空间信息基础课件

1、第二章 空间信息基础第一节 GIS的地学基础地球模型坐标参考系统地图投影地图比例尺地理数据特征地图对地理现象表达遥感影像对地理现象表达地理信息系统中的空间地理空间(geo-spatial)：物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续，具体包括地球上大气圈、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常用地理空间表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的特征实体。地理空间定位框架即大地测量控制，有平面控制网和高程控制网构成，为所有地理数据的坐标位置提供了一个通用参考系。GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不

2、同来源数据的融合、连接与统一。地球表面几何模型的建立最自然的面：包括海洋底部、高山、高原在内的固体地球表面，起伏不定，难以用一个简洁的数学式描述。大地水准面：假设一个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。但地球的重力方向处处不同，处处与重力方向垂直的大地水准面不可能是十分规则的表面，且不能用简单的数学公式来表达，因此，大地水准面不能作为测量成果的计算面。椭球体模型：为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球三轴椭球体。 ab c地球的近似地球并不是规则的圆球椭球 (ellipso

3、id)长半轴 ( a )短半轴 ( b )扁率 ( f )( a-b )/a地理坐标地球模型地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体国家大地坐标系(1980)基准面(datum) ：IUGG75椭球(spheroid)a = 6378140mb = 6356755mf = 1/298.257坐标原点：西安原点，设在陕西省泾阳县永乐镇其他坐标系：1954北京坐标系地理空间坐标系地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。 法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度。 过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度。 地图投影：为什么要

4、进行投影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、面积等量算和各种空间分析地图是2维的：以x, y坐标表示地球表面是3维的：以纬度和经度表示 怎样实现3维向2维的的转变?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地图投影(Map Projections)将地理坐标（经纬度）从球面空间转换成平面空间的直角坐标的数学方法。投影坐标系又称平面直角坐标系建立在某种特定的地图投影基础上2维笛卡尔坐标 (x, y)地图投影：投影实质 建立地球椭球面

5、上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（，）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。 地图投影：投影变形将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。长度变形面积变形角度变形地图投影：投影分类变形分类： 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重

6、合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割地图投影：投影选择因素制图区域的地理位置、形状和范围制图比例尺地图内容出版方式地图投影：GIS中地图投影GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家

7、基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。地图投影：我国常用地图投影1：100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯克吕格投影。地图比例尺地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系纸质地图：内容、概括程度、数据精度等 GIS：数据精度比例尺的含义： 制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比例是一致的，故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例； 制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不同而有所变化，这种

8、地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率， 称为主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线上，才可用地图上注明的比例尺我国地图比例尺分级系统： 大比例尺：1：5001：10万 中比例尺：1：10万1：100万 小比例尺：1：100万无级比例尺概念高程控制网高程系统：描述空间点在垂直高度上的特性。高程由高程基准面起算的地面点的高度。任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB水准原点1985国家高程基准，72.2604米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米1956年黄海高程系 1985年国家高程基准面地理实体(

9、空间实体)指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。理解：地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的。例如，在全国地图上由于比例尺很小，南京是一个点，这个点不能再分割，因此可以把南京定为一个空间实体；而在大比例尺的南京市地图上，许多房屋，街道都要表达出来，所以南京必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。空间对象（实体）的地图表达空间对象（实体）类型空间对象一般按地形维数进行归类划分点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难

10、处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的点实体 有位置，无宽度和长度； 抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站2019年9月该洲可能的500个地震位置线实体 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 度量实体距离香港城市道路网分布面实体 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）空间对象：面（续）连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。空间对象：体有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建

11、筑、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑点：位置：（x，y） 属性：符号线：位置： (x1,y1),(x2,y2),(xn,yn) 属性：符号形状、颜色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn) 属性：符号变化 等值线 空间对象（实体）的遥感影像表达遥感传感器平台传感器第二节 地理信息数字化描述方法 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。 矢量(Vector) vs. 栅格(Raster)Vector: 用于实现对象模型PointLinePolygonRaster: 用于实现场模型Grids, TIN, etc.Contour简单要素表达矢量数

12、据结构矢量数据结构(Vector Data Structure)现实世界中的对象可以描述为点、线、面3种形式points 标识位置lines 连接点areas (polygons) 链接线利用点的 x, y 坐标集合 来进行点、线、面的表达NodeVertexpointslinesareas点(Point)0 维没有长度和宽度, 只有空间位置x, y 坐标又称node或vertex实体点注记点标识点Vertex线(Line)1 维具有长度和空间位置由沿着某路径上点的x, y坐标串组成又称 edges或 links如: 道路, 河流面(Area)2 维 (长度和宽度)具有面积和周长属性由边界线组

13、成(边界上点的坐标串)又称 polygon如: 行政分区, 水体矢量数据结构发展ESRI, Inc.ARC/INFO: coveragesArcView GIS: shapefilesArcGIS: geodatabaseARC/INFO and ArcView GIS 地理关系数据模型空间数据和属性数据分开存储，通过标识码进行连接ArcGIS is 面向对象数据模型空间数据和属性数据存储在一起，不相互分离简单数据结构非拓扑矢量数据Shapefile (ESRI)公共边界上的弧段重复存储优势 显示更迅速更通用，利于数据互操作为何采用栅格数据结构？Vectors - point, line, a

14、rea矢量有利于空间位置明确的离散要素的表达，而不能对连续数据进行较好的表达更好的方式是采用 raster数据模型如，DEM, 卫星影像, 数字正射影像图, 扫描地图图形表达栅格结构用规则的正方形(或三角形，多边形)将地理区域划分为网格(Grid)阵列。点：由单个栅格表达。线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。基本要素位置由行(Rows)，列(Columns)号定义属性为栅格单元(Cells, Pixels)的值。原点 (栅格单元位置) 左上角行 - y 坐标列 - x 坐标每个栅格单元由行、列位置进行定义栅格单元大小分辨率较大的栅格单元大

15、小具备较低的精度原则：应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。HH/2栅格数据特点栅格的空间分辨率指一个像元在地面所代表的实际大小对于同一图形，随着分辨率增大，存储空间也随之增大表达空间目标、计算空间实体相关参数的精度时分辨率越高，精度越高非常适合进行空间分析不适合进行比例尺变化，投影变换等栅格数据类型卫星影像DEM数字正射影像图数字栅格图GIS软件特定栅格图 矢量与栅格的比较 优 点 缺 点矢量便于面向现象(土壤类，土地利用单元等)结构紧凑，冗余度低，便于描述线或边界。利于网络、检索分析，提供有效的拓扑编码，对需要拓扑信息的操作更有效。图形显示质量好，精度高。数据结构复杂，各自

16、定义，不便于数据标准化和规范化，数据交换困难。多边形叠置分析困难，没有栅格有效，表达空间变化性能力差。 不能像数字图像那样做增强处理 软硬件技术要求高，显示与绘图成本较高。 栅格结构简单，易数据交换。叠置分析和地理(能有效表达空可变性)现象模拟较易。利于与感遥数据的匹配应用和分析，便于图像处理。输出快速，成本低廉。 现象识别效果不如矢量方法，难以表达拓扑。图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决该问题。投影转换困难。图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据文件。第三节 空间数据的类型和关系空间数据的特征属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如

17、对象的类别、等级、名称、数量等。空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。时间特征：描述空间对象随时间的变化地理数据的类型1、类型数据 例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；2、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；3、网络数量 例如道路交点、街道和街区等；4、样本数量 例如气象站、航线和野外样方的分布区等；5、曲面数据 例如高程点、等高线和等值区域；6、文本数据 例如地名、河流名称和区域名称；7、符号数据 例如点状符号、线状符号和面状符号等。空间对象的空间关系表达描述空间对象之间的空间

18、相互作用关系方法 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等； 相对关系：相邻、包含、关联等 相对关系类型拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述空间数据的拓扑空间关系 基于点集拓扑理论 拓扑元素： 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段

19、和线段 面：若干弧段组成的多边形 基本拓扑关系 关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系 拓扑元素量之间的关系：欧拉公式 点、线、面之间的拓扑关系邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线空间拓扑关系表达关系表表2-1面域与弧段的拓扑关系面 域弧 段P1a, b, c, -gP2b, d, fP3c, f, eP4g表2-2 结点与弧段的拓扑关系结 点弧 段Aa, c, eBa, d, bCd, e, fDb, f, cEg 表2-3 弧段与结点的拓扑关系弧 段结 点aA , BbB , DcD , AdB ,

20、 CeC , AfC , DgE , E表2-4 弧段与面域的拓扑关系弧段 左邻面 右邻面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1拓扑关系的意义确定实体间的空间位置关系有利于空间要素的查询可以重建实体空间对象:自相关特征空间对象在属性上存在相关性，两空间对象越 接近，其值也越接近，反之亦然。相关类型 负相关：位置越接近，属性值相差越远 正相关：位置越接近，特征也越接近 不相关：属性与空间位置无关。（A）高度空间负向相关；（B）无规律分布；（C）空间独立； （D）空间聚类现象；（E）高度正向相关第四节 元数据 “meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。