地理信息系统第二章

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1、地理信息系统概论授课教师：贺晓慧主讲内容7地理信息系统的设计与评价1地理信息系统导论2地理信息系统的数据结构3空间数据获取与处理地理信息系统空间数据库45空间分析的原理与方法6地理信息系统的应用模型分类地理信息系统产品的输出设计8第二章 地理信息系统的空间数据结构1.地理空间及其表达 2.地理空间数据及其特征3.空间数据结构的类型4.空间数据结构的建立在GIS中，地理空间数据时极其重要的组成 部分。GIS的数据结构主要是用来解决地理空间 数据以什么样的形式存储到GIS中的问题。2.1 地理空间及其表达u地理数据(Geo Data)：是描述地球表层一定范围（地 理圈、地理空间）内地理事物（空间实

2、体、地理现象 ）数量、质量、分布特征、相互关系和变化规律的数 据。u地理空间（geo-spatial）：一般指上至大气电离层， 下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。包括 地理空间定位框架及其所联接的特征实体。u地理空间定位框架：即大地测量控制，由平面控制网 和高程控制网组成。2.1 地理空间及其表达u大地测量为建立所有的地理数据的坐标位置提供了一 个通用参考系，利用该通用参考系可以将全国范围使 用的平面及高程坐标系与所有的地理要素相连接。 u大地测量控制信息的主要要素就是大地测量控制点， 这些设标点（有时为动态的GPS控制点）的平面位置和 高程被精确地测量，并用于其他点位的确定。 u因此

3、，大地测量控制信息在开发所有的框架数据及用 户的应用数据中发挥着关键的作用。2.1 地理空间及其表达u目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地 坐标系，该坐标系选用1975年国际大地测量协会推荐 的国际椭球。具体参数见P39。u1980年中国国家大地坐标系的大地原点，设在我国中 部的陕西省泾阳县永乐镇，简称西安原点。u根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存：一是 1954年北京坐标系（局部平差）；二是1980年国家大 地坐标系（整体平差）；三是地心坐标系。2.1 地理空间及其表达u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，通常称之为地 图投影

4、。这里所说的一定的数学法则，可以用下面两 个方程式表示：x=f1（L,B）y=f2（L,B）u式中：（L,B）是椭球面上某一点的大地坐标；（x ，y）是该点投影在投影平面上的直角坐标。 u北京54和1980国家大地坐标系中的点的坐标，更多 的是将其投影至高斯-克吕格投影平面，以平面x、y 形式表示，用于测绘制作地形图。2.1 地理空间及其表达u地理信息系统中特征实体的位置，通常就是指经过投 影变换后平面上的直角坐标。 u高程指空间参考的高于或低于某基准平面的垂直位置 ，主要用来提供地形信息。 u高程基准面即大地水准面，是假设静止的平均海水面 穿过大陆、岛屿形成包围整个地球的一个闭合曲面。 u我

5、国现在规定的高程起算基准面为“1985国家高程基 准”，该基准比原国务院批准启用的“黄海平均海平 面”高29mm。2.1 空间数据的相关概念u研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考框架， 还必须分析地理空间特征实体或地理空间信息的几何 形态和时空分布规律及其相互之间的关系。u地理空间特征实体：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、线、面、曲面和体， 它们构成地球圈层间复杂的地理综合体，也是地理信 息系统表示和建库的主要对象。u地理空间的特征实体包括点（point）、线（line）、 面（polygon）、曲面（surface）和体（volume）等 多种类型。 u如何以有

6、效的形式表达它们，关系到计算机识别、存 储、处理的可能性和有效性。 u在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表 达和记录的，基于计算机的地理信息系统不能直接识 别和处理各种以图形形式表达的特征实体，要使计算 机能识别和处理它们，必须对这些特征实体进行数据 表达。2.1 地理空间及其表达u当对特征实体进行数据表达时，关键又看如何表达空 间的一个点，因为点是构成地理空间特征实体的基本 元素。 u如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元 素时，称为矢量表示法。 u如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点 元素时，称为栅格表示法。2.1 地理空间及其表达2.2 地理空间数据及其特征空

7、间数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液， 因为GIS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GIS的 第一步工作就是根据系统的功能，获取所需要的空间数据 ，并创建空间数据库。2.2 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据分类 GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下 几种类型：（1）地图数据：来源于各种类型的普通地图和专题地图 ，这些地图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实 体的类别或属性清晰，实测地形图还具有很高的精度。（2）影像数据：主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括 多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度 和多种分辨率的遥感影像数据，构成多源海量数据，也

8、是 GIS的最有效的数据源之一。（3）地形数据：来源于地形等高线图的数字化，已建立 的数字高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。2.2 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据分类（4）属性数据：来源于各种调查报告、实测数据、文献 资料、解译信息等。（5）元数据：来源于由各类纯数据通过调查、推理、分 析和总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据权 属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比 例尺、数据转换方法等。2.2 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据分类 按照数据结构的分类，GIS中的空间数据可以分为以下两 种类型：（1）矢量数据：矢量数据是用欧氏空间的点、线、面等

9、几何元素来表达空间实体的几何特征的数据。（2）栅格数据：栅格数据是将空间分割成有规则的网格 ，在各个网格上给出相应的属性值来表示空间实体的一种 数据组织形式。2.2 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据分类 按照数据特征的分类，GIS中的空间数据可以分为以下两 种类型：（1）空间定位数据：是表达空间实体在地球上位置的坐 标数据。（2）非空间属性数据：是有关空间实体自身的名称、种 类、质量、数量等特征的数据。2.2 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据分类 按照数据的几何特征的分类，GIS中的空间数据可以分为以下 几种类型：（1）点：是对0维的空间实体的抽象数据，如测量用的三角点 、电视

10、塔等。（2）线：是对1维线性的空间实体的抽象数据，如河流、道路 等。（3）面：是对2维平面的空间实体的抽象数据，如湖泊、行政 区等。（4）曲面：是对在面上连续分布的空间实体的抽象数据，常 被称为2.5维数据，如地形、气温等。（5）体：是对3维的空间实体的抽象数据，如地质构造、矿产 等。2.2 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据分类 按照数据发布形式，GIS中的空间数据可以分为4D数据：（1）数字线画图（DLG）数据：是现有地形图要素的矢量数 据，保存各要素的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地 表目标。（2）数字栅格图（DRG）：是现有纸质地图经计算机处理后 得到的栅格数据文件。每一幅

11、地形图在扫描数字化后，经几何 纠正，并进行内容更新和数据压缩处理，即可以得到数字栅格 图。（3）数字高程模型（DEM）数据：是数字形式表达的地形起 伏数据。（4）数字正射影像（DOM）数据：是对遥感数字影像，经逐 像元进行投影差进行改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图 幅范围剪裁生成的数字正射投影影像数据。2.2 地理空间数据及其特征二、空间数据的基本特征 空间数据或地理数据包括空间特征数据和属性特征数据 空间特征数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据 属性特征数据包括地理实体或现象的专题属性（名称、分 类、数量等）数据和时间数据。2.2 地理空间数据及其特征二、空间数据的基本特征空间数据

12、所传递的基本信息为： 定位信息： 属性信息： 拓扑信息： 以一幅交通图为例(P44图2-5）2.2 地理空间数据及其特征三、空间数据的拓扑关系 在地理信息系统中，对于凡具有网状结构特征的地理 要素，例如自然与行政的分区、各种资源类型的空间 分布以及交通网等，都存在结点、弧段和多边形之间 的拓扑结构。 拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法， 在GIS中，它不但用于空间数据的编辑和组织，而且 在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。2.2 地理空间数据及其特征二、空间数据的基本特征 空间数据的拓扑关系包括：（1）拓扑邻接：指存在于空间图形的同类元素之间的拓 扑关系。（2）拓扑关联：指存在于

13、空间图形的不同元素之间的拓 扑关系。（3）拓扑包含：指存在于空间图形的同类，但不同级的 元素之间的拓扑关系。包含关系分简单包含、多层包含和 等价包含三种形式。 （P45，图2-7）2.2 地理空间数据及其特征三、空间数据的拓扑关系 空间数据的拓扑关系，对地理信息系统的数据处理和空间分析，具 有重要的意义，因为：（1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实 体相对于另一种地理实体的空间位置关系。因为拓扑数据已经清楚 地反映出地理实体之间的逻辑结构关系，而且这种拓扑结构较之几 何数据有更大的稳定性，即它不随地图变换而变化。（2）利用拓扑数据有利于空间要素的查询。例如：某区域与哪些区

14、 域邻接；某条河流能为哪些政区的居民提供水源；与某一湖泊邻接 的土地利用类型有哪些；特别是野生生物学家可能想确定一块与湖 泊相邻的土地覆盖区，用于对生物栖息环境作出评价等等，都需要 利用拓扑数据。（3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。例如：建立封闭 多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等等。2.2 地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示 表示地理实体的空间数据包含着空间特征和属性特征，对 具有这些复杂特征的空间数据，如何组织和建立它们之间 的联系，以便计算机存储和操作，这称为数据结构。 GIS中空间数据计算机表示的基本方法是：（1）空间分幅 ：即将整个地理空间划分为许多子空

15、间，再选择要表达的 子空间；（2）属性分层：即将要表达的空间数据抽象成 不同类型属性的数据层来表示；（3）时间分段：将有时 间特征的地理数据按其变化规律分为不同的时间段数据， 再逐一表示。2.2 地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示以ARC/INFO基于矢量数据模型的系统为例，为了将空间 数据存入计算机， 首先，按照空间位置将整个区域划分为若干个幅面； 其次，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层，如土 地利用、地形、道路、居民区、土壤单元、森林分布等， 一个专题层包含指定区域内地理要读的位置数据和属性数 据；2.2 地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示 然后，将一个专题层的地

16、理要素或实体分解为点、线或面 状目标，其中地理实体相邻两个结点间的一个弧段是基本 的存储目标，每个目标的数据由定位数据、属性数据和拓 扑数据组成； 最后，对目标进行数字表示，其中对每个弧段或目标分配 一个用户标识码，弧段的位置和形状由一系列x、y坐标定 义，弧段的拓扑关系由始结点、终结点、左多边形和右多 边形四个数据项组成，弧段的属性数据存储在相应的属性 表中。每个弧段的空间特征和属性特征通过用户标识码进 行联接。2.2 地理空间数据及其特征四、空间数据的计算机表示 空间数据的这种表示方法，是以地理实体相邻两个结点间的一 个弧段作为基本存储目标，每个弧段都是一个有向弧段，这些 有向弧段的集合就构成一类真实的实体或现象。计算机存储了 这些有向弧段，因此也就存储了现实世界的地理实体和图形。 当对存储的目标或数据库进行GIS操作或分析时，同一层数据 可以按类型提取，重要地理实体如县以上境界、县以上境界、 县以上居民地、主要河流、主要交通线等可以按实体提取。同 一图幅的不同图层的数据可以相互叠合