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文档简介
GIS软件应用2015年10月GIS软件应用GIS基础知识1MapGIS专题应用篇2332MapGIS基础操作篇4.1GIS数据结构4.1.1GIS数据的地理空间及其表达一、地理空间的概念地理空间一般可以理解为包括地理空间定位框架及其所连接的特征实体。地理空间定位框架即大地控制测量网,由平面控制网和高程控制网组成。1.平面控制网(1)54年北京坐标系在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测,通过大地坐标计算,推算出北京点的坐标,北京坐标系是苏联42年坐标系的延伸,其原点在苏联普尔科沃。(2)80年西安坐标系78年4月召开“全国天文大地网平差会议”建立80年西安坐标系,其原点在西安西北的永乐镇,简称西安原点。椭球体参数为75年国际大地测量与地球物理联合会第16界大会的推荐值。(3)2000国家大地坐标系
2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现,其原点为包括海洋和大气整个地球的质量中心。(4)WGS84坐标系在GPS定位中,定位结果属于WGS84坐标系,卫星控制测量椭球体取代大地测量椭球体。WGS84(全球大地测量系统1984)是由卫星轨道数据来确定的椭球体,它的长半径是6378137.0m,短半径是6356752.3m2.高程控制网
(高程系统)地面上任何一点到大地水准面的距离。由于各处重力不同,水准面位置不同,得出的高程也不同,所以以黄海平均海水面位置为基准。任意水准面大地水准面H´AHA重力铅垂线AH´BHBhAB水准原点1985国家高程基准,72.2604米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米3.地图投影坐标将地球球面投影到平面后所设定的坐标系,相对于平面中两个相互垂直的轴来给出点的位置,为直角坐标系,如高斯投影坐标系。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3.3地图投影
1.地图投影的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,也就是建立地球表面上的点(λ,φ)和平面上的点(x,y)之间的函数关系,用数字式表达这种关系就是:
x,y为平面坐标,
λ,φ为地理坐标),(),(21jljlfyfx==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3.地图投影分类(1)按变形分类等角投影微分图形投影后保持相似,投影前后角度不变等面积投影某一微分面积投影前后保持相等等距离投影沿某一方向上投影长度比等于1沿线线上等距离投影:沿纬线上等距离投影:任意投影角度、面积、长度均变形(2)按投影面与地球表面相关位置分类
4.1.1GIS数据的地理空间及其表达
二、空间实体的表达1、矢量表达法0维矢量(点)一维矢量(线段、边界、弧段、网络等)二维矢量(面积、周长、凹凸性、走向、倾角、倾向等)三维矢量2、栅格表达法栅格类似于矩阵,在其表达中,对空间实体的最小表达单位为一个单元(cell)或像素(pixel)。依行列构成的单元矩阵叫栅格,每个单元通过一定的数值表达方式(eg:颜色、纹理、灰度级)表达现实世界点、线、面状等不同的地理实体。
栅格表示法的精度与分辨率有关。4.1.1GIS数据的地理空间及其表达
二、空间实体的表达3、其它方法(1)不规则三角网的表达方式:TIN(2)面向对象的表达方式:通过分类、概括、联合、聚集四种数据处理技术就可以实现面向对象的各种表达方法。4.1.1GIS数据的地理空间及其表达
二、空间实体的表达3、其它方法(1)不规则三角网的表达方式:TIN(2)面向对象的表达方式:通过分类、概括、联合、聚集四种数据处理技术就可以实现面向对象的各种表达方法。4.1.2GIS数据的地理空间关系一、拓扑理论1、拓扑属性和非拓扑属性
4.1.2GIS数据的地理空间关系一、拓扑理论1、拓扑属性和非拓扑属性
拓扑变换、橡皮变换拓扑变换下的拓扑属性4.1.2GIS数据的地理空间关系一、拓扑理论
2、空间数据的拓扑关系
拓扑邻接:存在于空间图形的同类图形实体之间的拓扑关系,如节点间的邻接关系和多边形间的邻接关系。拓扑关联:存在于空间图形实体中的不同类图形实体之间的拓扑关系。拓扑包含:指不同级别或不同层次的多边形图形实体之间的拓扑关系。4.1.2GIS数据的地理空间关系一、拓扑理论
2、空间数据的拓扑关系
空间数据拓扑关系
4.1.2GIS数据的地理空间关系二、空间关系1、拓扑空间关系:描述空间实体之间相邻、包含、相交和相离空间关系。点与点的关系(P-P)point):相离、重合、不存在相邻、相交和包含关系。线与线的关系:相邻、相交、相离、重合关系。面与面的关系:相邻、相交、相离、包含。点——线的关系:相邻、相交、相离、包含、不存在重合。点与面的关系:同上。线与面的关系:同上。Spatial-spatial
relationship邻接相交重合相离包含点—点点—线点—面线—面面—面线—线4.1.2GIS数据的地理空间关系二、空间关系2、顺序空间关系:实体之间的前后、左右、东、西、南、北等方位关系。3、度量空间关系:描述实体之间的距离或远近关系。距离度量有:大地测量距离;曼哈顿距离(指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(又称旅行时间距离。)4.1.3GIS数据模型一、矢量模型处理的空间体是点(point)、线(line)、面(area)。4.1.3GIS数据模型二、栅格模型栅格模型是储存空间数据最简单的方法,它将对象划分成均匀的格网,每个格网作为一个像元。
分辨率越高,精度越高。4.1.3GIS数据模型
其他数据模型之DEM模型
数字高模型(DigitalElevationModel),简称DEM,是以数字的形式按一定结构组织在一起,表示实际地形特征空间分布的数字模型,也是地形形状大小和起伏的数字描述。DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法,最基本的DEM是由一系列地面点x,y位置及其相联系的高程Z所组成,用数学函数式的表达是:Z=f(x,y),(x,y)∈DEM所在的区域。尽管DEM是为了模拟地面起伏而发展起来的,但也可以用来模拟其他二维表面上连续变化的特征,比如说还可以表示地面景观的属性,地面温度、降水、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其它地面特性信息,此时的DEM也称为数字地形模型(DigitalTerrainModels),简称DTM。4.1.3GIS数据模型
其他数据模型之DEM模型4.1.3GIS数据模型
其他数据模型之不规则三角网
不规则三角网(TIN)是由Peuker和他的同事(1978)设计的一个系统,它是由不规则分布的数据点连成的三角网组成,三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点或称结点的密度和位置。首先在所有可能的线段中寻找最短的一条,用它作为第一个三角形的基线。选出到这条基线两端的距离之和为最小的那一点作为三角形的顶点。接着,搜索次最短线段作为下一个三角形的基线。这样可使作为先前生成的三角形的一部分而被存贮起来的诸边不再被选取为基线。再寻找一个顶点,把新发现的各边存贮起来,这个过程反复进行,直到所有的数据点被三角形的各边都连接起来为止。4.1.3GIS数据模型
其他数据模型之不规则三角网
4.1.4空间数据结构
数据结构一般分为基于矢量模型和基于栅格模型两种形式。矢量数据结构主要应用于具有强大制图功能的GIS系统,而栅格数据结构则广泛应用于图像处理系统和栅格地理信息系统。4.1.4空间数据结构
一、矢量数据矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标(x,y)的有序集合。Point-simpleprimitiveLine-chainofpointsArea-closedchainofpoints矢量数据结构编码的基本内容
标识码属性码空间对象编码唯一连接空间和属性数据数据库独立编码点:(x,y)线:(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)面:(x1,y1
),(x2,y2
),…,(x1,y1
)点位字典点:点号文件线:点号串面:点号串点号XY1112223344………n5566存储方法将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分,形成许多格网,每个网格单元称为象素(pixel)。根据所表示实体的表象信息差异,各象元可用不同的“灰度值”来表示。若每个象元规定N比特,则其灰度值范围可在0到2N—1之间;把白~灰色~黑的连续变化量化成8比特(bit),其灰度值范围就允许在0~255之间;若每个象元只规定1比特,则灰度值仅为0和1,这就是所谓二值图像。点实体在栅格数据中表示为一个像元;线实体则表示为在一定方向上连接成串的相邻像元集合;面实体由聚集在一起的相邻像元集合表示。
4.1.4空间数据结构
二、栅格数据arealinepointployon栅格数据结构实际上就是象元阵列,即象元按矩阵形式的集合(二维数组),栅格中的每个象元是栅格数据中最基本的信息存储单元,其坐标位置可以用行号和列号确定。右图在计算机内是一个4*4阶的矩阵。但在外部设备上,通常是以左上角开始逐行逐列存贮。存贮顺序为:AAAAABBBAABBAAAB,当每个像元都有唯一一个属性值时,一层内的编码就需要m行×n列×3(x,y和属性编码值)个存储单元。Row#(Y-coord)regionscellsAAAAABBBAABBAAABColumn#(X-coord)PunctualLinealAreal
Surficial0-d1-d2-d3-d+12014012331122112311333332RealworldVeryFinegridMediumgridCoarsegrid分辩率(resolution)Resolutionisdependentonthegridcellsize..Changingtheresolutionaffectsclassification,area,perimeter,accuracy,etc...
中心归属法:每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值确定。面积占优法:每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性长度占优法:每个栅格单元的值以网格中线的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。重要性法:根据栅格内不同地物的重要性程度,选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值.2.2.1栅格数据取值方法栅格数据的值整数值:如土壤分类字母:蔬菜类型、土地分区
实数:如高程值三、矢量与栅格数据对比矢量数据数据存储量小空间位置精度高用网络连接法能完整描述拓扑关系输出简单容易,绘图细腻、精确、美观可对图形及其属性进行检索、更新和综合数据结构复杂获取数据慢数学模拟困难多种地图叠合分析困难不能直接处理数字图像信息空间分析不容易实现边界复杂、模糊事物难以描述数据输出的费用较高栅格数据数据存储量大空间位置精度低难于建立网络连接关系输出速度快,但绘图粗糙、不美观便于面状数据处理数据结构简单快速获取大量数据数学模拟方便多种地图叠合分析方便能直接处理数字图像信息空间分析易于进行容易描述边界复杂、模糊的事物技术开发费用低4.2GIS数据源图形数据:普通地图专题地图(工程图、规划图、地质图)图像数据:照片航空与遥感影像等文字数据:调查报告文件统计数据实验数据第一手数据第二手数据非电子数据电子数据全站仪、GPS数据地球物理、地球化学遥感数据地图专题地图统计图表平板测量数据工程测量数据笔记航空、遥感相片人口普查社会经济调查各种统计资料已建各种数据库GIS数据GIS的数据来源—特点统计数据地图存储介质、现势性、投影转换遥感、航空影象和数据分辨率、变形规律、纠正、解译特征地面测量数字数据格式、精度多媒体,辅助GIS空间分析和查询GIS空间数据地图地面测量数据统计资料航空、遥感数字数据多媒体坐标几何数字化仪扫描仪摄影测量键盘空间数据库编辑处理数据交换一、地图数据
扫描数字化采集扫描仪简介(Scanner)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。扫描仪可分为滚筒式、平板式、CCD直接摄像式三种,其中大幅面的地图以滚筒(卷纸)式用得最多。目前市场上常见的A0幅面的滚筒式单色分灰度扫描仪的分辨率为400~800dpi,操作的精度要高。普通的扫描仪大都按灰度分类扫描,高级的可按颜色分类扫描。二、遥感数据(RemoteSensing)1.卫星遥感ScannersmountedinaircraftorsatelliteswhichrecordwavelengthsfromvariouspartsoftheEMspectrumMostsatellitessenseemissionsfromdifferentpartsoftheEMspectrumusingspectralbandsDifferentproperties/featuresontheearth’ssurfaceresultindifferentemissionsorreflectancesSensingplatform(satelliteoraircraft)DirectionofmotionElectronicdetector(eg.IRcamera)由传感器远距离获取的数据,诸如数字正射影像(DOQs)和卫星影像。虽然都是栅格数据,但常用作矢量数据输入的数据源。DOQs是经过矫正或校正的数字航空照片,除去因照相机倾斜和地形起伏而造成的影像位移。黑白的DOQs有1m的分辩率。航天遥感中应用最广、最深入的就是陆地卫星,其应用几乎涉及地学和国民经济的各个领域。主要的陆地卫星包括:美国的陆地卫星系列(Landsat)
法国的SPOT卫星中国的资源一号卫星其他陆地卫星Landsat系列卫星1972年7月23日美国发射第一颗地球资源卫星ERTS-1;1975年发射ERTS-2,改名Landsat-2;1978年发射Landsat-3;1982年在Landsat1-3的基础上改进设计并发射Landsat-4;1984年发射Landsat-5;1993年发射Landsat-6卫星,上天后由于故障陨落;1999年发射Landsat-7。Landsat系列卫星的运行特点是近圆形、近极地、与太阳同步、可重复轨道等。目前,只有Landsat-5和Landsat-7仍在运转工作。SPOT系列卫星:由瑞典、比利时等国参加,由法国国家空间研究中心设计制造。1986年发射第一颗SPOT-1;1989年发射SPOT-2;1993年发射SPOT-3;1996年发射SPOT-4;SPOT系列卫星的轨道是太阳同步圆形近极地轨道,轨道高度832km、运行周期101.4min、轨道倾角98.7、重复周期26天(369圈)。CBERS
1999年10月14日,我国第一颗地球资源遥感卫星——资源一号卫星(又称中巴地球资源卫星,China-BrazilEarthResourceSatellite,CBERS)在太原卫星发射中心成功发射。资源一号卫星的轨道是太阳同步极地轨道,高度778km,倾角98.5;运行周期100.26min;重复时间26天(373圈)。所携带的传感器最高空间分辨率是19.5m。海洋卫星1978年6月26日美国发射了世界上第一颗海洋卫星Seasat1。虽然这颗卫星因为电源故障只工作了105天,但却开创了海洋遥感和微波遥感的新阶段。由于海洋具有面积大、反射强、海水透明差异明显、海面特殊等特点,使得海洋遥感需要高空和空间平台、以微波为主,同时结合激光、声波等。主要的海洋卫星包括:美国的Seasat1、“雨云”7号(Nimbus-7)
日本的海洋观测卫星MOS1
欧洲空间局的ERS系列加拿大
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