空间信息基础课件

地理信息系统基础第二章空间信息基础常规的地理空间信息描述法地理信息数字化描述法空间数据的类型和关系元数据思考与练习§1常规的地理空间信息描述法地球模型坐标系统地图投影地图比例尺空间实体的地图表达1.2坐标系统要确定一个点的空间位置，实际上可以通过确定这个点在某基准面上的投影及该点沿基准线到该基准面的距离来进行。测量外业工作采用的基准面和基准线分别是大地水准面和与之垂直的重力线（铅垂线）。测量内业计算采用的基准面和基准线分别是旋转椭球面和与之垂直的法线。坐标和高程采用不同的基准面和基准线，可以建立不同的坐标系对地面点进行定位。一般确定某点在基准面上的投影位置可以采用大地坐标、天文坐标和（高斯）平面直角坐标，而确定某点沿基准线到基准面的距离可以采用大地高和正高。要确定一个空间点的位置，实际上就是要确定其坐标和高程。1.2坐标系统地理坐标系分别以旋转椭球面和法线为基准面和基准线的球面坐标，称为大地经度L和大地纬度B；分别以大地水准面和铅垂线为基准面和基准线的球面坐标，称为天文经度λ和天文纬度φ。1.2坐标系统为什么要进行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。1.2坐标系统1.3地图投影定义投影变形投影分类

GIS中的地图投影我国常用的投影方法通用横轴墨卡托投影

SuperMap

Deskpro5的地图投影

SuperMap

Deskpro5的坐标系地图投影的

定义将地球椭球面上各点的大地坐标，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，称为地图投影。所谓地图投影，也就是建立大地坐标（L，B）与对应点的平面坐标（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。1.3地图投影投影分类变形分类：

等角（正形）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：

椭圆柱投影：投影面为椭圆柱圆锥投影：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1.3地图投影GIS中的地图投影GIS主要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的投影。1.3地图投影我国常用地图投影1:100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）；大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影；1:50万、1:25万、1:10万、1:5万、1:2.5万、1:1万、1:5000采用高斯-克吕格投影。1.3地图投影

高斯-克吕格投影无角度变形，中央经线无长度变形。为保证精度，采用分带投影的方法：

经差6°或3°分带，长度变形<0.14%1.3地图投影高斯-克吕格直角坐标yA=245863.7myB

=-168474.8myA通=20745863.7myB通=20331525.2m1.3地图投影通用横轴墨卡托投影—UTM(UniversalTransverseMercator)投影(1)以横轴椭圆柱面割地球于南纬80度、北纬84度两条等高圈，按等角条件，将中央经线两侧各一定范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将其展成平面而得。SuperMapDeskpro5的地图投影SuperMapGIS5桌面产品的投影子系统包含了国内外常见的40种基本投影类型，具有从地理坐标转换到投影坐标的正算和从投影坐标到地理坐标的反算功能，使用户能够充分利用现有的不同坐标系统的数据源。1.3地图投影SuperMapDeskpro5的坐标系SuperMapGIS5桌面产品的投影系统不仅提供丰富、便捷的投影坐标系，而且提供不带投影系统的普通平面坐标系（系统缺省坐标系）和直接使用经纬度的地理坐标系。投影坐标系：适合于需要在平面坐标系统中进行显示和操作的地图，也可以对具有不同投影的多种数据源进行投影系统的相互转换。1.3地图投影建立坐标系（1）新建数据源时，坐标系可以新建也可以复制。SuperMapDeskpro5的投影坐标系,有用户自定义投影系和预定义投影系两类。在SueprMapDeskpro5中投影设置中，默认的高斯克吕格带号都是按照6度分带设定的，如果想用3度分带，需要进行自定义设置。1.3地图投影

投影变换-转换数据源投影不同投影间的变换过程通常不是完全可逆的。每种投影都被设计用于减少给定区域在给定特性上的变形量，因而各种投影有一定的适用范围，在进行投影变换时，应尽可能在相近坐标系范围间进行变换，否则投影变换结果的精度难以保证。1.3地图投影1.4地图比例尺地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系。比例尺的含义。确定比例尺要考虑的因素纸质地图：内容、概括程度、数据精度等。GIS：数据精度。我国地图比例尺分级系统：大比例尺：1:500—1:10万中比例尺：1:25万—1:50万小比例尺：1:100万1.5.2点实体

有位置，无宽度、长度和高度；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1.5.3线实体

有长度，但无宽度和高度香港城市道路网分布1.5.4面实体

具有长和宽、但无高度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）面实体（续）连续变化曲面：如地形起伏，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。1.5.5体实体有长、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1.5.6空间实体的地图表达点：位置：（x，y）属性：符号线：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)属性：符号—形状、颜色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)属性：符号变化等值线

本节结束§2地理信息数字化描述方法地图是地理实体的传统载体，具有存储、分析与显示地理信息的功能，因其直观、综合的特点，曾经是地理实体的主要载体，但随着人们对地理信息需求量的增加及对其需求质量和速度的提高，再加之计算机技术的发展，使得用计算机管理空间信息，建立地理信息系统成为可能。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。

实体结构模型栅格数据模型矢量数据模型矢量结构（隐性描述）（P18-19）点状地物的位置用其所在位置的一对坐标表示。线状地物的位置用一组有序的坐标对来表示。面状地物的位置用组成面状地物边界的闭合矢量线段来表示。其属性值都要用其它的数据项来表示。空间实体的遥感影像表达遥感传感器平台传感器栅格结构（显性描述）（p19）由一系列（x,y）坐标定位的像元，每个像元独立编码，并载有属性。本节结束§3空间数据的类型和关系空间数据的基本特征空间数据的类型空间数据的拓扑关系3.1空间数据的特征空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系。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。3.2空间数据的类型点、线、面数据，按其表示内容可以分为七种不同的类型（参见P22）：类型数据面域数据网络数据样本数据曲面数据文本数据符号数据3.3空间对象的拓扑关系拓扑元素基本拓扑关系空间拓扑关系表达—关系表拓扑关系的作用点、线、面之间的空间关系3.3.1拓扑元素结点：两条或多条弧段（链）的拓扑连接点、或一条弧段（链）的端点。弧段（链):结点之间的拓扑关联，是一个无分支而有方向的序列。两端以结点为界，而这两个结点不一定相异。多边形：在二维平面中由封闭弧段包围的区域。3.3.2基本拓扑关系邻接：同类拓扑元素之间的拓扑关系；关联：不同类拓扑元素之间的拓扑关系；包含：同类但不同级元素之间的拓扑关系。3.3.3

空间拓扑关系表达—关系表表2-1多边形与弧段的拓扑关系多边形 弧段 P1 a,b,c,-gP2 b,d,f P3 c,f,e P4 g 表2-2结点与弧段的拓扑关系结点 弧段 A a,c,e B a,d,b C d,e,f D b,f,c E g 表2-3弧段与结点的拓扑关系弧段 结点 a A,B b B,D c D,A d B,C e C,A f C,D g E,E

表2-4弧段与多边形的拓扑关系弧段左多边形右多边形a P0 P1b P2 P1c P3 P1d P0 P2e P0 P3f P3 P2g P1

3.3.4拓扑关系的作用根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，就可以确定某空间实体相对于另一空间实体的位置关系。利用拓扑关系便于空间要素的查询。可以根据拓扑关系重建地理实体。关于其算法可参见：《地理信息系统概论》（修订版）、黄杏元等、2001年12月、高等教育出版社P39-41。本节结束3.3.5点、线、面之间的空间关系§4元数据对空间数据的有效生产和利用，要求空间数据的规范化和标准化，以利于数据的交换、更新、检索、数据库集成以及数据的二次开发利用等。“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”。元数据的主要作用(P25)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；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(clearinghouse)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；提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息；帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断；提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。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地理信息ISO／TC211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。

本节结束思考与练习（1）GIS中为什么要考虑地图投影？某地面点的经度为东经130°25′32″，试在SuperMapDeskpro中建立该点所在的高斯平面直角坐标系