1、GIS 空间分析原理与方法空间分析原理与方法 授课教师授课教师: 刘刘 湘湘 南南 2005.03. 空间分析基础空间分析基础 第二章第二章 空间分析基础空间分析基础 空间分析以地理空间数据库为基础，运空间分析以地理空间数据库为基础，运用各种手段提取和传输地理空间信息，实现用各种手段提取和传输地理空间信息，实现辅助地学空间问题决策的目标。是有关空间辅助地学空间问题决策的目标。是有关空间数据分析技术的统称。数据分析技术的统称。 2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 空间可以定义为一系列结构化物体及其相空间可以定义为一系列结构化物体及其相互间联系的集合（互间联系的集合（GatrellGat
2、rell，19911991）。尺寸、方）。尺寸、方向、纹理等是比较容易描述的一类空间特征，向、纹理等是比较容易描述的一类空间特征，因此通常空间被定义为物理空间，从感观的角因此通常空间被定义为物理空间，从感观的角度将其看作是目标或物体所存在的容器或框架度将其看作是目标或物体所存在的容器或框架（FreksaFreksa，19911991；NunesNunes，19911991）。）。 2.1 2.1 空间与地理空间空间与地理空间2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 又称欧氏几何所研究的空间，分为平面和又称欧氏几何所研究的空间，分为平面和立体两种，是对现实空间最为简单而确切的近立体两种，是对
3、现实空间最为简单而确切的近似描述。在现代数学中，目前，大多数空间实似描述。在现代数学中，目前，大多数空间实体在体在GISGIS中用二维方法描述。其关于距离以及中用二维方法描述。其关于距离以及方位的度量依赖于欧式空间，许多地学模型也方位的度量依赖于欧式空间，许多地学模型也建立在欧式空间的基础之上。建立在欧式空间的基础之上。 2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 拓扑关系是最基本的空间关系之一，在空拓扑关系是最基本的空间关系之一，在空间分析和空间推理中占据重要的地位。间分析和空间推理中占据重要的地位。空间关空间关系研究空间目标之间在一定区域上构成的与空系研究空间目标之间在一定区域上构成的与
4、空间特性有关的联系，传统上分为拓扑关系、度间特性有关的联系，传统上分为拓扑关系、度量关系、方位关系三类。量关系、方位关系三类。2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 空间目标间的关联、相邻与连通等几何空间目标间的关联、相邻与连通等几何属性不会随属性不会随空间目标的空间目标的平移、旋转、缩放等平移、旋转、缩放等变换而发生改变，拓扑关系即研究这些保持变换而发生改变，拓扑关系即研究这些保持不变的拓扑属性的描述与表达。不变的拓扑属性的描述与表达。“拓扑拓扑”一一词取自希腊文，其原意为词取自希腊文，其原意为“形状的研究形状的研究”，度量关系是用某种度量空间中的度量来描述度量关系是用某种度量空间中的
5、度量来描述的目标间的关系。的目标间的关系。2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 地理空间被认为是上至大气电离层，下至地理空间被认为是上至大气电离层，下至地幔莫霍面的区域内物质与能量发生发展转化地幔莫霍面的区域内物质与能量发生发展转化的时空载体，是具有空间参考信息的地理实体的时空载体，是具有空间参考信息的地理实体或地理现象发生的时空位置集（或地理现象发生的时空位置集（WorboysWorboys，19951995）。）。 2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 地理学常用解析几何的方法来分析地理实地理学常用解析几何的方法来分析地理实体的几何位置和形态特征，包括其坐标、角度、体的几何
6、位置和形态特征，包括其坐标、角度、方向、距离、周长和面积等，并用拓扑几何的方向、距离、周长和面积等，并用拓扑几何的方法来描述地理实体间的空间关系，如相邻、方法来描述地理实体间的空间关系，如相邻、相离、相交、包含、重合等。目标间的关系多相离、相交、包含、重合等。目标间的关系多种多样并与空间参考密切相关，定义一种关系种多样并与空间参考密切相关，定义一种关系就必然定义一种空间。就必然定义一种空间。 2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 地理空间可以模拟为由精确坐标值组成的地理空间可以模拟为由精确坐标值组成的域，也可以描述为空间参考物体的集合，即通域，也可以描述为空间参考物体的集合，即通过实体
7、间的空间关系和空间分布来记录，分别过实体间的空间关系和空间分布来记录，分别被称作绝对空间和相对空间。但实际上，坐标被称作绝对空间和相对空间。但实际上，坐标值必须参照地理空间坐标系来定义，地理位置值必须参照地理空间坐标系来定义，地理位置的唯一性建立在统一的坐标框架之下，从这个的唯一性建立在统一的坐标框架之下，从这个意义上说，绝对空间也是相对的概念。意义上说，绝对空间也是相对的概念。 2.1.1 2.1.1 空间的概念空间的概念 在传统上，地理空间以欧式空间为基础。在传统上，地理空间以欧式空间为基础。但它对于宏观的空间分布或目标之间的相互关但它对于宏观的空间分布或目标之间的相互关系的表达存在困难系
8、的表达存在困难. . 因此，因此，GISGIS进行空间分析进行空间分析的过程中引入拓扑空间，用于表达空间目标之的过程中引入拓扑空间，用于表达空间目标之间的邻接、连通等关系，通过各种分析操作解间的邻接、连通等关系，通过各种分析操作解算空间目标的相关特征，发现地理规律和知识。算空间目标的相关特征，发现地理规律和知识。2.1.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽象 开放地理信息系统协会（开放地理信息系统协会（Open GIS Consortium，OGC）制订的）制订的Open GIS规范规范将地理空间认知模型抽象为九个层次，如下将地理空间认知模型抽象为九个层次，如下页图示。页图示。O
9、pen GIS规范认为从现实世界到规范认为从现实世界到GIS工程世界要经过九个层次的转化和抽象，工程世界要经过九个层次的转化和抽象，九个层次之间通过八个接口相互连接。从第九个层次之间通过八个接口相互连接。从第二层到第九层，每一层都由前一层派生而来，二层到第九层，每一层都由前一层派生而来，后一层是对前一层的抽象。后一层是对前一层的抽象。现实世界（基本语言 ）系统库（编程语言、数学库等）概念世界（自然语言 ）地理空间世界（GIS语言 ）维度世界 项目世界地理点阵世界地理几何特征世界地理要素世界 要素集成世界层层 层层 抽抽 象象 国际标准化组织的地理信息技术委国际标准化组织的地理信息技术委员会员会
10、(ISO/TC211).规定以数据管理和数规定以数据管理和数据交换为目标的地理信息基本语义和结据交换为目标的地理信息基本语义和结构，旨在准确描述地理信息，从而规范构，旨在准确描述地理信息，从而规范管理地理数据。管理地理数据。 ISO/TC211从现实世界从现实世界到数字世界的抽象过程进行了概括，其到数字世界的抽象过程进行了概括，其基本思路是基本思路是:2.1.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽象 首先确定地理空间论域，指地理要素首先确定地理空间论域，指地理要素的空间属性、非空间属性、功能以及各要的空间属性、非空间属性、功能以及各要素之间的相互关系素之间的相互关系; ;然后建立概
11、念模式然后建立概念模式, ,即即建立真实世界某些部分的抽象描述或建立建立真实世界某些部分的抽象描述或建立相关概念集合的过程；最后构造概念模式相关概念集合的过程；最后构造概念模式语言语言, ,即发展一种人类和计算机可共同接即发展一种人类和计算机可共同接受的语法分析规范语言。受的语法分析规范语言。 2.1.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽象2.1.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽象现实现实世界世界地理空地理空间论域间论域概念概念模型模型概念模概念模式语言式语言概念模式建立概念模式建立2.1.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽象 从现实世界到数字世
12、界的抽象可以从现实世界到数字世界的抽象可以概括为现实世界概括为现实世界概念模型概念模型数据数据模型三个层次模型三个层次 ：2.1.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽象 概念模型是对现实世界进行概念概念模型是对现实世界进行概念化描述并建模，现实世界经过人脑的化描述并建模，现实世界经过人脑的抽象加工，提取出对用户有用的信息，抽象加工，提取出对用户有用的信息，经过组织整理加工形成的介于现实世经过组织整理加工形成的介于现实世界和计算机世界之间的中间模型。是界和计算机世界之间的中间模型。是人类认识现实世界，建立数字化地理人类认识现实世界，建立数字化地理空间的第一步。空间的第一步。 2.1
13、.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽象 GISGIS是以计算机内部的二进制数字世是以计算机内部的二进制数字世界作为存储载体的。为了将人类所理解的界作为存储载体的。为了将人类所理解的客观世界能够存储在计算机中并可以进行客观世界能够存储在计算机中并可以进行一系列相应的处理、操作、管理、分析和一系列相应的处理、操作、管理、分析和模拟，人们需要数据模型，将概念模型形模拟，人们需要数据模型，将概念模型形式化。从抽象的层次而言，需要依次构建式化。从抽象的层次而言，需要依次构建逻辑数据模型和物理数据模型。逻辑数据模型和物理数据模型。 2.1.2 2.1.2 地理空间的多级抽象地理空间的多级抽
14、象 逻辑数据模型逻辑数据模型(Logical Data Model)(Logical Data Model)是系统抽象的中间层是系统抽象的中间层, ,既面向用户建模既面向用户建模, ,也也面向系统面向系统, ,是是GISGIS对地理数据表达的逻辑结对地理数据表达的逻辑结构构, ,由概念模型转换而来由概念模型转换而来. .它是用户通过它是用户通过GISGIS看到的现实地理空间世界看到的现实地理空间世界. .逻辑数据模逻辑数据模型的建立既要使用户易于理解型的建立既要使用户易于理解, ,又要便于又要便于物理实现物理实现, ,易于转换成物理数据模型易于转换成物理数据模型. .2.1.2 2.1.2 地
15、理空间的多级抽象地理空间的多级抽象 物理数据模型（物理数据模型（Physical Data Model）是计算机内部具体的存储形式和操作机制，是计算机内部具体的存储形式和操作机制，是系统抽象的最低层是系统抽象的最低层.每一种逻辑模型在实每一种逻辑模型在实现时都有其对应的物理模型现时都有其对应的物理模型.物理数据模型物理数据模型面向具体的面向具体的GIS数据库数据库,面向机器面向机器,不仅与具不仅与具体的数据库有关体的数据库有关,还与操作系统和硬件有关。还与操作系统和硬件有关。 2.2 2.2 地理参考坐标系统地理参考坐标系统2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 地理空间坐标系统是空
16、间位置的度量衡地理空间坐标系统是空间位置的度量衡,是地理实体在地球表面或地理空间进行定位是地理实体在地球表面或地理空间进行定位的参考的参考,是空间目标个体定位信息以及空间距是空间目标个体定位信息以及空间距离、空间方位、拓扑等信息的确定必不可少离、空间方位、拓扑等信息的确定必不可少的工具，是空间数据分析的基础和前提。的工具，是空间数据分析的基础和前提。 根据不同的测量方法根据不同的测量方法, ,应用目标和计算方应用目标和计算方法，坐标系统可以分为很多类型法，坐标系统可以分为很多类型, ,常用的大地常用的大地坐标系就有坐标系就有150150余个余个. .不同国家所采用的坐标系不同国家所采用的坐标系
17、统多不同统多不同; ;另外另外, ,即使在同一个国家即使在同一个国家, ,不同的历不同的历史时期由于习惯的改变或经济的发展变化也会史时期由于习惯的改变或经济的发展变化也会采用不同的坐标系统采用不同的坐标系统. .从几何学角度看从几何学角度看, ,由原点由原点位置位置,3,3个坐标轴的指向和尺度等要素可以定义个坐标轴的指向和尺度等要素可以定义坐标系统坐标系统, ,因此通过坐标平移、旋转和尺度转因此通过坐标平移、旋转和尺度转换换, ,可以将一个坐标系变换到另一个坐标系统。可以将一个坐标系变换到另一个坐标系统。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 天球坐标系是惯性坐标系，其坐标原天球坐标
18、系是惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星位置和状态。在天球坐标系中，描述卫星位置和状态。在天球坐标系中，天体天体S S的空间位置，可用天球空间直角坐标的空间位置，可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述系或天球球面坐标系两种方式来描述 . .2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 天球空间直角坐标系的定义为天球空间直角坐标系的定义为: :地球质心地球质心M M为坐标系原点为坐标系原点,Z,Z轴指向天球北极轴指向天球北极Pn,XPn,X轴指轴指向春分点向春分点,Y,Y轴垂直于轴垂直于XMZXMZ平面平面, ,与
19、与X X轴和轴和Z Z轴构成右手坐标系轴构成右手坐标系. .则在此坐标系下则在此坐标系下. .天体天体S S的位置由坐标（的位置由坐标（X X，Y Y，Z Z）来描述）来描述. . 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 天球球面坐标系的定义是：地球质心天球球面坐标系的定义是：地球质心M M为系统原点，含天轴为系统原点，含天轴MPMPn n与春分点轴与春分点轴MM的的天球子午面即基准子午面与过天体天球子午面即基准子午面与过天体S S的天球的天球子午面的夹角子午面的夹角称为赤经；天体称为赤经；天体S S与原点与原点M M的连线相对于天球赤道平面的夹角的连线相对于天球赤道平面的夹角称为称
20、为赤纬；原点赤纬；原点M M到天体到天体S S的径向长度的径向长度称为天称为天体体S S的向径。天体的向径。天体S S的位置在天球球面坐标的位置在天球球面坐标系下的表述为（系下的表述为（ ， ，） 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系与天球球面坐标系与天球球面坐标系2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 地球坐标系是为了描述地面点的位地球坐标系是为了描述地面点的位置建立的一个与地球相关联的坐标系。置建立的一个与地球相关联的坐标系。 1 1地心坐标系地心坐标系 除了满足地心定位和双平行定向条件外除了满足地心定位和双平行定向条件外, ,在
21、确定椭球参数时使它在全球范围内与大地体在确定椭球参数时使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球最密合的地球椭球, ,叫做总地球椭球叫做总地球椭球, ,与之相应与之相应的坐标系叫做地心坐标系。的坐标系叫做地心坐标系。 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统地心坐标系通常分为地心空间直角坐标系（地心坐标系通常分为地心空间直角坐标系（X X，Y Y，Z Z）和地心大地坐标系（）和地心大地坐标系（B B，L L，H H）两种。）两种。 地心空间直角坐标系一般是这样规定的：地心空间直角坐标系一般是这样规定的：它的原点位于地球的质心它的原点位于地球的质心,Z轴指向国际协议轴指向国际协议原点原点C
22、IO，X轴指向国际时间局轴指向国际时间局BIH定义的格定义的格林尼治平均天文台子午面和林尼治平均天文台子午面和CIO赤道的交点，赤道的交点，Y轴和轴和Z、X轴构成一个右手坐标系。轴构成一个右手坐标系。 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 地心大地坐标系要求选用地心大地坐标系要求选用个和全球大地个和全球大地水准面最为密合的椭球，即总地球椭球。该椭水准面最为密合的椭球，即总地球椭球。该椭球的中心与地球质心球的中心与地球质心O重合，椭球的短轴与地球重合，椭球的短轴与地球自转轴重合，指向定义的地极，通常指向自转轴重合，指向定义的地极，通常指向CIO，并定义起始大地子午面和起始天文子午面重
23、合。并定义起始大地子午面和起始天文子午面重合。P点的大地纬度点的大地纬度B为过该点的椭球法线与椭球赤为过该点的椭球法线与椭球赤道面的夹角道面的夹角，大地经度，大地经度L为该点所在的椭球子为该点所在的椭球子午面与格林威治平大地子午面之间的夹角午面与格林威治平大地子午面之间的夹角，P点的高度点的高度H为为P点沿椭球法线至椭球面的距离点沿椭球法线至椭球面的距离h 。 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 地心空间直角坐标系和地心空间直角坐标系和地心大地坐标系地心大地坐标系2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统2 2站心坐标系站心坐标系 测量工作中以测站为原点，所构成的坐测量工作
24、中以测站为原点，所构成的坐标系称为测站中心坐标系，简称站心坐标系。标系称为测站中心坐标系，简称站心坐标系。站心坐标系有两种形式：一种是站心直角坐站心坐标系有两种形式：一种是站心直角坐标系；另一种是站心极坐标系。标系；另一种是站心极坐标系。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 站心直角坐标系以测站的椭球法线方向为站心直角坐标系以测站的椭球法线方向为Z Zr r轴，以测站子午线北端与大地地平面的交线为轴，以测站子午线北端与大地地平面的交线为X Xr r轴，大地平行圈（东方向）与大地地平面的交线轴，大地平行圈（东方向）与大地地平面的交线为为Y Yr r轴，构成左手坐标系。轴，构成左手坐标
25、系。 站心极坐标系是以测站的铅垂线为准，某点站心极坐标系是以测站的铅垂线为准，某点在极坐标系中的坐标为（在极坐标系中的坐标为（s s，s s，h hs s），其中），其中s s：卫星：卫星S S到测站到测站O Or r的距离。的距离。s s：卫星：卫星S S在极坐标在极坐标系中的方位角。系中的方位角。h hs s：卫星：卫星S S在极坐标系中的高度角在极坐标系中的高度角（如图）。（如图）。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 站心直角坐标系和站心站心直角坐标系和站心极坐标系极坐标系2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统3 3参心坐标系参心坐标系 具有具有定参数，经过局部定
26、位和定向，定参数，经过局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳密合的地球椭球，同某一地区大地水准面最佳密合的地球椭球，叫做参考椭球。参考椭球上的坐标系叫做参叫做参考椭球。参考椭球上的坐标系叫做参心坐标系。心坐标系。 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统1 1国家大地坐标系国家大地坐标系 目前我国常用的国家大地坐标系目前我国常用的国家大地坐标系1954年北京坐标系和年北京坐标系和1980年西安坐标均年西安坐标均为参心坐标系。为参心坐标系。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 19541954年北京坐标系是以前苏联的普尔年北京坐标系是以前苏联的普尔科沃为大地原点，以克拉索夫
27、斯基椭球为科沃为大地原点，以克拉索夫斯基椭球为参考椭球建立的。其椭球的几何参数：长参考椭球建立的。其椭球的几何参数：长半轴半轴a=6378245ma=6378245m；扁率；扁率f=1/298.3f=1/298.3。高程是。高程是以以19561956年青岛验潮站的黄海平均海水面为年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。基准。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 为了适应大地测量发展的需要，我国于为了适应大地测量发展的需要，我国于19781978年年建立了新的国家大地坐标系统建立了新的国家大地坐标系统, ,称称19801980年西安坐标年西安坐标系，其原点位于我国中部的陕西省西安市泾阳县
28、永系，其原点位于我国中部的陕西省西安市泾阳县永乐镇境内。椭球参数采用乐镇境内。椭球参数采用19751975年国际大地测量与地年国际大地测量与地球物理联合会的推荐值：椭球长半轴球物理联合会的推荐值：椭球长半轴a=6378140ma=6378140m；重力场二阶带谐系数重力场二阶带谐系数J J2 2=1.08263=1.08263101033；地心引力；地心引力常常GM=3.986005GM=3.98600510101414m m3 3/s/s2 2；地球自转角速度；地球自转角速度=7.292115=7.292115101055rad/srad/s。据以上参数得到了。据以上参数得到了8080椭椭球
29、的几何参数为：球的几何参数为：a=6378140ma=6378140m；f=1/298.257f=1/298.257。 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统2 2高斯平面直角坐标系统与高斯平面直角坐标系统与UTMUTM坐标系坐标系 为简单起见为简单起见, ,把地球作为一个圆球看待把地球作为一个圆球看待, ,设设想把一个平面卷成一个横圆柱想把一个平面卷成一个横圆柱, ,把它套在圆球把它套在圆球外面外面, ,使横圆柱的轴心通过圆球的中心使横圆柱的轴心通过圆球的中心, ,把地球把地球面上的一根子午线与横圆柱相切面上的一根子午线与横圆柱相切, ,即这条子午即这条子午线与横圆柱重合，通常称它
30、为线与横圆柱重合，通常称它为“中央子午线中央子午线”或称或称“轴子午线轴子午线”. . 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 沿横圆柱的一条母线将横圆柱剪开并展成沿横圆柱的一条母线将横圆柱剪开并展成平面，中央子午线投影到横圆柱上展开是平面，中央子午线投影到横圆柱上展开是条条直线，把这条直线作为高斯平面坐标系的纵坐直线，把这条直线作为高斯平面坐标系的纵坐标轴即标轴即x x轴。另外，扩大赤道面与横圆柱相交，轴。另外，扩大赤道面与横圆柱相交，展平后这条交线必然与中央子午线相垂直，作展平后这条交线必然与中央子午线相垂直，作为高斯平面直角坐标的横坐标轴即为高斯平面直角坐标的横坐标轴即y y轴
31、（如轴（如图）。这样建立的平面直角坐标系即为高斯平图）。这样建立的平面直角坐标系即为高斯平面直角坐标系。面直角坐标系。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 高斯克吕格投高斯克吕格投影示意图影示意图 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 由于高斯克吕格投影在低纬度和中纬度地区由于高斯克吕格投影在低纬度和中纬度地区投影误差较大，因此，目前世界上许多国家采用与投影误差较大，因此，目前世界上许多国家采用与高斯投影相近的通用横轴墨卡托（高斯投影相近的通用横轴墨卡托（UTM）投影，）投影，建立了建立了UTM坐标系统。与高斯投影相比，坐标系统。与高斯投影相比，UTM投投影把中央子午线
32、的长度比缩小至影把中央子午线的长度比缩小至0.9996，并使投影，并使投影后两割线（约在离中央子午线东西后两割线（约在离中央子午线东西140处）上无处）上无变形（如图）。由此建立的变形（如图）。由此建立的UTM平面直角坐标系平面直角坐标系和高斯平面直角坐标系一样，将投影后互相垂直的和高斯平面直角坐标系一样，将投影后互相垂直的中央子午线和赤道作为坐标系的纵横轴中央子午线和赤道作为坐标系的纵横轴。 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 UTM UTM 投投 影影2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 3 3WGSWGS8484世界大地坐标系世界大地坐标系 美国国防部经过多年的
33、修正和完善，建立美国国防部经过多年的修正和完善，建立了目前最高精度水平的地心坐标系统，称了目前最高精度水平的地心坐标系统，称WGSWGS8484世界大地坐标系统。在全球定位系统（世界大地坐标系统。在全球定位系统（GPSGPS）中，中，GPSGPS卫星的位置（星历）的计算，目前采用卫星的位置（星历）的计算，目前采用的是的是WGS84WGS84（world geodetic systemworld geodetic system）。）。WGSWGS8484是一个协议地球参考系是一个协议地球参考系CTSCTS（Conventional Terrestrial SystemConventional T
34、errestrial System）。）。 2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 WGSWGS8484坐标系的原点是地球的质心，坐标系的原点是地球的质心，Z Z轴指轴指向向BIHBIH（国际时间局）（国际时间局）1984.01984.0定义的协议地球极定义的协议地球极CTPCTP（Conventional Terrestrial PoleConventional Terrestrial Pole）方向，）方向，X X轴指向轴指向BIH1984.0BIH1984.0定义的零度子午面和定义的零度子午面和CTPCTP相应相应的赤道的交点，的赤道的交点，Y Y轴和轴和Z Z、X X轴构成右
35、手坐标系轴构成右手坐标系。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 WGSWGS8484坐标系采用的地球椭球称为坐标系采用的地球椭球称为WGSWGS8484椭球，该椭球的椭球，该椭球的4 4个主要参数采用国际大地测个主要参数采用国际大地测量学与地球物理学联合会第十七届大会的推荐量学与地球物理学联合会第十七届大会的推荐值：长半轴值：长半轴a=6378137a=63781372m2m；地球引力常数；地球引力常数GM=GM=（3986005398600510108 80.60.610108 8）m m3 3/s/s2 2；地球自转角；地球自转角速度速度=（729211572921151010
36、11110.15000.150010101111）r a d / sr a d / s ； 正 常 二 阶 带 谐 系 数； 正 常 二 阶 带 谐 系 数 C 2 . 0C 2 . 0 484.16685484.166851010660.60.6101066。据以上参数得。据以上参数得到了到了WGS-84WGS-84椭球的扁率椭球的扁率f=1/298.257223563f=1/298.257223563。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 4 4独立坐标系独立坐标系 在我国许多城市和工程测量中，若直接采在我国许多城市和工程测量中，若直接采用国家坐标系，可能会因为远离中央子午线或
37、用国家坐标系，可能会因为远离中央子午线或测区平均高程较大，导致长度投影的变形过大，测区平均高程较大，导致长度投影的变形过大，为此，在实际城市和工程测量中，常常会建立为此，在实际城市和工程测量中，常常会建立适合本地区的地方独立坐标系，实际上是一种适合本地区的地方独立坐标系，实际上是一种参心坐标系，也就是通过一些元素的确定来决参心坐标系，也就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。定地方参考椭球与投影面。2.2.1 2.2.1 地理坐标系统地理坐标系统 2.2 2.2 地理参考坐标系统地理参考坐标系统 地方参考椭球一般选择与当地平均高程相地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球，
38、与国家参考椭球相比，椭球对应的参考椭球，与国家参考椭球相比，椭球中心、轴向和扁率相同，椭球半径增大。中心、轴向和扁率相同，椭球半径增大。 在地方投影面确定过程中，应当选取过测在地方投影面确定过程中，应当选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线；以某个特定使用的点和方位为地方央子午线；以某个特定使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位，并选取当地平独立坐标系的起算原点和方位，并选取当地平面高程面面高程面H Hm m为投影面。为投影面。 2.2.2 2.2.2 地地 图图 投投 影影 地图投影将地球表面的球面坐标转换为平面地图投影将地球
39、表面的球面坐标转换为平面坐标坐标, ,即建立球面坐标和平面坐标之间的映射关即建立球面坐标和平面坐标之间的映射关系系. .球面或椭球面地球几何模型可以被投影到平球面或椭球面地球几何模型可以被投影到平面、柱面或锥面等许多种表面上，各种表面又可面、柱面或锥面等许多种表面上，各种表面又可以与地球模型相切或相割，所以地图投影的种类以与地球模型相切或相割，所以地图投影的种类很多。很多。 地图投影按照构成方法分为几何投影和非几地图投影按照构成方法分为几何投影和非几何投影两大类型。几何投影是将椭球面直接透视何投影两大类型。几何投影是将椭球面直接透视到平面上到平面上, ,或透视到其他如圆柱面和圆锥面等虽或透视到
40、其他如圆柱面和圆锥面等虽不是平面，但可以展为平面的表面上不是平面，但可以展为平面的表面上, ,即具有几即具有几何意义的方位、圆柱和圆锥投影。何意义的方位、圆柱和圆锥投影。非几何投影按非几何投影按照经纬线形状又分为：伪方位投影、伪圆柱投影、照经纬线形状又分为：伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影几类。伪圆锥投影、多圆锥投影几类。 2.2.2 2.2.2 地地 图图 投投 影影构成方式构成方式方向方向投影面与球面投影面与球面关系关系变形变形性质性质几何投几何投影影方位投影方位投影正轴正轴投影投影割投影割投影等角等角投影投影圆柱投影圆柱投影圆锥投影圆锥投影斜轴斜轴投影投影等距等距投影投影非
41、几何非几何投影投影伪方位投影伪方位投影切投影切投影伪圆柱投影伪圆柱投影横轴横轴投影投影等积等积投影投影伪圆锥投影伪圆锥投影多圆锥投影多圆锥投影 2.2.2 2.2.2 地地 图图 投投 影影 2.2.2 2.2.2 地地 图图 投投 影影 经纬线形状和变形性质应满足地图内容的要经纬线形状和变形性质应满足地图内容的要求；变形小而分布均匀，等变形线的形状与制图求；变形小而分布均匀，等变形线的形状与制图区域的轮廓形状接近；经纬线网形状应便于读者区域的轮廓形状接近；经纬线网形状应便于读者识别，投影的计算、绘制和变换都比较方便。识别，投影的计算、绘制和变换都比较方便。 2.2.2 2.2.2 地地 图图
42、 投投 影影 世界地图世界地图：世界地图由于范围很大，需要考虑世界地图由于范围很大，需要考虑全球的整体变形问题，通常采用正圆柱、伪圆柱全球的整体变形问题，通常采用正圆柱、伪圆柱和多圆锥投影。常用的世界航线图、世界交通图和多圆锥投影。常用的世界航线图、世界交通图与世界时区图一般采用墨卡托投影绘制；我国出与世界时区图一般采用墨卡托投影绘制；我国出版的世界地图多采用等差分纬线多圆锥投影，选版的世界地图多采用等差分纬线多圆锥投影，选用这个投影，对于表现中国形状以及与四邻的对用这个投影，对于表现中国形状以及与四邻的对比关系较好，但投影的边缘地区变形较大。比关系较好，但投影的边缘地区变形较大。 2.2.2
43、 2.2.2 地地 图图 投投 影影 半球地图半球地图 ：东、西半球地图常选择横轴等：东、西半球地图常选择横轴等面积方位投影、横轴等角方位投影；南、北半面积方位投影、横轴等角方位投影；南、北半球有正轴等积方位投影、正轴等角方位投影、球有正轴等积方位投影、正轴等角方位投影、正轴等距离方位投影；水、陆半球图一般选用正轴等距离方位投影；水、陆半球图一般选用斜轴方位投影。斜轴方位投影。 2.2.2 2.2.2 地地 图图 投投 影影 亚洲地图的投影：亚洲地图的投影：斜轴等面积方位投影、斜轴等面积方位投影、彭纳彭纳投影欧洲地图的投影：投影欧洲地图的投影：斜轴等面积方位投斜轴等面积方位投影、正轴等角圆锥投
44、影。影、正轴等角圆锥投影。北美洲地图的投影：北美洲地图的投影：斜轴等面积方位投影、彭纳投影。斜轴等面积方位投影、彭纳投影。南美洲地图南美洲地图的投影：的投影：斜轴等面积方位投影、桑逊投影。斜轴等面积方位投影、桑逊投影。澳澳洲地图的投影：洲地图的投影：斜轴等面积方位投影、正轴等斜轴等面积方位投影、正轴等角圆锥投影。角圆锥投影。拉丁美洲地图的投影：拉丁美洲地图的投影：斜轴等面斜轴等面积方位投影。积方位投影。 各大洲地图各大洲地图 2.2.2 2.2.2 地地 图图 投投 影影 我国位于中纬度地区，通常采用圆锥投影。我国位于中纬度地区，通常采用圆锥投影。对于全国地图而言，通常采用斜轴等面积方位投对于
45、全国地图而言，通常采用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、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。正轴等面积割圆锥投影、正轴等角割圆锥投影。分省（区）地图通常采用正轴等角割圆锥投影、分省（区）地图通常采用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、高正轴等面积割圆锥投影、正轴等角圆柱投影、高斯斯- -克吕格投影（宽带）。克吕格投影（宽带）。 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 地理网格系统能够由粗到细、逐级地分割地理网格系统能够由粗到细、逐级地分割地球表面，将地球曲面用一定大小的多边形网地球表面，将地球
46、曲面用一定大小的多边形网格进行近似模拟，实现地球表面的再表现，目格进行近似模拟，实现地球表面的再表现，目的是将地理空间的定位和地理特征的描述一体的是将地理空间的定位和地理特征的描述一体化，并将误差控制在网格单元的大小范围内的。化，并将误差控制在网格单元的大小范围内的。 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 经纬网格是目前比较常用的一种地理网经纬网格是目前比较常用的一种地理网格系统。网格边线是由等度数间隔排列的纬格系统。网格边线是由等度数间隔排列的纬线和累次增加的经线交叉而成的，如下图所线和累次增加的经线交叉而成的，如下图所示的网格。空间数据的属性与
47、经纬网格内的示的网格。空间数据的属性与经纬网格内的点相关联，这些点将有助于网格内空间数据点相关联，这些点将有助于网格内空间数据的获取与处理。的获取与处理。 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 建立地理网格模拟地球曲面的两个关键问建立地理网格模拟地球曲面的两个关键问题是分辨率和网格。为了更加逼真地模拟地球题是分辨率和网格。为了更加逼真地模拟地球表面，地理网格往往由一系列分辨率逐渐增加表面，地理网格往往由一系列分辨率逐渐增加的网格组成，如果分辨率以一种规则的方式增的网格组成，如果分辨率以一种规则的方式增加，就可以定义网格系统的孔径为加，就可以定义网格
48、系统的孔径为分辨率分辨率为为k k的网格系统最小单元格面积与分辨率为的网格系统最小单元格面积与分辨率为k+1k+1的网格系统最小单元格面积之比。的网格系统最小单元格面积之比。 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 当然也存在分辨率不是规则地增加的情况，当然也存在分辨率不是规则地增加的情况，这又与地理网格的单元格形状有关，有些研究这又与地理网格的单元格形状有关，有些研究将地球表面分割成形状或大小不规则的多边形，将地球表面分割成形状或大小不规则的多边形，但是在大多数的应用中人们更愿意使用那些由但是在大多数的应用中人们更愿意使用那些由均匀分布的点与规则的区域构成的网格系统。均匀分布的点与规则的区
49、域构成的网格系统。 地理网格不仅能够用于自然、人文过程的地理网格不仅能够用于自然、人文过程的空间格局表达，还便于探索更加简单、有效的空间格局表达，还便于探索更加简单、有效的空间数据结构算法。空间数据结构算法。 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 一类是用于存储区域信息的网格系一类是用于存储区域信息的网格系统，它所表达的数据是二维平面上的具统，它所表达的数据是二维平面上的具有属性值的对象或实体所在的区域或范有属性值的对象或实体所在的区域或范围。围。 一类是用于存储位置信息的网格系一类是用于存储位置信息的网格系统，它所表达的一类对象是零维的点或统，它所表达的一类对象是零维的点或位置以及具有明
50、显边界的对象位置以及具有明显边界的对象 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 所谓全球地理网格模型是由形成地球表面所谓全球地理网格模型是由形成地球表面剖分的一系列区域所组成，每个区域都包含一剖分的一系列区域所组成，每个区域都包含一个与之相关联的点。个与之相关联的点。 地球表面往往以球体、椭球体、大地水准地球表面往往以球体、椭球体、大地水准面等近似的拓扑形状来表达。面等近似的拓扑形状来表达。 2.2.3 2.2.3 地理网格地理网格 规则的全球地理网格模型的建立，一般都规则的全球地理网格模型的建立，一般都是从一个柏拉图立体开始的，将正四面体、正是从一个柏拉图立体开始的，将正四面体、正六面体、
