GIS地理信息系统地学基础

GISGIS地理信息系统地理信息系统 Geographical Information SystemGeographical Information System地理空间及其表达地理空间 大地测量控制系统 大地测量控制点 平面控制网 高程控制网*2四大圈层地球呈现出圈层 构造，可以划分出内部 圈层与外部圈层。内部 圈层包括地壳、地幔、 地核。外部圈层包括岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。岩 石圈指地球表层由固体岩石组成的圈层；大气圈指环绕 地球的由气体组成的圈层；水圈指地球表层由各种形式 存在的水组成的圈层；生物圈指地球表层所有活着的有 机体组成的圈层。*4地理空间及其表达地理空间 大地测量控制系统 大地测量控制点 平面控制网 高程控制网*5GIS的地学基础地球模型 坐标参考系统 地图投影 地图比例尺 地理数据特征 地图对地理现象表达 遥感影像对地理现象表达*6地球模型*7地球表面水准面大地水准面铅垂线地球椭球体*8地球模型：三级近似*9地球自然表面极不规则，无法用数学表面进行描述水准面所包围的球体大地水准面所包围的球体旋转椭球体不规则性、动态性、不唯一性不规则性、相对唯一性标准数学曲面 1952：海福特椭球 1953：克拉索夫斯基椭球 1978：1975年国际椭球地理空间坐标系地理坐标系是以地理 极(北极、南极)为极点 。 通过A点作椭球面的垂 线，称之为过A点的法 线。 法线与赤道面的交角 ，叫做A点的纬度。 过A点的子午面与通过 英国格林尼治天文台 的子午面所夹的二面 角，叫做A点的经度 。 *10定位坐标系：平面系统*11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建立在平面上的直角坐标系统，用 （x，y）表达地理对象位置投影坐标系统高程系统*12任意水准面大地水准面H´AHA铅垂线AH´BHBhAB坐标系统高程系统*13任意水准面大地水准面H´AHA铅垂线AH´BHBhAB水准原点 1985国家高 程基准，72.2604米黄海海面1952-1979年平 均海水面为0米地图投影为什么要进行投影 地图投影实质 地图投影变形 地图投影方法 投影选择所考虑的因素 我国常用的地图投影方式*14地图投影:为什么要进行投影?q将地球椭球面上的点映射到平面上的 方法 ，称为地图投影 q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 q地球椭球体为不可展曲面 q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*15地图投影概念*16投影面地球地图投影实质建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线 网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地 理坐标（，）与平面上对应点的平面坐标（x，y ）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投 影方式*17地图投影:投影变形q将不可展的地球椭球面展开成平面，并且 不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉 伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可 避免的。*18Mercator ProjectionMollweide Projection地图投影:投影方法*19投影面地球投影方式*20地图投影变形规律构成方式几何投影非几何投影方位投影圆柱投影圆锥投影等积投影 等角投影 任意投影投影方式：几何投影*21正 轴斜 轴横 轴方位圆柱圆锥地图投影：投影分类变形分类： 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割*22地图投影:投影选择因素q制图区域的地理位置、形状和范 围 q制图比例尺 q地图内容 q出版方式*23地图投影:GIS中的地图投影qGIS以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信 息则是在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少 。 qGIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为 数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标 ；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据 通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。 qGIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影 方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例 尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。*24我国常用的地图投影1：100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投 影） 大部分分省图、大多数同级比例尺也采用 兰勃投影 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1： 2.5万、1:1万、1：5000采用高斯克吕格 投影。*25地图比例尺地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系 纸质地图：内容、概括程度、数据精度等比例尺的含义：制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影 ，图上各处的比例是一致的，故此时比例尺的含义是 图上长度与相应地面长度的比例；制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度 因地点和方向的不同而有所变化，这种地图比例尺一 般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率， 称为 主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个别点 线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变 形的点或线上，才可用地图上注明的比例尺*26地图比例尺（续）我国地图比例尺分级系统：大比例尺：1：5001：10万中比例尺：1：10万1：100万小比例尺：1：100万 无级比例尺概念*27空间对象（实体）的地图表达*28点：位置：（x，y）属性：符号线：位置： (x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)属性：符号形状、颜色、尺寸面：位置： (x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn)属性：符号变化等值线 空间对象（实体）的遥感影像表 达*29遥感传感器平台传感器空间现象及其表达*30现实世界空间数据地图遥感影像特征 关系 行为观察选择 抽象 综合测量：位置 编码：属性 建立关系： 表达 空间对象类型q空间对象一般按地形维数进行归类划分q点：零维q线：一维q面：二维q体：三维 q时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难 处理时间属性。*31Cont.点*32美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲 可能的500个地震位置 有位置，无宽度和长度； 抽象的点线*33香港城市道路网分布 有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离面*34 具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面中国土地利用分布图（不连续面）空间对象：面（续）*35连续变化曲面：如地形起伏，整 个曲面在空间上曲率变化连续。不连续变化曲面，如土壤、森林 、草原、土地利用等，属性变化 发生在边界上，面的内部是同质 的。体*36 有长、宽、高的目标 通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿 体等三维目标香港理工大学 校园建筑地理信息数字化描述方法 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。 *37地图的矢量和栅格表示 *38空间对象的描述编码：区别不同的实体，包括分类码和识别 码。分类码表识空间对象的类别，而识别码 对每个空间对象进行表识，是唯一的。 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些 实体组成 行为：空间对象所具备的行为和功能 属性：空间对象所对应的非几何信息 说明：实体数据来源、精度等 关系：与其他实体之间的关系*39空间对象编码属性数据含义 编码过程：分类、分级、编码 分类定义：具有共同属性或特征的事物或现象归并 在一起 原则：科学性、系统性、可扩性、实用性、兼 容性 方法：线分类、面分类*40空间对象编码（续）分级定义：对事物或现象的数量或特征进行等级划分， 包括确定分级数和分级线 。原则： 符合数值估计精度要求 顾及可视化要求 符合数据分布特征 上述条件下，尽可能少的分级数方法：数列分级、最优分割分级、统一标准分级等 。*41空间对象编码（续）编码：指定属性数据的代码的方法和过程 功能：鉴别、分类、排序 编码原则：唯一性、合理性、可扩性、简单性、适 用性 、规范性。 类型：数字、字母、数字字母混合型*42空间数据编码（续）GIS中的代码类型分类码识别码 编码方案层次分类编码多源分类编码*43空间数据编码（续）：例国标行政区划代码（GB-2260-91） 地形要素分类编码*44省 自治区 直辖市省直辖市 地区 州、盟县 旗 市辖市一级代码，一位数字三级代码，三位数字二级代码，二位数字四级代码，三位数字层次分类编码分类对象的从属和层次关系 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系*45高压711电线架715管线:7地下电力线 与电缆72电力线71地下检修井74管线73低压712电杆713电塔714不依比例7142依比例7141多源分类编码*46n按空间对象不同特性进行分类并进编码n代码之间没有隶属关系，反映对象特性n具有较大的信息量，有利于空间分析河流特性分类与编码通航情况通航： 1 不通航：2常年河：1 时令河：2 消失河：310 km：5流水季节河流宽度河流长度河流深度5 10 m ： 1 10 20 m： 2 20 30 m： 3 30 60 m： 4 60 120 m： 5 120 300 m：6 300 500 m：7 >500m： 850m： 6空间对象关系表达q描述空间对象之间的空间相互作用关系 q方法l 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等； l 相对关系：相邻、包含、关联等q 相对关系类型l拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等 l顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序 ，如前后、左右、东、西、南、北等。 l度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。*47空间对象关系表达q地图、遥感影象上的空间关系是通过图形 识别的，在GIS中的空间关系则必须显式 的进行定义和表达。 q空间关系的描述多种多样，目前尚未有具 体的标准和固定的格式，但基本原理一致 。不同的GIS可能采用不同的方法进行描 述*48空间对象的拓扑空间关系q 基于点集拓扑理论 q 拓扑元素：点、线、面 q 基本拓扑关系：l 关联：不同拓扑元素之间的关系 l 邻接：相同拓扑元素之间的关系 l 包含：面与其他元素之间的关系 l 层次：相同拓扑元素之间的层次关系*49弧段 4起点终点 中间点弧段 1弧段 3弧段 2点 :面 :弧 :邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线GIS中引入拓扑关系的优缺点优点描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体的坐 标位置。空间关系信息丰富、简洁，数据冗余小。方便多边形和多边形的叠合。便于检查数据输入过程中的错误。 缺点拓扑关系建立过程比较复杂数据结构本身复杂*50拓扑结构采用原则q应用目的l 制图或一般查询，可不要拓扑结构l 空间分析，则应建立拓扑关系 q 服务对象和系统数据结构l 面状目标：面-弧、弧-面l 网络目标：点-弧、弧-点*51空间拓扑关系表达：关系表*52ebc41325ABC76Dada: 结点号A: 多边形号1: 弧段号弧段数字化方向表中数字前负号为相反方向弧-面拓扑 弧 段左 面右 面起 点终 点 1Aca 2BAbc 3CAba 4Cda 5CDdB 6BDee 7Bdc