地理信息系统(第二章空间数据基础)

第2章空间数据结构一、地理空间数据二、地理空间数据的表达三、矢量数据结构四、栅格数据结构1、地理空间数据地理空间：广义：地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍界面。狭义：地球表层。地理事物地球上的一切自然物体和人造物体。（陆地、海洋、山川、河湖、公路、铁路、机场、寺庙等）。地理现象地理事物在发生、发展和变化中的外部形式和表面特征。地理空间数据：用符号化表示地球表层的地理事物和地理现象的记录。第一节地球椭球体地球体：极半径略短，赤道半径略长，北极略突出、南极略扁平，近似于梨形的椭球体。大地球体：由穿越陆地、岛屿的全球静止海平面连片形成,与重力方向处处正交的，连续的封闭曲面称为大地水准面，由该水准面所包含的形体称为大地球体，它是地球形体的一级逼近。地球椭球体：大地体绕短轴旋转形成的表面光滑的球体，亦称旋转椭球体。它是地球形体的二级逼近。地球椭球体的参数：长轴a，短轴b，扁率f=(a-b)/a。地球半径大概有多少公里？坐地日行八万里，巡天遥看一千河。(毛泽东诗《七律二•首送瘟神》，1958.07)R=80000/2/2/3.14=6370km椭球名称年代长半径a(m)扁率f附注德兰勃(Delambre)180063756531:334.0法国埃弗瑞斯(Everest)183063772761:300.801英国贝赛尔(Bessel)184163773971:299.152德国克拉克(Clarke)186663782061:294.978英国克拉克(Clarke)188063782491:293.459英国海福特(Hayford)191063783881:297.01942年国际第一个推荐值克拉索夫斯基(Krasovski)194063782451:298.3苏联1967年大地坐标系196763781601:298.2471967年国际第二个推荐值1975年大地坐标系197563781401:298.2571975年国际第三个推荐值1980年大地坐标系197963781371:298.2571979年国际第四个推荐值国际主要椭球参数我国的大地坐标系统1980年起采用1975年国际大地测量协会推荐参考椭球。大地坐标原点在西安市附近泾阳县境内。地理坐标系（WGS1984）投影坐标系统投影坐标系统（平面坐标系），将椭球面上的点，通过投影的方法投影到平面上时，通常使用平面坐标系统。平面坐标系统分为平面极坐标系统和平面直角坐标系统。地图投影的方法主要由圆锥投影、圆柱投影、平面（方位）投影等，它们均包括正轴、斜轴、横轴等投影方式，在此基础上又分为相切、相割方式两种情况第四节地图投影种类1、几何投影法正轴横轴斜轴方位圆柱圆锥方位投影圆柱投影圆锥投影高斯-克吕格(GaussKruger)投影属于横轴等角切椭圆柱投影。中央经线无长度变形。6°或3°分带投影。中央经线与赤道为互相垂直的直线。我国国家基本比例尺地形图中的大中比例尺地形图均采用该投影。包括第13－23带共11个投影带。内置了直角平面坐标系统：中央经线为X轴，赤道为Y轴，中央经线与赤道交点为坐标原点。坐标纵轴西移500km。40,515,652.9943,349,165.766Meters地图投影的选择在GIS中，地理数据的显示往往可以根据用户的需要，指定各种投影。但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，往往采用与国家基本系列地图所用的投影。我国常用的地图投影的情况为：(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1：100万地形图采用了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也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）；高程坐标系高程：由高程基准面起算的地面点的高度。绝对高程（海拔）、相对高程1956黄海高程系：黄海平均海水面建立全国统一高程基准面，并以青岛观象山埋设永久性水准原点，建立高程控制系统。原点高程为72.289m1985国家高程基准:原点高程为72.260m水准原点1985国家高程基准，72.260米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米青岛验潮站示意图地理空间数据表达现实世界栅格矢量现实世界地理数据抽象1、地理空间数据1、地理空间数据把地理空间实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。1、地理空间实体几何形态点线面体三、矢量数据结构定义：矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表达点、线、面等空间实体的位置和形状的一种表达方式，常用于表现具有确定形状或边界的不连续对象。点：空间上不能再分，只有位置没有大小，由单独的一对x,y坐标定位的地理或制图实体。线：由连续的直线段组成的曲线，由一系列点组成n个坐标对的集合，可用坐标串(x1y1,x2y2…..xnyn)记录,有长度但没有宽度。面也称多边形，一个任意形状、边界完全闭合的空间区域，有一系列线段构成且具有大小与周长内何特性的空间要素。维数形状几何信息表达图形表现类型0维点状(X,Y)地物点、节点、注记1维线状(X1,Y1)(X2,Y2)…(Xn,Yn)公路、河流网络2维面状(X1,Y1)(X2,Y2)…(Xn,Yn)(X1,Y1)名称属性实体（杭州）分类属性实体（湖泊）3维体状1、简单矢量数据表示法简单矢量数据表示法就是只记录空间对象的位置，不记录相互之间的关系，每条记录都是单独实体。x,y坐标存储法（公共边冗余）树状索引存储法简单矢量数据表示法特点优点：数据直观，坐标文件简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。缺点：点、线、面各成体系，缺少邻域关系等拓扑信息，邻域处理比较复杂。2、拓扑矢量数据表示法拓扑(Topology):在弯曲、拉伸等适当变换下仍维持不变的几何特性。基本拓扑元素：结点（Node)：弧段上的起点和终点（岛结点）顶点(Vertex):弧段上的中间点弧段(Arc):相邻两结点之间的坐标链。多边形（polygon)：若干弧段构成的封闭区。邻接相交相离包含重合点－点线－线面－面点－线点－面线－面空间对象关系C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑关联性表达弧段号起结点终结点C1N1N2C2N3N2C3N1N3C4N1N4C5N2N5C6N4N5C7N5N6C8N4N6C9N7N7C10N3N6多边形弧段P1C1,C2,C3P2C1,C4,C6,C5P3C6,C7,C8P4C7,C10,C2,C5,C9P5C9弧段号左多边形右多边形C1P2P1C2P1P4C3P1—C4—P2C5P2P4C6P3P2C7P3P4C8—P3C9P4P5C10P4—结点号弧段N1C1，C3，C4N2C1，C2，C5N3C3，C2，C10N4C4，C6，C8N5C5，C6，C7N6C7，C8，C10N7C9拓扑关联性：不同类元素间的拓扑关系。点与线，线与面拓扑邻接性和连通性表达弧段号起结点终结点C1N1N2C2N3N2C3N1N3C4N1N4C5N2N5C6N4N5C7N5N6C8N4N6C9N7N7C10N3N6拓扑邻接性和连通性：同类元素间的拓扑关系。多边形间邻接性，弧段间邻接性，结点间连通性结点号N1N2N3N4N5N6N7N1—111000N21—10100N311—0010N4100—110N50101—10N600111—0N7000000—结点间连通性C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑邻接性和连通性表达弧段号C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C1—111100000C21—10100001C311—1000001C4101—010100C51100—11000C600011—1100C700—C8—C9—C10—拓扑邻接性和连通性：同类元素间的拓扑关系。多边形间邻接性，弧段间邻接性，结点间连通性弧段间邻接性结点号弧段N1C1，C3，C4N2C1，C2，C5N3C3，C2，C10N4C4，C6，C8N5C5，C6，C7N6C7，C8，C10N7C9C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑邻接性和连通性表达弧段号P1P2P3P4P5P1—1010P21—110P301—10P4111—1P50001—拓扑邻接性和连通性：同类元素间的拓扑关系。多边形间邻接性，弧段间邻接性，结点间连通性多边形间邻接性弧段号左多边形右多边形C1P2P1C2P1P4C3P1—C4—P2C5P2P4C6P3P2C7P3P4C8—P3C9P4P5C10P4—C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑包含性的表达拓扑包含性：面状实体包含其他面状、线状或点状实体的关系。简单包含、多层包含与等价包含。拓扑关系的应用在空间要素查询分析中的应用1、与浙江省相邻的省级行政区划有哪些？多边形之间的拓扑邻接2、钱塘江能为哪些地区居民提供水源？点与线之间的拓扑关联3、从北京到杭州怎么走最快？点与点的连通4、浙江省都有几个县？面包含拓扑关系的应用在数据编辑和质量检查中的应用1、拓扑编辑中公共边与结点编辑2、拓扑质量检查欠头检查露头检查….简单数据结构与拓扑数据结构比较对比内容简单数据结构拓扑数据结构数据结构简单复杂简单查询快慢多边形相邻、嵌套关系表达难表达易网络线段与结点关系没有有数据编辑与更新公共边界、网络结点人工处理公共边、结点自动生成分析功能需生成拓扑结构多重叠合、网络分析易3、不规则三角网结构不规则三角网（TIN):用一组非叠置的三角形来近似表示地形的矢量数据三角网。TIN的基本元素节点（Node):相邻三角形的公共顶点(x,y,z)。边(Edge):两个三角形的公共边界，是Tin不光滑性的具体反映。面(Face):由最近的三个节点所组成的三角形面，是TIN描述地形表面的基本单元。TIN中的每个三角形描述了局部地形的倾斜状态，具有唯一的坡度值。TIN三角形网及其数据组织三角形结点A1，2，8B2，3，8C3，4，8D4，5，8E5，6，8F6，7，8G7，1，8结点坐标1X1y1Z12X2y2Z23X3y3Z34X4y4Z45X5y5Z56X6y6Z67x7y7Z712345678ABCDEFG三角形临近关系AB,GBA,CCB,DDC,EED,FFE,GGF,A三角形与结点结点坐标表三角形关系表TIN是特殊的矢量拓扑网络模型，数据组织具有拓扑结构TIN特点1、三角形大小随地形变化而变化，坡度陡三角形小而密集，坡度缓三角形大而稀疏。2、三角形通常采用Delaunay(狄洛尼或德劳内)三角网，最小角最大，最大限度保证网中三角形满足近似等边或等角。3、TIN表示不连续对角也具有优势，可用来表示悬崖、断层、海岸线和山谷谷底。4、TIN可与DEM进行相互转换。四、栅格数据结构1、定义：栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构(raster或gridcell)或像元结构(pixel)，是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，每个网格作为一个像元或像素，包含的代码表示该像素的属性类型或量值。栅格的大小即空间分辨率，决定着栅格的精度特殊情况下的栅格结构特殊情况下的栅格结构（a）三角形（b）菱形（c)六边形1、栅格中的点、线、面点用一个栅格像元表示；线状地物则由一定方向上连接成串的一组相邻栅格像元表示；面或区域用由相同属性的相邻栅格像元的块集合表示。任何以面状分布的对象(土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等)，都可以用栅格数据逼近。点线面2、栅格数据的取值混合像元：是指在一个像元