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1、第四章 空间表达变换分析,目录,地理空间坐标变换,空间表达,空间数据转换格式,空间尺度变换,图形变换,Step 1,Step 2,Step 3,复杂的地理信息,去粗取精，去伪存真 转换成点线面,为点线面编码,空间表达,通过数字化和地理编码过程将现实世界表达为地图,输出地图,客观世界的抽象,空间表达,GIS的建立过程,客观世界,信息知识,图4.2 GIS是客观世界的数字模型,地理问题,认知、概括,数字表达,GIS数据库,数据挖掘,模型分析,决策支持,GIS的空间分析过程,客观世界的抽象,空间表达,数据结构类型,图形表达,空间参考系统,时空尺度,“地理空间表达的形式 ”,空间表达,数据结构类型,“

2、地理空间表达的形式 ”,-矢量数据结构和栅格数据结构,空间表达,图形表达,-空间位置、空间形状和空间关系等在多数情况下，都用图形来表达,“地理空间表达的形式 ”,空间表达,空间参考系统,-包括坐标系统和地图投影系统,“地理空间表达的形式 ”,空间表达,时空尺度,定义了人们观察地球的一种约束，是人类揭示地理现象规律性的关键因素,“地理空间表达的形式 ”,空间数据格式转换,意义,空间数据获取的手段,GIS空间数据处理的重要任务,实现数据共享的方法之一,常用的空间数据结构,X,Y,i,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,矢量结构,栅格结构,矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地

3、理实体。 特点：定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。,矢量数据结构,道路,河流,地質,植被,矢量数据结构,点实体矢量 编码方法,矢量结构编码方法,面实体矢量 编码方法,线实体矢量 编码方法,统一标识,x,y 坐标,建立和显示 数据库联系 的属性,其它非几何属性,点类型、类别 或系列号,简单点、文本点、结点,点实体编码,线标识码,唯一标识码,起始点，终止点,显示信息,坐标对序列,菲几何属性,线实体编码,多边形环路法,树状索引编码法,拓扑结构编码法,由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成,多边形矢量编码,对所有边界点数

4、字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系,多边形环路法,树状索引编码法,拓扑结构编码法,多边形矢量编码,形成完整的拓扑结构。,多边形环路法,树状索引编码法,拓扑结构编码法,多边形矢量编码,拓扑结构编码法,唯一标示 多边形标示 外包多边形指针 邻接多边形指针 边界链接 范围,较好的解决了空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂度,栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。 特点：属性明显，定位隐含。 获取方法： (1) 手工网格法； (2) 扫描数字化法； (3) 分类影像输入法； (4) 数据结

5、构转换法。,栅格数据结构,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。,栅格数据结构,Real world,Grid,Point,Line,Area,Value,=0 =1 =2 =3,Row,Column,Triangles,Hexagons,RASTER,栅格数据结构,SPOT XS 20m*20m 牡丹水庫 band G, R, IR,网格资料,關於衛星影像,栅格数据结构,栅格结构数据中混合像元的处理,方案一,方案二：缩小栅格单元的面积,面积占优法,长度占优法,中心点法,重要性法,链码方法,游程长编码方法,直接栅格

6、 编码方法,四叉树编码,块码,栅格数据结构的编码方法,栅格数据结构的编码方法,直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）； 链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难； 游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用； 块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。,矢量结构与栅格结构的比较,矢量结构与栅格结构的相互转换,矢量数据结构向栅格数据结构的转换 栅格数据结构

7、向矢量数据结构的转换,矢量数据结构向栅格数据结构的转换,矢量数据转换成栅格数据后，图形的几何精度必然要降低，所以选择栅格尺寸的大小要尽量满足精度要求，使之不过多地损失地理信息。为了提高精度，栅格需要细化，但栅格细化，数据量将以平方指数递增，因此，精度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素,矢量数据结构向栅格数据结构的转换,计算若干个小图斑的面积S（i1， 2，n）； 求小图斑面积平均值； 求栅格尺寸L（）1/2。,栅格尺寸确定,点的栅格化,直线栅格化,直线插补法 扫描线法,面域的栅格化,直线插补法 扫描线法,边界线追踪,多边形边界提取,拓扑关系生成,去除多余点及曲线圆滑,栅格数据结构向矢量数

8、据结构的转换,多边形边界提取,二值化 细化,多边形边界提取,二值化 细化,栅格数据结构向矢量数据结构的转换,边界线追踪：边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标 拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。 去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。,地理空间坐标转换,意义,GIS实现多源数据无缝集成的基础,GIS空间分析的基础,GIS输出显示成果的需要,坐标系统 转换方法,坐标转换包括

9、两方面的内容：即不同坐标系统之间的转换和不同投影系统之间的转换，它们都是建立不同空间参考系统中两点间一一对应关系,地图投影 转换方法,地理空间坐标转换的方法,坐标系统转换方法,原理 坐标转换包括数字化仪坐标、扫描影像的坐标与大地坐标的变换以及两个不同大地坐标系的坐标变换。现有GIS软件一般都提供了以下两种模型实现坐标转换。 仿射变换 仿射变换（Affine Transformation）也称六参数变换，其变换公式为 （4.9） （4.10） 公式中（X, Y）为地图输出坐标系中的坐标点对，（x, y）为输入坐标系中的坐标点对；A、B、C、D、E、F为方程参数，其中，A、E分别确定点（x, y）

10、在输出坐标系中 X、Y方向上的缩放尺度，B、D确定旋转尺度，C、F分别确定在 X方向和Y方向上的平移尺寸。, 相似变换（Similarity Transformation） 地图数字化坐标变换一般采用相似变换模型，即选择常用的4个参数，通过平移、旋转和缩放来将数字化坐标系转换为地面坐标系。,平移变换,x=x+x y=y+y,坐标系统转换方法,旋转变换,x=xcos-y sin y=xsin+y cos,x=x0+(x- x0)cos-(y- y0) sin y=y0+(x- x0) sin+(y- y0) cos,比例变换（图形缩放）,点可以通过对其P（x，y）坐标分别乘以各自的比例因子Sx和

11、Sy来改变它们到坐标原点的距离。,x=xSx y=ySy,x=x0+(x- x0) Sx y=y0+(y- y0) Sy,坐标系统转换方法,当公式（4.9）与式（4.10）中的参数满足 , 条件时，则得到四参数的相似变换公式 （4.11） （4.12） 其中，（X, Y）为输出地图坐标系中的坐标点对，（x, y）为输入坐标系中的坐标点对；A、B、C、D为方程参数。相似变换实质上也是坐标系间的平移、旋转和缩放尺度的变换，式中 C、D分别为坐标在X和Y轴上的平移大小， 为缩放比例， 为旋转角度。22,同一坐标系中的坐标转换,不同坐标系统之间的转换,1.WGS-84地心坐标转换成54北京参心坐标 2

12、.大地坐标与航片扫描坐标的坐标转换,坐标系统转换方法,实现方法,1.大地坐标转换成空间直角坐标 2.空间直角坐标转换成大地坐标,同一坐标系中的坐标转换,不同坐标系统之间的转换,WGS-84坐标转换到54北京坐标的等式为,其中，,；,；,；,；m为变化参数。,大地坐标与航片扫描坐标的坐标转换的公式为,其中，x、y为地形图的大地坐标或航片坐标，x、y为扫描坐标。,地图投影转换方法,地图投影变换,通过建立两个投影的解析关系式，直接把一种投影坐标 ( x , y ) 变换成另一种投影的坐标 ( X , Y ),正解变换,反解变换,数值变换,地图投影转换方法,地图投影变换,由一种投影的坐标 (x,y)反

13、解出地理坐标（,) ，然后再将地理坐标代入另一种投影公式中，求出该投影下的直角坐标（X,Y),正解变换,反解变换,数值变换,地图投影转换方法,地图投影变换,根据两种投影在变换区内若干同名的坐标点，采用插值法、有限差分法、待定系数法等，实现不同投影之间的转换,正解变换,反解变换,数值变换,投影变换算法的特点与适用范围,从广义来讲，尺度（Scale）是实体、模式或过程在空间或时间上的基准尺寸。从研究者和被研究对象特征的角度，尺度是指研究某一现象或事件时采用的空间或时间单位，或某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率。 地理信息科学中所谈及的“尺度”既可指研究范围（如地理分布范围大小）

14、，也表示详细程度（如地理分辨率的层次和大小）以及时间长短与频率。,空间尺度变换,空间尺度变换,GIS作为 IT家族中的一员，面临“以人为本”“个性化” “自适应” 应用需求 用户不再满足于静态、单一分辨率的空间表达，需 要从多角度、多视点、多层次对空间认知表达。 在内容组织上需要连续分辨率变化、无极变焦展示。 观察得越深获得信息越多、越详细，观察的视点越远，获得 的范围越广、获得的信息越概略,一个有趣的数据组织问题：,多尺度表达具有广泛的应用需求, 面向不同层次的应用需求自动导出适宜的数据集体,宏观分析,中观分析,微观分析,尺度变换方法,基本思想 信息在不同尺度范围（相邻尺度或多个尺度）之间的

15、变换称为尺度变换（Scaling），也称尺度推绎。尺度变换将某一尺度上所获得的信息和知识扩展到其他尺度上，实现跨越不同尺度的辨识、推断、预测或推绎，包括尺度上推（Scaling Up）和尺度下推（Scaling Down）。,空间数据自动综合,LOD技术,小波变换,是为了改进数据的易读性和易理解性而对空间目标的几何或语义表示所施行的一组量度变换，包括空间和属性两方面的变换，需要通过模型综合和制图综合方法实现。,尺度变换方法,空间数据自动综合,LOD技术,小波变换,LOD技术应用在地形渲染中称之为多分辨率地形。地形作为一种特殊的几何物体，因为地形通常是一个规则的矩形网格，其简化模式可以有两种：规

16、则的简化和非规则的简化。,尺度变换方法,空间数据自动综合,LOD技术,小波变换,借助小波分析理论，可以检测和提取多源、多尺度、海量数据集的基本特征，并通过小波系数来表达，再作相应的处理和重构，从而可以获得该数据集的优化表示。,尺度变换方法,现有的GIS数据处理技术已不能满足信息社会需要，其中一个重要方面就是GIS无法处理矢量空间数据随比例尺变化而信息量增减的问题，即无级比例尺空间数据压缩与复现的问题？,无级比例尺变换,解决该问题的根本出路在于实现GIS制图综合自动化,地物要素的图形修饰,地物要素的图形概括,确定地物要素选取数量,确定地物要素选取内容,计算新图比例尺,确定地理范围,建立空间数据库

17、,无级比例尺数据处理技术流程,无级比例尺变换的原理及方法,地理坐标空间和WINDOWS坐标空间的映射关系,地理逻辑窗口 和动态裁剪,缩放漫游的实现,多幅地图的缩放漫游及数据管理,无级比例尺变换的原理及方法,地理坐标空间和WINDOWS坐标空间的映射关系,地理原点的坐标使用地理坐标系中的坐标表示，取值范围为要表达的地理空间范围。地理原点可以在要处理的整个地理空间范围内移动，但无论怎样移动，在进行坐标转换时始终将地理原点变换到WINDOWS的坐标原点，然后再依照所建立的映射公式转换其余的坐标点。,无级比例尺变换的原理及方法,地理逻辑窗口 和动态裁剪,在进行地图的输出显示时，采用了动态的裁剪过程，只

18、有当要素范围与地理逻辑窗口的边界相交才能进行裁剪。逻辑窗口裁剪的基本算法是针对一条线状要素的裁剪，对于非线状要素（如图、矩形等）则要转化为线状要素或由线组成的面状要素，为精确起见也可直接采用几何解析方法。,无级比例尺变换的原理及方法,缩放漫游的实现,无级比例尺变换的原理及方法,多幅地图的缩放漫游及数据管理,结构变换,量度变换,表示方法 变换,图形（这里指不同地图表达形式）是表达空间目标（数据）最直观、最有效的手段 .,图形变换,剖面图可分为简单剖面图、 剖面展平图、剖面叠加图、 剖面组合图等类型,剖面图,图解分 布图,玫瑰图表,块状图,常见图形表达形式,剖面图可分为简单剖面图、 剖面展平图、剖面叠加图、 剖面组合图等类型,剖面图,图解分 布图,玫瑰图表,块状图,常见图形表达形式,量度等级转换 量度指标转换 计量单位转换,实体量度变换,区域量度转换,表达空间范围的、具有一定形状的区域的形状量度变换，一般包括区域范围大小及轮廓形状的变换，强调区域间的拓扑关系,图形量度变换,常见图形表达形式,截断变换是把一个客体截断或切片，利用断面对客体或复杂系统的成分进行独立深入的研究,通过全部消除地图的次要碎部，以简化的形式显示被研究现象，突出客体结构基本规律的变换,类别与 级别变换,将地图要素的概略类别划分变换为适合于研究目的的详细级别,质量形式