第二章 空間信息基礎(chǔ)

第二章空間信息基礎(chǔ)2023/3/29西北大學(xué)城市與資源學(xué)系1第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日GIS的地學(xué)基礎(chǔ)地球模型坐標(biāo)參考系統(tǒng)地圖投影地圖比例尺地理數(shù)據(jù)特征地圖對地理現(xiàn)象表達遙感影像對地理現(xiàn)象表達第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日地球模型地球表面水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面鉛垂線地球橢球體第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日地理空間坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系是以地理極(北極、南極)為極點。通過A點作橢球面的垂線，稱之為過A點的法線。法線與赤道面的交角，叫做A點的緯度ψ。過A點的子午面與通過英國格林尼治天文臺的子午面所夾的二面角，叫做A點的經(jīng)度λ。第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日坐標(biāo)參考系統(tǒng)—平面系統(tǒng)直接建立在球體上的地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達地理對象位置建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，y）表達地理對象位置投影第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日坐標(biāo)系統(tǒng)—高程系統(tǒng)任意水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面H′AHA鉛垂線AH′BHBhAB第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日水準(zhǔn)原點1985國家高程基準(zhǔn)，72.2604米黃海海面1952-1979年平均海水面為0米85國家高程基準(zhǔn)是指以青島水準(zhǔn)原點和青島驗潮站1952年到1979年的驗潮數(shù)據(jù)確定的黃海平均海水面所定義的高程基準(zhǔn)，其水準(zhǔn)點起算高程為72.260米。由于歷史原因，黃河流域高程系統(tǒng)較為紊亂，目前使用的高程系統(tǒng)有9種之多(大沽、黃海、假定、凍結(jié)、1985國家高程基準(zhǔn)、引據(jù)點III、導(dǎo)渭、坎門中潮值、大連葫蘆島)，給流域規(guī)劃、工程布局、工程設(shè)計、水文水情預(yù)報、河道沖淤變化、防汛指揮等工作帶來諸多不便。為了把已使用的高程基準(zhǔn)換算到“1985國家高程基準(zhǔn)”，需要制定統(tǒng)一的工作計劃和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時要把黃河流域未控區(qū)納入“1985國家高程基準(zhǔn)”，從而使黃河流域歷史延用的各種高程和未控區(qū)統(tǒng)一到“1985國家高程基準(zhǔn)”面。第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影為什么要進行投影？地圖投影實質(zhì)投影變形投影方法投影選擇所考慮的因素我國常用的投影方法第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：為什么要進行投影將地球橢球面上的點映射到平面上的方法，稱為地圖投影地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo)，不方便進行距離、方位、面積等參數(shù)的量算地球橢球體為不可展曲面地圖為平面，符合視覺心理，并易于進行距離、方位、面積等量算和各種空間分析第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：投影實質(zhì)第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：投影實質(zhì)

建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和平面上相應(yīng)經(jīng)緯線網(wǎng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也就是建立地球橢球面上的點的地理坐標(biāo)（λ，φ）與平面上對應(yīng)點的平面坐標(biāo)（x，y）之間的函數(shù)關(guān)系：當(dāng)給定不同的具體條件時，將得到不同類型的投影方式。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：投影變形將不可展的地球橢球面展開成平面，并且不能有斷裂，則圖形必將在某些地方被拉伸，某些地方被壓縮，故投影變形是不可避免的。長度變形面積變形角度變形第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：投影分類變形分類：等角投影：投影前后角度不變等面積投影：投影前后面積不變；任意投影：角度、面積、長度均變形投影面：橫圓柱投影：投影面為橫圓柱圓錐投影：投影面為圓錐方位投影：投影面為平面投影面位置：正軸投影：投影面中心軸與地軸相互重合斜軸投影：投影面中心軸與地軸斜向相交橫軸投影：投影面中心軸與地軸相互垂直

相切投影：投影面與橢球體相切相割投影：投影面與橢球體相割第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：投影選擇因素制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍制圖比例尺地圖內(nèi)容出版方式第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：GIS中地圖投影GIS以地圖方式顯示地理信息，而地圖是平面，地理信息則在地球橢球上，因此地圖投影在GIS中不可缺少。GIS數(shù)據(jù)庫中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲時，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)；而輸出或顯示時，則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過投影變換變換成指定投影的平面坐標(biāo)。GIS中，地理數(shù)據(jù)的顯示可根據(jù)用戶的需要而指定投影方式，但當(dāng)所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖投影：我國常用地圖投影1：100萬：蘭勃特投影（正軸等積割圓錐投影）大部分分省圖、大多數(shù)同級比例尺也采用蘭勃特投影1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1:1萬、1：5000采用高斯—克呂格投影。第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖比例尺地圖比例尺反映了制圖區(qū)域和地圖的比例關(guān)系紙質(zhì)地圖：內(nèi)容、概括程度、數(shù)據(jù)精度等GIS：數(shù)據(jù)精度比例尺的含義：制圖區(qū)域較小，采用各方面變形都較小的地圖投影，圖上各處的比例是一致的，故此時比例尺的含義是圖上長度與相應(yīng)地面長度的比例；

制圖區(qū)域較大時，地圖投影比較復(fù)雜，地圖上長度因地點和方向的不同而有所變化，這種地圖比例尺一般是指在地圖投影時，對地球半徑縮小的比率，稱為主比例尺。地圖經(jīng)過投影后，體現(xiàn)在圖上只有個別點線沒有長度變形，也就是說，只有在這些長度沒有變形的點或線上，才可用地圖上注明的比例尺我國地圖比例尺分級系統(tǒng)：大比例尺：1：500—1：10萬中比例尺：1：10萬—1：100萬小比例尺：〈1：100萬無級比例尺概念第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象（實體）的地圖表達點：位置：（x，y）屬性：符號線：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)屬性：符號—形狀、顏色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)屬性：符號變化等值線

第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象（實體）的遙感影像表達遙感傳感器平臺傳感器第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間現(xiàn)象及其描述現(xiàn)實世界空間數(shù)據(jù)地圖遙感影像特征關(guān)系行為觀察選擇抽象綜合測量：位置編碼：屬性建立關(guān)系：表達第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)進行歸類劃分點：零維線：一維面：二維體：三維時間：通常以第四維表達，但目前GIS還很難處理時間屬性。空間對象的維數(shù)與比例尺是相關(guān)的第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日點實體

有位置，無寬度和長度；抽象的點美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個地震位置第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日線實體

有長度，但無寬度和高度用來描述線狀實體，通常在網(wǎng)絡(luò)分析中使用較多度量實體距離香港城市道路網(wǎng)分布第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日面實體

具有長和寬的目標(biāo)通常用來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)面中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象：面（續(xù)）連續(xù)變化曲面：如地形起伏，整個曲面在空間上曲率變化連續(xù)。不連續(xù)變化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，屬性變化發(fā)生在邊界上，面的內(nèi)部是同質(zhì)的。第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象：體有長、寬、高的目標(biāo)通常用來表示人工或自然的三維目標(biāo)，如建筑、礦體等三維目標(biāo)香港理工大學(xué)校園建筑第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日地理信息數(shù)字化描述方法柵格和矢量結(jié)構(gòu)是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式。

第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日地圖的矢量和柵格表示第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象的描述要素編碼：區(qū)別不同的實體，包括分類碼和識別碼。分類碼表識空間對象的類別，而識別碼對每個空間對象進行表識，是唯一的。位置：坐標(biāo)形式給出空間對象的空間位置類型：空間對象所屬的實體類型，或有那些實體組成行為：空間對象所具備的行為和功能屬性：空間對象所對應(yīng)的非幾何信息說明：實體數(shù)據(jù)來源、精度等關(guān)系：與其他實體之間的關(guān)系第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象的編碼為什么要進行編碼？編碼對象：屬性數(shù)據(jù)編碼方法：層次分類編碼多源分類編碼編碼標(biāo)準(zhǔn)化第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象的層次分類編碼分類對象的從屬和層次關(guān)系有明確的分類對象類別和嚴(yán)格的隸屬關(guān)系高壓711電線架715管線:7地下電力線與電纜72電力線71地下檢修井74管線73低壓712電桿713電塔714不依比例7142依比例7141第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象的多源分類編碼按空間對象不同特性進行分類并進編碼代碼之間沒有隸屬關(guān)系，反映對象特性具有較大的信息量，有利于空間分析河流特性分類與編碼通航情況通航：1不通航：2常年河：1時令河：2消失河：3<1km：1<2km：2<5km：3<10km：4>10km：5流水季節(jié)河流寬度河流長度河流深度5~10m：110~20m：220~30m：330~60m：460~120m：5120~300m：6300~500m：7>500m：8<1m：11~2m：22~5m：35~20m：420~50m：5>50m：6第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象的空間關(guān)系表達描述空間對象之間的空間相互作用關(guān)系方法

絕對關(guān)系:坐標(biāo)、角度、方位、距離等；相對關(guān)系：相鄰、包含、關(guān)聯(lián)等相對關(guān)系類型拓撲空間關(guān)系：描述空間對象的相鄰、包含等順序空間關(guān)系：描述空間對象在空間上的排列次序，如前后、左右、東、西、南、北等。度量空間關(guān)系：描述空間對象之間的距離等。地圖、遙感影象上的空間關(guān)系是通過圖形識別的，在GIS中的空間關(guān)系則必須顯式的進行定義和表達。空間關(guān)系的描述多種多樣，目前尚未有具體的標(biāo)準(zhǔn)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進行描述第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間對象的拓撲空間關(guān)系

基于點集拓撲理論拓撲元素：點：孤立點、線的端點、面的首尾點、鏈的連接點線：兩結(jié)點之間的有序弧段，包括鏈、弧段和線段面：若干弧段組成的多邊形基本拓撲關(guān)系關(guān)聯(lián)：不同拓撲元素之間的關(guān)系鄰接：相同拓撲元素之間的關(guān)系包含：面與其他元素之間的關(guān)系層次：相同拓撲元素之間的層次關(guān)系拓撲元素量之間的關(guān)系：歐拉公式點、線、面之間的拓撲關(guān)系第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日起點終點中間點弧段1弧段3弧段2弧段4點:面:弧:第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日鄰接相交重合相離包含點—點點—線點—面線—面面—面線—線第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日空間拓撲關(guān)系表達—關(guān)系表表2-1面域與弧段的拓撲關(guān)系面域 弧段 P1 a,b,c,-gP2 b,d,f P3 c,f,e P4 g 表2-2結(jié)點與弧段的拓撲關(guān)系結(jié)點 弧段 A a,c,e B a,d,b C d,e,f D b,f,c E g 表2-3弧段與結(jié)點的拓撲關(guān)系弧段 結(jié)點 a A,B b B,D c D,A d B,C e C,A f C,D g E,E

表2-4弧段與面域的拓撲關(guān)系弧段左鄰面右鄰面a P0 P1b P2 P1c P3 P1d P0 P2e P0 P3f P3 P2g P1

第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日地理數(shù)據(jù)的特征屬性特征：描述空間對象的特性，即是什么，如對象的類別、等級、名稱、數(shù)量等。空間特征：描述空間對象的地理位置以及相互關(guān)系，又稱幾何特征和拓撲特征，前者用經(jīng)緯度、坐標(biāo)表示，后者如交通學(xué)院與電力學(xué)院相鄰等。時間特征：描述空間對象隨時間的變化第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日地理數(shù)據(jù)的類型屬性數(shù)據(jù)：描述空間對象屬性特征的數(shù)據(jù)，又稱非幾何數(shù)據(jù)，如類型、名稱、性質(zhì)等，一般通過代碼給予表達幾何數(shù)據(jù)：描述空間對象空間特征的數(shù)據(jù)，也稱位置數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)，一般用經(jīng)緯度、坐標(biāo)表達關(guān)系數(shù)據(jù)：描述空間對象的空間關(guān)系的數(shù)據(jù)，如鄰接、包含、關(guān)聯(lián)等，一般通過拓撲關(guān)系表達。第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日元數(shù)據(jù)“meta”是一希臘語詞根，意思是“改變”，“Metadata”一詞的原意是關(guān)于數(shù)據(jù)變化的描述。一般都認(rèn)為元數(shù)據(jù)就是“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”。第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日元數(shù)據(jù)的主要作用幫助數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位有效地管理和維護空間數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)文檔提供有關(guān)數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)(clearinghouse)及數(shù)據(jù)銷售等方面的信息，便于用戶查詢檢索地理空間數(shù)據(jù)提供通過網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進行查詢檢索的方法或途徑，以及與數(shù)據(jù)交換和傳輸有關(guān)的輔助信息幫助用戶了解數(shù)據(jù)，以便就數(shù)