第三章 空间数据的处理

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再将地理坐标代入另一种投影公式中,求出该投影下的直角坐标( X,Y)
方法: 1. 解析变换法
在获得原数据与新数据投影公式的情况下,运用正(反)解 法求出(x,y)与(X,Y)之间精确表达式进行变换。 a.正解变换法(直接变换法)
解析变换
b.反解变换法(间接变换法)
解析变换 解析变换
2. 数值变换法
分带方法:
为控制投影变形,高斯-克吕格投影采用6°带、3°带分带投影的 方法,我国1:2.5万-1:50万地形图均采用6°带投影,1:1万及更
大比例尺地形图采用3°带投影。
(1)6°分带法规定:从格林威治零度经线开始,由西向东每隔6° 为一个投影带,全球共分60个投影带,分别用阿拉伯数字1-60予以标
合肥工业大学资源与环境工程学院 Email:njuzhp@sina.com
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主要内容
第1节 空间数据的变换 第2节 空间数据结构的转换 第3节 多元空间数据的融合 第4节 空间数据的压缩和重分类 第5节 空间数据的内插方法 第6节 空间拓扑关系的编辑 本章重点:空间数据处理的基本内容、原理和方法
特性:
直线变换后仍为直线; 平行线变换后仍为平行线;

不同方向上的长度比发生变化。
求解上式中的6个未知数,理论上需不在同一直线上的3对已知
控制点,由于误差,需多余观测,用最小二乘法求解,所以,用于
图幅定向至少需要4对控制点。
仿射变换举例
高次变换和二次变换
其中A、B代表二次以上高次项之和。上式是高次曲线方程,符 合上式的变换称为高次变换。式中有12个未知数,所以在进行高次 变换时,需要有6对以上控制点的坐标和理论值,才能求出待定系数。 当不考虑高次变换方程中的A和B时,则变成二次曲线方程,称为二 次变换。二次变换适用于原图有非线性变形的情况,至少需要5对控 制点的坐标及其理论值,才能解算待定系数。
y
α
x
缩放:X=a0+m1xcosα+m2ysinα
Y=b0-m1xsinα+m2ycosα
O
O’ (a0,b0)
α
α为坐标旋转角,顺时针为正,逆时针为负
X
m1,m2为x,y方向缩放比例;当m1=m2时,为相似变换。
X=a0+a1x+a2y
简记为
Y=b0+Baidu Nhomakorabea1x+b2y
6个参数,至少需要3对控制点求解
墨卡托投影属于正轴等角切圆柱投影。该投影设想与地轴方向
一致的圆柱与地球相切,将球面上的经纬线网按等角的条件投影到圆 柱面上,然后把圆柱面沿一条母线剪开并展成平面。
特点:
(1)经线和纬线是两组相互垂直的平行直线,经线间隔相等,纬线间
隔由赤道向两极逐渐扩大。 (2)无角度变形,但长度、面积变形较大;
(3)标准纬线无变形,从标准纬线向两极变形逐渐增大。
阿尔伯斯投影(Alberts Projection)
正轴等积割圆锥投影,和Lambert投影属于同一投影系统。
GIS中地图投影设计与配臵的一般原则: (1)所配臵的投影系统应与相应比例尺的国家基本图(基本比例尺地 形图,基本省区图或国家大地图集)投影系统一致; (2)系统一般只考虑至多采用两种投影系统,一种应用于大比例尺的 数据处理与输出、输入,另一种服务于小比例尺; (3)所用投影以等角投影为宜; (4)所用投影应能与网格坐标系统相适应,即所采用的网格系统(特 别是一级网格)在投影带中应保持完整;
后将椭圆柱面展开成平面即成。
高斯-克吕格投影示意
高斯-克吕格投影规定条件:
(1)中央经线和赤道投影后为互相垂直的直线,且为投影的对称轴;
(2)等角; (3)中央经线投影后保持长度不变。
特点: (1)中央经线上无任何变形; (2)除中央经线长度比等于1外,其余经线长度比均大于1,长度 变形为正; (3)同一纬线上,距中央经线越远,变形越大,最大值位于投影 带边缘; (4)同一经线上,纬度越低,变形越大,最大值位于赤道上; (5)没有角度变形,面积比为长度比的平方; (6)长度比的等变形线平行于中央子午线。
我国常用的地图投影情况:
(1)我国基本比例尺地形图(1:100万、1:50万、1:25万、1:
10万、1:5万、1:2.5、1:1万、1:5000),,除1:100万外均采 用高斯—克吕格投影为地理基础;
(2)我国1:100万地形图采用Lambert投影,其分幅原则与国际地
理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。 (3)我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图多采用
二、地图投影及其转换
(一)地图投影的基本原理
为什么要进行投影?
(1)地理坐标为球面坐标,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;
二、地图投影及其转换
(一)地图投影的基本原理

几何学-透视原理
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空间数据处理的内容:
数据变换:指数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换(包括
几何纠正、投影转换等),实现空间数据的几何配准。
数据重构: 指数据从一种格式到另一种格式的转换(包括结构转
换、格式变换、类型替换等),实现空间数据在结构、格式和类型 上的统一,及多源和异构数据的联接与融合。
二、地图投影及其转换
实质
地图投影就是按照一定的数学法则,将不可展开的地
表曲面映射到平面上或可展开成平面的曲面上,最终在地
表面点和平面点间建立一一对应关系。 球面 椭球面
平面 平面
F(,)= f(x,y)
实质就是球面上的经纬网按照一定的数学法则 转移到平面图纸上。
(二)地图投影的类型
按照投影变形性质分为
方法:仿射变换、相似变换、二次变换、高次变换
过程:平移、旋转和缩放
a.平移
平移是将图形的一部分或者整体移动到笛卡尔坐标系中另外的位 臵,其变换公式如下:
X’=X+Tx
Y’=Y+Ty
X 方向
Y 方向
b. 旋转
实现旋转操作要用到三角函数,假定顺时针旋转角度为α,其公式为: X’=Xcos α +Ysin α
兰勃特投影(Lambert Projection )
正轴等角割圆锥投影,假想用一个圆锥正割于球面两条标准纬
线,应用等角条件将地球面投影到圆锥曲面,然后沿圆锥某条母
线剪开并展开成平面。
特点: (1)没有角度变形;
(2)两条标准纬线上没有任何变形;
(3)等变形线和纬线一致,即同一纬线上变形处处相等; (4)同一经线上,两标准纬线外侧为正变形,之间为负变形,且 变形比较均匀,也比较小; (5)同一纬线上等经差的线段长度相等,两条纬线间的经线长度 处处相等; (2)Lambert投影中,地球表面上两点间的最短距离(即大圆航线) 表现为近于直线,这有利于地理信息系统中空间分析量度的正确 实施。
加上500km,因我国位处北半球,X值均为正值。60个投影带构成了 60个相同的平面直角坐标系,为区分之,在地形图南北的内外图廓间的
横坐标注记前,均加注投影带带号。为应用方便,在图上每隔1km、
2km或10km绘出中央经线和赤道的平行线,即坐标纵线或坐标横线, 构成了地形图方里网(公里网)。
墨卡托投影(Mercator Projection )
数据提取:指对数据进行有条件的提取(包括类型提取、窗口提
取、空间内插等),实现不同用户对数据的特定要求。
空间数据处理是针对空间数据本身完成的操作,不涉及 内容的分析。
第一节 空间数据的变换
实质:空间数据坐标系的变换,即建立两个坐标系坐标点之间的一
一对应关系。内容包括几何纠正和投影转换。
意义:实现不同坐标系、比例尺和投影间的转变,消除数字化原图
适宜制作航海图、航空图
墨 卡 托 投 影
UTM投影 (通用横轴墨卡托投影)
UTM投影与高斯投影相似,区别仅在于,该投影是横轴等角割
圆柱投影,圆柱割地球于两条等高圈上,投影后两条割线无变形,中 央经线上长度比小于1。
该投影将世界按照经差6°分带,经度自180 ° w和174 ° w间
为起始带,且连续向东计算,共60带。
第二节 空间数据结构的转换
矢量数据结构与栅格数据结构比较
优 矢 量 数 据 结 构 栅 格 数 据 结 构 点 缺 点
1.便于面向实体的数据表达; 1.数据结构复杂; 2.数据结构紧凑、冗余度低; 2.软件与硬件的技术要求比较高 3.有利于网络分析、空间查询等; 3.多边形叠合等分析比较困难; 4.图形显示质量好、精度高。 4.显示与绘图成本比较高。 1.数据结构简单; 1.图形数据量大,冗余度高,需要压 缩处理; 2.投影转换比较困难; 3.栅格地图的图形质量相对较低 4.定位精度比矢量低, 5.拓扑关系难以表达
2.空间分析和地理现象的模拟均 比较容易;
3.有利于与遥感数据的匹配应用 和分析;
4.输出方法快速,成本比较低廉。
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一般的应用原则:数据采集使用矢量结构,有利于保证空间实体 的几何精度及其拓扑关系的描述;空间分析使用栅格结构,有利于加 快系统数据运行速度和分析应用的进程。因此,在数据处理阶段,经 常要进行两种数据结构的相互转换。
由于图纸变形带来的误差
方法:
1. 比例尺变换:乘系数 几 何 变 换
2. 变形误差改正:通过控制点利用高次变换、二次变换和仿射
变换加以改正 3. 坐标旋转和平移:即数字化坐标变换,利用仿射变换改正
4. 投影变换: 正解变换、反解变换、数值变换、解析变换
一、几何纠正
目的:是为了实现对数字化数据的坐标系变换和图纸变形误差的纠正。
利用若干同名数字化点(对同一点在两种 投影中均已知其坐标的点),采用插值法、 有限差分法或多项式逼近等方法,即用数值 变换法来建立两投影间的变换关系式。 如采用二元三次多项式进行变换:
通过选择10个以上的两种投影之间的共同点,并组成最小二乘
法的条件式,进行解算系数。
3. 数值解析变换法
当已知新投影的公式,但不知原投影的公式时,可先通过数值变换 求出原投影点的地理坐标Ф,λ,然后代入新投影公式中,求出新投 影点的坐标。即:
按承影面与地表的关系分为
• 切投影 • 割投影
相 切
相 割
(三)地理信息系统常用的地图投影
高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger Projection) 是一种横轴等角切椭圆柱投影,欧美一些国家称为横 轴等角墨卡托投影。它是假设一个椭圆柱面与地球椭球体 面横切于某一条经线上,按照等角条件将中央经线东、西 各3°或1.5°经线范围内的经纬线投影到椭圆柱面上,然
Lambert投影和Albers投影
(四)投影变换
目的:将某一研究区域不同投影方式的图件统一起来,需要将一种
投影方式转换为另一种投影方式。即建立原坐标(x,y)与(X,Y)的 一一对应关系。
原投影函数
x y
新投影函数
f f
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( , ) ( , )
X ( , ) Y ( , )
记。我国位于东经72°-136°之间,共包括11个投影带(13-23带)。
(2)3°分带法规定:从东经1°30´起算,每3°为一带,全球共分 120带。
我国领土范围
该投影的平面直角坐标规定为:每个投影带以中央经线为坐标纵轴 即X轴,以赤道为坐标横轴即Y轴组成平面直角坐标系。为避免Y值出
现负值,将X轴西移500km组成新的直角坐标系,即在原坐标横值上均
Y’=-Xsin α +Ycos α
C. 缩放
缩放操作可以用于输出大小不同的图形,其公式为:
X’=XSx Y’=YSy
仿射变换(Affine Tranformation)
仿射变换可综合考虑图形的平移、旋转和缩放: 平移:X=a0+x
Y
Y=b0+y
旋转:X=a0+xcosα+ysinα Y=b0-xsinα+ycosα
• 等角投影:大小改变,形状不变 • 等积投影:面积不变 • 任意投影(特例等距投影):角度、面积、长度均改变
等积投影
等角投影 形状不变
任意投影
等距投影 特定方向距离不变
按照投影面的形状分为
• 方位投影(平面投影) • 圆柱投影 • 圆锥投影
按投影面与地轴的关系分为
• 正轴投影 • 横轴投影 • 斜轴投影
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则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为:
X F 1 ( x, y ) Y F 2 ( x, y )
方式:
1.正解变换:通过建立两个投影的解析关系式,直接把一种投影坐标
( x , y ) 变换成另一种投影的坐标 ( X , Y )
2.反解变换:由一种投影的坐标 (x,y)反解出地理坐标(λ,φ) ,然后
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