第二章空間信息基礎(chǔ)教學(xué)課件

地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)主講教師：王衛(wèi)紅7/20/20231第二章空間信息基礎(chǔ)常規(guī)的地理空間信息描述法地理信息數(shù)字化描述法空間數(shù)據(jù)的類型和關(guān)系元數(shù)據(jù)思考與練習(xí)7/20/20232§1常規(guī)的地理空間信息描述法地球空間模型地理空間坐標(biāo)系的建立地圖投影地圖比例尺空間實(shí)體的地圖表達(dá)7/20/202331.1地球空間模型大地水準(zhǔn)面與大地體旋轉(zhuǎn)橢球面與旋轉(zhuǎn)橢球體7/20/20234地球的自然形體高低起伏，極其復(fù)雜局部特點(diǎn)：1、近似一個(gè)兩極略扁的橢球。2、可視為水球（海71%，陸29%）；地球的最大起伏與地球半徑相比很小。3、無(wú)法用數(shù)學(xué)公式描述。

整體特點(diǎn)：7/20/20235水準(zhǔn)面液體受重力而形成的靜止表面，稱為水準(zhǔn)面。水準(zhǔn)面是一個(gè)重力等位面。7/20/20236水準(zhǔn)面的特性1.水準(zhǔn)面上任一點(diǎn)的鉛垂線都與水準(zhǔn)面相正交。2.是不規(guī)則的表面（受地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻的影響），有無(wú)窮多個(gè)。3.水準(zhǔn)面與鉛垂線可作為野外實(shí)地采集空間數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線。4.同一水準(zhǔn)面上的重力位能處處相等。7/20/20237大地水準(zhǔn)面和大地體與平靜的平均海水面相重合、并延伸穿過(guò)陸地而形成的封閉曲面稱為大地水準(zhǔn)面。大地水準(zhǔn)面所包裹的球體叫大地體。大地水準(zhǔn)面是不規(guī)則曲面，無(wú)法準(zhǔn)確描述和計(jì)算，也難以在其上處理測(cè)量成果。7/20/20238總橢球體與WGS84橢球體（1）用一非常接近大地水準(zhǔn)面的數(shù)學(xué)面——旋轉(zhuǎn)橢球面代替大地水準(zhǔn)面，用旋轉(zhuǎn)橢球體描述地球。與大地體最接近的橢球體，叫做總地球橢球體，簡(jiǎn)稱總橢球體或總橢球，其表面叫做總橢球面。

7/20/20239總橢球體與WGS84橢球體（2）總橢球體必須滿足以下幾個(gè)幾何條件：（1）總橢球體的中心應(yīng)與地球質(zhì)心重合；（2）總橢球體的旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)與地軸重合，赤道應(yīng)與地球赤道一致；（3）總橢球體的體積應(yīng)與大地體的體積相等，大地水準(zhǔn)面與總橢球面之間的高差平方和最??；（4）總橢球體的總質(zhì)量應(yīng)等于地球的總質(zhì)量；（5）總橢球體的旋轉(zhuǎn)角速度應(yīng)等于地球的旋轉(zhuǎn)角速度。1984年國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)通過(guò)的模擬地球的橢球體——WGS84橢球體，是目前應(yīng)用比較廣泛的總橢球體，全球定位系統(tǒng)GPS觀測(cè)采用的就是該橢球體。7/20/202310參考橢球體推求在全球范圍內(nèi)與大地水準(zhǔn)面符合最好的總橢球體，需要運(yùn)用全球范圍內(nèi)的觀測(cè)資料，這是很難做到的，因而只能做到橢球面與所用資料區(qū)域的局部大地水準(zhǔn)面密切符合。測(cè)量學(xué)上稱這樣的橢球體為參考橢球體，簡(jiǎn)稱參考橢球。理論上總橢球只有一個(gè)，而參考橢球可有無(wú)數(shù)個(gè)，它們都不盡相同，僅用某國(guó)或某區(qū)域的天文、大地和重力測(cè)量資料推算。我國(guó)采用的橢球體：我國(guó)1952年前采用的海福特橢球，1953年起改用克拉索夫斯基橢球，1978年后開(kāi)始采用1975年由國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)（IUGG）頒布的參考橢球體，并以此建立了我國(guó)新的大地坐標(biāo)系——1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系C80）。7/20/202311地球空間模型地球表面水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面旋轉(zhuǎn)橢球面7/20/2023121.2地理空間坐標(biāo)系的建立要確定一個(gè)點(diǎn)的空間位置，實(shí)際上可以通過(guò)確定這個(gè)點(diǎn)在某基準(zhǔn)面上的投影及該點(diǎn)沿基準(zhǔn)線到該基準(zhǔn)面的距離來(lái)進(jìn)行。野外實(shí)地采集空間數(shù)據(jù)采用的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線分別是大地水準(zhǔn)面和與之垂直的重力線（鉛垂線）。內(nèi)業(yè)計(jì)算采用的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線分別是旋轉(zhuǎn)橢球面和與之垂直的法線。7/20/202313坐標(biāo)和高程采用不同的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線，可以建立不同的坐標(biāo)系對(duì)地面點(diǎn)進(jìn)行定位。一般確定某點(diǎn)在基準(zhǔn)面上的投影位置可以采用大地坐標(biāo)、天文坐標(biāo)和（高斯）平面直角坐標(biāo)，而確定某點(diǎn)沿基準(zhǔn)線到基準(zhǔn)面的距離可以采用大地高和正高。要確定一個(gè)空間點(diǎn)的位置，實(shí)際上就是要確定其坐標(biāo)和高程。1.2坐標(biāo)系統(tǒng)7/20/202314地理坐標(biāo)系分別以旋轉(zhuǎn)橢球面和法線為基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線的球面坐標(biāo)，稱為大地經(jīng)度L和大地緯度B；分別以大地水準(zhǔn)面和鉛垂線為基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)線的球面坐標(biāo)，稱為天文經(jīng)度λ和天文緯度φ。1.2坐標(biāo)系統(tǒng)7/20/202315平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)直接建立在橢球面上的大地地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達(dá)地理對(duì)象位置建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，y）表達(dá)地理對(duì)象位置地圖投影1.2坐標(biāo)系統(tǒng)7/20/202316為什么要進(jìn)行投影地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo)，不方便進(jìn)行距離、方位、面積等參數(shù)的量算。地圖為平面，符合視覺(jué)心理，并易于進(jìn)行距離、方位、面積等量算和各種空間分析。1.2坐標(biāo)系統(tǒng)7/20/2023171.3地圖投影定義投影變形投影分類GIS中的地圖投影我國(guó)常用的投影方法通用橫軸墨卡托投影SuperMap

Deskpro5的地圖投影SuperMap

Deskpro5的坐標(biāo)系7/20/202318地圖投影的

定義將地球橢球面上各點(diǎn)的大地坐標(biāo)，按照一定的數(shù)學(xué)法則，變換為平面上相應(yīng)點(diǎn)的平面直角坐標(biāo)，稱為地圖投影。所謂地圖投影，也就是建立大地坐標(biāo)（L，B）與對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(shí)，將得到不同類型的投影方式。1.3地圖投影7/20/202319投影變形地球橢球體為不可展曲面。將不可展的地球橢球面展開(kāi)成平面，并且不能有斷裂和重疊，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(zhǎng)度變形面積變形角度變形1.3地圖投影7/20/202320投影分類變形分類：

等角（正形）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(zhǎng)度均變形投影面：

橢圓柱投影：投影面為橢圓柱圓錐投影：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1.3地圖投影7/20/202321GIS中的地圖投影GIS主要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(kù)中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲(chǔ)時(shí)，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過(guò)投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)；而輸出或顯示時(shí)，則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過(guò)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(guó)家基本地圖系列的比例尺一致時(shí)，一般采用國(guó)家基本系列地圖所用的投影。1.3地圖投影7/20/202322我國(guó)常用地圖投影1：100萬(wàn)：蘭勃投影（正軸等積割圓錐投影）大部分分省圖、大多數(shù)同級(jí)比例尺也采用蘭勃投影1：50萬(wàn)、1：25萬(wàn)、1：10萬(wàn)、1：5萬(wàn)、1：2.5萬(wàn)、1:1萬(wàn)、1：5000采用高斯—克呂格投影。1.3地圖投影7/20/202323

以橢圓柱為投影面，使地球橢球體的某一經(jīng)線與橢圓柱相切，然后按等角條件，將中央經(jīng)線兩側(cè)各一定范圍內(nèi)的地區(qū)投影到橢圓柱面上，再將其展成平面而得。由德國(guó)數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家高斯及大地測(cè)量學(xué)克呂格共同創(chuàng)建。高斯-克呂格投影

——等角橫切橢圓柱投影1.3地圖投影7/20/202324

高斯-克呂格投影無(wú)角度變形，中央經(jīng)線無(wú)長(zhǎng)度變形。為保證精度，采用分帶投影的方法：

經(jīng)差6°或3°分帶，長(zhǎng)度變形<0.14%1.3地圖投影7/20/202325高斯-克呂格直角坐標(biāo)yA=245863.7myB

=-168474.8myA通=20745863.7myB通=20331525.2m1.3地圖投影7/20/202326通用橫軸墨卡托投影—UTM(UniversalTransverseMercator)投影(1)以橫軸橢圓柱面割地球于南緯80度、北緯84度兩條等高圈，按等角條件，將中央經(jīng)線兩側(cè)各一定范圍內(nèi)的地區(qū)投影到橢圓柱面上，再將其展成平面而得。1.3地圖投影7/20/202327此投影無(wú)角度變形，中央經(jīng)線長(zhǎng)度比為0.9996，距中央經(jīng)線約±180km處的兩條割線上無(wú)變形。長(zhǎng)度變形<0.04%。該投影將地球劃分為60個(gè)投影帶，每帶經(jīng)差為6度；從180度經(jīng)線開(kāi)始向東將這些投影帶編號(hào)，從1編至60(北京處于第50帶)。UTM南半球投影除了將縱軸西移500公里外，橫軸還南移10000公里。也可采用3°分帶。通用橫軸墨卡托投影—UTM(UniversalTransverseMercator)投影(2)1.3地圖投影7/20/202328SuperMapDeskpro5的地圖投影SuperMapGIS5桌面產(chǎn)品的投影子系統(tǒng)包含了國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的40種基本投影類型，具有從地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到投影坐標(biāo)的正算和從投影坐標(biāo)到地理坐標(biāo)的反算功能，使用戶能夠充分利用現(xiàn)有的不同坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。1.3地圖投影7/20/202329SuperMapDeskpro5的坐標(biāo)系SuperMapGIS5桌面產(chǎn)品的投影系統(tǒng)不僅提供豐富、便捷的投影坐標(biāo)系，而且提供不帶投影系統(tǒng)的普通平面坐標(biāo)系（系統(tǒng)缺省坐標(biāo)系）和直接使用經(jīng)緯度的地理坐標(biāo)系。投影坐標(biāo)系：適合于需要在平面坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行顯示和操作的地圖，也可以對(duì)具有不同投影的多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行投影系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換。1.3地圖投影7/20/202330建立坐標(biāo)系（1）新建數(shù)據(jù)源時(shí)，坐標(biāo)系可以新建也可以復(fù)制。SuperMapDeskpro5的投影坐標(biāo)系,有用戶自定義投影系和預(yù)定義投影系兩類。在SueprMapDeskpro投影設(shè)置中，默認(rèn)的高斯克呂格帶號(hào)都是按照6度分帶設(shè)定的，如果想用3度分帶，需要進(jìn)行自定義設(shè)置。1.3地圖投影7/20/202331建立坐標(biāo)系（2）預(yù)定義投影坐標(biāo)系統(tǒng)是已經(jīng)設(shè)定好投影方式、投影所依賴的地理坐標(biāo)系、坐標(biāo)單位以及所用到的投影參數(shù)，使用時(shí)只要根據(jù)制圖區(qū)域選擇合適的坐標(biāo)系即可。1.3地圖投影7/20/202332

投影變換-轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)源投影不同投影間的變換過(guò)程通常不是完全可逆的。每種投影都被設(shè)計(jì)用于減少給定區(qū)域在給定特性上的變形量，因而各種投影有一定的適用范圍，在進(jìn)行投影變換時(shí)，應(yīng)盡可能在相近坐標(biāo)系范圍間進(jìn)行變換，否則投影變換結(jié)果的精度難以保證。1.3地圖投影軟件演示7/20/2023331.4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。比例尺的含義。確定比例尺要考慮的因素紙質(zhì)地圖：內(nèi)容、概括程度、數(shù)據(jù)精度等。GIS：數(shù)據(jù)精度。我國(guó)地圖比例尺分級(jí)系統(tǒng)：大比例尺：1：500—1：10萬(wàn)中比例尺：1：25萬(wàn)—1：50萬(wàn)小比例尺：1：100萬(wàn)7/20/2023341.5空間實(shí)體的地圖表達(dá)空間實(shí)體類型點(diǎn)實(shí)體線實(shí)體面實(shí)體體實(shí)體空間實(shí)體的地圖表達(dá)7/20/2023351.5.1空間實(shí)體類型空間對(duì)象一般按地形維數(shù)進(jìn)行歸類劃分點(diǎn)：零維線：一維面：二維體：三維空間對(duì)象的維數(shù)與比例尺相關(guān)。1.5空間實(shí)體的地圖表達(dá)7/20/2023361.5.2點(diǎn)實(shí)體

有位置，無(wú)寬度、長(zhǎng)度和高度；美國(guó)佛羅里達(dá)洲地震監(jiān)測(cè)站2019年9月該洲可能的500個(gè)地震位置1.5空間實(shí)體的地圖表達(dá)7/20/2023371.5.3線實(shí)體

有長(zhǎng)度，但無(wú)寬度和高度香港城市道路網(wǎng)分布7/20/2023381.5.4面實(shí)體

具有長(zhǎng)和寬、但無(wú)高度的目標(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）7/20/202339面實(shí)體（續(xù)）連續(xù)變化曲面：如地形起伏，整個(gè)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。1.5空間實(shí)體的地圖表達(dá)7/20/2023401.5.5體實(shí)體有長(zhǎng)、寬、高的目標(biāo)通常用來(lái)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7/20/2023411.5.6空間實(shí)體的地圖表達(dá)點(diǎn)：位置：（x，y）屬性：符號(hào)線：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)屬性：符號(hào)—形狀、顏色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(xn,yn)屬性：符號(hào)變化等值線

本節(jié)結(jié)束7/20/202342§2地理信息數(shù)字化描述方法地圖是地理實(shí)體的傳統(tǒng)載體，具有存儲(chǔ)、分析與顯示地理信息的功能，因其直觀、綜合的特點(diǎn)，曾經(jīng)是地理實(shí)體的主要載體，但隨著人們對(duì)地理信息需求量的增加及對(duì)其需求質(zhì)量和速度的提高，再加之計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得用計(jì)算機(jī)管理空間信息，建立地理信息系統(tǒng)成為可能。7/20/202343柵格和矢量結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)描述空間實(shí)體的兩種最基本的方式。

7/20/202344柵格結(jié)構(gòu)（顯性描述）（p22）由一系列（x,y）坐標(biāo)定位的像元，每個(gè)像元獨(dú)立編碼，并載有屬性。7/20/202345空間實(shí)體的遙感影像表達(dá)遙感傳感器平臺(tái)傳感器7/20/202346矢量結(jié)構(gòu)（隱性描述）（P23）點(diǎn)狀地物的位置用其所在位置的一對(duì)坐標(biāo)表示。線狀地物的位置用一組有序的坐標(biāo)對(duì)來(lái)表示。面狀地物的位置用組成面狀地物邊界的閉合矢量線段來(lái)表示。其屬性值都要用其它的數(shù)據(jù)項(xiàng)來(lái)表示。本節(jié)結(jié)束7/20/202347§3空間數(shù)據(jù)的類型和關(guān)系空間數(shù)據(jù)的基本特征空間數(shù)據(jù)的類型空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系7/20/2023483.1空間數(shù)據(jù)的特征空間特征：描述空間對(duì)象的地理位置以及相互關(guān)系。屬性特征：描述空間對(duì)象的特性，即是什么，如對(duì)象的類別、等級(jí)、名稱、數(shù)量等。時(shí)間特征：描述空間對(duì)象隨時(shí)間的變化。7/20/2023493.2空間數(shù)據(jù)的類型點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)，按其表示內(nèi)容可以分為七種不同的類型（參見(jiàn)P27）：類型數(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)7/20/2023507/20/2023513.3空間對(duì)象的拓?fù)潢P(guān)系拓?fù)湓鼗就負(fù)潢P(guān)系空間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)—關(guān)系表拓?fù)潢P(guān)系的作用點(diǎn)、線、面之間的空間關(guān)系7/20/2023523.3.1拓?fù)湓亟Y(jié)點(diǎn)：兩條或多條弧段（鏈）的拓?fù)溥B接點(diǎn)、或一條弧段（鏈）的端點(diǎn)?；《危ㄦ?:結(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，是一個(gè)無(wú)分支而有方向的序列。兩端以結(jié)點(diǎn)為界，而這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)不一定相異。多邊形：在二維平面中由封閉弧段包圍的區(qū)域。7/20/2023533.3.2基本拓?fù)潢P(guān)系鄰接：同類拓?fù)湓刂g的拓?fù)潢P(guān)系；關(guān)聯(lián)：不同類拓?fù)湓刂g的拓?fù)潢P(guān)系；包含：同類但不同級(jí)元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。7/20/2023543.3.3

空間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)—關(guān)系表表2-1多邊形與弧段的拓?fù)潢P(guān)系多邊形 弧段 P1 a,b,c,-gP2 b,d,f P3 c,f,e P4 g 表2-2結(jié)點(diǎn)與弧段的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)點(diǎn) 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(diǎn)的拓?fù)潢P(guān)系弧段 結(jié)點(diǎn) a A,B b B,D c D,A d B,C e C,A f C,D g E,E

表2-4弧段與多邊形的拓?fù)潢P(guān)系弧段左多邊形右多邊形a P0 P1b P2 P1c P3 P1d P0 P2e P0 P3f P3 P2g P1

7/20/2023553.3.4拓?fù)潢P(guān)系的作用根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系，不需要利用坐標(biāo)或距離，就可以確定某空間實(shí)體相對(duì)于另一空間實(shí)體的位置關(guān)系。拓?fù)潢P(guān)系具有比幾何數(shù)據(jù)更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化。利用拓?fù)潢P(guān)系便于空間要素的查詢?？梢愿鶕?jù)拓?fù)潢P(guān)系重建地理實(shí)體。關(guān)于其算法可參見(jiàn)：《地理信息系統(tǒng)概論》（修訂版）、黃杏元等、2019年12月、高等教育出版社P39-41。7/20/202356點(diǎn)、線、面之間的空間關(guān)系3.3.5本節(jié)結(jié)束7/20/202357§4元數(shù)據(jù)對(duì)空間數(shù)據(jù)的有效生產(chǎn)和利用，要求空間數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，以利于數(shù)據(jù)的交換、更新、檢索、數(shù)據(jù)庫(kù)集成以及數(shù)據(jù)的二次開(kāi)發(fā)利用等?！癿eta”是一希臘語(yǔ)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)”。7/20/202358元數(shù)據(jù)的主要作用(P31)幫助數(shù)據(jù)生產(chǎn)單位有效地管理和維護(hù)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(chǔ)、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(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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)據(jù)是否能滿足其需