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1、地理信息系统 Geographical Information System,第二章 地理信息系统的数据结构,2019/4/20,2,第一节 地理空间及其表达,一、地理空间的概念,地理空间定义 不同学科dui “空间”（Space）概念的解释： 物理学，空间是指宇宙在三个相互垂直方向上所具有的广延性；天文学，空间是指时/空连续体的一部分； 地理学，地理空间（Geographic space）是指物质、能量、信息的存在形式在空间形态、结构过程、功能关系上的分布、格局及其在时间上的延续。 地理信息系统中的“地理空间”，一般包括地理空间定位框架及其所关联的空间对象。,2019/4/20,3,地理空间
2、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（空间参考）； GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；,2019/4/20,4,1、GEOSPATIAL研究内容,GEO-SPATIAL,地理空间 定位框架,平面控制网,高程控制网,参考椭球体,空间实体,地理空间信息的几何形态,地理空间信息时空分布规律,地理空间信息相互关系,2019/4/20,5,（1）定位坐标系：平面控制网,2019/4/20,6,人们对平面控制网的认识过程,2019/4/20,7,不同地理空间模型之间的关系 固体地球表面、大地水准面和椭球体模型之间的关系,2019/4
3、/20,8,（2）定位坐标系：高程控制网,2019/4/20,9,（1）定义：将地球椭球面上的点映射到平面上的 方法，称为地图投影,2、地图投影,2019/4/20,10,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,2019/4/20,11,（2）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
4、定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式,2019/4/20,12,（3）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,2019/4/20,13,（4）投影方法,2019/4/20,14,（5）投影分类,2019/4/20,15,（6）投影影响因素 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,2019/4/20,16,2 地图投影,GIS以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信息则是在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。 GIS数据库中地理数据以地
5、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。,(7)GIS中的地图投影,2019/4/20,17,（8）我国常用的地图投影,小比例尺的中国行政区划图：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影） 大部分分省图、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。 世界政区图：等
6、差分纬线多圆锥投影；正切差分纬线多圆锥投影 世界交通图、时区图：墨卡托投影（等角正轴圆柱投影）,2地图投影,2019/4/20,18,二 空间实体的表达,1、矢量表示法：如果采用一个没有大小的点（坐标）来表示点元素时，就称为矢量表示法。 2、栅格表示法：如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，就称为栅格表示法。,2019/4/20,19,空间实体表达：矢量表示法,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), (xn,yn),(x1,y1) 属性：
7、符号变化， 等值线,2019/4/20,20,空间实体表达：栅格表示法,2019/4/20,21,第二节 地理空间数据及其特征,一、GIS的空间数据的分类 1、按数据来源 （1）地图数据 普通地图和专题地图 （2）影像数据 卫星遥感和航空遥感数据 （3）文本数据 来源于各类调查报告，实测数据，文献资料，解译信息等,2019/4/20,22,一、GIS的空间数据的分类,、按数据结构分类 （1）矢量数据结构： 是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。 （2）栅格数据结构：基于栅格模型的数据结构，即指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
8、来表示地理实体的一种数据组织形式。,2019/4/20,23,一、GIS的空间数据的分类,、按数据特征分类 （1）空间定位数据 表达空间实体在地球上位置的坐标数据 （2）非空间数据 是关于空间实体自身的名称，种类，质量，数量等特征的数据,2019/4/20,24,一、GIS的空间数据的分类,、按数据的几何特征分类 （1）点：对维的空间实体的抽象数据。 （2）线：对维线性的空间实体的抽象数据。 （）面：对维平面的空间实体的抽象数据。 （）曲面：对在面上连续分布的空间实体的抽象数据，通常称.维数据。 （）体：对维的空间实体的抽象数据。,2019/4/20,25,一、GIS的空间数据的分类,5、按数
9、据的发布形式（数据） （1）数字线画图（）数据： 对现有地形要素的矢量数据，保存个要素间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（）数据： 现有纸质地图经计算机处理后得到的栅格数据文件 （）数字高程模型（）数据： 以数字形式表达的地形起伏数据 （）数字正射影像（）数据：对遥感数字影像，经逐像元进行投影差改正，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,2019/4/20,26,GIS的空间数据类型,点 线 面 体 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,2019/4/20,27,点,美国佛罗里达洲
10、地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置,2019/4/20,28,线,香港城市道路网分布,2019/4/20,29,面,中国土地利用分布图（不连续面）,2019/4/20,30,体,香港理工大学校园立体效果图,2019/4/20,31,二 空间数据的基本特征,1、空间数据的基本特征及信息,2019/4/20,32,三 空间数据的拓扑关系,2、空间数据的拓扑关系 （1）分类 拓扑元素：点、线、面 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,2019/4/20,33,拓扑包含的分类,1、简单
11、包含 IDP1 IW1 IP0 IDP2 IW0 IP0 2、多层包含 IDP1 IW1 IP0 IDP2 IW1 IP0 3、等价包含 IDP1 IW3 IP0 IDP2 IW0 IP0 ID代表当前多边形；IW表示等价包含；IP表示ID为岛（IP 0）或非岛（IP 0） ；,2019/4/20,34,（2）空间拓扑关系表达：关系表,二 空间数据的基本特征,2019/4/20,35,（3）构建拓扑关系的意义 A根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。 B利用拓扑数据有利于空间要素的查询。 C可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 D保证数字化
12、原始数据的自动查错编辑。,三 空间数据的拓扑关系,2019/4/20,36,四 空间数据的计算机表示,ARC/INFO 矢量数据模型的系统 1、将空间数据抽象为不同的专题或层 （每个专题层包含指定区域内地理要素的位置数据和属性数据） 2、将一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标。（地理实体相邻两个结点间的一个弧段是基本的存储目标，每个目标的数据包括由定位数据、属性数据和拓扑结构组成）,2019/4/20,37,四 空间数据的计算机表示,3、空间数据表示方法： （1）空间分幅：将整个地理空间划分为许多子空间，再选择要表达的子空间。 （2）属性分层：将要表达的空间数据抽象成不同类型属性的
13、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划分为不同的时间段数据，再逐一表示。,2019/4/20,38,四 空间数据的计算机表示,4、空间数据表示 类型：具有相同的分类码的同类目标组成类型 ID 图层：一类或相近的若干类构成数据层； 图幅：若干数据层构成图幅； 数据库：全部数据组成数据库。 目标的数字表示： A每个弧段或目标分配一个用户标识码（USEID） B弧段的位置和形状由一系列x,y坐标定义 C弧段的拓扑关系由始结点、终结点、左多边形和右多边形数据项组成 D弧段的属性数据存储在相应的属性表中 E每个弧段的空间特征和属性特征通过用户标识码进行联结。,2019/4/
14、20,39,第三节 空间数据结构的类型,1、数据结构：是适合于计算机存储、管理、处理的数据逻辑表达。（指数据以什么形式在计算机中存储和管理） （矢量数据结构，栅格数据结构） 2、矢量数据：是面向地物的结构，即对于每一个具体的目标都会直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明。 3、栅格数据：面向位置的结构，平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。 4、矢栅一体化结构：矢量和栅格两格结构的特征。,2019/4/20,40,一 矢量数据结构 （1）矢量：具有大小和方向的量的向量 （2）矢量数据结构：基于矢量模型的数据结构即为矢量数据，是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来
15、表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。 （3）矢量数据结构的特点： A 能最好地逼近地理实体的空间分布特征 B 数据精度高 C 数据存储的冗余度低 D 便于进行地理实体的网络分析 E 对于多层数据的叠合分析比较困难,2019/4/20,41,（一）矢量数据结构的类型 1、简单数据结构 只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系（又称面条结构）。 存储:（1）独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； （2）点位：点坐标独立存储，线、面由点号组成 特征:（1）无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询； （2）公共边重复存储，数据冗余，难以保证数据独立性； 和一致性多边形分解和合并不易进行
16、，邻域处理较复杂 （3）处理嵌套多边形比较麻烦。 简单数据结构适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析。,2019/4/20,42,例：,2019/4/20,43,2、拓扑数据结构 包括DIME（对偶独立地图编码法，由美国人口调查局建立）、POLYVRT（多边形转换器，由美国计算机图形及空间分析实验室创立）、TIGER(地理编码和参照系统的拓扑集成）等。 特点:（1）点是相互独立的，点连成线，线构成面。 （2）每条线始于起始结点（FN）止于终止结点（TN）并 与左右多边形（LP和RP）相邻接。 （3）构成多边形的线又称为链段和弧段，两条以上的弧 段相交的点称为结点，由一条弧组成的多边形称为岛， 多边形中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连 通区域含岛的多边形称为复合多边形，表示复连通 区域。如下图,2019/4/20,44,拓扑结构：全显式表达,
