第2章地理空间与空间数据基础

1、Chap.2 地理空间与空间数据基础（地理空间与空间数据基础（2学时）学时） l目标要求：了解空间数据、地理信息的描述方法、目标要求：了解空间数据、地理信息的描述方法、 类型；掌握空间数据拓扑关系的概念；理解空间类型；掌握空间数据拓扑关系的概念；理解空间 数据质量的概念及控制，了解空间数据误差的类数据质量的概念及控制，了解空间数据误差的类 型；掌握元数据的概念、应用。型；掌握元数据的概念、应用。 地理空间框架模型地理空间框架模型 地理空间的表达地理空间的表达 地理空间的拓扑地理空间的拓扑 空间数据质量空间数据质量 1.1. 空间数据的元数据空间数据的元数据 第2章地理空间与空间数据基础 1 地

2、理空间框架模型地理空间框架模型 1.1 1.1 地理空间的概念地理空间的概念 l地理空间包括：大气圈、水圈、生物地理空间包括：大气圈、水圈、生物 圈、岩石圈和土壤圈。圈、岩石圈和土壤圈。 ( (地球表面附地球表面附 近近) ) 第2章地理空间与空间数据基础 1.2 地理空间框架模型地理空间框架模型 l为了深入研究地理空间，需要建立地球表面为了深入研究地理空间，需要建立地球表面 的几何模型，这是进行大地测量的前提。根的几何模型，这是进行大地测量的前提。根 据大地测量学的成果，地球表面模型可以分据大地测量学的成果，地球表面模型可以分 为四类：为四类： 最自然的地球表面最自然的地球表面 相对抽象的大

3、地水准面相对抽象的大地水准面 椭球体模型椭球体模型 其它数学模型其它数学模型 第2章地理空间与空间数据基础 地球模型地球模型 地球表面地球表面 大地水准面大地水准面 铅垂线铅垂线 地球椭球体地球椭球体 大地水准面与地球椭大地水准面与地球椭 球体的最大差距球体的最大差距100100 米左右米左右 第2章地理空间与空间数据基础 WDM94模型描述的地球形状模型描述的地球形状 第2章地理空间与空间数据基础 1.2.1 地球表面地球表面 l包括海洋底部、高山高原在内的固包括海洋底部、高山高原在内的固 体地球表面。体地球表面。 l固体地球表面的形态非常复杂，难固体地球表面的形态非常复杂，难 以用一个简洁

4、的数学表达式描述，以用一个简洁的数学表达式描述， 所以不适合于数学建模。所以不适合于数学建模。 第2章地理空间与空间数据基础 1.2.2 大地水准面（大地水准面（geoid） l大地水准面：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、闭合的曲面。它是重力等位面，即物体沿该面个连续、闭合的曲面。它是重力等位面，即物体沿该面 运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。

5、大地水准面是海拔高程的起算面。大地水准面是海拔高程的起算面。 l大地水准面不是一个简单的数学曲面，大地大地水准面不是一个简单的数学曲面，大地 水准面的形状反映了地球内部物质结构、密水准面的形状反映了地球内部物质结构、密 度和分布等信息。度和分布等信息。 第2章地理空间与空间数据基础 1.2.3 椭球体模型椭球体模型 l椭球体模型椭球体模型 以大地水准面为基准建立起以大地水准面为基准建立起 来的地球椭球体模型。来的地球椭球体模型。 图 2-1 三轴椭球体模型 l三轴椭球体在数学上可行，又十分接近大地水准面。三轴椭球体在数学上可行，又十分接近大地水准面。 l三轴椭球体定义：三轴椭球体定义： l设椭

6、球体短轴上的半径记为设椭球体短轴上的半径记为c c，它表示从极地到地心的距离；椭球体，它表示从极地到地心的距离；椭球体 长轴上的半径和中轴上的半径记为长轴上的半径和中轴上的半径记为a a和和b b，它们分别是赤道面上的两，它们分别是赤道面上的两 个主轴。个主轴。 1 2 2 2 2 2 2 c z b y a x 第2章地理空间与空间数据基础 1.2.4 其它数学模型其它数学模型 l在解决其它一些大地测量学问题时在解决其它一些大地测量学问题时 提出来的，如类地形面提出来的，如类地形面 （TelluriodTelluriod）、准大地水准面、）、准大地水准面、 静态水平衡椭球体等。静态水平衡椭球

7、体等。 第2章地理空间与空间数据基础 1.3 地理空间坐标系的建立地理空间坐标系的建立 l建立地理空间坐标系，主要的目的是确定地建立地理空间坐标系，主要的目的是确定地 面点的位置。面点的位置。 l坐标系：大地坐标系、空间直角坐标系、平坐标系：大地坐标系、空间直角坐标系、平 面直角坐标系面直角坐标系 l大地坐标系是建立在一定的大地基准上的用大地坐标系是建立在一定的大地基准上的用 于表达地球表面空间位置及其相对关系的数于表达地球表面空间位置及其相对关系的数 学参照系，这里所说的大地基准是指能够最学参照系，这里所说的大地基准是指能够最 佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定佳拟合地球形状的地球椭球的

8、参数及椭球定 位和定向。位和定向。 第2章地理空间与空间数据基础 l椭球定位是指确定椭球中心的位置椭球定位是指确定椭球中心的位置, ,可分为可分为 两类两类: :局部定位和地心定位。局部定位和地心定位。 局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳局部定位要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳 的符合的符合, ,而对椭球的中心位置无特殊要求；而对椭球的中心位置无特殊要求； 地心定位要求在全球范围内椭球面与大地水准面有最佳地心定位要求在全球范围内椭球面与大地水准面有最佳 的符合的符合, ,同时要求椭球中心与地球质心一致或最为接近。同时要求椭球中心与地球质心一致或最为接近。 l椭球定向是指确

9、定椭球旋转轴的方向椭球定向是指确定椭球旋转轴的方向, ,不论不论 是局部定位还是地心定位是局部定位还是地心定位, ,都应满足两个平都应满足两个平 行条件行条件: : 椭球短轴平行于地球自转轴椭球短轴平行于地球自转轴; ; 大地起始子午面平行于天文起始子午面大地起始子午面平行于天文起始子午面 第2章地理空间与空间数据基础 l参考椭球参考椭球: : 具有确定参数具有确定参数( (长半径长半径a a和扁率和扁率 ),),经过局部定位和定向经过局部定位和定向, ,同某一地区大地同某一地区大地 水准面最佳拟合的地球椭球水准面最佳拟合的地球椭球, ,叫做叫做参考椭球参考椭球。 l总地球椭球总地球椭球: :

10、 除了满足地心定位和双平行除了满足地心定位和双平行 条件外条件外, ,在确定椭球参数时能使它在全球范在确定椭球参数时能使它在全球范 围内与大地体最密合的地球椭球围内与大地体最密合的地球椭球, ,叫做叫做总地总地 球椭球球椭球。 l参心坐标系参心坐标系: :以参考椭球为基准的坐标系；以参考椭球为基准的坐标系； l地心坐标系地心坐标系: :以总地球椭球为基准的坐标系。以总地球椭球为基准的坐标系。 第2章地理空间与空间数据基础 l建立参心坐标系，需进行下面几个工作：建立参心坐标系，需进行下面几个工作： 选择或求定椭球的几何参数（长短半径）；选择或求定椭球的几何参数（长短半径）； 确定椭球中心位置（定

11、位）；确定椭球中心位置（定位）； 确定椭球短轴的指向（定向）；确定椭球短轴的指向（定向）； 建立大地原点。建立大地原点。 l大地坐标（大地坐标（Geodetic CoordinateGeodetic Coordinate）: :大地测量中以参大地测量中以参 考椭球面为基准面的坐标。考椭球面为基准面的坐标。 地面点地面点P P的位置用大地经度的位置用大地经度L L、大地纬度、大地纬度B B和大地高和大地高H H表示。表示。 当点在参考椭球面上时，仅用大地经度和大地纬度表示。当点在参考椭球面上时，仅用大地经度和大地纬度表示。 大地经度是通过该点的大地子午面与起始大地子午面之间的大地经度是通过该点的

12、大地子午面与起始大地子午面之间的 夹角，大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角夹角，大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角; ; 大地高是地面点沿法线到参考椭球面的距离。大地高是地面点沿法线到参考椭球面的距离。 第2章地理空间与空间数据基础 第2章地理空间与空间数据基础 我国的大地坐标系我国的大地坐标系 l19541954年北京坐标系年北京坐标系 a a属参心大地坐标系；属参心大地坐标系； b b采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数； c. c. 大地原点在原苏联的普尔科沃；大地原点在原苏联的普尔科沃； d d采用多点定位法进行椭球定位；采用多点定位法进行椭球

13、定位； e e高程基准为高程基准为 19561956年青岛验潮站求出的黄海平均年青岛验潮站求出的黄海平均 海水面；海水面； f f高程异常以原苏联高程异常以原苏联 19551955年大地水准面重新平差年大地水准面重新平差 结果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得结果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得 。 第2章地理空间与空间数据基础 lBJ54BJ54坐标系的缺点：坐标系的缺点： 椭球参数有较大误差。与现代精确的椭球参数相比，椭球参数有较大误差。与现代精确的椭球参数相比， 长半轴约大长半轴约大109m109m； 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的参考椭球面与我国大地水准面存在

14、着自西向东明显的 系统性的倾斜，东部地区大地水准面差距最大系统性的倾斜，东部地区大地水准面差距最大+68m+68m。 几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。 定向不明确。椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采定向不明确。椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采 用的国际协议（习用）原点用的国际协议（习用）原点CIOCIO（Conventional Conventional International OriginInternational Origin）, ,也不是我国地极原点；起始也不是我国地极原点；起始 大地子午面也不是国际时间局大地子午面也不是

15、国际时间局BIHBIH所定义的格林尼治平所定义的格林尼治平 均天文台子午面，从而给坐标换算带来一些不便和误差。均天文台子午面，从而给坐标换算带来一些不便和误差。 第2章地理空间与空间数据基础 l19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 （1 1）大地原点在我国中部，陕西省泾阳县永乐镇；）大地原点在我国中部，陕西省泾阳县永乐镇； （2 2）8080坐标系是参心坐标系，椭球短轴坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z Z轴平行于地球轴平行于地球 质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼 治平均天文台子午面；治平均天文台子午面；X X轴在大地起始

16、子午面内与轴在大地起始子午面内与 Z Z轴轴 垂直指向经度垂直指向经度 0 0方向；方向；Y Y轴与轴与 Z Z、X X轴成右手坐标系；轴成右手坐标系； （3 3）椭球参数采用）椭球参数采用IUG 1975IUG 1975年大会推荐的参数年大会推荐的参数 长轴：长轴：637814063781405 5（m m）；扁率：）；扁率：1 1：298.257298.257 （4 4）多点定位；椭球定位时按我国范围内高程异常值）多点定位；椭球定位时按我国范围内高程异常值 平方和最小为原则求解参数平方和最小为原则求解参数 （5 5）大地高程以）大地高程以19561956年青岛验潮站求出的黄海平均水年青岛验

17、潮站求出的黄海平均水 面为基准面为基准 第2章地理空间与空间数据基础 l20002000国家大地坐标系国家大地坐标系 20002000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国 的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个 地球的质量中心。地球的质量中心。 20002000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转 换、衔接的过渡期为换、衔接的过渡期为8 8至至1010年。年。 现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大 地坐标系；地坐标系；200820

18、08年年7 7月月1 1日后新生产的各类测绘成果日后新生产的各类测绘成果 应采用应采用20002000国家大地坐标系。国家大地坐标系。 现有地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到现有地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到20002000 国家大地坐标系；国家大地坐标系；20082008年年7 7月月1 1日后新建设的地理信日后新建设的地理信 息系统应采用息系统应采用20002000国家大地坐标系。国家大地坐标系。 第2章地理空间与空间数据基础 WGS-84WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系 lWGS-84WGS-84坐标系是一个协议地球参考系坐标系是一个协议地球参考系CTSCTS（Conve

19、ntional Conventional Terrestrial SystemTerrestrial System）, ,其原点是地球的质心，其原点是地球的质心，Z Z轴指向轴指向 BIH1984.0BIH1984.0定义的协议地球极定义的协议地球极CTPCTP（Conventional Conventional Terrestrial PoleTerrestrial Pole）方向，）方向，X X轴指向轴指向BIH1984.0BIH1984.0零度子午面和零度子午面和 CTPCTP赤道的交点，赤道的交点，Y Y轴和轴和Z Z、X X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。 lWGS-84WGS-

20、84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第1717届大会届大会 大地测量常数推荐值。大地测量常数推荐值。 l自自19871987年年1 1月月1010日之后，日之后，GPSGPS卫星星历均采用卫星星历均采用WGS-84WGS-84坐标系统。坐标系统。 因此因此GPSGPS网的测站坐标及测站之间的坐标差均属于网的测站坐标及测站之间的坐标差均属于WGS-84WGS-84系系 统。为了求得统。为了求得GPSGPS测站点在地面坐标系（属于参心坐标系）测站点在地面坐标系（属于参心坐标系） 中的坐标，就必须进行坐标系的转换。中的坐标，就必须进行坐标系的转换。 第2章地

21、理空间与空间数据基础 高斯投影与平面直角坐标系高斯投影与平面直角坐标系 l用大地经度和纬度表示的大地坐标是一种椭球面上的用大地经度和纬度表示的大地坐标是一种椭球面上的 坐标，不能直接应用于测图坐标，不能直接应用于测图及工程应用及工程应用。因此，需要。因此，需要 将它们按一定的数学规将它们按一定的数学规则则转换为平面直角坐标。转换为平面直角坐标。 l地图投影（地图投影（Map ProjectionMap Projection）：把地球表面的任意点）：把地球表面的任意点 ，利用一定数学法则，转换到地图平面上的理论和方，利用一定数学法则，转换到地图平面上的理论和方 法。法。 l投影过程将产生投影变形

22、，而且不同的投影方法具有投影过程将产生投影变形，而且不同的投影方法具有 不同性质和大小的投影变形。为了限制投影变形，一不同性质和大小的投影变形。为了限制投影变形，一 般采用分带投影。般采用分带投影。 第2章地理空间与空间数据基础 第2章地理空间与空间数据基础 第2章地理空间与空间数据基础 高斯高斯-克吕格投影（横轴墨卡托投影）克吕格投影（横轴墨卡托投影） l假想有一个椭圆柱套在地球椭球的外面，并假想有一个椭圆柱套在地球椭球的外面，并 与某一子午线相切（此子午线叫中央子午线与某一子午线相切（此子午线叫中央子午线 ），椭圆柱的中心轴通过地球椭球的中心，），椭圆柱的中心轴通过地球椭球的中心， 然后用

23、等角条件，将中央子午线东西两侧各然后用等角条件，将中央子午线东西两侧各 一定经差范围的地区投影到椭圆柱面上，将一定经差范围的地区投影到椭圆柱面上，将 柱面展成平面即可。这种投影在高纬度地面柱面展成平面即可。这种投影在高纬度地面 精度较好，在低纬度地区精度较差。精度较好，在低纬度地区精度较差。 第2章地理空间与空间数据基础 x y O A B xA xB yB yA 500km 第2章地理空间与空间数据基础 1.4 地理空间的距离度量地理空间的距离度量 l欧几里德距离欧几里德距离 l曼哈顿距离曼哈顿距离 l时间距离时间距离 22 )()(), ( jiji yyxxjid jiji yyxxji

24、d), ( 第2章地理空间与空间数据基础 2 地理空间的表达地理空间的表达 l地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、 分析的基础。地理空间中的地理实体、地理现象分析的基础。地理空间中的地理实体、地理现象 可以抽象为点、线、面、体四种类型。可以抽象为点、线、面、体四种类型。 l地理空间的表达方法可以概括为地理空间的表达方法可以概括为 矢量矢量 栅格栅格 三角形不规则网等三角形不规则网等 l以此为基础，可以构造地理空间各种不同的数据以此为基础，可以构造地理空间各种不同的数据 模型和数据结构。模型和数据结构。 第2章地理空间与空间数据基础 2.1 矢量表

25、达法矢量表达法 用一系列有序用一系列有序 点的点的X X、Y Y（、（、 Z Z）坐标来精）坐标来精 确表达点、线、确表达点、线、 面实体。面实体。 第2章地理空间与空间数据基础 2.1.1 点状要素（点状要素（0维矢量）维矢量） l用用0 0维矢量来表达地理空间中的点状要素。维矢量来表达地理空间中的点状要素。 l0 0维矢量在二维欧氏空间中用唯一的实数对（维矢量在二维欧氏空间中用唯一的实数对（x x，y y） 来表示，在三维欧氏空间中用唯一的三元组（来表示，在三维欧氏空间中用唯一的三元组（x x， y y，z z）来表示。）来表示。 l一般指那些占面积较小，不能按比例尺表示，又一般指那些占面

26、积较小，不能按比例尺表示，又 要定位的事物。要定位的事物。 l有时，面状事物和点状事物的界限并不严格。如有时，面状事物和点状事物的界限并不严格。如 居民点，在大、中比例尺地图上被表示为面状地居民点，在大、中比例尺地图上被表示为面状地 物，在小比例尺地图上则被表示为点状地物。物，在小比例尺地图上则被表示为点状地物。 第2章地理空间与空间数据基础 2.1.2 线状要素（一维矢量）线状要素（一维矢量） l一维矢量用来表达线状要素，或者空间对象的边界一维矢量用来表达线状要素，或者空间对象的边界 l在二维欧氏空间中用一组离散化有序实数点对来表示在二维欧氏空间中用一组离散化有序实数点对来表示 线状要素：线

27、状要素： （x1x1，y1y1），（），（x2x2，y2y2），），(xn(xn，yn) yn) 其中其中n n为大于为大于1 1的整的整 数。数。 l在三维空间中则表示为：在三维空间中则表示为： （x1x1，y1y1，z1z1），），(x2(x2，y2y2，z2)z2)，（xnxn，ynyn，znzn） 其中（其中（x1x1，y1y1）或（）或（x1x1，y1y1，z1z1）是起始点，（）是起始点，（xnxn，ynyn）或）或 （xnxn，ynyn，znzn）是终止点。）是终止点。 第2章地理空间与空间数据基础 l对于地理空间中呈线状或带状的要素，如交对于地理空间中呈线状或带状的要素，如交

28、通线、河流、境界线、构造线等，均用一维通线、河流、境界线、构造线等，均用一维 矢量来表示其空间位置。矢量来表示其空间位置。 l对于线状和面状实体的区分，也和地图的比对于线状和面状实体的区分，也和地图的比 例尺有很大的关系。如河流，在小比例尺的例尺有很大的关系。如河流，在小比例尺的 地图上，被表示成线状地物，而在大比例尺地图上，被表示成线状地物，而在大比例尺 的地图上，则被表示成面状地物。的地图上，则被表示成面状地物。 第2章地理空间与空间数据基础 2.1.3 面状要素（二维矢量）面状要素（二维矢量） l用二维矢量来表达面状要素。用二维矢量来表达面状要素。 l面状要素，在二维欧氏平面上是指由一组

29、闭合弧段所包围面状要素，在二维欧氏平面上是指由一组闭合弧段所包围 的空间区域。的空间区域。 （x1x1，y1y1） ，（，（x2x2，y2y2），），(xn(xn，yn)yn)， （x1x1，y1y1） l在三维欧氏空间中表达的二维矢量，就是指空间曲面。在三维欧氏空间中表达的二维矢量，就是指空间曲面。 l面状分布的地理要素有连续分布的，如气温、土壤等，有面状分布的地理要素有连续分布的，如气温、土壤等，有 不连续分布的，如森林、油田、农作物等；它们所具有的不连续分布的，如森林、油田、农作物等；它们所具有的 特征也不尽相同，有的是性质上的差别，如不同类型的土特征也不尽相同，有的是性质上的差别，如不

30、同类型的土 壤，有的是数量上的差异，如气温的高低等。壤，有的是数量上的差异，如气温的高低等。 第2章地理空间与空间数据基础 2.1.4 体状要素（三维矢量）体状要素（三维矢量） l三维矢量用来表达三维空间中的实三维矢量用来表达三维空间中的实 体体体状要素。体状要素就是由一体状要素。体状要素就是由一 组或多组闭合曲面所包围的空间对象。组或多组闭合曲面所包围的空间对象。 第2章地理空间与空间数据基础 2.2 栅格表达法栅格表达法 l栅格表达法是以规则的像元阵列来表示地理实体栅格表达法是以规则的像元阵列来表示地理实体 或现象的分布。或现象的分布。 l它将研究区域按一定分辨率作行和列的规则划分，它将研

31、究区域按一定分辨率作行和列的规则划分， 形成由网格单元组成的矩阵，每个网格单元称为形成由网格单元组成的矩阵，每个网格单元称为 像素或像元（像素或像元（CellCell或或PixelPixel）。）。 l栅格中的每个像元是栅格数据中最基本的信息存栅格中的每个像元是栅格数据中最基本的信息存 储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定，像储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定，像 元的值表示地理实体或现象的某种属性特征。元的值表示地理实体或现象的某种属性特征。 第2章地理空间与空间数据基础 l点实体：表示为一个像元；点实体：表示为一个像元； l线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻线实体：表示为在一定

32、方向上连接成串的相邻 像元的集合；像元的集合； l面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。 第2章地理空间与空间数据基础 2.3 三角形不规则网（三角形不规则网（TIN）表达法）表达法 l对于地理连续面的表达，还可利用三角形不规则网表对于地理连续面的表达，还可利用三角形不规则网表 示（示（Triangulated irregular NetworkTriangulated irregular Network，TINTIN）。）。 l基于基于TINTIN的连续面模型能够有效地描述河流、峡谷、的连续面模型能够有效地描述河流、峡谷、 地势等地形区域特征。地

33、势等地形区域特征。 lTINTIN的构成：将地面一系列离散点，按照一定的规则的构成：将地面一系列离散点，按照一定的规则 和条件连接成互不交叉的三角网。和条件连接成互不交叉的三角网。 lThe resulting triangulation satisfies the The resulting triangulation satisfies the Delaunay triangle criterion, which ensures Delaunay triangle criterion, which ensures that no vertex lies within the interio

34、r of that no vertex lies within the interior of any of the circumcircles of the triangles in any of the circumcircles of the triangles in the network. the network. 第2章地理空间与空间数据基础 满足要 求 不 满 足 要求 泰森三角网 第2章地理空间与空间数据基础 第2章地理空间与空间数据基础 2.4 地理空间表达方式的比较地理空间表达方式的比较 l模型的要点模型的要点 l数据源数据源 l空间存贮空间存贮 l要素表达要素表达 l拓扑

35、关系拓扑关系 l地理分析地理分析 l制图输出制图输出 第2章地理空间与空间数据基础 模型的要点模型的要点 矢量表达矢量表达 栅格表达栅格表达 TINTIN表达表达 矢量数据主要用矢量数据主要用 来模拟具有精确来模拟具有精确 形状和边界的离形状和边界的离 散要素散要素 栅格数据主要用栅格数据主要用 来模拟连续的现来模拟连续的现 象和地球的影像象和地球的影像 三角网数据主要用来三角网数据主要用来 对表示高程或其它状对表示高程或其它状 况（如浓度）的表面况（如浓度）的表面 进行有效地表达进行有效地表达 第2章地理空间与空间数据基础 数据源数据源 矢量表达矢量表达 栅格表达栅格表达 TINTIN表达表

36、达 u从航空、遥感影像中从航空、遥感影像中 解译解译 u用全站仪、用全站仪、GPS GPS 接收接收 机采集机采集 u从地图原图中数字化从地图原图中数字化 u从栅格数据矢量化从栅格数据矢量化 u从三角网中提取等高从三角网中提取等高 线线 u从野外调查数据中简从野外调查数据中简 化而来化而来 uCAD CAD 制图中导入制图中导入 u航空航天飞机航空航天飞机 摄影得来摄影得来 u卫星影像卫星影像 u从三角网中转从三角网中转 换而来换而来 u矢量数据栅格矢量数据栅格 化化 u扫描蓝图、相扫描蓝图、相 片等片等 u从航空相片解译而从航空相片解译而 来来 u从全站仪、从全站仪、GPSGPS接接 收机采

37、集收机采集 u用高程数据导入点用高程数据导入点 u从矢量等高线转换从矢量等高线转换 而来而来 第2章地理空间与空间数据基础 空间存贮空间存贮 矢量表达矢量表达 栅格表达栅格表达 TINTIN表达表达 l点以点以x,y x,y 坐标坐标 来存贮来存贮 l线以相联的线以相联的x,y x,y 坐标形成的路径坐标形成的路径 来存贮来存贮 l多边形用闭合多边形用闭合 的路径来存贮的路径来存贮 l坐标原点为栅坐标原点为栅 格的左下角，以格的左下角，以 像元的高度和宽像元的高度和宽 度为单位，每个度为单位，每个 像元用它所在的像元用它所在的 行和列的位置来行和列的位置来 确定确定 l存储每个像元存储每个像元

38、 的属性值或灰度的属性值或灰度 l三角形面中每个三角形面中每个 结点有一个结点有一个x,y x,y 坐标值，及相关坐标值，及相关 的高程或其它值的高程或其它值 第2章地理空间与空间数据基础 要素表达要素表达 矢量表达矢量表达 栅格表达栅格表达 TINTIN表达表达 l点代表小要素。点代表小要素。 l线代表长度很线代表长度很 长而宽度很小的长而宽度很小的 要素；要素； l多边形表示占多边形表示占 据一定面积的要据一定面积的要 素。素。 l点要素以单个点要素以单个 像元来表示；像元来表示； l线要素用一系线要素用一系 列具有相同值的列具有相同值的 相邻像元来表示；相邻像元来表示； l多边形要素则多

39、边形要素则 以具有相同值的以具有相同值的 像元构成的一个像元构成的一个 区域来表示。区域来表示。 l点的点的z z 值确定值确定 表面的形状。表面的形状。 l线定义表面的线定义表面的 变化如山脊或河变化如山脊或河 流。流。 l外部区域外部区域 （exclusion exclusion areaarea）定义具有）定义具有 相同相同Z Z值的多边值的多边 形。形。 第2章地理空间与空间数据基础 拓扑关系拓扑关系 矢量表达矢量表达 栅格表达栅格表达 TINTIN表达表达 l连接性表达连接性表达 哪些线与结点哪些线与结点 相连。相连。 l邻接性表达邻接性表达 线的左右多边线的左右多边 形分别是哪些。

40、形分别是哪些。 l还有包含、还有包含、 重叠重叠 l相邻象元可相邻象元可 能通过加减行、能通过加减行、 列的值进行快列的值进行快 速定位。速定位。 l每一个三角每一个三角 形与它相邻的形与它相邻的 三角形相连。三角形相连。 第2章地理空间与空间数据基础 地理分析地理分析 矢量表达矢量表达 栅格表达栅格表达 TINTIN表达表达 l拓扑地图叠加拓扑地图叠加 l缓冲区生成和邻缓冲区生成和邻 近分析近分析 l多边形融合和叠多边形融合和叠 加加 l空间和逻辑查询空间和逻辑查询 l地址地理编码地址地理编码 l网络分析网络分析 l空间一致性分析空间一致性分析 l表面分析表面分析 l散布分析散布分析 l最小

41、成本路径分最小成本路径分 析析 l高程、坡度、坡向高程、坡度、坡向 计算计算 l从表面中提取高线从表面中提取高线 l体积计算体积计算 l垂直剖面分析垂直剖面分析 l视场分析视场分析 第2章地理空间与空间数据基础 制图输出制图输出 矢量表达矢量表达 栅格表达栅格表达 TINTIN表达表达 l矢量数据适合矢量数据适合 于绘制要素的精于绘制要素的精 确形状和位置。确形状和位置。 l它不适合于连它不适合于连 续分布的现象。续分布的现象。 l栅格数据适合栅格数据适合 于表现图像和于表现图像和 属性值逐渐变属性值逐渐变 化的连续要素。化的连续要素。 l通常情况下，通常情况下， 它不适合于绘它不适合于绘 制

42、点和线要素。制点和线要素。 l三角网数据适合三角网数据适合 于形象地表达表于形象地表达表 面。这种数据可面。这种数据可 以用不同的颜色以用不同的颜色 来表示不同的高来表示不同的高 程、坡度或坡向程、坡度或坡向 或生成三维透视或生成三维透视 图。图。 第2章地理空间与空间数据基础 2.5 地理空间表达方式的选择地理空间表达方式的选择 在选择一种地理空间表达方式时要考虑很多问题。在选择一种地理空间表达方式时要考虑很多问题。 要素或位置关注的焦点是什么？要素或位置关注的焦点是什么？ 什么数据可以容易地获得？什么数据可以容易地获得？ 对于定位要素，要求的精度是多少？对于定位要素，要求的精度是多少？ 需

43、要什么类型的要素？需要什么类型的要素？ 你想要的拓扑关系是什么类型的？你想要的拓扑关系是什么类型的？ 所要求的分析是什么类型的？所要求的分析是什么类型的？ 要求生成什么类型的地图？要求生成什么类型的地图？ 第2章地理空间与空间数据基础 要素或位置关注的焦点是什么？要素或位置关注的焦点是什么？ l如果是模拟具有属性和行为的单个对象，矢量数如果是模拟具有属性和行为的单个对象，矢量数 据表达方式是最好的。据表达方式是最好的。 l如果是模拟用属性值来刻画的连续对象或现象，如果是模拟用属性值来刻画的连续对象或现象， 我们可以选择栅格或三角网数据表达方式。我们可以选择栅格或三角网数据表达方式。 栅格数据模

44、拟在规则格网中具有统一取样属性栅格数据模拟在规则格网中具有统一取样属性 的区域。的区域。 三角网数据模拟具有不同密度的采样点和值的三角网数据模拟具有不同密度的采样点和值的 区域。区域。 第2章地理空间与空间数据基础 什么数据可以容易地获得？什么数据可以容易地获得？ lGIS GIS 设计的最初步骤就是调查已经获得的所有地理设计的最初步骤就是调查已经获得的所有地理 数据。当发现最合适的数据时，我们要判断这个数数据。当发现最合适的数据时，我们要判断这个数 据是否足够或是否需要以其他手段生成新的数据。据是否足够或是否需要以其他手段生成新的数据。 l有时，我们可能要将已有的数据从一种表达方式转有时，我

45、们可能要将已有的数据从一种表达方式转 换为另一种表达方式。例如，电力传输线的最好来换为另一种表达方式。例如，电力传输线的最好来 源可能是栅格格式的扫描地图。为了进行电力分析源可能是栅格格式的扫描地图。为了进行电力分析 或环境研究，可能发现要将它从栅格格式转换为矢或环境研究，可能发现要将它从栅格格式转换为矢 量格式。我们将通过数据采集的其它手段估计这种量格式。我们将通过数据采集的其它手段估计这种 栅格转矢量的成本或质量。栅格转矢量的成本或质量。 第2章地理空间与空间数据基础 对于定位要素，要求的精度是多少？对于定位要素，要求的精度是多少？ l如果要求很精确地定位要素，就应该选择矢如果要求很精确地

46、定位要素，就应该选择矢 量数据表达方式。用矢量数据，要素的识别量数据表达方式。用矢量数据，要素的识别 和选择将非常容易，并且坐标值也被精确地和选择将非常容易，并且坐标值也被精确地 存贮。存贮。 l栅格数据中确定要素的位置受像元尺寸的限栅格数据中确定要素的位置受像元尺寸的限 制。在三角网数据中，只有点和断线的位置制。在三角网数据中，只有点和断线的位置 能较好的定义。在栅格和三角网数据中，要能较好的定义。在栅格和三角网数据中，要 素的位置和形状通常是不精确的。素的位置和形状通常是不精确的。 第2章地理空间与空间数据基础 需要什么类型的要素？需要什么类型的要素？ l如果模拟的是有属性值的大型要素，而

47、这些值是多样化的、如果模拟的是有属性值的大型要素，而这些值是多样化的、 随时间变化的或是具有不明显边界的，那么栅格数据表达随时间变化的或是具有不明显边界的，那么栅格数据表达 方式通常是最合适的。如模拟随时间变化的火灾情况或地方式通常是最合适的。如模拟随时间变化的火灾情况或地 下水污染物扩散情况。下水污染物扩散情况。 l如果模拟的是那些描述地球表面形状的要素，如山峰、山如果模拟的是那些描述地球表面形状的要素，如山峰、山 脊线或河流时，通常三角网数据表达方式最合适。脊线或河流时，通常三角网数据表达方式最合适。 l许多自然要素用矢量数据表达更好，例如水系。如果将河许多自然要素用矢量数据表达更好，例如

48、水系。如果将河 流作为一张地图的背景层来显示或模拟为广义运输分析一流作为一张地图的背景层来显示或模拟为广义运输分析一 部分的河流航运情况，很可能就会选用矢量数据表达方式。部分的河流航运情况，很可能就会选用矢量数据表达方式。 l如果模拟的是人造要素，通常用矢量数据表达方式最好。如果模拟的是人造要素，通常用矢量数据表达方式最好。 人造要素具有可以用直线或圆弧来表现的明确的形状。同人造要素具有可以用直线或圆弧来表现的明确的形状。同 时，这些人造要素通常可以定位到勘探级别的精度。时，这些人造要素通常可以定位到勘探级别的精度。 第2章地理空间与空间数据基础 你想要的拓扑关系是什么类型的？你想要的拓扑关系

49、是什么类型的？ l一些对象没有拓扑关系并且在地理区域中可以任意放置。一些对象没有拓扑关系并且在地理区域中可以任意放置。 l很多对象存贮在很多对象存贮在GIS GIS 中的目的是作为地图显示的背景层，中的目的是作为地图显示的背景层， 因此并不需要将它们用拓扑格式来存贮。如果在因此并不需要将它们用拓扑格式来存贮。如果在GIS GIS 中，中， 公路是一个背景层，它们很可能只是简单要素。如果公路公路是一个背景层，它们很可能只是简单要素。如果公路 是运输系统分析的一部分，那么它们就要用拓扑要素来存是运输系统分析的一部分，那么它们就要用拓扑要素来存 贮了。贮了。 lGIS GIS 可以含有网络要素或拓扑

50、要素，它们通常出现在矢量可以含有网络要素或拓扑要素，它们通常出现在矢量 数据表达方式中。网络表达公路、河流或其它设施。拓扑数据表达方式中。网络表达公路、河流或其它设施。拓扑 要素表现的是面积的集合，落在该面积内的每一个点都可要素表现的是面积的集合，落在该面积内的每一个点都可 以用一个多边形来覆盖。以用一个多边形来覆盖。 第2章地理空间与空间数据基础 所要求的分析是什么类型的？所要求的分析是什么类型的？ l如果要对表面进行分析，三角网数据表达方如果要对表面进行分析，三角网数据表达方 式将支持更多的分析功能。然而，栅格数据式将支持更多的分析功能。然而，栅格数据 表达方式也能执行某些表面模拟功能。表

51、达方式也能执行某些表面模拟功能。 l三角网数据表达方式支持体积计算，某一区三角网数据表达方式支持体积计算，某一区 域从空间中的某一点来看是可见的，并且对域从空间中的某一点来看是可见的，并且对 于表面上的任意一点来说具有确定的高程、于表面上的任意一点来说具有确定的高程、 坡度、坡向；同时可以生成沿某条线（如公坡度、坡向；同时可以生成沿某条线（如公 路或通用设施）的垂直剖面。路或通用设施）的垂直剖面。 第2章地理空间与空间数据基础 l如果分析的是某个不确定要素随时间的散布情况，如果分析的是某个不确定要素随时间的散布情况， 如烟雾污染，那么就应该选择栅格数据表达方式。如烟雾污染，那么就应该选择栅格数

52、据表达方式。 栅格数据表达方式也支持要素邻近度分析，最小栅格数据表达方式也支持要素邻近度分析，最小 成本路径分析以及适宜性分析的栅格快速叠加等。成本路径分析以及适宜性分析的栅格快速叠加等。 l如果要进行商业网点或某项服务设施的选址、研如果要进行商业网点或某项服务设施的选址、研 究网络中的流、管理土地记录，将邮政地址与地究网络中的流、管理土地记录，将邮政地址与地 图上的位置联系起来或者是在地图上查询要素，图上的位置联系起来或者是在地图上查询要素， 那么就应该选择矢量数据表达方式。那么就应该选择矢量数据表达方式。 l矢量数据表达方式允许基于空间关系的分析，如矢量数据表达方式允许基于空间关系的分析，

53、如 邻近分析或邻接分析、拓扑关系（如河流的上游邻近分析或邻接分析、拓扑关系（如河流的上游 及相连的河流等的分析）。及相连的河流等的分析）。 第2章地理空间与空间数据基础 要求生成什么类型的地图？要求生成什么类型的地图？ l栅格和三角网数据表达可以生成具有各种属性值栅格和三角网数据表达可以生成具有各种属性值 的、引人注目的表面地图。矢量数据表达方式则的、引人注目的表面地图。矢量数据表达方式则 生成具有详细细节的要素地图。生成具有详细细节的要素地图。 l制图要考虑的注意事项也将进一步影响点、线、制图要考虑的注意事项也将进一步影响点、线、 多边形用矢量数据表达是否是最好的。例如，地多边形用矢量数据表

54、达是否是最好的。例如，地 图比例尺将影响建筑物是表示成点还是多边形，图比例尺将影响建筑物是表示成点还是多边形， 河流是表示成线还是多边形等。河流是表示成线还是多边形等。 第2章地理空间与空间数据基础 3.1 拓扑变量与不变量拓扑变量与不变量 l“拓扑拓扑”（TopologyTopology）一词来自于希腊文，它的）一词来自于希腊文，它的 原意是原意是“形状的研究形状的研究”。拓扑学是几何学的一个。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分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何 属性属性拓扑属性。拓扑属性。 l拓扑属性、拓扑变换的理解：拓扑属性、拓扑变换的理解： 设想一

55、块高质量的橡皮，这块橡皮可以任意地被拉伸、设想一块高质量的橡皮，这块橡皮可以任意地被拉伸、 压缩，但不能被扭转或者折叠，表面上有由结点、弧、压缩，但不能被扭转或者折叠，表面上有由结点、弧、 环和区域组成的任何可能的图形。环和区域组成的任何可能的图形。 3 3 地理空间的拓扑地理空间的拓扑 第2章地理空间与空间数据基础 对这块橡皮进行任意地拉伸、压缩，图形原有对这块橡皮进行任意地拉伸、压缩，图形原有 的一些属性将得到保留而继续存在，而有些属的一些属性将得到保留而继续存在，而有些属 性则将消失。性则将消失。 设想橡皮表面上有一个多边形设想橡皮表面上有一个多边形, ,并且还有一个点并且还有一个点 在

56、多边形中，当对橡皮进行任意的拉伸、压缩在多边形中，当对橡皮进行任意的拉伸、压缩 后，点依旧存在于多边形内部，点和多边形之后，点依旧存在于多边形内部，点和多边形之 间的空间位置关系不会改变，但是多边形的面间的空间位置关系不会改变，但是多边形的面 积将会发生变化。这时，我们称积将会发生变化。这时，我们称“点的内部点的内部” 是拓扑属性，面积则不是拓扑属性，而拉伸和是拓扑属性，面积则不是拓扑属性，而拉伸和 压缩这样的变换就是拓扑变换。压缩这样的变换就是拓扑变换。 第2章地理空间与空间数据基础 常见的拓扑属性与非拓扑属性常见的拓扑属性与非拓扑属性 拓扑属性拓扑属性 一个点在一个弧段的端点一个点在一个弧

57、段的端点 一个弧段是一个简单弧段一个弧段是一个简单弧段 （弧段自身不相交）（弧段自身不相交） 一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上 一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的内部 一个点在一个区域的外部一个点在一个区域的外部 一个点在一个环的内部一个点在一个环的内部 一个面是一个简单面（面上没有一个面是一个简单面（面上没有“岛岛”） 一个面的连通性（给定面上任意两点，从一点可以一个面的连通性（给定面上任意两点，从一点可以 完全在面的内部沿任意路径走向另一点）完全在面的内部沿任意路径走向另一点） 非拓扑属性非拓扑属性 两点之间的距离两点之间的距离 一个点指向另一个点的方向一个点指向另一

58、个点的方向 弧段的长度弧段的长度 一个区域的周长一个区域的周长 一个区域的面积一个区域的面积 第2章地理空间与空间数据基础 l拓扑元素：拓扑元素： 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、点：孤立点、线的端点、面的首尾点、 链的连接点链的连接点 线：两结点之间的有序弧段线：两结点之间的有序弧段 面：若干弧段组成的多边形面：若干弧段组成的多边形 l基本拓扑概念：基本拓扑概念： 连接性连接性 多边形区域定义多边形区域定义 邻接性邻接性 第2章地理空间与空间数据基础 3.1.1 连接性（连接性（Connectivity） l连接性表达弧段在结点处的相互联接关系。连接性表达弧段在结点处的相互联接关系。 l弧

59、段与结点的拓扑关系（弧段与结点的拓扑关系（ArcArcnode topologynode topology） 表现了连接性。表现了连接性。 l每个弧段都有一个起始端点和一个终止端点，从每个弧段都有一个起始端点和一个终止端点，从 起始端点到终止端点表示了弧段的方向起始端点到终止端点表示了弧段的方向 l所有弧段的端点序列则定义了弧段与结点的拓扑所有弧段的端点序列则定义了弧段与结点的拓扑 关系，计算机就是通过在端点序列中找到弧段之关系，计算机就是通过在端点序列中找到弧段之 间的共同结点来判断弧段与弧段之间是否存在连间的共同结点来判断弧段与弧段之间是否存在连 接性。接性。 第2章地理空间与空间数据基础

60、 弧段与结点的拓扑关系（弧段与结点的拓扑关系（Arcnode ） 图图2-7 2-7 弧段的连接性弧段的连接性 第2章地理空间与空间数据基础 3.1.2 多边形区域定义（多边形区域定义（Area definition） l多边形与弧段的拓扑关系（多边形与弧段的拓扑关系（PolygonPolygon arc topologyarc topology）表现了多边形区域）表现了多边形区域 定义。在矢量模型中，多边形区域是定义。在矢量模型中，多边形区域是 由弧段序列组成的。由弧段序列组成的。 l 第2章地理空间与空间数据基础 多边形与弧段的拓扑关系（多边形与弧段的拓扑关系（Polygonarc ） 图