土地信息技术基础.ppt

1、1,2 土地信息技术基础,内容提要： 2.1 土地信息分类与编码 2.2 土地信息的空间参考体系 2.3 地理空间及其表达 2.4 地理空间数据及特征 2.5空间数据结构的类型,2,2.1 土地信息分类与编码,土地信息分类：将土地信息系统化，以便于管理、应用和信息共享 2.1.1 信息分类的基础 2.1.2 土地利用信息分类 2.1.3 土地信息编码,3,2.1.1信息分类的基础 分类过粗：可能会影响将来分析的深度。 分类过细：增大工作量, 计算机负荷加重; 有时在技术上也难以做到。 （1）分类原则 科学性原则。按照土地信息特征进行科学分类,采用层级分类法,形成树形结构。 系统性原则。土地信息

2、分类从最高一级到最低一级应该排列成一个有机的整体。 稳定性原则。土地信息分类应以我国使用多年的基础信息和土地利用信息的常规分类为基础, 能在较长时间里不发生重大变更。 完整性和可扩展性原则。能容纳各专业领域现有的和将来可能产生的所有信息,代码结构和具体编码时应留有适当的余地和给出扩充办法。,4,易用性原则。分类名称尽量沿用专业习惯名称, 代码尽可能简短和便于记忆。 灵活性原则。现有系统分类和编码可灵活转换成标准的分类和代码。 不受比例尺限制原则。分类和代码应当包容各种比例尺数据库所涉及的全部要素。 与有关国家规范和标准协调一致原则。凡已经颁布实施的相关国家标准可以直接引用, 与有关行业标准和地

3、方标准求得最大限度地协调一致。 考虑数据来源原则。土地利用数据一级分类应该能够从卫星遥感影像识别, 便于卫星遥感监测土地资源。,5,（2）分类体系 作为土地信息编码基础的分类体系，主要是由分类与分级方法形成的。 分类的基本方法； 分级的概念、原则及基本方法; 分类与分级的关系。,6,分类的基本方法： 线分类法：又称层级分类法。是将初始的分类对象按选定的若干个属性或特征依次分成若干个层级目录，并编排成一个有层次的分类体系。对土地信息的分类一般是采用线分类法。,7,面分类法：将给定的分类对象按选定的若干个属性或特征分成互不相依、互不相干的若干方面，每个面中又分成许多彼此独立的若干个类目，由类目组合

4、形成类的一种分类方法。,8,分级：是对事物或现象的数量或特征进行等级的划分，主要包括确定分级数和分级界限。 确定分级数的基本原则, 包括: 分级数应符合数值估计精度的要求。分级数多, 数值估计的精度就高; 分级数应顾及可视化的效果; 分级数应符合数据的分布特征。 确定分级界线的基本原则, 包括: 使级内差异尽可能的小, 各级之间的差异尽可能的大; 在任何一个等级内部都必须有数据, 任何数据都必须落在某一个等级内; 尽可能采用有规则变化的分级界线。,9,分级的基本方法：在分级时大多采用数学方法，如数列分级、最优分割等级等。 分类体系中的分级方法所依据的指标，一般以土地特征的数量指标或质量指标为主

5、。,分类与分级的关系: 分类把研究对象划分为若干个类组，分级则是对同一类组对象再按某一方面量的差别进行分级； 分类描述地物间的分类关系、隶属关系，而土地分级描述地物间的等级关系。,10,11,2.1.2土地利用信息分类 从土地利用角度对土地信息分类： 一般以土地利用的类型、土地利用的性质和土地经营的特点为依据来设计分类系统；比如： 城市: 主要是考虑高密度的土地利用和配置, 并侧重于经济要素和人文要素； 农村: 则主要是研究大量的自然资源信息及利用问题。 因此, 原国家土地管理局制订两套土地利用信息分类体系, 即 :“土地利用现状调查技术规程” 和 “城镇地籍调查规程“,12,从信息系统开发应

6、用角度对土地信息分类： 基础地理信息 指空间参考坐标系、地形地貌、水系、植被和线状道路等基础信息 专题图形信息 指在建立土地信息系统时将涉及到的有关土地方面的信息图层：地籍、规划、估价等 专题属性信息 包括反映特定地块最基本属性的信息：面积、权属、地类等 土地相关属性信息 与土地相关的其他属性信息包括：人口、古迹、植被、水文、气候、交通运输等,13,概念区分： 编码：是将经过分类的信息用适当的数码(字符串或数值)来表示，也称代码化。编码的类型是指代码符号的表示形式，有数字型、字母型、数字和字母混合型三类。 代码：是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号，是计算机的符号，是计算机鉴别和

7、查找信息的主要依据和手段。 编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。,2.1.3土地信息编码,14,LIS中属性信息代码种类(分类码和标识码): 分类码：根据土地信息分类体系设计出来的用于识别不同类别的数据，根据它可以从数据中查找出所需类别的全部数据。,15,标识码：在分类码的基础上，对每类数据设计出 全部或主要实体的标识码，用以对某一类数据中 的某个实体进行个别查询检索，从而弥补分类码 不能进行个体分离的缺陷。 标识码是联系几何信息和属性信息的关键字。,16,17,属性信息编码方法举例： 如县级农用地分等单元编号：这是一种标识码，单元编号用12位数字表示：省级行政代码（2位）+地级

8、市行政代码（2位）+县级行政代码（2位）+单元流水编号（6位）。行政代码按中华人民共和国行政区划代码（GB2260-91）执行。单元流水编号不足6位前面补0。,18,空间信息的编码方式： 用空间坐标来表示地理要素的位置-空间坐标码 在空间要素间建立起联系，反映空间位置上的相互关系-拓扑结构、四叉树结构 对空间要素人为的给定一些编码或字符串-空间位置附加属性码 比较：空间坐标码有定位精确、图形显示直观的优点，拓扑结构、四叉树结构能建立空间要素之间空间位置上的相互联系，空间位置附加属性码便于人的识别、记忆。因此，一个实用的土地信息系统往往是同时使用上述三类编码，以相互取长补短。,19,思考：地球空

9、间中空间实体的位置如何表达？,2.2 土地信息的空间参考系,依坐标绝对定位 依空间实体间的空间关系,土地数据输入必须在统一的（或转换为统一的）土地空间参考框架下才能保证描述同一目标的不同来源的土地信息相互正确地对照。,20,2.2.1地球空间模型描述 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： 地球的自然表面 相对抽象的面,即大地水准面 地球椭球体 其他数学模型,21,地球的自然表面：它是一个起伏不平，十分不规则的表面，包括海洋底部、高山、高原等在内的固体地球表面非常复杂，难以用数学表达式描述，不适合建模，各种几何量算也十分的困难。,22,相对抽象的面，即大地水准面：假设当海水处

10、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正交的一个连续、闭合的水准面。尽管大地水准面比起实际的固体地球表面要平滑得多，但实际上，由于海水温度的变化，盛行风的存在，可以导致海平面高达百米以上的起伏变化，这使得大地水准面十分复杂而不能在其上进行运算。,23,地球椭球体：以大地水准面为基础建立的。虽然大地水准面十分复杂，但从整体来看，起伏是微小的，很接近与绕自转轴旋转的椭球体，所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体，这个旋转球体通常称地球椭球体。地球椭球体是建立土地信息空间参考系的基础。,椭球体元素： 长半径(a) 短半径(b) 扁率(),计算公式如下： =(a-

11、b)/b,一个国家或地区在建立大地参考系时，为使地球椭球面更切合本国或本地区的自然地球表面，往往需要选择合适的椭球参数、确定一个大地原点的起始数据，并进行椭球的定位和定向。,24,我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基椭球体(Krassovsky)建立了我国的北京54坐标系统。到20世纪80年代初，我国已基本完成了天文大地测量，经计算表明，54坐标系统普遍低于我国的大地水准面，平均误差为29米左右。1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体建立了我国新的大地坐标系统西安80坐标系统。我国大地测量就是依这两种坐标系统进行的。由于两种坐标系统地球椭球参数、定位和定向的变化，必然引

12、起地形图的图廓线、公里线以及地形地物相关位置的改变。因此，建立土地信息系统时，若同时使用根据两种坐标系统测制的地形图的情况下，必然会涉及54坐标向80坐标转换的问题。,25,美国国防部在1984年建立了世界大地测量坐标系统（WorldGeodeticSystem），简称WGS-84坐标系统，是目前国际上统一采用的大地坐标系。WGS-84坐标系统所使用的地球椭球体，称为WGS-84椭球体。 目前GPS定位所得出的结果都属于WGS-84坐标系统。而在工程中使用的大多是国家坐标系，因此要建立WGS-84和国家坐标系之间的转换模型，目前已有坐标转换模型可求得WGS-84和国家坐标系之间的转换参数，进而

13、得到国家坐标系成果。,26,图2-1 地球的自然表面、大地水准面 面和地球椭球体之间的关系,27,其他数学模型：为了解决特定的大地测量问题而提出的。如类地形面(Tel1uriod) 、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。,28,2.2.2土地信息的空间参考系 空间参考系：主要指大地参考系，是指用数学方法来定义地面实体在通用坐标系中的绝对位置和大小。大地参考系的基础是地球椭球体。常用的大地参考系有： 地理坐标系 空间大地直角坐标系 平面直角坐标系,同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式，一种形式实际上就是一种坐标系。,29,地理坐标系：以经纬和纬度表示地面点位置的球面坐标系。,地理坐标系,地理坐标

14、根据参考基准不同可分为：大地经纬度、天文经纬度。,30,大地经纬度以参考椭球面和法线作为基准面和基准线；天文经纬度是以水准面和铅垂线为基准面和基准线。,31,大地经度：观测点大地子午面与起始大地子午面之间的两面角，大地纬度：观测点椭球垂直线（法线）与赤道面之间的夹角； 天文经度：观测点子午面与起始天文子午面之间的两面角，天文纬度：观测点铅垂线（重力线）与赤道面之间的夹角； 经度向东量度为东经(正)，向西量度为西经(负) ，其值各为0180；纬度向北量度为北纬(正) ，向南量度为南纬(负) ，其值各为090。 比如，我国地处东半球，又处于北半球，所以我国地域内各点的地理坐标都是东经和北纬。如北京

15、某地点的地理坐标为东经11628，北纬3954。,32,空间大地直角坐标系,图2-3 空间大地直角坐标系,33,运用地图投影的方法，建立地球表面和平面上点的函数关系，使地球表面上任意一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与其相对应的点，平面上任一点的位置可以用极坐标或直角坐标表示。我国目前采用高斯-克吕格投影来建立地球表面和平面上点的函数关系。,平面直角坐标系,o,X,Y,34,空间点的高程是以大地水准面为基准建立的，大地水准面又由地球重力场决定。由于地球重力场的复杂性，大地水准面不能惟一确定，各国或地区均是选择一个平均水平面来代替它，以建立高程基准。 我国有1956年黄海高程系和1985年

16、国家高程基准。转换关系为：H85=H56-0.029 ，式中 : H85、H56一一新旧高程基准原点的正常高程。 在建立LIS时，若采用不同高程基准的地形图或工程图做基础数据时，应将高程基准全部统一到1985年国家高程基准。,高程参考系统,35,GIS中常用的坐标系是与地图测绘密切相关的地理坐标系和平面直角坐标系。,36,1、空间实体及类型 空间实体： 指具有形状、属性和时序特征的空间对象，它是对存在于自然世界中地理实体的抽象。 空间实体类型 任何地理实体都可以抽象为点、线、面、体等基本类型，以表示它的位置、形状、大小、高低等特征。,一、空间实体及表达,2.3 地理空间及其表达,以地图为例，来

17、了解空间实体的抽象及表达 点实体,2.3 地理空间及其表达,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2002年9月该洲可能的500个地震位置,线实体,2.3 地理空间及其表达,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,香港城市道路网分布,面实体,2.3 地理空间及其表达,具有长和宽的目标，有连续面和不连续面； 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（不连续面）,面实体（续）,2.3 地理空间及其表达,不连续变化曲面，如土壤、森林、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。,连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化

18、连续。,不连续变化曲面,连续变化曲面,体,2.3 地理空间及其表达,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、矿体等三维目标,矢量表达 在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。 栅格表达 在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数

19、字遥感图象就是栅格数据结构。,2、空间实体的表达（计算机）,2.3 地理空间及其表达,（1）空间实体的矢量表达,2.3 地理空间及其表达,矢量表达法示意（点、线、面）,2.3 地理空间及其表达,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 ) ， ， (xn ， yn ) 属性：符号变化，等值线,矢量表达法示意（ 体：TIN ） 把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点(Nodes)之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边(Edges)组

20、成的。 结点可以位于任何地方,但是结点布置得好坏,直接影响到连续面模型的精度，好的结点应位于表面形状发生显著变化的地方。,2.3 地理空间及其表达,TIN表达示意,2.3 地理空间及其表达,（2）栅格表达法 点：具有一定数值的删格单元 线：表现为按线特征相连接的一组单元 面：表现为按二维形状特征相连接的一组单元,2.3 地理空间及其表达,矢量表达和栅格表达,2.3 地理空间及其表达,流,路,下面以一幅交通图为例，来了解空间数据都有哪些特征?,一、空间数据基本特征,2.4 地理空间数据及特征,定位信息：C1、C2、C3三条道路在不同的空间位置。 关联关系：主干道与次干道在结点N2处相联接，主干道

21、的结点N1和N2相邻接，结点N2分别与三条路段C1、C2和C3相关联等，这些统称为拓扑关系；C3在C6的左边，称为方位关系；道路有一定的长度，称为度量关系。,属性信息：道路分别具有不同的等级 时间特征：随着时间的推移，道路还将发生变化。,2.4 地理空间数据及特征,2.4 地理空间数据及特征,空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；,空间特征示意：空间对象的位置及相邻对象的空间关系,二、空间实体的空间关系,2.4 地理空间数据及特征,1、空间实体关系研究的意义,2.4 地理空间数据及特征,因此，实体之间的关系包括点、线、面等之间组合。,面-面空间关系的形式化表达,2、空间实

22、体关系的形式化表示,2.4 地理空间数据及特征,面-线空间关系的形式化表达,面-点空间关系的形式化表达,线-点空间关系的形式化表达,2.4 地理空间数据及特征,在空间实体组合关系研究中，可以使用“九交模型”来表示。,三、空间实体的拓扑关系,2.4 地理空间数据及特征,1、拓扑概念 拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。 拓扑学为空间关系的研究提供了数学方法，它研究的不是几何体的面积、周长、边长，而是将几何体抽象成点、线、面等元素，再研究其间的关系。,2.4 地理空间数据及特征,拓扑变换示意,拓扑属性： 在右图中，点、线和多边形之间的连接、相邻、包含等关系，

23、无论图形如何变化，都不会改变，即不受投影关系、比例尺而变化。 非拓扑属性： 随着图形的变化，线的长度、面积等将发生变化。,结点（Node）：弧段的交点，N1 N4 弧段（Arc）：相邻两结点之间的坐标链， C1 C7 多边形（Polygon）：由弧段组成的封闭区。 P1 P4,2.4 地理空间数据及特征,2、拓扑学中的基本元素,3、基本元素之间可能的6种关系： 点 点 线 线 点 线 线 面 点 面 面 面 关系的性质为:关联、相邻、包含、相交、相离、相重等关系。,拓扑关系是研究空间实体关系的数学方法，它主要包括拓扑邻接、拓扑关联及拓扑包含。,2.4 地理空间数据及特征,4、空间实体的三种拓扑

24、关系,如图所示，P2多边形和P3多边形分别在弧段C4的左边和右边，因此，多边形P2和多边形P3具有邻接性。,2.4 地理空间数据及特征,多边形邻接,(1) 拓扑邻接性 指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系，如结点与结点之间的邻接关系，多边形与多边形的邻接关系。,结点与弧段的关联性,第二节 地理空间数据及特征,（2）拓扑关联性 指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系，如结点与弧段，多边形与弧段等。,多边形与弧段关联性,(3)拓扑包含性 指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系，如多边形的岛。,2.4 地理空间数据及特征,包含关系分简单包含，多层包含和等价包含三种形式。 例如：

25、多边形P3简单包含P4,（1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。 因为拓扑数据已经清楚地反映出地理实体之间的逻辑结构关系，而且这种拓扑数据较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。 （2）利用拓扑数据有利于空间要素的查询。 例如应答像某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些政区的居民提供水源；与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些；特别是野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于对生物栖息环境作出评价等等，都需要利用拓扑数据。 （3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 例如建立封闭多边形、实现道路的选取、进行最佳路

26、径的计算等。,2.4 地理空间数据及特征,3、拓扑空间关系研究意义,小结：空间数据的拓扑关系,在GIS中，凡具有网状结构特征的地理要素，都存在节点、弧段和多边形之间的拓扑关系。 拓扑定义： 指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。 将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。,矢量结构 栅格结构。,2.5 空间数据结构的类型,矢量结构 用点、线、面表现地理实体，其空间位置由所在的坐标参考系中的坐标定义。,三类地物： 点 面 线,栅格结构 空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）；地理实体的位置用它们占据的栅格行、列号来定义；栅格的值代表该位置的属性值；栅格的大小代表空间分解能力。,2.5 空

27、间数据结构的类型,（一）矢量数据结构 矢量数据结构的含义： 矢量数据结构是一种常见的图形数据结构，它用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置。 矢量数据结构的类型： 按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为无简单数据结构和拓扑数据结构两大类。,2.5 空间数据结构的类型,1、简单数据结构,简单数据结构实质上是面向实体的一种数据组装和编码方法。在简单数据结构中，空间数据以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条（spaghetti）数据结构。,无拓扑数据结构的概念示意,点表（ Spaghetti ）,2.5 空间数据结构的类型,A 点实

28、体结构：,唯一的标识码ID号 空间位置(X，Y） 非空间属性(A1，A2，An),线表（ Spaghetti ）,B 线实体结构：,唯一的标识码ID号 中间点数 非空间属性,与线表非常相似，但它的最后一个结点坐标值与第一个结点坐标值相同。如左表中，第1号多边形的(x1，y1) (x5，y5)。 对于多边形中的“岛”，处理方法是在每个多边形头记录中增加一条“岛”的属性来表示优先级，低优先级的多边形先绘置先充填，高优先级的多边形后绘置，这样岛多边形就覆盖了原先的多边形。,多边形表（ Spaghetti ）,2.5 空间数据结构的类型,C多边形实体结构,简单数据结构的主要特点,2.5 空间数据结构的

29、类型,（1）数据按点、线或多边行为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。 （2）每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致。,（3）点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。 （4）岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。,实例图,2.5 空间数据结构的类型,矢量结构图形基本元素,多边形：P1,P2p4,2、拓扑数据结构,结点：N1,N2N6,弧段：C1,C2C10,岛：P5,在拓扑数据结构中图形的基本元素包括：,2.5 空间数据结构的类型,拓扑数据结构描述,在拓扑数据结构中，点是相互独立的，点连成线，线构成面。

30、每条线开始于起始结点，止于终止结点，并与左右多边形相邻接； 多边形是由弧段连接而成的。由一条弧段组成的多边形称为岛。不包含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域。含岛的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。,表2 弧段拓扑文件,2.5 空间数据结构的类型,表3 结点拓扑文件,表1 多边形拓扑文件,文件结构,结点文件：唯一标识码，关联的弧段码，坐标点（x,y）； 弧段文件：唯一标识码，起始结点，终止结点，左多边形，右多边形，指向中间点坐标的指针； 多边形文件：唯一标识码，组成多边形的弧段号 弧段坐标：唯一弧段标识码，组成弧段的坐标串；,2.5 空间数据结构的类型,拓扑数据结构的数据文件一般包含四个文件,优点： 一个多边形与另一个多边形之间没有空间坐标的重复，这样就消除了重复线； 拓扑信息与空间坐标分别存储，有利于包含、连接、相邻等查询操作。 缺点： 拓扑表在一开始时就要创建，需要时间； 一些简单的操作，如图形显示等比较慢，因为图形显示需要的是空间坐标而非拓扑结构。,2.5 空间数据结构的类型,拓扑数据结构特点,矢量数据结构：特点,用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含 用拓扑关系描述