空间数据基础
交通地理信息系统02_空间数据基础
即欧氏平面
地理实体：分布于地球表面的人文和自然现象的总称 实体必须符合三个条件：
可被识别
重要（与问题有关） 可被描述（有特征）
3．要素模型
嵌入式空间：是指空间对象存在于“空间”之中。空间对象的定义取 决于嵌入式空间的结构。
常用的嵌入式空间类型： 欧式空间（距离、方位） 量度空间（距离） 拓扑空间（拓扑关系） 面向集合的空间（只采用一般的基于集合的关系）
4.地理空间及其表达
2、空间实体的表达（计算机） 矢量表达 在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢 量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把 地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。 栅格表达 在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为 正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小 块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或 网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数
在各向同性与各向异性场中的旅行时间面
强空间正负自相关模式
2. 场模型
栅格数据模型
栅格数据模型是基 于连续铺盖的，它 是用二维铺盖或划 分覆盖整个连续空 间；铺盖可以分为 规则的和不规则的， 后者可当做拓扑多 边形处理
三角形、方格和六角形划分
栅格数据模型
3．要素模型
1. 基本概念
欧氏空间：带坐标的可测量点之间的距离和方向的空间模型 欧氏平面：把空间特性转换成实数的元组特性，而形成的二维模型
点集拓扑学是拓扑描述的数学基础
空间关系数据
主要是指点-点、点-线、点-面、线-线、线-面、面-面之间的相互
NSDI
中国数字地球战略中的国家空间数据基础设施建设【关键字】国家空间数据基础设施(NSDI 中国数字地球数字化测绘国家测绘局 )摘要：本文阐述了中国空间数据基础设施(CNSDI)在中国数字地球发展战略中的地位，介绍了国家测绘局致力于建设CNSDI已采取的措施，提出了发展CNSDI必须考虑解决的几个关键问题。
Construction of the National Spatial Data Infrastructure under China′s DigitalEarth Development StrategyJIN Xiang-wen▲当今世界正进入信息时代，以信息技术为代表的当代新技术革命正使人们以前所未有的能力去获得有关地球和人类社会的巨量信息，并对他们进行有机集成和分析，从而主动面对全球变化的挑战，积极地解决资源、环境、人口、灾害等全球共同关注的问题。
在这个过程中，作为全球信息总资源重要组成部分的“地理空间信息”倍受重视并得到日趋广泛的应用。
同时，如何充分实现信息共享的问题也愈来愈被人们所关注。
相应地，一个新的产业——“地理信息产业”和一个新的基础设施——“空间数据基础设施”(SDI)也在世界各地蓬勃兴起和发展起来了。
一、建设国家空间数据基础设施在中国数字地球发展战略中的地位“数字地球”是信息高速公路和国家空间数据基础设施(NSDI)计划的自然延伸，从其所描述的在智能化网络界面体系和虚拟现实空间下利用巨量地理信息数据对我们所赖以生存的星球作多分辨率和3维数字化整体表达中我们不难看出，“数字地球”是在空间数据基础设施充分发展的前提下实现的。
空间数据基础设施(SDI)是“数字地球”的核心和基础，是发展“数字地球”不可逾越的重要阶段。
中国数字地球战略的首要任务是建设中国的国家空间数据基础设施(CNSDI)。
国家测绘局致力建设的CNSDI由以下几个主要部分组成：一是机构体系，包括领导并组织实施国家空间数据基础设施建设的权威领导机构，从事数据获取和加工的数字化测绘生产基地，专门从事空间数据维护更新和提供服务的单位等；二是基础数据集，包括空间定位控制数据、地形框架数据、航空航天遥感影像数据、土地覆盖数据、地籍测绘数据以及其他与空间位置相关的基本自然人文数据，这是CNSDI建设的框架和核心；三是法规和标准，包括有关信息共享机制的法规和政策、地理信息技术标准等；四是数据交换网络，包括作为网络结点的基础地理信息系统(含软、硬件，空间数据库系统)，由国家测绘局、地方测绘局和中央及地方其他机构组成的四边形数字化空间数据通讯网络。
空间数据基础设施
国家空间数据基础设施
国家空间数据基础设施是指对地理空间数据有 效地采集、管理、访问、维护、分发利用所必 需的政策、技术、标准，基础数据集和人力资 源的总称 国家空间数据基础设施的含义是在国家层次上 统筹规划和协调地理信息化工作，按照统一的 数据标准和信息技术标准，生产和整合多种空 间分辨率的地理空间数据，将纵横分布的众多 空间数据库连接起来，形成一种类似于公路和 铁路那样的基础设施，使全社会能充分地利用 和共享地理空间数据。
江泽民于1996 年为国家测绘局题词“加强 测绘工作,发展地理信息产业”,《中国21 世 纪议程》明确指出“大力发展信息产业,特 别是加快建设国家基础地理信息系统”。 《中华人民共和国国民经济和社会发展 “九五”计划和2010年远景目标》也明确 要求加快国民经济信息化进程,并要“加强 测绘工作,搞好基础地理信息系统建设”。 按照国家的要求,国家测绘局在“九五”事 业发展规划中已把NSDI 放在优先建设的位 置。
1:25万
全国1:25万地形数据库共分水系、居民地、铁路、公 路、境界、地形、其他要素、辅助要素、坐标网以及 数据质量等十四个数据层。该数据库按地理坐标和高 斯-克吕格投影两种坐标系统分别存储。 全国1:25万地名数据库是一个空间定位型的关系数据 库，其主要内容是1:25万地形图上各类地名信息及与 其相关的信息，如汉语拼音、行政区划、坐标、高程 和图幅信息等。该数据库设计了地名信息、行政区划 信息、图幅信息、图幅与政区关系、地名类别对照、 行政区划与政区代码对照六个表。前四个表为基本信 息表，后两个表为辅助信息表。
空间数据基础设施建设的意义
我国信息化已经进入了全方位、高效益和 深层次的发展阶段,对中国经济和社会发展 的影响越来越深刻。 NSDI建设是国家信息化建设的重要组成部 分,是当今世界发展的趋势。高新技术为空 间数据获取、使用、发布、整合并产生新 的增值产品和服务创造了前所未有的机会 和条件。
智慧城市CIM空间数字基础设施方案
。
03
CATALOGUE
CIM空间数字基础设施的建设方案
建设目标与原则
建设目标
构建智慧城市CIM空间数字基础设施 ，实现城市空间信息的全面感知、高 效处理和智能应用。
建设原则
遵循“创新、协调、绿色、开放、共 享”的发展理念，以数据驱动、平台 支撑、应用牵引为原则，推动智慧城 市建设。
建设内容与重点
该智慧交通项目基于CIM空间数字基础设施，实现了对全 市交通状况的实时监测和智能调度，有效缓解了交通拥堵 情况，提高了交通运行效率。
案例三：某市智慧园林项目
总结词
精细化养护、提升园林品质
详细描述
该智慧园林项目利用CIM空间数字基础设施，实现了对 园林植物的精细化养护和管理，有效提升了园林的品质 和景观效果。
01
CATALOGUE
智慧城市CIM空间数字基础设施概述
定义与特点
• 定义：CIM空间数字基础设施（City Information Modeling Spatial Digital Infrastructure）是指以三维地理信息为基础， 集成了城市各种空间数据、信息及知识，为城市规划、建设、 管理、运营等提供全面、客观、精准的城市空间信息服务的数 字化基础设施。
建设步骤与计划
01
建设计划
02
1. 第一阶段：制定建设规划，明确建设目标和任务，组织资源
，实施数据采集和处理工作；
2. 第二阶段：进行数据处理和分析平台的建设，实现城市空间
03
信息的智能化处理与应用；
建设步骤与计划
3. 第三阶段
完善城市空间信息应用服务体系，提升城市治理和服务水平；
4. 第四阶段
06
CATALOGUE
GIS_3_地理空间与空间数据基础
任意水准面 HA
大地水准面
H´B HB
铅垂线
11
黄海海面
1952-1979年平 均海水面为0米
水准原点 1985国家高
程基准， 72.2604米
12
地理参考系统
Z 笛卡尔坐标
.M
Z X
X
Y
Z
.M
d
q 纬度
a 经度
X
极坐标
Y Y
13
地理空间的距离度量
➢ 距离度量的两种方式
✓ 沿真实的地球表面进行距离量度 ✓ 沿旋转椭球体表面进行距离量度（大圆弧长）
➢特征
✓ 定位明显，属性隐含
✓ 形象直观（点：如独立树、水准点；线：如铁路、 河流；面：如土地类型）
✓ 特别适合于模拟离散（非连续变化）的空间数据
✓ 其模拟空间数据的精度较高，但其精度与坐标点的
数量、质量有直接关系
52
形象直观
定位明显 属性隐含
53
适于模拟 离散数据
54
数据精度 与点的数 量与质量
➢ 旋转椭球体有多种：不同测定者、不同计算年代、
不同测定方法、不同测定地区，对椭球体的描述方法 不同
➢ 我国不同时期采用的椭球体：
✓ 1953年以前：海福特椭球体 ✓ 1953年—1978年：克拉索夫斯基（Krasovsky） ✓ 1978年以后：1975国际椭球体
7
地理空间坐标系的建立
➢ 地理坐标（球面坐标）
技术 数字模拟 投影变换
矢量格式 严密 小 高
复杂、高效 不一致
抽象、昂贵 不易实现 容易实现 不容易
复杂、高费用 不方便 快
栅格格式 简单 大 低
简单、低效 一致
第二章 地球空间与空间数据基础
遥感图像及地图表示
五、地理信息的数字化表述
地理信息的数字化表述，就是使计算机能够识别 地理事物的形状。
Open GIS对地理空间的认识模型
九个抽象层次
尺度世界 （尺度语言）
项目世界 （project）
地理点列世界 （坐标几何）
地理空间世界 （GIS语言）
地理几何 特征世界
概念世界
现实世界
（自然语言） （基本语言）
地理要素 集合世界
地理要素 世界
GIS的三个抽象层次
现实世界 地理实体或者现象
概念世界
2
4
12 24
48
96 192
1
4
16 144 576 2304 9216 36864
1
4
36 144 576 2304 9216
第二节 地理空间坐标系与地图投影
地理空间坐标系的主要目的，是确定空间 实体在地理空间中的位置，最直接的方法是用 地理坐标（经度、纬度）和高程来表示。
地理坐标系——球面坐标系
地图投影
平面直角坐标系 （笛卡尔平面直角坐标系、欧几里德空间系）
一、在椭球面上表示点位置的坐标系统
（一）大地坐标系
大地坐标系是大地测 量中以参考椭球面为 基准面的坐标系。
根据不同的应用，域可以表示二维和三维地理 空间。
三、地图对地理空间的描述
地图上各种内容要素之间的关系，是按照 地图投影建立的数学规则，使地面上各点和地 图平面上的相应点保持一定的函数关系，从而 在地图上准确地表达地表空间各要素的关系和
空间分析中数据基础
7.3 空间量算
1、几何量算 、
（1）长度 长度 （2）面积 2 面积
2、形状量算 、 3、质心量算 、 4、距离量算 、
几何量算对不同的点、线、面地物有不同的含义： 点状地物（0维）：坐标； 线状地物（1维）：长度，曲率，方向； 面状地物（2维）：面积，周长，形状，曲率 2 等； 体状地物（3维）：体积，表面积等。 一般的GIS软件都具有对点、线、面状地物的几 何量算功能，或者是针对矢量数据结构，或者是 针对栅格数据结构的空间数据。
多边形叠加分析
多边形的不同叠加方式
5、栅格图层叠加 、
栅格数据结构空间信息隐含属性信息明显的特 点，可以看作是最典型的数据层面，通过数学 关系建立不同数据层面之间的联系是GIS提供 的典型功能。空间模拟尤其需要通过各种各样 的方程将不同数据层面进行叠加运算，以揭示 某种空间现象或空间过程。例如土壤侵蚀强度 与土壤可蚀性，坡度，降雨侵蚀力等因素有关， 可以根据多年统计的经验方程，把土壤可蚀性、 坡度、降雨侵蚀力作为数据层面输入，通过数 学运算得到土壤侵蚀强度分布图。
空间分析
7.1 空间分析
定义: 是对分析空间数据有关技术的总称, 定义 是对分析空间数据有关技术的总称 其基础是空间数据库,它运用的手段包括 其基础是空间数据库 它运用的手段包括 各种几何的逻辑运算,数理统计分析 数理统计分析,代数 各种几何的逻辑运算 数理统计分析 代数 运算等数学手段. 运算等数学手段 1、基于空间图形的分析运算 、 2、基于非空间属性的运算 、 3、空间和非空间数据的联合运算 、
（广州自来水公司） 广州自来水公司）
公司资讯 产品介绍 解决方案
4 路径分析
1) 最短路径 A 距离最短 B 时间最短 2) 最佳路径
空间数学基础与数据格式正确性
部将对提交的规划数据库进行数据完整性、空间数学基础与数据格式正确性、标准符合性、空间拓扑、图数一致性等方面的质量检查，未通过检查的需修改完善后重新报送。
部将发布《市、县、乡（镇）土地利用总体规划数据质量检查细则》，并根据该细则要求开发规划数据库质量检查软件。
各地应利用部统一下发的数据库质量检查软件对拟提交的规划数据库成果进行自检，并保留检查软件自动生成的检查结果记录。
附件：土地利用总体规划数据库成果汇交要求根据市（地）级、县级、乡（镇）土地利用总体规划数据库标准（TD/T1026～1028，以下简称《标准》），结合当前市（地）级、县级、乡（镇）土地利用总体规划数据库建设的实际情况，对各地提交到部的土地利用规划数据库（以下简称规划数据库）成果提出以下要求：一、数据内容和数据格式报部审查或备案的各级规划数据库材料应包括纸质报送公文1份、电子成果数据2份、加盖省级国土资源主管部门公章的纸质资料清单1份。
电子成果数据内容包括数据库成果和数据库说明文档。
其中数据库成果内容按照相适用的规划数据库标准的规定内容报送，包括空间要素、非空间要素和元数据等，具体参见《标准》中的数据库要素与代码表和相关数据库结构定义。
数据库说明文档包括数据库有关情况说明、栅格图-图层对照说明、规划数据库成果报送资料清单、规划数据库质量检查结果记录等文档。
（一）数据库空间要素空间要素包括原始建库格式的矢量数据、标准交换格式的矢量数据和规划栅格图数据。
原始建库格式的矢量数据，各层一般按照“县级以上行政区划代码+图层名称.扩展名”的规则命名，中心城区按照“县级以上行政区划代码+downtown+图层名称.扩展名”的规则命名。
标准交换格式的矢量数据采用VCT格式或Shapefile格式（包括主文件*.shp、索引文件*.shx和dBASE表文件*.dbf）。
VCT格式文件名称一般按照《标准》规定的命名规则命名，中心城区规划的文件名称将命名规则中乡级行政区划代码改为“downtown”。
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3、面状实体（多边形）
§3-1空间实体及其描述
是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。 在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。 面状实体的如下特征：
1）面积范围
2）周长
3）独立性或与其它地物相邻 如中国及其周边国家 4）内岛屿或锯齿状外形： 如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。 5）重叠性与非重叠性： 如学校的分区，菜市场的服务范围等 都有可能出现交叉重叠现象，而一个城 市的各个城区一般说来不会出现重叠。
分离：计算距离。
学校
菜场
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四、实体间空间关系
（一）空间关系类型
1、 拓扑空间关系：
§3-1空间实体及其描述
北
a
b
2、 顺序空间关系： （方向空间关系） 用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系， 算法复杂，至今没有很好的解决方法。 3、 度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。 1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。 a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径 的地形起伏有关，复杂,引入第二种。 b、沿地球旋转椭球体的距离量算。 2） 距离类别： 欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度 差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。
（二）空间特征类型
2、线状实体 （三）实体类型组合 3、面状实体 4、体状实体
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§3-1空间实体及其描述
1、点状实体
点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。 1）实体点：用来代表一个实体。 2）注记点：用于定位注记。 3）内点：用于负载多边形的属性， 存在于多边形内。
4）角点、节点Vertex：
表示线段和弧段上的连接点。
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§3-1空间实体及其描述 2、线状实体
具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性： 1）实体长度： 从起点到终点的总长 2）弯曲度： 用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。 3）方向性： 如：水流方向，上游—下游， 公路，单、双向之分。 线状实体包括： 线段，边界、链、弧段、网络等。
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4、体、立体状实体
§3-1空间实体及其描述
立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等 属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征： · 体积，如工程开控和填充的土方量。
· 每个二维平面的面积。
· 周长。 · 内岛。 · 含有弧立块或相邻块。
· 断面图与剖面图。
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（三）实体类型组合
图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉
定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街 道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房 屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括， 复杂，相对的概念。
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§3-1空间实体及其描述
（二）拓扑关系
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§3-1空间实体及其描述
（二）拓扑关系
1、定义 1、定义：
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。 拓扑变换 将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。 非拓扑属性（几何） 两点间距离 一点指向另一点的方向 弧段长度、区域周长、 面积 等 拓扑属性（没发生变化的属性） 一个点在一条弧段的端点 一条弧是一简单弧段（自身不相交） 一个点在一个区域的边界上 （橡皮变换）
一、矢、栅比较 二、矢栅一体化概念 三、三个约定和细分 格网法 四、一体化结构设计
§2-4 矢栅一体 化数据结构
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§3-1空间实体及其描述
一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象
1、定义： 指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概
括性，复杂性，相对意义的概念。
2、理解： 地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地
2、空间数据基本特征
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3、空间数据类型
1）依据数据来源 的不同分为： 地图数据 地形数据
2）依据表示对象的不同分为：
属性数据
元数据 影象数据
3、空间数据类型（续）
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§3-1空间实体及其描述 三、实体的空间特征
在地图上实体维数的表示可以改变 点---面 线 （单线河）---面（双线河），通过地图综合。 （一）空间维数：有0，1，2，3 维之分，点、线、面、体。 1、点状实体
§3-1空间实体及其描述
现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根 据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简 单实体组合表达。 点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：
如：线—面
面--面
可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。空间关系是GIS 数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询， 空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL 空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。
返回
§3-1空间实体及其描述
线—面
Hale Waihona Puke 1 、区域包含线：计算区域内线 的密度，某省的水系分布情况。 2 、线通过区域：公路上否通过 某县。 3 、线环绕区域：区域边界，搜 索左右区域名称，中国与哪些国 家接壤。 4、线与区域分离：距离。
返回
§3-1空间实体及其描述
面 —面
1、 包含：岛,某省的湖泊分布。 2、 相合：重叠，学校服务范围与 菜场服务范围重叠区。 3、 相交：划分子区。 4、 相邻：计算相邻边界性质和长 度，公共连接边界。
识别码（名称） 实体的角色、功 能、行为、实体 的衍生信息
属性特征—名称、 等级、类别等 属性数据—各种 属性特征和时间 时间特征
RDBMS属性表---采用MIS较成熟
时间
测量方法、编码 方法、空间参考 系等
元数据
空间元数据
同物理、化学等学科使用的数据类型相比，空间数据是一种较复杂的数据类型，涉 返回 及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述
二、地理实体的描述——空间数据
1、描述的内容 2、基本特征
以什么形式存储和处理
反映了实体的三个特征
3、数据类型
几何数据（空间 数据、图形数据） 关系数据—实体 间的邻接、关联 包含等相互关系
4、数据结构
矢量、栅格、 TIN（专用于地 表或特殊造型）
位置、形状、尺 寸 、
空间特征：地理 位置和空间关系