环境信息系统及实验chp3环境信息系统GIS基础02讲空间信息基础课件.ppt

1、南京信息工程大学环境科学与工程学院李凤英 本部分分为6讲第1讲 地理信息系统（GIS）导论第2讲 空间信息基础第3讲 地理空间数据管理第4讲 地理空间数据处理第5讲 空间分析的一般方法第6讲 地理制图及输出学习目标学习目标 理解地理空间信息的概念 掌握地理空间信息的描述方法 理解地理数据分类描述的方法 理解和掌握地理空间数据的拓扑关系重点：重点：旋转椭球体、地理空间坐标、地图投影、地理空间数据的拓扑关系、元数据；空间数据的类型及其关系难难 点点：地理空间数据的数字化描述方法、拓扑结构第第2讲讲 空间信息基础空间信息基础地理空间数据组织地理空间数据组织第一节第一节 常规的地理空间信息描述法常规的

2、地理空间信息描述法第二节第二节 空间数据的类型和关系空间数据的类型和关系第三节第三节 元数据元数据第一节第一节 常规的地理空间信息描述法常规的地理空间信息描述法1地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。区域。2地理空间（地理空间（Geographic Space）是指物质、能量、信息的形）是指物质、能量、信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时

3、间上的延续。间上的延续。3地理空间（地理空间（Geo-space）一般分为：）一般分为：绝对空间：绝对空间：是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标组成；置的空间坐标组成；相对空间：相对空间：是具有空间属性特征的实体集合，它是由不同实体之间是具有空间属性特征的实体集合，它是由不同实体之间的空间关系构成。的空间关系构成。一、地理空间信息一、地理空间信息第一节第一节 常规的地理空间信息描述法常规的地理空间信息描述法为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。根据大为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。根据大地测量学的

4、研究成果，地球表面几何模型可以分为四类：地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类：1 1地球的自然表面地球的自然表面2 2大地水准面大地水准面3 3椭球体模型椭球体模型4 4数学模型数学模型二、地理空间模型描述二、地理空间模型描述1 地球的自然表面地球的自然表面地球的自然表面模型是地球的自然体，起伏而不规则，呈梨地球的自然表面模型是地球的自然体，起伏而不规则，呈梨形形状形形状 。不适合数字建模，难以研究。不适合数字建模，难以研究2 大地水准面大地水准面 设当一个海水面处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所设当一个海水面处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，且与地球重

5、力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面有大陆下部，且与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面构成的地表模型。以大地水准面为基准，就可以利用水准测量对地球构成的地表模型。以大地水准面为基准，就可以利用水准测量对地球自然表面任意一点进行高程测量。由于地球重力的影响，大地水准面自然表面任意一点进行高程测量。由于地球重力的影响，大地水准面也是一个不规则曲面，但起伏远小于自然表面。也是一个不规则曲面，但起伏远小于自然表面。3 椭球体模型椭球体模型 为了测量成果计算的需要，选用一个同大为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来

6、代替地球，且这个旋转椭球是由转椭球来代替地球，且这个旋转椭球是由一个椭圆绕其短轴旋转而成的。它是以大一个椭圆绕其短轴旋转而成的。它是以大地水准面为基础的。凡是与局部地区地水准面为基础的。凡是与局部地区(一个一个或几个国家或几个国家)的大地水准面符合得最好的旋的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称为参考椭球。转椭球，称为参考椭球。4 数学模型数学模型 地球的数学模型，是在解决其它一些大地地球的数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。水准面、静态水平衡椭球体等。三、地理空间坐标系的建立三、地理空间坐标系

7、的建立1.地理空间（大地）坐标系地理空间（大地）坐标系2.平面直角坐标系平面直角坐标系3.地图投影地图投影地理（大地）坐标系地理（大地）坐标系地球上任意一点通常用经度和纬度来决地球上任意一点通常用经度和纬度来决定定 。经线和纬线是地球表面上两组正交。经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为（相交为9090度）的曲线，这两组正交的度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，称为地理坐标系。曲线构成的坐标，称为地理坐标系。优点：优点：对空间位置的确定比较有利。对空间位置的确定比较有利。缺点：缺点：它是一种球面坐标，难以进行距离、方向它是一种球面坐标，难以进行距离、方向 、面积等参数、面积等参数的计算。的

8、计算。1 地理（大地）坐标系地理（大地）坐标系笛卡儿平面直角坐标系笛卡儿平面直角坐标系运用地图投影的方法建立地球表面和平面点的函数关系，使地运用地图投影的方法建立地球表面和平面点的函数关系，使地球表面上任意一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与球表面上任意一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与其相对应的点。其相对应的点。F F:（，）（x x，y y）；）；这里的函数关系这里的函数关系F F，即为即为地图投影地图投影 2 2 平面坐标系平面坐标系0XYX=f1(,)Y=f2(,)3 3 地图投影地图投影 地球椭球体表面是不可展曲面，要将曲面上的客观事物地球椭球体表面是不可展曲面，要将曲

9、面上的客观事物表示在有限的平面图纸上，必须经过由曲面到平面的转换。表示在有限的平面图纸上，必须经过由曲面到平面的转换。地图投影：地图投影：在地球椭球面和平面之间建立点与点之间函在地球椭球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法，称为地图投影。数关系的数学方法，称为地图投影。地图投影的实质：地图投影的实质：就是按照一定的数学法则就是按照一定的数学法则,将地球椭球将地球椭球面上的经纬网转换到平面上，使地面点的地理坐标（面上的经纬网转换到平面上，使地面点的地理坐标（，）与地图上相对应的点的平面直角坐标（与地图上相对应的点的平面直角坐标（x x，y y）或平面极坐标）或平面极坐标（，）间，建立起一

10、一对应函数关系。）间，建立起一一对应函数关系。投影通式：投影通式：),(fy),(fx213 3 地图投影地图投影投影过程示意图投影过程示意图3 3 地图投影地图投影我国常用的地图投影u1:100万地图正轴等角割圆锥投影u1:1万 1:50万高斯克吕格投影正轴等角割圆锥投影u由德国数学家兰勃特提出，又称兰勃特投影。u原理：将一圆锥面套在地球椭球体外面，将地球表面上的要素投影到圆锥面上，然后将圆锥面沿着某一母线展平。u变形规律：角度无变形；两条标准纬线上没有任何变形；等变形线和纬线一致（即同一纬线上变形处处相等）；同一经线上，两标准纬线外侧为正变形，两标准纬线之间为负变形；同一纬线上等经差的线段

11、长度相等。两条纬线之间的经线长度处处相等。u适用于小比例尺地图的绘制。高斯高斯-克吕格投影克吕格投影（）以椭圆柱为投影面，使地球椭球体的某一经线与椭圆柱相切，然后按等角条件，将中央经线两侧各一定范围内的地区投影到椭圆柱面上，再将其展成平面而得。由德国数学家、天文学家高斯（C.F.Gauss，17771855）及大地测量学家克吕格（J.Krger，18571923）共同创建。此投影无角度变形，中央经线无长度变形。为保证精度，采用分带投影方法：经差 6或 3分带，长度变形 0.14%地图投影的选择依据地图投影的选择依据u制图区域的范围、形状和地理位置u制图比例尺u地图的主题和内容u出版方式1、制图

12、区域的范围、形状和地理位置、制图区域的范围、形状和地理位置制图区域的地理位置决定 投影种类 极地、赤道、中纬制图区域的形状直接制约 投影选择 中纬度,低纬度制图区域的范围大小影响 投影选择 省级以下,国家以上2、制图比例尺、制图比例尺不同比例尺地图对精度要求不同，投影亦不同。大比例尺地形图，对精度要求高，宜采用变形小的投影，如分带投影。中、小比例尺地图范围大，概括程度高，定位精度低，可有正轴等角、等积、任意投影的多种选择。3、地图的主题和内容、地图的主题和内容主题和内容不同，对投影的要求也不同。要求方向正确，应选择等角投影要求面积对比正确，应选择等积投影教学或一般参考图，要求各方面变形都不大，

13、则应选择任意投影（等距）4、出版方式、出版方式单幅图系列图（同一变形性质）地图集（同一系统）四、地图对地理空间的描述空间实体：空间实体：指具有形状、属性和时序特征的空指具有形状、属性和时序特征的空间对象，它是对存在于自然世界中地理实体的间对象，它是对存在于自然世界中地理实体的抽象。抽象。空间实体类型：空间实体类型：任何地理实体都可以抽象为任何地理实体都可以抽象为点点、线、面、体、线、面、体等基本类型，以表示它的位置、等基本类型，以表示它的位置、形状、大小、高低等特征。形状、大小、高低等特征。以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达点实体点实体四、地图对地理空

14、间的描述v有位置，无宽度和长度；有位置，无宽度和长度；v抽象的点抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站2019年9月该洲可能的500个地震位置线实体线实体四、地图对地理空间的描述v有长度，但无宽度和高度；有长度，但无宽度和高度；v用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多香港城市道路网分布面实体面实体四、地图对地理空间的描述v具有长和宽的目标，有连续面和不连续面；具有长和宽的目标，有连续面和不连续面；v通常用来表示自然或人工的封闭多边形通常用来表示自然或人工的封闭多边形中国土地利用分布图（不连续面）面实体（续）面实体（续）四、地图对地理空间的描述不连续变化曲

15、面，如土壤、森林、不连续变化曲面，如土壤、森林、土地利用等，属性变化发生在边界土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。上，面的内部是同质的。连续变化曲面，如地形起伏，整个连续变化曲面，如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面连续变化曲面体体四、地图对地理空间的描述v有长、宽、高的目标；有长、宽、高的目标；v通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标目标五、遥感影像对地理空间的描述五、遥感影像对地理空间的描述u原理：根据地图的结构、成分、分布等的不同，其反射光谱特性和发射光谱特

16、性也各不相同，传感器记录的各种地物在某一波段的电磁辐射反射能量也各不相同，反映在遥感影像上，则表现为不同的颜色和灰度信息u通过不同的颜色和灰度来描述空间信息。u遥感影像可以获取大量的空间地物的特征信息遥感传感器平台传感器遥感影像对地理空间的描述地理信息系统 0 1 2 3 4 5 6 n-1 0 16 14 10 8 2 3 1 30 22 24 18 15 x 1 16 16 6 12 8 6 4 32 32 40 45 45 2 16 16 14 14 11 15 17 24 24 32 34 38 3 16 16 16 16 14 14 8 16 22 24 28 36 4 15 9 4

17、 16 15 17 17 14 12 10 12 22 5 13 7 12 15 16 19 18 16 14 12 14 18 6 12 10 11 14 13 8 7 16 10 8 14 26 36 30 28 28 30 30 30 16 16 26 24 8 34 36 32 24 22 22 22 28 24 24 20 6m-1 36 32 20 20 26 28 26 26 22 24 20 22 y第一节第一节 常规的地理空间信息描述法常规的地理空间信息描述法一、地理空间（一、地理空间（概念；绝对空间、相对空间概念；绝对空间、相对空间）二、地理空间模型描述（二、地理空间模型描

18、述（地球的自然表面；大地水地球的自然表面；大地水准面；椭球体模型；数学模型准面；椭球体模型；数学模型）三、地理空间坐标系的建立（三、地理空间坐标系的建立（地理空间坐标系；平地理空间坐标系；平面直角坐标系；地图投影面直角坐标系；地图投影）四、地图对地理空间的描述四、地图对地理空间的描述(空间实体：点；线；面空间实体：点；线；面；体；体)五、遥感影像对地理空间的描述（五、遥感影像对地理空间的描述（原理；通过不同原理；通过不同的颜色和灰度来描述空间信息，矢量图的颜色和灰度来描述空间信息，矢量图or栅格图栅格图？）小结小结第二节 空间数据的类型和关系一空间数据的基本特征二空间数据的来源 三空间数据类型

19、 四空间数据的拓扑关系 一、地理数据的基本特征一、地理数据的基本特征 空间特征空间特征 表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。属性特征属性特征 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。征等。时间特征时间特征 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。、短期的、中期的和长期的。地理空间数据地理空间数据=空间特征数据空间特

20、征数据+属性数据属性数据+时态数据时态数据地理空间数据地理空间数据=空间特征数据空间特征数据+属性数据属性数据(含时态数据含时态数据)一、地理数据的基本特征一、地理数据的基本特征地理数据区别于一般计算机数据u空间位置特征u空间特征数据和属性数据之间的一一对应关系或链接关系一、地理数据的基本特征一、地理数据的基本特征地理空间数据地理空间数据=空间特征数据空间特征数据+属性数据属性数据(含时态数据含时态数据)地理空间数据地理空间数据=空间特征数据空间特征数据+属性数据属性数据+两种数据间两种数据间落实于每个地物的链接关系落实于每个地物的链接关系二、地理数据的来源 地图数据地图数据 地图是地理信息的

21、主要载体，同时也是地理信息系统地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源最重要得信息源 遥感数据遥感数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据现势性很强的数据 统计数据、实测数据及各种文字报告统计数据、实测数据及各种文字报告 各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等

22、究报告等 三、地理空间数据的类型三、地理空间数据的类型1.类型数据类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。：居民点、交通线、土地类型分布等。2.面域数据面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3.网络数据网络数据：道路交叉点、街道和街区等。：道路交叉点、街道和街区等。4.样本数据样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。：气象站、航线和野外样方的分布区等。5.曲面数据曲面数据：高程点、等高线和等值区域。：高程点、等高线和等值区域。6.文本数据文本数据：如地名、河流名和区域名称。：如地名、河流名和区域名称。7.符号数据符号数据：点状符号、线状符号和

23、面状符号等。：点状符号、线状符号和面状符号等。四 空间数据的拓扑关系拓扑结构拓扑结构 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组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。1.1.地理空间数据的拓扑关系地理空间数据的拓扑关系2.2.地理空间数据拓扑关系应用价值地理空间数据拓扑关系应用价值3.3.地理空间数据拓扑关系的表示地理空间数据拓扑关系的表示拓扑邻接：拓扑邻接：元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。拓扑关联：拓扑关联：元素之间的拓扑关系元素之间的拓扑关系。拓扑包含：拓扑包含：元素之间的拓扑关系。元素之间的拓扑关系。1 1、地理空间数据的拓扑关系、地理空间数

24、据的拓扑关系不不 同同 类类同同 类类同类不同级同类不同级N11256473P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接：拓扑邻接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：拓扑关联：N1/1、3、6；P1/1、5、6 拓扑包含：拓扑包含：P3与与P4N11256473P1P3P2P4N4N3N5N22.2.地理空间数据拓扑关系应用价值地理空间数据拓扑关系应用价值（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离和距离（2）利于空间要素查询）利于空间要素查询（3）重建地理实体）重建地理实体3.3.地理空间数据拓扑关系的表示地理空间数

25、据拓扑关系的表示结点集合结点集合结点名指 针第一个离开弧段 第一个到达弧段坐标N1 e3 e1 x1，y1 N2 e1 e2 x2，y2 N3 e2 e3 x3，y31256473P1P3P2P4N4N3N5N2 拓扑关系的表示拓扑关系的表示N1顺时针第一弧段 逆时针第一弧段指 针属性 P1 e1 t1 P2 e2 e5 t2多边形名 P3 e3 e4 t31256473P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑关系的表示拓扑关系的表示多边形集合多边形集合3.3.地理空间数据拓扑关系的表示地理空间数据拓扑关系的表示N1弧段名e1 N2 N1 P1 P0 e6 e2 s1e2 N3 N2 e5 P2

26、P0 e4 e3 s2e3 N1 N3 e6 e4 P3 P0 s3 e4 N4 N3 e5 e3 P2 P3 e2 e6 s4 始结点 终结点离开始结点的下一条弧段到达终结点的下一条弧段右多边形左多边形右多边形顺时针下一条弧段左多边形逆时针下一条弧段坐标串1256473P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑关系的表示拓扑关系的表示弧段集合弧段集合3.3.地理空间数据拓扑关系的表示地理空间数据拓扑关系的表示N1一、元数据的一般概念一、元数据的一般概念二、地理空间数据元数据二、地理空间数据元数据三、地理空间数据元数据的获取与应用三、地理空间数据元数据的获取与应用第三节第三节 元数据元数据第三节第三

27、节 元数据元数据一、元数据的一般概念一、元数据的一般概念 图书馆卡片的说明内容图书馆卡片的说明内容 出版图书的版权说明出版图书的版权说明 纸质地图的地图类型以及地图图例等纸质地图的地图类型以及地图图例等 IEEE在在1994年年2月的白皮书中指出：月的白皮书中指出：元数元数据是关于数据的信息，它使得有效管理和据是关于数据的信息，它使得有效管理和访问数据成为可能访问数据成为可能第三节第三节 元数据元数据一、元数据的一般概念 元数据元数据metadata，关于数据变化的描述，关于数据变化的描述 亦称为亦称为“描述数据描述数据”、“诠释数据诠释数据”，是，是关于数据的数据，说明数据内容、质量、关于数

28、据的数据，说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息状况和其他有关特征的背景信息 说明数据的数据说明数据的数据第三节第三节 元数据元数据一、元数据的一般概念 是现代数据库的主要组成部分 促进数据集，特别是数据库中数据集的高效利用 通过元数据可以检索、访问数据库，可有效利用计算机的系统资源，还可对数据进行加工处理和二次开发。第三节第三节 元数据元数据一、元数据的一般概念元数据对数据集的描述内容：对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（数据生产历史）等的说明；对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等；对数据处理信息的说明，如量纲的转换等

29、；对数据转换方法的描述；对数据库的更新、集成方法等的说明等。第三节第三节 元数据元数据一、元数据的一般概念元数据的分类：从不同性质、领域数据和数据库需要的角度分：科研型元数据 评估型元数据 模型元数据根据元数据在系统中起作用的层次分：系统级别元数据 应用层元数据根据作用分：根据作用分：u 说明元数据说明元数据u 控制元数据控制元数据第三节第三节 元数据元数据一、元数据的一般概念元数据的管理：第三节第三节 元数据元数据二、地理空间数据元数据常用概念：第三节第三节 元数据元数据二、地理空间数据元数据现有标准：三、地理空间数据元数据的获取与应用三、地理空间数据元数据的获取与应用获取过程：根据要建设的

30、数据库内容而设计的元数据随数据的形成同步产生在数据收集完成以后根据需要产生的第三节第三节 元数据元数据三、地理空间数据元数据的获取与应用三、地理空间数据元数据的获取与应用获取过程（数据收集前/中/后；模型形成前/中/后）：根据要建设的数据库内容而设计的元数据随数据的形成同步产生在数据收集完成以后根据需要产生的第三节第三节 元数据元数据三、地理空间数据元数据的获取与应用三、地理空间数据元数据的获取与应用获取方法：键盘输入法关联表法测量法计算法推理法第三节第三节 元数据元数据三、地理空间数据元数据的获取与应用三、地理空间数据元数据的获取与应用应用：帮助用户获取数据进行空间数据质量控制在数据集成中的

31、应用在数据管理中的应用第三节第三节 元数据元数据1.地理空间信息的描述是建立在地理空间坐标系地理空间坐标系基础上的2.地理坐标地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。3.平面直角坐标系平面直角坐标系(X,Y)建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。4.地图投影地图投影的意义和实质5.地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换旋转椭球体和地图投影变换。6.地理空间实体的三要素是什么？它们之间的关系是怎样的？7.空间数据的基本特征8.地理信息的数字化描述方法有哪些？（见地理空间数据模型或结构）9.如何利用关系表来表达空间拓扑关系。10.元数据的概念和用途本讲要点小结本讲要点小结