第2章_GIS的基本原理+GIS的软件系统+3S集成与农业应用

1、1Data(Geographic Information Systems)2一、地理空间数据与地图二、地图的基本原理三、数字地图的存储、显示与输出四、GIS的空间数据管理五、GIS的空间数据分析与处理3一、地理空间数据与地图地理空间数据-表格或地图表示。地图（map）是经过概括并用形象符号表示的地球表面在平面上的图形，用来表示各种自然和社会现象的分布状况和联系。地图是一种图解图像模型，可以获得一个地区或整个地球表面的同一时间的空间表象。地图表达的对象可以是具体的（如居民点、植被、土壤等）和抽象的（如人口密度、工农业产值、影响范围）、现实的（如河网、道路、城市土地利用）和预期的（如规划的灌溉网、

2、规划的道路 和土地利用规划）。还可表示自然现象的发生发展过程，如表示 城市化过程的城市扩散图、土地利用变化图，反映土壤侵蚀速率 图等。1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系2 2地理信息在地图上的表示地理信息在地图上的表示 地理空间坐标系统是空间位置的度量衡地理空间坐标系统是空间位置的度量衡,是地理实体在地球是地理实体在地球表面或地理空间进行定位的参考表面或地理空间进行定位的参考,是空间目标个体定位信息以及是空间目标个体定位信息以及空间距离、空间方位、拓扑等信息的确定必不可少的工具，是空间距离、空间方位、拓扑等信息的确定必不可少的工具，是空间数据分析的基础和前提。空间数据分

3、析的基础和前提。二、地图的基本原理 根据不同的测量方法根据不同的测量方法, ,应用目标和计算方法，坐标应用目标和计算方法，坐标系统可以分为很多类型系统可以分为很多类型, ,常用的大地坐标系就有常用的大地坐标系就有150150余余个个. .不同国家所采用的坐标系统多不同不同国家所采用的坐标系统多不同; ;另外另外, ,即使在同即使在同一个国家一个国家, ,不同的历史时期由于习惯的改变或经济的发不同的历史时期由于习惯的改变或经济的发展变化也会采用不同的坐标系统展变化也会采用不同的坐标系统. .从几何学角度看从几何学角度看, ,由由原点位置原点位置,3,3个坐标轴的指向和尺度等要素可以定义坐个坐标轴

4、的指向和尺度等要素可以定义坐标系统标系统, ,因此通过坐标平移、旋转和尺度转换因此通过坐标平移、旋转和尺度转换, ,可以将可以将一个坐标系变换到另一个坐标系统。一个坐标系变换到另一个坐标系统。1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系二、地图的基本原理 天球坐标系是惯性坐标系，其坐标原天球坐标系是惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星位置和状态。在天球坐标系中，描述卫星位置和状态。在天球坐标系中，天体天体S S的空间位置，可用天球空间直角坐标的空间位置，可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述系或天球球面

5、坐标系两种方式来描述 . .1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系二、地图的基本原理 天球空间直角坐标系的定义为天球空间直角坐标系的定义为: :地球质心地球质心M M为坐标为坐标系原点系原点,Z,Z轴指向天球北极轴指向天球北极Pn,XPn,X轴指向春分点轴指向春分点,Y,Y轴垂直于轴垂直于XMZXMZ平面平面, ,与与X X轴和轴和Z Z轴构成右手坐标系轴构成右手坐标系. .则则在此坐标系下在此坐标系下. .天体天体S S的位置由坐标（的位置由坐标（X X，Y Y，Z Z）来）来描述描述. . 1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系二、地图的基本原理 天

6、球球面坐标系的定义是：地球质心天球球面坐标系的定义是：地球质心M M为系统原点，为系统原点，含天轴含天轴MPMPn n与春分点轴与春分点轴MM的天球子午面即基准子午面与的天球子午面即基准子午面与过天体过天体S S的天球子午面的夹角的天球子午面的夹角称为赤经；天体称为赤经；天体S S与原点与原点M M的连线相对于天球赤道平面的夹角的连线相对于天球赤道平面的夹角称为赤纬；原点称为赤纬；原点M M到天体到天体S S的径向长度的径向长度称为天体称为天体S S的向径。天体的向径。天体S S的位置的位置在天球球面坐标系下的表述为（在天球球面坐标系下的表述为（ ， ，） 1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图

7、上的坐标及坐标映射体系二、地图的基本原理 天球空间直角坐标系与天球球面坐标天球空间直角坐标系与天球球面坐标系系1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系二、地图的基本原理二、地图的基本原理 地球坐标系是为了描述地面点的位置建立的一个与地球坐标系是为了描述地面点的位置建立的一个与地球相关联的坐标系。地球相关联的坐标系。 a.a.地心坐标系地心坐标系 除了满足地心定位和双平行定向条件外除了满足地心定位和双平行定向条件外, ,在确定椭球参数时使在确定椭球参数时使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球, ,叫做总地球椭球叫做总地球椭球, ,与与之相

8、应的坐标系叫做地心坐标系。之相应的坐标系叫做地心坐标系。 1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系地心空间直角坐标系和地心大地坐标系b.b.站心坐标系站心坐标系 测量工作中以测站为原点，所构成的坐标系称为测站中心测量工作中以测站为原点，所构成的坐标系称为测站中心坐标系，简称站心坐标系。站心坐标系有两种形式：一种是坐标系，简称站心坐标系。站心坐标系有两种形式：一种是站心直角坐标系；另一种是站心极坐标系。站心直角坐标系；另一种是站心极坐标系。二、地图的基本原理1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系 站心直角坐标系和站心站心直

9、角坐标系和站心极坐标系极坐标系c.c. 参心坐标系参心坐标系 二、地图的基本原理1 1地图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系 具有具有定参数，经过局部定位和定向，同某一地区大地水定参数，经过局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳密合的地球椭球，叫做参考椭球。参考椭球上的坐准面最佳密合的地球椭球，叫做参考椭球。参考椭球上的坐标系叫做参心坐标系。标系叫做参心坐标系。 a.a. 国家大地坐标系国家大地坐标系 目前我国常用的国家大地坐标系目前我国常用的国家大地坐标系1954年北年北京坐标系和京坐标系和1980年西安坐标均为参心坐标系。年西安坐标均为参心坐标系。二、地图的基本原理1 1地

10、图上的坐标及坐标映射体系地图上的坐标及坐标映射体系 19541954年北京坐标系是以前苏联的普尔科沃为大年北京坐标系是以前苏联的普尔科沃为大地原点，以克拉索夫斯基椭球为参考椭球建立的。地原点，以克拉索夫斯基椭球为参考椭球建立的。其椭球的几何参数：长半轴其椭球的几何参数：长半轴a=6378245ma=6378245m；扁率；扁率f=1/298.3f=1/298.3。高程是以。高程是以19561956年青岛验潮站的黄海平年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。均海水面为基准。 为了适应大地测量发展的需要，我国于为了适应大地测量发展的需要，我国于19781978年年建立了新的国家大地坐标系统建立了新的国

11、家大地坐标系统, ,称称19801980年西安坐标年西安坐标系，其原点位于我国中部的陕西省西安市泾阳县系，其原点位于我国中部的陕西省西安市泾阳县永乐镇境内。椭球参数采用永乐镇境内。椭球参数采用19751975年国际大地测量年国际大地测量与地球物理联合会的推荐值与地球物理联合会的推荐值 为简单起见为简单起见, ,把地球作为一个圆球看待把地球作为一个圆球看待, ,设想把一个平面卷成一设想把一个平面卷成一个横圆柱个横圆柱, ,把它套在圆球外面把它套在圆球外面, ,使横圆柱的轴心通过圆球的中心使横圆柱的轴心通过圆球的中心, ,把把地球面上的一根子午线与横圆柱相切地球面上的一根子午线与横圆柱相切, ,即

12、这条子午线与横圆柱重合即这条子午线与横圆柱重合，通常称它为，通常称它为“中央子午线中央子午线”或称或称“轴子午线轴子午线”. .沿横圆柱的一条沿横圆柱的一条母线将横圆柱剪开并展成平面，中央子午线投影到横圆柱上展开是母线将横圆柱剪开并展成平面，中央子午线投影到横圆柱上展开是条直线，把这条直线作为高斯平面坐标系的纵坐标轴即条直线，把这条直线作为高斯平面坐标系的纵坐标轴即x x轴。另轴。另外，扩大赤道面与横圆柱相交，展平后这条交线必然与中央子午线外，扩大赤道面与横圆柱相交，展平后这条交线必然与中央子午线相垂直，作为高斯平面直角坐标的横坐标轴即相垂直，作为高斯平面直角坐标的横坐标轴即y y轴（如图）。

13、这样轴（如图）。这样建立的平面直角坐标系即为高斯平面直角坐标系。建立的平面直角坐标系即为高斯平面直角坐标系。 b b、高斯平面直角坐标系统与、高斯平面直角坐标系统与UTMUTM坐标系坐标系二、地图的基本原理高斯克吕格投影示意图高斯克吕格投影示意图 由于高斯克吕格投影在低纬度和中纬度地区投影误差由于高斯克吕格投影在低纬度和中纬度地区投影误差较大，因此，目前世界上许多国家采用与高斯投影相近的较大，因此，目前世界上许多国家采用与高斯投影相近的通用横轴墨卡托（通用横轴墨卡托（UTM）投影，建立了）投影，建立了UTM坐标系统。与坐标系统。与高斯投影相比，高斯投影相比，UTM投影把中央子午线的长度比缩小至

14、投影把中央子午线的长度比缩小至0.9996，并使投影后两割线（约在离中央子午线东西，并使投影后两割线（约在离中央子午线东西140处）上无变形（如图）。由此建立的处）上无变形（如图）。由此建立的UTM平面直角坐标系平面直角坐标系和高斯平面直角坐标系一样，将投影后互相垂直的中央子和高斯平面直角坐标系一样，将投影后互相垂直的中央子午线和赤道作为坐标系的纵横轴午线和赤道作为坐标系的纵横轴。 UTM UTM 投投 影影 在我国许多城市和工程测量中，若直接采用在我国许多城市和工程测量中，若直接采用国家坐标系，可能会因为远离中央子午线或测国家坐标系，可能会因为远离中央子午线或测区平均高程较大，导致长度投影的

15、变形过大，区平均高程较大，导致长度投影的变形过大，为此，在实际城市和工程测量中，常常会建立为此，在实际城市和工程测量中，常常会建立适合本地区的地方独立坐标系，实际上是一种适合本地区的地方独立坐标系，实际上是一种参心坐标系，也就是通过一些元素的确定来决参心坐标系，也就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。定地方参考椭球与投影面。c c、独立坐标系、独立坐标系22GIS空间数据空间数据分为以下几种类型分为以下几种类型 :I.按数据来源分类按数据来源分类 （1）地图数据地图数据 ; （2）影像数据影像数据 ; （3）地形数据地形数据 ; （4）属性数据属性数据 ; （5）元数据：）元数据：

16、数据的数据；数据的数据；II.按数据所表达的按数据所表达的地理实体地理实体几何形状分类几何形状分类 （1）点数据；（）点数据；（2）线数据；（）线数据；（3）面数据）面数据2.2. 地理信息在地图上的表示地理信息在地图上的表示23 地理实体及其表达地理实体及其表达 矢量数据矢量数据结构结构 栅格数据结构栅格数据结构 矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较 矢矢-栅一体化数据结构和三维数据结构栅一体化数据结构和三维数据结构24地理实体及其表达地理实体及其表达一、地理实体一、地理实体 1. 1. 地理实体与地理目标地理实体与地理目标 地理实体：指一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象

17、。 如城市是实体，其各组成部分则不能称为城市，而称为区、街道等 实体是自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，是一个具有概括性和 相对意义的概念。实体是现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。 GIS地理数据库是地理实体的集合，是一种与现实世界保持一定相似性的实体模型 地理目标：实体在地理数据库中的表示。 地理目标是一个概括、复杂、相对、抽象的概念，其具体类别和内容的确定是 从具体需要出发的，并随表示方法的比例尺、目的等情况而变化。 25地理实体及其表达地理实体及其表达一、地理实体一、地理实体 2. 2. 地理实体地理实体特征特征 时间特征时间特征空间特征空间特征属性特征属性特征 属性特

18、征用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等 空间特征用以描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑 特征，如中国与印度之间边界界桩的经纬度，中国与印度之间的邻接关系 时间特征用以描述事物或现象随时间的变化，如学生人数的逐年变化。 地理实体及其表达一、地理实体 2. 地理实体的特征三个基本特征 属性特征用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、 等级、数量、名称等 空间特征用以描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑 特征，如中国与印度之间边界界桩的经纬度，中国与印度之间的邻接关系

19、时间特征用以描述事物或现象随时间的变化，如学生人数的逐年变化。 地理实体及其表达一、地理实体 3. 地理实体的类型以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体， 可以作为地理实 体的一种类型 点实体指具有特定的位置而没有长度的实体。 线实体指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等，并具有以下特征： 面实体又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述， 具有以下空间特征 体实体用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性， 有如下空间特征 注记点：用于定位 注记。内点：用于负载多边形 的属性，存在于多 边形内。结点(node)、节点(Vertex)： 表示线段和弧段上

20、的 连接点。 实体点：用来代表 一个实体。地理实体及其表达一、地理实体 3. 地理实体的类型以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体， 可以作为地理实 体的一种类型 点实体指具有特定的位置而没有长度的实体。 线实体指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等，并具有以下特征： 面实体又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述， 具有以下空间特征 体实体用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性， 有如下空间特征 长 度：从起点到终点的总长； 弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。 方向性：如水流方向,上下游; 公路,单双向之分。地理实体及其表达一、地理实体 3

21、. 地理实体的类型以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体， 可以作为地理实 体的一种类型 点实体指具有特定的位置而没有长度的实体。 线实体指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等。 面实体又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。 体实体用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性。 面积：面积：面状实体所占有的范围大小 周长：周长：面状实体所占有区域的周长 独立或相邻：独立或相邻：是独立存在还是与其它面状 地物相邻 岛或洞：岛或洞：面状实体内部是否有岛或洞 重叠：重叠：面状实体之间是否有重叠 地理实体及其表达体积岛或洞表面积断面一、地理实体 3. 地理实

22、体的类型以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体， 可以作为地理实 体的一种类型 点实体指具有特定的位置而没有长度的实体。 线实体指具有长度的实体，如线段、边界、链、网络等。 面实体又成为多边形、区域等，水对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。 体实体用于描述三维空间中的现象与物体，具有长度、宽度及高度等属性。 地理实体及其表达一、地理实体 4. 地理目标的类型地理目标是地理实体在计算机系统内的表示，它需要选择合适的类 型，而地理目标的类型按空间维来定义 0维有位置而无长度的目标，如点。 1维有长度的目标，一般有两个或多个0维目标组成，如线。 2维有长度和宽度的目标，如多边形。 3维有长、宽、

23、高的目标，如三维立体。 地理实体可以根据地理目标的类型划分为点、线、面、体4种类型 地理实体及其表达二、地理实体的描述 A. 地理实体的描述内容： 编码用于区别不同的实体，有时同一实体在不同的时间具有不同的编码，如上行和 下行的火车。编码通常包括分类码和识别码。 分类码，是用来标识实体所属的类别， 识别码，是对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。 位置通常用坐标值的形式给出实体的空间位置。 类型指明该地理实体属于哪一种实体类型，或由哪些实体类型组成。 行为指明该地理实体可以具有哪些行为和功能。 属性指明该地理实体所对应的非空间信息，如道路的宽度、路面质量、车流量等 说明用于说明实体

24、数据的来源、质量等相关的信息。 时间维描述地理实体的属性或空间位置随时间的变化 。 关系与其它地理实体的关系。地理实体及其表达邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线34地理实体及其表达地理实体及其表达二、地理实体的描述二、地理实体的描述 B. B. 地理实体地理实体数据类型数据类型根据地理实体的特征，把地理实体数据分为三类 属性数据描述空间对象的属性特征的数据，也称非几何数据。 即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等 描述时间特征的数据也可以归为这一类。 几何数据描述空间对象的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。 即说明“在哪里”，一般用经纬度或X、Y坐标来表示。 关系数据描述

25、空间对象之间的空间关系的数据，一般通过拓扑关系表达。 如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。 拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法35空间数据结构空间数据结构一、空间数据结构的概念一、空间数据结构的概念 空间数据结构是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构,也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理. 空间数据结构分为基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构两种基本类型 22123233233323332333212336二、二、矢量矢量数据结构数据结构 (一)矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构。 矢量结构的特点：属性隐含，定

26、位明显 A. 点实体：记录点坐标和属性代码； B. 线实体：记录两个或一系列采样 点的坐标，并加属性代码； C. 面实体：记录边界上一系列采样点 的坐标，由于多边形封闭， 边界为闭合环，加面域属性代码。空间数据结构空间数据结构特性 数据 位 置 点 10 x, y 线 23 x1, y1 x2,y2 xn,yn串 面 63 x1, y1 x2, y2 xn,yn闭合环 64 x1, y1 x2 ,y2 xn,yn闭合环1063642310636423用笛卡尔坐标表示的地图37二、矢量数据结构二、矢量数据结构 (二)矢量数据获取方式q通过外业测量获得，利用测量仪器（全站仪、GPS、常规测量等）记

27、录测量结果，然后转到地理数据库中q跟踪数字化，用跟踪数字化的方式把地图变成离散的矢量数据q间接获取l栅格数据转换l空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）空间数据结构空间数据结构38二、矢量数据结构二、矢量数据结构 (三)矢量数据表达需要考虑的内容矢量数据自身的存储和管理几何数据和属性数据的联系空间对象的空间关系（拓扑关系）空间数据结构空间数据结构39(四四) 矢量数据表达矢量数据表达拓扑拓扑数据结构数据结构拓扑概念： 拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。 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 拓扑结构是明确定义空间关系的一种数学方法40(四

28、四) 矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构拓扑关系 拓扑关系拓扑关系：指图形保持连续状态下变形， 但图形关系不变的性质。 拓扑变换(橡皮变换)非拓扑属性(几何)拓扑属性(没发生变化的属性)两点间距离 一点指向另一点的方向 弧段长度、区域周长、面积 等 一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段(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内部/外部 一个点在一个环的内/外部 一个面是一个简单面;一个面的连通性 建立拓扑关系是对一种空间结构关系进行明确定义的数学方法。具有某些拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构，拓扑数据结构是GIS的分析和应用 功能所必需的。拓扑数据

29、结构的表示方式没有固定的格式，也还没有形成标准，但基本原理是相同的。41矢量数据表达拓扑数据结构拓扑关系 拓扑元素拓扑元素拓扑线段（arc）结点(node）多边形（poly）该线段中间不与其它线段存在联系拓扑线段的两个端点，分别为首结点、尾结点由数条拓扑线段连接而成42 拓扑关系 最基本拓扑关系 拓扑关联：指存在于空间图形中的不同拓扑元素 之间的关系 结点与弧段：如结b与弧3,2,5 多边形与弧段：面C与弧4,5,3拓扑邻接：指存在于空间图形中的相同拓扑元素 之间的关系。多边形之间,结点之间 邻接矩阵,1邻结；0不邻结 其它拓扑关系拓扑包含：指存在于空间图形中的面与其它元素 之间的关系,如面状

30、实体包含哪些点、线状实体层次关系：指存在于空间图形中的相同拓扑元素 之间的等级关系，如连云港市各个区拓扑连通：拓扑元素之间的通达关系，如点连通度，面连通度bec41325ABC76Dadba: 结点号A: 多边形号1: 弧段号弧段数字化方向ABCDA-110B1-11C11-0D100-矢量数据表达拓扑数据结构43b矢量数据表达拓扑数据结构1、拓扑、拓扑邻接邻接：拓扑邻接是指空间图形的：拓扑邻接是指空间图形的同类元素同类元素之间之间的拓扑关系。的拓扑关系。 a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5多边形之间的邻接关系多边形之间的邻接关系P1/P2，P2/P3，弧段之间的

31、邻接关系，弧段之间的邻接关系a1/a2，a2/a3，性以及结点之间的邻接关系性以及结点之间的邻接关系N1/N2，N2/N3，。44b矢量数据表达拓扑数据结构2 拓扑拓扑关联关联 ：拓扑关联是指空间图形的：拓扑关联是指空间图形的不同元素不同元素之间的之间的拓扑关系拓扑关系 。 a3a1a2a4a5a6a7P4P1P3P2N1N2N3N4N5 结点与弧段的关联关系结点与弧段的关联关系N1/a1,a5,a3；N2/a1,a6,a2；多边形与弧段；多边形与弧段的关联关系的关联关系P1/a1,a6,a5；P2/a4,a6,a2，。45b矢量数据表达拓扑数据结构3、拓扑包含：拓扑包含是指空间图形的、拓扑包

32、含：拓扑包含是指空间图形的同类同类，但，但不同级不同级的的元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。 （a）简单包含）简单包含 （b)多层包含多层包含 （c)等价包含等价包含 图图 (a)中多边形中多边形P1中包含多边形中包含多边形P2，图（，图（b）中多边形）中多边形P3包包含在多边形含在多边形P2中，而多边形中，而多边形P2，P3又都包含在多边形又都包含在多边形P1中。中。图图 （c）多边形）多边形P2，P3都包含在多边形都包含在多边形P1中，多边形中，多边形P2，P3对对P1而言是等价包含而言是等价包含 .46 拓扑关系 拓扑关系的表达拓扑关系的表达- -关系表关系表 矢量数据表达矢量数据

33、表达拓扑数据结构拓扑数据结构结点编码：多边形编码：(1)(2)(3)(4)(5)线段编码：1 2 3 4 5 6 7 8 9(2)(3)(5)(4)12456789347 拓扑关系 拓扑关系的表达拓扑关系的表达- -关系表关系表 如果将空间图形的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形如果将空间图形的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形成成四个关系四个关系表达：表达： 结点结点- -弧拓扑弧拓扑 弧弧-结点拓结点拓扑扑 弧弧-面拓扑面拓扑 面面-弧拓扑弧拓扑 矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构48 拓扑关系 拓扑关系的表达拓扑关系的表达关系表关系表 eb表中数

34、字前负号为相反方向dc41325ABC76Daa: 结点号A: 多边形号1: 弧段号弧段数字化方向弧-面拓扑弧段左面右面1AO2AB3CA4OC5CD6BD7BO结点-弧拓扑结点弧a1,3,4b2,3,5c1,2,7d4,5,7e6面-弧拓扑面号弧数弧号A3-1,-2,3B42,-7,5,-6C3-3,-5,4D16矢量数据表达拓扑数据结构弧-结点拓扑弧段起点终点1ca2bc3ba4da5dB6ee7dc49 拓扑关系 拓扑关系的意义 空间数据的拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析具有重要意义 A. 拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系 不需要利用坐标或距离就可以确定一个地理实体相对于另

35、一个地理实体的空间位置关系;并且这种拓扑数据较之几何数据具有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化 B. 有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题 C. 根据拓扑关系可重建地理实体。 矢量数据表达矢量数据表达拓扑数据结构拓扑数据结构50三、栅格数据结构三、栅格数据结构( (Raster) ) ( (一一) )栅格数据结构栅格数据结构 1 1 概念：概念：是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值。 也即: 栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元的行列号确定位置，用每个像元的值表示实体的类型、等级等属

36、性 空间数据结构空间数据结构51三、栅格数据结构三、栅格数据结构( (Raster) ) ( (一一) )栅格数据结构栅格数据结构 A. 点实体：由单个像元来表达 B. 线实体：由在一定方向上连接成串的相邻像元的集合来表达。 C. 面实体：由聚集在一起的相邻像元的集合来表达 空间数据结构22123233233323332333212352栅格数据单元格经常是栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形三角形。栅格数据的比例尺就

37、是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，由于栅格结构对地表的离散，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，则造成较大的误差若栅格尺寸较大，则造成较大的误差 。由于栅格单元中存在多种地物，而数据中常常只记录一个属性值，这会导致由于栅格单元中存在多种地物，而数据中常常只记录一个属性值，这会导致属性误差。比如，遥感数据中的属性误差。比如，遥感数据中的“混合像元混合像元”问题。问题。2 栅格

38、数据的形状、尺寸及相关问题栅格数据的形状、尺寸及相关问题空间数据结构三、栅格数据结构三、栅格数据结构( (RasterRaster) )53三、栅格数据结构三、栅格数据结构 (二二)栅格数据获取的途径栅格数据获取的途径 1、 手工获取 2、 扫描仪扫描 3、 由矢量数据转换而来 4、 遥感影像数据 5、 格网DEM数据 (三三)栅格系统的确定栅格系统的确定 栅格坐标系统的确定 由于栅格编码一般用于区域性GIS， 原点的选择常具有局部性质。 但为了便于区域的拼接，栅格系统 的起始坐标应与国家基本比例尺 地形图 公里网的交点相一致，并分别采用公里网 的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。 空间数据结构

39、221232332333233323332yxO54 空间数据结构三、栅格数据结构三、栅格数据结构 (四四) 栅格代码栅格代码(属性值属性值)的确定的确定 1、中心点法：取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。 2、面积占优法：栅格单元属性值为面积最大者。 3、重要性法：取重要的属性值为栅格属性值。 4、长度占优法：每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。 ABCO中心点法，该栅格单元的值：中心点法，该栅格单元的值： 面积占优法，该栅格单元的值为：面积占优法，该栅格单元的值为：重要性法，该栅格单元的值为：重要性法，该栅格单元的值为：长度占优法，该栅格单元的值为：长度占优法，该栅格

40、单元的值为： 55空间数据结构三、栅格数据结构三、栅格数据结构 (六六) 栅格数据结构的特点栅格数据结构的特点 l 用离散的量化栅格值表示空间对象(通常是规则格网)l 位置隐含，属性明显l 数据结构简单，易于遥感数据结合，但数据量大l 存在几何和属性偏差l 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系l 比例尺大小为栅格(像元)的大小与地表相应单元的大小之比。 像元较大时，对地物的面积、长度等的量测有较大影响 abc345abc面积:6 7几何偏差属性偏差56 栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两种不同的方法。栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两种不同的方法。 栅格数据结构具有栅格数据结构具

41、有“属性明显、位置隐含属性明显、位置隐含”的特点，它易于的特点，它易于实现，操作简单，有利于栅格的空间信息模型的分析，但栅实现，操作简单，有利于栅格的空间信息模型的分析，但栅格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率低。因此基格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率低。因此基于栅格结构的应用来说，需要根据应用项目的自身特点及其于栅格结构的应用来说，需要根据应用项目的自身特点及其精度要求来恰当地平衡栅格数据结构的表达精度和工作效率精度要求来恰当地平衡栅格数据结构的表达精度和工作效率两者之间的关系。两者之间的关系。 矢量数据结构具有矢量数据结构具有“位置明显、信息隐含位置明显、信息隐含”的特点，

42、它操作的特点，它操作起来比较复杂，许多分析操作（如叠置分析）用矢量数据结起来比较复杂，许多分析操作（如叠置分析）用矢量数据结构难于实现；但它的数据表达精度高，数据存储量小，输出构难于实现；但它的数据表达精度高，数据存储量小，输出图形美观却工作效率高。图形美观却工作效率高。四、栅格矢量数据的结构的比较四、栅格矢量数据的结构的比较*两者结合，优势互补两者结合，优势互补57四、栅格矢量数据的结构的比较四、栅格矢量数据的结构的比较比较优 点 缺 点矢量便于面向现象(土壤类型等)的数据表 示，不仅能表达属性，而且能方便的 记录每个目标的具体属性信息数据结构紧凑，冗余度低 有利于网络、检索分析 图形显示质

43、量好，位置精度高能完整地描述空间关系 数据结构复杂 多边形叠置分析及模拟比较困难 不能做增强处理 软硬件技术要求高 栅 格数据结构简单，易数据交换 空间分析和地理现象模拟比较容易有利于与RS数据的匹配应用和分析 输出方法快速，成本比较低廉 现象识别效果不如矢量方法 图形数据量大 投影转换困难 图形质量转低58四、栅格矢量数据的结构的比较四、栅格矢量数据的结构的比较数据结构选择的一般原则 q要素还是位置q可获取的数据q定位要素的必要精度q需要什么类型的要素q需要什么类型的拓扑关系q所需空间分析类型q生产地图类型 栅格结构：大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究 矢量结构：城市分区

44、或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用59 根据转换处理时，基于弧段数据文件和多边形数据文件的不同，分别采用不同根据转换处理时，基于弧段数据文件和多边形数据文件的不同，分别采用不同的算法：的算法： （1 1）内部点扩散法）内部点扩散法 （2 2）复数积分算法）复数积分算法 （3 3）射线算法和扫描算法）射线算法和扫描算法 （4 4）边界代数算法）边界代数算法空间数据结构五、栅格矢量数据相互转换五、栅格矢量数据相互转换 栅格数据向矢量数据的转换是提取具有相同编号的栅格栅格数据向矢量数据的转换是提取具有相同编号的栅格 集合表示的多边集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成矢量格

45、式边界线的过程。形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成矢量格式边界线的过程。 步骤包括多边形边界提取（即使用高通滤波将栅格图像步骤包括多边形边界提取（即使用高通滤波将栅格图像 二值化）、边界二值化）、边界线跟踪（即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索）、拓扑关系的生成和线跟踪（即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索）、拓扑关系的生成和曲线光滑等。曲线光滑等。第三节 GIS的基本原理五、五、GIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理 是以地理空间数据库为基是以地理空间数据库为基础础，通，通过过各种各种几几何的逻何的逻辑运辑运算、数理统计分析、代数运算、数理统计分析、代数运算算等数等数学学手段

46、手段，提取和提取和传传输输 地理空间地理空间信息信息，解决人，解决人们所们所涉及到的涉及到的地理地理空间实际空间实际问题，问题， 特别是隐含信息，满足辅助特别是隐含信息，满足辅助决决策的策的需需要。要。基于非空间属性的数据运算基于非空间属性的数据运算空间和非空间数据的联合运算空间和非空间数据的联合运算基于空间图形数据的分析运算基于空间图形数据的分析运算可以分为可以分为空间数据分析是对分析空间数据有关的技术的统称。空间数据分析是对分析空间数据有关的技术的统称。 第三节 GIS的基本原理五、五、GISGIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理（一）空间插值（一）空间插值空间插值常用于将离散点的

47、测量数据转换为连续的数据曲空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面面。对于收集的采样点数据，要按照一定方法推演出整个区域对于收集的采样点数据，要按照一定方法推演出整个区域的参数分布，以便与其它空间现象的分布模式进行比较。的参数分布，以便与其它空间现象的分布模式进行比较。通常包括空间内插和外推两种算法。通常包括空间内插和外推两种算法。 空间内插法是一种通过已知点的数据推求同一区域其空间内插法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；它未知点数据的计算方法；空间外推法是通过已知区域的数据，推求其它区域数空间外推法是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。据的方法。

48、第三节 GIS的基本原理五、五、GISGIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理（一）空间插值（一）空间插值 空间插值方法可以分为整体插值和局部插值方法。空间插值方法可以分为整体插值和局部插值方法。类别用途插值方法整体 插值用于研究区内所有采样点的数据进行全区特征拟合边界内插法趋势面分析变换函数插值等局部 插值仅用邻近的数据点 来估算未知点的值包括泰森多边形插值距离倒数插值样条函数插值克里金(Kringing)插值等第三节 GIS的基本原理五、五、GISGIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理（二）缓冲区分析（二）缓冲区分析邻近度邻近度（proximity）描述了地理空间中两个地物距

49、离相近描述了地理空间中两个地物距离相近的程度。的程度。沟渠的灌溉范围、播种机的播种范围等均属邻近度问题沟渠的灌溉范围、播种机的播种范围等均属邻近度问题。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具。缓冲区（缓冲区（bufferbuffer）就是地理空间目标的一种影响范围或者）就是地理空间目标的一种影响范围或者 服务范围。服务范围。第三节 GIS的基本原理五、五、GISGIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理（二）缓冲区分析（二）缓冲区分析缓冲区分析是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域的半径确定。也就是根据数据库中点、线、面实体自

50、动建立周围一定范围内的缓冲区多边形，查找这个多边形范围内具有某种特征的点状地物、线状地物或面状地物。第三节 GIS的基本原理五、五、GISGIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理（二）缓冲区分析（二）缓冲区分析缓冲区计算的基本问题是双线问题，即图形加粗、加宽和中心线扩展等。栅格数据的缓冲区分析称为推移或扩散在基于矢量结构的在基于矢量结构的GISGIS中，缓冲区分析比较复杂，除了要按某中，缓冲区分析比较复杂，除了要按某种规则建立缓冲区多边形外，需要用到点在多边形内的判别技种规则建立缓冲区多边形外，需要用到点在多边形内的判别技 术和多边形叠置技术。术和多边形叠置技术。如果将缓冲区分析转到栅格

51、域进行，则可以使用逻辑交运算，以缓冲区多边形和某种查询的地物分别作为两个子集，然后求得它们的交集，非常容易和快速。第三节 GIS的基本原理五、五、GISGIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理（三）叠加分析（三）叠加分析GISGIS的叠加分析就是将两层或者多层数据层面叠加的叠加分析就是将两层或者多层数据层面叠加产生一个新的数据层面的操作，综合了原有数据层产生一个新的数据层面的操作，综合了原有数据层所具有的属性所具有的属性 。叠加分析类型包括视觉信息叠加、叠加分析类型包括视觉信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形叠加、栅格图层栅格叠加等

52、。栅格图层栅格叠加等。第三节 GIS的基本原理五、五、GISGIS的空间数据分析与处理的空间数据分析与处理（四）（四）DEMDEM分析分析数字高程模型（数字高程模型（digital elevation modeldigital elevation model，DEMDEM）最常见的表达是相对于海平面的海拔高度或者某最常见的表达是相对于海平面的海拔高度或者某个参考面的相对高度，包括高程、坡度、坡向等个参考面的相对高度，包括高程、坡度、坡向等地形属性信息。地形属性信息。DEMDEM主要采用规则格网模型，将区域空间切分主要采用规则格网模型，将区域空间切分为规则的格网单元，每一个单元对应一个数值，为规

53、则的格网单元，每一个单元对应一个数值，对应一个高程值对应一个高程值。DEMDEM地形属性数据包括单要素属性和复合属性地形属性数据包括单要素属性和复合属性 两种。坡度、坡向等可由高程数据直接计算得两种。坡度、坡向等可由高程数据直接计算得 到到，还可以计算剖面积、体积和表面积等，可，还可以计算剖面积、体积和表面积等，可 以计以计算工程中的挖方、填方和土壤流失量。算工程中的挖方、填方和土壤流失量。格网DEM68一、GIS软件的构成及功能模块二、国内外常用的GIS工具软件第四节 GIS的软件系统一、一、GIS软件的构成及其功能模块软件的构成及其功能模块GIS的主要软件模的主要软件模块块（一）数据输入子系统及其功能（一）数据输入子系统及其功能1 1. . 数据输入子系统数据输入子系统（一）数据输入子系统及其功能（一）数据输入子系统及其功能2. 2. 数据输入功能数据输入功能图形数据的输入主要有两种方式：矢量数字化输入图形数据的输入主要有两种方式：矢量数字化输入（数字化仪）和栅格扫描输入（扫描仪和矢量化软件）。（数字化仪）和栅格扫描输入（扫描仪和矢量化软件）。图像数据的输入主要是栅