浙江大学ARCGIS课件-第二章

第二章GIS的地理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，主要包括：统一的地图投影系统统一的地理网格坐标统一的地理编码系统统一的地图投影系统就是要为地理信息系统选择和设计一种或几种适用的地图投影系统和网格坐标系统。几何要素的量度•地球的形状与大小•地球上的点位描述•地图上的点位描述第一节地球的形状与大小ShapeoftheEarthWethinkoftheearthasasphereItisactuallyaspheroid,slightlylargerinradiusattheequatorthanatthepoles地球的形状•地球自然形状（自然表面）•大地水准面•旋转椭球面（旋转椭球体）——参考椭球面Theshapeoftheearth•thespheroidisstillanapproximationtotheearth’sactualshape•theearthislargerinthesouthernhemisphere,andhasothersmallerbulgesEarthsurfaceEllipsoidSeasurfaceGeoidRepresentationsoftheEarthEarthsurfaceEllipsoidSeasurfaceGeoidMeanSeaLevelisasurfaceofconstantgravitationalpotentialcalledtheGeoid(大地水准面）大地水准面假想将静止的平均海平面延伸到大陆内部,形成一个连续不断的、与地球比较接近的形体，并视为地球的形体，其表面称之为大地水准面。其特征是处处和铅垂线正交。参考椭球凡与局部地区的大地水准面符合得最好的旋转椭球体。我国：1952年前海福特椭球1953-1977克拉索夫斯基1978-1975年国际椭球（国际大地测量协会推荐）1975基本大地数据：a=6378140m,扁率（a-b/a）=1：298.257b=6356755.3mEarthtoGlobetoMap确定地面点或空间目标位置所采用的参考系——坐标系第二节坐标系及大地控制点•大地坐标系/地理坐标系•高程系地理坐标•地表空间实体的位置按严格的数学定义表达成地理坐标（球面坐标）或平面坐标，地理坐标以经度坐标/纬度坐标表示。(fo,lo)(xo,yo)XYOriginAplanarcoordinatesystemisdefinedbyapairoforthogonal(x,y)axesdrawnthroughanorigin地理坐标系1.构成经度、纬度（全球统一的坐标系统）天文地理坐标：地面点在大地水准面上的位置大地地理坐标：地面点在参考椭球面上的位置2.获取天文测量、大地测量地理坐标系我国的大地坐标系和高程系•1954年北京坐标系•1980年国家大地坐标系•1956年黄海高程系•1985年国家高程基准1954年北京坐标系，原点在原苏联西部的普尔科夫(北京54坐标)1978年建立自己的坐标系，原点在陕西泾阳县，采用1975国际大地测量协会推荐的地球参数（西安80坐标）。大地原点：选取的参考椭球面与大地水准面相切的点。地表的垂直和水平基准面•地表以最近似平均海平面的地球重力等势面作为高度为零的大地水准面（Geoid)，以大地水准面为参考测量得到的高度H被用于地形制图，它是一种正射（视）高度。如果将大地水准面换成一个椭球面，人们也可以计算一个几何高度h或以椭球面为参考的高度。H-h即是大地水准面和椭球面在基点的高度差。高程系及高程控制点高程：由高程基准面起算的地面点高度。（大地高、正常高）大地高：点位沿椭球的法线至椭球面的高度。正常高：点位沿铅垂线至大地水准面的高度。（海拔高）高程基准面（大地水准面）：根据验潮站所确定的多年平均海水面而确定的。1、海拔高程（绝对）2、相对高程高程基准：水准基面、水准原点1956年黄海高程系1950-1956年青岛港验潮站黄海平均海水面（72.298M）1985年国家高程基准1953-1979年青岛港验潮站黄海平均海水面（72.260M）H85=H56-0.029M第三节地图投影概念投影——建立两个点集间一一对应的映射关系。地图投影——建立地球表面上的点与投影面上点之间的一一对应关系。X=f1（λ,φ）Y=f2（λ,φ）（λ,φ）为地球表面的地理坐标（曲面）；（X，Y）为相应的投影坐标（平面）投影变形由地球椭球面（或球面）投影到平面引起的变形。表现在形状、大小两个方面。地图投影的基本分类1.根据投影面极其与球面的相关位置分类圆锥、圆柱、方位（平面）——展开的曲面不同正轴、斜轴、横轴——投影面与地球轴向的相对位置切投影、割投影——投影面与地球体表面相交位置不同2.根据投影变形性质不同分类等角投影（正形投影）——投影前后形状不变等面积投影——投影前后面积不变任意投影——既有角度变形，又有面积变形的投影。如只在某一特定方向上长度不变，则为等距离投影。3、其它根据投影探求的方法分类，如透视几何投影、解析投影根据投影方程特征分类……根据投影面与球面相关位置的分类图根据投影方程特征的分类图ConicProjections(Albers,Lambert)CylindricalProjections(Mercator)TransverseObliqueAzimuthal(Lambert)圆柱投影经纬网方位投影圆锥投影地图投影的变形•长度变形•面积变形•角度变形地图投影中不可避免地存在着变形，在建立一个投影时不仅要建立（x,y)与(,l)之间的关系，而且要研究投影变形的分布与大小。地图投影的变形主要体现在：地图投影变形的图解示例（摩尔维特投影－等积伪圆柱投影）长度变形角度变形地图投影变形的图解示例（UTM－横轴等角割圆柱投影）面积变形和长度变形投影变形示意图高斯——克吕格投影（等角横切椭圆柱投影）高斯——克吕格投影的几何概念高斯—克吕格投影示意图•基本条件1.中央经线（椭圆柱和椭球体的切线）的投影为直线，而且是投影的对称轴；2.投影后没有角度变形；3.中央经线上没有长度变形。通常采用分带投影可减少变形。6度带从西向东每6度为一带，全球分60带。我国居13-23带（72。-136。E）特点1.中央经线上没有长度变形；2.同一纬线上，离中央经线越远，变形越大；3.同一经线上，纬度越低，变形越大；4.等变形线为平行于中央经线的直线。(在6。带范围内，赤道两端最大长度变形约0.138％，最大面积变形约0.27％）)•优点1.等角性质，适用于系列比例尺地图的适用与编制；2.经纬网与直角坐标的偏差不大；3.计算量小，只需计算一个带，全球通用。通用横轴墨卡托投影(universaltransverseMercatorcoordinatesystem:UTM)：设定椭圆柱与子午线相接（割），根据中心投影把地表面投影到椭圆柱面上的方法(高斯—克吕格投影方法)。中央子午线与标准经线的比例是0.9996•根据0.138％的长度变形所产生的误差小于1：2.5万比例尺地形图的绘图误差，决定我国1：2.5万－1：50万地形图采用6。分带。•1：1万及更大比例尺的地形图采用3。分带。•3。分带从东经1。30‘起，3。为一带，使6。带的中央经线全部为3。带的中央经线第四节GIS中地图投影的配置地图投影与GIS的关系地图投影对GIS的影响渗透在GIS建设的各个方面:数据获取(数据源地图的投影)数据标准化预处理(按照某一参照系数字化)数据存储(统一的坐标基础)地图投影(地理基础)数据输出(具有相应投影的地图)数据应用(检索、查询、分析等）数据处理（投影转换）1）各国家的地理信息系统所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致；2）各比例尺的地理信息系统中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；3）各地区的地理信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；4）各种地理信息系统一般以一种或两种投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一。统一的坐标系统是地理信息系统建立的基础GIS中地图投影配置的一般原则•地图投影配置的一般性特征a.各国家的GIS采用的投影系统与该国的基本地图系列采用的投影系统一致b.各比例尺的GIS采用的投影系统与其相应比例尺的主要信息源所用的投影系统一致c.各地区的GIS采用的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致d.各种GIS一般以一种或二种（至多三种）投影系统为其投影坐标系统，以保证其地理定位框架的统一例：加拿大（CGIS）UTM、Lambert（正轴等角割圆锥投影）美国“地理经纬度”、UTM、Lambert日本（ISLAND）UTM、HOM（斜轴墨卡托投影）我国地理信息系统中常用的地图投影配置与计算•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、1：2.5万、1：1万、1：5000万）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；•4）Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离表现为近于直线，这有利于地理信息系统中的空间分析和信息量度的正确实施。我国GIS中常用的地图投影配置大比例尺（=50万）高斯——克吕格投影小比例尺（50万）Lambert投影我国基本比例尺地形图：1：100万Lambert投影1：50万、1：25万、1：10万1：5万、1：2.5万、1：1万高斯-克吕格1：5000我国大部分省区图以及1：100万的地图多采用Lambert和Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）第五节地图坐标系统•地理坐标系•平面直角坐标系(用于绘制地图)•平面极坐标系(用于地图投影计算)地图坐标系统的建立•由投影几何特征建立平面直角坐标系;•自行规定坐标系(原点/横、纵轴).大中比例尺地形图坐标系•1：50万为高斯－克吕格投影；•中央经线和赤道投影后互为垂直的直线，作为直角坐标轴；•两种坐标网格：经纬网和公里网•根据不同的投影，相应的得到平面直角坐标我国大于1:10万地形图上绘有高斯-克吕格投影平面直角坐标网，以公里为单位（公里网）大比例尺地形图公里网间隔比例尺公里网间隔（cm)相应实地距离（km）1:1万1:2.5万1:5万1:10万104221112纵坐标:表示离赤道公里数横坐标:前二位表示投影带号后几位表示离移轴纵线的公里数如:18210表示第18带,离移轴纵线210公里,即中央经线以西290公里移轴纵线赤道中央经线500km地理信息编码地理信息编码的意义•定量信息可以被计算机直接识别，而定性信息必须首先“数字化”才能被计算机接受，它是通过采用一种编码方法将定性信息用“属性特征码”（简称特征码）表示，这样就可以将定性属性信息输入计算机中。地理信息编码的意义(续)•地理信息编码就是用数字或字符标记空间对象的属性。它既是标识空间对象的标志，组织和编排地理数据的媒介，又是存储和检索的标志，是不可缺少的空间数据的一个组成部分。地理特征码•简称属性码，或特征码。用来表示空间要素的类别、级别等分类特征或其它质量特征的数码或字符。地理信息编码方法•地理属性编码法•图形属性编码方法地理属性编码将真实世界地理事物和现象的定性与定量信息结合起来，直接进行分类和分等定级，根据类别和等级赋予一定代码的方法称为地理属性编码。地理属性编码方法•树型分类结构编码法•多维指标结构编码法树型分类结构编码法•树型分类结构首先对现象进行分类分级，随着级别的层次不同，要用数位代码来表示一种空间实体属性。不同级别之间为从属关系或具有层次结构。这是一种常见的分类体系与编码方式。多维指标结构编码法•对于某种确定的空间现象的每个独立因子变量用一位代码表示，即每一位代码表示一种属性，码位之间是并列关系，构成二维表结构。建立多个独立变量之间的关系（模型