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1、 地理空间地理空间空间数据模型与结构空间数据模型与结构空间数据质量空间数据的元数据地理空间（Geo-Spatial）定义：物质、能量、信息的存在形式在生态、 结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其 在时间上的延续范围电离层地幔莫霍面大气圈、水圈、生物圈、岩石圈、土壤圈地理空间（Geo-Spatial）的分类绝对地理空间：具有属性描述的空间位置的集 合，由空间坐标值组成相对地理空间：具有空间、属性特征的实体集 合，由不同实体的空间关系构成地理空间的数学建构Vanicek E. Kraskiwsky，1982，四类自然面近似梨形的地球固体表面难以用数学表达，几何测量难度较高抽象面大地水准面平均海
2、水静止面向陆地延伸，处处与地球重力 方向正交的一个连续、闭合的水准面便于测定高程重力线不均导致面同样难以数学表达地理空间的数学建构地球椭球体三轴赤道扁率小双轴地球椭球体椭球体多样，我国主要采用克拉索夫斯基椭球 体长轴a=6378245m短轴c=6356863m扁率：1-c/a=1/298.3地理空间的数学建构数学模型类地形面（Telluriod）准大地水准面静态水平衡椭球体*8地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体地理坐标系的建立地理空间坐标系用经纬度表达便于位置确定难以进行几何量算地理坐标系的建立笛卡尔平面直角坐标系（Euclidean）空间坐标系的投影平面坐标与空间坐标的对应关系X=ac
3、oscosY=acossinZ=csin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地理空间的距离测量类型沿真实地球表面进行测量情况复杂难以测定沿地球椭球体的距离进行测量地理空间的距离测量（距离类型）欧几里得距离最一般的数学距离表达方法D（i，j）特点D（i，j）=0D（i，j）=D（j，i）对称性满足三角不等式a+bc地理空间的距离测量（距离类型）曼哈顿距离（出租车距离）定义：两点在南北方向上的距离加上东西方向 的距离。D（i，j）=|xi-xj|+|yi-yj|满足对称性和三角不等式主要用于城市规划路线图不唯一地理
4、空间的距离测量（距离类型）（旅行）时间距离定义：从空间一点到另外一点的时间度量值不具备对称性不满足三角不等式地理空间的表达（类型）矢量表达法0维矢量点（xi，yi）或（xi，yi，zi）无大小、方向*美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲 可能的500个地震位置地理空间的表达（类型）矢量表达法1维矢量线 （x1，y1）、（x2，y2）（xn，yn）或（ x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）（xn，yn， zn）有方向：起点（ x1，y1，z1），终点（xn，yn ，zn），有长度，无宽度和高度可以表达闭合线线的弧段不能与自身相交，可分解为多个弧段 ，如P20图2.5所示距离表达：空间欧
5、式距离、平面投影距离*香港城市道路网分布地理空间的表达（类型）矢量表达法2维矢量面或多边形： 由闭合线围成的区域面积参数凹凸性参数：任意边夹角小于180度，称之为凸 多边形，反之为凹多边形单调性参数：任意点向若干直线段上投影的投 影点仍保留原来次序，则说面的点链是单调的走向、倾角、倾向参数地理空间的表达（类型）矢量表达法2维矢量3维曲面面积表面积 投影面积表示方法等高线表示法剖面表示法中国土地利用分布图（不连续面）地理空间的表达（类型）矢量表达法3维矢量体：由闭合曲面围成的区域有长、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 筑地理空间的表达（类
6、型）栅格表达法描述地理实体的属性特征和位置由栅格单元呈现为陈列，每个单元用行号和列号表达点用一个栅格单元表示，点的颜色表示该点属性线用一组相连接的栅格单元表示面用相连接的一片栅格单元区域表示精度：单元越小，精度越高，同时存储空间越大每个栅格单元都有属性值，该属性值是单元的中心点 的值。如此约定后，可以进行各种栅格运算地理空间的表达（类型）TIN不规则三角网可以有效的表达河流、峡谷、地势等地形区域 特征Triangle、Edge、Node很容易用计算机表 达对采样点的位置决定表达质量；地势平缓的地 方少采，复杂的地方多采若有河谷、悬崖则引入分切线的概念（ BreakLine），从而控制表面形状，
7、提高模拟精 度地理空间的拓扑（基本术语）拓扑（Topology）对2d形状的研究拓扑学是几何学的一个分支拓扑属性在拓扑变换（拉伸、压缩）下 不变的属性点位于多边形内、外点在线上非拓扑属性面的面积、线的长度、两点的方向地理空间的拓扑（三个重要概念）连接性（Connectivity）弧段在节点处的相互连接关系有无共同结 点多边形区域定义（Area Definition）多边形区域由哪些弧段围成邻接性（Contiguity）通过定义弧段的方向来判断弧段的左右多边形地理空间的拓扑（三个重要概念）邻接性（Contiguity）（二义性的解决）如P25 图2.11解决规则弧段具有方向性，沿弧段运行时，其组
8、成的多 边形对象位于弧段的右边，弧段的这个运动方 向为正方向弧段运行至某个结点时，以该结点为轴逆时针 旋转弧段，选取尚未走过的弧段且正方向离开 结点的第一个弧段；如上，重复处理所有弧段地理空间的拓扑（空间关系）拓扑空间关系点点、点线、点面、线线、线面、面面相邻、相交、包含、覆盖、分离熟记P27-28 图2.13，并可举出实例；龙源湖和电视塔是什么关系？地理空间的拓扑（空间关系）顺序空间关系用上下左右、东南西北等定性表述，较难解决点点、点线、点面、线线、线面、面面前四在某些情况下还可以表达出来（夹角、距 离）后二涉及的情况较为复杂度量空间关系主要是指空间对象的距离关系定量：如A点距离B线最近距离
9、30M定性：A城离B城较近概述经过数据描述后的现实世界，才能用GIS处理模型对现实世界的简化表达纸质地图.Shp，.Tab数据模型根据一定方案建立的数据逻辑 方式概述数据建模把现实世界的数据组织为有用 且能反映真实信息的数据集的过程，分三步选择一种数据模型进行组织数据Raster、Vector、TIN选用一种数据结构表达指定数据模型二维游程、四叉树、DIME、Spaghetti选择一种记录选定数据结构的数据文件Shp、Tab空间数据模型空间数据空间/地理数据=空间特征数据+属性特征数据属性特征数据=时间属性数据+专题属性数据空间特征数据实体位置（最基本）拓扑关系（很重要）几何特征长度、面积等空
10、间数据模型空间数据属性特征数据时间属性地理实体的时间变化和数据采集 的时间专题数据实体所具有的各种数据，用图表 、图像、符号或文本来呈现属性常通过分级来体现差别节省存储空间降低表达精度如：人口分布图、瓦斯地质图etc空间数据模型空间对象抽象空间实体而得据空间维分：点、线、面、表面和体自然空间对象和人工空间对象受采样限制的空间对象，如国界、河流形状受定义限制的空间对象，如植被覆盖面不规则的人为空间对象，如居民区、人工湖等规则的人为空间对象，如栅格正方形图元空间数据模型空间对象简单空间对象和复合空间对象焦作市（一个点）Turkey、埃及、俄罗斯、乌兹别克斯坦等国家 面扎陵湖和鄂陵湖空间数据模型空间
11、对象简单空间对象和复合空间对象焦作市（一个点）Turkey、埃及、俄罗斯、乌兹别克斯坦等国家 面扎陵湖和鄂陵湖空间数据模型空间数据模型最主要两种：矢量数据模型和栅格数据模型栅格（数据）模型用栅格矩阵来表达，使用面域表达空间对象容易用计算机实现，图层间容易进行叠加操作 ，不利于比例尺变换、投影变化等操作位置隐含、属性明显数据量较大，若提高分辨率，则数据量呈几何 级增长，故需采用压缩算法加以解决空间数据模型矢量数据模型图形精度高，数据量较小起源于“Spaghetti（面条）”模型（记录点、 线、面的坐标对，但面边界存储两次），引入 拓扑属性后构成拓扑矢量模型，算法较为复杂位置明显，属性隐含。矢量-
12、栅格一体化模型综合两者优点，规避两者缺点*41空间数据模型TIN模型用三角形拟合地表，用来描述数字高程表面。要求三角形尽可能等边，地表平缓处稀采点， 用大三角形表示，起伏大处密采点，用小三角 形表示泰森模型和TIN模型转换，TIN的三角形三边的垂直平分 线构成交点连接而成，如图2.18空间数据结构数据模型和数据文件的中间媒介，和数据模 型实则一体，后者是数据表达的概念模型， 前者是数据表达的物理实现对应于数据模型，主要有两种数据结构栅格结构：图像处理系统、栅格GIS矢量结构：CAD、矢量GIS大多数GIS软件同时支持两者空间数据结构栅格结构完全栅格结构（无压缩，空间损耗大）BSP：波段顺序组织
13、BIL：逐行BIP：逐Cell空间数据结构栅格结构游程编码压缩效果好规则：逐行，相同属性值的临近Cell被合并为一 个游程，用（长度，属性值）来表示；每行一 个游程可以跨行或跨列游程空间数据结构栅格结构Morton顺序和Morton坐标栅格的扫描次序对游程编码的效率有较大影响Morton序：“Z”序，如图2.19（C），以2*2的模 式递推排序，如图2.20。四个象限的遍历次序 是：西南东南西北东北可用Morton地址建立Morton索引，便于空间查 询，可大大提高某些操作的效率空间数据结构栅格结构四叉树采用Morton序用树来表达（要求掌握）方框+序列号用来表示叶子圆圈+字母用来表示非叶结点
14、若邻近Cell属性值相异性强时，则效率不高，如 最坏的“国际象棋棋盘格式”注意象限的遍历次序八叉树一般了解空间数据结构矢量结构Spaghetti（面条）结构存储坐标对，无拓扑属性填充多边形时，需设置岛的高优先级（后填充 ）优点：便于显示缺点数据冗余：多边形公共边界存储两次计算代价高：查询不易解读表2-3，图2.22空间数据结构矢量结构Spaghetti（面条）结构存储坐标对，无拓扑属性填充多边形时，需设置岛的高优先级（后填充 ）优点：便于显示缺点数据冗余：多边形公共边界存储两次计算代价高：查询不易解读表2-3，图2.22空间数据结构矢量结构拓扑数据结构点相互独立线由点相连组成，有起止结点链（弧
15、或边）：多边形上的一条线多边形：1个外环+0-N个内环（孔、岛、飞地等 ）环：1-N个链组成空间数据结构矢量结构拓扑数据结构示例多种，以Van Rossel 1987年设计为例，其可操 作性不强，但清晰描述了拓扑关系，可作为一 种矢量数据结构转换的中间结构多边形由1个外环+0-N个内环组成环由链组成链、结点和多边形相关联“中间点”独立，可以和链及起止结点关联空间数据结构矢量结构拓扑数据结构示例较“面条”优点多边形边未重复两次拓扑信息和空间坐标分别存储，便于查询不足拓扑表一开始就要创建，带来时间和空间存储 损耗图形显示较慢显示用“面条”，分析用“拓扑”空间数据结构矢量结构拓扑数据结构解读图2.24和表2.4表面格网数据结构掌握TIN结构即可TIN的三角形边是链的特例，三角形面由三个顶 点的（X,Y,Z）决定TIN结构和拓扑数据结构相辅相成可以引入“断裂线”更好的表达不连续的地理特征 ，
