GIS课件—02空间数据基础.ppt

1、1,第2章 地理空间与空间数据基础,地理空间 空间数据模型 空间数据组织与编码 空间质量 空间数据的元数据 思考题 实验,2,2.1.1 地理空间,从不同的角度看“空间（Space）” 物理学：三维的外延 天文学：时空连续体系的一部分 地理学：物质、能量、信息的存在形式在形态、结构、功能上的分布方式和格局及其在时间上的延续。 地理空间的范围：上至大气电离层，下至地幔莫霍面（即常说的地理圈层）？ 绝对地理空间：常用经纬度、平面直角坐标表示 相对地理空间：依赖于与其他实体之间的空间关系,2.1 空间数据基础,3,2.1.2 地理空间的数学建构,地球的自然表面：复杂、难于表达 物理表面：大地水准面（

2、重力等位面，由于地球内部质量不均而起伏不平） 数学表面： 椭球体模型 数学模型,4,地球模型,地球表面,5,三轴椭球体,6,旋转椭球体,7,椭球体的三要素： 长半径（赤道半径）a 短半径（极半径）c 扁率f=(a-c)/a 旋转椭球体有多种：不同测定者、不同计算年代、不同测定方法、不同测定地区，对椭球体的描述方法不同 我国不同时期采用的椭球体： 1953年以前：海福特椭球体 1953年1978年：克拉索夫斯基（Krasovsky） 1978年以后：1975国际椭球体,旋转椭球体,8,地理坐标（球面坐标） 纬度、经度 国家大地坐标系（1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、2000国家大地坐

3、标系） 平面直角坐标 地图投影（球面到平面的转换；变形的必然存在；长度、角度、距离三种变形） 高斯-克吕格投影（3度分带与6度分带） 国家统一坐标（各带中央经线西移500km为纵轴，赤道为横轴） 高程系 相对高程 绝对高程 高程系（1956年黄海高程系、1985国家高程基准）,2.1.3地理空间坐标系的建立,9,地理坐标示意图,10,平面直角坐标,11,高斯克吕格投影,高斯克吕格投影6度和3度分带,12,国家统一坐标,13,地理参考系统,.,M,X,Y,Z,Z,X,Y,.,M,Z,X,d,q,笛卡尔坐标,极坐标,a,经度,纬度,Y,14,坐标系统高程系统,任意水准面,大地水准面,HA,HA,铅

4、垂线,A,HB,HB,hAB,15,青岛验潮站示意图,16,距离度量的两种方式 沿真实的地球表面进行距离量度 沿旋转椭球体表面进行距离量度（大圆弧长） 欧氏距离 笛卡尔坐标系中的两点距离公式 曼哈顿距离（出租车距离） 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 采用时间（从一点到达另一点所需要的时间）度量 词典距离 在词典或其它文本中的距离,2.1.4 地理空间的距离度量,17,地球旋转椭球体上不同的距离度量方法,18,2.1.5地理空间的拓扑关系,拓扑（Topology）： 原意为“形状的研究”。 几何学的一个分支学科 它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性，即拓扑属性 拓扑变

5、换：对欧氏平面上的空间进行拉伸、压缩等（不能扭曲或折叠）例如：橡皮 拓扑属性：拓扑变换后不变的属性 一个点在一个弧段的端点、区域边界上、区域内部、区域外部、环的内部等 一个弧段是一个简单的弧段、一个面是一个简单的面、一个面的连接性 非拓扑属性：拓扑变换后改变的属性 两点之间的距离、一个点至另一个点的方向 弧段的长度、区域的周长、区域的面积,19,欧式平面上的拓扑与非拓扑属性,20,三个非常重要的拓扑概念,连接性,21,多边形区域定义,22,邻接性,23,拓扑关系的意义,拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析，具有重要的意义 通过它，不需要利用坐标与距离，即可确定地理实体之间的空间位置关系。 有利

6、于空间位置的查询。 可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 便于检查数据的错误 便于空间数据的编辑 便于属性数据的输入 便于空间分析功能的实现。,24,矢量（Vector）：通过记录空间坐标对的方式，以点、线、面等形式来描述空间目标对象 栅格（Raster）：用规则排列的像元阵列来描述空间目标对象 TIN：三角形不规则网（Triangulated Irregular Network）。采用不规则的三角形来描述空间对象 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。,三种常用的空间数据模型,2.2 空间数据模型,25,2.2.1 矢量数据模型,矢量 0维：点，无大小、文向；用一个坐标对

7、表示，在二维空间用（x,y）表示，三维空间中用（x,y,z）表示； 一维：线、弧段、链等，有方向（有起点，有终点）、有长度；用多个坐村对表示（x1,y1,z1）、 （x2,y2,z2）、 （x3,y3,z3）、 （x4,y4,z4） 二维：面，以多边形表示 三维：空间实体,26,矢量数据模型的表达 零维矢量 一维矢量 二维矢量 三维矢量,27,矢量数据模型的特征 定位明显、属性隐含 形象直观 特别适合于模拟离散（非连续变化）的空间数据 精度高 矢量数据的获取 利用各种定位仪器设备获取 以硬拷贝数据方式获取 通过间接转换的方式获取,28,定位明显属性隐含,形象直观,29,适于模拟离散数据,30,

8、数据精度与点的数量与质量有关,31,2.2.2 栅格数据模型,栅格数据模型的概念 是一种用规则排列的像元阵列来描述空间目标对象的数据模型，它主要用来描述空间实体的级别分布特征及其位置。 栅格数据模型的表达,32,栅格,33,栅格,34,栅格数据模型的特征 属性明显，定位隐含 在栅格结构中，其精度与分辨率有关 栅格数据的分辨率对数据精度的其他影响 位置的移动 形状的畸变 属性的偏差,35,位置移动,形状的畸变,属性偏差,36,分辨率总结,随着分辨率的提高，数据的信息损失越小。 随着分辨率的提高，对存贮空间的要求将成几何级数增加。 随着分辨率的提高，数据处理的时间要求也越长。 分辨率选择的原则：在

9、考虑数据精度要求的同时，还必须考虑数据存贮空间与处理时间的开销（在精度与存贮空间和处理时间之间权衡）。,37,栅格数据的获取 通过遥感影像数据获取 规则点采样、不规则点采样及插值 通过扫描仪、摄像机等设备获取 通过矢量数据的转换获取,38,栅格数据的获取遥感影像,39,栅格数据的获取规则点采样,40,栅格数据的获取不规则采样点及插值,41,栅格数据的获取利用扫描仪、摄像机获取,42,栅格数据的获取间接转换方式,43,栅格单元属性的决定方式 主要类型法 中心点法,44,重要性法 ABC 长度占优法,45,比例分成法,46,地图的矢量和栅格表示,47,矢量数据模型与栅格数据模型的比较,48,2.2

10、.3 不规则三角网模型,不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN）模型采用一系列相连接的三角形拟合地表或其他不规则表面，常用来构造数字地面模型（DTM）以及数字高程模型（DEM）。,TIN的生成方法,49,等高线与高程点生成的不规则三角模型,50,2.3.1 空间数据组织,空间数据组织 依据地理实体之间的不同特征、相似特征、不同地理实体的组合特征特征进行分类，运用标志符建立空间数据 （空间特征和属性特征）之间的联系的过程和方法。 不同特征：如公路与铁路因建造方式不同可视为不同类型 相似特征 ：如公路与铁路因都具有运输能力可将其视为一类 组合特征：如机场

11、跑道、停机坪、候机楼等组合成机场,2.3.1 空间数据组织与编码,51,空间数据的组织案例道路分类,道路类型 1：高速公路 2：主干道路 3：居民街道 物质组成 1：水泥 2：柏油 3：碎石 道路宽度 小巷数量 道路名称,52,空间数据的组织标识符,标识符（Identifier） 用于标识空间要素的唯一代码 作用 1：保证空间要素在数据库中的唯一性 2：保证空间特征属性与属性特征数据的一一对应关系 3：便于对数据的查找、关联与分析,53,标识符对空间特征与属性特征的联系,54,2.3.2 空间数据编码,概念 根据地理要素在数据分类分级中的隶属关系和属性性质，将其进行数据化的一种方法。 编码 主

12、码：实体元素的类别 子码：实体元素的标识（标识码）、实体元素的描述（描述码）,55,空间数据编码实例道路,例：1160083123,56,空间数据编码实例土地利用规划图的编码,57,土地利用数据库要素分类与编码方案,土地利用数据库部分要素代码与名称,58,空间数据编码实例100万分之一地貌编码,59,空间数据编码实例100万分之一地貌编码,60,2.4.1 空间数据质量的概念和内容,与数据质量相关的几个概念,2.4 空间数据质量,61,空间数据质量指标和内容,62,空间数据质量问题的来源,63,64,逻辑误差示意图,65,2.4.4 空间数据质量控制方法,传统手工方法 地图符号化方法,地图符号

13、化质量控制方法示意图,66,元数据跟踪方法 空间分析方法 地理相关法,地理相关质量控制方法示意图,67,2.5.1 元数据空间数据元数据,元数据和空间数据元数据 元数据概念 空间数据元数据概念 空间数据元数据的标准,空间数据元数据的几个现有标准,2.5 空间数据元数据,68,2.5.2 空间数据元数据的作用,查询空间信息 组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源 组织和维护一个机构对数据的投资 提供数据转换方面的信息 建立数据目录和数据交换中心，实现信息共享,69,2.5.3 ArcGIS的元数据,元数据样式表,70,元数据的管理与编辑 元数据的输入输出,FGDC编辑器,FGDC编辑器,71,空

14、间数据元数据的应用,72,复习思考题,1、谈谈你对“空间”的理解。 2、我国的大地坐标系是如何定义的？ 3、矢量数据与栅格数据各有何特点？试比较它们的优缺点？ 4、什么是拓扑？它有什么重要意义？ 5、试举例说明常用的数据编码方法。 6、什么是空间数据质量？空间数据质量指标主要有哪些？ 7、怎样理解“空间数据质量问题不可避免以及空间数据质量是可以控制的”这一判断？ 8、常见的空间数据质量控制方法有哪些？ 9、什么是空间数据的元数据？其主要内容是什么？空间数据的元数据有何作用？,73,实习二 空间数据的表达,目的：初步熟悉空间数据的矢量和栅格表达 矢量（点、线、面） 栅格 实习要求： 在ArcGI

15、S中，分别将point1、polyline1 、 polygon1按分辨率2、4、8、16、32、64转换成栅格文件； 分别将以上生成的栅格文件按缺损值转换成点、线、多边形的矢量文件； 将新生成的矢量文件与分别与point1、polyline1 、 polygon1进行比较，分析它们之间的差异，并总其规律，写一简要报告。,74,实习三 ArcGIS基本操作与数据表示,ArcGIS的数据文件 矢量：shapefile、coverage 栅格：grid、tif、jpg Geodatabase ArcGIS中的数据浏览 空间数据浏览 属性数据浏览,75,实习四 栅格像元的不同编码方法及误差比较,实验

16、目的： 了解主要类型法、像元中心法等栅格像元编码方法及其误差特征。 实验内容： 以ArcGIS为基础，对土地利用数据ld502323进行两种不同的栅格编码，并比较其在同种编码方法不同分辨率下、以及同种分辨率不同编码方法下各类土地的面积误差。 实验原理： 矢量数据转换成栅格数据时，栅格像元需要进行编码。常用的编码方法包括主要类型法和像元中心法。 实验方法： 采用不同的分辨率，根据不同的编码方法，将矢量数据转换成栅格数据，统计并比较各类数据中各种土地的面积，分析误差特征。,76,实习五 ArcGIS中空间数据的显示,实验目的： 了解ArcMap中空间数据的显示方法。 实验内容： 在ArcMap环境

17、下，充分运用各种工具及方法实现对空间数据的不同显示。 实验原理： 在ArcMap内容表中，通过图层、图层组、数据框等来组织地图，在显示区中提供两种地图视图方式，即数据视图和版面视图。图层中的要素可以采用不同的符号来显示；通过控制图层的比例尺范围，可以使地图在不同比例尺时都能够做到主次清晰。 实验方法： 认识ArcMap界面中各功能区的不同作用；对图层、图层组、数据框进行相关的操作以理解地图的组织形式和空间数据的显示方法；对图层进行符号化和比例尺设置，以控制空间数据的显示。,77,实习六 ArcGIS中空间数据的操作,实验目的： 了解ArcCatalog中空间数据的基本操作。 实验内容： 在ArcGIS的ArcCatalog环境下，了解ArcGIS支持的不同格式数据的特点，并掌握不同类型数据的操作，熟悉建立目录连接和网络服务器连接。 实验原理： ArcGIS支持多种不同格式的空间数据，并可以根据需要将这些数据与目录和网络服务器进行连接；ArcCatalog主要用来浏览、组织、分发、记录各种数据。 实验方法： 在ArcGIS的ArcCatalog环境下对不同格式数据进行一系列操作。,78,实验七 元数据的浏览与