p04第四章 GIS的地理基礎(chǔ)

第四章地理信息系統(tǒng)的

地理基礎(chǔ)蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院馬金輝地理信息系統(tǒng)的地理基礎(chǔ)地理基礎(chǔ)是地理信息數(shù)據(jù)表示方式與規(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)格坐標系統(tǒng)統(tǒng)一的地理編碼系統(tǒng)第一節(jié)、地圖投影第二節(jié)、制圖綜合第三節(jié)、地理信息編碼胡友元等，計算機地圖制圖，測繪出版社，1987年；A.H.羅賓遜等，地圖學(xué)原理（第5版），測繪出版社，1989年；張文中等，微機地理制圖，高教出版社，1990年；徐慶榮等，計算機地圖制圖原理，武漢測繪科技大學(xué)出版社，1993年；…….參考書目第一節(jié)、地圖投影地圖投影的相關(guān)概念和原理地圖投影的分類中國常用的地圖投影地圖投影的概念所謂地圖投影就是建立地圖平面上的點（x,y)和地球表面上的點(,)之間的函數(shù)關(guān)系。準確表示地物的地理位置。一般通式為：投影變換的必要性1、圖層的空間關(guān)系2、表示空間位置的兩種坐標系3、投影轉(zhuǎn)換的原因1）、圖層的空間匹配關(guān)系研究區(qū)域的圖層往往被分成許多幅和許多專題。這些圖層的組織方式或空間關(guān)系可分為兩種：垂直結(jié)構(gòu)組織：同一研究區(qū)域中包含不同地理要素的一組圖層（例如：土壤、土地利用、河流和道路）水平結(jié)構(gòu)組織：一組構(gòu)成同一專題的空間鄰接圖層（稱‘層片’）。A、水平匹配結(jié)構(gòu)圖示B、垂直匹配結(jié)構(gòu)圖示2）、投影轉(zhuǎn)換的原因之一地圖的顯示設(shè)備是平面，而地球表面是曲面，將曲面直接展示為平面，必然產(chǎn)生重疊或裂縫，導(dǎo)致以地理坐標系來定位的地理實體并不能直接表示在地圖上和顯示在計算機屏幕上。需要采取某種方法，將基于球面的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為平面直角坐標，這種轉(zhuǎn)換過程就是地圖投影。2）、投影轉(zhuǎn)換的原因之二由于地球是個橢球體，經(jīng)度1°的距離隨緯度而變化。緯度1°的距離也隨緯度而變化。經(jīng)度1°的距離和緯度1°的距離也不一樣，而且這個距離隨位置而變化。由于采用經(jīng)緯度表示位置時，距離和面積量測的不一致性，使基于距離和面積的空間信息查詢和空間分析不能進行。因此為了有效地進行空間測量和進行空間分析，有必要將球面坐標轉(zhuǎn)換為平面坐標，使距離或面積在空間上反映實際的情況。3）地圖投影與GIS的關(guān)系一、地圖投影的相關(guān)概念地球幾何形狀地面坐標系統(tǒng)地圖坐標系統(tǒng)1、地球幾何形狀Ellipsoid(橢球體)地球自西向東旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力導(dǎo)致地球中部的凸起而兩極的偏平Geoid(大地水準面）將地球表示為最近似平均海平面的等重力面（equigravitational

）面，由于重力的空間變化，大地水準面并不和橢球體完全重合（100米的差）Geoidheight

（水準高度）橢球面和大地水準面之間的高度差在小比例尺（1：1000，000）情況下，將地球看作球體。但在大比例尺情況下，必須將地球看作橢球體。地球橢球體的大小長半徑a（赤道半徑）semiminor短半徑b（極半徑）semimajor扁率=(a-b)/a第一偏心率

e2=(a2-

b2)/a2第二偏心率

e`2=(a2-

b2)/b2通過長軸和短軸來度量地球的形狀。不同的方法其長短軸參數(shù)不一樣，所適用的地區(qū)也就不同。在北美通常使用CLARKE1866，在我國和前蘇聯(lián)使用克拉索夫斯基橢球體KRASOVSKY。在CLARKE1866橢球體長軸是6,378,206.4m，短軸是6,356,583.8m。Datum橢球體是描述地球形狀的數(shù)學(xué)模型；datum定義了橢球體相對于地心的位置，它提供了一種測量地表位置的框架；實質(zhì)上是將橢球體和地球表面的某個特定區(qū)域盡可能地配準；它定義了經(jīng)緯網(wǎng)的原點和走向。DatumsNorthAmericanDatums(局地datum選擇不同的橢球體位置來逼近特定區(qū)域的地表）NAD27(NorthAmericanDatumof1927)NAD83(NorthAmericanDatumof1983)WorldDatums(全球Datum以地球質(zhì)量質(zhì)心為原點，常用的有WGS84，全球Datum來源于衛(wèi)星測量結(jié)果，大多用于GPS定位。)WGS84(WorldGeodeticSystemof1984)OtherDatumsEuropeanDatumof1979OrdnanceSurveyDatumofGreatBritain,1936AustralianGeodeticDatum,19842、地面點的坐標系統(tǒng)大地坐標系/地理坐標系高程系1）、地理坐標地表空間實體的位置按嚴格的數(shù)學(xué)定義表達成地理坐標（球面坐標），地理坐標以經(jīng)度坐標/緯度坐標表示。2）、地表的垂直和水平基準面地表以最近似平均海平面的地球重力等勢面作為高度為零的大地水準面（Geoid)，以大地水準面為參考測量得到的高度H被用于地形制圖，它是一種正射（視）高度。3）我國的大地坐標系和高程系1954年北京坐標系1980年國家大地坐標系1956年黃海高程系1985年國家高程基準3、地圖坐標系統(tǒng)地理坐標系平面直角坐標系(用于繪制地圖)平面極坐標系(用于地圖投影計算)地圖坐標系統(tǒng)的建立由投影幾何特征建立平面直角坐標系;自行規(guī)定坐標系(原點/橫、縱軸).二、地圖投影的分類1、根據(jù)投影面形狀的分類2、根據(jù)投影變形性質(zhì)的分類3、根據(jù)投影探求方法的分類4、根據(jù)投影方程特征的分類1、根據(jù)投影面形狀分類按投影面的形狀來來分，有方位投影圓柱投影圓錐投影多圓錐投影偽圓錐投影雙圓錐投影等1）方位投影投影面是與地球表面相切（或相割）的平面，切點位置是這類投影的核心。1)方位投影的類別根據(jù)投影光源位置：Gnomonicprojection

（心射切面投影：）viewsthesurfacedatafromthecenteroftheEarth,Stereographicprojectionviewsitfrompoletopole.Orthographicprojection（正射投影）viewstheEarthfromaninfinitepoint,asifviewedfromdeepspace.2）圓錐投影圓錐投影（ConicProjection）–正圓錐面和地球緯線相切，遠離標準緯線，變形越大用于中緯度地區(qū)，保持東西方位的正確投影面和地表兩個點接觸時，叫做割圓錐投影（

secantconicprojections）3）圓柱投影Equatoristypicallythelineoftangency（正圓柱投影是投影面和赤道相切），這時經(jīng)線是等間距，緯線向兩極加密，東西方位得以保持Transverseprojections橫軸圓柱投影，使用經(jīng)線作為投影切線，所以南北方位被保持不變投影面和球面相關(guān)位置分類2、根據(jù)投影變形的分類每種投影都會產(chǎn)生變形，而且這種變形隨位置和方向發(fā)生變化。地圖投影的變形主要體現(xiàn)在：角度變形；面積變形；距離變形；兼而有之。地圖投影在保持某個方面變形較小或者不變形的情況下，在另一個方面必然產(chǎn)生很大變形。地圖投影變形的圖解示例

（摩爾維特投影－等積偽圓柱投影）長度變形角度變形地圖投影變形的圖解示例

（UTM－橫軸等角割圓柱投影UniversalTransverseMercator）面積變形和長度變形按投影變形的投影分類按變形情況，地圖投影又分為：等角投影conformal（保持局部形狀不變）；等積投影equal-area；等距投影equi-distant；真方位true-direction投影。在選擇地圖投影時，應(yīng)根據(jù)項目的要求和區(qū)域大小來選擇合適的地圖投影，以保證感興趣內(nèi)容的精度要求。比如，對有關(guān)土地利用方面的GIS，面積最為重要，選擇面積變形最小的投影。對于以道路為內(nèi)容的GIS，可能要選擇距離變化最小的地圖投影。?ESRI,UnderstandingMapProjections1）等角投影ConformalProjections也稱正形投影（Orthomorphic）。投影后任意點上任意兩條微分線段構(gòu)成的角度不產(chǎn)生變形，保證了地表上任意一個小面積投影前后的形狀保持不變。沿任意方向長度比相等但產(chǎn)生面積變形?ESRI,UnderstandingMapProjections2）等積投影equal-area對微分面積和較大的區(qū)域，都保持投影前后的面積不變，但對形狀變形，距離中心越遠，變形越大；等角和等面積相互抵消，等角以犧牲等面積為代價，等面積以犧牲等角為代價。?ESRI,UnderstandingMapProjections3）等距投影Equidistantprojections沿某個方向（經(jīng)線方向）長度比為1，保持長度不便3、根據(jù)投影探求方法的分類透視——幾何投影：這類投影完全依據(jù)透視的原理，根據(jù)視點（投影中心）、物點（地表的被投影點）與像點（投影平面上的點）之間的幾何關(guān)系來建立投影的方程。如各種透視方位投影、空間透視投影等；幾何——解析投影：這類投影的特點是首先根據(jù)經(jīng)緯線形狀確定投影方程的基本形式，再根據(jù)給定的某種條件推求出特定投影的具體方程。如圓錐投影、圓柱投影、偽圓錐投影等；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。如高斯－克呂格投影等。根據(jù)投影方程特征的分類圖4、根據(jù)投影方程特征的分類四、中國常用的地圖投影高期—克呂格投影Lambert投影Albert投影1、高期—克呂格投影（TransverseMercator）高期—克呂格投影是一種橫軸等角切圓柱投影。從0°經(jīng)線起，由西向東按經(jīng)差6°（3°）分為一個投影帶，將全球分為60（120）個投影帶，每個投影帶的有一條中央經(jīng)線。采用圓柱法，將一橢圓柱橫切于地球橢球體上，使圓柱軸通過地心，并使圓柱和某一帶的中央經(jīng)線相切，將圓柱展開，就得到某個帶的平面圖形。高斯—克呂格投影示意圖1）、高期—克呂格投影特點中央經(jīng)線和地球赤道投影成為直線且正交為投影的對稱軸等角投影，無角度變形，沿任意方向的長度比都相等；中央經(jīng)線上無（長度）變形；同一條緯線上，離中央經(jīng)線越遠，變形越大，等變形線為平行于中央經(jīng)線的直線；同一條經(jīng)線上，緯度越低，變形越大。面積變形大于長度變形，面積變形為長度變形的兩倍；2）、高期—克呂格投影圖幅子午線收斂角各經(jīng)線向中央經(jīng)線收斂。對不在中央經(jīng)線上的各點存在一個和中央經(jīng)線的夾角，稱為該點處的子午線收斂角子午線收斂角隨距離中央經(jīng)線的距離增大而增大；因此，按經(jīng)緯線劃分的圖幅都不與水平線相垂直，投影坐標的正北方向（坐標北）和經(jīng)線方向（真北方向）也不一致。3）、高期—克呂格投影坐標值的確定中央經(jīng)線西側(cè)存在X坐標的負值，為了保證正值，增加一個500km的坐標偏移量經(jīng)緯網(wǎng)（地理坐標網(wǎng)）：方里網(wǎng)：平行于投影坐標軸的兩組平行線，隔千米繪制，用于確定投影坐標。不同投影帶空間數(shù)據(jù)的整合4）高期—克呂格投影的適用性高期—克呂格適合于緯度較高的地區(qū)。對中低緯度變形較大，所以目前許多國家采用與之相近的橫軸墨卡脫(UTM)投影，該投影是一種橫軸等角割圓柱投影，它和高期—克呂格投影同屬一類，不同的是，中央經(jīng)線的長度比小于1（0.9996），即產(chǎn)生一個負變形區(qū)，這樣整個投影的變形就得到很大改善。2、LambertConformalConic我國1:100萬地形圖采用Lambert投影（正軸等角割圓錐投影）。經(jīng)線表現(xiàn)為交于一點的直線束，緯線為同心園圓弧，圓心為直線束的交點。Shape：保持小的形狀不變。Area：在標準緯線上變形最小，在標準緯線之間面積變小，之外面積增加；Distance：沿標準緯線保持不變，在標準緯線之間長度變小，之外長度增加，地球表面上兩點間的最短距離表現(xiàn)為近于直線。對于中國全圖，長度變形可達到4％，面積變形可達到9％。Lambert投影圖示Lambert投影（正軸等角割圓錐投影）。3、

Albert投影我國大部分省區(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Albert投影（正軸等積割圓錐投影）。4、地理信息系統(tǒng)中地圖投影配置的一般原則各國家的地理信息系統(tǒng)所采用的投影系統(tǒng)與該國的基本地圖系列所用的投影系統(tǒng)一致；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；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；各種地理信息系統(tǒng)一般以一種或兩種投影系統(tǒng)為其投影坐標系統(tǒng)，以保證地理定位框架的統(tǒng)一。，一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出，另一種服務(wù)于中小比例尺；系統(tǒng)一般地只考慮至多采用兩種投影系統(tǒng)4）所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標系統(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。我國GIS中常用的地圖投影的規(guī)范我國基本比例尺地形圖（1：100萬、1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1：1萬、1：5000萬）除1：100萬外均采用高斯-克呂格投影為地理基礎(chǔ)；我國1：100萬地形圖采用了LambertConformalConic投影，其分幅原則與國際地理學(xué)會規(guī)定的全球統(tǒng)一使用的國際百萬分之一地圖投影保持一致；我國大部分省區(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；地圖所用投影主要技術(shù)參數(shù)國家基本比例尺地形圖系列1：100萬正軸等角割圓錐投影按國際統(tǒng)一4。×6。分幅，標準緯線：φ1=φs+35’φ

2=φn-35’(φ

s、φn為圖幅南北邊緯

)國家基本比例尺地形圖系列1：5萬~1：50萬高斯-克呂格投影（6。分帶）投影帶號(N)13~23中央經(jīng)線λ0=(N×6-3)。國家基本比例尺地形圖系列1：5000~1：2.5萬高斯-克呂格投影（3。分帶）投影帶號(N)24~46中央經(jīng)線λ0=(N×3)。城市圖系列(1：500~1：5000)城市平面局域投影或城市局部坐標的高斯投影第二節(jié)、制圖綜合(Generalization)

——空間數(shù)據(jù)綜合制圖綜合的定義為何要進行制圖綜合制圖綜合的內(nèi)容一、制圖綜合的定義制圖綜合是指在：地圖主題用途比例尺制圖區(qū)域地理特點等條件下，通過對地圖內(nèi)容的選取、概括和協(xié)調(diào)，建立能反映區(qū)域地理規(guī)律和特點的地圖模型的理論、方法和過程。制圖綜合的實質(zhì)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)域地理現(xiàn)象的空間分布和變化規(guī)律。二、為何要進行制圖綜合在地圖有限的范圍內(nèi)表現(xiàn)繁雜廣闊的客觀世界，解決地圖空間范圍有限性和客觀世界復(fù)雜、廣闊之間的矛盾；突出空間事物分布的規(guī)律性；使地圖清晰易讀。三、制圖綜合的內(nèi)容分類和分級系統(tǒng)的確立抽象：要素的選取(全選/部分選取，按質(zhì)量或數(shù)量特征)符號化圖形概括、化簡合并同質(zhì)合并異質(zhì)合并(重新分類與符號化)圖形轉(zhuǎn)換夸大圖形協(xié)調(diào)(移位)四、制圖要素的選取過程確定選取的分界尺度(質(zhì)量/數(shù)量/圖形尺寸)確定選取定額(地圖的面積載負量)確定選取順序要素的自動選取第三節(jié)、地理信息編碼地理信息編碼的意義地理特征碼地理信息編碼方法編碼的一致性編碼設(shè)置的一般方法一、地理信息編碼的意義定量信息可以被計算機直接識別，而定性信息必須首先“數(shù)字化”才能被計算機接受，地理信息編碼是通過采用一種編碼方法將定性信息用“屬性特征碼”（簡稱特征碼）表示，這樣就可以將定性屬性信息輸入計算機中；地理信息編碼就是用數(shù)字或字符標記空間對象的屬性，這種編碼既是標識空間對象的標志，組織和編排地理數(shù)據(jù)的媒介，又是存儲和檢索的標志，是空間數(shù)據(jù)的重要組成部分。地理特征碼簡稱屬性碼，或特征碼。用來表示空間要素的類別、級別等分類特征或其它質(zhì)量特征的數(shù)字或字符。二、地理信息編碼方法地理屬性編碼法圖形屬性編碼方法1、地理屬性編碼將真實世界地理事物和現(xiàn)象的定性與定量指標進行分類和分級，根據(jù)類別和等級賦予一定代碼的方法稱為地理屬性編碼。2、地理屬性編碼方法樹型分類結(jié)構(gòu)編碼法多維指標結(jié)構(gòu)編碼法A）樹型分類結(jié)構(gòu)編碼法樹型分類結(jié)構(gòu)首先對現(xiàn)象進行分類分級，不同級別之間為從屬關(guān)系或具有層次結(jié)構(gòu)，隨著級別的層次不同，要用數(shù)位代碼來表示一種空間實體屬性。這是一種常見的分類體系與編碼方式。B）維指標結(jié)構(gòu)編碼法對于某種確定的空間現(xiàn)象的每個獨立因子變量用一位代碼表示，即每一位代碼表示一