第二章地理信息系统的数据结构

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1、第二章 地理信息系统的数据结构,学习目标： 理解地理空间的概念、空间实体表达 理解和掌握地理空间数据的基本特征、拓扑关系 理解和掌握栅格和矢量数据结构、编码方法及其优缺点 了解空间数据的分类和编码、矢栅数据的输入与编辑 重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。 难 点：拓扑结构、栅格数据编码,第一节 地理空间及其表达 第二节 地理空间数据及其特征 第三节 空间数据结构的类型 第四节 空间数据结构的建立,第二章 地理信息系统的数据结构,第一节 地理空间及其表达,地理空间的概念 地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。但一般地理空间指的是地球表层，其基准是

2、陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。 地理信息系统中，地理空间（geo-spatial）被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，是由不同实体之间的空间关系构成。,包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体，其中地理空间定位框架，由平面控制网和高程控制网组成。,机舱窗口俯视大地 : 地表是一个有些微起伏、极其复杂的表面。, 珠穆朗玛峰与太平洋的马里亚纳海沟之间高差近20km。,事实是（天文测量、地球重力测量、卫星大地测量）：,地球不是一个正球体，

3、而是一个极半径略短、赤道半径略长，北极略突出、南极略扁平，近于梨形的椭球体。,地球南北半径之差仅在几十米范围内，相比地球极半径与赤道半径之差（20公里）是十分微小的。,地球的数学表面 在测量和制图中就用旋转椭球体来代替大地球体，这个旋转椭球体通常称为地球椭球体，简称椭球体。,它是一个规则的数学表面，所以人们视其为地球体的数学表面，也是对地球形体的二级逼近，用于测量计算的基准面。,即人们假想，将大地体绕短轴飞速旋转，形成一个表面光滑的球体，即旋转椭球体,椭球体三要素: 长轴 a（赤道半径）、短轴 b（极半径）和椭球的扁率 f,WGS world geodetic system 84 ellips

4、oid: a = 6 378 137m b = 6 356 752.3m equatorial diameter（赤道直径） = 12 756.3km polar diameter（极径） = 12 713.5km equatorial circumference（周长） = 40 075.1km surface area = 510 064 500km2,a - b 6378137 - 6356752.3 f = = a 6378137,1 = 298.257 f,对 a，b，f 的具体测定就是近代大地测量的一项重要工作。,空间参考系统,GIS的研究对象是具有空间内涵的地理数据。地理数据与其

5、位置的识别联系在一起，它是通过公共的地理基础统一的空间参考系统来实现。,33%,67%,主要是顾及投影变形、作为历史沿续、为了使用方便和便于资料保密等；,地方系统,国家坐标系统,54年北京坐标系,我国1954年完成了北京天文原点的测定工作，建立了1954年北京坐标系。1954年北京坐标系是原苏联1942年普尔科沃坐标系在我国的延伸，但略有不同，其要点是： 属参心大地坐标系； 采用克拉索夫斯基椭球参数（a=6878245m， = 1：298.3）； 多点定位； x = y = z； 大地原点是原苏联的普尔科沃； 大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准；高程异常是以原苏联19

6、55年大地水准面重新平差结果为水准起算值，按我国天文水准路线推算出来的； 1954年北京坐标系建立后，30多年来用它提供的大地点成果是局部平差结果（制作了国家系列比例尺地形图）。,1980年国家大地坐标系,由于1954年北京坐标系（简称54坐标系）存在许多缺点和问题，1980年我国建立了新的大地坐标系（简称80坐标系），其要点是： 属参心大地坐标系； 采用既含几何参数又含物理参数的四个椭球基本参数。数值采用1975年国际大地测量学联合会（IUG）第16届大会上的推荐值，其结果是： 地球长半轴= 6378140m,1980年国家大地坐标系,地心引力常数x质量 GM = 3.9860051014m

7、3/s2 地球重力场二阶带谐数1.08263103 地球自转角速度7.292115105rad/s。 多点定位。在我国按1010间隔，均匀选取922个点组成弧度测量方程，按最小解算大地原点起始数据； 定向明确。地球椭球的短轴平行于地球质心指向1968.0地极原点(JYD)的方向，起始大地子午面平行于我国起始天文子午面，x y z 0；,1980年国家大地坐标系,大地原点定在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇，简称西安原点； 大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准。,大地坐标确定后，空间一点的大地坐标用大地经度L、大地纬度B和大地高度H表示。如右图所示，地面上的点P地的大地子午面

8、NPS与起始大地子午面所构成的二面角L，叫点P地的大地经度。点P地对于椭球的法线P地Kp与赤道面的夹角B，叫做点P地的大地纬度。点P地沿法线到椭球面的距离H叫做大地高，从椭球面起算，向外为正，向内为负。,地图投影,将椭球面上各点的大地坐标按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标，通常称为地图投影。 x=F1(L,B) 、y=F2(L,B) 式中（L，B）是椭球面上某一点的大地坐标，而（x,y）是该点投影平面上的直角坐标。 各种不同的投影就是按照一定的条件来确定式中的函数形式F1，F2的。地球椭球面是不可展的曲面，无论用什么函数式F1，F2 将其投影至平面，都会产生变形。,高斯克吕格

9、投影,它是一种横轴等角切圆柱投影。 高斯投影的条件： 中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴； 等角投影； 中央经线上没有投影变形；,高斯投影变形具有以下的特点： 中央经线上没有变形 同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大 同一条经线上，纬度越低，变形越大 等变形线为平行于中央经线的直线,高斯-克吕格投影的最大变形处为各投影带在赤道边缘处，为了控制变形，我国地形图采用分带的方法，每隔3或6 的经差划分为互不重叠的投影带。1：2.5万至1：50万的地形图采用6 分带方案。从格林威治0 经线开始，全球共分为60个投影带。我国位于东经72 到136 之间，共11个投影带（13-23带）。1：

10、1万以及更大比例尺地图采用3 分带方案。,自1952年起，我国将其作为国家大地测量和地形图的基本投影，亦称为主投影。,高斯-克吕格直角坐标,为了便于地形图的量测作业，在高斯克吕格投影带内布置了平面直角坐标系统。具体构成方法是：规定以中央经线为X轴，赤道为Y轴，中央经线与赤道交点为坐标原点。同时规定，x值在北半球为正，南半球为负；y值在中央经线以东为正，中央经线以西为负。由于我国疆域均在北半球，x值皆为正值。为 避免y使出现负值，还规定各投影带的坐标纵轴均西移500km，中央经线上原横坐标值由0变为500km。,基于高斯克吕格投影各投影带的划分方法相同，各带经纬线交点坐标成果相同并且可以通用，因

11、此由国家测绘主管部门根据国家基本地形图比例尺系列，计算制成高斯克吕格投影坐标成果表，提供各部门使用。,国家坐标系和独立坐标系的变换,由于地球半径很大，在较小区域内进行测量工作可将地球椭球面作为平面看待，而不失其严密性。既然把投影基准面作为平面，就可采用平面直角坐标系表示地面点的投影面上的位置。,（a）测量平面直角坐标系,（b）数学平面直角坐标系,为不使坐标系出现负值，它通常将某测区的坐标原点设在测区西南角某点，以真北方向或主要建筑物主轴线为纵轴方向，而以垂直于纵坐标轴的直线定为横坐标轴，构成平面直角坐标系；也可假设测区中某点的坐标值，以该点到另一点方位角作为推算其它各点的起算数据，实际上也构成

12、了一个平面直角坐标系。 上述平面直角坐标系的原点和纵轴方向选定了的值常用于小型测区的测量，它不与国家统一坐标系相连，因此称为任意坐标系或独立坐标系，我国大部分城市均采用独立坐标系。,国家坐标系和独立坐标系的变换,空间点的高程是以大地水准面为基准来建立的。我国曾规定采用青岛验潮站求得的1956年黄海平均海水面，作为我国统一的高程基准。凡由该基准面起算的高程在工程和地形测量中均属于1956年黄海高程系。从1985年起，我国开始改用“1985年国家高程基准”，凡由该基准起算的高程在工程和地形测量中均属于1985年黄海高程系统。1985年国家高程基准比1956年国家高程基准高 0.029m,高程系统,

13、在建立数字城市时，若需采用不同高程基准的地形图或工程图作为基准数据时，应将高程系统全部统一到1985年国家高程基准上。 在缺少基本高程控制网的地区，不仅可建立独立平面直角坐标系，也可建立局部高程系统。凡不按1956年黄海平均海水面或1985年国家高程基准作为高程起算数据的高程系统均称为局部高程系统。 设局部高程系统的高程原点起算数据为H局，与国家高程控制网联测的高程原点高程为H联，高程原点的高程改正值为H，则： H = H局 H联,原点在地球质心； Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极 （CTP）方向； X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP 赤道交点； Y轴与Z轴，X轴构成右手坐

14、标系。,WGS- 84地心坐标系统及其与国家坐标系的转换,WGS-84是美国国防部研制确定的，其几何定义为：,GPS定位所得的结果都属于WGS-84地心坐标系统。 工程上实用的大多是国家坐标系或是独立坐标系。 目前我国已在建立全国高精度的GPS控制网。,进行地区性GPS测量时： 已知(至少)一点高精度GPS成果，以此作为全网的起算数据，以相对定位法可得到网点的高精度WGS-84坐标系与国家坐标系之间的转换参数，进而得到国家坐标系成果。 另一种方法是进行GPS基线向量网的约束平差，将地面网中的坐标、边长和方位角作为GPS基线向量网的基准而直接得到平差后国家坐标系的成果。,WGS-84,国家坐标系

15、,转换,我国地理信息系统中常用的地图投影的配置,我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000）除1：100万以外均采用高斯-克吕格投影为地理基础； 1：100万地形图采用Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。 我国大部份省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）；,地图投影与GIS的关系,数据获取 （数据源地图的投影）,数据标准化预处理 （按照某一参照系数字化）,数据存储 （统一的坐标存储

16、）,数据处理 （投影转换）,数据应用 （检索查询、覆盖分析等）,数据输出 （具有相应投影的地图）,地理基础 （ 地图投影）,GIS中地图投影设计与配置,各国家的GIS所采用的投影系统与该国的基本地形图系列所采用的投影系统一致。 各比例尺的GIS中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致。 各地区的GIS中的投影系统与其所在区域使用的投影系统一致。 各种GIS一般以一种或两种（至多三种）投影系统为其投影系统，以保证地理定位框架的统一。,各种GIS中投影坐标系统的配置具有以下的一般特征：,空间实体的表达,地理空间的特征实体指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体，包括点 （point）、线（line）、面（polygon）、曲面（surface）和体（volume）