GIS課件—02空間數(shù)據(jù)基礎.ppt

1、1,第2章 地理空間與空間數(shù)據(jù)基礎,地理空間 空間數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)組織與編碼 空間質量 空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù) 思考題 實驗,2,2.1.1 地理空間,從不同的角度看“空間（Space）” 物理學：三維的外延 天文學：時空連續(xù)體系的一部分 地理學：物質、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結構、功能上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)。 地理空間的范圍：上至大氣電離層，下至地幔莫霍面（即常說的地理圈層）？ 絕對地理空間：常用經(jīng)緯度、平面直角坐標表示 相對地理空間：依賴于與其他實體之間的空間關系,2.1 空間數(shù)據(jù)基礎,3,2.1.2 地理空間的數(shù)學建構,地球的自然表面：復雜、難于表達 物理表面：大地水準面（

2、重力等位面，由于地球內部質量不均而起伏不平） 數(shù)學表面： 橢球體模型 數(shù)學模型,4,地球模型,地球表面,5,三軸橢球體,6,旋轉橢球體,7,橢球體的三要素： 長半徑（赤道半徑）a 短半徑（極半徑）c 扁率f=(a-c)/a 旋轉橢球體有多種：不同測定者、不同計算年代、不同測定方法、不同測定地區(qū)，對橢球體的描述方法不同 我國不同時期采用的橢球體： 1953年以前：海福特橢球體 1953年1978年：克拉索夫斯基（Krasovsky） 1978年以后：1975國際橢球體,旋轉橢球體,8,地理坐標（球面坐標） 緯度、經(jīng)度 國家大地坐標系（1954年北京坐標系、1980年西安坐標系、2000國家大地坐

3、標系） 平面直角坐標 地圖投影（球面到平面的轉換；變形的必然存在；長度、角度、距離三種變形） 高斯-克呂格投影（3度分帶與6度分帶） 國家統(tǒng)一坐標（各帶中央經(jīng)線西移500km為縱軸，赤道為橫軸） 高程系 相對高程 絕對高程 高程系（1956年黃海高程系、1985國家高程基準）,2.1.3地理空間坐標系的建立,9,地理坐標示意圖,10,平面直角坐標,11,高斯克呂格投影,高斯克呂格投影6度和3度分帶,12,國家統(tǒng)一坐標,13,地理參考系統(tǒng),.,M,X,Y,Z,Z,X,Y,.,M,Z,X,d,q,笛卡爾坐標,極坐標,a,經(jīng)度,緯度,Y,14,坐標系統(tǒng)高程系統(tǒng),任意水準面,大地水準面,HA,HA,鉛

4、垂線,A,HB,HB,hAB,15,青島驗潮站示意圖,16,距離度量的兩種方式 沿真實的地球表面進行距離量度 沿旋轉橢球體表面進行距離量度（大圓弧長） 歐氏距離 笛卡爾坐標系中的兩點距離公式 曼哈頓距離（出租車距離） 兩點在南北方向上的距離加上在東西方向上的距離 時間距離 采用時間（從一點到達另一點所需要的時間）度量 詞典距離 在詞典或其它文本中的距離,2.1.4 地理空間的距離度量,17,地球旋轉橢球體上不同的距離度量方法,18,2.1.5地理空間的拓撲關系,拓撲（Topology）： 原意為“形狀的研究”。 幾何學的一個分支學科 它研究在拓撲變換下能夠保持不變的幾何屬性，即拓撲屬性 拓撲變

5、換：對歐氏平面上的空間進行拉伸、壓縮等（不能扭曲或折疊）例如：橡皮 拓撲屬性：拓撲變換后不變的屬性 一個點在一個弧段的端點、區(qū)域邊界上、區(qū)域內部、區(qū)域外部、環(huán)的內部等 一個弧段是一個簡單的弧段、一個面是一個簡單的面、一個面的連接性 非拓撲屬性：拓撲變換后改變的屬性 兩點之間的距離、一個點至另一個點的方向 弧段的長度、區(qū)域的周長、區(qū)域的面積,19,歐式平面上的拓撲與非拓撲屬性,20,三個非常重要的拓撲概念,連接性,21,多邊形區(qū)域定義,22,鄰接性,23,拓撲關系的意義,拓撲關系對GIS的數(shù)據(jù)處理和空間分析，具有重要的意義 通過它，不需要利用坐標與距離，即可確定地理實體之間的空間位置關系。 有利

6、于空間位置的查詢。 可以利用拓撲數(shù)據(jù)作為工具，重建地理實體。 便于檢查數(shù)據(jù)的錯誤 便于空間數(shù)據(jù)的編輯 便于屬性數(shù)據(jù)的輸入 便于空間分析功能的實現(xiàn)。,24,矢量（Vector）：通過記錄空間坐標對的方式，以點、線、面等形式來描述空間目標對象 柵格（Raster）：用規(guī)則排列的像元陣列來描述空間目標對象 TIN：三角形不規(guī)則網(wǎng)（Triangulated Irregular Network）。采用不規(guī)則的三角形來描述空間對象 柵格和矢量結構是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式。,三種常用的空間數(shù)據(jù)模型,2.2 空間數(shù)據(jù)模型,25,2.2.1 矢量數(shù)據(jù)模型,矢量 0維：點，無大小、文向；用一個坐標對

7、表示，在二維空間用（x,y）表示，三維空間中用（x,y,z）表示； 一維：線、弧段、鏈等，有方向（有起點，有終點）、有長度；用多個坐村對表示（x1,y1,z1）、 （x2,y2,z2）、 （x3,y3,z3）、 （x4,y4,z4） 二維：面，以多邊形表示 三維：空間實體,26,矢量數(shù)據(jù)模型的表達 零維矢量 一維矢量 二維矢量 三維矢量,27,矢量數(shù)據(jù)模型的特征 定位明顯、屬性隱含 形象直觀 特別適合于模擬離散（非連續(xù)變化）的空間數(shù)據(jù) 精度高 矢量數(shù)據(jù)的獲取 利用各種定位儀器設備獲取 以硬拷貝數(shù)據(jù)方式獲取 通過間接轉換的方式獲取,28,定位明顯屬性隱含,形象直觀,29,適于模擬離散數(shù)據(jù),30,

8、數(shù)據(jù)精度與點的數(shù)量與質量有關,31,2.2.2 柵格數(shù)據(jù)模型,柵格數(shù)據(jù)模型的概念 是一種用規(guī)則排列的像元陣列來描述空間目標對象的數(shù)據(jù)模型，它主要用來描述空間實體的級別分布特征及其位置。 柵格數(shù)據(jù)模型的表達,32,柵格,33,柵格,34,柵格數(shù)據(jù)模型的特征 屬性明顯，定位隱含 在柵格結構中，其精度與分辨率有關 柵格數(shù)據(jù)的分辨率對數(shù)據(jù)精度的其他影響 位置的移動 形狀的畸變 屬性的偏差,35,位置移動,形狀的畸變,屬性偏差,36,分辨率總結,隨著分辨率的提高，數(shù)據(jù)的信息損失越小。 隨著分辨率的提高，對存貯空間的要求將成幾何級數(shù)增加。 隨著分辨率的提高，數(shù)據(jù)處理的時間要求也越長。 分辨率選擇的原則：在

9、考慮數(shù)據(jù)精度要求的同時，還必須考慮數(shù)據(jù)存貯空間與處理時間的開銷（在精度與存貯空間和處理時間之間權衡）。,37,柵格數(shù)據(jù)的獲取 通過遙感影像數(shù)據(jù)獲取 規(guī)則點采樣、不規(guī)則點采樣及插值 通過掃描儀、攝像機等設備獲取 通過矢量數(shù)據(jù)的轉換獲取,38,柵格數(shù)據(jù)的獲取遙感影像,39,柵格數(shù)據(jù)的獲取規(guī)則點采樣,40,柵格數(shù)據(jù)的獲取不規(guī)則采樣點及插值,41,柵格數(shù)據(jù)的獲取利用掃描儀、攝像機獲取,42,柵格數(shù)據(jù)的獲取間接轉換方式,43,柵格單元屬性的決定方式 主要類型法 中心點法,44,重要性法 ABC 長度占優(yōu)法,45,比例分成法,46,地圖的矢量和柵格表示,47,矢量數(shù)據(jù)模型與柵格數(shù)據(jù)模型的比較,48,2.2

10、.3 不規(guī)則三角網(wǎng)模型,不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）模型采用一系列相連接的三角形擬合地表或其他不規(guī)則表面，常用來構造數(shù)字地面模型（DTM）以及數(shù)字高程模型（DEM）。,TIN的生成方法,49,等高線與高程點生成的不規(guī)則三角模型,50,2.3.1 空間數(shù)據(jù)組織,空間數(shù)據(jù)組織 依據(jù)地理實體之間的不同特征、相似特征、不同地理實體的組合特征特征進行分類，運用標志符建立空間數(shù)據(jù) （空間特征和屬性特征）之間的聯(lián)系的過程和方法。 不同特征：如公路與鐵路因建造方式不同可視為不同類型 相似特征 ：如公路與鐵路因都具有運輸能力可將其視為一類 組合特征：如機場

11、跑道、停機坪、候機樓等組合成機場,2.3.1 空間數(shù)據(jù)組織與編碼,51,空間數(shù)據(jù)的組織案例道路分類,道路類型 1：高速公路 2：主干道路 3：居民街道 物質組成 1：水泥 2：柏油 3：碎石 道路寬度 小巷數(shù)量 道路名稱,52,空間數(shù)據(jù)的組織標識符,標識符（Identifier） 用于標識空間要素的唯一代碼 作用 1：保證空間要素在數(shù)據(jù)庫中的唯一性 2：保證空間特征屬性與屬性特征數(shù)據(jù)的一一對應關系 3：便于對數(shù)據(jù)的查找、關聯(lián)與分析,53,標識符對空間特征與屬性特征的聯(lián)系,54,2.3.2 空間數(shù)據(jù)編碼,概念 根據(jù)地理要素在數(shù)據(jù)分類分級中的隸屬關系和屬性性質，將其進行數(shù)據(jù)化的一種方法。 編碼 主

12、碼：實體元素的類別 子碼：實體元素的標識（標識碼）、實體元素的描述（描述碼）,55,空間數(shù)據(jù)編碼實例道路,例：1160083123,56,空間數(shù)據(jù)編碼實例土地利用規(guī)劃圖的編碼,57,土地利用數(shù)據(jù)庫要素分類與編碼方案,土地利用數(shù)據(jù)庫部分要素代碼與名稱,58,空間數(shù)據(jù)編碼實例100萬分之一地貌編碼,59,空間數(shù)據(jù)編碼實例100萬分之一地貌編碼,60,2.4.1 空間數(shù)據(jù)質量的概念和內容,與數(shù)據(jù)質量相關的幾個概念,2.4 空間數(shù)據(jù)質量,61,空間數(shù)據(jù)質量指標和內容,62,空間數(shù)據(jù)質量問題的來源,63,64,邏輯誤差示意圖,65,2.4.4 空間數(shù)據(jù)質量控制方法,傳統(tǒng)手工方法 地圖符號化方法,地圖符號

13、化質量控制方法示意圖,66,元數(shù)據(jù)跟蹤方法 空間分析方法 地理相關法,地理相關質量控制方法示意圖,67,2.5.1 元數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),元數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù) 元數(shù)據(jù)概念 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)概念 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的標準,空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的幾個現(xiàn)有標準,2.5 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),68,2.5.2 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的作用,查詢空間信息 組織和管理空間信息，并挖掘空間信息資源 組織和維護一個機構對數(shù)據(jù)的投資 提供數(shù)據(jù)轉換方面的信息 建立數(shù)據(jù)目錄和數(shù)據(jù)交換中心，實現(xiàn)信息共享,69,2.5.3 ArcGIS的元數(shù)據(jù),元數(shù)據(jù)樣式表,70,元數(shù)據(jù)的管理與編輯 元數(shù)據(jù)的輸入輸出,FGDC編輯器,FGDC編輯器,71,空

14、間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的應用,72,復習思考題,1、談談你對“空間”的理解。 2、我國的大地坐標系是如何定義的？ 3、矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)各有何特點？試比較它們的優(yōu)缺點？ 4、什么是拓撲？它有什么重要意義？ 5、試舉例說明常用的數(shù)據(jù)編碼方法。 6、什么是空間數(shù)據(jù)質量？空間數(shù)據(jù)質量指標主要有哪些？ 7、怎樣理解“空間數(shù)據(jù)質量問題不可避免以及空間數(shù)據(jù)質量是可以控制的”這一判斷？ 8、常見的空間數(shù)據(jù)質量控制方法有哪些？ 9、什么是空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)？其主要內容是什么？空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)有何作用？,73,實習二 空間數(shù)據(jù)的表達,目的：初步熟悉空間數(shù)據(jù)的矢量和柵格表達 矢量（點、線、面） 柵格 實習要求： 在ArcGI

15、S中，分別將point1、polyline1 、 polygon1按分辨率2、4、8、16、32、64轉換成柵格文件； 分別將以上生成的柵格文件按缺損值轉換成點、線、多邊形的矢量文件； 將新生成的矢量文件與分別與point1、polyline1 、 polygon1進行比較，分析它們之間的差異，并總其規(guī)律，寫一簡要報告。,74,實習三 ArcGIS基本操作與數(shù)據(jù)表示,ArcGIS的數(shù)據(jù)文件 矢量：shapefile、coverage 柵格：grid、tif、jpg Geodatabase ArcGIS中的數(shù)據(jù)瀏覽 空間數(shù)據(jù)瀏覽 屬性數(shù)據(jù)瀏覽,75,實習四 柵格像元的不同編碼方法及誤差比較,實驗

16、目的： 了解主要類型法、像元中心法等柵格像元編碼方法及其誤差特征。 實驗內容： 以ArcGIS為基礎，對土地利用數(shù)據(jù)ld502323進行兩種不同的柵格編碼，并比較其在同種編碼方法不同分辨率下、以及同種分辨率不同編碼方法下各類土地的面積誤差。 實驗原理： 矢量數(shù)據(jù)轉換成柵格數(shù)據(jù)時，柵格像元需要進行編碼。常用的編碼方法包括主要類型法和像元中心法。 實驗方法： 采用不同的分辨率，根據(jù)不同的編碼方法，將矢量數(shù)據(jù)轉換成柵格數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并比較各類數(shù)據(jù)中各種土地的面積，分析誤差特征。,76,實習五 ArcGIS中空間數(shù)據(jù)的顯示,實驗目的： 了解ArcMap中空間數(shù)據(jù)的顯示方法。 實驗內容： 在ArcMap環(huán)境

17、下，充分運用各種工具及方法實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的不同顯示。 實驗原理： 在ArcMap內容表中，通過圖層、圖層組、數(shù)據(jù)框等來組織地圖，在顯示區(qū)中提供兩種地圖視圖方式，即數(shù)據(jù)視圖和版面視圖。圖層中的要素可以采用不同的符號來顯示；通過控制圖層的比例尺范圍，可以使地圖在不同比例尺時都能夠做到主次清晰。 實驗方法： 認識ArcMap界面中各功能區(qū)的不同作用；對圖層、圖層組、數(shù)據(jù)框進行相關的操作以理解地圖的組織形式和空間數(shù)據(jù)的顯示方法；對圖層進行符號化和比例尺設置，以控制空間數(shù)據(jù)的顯示。,77,實習六 ArcGIS中空間數(shù)據(jù)的操作,實驗目的： 了解ArcCatalog中空間數(shù)據(jù)的基本操作。 實驗內容： 在ArcGIS的ArcCatalog環(huán)境下，了解ArcGIS支持的不同格式數(shù)據(jù)的特點，并掌握不同類型數(shù)據(jù)的操作，熟悉建立目錄連接和網(wǎng)絡服務器連接。 實驗原理： ArcGIS支持多種不同格式的空間數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)需要將這些數(shù)據(jù)與目錄和網(wǎng)絡服務器進行連接；ArcCatalog主要用來瀏覽、組織、分發(fā)、記錄各種數(shù)據(jù)。 實驗方法： 在ArcGIS的ArcCatalog環(huán)境下對不同格式數(shù)據(jù)進行一系列操作。,78,實驗七 元數(shù)據(jù)的瀏覽與