p04第四章 GIS的地理基础

第四章地理信息系统的

地理基础兰州大学资源环境学院马金辉地理信息系统的地理基础地理基础是地理信息数据表示方式与规范的重要组成部分。它主要包括：统一的地图投影系统统一的地理网格坐标系统统一的地理编码系统第一节、地图投影第二节、制图综合第三节、地理信息编码胡友元等，计算机地图制图，测绘出版社，1987年；A.H.罗宾逊等，地图学原理（第5版），测绘出版社，1989年；张文中等，微机地理制图，高教出版社，1990年；徐庆荣等，计算机地图制图原理，武汉测绘科技大学出版社，1993年；…….参考书目第一节、地图投影地图投影的相关概念和原理地图投影的分类中国常用的地图投影地图投影的概念所谓地图投影就是建立地图平面上的点（x,y)和地球表面上的点(,)之间的函数关系。准确表示地物的地理位置。一般通式为：投影变换的必要性1、图层的空间关系2、表示空间位置的两种坐标系3、投影转换的原因1）、图层的空间匹配关系研究区域的图层往往被分成许多幅和许多专题。这些图层的组织方式或空间关系可分为两种：垂直结构组织：同一研究区域中包含不同地理要素的一组图层（例如：土壤、土地利用、河流和道路）水平结构组织：一组构成同一专题的空间邻接图层（称‘层片’）。A、水平匹配结构图示B、垂直匹配结构图示2）、投影转换的原因之一地图的显示设备是平面，而地球表面是曲面，将曲面直接展示为平面，必然产生重叠或裂缝，导致以地理坐标系来定位的地理实体并不能直接表示在地图上和显示在计算机屏幕上。需要采取某种方法，将基于球面的经纬度坐标转换为平面直角坐标，这种转换过程就是地图投影。2）、投影转换的原因之二由于地球是个椭球体，经度1°的距离随纬度而变化。纬度1°的距离也随纬度而变化。经度1°的距离和纬度1°的距离也不一样，而且这个距离随位置而变化。由于采用经纬度表示位置时，距离和面积量测的不一致性，使基于距离和面积的空间信息查询和空间分析不能进行。因此为了有效地进行空间测量和进行空间分析，有必要将球面坐标转换为平面坐标，使距离或面积在空间上反映实际的情况。3）地图投影与GIS的关系一、地图投影的相关概念地球几何形状地面坐标系统地图坐标系统1、地球几何形状Ellipsoid(椭球体)地球自西向东旋转产生的离心力导致地球中部的凸起而两极的偏平Geoid(大地水准面）将地球表示为最近似平均海平面的等重力面（equigravitational

）面，由于重力的空间变化，大地水准面并不和椭球体完全重合（100米的差）Geoidheight

（水准高度）椭球面和大地水准面之间的高度差在小比例尺（1：1000，000）情况下，将地球看作球体。但在大比例尺情况下，必须将地球看作椭球体。地球椭球体的大小长半径a（赤道半径）semiminor短半径b（极半径）semimajor扁率=(a-b)/a第一偏心率

e2=(a2-

b2)/a2第二偏心率

e`2=(a2-

b2)/b2通过长轴和短轴来度量地球的形状。不同的方法其长短轴参数不一样，所适用的地区也就不同。在北美通常使用CLARKE1866，在我国和前苏联使用克拉索夫斯基椭球体KRASOVSKY。在CLARKE1866椭球体长轴是6,378,206.4m，短轴是6,356,583.8m。Datum椭球体是描述地球形状的数学模型；datum定义了椭球体相对于地心的位置，它提供了一种测量地表位置的框架；实质上是将椭球体和地球表面的某个特定区域尽可能地配准；它定义了经纬网的原点和走向。DatumsNorthAmericanDatums(局地datum选择不同的椭球体位置来逼近特定区域的地表）NAD27(NorthAmericanDatumof1927)NAD83(NorthAmericanDatumof1983)WorldDatums(全球Datum以地球质量质心为原点，常用的有WGS84，全球Datum来源于卫星测量结果，大多用于GPS定位。)WGS84(WorldGeodeticSystemof1984)OtherDatumsEuropeanDatumof1979OrdnanceSurveyDatumofGreatBritain,1936AustralianGeodeticDatum,19842、地面点的坐标系统大地坐标系/地理坐标系高程系1）、地理坐标地表空间实体的位置按严格的数学定义表达成地理坐标（球面坐标），地理坐标以经度坐标/纬度坐标表示。2）、地表的垂直和水平基准面地表以最近似平均海平面的地球重力等势面作为高度为零的大地水准面（Geoid)，以大地水准面为参考测量得到的高度H被用于地形制图，它是一种正射（视）高度。3）我国的大地坐标系和高程系1954年北京坐标系1980年国家大地坐标系1956年黄海高程系1985年国家高程基准3、地图坐标系统地理坐标系平面直角坐标系(用于绘制地图)平面极坐标系(用于地图投影计算)地图坐标系统的建立由投影几何特征建立平面直角坐标系;自行规定坐标系(原点/横、纵轴).二、地图投影的分类1、根据投影面形状的分类2、根据投影变形性质的分类3、根据投影探求方法的分类4、根据投影方程特征的分类1、根据投影面形状分类按投影面的形状来来分，有方位投影圆柱投影圆锥投影多圆锥投影伪圆锥投影双圆锥投影等1）方位投影投影面是与地球表面相切（或相割）的平面，切点位置是这类投影的核心。1)方位投影的类别根据投影光源位置：Gnomonicprojection

（心射切面投影：）viewsthesurfacedatafromthecenteroftheEarth,Stereographicprojectionviewsitfrompoletopole.Orthographicprojection（正射投影）viewstheEarthfromaninfinitepoint,asifviewedfromdeepspace.2）圆锥投影圆锥投影（ConicProjection）–正圆锥面和地球纬线相切，远离标准纬线，变形越大用于中纬度地区，保持东西方位的正确投影面和地表两个点接触时，叫做割圆锥投影（

secantconicprojections）3）圆柱投影Equatoristypicallythelineoftangency（正圆柱投影是投影面和赤道相切），这时经线是等间距，纬线向两极加密，东西方位得以保持Transverseprojections横轴圆柱投影，使用经线作为投影切线，所以南北方位被保持不变投影面和球面相关位置分类2、根据投影变形的分类每种投影都会产生变形，而且这种变形随位置和方向发生变化。地图投影的变形主要体现在：角度变形；面积变形；距离变形；兼而有之。地图投影在保持某个方面变形较小或者不变形的情况下，在另一个方面必然产生很大变形。地图投影变形的图解示例

（摩尔维特投影－等积伪圆柱投影）长度变形角度变形地图投影变形的图解示例

（UTM－横轴等角割圆柱投影UniversalTransverseMercator）面积变形和长度变形按投影变形的投影分类按变形情况，地图投影又分为：等角投影conformal（保持局部形状不变）；等积投影equal-area；等距投影equi-distant；真方位true-direction投影。在选择地图投影时，应根据项目的要求和区域大小来选择合适的地图投影，以保证感兴趣内容的精度要求。比如，对有关土地利用方面的GIS，面积最为重要，选择面积变形最小的投影。对于以道路为内容的GIS，可能要选择距离变化最小的地图投影。©ESRI,UnderstandingMapProjections1）等角投影ConformalProjections也称正形投影（Orthomorphic）。投影后任意点上任意两条微分线段构成的角度不产生变形，保证了地表上任意一个小面积投影前后的形状保持不变。沿任意方向长度比相等但产生面积变形©ESRI,UnderstandingMapProjections2）等积投影equal-area对微分面积和较大的区域，都保持投影前后的面积不变，但对形状变形，距离中心越远，变形越大；等角和等面积相互抵消，等角以牺牲等面积为代价，等面积以牺牲等角为代价。©ESRI,UnderstandingMapProjections3）等距投影Equidistantprojections沿某个方向（经线方向）长度比为1，保持长度不便3、根据投影探求方法的分类透视——几何投影：这类投影完全依据透视的原理，根据视点（投影中心）、物点（地表的被投影点）与像点（投影平面上的点）之间的几何关系来建立投影的方程。如各种透视方位投影、空间透视投影等；几何——解析投影：这类投影的特点是首先根据经纬线形状确定投影方程的基本形式，再根据给定的某种条件推求出特定投影的具体方程。如圆锥投影、圆柱投影、伪圆锥投影等；解析投影——解析投影：事先并不人为确定经纬线的形状，其投影后的经纬线形状与投影方程的形式完全依据人们给出的条件逐步推求得到。如高斯－克吕格投影等。根据投影方程特征的分类图4、根据投影方程特征的分类四、中国常用的地图投影高期—克吕格投影Lambert投影Albert投影1、高期—克吕格投影（TransverseMercator）高期—克吕格投影是一种横轴等角切圆柱投影。从0°经线起，由西向东按经差6°（3°）分为一个投影带，将全球分为60（120）个投影带，每个投影带的有一条中央经线。采用圆柱法，将一椭圆柱横切于地球椭球体上，使圆柱轴通过地心，并使圆柱和某一带的中央经线相切，将圆柱展开，就得到某个带的平面图形。高斯—克吕格投影示意图1）、高期—克吕格投影特点中央经线和地球赤道投影成为直线且正交为投影的对称轴等角投影，无角度变形，沿任意方向的长度比都相等；中央经线上无（长度）变形；同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大，等变形线为平行于中央经线的直线；同一条经线上，纬度越低，变形越大。面积变形大于长度变形，面积变形为长度变形的两倍；2）、高期—克吕格投影图幅子午线收敛角各经线向中央经线收敛。对不在中央经线上的各点存在一个和中央经线的夹角，称为该点处的子午线收敛角子午线收敛角随距离中央经线的距离增大而增大；因此，按经纬线划分的图幅都不与水平线相垂直，投影坐标的正北方向（坐标北）和经线方向（真北方向）也不一致。3）、高期—克吕格投影坐标值的确定中央经线西侧存在X坐标的负值，为了保证正值，增加一个500km的坐标偏移量经纬网（地理坐标网）：方里网：平行于投影坐标轴的两组平行线，隔千米绘制，用于确定投影坐标。不同投影带空间数据的整合4）高期—克吕格投影的适用性高期—克吕格适合于纬度较高的地区。对中低纬度变形较大，所以目前许多国家采用与之相近的横轴墨卡脱(UTM)投影，该投影是一种横轴等角割圆柱投影，它和高期—克吕格投影同属一类，不同的是，中央经线的长度比小于1（0.9996），即产生一个负变形区，这样整个投影的变形就得到很大改善。2、LambertConformalConic我国1:100万地形图采用Lambert投影（正轴等角割圆锥投影）。经线表现为交于一点的直线束，纬线为同心园圆弧，圆心为直线束的交点。Shape：保持小的形状不变。Area：在标准纬线上变形最小，在标准纬线之间面积变小，之外面积增加；Distance：沿标准纬线保持不变，在标准纬线之间长度变小，之外长度增加，地球表面上两点间的最短距离表现为近于直线。对于中国全图，长度变形可达到4％，面积变形可达到9％。Lambert投影图示Lambert投影（正轴等角割圆锥投影）。3、

Albert投影我国大部分省区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Albert投影（正轴等积割圆锥投影）。4、地理信息系统中地图投影配置的一般原则各国家的地理信息系统所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致；各比例尺的地理信息系统中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；各地区的地理信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；各种地理信息系统一般以一种或两种投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一。，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺；系统一般地只考虑至多采用两种投影系统4）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。我国GIS中常用的地图投影的规范我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000万）除1：100万外均采用高斯-克吕格投影为地理基础；我国1：100万地形图采用了LambertConformalConic投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致；我国大部分省区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Albers投影；地图所用投影主要技术参数国家基本比例尺地形图系列1：100万正轴等角割圆锥投影按国际统一4。×6。分幅，标准纬线：φ1=φs+35’φ

2=φn-35’(φ

s、φn为图幅南北边纬

)国家基本比例尺地形图系列1：5万~1：50万高斯-克吕格投影（6。分带）投影带号(N)13~23中央经线λ0=(N×6-3)。国家基本比例尺地形图系列1：5000~1：2.5万高斯-克吕格投影（3。分带）投影带号(N)24~46中央经线λ0=(N×3)。城市图系列(1：500~1：5000)城市平面局域投影或城市局部坐标的高斯投影第二节、制图综合(Generalization)

——空间数据综合制图综合的定义为何要进行制图综合制图综合的内容一、制图综合的定义制图综合是指在：地图主题用途比例尺制图区域地理特点等条件下，通过对地图内容的选取、概括和协调，建立能反映区域地理规律和特点的地图模型的理论、方法和过程。制图综合的实质在于用科学的选取与概括手段，在地图上正确、明显、深刻地反映制图区域地理现象的空间分布和变化规律。二、为何要进行制图综合在地图有限的范围内表现繁杂广阔的客观世界，解决地图空间范围有限性和客观世界复杂、广阔之间的矛盾；突出空间事物分布的规律性；使地图清晰易读。三、制图综合的内容分类和分级系统的确立抽象：要素的选取(全选/部分选取，按质量或数量特征)符号化图形概括、化简合并同质合并异质合并(重新分类与符号化)图形转换夸大图形协调(移位)四、制图要素的选取过程确定选取的分界尺度(质量/数量/图形尺寸)确定选取定额(地图的面积载负量)确定选取顺序要素的自动选取第三节、地理信息编码地理信息编码的意义地理特征码地理信息编码方法编码的一致性编码设置的一般方法一、地理信息编码的意义定量信息可以被计算机直接识别，而定性信息必须首先“数字化”才能被计算机接受，地理信息编码是通过采用一种编码方法将定性信息用“属性特征码”（简称特征码）表示，这样就可以将定性属性信息输入计算机中；地理信息编码就是用数字或字符标记空间对象的属性，这种编码既是标识空间对象的标志，组织和编排地理数据的媒介，又是存储和检索的标志，是空间数据的重要组成部分。地理特征码简称属性码，或特征码。用来表示空间要素的类别、级别等分类特征或其它质量特征的数字或字符。二、地理信息编码方法地理属性编码法图形属性编码方法1、地理属性编码将真实世界地理事物和现象的定性与定量指标进行分类和分级，根据类别和等级赋予一定代码的方法称为地理属性编码。2、地理属性编码方法树型分类结构编码法多维指标结构编码法A）树型分类结构编码法树型分类结构首先对现象进行分类分级，不同级别之间为从属关系或具有层次结构，随着级别的层次不同，要用数位代码来表示一种空间实体属性。这是一种常见的分类体系与编码方式。B）维指标结构编码法对于某种确定的空间现象的每个独立因子变量用一位代码表示，即每一位代码表示一