Kang-tsung Chang地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論知識(shí)考點(diǎn)

第1章緒論

一、GIS

地理信息系統(tǒng)(GIS)是用于采集、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理

空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。地理空間數(shù)據(jù)又稱地理參照數(shù)據(jù)，是用于描述

位置和空間要素屬性的數(shù)據(jù)。

1.GIS組成

(1)硬件

硬件包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其他設(shè)備還包括顯示器、數(shù)字化儀和掃描

儀，全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器和野外工作的移動(dòng)設(shè)備，打印機(jī)和繪

圖儀。

(2)軟件

GIS軟件包括源代碼和用戶界面。

(3)專業(yè)人員

GIS專業(yè)人員確定使用GIS的目的和目標(biāo)。

(4)基礎(chǔ)設(shè)施

基本設(shè)施包括必備的技能、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換中心和通用組織模

式。

2.GIS簡(jiǎn)史

(1)20世紀(jì)60年代末以來

計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)和處理地理參照數(shù)據(jù)。

(2)60年代末到70年代

①愛丁堡大學(xué)的計(jì)算機(jī)制圖，哈佛計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)制圖單

位。

②加拿大土地勘查和其后的加拿大地理信息系統(tǒng)的發(fā)展。

③lanMcHarg的《自然設(shè)計(jì)》的出版及其所包含的用于適宜性分析

的地圖疊置方法。

④美國(guó)人口普查局的DIME(二值獨(dú)立地圖編碼)系統(tǒng)中引入帶有

拓?fù)潢P(guān)系的城市街道網(wǎng)絡(luò)。

(3)20世紀(jì)90年代

圖形用戶界面(GUI)、功能強(qiáng)大和能支付得起的軟硬件以及公共

數(shù)字化數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，拓寬了GIS的應(yīng)用范圍，并使GIS進(jìn)入主流應(yīng)用。

3.GIS軟件產(chǎn)品

(1)ESRI公司

主要軟件產(chǎn)品是ArcGIS,它包括ArcView、ArcEditor和Arcinfo三種

可擴(kuò)充系統(tǒng)。

(2)Intergraph公司

兩個(gè)主要產(chǎn)品：GeoMedia和MGE。

二、GIS應(yīng)用

LGIS在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用于自然資源管理的實(shí)例

(1)突發(fā)事件信息系統(tǒng)將野火事件編成目錄，并提供火情信息。

(2)土地管理局維護(hù)的公共網(wǎng)站公布地塊、礦藏和采礦權(quán)等數(shù)據(jù)。

(3)國(guó)家氣象局提供天氣數(shù)據(jù)。

2.互聯(lián)網(wǎng)上GIS新近應(yīng)用的例子

(1)美國(guó)住房和城市發(fā)展部有一項(xiàng)在線服務(wù)”繪制你的社區(qū)”，它令

用戶將住宅開發(fā)信息與環(huán)境數(shù)據(jù)、洪水災(zāi)害、人口地理和其他數(shù)據(jù)結(jié)合

在一起制圖。

(2)美國(guó)國(guó)家司法研究所用GIS繪制犯罪記錄地圖并分析其時(shí)空模

式。

(3)美國(guó)衛(wèi)生與公眾服務(wù)部的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)提供了獲取衛(wèi)生資源的信

息，包括社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心。

(4)由美國(guó)聯(lián)邦高速公路管理局提供的人口普查交通規(guī)劃軟件包，

包括在國(guó)家的高速公路規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)和交通規(guī)劃中的其他GIS數(shù)據(jù)資源。

(5)國(guó)家地理空間技術(shù)推廣網(wǎng)絡(luò)，通過連接GIS與具體地點(diǎn)的農(nóng)業(yè)

活動(dòng)來促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。

3.新近的商業(yè)應(yīng)用類型

(1)交互式制圖網(wǎng)站提供定位尋找不動(dòng)產(chǎn)清單、信用社服務(wù)中心、

餐館、咖啡館和酒店。

(2)基于位置的服務(wù)可確定移動(dòng)電話用戶的位置信息，如附近的自

動(dòng)取款機(jī)和餐館，并可追蹤朋友、約會(huì)對(duì)象、小孩和老人。

(3)移動(dòng)GIS允許外業(yè)工人在野外收集和利用地理空間數(shù)據(jù)。

(4)移動(dòng)資源管理工具跟蹤和管理野外工人的位置和實(shí)時(shí)移動(dòng)資

產(chǎn)。

（5）汽車導(dǎo)航系統(tǒng)給司機(jī)提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、最優(yōu)路線，并即時(shí)更新路

況信息。

三、地理參照數(shù)據(jù)

1.坐標(biāo)系統(tǒng)

地球表面的空間要素是以地理坐標(biāo)系統(tǒng)為參照，用經(jīng)緯度值來表示

的。這些要素在地圖上顯示時(shí)通常是基于投影坐標(biāo)系統(tǒng)，用x、y坐標(biāo)表

示。這兩個(gè)空間參照系統(tǒng)通過投影過程聯(lián)系在一起。

2.矢量數(shù)據(jù)模型

（1）矢量數(shù)據(jù)模型的定義

矢量數(shù)據(jù)模型使用點(diǎn)及其x、y坐標(biāo)來表示具有清晰空間位置和邊

界的具體要素。矢量數(shù)據(jù)模型可以分為如下兩類：

①地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型

地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型將空間要素的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)，兩

者通過要素ID連接起來。

②基于對(duì)象的數(shù)據(jù)模型

基于對(duì)象的數(shù)據(jù)模型將幾何形狀和屬性存儲(chǔ)在唯一系統(tǒng)中，并將空

間要素看作具有相關(guān)屬性和方法的對(duì)象。

（2）拓?fù)涞臄?shù)據(jù)意義

①拓?fù)涿魑乇磉_(dá)了要素之間的空間關(guān)系。

②拓?fù)浔ＷC了矢量數(shù)據(jù)的完整性。

（3）非拓?fù)涞臄?shù)據(jù)意義

非拓?fù)涞臄?shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)交互式操作，并能在電腦上較快顯示。

(4)分區(qū)

分區(qū)允許空間不相鄰多邊形和重疊多邊形的存在。

(5)動(dòng)態(tài)分段

動(dòng)態(tài)分段將一維的線段測(cè)量和兩維的投影坐標(biāo)結(jié)合起來。

3.柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)模型使用格網(wǎng)和格網(wǎng)像元來表示如高程、降水等連續(xù)要

素。每個(gè)像元有一個(gè)值，代表該像元位置上的連續(xù)表面的數(shù)值。

四、GIS操作

GIS操作的分類如下：

1.空間數(shù)據(jù)輸入

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取，新數(shù)據(jù)可以通過紙質(zhì)地圖、衛(wèi)星

影像、GPS數(shù)據(jù)、野外調(diào)查、街道地址以及帶有x、y坐標(biāo)的文本文件數(shù)

字化獲得。新建的數(shù)字化地圖大都需要編輯和幾何轉(zhuǎn)換。

2.屬性數(shù)據(jù)管理

屬性數(shù)據(jù)用來描述空間要素的特征，這些數(shù)據(jù)通過數(shù)字化和編輯來

輸入和校驗(yàn)。

3.數(shù)據(jù)顯示

用于展示的地圖通常具有一系列要素：標(biāo)題、副標(biāo)題、地圖主體、

圖例、指北針、比例尺、注釋、圖廓線和邊框。這些要素作為一個(gè)整體

將空間信息傳遞給地圖用戶。

4.數(shù)據(jù)探查

數(shù)據(jù)探查通常是數(shù)據(jù)分析的前期工作，包括弄清數(shù)據(jù)中的大概趨

勢(shì)，更好地觀察并理解數(shù)據(jù)子集，以及關(guān)注數(shù)據(jù)集間的可能關(guān)系。

5.數(shù)據(jù)分析

(1)矢量數(shù)據(jù)分析的工具；

(2)柵格數(shù)據(jù)分析的工具；

(3)地形制圖與分析；

(4)視域和流域；

(5)地理編碼和動(dòng)態(tài)分段；

(6)路徑分析和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

6.GIS模型和建模

GIS模型一般可分為以下4種類型：

(1)二值模型

二值模型通過對(duì)地圖疊置分析輸出結(jié)果的查詢，將符合指標(biāo)的區(qū)域

與不符合指標(biāo)的分離出來。

(2)指數(shù)模型

指數(shù)模型則從地圖疊置輸出結(jié)果計(jì)算出指數(shù)值，基于指數(shù)值生成等

級(jí)區(qū)域。

(3)回歸模型

回歸模型也是依賴地圖疊置來進(jìn)行自變量與因變量之間統(tǒng)計(jì)關(guān)系的

數(shù)據(jù)組合分析。

(4)過程模型

過程模型是綜合有關(guān)現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境過程的已有知識(shí)，并用一組關(guān)系

式和方程使過程定量化。

第2章坐標(biāo)系統(tǒng)

一、地理坐標(biāo)系統(tǒng)

1.地理坐標(biāo)系統(tǒng)的定義

地理坐標(biāo)系統(tǒng)是地球表面空間要素的定位參照系統(tǒng)。地理坐標(biāo)系統(tǒng)

是由經(jīng)度和緯度定義的。

(1)經(jīng)緯度的度量

經(jīng)度是從本初子午線開始向東或向西量度角度，緯度是從赤道平面

向北或向南量度角度。

圖2-1左圖上的a代表經(jīng)度讀數(shù)，右圖上的b代表緯度讀數(shù)。經(jīng)、緯度均

用角度度量

(2)子午線

子午線是指經(jīng)度相同的線。本初子午線經(jīng)過英格蘭的格林尼治，經(jīng)

度為0。以本初子午線為參照，可以從本初子午線開始向東或向西在0。?

180。測(cè)量地球表面某個(gè)地點(diǎn)的經(jīng)度值。

（3）緯線

緯線是指緯度相同的線。以赤道為0。緯度，從赤道向南或向北在0。

?90。測(cè)量緯度值。緯線用于測(cè)量南北方向的位置。

（4）地理坐標(biāo)與平面坐標(biāo)

本初子午線和赤道被看作是地理坐標(biāo)系統(tǒng)的基線。地理坐標(biāo)的符號(hào)

就像一個(gè)平面坐標(biāo)：經(jīng)度值相當(dāng)于坐標(biāo)系統(tǒng)的x值，緯度值相當(dāng)于y值。

GIS中通常輸入帶正號(hào)或負(fù)號(hào)的經(jīng)度和緯度值。經(jīng)度值以東半球?yàn)檎?/p>

西半球?yàn)樨?fù)。緯度值以赤道以北為正，赤道以南為負(fù)。

（5）經(jīng)緯度的表示

經(jīng)線和緯線的角度可以用度一分一秒（DMS）、十進(jìn)制表示的度數(shù)

（DD）,或者是弧度（rad）的形式表示。

2.地球的近似表示

（1）橢球體

地球的赤道比兩極之間寬一些，與地球形狀比較接近的是一個(gè)以橢

圓短軸旋轉(zhuǎn)而成的橢球，也稱為橢球體。

（2）橢球體的基本特征

橢球有與赤道相連的長(zhǎng)軸（a）和與極點(diǎn)相接的短軸（b）（圖2-

2）。參數(shù)扁率（f）用于測(cè)量橢球兩軸的差異，定義公式為（a-b）/a。

圖2-2扁率取決于長(zhǎng)半軸a與短半軸b之差異

3.大地基準(zhǔn)

（1）大地基準(zhǔn)的定義

大地基準(zhǔn)是地球的一個(gè)數(shù)學(xué)模型，可作為計(jì)算某個(gè)位置地理坐標(biāo)的

參照或基礎(chǔ)。大地基準(zhǔn)的定義包括大地原點(diǎn)、用于計(jì)算的橢球參數(shù)、橢

球與地球在原點(diǎn)的分離。

（2）大地基準(zhǔn)的演變

①20世紀(jì)80年代末，克拉克橢球1866作為一個(gè)大地測(cè)量橢球體，成

為美國(guó)地圖繪制的標(biāo)準(zhǔn)橢球體。

②NAD27（1927年北美基準(zhǔn)面）建立在克拉克橢球1866的基礎(chǔ)

上，其原點(diǎn)位于堪薩斯州的MeadesRanch0

③1986年美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局（NGS）引入的NAD83（1983年北

美基準(zhǔn)）是以GRS80（大地測(cè)量參照系統(tǒng)1980）橢球體為基礎(chǔ)的以地球

為中心（也稱為地心）的基準(zhǔn)面。

④WGS84（全球大地測(cè)量系統(tǒng)1984）是由美國(guó)國(guó)防部的國(guó)家圖像

與制圖局（NIMA,現(xiàn)在的國(guó)家地理空間情報(bào)局，或稱為NGA）制定的

參照系統(tǒng)或基準(zhǔn)。

二、地圖投影

1.地圖投影的定義及優(yōu)點(diǎn)

(1)地圖投影的定義

投影是從球形的地球表面到平面的轉(zhuǎn)換過程，這個(gè)轉(zhuǎn)換過程的結(jié)果

是地圖投影，即以經(jīng)緯線在平面上以系統(tǒng)排列來代表地理坐標(biāo)系統(tǒng)。

(2)地圖投影的優(yōu)點(diǎn)

①地圖投影可用二維的紙質(zhì)或數(shù)字地圖代替地球儀；

②地圖投影可用平面坐標(biāo)或投影坐標(biāo)，而不是是經(jīng)緯度值。用地理

坐標(biāo)計(jì)算會(huì)更加復(fù)雜，還會(huì)減少距離測(cè)量的精度。

2.地圖投影類型

(1)按地圖投影所保留的性質(zhì)分類及其特征

①分類

制圖者通常根據(jù)地圖投影所保留的性質(zhì)將其分成四類：正形、等面

積或等積、等距和等方向或真方位。

②特征

a.正形投影保留了局部角度及其形狀；

b.等積投影以正確的相對(duì)大小顯示面積；

c.等距投影保持沿確定路線的比例尺不變；

d.等方位投影保持確定的準(zhǔn)確方向。

（2）按投影面來分類

地圖投影可根據(jù)投影面劃分為圓柱投影、圓錐投影和方位投影。

3.地圖投影參數(shù)

（1）標(biāo)準(zhǔn)線的定義

標(biāo)準(zhǔn)線是指投影面與參考橢球的切線，是定義地圖投影的一個(gè)普通

參數(shù)，它與切割狀態(tài)直接相關(guān)。如果標(biāo)準(zhǔn)線沿緯線方向則稱為標(biāo)準(zhǔn)緯

線，如果沿經(jīng)線方向則稱為標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線。

（2）比例尺

①定義

比例尺是指圖上（或球體）距離與相應(yīng)的實(shí)地距離之間的比值，是

一種普通的測(cè)量投影變形方法。

②適用范圍

主比例尺僅適用于地圖投影的標(biāo)準(zhǔn)線，這就是標(biāo)準(zhǔn)緯線有時(shí)也稱為

真比例尺緯線的原因。局部比例尺適用于地圖投影的其他部分。局部比

例尺會(huì)依投影變形的程度而發(fā)生變化。

（3）比例系數(shù)的定義

比例系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)局部比例尺，即局部比例尺與主比例尺的比值。

三、常用地圖投影

1.橫軸墨卡托投影

橫軸墨卡托投影又稱為高斯-克里格投影，是墨卡托投影的一種變

種，是世界上最有名的投影。墨卡托投影用的是標(biāo)準(zhǔn)緯線，而橫軸墨卡

托投影用的則是標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)線。兩種投影都屬于正形投影。

2.蘭勃特正形圓錐投影

對(duì)于東西伸展大于南北伸展的中緯度地區(qū)，用蘭勃特正形圓錐投影

是一個(gè)很好的選擇。

3.阿伯斯等積圓錐投影

阿伯斯等積圓錐投影要求的參數(shù)與蘭勃特正形圓錐投影所要求的參

數(shù)相同。實(shí)際上兩個(gè)投影看起來很相似，不同之處在于一個(gè)是等積投影

而另一個(gè)是正形投影。

4.等距圓錐投影

等距圓錐投影也稱為簡(jiǎn)單圓錐投影。該投影保持了所有經(jīng)線和一條

或兩條標(biāo)準(zhǔn)線上的距離性質(zhì)。它所用的參數(shù)與蘭勃特正形圓錐投影所用

的參數(shù)相同。

四、投影坐標(biāo)系統(tǒng)

1.投影坐標(biāo)系統(tǒng)的定義

投影坐標(biāo)系統(tǒng)是基于地圖投影而建立的。投影坐標(biāo)系統(tǒng)和地圖投影

可以交替使用。美國(guó)常用以下三種坐標(biāo)系統(tǒng)：通用橫軸墨卡托格網(wǎng)系

統(tǒng)、通用極射格網(wǎng)系統(tǒng)(UPS)和國(guó)家平面坐標(biāo)系統(tǒng)(SPC)。

2.通用橫軸墨卡托格網(wǎng)系統(tǒng)

(1)UTM格網(wǎng)系統(tǒng)適用于全世界范圍。

(2)將84°N到80空的地球表面分成60個(gè)帶，每個(gè)帶覆蓋6個(gè)經(jīng)度，

并從180。0開始編為第一帶，依序編號(hào)。

(3)每個(gè)帶又分成南北兩個(gè)半球。每個(gè)UTM分帶名稱都帶有一個(gè)

號(hào)碼和一個(gè)字母。

圖2-3顯示美國(guó)大陸的UTM分帶。

3.通用極射坐標(biāo)系格網(wǎng)系統(tǒng)

UPS格網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋了極地地區(qū)。與UTM格網(wǎng)系統(tǒng)相似，極射投影以

極點(diǎn)為中心，并將極地地區(qū)分成一系列l(wèi)OOOOOm?的地區(qū)。

4.國(guó)家平面坐標(biāo)系統(tǒng)

(1)SPC系統(tǒng)的定義

SPC系統(tǒng)是在20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的，用于永久記錄美國(guó)最初土

地調(diào)查界碑位置。為了保持1：10000或更大比例尺的精度，一個(gè)州可能

有兩個(gè)或多個(gè)SPC分帶。

(2)SPC的特點(diǎn)

①每個(gè)SPC帶都有一個(gè)地圖投影。

②南北方向延伸的帶適用橫軸墨卡托投影，東西方向延伸的帶適用

蘭勃特正形圓錐投影。

③每個(gè)SPC帶中點(diǎn)的位置都用該帶西南端的偽原點(diǎn)來度量。

5.公用土地調(diào)查系統(tǒng)

PLSS是一個(gè)土地分區(qū)系統(tǒng)。采用鎮(zhèn)區(qū)和山脈相交線，該系統(tǒng)將主

要位于中、西部各州的土地分成6mix6mi的方格或鎮(zhèn)區(qū)。每個(gè)鎮(zhèn)區(qū)進(jìn)一

步被分成36個(gè)llniz（640acres）的單元，稱為地塊（實(shí)際上，很多地塊

的大小都不是精確的1mix1mi）。

五、在GIS中運(yùn)用坐標(biāo)系統(tǒng)

1.投影文件

（1）投影文件的定義

投影文件是一個(gè)存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)集所基于的坐標(biāo)系統(tǒng)的信息的文本文

件。

（2）投影文件包含的信息

投影文件包括三個(gè)部分

①第一部分定義地理坐標(biāo)系統(tǒng)

大地基準(zhǔn)面定義為NAD83,橢球體定義為GRS80,本初子午線為格

林尼治0。經(jīng)線，單位為度。

②第二部分列明了各投影參數(shù)

名稱、橫坐標(biāo)東移假定值、縱坐標(biāo)北移假定值、中央經(jīng)線、比例系

數(shù)和緯度原點(diǎn)。

③第三部分定義線單位為米

(3)投影文件的用途

①識(shí)別數(shù)據(jù)集的坐標(biāo)系；

②可用于該數(shù)據(jù)集的投影或重新投影；

③可輸出到基于相同坐標(biāo)系統(tǒng)的其他數(shù)據(jù)集。

2.預(yù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)

GIS軟件包通常把坐標(biāo)系統(tǒng)分成預(yù)定義和自定義兩組。一個(gè)預(yù)定義

坐標(biāo)系統(tǒng)，無論是地理坐標(biāo)系統(tǒng)還是投影坐標(biāo)系統(tǒng)，都意味著其參數(shù)值

已知或在GIS軟件包中已被編碼。因此用戶可以選擇預(yù)定義坐標(biāo)系統(tǒng)而

無需定義參數(shù)。相反，自定義坐標(biāo)系統(tǒng)要求用戶指定參數(shù)值。

3.即時(shí)投影

即時(shí)投影是GIS銷售商重點(diǎn)推介的一個(gè)特征。即時(shí)投影可根據(jù)不同

坐標(biāo)系統(tǒng)顯示其數(shù)據(jù)集。軟件包使用現(xiàn)有投影文件并自動(dòng)將數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換

成通用坐標(biāo)系統(tǒng)，這個(gè)通用坐標(biāo)系統(tǒng)是所顯示的第一個(gè)數(shù)據(jù)集的默認(rèn)坐

標(biāo)系統(tǒng)。

第3章矢量數(shù)據(jù)模型

一、簡(jiǎn)單要素的表示

1.空間要素的表示

矢量數(shù)據(jù)模型用點(diǎn)、線和面等幾何對(duì)象來表示簡(jiǎn)單的空間要素。

2.點(diǎn)、線、面所表示要素的區(qū)別

這三種幾何對(duì)象及其所表示的要素間的區(qū)別在于維度和性質(zhì)。

⑴點(diǎn)

點(diǎn)的維數(shù)為零，且只有位置性質(zhì)。點(diǎn)要素由一個(gè)點(diǎn)或一系列獨(dú)立點(diǎn)

組成。

(2)線

線是一維的，除了位置之外，還有長(zhǎng)度特性。線是由兩個(gè)端點(diǎn)及其

之間一系列具有標(biāo)記線形態(tài)的點(diǎn)所構(gòu)成，線的形態(tài)可以是平滑曲線或者

是折線(相連的直線線段)。折線要素由線組成。

(3)面

面是二維的，除了位置之外，還有面積和周長(zhǎng)性質(zhì)。面由連接的、

閉合的和不相交的線段組成，面要素可以是單獨(dú)邊界的或與其他面共享

邊界的。面要素由多邊形組成。

二、拓?fù)?/p>

1.拓?fù)涞亩x

拓?fù)涫茄芯繋缀螌?duì)象在彎曲或拉伸等變換下仍保持不變的性質(zhì)0

2.拓?fù)浣y(tǒng)一地理編碼格式

拓?fù)湓诘乩砜臻g技術(shù)上的早期應(yīng)用是來自美國(guó)人口普查局的拓?fù)浣y(tǒng)

一地理編碼格式(TIGER)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(1)普查區(qū)在TIGER數(shù)據(jù)庫(kù)中，點(diǎn)稱為0像元，線稱為1像元，面稱

為2像元。TIGER數(shù)據(jù)庫(kù)中每一個(gè)1像元是一條從起點(diǎn)指向終點(diǎn)的且有明

確左右側(cè)的有向線。

(2)每一個(gè)2像元和0像元都有與之相關(guān)聯(lián)的1像元知識(shí)。

(3)TIGER數(shù)據(jù)庫(kù)包括點(diǎn)、線和面之間的空間關(guān)系?；谶@種內(nèi)置

的空間關(guān)系，TIGER數(shù)據(jù)庫(kù)可以將街區(qū)與構(gòu)成其邊界的街道或道路聯(lián)系

起來，同樣，也可以確定在某一條街道左側(cè)或右側(cè)的地址。

3.拓?fù)涞闹匾?/p>

拓?fù)溆袃蓚€(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

(1)拓?fù)淠艽_保數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性。

(2)拓?fù)淇蓮?qiáng)化GIS分析。

三、地理關(guān)系數(shù)據(jù)模型

1.Coverage

Coverage支持以下三種基本拓?fù)潢P(guān)系。

(1)連接性

弧段間通過節(jié)點(diǎn)彼此連接；

(2)面定義

由一系列相連的弧段定義面；

(3)鄰接性

弧段有方向性，且有左多邊形和右多邊形。

2.Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)點(diǎn)的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

點(diǎn)的Coverage很簡(jiǎn)單，包含要素標(biāo)識(shí)碼(IDs)和成對(duì)的x和y坐標(biāo)

(圖3-1)。

圖3-1點(diǎn)的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(2)線的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖3-2顯示線的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。開始點(diǎn)稱為起“始節(jié)點(diǎn)”，結(jié)束點(diǎn)

稱為“到節(jié)點(diǎn)”?；《?節(jié)點(diǎn)表列出了弧段-節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。

(10.10)銘段節(jié)點(diǎn)清航

的節(jié)點(diǎn)利節(jié)點(diǎn)

1II12

21213

31215

41315

SIS14

6IS16

氨段坐標(biāo)清單

Q”林

1(09)⑵9)

2(29)區(qū)9)

3Q9)伍6)(4.4“42)

4(8,9)(8,7)(7,5>(6J)(4J>

S(42)(1力

6(42)(40)

圖3-2線的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（3）面的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖3-3顯示面的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。多邊形-弧段表顯示多邊形和弧

段之間的關(guān)系。在圖3-3中的弧段-坐標(biāo)清單顯示了組成弧段的節(jié)點(diǎn)和端

點(diǎn)。

髭段”2型標(biāo)

1(1J)(⑶<49

2（4陽（9陽（9對(duì)

3(9.6K9.n<i.U(l3)

4H.9)(4,7)(5,5)03)

50.6“”)15,3)

6麗）心）

73力南勒立力（75向0,7）

圖3-3多邊形的Coverage數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.非拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)

在ESRI產(chǎn)品中采用的標(biāo)準(zhǔn)非拓?fù)鋽?shù)據(jù)格式稱為Shapefile。非拓?fù)鋽?shù)

據(jù)有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）非拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)能比拓?fù)鋽?shù)據(jù)更快速地在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出

來。對(duì)于僅僅是使用而不是生產(chǎn)GIS數(shù)據(jù)的用戶而言，該優(yōu)點(diǎn)特別重

要。

（2）非拓?fù)鋽?shù)據(jù)具有非專有性和互操作性，這意味著非拓?fù)鋽?shù)據(jù)可

以在不同軟件包之間通用。

四、基于對(duì)象數(shù)據(jù)模型

基于對(duì)象數(shù)據(jù)模型將地理空間數(shù)據(jù)作為對(duì)象?；趯?duì)象的數(shù)據(jù)模型

把空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)系統(tǒng)中；基于對(duì)象的數(shù)據(jù)模型允許一

個(gè)空間要素（對(duì)象）與一系列屬性和方法相聯(lián)系。

1.類和類之間的關(guān)系

（1）類的定義

類是一系列具有相似屬性的對(duì)象。

（2）類之間的關(guān)系

為了使軟件開發(fā)商能夠系統(tǒng)地組織類和它們的屬性及方法，面向?qū)?/p>

象技術(shù)允許建立類之間的關(guān)系。

①聯(lián)合

聯(lián)合指兩個(gè)類之間有多少種對(duì)應(yīng)關(guān)系。形成對(duì)應(yīng)關(guān)系的兩個(gè)類可構(gòu)

成一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系表達(dá)式。對(duì)應(yīng)關(guān)系表達(dá)式的一端是1（默認(rèn)），另一端

是1或更多（1..*）0

②聚合

聚合定義了類之間的整體與部分的關(guān)系。聚合是聯(lián)合概念的一種情

況，只是在對(duì)應(yīng)關(guān)系表達(dá)式的一端（“整體”）數(shù)目為1,而另一端（“部

分”）是0或任意一個(gè)正整數(shù)。

③合成

合成描述部分是不能獨(dú)立于整體存在的一種聯(lián)合。

④類繼承

類繼承指的是父類和子類間的關(guān)系。子類是父類的一員，并繼承父

類的屬性和方法，但是子類可以擁有區(qū)別于父類中其他子類的屬于自己

的屬性和方法。

⑤實(shí)例化

實(shí)例化指一個(gè)類的對(duì)象可以由另一個(gè)類中的對(duì)象創(chuàng)建。

2.接口

（1）接口的定義

接口代表類或者對(duì)象的一系列外部可視化操作?；趯?duì)象技術(shù)是使

用封裝性將對(duì)象的屬性和方法隱藏起來，使得只能通過預(yù)定義接口訪問

對(duì)象的技術(shù)。

（2）如何用兩個(gè)接口來獲得一個(gè)要素圖層的區(qū)域范圍

①通過IGeodataset這一Geodataset對(duì)象所支持的接口來訪問Extent屬

性

屬性Extent返回對(duì)象Envelope,用于執(zhí)行［Envelope接口。

②用接口的屬性XMin、XMax、YMin和YMax來獲得區(qū)域范圍。

3.Geodatabase

(1)Geodatabase

Geodatabase是基于對(duì)象矢量數(shù)據(jù)模型的一個(gè)例子，是由ESRI公司

開發(fā)的作為ArcGISDesktop基礎(chǔ)的AreObjeets的一部分。

(2)AreObjeets

AreObjeets包含數(shù)千的對(duì)象和類。許多ArcGIS用戶不需要直接處理

AreObjeets,因?yàn)椴藛巍D標(biāo)和對(duì)話框已經(jīng)由ESRI公司制定，以訪問在

ArcObjects中的對(duì)象以及它們的屬性和方法。

(3)Geodatabase對(duì)矢量空間要素的表示方法

①點(diǎn)

點(diǎn)要素可以是單一的一個(gè)點(diǎn)，也可以由多個(gè)點(diǎn)組成。

②聚合線

聚合線要素由一系列線段組成，線段間可以相互連接或不連接。

③多邊形

多邊形要素由一個(gè)或多個(gè)環(huán)組成。一個(gè)環(huán)由一系列相互連接的、閉

合的和無交叉的線段組成。

(4)Geodatabase對(duì)矢量數(shù)據(jù)集的組織

Geodatabase將矢量數(shù)據(jù)集組織成要素類和要素?cái)?shù)據(jù)集。

①要素類

要素類存儲(chǔ)具有相同幾何類型的空間要素。除了要素類外，

Geodatabase也能存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)、不規(guī)則三角網(wǎng)、位置數(shù)據(jù)和屬性表。

②要素?cái)?shù)據(jù)集

要素?cái)?shù)據(jù)集存儲(chǔ)具有相同坐標(biāo)系和區(qū)域范圍的要素類。要素?cái)?shù)據(jù)集

中包含的要素類與其他要素類有拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，如不同水平的人口普查單元

共用邊界。

(5)Geodatabase的用途

Geodatabase可用于單個(gè)用戶，也可用于多個(gè)用戶。

①單個(gè)用戶

單用戶數(shù)據(jù)庫(kù)可以是個(gè)人Geodatabase或者文件Geodatabase。

a.個(gè)人Geodatabase

個(gè)人Geodatabase將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫(kù)的表格中，以

mdb為擴(kuò)展名；

b.文件Geodatabase

文件Geodatabase是把數(shù)據(jù)以許多小文件的形式存儲(chǔ)在文件夾中，以

gdb為擴(kuò)展名。它沒有整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的大小限制，并且可以跨平臺(tái)作業(yè)。

②多個(gè)用戶

多用戶或者ArcSDEgeodatabase在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)如Oracle、

MicrosoftSQLServerIBMDB2和Informix中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.拓?fù)湟?guī)則

(1)拓?fù)湟?guī)則

Geodatabase提供了即時(shí)拓?fù)?，將拓?fù)涠x為關(guān)系規(guī)則，讓用戶選擇

規(guī)則，并在要素?cái)?shù)據(jù)集中執(zhí)行。

（2）拓?fù)湟?guī)則按要素分類

表3-1顯示按要素類歸納的25種拓?fù)湟?guī)則。一些規(guī)則用于一個(gè)要素

類里的要素，而另一些用于兩個(gè)或多個(gè)要素類。用于一個(gè)幾何要素類中

的要素的規(guī)則，在功能上與Coverage模型所帶的拓?fù)湎嗨?；用于兩個(gè)或

多個(gè)要素類的規(guī)則只出現(xiàn)在Geodatabase中。

表3-1Geodatabase數(shù)據(jù)模型中的拓?fù)湟?guī)則

要素類規(guī)則

不重疊，沒有間隙，不與其他圖層重疊，必須被另一

多邊形要素類覆蓋，必須相互覆蓋，必須被覆蓋，邊界必須被覆

蓋，區(qū)域邊界必須被另一邊界覆蓋，包含點(diǎn)

不重疊，不相交，沒有懸掛弧段，沒有偽結(jié)點(diǎn)，不相

交或內(nèi)部接觸，不與其他圖層重疊，必須被另一要素類覆

我

蓋，必須被另一圖層的邊界覆蓋，終節(jié)點(diǎn)必須被覆蓋，不

能自重疊，不能自相交，必須是單一部分

必須被另一圖層的邊界覆蓋，必須位于多邊形內(nèi)部，

點(diǎn)

必須被另一圖層的終節(jié)點(diǎn)覆蓋，必須被線覆蓋

（3）拓?fù)湟?guī)則的實(shí)際應(yīng)用

①國(guó)家間不能重疊；

②國(guó)家間不能存在間隙；

③國(guó)界不能有懸掛點(diǎn)（即國(guó)界必須封閉）；

④人口普查區(qū)和縣必須彼此覆蓋;

⑤投票區(qū)必須被縣覆蓋；

⑥等高線不能相交；

⑦州際道路必須被參照線的要素類覆蓋(如道路要素類)；

③里程標(biāo)志必須被參照線覆蓋；

⑨標(biāo)識(shí)點(diǎn)必須落在多邊形內(nèi)。

5.Geodatabase數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)

(1)Geodatabase的等級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)于數(shù)據(jù)組織和管理十分有利

(2)Geodatabase是ArcObjects的一部分，它具有面向?qū)ο蠹夹g(shù)的優(yōu)

勢(shì)

(3)Geodatabase提供即時(shí)拓?fù)?，適用于要素類內(nèi)的要素或者兩個(gè)或

更多的參與要素類拓?fù)淇梢源_保數(shù)據(jù)的完整性并能提高某些類型的數(shù)據(jù)

分析工即時(shí)拓?fù)浣o用戶提供了多種選擇，并讓他們決定哪些拓?fù)湟?guī)則是

項(xiàng)目所需要的。

(4)在ArcObjeets中有許多的對(duì)象、屬性和方法可供GIS用戶定制應(yīng)

用

定制應(yīng)用可以減少大量的重復(fù)性工作，加速工作流程，可以創(chuàng)建

ArcGIS不易實(shí)現(xiàn)的功能。

(5)ArcObjects提供了一個(gè)可以按照各行各業(yè)的需求定制對(duì)象的模

型

五、復(fù)合要素的表示

復(fù)合要素是指以點(diǎn)、線和面合成應(yīng)用而更好表示的空間要素。

1.不規(guī)則二角網(wǎng)

（1）TIN的特點(diǎn)

TIN把地表近似描繪成一組互不重疊的三角面。每個(gè)三角面在TIN

中都有一個(gè)恒定的傾斜度。平坦地區(qū)可用少量樣點(diǎn)和大三角形來描繪，

而高度變化大的地區(qū)則需要更密而較小的三角面來描繪。TIN用來地形

制圖和分析，特別是用3-D表達(dá)。

（2）TIN的基本組成要素

TIN組成要素包括點(diǎn)、線和面。

①初始TIN組成要素

初始的TIN可以由高程點(diǎn)和等高線來構(gòu)造，可以與線要素如河流、

山脊線、道路，面要素如湖泊和水庫(kù)相結(jié)合，以提高地表擬合精度。

②制作好的TIN組成要素

一個(gè)制作好的TIN由三種幾何對(duì)象組成：三角形（區(qū)域）、點(diǎn)（節(jié)

點(diǎn)）和線（邊界）。

（3）TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

TIN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括三角形編號(hào)、每個(gè)毗連三角形的編號(hào)和數(shù)據(jù)文

件，數(shù)據(jù)文件列表顯示點(diǎn)、邊界以及每個(gè)高程點(diǎn)的x、y和z值（圖3-

4）o

(0.0)

三角形節(jié)點(diǎn)清單相鄰

10111.13.12102.-

10213,14.12103.一,101

10313,15,14102

圖3-4TIN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.分區(qū)

（1）分區(qū)的定義

分區(qū)是指具有相似特征的地域范圍。等級(jí)分區(qū)將地表逐級(jí)細(xì)分，隨

著分區(qū)變小其內(nèi)部相似性遞增。

（2）分區(qū)數(shù)據(jù)模型應(yīng)能處理的空間特征

①分區(qū)可以在空間上相連和分離；

②分區(qū)可重疊或涵蓋相同區(qū)域（圖3-5）。

簡(jiǎn)單的多邊形Coverage不能處理這兩個(gè)特征，因此分區(qū)在多邊形

Coverage中以亞類來組織，并且通過附加數(shù)據(jù)文件，每個(gè)分區(qū)與其上的

多邊形和弧段建立聯(lián)系。

圖3-5

分區(qū)數(shù)據(jù)模型允許分區(qū)相互重疊(a),且可有空間上分離的多邊形

(b)

圖3-6分區(qū)亞類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(3)分區(qū)亞類

分區(qū)亞類可由現(xiàn)有的多邊形和弧段生成，許多政府部門已使用分區(qū)

數(shù)據(jù)模型來創(chuàng)建和存儲(chǔ)派生數(shù)據(jù)圖層用于分發(fā)。圖3-6是一個(gè)文件結(jié)構(gòu)

的分區(qū)子類，具有四個(gè)多邊形、五個(gè)弧段和兩個(gè)分區(qū)。

3.路徑

(1)路徑的定義

路徑是諸如高速公路、自行車道或河流等線要素。它與其他線要素

不同在于它有度量系統(tǒng)，可使線性測(cè)量用于投影坐標(biāo)系統(tǒng)中。

(2)路徑的應(yīng)用

交通運(yùn)輸部門常用線性測(cè)量來定位事故、橋梁和沿路的路況；自然

資源部門也用線性測(cè)量來記錄沿河的水質(zhì)數(shù)據(jù)、漁業(yè)情況。這些線性屬

性，稱為事件。事件必須與路徑相聯(lián)系，使得它們可以與其他空間要素

一起被顯示和分析。

(3)路徑亞類

線性Coverage將路徑存儲(chǔ)為亞類。路徑亞類是區(qū)段的集合。區(qū)段直

接指線Coverage的線(或弧段)和沿線的位置。

第4章柵格數(shù)據(jù)模型

柵格數(shù)據(jù)模型用規(guī)則格網(wǎng)來覆蓋整個(gè)空間，格網(wǎng)中各個(gè)像元值與其

位置上的空間現(xiàn)象特征相對(duì)應(yīng)，像元值的變化反映現(xiàn)象的空間變異。

一、柵格數(shù)據(jù)模型要素

1.柵格數(shù)據(jù)模型

(1)柵格數(shù)據(jù)模型的組成要素

柵格在GIS中稱為格網(wǎng)或影像。柵格表示連續(xù)的表面，但當(dāng)進(jìn)行數(shù)

據(jù)存儲(chǔ)和分析時(shí)，柵格由行、歹U、像元組成。

①行、列

行、列由格網(wǎng)左上角起始。在二維坐標(biāo)系統(tǒng)中，行為y坐標(biāo)，列為X

坐標(biāo)。

②像元

像元稱為影像的像素。柵格中的每個(gè)像元由其所在行、列的位置嚴(yán)

格定義。柵格數(shù)據(jù)用單個(gè)像元代表點(diǎn)，用一系列相鄰像元代表線，用連

續(xù)像元的集合代表面。

(2)柵格數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)

①在算法上，柵格可視為具有行與列的矩陣，其像元值可以存儲(chǔ)為

二維數(shù)組；

②所有常用編程語言都能夠容易地處理數(shù)組變量，柵格數(shù)據(jù)比矢量

數(shù)據(jù)更容易進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作、集合和分析。

圖4-1

點(diǎn)、線和面要素的表示：左邊為柵格數(shù)據(jù)；右邊為矢量數(shù)據(jù)

2.像元值

(1)柵格中像元的特點(diǎn)

柵格中的每個(gè)像元攜有一個(gè)值，它代表由該行該列所決定的該位置

上空間現(xiàn)象的特征。

(2)根據(jù)像元值編碼格式的柵格數(shù)據(jù)分類

根據(jù)像元值的編碼格式，柵格數(shù)據(jù)可以是整型或浮點(diǎn)型柵格數(shù)據(jù)：

①整型柵格數(shù)據(jù)

a.整型數(shù)值不帶小數(shù)位；

b.整型像元值代表類別數(shù)據(jù)，可能有序也可能無序

例如，土地覆被模型可用1代表城市用地、2代表林地、3代表水域

等。

c.整形柵格通過數(shù)值屬性表來讀取它的像元值。

②浮點(diǎn)型柵格數(shù)據(jù)

a.浮點(diǎn)型數(shù)值帶小數(shù)位;

b.浮點(diǎn)型像元值常表示連續(xù)的數(shù)值性數(shù)據(jù)；

c.浮點(diǎn)型柵格比整型柵格需要更多的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，這是涉及大范

圍的GIS項(xiàng)目必須考慮的一個(gè)重要因素；

d.浮點(diǎn)型柵格數(shù)據(jù)由于其潛在大量的像元值，可沒有數(shù)值屬性

表；

e.像12.0?19.9這樣的值域，必須使用浮點(diǎn)型柵格數(shù)據(jù)，在浮點(diǎn)型

柵格數(shù)據(jù)中找到指定值的概率很小。

（3）像元值賦值位置

像元值賦值位置取決于柵格數(shù)據(jù)運(yùn)算方法。在涉及距離量測(cè)的運(yùn)算

中，像元值應(yīng)賦在該像元的中心。例如，重采樣像元值和計(jì)算自然距

離。

3.像元大小

（1）像元大小與圖像分辨率

像元大小決定了柵格數(shù)據(jù)的分辨率。像元越小，分辨率越高。

（2）大小像元的特點(diǎn)

像元很大則無法表示空問要素的精確位置，因此增加了在一個(gè)像元

中存在混合要素（如森林、牧場(chǎng)與水域）的機(jī)會(huì)。采用較小的像元又增

加了數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

（3）決定像元類別值的規(guī)則

一個(gè)巨大的像元覆蓋了地面上的森林、牧場(chǎng)和水域，應(yīng)將占據(jù)此像

元面積比例最大的類型作為該像元類別。但在一些情況下這種最大比例

規(guī)則卻可能不是最佳選擇。像元值的確定可基于空間要素在研究中的重

要性程度。如果牧場(chǎng)被認(rèn)為比森林和水域更加重要，那么這個(gè)具有三種

要素的混合像元將被編碼為牧場(chǎng)。

4.柵格波段

柵格數(shù)據(jù)可能具有單波段或多波段。

(1)單波段

單一波段柵格數(shù)據(jù)中每個(gè)像元只有一個(gè)像元值。高程?hào)鸥窬褪菃我?/p>

波段柵格數(shù)據(jù)的例子，它在每個(gè)像元的位置只有一個(gè)高程值。

(2)多波段

多波段柵格數(shù)據(jù)中的每個(gè)像元與一個(gè)以上像元值相關(guān)聯(lián)。衛(wèi)星影像

是多波段柵格數(shù)據(jù)的一個(gè)實(shí)例，它在每個(gè)像元位置可有5個(gè)、7個(gè)或更多

個(gè)波段。

5.空間參照

(1)空間參照信息的重要性

柵格數(shù)據(jù)必須具有空間參照信息，在GIS中它們才可以和其他數(shù)據(jù)

集進(jìn)行空間配準(zhǔn)。

例如，若要將一個(gè)高程?hào)鸥癔B加到基于矢量的土壤圖層，必須先確

保這兩個(gè)數(shù)據(jù)集都基于相同的坐標(biāo)系統(tǒng)。經(jīng)過與投影坐標(biāo)系統(tǒng)匹配處理

的柵格數(shù)據(jù)稱為地理參照柵格數(shù)據(jù)。

(2)柵格數(shù)據(jù)和投影坐標(biāo)系統(tǒng)匹配方法

①柵格數(shù)據(jù)的列對(duì)應(yīng)x軸坐標(biāo)，行對(duì)應(yīng)y軸坐標(biāo)

由于柵格數(shù)據(jù)的起始位置位于左上角，而投影坐標(biāo)系統(tǒng)的起始位置

位于左下角，行數(shù)沿y坐標(biāo)逆向增加。

②每一個(gè)柵格像元的投影坐標(biāo)可以使用柵格區(qū)域范圍內(nèi)的x、y坐標(biāo)

進(jìn)行計(jì)算

假設(shè)一個(gè)高程?hào)鸥窬哂腥缦玛P(guān)于行數(shù)、列數(shù)、像元大小和用UTM

坐標(biāo)表達(dá)的區(qū)域范圍的信息：

a.行：463,列:318,像元大?。?0m；

b.左下角x、y坐標(biāo):499995,5177175；

c.右上角x、y坐標(biāo)：509535,5191065。

可以通過使用UTM坐標(biāo)范圍和像元大小來檢查行列數(shù)是否正確：

a.行數(shù)=(5191065-5177175)/30=463；

b.歹!)數(shù)=(509535-499995)/30=318。

也可以導(dǎo)出用于定義每個(gè)像元的UTM坐標(biāo)：

例如，第一行第一列(行1,列1)像元的UTM坐標(biāo)是：

a.左下角：499995,5191035或(5191065-30)；

b.右上角：500025或(499995+30),5191065；

c.像元中心：500010或(499995+15),5190050或(5191065-

15)?；?5191065-15)。

(499<)95.5191065)(500025.5191065)

30m

圖4-2表示一個(gè)30m像元的范圍和中心點(diǎn)的UTM坐標(biāo)

二、柵格數(shù)據(jù)類型

1.衛(wèi)星影像

衛(wèi)星影像的空間分辨率與地面像元大小相關(guān)。像元值，也稱為亮度

值，表示從地球表面反射或者發(fā)射的光能。光能的量測(cè)基于來自波長(zhǎng)連

續(xù)體的光譜波段，即電磁光譜。全色影像由單波段構(gòu)成，而多光譜影像

則由多個(gè)波段構(gòu)成。

2.USGS的數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型(DEM)由等間隔海拔數(shù)據(jù)的排列組成，以點(diǎn)為基

礎(chǔ)的，也容易由像元中心的海拔點(diǎn)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)。大多數(shù)美國(guó)GIS用

戶使用美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局提供的DEM。USGS提供4種類型的DEM數(shù)據(jù)：

(1)7.5分DEM

①特點(diǎn)

7.5分DEM提供以UTM坐標(biāo)量測(cè)的格網(wǎng)上間隔為10m或30m的高程

數(shù)據(jù)，其參考系為1927年的北美大地基準(zhǔn)或者1983年的北美大地基準(zhǔn)。

每個(gè)DEM覆蓋7.5分x7.5分的地區(qū)，對(duì)應(yīng)于USGS的1:24000比例尺的標(biāo)準(zhǔn)

圖幅。

②分類

USGS將7.5分DEM根據(jù)其數(shù)據(jù)精度和生產(chǎn)方法分為三個(gè)級(jí)別：

第一級(jí)的數(shù)據(jù)精度最低，其DEM具有±15m或更好的垂直精度；

第二級(jí)DEM具有7m或更好的垂直精度，其DEM是經(jīng)過平滑和去除

可辨識(shí)系統(tǒng)誤差處理的，具有30m或10m的分辨率。大多數(shù)州現(xiàn)在僅有

第一級(jí)和第二級(jí)數(shù)據(jù)。

(2)30分DEM

30分DEM提供在地理格網(wǎng)上以2秒弧度為間隔的高程數(shù)據(jù)(在中緯

度大約為60m)。每個(gè)DEM覆蓋30分x30分地區(qū)，相應(yīng)于USGS的30分

x60分、1：100000比例尺標(biāo)準(zhǔn)圖幅的東半幅或西半幅。30分DEM的垂

直精度等于或高于25m。

(3)1度DEM

1度DEM提供地理格網(wǎng)中3秒弧度為間隔的高程數(shù)據(jù)(在中緯度約

為100m)。每個(gè)DEM覆蓋了1度xl度地區(qū)，相應(yīng)于USGS的1度x2度、

1：250000比例尺標(biāo)準(zhǔn)圖幅的東半幅或西半幅。

(4)阿拉斯加DEM

①7.5分阿拉斯加DEM

7.5分阿拉斯加DEM的間隔是緯度1秒弧度x經(jīng)度2秒弧度。

②15分阿拉斯加DEM

15分的阿拉斯加DEM是緯度2秒弧度x經(jīng)度3秒弧度。

3.非USGS的數(shù)字高程模型

生產(chǎn)DEM的一個(gè)基本方法是采用立體測(cè)圖儀和具有重疊區(qū)域的航

片。

(1)立體測(cè)圖儀

①優(yōu)缺點(diǎn)

立體測(cè)圖儀可以創(chuàng)建三維模型，使得操作者能夠編輯高程數(shù)據(jù)。這

種方法可生產(chǎn)出比USGS的DEM更細(xì)分辨率、更高精度的DEM數(shù)據(jù)，但

對(duì)于大范圍區(qū)域，費(fèi)用昂貴。

②替代方法

用其他方法可替代立體測(cè)圖儀。GIS用戶很常用的一種方法是使用

可以買到的軟件包，從高分辨率衛(wèi)星影像中提取高程數(shù)據(jù)和生成數(shù)字高

程模型。除影像數(shù)據(jù)外，數(shù)據(jù)提取過程還需要地面控制點(diǎn)，這可在野外

由GPS差分訂正而得。這樣得到的DEM的質(zhì)量取決于軟件包與輸入的質(zhì)

量。

(2)雷達(dá)數(shù)據(jù)

雷達(dá)數(shù)據(jù)也可以作為生產(chǎn)DEM的數(shù)據(jù)源。雷達(dá)是一種主動(dòng)式傳感

器：它發(fā)出微波脈沖，測(cè)量從地面目標(biāo)反射回的能量，它可以穿透云

層，實(shí)現(xiàn)在晝夜、晴朗或多云條件下的數(shù)據(jù)采集。

(3)機(jī)載激光雷達(dá)

①概念

機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)是一種用于生產(chǎn)DEM的新技術(shù)。

②組分

LIDAR系統(tǒng)的基本組成部分包括裝載在航空器上的激光掃描儀、

GPS和慣性測(cè)量單元(IMU)o

③運(yùn)用過程

LIDAR傳感器向整個(gè)區(qū)域發(fā)射快速激光脈沖，然后利用脈沖的時(shí)間

間隔來計(jì)算距離。同時(shí)，激光源的位置和方位相應(yīng)地由GPS和IMU確

定。

④應(yīng)用

LIDAR技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用是創(chuàng)建高分辨率DEM,其空間分辨率

可達(dá)0.5~2m,而垂直精度則可以達(dá)到±15cm(Flood2001)。

1計(jì)集11f

30nnMMl(HnIM34nDfcM

圖4-3三種分辨率的DEM：30m、10m和3m

30m和10m的DEM數(shù)據(jù)為USGSDEM數(shù)據(jù)，

而3mDEM是源于LIDAR數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，

比其他兩種包含更多的地形細(xì)節(jié)

4.全球數(shù)字高程模型

全球尺度的不同分辨率的DEM已問世。SRTMDEMs用于美國(guó)以外

的陸地區(qū)域，但是空間分辨率較低，只有3秒弧度(90m)。

(1)全球尺度的DEM

全球尺度的DEM也稱為SRTMDTEDLevel1,相對(duì)于用于美國(guó)和所

轄島嶼的SRTMDTEDLevel2。SRTMDTEDLevel1的高程值源于

SRTMDTEDLevel2的高程值，它們對(duì)應(yīng)點(diǎn)都具有高于16m的垂直精度。

(2)ETOPO5

ETOPO5(EarthTopography-5Minute)數(shù)據(jù)覆蓋了地球陸地表面和

海底，其格網(wǎng)間隔為5分經(jīng)度x5分緯度。

(3)TOPO3和GLOBE

T0P03和GLOBE都可以提供全球DEM,其格網(wǎng)水平間隔為30秒弧

度或1km左右。全球DEM如GTOPO30和GLOBE是源于柵格數(shù)據(jù)（如衛(wèi)

星影像）和矢量數(shù)據(jù)（如DigitalChartoftheWorld中的等高線）。

GLOBE源于柵格數(shù)據(jù)源的垂直精度估計(jì)在30m之內(nèi)，而源于矢量數(shù)據(jù)源

的精度在160m之內(nèi)。

5.數(shù)字正射影像

（1）概念

數(shù)字正射影像（DOQ）是一種由航片或其他遙感數(shù)據(jù)制備而得的數(shù)

字化影像，其中由于照相機(jī)鏡頭傾斜和地形起伏引起的位移已被消除。

（2）USGS生產(chǎn)的數(shù)字正射影像

USGS自1991年起，從國(guó)家航空攝影計(jì)劃的1：40000比例尺航空像

片生產(chǎn)數(shù)字正射影像。數(shù)字正射影像是以地理坐標(biāo)為參照的（NAD83

UTM坐標(biāo)），并可與地形圖和其他地圖配準(zhǔn)。

圖4-4USGS的1m黑白數(shù)字正射影像（愛達(dá)荷州太陽谷）

（3）分類

①標(biāo)準(zhǔn)的USGS數(shù)字正射影像

標(biāo)準(zhǔn)的USGS數(shù)字正射影像的格式是3.75分的1/4標(biāo)準(zhǔn)圖幅或7.5分標(biāo)

準(zhǔn)圖幅的黑白、彩紅外或自然彩色影像，地面分辨率為1m。

②黑白數(shù)字正射影像

黑白數(shù)字正射影像有256個(gè)灰度水平，類似于單波段衛(wèi)星影像。

③彩色正射影像

彩色正射影像是多波段影像，各個(gè)波段分別代表紅、綠和藍(lán)光。

(4)作用

由于易于與GIS結(jié)合，數(shù)字正射影像是用作數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)編輯的

理想背景。

6.二值掃描文件

(1)概念

二值掃描文件是含數(shù)值1或數(shù)值0的掃描圖像。

(2)應(yīng)用

在GIS中，二值掃描文件通常用于進(jìn)行數(shù)字化。它們來自紙質(zhì)或聚

酯薄膜地圖的掃描圖，這些地圖包含土壤、宗地和其他要素的邊界。

GIS軟件包的工具能將二值掃描文件轉(zhuǎn)換為基于矢量的要素。用來數(shù)字

化的地圖以300dpi或400dpi進(jìn)行掃描。

圖4-5顯示土壤界線的二值掃描文件

7.數(shù)字柵格圖

（1）概念

數(shù)字柵格圖（DRG）是USGS地形圖的掃描圖像。

（2）特點(diǎn)

USGS以250dpi掃描7.5分地形圖，產(chǎn)生地面分辨率為2.4m的數(shù)字柵

格圖。USGS在每個(gè)7.5分的數(shù)字柵格圖上用了多達(dá)13種顏色。這13種顏

色是基于8比特（256）顏色板，所以它們可能看起來與紙質(zhì)地圖不同。

數(shù)字柵格圖以UTM坐標(biāo)系統(tǒng)為地理坐標(biāo)參照它基于NAD27或者

NAD83o

圖4-6愛達(dá)荷州太陽谷的數(shù)字柵格圖（DRG）

與圖4-5中的數(shù)字正射影像圖相比，該數(shù)字柵格圖已經(jīng)過期

8.圖形文件

地圖、照片和影像可存儲(chǔ)為數(shù)字圖形文件。許多流行的圖形文件為

柵格格式，如TIFF（標(biāo)記圖像文件格式）、GeoTIFF（是TIFF格式的具

有地理坐標(biāo)參照的版本）、GIF（圖形交換格式）和JPEG（聯(lián)合圖像專

家組）。

9.特定GIS軟件的柵格數(shù)據(jù)

GIS軟件包使用從DEM、衛(wèi)星影像、掃描圖像、圖形文件和ASCII

文件導(dǎo)入的柵格數(shù)據(jù)或從矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來的數(shù)據(jù)。這些柵格數(shù)據(jù)使用

不同的格式。例如，Arc-GIS把柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為ESRI格網(wǎng)格式

(grid)o

三、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指柵格數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法或格式。

1.逐個(gè)像元編碼

(1)特點(diǎn)

逐個(gè)像元編碼法提供了最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。柵格模型被存為矩陣，

其像元值寫成一個(gè)行列式文件。

(2)適用情況

本方法適用于像元水平，柵格的像元值連續(xù)變化時(shí)的情況。

行2：00011100

行3：0011111()

行4：00111110

行5：00111110

行6：01111110

行7：01111110

行8：00000000

圖4-7

逐個(gè)像元編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過

行和列來記錄每個(gè)像元值?；疑裨禐?

(2)應(yīng)用

①數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型采用逐個(gè)像元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹苌儆邢噜徍０沃凳窍?/p>

同的。

②衛(wèi)星影像

衛(wèi)星影像也用這種方法來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，多光譜波段的衛(wèi)星影像

的每一個(gè)像元或像元均有一個(gè)以上的值，因此需要特殊處理。

多波段影像用以下三種格式存儲(chǔ)：

a.波段序列法

波段序列(.bsq)法將每一波段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一個(gè)圖像文件。

如果一幅影像具有7個(gè)波段，那么該數(shù)據(jù)集具有7個(gè)連貫的文件，每個(gè)波

段對(duì)應(yīng)一個(gè)文件。

b.波段依行交替法

波段依行交替(.bil)法將所有波段的值按行存儲(chǔ)在一個(gè)文件中。

該文件組成方式如下：行1,波段1；行1,波段2……行2,波段1；行

2,波段2……依此類推。

C.波段依像元交替法

用波段依像元交替（.bip）法將所有波段的值按像元存人一個(gè)文件

中。文件由如下方式構(gòu)成：像元（1,1）,波段1;像元（1,1）,波

段2……像元（2,1）,波段1；像元（2,1）,波段2……依此類推。

2.游程編碼

當(dāng)柵格數(shù)據(jù)含有許多重復(fù)格網(wǎng)值時(shí)，像元依序編碼方法效率就不高

了。像二值掃描文件這樣的柵格數(shù)據(jù)模型具有許多重復(fù)的像元值，可用

游程編碼（RLE）更有效地存儲(chǔ)。

（1）特點(diǎn)

它是以行和組來記錄像元值的。每一個(gè)組代表?yè)碛邢嗤裨档南?/p>

鄰像元。

圖4-8顯示灰色多邊形的游程編碼，起始像元和終止像元表明落在

此多邊形內(nèi)的該組的長(zhǎng)度

行1：56

行2：46

行3：37

行4：37

行5：37

行6：27

行7：27

圖4-8游程編碼法用行來記錄灰色像元

第一行中有相鄰的灰色像元位于第五和第六列。

因此，第一編碼為始于第五列止于第六列的游程。

其他行的記錄方法相同

(2)作用

游程編碼不僅是一種編碼方法，而且可用于壓縮柵格數(shù)據(jù)。許多

GIS軟件包除了逐個(gè)像元編碼法外，還用游程編碼法存儲(chǔ)柵格數(shù)據(jù)。這

些軟件包包括GRASS、IDRISI和ArcGIS。

3.四叉樹

(1)特點(diǎn)

四叉樹是用遞歸分解法將柵格分成具有層次的象限。遞歸分解指的

是續(xù)分過程，直到四叉樹的每個(gè)象限中僅有一個(gè)像元值。

(2)分區(qū)四叉樹應(yīng)用步驟

①節(jié)點(diǎn)和分支

四叉樹包含節(jié)點(diǎn)和分支(續(xù)分)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)象限。節(jié)點(diǎn)依

賴于象限中的像元值，它可以是非葉節(jié)點(diǎn)或葉結(jié)點(diǎn)。

a.非葉節(jié)點(diǎn)

非葉節(jié)點(diǎn)表示該象限具有不同的像元值，非葉節(jié)點(diǎn)是一個(gè)分支點(diǎn),

意味著該象限還要被續(xù)分。

b.葉節(jié)點(diǎn)

葉節(jié)點(diǎn)代表具有相同像元值的象限，是末梢結(jié)點(diǎn)，它可以用同一像

元值進(jìn)行編碼(灰色或白色)。

四叉樹的深度，或者稱為層次結(jié)構(gòu)中的級(jí)別數(shù)，主要取決于二維要

素的復(fù)雜性。

圖4-9分區(qū)四叉樹法將柵格分成具有層次的象限

②對(duì)二維要素進(jìn)行編碼

在續(xù)分結(jié)束之后，下一步就是使用四叉樹和空間索引法對(duì)二維要素

進(jìn)行編碼。例如，圖4.10中的一級(jí)NW子樹(空間索引為0)具有兩個(gè)

灰色葉節(jié)點(diǎn)。第一個(gè)為02,涉及其二級(jí)SE子樹，而032則涉及二級(jí)NE子

樹中的三級(jí)SE子樹。(02,032)和其他對(duì)應(yīng)于另外三個(gè)一級(jí)子樹的字

符串完成了對(duì)該二維要素的編碼。

(3)分區(qū)四叉樹作用

①分區(qū)四叉樹方法可以有效地存儲(chǔ)面狀數(shù)據(jù)，尤其當(dāng)數(shù)據(jù)僅包含少

數(shù)類別時(shí);

②此法也可有效地用于數(shù)據(jù)處理；

③四叉樹也可以作為一種有效的空間檢索方法；

④空間索引有助于方便快捷地定位空間數(shù)據(jù)，無論是柵格還是矢量

數(shù)據(jù)。

4.頭文件

（1）頭文件

為導(dǎo)入柵格數(shù)據(jù)（如DEM或衛(wèi)星影像），GIS軟件包必須具有此柵

格數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、區(qū)域范圍、像元大小、波段數(shù)和用于

表示無數(shù)據(jù)的值。此類信息包含在頭文件中。就功能而言，頭文件類似

于坐標(biāo)系統(tǒng)中的投影文件。

（2）其他文件

除了頭文件外，柵格數(shù)據(jù)集還可伴有其他文件。

例如，衛(wèi)星影像可能有兩個(gè)可選文件：

①統(tǒng)計(jì)文件

統(tǒng)計(jì)文件描述影像中各個(gè)波段的統(tǒng)計(jì)信息。

②顏色文件

顏色文件則將各種顏色與影像中的不同像元值聯(lián)系起來。ESRI格網(wǎng)

數(shù)據(jù)也有附加文件用于存儲(chǔ)像元值的描述性統(tǒng)計(jì)信息，以及具有相同像

元值的像元數(shù)（整型格網(wǎng)）。

四、柵格數(shù)據(jù)壓縮

柵格數(shù)據(jù)需要相當(dāng)多的存儲(chǔ)空間，高分辨率衛(wèi)星影像要求的存儲(chǔ)空

間會(huì)更多。

(1)數(shù)據(jù)壓縮概念

數(shù)據(jù)壓縮指數(shù)據(jù)量的減少，對(duì)數(shù)據(jù)傳遞和網(wǎng)絡(luò)制圖尤其重要。

(2)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)分類

目前有多種技術(shù)可以用于圖像壓縮。壓縮技術(shù)又可以分為無損壓縮

和有損壓縮。

①無損壓縮

a.特點(diǎn)和作用

無損壓縮方法保留像元或者像素值，允許原始柵格或者圖像被精確

重構(gòu)，是可取的柵格數(shù)據(jù)，它用來分析或產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。

b.舉例

游程編碼方法就是無損壓縮的一個(gè)實(shí)例。其他方法包括PackBits

(是一種更為有效的游程編碼方法的變體)、LZW(Lempel-Ziv-

Welch)和它的變體(如LZ77)o

②有損壓縮

a.特點(diǎn)和作用

有損壓縮方法不能完全重構(gòu)原始圖像，但可以達(dá)到很高的壓縮率，

因此在柵格數(shù)據(jù)中非常有用，它用于背景影像處理而不是分析。

b.舉例

常用的JPEG格式使用的就是有損壓縮方法。該法將圖像分解成大

小為64(8x8)的斑塊，然后對(duì)各個(gè)斑塊進(jìn)行獨(dú)立處理。各個(gè)斑塊中的

顏色被代換并簡(jiǎn)化，以減少數(shù)據(jù)編碼量。

這種基于斑塊的處理過程導(dǎo)致塊狀現(xiàn)象。通過有損壓縮方法的圖像

退化可能影響GIS相關(guān)的任務(wù)，如從航空相片或衛(wèi)星影像中提取用作地

理坐標(biāo)參照的地面控制點(diǎn)。

③新的圖像壓縮技術(shù)

新的圖像壓縮技術(shù)結(jié)合了有損壓縮和無損壓縮。

a.MrSID特點(diǎn)

如由LizardTech公司授予的Mr-SID(多分辨率無縫圖像數(shù)據(jù)庫(kù))技

術(shù)。多分辨率是指MrSID有以不同分辨率或比例尺恢復(fù)圖像數(shù)據(jù)的能

力；無縫是指MrSID可壓縮大圖像，并可在壓縮過程中消除人為方塊邊

界。

b.MrSID的運(yùn)用

MrSID使用小波變換進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。流行的開放格式的更新版本

JPEG2000,也使用小波變換。因此，小波變換是用于圖像壓縮的最新

選擇。

MrSID和JPEG2000都可以執(zhí)行無損或者有損壓縮。無損壓縮方式

保存小波系數(shù)并使用它們對(duì)原始圖像進(jìn)行重構(gòu)。另一方面，有損壓縮方

式僅僅存儲(chǔ)平均值和那些未四舍五入為0的系數(shù)。

五、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與綜合

為了更好地將矢量和柵格數(shù)據(jù)用于GIS項(xiàng)目，必須考慮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和

綜合。

1.柵格化

(1)概念