《环境信息系统》第二章 地理信息系统数据

第二章地理信息系统数据2.1

空间数据的基本特征2.2数据的测量尺度2.3数据源2.4数据质量2.5地图2.6空间数据类型转换2.7数据投影2.1

空间数据的基本特征空间数据基本特征：

(1)空间特征数据：表示空间实体的位置或现在所处的地理位置以及拓扑关系和几何特征。几何特征又称为定位特征，一般以坐标加以表示。例如笛卡尔坐标等。是GIS区别于其它的软件的根本特征是由于地物或现象的空间分布所带来通常是通过特定空间参照系下的坐标直接表达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

(2)属性特征数据：这里主要指的是专题属性，也是非定位数据。专题属性是指实体所具有的各种性质。专题属性通常以数字、符号、文本和图象等方式表达。专题属性的表达方式主要有两种：表格和图象。地物所固有的，不是由于地物空间分布所带来的特征这类特征在其它类型的信息系统中均可存储和处理专题属性特征通常以数字、符号、文本、表格和图像等形式来表示表格：通过固定的表格格式详细列出空间实体的参数和描述数据。一般情况下，表格数据精确、明了，易于理解。图形或图象：属性特征是通过属性值的级别来表达的，那么，就可以在同一级别的空间范围内充填一定的颜色或图例符号。以图形图象表达的属性数据具有隐含的性质，必须通过图例或有关技术规范才能加以理解。环境污染程度图上机演示1、属性表2、土地利用数据(3)时间特征数据：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、超长期的。

空间数据与专题数据空间数据的时态特征遥感数据上机演示2.2数据的测量尺度数据的测量尺度：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、间隔以及比例。1命名（Nominal）量

定性而非定量，不能进行任何算术运算。命名式的测量尺度也称为类型测量尺度，只对特定现象进行标识，赋予一定的数值或符号而不定量描述。编码类型11耕地13养殖池21林地31草地41水体42.滩涂51建设用地61未利用土地编码类型1耕地8养殖池2林地3草地4水体7.滩涂5建设用地6未利用土地2次序（Ordinal）量

线性坐标上不按值的大小，而是按顺序排列的数，序数值相互之间可以比较大小，但不能进行加、减、乘、除等算术运算。

次序测量尺度是基于对现象进行排序来标识的，，不同次序之间的间隔大小可以不同。对次序数据的逻辑运算除了“等于”与“不等于”之外，还可以比较它们的大小，即“大于”或“小于”。

秦皇岛市土壤侵蚀量分级标准表等级编号侵蚀级别分级标准/t/km2·a1无侵蚀02微度侵蚀0－5003轻度侵蚀500－25004中度侵蚀2500－50005强度侵蚀5000－80006极强度侵蚀8000－150007剧烈侵蚀15000－3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。按间隔量测的值相互之间可以比较大小，并且它们之间的差值大小是有意义的。间隔测量尺度与比例测量尺度相似，但是间隔尺度的测量值无真的零值。4比率（Ratio）量

比例测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据，比例测量尺度与使用的测量单位无关。与某一固定点的比值计算，支持多种算术操作。根据其种类分为：1、观测数据。即现场获取的实例数据，包括野外实地勘测。量算数据、台站观测记录数据、遥测数据等；分析测定数据。即利用物理和化学方法分析测定获取的数据；2、地图数据。各种地图图型记录资料等；3、统计调查数据。各种类型统计报告、社会调查数据等；4、遥感数据。利用航空、航天遥感获得的数据。2.3数据源1.地图资料普通地图—空间信息专题地图—专题（属性）信息2.遥感(RS)资料数据图片3.实测数据资料空间数据：数字测图仪、GPS接收器属性数据：气象气候数据等GlobalPositioningSystemRemoteSensing4.统计资料数字：人口、产值、收入、消费……文字：土地类型、污染情况……数据的来源主要有两种渠道：

一种是通过直接的调查获得的原始数据，一般称之为第一手或直接的统计数据；另一种是别人调查的数据，并将这些数据进行加工和汇总后公布的数据，通常称之为第二手或间接的统计数据。这类数据来源是指通过各种各样的调查获取数据。

获得第一手数据并不象得到二手数据那么轻松。某些在华的外资企业每年至少要花三四千万元来收集和分析数据。他们调查其产品目前在市场中的状况和地位并确定其竞争对手的态势等等；

第二手数据主要来自于国内外公开出版的或公开报道的各种出版物。

GIS最终提供给用户的一般是经过地理编码后第二手的电子数据库或由此制作出来的图件。

第一手数据资料经解译、编辑和处理后，就变成第二手数据，这类数据包括地图、表格、书和杂志中的地理编码数据。越来越多的第二手资料被数字化后输入各种GIS中。2.4空间数据质量在GIS的几个主要因素中，数据是一个极为重要的因素。在计算机软件、硬件环境选定之后，GIS中数据质量的优劣，决定着系统分析质量以及整个应用的成败。GIS提供的空间数据的分析方法被广泛用于各种领域，用于决策领域的数据，其质量要求应该是可知的或可预测的。研究空间数据质量的目的在于加强数据生产过程中的质量控制，提高数据质量空间数据质量的相关概念准确性（Accuracy）精度（Precision）不确定性（Uncertainty）空间分辨率（SpatialResolution）比例尺（Scale）误差（Error）1、一个记录值（测量或者观察值）与它的真实值之间的接近程度；2、空间数据的准确性通常是根据所指的位置、拓扑或者非空间属性来分类的；拓扑关系是反映反映空间要素与要素之间关系的数据模型，是保证描述空间数据完整性的规则。拓扑关系包括连接（什么和什么相连）、包含（什么在什么之中）、还有邻近（两者之间的远近）。3、可以用误差（Error）来衡量空间数据的准确性；准确性（Accuracy）数据精度表示数据对现象描述的详细程度数据精度和数据准确性的区别：1、精度低的数据不一定准确度也低；2、数据精度如果超出了测量仪器的已知准确度，这样的纪录数字在效率上是冗余的。精度（Precision）分辨率是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；空间分辨率可以看作是记录变化的最小幅度；空间分辨率示例：地图上最细线宽度对应的地理范围，遥感图像上一个像素代表的实际地理范围大小空间分辨率∝数据精度空间分辨率（SpatialResolution）上机演示遥感数据

空间分辨率示例RealWorldVectorDataRasterData1pixel=10mX10m分辨率=10m10M10M1Pixel关于空间过程和特征不能被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。在内容上，它是以真值为中心的一个范围，这个范围越大，数据的不确定性也越大。GIS中数据的不确定性包括：位置的不确定性、属性的不确定性、时域的不确定性、逻辑上的不一致性以及数据的不完整性；不确定性（Uncertainty）描述测量值和真实值之间的差别；误差的分析包括:位置误差（如点、线、多边形的位置误差）；属性误差；位置和属性误差之间的联系；误差（Error）地图上一个记录的距离和它所表现的“真实世界”的距离之间的一个比例；如右图中，这幅地图的比10cm:1000m=1:1000比例尺是刻画数据精度的量（如最小线宽为地图的空间分辨率）；比例尺（Scale）比例尺写成1：M，其中M为比例尺分母。M愈大，比值愈小，比例尺愈小；相反，M愈小，比值愈大，比例尺愈大。根据图上长度和比例尺求实际长度，也可根据实际长度和比例尺求图上长度。

为了满足经济建设和国防建设的需要，测绘和编制了各种不同比例尺的地形图。通常称1：l百万、1：50万、1：20万比例尺的地形图为小比例尺地形图；l：10万、1；5万比例尺的地形图为中比例尺地形图；1：10000、1：5000、1：2000、1：1000和l：500比例尺的地形图为大比例尺地形图。大比例尺上的获取的数据，不确定性小，反之亦然。高分辨率上获得的数据不确定性小。GIS数据质量的基本特点：1、准确度：一个记录值（测量或者观察值）与它的真实值之间的接近程度；2、精度：数据精度表示数据对现象描述的详细程度；3、不确定性：关于空间过程和特征不能被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。在内容上，它是以真值为中心的一个范围，这个范围越大，数据的不确定性也越大；4、相容性：指两个来源的数据在同一个应用中使用的难易程度。ARCGIS演示

1：25万地图拼接bount

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5、一致性：指对同一现象或同类现象的表达一致的程度。6、完整性：指同一准确度和同一精度的数据在类型上和空间上是否完备。一般来说，空间范围越大，数据的完整性可能就越差。生态类型制图需要地形高程、坡度、坡向、植被覆盖类型、气温、降雨和土地等数据，缺少上述任一方面的数据对于生态分类都是不完整的。7、现势性：指数据反映客观现象目前状况的程度。

2008年05月14日，中国科学院遥感所所属北京国遥万维信息技术有限公司于14日接收到四川汶川地区最新高分辨率卫星遥感影像数据以及5米雷达数据。国遥万维根据NSPO（台湾在1991年成立国家太空中心（NationalSpaceOrganization，简称NSPO）及中国台湾“国立”师范大学NUTU积极为国内重大灾情及时提供的原始影像数据，截至5月15日凌晨，已经完成北川东部、安县北部真彩色卫星影像图的处理与分析，完成茂县、什邡、都江堰及成都雷达卫星影像采集与处理。以上是震前震后卫星遥感数据对比分析，从图中可清楚看到其中对比情况。

2006年05月14日四川北川县

2008年05月14日四川北川县12日当天，民政部启动了《应对突发性自然灾害响应工作规程》，并在随后数天内，根据《空间及重大灾害国际宪章》，向欧洲、美国、加拿大、日本、印度等国的空间机构提出申请，要求获得汶川震中附近的卫星数据及相关资料信息。日本卫星拍摄的震前北川河流情况

日本卫星拍摄的5月16日北川河流变化情况

日本卫星照震后曲山镇被毁的情况

空间数据质量问题的来源

1、空间现象自身存在的不稳定性

空间现象自身存在的不稳定性包括空间特征和过程在空间、专题和时间内容上的不确定性。空间现象在空间上的不确定性指其在空间位置分布上的不确定性变化；空间现象在时间上的不确定性表现为其在发生时间段上的游移性；空间现象在属性上的不确定性表现为属性类型划分的多样性，非数值型属性值表达的精确性。因此，空间数据存在质量问题是不可避免的。

2、空间现象的表达测量误差、地图投影、数值采样和量化等；数据采集、制图过程中采用的测量方法、量测精度的选择，人们对同一变量概念理解的不一致性以及对某一空间地理特征表达方式是否合理等，由于它们都受到人类自身的关于空间过程和特征的认知以及表达的影响，因此，通过它们生成的数据都有可能出现误差。3、空间数据处理中的误差投影转换、地图数字化与扫描矢量化、格式转换、数据抽象（聚类、归并等）、空间分析、可视化等；1、投影变换地图投影是开口的三维地球椭球面或球面到二维平面的拓扑变换。在不同的投影形式下，地理特征的位置、面积和方向表现会有差异。

2、地图数字化和扫描后的矢量化处理，数字化过程采点的位置精度、空间分辨率、属性赋值等都有可能出现误差。

3、数据格式转换在矢量数据和栅格数据的格式转换中，数据所表达的空间特征的位置具有差异性。

4、数据分析

对数据进行的聚类、叠加、合并等操作时产生的误差。5、建立拓扑关系

拓扑过程中伴随着数据所表达的空间特征的位置坐标的变化。

6、与主控数据层的匹配

一个数据库中，常存存储同一地区的多层数据面，为了保证各数据层之间空间位置的协调性，一般建立一个主控数据层以控制其他数据层的边界和控制点。在与主控数据层匹配的过程中也会存在空间位移，导致误差的出现。

7、数据集成处理指在来源不同、类型不同的各种数据集的相互操作过程中所产生的误差。数据集成是包括数据预处理、数据集之间的相互运算、数据表达等过程在内的复杂过程，其中位置误差、属性误差都会出现。

8、数据处理过程中误差的传递和扩散

在数据处理的各个过程中，误差是累积和扩散的，前一过程的累积误差可能成为下一阶段的误差起源，从而导致新的误差的产生。4、空间数据使用中的误差

（1）对数据的解释过程对于同一种数据来说,不同用户对它的内容的解释和理解可能不同。处理这类问题的方法是随空间数据提供各种相关的文档说明，如元数据。（2）缺少文档缺少对某一地区不同来源的空间数据的说明，诸如缺少投影类型、数据定义等描述信息，这样往往导致数据用户对数据的随意性使用而使误差扩散开来。空间数据误差的主要来源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传播：插值误差、多源数据综合分析误差比例尺太小引起的误差数据输出输出设备不精确引起的误差输出的媒介不稳定造成的误差数据使用对数据所包含的信息的误解对数据信息使用不当空间数据误差的类型空间数据的误差可分为几何误差属性误差时间误差和逻辑误差

(1)逻辑误差：语义角度判断数据的合理性

（2）几何误差：空间数据表达的位置信息误差，在二维平面上主要反映在点（位置）误差和线（位置）误差上；折线和曲线的误差

空间数据质量的控制应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差；常见的数据质量空间方法有：传统的手工方法 与原始地图或者属性数据比较；元数据方法 阅读元数据了解数据质量的信息；地理相关法利用空间数据描述的地理特征要素自身的相关性元数据（Metadata）是描述数据的数据，如数据的内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息；常见的元数据：图书馆卡片、磁盘的标签、地图的制图元素（图名、图例、比例尺、制图单位、制图时间等）等；元数据的内容：对数据集的描述、数据质量的描述、数据处理信息的说明、数据转换方法的描述、数据更新、集成等说明空间数据元数据30m10m0.61m本图为TM图像；黄河入海口，反映泥沙堆积；拍摄时间为1990年。

QuickBird

影像图Tobecontinued…多光谱影像分辨率2.8mTobecontinued…

IKONOS图像地区：上海浦东分辨率：

1m采集时间：

2000年

3月26日Tobecontinued…

IKONOS卫星图像

遥感数据获取原理接收预处理用户应用处理分析结果、图表输出2.5地图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表现出来。地图的三个基本元素是比例尺、地图投影和符号。地图是一个有选择而又不完整的现实世界模型，这种现实世界模型在地图制图学中主要是通过地图综合来实现的。GIS中的许多图层都是从某类地图上经数字化和编辑加工得到的。地图的种类地图通常分为普通地图和专题地图。普通地图是一般性的参考图它主要用来表达六方面内容：居民地、道路、行政边界、地形(地貌)及地表覆盖、水系和典型目标物。普通地图中最典型的一类是地形图：指的是地表起伏形态和地物位置、形状在水平面上的投影图。具体来讲，将地面上的地物和地貌按水平投影的方法(沿铅垂线方向投影到水平面上)，并按一定的比例尺缩绘到图纸上，这种图称为地形图。由于地形图几何精度比较高，所以常被用于其他专题地图制作的基础底图。制图规范对投影、分幅、比例尺系列、符号、表达内容的精确度等均有严格规定。地图制图的一个重要环节是地图综合，它对以地图作原始数据源的数据误差或不确定性有重要影响。专题地图反映某一类特定的地理专题。专题地图种类繁多，而且每种图的制作需要一定的专业知识。常见的专题地图有：天气预报图、旅游图、交通图、地铁线路图、地势图等。反映自然条件的专题地图有：地质图、土壤图、气候图、植被图、太阳能分布图、风能分布图、洋流图、潮汐图等。反映经济状况的专题图有：交通图、工业图、农业图、商业图、贸易图、水利图、电力图、渔业图、林业图、牧业图等。南方八省市某年的几项经济指标统计专题图中部六省1990年人口等级符号专题图点密度专题图秦皇岛市R因子图符号是一种物质的对象、属性或过程，用它来表示抽象的概念。这种表示是以约定的关系为基础的。

地图符号是表达地图内容的基本手段，它由形状不同、大小不一、色彩有别的图形和文字组成。地图符号是地图的语言，是一种图形语言。它与文字相比，最大的特点是形象直观、一目了然。就单个符号而言，它可以表示客观事物的类别、空间分布位置、数量多少。就同类事物而言，可以反映该类事物的分布特点。各类符号的总和，则可以表示各类事物之间的相互关系及区域总体特征。地图符号不仅具有确定客观事物的空间位置、分布特点以及数量、质量特征的基本功能，还具有相互联系和共同表达地理环境诸要素总体特征的特殊功能。

地图符号地图内容是通过符号来表达的，因此符号具有如下特点：

1.符号应与实际事物的具体特征有联系，以便于根据符号联想实际事物；

2.符号之间应有明显的差异，以便相互区别；

3.同类事物的符号应该类似，以便分析各类事物总的分布情况，以及研究各类事物之间的相互联系；

4.简单、美观、便于记忆、使用方便。地图符号的构成特点地图是空间信息的符号模型，符号具有地图语言的功能，它表现在以下的四个方面：（1）地图符号是空间信息传递的手段。（2）地图符号构成的符号模型，不受比例尺缩小的限制，仍能反映区域的基本面貌。（3）地图符号提供地图极大的表现能力。（4）地图符号能再现客体的空间模型，或者给难以表达的现象建立构想模型。地图符号的功能点状符号：表达空间上一个点位的符号。具定位特征，为不依比例符号（不依地图比例尺表示的地图符号）。线状符号：表达空间上沿某个方向延伸的线状或带状现象的符号。具定位特征，为半依比例符号（长度依地图比例尺表示，而宽度不依地图比例尺表示的线状符号）。地图符号的分类面状符号：表达空间上具连续两维分布的现象的符号。具定位特征，为依比例符号。体积符号：表达空间上具三维特征的现象的符号。具定位特征，与比例尺相关。形象符号抽象符号比例符号半比例符号非比例符号地图符号的视觉含义分类地图符号的比例分类半比例符号构成符号的视觉变量

1.形状变量

2.尺寸变量

3.方向变量

4.颜色变量

5.网纹变量1.形状变量是视觉上能区别开来的几何图形的单体。3.方向变量适用于长形或线状的符号4.颜色变量是最活跃的视觉变量，又包含三个子分量：色相，亮度，彩度。§3构成符号的视觉变量

5.网纹变量指在一个符号或面积内部对线条或图形记号的重复交替使用。线划网纹、点状网纹、混合网纹。地图制作和地图综合①调查分析地图用户的要求；②确定制图目标，确定比例尺、投影、内容，设计符号，编制制图规范；③收集数据、野外测量、相片判读、问卷调查等；④对数据进行鉴别、分析处理，如插值、分类等；⑤转绘数据到基础底图上；⑥进行地图综合，先选样区试验再对整个制图区域进行综合；⑦进行地图清绘；⑧检查质量，检验精度等；⑨修改后制版印刷。地图综合是实现由地图制图者对现实世界的抽象模型转化为具体的地图模型的工具。它包括取舍、分类、简化和符号化。每个步骤都减少地图某些细节，但最终提供用户足够的地理知识和信息。适当的地图综合能够给地图用户提供有效的信息，而过度的综合则可导致信息匮乏而缺少真实感。取舍：分类：指的是将同样的或类似的制图对象划入一组。它是一个消除个体、从个体抽象概括一般性的方法。分类可使地图的复杂性减低，将制图对象按类组织在一起，因此可以增加地图向读者传输信息的有效性。简化：实际上，取舍、分类和符号化都是为了简化细节，但简化还有其他形式如光滑、化曲为直、归并等。如经过两点的道路，在有些图上要有准确的地理位置，而对于公路示意图来说只需用直线连接两点以表示该两点有公路相通即可。符号化：由于不可能将所有制图