地理信息系统的空间特性ppt培训课件

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1、第二讲 地理信息系统的空间特性,空间实体及其描述 空间问题论述 空间处理方法,XX大学测绘与国土管理工程系,2.1 空间实体及其描述,.2.1.1 空间实体 将空间地理现象进行抽象得到空间对象或称空间实体、空间目标。 研究目标：研究空间实体的物理表示。 实体类型：点、线、面、体等。 实体属性：对实体特性的描述，属性有属性值的概念并有等级之分。 实体要素：实体要素是点、线、面、体多种要素的复杂组合。,2.1.2 空间实体的类型与关系,1.1.2.1 空间实体的基本特征 空间实体具有以下三个基本特征： （1）空间特征 空间特征又分为空间位置和拓扑关 系。空间特征也称为几何特征或定为 特征，一般以坐

2、标数据表示。 （2）属性特征 对空间实体特性的描述，例如实 体名称、分布、数量、等级等特性。 （3）时间特征 描述空间实体随时间的变化。,图2-1 空间实体的基本特征,2.1.2.2 空间实体的类型,空间实体根据空间特性可以进行分类，所以空间实体常常被认为由一些基本的空间单元（指那些基本的、实际的、不可再分的元素）组合而成。组合方式说明空间实体的空间特征。图2-2描述了空间单元的类型。,图2-2 空间单元的类型,2.1.2.2 欧式（Euclidean）空间及欧式空间中的空间实体单元,地理模型建立的基础就是嵌入到一个坐标空间中，在这种坐标空间中，可以测量和计算点之间的距离和方位，这个带坐标的空

3、间模型叫做欧式空间。 在欧式空间，空间实体单元可有零维、一维、二维、三维之分，即点、线、面。体。空间实体单元的二维和三维情况表示如图2-3。,图2-3 实体单元二维和三维情况,点状实体 点（Point）：有特定位置，维数为0的实体。有如下几种类型： 实体点Entity point：用来代表一个实体； 注记点Text point：用于定位注记； 内点Test point：用于负载多边形的属性，存在于多边形内； 结点Node：表示线的终点和起点； 角点Vertex：表示线段和弧段的内部点。,实体的类型（1）,线状实体由一列有序坐标表示如下特性，维数为0的实体； 实体长度：从起点到终点的总长； 弯曲

4、度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度； 方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。 线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等。 线状实体类型 线状实体类型如图2-4所示。,实体的类型（2）,图2-4 线状实体类型,面状实体 面状实体也称为多边形，是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。 面状实体空间特性 周长、面积范围； 独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家； 内岛或锯齿状外形； 重叠性与非重叠性； 面状实体类型 面状实体类型如图2-5所示。,实体的类型（3）,图-5 面状实体类型,立体状实体 立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体。 立

5、体状空间特性它具有长度、宽度及高度等属性。体积，如工程开掘和填充的土方量；每个二维平面的面积、周长等；内岛或锯齿状外形；含有孤立块或相邻块；断面图与剖面图。,实体的类型（4）,2.1.3 实体类型组合现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如： 1）根据某些空间单元，可以将空间问题表达出来一个特殊任务有时需要几种空间单元来描述； 2）复杂实体有可能由不同维数和类型的空间单元组合而成； 3）某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合实例； 4）某一类型的空间实体或以转换为另一类型； 5）某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组合而成。 图2-6表示了不同空间单元

6、组合的现象。,图2-6 实体类型组合,2.1.4 空间实体的时间维 （亦称空间实体的时间特征）的处理,对空间实体或者组合事件的时间维的描述可用 以下方式： 1）作为记录事件或属性的基本成份； 2）作为没有空间特性发生改变的实体的一个属性； 3）作为观察空间实体变化的参考； 图2-7是空间实体的时间维处理实例。,图2-7 不同时间的处理方法,2.1.5 空间实体在地理信息系统中的表示,2.1.5.1 单一特征的表示 在地理信息系统中，点特征用一组x、y坐标表示，线特征用一维有序的x、y坐标表示，面用一组首尾相同的坐标表示.。 空间实体在GIS中的单一特征表示如图2-8所示。,图2-8 空间实体在

7、GIS中的单一特征表示,注： （3，3）可用于表示一个点的位置。 （1，7）， （3，5）， （5，5）， （5，3）， （6，1），可用于表示一条线。 （3，10）， （6，9）， （7，10）， （10，7）， （9，5）， （4，6）， （3，8）， （3，10）可用于表示 一个多边形。注意第一个坐标和最后一个坐标相同，因为多边形总是封闭的。,如果具有多种特征，就需要对每一特征给定一个序号。每一特征的坐标可以用与每一特征的坐标列表有关的序号来描述。空间实体在GIS中的多种特征表示如图2-9 所示。,2.1.5.2 多种特征的表示,图2-9 空间实体在GIS中的多种特征表示,例如，表示道路

8、的一组线特征的属性包括： 道路类型：1=分隔行驶的公路2=干线公路3=主要公路4=住宅区街道5=未铺完的公路 路面材料：混凝土、柏油、砾石 路面宽度：以米计量 道路名称：计数在GIS系统中可有如下的描述 道路类型 长度（M） 路面材料 宽度（M） 行人道路 道路名称2 2715.5 混凝土 52 4 八一路,2.1.5.3 带有属性的空间特征的表示,图2-10 坐标表示和属性表示之间共享的是同一识别码,2.2 空间问题论述,2.2.1 空间问题 人类开发和利用地理信息系统是因为它能处理与空间实体之间的各类空间问题。空间问题的一些形式如图2-11所示。,空间问题的一些形式,测量与空间关系的一些形

9、式,图2-11 空间问题的一些形式,1、条件定位：即根据一定的条件与规则确定物体的位置或者路径。例如； 路径选取：路程最短，时间最省，经费最少 定位选取：根据属性查询空间位置 资源分配 开销安排,空间问题分类1,2、间接推理：即通过建立模型进行的空间决策和预测。例如； 项目选址 灾害预测与预报 环境分析 长度、体积、面积、坡度等量算,空间问题分类（续）,3、空间参考： 特定的笛卡尔坐标或极坐标。 邻接性识别，也就是说，线状实体或面状实体与某特定实体相接触。 线性定位物。 最小尺寸的封闭矩形。 地名或数字代码。 地块、分区及其它外形规则或不规则的空间块。 空间参考的几种形式如图2-12所示。,空

10、间问题分类（续）,图2-12 空间参考的几种形式,一般空间特性 统计特性 复杂特性,2.2.2 空间特性,长度：河流长度、湖泊边界、公路长度。 表面积；湖泊、岛屿、某区域面积。 体积：土方量、库容量 规则外表：圆形、方形 不规则外形：锯齿形海岸线、湖泊水涯线。 方向：山丘的坡向 坡度,2.2.2.1 一般空间特性,相同属性的实体，可根据统计特性进行区分 最大值和最小值的范围 平均值以及变化值,2.2.2.2 统计特性,不相连地物的分布模式 居宅建筑发展的安排方式，或农场划分土地或地块的路径布局 交通信号灯的距离，以及从不同位置到达城市中心的总计开销时间。 各个地区的相邻地区数。 航空交通系统的

11、网络 穿越某区域的候鸟主要走向 现象的连续性。,2.2.2.3 复杂特性,2.3.1 空间关系的基本概念空间实体之间的空间区位关系可抽象为点、线、面之间的空间几何关系。空间实体之间的部分拓扑关系如图2-13所示。空间实体空间关系包含三种基本类型：拓扑关系方向关系度量关系。,2.3 空间关系分析,图2-13 空间实体之间的部分拓扑空间关系,1 点-点关系 相和； 分离； 一点为其它诸点的几何中心； 一点为其它诸点的重心。2 点-线关系 点在线上：可以计算点的性质，如拐点等； 线的端点：起点与终点； 线的交点； 点与线分离：可以计算点到线的距离。,3 点-面关系 点在区域内：可以计数和统计； 点在

12、区域的几何中心； 点在区域的地理重心； 点在区域的边界上； 点在区域的外部。4 线-线关系 重合； 相接：首尾环接或顺序相接； 相交； 相切； 平行。,5 线-面关系 区域包含线：可计算区域内线的密度； 线穿过区域； 线环绕区域：对区域边界，可以搜索其左右区域名称； 线与区域分离；6 线-线关系 相合； 相交：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或； 相邻：计算相邻便捷的性质和长度； 分离：计算距离、引力等。,1.2.3.2 拓扑空间关系分析,1 拓扑属性 “拓扑”一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。,表2-1欧

13、式平面上空间实体所具有的拓扑和非拓扑属性,从表中可以看出，拓扑属性描述了两个空间实体之间的关系，图2-14为拓扑空间关系的形式化表达。,图2-14 拓扑空间中的点与邻域,2 拓扑描述的数学基础点集拓扑学 由于拓扑学是研究图形在拓扑变换下不变的性质，拓扑学已经成为地理信息系统空间关系的理论基础，为点、线、面之间的包含、覆盖、相离合相接等空间关系的描述提供直接的理论依据。,3 拓扑空间关系描述9交模型,9交模型形式化地描述了离散空间实体的拓扑关系，基于9交模型可以定义空间数据库的一致性，并应用于数据库更新、维护中。此外， 9交模型也是进一步研究空间关系的基础。 9交模型一共可以表达512种可能的空

14、间关系，但实际上有些关系不存在。可能的拓扑关系：面/面：6种，面/线：19种，面/点：3种，线/线：16种，线/点：3，点/点：2种。图2-15给除了这些可能关系的图示。3 拓扑空间关系识别,图2-15 9交模型所描述拓扑图示,1.2.3.3 方向空间关系分析 1方向关系描述,2方向关系识别,1.2.3.4 度量空间关系分析,1 空间指标量算,2 地理空间的距离度量1）大地测量距离：该距离即沿着地球大圆经过两个城市中心的距离。 2）曼哈顿距离：纬度差加上经度差。 3）旅行时间距离：从一个城市到另一个城市的最短时间可以用一系列指定的航线来表示。 4）词典距离：在一个固定的地名册重一系列城市中他们

15、位置之间的绝对差值。地球上各种形式距离如图2-16 。,图2-16 地球上各种形式的距离,1.3 空间处理方法,1.3.1 空间实体关系 三类基本空间单元之间可能的6种关系； 1、点点关系 2、点线关系 3、点面关系 4、线线关系 5、线面关系 6、面面关系,1.3.2内插法和外插法,1.3.2.1 内插法 1）最近值内插：从最接近的数据点取值。 2）使用基于两点的简单直线内插。 3）基于三点或更多点的曲线内插：可以采用样条函数。 4）随机内插：基于一定数目的已知点、参数和随机点来内插。 5）模型内插：建立一定的模型来内插。 内插法如图2-15所示。1.3.2.2 外插法 如果是讨论数据点范围

16、外的情形，称外插法，也有5种。 外插法如图2-16所示。,图2-15 内插法,图2-16 外插法,1.3.2.3 对于复杂的模型有时根据情况选择1、两个或三个坐标维； 2、多种方法选择数据点； 3、用内插还是外插，或者同时使用； 4、用何种处理模型，如线型、样条、模型等。一般来说，要遵循以下几个原则： 1、确定一定数目的数据点来表示每个格网位置； 2、确定偏离格网位置的距离； 3、确定出偏离格网但在其方向范围内的位置； 4、使用的内插法或外插法过程。在几何推理过程中，有两点应注意： 1、采样点数目可能不能完整表示空间分区； 2、空间自相关情形。,1.3.3 线和点的基本操作,1、线交叉 2、线段交叉 1）线性方程 2）终点坐标 3）两端点间的路径 计算两条线交叉的同时，还须注意验证以下两点：A、算出交叉点后，应检测该点是否落在两条线段内；B、用参量方程，看参量t和s是否属于0到1的范围内。 3、点在多边形内的处理 4、质心的确定 5、基于点数据的某些空间统计,