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1、第四章第四章 GIS中的数据中的数据第三节第三节 空间数据的特征及其表示方法空间数据的特征及其表示方法 空间信息、属性信空间信息、属性信息、时间信息。息、时间信息。分别对分别对应地理数据的三个基本应地理数据的三个基本特征：特征：空间特征空间特征（定位（定位数据），数据），属性特征属性特征（非（非定位数据），定位数据），时间特征时间特征（时间尺度）。（时间尺度）。对空间数据的处理是对空间数据的处理是GISGIS的核心功能，的核心功能，GISGIS中的数据通常中的数据通常描述三部分的信息：描述三部分的信息：空间数据的基本特征空间数据的基本特征 一、一、 空间数据的类型空间数据的类型 在在GISGI
2、S中，按照其特征，空间数据可分为三种类型：中，按照其特征，空间数据可分为三种类型：空间特征数据：空间特征数据：表示空间实体的位置或现在所处的地理位置表示空间实体的位置或现在所处的地理位置以及拓扑关系和几何特征。以及拓扑关系和几何特征。位置和拓扑特征是地理或空间信息系位置和拓扑特征是地理或空间信息系统所独有的。统所独有的。专题特征数据：专题特征数据：专题特征是指地理实体所具有的各种性质，如专题特征是指地理实体所具有的各种性质，如地形的坡度、坡向、某地的年降水量、人口密度、交通流量等。专题属地形的坡度、坡向、某地的年降水量、人口密度、交通流量等。专题属性通常以数字、符号、文本和图象等方式表达。性通
3、常以数字、符号、文本和图象等方式表达。时间特征数据：时间特征数据：是指地理实体的是指地理实体的时间变化或数据采集的时间等。时间变化或数据采集的时间等。对于于现有的有的大量大量GISGIS，由于它由于它们并非是并非是时态 GISGIS，或者或者由于有些空间数据随时间变化相对较慢，有由于有些空间数据随时间变化相对较慢，有时时，把，把专题属性和属性和时间特征数据特征数据统称称为属性属性数据。数据。 环境污染程度图一般地，表示地理现象的空间数据可以细分为：一般地，表示地理现象的空间数据可以细分为：类型数据：类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；面域数
4、据：面域数据：例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等；网络数据：网络数据：例如道路交点、街道和街区等；例如道路交点、街道和街区等；样本数据：样本数据：例如气象站、航线和野外样方的分布区等；例如气象站、航线和野外样方的分布区等；曲面数据：曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域；例如高程点、等高线和等值区域；文本数据：文本数据：例如地名、河流名称和区域名称；例如地名、河流名称和区域名称；符号数据：符号数据：例如点状符号、线状符号和面状符号（晕线）等。例如点状符号、线状符号和面状符号（晕线）等。 二、空间数据的表示方法二、空间数据的表示方法中
5、中各各种种数数据据及及其其表表现现三、空间数据的拓扑关系及其表示三、空间数据的拓扑关系及其表示1.1.拓扑属性和非拓扑属性拓扑属性和非拓扑属性“拓拓扑扑”（Topology）一一词词来来源源于于希希腊腊文文，它它的的原原意意是是“形形状状的的研研究究”。拓拓扑扑学学是是几几何何学学的的一一个个重重要要分分支支，它它研研究究在在拓拓扑扑变变换换下下能能够够保保持不变的几何属性持不变的几何属性-拓扑属性。拓扑属性。 形形象象说说明明：假假设设欧欧氏氏平平面面是是一一块块高高质质量量无无边边界界的的橡橡皮皮，该该橡橡皮皮能能够够伸伸长长和和缩缩短短到到任任何何理理想想的的状状态态。想想象象一一下下基
6、基于于这这张张橡橡皮皮所所绘绘制制的的图图形形，允允许许这这张张纸纸伸伸长长但但不不能能撕撕破破或或者者重重叠叠，这这样样，在在橡橡皮皮形形状状变变化化的的过过程程中中，图图形形的的一一些些属属性性将将继继续续存存在在，而而一一些些属属性性则则将将发发生生变变化化。例例如如，在在橡橡皮皮表表面面有有一一个个多多边边形形，多多边边形形内内有有一一点点A A，那那么么，无无论论对对橡橡皮皮进进行行压压缩缩或或拉拉伸伸，点点依依然然在在多多变变性性内内部部。点点A A和和多多边边形形边边界界间间的的空空间间位位置置关关系系不不改改变变，但但多多边边形形的的面面积积会会发发生生变变化化。这这时时，我我
7、们们称称多多边边形形内内的的点点具具有有拓拓扑扑属属性性，而面积则不具有拓扑属性，拉伸和压缩这样的变换称为拓扑变换。而面积则不具有拓扑属性，拉伸和压缩这样的变换称为拓扑变换。拓拓扑扑属属性性 一个点在一个弧段的端点；一个点在一个弧段的端点；一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）；一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）； 一个点在一个区域的内部；一个点在一个区域的内部；一个点在一个区域的外部；一个点在一个区域的外部；一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）。以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）。 两点间的距离
8、，弧段的长度；两点间的距离，弧段的长度；区域的面积；区域的面积；一个点指向另一点的方向。一个点指向另一点的方向。非拓扑非拓扑属性属性附表：欧氏平面上空间对象部分拓扑和非拓扑属性附表：欧氏平面上空间对象部分拓扑和非拓扑属性 . . 拓扑关系拓扑关系基本拓扑关系：基本拓扑关系：v 拓扑邻接：拓扑邻接：相同拓扑元素之间的关系。相同拓扑元素之间的关系。v拓扑关联：拓扑关联：不同拓扑元素之间的关系。不同拓扑元素之间的关系。v拓扑包含：拓扑包含：指不同指不同级别或不同或不同层次的多次的多边形形图形形实体之体之间的拓扑关系的拓扑关系 。拓扑元素：拓扑元素：vv 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点点
9、：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点v 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段v 面：若干弧段组成的多边形面：若干弧段组成的多边形N1N2N3N4P1P2P3A1A2A3A4A5A6N5A7P4空间数据拓扑关系示意图在左下图中，在左下图中， (a)(a)、(b)(b)、(c)(c)分别有分别有2 2、3 3、4 4个层次。个层次。同一层次同一层次的含义是：在同一有限的空间范围内（如同一外接多的含义是：在同一有限的空间范围内（如同一外接多边形），那些具有邻接和关联拓扑关系或完全不具备邻接和关边形），那些具有邻接和关联拓扑关系或完全不具备邻接
10、和关联拓扑关系的多边形处于同一级别或同一层次。联拓扑关系的多边形处于同一级别或同一层次。 在右下图中，结点在右下图中，结点N1N1与结点与结点N2N2、N3N3相邻，多边形相邻，多边形P1P1与与P2P2、P3P3相邻。相邻。N1N1结点与弧段结点与弧段A1A1、A5A5、A3A3相关联，多边形相关联，多边形P2P2与弧段与弧段A3A3、A5A5、A6A6相关联相关联 。(b)(c)（a）拓扑关系拓扑关系（续）（续） 空空间间数数据据的的拓拓扑扑关关系系，在在地地理理信信息息系系统统的的数数据据处处理理和和空空间间分分析析中具有十分重要的作用。中具有十分重要的作用。v 根根据据拓拓扑扑关关系系
11、，不不需需要要利利用用坐坐标标和和距距离离就就可可以以确确定定一一种种空空间间实实体体相相对对于于另另一一种种空空间间实实体体的的空空间间位位置置关关系系。因因为为拓拓扑扑数数据据已已经经清清楚楚地地反反映映出出空空间间实实体体间间的的逻逻辑辑结结构构关关系系，而而且且这这种种关关系系较较之之几几何何数数据据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。v 利利用用拓拓扑扑数数据据有有利利于于空空间间数数据据的的查查询询。例例如如判判别别某某区区域域与与那那些些区区域域邻邻接接；某某条条河河流流能能为为那那些些居居民民区区提提供供水水源源，某某行行政政区区域域
12、包包括括那那些土地利用类型等等。些土地利用类型等等。v 利用拓扑数据进行道路的选取，进行最佳路径的计算等。利用拓扑数据进行道路的选取，进行最佳路径的计算等。四、空间关系四、空间关系空间关系是指地理空间实体对象之间的空间关系是指地理空间实体对象之间的空间相互空间相互作用关系作用关系。通通常将空间关系分为三大类：常将空间关系分为三大类：（1 1）拓拓扑扑空空间间关关系系：描描述述空空间间实实体体之之间间的的相相邻邻、包包含含和和相相交等空间关系。交等空间关系。 (2)(2) 顺顺序序空空间间关关系系：描描述述空空间间实实体体之之间间在在空空间间上上的的排排列列次次序，如实体之间的前后、左右和东南西
13、北等方位关系。序，如实体之间的前后、左右和东南西北等方位关系。 (3)(3) 度度量量空空间间关关系系：描描述述空空间间实实体体的的距距离离或或远远近近等等关关系系。距离是定量描述，而远近则是定性描述。距离是定量描述，而远近则是定性描述。拓扑空间关系示意图拓扑空间关系示意图第四第四第四第四节节 数据的数据的数据的数据的测测量尺度量尺度量尺度量尺度 命名量命名量：定性而不定量。只定性而不定量。只对特定特定现象象进行行标识，赋予一予一定的数定的数值或符号而不定量描述。或符号而不定量描述。 Nominal variables are those which are described by name
14、, with no specific order. Categories of land use (such as parks, wilderness areas, residential districts, and central business districts) and trees (such as Eucalyptus calophylla, Pinus coulteri, and Quercus agrifolia) are different kinds of nominal variables. These are common in many kinds of thema
15、tic maps. 次序量次序量：线性坐性坐标上不按上不按值得大小，而是按得大小，而是按顺序排列的数；序排列的数；次序次序测量尺度是基于量尺度是基于对现象象进行排序来行排序来标识的。的。 Ordinal variables are lists of discrete classes, but with an inherent order. Classes of streams (first order, second order, and so forth; referring to the number of tributaries which contribute to the strea
16、m) or levels of education (primary, secondary, college, post-graduate) are ordinal variables since the discrete classes have a natural sequence. 间隔量隔量：不参照某个固定点，而是按不参照某个固定点，而是按间隔表示相隔表示相对位位置的数据。如：温度。置的数据。如：温度。 Interval variables have a natural sequence, but in addition, the distances between the value
17、s have meaning. Temperature measured in degrees Celsius is an interval variable, since the distance between 10C and 20C is the same as the distance between 20C and 30C. 比率量比率量：比例比例测量尺度的量尺度的测量量值指那些有真零指那些有真零值而且而且测量量单位的位的间隔是相等的数据，比例隔是相等的数据，比例测量尺度与使用的量尺度与使用的测量量单位无关。位无关。 Ratio variables have the same cha
18、racteristic as interval variables, but in addition, they have a natural zero or starting point. Since degrees Celsius is a measurement with an arbitrary zero point, the freezing point of pure water, it fails the latter test.各种数据测量尺度及其制图表现第五节第五节 GIS中的中的数据质量数据质量 判断空间数据质量应根据数据的用途确定其标准。基于判断空间数据质量应根据数据的用
19、途确定其标准。基于GISGIS技术的广泛应用和发展趋势，它的数据质量标准应该是明技术的广泛应用和发展趋势，它的数据质量标准应该是明确的，可操作的。确的，可操作的。 一、与数据质量相关的几个概念一、与数据质量相关的几个概念(1)误差误差(Error)：反映了数据与真实性或者大家公认的真值之间的差异；反映了数据与真实性或者大家公认的真值之间的差异；(2)准确性准确性(Accuracy)：结果、计算值或估计值与真实值之间的接近程度；结果、计算值或估计值与真实值之间的接近程度；(3)精度精度(Precision)：指数据表示的精密程度；指数据表示的精密程度； (4)(4)数数据据的的不不确确定定性性(
20、Uncertainty)(Uncertainty)：它它是是关关于于空空间间过过程程和和特特征征不不能能被被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。 （5 5）空间分辨率）空间分辨率：是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异。：是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异。 （6 6）比例尺）比例尺：地图上的距离和它所表现的：地图上的距离和它所表现的“真实世界真实世界”距离的比例。距离的比例。二、空间数据质量问题的来源二、空间数据质量问题的来源 从空间数据的形式表达到空间数据的生成，从空间数据的形式表达到空间数据的生成，从空间数据的处理变
21、换到空间数据的应用过程从空间数据的处理变换到空间数据的应用过程中，都会有数据质量问题的产生。中，都会有数据质量问题的产生。 （1 1）空间现象自身存在的不稳定性）空间现象自身存在的不稳定性 （2 2）空间现象的表达）空间现象的表达 （3 3）空间数据处理中的误差）空间数据处理中的误差 （4 4）空间数据使用中的误差）空间数据使用中的误差数据处理过数据处理过程程误差来源误差来源数据搜集数据搜集野外测量误差：仪器误差、记录误差野外测量误差：仪器误差、记录误差遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印
22、刷地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷数据输入数据输入数字化误差：仪器误差、操作误差数字化误差：仪器误差、操作误差不同系统格式转换误差：栅格不同系统格式转换误差：栅格- -矢量转换、三角网矢量转换、三角网- -等值线转换等值线转换数据存储数据存储数值精度不够数值精度不够空间精度不够：每个格网点太大、地图最小制图单元太大空间精度不够：每个格网点太大、地图最小制图单元太大数据处理数据处理分类间隔不合理分类间隔不合理多层数据叠合引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差多层数据叠合引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差比例尺太小引起的误差比例尺太小引起的误差数据输出数据输
23、出输出设备不精确引起的误差输出设备不精确引起的误差输出的媒介不稳定造成的误差输出的媒介不稳定造成的误差数据使用数据使用对数据所包含的信息的误解对数据所包含的信息的误解对数据信息使用不当对数据信息使用不当附表：数据的主要误差来源附表：数据的主要误差来源三、常见空间数据的误差分析三、常见空间数据的误差分析 1.1.误差的类型误差的类型 数据误差的类型可数据误差的类型可以是随机的，也可以是以是随机的，也可以是系统的。归纳起来，数系统的。归纳起来，数据误差主要有四大类：据误差主要有四大类：几何误差、逻辑误差、几何误差、逻辑误差、时间误差和属性误差。时间误差和属性误差。 （1） 逻辑误差逻辑误差（2）
24、几何误差几何误差 点误差点误差 线误差线误差 各种逻辑误差 2.2.地图数据的质量问题地图数据的质量问题 地图数据是现有地图经过数字化或扫描处理后生成的地图数据是现有地图经过数字化或扫描处理后生成的数据。数据。 （1 1）地图固有误差：）地图固有误差：是指用于数字化的地图本身所带是指用于数字化的地图本身所带有的误差，包括控制点误差、投影误差等。有的误差，包括控制点误差、投影误差等。 （2 2）材料变形产生的误差：）材料变形产生的误差：这类误差是由于图纸的大这类误差是由于图纸的大小受湿度和温度变化的影响而产生的。小受湿度和温度变化的影响而产生的。 （3 3）图象数字化误差：）图象数字化误差：数字
25、化方式主要有跟踪数字化数字化方式主要有跟踪数字化和扫描数字化两种。和扫描数字化两种。 3. 遥感数据的遥感数据的质量量问题 （1 1）来自遥感）来自遥感仪器的器的观测过程；程； （2 2）来自遥感）来自遥感图像像处理和解理和解译过程。程。4. 测量数据的量数据的质量量问题 （1 1）系）系统误差；差； （2 2）操作）操作误差；差； （3 3）偶然）偶然误差。差。第六节第六节 空间数据的元数据空间数据的元数据 u“meta”meta”是一希腊语词根，意思是是一希腊语词根，意思是“改变改变”，“Metadata”Metadata”一词的原意是关于数据变化的一词的原意是关于数据变化的描述。描述。
26、u 一般都认为元数据就是一般都认为元数据就是 “ “描述数据的数描述数据的数据据”或者或者“关于数据的数据关于数据的数据”。是说明数据内容、。是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。质量、状况和其他有关特征的背景信息。u 元数据是关于数据的描述性数据信息，它应元数据是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。异。 1. 元数据的概念元数据
27、的概念 在地理信息系统应用中，元数据的主要作用：在地理信息系统应用中，元数据的主要作用： （1）帮帮助助数数据据生生产产单单位位有有效效地地管管理理和和维维护护空空间间数数据据、建建立立数数据据文文档档，并并保保证证即即使使其其主主要要工工作作人人员员离离退退时时，也也不不会会失失去对数据情况的了解；去对数据情况的了解； （2）提提供供有有关关数数据据生生产产单单位位数数据据存存储储、数数据据分分类类、数数据据内内容容、数数据据质质量量、数数据据交交换换网网络络及及数数据据销销售售等等方方面面的的信信息息，便于用户查询检索地理空间数据；便于用户查询检索地理空间数据； （3）帮帮助助用用户户了了
28、解解数数据据，以以便便就就数数据据是是否否能能满满足足其其需需求求做出正确的判断；做出正确的判断； （4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。 （1）对对数数据据集集的的描描述述；对对数数据据集集中中各各数数据据项项、数数据据来源、数据所有者及数据序代等的说明；来源、数据所有者及数据序代等的说明； （2）对对数数据据质质量量的的描描述述，如如数数据据精精度度、数数据据的的逻逻辑辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等；一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等； （3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；）对数据处理信息的说明，如
29、量纲的转换等； （4）对数据转换方法的描述；）对数据转换方法的描述； （5）对数据库的更新、集成等的说明。）对数据库的更新、集成等的说明。2. 元数据的内容元数据的内容3. 元数据的类型元数据的类型（1）根据元数据的内容分类）根据元数据的内容分类 科科研研型型元元数数据据：其其主主要要目目标标是是帮帮助助用用户户获获取取各各种种来来源源的的数数据据及及其其相相关关信信息息，它它不不仅仅包包括括如如数数据据源源名名称称、作作者者、主主体体内内容容等等传传统统的的、图图书书管管理理式式的的元元数数据据，还包含数据拓扑关系等。还包含数据拓扑关系等。 评评估估型型元元数数据据：主主要要服服务务于于数数
30、据据利利用用的的评评价价，内内容容包包括括数数据据最最初初收收集集情情况况、收集数据所用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法等收集数据所用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法等。 模模型型元元数数据据：用用于于描描述述数数据据模模型型的的元元数数据据与与描描述述数数据据的的元元数数据据在在结结构构上上大大致相同，其内容包括模型名称、模型类型、建模过程、模型参数等。致相同，其内容包括模型名称、模型类型、建模过程、模型参数等。（2）根据元数据的作用分类）根据元数据的作用分类 说说明明元元数数据据：是是为为用用户户使使用用数数据据服服务务的的元元数数据据。它它一一般般用用自自
31、然然语语言言表表达达，如如源源数数据据覆覆盖盖的的空空间间范范围围、源源数数据据图图的的投投影影方方式式及及比比例例尺尺的的大大小小、数据集说明文件等，这类元数据多为描述性信息，侧重于数据库的说明。数据集说明文件等，这类元数据多为描述性信息，侧重于数据库的说明。 控控制制元元数数据据：是是用用于于计计算算机机操操作作流流程程控控制制的的元元数数据据，这这类类元元数数据据由由一定的关键词和特定的句法来实现。一定的关键词和特定的句法来实现。（4）根据元数据在系统中的作用分类）根据元数据在系统中的作用分类 系系统统级级别别元元数数据据：指指用用于于实实现现文文件件系系统统特特征征或或管管理理文文件件
32、系系统统中中数数据据的信息，如访问数据的时间、数据的大小、在存储级别中的当前位置等。的信息，如访问数据的时间、数据的大小、在存储级别中的当前位置等。 应应用用层层元元数数据据：指指有有助助于于用用户户查查找找、评评估估、访访问问和和管管理理数数据据等等与与数数据据用用户户有有关关的的信信息息，如如文文本本文文件件内内容容的的摘摘要要信信息息、图图形形快快照照、描描述述与与其其它数据文件相关关系的信息。它数据文件相关关系的信息。（ 3 ）根据元数据描述对象分类）根据元数据描述对象分类 数数据据层层元元数数据据：指指描描述述数数据据集集中中每每个个数数据据的的元元数数据据，内内容容包包括括日日期邮
33、戳、位置戳、量纲、注释、误差标识、缩略标识、存在问题标识等。期邮戳、位置戳、量纲、注释、误差标识、缩略标识、存在问题标识等。 属属性性元元数数据据：是是关关于于属属性性数数据据的的元元数数据据，内内容容包包括括为为表表达达数数据据及及其含义所建的数据字典、数据处理规则（协议）。其含义所建的数据字典、数据处理规则（协议）。 实体元数据实体元数据：是描述整个数据集的元数据，内容包括数据集区域是描述整个数据集的元数据，内容包括数据集区域采样原则、数据库的有效期、数据时间跨度等。采样原则、数据库的有效期、数据时间跨度等。 4. 元数据的标准元数据的标准元数据元数据标准名称准名称建立建立标准的准的组织
34、CSDGM地球空地球空间数据元数据元数据内容数据内容标准准FGDC，美国美国联邦空邦空间数据委数据委员会会 GDDD数据集描述方法数据集描述方法MEGRIN，欧洲地欧洲地图事事务组织 CGSB空空间数据集描述数据集描述CSC，加拿大加拿大标准委准委员会会 CEN地学信息一数据描述地学信息一数据描述一元数据一元数据CENTC287 DIF目目录交交换格式格式NASA ISO地理信息地理信息ISOTC211GIS标准化5. 元数据的应用元数据的应用 帮帮助助用用户户获获取取数数据据：通通过过元元数数据据，用用户户可可对对空空间间数数据据库进行浏览、检索和研究等。库进行浏览、检索和研究等。 空间数据
35、质量控制空间数据质量控制：空间数据质量控制内容包括：空间数据质量控制内容包括： 1 1）有有准准确确定定义义的的数数据据字字典典；2 2）保保证证数数据据逻逻辑辑科科学学地地集集成成；3 3）有足够的说明数据来源、数据加工处理工程、数据解译的信息。有足够的说明数据来源、数据加工处理工程、数据解译的信息。 在在数数据据集集成成中中的的应应用用：数数据据集集层层次次的的元元数数据据记记录录了了数数据据格格式式、空空间间坐坐标标体体系系、数数据据的的表表达达形形式式、数数据据类类型型等等信信息息；系系统统层层次次和和应应用用层层次次的的元元数数据据记记录录了了数数据据使使用用软软硬硬件件环环境境、数数据据使使用用规规范范、数数据据标准等信息。标准等信息。
