第二章空间信息基础

第二章空间信息基础空间信息=地理信息=地理空间信息提纲一、地理信息二、地理空间参考一、地理信息1、地理信息的描述2、地理信息的类型3、地理信息的特征4、空间对象的编码5、元数据

地理信息是指描述某一时间地理实体在地理空间的位置、属性及相互联系。1、地理信息的描述编码：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。位置：坐标形式给出空间对象的空间位置类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成行为：空间对象所具备的行为和功能属性：空间对象所对应的非几何信息说明：实体数据来源、精度等关系：与其他实体之间的关系2、地理信息类型一般按地形维数进行归类划分点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的点实体

有位置，无宽度和长度；抽象的点线实体

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面实体

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）地形（连续面）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。体有长、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3、地理信息的特征空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。时间特征：描述空间对象随时间的变化4、空间对象的编码为什么要进行编码？编码对象：属性数据编码方法：层次分类编码多源分类编码编码标准化空间对象的层次分类编码分类对象的从属和层次关系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7141空间对象的多源分类编码按空间对象不同特性进行分类并进编码代码之间没有隶属关系，反映对象特性具有较大的信息量，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<1km：1<2km：2<5km：3<10km：4>10km：5流水季节河流宽度河流长度河流深度5~10m：110~20m：220~30m：330~60m：460~120m：5120~300m：6300~500m：7>500m：8<1m：11~2m：22~5m：35~20m：420~50m：5>50m：6编码标准化-道路编码为例类别编号路线名称及走向里程（公里）首都放射线101北京—承德—沈阳858102北京—山海关—沈阳—长春—哈尔滨1231103北京—天津—塘沽142104北京—南京—杭州—福州2284105北京—南昌—广州—珠海2361南北纵线201鹤岗—牡丹江—大连1822202黑河—哈尔滨—吉林—大连—旅顺1696203明水—扶余—沈阳656204烟台—连云港—上海918226楚雄—墨江调整后撤消227西宁—张掖345228台湾环线

东西横线301绥芬河—哈尔滨—满洲里1448302珲春—图们—吉林—长春—乌兰浩特1024321广州—桂林—贵阳—成都1749322衡阳—桂林—南宁—凭祥—友谊关1045323瑞金—韶关—柳州—蓝沧2316324福州—广州—南宁—昆明2201325广州—湛江—南宁7715、元数据“meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。一般都认为元数据就是“关于数据的数据”。元数据是关于数据变化的描述，是描述数据的数据，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据的准确、高效与充分的开发与利用。元数据的内容对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等对数据处理信息的说明，如量纲的转换等数据转换方法的描述对数据库的更新、集成方法等的说明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数据集描述方法MEGRIN，欧洲地图事务组织CGSB空间数据集描述CSC，加拿大标准委员会CEN地学信息一数据描述一元数据CEN／TC287DIF目录交换格式NASAISO地理息ISO／TC211三、地理空间参考地图三要素地形图的编号1：10万地图，分别用数字1—144表示，编号如J-50-32；1：5万万地形图的编号，如J-50-32-甲；1：2.5万地形图，分别用1、2、3、4表示，其编号如J-50-32-甲-1；1：1万地形图的编号，是以一幅1：10万地形图划分为64幅1：1万地形图，其编号如J-50-32-（10）；1：5000地形图，其编号是在1：1万图号后加上它本身的序号，如J-50-32-（10）-a。地图三要素

（1）地图图形（地理要素），是指地图上表示的具有地理位置、分布特点的自然现象和社会现象。因此，又可分为自然要素（如水文、地貌、土质、植被）和社会经济要素（如居民地、交通线、行政境界等）。

地图三要素

（2）辅助要素（整饰要素），主要指便于读图和用图的某些内容。例如：图名、图号、图例和地图资料说明，以及图内各种文字、数字注记等。地图三要素

（3）数学要素，指构成地图的数学基础。例如地图投影、比例尺、控制点、坐标网、高程系、地图分幅等。这些内容是决定地图图幅范围、位置，以及控制其它内容的基础。它保证地图的精确性，作为在图上量取点位、高程、长度、面积的可靠依据，在大范围内保证多幅图的拼接使用。数学要素，对军事和经济建设都是不可缺少的内容。要了解：坐标系统(CoordinateSystem)

投影(Projection)

基准面(Datum)

椭圆体(Ellipsoid)

提纲地球模型坐标系统地图投影1、地球模型理解两个重要概念：椭球体、水准面1.2地球椭球体地球自然表面地球椭球体表面EquatorialAxisPolarAxisNorthPoleSouthPoleEquatorabWGS[worldgeodeticsystem]84ellipsoid:a=6378137m

b=6356752.3m

equatorialdiameter=12756.3km

polardiameter=12713.5km

equatorialcircumference=40075.1km

surfacearea=510064500km2

a-b6378137-6356752.3f=——=————————

a6378137对

a，b，f

的具体测定就是近代大地测量的一项重要工作。椭球体三要素:

长轴a（赤道半径）、短轴b（极半径）和椭球的扁率f椭球体名称年代长半径（m）短半径（m）

扁率使用的主要国家白塞尔（德,Bessel）1841637739763560791：299.15波兰，罗马尼亚，捷克，斯洛伐克，瑞士，瑞典，智利，葡萄牙，日本克拉克Ι（英，Clarke）1866637820663565341：295.0埃及，加拿大，美国，墨西哥，法国克拉克Ⅱ（英，Clarke）1880637824963565151：293.47越南，罗马尼亚，法国，南非海福特（美国，Hayford）1910637838863569121：297.0意大利，比利时，葡萄牙，保加利亚，罗马尼亚，丹麦，土耳其，芬兰，阿根廷，埃及，中国（1952年前）克拉索夫斯基（前苏，Красовский）1940637824563568631：298.3前苏联（1946年起），保加利亚，波兰，罗马尼亚，匈牙利，捷克，斯洛伐克，原得意志民主共和国，中国1975年国际椭球1975637814063567551：298.2571975年国际第三个推荐值1980年国际椭球198063781371：298.2571979年国际第四个推荐值常见椭球体参数我国采用的椭球体

中国1952年前采用海福特（Hayford）椭球体；

1953—1980年采用克拉索夫斯基椭球体（坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台）；自1980年开始采用GRS1975（国际大地测量与地球物理学联合会IUGG1975推荐）新参考椭球体系。1.3基准面地球自然表面基准面地球椭球体表面平均静止海平面基准面概念大地水准面：它是一个延伸到全球的静止海水面，也是一个地球重力等位面，实际上确定水准基面则是取验潮站长期观测结果计算出来的平均海面。基准面：利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近而形成所谓的基准面。地球表面地点不同，海面高度不同，水准面有无数个。基准面是对椭球体的定位，确定高程基准。GIS中基准面的定义与转换在目前的GIS商用软件中，大地基准面都通过当地基准面向WGS84的转换7参数来定义，转换通过相似变换方法实现，具体算法可参考科学出版社1999年出版的《城市地理信息系统标准化指南》第76至86页。美国国家测绘局(NationalImageryandMappingAgency)公布了世界大多数国家的当地基准面至WGS1984基准面的转换3参数(平移参数)，可从http://9/GandG/wgs84dt/dtp.html下载，其中包括有香港HongKong1963基准面、台湾Hu-Tzu-Shan基准面的转换3参数。虽然现有GIS平台中都预定义有上百个基准面供用户选用，但均没有我们国家的基准面定义。假如精度要求不高，可利用前苏联的Pulkovo(普尔科沃)1942基准面；假如精度要求较高，如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系统，则需要自定义基准面。MapX中基准面定义方法MapX中基准面定义方法如下：Datum.Set(Ellipsoid,ShiftX,ShiftY,ShiftZ,RotateX,RotateY,RotateZ,ScaleAdjust,PrimeMeridian)其中参数：Ellipsoid为基准面采用的椭球体；ShiftX,ShiftY,ShiftZ为平移参数；RotateX,RotateY,RotateZ为旋转参数；ScaleAdjust为比例校正因子，以百万分之一计；PrimeMeridian为本初子午线经度，在我国取0，表示经度从格林威治起算。2坐标系统地心坐标系统

球坐标系统（地理坐标系统）

笛卡尔坐标系统

2.1地心坐标系统

这是一种原点在地心、用(x,y,z)进行表示的坐标系统。2.2地理坐标系统

地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度ψ。过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度λ。某点高程是相对于平均海平面或者基准面。

2.3笛卡尔坐标系统

这是一种“平面”的坐标系统，这种坐标系统是二维的，这里的平面两个字加上引号是因为地球的表面不是真的平面的，而是一种球面。

地理坐标系统—平面坐标系统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2.4

中国的大地坐标系统中国的大地控制网中国的大地坐标系2.4.1

中国的大地控制网

由平面控制网和高程控制网组成，控制点遍布全国各地。国家水准原点国家测绘局国家控制网布设（1）平面控制网平面控制网

:按统一规范，由精确测定地理坐标的地面点组成，由三角测量或导线测量完成，依精度不同，分为四等。中国平面控制网布设示意图国家测绘局（2）高程控制网中国高程起算面是黄海平均海水面。1956年在青岛观象山设立了水准原点，其他各控制点的绝对高程均是据此推

算，称为1956年黄海高程系。1987年国家测绘局公布：启用《1985国家高程基准》取代《黄海平均海水面》其比《黄海平均海水面》上升29毫米。

青岛观象山水准原点高程控制网

:

按统一规范，由精确测定高程的地面点组成，以水准测量或三角高程测量完成。依精度不同，分为四等。国家高程控制网布设示意图国家测绘局2.4.2

中国的大地坐标系统北京54坐标系1980西安坐标系

我国1954年完成了北京天文原点的测定工作，建立了1954年北京坐标系。1954年北京坐标系是原苏联1942年普尔科沃坐标系在我国的延伸，但略有不同，其要点是：属参心大地坐标系；采用克拉索夫斯基椭球参数；多点定位；εx=εy=εz；；大地原点是原苏联的普尔科沃；大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准；高程异常是以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为水准起算值，按我国天文水准路线推算出来的；1954年北京坐标系建立后，30多年来用它提供的大地点成果是局部平差结果（制作了国家系列比例尺地形图）。北京54坐标系西安80坐标系

由于1954年北京坐标系（简称54坐标系）存在许多缺点和问题，1980年我国建立了新的大地坐标系（简称80坐标系），其要点是：属参心大地坐标系；大地原点定在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇，简称西安原点；大地高程采用青岛大港验潮站1952－1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。采用既含几何参数又含物理参数的四个椭球基本参数。数值采用1975年国际大地测量学联合会（IUG）第16届大会上的推荐值，其结果是：

a=6378140mb=6356755m

f=1/298.2571980西安坐标系大地原点陕西省泾阳县永乐镇北洪流村为“1980西安坐标系”大地坐标的起算点——大地原点。3、地图投影为什么要进行地图投影？将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，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了解：地图投影实质投影变形投影方法投影选择所依据投影变换我国常用的投影方法3.1地图投影实质

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：当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。3.2投影变形将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。长度变形面积变形角度变形地图比例尺的含义

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。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，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，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，才可用地图上注明的比例尺。3.3投影分类变形分类：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；任意投影：角度、面积、长度均变形投影面：圆柱投影：投影面为圆柱圆锥投影：投影面为圆锥方位投影：投影面为平面投影面位置：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割投影：投影面与椭球体相割（1）根据投影变形性质的分类等角投影:对于面积较小的区域，等角投影所造成的畸变程度较小，随着面积增大，等角投影对区域所造成的畸变程度也将增大。因此，大面积的区域制图不适合应用等角投影。墨卡托投影（Mercator）是等角投影中的一种常见类型。等面积投影：经纬线间距随着远离赤道逐渐减小，但保持等面积性质。由于点密度不受影响，因此，对于大面积上的点分布的表达适合于应用等面积投影。Alber是等面积投影的一种常见类型任意投影：它既不保持角度不变，又不保持面积不变,同时存在长度、角度、面积的变形。投影类型特点适用领域等角投影方位准确，小区域的图形能与实地相似航空、航海、气象、洋流和军事等方面等积投影面积正确，方便分析信息间的对比关系行政区划、自然或经济区划、人口密度、土地利用、农业、经济和某种自然现象分布等方面等距任意投影距离准确，方便对一定半径范围进行控制城市防空、地震台、雷达站等方面特征与适用领域（2）根据投影面不同的分类（3）根据投影面与球面相关位置正轴圆柱方位圆锥斜轴横轴3.4投影选择依据制图区域的地理位置、形状和范围制图比例尺地图内容出版方式3.5投影变换

旋转变换比例变换地图投影变换yP（x，y）0xθP′(x′，y′)x′=x•cosθ-y•sinθy′=x•sinθ+y•cosθx′=x0+(x-x0)cosθ-(y-y0)

•sinθy′=y0+(x-x0)

sinθ+(y-y0)

cosθ旋转变换点可以通过对其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′=x·Sxy′=y·Syx′=x0+(x-x0)·Sx

y′=y0+(y-y0)

·Sy比例变换（图形缩放）

当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据地图投影变换正解变换反解变换数值变换通过建立两个投影的解析关系式，直接把一种投影坐标(x,y)

变换成另一种投影的坐标(X,Y)地图投影变换1地