地球空间与空间数据基础课件

地球空间与空间数据基础12.1地球空间、地理空间与地理空间描述1.地球空间地球空间是指靠近地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域。2.地理空间—GIS的主要研究对象地理空间是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，主要涉及到地球空间的表层部分。地理空间是物质、能量、信息的数量及行为在地理范畴中的广延性存在形式。特指形态、结构、过程、关系、功能的分布方式和分布格局同时在“暂时”时间的延续（抽象意义上的静止态），讨论所表达出的“断片图景”。地理空间的研究是地理学的基本核心之一。22.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程客观世界的现象划分为5类：可精密观测的对象（如建筑物边界）受采样限制的自然对象（如矿体）受定义限制的自然对象（如植被覆盖率大小和范围）不规则的人为对象（如行政区、TIN、Voronoi多边形）规则的人为对象（栅格、立方体元）32.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程抽象：从具体事物抽出、概括出它们共同的方面、本质属性与关系等，而将个别的、非本质的方面、属性与关系舍弃，这种思维过程，称为抽象。为什么要对地理空间抽象？42.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程抽象的结果——（空间）实体（spatialentity）对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同类对象，就是地理空间实体，简称空间实体（承载地理信息）。如何抽象？——空间认知52.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程空间认知是研究人门对周围地理事物的位置、形状、空间分布、相互关系及其动态变化认识过程的科学，它研究人们在认识空间事物的过程中，大脑是如何进行信息加工的，属于思维过程研究。67认知(cognition)

是一个人认识和感知他生活于其中的世界时所经历的各个过程的总称，包括感受、发现、识别、想像、判断、记忆、学习等。奈瑟尔把认知定义为“感觉输入被转换、简化、加工、存储、发现和利用诸过程”。所以，可以说认知就是“信息获取、存贮转换、分析和利用的过程”，简言之就是“信息的处理过程”。8地理(地球)空间认知，是研究人们怎样认识自己赖以生存的环境(即地球的四大圈层及其相互关系)，包括其中的诸事物、现象的相互位置、空间分布、依存关系，以及它们的变化和规律。我们之所以强调“空间”这一概念，是因为我们认知的对象是多维的、多时相的，它们存在于地球空间之中。9地球空间认知通常是通过描述地理环境的地图或图像来进行的，这就是所谓“地图空间认知”。地图空间认知中的两个重要概念：一是认知制图(cognitivemapping)；二是心象地图(mentalmap)。10认知制图，它可以发生在地图的空间行为过程中，也可以发生在地图使用过程中。所谓空间行为，是指人们把原先已经知道的(长期记忆)和新近获取的信息结合起来后的决策过程的结果。地图的空间行为如利用地图进行定向(导向)、环境觉察和环境记忆等行为。地理信息系统的功能表明，人的认知制图能力是能够用计算机模拟的，当然这只是一种功能模拟，模拟结果的正确程度完全取决于模拟模型和输入数据是否客观地、正确地反映现实系统。

11心象地图，是不呈现在眼前的地理空间环境的一种心理表征，是在过去对同一地理空间环境多次感知的基础上形成的。所以，它是间接的和概括的，具有不完整性、变形性、差异性(当然也有相似性)和动态交互性。心象地图可以通过实地考察、阅读文字材料、使用地图等方式来建立。12地理(地球)空间认知包括感知过程、表象过程、记忆过程和思维过程等基本过程。地理空间认知的感知过程，是研究地理实体或地图图形(刺激物)作用于人的视感觉器官产生对地理空间的感觉和知觉的过程。地理空间认知的表象过程，是研究在知觉基础上产生表象的过程，它是通过回忆、联想，使在知觉基础上产生的映像再现出来。地理空间认知的记忆过程，是人的大脑对过去经验中发生过的地理空间环境的反映，分为感觉记忆、短时记忆、长时记忆、动态记忆和联想记忆。13地理空间认知的思维过程，是地理空间认知的高级阶段，它提供关于现实世界客观事物的本质特性和空间关系的知识，在地理空间认知过程中实现着“从现象到本质”的转化，具有概括性和间接性。14地球表层地理知觉地图地理意象地理概念实践验证地理理论体系地理观测地理信息符号加工图解地理逻辑分析地理意向正确错误指导地理认知图式[鲁学军]15地理学研究对象认知科学认知心理学地理学研究方法地理认知理论地理问题解决方法的概念模型空间行为决策空间决策模型空间信息模型地理信息系统数学模型实例验证地理学理论162.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程172.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程182.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程192.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程概念数据模型地理空间中地理事物与现象的抽象概念集，是地理数据的语义解释；考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图；构造概念模型应该遵循的基本原则：语义表达能力强；作为用户与GIS软件之间交流的形式化语言，应易于用户理解（如E-R模型）；独立于具体计算机实现；尽量与系统的逻辑模型保持同一的表达形式，不需要任何转换，或者容易向逻辑数据模型转换。202.1地球空间、地理空间与地理空间描述3.地理空间抽象过程逻辑数据模型GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构，是系统抽象的中间层。逻辑数据模型的建立既要考虑用户易理解，又要考虑易于物理实现，易于转换成物理数据模型，例如UML建模通常所称的空间数据模型其实是空间数据的逻辑模型。物理数据模型

逻辑数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，即在物理磁盘上如何存放和存取，是系统抽象的最底层。212.1地球空间、地理空间与地理空间描述4.地理空间认知模型基于对象（目标）的模型基于网络的模型基于域（场）的模型22对象模型场模型网络模型对象模型/要素模型将研究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域中,对象模型强调地理空间中的单个地理现象。按照其几何（空间）特征分为点、线、面、体四种基本对象;对象也可能由其他对象构成复杂对象，并且与其他分离的对象保持特定的关系，如点、线、面、体之间的拓扑关系;每个对象对应着一组相关的属性以区分各个不同的对象;对象模型把地理现象当作空间要素（Feature）或空间实体（Entity）,一个空间要素必须同时符合三个条件：可被标识在观察中的重要程度有明确的特征且可被描述传统的地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的实例。2324对象模型对空间要素的描述地理空间

空间要素分类几何坐标非空间属性子部分

超部分空间关系非空间关系时间关系子类超类2.1地球空间、地理空间与地理空间描述4.地理空间的描述形式点状要素线状要素面状要素25网络模型网络是由欧氏空间R2中的若干点及它们之间相互连接的线（段）构成。网络是由一系列节点和环链组成的，在本质上，网络模型可看成对象模型的一个特例，它是由点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的。262.1地球空间、地理空间与地理空间描述4.地理空间的描述形式场/域（field）模型把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待，如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域的流速和方向等;根据不同的应用，场可以表现为二维或三维;一个二维场就是在二维空间R2中任意给定的一个空间位置上，都有一个表现某现象的属性值，即

A＝f(x，y)一个三维场是在三维空间R3中任意给定一个空间位置上，都对应一个属性值，即

A＝f(x，y，z)

二维空间场一般采用6种具体的场模型来描述:2728

规则分布的点不规则分布的点规则矩形区不规则多边形区不规则三角形区等值线292.1地球空间、地理空间与地理空间描述4.地理空间的描述形式场模型的典型：遥感影像302.1地球空间、地理空间与地理空间描述4.地理空间的描述形式地理信息的数字化表述3132概念模型的选择许多地理现象既可采用对象模型也可采用场模型来建模。

“松树”，0≤x≤4；4≤y≤7f(x,y)=

“冷杉”，0≤x≤3；0≤y≤4

“槐树”，3≤x≤7；0≤y≤4按对象模型的林分建模按场模型的林分建模松树冷杉槐树（0,0）（0,4）（0,7）（3,0）（7,0）x多种林分的森林y区域ID主要林分区域/边界FS1松树(0,4),(7,4),(7,7),(0,7)FS2冷杉(0,0),(3,0),(3,4),(0,4)FS3槐树(3,0),(7,0),(7,4),(3,4)2.2地理空间坐标系与地图投影1.地理坐标系地理坐标系：为球面坐标。参考平面是椭球面，坐标单位：经纬度；投影坐标系：为平面坐标。参考平面是水平面，坐标单位：米、千米等；地理坐标转换到投影坐标的过程可理解为投影。（投影：将不规则的地球曲面转换为平面）332.2地理空间坐标系与地图投影1.地理坐标系地理坐标系的定义，即参考椭球面的标准，地球是一个不规则的球形，因此若用经纬度去定义地球上的位置，一定会对地球做了相应的抽象。投影坐标系的定义，在小范围内可以认为大地是平面的，而整体上来说地球是球形的，因此大地坐标对于不同的地区肯定是不一样的。一个坐标系肯定会涉及到坐标原点、坐标轴的位置，这也是大地坐标系需要考虑的问题。从地理坐标到投影坐标是将不规则的球面展开为平面的过程，因此也是一个将曲面拉平的过程。从生活经验中可以看出这是一个无法精确处理的问题（例如，在剥桔子的时候，如果不破坏橘子皮是无法从原来的“曲面”展开为平面的），这就涉及到了投影方法的问题342.2地理空间坐标系与地图投影1.地理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坐标参考系统—平面系统352.1地理空间坐标系与地图投影1.地理坐标系——经纬度362.2地理空间坐标系与地图投影1.地理坐标系——高程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。如果将大地水准面换成一个椭球面，人们也可以计算一个几何高度h或以椭球面为参考的高度。H-h即是大地水准面和椭球面在基点的高度差。37地球表面任意水准面大地水准面铅垂线地球椭球体地球模型3839任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB坐标系统—高程系统B401932年南京大石桥———海福特椭球体1954年北京坐标系———从1953年起采用克拉索夫斯基椭球体。（参心坐标系）1980年国家大地坐标系（参心坐标系）1978年我国决定采用新椭球体GRS（1975），对应ArcGIS里面的Xian_1980椭球体；从1980年开始采用新椭球体GRS（1980）2000国家大地坐标系——这个椭球体参数与ArcGIS中的CGCS2000椭球体相同。（地心坐标系）411956年黄海高程系1985年国家高程基准水准原点1985国家高程基准。29mm黄海海面1952-1979年平均海水面为0米422.2地理空间坐标系与地图投影2.投影坐标系将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影。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。43442.2地理空间坐标系与地图投影2.投影坐标系——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)。45462.2地理空间坐标系与地图投影3.地理信息系统与地图投影的关系472.2地理空间坐标系与地图投影4.

GIS中地图投影设计与配置的原则各国家的GIS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GIS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GIS中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；各种GIS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。统一的坐标系统是GIS的基础，不同地区不同的坐标系统会造成什么问题？482.3空间数据特征和类型1.空间数据的基本特征实体所谓“实体”（entity）是指自然界、自然现象和社会经济事件中不能（或不需要）再分割的单元49空间特征属性特征时间特征点：位置（x，y）属性：符号，颜色线:位置(x1,y1)，(x2,y2)….属性:符号,颜色,形状,尺寸面:位置(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xi,yi)

，…(xn,yn)

属性:符号,颜色,形状,尺寸5051遥感传感器平台传感器空间对象(实体)的遥感影像表达（pixel）52现实世界空间数据地图遥感影像特征关系行为观察选择抽象综合测量：位置编码：属性建立关系：表达2.3空间数据特征和类型1.空间数据的基本特征——空间特征地理实体一般按地形维数进行归类划分点：零维，节点node(线的起点、终点和交点)、顶点Vertex(线的中间点）线：一维，Arc(两个节点之间的线)，有可能还有方向面：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（空间分辨率）是相关的5354起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4点:面:线:

有位置，无宽度和长度；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

点实体55香港城市道路网分布

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;

线实体56

具有长和宽的实体

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57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、矿体等三维目标体实体K9砂岩K7砂岩K4灰岩K1砂岩2煤3煤10煤K2灰岩582.3空间数据特征和类型1.空间数据的基本特征——属性特征（时间作为属性值）实体标识符空间位置空间性质属性特征功能学校名称点坐标与道路有段距离学生数…教学铁路编码一组坐标连接连接两个城市运量…营运中钻孔钻孔号空间坐标深度孔径…取样蓄水池名字地面坐标容积水质…水位变化5960612.3空间数据特征和类型2.空间数据的空间关系描述空间对象之间的空间相互作用关系方法绝对关系:坐标、角度、方位、距离等；相对关系：相邻、包含、关联等相对关系类型拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。2.3空间数据特征和类型2.空间数据的空间关系地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须进行显式的定义和表达。空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述62

拓扑元素：

点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段面：若干弧段组成的多边形

基本拓扑关系邻接：相同拓扑元素之间的关系关联：不同拓扑元素之间的关系包含：面与其他元素之间的关系

连通关系：空间图形中弧段之间的拓扑关系。层次：相同拓扑元素之间的层次关系点、线、面之间的拓扑关系

空间对象的拓扑空间关系6364邻接关系：面：P1/P2，P4；P2/P1，P4；P3/P4；P4/P1，P2，P4点：N1/N2，N3……线：A1/A2，A6，A7；A2/A1，A3，A5，A7……N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A765关联关系：点/线：N1/A1,A2,A3；N2/A1,A6,A7……线/面：A1/P1;A2/P1,P2;A3/P2,P4;A4/P3,P4…线/点：A1/N1,N2；A2/N1,N3;A4/N4,N4……面/线：P1/A1,A2,A7;…P4/A2,A3,A5;-A4……N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A766包含关系：P4包含P3；或P3包含于P4N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A767连通关系：A1与A2连通；A3与A5连通……N1N2N3N5A3P3P2P4A1N4P1A2A4A5A6A768节点－链（弧段）－多边形拓扑描述有时会产生歧意：

解决方法：链具有方向性，沿着链运动时，多边形对象总是位于链的右侧，此时链的方向为正方向。当链运动到某节点时，以节点为轴按逆时针方向旋转，选取尚未走过的链的正方向离开节点的若干链的第一个链，依以上规则跟踪完。（算法哦）69除结点、弧段和多边形来描述图形要素的拓扑关系外，不同类型的空间实体间也存在着拓扑关系。对于点、线、面三种类型的空间实体，它们两两之间存在着分离、相邻、重合、包含或覆盖、相交5种可能的关系。70邻接相交重合相离包含点－点点－线点－面线－面面－面线－线关系

地理实体的空间相互关系

拓扑关系：描述时不需考虑空间坐标和距离因素。1）拓扑邻接：空间图形中同类元素之间的拓扑关系2）拓扑关联：空间图形中不同类元素之间的拓扑关系3）拓扑包含：空间图形中同类不同等元素之间的拓扑关系V7V6V5V8V9V10V1V11V12V4V2V3V13V16V15V14L1L2L3L4L5L6L7P4P1P2P3拓扑邻接：P1和P2、L2L3L5拓扑关联：V9和L3、L5、L6拓扑包含：P1包含P471节点（node）：V1，V4，V6，V9，V13顶点（Vertex）：V2，V3，V5，V7，V8，V10,V11,v12,V14,V15,V16线段（Arc）：L1，L2，L3，L4，L5，L6，V7V7V6V5V8V9V10V1V11V12V4V2V3V13V16V15V14L1L2L3L4L5L6L7P4P1P2P3多边形（Area）：P1，P2，P3，P4空间拓扑关系表达—关系表7273ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向P1P2P3P4利用关系表来表达右图的空间拓扑关系。利用关系表来表达右图的空间拓扑关系。ebc41325ABC76Dada:结点号A:多边形号1:弧段号弧段数字化方向P1P2P3P474面域弧段P12，5，7，-6P23，4，5P31，2，3P46弧段起结点终结点1ca2bc3ba4da5db6ee7dc结点弧段a3，1，4b2，3，5c7，1，2d5，4，7e6弧段左邻面右邻面1P3P02P3P13P2P34P0P25P2P16P1P47P1P0结点与弧段的拓扑关系弧段与结点的拓扑关系面域与弧段的拓扑关系75空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义：拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何坐标关系有更大的稳定性，不随投影变换而变化。利用拓扑关系有利于空间要素的查询。可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的选择等。76面—面关系：与某个面状地物相邻的所有多边形；77

点—点关系：如与某个水井相距小于3Km的其它井；

线—线关系：如与某个河流关联的所有支流；78线—面关系：如检索某国道经过的所有县市；面—线关系：如检索某县境内所有公路；79点—线关系：如检索某公路边的加油站；点—面关系：如检索某县范围内银行分布情况；80

空间对象的顺序关系顺序空间关系是基于空间实体在地理空间的分布，采用上下、左右、前后、东南西北等方向性名词来描述；同拓扑空间关系的形式化描述类似，也可以按点－点、点－线、点－面、线－线、线－面和面－面等多种组合来考察不同类型空间实体间的顺序关系；顺序空间关系必须是在对空间实体间方位进行计算后才能得出；实体间的顺序空间关系随着空间数据的投影、几何变换，顺序空间关系也会发生变化在目前的GIS中，并不对顺序空间关系进行描述和表达。81基准方向基准方向基准方向点－点顺序关系点－线顺序关系点－面顺序关系线－线顺序关系线－面顺序关系面－面顺序关系基准方向基准方向基准方向不同类型实体间的顺序关系82度量空间关系度量空间关系主要指空间实体间的距离关系；按照拓扑空间关系中建立点－点、点－线、点－面、线－线、线－面和面－面等不同组合来考察不同类型空间实体间的度量关系；距离的度量可以是定量的，如按欧几里德距离计算得出A实体距离B实体500m，也可以应用与距离概念相关的概念如远近等进行定性地描述；与顺序空间关系类似，距离值随投影和几何变换而变化。建立点－点的度量关系容易、点－线和点－面的度量关系较难，而线－线、线－面和面－面的度量关系更为困难，涉及大量的判断和计算；在GIS中，一般也不明确描述度量空间关系。2.3空间数据特征和类型3.地理数据的类型几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达关系数据：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。83地理实体的类型