GIS地理信息系统中的空间数据

直接剥开，必然产生破 裂或褶皱，无法完整呈 现原本的地球实际形态
地图投影保证信息连续 性、完整性和可测度性
2 什么是地图投影？
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。
二、地理数据的基本特征
3、时间特征 空间数据的时间性是指空间数据的空间特征和属性
特征随时间而变化。它们可以同时随时间变化，也可 以分别独立随时间变化。
实体随时间的变化具有周期性，其变化的周期有超 短周期的、短期的、中期的和长期的。
空间特征是地理信息区别于其他信息的最重要的 特征之一，地理信息的定位特征与时间过程相结合，
数学模型
水准面
铅垂线
地球椭球体
地球表面 大地水准面
地理空间坐标系
N
确定地面点的位置，最直截了当的方法就是用地理坐标(A纬纬 度线 、
经度)来表示
本
地理坐标系
初
E
子
Q
✓ 直接建立在球体上用经度和纬度表达地理对象位置 午
线
✓ 以地理极(北极、南极)为极点。地理极是地轴
赤道
(地球椭球体的旋转轴)与椭球面的交点
✓ 仍然起伏不平
地球表面的几何模型
地球自然表面 相对抽象的面-大地水准面 地球椭球体模型
✓以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型 ✓扁率 α=(a-b)/b ✓平均椭球体——全球范围内贴合大地基准面 ✓参考椭球体——局部范围内贴合大地基准面
•1954 北京坐标系——克拉索夫斯基椭球体 •1980 西安坐标系
.
. ..
.
. . 2.
样
.0.
. 5.
.
方
. .
..
.
分
.
布
区
206 207
概略等值区
商业区
区域名称 .... .... .............. ....
面状符号
空间数据的元数据
Metadata可以译成元数据，是描述数 据的数据。在地理空间数据中，元数据 说明数据内容、质量、状况扣其他有关 特征的背景信息。
✓ 含有地轴的平面，称为子午面
✓ 子午面与地球椭球体的交线，称为经线
✓ 垂直地轴的平面与椭球体的交线为纬线
S
▪ 地理坐标是一种球面坐标，难以进行距离、方向、面积等参数 的计算，为此，最好把地面上的点表示在平面上，采用平面坐 标系(笛卡儿平面直角坐标)。
▪ 由于地球表面是不可展开的曲面，也就是说曲面上的各点不能 直接表示在平面上，因此必须运用地图投影的方法，建立地球 表面和平面上点的函数关系，使地球表面上任一个由地理坐标 (x，y)确定的点，在平面上必有一个与它相对应的点
地图对地理空间的描述
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。
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。
地图投影是保证地图 精确度的重要的数学
基础之一。
2 什么是地图投影？
可假设地球按比例尺缩小成一个透明的地球仪那样的球体 ，在其球心、球面或球外安放一个发光点，将地球仪上经 纬线（连同控制点及地形、地物）投影到球外的平面上， 即成为地图，如图所示：
点状要素 区域中心
线状要素
2Fra Baidu bibliotek8
209
境界线
A
B
C
D
面状要素
208区
209区
行政单元
道路交点
89 405
73
气象站
205
206
207
206
206
207
高程点
雷德兰
科顿 方塔内
地点名称
街道
航线
205
等值线
线状要素名称
237 点状符号
线状符号
206 207
5 9
. . .
.
街区
60 61
.
. ..
..
地理空间信息的数字化描述方法
地理空间
❖ 地理空间范围
上至大气电离层，下至地幔莫霍面
❖ 地球空间模型
地球的自然表面
✓ 起伏不平，十分不规则 ✓ 包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面
大地水准面
✓ 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
遥感影像对地理空间的描述
遥感影像对空间信息的描述主要是通过 不同的颜色和灰度来表示的。这是因为 地物的结构；成分、分布等的不同，其 反射光谱特性和发射光诺特性也各不相 同，传感器记录的各种地物在某一波段 的电磁辐射反射能量也各不相同，反映 在遥感影像上，则表现为不同的颜色和 灰度信息。所以说，通过遥感影像可以 获取大量的空间地物的特征信息。
回顾旧知-坐标系
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
投 影
建立在平面上的直角坐标系统，用
（x，y）表达地理对象位置
主要内容
1
为什么要进行地图投影
2
地图投影实质
3
地图投影变形
4
地图投影分类
5
地图投影与GIS
1 为什么要进行地图投影？
▪不规则的地球表面可以用地球椭球体来替代
第2章：GIS中的空间数据
空间数据
表征地理空间内事物的数量、质量、分 布、内在联系和变化规律的图形、图像、 符号、文字和数据等统称为空间（地理） 数据。
空间数据是GIS的核心，也有人称它是 GIS的血液，因为GIS操作对象是地理 数据，因此，设计和使用GIS的第一步 工作就是根据系统的功能，获取所需要 的地理数据，并创建空间数据库 。
◦ 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及其河心洲 形状的矢量
河流的显式和隐式表示
计算机对地理实体的显式描述也称栅格 数据结构，计算机对地理实体的隐式描 述也称矢量数据结构。
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。
面状要素
面状分布的地理事物很多。其分布状况并不 一样，有连续分布的，如气温、土壤等，有 不连续分布的，如森林、油田、农作物等
对于不连续分布或连续分布的面状事物的分 布范围和质量特征，一般可以用面状符号表 示。
对于连续分布的面状事物的数量特征及变化 趋势，常常可以用一组线状符号——等值线 表示，如等温线、等降水量线、等深线、等 高线等，其中等高线是以后GIS建库中经常 用到的一种数据表示方式。
◦ 统一的地图投影系统； ◦ 统一的地理网格坐标系 ◦ 统一的地理编码系统。
它为各种地理信息的输入和输出以及匹 配处理提供了一个统一的定位框架，从 而使各种地理信息和数据能够具有共同 的地理基础。
地图投影概述
➢ 地图投影的基本问题是如何将地球表面（椭球 面或圆球面）表示到地图平面上。由于地球椭 球面或圆球面是不可展开的曲面，即不能展开 成平面，而地图又必须是一个平面，所以将地 球表面展开成地图平面必然会产生裂隙或褶皱。 那么采用什么样的数学方法将曲面展开成平面 才能使其误差最小呢？回答是必须采用地图投 影的方法，即用各种方法将地球表面的经纬网 线投影到地图平面上。不同的投影方法具有不 同性质和大小的投影变形，因此在各类地理信 息系统的建立过程中，选择恰当的地图投影系 统就是首先必须要考虑的问题。
GIS基本功能的实现过程
文件图表
数据输出
制图、表格
数据获取
原始数据
数据的处理与应用 是GIS核心
交互展示
空间查询 空间分析
存储检索
数据编辑 投影变换
结构化数据
空间 数据库
本章内容
地理空间信息描述法 空间数据的基本特征
§1.地理空间信息描述法
地理空间 常规的地理空间信息描述法
◦ 地球空间模型 ◦ 地理空间坐标系 ◦ 地图对地理空间的描述 ◦ 遥感数据对地理空间的描述
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。具体分述如下：
点状要素。指那些占面积较小，不能按 比例尺表示，又要定位的事物。因此， 面状事物和点状事物的界限并不严格。 如居民点，在大、中比例尺地图上被表 示为面状地物，在小比例尺地图上则被 表示为点状地物。
一幅遥感影像
遥感图像解译-地貌和地质信 息
地理空间信息的数字化描述方法
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。
一条河流的表示
◦ 显示表示，就是栅格中的一系列像元。
局部投影
变形较大
投影面
2 什么是地图投影？
科学的投影方法是建立地球椭球面上的的经纬线网与平面
上相应的经纬线网相应的数学基础，其实质就是建立地球 椭球面上点的坐标（λ,φ）与平面上对应的坐标（x，y）的 函数关系。
x f ,;
投影函数表达式
y f ,.
3 地图投影变形
由于要将不可展的地球椭球面展开成平面， 且不能有断裂，那么图形必将在某些地方被 拉伸，某些地方被压缩，因而投影变形是不 可避免的。
元数据的主要作用
1)帮助数据生产单位有效地管用和维护空间数据、 建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时， 也不会失去对数据情况的了解；
2)提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数 据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方 面的信息、便于用户查询检索地理空间数据；
3)帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需 求作出正确的判断；
空间数据的基本特征
1、空间特征 空间特征又称定位特征或几何特征。数据的空间
性是指这些数据反映现象的空间位置及空间位置关系。 通常以坐标数据形式来表示空间位置，以拓扑关系来 表示空间位置关系。 2、属性特征
数据的属性是指描述实体的特征，如实体的名称、 类别、质量特征和数量特征等。属性数据本身属于非 空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分。
大大提高了地理信息的应用价值。
空间数据的基本特性
空间数据的表示方法
一般地，表示地理现象的空间数据可以细分为： 类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分有等； 面域数据：例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行
政单元等； 网络数据：例如道路交点、街道和街区等； 样本数据：例如气象站、航线和野外样方的分布区等； 曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域； 文本数据：例如地名、河流名称和区域名称； 符号数据：例如点状符号、线状符号和面状符号(导线)等
摊开在平面上的地球
1 为什么要进行地图投影？
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
算与分析。
地
图
地球椭球体为不可展曲面
投
影
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
地球椭球体是不 可展曲面，而地 图是一个平面， 当球面展开为平 面时必然产生破 裂或褶皱。“地 图投影”就是要 解决球面不可展 的矛盾。
对点状要素的质量和数量特征，用点状 符号表示。
线状要素
对于地面上呈线状或带状的事物如交通 线、河流、境界线、构造线等，在地图 上均用线状符号来表示。当然，对于线 状和面状实体的区分，也和地图的比例 尺有很大的关系。如河流，在小比例尺 的地图上，被表示成线状地物，而在大 比例尺的地图上，则被表示成面状地物。 通常用线状符号的形状和颜色表示质量 的差别，用线状符号的尺寸变化(线宽 的变化)表示数量特征。
面积变形
角度变形
长度变形
4 地图投影分类
地图投影分类 基于投影面与球面相关位置的分类 基于投影变形的分类 基于投影方程的分类 基于投影方法的分类
地图的矢量和栅格表示
遥感图像中信息的矢量和栅格表示
§2.空间数据的基本特征
空间数据的类型 空间特征数据(定位数据)、时间属性数
据（尺度数据）和专题属性数据(非定 位数据)。 对于绝大部分地形信息系统的应用来说， 时间和专题属性数据结合在一起共同作 为属性特征数据，而空间特征数据和属 性特征数据统称为空间数据(或地理数 据)。
4)提供有关信息，以便户处理和转换有用的数据。 元数据是使数据充分发挥作用的重要条件之一，它
可以用于许多方面，包括数据文档建立、数据发布、 数据浏览、数据转换等。元数据对于促进数据的管 理、使用相共享均有重要的作用。
§3.GIS中的地理数学基础
地理基础是地理信息数据表示格式与规 范的重要组成部分。