数从3到N的规则铺盖中，方格、三角形和六角形是空间数据处理中最常用的三角形是最基本的不可再分的单元根据角度和边长的不同，可以取不同的形状，方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面将空间进行离散化，形成多个Cell每个Cell对应一个值栅格覆盖规则覆盖不规则覆盖像元像元，像素Pixel，Cell像元的值每个像元有一个值像元对地物的表达混和像元混和类像元的大小分辩率位置像元的位置被预先确定 格网的位置行、列要素模型可以直接被人们感知的对象

19、为一个要素河流、道路该模型的关键是把空间信息抽象成明确的、可识别的、有关联的事物或实体刻画的是一个个离散对象，根据它们的边界以及组成它们或者与它们相关的其它对象，可以详细地描述离散对象 通过要素边界确定了要素对应的几何体，通过抽象，得到相应的几何体(点、线、多边形)要素的三方面内容标识空间特征属性要素模型的基本概念基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。 任何现象，无论大小，如果它可以从概念上与其邻域现象相分离，都可以被确定为一个对象（Object）或实体（Entity）要素可以由不同的对象所组成，而且它们可以与其它的相分离的对象有特殊的关系 殴氏空间内的三类地物要素点对象线对象多边形对象矢量数据模型矢量方法强调了离散现象的存在，由边界线（点、线、面）来确定边界，因此可以看成是基于要素的矢量模型的表达源于原型空间实体本身，通常以坐标来定义。一个点的位置可以二维或者三维中的坐标的单一集合来描述线通常由有序的两个或者多个坐标对集合来表示面通