中学生多媒体课件教材

1、第四章第四章 空间表达变换分析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 1Step 2Step 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v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v客观世界的抽象 空间表达数据结构数据结构类型类型 图形表达图形表达 空间参考空间参考系统系统 时空尺度时空尺度

2、“地理空间表达的形式 ”空间表达数据结数据结构类型构类型“地理空间表达的形式 ”-矢量数据结构和栅格数据结构矢量数据结构和栅格数据结构 空间表达 图形表达图形表达 -空间位置、空间形状和空间位置、空间形状和空间关系等在多数情况空间关系等在多数情况下，都用图形来表达下，都用图形来表达 “地理空间表达的形式 ”空间表达空间参空间参考系统考系统 -包括坐标系统和地包括坐标系统和地图投影系统图投影系统 “地理空间表达的形式 ”空间表达时空尺时空尺度度 -定义了人们观察地球的一定义了人们观察地球的一种约束，是人类揭示地理种约束，是人类揭示地理现象规律性的关键因素现象规律性的关键因素 “地理空间表达的形式

3、 ”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 XYix1 y1x2 y2xi yixn yn 矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。 特点：定位明显，属性隐含定位明显，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 新山水庫10821816589111道道2道道A1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是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体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

4、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唯一标示多边形标示多边形标示外包多边形指针外包多边形指针邻接多边形指针邻接多边形指针边界链

5、接边界链接范围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) 数据结构转换法。8 8 8 88 8 8 88 8 8 88 8 8 888 8 88 8 8 88 8 88 8 888888888888 8 8881111111111111122222222222322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

6、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 worldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagons栅格数据结构SPOT XS 20m*20m 牡丹水庫band G, R, IR网格资料网格资料關於衛星影像栅格数据结构A.OBC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面积占优法长度占优法长度占优法中心点法中心点法 重要性法重要性法15432链码方法游程长编码方法直接栅格编码方法四叉树编码块码栅格数据结构的编码方法AAAAARAAARAAARAARAAAAAAAAAGGAAGGGG

7、GGGAGGGAGGAAAAAARAAAARAAARRAAA143258761234567801234567起点行列号，单位矢量起点行列号，单位矢量R R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3: (1,5),3,2,2,3,3,2,3链式编码链式编码游程长度编码游程长度编码逐行编码逐行编码数据结构数据结构: : 行号行号, , 属性属性, , 重复次数重复次数1, A, 4, R, 1, A, 31, A, 4, R, 1, A, 3块状编码块状编码正方形区域为记录单元正方形区域为记录单元数据结构数据结构: : 初始位置初始位置, , 半径半径, , 属性属性(1,1,3,A),(1,4,

8、1,A), (2,4,1,R), (3,4,1,R)(1,1,3,A),(1,4,1,A), (2,4,1,R), (3,4,1,R)NE SWNWSEGGGGAGGAAGAAA四叉树编码四叉树编码栅格数据结构的编码方法直接栅格编码：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：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：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：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

9、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。比较内容比较内容矢矢 量量 结结 构构栅栅 格格 结结 构构数据结构数据结构复杂简单数据量数据量小大图形精度图形精度高低图形运算、搜索图形运算、搜索复杂、高效简单、低效软件与硬件技术软件与硬件技术不一致一致或接近遥感影像格式遥感影像格式要求比较高不高图形输出图形输出显示质量好、精度高， 但 成本比较高输出方法快速，质量低，成本比较低廉数据共享数据共享不易实现容易实现拓扑和网络分析拓扑和网络分析容易实现不易实现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v矢量数据结构向栅格数据结构的转换v栅格数据结构向矢

10、量数据结构的转换矢量数据结构向栅格数据结构的转换v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。v栅格尺寸确定点的栅格化xpypDxJDyI/1/1直线栅格化 直线插补法 扫描线法xpypDxJDyI/1/1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

11、点及曲线圆滑栅格数据结构向矢量数据结构的转换多边形边界提取v二值化 细化 多边形边界提取v二值化 细化 栅格数据结构向矢量数据结构的转换v 边界线追踪边界线追踪：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v 拓扑关系生成拓扑关系生成：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。v 去除多余点及曲线圆滑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

12、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 地理空间坐标转换的方法 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CByAxX 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，

13、（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）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。FEyDxY 相似变换（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 0yxP（x，y）P(xy)xyx=x+xy=y+y坐标系统转换方法旋转变换 yP（x，y）0 xP(x，y)x=xcos-y sin y=xsin+y cosx=x0+(x

14、- x0)cos-(y- y0) siny=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Sy来改变它们到坐标原点的距离。 x=xSxy=ySyx=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

15、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。22CByAxXDAyBxYcosSEAsinSDB22BAS)/arctan(AB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.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zzyyxxaaaaaaaaazyx8484841333231232221131211545454maaa113121102112aa /3113yaa /3223xaaWGS-84坐标转换

16、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 3210yxayaxaax3210yxbybxbby 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通过建立两个投影的解析关系式，直接把解析关系式，直接把一种投影坐标一种投影坐标 ( x , y ) ( x , y ) 变换成另一种投影的变换成另一种投影的坐标坐标 ( X , Y )( 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由一种投影的坐标 ( (x,yx,y) )反解出地理坐标（反解出地理坐标（,) )

17、，然后再将地理坐标代，然后再将地理坐标代入另一种投影公式中，入另一种投影公式中，求出该投影下的直角坐求出该投影下的直角坐标（标（X,Y)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根据两种投影在变换区内若干同名的坐标点，内若干同名的坐标点，采用插值法、有限差分采用插值法、有限差分法、待定系数法等，实法、待定系数法等，实现不同投影之间的转换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算法名称解析变换数值变换数值-解析变换正解变换反解变换综合变换主要特点适用范围能够表达地图制图过程的数学实质，不同投影之间具有精确的对应关系，在解决多投

18、影问题时存在计算冗余问题在某些情况下，比使用单一正解或反解变换更简便，但不是所有的投影都适用方法严密，不受区域大小影响不能反映投影的数学实质，不能进行全区域的投影变换，常采用分块处理办法，给计算机自动处理带来困难同上受制图区域影响任何情况视情况而定局部区域同上表4.1 投影变换算法的特点与适用范围v 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。 v 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），也表示详细

19、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v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）之间的变换称为尺度

20、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是为了改进数据的易读性和易理解性而对空间目标和易理解性而对空间目标的几何或语义表示所施行的几何或语义表示所施行的一组量度变换，包括空的一组量度变换，包括空间和属性两方面的变换，间和属性两方面的变换，需要通过模型综合和制图需要通过模型综合和制图综合方法实现。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

21、LOD技术应用在地形渲技术应用在地形渲染中称之为多分辨率地形染中称之为多分辨率地形。地形作为一种特殊的几。地形作为一种特殊的几何物体，因为地形通常是何物体，因为地形通常是一个规则的矩形网格，其一个规则的矩形网格，其简化模式可以有两种：规简化模式可以有两种：规则的简化和非规则的简化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，可以借助小波分析理论，可以检测和提取多源、多尺度检测和提取多源、多尺度、海量数据集的基本特征、海量数据集的基本特征，并通过小波系数来表达，并通过小波系数来表达，再作相应的处理和重构，再作相应的处理和重构，从而可以获得该数据集

22、，从而可以获得该数据集的优化表示。的优化表示。 尺度变换方法v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解决该问题的根本出路在于实现GIS制图综合自动化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 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

23、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，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在进行坐标转换时始终将地理原点变换到到WINDOWSWINDOWS的坐标原点，然后再依照的坐标原点，然后再依照所建立的映射公式转换其余的坐标点。所建立的映射公式转换其余的坐标点。 无

24、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，采用了动态的裁剪在进行地图的输出显示时，采用了动态的裁剪过程，只有当要素范围与地理逻辑窗口的边界过程，只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（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组成的面状要素，为精确起见也可直接采用几何解析方法。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 漫游滚动示意图123逻辑坐标空间地理逻辑窗口屏幕窗口地理坐标空间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 多幅不同比例尺地图的数据组织管理比例尺增大方向小比例尺地图大比例尺地图对象指针结构变换 量度变换 表示方法变换 图形（这里指不同