《空间信息基础》PPT课件

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1、2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 1 第二章 空间信息基础 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 2 GIS的地学基础 地球模型 坐标参考系统 地图投影 地图比例尺 地理数据特征 地图对地理现象表达 遥感影像对地理现象表达 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 3 地球模型 地球表面 水准面 大地水准面 铅垂线 地球椭球体 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 4 地理空间坐标系 地理坐标系是以地理 极 (北极、南极 )为极 点。 通过 A点作椭球面的 垂线，称之为过 A点 的法线。 法线与赤道面的交角， 叫做 A点的纬度 。 过 A

2、点的子午面与通 过英国格林尼治天文 台的子午面所夹的二 面角，叫做 A点的经 度 。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 5 坐标参考系统 平面系统 直接建立在球体上的 地理坐标，用 经度和纬度表达地理对象位置 建立在平面上 的直角坐标系统，用 （ x， y）表达地理对象位置 投 影 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 6 坐标系统 高程系统 任意水准面 大地水准面 HA HA 铅垂线 A HB HB hAB 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 7 水准原点 1985国家高 程基准， 72.2604米 黄海海面 1952-1979年平 均海水面为

3、 0米 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 8 地图投影 为什么要进行投影？ 地图投影实质 投影变形 投影方法 投影选择所考虑的因素 我国常用的投影方法 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 9 地图投影：为什么要进行投影 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法， 称为地图投影 地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、 方位、面积等参数的量算 地球椭球体为不可展曲面 地图为平面，符合视觉心理，并易于进行 距离、方位、面积等量算和各种空间分析 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 10 地图投影：投影实质 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼

4、11 地图投影：投影实质 建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经 纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上 的点的地理坐标（ ， ）与平面上对应点的平 面坐标（ x， y）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型 的投影方式。 ),( ),( 2 1 fy fx 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 12 地图投影：投影变形 将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不 能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸， 某些地方被压缩，故投影变形是不可避免 的。 长度变形 面积变形 角度变形 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 13 地图投影：投影分类 变形分类：

5、 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形 投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面 投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 14 地图投影：投影选择因素 制图区域的地理位置、形状和范围 制图比例尺 地图内容 出版方式 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 15 地图投影： GIS中地图投

6、影 GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地 理信息则在地球椭球上，因此地图投影在 GIS中不 可缺少。 GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地 图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成 地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表 示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平 面坐标。 GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定 投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系 列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图 所用的投影。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 16 地图投影：我国常用地图投影 1： 100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投 影） 大部分分省图

7、、大多数同级比例尺也采用 兰勃投影 1： 50万、 1： 25万、 1： 10万、 1： 5万、 1： 2.5万、 1:1万、 1： 5000采用高斯 克吕格 投影。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 17 地图比例尺 地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系 纸质地图：内容、概括程度、数据精度等 GIS：数据精度 比例尺的含义： 制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比 例是一致的，故此时比例尺的含义是 图上长度与相应地面长度的比 例 ； 制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的 不同而有所变化， 这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地

8、球半 径缩小的比率， 称为主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个 别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线 上，才可用地图上注明的比例尺 我国地图比例尺分级系统： 大比例尺： 1： 500 1： 10万 中比例尺： 1： 10万 1： 100万 小比例尺： 1： 100万 无级比例尺概念 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 18 空间对象（实体）的地图表达 点：位置：（ x， y） 属性：符号 线：位置： (x1,y1),(x2,y2), (xn,yn) 属性：符号 形状、颜色、尺寸 面：位置： (x1,y1),(x2,y2), ,(xi,yi),( x

9、n,yn) 属性：符号变化 等值线 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 19 空间对象（实体）的遥感影像表达 遥感传感器平台 传感器 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 20 空间现象及其描述 现实世界 空间数据 地图 遥感影像 特征 关系 行为 观察 选择 抽象 综合 测量：位置 编码：属性 建立关系： 表达 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 21 空间对象（实体）类型 空间对象一般按地形维数进行归类划分 点：零维 线：一维 面：二维 体：三维 时间：通常以第四维表达，但目前 GIS 还很难处理时间属性。 空间对象的维数与比例尺是相关的 20

10、21/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 22 点实体 有位置，无宽度和长度； 抽象的点 美国佛罗里达洲地震监测站 2002年 9月该洲 可能的 500个地震位置 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 23 线实体 有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离 香港城市道路网分布 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 24 面实体 具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面 中国土地利用分布图（不连续面） 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 25 空间对象：面（续） 连续变

11、化曲面：如地形起 伏，整个曲面在空间上曲 率变化连续。 不连续变化曲面，如土壤、 森林、草原、土地利用等， 属性变化发生在边界上，面 的内部是同质的。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 26 空间对象：体 有长、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿 体等三维目标 香港理工大学 校园建筑 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 27 地理信息数字化描述方法 栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 28 地图的矢量和栅格表示 ( x , y ) 11 ( x , y ) 22 (

12、 x , y ) 33 ( x , y ) 44 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 3 3 0 0 8 1 0 4 4 4 0 0 3 3 3 0 0 1 4 4 4 4 4 0 3 3 3 0 1 0 4 4 4 4 4 4 3 3 3 0 1 0 4 4 4 4 4 0 0 0 0 1 7 0 0 4 4 4 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 0 0 7 0 1 5 5 5 5 0 0 0 0 0 0 0 1 5 5 5 5 0 0 0 8 0 0 1 0 5 5 0 0 0 0 0 0 0 5 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 29 空间对象的描

13、述要素 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进 行表识，是唯一的。 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成 行为：空间对象所具备的行为和功能 属性：空间对象所对应的非几何信息 说明：实体数据来源、精度等 关系：与其他实体之间的关系 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 30 空间对象的编码 为什么要进行编码？ 编码对象：属性数据 编码方法： 层次分类编码 多源分类编码 编码标准化 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 31 空间对象的层次分类编码 分类对象的从属和

14、层次关系 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系 高压 711 电线架 715 管线 :7 地下电力线 与电缆 72 电力线 71 地下检修井 74 管线 73 低压 712 电杆 713 电塔 714 不依比例 7142 依比例 7141 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 32 空间对象的多源分类编码 按空间对象不同特性进行分类并进编码 代码之间没有隶属关系，反映对象特性 具有较大的信息量，有利于空间分析 河流特性分类与编码 通航情况 通航： 1 不通航： 2 常年河： 1 时令河： 2 消失河： 3 1 km： 1 2 km： 2 5 km： 3 10 km： 5 流水季节

15、 河流宽度 河流长度 河流深度 5 10 m ： 1 10 20 m： 2 20 30 m： 3 30 60 m： 4 60 120 m： 5 120 300 m： 6 300 500 m： 7 500m： 8 50m： 6 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 33 空间对象的空间关系表达 描述空间对象之间的空间相互作用关系 方法 绝对关系 : 坐标、角度、方位、距离等； 相对关系：相邻、包含、关联等 相对关系类型 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、 南、北等。 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。

16、 地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在 GIS中的空间关 系则必须显式的进行定义和表达。 空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式， 但基本原理一致。不同的 GIS可能采用不同的方法进行描述 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 34 空间对象的 拓扑空间关系 基于点集拓扑理论 拓扑元素： 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段 面：若干弧段组成的多边形 基本拓扑关系 关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系 拓扑元素量之

17、间的关系：欧拉公式 点、线、面之间的拓扑关系 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 35 起点 终点 中间点 弧段 1 弧段 3 弧段 2 弧段 4 点 : 面 : 弧 : 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 36 邻接 相交 重合 相离 包含 点 点 点 线 点 面 线 面 面 面 线 线 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 37 欧拉公式 ： 欧拉公式在 GIS中有着重 要的意义，主要用来检查 空间拓扑关系的正确性， 能发现点、线、面不匹配 的情况和多余、遗漏的图 形元素。 c + a = n + b n: 结点数 a: 弧段数 b: 多边形数

18、 c: 常数，为多边形地图特征。 若 b包含边界里面和外面的多边形，则 c=2， 若 b仅包含边界内部多边形，则 c=1 n = 4， a = 4 b = 1， c = 1 n = 6， a = 5 b = 2， c = 1， p=2（图形数） n = 4， a = 5 b = 2， c = 1 n = 10， a = 12 b = 3， c = 1 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 38 空间拓扑关系表达 关系表 a b c d e f g A C B D E P 4 P 0 P 1 P 2 P 3 表 2-1面域与弧段的拓扑关系 面 域 弧 段 P1 a, b, c, -

19、g P2 b, d, f P3 c, f, e P4 g 表 2-2 结点与弧段的拓扑关系 结 点 弧 段 A a, c, e B a, d, b C d, e, f D b, f, c E g 表 2-3 弧段与结点的拓扑关系 弧 段 结 点 a A , B b B , D c D , A d B , C e C , A f C , D g E , E 表 2-4 弧段与面域的拓扑关系 弧段 左邻面 右邻面 a P0 P1 b P2 P1 c P3 P1 d P0 P2 e P0 P3 f P3 P2 g P1 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 39 空间对象 :自相关特征

20、 空间对象在属性上存在相关性，两空间对象越 接近，其值也越接近，反之亦然 。 相关类型 负相关：位置越接近，属性值相差越远 正相关：位置越接近，特征也越接近 不相关：属性与空间位置无关 。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 40 （ A）高度空间负向相关；（ B）无规律分布；（ C） 空间独立； （ D）空间聚类现象；（ E）高 度正向相关 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 41 地理数据的特征 属性特征 ： 描述空间对象的特性，即是什 么，如对象的类别、等级、名称、数量等。 空间特征 ： 描述空间对象的地理位置以及 相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前 者

21、用经纬度、坐标表示，后者如交通学院 与电力学院相邻等。 时间特征 ： 描述空间对象随时间的变化 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 42 地理数据的类型 属性数据 ： 描述空间对象属性特征的数据， 又称非几何数据，如类型、名称、性质等， 一般通过代码给予表达 几何数据 ： 描述空间对象空间特征的数据， 也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、 坐标表达 关系数据 ： 描述空间对象的空间关系的数 据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓 扑关系表达。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 43 元数据 “meta”是一希腊语词根，意思是 “ 改变 ” ， “ Metada

22、ta”一词的原意是关于数据变化的 描述。 一般都认为元数据就是 “ 关于数据的数 据 ” 。 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 44 元数据的主要作用 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据， 建立数据文档 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数 据内容、数据质量、数据交换网络 (clearing house) 及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地 理空间数据 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径， 以及与数据交换和传输有关的辅助信息 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需 求作出正确的判断 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。 2021/4/1

23、2 西北大学城市与资源学系 谢元礼 45 元数据的内容 对数据集中各数据项、数据来源、数据所 有者及数据生产历史等的说明 对数据质量的描述，如数据精度、数据的 逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数 据的比例尺等 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等 数据转换方法的描述 对数据库的更新、集成方法等的说明 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 46 空间数据元数据的标准 元数据标准名称 建立标准的组织 CSDGM地球空间数据元数据 内容标准 FGDC，美国联邦空间数据 委员会 GDDD数据集描述方法 MEGRIN，欧洲地图事务 组织 CGSB空间数据集描述 CSC，加拿大标准委员会

24、CEN地学信息一数据描述一元 数据 CEN TC287 DIF目录交换格式 NASA ISO地理信息 ISO TC211 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 47 思考与练习 说说地理空间模型是怎样建立的？ GIS中为什么要考虑地图投影？ 地理空间实体的三要素是什么？它们之间 的关系是怎样的？ 空间数据的基本特征有哪些？地理信息的 数字化描述方法有哪些？ 2021/4/12 西北大学城市与资源学系 谢元礼 48 利用关系表来表达右图 的空间拓扑关系。 什么是元数据？为什么 要使用元数据？ e b c 4 1 3 2 5 A B C 7 6 D a d a: 结点号 A: 多边形号 1: 弧段号 弧段数字化方向