第4講 GIS的地理基礎(chǔ)

1、l地理基礎(chǔ)是地理信息數(shù)據(jù)表示格式與規(guī)范的重要組成部分。它主要包括統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)、統(tǒng)一的地理網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)以及統(tǒng)一的地理編碼系統(tǒng)，統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)就是要為地理信息系統(tǒng)選擇和設(shè)計(jì)一種或幾種適用的地圖投影系統(tǒng)和網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)。參參考考書(shū)書(shū)目目胡胡友友元元等等，計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)地地圖圖制制圖圖，測(cè)測(cè)繪繪出出版版社社，1 19 98 87 7年年；A A. .H H. .羅羅賓賓遜遜等等，地地圖圖學(xué)學(xué)原原理理（第第5 5版版），測(cè)測(cè)繪繪出出版版社社，1 19 98 89 9年年；張張文文中中等等，微微機(jī)機(jī)地地理理制制圖圖，高高教教出出版版社社，1 19 99 90 0年年；徐徐慶慶榮榮等等，計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)地

2、地圖圖制制圖圖原原理理，武武漢漢測(cè)測(cè)繪繪科科技技大大學(xué)學(xué)出出版版社社，1 19 99 93 3年年；. .l地表空間實(shí)體的位置按嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義表達(dá)成地理坐標(biāo)（球面坐標(biāo)）或平面坐標(biāo)，地理坐標(biāo)以經(jīng)度坐標(biāo)/緯度坐標(biāo)表示。見(jiàn)下圖l地表以最近似平均海平面的地球重力等勢(shì)面作為高度為零的大地水準(zhǔn)面（Geoid)，以大地水準(zhǔn)面為參考測(cè)量得到的高度H被用于地形制圖，它是一種正射（視）高度。如果將大地水準(zhǔn)面換成一個(gè)橢球面，人們也可以計(jì)算一個(gè)幾何高度h或以橢球面為參考的高度。 H-h即是大地水準(zhǔn)面和橢球面在基點(diǎn)的高度差。l地球的形狀與大小地球的形狀與大小l地球上的點(diǎn)位描述地球上的點(diǎn)位描述l地圖上的點(diǎn)位描述地圖上的點(diǎn)

3、位描述l地球體地球體l大地體大地體l橢球體橢球體l長(zhǎng)半徑長(zhǎng)半徑 a a（赤道半徑）（赤道半徑）l短半徑短半徑 b b（極半徑）（極半徑）l扁扁 率率 =(=(a-b)/aa-b)/al第一偏心率第一偏心率 e e2 2=(a=(a2 2- - b b2 2)/ a)/ a2 2l第二偏心率第二偏心率 ee2 2=(a=(a2 2- - b b2 2)/ b)/ b2 2 海福特橢球體海福特橢球體 克拉索夫斯基橢球體克拉索夫斯基橢球體 IAG75IAG75橢球體橢球體 大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系/ /地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系 高程系高程系 19541954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系 19801980年國(guó)家大

4、地坐標(biāo)系年國(guó)家大地坐標(biāo)系 19561956年黃海高程系年黃海高程系 19851985年國(guó)家高程基準(zhǔn)年國(guó)家高程基準(zhǔn) 地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系 平面直角坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)系( (用于繪制地圖用于繪制地圖) ) 平面極坐標(biāo)系平面極坐標(biāo)系( (用于地圖投影計(jì)算用于地圖投影計(jì)算) ) 由投影幾何特征建立平面直角坐由投影幾何特征建立平面直角坐標(biāo)系標(biāo)系; ; 自行規(guī)定坐標(biāo)系自行規(guī)定坐標(biāo)系( (原點(diǎn)原點(diǎn)/ /橫、縱橫、縱軸軸).).1 1：5050萬(wàn)為萬(wàn)為高斯克呂格投影；高斯克呂格投影；中央經(jīng)線和赤道投影后互為垂直的中央經(jīng)線和赤道投影后互為垂直的直線，作為直角坐標(biāo)軸；直線，作為直角坐標(biāo)軸；兩種坐標(biāo)網(wǎng)格：經(jīng)緯網(wǎng)和公

5、里網(wǎng)兩種坐標(biāo)網(wǎng)格：經(jīng)緯網(wǎng)和公里網(wǎng)l一、地圖投影的基本分類l1、根據(jù)投影面及其與球面相關(guān)位置的分類l2、根據(jù)投影變形性質(zhì)的分類l3、根據(jù)投影探求的方法的分類l透視幾何投影：這類投影完全依據(jù)透視的原理，根據(jù)視點(diǎn)、 物點(diǎn)與像點(diǎn)之間的幾何關(guān)系來(lái)建立投影的方程。l幾何解析投影：這類投影的特點(diǎn)是首先根據(jù)經(jīng)緯線形狀確定 投影方程的基本形式，再根據(jù)給定的某種條件解析地推 求出特定投影的具體方程。l解析投影解析投影事先并不人為確定經(jīng)緯線的形狀，其投影 后的經(jīng)緯線形狀與投影方程的形式完全依據(jù)人們給出的 條件逐步推求得到。l4、根據(jù)投影方程特征的分類l所謂地圖投影就是建立地圖平面上的點(diǎn)所謂地圖投影就是建立地圖平面上

6、的點(diǎn)（x,y)x,y)和地球表面上的點(diǎn)和地球表面上的點(diǎn)( ( , , ) )之間的函數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。一般通式為：關(guān)系。一般通式為：),(),(21fyfx根據(jù)投影面與球面相關(guān)位置的分類圖根據(jù)投影方程特征的分類圖l長(zhǎng)度變形長(zhǎng)度變形l面積變形面積變形l角度變形角度變形地圖投影中不可避免地存在著變形，在建地圖投影中不可避免地存在著變形，在建立一個(gè)投影時(shí)不僅要建立（立一個(gè)投影時(shí)不僅要建立（x,y)x,y)與與( ( , , ) )之之間的關(guān)系，而且要研究投影變形的分布與大間的關(guān)系，而且要研究投影變形的分布與大小。地圖投影的變形主要體現(xiàn)在：小。地圖投影的變形主要體現(xiàn)在：長(zhǎng)度變形角度變形面積變形和長(zhǎng)度變

7、形投影變形示意圖l一、地理信息系統(tǒng)與地圖投影l(fā)二、地理信息系統(tǒng)中地圖投影設(shè)計(jì)與配l 置的一般原則 1）各國(guó)家的地理信息系統(tǒng)所采用的投影系統(tǒng)與該國(guó)的基本地圖系列所用的投影系統(tǒng)一致；2）各比例尺的地理信息系統(tǒng)中的投影系統(tǒng)與其相應(yīng)比例尺的主要信息源地圖所用的投影一致；3）各地區(qū)的地理信息系統(tǒng)中的投影系統(tǒng)與其所在區(qū)域適用的投影系統(tǒng)一致；4）各種地理信息系統(tǒng)一般以一種或兩種投影系統(tǒng)為其投影坐標(biāo)系統(tǒng)，以保證地理定位框架的統(tǒng)一。統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)建立的基礎(chǔ) 1）所配置的投影系統(tǒng)應(yīng)與相應(yīng)比例尺的國(guó)家基本圖投影系統(tǒng)一致；2）系統(tǒng)一般地只考慮至多采用兩種投影系統(tǒng)，一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出，

8、另一種服務(wù)于中小比例尺；3）所用投影以等角投影為宜；4）所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投影帶中應(yīng)保持完整。l1）我國(guó)基本比例尺地形圖（1：100萬(wàn)、1：50萬(wàn)、1：25萬(wàn)、1：10萬(wàn)、1：5萬(wàn)、1：2.5萬(wàn)、1：1萬(wàn)、1：5000萬(wàn)）除1：100萬(wàn)外均采用高斯-克呂格投影為地理基礎(chǔ)；l2）我國(guó)1：100萬(wàn)地形圖采用了Lambert投影，其分幅原則與國(guó)際地理學(xué)會(huì)規(guī)定的全球統(tǒng)一使用的國(guó)際百萬(wàn)分之一地圖投影保持一致；l3）我國(guó)大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)的Albers投影；l4）Lambert投影中，地球表面上兩點(diǎn)間的最短

9、距離表現(xiàn)為近于直線，這有利于地理信息系統(tǒng)中的空間分析和信息量度的正確實(shí)施。高斯投影是一種橫軸等角切橢圓柱投影，其條件為：1）中央經(jīng)線和地球赤道投影成為直線且為投影的對(duì)稱軸；2）等角投影；3）中央經(jīng)線上沒(méi)有長(zhǎng)度變形。由公式可分析出高斯投影變形具有以下特點(diǎn)：l1）中央經(jīng)線上無(wú)變形l2）同一條緯線上，離中央經(jīng)線越遠(yuǎn)，變形越大；l3）同一條經(jīng)線上，緯度越低，變形越大；l4）等變形線為平行于中央經(jīng)線的直線。lLambert投影（正軸等角割圓錐投影）。制圖綜合是指在地圖主題與用途、制圖綜合是指在地圖主題與用途、比例尺和制圖區(qū)域地理特點(diǎn)等條件下，比例尺和制圖區(qū)域地理特點(diǎn)等條件下，通過(guò)對(duì)地圖內(nèi)容的選取、概括和

10、關(guān)系協(xié)通過(guò)對(duì)地圖內(nèi)容的選取、概括和關(guān)系協(xié)調(diào)，建立起能反映區(qū)域地理規(guī)律和特點(diǎn)調(diào)，建立起能反映區(qū)域地理規(guī)律和特點(diǎn)的新的地圖模型的理論、方法和過(guò)程的新的地圖模型的理論、方法和過(guò)程. .在于用科學(xué)的選取與概括手段，在在于用科學(xué)的選取與概括手段，在地圖上正確、明顯、深刻地反映制圖區(qū)地圖上正確、明顯、深刻地反映制圖區(qū)域的空間分布和變化規(guī)律。域的空間分布和變化規(guī)律。l主要解決在地圖有限的范圍內(nèi)表現(xiàn)主要解決在地圖有限的范圍內(nèi)表現(xiàn)繁雜廣闊的客觀世界的矛盾；繁雜廣闊的客觀世界的矛盾；l突出空間事物分布的規(guī)律性；突出空間事物分布的規(guī)律性；l使地圖清晰易讀。使地圖清晰易讀。l分類分級(jí)系統(tǒng)的確立分類分級(jí)系統(tǒng)的確立l抽象

11、（選?。┏橄螅ㄟx取）l符號(hào)化符號(hào)化l內(nèi)容選取內(nèi)容選?。ㄙ|(zhì)量（質(zhì)量/ /數(shù)量特征）數(shù)量特征）l圖形概括圖形概括/ /數(shù)據(jù)化簡(jiǎn)數(shù)據(jù)化簡(jiǎn)l圖形關(guān)系協(xié)調(diào)圖形關(guān)系協(xié)調(diào)l分類分級(jí)分類分級(jí)( (質(zhì)量質(zhì)量/ /數(shù)量特征概括數(shù)量特征概括) )l合并合并l符號(hào)化符號(hào)化1:51:5萬(wàn)萬(wàn)1:101:10萬(wàn)萬(wàn)1:11:1萬(wàn)萬(wàn)1:201:20萬(wàn)萬(wàn)地圖地圖地圖地圖地圖地圖地圖地圖源數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)主數(shù)據(jù)庫(kù)主數(shù)據(jù)庫(kù)地圖地圖地圖地圖地圖地圖地圖地圖源數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)制圖綜合制圖綜合l要素的選取要素的選取( (全額全額/ /部分部分選取選取) )l化簡(jiǎn)化簡(jiǎn)l同質(zhì)合并同質(zhì)合并l異質(zhì)合并異質(zhì)合并( (重新分類與符

12、號(hào)化重新分類與符號(hào)化) )l圖形轉(zhuǎn)換圖形轉(zhuǎn)換l夸大夸大l圖形協(xié)調(diào)圖形協(xié)調(diào)( (移位移位) )l確定選取的分界尺度確定選取的分界尺度( (質(zhì)量質(zhì)量/ /數(shù)量數(shù)量/ /圖形尺寸圖形尺寸) )l確定選取定額確定選取定額( (地圖的面積載負(fù)量地圖的面積載負(fù)量) )l確定選取順序確定選取順序l要素的自動(dòng)選取要素的自動(dòng)選取制圖綜合方法制圖綜合方法三、三、l定量信息可以被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別，而定量信息可以被計(jì)算機(jī)直接識(shí)別，而定性信息必須首先定性信息必須首先“數(shù)字化數(shù)字化”才能被計(jì)才能被計(jì)算機(jī)接受，它是通過(guò)采用一種編碼方法算機(jī)接受，它是通過(guò)采用一種編碼方法將定性信息用將定性信息用“屬性特征碼屬性特征碼”（簡(jiǎn)稱特（

13、簡(jiǎn)稱特征碼）表示，這樣就可以將定性屬性信征碼）表示，這樣就可以將定性屬性信息輸入計(jì)算機(jī)中。息輸入計(jì)算機(jī)中。l地理信息編碼就是用數(shù)字或字符標(biāo)記地理信息編碼就是用數(shù)字或字符標(biāo)記空間對(duì)象的屬性。它既是標(biāo)識(shí)空間對(duì)象空間對(duì)象的屬性。它既是標(biāo)識(shí)空間對(duì)象的標(biāo)志，組織和編排地理數(shù)據(jù)的媒介，的標(biāo)志，組織和編排地理數(shù)據(jù)的媒介，又是存儲(chǔ)和檢索的標(biāo)志，是不可缺少的又是存儲(chǔ)和檢索的標(biāo)志，是不可缺少的空間數(shù)據(jù)的一個(gè)組成部分?？臻g數(shù)據(jù)的一個(gè)組成部分。l簡(jiǎn)稱屬性碼，或特征碼。用來(lái)簡(jiǎn)稱屬性碼，或特征碼。用來(lái)表示空間要素的類別、級(jí)別等分表示空間要素的類別、級(jí)別等分類特征或其它質(zhì)量特征的數(shù)碼或類特征或其它質(zhì)量特征的數(shù)碼或字符。字符

14、。l地理屬性編碼法地理屬性編碼法l圖形屬性編碼方法圖形屬性編碼方法將真實(shí)世界地理事物和現(xiàn)象的定將真實(shí)世界地理事物和現(xiàn)象的定性與定量信息結(jié)合起來(lái)，直接進(jìn)行分類性與定量信息結(jié)合起來(lái)，直接進(jìn)行分類和分等定級(jí)，根據(jù)類別和等級(jí)賦予一定和分等定級(jí)，根據(jù)類別和等級(jí)賦予一定代碼的方法稱為地理屬性編碼。代碼的方法稱為地理屬性編碼。l樹(shù)型分類結(jié)構(gòu)編碼法樹(shù)型分類結(jié)構(gòu)編碼法l多維指標(biāo)結(jié)構(gòu)編碼法多維指標(biāo)結(jié)構(gòu)編碼法l樹(shù)型分類結(jié)構(gòu)首先對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分類分樹(shù)型分類結(jié)構(gòu)首先對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分類分級(jí)，隨著級(jí)別的層次不同，要用數(shù)位代碼級(jí)，隨著級(jí)別的層次不同，要用數(shù)位代碼來(lái)表示一種空間實(shí)體屬性。不同級(jí)別之間來(lái)表示一種空間實(shí)體屬性。不同級(jí)別之間

15、為從屬關(guān)系或具有層次結(jié)構(gòu)。這是一種常為從屬關(guān)系或具有層次結(jié)構(gòu)。這是一種常見(jiàn)的分類體系與編碼方式。見(jiàn)的分類體系與編碼方式。l對(duì)于某種確定的空間現(xiàn)象的每個(gè)獨(dú)立對(duì)于某種確定的空間現(xiàn)象的每個(gè)獨(dú)立因子變量用一位代碼表示，即每一位代因子變量用一位代碼表示，即每一位代碼表示一種屬性，碼位之間是并列關(guān)系，碼表示一種屬性，碼位之間是并列關(guān)系，構(gòu)成二維表結(jié)構(gòu)。建立多個(gè)獨(dú)立變量之構(gòu)成二維表結(jié)構(gòu)。建立多個(gè)獨(dú)立變量之間的關(guān)系（模型），可推導(dǎo)出其它派生間的關(guān)系（模型），可推導(dǎo)出其它派生變量。變量。對(duì)空間事物和現(xiàn)象的類別與等級(jí)，按對(duì)空間事物和現(xiàn)象的類別與等級(jí)，按某種地圖表現(xiàn)形式賦予一定代碼，這種方某種地圖表現(xiàn)形式賦予一定代

16、碼，這種方法可稱為圖形屬性編碼。例如道路可用線法可稱為圖形屬性編碼。例如道路可用線型、寬度、顏色等參數(shù)值描述。型、寬度、顏色等參數(shù)值描述。 一致性一致性 系統(tǒng)性系統(tǒng)性 通用性和標(biāo)準(zhǔn)化通用性和標(biāo)準(zhǔn)化 可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性一致性指對(duì)象的專業(yè)名詞、術(shù)一致性指對(duì)象的專業(yè)名詞、術(shù)語(yǔ)的定義必須嚴(yán)格保證概念的一致，語(yǔ)的定義必須嚴(yán)格保證概念的一致，對(duì)代碼所定義的同一專業(yè)名詞、術(shù)語(yǔ)對(duì)代碼所定義的同一專業(yè)名詞、術(shù)語(yǔ)必須是唯一的。必須是唯一的。各種地理現(xiàn)象是地理系統(tǒng)的組成各種地理現(xiàn)象是地理系統(tǒng)的組成部分，彼此之間相互聯(lián)系、相互影響。部分，彼此之間相互聯(lián)系、相互影響。編碼的系統(tǒng)性就是指在設(shè)置代碼時(shí)要編碼的系統(tǒng)性就是指在設(shè)置代碼時(shí)要明確地反映出現(xiàn)象之間的固有關(guān)系，明確地反映出現(xiàn)象之間的固有關(guān)系，具有嚴(yán)密的邏輯性、層次性和關(guān)聯(lián)性。具有嚴(yán)密的邏輯性、層次性和關(guān)聯(lián)性。即要與國(guó)家已頒布的有關(guān)規(guī)范和即要與國(guó)家已頒布的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)一致，直接引用或參照標(biāo)準(zhǔn)。這標(biāo)準(zhǔn)一致，直接引用或參照標(biāo)準(zhǔn)。這樣便于數(shù)據(jù)共享和交換，為數(shù)據(jù)的通樣便于數(shù)據(jù)共享和交換，為數(shù)據(jù)的通用性創(chuàng)造條件。用性創(chuàng)造條件。代碼