第3章 空间数据的获取-1

3.1地图简介3.2GIS中的数据源3.3空间元数据第3章GIS数据的获取1地图既是GIS的重要数据源，又是GIS的重要输出形式。

地图按内容分类可分为普通地图和专题地图。专题地图是在普通地图的基础上，突出表示一种或多种自然或社会经济现象的地图。如地貌图、雨量分布图等

地图按比例尺分类可分大、中、小三大类大比例尺指比例尺大于等于1：10万的地图；中比例尺指比例尺在1：10万到1：100万的地图；小比例尺指比例尺小于等于1：100万的地图。

地图按结构分类分线画地图和影像地图。3.1地图简介一、地图的分类2city1:2500001:24000小比例尺1:5001:5000大比例尺Êcityriverriver在地图中，不同比例尺的地图系列表示不同空间尺度的地理实体，小尺度下的实体到大尺度时，往往通过地图综合而被合并或忽略。地图比例尺(描述地理实体的空间尺度)3二、空间坐标系1、地理（空间）坐标系地理（空间）坐标系，也可称为真实世界的坐标系，是用于确定地物在地球上位置的坐标系。一个特定的地理坐标系是由一个特定的椭球体和一种特定的地图投影构成。其中：椭球体是一种对地球形状的数学描述；地图投影是将球面坐标转换成平面坐标的数学方法。绝大多数的地图都是遵照一种已知的地理坐标系来显示坐标数据。

4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地理信息系统中的特征实体的位置，通常就是指经过投影变换后平面上的直角坐标。5GIS是建立在地理空间坐标系基础上的地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。平面直角坐标系(X,Y)建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。62、地球图子午面是通过地球旋转轴的面；赤道面是通过地心，垂直于地轴的平面。7赤道面的平行面同椭球面相交所截的圈称纬线。

纬度是地球上点的法线与赤道面的交角。赤道上的纬度为零，离赤道愈远，纬度愈大，在极点的纬度为90度。纬线(Parallels)和纬度经线(Meridians)和经度子午面和椭球面相交所截的圈为子午圈称经线；将通过格林尼治天文台的经线作为0°经线。经线与纬圈垂直排列，通过地球轴心的垂直大环称经线。用格林威治天文台的子午线为零度（称起始经线），向东0-180度称东经，向西0-180度称西经。经度1°的弧长随着纬度的增高而逐渐变短，直到最后达到两极时为零。81.投影（Projection）定义空间任意点A与固定点S的连线AS（包括其延长线）被某面P所截，直线AS与该截面P的交点a叫做空间点A在截面P上的投影。截面P称作投影面，交点a称作投影点，直线AS称作投影线，S点称作投影中心。

说明：

●投影面P不一定是平面

●点A与投影面P不必须是在S的两侧

●在特殊情况下投影中心S点允许在无穷远处abcPESP’c’CBA三、地图的投影92.中心投影

——投影面是平面、投影中心S在有限远处的投影称作中心投影。摄影照相机就是中心投影。

——中心投影有两个问题：

●地面起伏引起投影误差；

●投影面P与地面E不平行，也引起投影误差。

——正射投影

●定义：投影面平行于地面、投影线垂直于地面（S于无穷远处）的投影。

●实际上的正射投影——二次投影，即将起伏地面正射投影于一个基准平面上，再进行中心投影，且投影面与基准面平行。

正射投影示意图103.地图投影概念椭球面上的各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标，通常称为地图投影。地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算地球椭球体为不可展曲面地图为平面，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地球曲面转换成地图平面，不仅仅存在着比例尺变换，而且还存在着投影转换的问题

11地图投影：投影实质设想的地球是透明体，有一点光源S（投影中心），向四周辐射投影射线，通过球表面射到可展面（投影面）上，得到投影点，然后再将投影面展开铺平，又将其比例尺缩小到可见程度，从而制成地图。1213当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（λ,φ）与平面上对应点的平面坐标（x,y）之间的函数关系：144.正解变换和反解变换一般地，我们把由地理坐标求出地图平面直角坐标的形式称为正算式，称正解变换，也称直接变换法。

把由地图直角坐标求出地理坐标的形式称为反算式，称反解变换，也称间直接变换法。15面积变形和长度变形5.地图投影的变形长度变形面积变形角度变形长度变形角度变形地图投影中不可避免地存在着变形，在建立一个投影时不仅要建立（x,y)与(,)之间的关系，而且要研究投影变形的分布与大小。地图投影的变形主要体现在：16RobinsonProjection--16,930MilesObliqueMercatorProjection--10,473MilesMercatorProjection--31,216MilesLengthDistortiononWorldMaps17MercatorProjectionLower48States--52,362,000SqMilesColumbia--4,471,000SqMilesMollweideProjection(equal-area)Lower48States--30,730,000SqMilesColumbia--4,456,000SqMilesAreaDistortiononWorldMaps186.地图投影的分类地球表面经投影变换后其角度、面积、形状、距离会产生畸变，为保证某种畸变最小，产生了各种不同的投影变换。1）按变形的性质等角投影(Conformalprojections)等积投影(Equalareaprojections)等距投影(Equidistantprojections)192）按构成方法分类几何投影按展开方式方位投影(AzimuthalProjections)圆柱投影(CylindricalProjections)圆锥投影(ConicProjections)按投影面与地球相割或相切割投影(Secant)切投影(Tangent)轴向正轴(Normal)斜轴(Oblique)横轴(Transverse)非几何投影20正轴圆柱方位圆锥斜轴横轴几何投影21几种投影方式展开图方位投影展开图圆柱投影展开图圆锥投影展开图22投影转换圆柱方位圆锥地图投影23非几何投影并不借助辅助投影面，而是根据某些特定要求，用数学解析方法，求出投影公式，确定平面与球面之间点与点之间的函数关系。按经纬线形状，分为伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影。24Sinusoidal等积伪圆柱投影，(Sanson投影)25Robinson伪圆柱投影Pseudo-cylindricalProjections261）选择的投影系统应与国家基本图（基本比例尺地形图、基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；2）系统一般采用两种投影系统；一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出；一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出；3）所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统在投影带中应保持完整。随区域径纬度不同、地图比例尺不同、及地图用途不同，地图投影方法也不同，现有地图投影方法共有250多种。但常用的也就20多种。7.GIS中地图投影的选择27需要考虑：成图的代表性各类数据的通用性定量数据的精度要求传统方法： 近赤道处，用柱面投影 中纬度地区，用锥面投影 极地地区，用方位投影投影选择的一般原则28加拿大：>=1:50万——采用UTM（墨卡托投影）

<1:50万——采用Lambert（兰勃特

）;美国：>=1:50万——采用UTM;

<1:50万——采用州平面坐标系统(以高斯投影和Lambert投影为主，局部地区采用HOM投影)；中国：>=1:50万——采用高斯投影；

<1:50万——采用Lambert（兰勃特

）。GIS投影例29

1)我国基本比例尺地形图(>100万)采用高斯—克吕格投影（横轴等角切圆柱投影）;2)我国1：100万地形图采用了Lambert(兰勃特)投影（正轴等角割圆锥投影）;3)我国大部分省区地图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Alberts(阿尔伯斯)投影（正轴等面积割圆锥投影）;总之，在我国大中比例尺时，采用高斯—克吕格投影，小比例尺采用兰勃特投影。8.我国的地图投影30高斯—克吕格投影高斯投影是一种横轴等角切椭圆柱投影，其条件为：中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴；等角投影；

中央经线上没有长度变形。由公式可分析出高斯投影变形具有以下特点：中央经线上无变形同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；同一条经线上，纬度越低，变形越大；等变形线为平行于中央经线的直线。31高斯—克吕格投影示意图漫游窗口漫游方向主带中央经线邻带中央经线带边经线32

在高斯克吕格投影上，规定以中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴的交点为坐标原点。在我国X坐标都是正的，Y坐标的最大值（在赤道上）约为330km。为了避免出现负的横坐标，可在横坐标上加上500km。此外还应在坐标前面再冠以带号。这种坐标称为国家统一坐标。例如，有一点Y=19123456.789m，该点位在带内，其相对于中央子午线而言的横坐标则是：首先去掉带号，再减去500000m,最后得y=-376543.211m。高斯—克吕格投影（Gauss-KrugerProjection）---投影分带33

1:2.5万至1:50万的地形图，采用6°带，全球共分为60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共含11个投影带；

1:1万及更大比例尺图采用3°带，全球共120个带。我国高斯投影的分带方法346度带高斯投影的中国略图35GEOGCS["GCS_WGS_1984",DATUM["D_WGS_1984",SPHEROID["WGS_1984",6378137,298.257223563]],PRIMEM["Greenwich",0],UNIT["Degree",0.0174532925199433]]country.prj36GeodeticDatums(大地基准点)ReferenceframeforlocatingpointsonEarth’ssurfaceAsetofparametersdefiningacoordinatesystemonearth’ssurfaceDefinesorigin&orientationoflatitude/longitudelinesDefinesthepositionofthespheroidrelativetoEarth’scenter.37等角性别适合系列比例尺地图的使用与编制;

径纬网和直角坐标的偏差小，便于阅读使用;

计算工作量小，直角坐标和子午收敛角值只需计算一个带。由于高斯-克吕格投影采用分带投影，各带的投影完全相同，所以各投影带的直角坐标值也完全一样，所不同的仅是中央经线或投影带号不同。为了确切表示某点的位置，需要在Y坐标值前面冠以带号。如表示某点的横坐标为米，前面两位数字“20”即表示该点所处的投影带号。高斯--克吕格投影的优点注意跨带计算！38大于1:10万的地形图上绘有高斯－克吕格投影平面直角坐标网，其方格为正方形，以公里为单位，故又称公里网。公里网在地图上的间隔，随地图比例尺大小不同而不同。1:1万公里网间隔10cm实地距离1km1:2.5万公里网间隔4cm实地距离1km1:5万公里网间隔2cm实地距离1km1:10万公里网间隔2cm实地距离2km地形图的公里网39我国，基本地形图的分幅和编号按国际规定的在1:100万地形图基础上，按径纬度进行。1）1:100万地形图的分幅按纬差4度，径差6度分2）1:50万,1:20万,1:10万地形图的分幅1:50万按纬差2度，径差3度分,即一幅1:100万地形图包含4幅1:50万地形图；1:20万按纬差40‘，径差1度分,分36幅图;1:10万按纬差20‘，径差30’分,分144幅图;3）1:5，1:2.5万，1:1万地形图的分幅和编号这三种图在1:10万地形图基础上，按径纬度划分。6、地形图的分幅和编号401）1：100万地形图的编号1：100万地形图的编号为全球统一分幅编号，如图所示。其图幅编号采用所在的行、列数表示。行数：由赤道起向南北两极每隔纬差4˚为一列，直到南北88˚，将南北半球各划分为22列，分别用拉丁字母A、B、……V表示。列数：从经度180˚起向东每隔6˚为一行，绕地球一周共有60行，分别以数字1、2、3、4……60表示。由于南北两半球的经度相同，规定在南半球的图号前加一个S，北半球的图号前不加任何符号。一般来讲，把列数的字母写在前，行数的数字写在后。如海南省在1：100万地形图的位置在第5行，第49列，其编号为E49；北京在第10行，第50列，故其图幅编号为J50。41422）其他比例尺地形图的编号1：50万至1：5000地形图的编号，均以1：100万地形图编号为基础，采用行列式编号法，将1：100万地形图按所含各种比例尺地形图的经纬差划分成相应的行和列，横行自上而下，纵列从左到右，按顺序均用阿拉伯数字编号，皆用3位数字表示，凡不足3位数的，则在其前补0。各大中比例尺地形图的图号均由五个元素10位码构成。43如海南省的某一幅1：5000的地形图其编码可为：E49H010020。新分幅编号系统的主要优点是编码系列统一于一个根部，编码长度相同，便于计算机处理。44国家坐标系和独立坐标系按高斯投影统一分带建立的直角坐标系，称为国家平面直角坐标系。

由于地球半径很大，在较小区域内进行测量工作可将地球椭球面作为平面看待，而不失其严密性。既然把投影基准面作为平面，就可采用平面直角坐标系表示地面点的投影面上的位置。为不使坐标系出现负值，它通常将某测区的坐标原点设在测区西南角某点，以真北方向或主要建筑物主轴线为纵轴方向，而以垂直于纵坐标轴的直线定为横坐标轴，构成平面直角坐标系，称之为独立坐标系。453.2GIS中的数据源（自学）GIS数据源种类多，来源广泛，处理方法差异大；GIS数据源获取方法手段多，既有传统手工获取方法，又有用现代化技术获取方法；GIS系统数据源采集必需根据所建立系统的需要和实际条件确定。46GIS信息的获取途径信息类型空间信息属性信息获取途径野外测量、遥感、现场调查、已有资料遥感、现场调查、社会调查、已有资料47数字地图可以存放的数字存储介质磁盘、磁光盘(MO)、

CD-ROMDVD-ROM

磁带等。地图图形可显示屏幕上，也可打印输出。

数字地图的显示是动态可调整的，使用者能操作控制地图显示方式、显示内容、并可作一些分析计算。地图数据及其获取48——键盘。一般录入属性数据时采用。——图形数字化仪。地图数据录入。——扫描仪。地图数据录入。——坐标几何。地图数据录入。——现有数据转换。对已经用计算机储存在其他系统中的数据则可用文件转换方法从别处输入到自己的系统中。输入方法2/1/202349数据采集在GIS中的地位以数据为处理线索硬件∶软件∶数据=1∶2∶7汽油数据2/1/202350数据采集任务将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接受的数字形式；数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性；不同的数据来源要用到不同的设备和方法；数据的转换装载；数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等；2/1/202351地图地面测量数据统计资料航空、遥感文字数据多媒体坐标几何数字化仪扫描仪摄影测量系统键盘空间数据库编辑处理数据交换数据源与相应设备2/1/202352数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备特点：范围大，速度快使用范围：大面积GIS数据采集、资源普查等数字化仪扫描仪数字摄影测量工作站空间数据采集——图形数据的采集2/1/202353野外测量：大平板、全站仪、GPS、移动测绘系统特点：精度高、效率较低适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新空间数据采集——图形数据的采集2/1/202354数据交换文件GISAGISAGISBGISB内部文件外部文件外部文件内部文件GISA数据交换标准OpenGISInternet/Intranet空间数据采集——数据交换2/1/202355图形数据的矢量化方法1.数字化仪矢量化图形数字化仪（也称桌式数字化仪）由电磁感应板和坐标输入控制器组成。手工数字化的工作效率受三个因素的影响：（1）地图的预处理，图面情况；（2）操作者的熟练程度；（3）矢量化软件的设计是否便于操作。数字化工作的质量主要受原地图的精度、操作者的经验和对工作的负责态度、数字化仪本身的分辨率和误差的影响。2/1/2023562/1/2023572.扫描仪输入除少数特殊产品外，绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理。扫描获得的图像数据主要有三种用途：（1）作增强、分类处理后进入栅格型空间数据库。（2）显示在计算机屏幕上作手工矢量化。（3）由软件自动转换成矢量地图。栅格数据的自动矢量化有两种用途：一是把栅格型的空间数据库转换成矢量型；二是普通线化地图的扫描后矢量化，其处理过程大致如下。2/1/202358原始地图扫描栅格编辑栅格文件自动矢量化矢量文件文件转换GIS数据库矢量编辑扫描并自动矢量化的过程2/1/2023592/1/2023603.扫描矢量化与数字化仪矢量化的比较一般来说，扫描输入比手工数字化输入快5至10倍，但传统的地图往往要重绘后才能适合扫描；为了尽量减少对自动矢量化处理过程的人工干预，被扫描的地图必须清晰、干净、没有杂点、已经分类、信息单纯而完整，对原始图的要求很高；因此重绘工作量很大。综合考虑对地图预处理方面的限制，扫描之后的大量人工干预或完全的手扶数字化输入仍是不可放弃的重要手段。2/1/2023614.坐标几何输入野外实地测量地图的结果是一些坐标、距离、方位等资料。这些数据记录在磁盘、磁带上，传入计算机中，再进行编辑；也可以将这些数据用键盘和鼠标器输入，边输入边编辑：称为坐标几何输入法（CoordinateGeometry，简称COGO）坐标几何输入法比手工数字化仪输入慢4--20倍；得到的数字化地图的精度非常高，适合于某些工程项目、房产地籍法定边界等；2/1/202362坐标几何输入法的特点：

1）可输入一些关键点、关键边界，能够控制手工数字化或扫描处理的误差。

2）当GIS数据库建成后，局部地区要更新地图，并已测得数据，则可用坐标几何法来更新相应的局部范围的数据。

因此：1）有便于控制精度；2）便于更新局部地区资料，可和其他方法结合使用；3）COGO技术的发展，可实现野外直接测量、成图、进库，把便携式计算和数字测量仪器（包括GPS）直接连接；2/1/202363

5.现有数据转换输入任何信息系统总要利用已有数据，以减轻信息收集、编码、输入的工作量；除了本单位、本部门的现成资料外，常用的、通用的数据社会化共享已成为一种大的趋势；在发达国家，有很多政府机构或私人公司已经开始向社会公开提供数据服务；因此数据转换是一种常规作业；2/1/202364包括各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野外调查的原始记录等，如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据。对于要输入属性库的属性数据，通过键盘直接键入或文件、表格、数据库导入。对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据，则必须进行编码输入。属性数据的采集2/1/202365系统性和科学性：满足所涉及学科的科学分类方法，能反映出同一类型中不同的级别特点。一致性：对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。标准化和通用性：有国家或行业标准的要按标准进行，没有标准的必须考虑在有可能的条件下实现标准化。简捷性：在满足国家标准的前提下、每一种编码应该是以最小的数据量载负最大的信息量。可扩展性：编码的设置应留有扩展的余地，避免新对象的出现而使原编码系统失效、造成编码错乱现象。

属性数据的编码——编码原则2/1/202366登记部分：用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序编码；分类部分：用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征；控制部分：用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据量较大情况下具有重要意义。

属性数据的编码——编码内容2/1/202367属性数据的编码——编码方法

层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系。

2/1/202368多源分类编码法：对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代码之间并没有隶属关系。

标

志

编

号

分类

ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨ123

平原河过渡河山地河

123

常年河时令河消失河

12

通航河不通航河

1234567

主〔要河〕流∶一级支

流∶二级

三级

四级

五级

六级

七级属性数据的编码——编码方法2/1/202369

空间数据检核叠合比较法非空间数据检核打印出文件后逐行检核；编写检核程序；编写空间和非空间数据的连接程序。2、数据检核701.空间元数据目前空间数据的共享问题十分突出，计算机技术的发展为空间数据的共享提供了技术基础。作为数据的生产者必需要有效地对数据进行管理和维护；作为数据的使用者必需要全面快速地访问、获取、管理空间数据。3.3空间元数据（metadata)711)什么是元数据元数据是“数据的数据”，是关于数据和信息资源的描述信息,它描述数据的内容、质量、条件、和其它特征，使数据充分发挥作用，在实现数据共享方面十分重要。空间元数据是各类空间数据描述的集合。不同领域的数据库，元数据的内容会有很大的差别，通过元数据可以检索访问数据库，有效利用计算机系统资源，对数据进行加工和二次开发。72元数据的分类体系和内容将会有很大的差异。首先不同性质、不同领域的数据所需要的元数据内容有差异；其二，为不同应用目的而建设的数据库，其元数据内容会有很大的差异。如模型元数据其内容包括：模型名称、模型类型、建模过程、模型参数、边界条件、作者、引用模型描述、建模型使用软件、模型输出等

服务型数据的元数据内容包括：数据收集情况、收集数据所用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法、数据质量控制、数据精度、数据的可信度、数据潜在应用领域等。

2)空间数据元数据的分类731）按元数据描述的对象分类数据层的元数据如日期、位置、误差、标识等；属性元数据如数据字典、数据处理规则等；实体元数据如区域数据采集原则、数据有效期等。2）按元数据在系统中的作用分类系统级的元数据，指用于实现文件系统特征或管理文件系统中数据的信息，例如访问数据的时间、数据的大小；应用层元数据，用户通过它可快速获取数据。3）按元数据的功能分类说明性元数据，为用户使用数据服务；控制型元数据，控制计算机操作流程的元数据，如控制数据库操作空间数据元数据的分类74(1)对数据集的描述描述数据集中数据项、数据来源、数据所有者、数据生产历史等；(2)对数据质量的描述描述数据的精度、数据的完整性、数据分辨率、比例尺等；(3)对数据转换方法和处理信息的描述描述数据的转换方法等(4)对数据更新和集成等的说明如数据更新的时间、原因等。3)空间数据元数据的内容754)空间数据元数据的应用(1)帮助用户获取数据通过元数据，用户可了解空间数据库的一系列问题，如这些数据是什么数据？这些数据是如何得到的？这些数据的用处等，以便用户进行浏览、检索和研究。(2)进行空间数据的质量控制影响空间数据