第二讲GIS地学基础

1、GIS地学基础地学基础空间信息、地理空间、空间现象空间信息、地理空间、空间现象地理地理( (地球地球) )空间的定义空间的定义地理空间的数学建模地理空间的数学建模地理空间的构成要素？地理空间的构成要素？空间要素进行定位？空间要素进行定位？(参照参照)选择一个合适的坐标系？选择一个合适的坐标系？平面上？平面上？地图投影地图投影地图地图GIS中地图投影的一般原则中地图投影的一般原则1、地图投影的定义？、地图投影的定义？2、地图投影的变形？、地图投影的变形？3、地图投影的分类？、地图投影的分类？4、高斯克吕格投影？、高斯克吕格投影？5、地图投影的选择？、地图投影的选择？6、常用的地图投影？、常用的地

2、图投影？地理坐标系的建立？地理坐标系的建立？1、地图比例尺、地图比例尺2、地图分幅和编号、地图分幅和编号空间要素表达？空间要素表达？1、优点、优点2、缺点、缺点地理空间整体框架GIS地球表面地球表面水准面水准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海福特椭球体海福特椭球体（19421942年国际第一个推荐年国际第一个推荐值）。值）。19521952年前采用。年前采用。克拉索夫斯基椭球体克拉索夫斯基椭球体（前苏联）。（前苏联）。1953-1953-19801980年采用。年采用。IAG75IAG75椭球体椭球体（19751975年国际第三个推荐年国际第三个推荐值）。值）。a=637

3、8140m,b=6356755m,f=1/298.257a=6378140m,b=6356755m,f=1/298.257 大地坐标系大地坐标系/ /地理坐标系地理坐标系 高程系高程系 19541954年北京坐标系年北京坐标系 19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 19561956年黄海高程系年黄海高程系 19851985年国家高程基准年国家高程基准 地理坐标系地理坐标系 平面直角坐标系平面直角坐标系( (用于绘制地图用于绘制地图) ) 平面极坐标系平面极坐标系( (用于地图投影计算用于地图投影计算) ) 由投影几何特征建立平面直角坐标系由投影几何特征建立平面直角坐标系; ; 自行

4、规定坐标系自行规定坐标系( (原点原点/ /横、纵轴横、纵轴).).1 1：5050万为万为高斯克吕格投影；高斯克吕格投影；中央经线和赤道投影后互为垂直的中央经线和赤道投影后互为垂直的直线，作为直角坐标轴；直线，作为直角坐标轴；两种坐标网格：经纬网和公里网两种坐标网格：经纬网和公里网直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置投影任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB水准原点水准原点1985国家高国家高程基准，程基准，72.2604米米黄海海面黄海海面1952-1979年平年平均海水面为均海水面为0米米l将地球椭球

5、面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影l地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算l地球椭球体为不可展曲面l地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析，x，y),(),(21fyfxu变形分类：变形分类： 等角投影：投影前后角度不变等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变；等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形任意投影：角度、面积、长度均变形u投影面：投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面方位投影：投影面为平面u

6、投影面位置：投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割相割投影：投影面与椭球体相割根据投影面与球面相关位置的分类图根据投影方程特征的分类图长度变形角度变形面积变形和长度变形投影变形示意图u地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系u纸质地图：内容、概括程度、数据精度等纸质地图：内容

7、、概括程度、数据精度等 GIS：数据精度：数据精度u比例尺的含义：比例尺的含义： 制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比例制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比例是一致的，故此时比例尺的含义是是一致的，故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例图上长度与相应地面长度的比例； 制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不同而有所变化，同而有所变化，这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率，小的比率， 称为主比例尺

8、。地图经过投影后，体现在图上只有个别点线称为主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线上，才可没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线上，才可用地图上注明的比例尺用地图上注明的比例尺u我国地图比例尺分级系统：我国地图比例尺分级系统： 大比例尺：大比例尺：1 1：5005001 1：1010万万 中比例尺：中比例尺：1 1：1010万万1 1：100100万万 小比例尺：小比例尺：1 1：100100万万u无级比例尺概念无级比例尺概念统一的坐标系统是地理信息系统建立的基础 p自自1952年起，我国将其作为国家大地测量和地年

9、起，我国将其作为国家大地测量和地形图的基本投影，亦称形图的基本投影，亦称为主投影为主投影。 地理格网地理格网 按一定的数学规则对地球表面进行划分形成地按一定的数学规则对地球表面进行划分形成地理格网，可以用于表示呈面状分布、以格网作为统理格网，可以用于表示呈面状分布、以格网作为统计单元的地理信息。通过对地理格网划分及编码规计单元的地理信息。通过对地理格网划分及编码规则的深入分析研究，规定我国地理信息系统采用三则的深入分析研究，规定我国地理信息系统采用三种地理格网系统：种地理格网系统： 4 0 6 0格网系统格网系统直角坐标格网系统直角坐标格网系统自行设计自行设计 4 0 6 0格网系统 以纬度以

10、纬度4 0和经度和经度6 0进行划分而构成的多级地理进行划分而构成的多级地理格网系统，主要适用于表示陆地与近海地区全国或格网系统，主要适用于表示陆地与近海地区全国或省（区）范围内各种地理信息等。它的分级如下：省（区）范围内各种地理信息等。它的分级如下：格网等格网等级级1234567899格网单格网单元边长元边长30157.531. 50.750.30.155比例尺比例尺1:100万1:50万1:25万1:10万1:5万1:2.5万1:1万1:5千1:20万 将地球表面按数学法则投影到平面上，再将地球表面按数学法则投影到平面上，再按一定的纵横坐标间距和统一的坐标原点对其按一定的纵横坐标间距和统一

11、的坐标原点对其进行划分而构成的多级地理格网系统。主要适进行划分而构成的多级地理格网系统。主要适用于表示陆地和近海地区为工作规划、设计、用于表示陆地和近海地区为工作规划、设计、施工等应用需要的地理信息。它的分级如下：施工等应用需要的地理信息。它的分级如下： 直角坐标格网系统直角坐标格网系统*直角坐标格网的比例尺与格网等级不是唯一对应的，一种比例尺对应两种格网等级，用户可根据需要选择一种。 格网等级格网等级12345678999格网边长(m)100050025010050251052.5200100比例尺比例尺1:100万1:50万1:25万1:10万1:5万1:2.5万1:1万1:5千1:20万

12、 在地理信息系统中，还需要用到在地理信息系统中，还需要用到1:2000:2000、1:10001:1000和和1:5001:500的地形图，在国家标准中未规定它的地形图，在国家标准中未规定它们的格网等级和格网单元边长，可根据实际需要自们的格网等级和格网单元边长，可根据实际需要自行设计（一般为行设计（一般为2.52.5m m、2m2m、1m1m或或0.50.5m m的格网）的格网）。自行设计的格网系统自行设计的格网系统 上述三种地理格网均按地球象限、经纬度或直角坐标上述三种地理格网均按地球象限、经纬度或直角坐标进行划分，具有严格的数学基础，因此它们之间可以相互进行划分，具有严格的数学基础，因此它

13、们之间可以相互转换。三种格网的分级各呈一定的层次关系，构成完整的转换。三种格网的分级各呈一定的层次关系，构成完整的系列，便于组成地区的、国家的或全球的格网体系。系列，便于组成地区的、国家的或全球的格网体系。 在建立数字城市时，通常采用直角坐标格网系统。它在建立数字城市时，通常采用直角坐标格网系统。它具有实地格网大小相等，便于将大比例尺解析测图仪生产具有实地格网大小相等，便于将大比例尺解析测图仪生产作业的数据作为信息系统的数据源和便于同卫星图像、作业的数据作为信息系统的数据源和便于同卫星图像、DTMDTM数据重叠匹配等优点。但采用高斯投影时，在分带边数据重叠匹配等优点。但采用高斯投影时，在分带边

14、缘会产生许多不完整的网格，难以将分带计算产生的网格缘会产生许多不完整的网格，难以将分带计算产生的网格拚接在一个坐标系中。因此，若一个城市区域跨带时需先拚接在一个坐标系中。因此，若一个城市区域跨带时需先进行进行换带计算换带计算，使整个城市纳入一个投影带，然后再建立，使整个城市纳入一个投影带，然后再建立地理格网。地理格网。 原点在地球质心；原点在地球质心； Z轴指向轴指向BIH1984.0定义的协议地球极定义的协议地球极 （CTP）方向；方向； X轴指向轴指向BIH1984.0的零子午面和的零子午面和CTP 赤道交点；赤道交点； Y轴与轴与Z轴，轴，X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。 WGS-

15、 84WGS- 84地心坐标系统及其与国家坐标系的转换地心坐标系统及其与国家坐标系的转换 WGS-84是美国国防部研制确定的，其几何定义为：是美国国防部研制确定的，其几何定义为： GPS定位所得的结果都属于定位所得的结果都属于WGS-84地心坐标系统地心坐标系统。 工程上实用的大多是国家坐标系或是独立坐标系。工程上实用的大多是国家坐标系或是独立坐标系。 目前我国已在建立全国高精度的目前我国已在建立全国高精度的GPS控制网。控制网。进行地区性进行地区性GPS测量时：测量时： 已知已知( (至少至少) )一点高精度一点高精度GPS成果，以此作为全网的起算成果，以此作为全网的起算数据，以相对定位法可

16、得到网点的高精度数据，以相对定位法可得到网点的高精度WGS-84坐标系与国坐标系与国家坐标系之间的转换参数，进而得到国家坐标系成果。家坐标系之间的转换参数，进而得到国家坐标系成果。 另一种方法是进行另一种方法是进行GPS基线向量网的约束平差，将地面网基线向量网的约束平差，将地面网中的坐标、边长和方位角作为中的坐标、边长和方位角作为GPSGPS基线向量网的基准而直接得基线向量网的基准而直接得到平差后国家坐标系的成果。到平差后国家坐标系的成果。WGS-84国家坐标系国家坐标系1:51:5万万1:101:10万万1:11:1万万1:201:20万万地图地图地图地图地图地图地图地图源数据源数据更新数据

17、更新数据主数据库主数据库地图地图地图地图地图地图地图地图源数据源数据更新数据更新数据制图综合制图综合制图综合方法制图综合方法u一致性一致性u系统性系统性u通用性和标准化通用性和标准化u可扩展性可扩展性u一致性指对象的专业名词、术一致性指对象的专业名词、术语的定义必须严格保证概念的一致，语的定义必须严格保证概念的一致，对代码所定义的同一专业名词、术语对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。必须是唯一的。u各种地理现象是地理系统的组成各种地理现象是地理系统的组成部分，彼此之间相互联系、相互影响。部分，彼此之间相互联系、相互影响。u编码的系统性就是指在设置代码编码的系统性就是指在设置代码时要明

18、确地反映出现象之间的固有关时要明确地反映出现象之间的固有关系，具有严密的逻辑性、层次性和关系，具有严密的逻辑性、层次性和关联性。联性。即要与国家已颁布的有关规范和即要与国家已颁布的有关规范和标准一致，直接引用或参照标准。这标准一致，直接引用或参照标准。这样便于数据共享和交换，为数据的通样便于数据共享和交换，为数据的通用性创造条件。用性创造条件。代码的码位设置一般要求紧凑经代码的码位设置一般要求紧凑经济，减少冗余代码，但必须留有扩展济，减少冗余代码，但必须留有扩展的余地，避免因新对象的出现而使原的余地，避免因新对象的出现而使原有编码系统失败。有编码系统失败。列出全部制图对象（地理列出全部制图对象

19、（地理/ /图形属性图形属性) ) 清单；清单；对制图对象进行分类分级；对制图对象进行分类分级；拟定代码拟定代码( (地理代码地理代码/ /图形参数图形参数) )系统；系统；按确定的代码和代码格式，建立代码按确定的代码和代码格式，建立代码和编码对象对照表。和编码对象对照表。空间现象及其表达现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：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 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 度量实体距离香港城市道路网分布 具有长和宽的目标 通

20、常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面中国土地利用分布图（不连续面）连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。 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、矿体等三维目标香港理工大学校园建筑0 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行表识，是唯一的。0 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置0 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成0 行为：空间对象所具备的行为和功能0 属性：空间对象所对应的

21、非几何信息0 说明：实体数据来源、精度等0 关系：与其他实体之间的关系u分类对象的从属和层次关系u有明确的分类对象类别和严格的隶属关系高压711电线架715管线:7地下电力线与电缆72电力线71地下检修井74管线73低压712电杆713电塔714不依比例7142依比例7141u按空间对象不同特性进行分类并进编码u代码之间没有隶属关系，反映对象特性u具有较大的信息量，有利于空间分析河流特性分类与编码通航情况通航： 1不通航：2常年河：1时令河：2消失河：3 1 km： 1 2 km： 2 5 km： 3 10 km：5流水季节河流宽度河流长度河流深度 5 10 m ： 110 20 m： 220

22、 30 m： 330 60 m： 460 120 m： 5120 300 m：6300 500 m：7500m： 8 50m： 60 描述空间对象之间的空间相互作用关系0 方法q 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等；q 相对关系：相邻、包含、关联等0 相对关系类型q 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等q 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。q 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。0 地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。0 空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:弧:邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线欧拉公式：欧拉公式：欧拉公式在GIS中有着重要的意义，主要用来检查空间拓扑关系的正确性，能发现点、线、面不匹配的情况和多余、遗漏的图形元素。c + a = n + bn: 结点数a: 弧段数b: 多边形数c: 常数，为多边形地图特