GIS基础
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环境信息技术及实践 Environmental Informatics
and Application —环境空间数据与GIS基础
清华大学环境学院 贾海峰
Jhf@tsinghua.edu.cn Tel:62792642
GIS基础
地理信息系统（GIS）的定义 空间数据的基本概念 GIS中的数据结构
Reality represented by a set of map layers
因此可以说空间数据是一种用点、线、面等基本空间数据结构来表示人们 赖以生存的自然世界的数据。
2
空间数据的种类与来源
空间数据的获取
空间数据的获取包括两个基本步骤：
（1）空间数据的采集和录入
空间图形数据的采集 非空间属性数据的采集 空间图形数据和非空间属性数据的连接
（2）空间数据录入后的处理
GIS基础
地理信息系统（GIS）的定义 空间数据的基本概念 地理信息系统中的数据结构
空间数据库的特点
空间数据库的特点（与一般数据库相比）：
数据量特别大。地理系统是一个复杂的综合体，要用数 据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数 据量往往很大。 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性 质相似），还有大量的空间定位数据和空间关系数据， 即描述地理要素空间分布的数据，并且这两种数据之间 具有不可分割的联系。
栅格单元的代码表示
（1）中心点法 用处于栅格中心处的地物类型决定栅格代码，常用于具有连续分布 特性的地理要素，如降雨量分布、人口密度图等。
（2）面积占优法 以占矩形区域面积最大的地物类型决定栅格单元的代码， 常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况。
（3）重要性法 根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型 决定相应的栅格单元代码，常用于具有特殊意义而面积较小的地理 要素，如城镇、交通枢纽。
Regular tessellation
Cells have the same shape and size
Square regular tessellation: Raster
Raster, or raster map
Raster characteristics:
An array of m * n elements Raster resolution: the area each raster cell represents The x,y location associated with a cell is fixed by convention
栅格数据结构：把空间分成一系列单元，每个单元代表有 限的但确定的地球表面。
单元可以具有任何几何形状，只要能组合表达出所研究的区域的面 即可。
虽然栅格单元有许多形状，如三角形、六角形，但矩形，通常是正 方形，却是最简单的，正方形的常被称作网格单元。
矢量数据结构：它能够对空间位置予以精确定位，并且假 定地理空间是连续的。
（2）空间数据录入后的处理
拓扑关系的生成 判断录入图形是否正确的几个准则，以便发现拓扑关系错误 • 所有录入的实体都能够表现出来 • 没有输入额外的实体 • 所有的实体都在正确的位置上，并且其形状和大小正确 • 所有具有连接关系的实体都已经连上 建立拓扑关系 • 一般可以由计算机自动生成，大多数GIS软件提供了完善的拓扑功能； • 在某些情况下，需要对计算机创建的拓扑关系进行手工修改，典型的例 子是网络连通性。
每个网格称为一个象元或象素； 象素由行、列定义； 每个象素包含一个代码，代码表 示该象素的属性类型或量值； 或包含指向其属性记录的指针。
栅格结构的特点
属性明显，定位隐含：数据直接记录属性本身，而所在位置则根据行列Байду номын сангаас 转换为相应的坐标（定位）。
点用一个栅格单元表示； 线状地物用一组沿着线走向的相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多 只有两个相邻单元在线上； 面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元 可有多于两个的相邻单元同属一个区域。
地理信息系统（GIS）是什么？
空间数据
属性数据
Name Address Town St. Zip
G
GIS
IS
是 空间数据和属性数据的综合体
能让你轻易找到不同水源保护区范围内 的所有污染源
GIS starts and ends in real world
GIS基础
地理信息系统（GIS）的定义 空间数据的基本概念 地理信息系统中的数据结构
（4）百分比法 根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代 码。
栅格单元的大小
栅格文件的大小是由分辨率决定的，在高分辨率的情况下 所需的存储空间很大。
由于栅格模型的表达与分辨率密切相关，所以，同样属性的空间对 象在高分辨率的情况下将占据更多的像元或存储单元； 另一方面，栅格模型是通过同样颜色或灰度像元来表达具有相同属 性的面状区域的。
空间数据的获取
（1）空间图形数据的采集
扫描矢量化输入
扫描数字化仪，简称扫描仪，是一种把地图或图像按 一定的分辨率一般转换成栅格格式数据的装置
已是数字形式的空间数据的转化
Scanning
Drum scanner
Flat-bed scanner
3
On-screen digitising
空间数据的获取
点用独立的空间坐标对表示，线用一系列坐标对表示，面是由首尾 相连的线构成的多边形。
Tessellation
Partitioning of space into cells that together make up the complete study area
A thematic value is associated with each cell This value is associated with the entire space occupied by the cell
Example of a raster
Raster cell, Pceixlle, l Pixel
Irregular tessellation
Partitioning of space into cells that together make up the complete study area
A thematic value is associated with each cell This value is associated with the entire space occupied by the cell
空间实体是对存在于这个自然世界中地理实体的抽象。
包括点、线、面等基本类型 可以把一个工业企业污染源抽象成为一个点，该点可以包 含污染源所处的位置信息、污染源排放污染物的强度信息 和其它一些相关信息； 可以把一条河流抽象为一条线，该线可以包含这条河流的 长度、宽度、起点、终点以及河流水质等级等相关信息； 可以把一个湖泊抽象为一个面，该面可以包含湖泊的周长、 面积和湖水水质信息等；
E.g.: mid-point
Known partition of space by raster maps allows for fast computation (advantage) Cell boundaries are artificial and fixed, not adaptive to natural phenomena (disadvantage)
Y- AXIS
Y- AXIS
Spatial data
Point data
Line data
A
Y- AXIS
X - AXIS Area data
X - AXIS Continuous surface data
Y- AXIS
X - AXIS
X - AXIS
空间数据与空间实体
在空间对象建立后，还可以进一步定义其相互之间的关系，这种相互关系 被称为“空间关系”，又称为“拓扑关系”，如可以定义点－线关系、线 －线关系、点－面关系等。
栅格单元的编码方法
直接栅格编码方法 压缩编码方法 四叉树编码方法
栅格单元的四叉树编码方法
基本思想：把整个图像区逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域， 最小的方形区域为一个栅格象元。 分割步骤：将图像区域划分为四个大小相同的象限，一直划分到仅代表一种 地物或符合既定要求的少数几种地物时，则不再继续划分，否则一直划分到 单个栅格象元为止。
Example of irregular tessellation: Quadtrees
Imagine a computer representation of elevation Question: which part of study area is flattest ?
5
栅格结构
是最简单最直接的空间数据结 构。 将地球表面划分为大小均匀、 紧密相邻的网格阵列：
图形坐标变换：平移、旋转、缩放 图形拼接 拓扑关系生成
空间数据的获取
（1）空间图形数据的采集
手扶跟踪数字化输入
手扶跟踪数字化仪，简称数字化仪， 是一种用来记录和跟踪地图点、线位置的手工数字化
设备
1. Manual digitising
Stand-alone Digitiser
Digitiser tablet
定性：指有关空间目标的自然属性，例如变量、级别、数量特征和 名称等等，它伴随着目标的地理位置。
时间：指空间目标是随时间的变化而变化的，其变化的周期有超短 期的、短期的、中期的、长期的等等。
空间关系通常又称拓扑关系，指图形元素之间的空间位置和连接关 系。
空间数据的基本特征
空间数据与空间实体
地图是地理学家最常用的地理信息载体和地理语言，也是 最受人们欢迎的地理空间数据表示方法之一。
1
Spatial data
Defining a geographic phenomenon
It can be named and described
it can be georeferenced (it has a position in space)
空间数据的定义
地理/空间数据
指人们观测研究区空间对象得到描述空间对象特征的空间 数据，表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等。 用来描述地球上的自然资源、自然环境、人文经济与劳动 力资源等相关信息，包括：
地形、地貌、水文气象、土壤、岩石矿藏、植被、土地利用、行政 区划、交通网络、邮政区、公共设施位置、土地界限、土地价值、 土地所有权、人口普查分区、人口分布、经济分区、环境污染、疾 病影响范围、自然灾害分布等
6
栅格单元的四叉树编码方法
四叉树编码要求 图像必须为 2n×2n 的 栅 格 ， n是极限分割数， n+1是 四叉 树的 最大层数。 非标准尺寸的图 像需首先通过增 加背景的方法将 图像扩充为 2n×2n的图像。
矢量数据结构
通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、 面等空间实体； 坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积 的精确定义。
Irregular tessellation Cells may vary in size and shape This allows them to adapt to spatial phenomena to be represented
Irregular tessellations More complex More adaptive, leads to reduction in memory space for data storage
it is / was present during a certain time (interval)
空间数据的基本特征
空间数据
Spatial Data，具有定位、定性、时间和空间关系等特性。
定位：指在一个已知的坐标系里，空间目标都具有唯一的空间位置。 目标的空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示， 例如笛卡尔坐标等。
GIS的内部数据结构
两 种 类 型 (Two main approaches) ：
栅格结构（栅格模型、栅格格式、 网格格式）-Tessellation 矢量结构（矢量模型、矢量格式） -Vector 两类结构都可用来描述地理实体 的点、线、面三种基本类型
栅格结构和矢量结构
4
实体和属性的图形表达
表达地理空间的两种基本方法：
and Application —环境空间数据与GIS基础
清华大学环境学院 贾海峰
Jhf@tsinghua.edu.cn Tel:62792642
GIS基础
地理信息系统（GIS）的定义 空间数据的基本概念 GIS中的数据结构
Reality represented by a set of map layers
因此可以说空间数据是一种用点、线、面等基本空间数据结构来表示人们 赖以生存的自然世界的数据。
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空间数据的种类与来源
空间数据的获取
空间数据的获取包括两个基本步骤：
（1）空间数据的采集和录入
空间图形数据的采集 非空间属性数据的采集 空间图形数据和非空间属性数据的连接
（2）空间数据录入后的处理
GIS基础
地理信息系统（GIS）的定义 空间数据的基本概念 地理信息系统中的数据结构
空间数据库的特点
空间数据库的特点（与一般数据库相比）：
数据量特别大。地理系统是一个复杂的综合体，要用数 据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数 据量往往很大。 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性 质相似），还有大量的空间定位数据和空间关系数据， 即描述地理要素空间分布的数据，并且这两种数据之间 具有不可分割的联系。
栅格单元的代码表示
（1）中心点法 用处于栅格中心处的地物类型决定栅格代码，常用于具有连续分布 特性的地理要素，如降雨量分布、人口密度图等。
（2）面积占优法 以占矩形区域面积最大的地物类型决定栅格单元的代码， 常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况。
（3）重要性法 根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型 决定相应的栅格单元代码，常用于具有特殊意义而面积较小的地理 要素，如城镇、交通枢纽。
Regular tessellation
Cells have the same shape and size
Square regular tessellation: Raster
Raster, or raster map
Raster characteristics:
An array of m * n elements Raster resolution: the area each raster cell represents The x,y location associated with a cell is fixed by convention
栅格数据结构：把空间分成一系列单元，每个单元代表有 限的但确定的地球表面。
单元可以具有任何几何形状，只要能组合表达出所研究的区域的面 即可。
虽然栅格单元有许多形状，如三角形、六角形，但矩形，通常是正 方形，却是最简单的，正方形的常被称作网格单元。
矢量数据结构：它能够对空间位置予以精确定位，并且假 定地理空间是连续的。
（2）空间数据录入后的处理
拓扑关系的生成 判断录入图形是否正确的几个准则，以便发现拓扑关系错误 • 所有录入的实体都能够表现出来 • 没有输入额外的实体 • 所有的实体都在正确的位置上，并且其形状和大小正确 • 所有具有连接关系的实体都已经连上 建立拓扑关系 • 一般可以由计算机自动生成，大多数GIS软件提供了完善的拓扑功能； • 在某些情况下，需要对计算机创建的拓扑关系进行手工修改，典型的例 子是网络连通性。
每个网格称为一个象元或象素； 象素由行、列定义； 每个象素包含一个代码，代码表 示该象素的属性类型或量值； 或包含指向其属性记录的指针。
栅格结构的特点
属性明显，定位隐含：数据直接记录属性本身，而所在位置则根据行列Байду номын сангаас 转换为相应的坐标（定位）。
点用一个栅格单元表示； 线状地物用一组沿着线走向的相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多 只有两个相邻单元在线上； 面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元 可有多于两个的相邻单元同属一个区域。
地理信息系统（GIS）是什么？
空间数据
属性数据
Name Address Town St. Zip
G
GIS
IS
是 空间数据和属性数据的综合体
能让你轻易找到不同水源保护区范围内 的所有污染源
GIS starts and ends in real world
GIS基础
地理信息系统（GIS）的定义 空间数据的基本概念 地理信息系统中的数据结构
（4）百分比法 根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代 码。
栅格单元的大小
栅格文件的大小是由分辨率决定的，在高分辨率的情况下 所需的存储空间很大。
由于栅格模型的表达与分辨率密切相关，所以，同样属性的空间对 象在高分辨率的情况下将占据更多的像元或存储单元； 另一方面，栅格模型是通过同样颜色或灰度像元来表达具有相同属 性的面状区域的。
空间数据的获取
（1）空间图形数据的采集
扫描矢量化输入
扫描数字化仪，简称扫描仪，是一种把地图或图像按 一定的分辨率一般转换成栅格格式数据的装置
已是数字形式的空间数据的转化
Scanning
Drum scanner
Flat-bed scanner
3
On-screen digitising
空间数据的获取
点用独立的空间坐标对表示，线用一系列坐标对表示，面是由首尾 相连的线构成的多边形。
Tessellation
Partitioning of space into cells that together make up the complete study area
A thematic value is associated with each cell This value is associated with the entire space occupied by the cell
Example of a raster
Raster cell, Pceixlle, l Pixel
Irregular tessellation
Partitioning of space into cells that together make up the complete study area
A thematic value is associated with each cell This value is associated with the entire space occupied by the cell
空间实体是对存在于这个自然世界中地理实体的抽象。
包括点、线、面等基本类型 可以把一个工业企业污染源抽象成为一个点，该点可以包 含污染源所处的位置信息、污染源排放污染物的强度信息 和其它一些相关信息； 可以把一条河流抽象为一条线，该线可以包含这条河流的 长度、宽度、起点、终点以及河流水质等级等相关信息； 可以把一个湖泊抽象为一个面，该面可以包含湖泊的周长、 面积和湖水水质信息等；
E.g.: mid-point
Known partition of space by raster maps allows for fast computation (advantage) Cell boundaries are artificial and fixed, not adaptive to natural phenomena (disadvantage)
Y- AXIS
Y- AXIS
Spatial data
Point data
Line data
A
Y- AXIS
X - AXIS Area data
X - AXIS Continuous surface data
Y- AXIS
X - AXIS
X - AXIS
空间数据与空间实体
在空间对象建立后，还可以进一步定义其相互之间的关系，这种相互关系 被称为“空间关系”，又称为“拓扑关系”，如可以定义点－线关系、线 －线关系、点－面关系等。
栅格单元的编码方法
直接栅格编码方法 压缩编码方法 四叉树编码方法
栅格单元的四叉树编码方法
基本思想：把整个图像区逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域， 最小的方形区域为一个栅格象元。 分割步骤：将图像区域划分为四个大小相同的象限，一直划分到仅代表一种 地物或符合既定要求的少数几种地物时，则不再继续划分，否则一直划分到 单个栅格象元为止。
Example of irregular tessellation: Quadtrees
Imagine a computer representation of elevation Question: which part of study area is flattest ?
5
栅格结构
是最简单最直接的空间数据结 构。 将地球表面划分为大小均匀、 紧密相邻的网格阵列：
图形坐标变换：平移、旋转、缩放 图形拼接 拓扑关系生成
空间数据的获取
（1）空间图形数据的采集
手扶跟踪数字化输入
手扶跟踪数字化仪，简称数字化仪， 是一种用来记录和跟踪地图点、线位置的手工数字化
设备
1. Manual digitising
Stand-alone Digitiser
Digitiser tablet
定性：指有关空间目标的自然属性，例如变量、级别、数量特征和 名称等等，它伴随着目标的地理位置。
时间：指空间目标是随时间的变化而变化的，其变化的周期有超短 期的、短期的、中期的、长期的等等。
空间关系通常又称拓扑关系，指图形元素之间的空间位置和连接关 系。
空间数据的基本特征
空间数据与空间实体
地图是地理学家最常用的地理信息载体和地理语言，也是 最受人们欢迎的地理空间数据表示方法之一。
1
Spatial data
Defining a geographic phenomenon
It can be named and described
it can be georeferenced (it has a position in space)
空间数据的定义
地理/空间数据
指人们观测研究区空间对象得到描述空间对象特征的空间 数据，表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等。 用来描述地球上的自然资源、自然环境、人文经济与劳动 力资源等相关信息，包括：
地形、地貌、水文气象、土壤、岩石矿藏、植被、土地利用、行政 区划、交通网络、邮政区、公共设施位置、土地界限、土地价值、 土地所有权、人口普查分区、人口分布、经济分区、环境污染、疾 病影响范围、自然灾害分布等
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栅格单元的四叉树编码方法
四叉树编码要求 图像必须为 2n×2n 的 栅 格 ， n是极限分割数， n+1是 四叉 树的 最大层数。 非标准尺寸的图 像需首先通过增 加背景的方法将 图像扩充为 2n×2n的图像。
矢量数据结构
通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、 面等空间实体； 坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积 的精确定义。
Irregular tessellation Cells may vary in size and shape This allows them to adapt to spatial phenomena to be represented
Irregular tessellations More complex More adaptive, leads to reduction in memory space for data storage
it is / was present during a certain time (interval)
空间数据的基本特征
空间数据
Spatial Data，具有定位、定性、时间和空间关系等特性。
定位：指在一个已知的坐标系里，空间目标都具有唯一的空间位置。 目标的空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示， 例如笛卡尔坐标等。
GIS的内部数据结构
两 种 类 型 (Two main approaches) ：
栅格结构（栅格模型、栅格格式、 网格格式）-Tessellation 矢量结构（矢量模型、矢量格式） -Vector 两类结构都可用来描述地理实体 的点、线、面三种基本类型
栅格结构和矢量结构
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实体和属性的图形表达
表达地理空间的两种基本方法：