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1、第二章第二章 空间信息基础空间信息基础 本章的学习目的及要求 掌握空间数据、地理信息的描述方法、相关概念及类型；重点掌握地理信息数字化描述方法；掌握空间数据的类型和关系；掌握元数据的概念、应用。本章的主要学习内容 第1节 地理空间信息描述法；第2节 地理信息数字化描述方法；第3节 空间数据的类型和关系；第4节 元数据。第1节 常规的地理空间信息描述方法o 地球空间模型描述o 地理空间坐标系的建立o 地图对地理空间的描述o 遥感影像对地理空间的描述1.1 地球空间模型描述o 为了深入研究地理空间，需要建立地球表面的几何模型地球表面的几何模型，这是进行大地测量的前提。根据大地测量学的成果，地球表面

2、的几何模型分为四类:o 地球的自然表面 它是一个起伏不平，十分不规则的表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。1.1 地球空间模型描述o 地球表面的几何模型分为四类:o 相对抽象的面 地球表面的72被流体状态的海水所覆盖，可以假设当海水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，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面。水准面是一个重力等位面。对于地球空间而言，存在无数个水准面，大地水准面是其中一个特殊的重力等位面，它在理论上与静止海平面重合。1.1 地球空间模型描述o 地球表面的几何模型分为四类:模型 就是以大地水准面为基准建立起 来的地球椭球体模

3、型。总体上讲，大地体非常接近旋转椭球，而后者的表面是一个规则的数学曲面。所以在大地测量以及GIS应用中，一般都选择一个旋转椭球作为地球理想的模型，称为地球椭球。地球椭球简单的数学公式表达为？。在有关投影和坐标系统的叙述内容中，地球椭球有时也常被称为参考椭球。地球椭球体地球椭球体1.1 地球空间模型描述o 地球表面的几何模型分为四类:模型 就是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。世界地图以及我国不同时期所采用的地球椭球及其几何参数世界地图以及我国不同时期所采用的地球椭球及其几何参数椭球名称创立年代 长半径a（m）短半径b（m）扁率WGS-841984637813763567521:298

4、.261975年国际椭球（中国1980西安坐标系采用）1975637814063567551:298.257海福特（Hayford）（中国1953年以前采用）1910637838863569121：297克拉索夫斯基（）（中国1954年北京坐标系采用）1940637824563568631：298.31.1 地球空间模型描述o 地球表面的几何模型分为四类:o 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、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。1.2 地理空间坐标系的建立 建立地理空间坐标系，主要目的是确定地面点的位置，也就是求出地面点对大地水准面的关系，它包括地面点在大地水准面上

5、的平面位置和地面点到大地水准面的高度。确定地面点的位置，最直接的方法就是用地理坐标（L，B，H）来表示。1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（1）球面坐标系统 天文地理坐标系：测量（天文经纬度）的外业以铅垂线为准大地水准面和铅垂线是天文地理坐标系的主要面和线地面点的坐标是它沿铅垂线在大地水准面上投影点的经度和纬度。宇宙的坐标叫做太阳黄经，是以地球为中心无限扩展的。把宇宙叫做天球。天球北端叫北天极，南端叫南天极。和经纬度不同的是太阳黄经的表示不用N.S表示南北，更多的是用“+”，“-”。宇宙中的赤道是把地球赤道无限延伸得到的一个平面。大地地理坐标系：大地地理坐标系是建立在地球椭球面上的坐标

6、系，地球椭球面和法线是大地地理坐标系的主要面和线，地面点的大地坐标是它沿法线在地球椭球面上投影点的经度L和纬度B。1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（2）空间三维坐标系 地心坐标系：地心平坐标系是以地球质心为坐标原点，以地轴为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。参心坐标系：参心平坐标系是以参考椭球体的中心为坐标原点，以椭球修整轴（短轴）为Z轴，正向指向北极；XY平面与赤道面重合，X轴指向起始子午面。1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（3）地图投影平面坐标系 高斯平面直角坐标系 高斯投影是等角横切椭圆柱投影。等角投影就是正形投影。所谓，正形投影，就是在极

7、小的区域内椭球面上的图形投影后保持形状相似。即投影后角度不变形。按投影带不同通常分为6度带和3度带。点在高斯平面直角坐标系中的坐标值，理论上中央子午线的投影是X轴，赤道的投影是Y轴，其交点是坐标原点。1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（3）地图投影平面坐标系 高斯平面直角坐标系OX-XY+X投影后的中央子午线投影后的中央子午线A A：与数学上的平面：与数学上的平面 直角系有区别；直角系有区别；B B：为保证：为保证y y为正为正 y y加加500km500km；C C：为区分各带，：为区分各带，y y前加带号。前加带号。D:D:地面的点位用地面的点位用 （x,y,h)x,y,h)来表示

8、。来表示。1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（3）地图投影平面坐标系 地区平面直角坐标系o-x+x-y+yAXAYAAA”将坐标原点选在测区西南角，使测区全部落在第一象限内，X、Y坐标值为正值，以测区中心的子午线为x轴方向，建立独立平面直角坐标系。1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（3）地图投影平面坐标系 建筑坐标系X XO OOOP PY YY YO OX XO OY YP PX XP PY YP PX XP PXXYY坐标转换坐标转换 公式如下：公式如下：00cossinsincosppppppxxxyyyxy0000()cos()sin()sin()cosppppppxx

9、xyyyxxyy 1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（4）地面点的高程高程（绝对高程、海拔）-地面点到大地水准面的铅垂距离。假定（相对）高程-地面点到假定水准面的铅垂距离。高差-两点间的高程之差。ABHAHBHAhAB1.2 地理空间坐标系的建立地面点位的确定（4）地面点的高程19561956年黄海高程系年黄海高程系 根据青岛验潮站根据青岛验潮站1950-1956年的验潮资料确定的平均海平面年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。由此建立的水准原点其高程为作为高程基准面。由此建立的水准原点其高程为19851985年国家高程基准年国家高程基准 由于由于1956年黄海高程系采用的资料较

10、短，不到一个潮汐周期年黄海高程系采用的资料较短，不到一个潮汐周期（18.61)。根据青岛验潮站。根据青岛验潮站1952-1979年的验潮资料确定的平年的验潮资料确定的平均海平面作为高程基准面。水准原点的高程为均海平面作为高程基准面。水准原点的高程为水准原点水准原点水准原点19851985国家高国家高程基准，程基准，72.260472.2604米米黄海海面黄海海面1952-19791952-1979年平年平均海水面为均海水面为0 0米米直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置投影地图投影地图投影为什么要进行地图投影呢？1、地

11、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。2、地球椭球体为不可展曲面。3、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。地图投影 简单地讲：地图投影的实质是将地球椭球面上的经纬网按照一定的数学法则转移到平面上。具体来说：由于球面上一点的位置是用地理坐标(经度？纬度？)表示，而平面上是用直角坐标(纵坐标？横坐标？)或者极坐标(极径？极角？)表示，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的数学方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。这种在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。投影概念地图投影投影原理：投影原理

12、：设想的地球是透明体，在球心有一点光源设想的地球是透明体，在球心有一点光源S S（投影中（投影中心），向四周辐射投影射线，通过球表面（各点心），向四周辐射投影射线，通过球表面（各点A A、B B、C C、D D）射到可展面（投影面）上，得到投影点射到可展面（投影面）上，得到投影点a a、b b、c c，然后再将投，然后再将投影面展开铺平，又将其比例尺缩小到可见程度，从而制成地图。影面展开铺平，又将其比例尺缩小到可见程度，从而制成地图。ABCabc地图投影投影分类 根据美国著名地图投影学家J.P.Snyder统计，全世界地图投影种类现有256种，依据不同的目的和要求，可以采用不同的分类指标对如此

13、繁多的地图投影进行分类。分类1：基于投影面与球面相关位置的分类；分类2：基于投影方法的分类；分类3：基于投影方程的分类；分类4：基于投影变形的分类。o 圆锥投影：以圆锥面作为投影面，使圆锥面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到圆锥面上，然后将圆锥面展为平面而成。o 圆柱投影：以圆柱面作为投影面，使圆柱面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到圆柱面上，然后将圆柱面展为平面而成。o 方位投影：以平面作为投影面，使平面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到平面上而成。地图投影基于投影面与球面的分类地图投影基于投影面与球面的分类圆锥投影圆柱投影方位投影地图投影投影变形 用地图投影的方法将球面展

14、开为平面，虽然可以保持地域上的用地图投影的方法将球面展开为平面，虽然可以保持地域上的联系和完整性，但它们与球面上的经纬度网线形状并不一致。即投联系和完整性，但它们与球面上的经纬度网线形状并不一致。即投影后，地图上的经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘在影后，地图上的经纬度网线发生了变形，同样根据地理坐标展绘在地图上的各种要素，也必然随着变形。地图上的各种要素，也必然随着变形。这种变形使得地理要素的几何特性受到破坏：这种变形使得地理要素的几何特性受到破坏：q 长度变形：地球仪上，纬线长度不等；同一纬线上，经差相长度变形：地球仪上，纬线长度不等；同一纬线上，经差相同，纬线长度相同；同一经线上

15、，纬差相同而经线长度不同；同，纬线长度相同；同一经线上，纬差相同而经线长度不同；所有经线长度相等。所有经线长度相等。q 面积变形：地球仪上，同一纬度带内，经差相同的网格面积面积变形：地球仪上，同一纬度带内，经差相同的网格面积相等；同一经度带内，纬度越高，面积越小。相等；同一经度带内，纬度越高，面积越小。q 角度变形：地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交角度变形：地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交。o Map projection always causes distortion on distance,direction,scale and area o 长度变形 o 面积变形 o 角度变形地图

16、投影长度变形角度变形（摩尔维特投影等积伪圆柱投摩尔维特投影等积伪圆柱投影）影）面积变形和长度变形（UTM横轴等角割圆柱投影）横轴等角割圆柱投影）地图投影o 1）中国全国地图投影：斜轴等面积方位投影、斜轴等角方位投影、彭纳投影、伪方位投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角割圆锥投影。o 2）中国分省（区）地图的投影：正轴等角割圆锥投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角圆柱投影、高斯-克吕格投影（6度带）。o 3）中国大比例尺地图的投影：高斯-克吕格投影（6度带、3度带）。中国各种地图投影地图投影高斯克吕格投影(Gauss-Kruger)o 这个投影是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20

17、年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充，故称为高斯克吕格投影。o 高斯克吕格投影在英美国家称为横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)。美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星象片所采用的通用横轴墨卡托投影（UTM）是横轴墨卡托投影的一种变型。地图投影高斯克吕格投影(Gauss-Kruger)o 高斯克吕格投影是设想用一个椭圆柱横套在地球椭球的外面，并与设定的中央经线相切。o 高斯克吕格投影的中央经线和赤道为互相垂直的直线，其他经线均为凹向并对称于中央经线的曲线，其他纬线均为以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线，经纬线成直角相交。o在这个投影上，角度没有变

18、形。中央经线长度比等于1，没有长度变形，其余经线长度比均大于1，长度变形为正，距中央经线愈远变形愈大，最大变形在边缘经线与赤道的交点上；面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大。o为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影。o高斯克吕格投影的变形特征是：在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快。在6度带范围内，长度最大变形不超过0.14%。地图投影高斯克吕格投影(Gauss-Kruger)地图投影高斯克吕格投影分带规定o 1）我

19、国规定1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、1：25万、1：50万比例尺地形图，均采用高斯克吕格投影。1：2.5至1：50万比例尺地形图采用经差6度分带，1：1万及大于1：1万的比例尺地形图采用经差3度分带。地图投影高斯克吕格投影分带规定2）6度带是从0度子午线起，自西向东每隔经差6为一投影带，全球分为60带，各带的带号用自然序数1，2，3，60表示。即以东经0-6为第1带，其中央经线为3E，东经6-12为第2带，其中央经线为9E，其余类推。地图投影高斯克吕格投影分带规定3）3度带是从东经1度30分的经线开始，每隔3度为一带，全球划分为120个投影带。6度带与3度带的中央经线与带号的关

20、系。地图投影UTM投影UTM（Universal Transverse Mercator）投影全称为“通用横轴墨卡托投影”，是等角横轴割圆柱投影，椭圆柱割地球于南纬80，北纬84两条等高圈。投影后两条相割的经线上没有变形，中央经线上的长度比为0.9996。UTM投影分带方法与高斯-克吕格相似。自西经180起每隔经差6自西向东分带，将地球划分为60个投影带。中央经线计算方法：=6当地带号-3。例如：地形图上横坐标为20 345000，中央经线为117。o 我国地图比例尺与基本比例尺：o 大比例尺地形图：1：5千1：2.5o 中比例尺地形图：1：5万1：25万比例尺o 小比例尺地形图：1：50万-

21、1：100o 国家基本比例尺地形图有1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、1：25万、1：50万和1：100万七种。o 地形图的分幅目前，我国采用的地形图分幅方案，是以1：100万地形图为基准，按照相同的经差和纬差定义更大比例尺地形图的分幅。o 百万分之一地图在纬度060之间的图幅，图幅大小按经差6，纬差4分幅。地形图的分幅和编号o 1：50万、1：20万、1：10万三种比例尺地形图，以百万分之一地图为基础直接划分。一幅百万分之一地形图划分四幅1：50万地形图，每幅为经差3，纬差2 ；一幅百万分之一地图划分为36幅1：20万地形图，每幅为经差1，纬差40；一幅百万分之一地图划分144幅

22、1:10万地形图，每幅为经差30，纬差20。o 每幅大于1：10万比例尺的地形图，则以1：10万图为基础进行逐级划分，一幅1：10万地形图划分四幅1：5万地形图；一幅1：5万地形图划分为四幅1：2.5万地形图。在1：10万图的基础上划分为64幅1：1万地形图；一幅1：1万地形图又划分为4幅1：5000地形图，地形图的分幅和编号o 地形图的编号是根据各种比例尺地形图的分幅，对每一幅地图给予一个固定的号码，这种号码不能重复出现，并要保持一定的系统性。o 地形图编号的最基本的方法是采用行列法，即把每幅图所在一定范围内的行数和列数组成一个号码。地形图的分幅和编号1、1：100万地形图的分幅和编号（北半

23、球）该种地形图的编号为全球统一分幅编号。列数：由赤道起向南北两极每隔纬差4 为一列，直到南北88 （南北纬88 至南北两极地区，采用极方位投影单独成图），将南北半球各划分为22列，分别用拉丁字母A、B、C、DV表示。行数：从经度180 起向东每隔6 为一行，绕地球一周共有60行，分别以数字1、2、3、460表示。由于南北两半球的经度相同，规定在南半球的图号前加一个S，北半球的图号前不加任何符号。把列数的字母写在前，行数的数字写在后，中间用一条短线连接。地形图的分幅和编号地形图的分幅和编号1.3 地图对地理空间的描述现实世界和坐标空间的联系 任何空间特征都表示为地球表面的一个特定任何空间特征都表

24、示为地球表面的一个特定位置，而位置依赖于既定的坐标系来表示。位置，而位置依赖于既定的坐标系来表示。1.3 地图对地理空间的描述o 地图是现实世界的模型，它按照一定的比例、一定的投影原则有选择地将复杂的三维现实世界的某些内容投影到二维平面媒介上，并用符号将这些内容要素表现出来。地图上各种内容要素之间的关系，是按照地图投影建立的数学规则，使地表各点和地图平面上的相应各点保持一定的函数关系，从而在地图上准确地表达地表空间各要素的关系和分布规律，反映它们之间的方向、距离和面积。o 在地图学上，把地理空间的实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。1.3 地图对地理空间的描述1.3

25、地图对地理空间的描述1.3 地图对地理空间的描述1.4 遥感影像对地理空间的描述 曾有报道，北京中关村某高科技厂家在建设厂房时要求使用一种高曾有报道，北京中关村某高科技厂家在建设厂房时要求使用一种高科技合成（具有质轻、防晒等功能）材料作为房顶，但施工方在施工过程科技合成（具有质轻、防晒等功能）材料作为房顶，但施工方在施工过程中为了获取更多的利润，有些房顶只使用一般材料，由于外观看不出差异，中为了获取更多的利润，有些房顶只使用一般材料，由于外观看不出差异，厂家被蒙在鼓里，一年后，北京某遥感专业的实习学生在判读中关村多种厂家被蒙在鼓里，一年后，北京某遥感专业的实习学生在判读中关村多种波段的遥感图像

26、时，发现这家工厂的厂房屋顶材质不同，于是向厂方了解，波段的遥感图像时，发现这家工厂的厂房屋顶材质不同，于是向厂方了解，厂方否认用了不同材质，经实习学生的进一步解释，厂家终于明白施工方厂方否认用了不同材质，经实习学生的进一步解释，厂家终于明白施工方用了劣质材料，因此，施工方不得不承认这一事实，并加以赔偿。为什么用了劣质材料，因此，施工方不得不承认这一事实，并加以赔偿。为什么肉眼难以分辨，遥感却具有肉眼难以分辨，遥感却具有“火眼金睛火眼金睛”？资料资料法国法国 SPOT-4卫星卫星火箭发射火箭发射 遥感，就是遥远的感知。为什么能进行遥远遥感，就是遥远的感知。为什么能进行遥远的感知呢？的感知呢？因为

27、因为地球上所有物体地球上所有物体都在不停地都在不停地发射、反射、吸发射、反射、吸收电磁波收电磁波，而且不同物体对电磁波的发射、反射、，而且不同物体对电磁波的发射、反射、吸收的特性不同吸收的特性不同 例如，植物的叶子看起来是绿色的，是因为叶子中例如，植物的叶子看起来是绿色的，是因为叶子中的叶绿素对太阳光中蓝色和红色波长的光强烈反射的缘的叶绿素对太阳光中蓝色和红色波长的光强烈反射的缘故。故。物体的这种对电磁波固有的特性叫做物体的这种对电磁波固有的特性叫做光谱特性光谱特性1.4 遥感影像对地理空间的描述1.4 遥感影像对地理空间的描述第2节 地理信息数字化描述方法为什么使用数字化方法来描述地理信息呢

28、？随着信息时代的到来，仅用传统的手段（地图和遥感影象）描述地理信息已存在许多问题：地图的生产周期太长，目前科研、生产与管理工作都要求及时得到有关地表变化的信息，这种情况下，传统的地图存储、生产已不能满足需要。遥感影象因为存在着变形，须首先对其进行纠正，另外，遥感影象因为其成像方式的不同，不同的影象有不同的影象特征，必须解译才能变成人们所习惯的地图方式，这需要很大的工作量。计算机软硬件技术的发展，使得利用计算机把地理信息数字化，并进一步对其进行管理、处理和利用成为可能。第2节 地理信息数字化描述方法o 计算机对地理实体的显式描述也称栅格数据结构，计算机地理实体的隐式描述也称矢量数据结构。栅格和矢

29、量结构计算机描述空间实体的两种最基本的方式。o 空间信息数字化的方法通常有两种:o 栅格法：由一系列x，y坐标定位的像元，每个像元独立编码，并载有属性。o 矢量法：三种主要地理实体的点、线、面中，点类似于像元，但不占有面积，其余两种均由一系列内部相关联的坐标形成，一定的面或线则与一定的属性连接。湖泊河道居民地流路第2节 地理信息数字化描述方法 对地理信息进行数字化描述，就是要使计算机能够识别地理事物的形状，为此，必须精确地指出空间模式如何处理，如何显示等。在计算机内描述空间实体有两种形式：显式描述和隐式描述。例如一条河流，在计算机中的显示表示，就是栅格中的一系列像元，为使计算机认识这些像元描述

30、的是河流而不是其它物体，这些像元都给予相同的编码值或者用相同的颜色、符号、数字、灰度值来表示。河流的隐式表示是由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示河流形状的矢量。第2节 地理信息数字化描述方法o 栅格结构：将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个象元阵列，其最小单元称为象元或象素。每个象元的位置由行列号确定，其属性则以代码表示。o 以栅格数据结构表示的地理空间关系称为图像。栅格数据是地理信息系统中空间数据的表示方法之 一，它是以规则的阵列来表示空间地物或 现象分布的一种数据组织方法。栅格结构的相关概念 第2节 地理信息数字化描述方法遥感影像：MSS

31、 79米79米 SPOT 10米10米 TM 30米30米 QuickBird 0.61米0.61米扫描图象：150DPI、300DPI、600DPI计算机屏幕分辨率：640780 800600 1024768 1440900象元栅格单元 影像分辨率影像分辨率第2节 地理信息数字化描述方法 反映某一空间分布的系列象元队列，其行、列确定每个象元的空间位置。象元阵列 第2节 地理信息数字化描述方法栅格单元值地理要素的属性特征象元属性 栅格结构的特点 属性明显，定位隐含。第2节 地理信息数字化描述方法用离散的量化栅格值表示空间实体用离散的量化栅格值表示空间实体 o栅格数据把真实的地理面假设成平面笛卡

32、尔面来描述地理空间。在每个笛卡尔平面中，用行列值来确定各个栅格元素(Grid Cell)的位置，以栅格元素值来表示空间属性。栅格元素是栅格数据的最小单位。在栅格数据中：点：用一个栅格元素来表示。线：用一组相邻的栅格元素来表示。面(区域)：用相邻栅格单元的集合来表示。o栅格数据在表示的某一地区的实体时，实际上是用栅格元素逼近表示。这种描述方法往往是不精确的。例如在描述一区域林地时，林地界限可能通过某栅格单元的中间，这时栅格单元值仅反映了它部分值。显然，描述实体的栅格单元的尺寸越小，系统精度越高，但相应的数据量就越大。数据量的增加不仅增加了存储器的容量，而且也影响系统分析和处理数据的速度。因此，需

33、合理确定栅格单元尺寸，使建立的栅格数据能有效地反映实体的不规则轮廓。例如可根据多边形精度要求来确定栅格尺寸，这时每个栅格元素所表示的比例尺为：栅格大小/地表单元大小栅格数据的特点 第2节 地理信息数字化描述方法描述区域位置明确，属性明显描述区域位置明确，属性明显 o栅格数据的位置一般用坐标对(行列数)确定，栅格值可以用单位栅格交点归属法，单元栅格面积占优法，单位栅格长度占优法来描述。下图栅格单元属性值表示方法，其行列表示通常从左上角开始，逐行确定。栅格数据的特点 栅格属性的表示上述表示方法，每一位置只能表示单一特征，当某一位置需要表示多种特征值时，引入图层的概念。如某一地区地形图需要同时描述高

34、程、县界、河流和公路时，在栅格数据表示中需要建立4个栅格数据层，它们分别描述该区域的高程、县界、河流和公路的特性。描述每个图层属性的值，可以是整型数，实型数或字符型数。第2节 地理信息数字化描述方法数据结构简单，易与遥感结合数据结构简单，易与遥感结合 栅格数据以阵列(数组)方式来描述空间实体，其数据结构简单，便于同遥感图象交换信息，并予以分析处理。栅格数据的特点 难以建立地物间拓朴关系难以建立地物间拓朴关系 栅格数据是一种面向位置的数据结构。在平面空间上的任意一点都可以直接同某个或某类地物相联系，很难完整建立地物间的拓扑关系。实际上，一类地物或一个目标可能在区域的多处出现，这时只能通过遍历整个

35、栅格矩阵才能得到，这导致栅格数据结构不便于对单目标操作。图形质量低且数据量大图形质量低且数据量大在栅格数据中，栅格元素是表示地物目标的最基本单位。因此所反映的实体在形态上会出现畸变，在属性上会出现偏差，从而影响图形质量。为了提高图形质量，要尽可能减少栅格尺寸，即增加栅格数，从而增加栅格数据量和数据的冗余度。第2节 地理信息数字化描述方法用离散的线或点来描述地理现象及特征用离散的线或点来描述地理现象及特征：o在矢量数据中，把空间地物分成三类空间目标：点：空间的一个坐标点(x，y)；线：多个点组成矢量弧段(x1，y1)(x2，y2)(xn，yn)；面：曲线段组成的多边形。o点用来描述地图上的各种标

36、志点，如监控点、居民点。o线包括直线和曲线，曲线又包括一般曲线和封闭曲线，分别用来表示河流、道路及行政区界等，此外包括一些特殊曲线如等高线。o面用来描述一块连续的区域，如湖泊、林地等。矢量数据是地理信息系统中空间数据的另一种常用表 示方法，它是基于矢量描述方法来表达和处 理空间地物特征的一种数据组织方法。矢量数据的特点 第2节 地理信息数字化描述方法用拓扑关系来描述矢量数据之间关系：o 矢量数据结构能以最小存储空间精确地表达地物的几何位置。在实际应用中往往采用拓朴结构编码，不再像栅格数据那样用诸如游程编码等方案。o 在矢量数据系统中，常用几何信息描述空间几何位置，用拓扑信息来描述空间的“相连”

37、、“相邻”及“包含”关系，从而清楚地表达空间地物之间结构。矢量数据的特点 第2节 地理信息数字化描述方法面向目标的操作：o 对矢量数据的操作，更多地面向目标，从而使精度高，数据冗余度小，运算量少。o 如对区域面积的计算和道路长度的量算，分别用计算区域多边形面积及道路长度而获得。o 这样直接根据目标物几何形状用坐标值计算方法，使计算精度大大提高。o 另外，由于矢量数据是以点坐标为基础记录数据，不仅便于对图形放大、缩小，而且还便于将数据从一个投影系统转换到另一个投影系统。矢量数据的特点 第2节 地理信息数字化描述方法数据结构复杂且难以同遥感数据结合：o 矢量数据系统，不仅难于同DEM模型数据结合，

38、而且也难于同遥感数据相结合。o 从而限制了矢量数据系统的功能和效率。o 在目前基于矢量数据结构的地理信息系统中，为了解决同遥感的结合问题，往往是将矢量数据转换成栅格数据，再进行分析。o 然后，根据需要再转换回去。这是矢量数据结构在地理信息应用中的最大不足。矢量数据的特点 第2节 地理信息数字化描述方法难于处理位置关系(如求交，包含等)：o 在矢量数据结构中，给出的是地物取样点坐标，判断地物的空间位置关系时，往往需要进行大量求交运算。o 例如当已知某一土壤类型图和某一积温图，要叠置获取新分类图时，需进行多边形求交运算，组成新多边形，建立新的拓扑关系。o 因此，用矢量数据结构解决这类问题是相当复杂

39、的。矢量数据的特点 第2节 地理信息数字化描述方法用数字化仪获取数据：o数字化仪是获取矢量数据的主要途径。o数字化一幅复杂地图是十分艰苦的工作，它需要操作人员把图固定在数字化面板上，然后用定标器对地图的各种区域边界和其它标志信息如道路、等高线等要素进行跟踪描绘。o为了便于对输入数据建立拓扑关系，有些系统在输入面状(区域)边界时，还需输入附加信息。o数字化仪输入的数据，还需作相应的编辑处理，在编辑过程中应除去如过头线、短头线、尖峰等问题。在大多数基于矢量数据结构的地理信息系统中，在获取几何数据后还需自动建立拓扑关系。矢量数据的获取 第2节 地理信息数字化描述方法全球定位系统(GPS)获取数据：o

40、 全球定位系统可以快速，廉价地确定地球表面的特征位置，并直接以坐标数据输入给计算机。o 因此，全球定位系统技术将成为野外实地测量地图数据的重要工具。o 目前，结合实地调查已用它获取很多大比例尺图，作为一种输入手段它必将成为地理信息系统和土地信息系统的重要组成部分。矢量数据的获取 第2节 地理信息数字化描述方法从栅格数据转换成矢量数据：o 把栅格数据转换成矢量数据时，为了防止因原图上污渍引起的错误，常常要求图面十分干净。有时常常需要重新清绘原图。矢量数据的获取 第3节 空间数据的类型和关系3.1空间数据的基本特征3.1空间数据的基本特征第3节 空间数据的类型和关系3.1空间数据的基本特征属性特征

41、是指空间对象的专题属性第3节 空间数据的类型和关系3.1空间数据的基本特征第3节 空间数据的类型和关系第3节 空间数据的类型和关系o 空间特征：空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。o 属性特征：属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。o 时间特征时间特征：描述空间对象随时间的变化定位数据和非定位数据定位数据和非定位数据 第3节 空间数据的类型和关系3.2空间数据的类型o地图数据；o影像数据；o地形数据；o属性数据；o元数据。根据根据GIS的数据来源和数据类型分类的数据来源

42、和数据类型分类第3节 空间数据的类型和关系3.2空间数据的类型 随着信息和通讯技术的进步，空间数据的类型更加复杂多样。归纳起来，地理空间中的空间数据可以被分为十种类型。类型及相关的表示方法如下：?分类或分级数据（类型数据）：如环境污染类型、土地类型数据，测量、地质、水文、城市规划等的分类数据等；?面域数据：如多边形的中心点，行政区域界线及行政单元等；?网络数据：如道路交点、街道和街区等；?样本数据：如气象站，环境污染监测点，用于航空、航天影象校正的野外控制数据等；根据表示对象的不同分类根据表示对象的不同分类第3节 空间数据的类型和关系3.2空间数据的类型?曲面数据：如高程点，等高线或等值线区域

43、；?文本数据：如地名、河流名称和区域名称；?符号数据：如点状符号、线状符号和面状符号（晕线）等；?音频数据：如电话录音、运动中的汽车产生的噪音；?视频数据：交通路口的违章摄影、工矿企业大量使用的工业电视；?图象数据：航空、航天图象，野外摄影照片等。根据应用需求和不同的处理方法，通过矢量（点、线、面）、栅格、TIN就可以表达上述所有类型的空间数据。所有这些不同类型的数据都可以分为点、线、面三种不同的图所有这些不同类型的数据都可以分为点、线、面三种不同的图形，并可以分别采用形，并可以分别采用x、y平面坐标，地理经纬度，或者网格法表示。平面坐标，地理经纬度，或者网格法表示。n度量关系：度量关系：空间

44、对象之间的距离关系，一般用欧式距离表示空间对象之间的距离关系，一般用欧式距离表示n顺序关系：顺序关系：空间实体在空间上的的排列次序空间实体在空间上的的排列次序n拓扑关系：拓扑关系：拓扑变换下保持不变的关系拓扑变换下保持不变的关系3.3空间关系第3节 空间数据的类型和关系3.4 空间数据的拓扑关系 地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，地理实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联、包含等空间相互而且不同实体间还存在邻接、关联、包含等空间相互关系特征，由于描述这种关系时不需要考虑空间坐标关系特征，由于描述这种关系时不需要考虑空间坐标和距离因素，所以又称为

45、拓扑关系和距离因素，所以又称为拓扑关系 拓扑关系是不考虑度量（距离）和方向的空间物体之间的关系。拓扑关系是不考虑度量（距离）和方向的空间物体之间的关系。在拓扑变换（理想橡皮板拉伸或缩短，但不能撕破或重叠）下两个在拓扑变换（理想橡皮板拉伸或缩短，但不能撕破或重叠）下两个以上拓扑元素间能够保持不变的几何属性以上拓扑元素间能够保持不变的几何属性拓扑属性具有空间分拓扑属性具有空间分析意义。析意义。第3节 空间数据的类型和关系 拓扑关系类型拓扑关系类型u关联（连接）：弧段在结点处的相互连接关系关联（连接）：弧段在结点处的相互连接关系u包含：某些点、线、面对象被另外一个面对象所包含包含：某些点、线、面对象

46、被另外一个面对象所包含u邻接：共有公共边的两个区域之间的邻接关系邻接：共有公共边的两个区域之间的邻接关系 拓扑元素：拓扑元素：结点结点、线（、线（弧段弧段）、面（）、面（多边形多边形）三个拓扑元素的关系符合欧拉公式：三个拓扑元素的关系符合欧拉公式：L+2=A+PL+2=A+P，其中，其中，P P、L L、A A表示图上点、线、面的数目，表示图上点、线、面的数目，在拓扑检验中经常使用。在拓扑检验中经常使用。第3节 空间数据的类型和关系3.4 空间数据的拓扑关系点、线、面之间的空间关系拓扑属性拓扑属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一个弧段是一个简单弧段（自身不相

47、交）（自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的边界上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点在一个环的内部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面一个面是一个简单面（面上没有岛）（面上没有岛）一个面的连接性一个面的连接性（给定面上任意两点，从一点可以完（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）全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性非拓扑属性两点之间的距离两点之间的距离一个点指向另一个点的方向一个点指向另一个点的方向弧段的长度弧段的长度一个区域的周长一个区域的周长一个区域的面积一个区域的面积第3节 空

48、间数据的类型和关系点点点点点点线线点点面面住宅住宅学校学校海岸线海岸线码头码头肺癌病例肺癌病例区域区域学校和住宅接近吗？学校和住宅接近吗？码头在海岸线上吗？码头在海岸线上吗？肺癌病在区内分布肺癌病在区内分布空间关系的应用第3节 空间数据的类型和关系线线点点线线线线线线面面镇镇乘车线路乘车线路河流河流小路小路这条线路过镇上吗？这条线路过镇上吗？小路穿过河流吗？小路穿过河流吗？河流在区域内吗？河流在区域内吗？空间关系的应用第3节 空间数据的类型和关系面面点点面面线线面面面面该邮政区包括学校吗？该邮政区包括学校吗？该区域包括铁路吗？该区域包括铁路吗？区域彼此影响吗？区域彼此影响吗？区域重叠吗？区域重

49、叠吗？空间关系的应用第3节 空间数据的类型和关系空间数据拓扑关系的意义 显然，含有拓扑关系的空间数据有利于GIS的拓扑查询和空间分析。ARCINFO是典型的以拓扑型数据结构组织空间数据的GIS软件，这也是为什么ARCINFO具有强大空间分析功能的原因。不需要利用坐标或距离，可以确定空间实体的位置关系 利用拓扑关系便于空间要素的查询 根据拓扑关系可以重建地理实体，例如利用弧段构建多边形，最佳路径的选择的等。第3节 空间数据的类型和关系第4节 元数据（）概念：概念：到目前为止，科学界仍没有关于元数据的确切公认的定到目前为止，科学界仍没有关于元数据的确切公认的定义。但一般都认为元数据就是义。但一般都

50、认为元数据就是描述数据的数据。是关于数据的描述描述数据的数据。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异。库，其元数据的内容会有很大差异。通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。传统的图书馆卡片、出版图书的版