GIS地理信息系统中的空间数据.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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。,文件图表,数据,获取,原始,数据,存储检索,空间查询,空间分析,数据,编辑,投影变换,数据,输出,制图、表格,交互展示,结构化,数据,空间,数据,库,GIS,基本功能的实现过程,数据的处理与应用是,GIS,核心,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,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,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,=(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,数学模型,地球表面,水准面,大地水准面,铅垂线,地球椭球体,确定地面点的位置，最直截了当的方法就是用地理坐标,(,纬度、经度,),来表示,地理坐标系,直接建立在球体上用经度和纬度表达地理对象位置,以地理极,(,北极、南极,),为极点。地理极是地轴,(,地球椭球体的旋转轴,),与椭球面的交点,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,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,地理空间坐标系,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。,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。,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。,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。,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。,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。,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,),。,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。,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，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,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。,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；,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。,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。,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,回顾旧知,-,坐标系,主要内容,1,2,3,4,地图投影与,GIS,5,地图投影实质,地图投影变形,地图投影分类,为什么要进行地图投影,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,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。,地球椭球体为不可展曲面,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,地图投影,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。,地图投影,保证信息,连续性,、,完整性,和,可测度性,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,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。,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：,投影面,局部投影,变形较大,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（,）与平面上对应的坐标（,x,，,y,）的函数关系。,投影函数表达式,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。,长度变形,面积变形,角度变形,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,4,地图投影分类,投影变形性质,等角投影,等积投影,任意投影,地图投影分类,投影面及球面的位置,圆锥投影,圆柱投影,方位投影,投影分类,1,：,基于投影面与球面的位置,典型投影类型,投影分类,2,：,基于投影变形的分类,形状不变,面积不变,特定方向,距离不变,等积投影,任意投影,等角投影,投影分类,2,：,基于投影变形的分类,1,同纬度带内梯形面积不等的投影肯定不是,等积投影,3,投影为直线的经线,(,中央经线,),上纬距不等的投影肯定不是,等距投影,2,经纬网不是处处正交的投影肯定不是,等角投影,常见变形性质的确定,-,等积投影,穆尔威投影：每一个小圆的圆面积相等，故为等积投影。,可以保有正确的面积比例，中央地带最准确。,经线和纬线都维持正确比例、一者放大，另一者呈反比的缩小。,-,等角投影,麦卡托投影,所有的小圆维持正圆，是典型的等角投影。,纬度愈高，小圆的半径与面积愈大，表示高纬地区面积与长度被放大甚多。,-,等距投影,中心点至图上任何地点的距离，都具有相同、正确的比例，故为等距投影,纬线是一圈圈同心圆，经线由中心的北极向外呈放射状。,常见的地图投影,世界图,全国图：正轴圆锥投影,地形图：高斯克吕格投影（分带）,南北半球（或两极）图：正轴方位投影、,亚洲图：斜轴方位投影,半球图,东西半球图：横轴方位投影,欧洲图：彭纳投影,国内出版：等差分纬线多圆锥投影,国外出版：摩尔威特投影,地球仪：普通多圆锥投影,海 图：墨卡托投影,中国图,大洲图,5,地图投影与,GIS,GIS,中所存储记录、管理分析、显示应用的内容是地理信息，而地理信息的描述必须要有指定的地理参照系，且地理位置应以地理坐标或平面坐标的方式表达出来,地图不仅是,GIS,的重要数据源，而且是表示地理信息的最佳媒介。,由于,GIS,大多是以地图的方式来显示地理信息的，而地图是平面，地理信息则是在地球椭球体上的，因此，地图投影在,GIS,中是不可缺少的。,GIS,与地图投影的关系,地理基础,(,地图投影,),（据边馥苓，,1996,）,数据获取,（数据源地图的投影）,数据标准化预处理,（按某一参照系数字化）,数据存储,（统一的坐标基础）,数据处理,（投影转换）,数据应用,（检索查询、覆盖分析等）,数据输出,（具有相应投影的地图）,我国地图系列所采用的投影,1,：,100,万,1,：,5000,除,1,：,100,万外采用高斯克吕格投影,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地球统一使用国际百万分之一地图投影保持一致,我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也采用,Lambert,投影和属于这一投影系统的,Albers,投影,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和空间分析量度的正确实施,4.,空间数据的采集与处理,一、空间数据源,二、空间数据采集,几何数据的采集,属性数据的采集,三、空间数据的检核,数据采集与处理的基本流程,地图数据,野外实测数据,数字数据,影像数据,多媒体数据,文本数据,扫描数字化,摄影测量,野外数据采集,键盘输入,数据交换,空间,数据库,编,辑,处,理,遥感图像处理,统计数据,质,量,评,价,一、,GIS,的数据源,统计数据,地图,存储介质、现势性、投影转换,遥感、航空影象和数据,分辨率、变形规律、纠正、解译特征,地面测量,数字数据,格式、精度,多媒体，辅助,GIS,空间分析,和查询,GIS,空间数据,1.,地图数据,普通地图,空间信息,专题地图,专题（属性）信息,2.,遥感,(,RS,),影像数据,数据,图片,3.,实测数据,空间数据：数字测图仪、,GPS,接收器,属性数据：气象气候数据等,Global Positioning System,Remote Sensing,4.,统计数据,数字：人口、产值、收入、消费,文字：土地类型、污染情况,二、空间数据采集,几何数据的采集,1,、地图跟踪数字化,2,、地图扫描数字化,数字化仪结构示意图,小型扫描仪,工程扫描仪,扫描输入后的图像一般需要进行矢量化,。,通常是将地图扫描后，作为底图显示在屏幕上，用鼠标参照底图进行采点。由于鼠标定位不如数字化仪精确，所以一般用于输入一些示意图。,纸地图,扫描转换,拼接子图块,裁剪地图,矢量图编辑,矢量图合成,图像处理矢量化,扫描矢量化的主要步骤：,数字化工作的注意事项,分层采集：,在进行数字化之前，首先要确定需要数字化哪些信息，,GIS,系统对空间数据往往采用分层管理，所以要确定输入哪些图层，以及每个图层包含的具体内容。,坐标系统、空间位置确定与匹配：,确定坐标系统的方式,两次输入之间地图的位置匹配,不同时间输入，图件与数字化板可能相对于发生错动，导致前后两次录入的坐标就会偏移或旋转。输入至少三个定位点,(Tick Marks),进行定位点坐标之间的关系进行匹配。,选择输入模式：,点模式,(point mode),或流模式,(stream mode),流模式可分为 距离流模式,(Distance stream),和时间流模式,(Time stream Mode),数字化工作的注意事项,距离流模式,(Distance stream),距离流方式记录数据是：按当前接收的点与上一点距离超过一定阈值才记录该点坐标值；,时间流模式,(Time stream Mode),采用时间流方式记录数据是：按照一定时间间隔对接收的点进行采样；,采用时间流方式录入的优点是：当录入曲线比较平滑时，录入人员往往移动游标比较快，这样记录点的数目少；而曲线比较弯曲时，游标移动较慢，记录点的数目就多。,而采用距离流方式时，容易遗漏曲线拐点，从而使曲线形状失真。所以在保证曲线的形状方面，,时间流方式要优于距离流方式。,数据录入后的处理步骤,进行坐标和或投影变换,图形拼接,修改错误、建立拓扑关系,属性库完善：编码、联结,图 形 拼 接,图形拼接或边缘匹配处理,图幅比较大或者使用小型数字化仪时,输入、输出标准分幅的地形图,Original two map sheets,Two sheets brought togethershowing discontinuities,Derived single sheet withedges adjusted,图形数字化常见错误（,1,）,空间数据定位的不准确,伪节点（,Pseudo Node,）,伪节点使一条完整的线变成两段,2,）悬挂节点（,Dangling Node,）,伪节点,图形数字化常见错误（,2,）,3,）,“,碎屑,”,多边形或,“,条带,”,多边形（,Sliver Polygon,）,一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条线的位置不可,能完全一致，造成了,“,碎屑,”,多边形。,4,）不正规的多边形（,Weird Polygon,）,是由于输入线时，点的次序倒置或者位置不准,确引起的,图形数字化错误修正,上述的错误，一般在建立拓扑的过程中都会发现，而且需要手工编辑修改；,悬挂节点的问题则可以由软件系统自动修改。通常的实现办法是设置一个,“,容许误差,Tolerance,”,，当节点之间、或者节点与线之间的距离小于此数值后，即自动连接悬挂接点。,建立拓扑关系,在图形错误修改完毕之后，可以建立图形数据的拓扑关系。拓扑关系的建立通常由计算机自动生成，目前大多数,GIS,软件具有完善的拓扑功能；,每一次修改数据错误、或增加、减少图形数据后（即对矢量数据进行编辑后），对具有拓扑关系的矢量数据需要重新建立他们之间的拓扑关系,如在,ArcInfo,系统中，建立拓扑关系的命令为：,Build point;Build line;build polygon;,Clean point;Clean line;Clean polygon,二、属性数据的采集,属性数据的录入主要采用键盘输入的方法，有时也可以辅助于字符识别软件。,当属性数据的数据量较小时，可以在输入几何数据的同时，用键盘输入；但当数据量较大时，一般与几何数据分别输入，并检查无误后转入到数据库中。,当空间实体的几何数据与属性数据连接起来之后，就可进行各种,GIS,的操作与运算了。,属性库完善：编码、联结,4,11,9,21,ID,面积,周长,土壤类型,4,435,880,18,9,210,580,25,11,628,1140,21,21,252,650,15,土壤类型,名称,pH,15,Black soil,6.5,21,Brown soil,6.0,25,Red soil,5.0,在关系数据库中存储空间,对象的属性特征值,三、空间数据的检核,1,、空间数据输入的误差,2,、空间数据的检查,空间数据质量问题的来源,误差来源,数据采集,人为使用,数据前处理,野外测量,遥感仪器,人为误差,数据转换,数据输入,遥感解译,理解与随意性,空间数据质量问题的来源,数据处理过程,误 差 来 源,数据搜集,野外测量误差：仪器误差、记录误差,遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差,地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷,数据输入,数字化误差：仪器误差、操作误差,不同系统格式转换误差：栅格,-,矢量转换、三角网,-,等值线转换,数据存储,数值精度不够,空间精度不够：每个格网点太大、地图最小制图单元太大,数据处理,分类间隔不合理,多层数据叠合引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差，比例尺太小引起的误差,数据输出,输出设备不精确引起的误差,输出的媒介不稳定造成的误差,数据使用,对数据所包含的信息的误解,对数据信息使用不当,空间数据的误差类型,几何误差,属性误差,时间误差,逻辑误差,1,）逻辑误差,桥,停车场,停车场,桥,森林,森林,水库,水库,逻辑错误,纠正后,2,）属性错误,属性错误 纠正后,3,）时间错误,时间错误 纠正后,4,）几何错误,点误差,线误差,商业区,住宅区,住宅区,商业区,住宅区,1972,年,火场,1989,年,火场,1989,年,火场,1972,年,火场,幼树,阔叶林,幼树,阔叶林,数据前处理中的误差,数据格式转换（,Format conversion,）,数据输入（,Data Input,）,边缘匹配（,Edge matching,）,数据缩编与概化（,Data reduction and generalization,）,插值（,Interpolation,）,航片解译（,Photo interpretation,）,典型的几何误差,Vector superimposedon raster,Resulting raster,Original data set,Data after onethinning pass,Final skeleton,Vector toraster conversion,Skeletonizing,矢量栅格数据转化中的误差,数据输入中的误差,地图固定不牢。如果地图发生了移动需要重新输入控制点,在数字化的过程中，图纸可能发生伸展或收缩等变形，导致数字化点位偏移了原来位置。,用户操作不当导致线段交叉点处的“不足”、“过头”或“细缝”,空间数据输入过程中常见的误差,polygon not closed;sliver;gap;attribute errors,etc.,修正过程中的误差,设定坐标距离容限值（,fuzzy tolerance）,节点连接,拓扑关系重建（,Re-building topology）,边缘配准中的误差,Original two map sheets,Two sheets brought togethershowing discontinuities,Derived single sheet withedges adjusted,在自动或手工处理地图的合并过程中，常出现误差,跨越地图边界处的目标在综合,GIS,数据库中常常会导致误差,