02空间数据基础解析

第2章地理空间与空间数据基础地理空间空间数据模型空间数据组织与编码空间质量空间数据的元数据思索题试验12.1.1地理空间从不同的角度看“空间（Space）”物理学：三维的外延天文学：时空连续体系的一部分地理学：物质、能量、信息的存在形式在形态、结构、功能上的分布方式和格局及其在时间上的持续。地理空间的范围：上至大气电离层，下至地幔莫霍面（即常说的地理圈层）？确定地理空间：常用经纬度、平面直角坐标表示相对地理空间：依靠于与其他实体之间的空间关系2.1空间数据基础22.1.2地理空间的数学建构地球的自然表面：困难、难于表达物理表面：大地水准面（重力等位面，由于地球内部质量不均而起伏不平）数学表面：椭球体模型数学模型3地球模型地球表面大地水准面地球椭球体铅垂线水平面4三轴椭球体abc5旋转椭球体aac6椭球体的三要素：长半径（赤道半径）a短半径（极半径）c扁率f=(a-c)/a旋转椭球体有多种：不同测定者、不同计算年头、不同测定方法、不同测定地区，对椭球体的描述方法不同我国不同时期接受的椭球体：1953年以前：海福特椭球体1953年—1978年：克拉索夫斯基（Krasovsky）1978年以后：1975国际椭球体旋转椭球体7地理坐标（球面坐标）纬度ψ、经度λ国家大地坐标系（1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、2000国家大地坐标系）平面直角坐标地图投影（球面到平面的转换；变形的必定存在；长度、角度、距离三种变形）高斯-克吕格投影（3度分带与6度分带）国家统一坐标（各带中心经线西移500km为纵轴，赤道为横轴）高程系相对高程确定高程高程系（1956年黄海高程系、1985国家高程基准）2.1.3地理空间坐标系的建立8地理坐标示意图9平面直角坐标xy10高斯—克吕格投影高斯—克吕格投影

6度和3度分带11国家统一坐标12地理参考系统.MXYZZXY.MZXdq笛卡尔坐标极坐标a经度纬度Y13坐标系统—高程系统随意水准面大地水准面H´AHA铅垂线AH´BHBhAB14水准原点1985国家高程基准，72.260米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米青岛验潮站示意图15距离度量的两种方式沿真实的地球表面进行距离量度沿旋转椭球体表面进行距离量度（大圆弧长）欧氏距离笛卡尔坐标系中的两点距离公式曼哈顿距离（出租车距离）两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离时间距离接受时间（从一点到达另一点所须要的时间）度量词典距离在词典或其它文本中的距离2.1.4地理空间的距离度量16地球旋转椭球体上不同的距离度量方法172.1.5地理空间的拓扑关系拓扑（Topology）：原意为“形态的探讨”。几何学的一个分支学科它探讨在拓扑变换下能够保持不变的几何属性，即拓扑属性拓扑变换：对欧氏平面上的空间进行拉伸、压缩等（不能扭曲或折叠）——例如：橡皮拓扑属性：拓扑变换后不变的属性一个点在一个弧段的端点、区域边界上、区域内部、区域外部、环的内部等一个弧段是一个简洁的弧段、一个面是一个简洁的面、一个面的连接性非拓扑属性：拓扑变换后变更的属性两点之间的距离、一个点至另一个点的方向弧段的长度、区域的周长、区域的面积18欧式平面上的拓扑与非拓扑属性19三个特殊重要的拓扑概念连接性20多边形区域定义21邻接性22拓扑关系的意义拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析，具有重要的意义通过它，不须要利用坐标与距离，即可确定地理实体之间的空间位置关系。有利于空间位置的查询。可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。便于检查数据的错误便于空间数据的编辑便于属性数据的输入便于空间分析功能的实现。23矢量（Vector）：通过记录空间坐标对的方式，以点、线、面等形式来描述空间目标对象栅格（Raster）：用规则排列的像元阵列来描述空间目标对象TIN：三角形不规则网（TriangulatedIrregularNetwork）。接受不规则的三角形来描述空间对象栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。三种常用的空间数据模型2.2空间数据模型242.2.1矢量数据模型矢量0维：点，无大小、文向；用一个坐标对表示，在二维空间用（x,y）表示，三维空间中用（x,y,z）表示；一维：线、弧段、链等，有方向（有起点，有终点）、有长度；用多个坐村对表示（x1,y1,z1）、（x2,y2,z2）、（x3,y3,z3）、（x4,y4,z4）二维：面，以多边形表示三维：空间实体25矢量数据模型的表达零维矢量一维矢量二维矢量三维矢量26矢量数据模型的特征定位明显、属性隐含形象直观特殊适合于模拟离散（非连续变更）的空间数据精度高矢量数据的获得利用各种定位仪器设备获得以硬拷贝数据方式获得通过间接转换的方式获得27定位明显

属性隐含形象直观28适于模拟离散数据29数据精度与点的数量与质量有关302.2.2栅格数据模型栅格数据模型的概念是一种用规则排列的像元阵列来描述空间目标对象的数据模型，它主要用来描述空间实体的级别分布特征及其位置。栅格数据模型的表达

31栅格32栅格33栅格数据模型的特征属性明显，定位隐含在栅格结构中，其精度与辨别率有关栅格数据的辨别率对数据精度的其他影响位置的移动形态的畸变属性的偏差34位置移动形态的畸变属性偏差35辨别率——总结随着辨别率的提高，数据的信息损失越小。随着辨别率的提高，对存贮空间的要求将成几何级数增加。随着辨别率的提高，数据处理的时间要求也越长。辨别率选择的原则：在考虑数据精度要求的同时，还必需考虑数据存贮空间与处理时间的开销（在精度与存贮空间和处理时间之间权衡）。36栅格数据的获得通过遥感影像数据获得规则点采样、不规则点采样及插值通过扫描仪、摄像机等设备获得通过矢量数据的转换获得37栅格数据的获得

——遥感影像38栅格数据的获得

——规则点采样39栅格数据的获得

——不规则采样点及插值40栅格数据的获得

——利用扫描仪、摄像机获得41栅格数据的获得

——间接转换方式42栅格单元属性的确定方式主要类型法中心点法43重要性法A>B>C长度占优法44比例分成法45地图的矢量和栅格表示46矢量数据模型与栅格数据模型的比较比较内容矢量格式栅格格式数据结构严密简单数据量小大图形精度高低图形运算复杂、高效简单、低效与遥感影像格式不一致一致输出表示抽象、昂贵直观、便宜数据共享不易实现容易实现拓扑与网络分析容易实现不易实现叠置与组合不容易容易技术复杂、高费用简单、低费用数字模拟不方便方便投影变换快慢472.2.3

不规则三角网模型不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork，TIN）模型接受一系列相连接的三角形拟合地表或其他不规则表面，常用来构造数字地面模型（DTM）以及数字高程模型（DEM）。TIN的生成方法48等高线与高程点生成的不规则三角模型492.3.1空间数据组织空间数据组织依据地理实体之间的不同特征、相像特征、不同地理实体的组合特征特征进行分类，运用标记符建立空间数据（空间特征和属性特征）之间的联系的过程和方法。不同特征：如马路与铁路因建立方式不同可视为不同类型相像特征：如马路与铁路因都具有运输实力可将其视为一类组合特征：如机场跑道、停机坪、候机楼等组合成机场2.3.1空间数据组织与编码50空间数据的组织案例

——道路分类道路类型1：高速马路2：主干道路3：居民街道物质组成1：水泥2：柏油3：碎石道路宽度小巷数量道路名称51空间数据的组织——标识符标识符（Identifier）用于标识空间要素的唯一代码作用1：保证空间要素在数据库中的唯一性2：保证空间特征属性与属性特征数据的一一对应关系3：便于对数据的查找、关联与分析52标识符对空间特征与属性特征的联系532.3.2空间数据编码概念依据地理要素在数据分类分级中的隶属关系和属性性质，将其进行数据化的一种方法。编码主码：实体元素的类别子码：实体元素的标识（标识码）、实体元素的描述（描述码）54空间数据编码实例

——道路属性类型物质组成路宽小巷数量路名位数xxxxxxxxxx例1160083123例：116008312355空间数据编码实例

——土地利用规划图的编码

属性规划用地类型原用地类型位数xxxx例112156土地利用数据库要素分类与编码方案土地利用数据库部分要素代码与名称57空间数据编码实例

——100万分之一地貌编码第一级第二级第三级第四级第五级第六级一位码一位码二位码一位码一位码一位码

×××××××

相对高度海拔高度成因次级成因不确定不确定平原1台地2丘陵3小起伏山地4中起伏山地5大起伏山地6极大起伏山地7低海拔1中海拔2亚高海拔3高海拔4极高海拔515种成因类型随主要成因的变化而变化，但基本上分为抬升/侵蚀、下降/堆积两种多为形态指标，但也可以为成因指标，或其他指标。多为形态指标，但也可以为成因指标，或其他指标。58空间数据编码实例

——100万分之一地貌编码

Ⅰ基本地貌类型Ⅱ地貌成因类型第一位第二位第三四位第五位第六位第七位类型编码类型命名起伏度海拔成因次级成因形态次一级形态物质组成倾斜程度平原1低海拔1海成11海积1

1111100海积平原海滩1

1111110海滩淤泥质11111111淤泥质海滩砂质21111112砂质海滩砾质31111123砾质海滩生物41111124生物海滩低阶地2

1111120海积低阶地洼地3

1111130泻湖洼地海积冲积2

1111200海积冲积平原海蚀3

1111300海蚀平原低阶地1

1111310海蚀低阶地平台2

1111320海蚀平台台地2低海拔1海积1高阶地1

2111110海积高阶地平坦的12111111平坦的海积高阶地起伏的22111112起伏的海积高阶地海蚀2

2111210海蚀高阶地平坦的12111211平坦的海蚀高阶地起伏的22111212起伏的海蚀高阶地592.4.1空间数据质量的概念和内容误差数据的准确性数据的精密度分辨率不确定性比例尺与数据质量相关的几个概念2.4空间数据质量60空间数据质量指标和内容时间精度属性精度位置精度数据情况说明数据的可得性数据的相容性数据的完整性逻辑一致性表达形式的合理性61空间数据质量问题的来源空间现象自身存在的复杂性、模糊性和不稳定性空间数据获取和表达所产生的质量问题空间数据处理过程中产生的质量问题空间数据使用过程中产生的质量问题62误差类型常见空间数据的误差分析地图数据遥感数据测量数据数据误差分析几何误差属性误差时间误差逻辑误差63逻辑误差示意图642.4.4空间数据质量限制方法传统手工方法地图符号化方法地图符号化质量限制方法示意图65元数据跟踪方法空间分析方法地理相关法

地理相关质量限制方法示意图662.5.1

元数据空间数据元数据元数据和空间数据元数据元数据概念空间数据元数据概念空间数据元数据的标准

元数据标准名称建立标准的组织CSDGM地球空间数据元数据内容标准FGDC，美国联邦空间数据委员会GDDD数据库描述MEGRIN，欧洲地图事物组织CGSB空间数据库描述CSC，加拿大标准委员会CEN地学信息—数据标准—元数据CEN/TC287DIF目录交换格式NASAISO地理信息ISO/TC211空间数据元数据的几个现有标准

2.5空间数据元数据672.5.2空间数据元数据的作用查询空间信息组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源组织和维护一个机构对数据的投资供应数据转换方面的信息建立数据书目和数据交换中心，实现信息共享682.5.3ArcGIS的元数据元数据样式表FGDCESRI样式表FGDCFAQ样式表

ISO样式表XML样式表

69元数据的管理与编辑元数据的输入输出

FGDC编辑器FGDC编辑器70空间数据元数据的应用数据存储和功能实现在数据集成中控制数据流空间数据质量控制帮助用户获取数据71复习思索题1、谈谈你对“空间”的理解。2、我国的大地坐标系是如何定义的？3、矢量数据与栅格数据各有何特点？试比较它们的优缺点？4、什么是拓扑？它有什么重要意义？5、试举例说明常用的数据编码方法。6、什么是空间数据质量？空间数据质量指标主要有哪些？7、怎样理解“空间数据质量问题不行避开以及空间数据质量是可以限制的”这一推断？8、常见的空间数据质量限制方法有哪些？9、什么是空间数据的元数据？其主要内容是什么？空间数据的元数据有何作用？72实习二空间数据的表达目的：初步熟悉空间数据的矢量和栅格表达矢量（点、线、面）栅格实习要求：在ArcGIS中，分别将point1、polyline1、polygon1按辨别率2、4、8、16、32、64转换成栅格文件；分别将以上生成的栅格文件按缺损值转换成点、线、多边形的矢量文件；将新生成的矢量文件与分别与point1、polyline1、polygon1进行比较，分析它们之间的差异，并总其规律，写一简要报告。73实习三ArcGIS基本操作与数据表示ArcGIS的数据文件矢量：shapefile、coverage栅格：grid、tif、jpgGeodatabaseArcGIS中的数据阅读空间数据阅读属性数据阅读74实习四栅格像元的不同编码方法及误差比较试验目的：了解主要类型法、像元中心法等栅格像元编码方法及其误差特征。试验内容：以ArcGIS为基础，对土地利用数据ld502323进行两种不同的栅格编码，并比较其在同种编码方法不同辨别率下、以及同种辨别率不同编码方法下各类土地的面积误差。试验原理：矢量数据转换成栅格数据时，栅格像元须要进行编码。常用的编码方法包括主要类型法和像元中心法。试验方法：接受不同的辨别率，依据不同的编码方法，将矢量数据转换成栅格数据，统计并比较各类数据中各种土地的面积，分析误差特征。75实习五ArcGIS中空间数据的显示试验目的：了解ArcMap中空间数据的显示方法。试验内容：在ArcMap环境下，充分运用各种工具及方法实现对