02空间数据基础

功能上的分布方式和格局及其在时间上的延续。
地理空间的范围：上至大气电离层，下至地幔莫霍面
（即常说的地理圈层）？
绝对地理空间：常用经纬度、平面直角坐标表示
相对地理空间：依赖于与其他实体之间的空间关系
2
2.1.2 地理空间的数学建构
地球的自然表面：复杂、难于表达 物理表面：大地水准面（重力等位 面，由于地球内部质量不均而起伏不 平） 数学表面： 椭球体模型 数学模型
非拓扑属性：拓扑变换后改变的属性
两点之间的距离、一个点至另一个点的方向 弧段的长度、区域的周长、区域的面积
18
欧式平面上的拓扑与非拓扑属性
19
三个非常重要的拓扑概念
连接性
20
多边形区域定义
21
邻接性
22
拓扑关系的意义
拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析，具有 重要的意义
通过它，不需要利用坐标与距离，即可确定地理实体之间 的空间位置关系。 有利于空间位置的查询。 可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 便于检查数据的错误 便于空间数据的编辑 便于属性数据的输入 便于空间分析功能的实现。
旋转椭球体有多种：不同测定者、不同计算年代、 不同测定方法、不同测定地区，对椭球体的描述方 法不同 我国不同时期采用的椭球体： 1953年以前：海福特椭球体 1953年—1978年：克拉索夫斯基（Krasovsky） 1978年以后：1975国际椭球体
7
2.1.3地理空间坐标系的建立
TIN的生成方法
48
等高线与高程点生成的不规则三角模型
49
2.3.1 空间数据组织与编码
2.3.1 空间数据组织 空间数据组织
依据地理实体之间的不同特征、相似特征、不同地
理实体的组合特征特征进行分类，运用标志符建立 空间数据 （空间特征和属性特征）之间的联系的过 程和方法。
不同特征：如公路与铁路因建造方式不同可视为 不同类型 相似特征 ：如公路与铁路因都具有运输能力可将 其视为一类 组合特征：如机场跑道、停机坪、候机楼等组合 成机场
例：1160083123
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空间数据编码实例
——土地利用规划图的编码 属性 位数 例 规划用地类型 x 1 原用地类型 xxx 121
56
土地利用数据库要素分类与编码方案
土地利用数据库部分要素代码与名称
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空间数据编码实例
——100万分之一地貌编码
第一级 第二级 第三级 第四级 第五级 第六级
三维：空间实体
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矢量数据模型的表达
零维矢量
一维矢量 二维矢量 三维矢量
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矢量数据模型的特征
定位明显、属性隐含
形象直观 特别适合于模拟离散（非连续变化）的空间
数据 精度高
矢量数据的获取
利用各种定位仪器设备获取 以硬拷贝数据方式获取
通过间接转换的方式获取
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栅格数据的获取 通过遥感影像数据获取 规则点采样、不规则点采样及插值 通过扫描仪、摄像机等设备获取 通过矢量数据的转换获取
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栅格数据的获取
——遥感影像
38
栅格数据的获取
——规则点采样
39
栅格数据的获取
——不规则采样点及插值
40
栅格数据的获取
——利用扫描仪、摄像
机获取
原意为“形状的研究”。 几何学的一个分支学科 它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性，即拓扑属性
拓扑变换：对欧氏平面上的空间进行拉伸、压缩等（不能扭曲或折
叠）——例如：橡皮
拓扑属性：拓扑变换后不变的属性
一个点在一个弧段的端点、区域边界上、区域内部、区域外部、环的
内部等 一个弧段是一个简单的弧段、一个面是一个简单的面、一个面的连接 性
平原 1
低海拔 1 海 成 11 海积冲积 2 海蚀 3
淤泥质1 砂质2 砾质3 生物4
低阶地2 洼地3
低阶地1 平台 2
海积1 台地 2 低海拔 1 高阶地1 海蚀2 平坦的1 起伏的2 平坦的1 起伏的2
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栅格数据模型的特征
属性明显，定位隐含 在栅格结构中，其精度与分辨率有关 栅格数据的分辨率对数据精度的其他影响 位置的移动 形状的畸变 属性的偏差
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位置移动
形状的畸变
属性偏差
35
分辨率——总结
随着分辨率的提高，数据的信息损失越小。 随着分辨率的提高，对存贮空间的要求将成 几何级数增加。 随着分辨率的提高，数据处理的时间要求也 越长。 分辨率选择的原则：在考虑数据精度要求的 同时，还必须考虑数据存贮空间与处理时间 的开销（在精度与存贮空间和处理时间之间 权衡）。
一位码
×
相对高度
一位码
×
海拔高度
二位码
× ×
成因
一位码
×
次级成因
一位码
×
不确定
一位码
×
不确定
平原 1 台地 2 丘陵 3 小起伏山地 4 中起伏山地 5 大起伏山地 6 极大起伏山地7
低海拔 1 中海拔 2 亚高海拔3 高海拔 4 极高海拔5
15种 成因 类型
随主要成因的 变化而变化， 但基本上分为 抬升/侵蚀、 下降/堆积两 种
多为形态指标， 但也可以为成 因指标，或其 他指标。
多为形态指标， 但也可以为成因 指标，或其他指 标。
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空间数据编码实例
——100万分之一地貌编码
Ⅰ基本地貌类型 第一位 起伏度 第二位 海拔 第三 四位 成因 第五位 次级 成因 海积 1 第六位 形态 海滩 1 Ⅱ地貌成因类型 第七位 次一级形态 物质组成 倾 斜程度 类型 编码 1111100 1111110 1111111 1111112 1111123 1111124 1111120 1111130 1111200 1111300 1111310 1111320 2111110 2111111 2111112 2111210 2111211 2111212 类型 命名 海积平原 海滩 淤泥质海滩 砂质海滩 砾质海滩 生物海滩 海积低阶地 泻湖洼地 海积冲积平原 海蚀平原 海蚀低阶地 海蚀平台 海积高阶地 平坦的海积高阶地 起伏的海积高阶地 海蚀高阶地 59 平坦的海蚀高阶地 起伏的海蚀高阶地
不容易 复杂、高费用
不易实现
容易 简单、低费用
不方便
快
方便
慢
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2.2.3 不规则三角网模型
不规则三角网（Triangulated Irregular Network， TIN）模型采用一系列相连接的三角形拟合地表或 其他不规则表面，常用来构造数字地面模型（DTM） 以及数字高程模型（DEM）。
栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两 种最基本的方式。
24
2.2.1 矢量数据模型
矢量 0维：点，无大小、文向；用一个坐标对表示，
在二维空间用（x,y）表示，三维空间中用 （x,y,z）表示；
一维：线、弧段、链等，有方向（有起点，有 终点）、有长度；用多个坐村对表示 （x1,y1,z1）、 （x2,y2,z2）、 （x3,y3,z3）、 （x4,y4,z4） 二维：面，以多边形表示
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空间数据的组织案例 ——道路分类
道路类型
1：高速公路 2：主干道路 3：居民街道
物质组成
1：水泥 2：柏油 3：碎石
道路宽度 小巷数量 道路名称
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空间数据的组织——标识符
标识符（Identifier）
用于标识空间要素的唯一代码
作用
1：保证空间要素在数据库中的唯一性 2：保证空间特征属性与属性特征数据的一 一对应关系 3：便于对数据的查找、关联与分析
3
地球模型
地球表面 铅垂线
水平面
大地水准面
地球椭球体
4
三轴椭球体
x2 y2 z2 2 2 1 2 a b c
5
旋转椭球体
x y z 2 2 1 2 a a c
2
2Leabharlann Baidu
2
6
旋转椭球体
椭球体的三要素：
长半径（赤道半径）a 短半径（极半径）c 扁率f=(a-c)/a
第2章 地理空间与空间数据基础
地理空间 空间数据模型 空间数据组织与编码 空间质量 空间数据的元数据 思考题 实验
1
2.1 空间数据基础
2.1.1 地理空间
从不同的角度看“空间（Space）”
物理学：三维的外延 天文学：时空连续体系的一部分 地理学：物质、能量、信息的存在形式在形态、结构、
A
hAB H´A 任意水准面 HA HB H´B
大地水准面
铅垂线
14
青岛验潮站示意图
黄海海面 1952-1979年平 均海水面为0米
水准原点 1985国家高 程基准，
72.260米
15
2.1.4 地理空间的距离度量
距离度量的两种方式
沿真实的地球表面进行距离量度 沿旋转椭球体表面进行距离量度（大圆弧长）
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标识符对空间特征与属性特征的联系
53
2.3.2 空间数据编码 概念
根据地理要素在数据分类分级中的隶属关系
和属性性质，将其进行数据化的一种方法。
编码
主码：实体元素的类别 子码：实体元素的标识（标识码）、实体元
素的描述（描述码）
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空间数据编码实例 ——道路
属性 位数 例 类型 x 1 物质组成 路宽 x 1 xx 60 小巷 数量 xx 08 路名 xxxx 3123
23
2.2 空间数据模型
三种常用的空间数据模型
矢量（Vector）：通过记录空间坐标对的方式， 以点、线、面等形式来描述空间目标对象 栅格（Raster）：用规则排列的像元阵列来描述 空间目标对象 TIN：三角形不规则网（Triangulated Irregular Network）。采用不规则的三角形来描述空间对 象
高程系
相对高程 绝对高程 高程系（1956年黄海高程系、1985国家高程基准）
8
地理坐标示意图
9
平面直角坐标
10
高斯—克吕格投影
高斯—克吕格投影 6度和3度分带
11
国家统一坐标
12
地理参考系统
Z
笛卡尔坐标 Z .M
.M
Z X Y
d
q 纬度 X
a 经度
X
极坐标
Y
13
Y
坐标系统—高程系统
欧氏距离
笛卡尔坐标系中的两点距离公式
曼哈顿距离（出租车距离）
两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离
时间距离
采用时间（从一点到达另一点所需要的时间）度量
词典距离
在词典或其它文本中的距离
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地球旋转椭球体上不同的距离度量方法
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2.1.5地理空间的拓扑关系
拓扑（Topology）：
27
定位明显 属性隐含
形象直观
28
适于模拟 离散数据
29
数据精度 与点的数 量与质量 有关
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2.2.2 栅格数据模型
栅格数据模型的概念 是一种用规则排列的像元阵列来描述空间目 标对象的数据模型，它主要用来描述空间实 体的级别分布特征及其位置。 栅格数据模型的表达
31
栅格
32
栅格
地理坐标（球面坐标） 纬度ψ、经度λ
国家大地坐标系（1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、2000
国家大地坐标系）
平面直角坐标
地图投影（球面到平面的转换；变形的必然存在；长度、角度、距
离三种变形） 高斯-克吕格投影（3度分带与6度分带） 国家统一坐标（各带中央经线西移500km为纵轴，赤道为横轴）
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栅格数据的获取
——间接转换方式
42
栅格单元属性的决定方式 主要类型法
中心点法
43
重要性法
A>B>C
长度占优法
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比例分成法
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地图的矢量和栅格表示
(x1,y 1) 0 3 3 3 3 (x3,y3) 0 0 (x2,y 2) (x4,y4) 7 0 0 0 3 3 3 3 0 0 0 0 1 0 0 3 3 3 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 5 5 5 0 8 0 1 1 7 5 5 5 5 0 1 1 0 0 0 5 5 5 0 1 0 4 4 4 0 0 5 5 0 0 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 0 4 4 4 0 0 0 8 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0
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矢量数据模型与栅格数据模型的比较
比较内容 数据结构 数据量 图形精度 图形运算 与遥感影像格式 输出表示 数据共享 矢量格式 栅格格式
严密 小 高 复杂、高效 不一致 抽象、昂贵 不易实现
简单 大 低 简单、低效 一致 直观、便宜 容易实现
拓扑与网络分析
叠置与组合 技术 数字模拟 投影变换
容易实现