GIS課件—02空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ).ppt

1、1,第2章 地理空間與空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ),地理空間 空間數(shù)據(jù)模型 空間數(shù)據(jù)組織與編碼 空間質(zhì)量 空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù) 思考題 實(shí)驗(yàn),2,2.1.1 地理空間,從不同的角度看“空間（Space）” 物理學(xué)：三維的外延 天文學(xué)：時空連續(xù)體系的一部分 地理學(xué)：物質(zhì)、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)。 地理空間的范圍：上至大氣電離層，下至地幔莫霍面（即常說的地理圈層）？ 絕對地理空間：常用經(jīng)緯度、平面直角坐標(biāo)表示 相對地理空間：依賴于與其他實(shí)體之間的空間關(guān)系,2.1 空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ),3,2.1.2 地理空間的數(shù)學(xué)建構(gòu),地球的自然表面：復(fù)雜、難于表達(dá) 物理表面：大地水準(zhǔn)面（

2、重力等位面，由于地球內(nèi)部質(zhì)量不均而起伏不平） 數(shù)學(xué)表面： 橢球體模型 數(shù)學(xué)模型,4,地球模型,地球表面,5,三軸橢球體,6,旋轉(zhuǎn)橢球體,7,橢球體的三要素： 長半徑（赤道半徑）a 短半徑（極半徑）c 扁率f=(a-c)/a 旋轉(zhuǎn)橢球體有多種：不同測定者、不同計算年代、不同測定方法、不同測定地區(qū)，對橢球體的描述方法不同 我國不同時期采用的橢球體： 1953年以前：海福特橢球體 1953年1978年：克拉索夫斯基（Krasovsky） 1978年以后：1975國際橢球體,旋轉(zhuǎn)橢球體,8,地理坐標(biāo)（球面坐標(biāo)） 緯度、經(jīng)度 國家大地坐標(biāo)系（1954年北京坐標(biāo)系、1980年西安坐標(biāo)系、2000國家大地坐

3、標(biāo)系） 平面直角坐標(biāo) 地圖投影（球面到平面的轉(zhuǎn)換；變形的必然存在；長度、角度、距離三種變形） 高斯-克呂格投影（3度分帶與6度分帶） 國家統(tǒng)一坐標(biāo)（各帶中央經(jīng)線西移500km為縱軸，赤道為橫軸） 高程系 相對高程 絕對高程 高程系（1956年黃海高程系、1985國家高程基準(zhǔn)）,2.1.3地理空間坐標(biāo)系的建立,9,地理坐標(biāo)示意圖,10,平面直角坐標(biāo),11,高斯克呂格投影,高斯克呂格投影6度和3度分帶,12,國家統(tǒng)一坐標(biāo),13,地理參考系統(tǒng),.,M,X,Y,Z,Z,X,Y,.,M,Z,X,d,q,笛卡爾坐標(biāo),極坐標(biāo),a,經(jīng)度,緯度,Y,14,坐標(biāo)系統(tǒng)高程系統(tǒng),任意水準(zhǔn)面,大地水準(zhǔn)面,HA,HA,鉛

4、垂線,A,HB,HB,hAB,15,青島驗(yàn)潮站示意圖,16,距離度量的兩種方式 沿真實(shí)的地球表面進(jìn)行距離量度 沿旋轉(zhuǎn)橢球體表面進(jìn)行距離量度（大圓弧長） 歐氏距離 笛卡爾坐標(biāo)系中的兩點(diǎn)距離公式 曼哈頓距離（出租車距離） 兩點(diǎn)在南北方向上的距離加上在東西方向上的距離 時間距離 采用時間（從一點(diǎn)到達(dá)另一點(diǎn)所需要的時間）度量 詞典距離 在詞典或其它文本中的距離,2.1.4 地理空間的距離度量,17,地球旋轉(zhuǎn)橢球體上不同的距離度量方法,18,2.1.5地理空間的拓?fù)潢P(guān)系,拓?fù)洌═opology）： 原意為“形狀的研究”。 幾何學(xué)的一個分支學(xué)科 它研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持不變的幾何屬性，即拓?fù)鋵傩?拓?fù)渥?/p>

5、換：對歐氏平面上的空間進(jìn)行拉伸、壓縮等（不能扭曲或折疊）例如：橡皮 拓?fù)鋵傩裕和負(fù)渥儞Q后不變的屬性 一個點(diǎn)在一個弧段的端點(diǎn)、區(qū)域邊界上、區(qū)域內(nèi)部、區(qū)域外部、環(huán)的內(nèi)部等 一個弧段是一個簡單的弧段、一個面是一個簡單的面、一個面的連接性 非拓?fù)鋵傩裕和負(fù)渥儞Q后改變的屬性 兩點(diǎn)之間的距離、一個點(diǎn)至另一個點(diǎn)的方向 弧段的長度、區(qū)域的周長、區(qū)域的面積,19,歐式平面上的拓?fù)渑c非拓?fù)鋵傩?20,三個非常重要的拓?fù)涓拍?連接性,21,多邊形區(qū)域定義,22,鄰接性,23,拓?fù)潢P(guān)系的意義,拓?fù)潢P(guān)系對GIS的數(shù)據(jù)處理和空間分析，具有重要的意義 通過它，不需要利用坐標(biāo)與距離，即可確定地理實(shí)體之間的空間位置關(guān)系。 有利

6、于空間位置的查詢。 可以利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)作為工具，重建地理實(shí)體。 便于檢查數(shù)據(jù)的錯誤 便于空間數(shù)據(jù)的編輯 便于屬性數(shù)據(jù)的輸入 便于空間分析功能的實(shí)現(xiàn)。,24,矢量（Vector）：通過記錄空間坐標(biāo)對的方式，以點(diǎn)、線、面等形式來描述空間目標(biāo)對象 柵格（Raster）：用規(guī)則排列的像元陣列來描述空間目標(biāo)對象 TIN：三角形不規(guī)則網(wǎng)（Triangulated Irregular Network）。采用不規(guī)則的三角形來描述空間對象 柵格和矢量結(jié)構(gòu)是計算機(jī)描述空間實(shí)體的兩種最基本的方式。,三種常用的空間數(shù)據(jù)模型,2.2 空間數(shù)據(jù)模型,25,2.2.1 矢量數(shù)據(jù)模型,矢量 0維：點(diǎn)，無大小、文向；用一個坐標(biāo)對

7、表示，在二維空間用（x,y）表示，三維空間中用（x,y,z）表示； 一維：線、弧段、鏈等，有方向（有起點(diǎn)，有終點(diǎn)）、有長度；用多個坐村對表示（x1,y1,z1）、 （x2,y2,z2）、 （x3,y3,z3）、 （x4,y4,z4） 二維：面，以多邊形表示 三維：空間實(shí)體,26,矢量數(shù)據(jù)模型的表達(dá) 零維矢量 一維矢量 二維矢量 三維矢量,27,矢量數(shù)據(jù)模型的特征 定位明顯、屬性隱含 形象直觀 特別適合于模擬離散（非連續(xù)變化）的空間數(shù)據(jù) 精度高 矢量數(shù)據(jù)的獲取 利用各種定位儀器設(shè)備獲取 以硬拷貝數(shù)據(jù)方式獲取 通過間接轉(zhuǎn)換的方式獲取,28,定位明顯屬性隱含,形象直觀,29,適于模擬離散數(shù)據(jù),30,

8、數(shù)據(jù)精度與點(diǎn)的數(shù)量與質(zhì)量有關(guān),31,2.2.2 柵格數(shù)據(jù)模型,柵格數(shù)據(jù)模型的概念 是一種用規(guī)則排列的像元陣列來描述空間目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)模型，它主要用來描述空間實(shí)體的級別分布特征及其位置。 柵格數(shù)據(jù)模型的表達(dá),32,柵格,33,柵格,34,柵格數(shù)據(jù)模型的特征 屬性明顯，定位隱含 在柵格結(jié)構(gòu)中，其精度與分辨率有關(guān) 柵格數(shù)據(jù)的分辨率對數(shù)據(jù)精度的其他影響 位置的移動 形狀的畸變 屬性的偏差,35,位置移動,形狀的畸變,屬性偏差,36,分辨率總結(jié),隨著分辨率的提高，數(shù)據(jù)的信息損失越小。 隨著分辨率的提高，對存貯空間的要求將成幾何級數(shù)增加。 隨著分辨率的提高，數(shù)據(jù)處理的時間要求也越長。 分辨率選擇的原則：在

9、考慮數(shù)據(jù)精度要求的同時，還必須考慮數(shù)據(jù)存貯空間與處理時間的開銷（在精度與存貯空間和處理時間之間權(quán)衡）。,37,柵格數(shù)據(jù)的獲取 通過遙感影像數(shù)據(jù)獲取 規(guī)則點(diǎn)采樣、不規(guī)則點(diǎn)采樣及插值 通過掃描儀、攝像機(jī)等設(shè)備獲取 通過矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換獲取,38,柵格數(shù)據(jù)的獲取遙感影像,39,柵格數(shù)據(jù)的獲取規(guī)則點(diǎn)采樣,40,柵格數(shù)據(jù)的獲取不規(guī)則采樣點(diǎn)及插值,41,柵格數(shù)據(jù)的獲取利用掃描儀、攝像機(jī)獲取,42,柵格數(shù)據(jù)的獲取間接轉(zhuǎn)換方式,43,柵格單元屬性的決定方式 主要類型法 中心點(diǎn)法,44,重要性法 ABC 長度占優(yōu)法,45,比例分成法,46,地圖的矢量和柵格表示,47,矢量數(shù)據(jù)模型與柵格數(shù)據(jù)模型的比較,48,2.2

10、.3 不規(guī)則三角網(wǎng)模型,不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN）模型采用一系列相連接的三角形擬合地表或其他不規(guī)則表面，常用來構(gòu)造數(shù)字地面模型（DTM）以及數(shù)字高程模型（DEM）。,TIN的生成方法,49,等高線與高程點(diǎn)生成的不規(guī)則三角模型,50,2.3.1 空間數(shù)據(jù)組織,空間數(shù)據(jù)組織 依據(jù)地理實(shí)體之間的不同特征、相似特征、不同地理實(shí)體的組合特征特征進(jìn)行分類，運(yùn)用標(biāo)志符建立空間數(shù)據(jù) （空間特征和屬性特征）之間的聯(lián)系的過程和方法。 不同特征：如公路與鐵路因建造方式不同可視為不同類型 相似特征 ：如公路與鐵路因都具有運(yùn)輸能力可將其視為一類 組合特征：如機(jī)場

11、跑道、停機(jī)坪、候機(jī)樓等組合成機(jī)場,2.3.1 空間數(shù)據(jù)組織與編碼,51,空間數(shù)據(jù)的組織案例道路分類,道路類型 1：高速公路 2：主干道路 3：居民街道 物質(zhì)組成 1：水泥 2：柏油 3：碎石 道路寬度 小巷數(shù)量 道路名稱,52,空間數(shù)據(jù)的組織標(biāo)識符,標(biāo)識符（Identifier） 用于標(biāo)識空間要素的唯一代碼 作用 1：保證空間要素在數(shù)據(jù)庫中的唯一性 2：保證空間特征屬性與屬性特征數(shù)據(jù)的一一對應(yīng)關(guān)系 3：便于對數(shù)據(jù)的查找、關(guān)聯(lián)與分析,53,標(biāo)識符對空間特征與屬性特征的聯(lián)系,54,2.3.2 空間數(shù)據(jù)編碼,概念 根據(jù)地理要素在數(shù)據(jù)分類分級中的隸屬關(guān)系和屬性性質(zhì)，將其進(jìn)行數(shù)據(jù)化的一種方法。 編碼 主

12、碼：實(shí)體元素的類別 子碼：實(shí)體元素的標(biāo)識（標(biāo)識碼）、實(shí)體元素的描述（描述碼）,55,空間數(shù)據(jù)編碼實(shí)例道路,例：1160083123,56,空間數(shù)據(jù)編碼實(shí)例土地利用規(guī)劃圖的編碼,57,土地利用數(shù)據(jù)庫要素分類與編碼方案,土地利用數(shù)據(jù)庫部分要素代碼與名稱,58,空間數(shù)據(jù)編碼實(shí)例100萬分之一地貌編碼,59,空間數(shù)據(jù)編碼實(shí)例100萬分之一地貌編碼,60,2.4.1 空間數(shù)據(jù)質(zhì)量的概念和內(nèi)容,與數(shù)據(jù)質(zhì)量相關(guān)的幾個概念,2.4 空間數(shù)據(jù)質(zhì)量,61,空間數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)和內(nèi)容,62,空間數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的來源,63,64,邏輯誤差示意圖,65,2.4.4 空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,傳統(tǒng)手工方法 地圖符號化方法,地圖符號

13、化質(zhì)量控制方法示意圖,66,元數(shù)據(jù)跟蹤方法 空間分析方法 地理相關(guān)法,地理相關(guān)質(zhì)量控制方法示意圖,67,2.5.1 元數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),元數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù) 元數(shù)據(jù)概念 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)概念 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn),空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的幾個現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),2.5 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù),68,2.5.2 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的作用,查詢空間信息 組織和管理空間信息，并挖掘空間信息資源 組織和維護(hù)一個機(jī)構(gòu)對數(shù)據(jù)的投資 提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的信息 建立數(shù)據(jù)目錄和數(shù)據(jù)交換中心，實(shí)現(xiàn)信息共享,69,2.5.3 ArcGIS的元數(shù)據(jù),元數(shù)據(jù)樣式表,70,元數(shù)據(jù)的管理與編輯 元數(shù)據(jù)的輸入輸出,FGDC編輯器,FGDC編輯器,71,空

14、間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)的應(yīng)用,72,復(fù)習(xí)思考題,1、談?wù)勀銓Α翱臻g”的理解。 2、我國的大地坐標(biāo)系是如何定義的？ 3、矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)各有何特點(diǎn)？試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)？ 4、什么是拓?fù)?？它有什么重要意義？ 5、試舉例說明常用的數(shù)據(jù)編碼方法。 6、什么是空間數(shù)據(jù)質(zhì)量？空間數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)主要有哪些？ 7、怎樣理解“空間數(shù)據(jù)質(zhì)量問題不可避免以及空間數(shù)據(jù)質(zhì)量是可以控制的”這一判斷？ 8、常見的空間數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法有哪些？ 9、什么是空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)？其主要內(nèi)容是什么？空間數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)有何作用？,73,實(shí)習(xí)二 空間數(shù)據(jù)的表達(dá),目的：初步熟悉空間數(shù)據(jù)的矢量和柵格表達(dá) 矢量（點(diǎn)、線、面） 柵格 實(shí)習(xí)要求： 在ArcGI

15、S中，分別將point1、polyline1 、 polygon1按分辨率2、4、8、16、32、64轉(zhuǎn)換成柵格文件； 分別將以上生成的柵格文件按缺損值轉(zhuǎn)換成點(diǎn)、線、多邊形的矢量文件； 將新生成的矢量文件與分別與point1、polyline1 、 polygon1進(jìn)行比較，分析它們之間的差異，并總其規(guī)律，寫一簡要報告。,74,實(shí)習(xí)三 ArcGIS基本操作與數(shù)據(jù)表示,ArcGIS的數(shù)據(jù)文件 矢量：shapefile、coverage 柵格：grid、tif、jpg Geodatabase ArcGIS中的數(shù)據(jù)瀏覽 空間數(shù)據(jù)瀏覽 屬性數(shù)據(jù)瀏覽,75,實(shí)習(xí)四 柵格像元的不同編碼方法及誤差比較,實(shí)驗(yàn)

16、目的： 了解主要類型法、像元中心法等柵格像元編碼方法及其誤差特征。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 以ArcGIS為基礎(chǔ)，對土地利用數(shù)據(jù)ld502323進(jìn)行兩種不同的柵格編碼，并比較其在同種編碼方法不同分辨率下、以及同種分辨率不同編碼方法下各類土地的面積誤差。 實(shí)驗(yàn)原理： 矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)時，柵格像元需要進(jìn)行編碼。常用的編碼方法包括主要類型法和像元中心法。 實(shí)驗(yàn)方法： 采用不同的分辨率，根據(jù)不同的編碼方法，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并比較各類數(shù)據(jù)中各種土地的面積，分析誤差特征。,76,實(shí)習(xí)五 ArcGIS中空間數(shù)據(jù)的顯示,實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解ArcMap中空間數(shù)據(jù)的顯示方法。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 在ArcMap環(huán)境

17、下，充分運(yùn)用各種工具及方法實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的不同顯示。 實(shí)驗(yàn)原理： 在ArcMap內(nèi)容表中，通過圖層、圖層組、數(shù)據(jù)框等來組織地圖，在顯示區(qū)中提供兩種地圖視圖方式，即數(shù)據(jù)視圖和版面視圖。圖層中的要素可以采用不同的符號來顯示；通過控制圖層的比例尺范圍，可以使地圖在不同比例尺時都能夠做到主次清晰。 實(shí)驗(yàn)方法： 認(rèn)識ArcMap界面中各功能區(qū)的不同作用；對圖層、圖層組、數(shù)據(jù)框進(jìn)行相關(guān)的操作以理解地圖的組織形式和空間數(shù)據(jù)的顯示方法；對圖層進(jìn)行符號化和比例尺設(shè)置，以控制空間數(shù)據(jù)的顯示。,77,實(shí)習(xí)六 ArcGIS中空間數(shù)據(jù)的操作,實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?了解ArcCatalog中空間數(shù)據(jù)的基本操作。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 在ArcGIS的ArcCatalog環(huán)境下，了解ArcGIS支持的不同格式數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，并掌握不同類型數(shù)據(jù)的操作，熟悉建立目錄連接和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接。 實(shí)驗(yàn)原理： ArcGIS支持多種不同格式的空間數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)需要將這些數(shù)據(jù)與目錄和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行連接；ArcCatalog主要用來瀏覽、組織、分發(fā)、記錄各種數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)方法： 在ArcGIS的ArcCatalog環(huán)境下對不同格式數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列操作。,78,實(shí)驗(yàn)七 元數(shù)據(jù)的瀏覽與