第二章地理空間信息基礎(chǔ)

地理空間信息基礎(chǔ)第二章

第二章地理空間信息基礎(chǔ)地理空間信息是：GIS研究的對(duì)象GIS表達(dá)的對(duì)象地理空間信息的描述方法矢量數(shù)據(jù)的屬性描述2.1地理空間信息的描述方法地球空間模型描述地球表面大地水準(zhǔn)面鉛垂線地球橢球體

為了深入研究地理空間，需要建立地球表面的幾何模型，地球表面模型可以分為四類(lèi)：最自然的面：包括海洋底部、高山、高原等在內(nèi)的固體地球表面?！珡?fù)雜，難以建模，各種量算也非常困難。相對(duì)抽象的面：也稱(chēng)為大地水準(zhǔn)面，是靜止海平面的延伸。以它為基準(zhǔn)，可以用水準(zhǔn)儀測(cè)量地球自然表面上任意點(diǎn)的高程?！Ｆ矫娴钠鸱鼘?dǎo)致測(cè)量的不確定。大地水準(zhǔn)面所包圍的球體，叫大地球體。地球橢球體模型：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立的。地球的形狀接近于橢圓繞其短軸形成的橢球體，通過(guò)扁率表示橢球體的扁平程度。大地水準(zhǔn)面與具有微小扁率的旋轉(zhuǎn)橢球面非常接近，可用旋轉(zhuǎn)橢球體代替大地球體。三個(gè)重要的地球橢球體從1953年起采用克拉索夫斯基(Krassovsky)橢球體，建立了北京54坐標(biāo)系1978年采用國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)推薦的1975地球橢球體，建立了西安80坐標(biāo)系WGS1984基準(zhǔn)面采用WGS84橢球體，它是一種地心坐標(biāo)系，即以地心作為橢球體中心，目前GPS測(cè)量數(shù)據(jù)多以WGS1984為基準(zhǔn)。橢球體名稱(chēng)年代長(zhǎng)半軸米短半軸米扁率克拉索夫斯基1940637824563568631:298.3IAG751975637814063567551:298.26WGS841984637813763567521:298.26

其他數(shù)學(xué)模型：為了解決特定的大地測(cè)量問(wèn)題而提出的。如類(lèi)地形面、準(zhǔn)大地水準(zhǔn)面、靜態(tài)水平衡橢球體等?，F(xiàn)實(shí)世界和坐標(biāo)空間的聯(lián)系

任何空間特征都表示為地球表面的一個(gè)特定位置，而位置依賴(lài)于既定的坐標(biāo)系來(lái)表示。地理坐標(biāo)系緯度（Latitude）通過(guò)橢球面P點(diǎn)作橢球面的垂線，即過(guò)P點(diǎn)的法線。法線與赤道面的交角，叫做P點(diǎn)的緯度，以φ表示。赤道上緯度為0度，緯線離赤道愈遠(yuǎn)，緯度愈大，至極點(diǎn)緯度為90度。經(jīng)度（Longitude）過(guò)P點(diǎn)的子午面與通過(guò)英國(guó)格林尼治天文臺(tái)的子午面所夾的二面角，為P點(diǎn)的經(jīng)度，用λ表示。首子午線經(jīng)度為0度，向東0-180度為東經(jīng)，向西0-180度為西經(jīng)。地面上點(diǎn)位的確定經(jīng)線和緯線是地球表面上兩組相交為90度的曲線，地面上任一點(diǎn)的位置可用經(jīng)度和緯度來(lái)決定，即地理坐標(biāo)系。地圖投影地球橢球面是不可展曲面，而地圖是一個(gè)平面，將地球橢球面上的點(diǎn)映射到平面上來(lái)的方法，稱(chēng)為地圖投影。對(duì)于較小區(qū)域范圍，可以視地表為平面，這樣就可以認(rèn)為投影沒(méi)有變形。投影坐標(biāo)系投影坐標(biāo)系：運(yùn)用地圖投影的方法，建立地球表面和平面（直角坐標(biāo)系）上點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系，使地球表面上任一點(diǎn)由地理坐標(biāo)（φ、λ）確定的點(diǎn)，在平面上得到一個(gè)與它相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，通常記為P(x，y)。高程系1956年黃海高程系：以青島驗(yàn)潮站1950—1956年驗(yàn)潮資料算得的平均海面為零的高程系統(tǒng)。原點(diǎn)設(shè)在青島市觀象山，高程為72.289米。1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)：以青島驗(yàn)潮站1952年～1979年的潮汐觀測(cè)資料為計(jì)算依據(jù)，建立了位于青島的新水準(zhǔn)原點(diǎn)。兩個(gè)高程系的關(guān)系為：

1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)高程=1956年黃海高程-0.029m。為什么地圖會(huì)變形？地圖投影的方法地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是一個(gè)常遇到而又麻煩的問(wèn)題算法可見(jiàn)《坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換公式》青島海洋地質(zhì)研究所戴勤奮譯。原文由EPSG（歐洲石油勘探組織）編寫(xiě)，初稿時(shí)間1995，最新更新時(shí)間2004年1月。世界各國(guó)參考橢球體參數(shù)及基準(zhǔn)面轉(zhuǎn)換參數(shù)，可上網(wǎng)查閱：（/military/library/policy/army/fm/6-2/appe2.htm#tabe_22）。地圖對(duì)地理空間的描述地圖是地理信息的一種圖形語(yǔ)言形式，它以一定的比例和投影，用符號(hào)表示三維地理實(shí)體。

計(jì)算機(jī)是不能直接識(shí)別和處理各種以圖形形式表達(dá)的地理空間實(shí)體要使計(jì)算機(jī)能識(shí)別和處理它們，首先要對(duì)空間實(shí)體進(jìn)行描述。如何以有效的形式表達(dá)它們，關(guān)系到計(jì)算機(jī)識(shí)別、存儲(chǔ)、處理的可能性和有效性。地理實(shí)體抽象成點(diǎn)、線和面輸入計(jì)算機(jī)空間對(duì)象：點(diǎn)有位置，無(wú)寬度和長(zhǎng)度；抽象的點(diǎn)美國(guó)加利福尼亞州地震監(jiān)測(cè)站2002年9月該洲可能的500個(gè)地震位置空間對(duì)象：線有長(zhǎng)度，但無(wú)寬度和高度用來(lái)描述線狀實(shí)體香港城市道路網(wǎng)分布空間對(duì)象：面具有長(zhǎng)和寬的目標(biāo)通常用來(lái)表示自然或人工的封閉多邊形一般分為連續(xù)面和不連續(xù)面中國(guó)土地利用分布圖（不連續(xù)面）空間事物類(lèi)型典型對(duì)象典型屬性圖形圖象表達(dá)形式1）點(diǎn)學(xué)校、環(huán)保監(jiān)測(cè)站規(guī)模、有關(guān)監(jiān)測(cè)指標(biāo)點(diǎn)狀符號(hào)2）線道路、電纜、水系交通量、電壓、水質(zhì)線型3）面（多邊形）地塊、行政區(qū)土地使用、人口填充符號(hào)、邊界線地圖對(duì)地理空間的描述影像對(duì)地理空間的描述影像是記錄了地理實(shí)體分布的寫(xiě)照模型。受攝影比例尺或空間分辨率的影響哈爾濱地圖局部哈爾濱影像局部肇東影像地理信息的數(shù)字化描述矢量數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型柵格圖矢量圖矢量數(shù)據(jù)以x,y,H坐標(biāo)表示點(diǎn)狀地物以有序的x,y,H坐標(biāo)串表示線狀和面狀地物點(diǎn)：（x，y）

線：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)

面(x1,y1),(x2,y2),…xn,yn),(x1,y1)

大慶市區(qū)2001年TM影像30米分辨率列行目視解譯水庫(kù)水面居民點(diǎn)旱地點(diǎn)線面對(duì)于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點(diǎn)：為一個(gè)像元線：在一定方向上連接成串的相鄰像元集合。面：聚集在一起的相鄰像元集合。柵格數(shù)據(jù)模型用單元填滿(mǎn)空間，每一個(gè)單元是一個(gè)小的正方形，稱(chēng)為grid。用同一種方法，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面三種對(duì)象的表達(dá)。早期的GIS大多數(shù)采用柵格數(shù)據(jù)模型行西南角格網(wǎng)坐標(biāo)（XWS，YWS）格網(wǎng)分辨率格網(wǎng)方向列柵格數(shù)據(jù)數(shù)字高程模型DEM2.2矢量數(shù)據(jù)的屬性描述國(guó)道(G222)哈爾濱─伊春公路(簡(jiǎn)稱(chēng)哈伊公路)，該線均在黑龍江省境內(nèi)，南起哈爾濱市，北至伊春市。路線全長(zhǎng)338.607公里，其中∶重復(fù)黑大公路0.085公里，凈里程338.522公里。公路技術(shù)等級(jí)為∶一般一級(jí)路2.500公里，一般二級(jí)路186.310公里，一般三級(jí)路149.712公里。從圖查屬性

點(diǎn)擊左圖的222國(guó)道，屏上即顯示右側(cè)文字油田的油井屬性2.3矢量數(shù)據(jù)類(lèi)型和空間關(guān)系矢量數(shù)據(jù)的表示類(lèi)型矢量數(shù)據(jù)的空間關(guān)系鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣矢量數(shù)據(jù)的表示類(lèi)型點(diǎn)數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)面數(shù)據(jù)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)鏈：弧邊線線段面：多邊形區(qū)域點(diǎn)狀符號(hào)線狀符號(hào)面狀符號(hào)地點(diǎn)名稱(chēng)線狀要素名稱(chēng)區(qū)域名稱(chēng)高程點(diǎn)等值線概略等值區(qū)氣象站航線樣方分布區(qū)點(diǎn)狀要素線狀要素面狀要素區(qū)域中心境界線行政單元道路交點(diǎn)街道街區(qū)606159ABCD208區(qū)209區(qū)2082098940573雷德蘭科頓方塔內(nèi)237商業(yè)......................................................型數(shù)據(jù)面域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)樣本數(shù)據(jù)曲面數(shù)據(jù)文本數(shù)據(jù)符號(hào)數(shù)據(jù)拓?fù)湫再|(zhì)：指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)。將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)或折疊。拓?fù)渥儞Q（橡皮變換）

非拓?fù)鋵傩裕◣缀危┩負(fù)鋵傩裕](méi)發(fā)生變化的屬性）兩點(diǎn)間距離一點(diǎn)指向另一點(diǎn)的方向弧段長(zhǎng)度、區(qū)域周長(zhǎng)、面積等一個(gè)點(diǎn)在一條弧段的端點(diǎn)一條弧是一簡(jiǎn)單弧段（自身不相交）一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的內(nèi)部/外部一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)環(huán)的內(nèi)/外部一個(gè)面是一個(gè)簡(jiǎn)單面一個(gè)面的連通性

面內(nèi)任兩點(diǎn)從一點(diǎn)可在面的內(nèi)部走向另一點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)的空間關(guān)系弧段的連接性多邊形區(qū)域的定義多邊形的鄰接性點(diǎn)線面之間的拓?fù)潢P(guān)系鄰接相交重合相離包含點(diǎn)—點(diǎn)點(diǎn)—線點(diǎn)—面線—面面—面線—線鄰接矩陣鄰接矩陣是用頂點(diǎn)為行，同一頂點(diǎn)集合為列的矩陣。表示為A(G)=[aij].其中，aij是頂點(diǎn)和頂點(diǎn)連接成邊的數(shù)目。

關(guān)聯(lián)矩陣關(guān)聯(lián)矩陣是用頂點(diǎn)為行（列），邊為列（行）的矩陣。表示為M(G)=[mij],其中，mij是頂點(diǎn)和邊的關(guān)聯(lián)次數(shù)（0，1，2）。M(G)=e1e2e3e4e5V1V2V3V4拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性拓?fù)?移動(dòng)結(jié)點(diǎn)無(wú)拓?fù)?移動(dòng)結(jié)點(diǎn)2.4元數(shù)據(jù)Metadata元數(shù)據(jù)的概念關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)、描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)元數(shù)據(jù)的獲取與管理元數(shù)據(jù)的概念屬性屬性精度值域?qū)傩苑直媛士臻g精度空間范圍空間標(biāo)識(shí)空間特征屬性特征時(shí)間特征質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)形式元數(shù)據(jù)空間元數(shù)據(jù)時(shí)間周期數(shù)據(jù)收集期元數(shù)據(jù)聯(lián)系元數(shù)據(jù)檢查元數(shù)據(jù)時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)源使用限制使用面境數(shù)據(jù)持有者數(shù)據(jù)存放地址存放方法數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)狀態(tài)主題詞數(shù)據(jù)集摘要邏輯一致性完整性繼承性柵格說(shuō)明數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換格式空間參考矢量說(shuō)明坐標(biāo)系元數(shù)據(jù)詳細(xì)集元數(shù)據(jù)基本集元數(shù)據(jù)基礎(chǔ)集描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。說(shuō)明數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、現(xiàn)狀、生產(chǎn)者、格式等信息。

地形圖的索引數(shù)據(jù)地形圖的元數(shù)據(jù)表地形圖元數(shù)據(jù)表的建立包括以下的幾個(gè)信息：數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)信息質(zhì)量信息參照系信息分發(fā)信息元數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)信息名稱(chēng)：B-49摘要：圖名：南通礁,54-80參考圖號(hào)：B49,出版年代：1980,密級(jí)：非公開(kāi),比例尺：100萬(wàn),關(guān)鍵字：B-49狀況：完成日期：版本：1.0負(fù)責(zé)單位（人）信息負(fù)責(zé)人名：負(fù)責(zé)單位名：國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心職務(wù)：傳真責(zé)：生產(chǎn)者數(shù)據(jù)資源格式格式名稱(chēng)：格式版本：空間表示類(lèi)型：矢量比例尺：語(yǔ)種：zh字符集：GB2312專(zhuān)題類(lèi)型：測(cè)繪地理基礎(chǔ)聯(lián)系信息地址詳細(xì)地址：海淀區(qū)紫竹院百勝村1號(hào)城市：北京行政區(qū)：北京郵政編碼：100044國(guó)家：中國(guó)電子郵件地址：xinxi@電話(huà)蓋范圍東邊經(jīng)度：114.0000南邊緯度：4.0000西邊經(jīng)度：108.0000北邊緯度：8.0000限制信息用途限制：安全限制分級(jí)：未分級(jí)使用限制：知識(shí)產(chǎn)權(quán)質(zhì)量和參照系信息質(zhì)量信息數(shù)據(jù)質(zhì)量說(shuō)明：質(zhì)量合格參照系信息參照系名稱(chēng)：地理坐標(biāo)（經(jīng)緯度）分發(fā)信息在線信息鏈接地址：分發(fā)單位信息負(fù)責(zé)單位名：國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心聯(lián)系信息詳細(xì)地址：海淀區(qū)紫竹院百勝村1號(hào)城市：北京行政區(qū)：北京郵政編碼：100044國(guó)家：中國(guó)電子郵件地址：xinxi@電話(huà)真數(shù)據(jù)信息元數(shù)據(jù)文件標(biāo)識(shí)符：25052元數(shù)據(jù)使用的語(yǔ)言：zh元數(shù)據(jù)使用的字符集：GB2312元數(shù)據(jù)創(chuàng)建日期：元數(shù)據(jù)標(biāo)