NEW第二章地理空间与空间数据基础1-2,2014年3月

1、地理空间与空间数据基础地理空间基础GIS空间数据空间数据结构地貌的表达地理空间的定义地理空间的数据建构地理空间坐标系的建立地理空间距离的度量地理空间实体的表达地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”来表达。地理空间涉及的范围上至大气电离层、下至地幔莫霍面；地理空间是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域；尽管地理空间中的空间对象复杂多变，但通过抽象和归类，其表达形式可简化成：点point、线line、面area / arc ；表现地理空间的数据模型主要有:矢量模型；栅格模型；TIN模型；地球表面的几何模型分为四类地球的自然表面准面地球的自然表面准面 椭球体椭球体大地水模型大地水模型

2、 数学模型数学模型 地球自然表面地球自然表面是最自然的面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。难以用一个简洁的数学表达式描述出来，所以不适合于数学建模。陆地：29.2%海洋：70.8%最高：8846.27m，最低：-11022m地球半径：平均6371km大地体与大地水准面大地体与大地水准面水准面：水准面：重力位相同时，受重力作用的海水分子呈静重力位相同时，受重力作用的海水分子呈静止状态而形成的重力等位面。止状态而形成的重力等位面。大地水准面大地水准面：通过平均海水面的水准面即海水静止时通过平均海水面的水准面即海水静止时的水准面。是的水准面。是测绘工作的基准面测绘工作的基准面。大地体：大地

3、体：静止海水面向陆地延伸形成的封闭曲面所包静止海水面向陆地延伸形成的封闭曲面所包围的地球实体。代表了地球的形状和大小围的地球实体。代表了地球的形状和大小铅垂线：铅垂线：重力的作用线，是测量工作的基准线测量工作的基准线任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhABNSEWOaba地球椭球体：地球椭球体：椭圆椭圆NWSE绕其短轴绕其短轴NS旋转而成的旋转椭球体，又称地旋转而成的旋转椭球体，又称地球椭球体。球椭球体。 决定地球决定地球椭球体形状和椭球体形状和大小的参数为大小的参数为椭圆的长半径椭圆的长半径a，短半径，短半径b及及扁率扁率。长半径长半径a，短半径，短半径b及扁率及扁率，其关系式为：

4、，其关系式为：aba 我国目前采用的地球椭球体的参数值为：我国目前采用的地球椭球体的参数值为：m6356752bm6378137a257.2981 由于地球椭球体的扁率由于地球椭球体的扁率很小，当测量很小，当测量的区域不大时，可将地球看作半径为的区域不大时，可将地球看作半径为6371km的圆球。的圆球。数学模型数学模型在解决具体的大地测量学问题时提出，如类地形面，准大地水准面，静态水平衡球体等。AA 地面点的空间位置须由三个参数来确定，即该点地面点的空间位置须由三个参数来确定，即该点在大地水准面上的投影位置（两个参数）和该点在大地水准面上的投影位置（两个参数）和该点的高程。的高程。地理坐标系（

5、纬度、经度） 平面坐标系（笛卡儿平面直角坐标）暂且不考虑地形起伏等因素，则纬度、经度、地球旋转椭球体参量a、b与平面直角坐标x、y之间的变换关系如下：x=acoscosy=bcossinGIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用

6、的投影。地图投影的概念与实质：概念：按照一定数学法则，将地球椭球面经纬线网相应投影到平面上的方法。即建立平面上的点和地球表面上的点之间的函数关系，把地球椭球面上各点地理坐标变换为平面上相应点的平面直角坐标。地图投影的实质：地图投影的实质：建立地球面与投影平面上点的一一对应关系。真实的地球表面之间的距离沿地球椭球体的距离量算欧几里德距离曼哈顿距离时间距离欧几里德距离22)()(),(jijiyyxxjid曼哈顿距离：两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离。jijiyyxxjid),(时间距离 什么是地理空间实体矢量表达法栅格表达法不规则三角网的表达方法 (TIN)地理空间实体就是对复杂地理

7、事物和现复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的结果，象进行简化抽象得到的结果，简称空间实体。特征：几何特征（位置、大小、形状）属性特征（实体的性质）时间特征（随时间而变）空间关系（实体间一般都不独立存在）矢量表达法主要表现空间实体的形状特征 0 0维矢量为空间中的一个点（维矢量为空间中的一个点（pointpoint）。点在二维、）。点在二维、三维欧氏空间中分别用三维欧氏空间中分别用(x,y(x,y) )和和(x,y,z(x,y,z) )来表示。在数来表示。在数学上，学上，点没有大小、方向点没有大小、方向。 实体点实体点（Entity pointEntity point）：代表一个实体。如建筑物和

8、公共）：代表一个实体。如建筑物和公共设施。设施。注记点注记点（Text pointText point）: :用于定位注记。用于定位注记。标记点标记点（Label pointLabel point）: :存在于多边形内，用于标识多边形存在于多边形内，用于标识多边形的属性。的属性。结点结点（NodeNode）: :表示弧段的起点和终点。表示弧段的起点和终点。角点角点(Vertex)(Vertex)或中间点或中间点: :表示线段或弧段的内部点表示线段或弧段的内部点。 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个地震位置一维矢量 (Line, Arc, N

9、et )一维矢量表示空间中的线段要素，它包括线段、边界、弧段、网络等。在二维、三维欧氏空间中用有序的坐标对表示：一维矢量自身的空间关系主要有如下几种一维矢量自身的空间关系主要有如下几种 (1)坐标序列中的首点和末点统称为结点(node)，且分别为首结点和末结点。位于首尾结点间的点为拐点或中间点或角点(Vertex) ；)22() 1(),),.(,(),() 12() 1(),(),.,(),(2221112211nzyxzyxzyxnyxyxyxnnnnnX1,Y1Xn,Yn(2).首尾结点可以重合，即弧段首尾相接。相应的数学表达式: X1=Xn;Y1=Yn (3) 弧段不能与自身相交。如果

10、相交，需以交点为界把弧段分为几个一维矢量。在图中，弧段数为3，而不是1。三个弧段分别为AK,KBCDEFGHK,KIJ。 X1,Y1Xn,YnBCDEFGHIJKA 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二维矢量表示空间的一个面状要素，在二维欧氏平面上是指由所包围的空间区域。所以，二维矢量又称多边形(Polygon)，是对岛、湖泊、地块、储量块段、行政区域等现象的描述。地块地块湖泊湖泊行政区域界线行政区域界线 具有长和宽的目标 通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

11、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。三维矢量用于表达三维空间中的现象和物体，是由一组或多组空间曲面所包围的空间对象，它具有体积、长度、宽度、高度、空间曲面的面积、空间曲面的周长等属性。 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栅格表达法主要描述空间实体的级别分布特征及其位栅格表达法主要描述空间实体的级别分布特征及其位置置 栅格类似于矩阵。在栅格表达中，对空间实体的最小栅格类似于矩阵。在栅格表达中，对空间实体的最小表达单位为一个单元或象素表达单位为一个

12、单元或象素(Cell(Cell或或Pixel)Pixel)，依行列构，依行列构成的单元矩阵叫栅格成的单元矩阵叫栅格(Grid),(Grid),每个单元通过一定的数值每个单元通过一定的数值表达方式（如颜色、灰度级）表达诸如环境污染程度、表达方式（如颜色、灰度级）表达诸如环境污染程度、植被覆盖类型等空间地理现象。植被覆盖类型等空间地理现象。栅格表达法同样可以表达栅格表达法同样可以表达0 0维、一维、二维等矢量图形维、一维、二维等矢量图形或地理现象。或地理现象。 7 * 515 *1124 *13记录和存储栅格数据的硬件设备的性能 近几十年的发展证明，随着技术的进步，硬件设备的分辨率肯定会越来越高，

13、能够满足实际应用的需求。与实际应用需求有关 对于那些研究程度较低或者无需精确研究的地理现象而言，栅格表达法的分辨率可以相对较低，反之，分辨率高。实际上，分辨率越高，其影象就越能表达地理空间现象的细微特征。 栅格表示方法很难处理诸如断层、悬崖峭壁等特殊空间对象，而TIN能够表达不连续的空间变量，处理则相当容易。由于三角形顶点(Vertex)就是实际的控制点，所以，它对空间对象的表达精度较高。能够精确表达河流、山脊、山谷、断层等线性地形特征TIN的空间几何特征为：1.三角形顶点（Vertex）。2.三角形边（Edge）。3.三角面（Triangular facet）。数据的来源、类型空间数据的基本

14、特征空间数据的拓朴关系（1）地图数据（2）影像数据（3）地形数据来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型（DEM）和其它实测的地形数据等（4）属性数据来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。（5）元数据 在地理空间数据中，元数据元数据( (Metadata)是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息,是描述数据的数据。元数据的主要作用可以归纳为如下几个方面：元数据的主要作用可以归纳为如下几个方面：1 1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立数据文档，）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情

15、况的了解；并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情况的了解；2 2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；地理空间数据；3 3）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的判断；判断；4 4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。元数据说明范例元数据说明范例数据摘要：数

16、据摘要：图层数：7，图层名：行政点，泉点，暗河，暗河出口，土地利用，地层，断层数据格式：数据格式：Coverage 或Shap 图幅名称：图幅名称：西南石山地区岩溶水资源分布图TicTic点经纬坐标：点经纬坐标：左上角 (LU) : 102.00000 32.00000右上角 (RU): 114. 00000 32. 00000左下角（LL）: 102. 00000 22. 00000右下角 (RL): 114. 00000 22. 00000原始数据比例尺：原始数据比例尺：1：500,000空间参考信息：空间参考信息： 坐标投影：兰勃特等角圆锥投影(中央经线：108. 00000，第一标准纬

17、线：22. 00000，第二标准纬线:32. 00000，原点纬线：20.00000）数据单位：数据单位：米数据录入单位：数据录入单位：中国地质大学计算机图形部数字化方法：数字化方法：栅格矢量化与手扶跟踪数字化联系单位：联系单位：中国地质大学工程学院， 027-8748* 邮编：430074 Email: 或：中国地质科学院岩溶地质研究所， 1 1、类型数据、类型数据 例如考古地点、道路线和土壤类型的分例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；布等；2 2、面域数据、面域数据 例如随机多边形的中心点，行政区域界例如随机多边形的中心点，行政区域界线和行政单元等；线和行政单元等；3 3、网络数量、网

18、络数量 例如道路交点、街道和街区等；例如道路交点、街道和街区等；4 4、样本数量、样本数量 例如气象站、航线和野外样方的分布区例如气象站、航线和野外样方的分布区等；等；5 5、曲面数据、曲面数据 例如高程点、等高线和等值区域；例如高程点、等高线和等值区域；6 6、文本数据、文本数据 例如地名、河流名称和区域名称；例如地名、河流名称和区域名称；7 7、符号数据、符号数据 例如点状符号、线状符号和面状符号等。例如点状符号、线状符号和面状符号等。 表 格 数 据空间数据空间数据 空间位置空间位置 空间关系空间关系 专题属性专题属性 时间属性时间属性 地理数据定 位 数 据非定位数据x,y 坐标拓扑关系点线面格网网络 土壤 1.土厚 砂变量 级别 数值 名称细中粗1.11.21.3“拓扑”（Topology）一词来源于希腊文，它的原意是“形状的研究”。 abcdefgACBDEP4P0P1P2P3空间数据的拓扑关系 A，B，C，D为结点；a，b，c，d，e为线段(弧段)；P0，P1，P2，P3，P4为面(多边形)N1N2N3N4P1P2P3A1A2A3A