第三讲 地理空间数据的组成与特征(第一节)
地理信息系统概论-第三章
2024/7/17
22
高斯-克吕格投影的特点：
① 中央经线上没有任何变形，满足中央经线投影后保持长度 不变的条件；
② 除中央经线上的长度比为1外，其他任何点上长度比均大 于1；
③ 在同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大，最大值位 于投影带的边缘；
④ 在同一条经线上，纬度越低，变形越大，变形最大值位于 赤道上。
局部比例尺： 由于投影中必定存在某种变形，地图仅能在某些点或线上保 持比例尺，其余位置的比例尺都与主比例尺不相同，即大于 或小于主比例尺。这个比例尺被称为局部比例尺。
一般地图上注明的比例尺是主比例尺，而对用于测量长度的
地图要采用一定的方式设法表示出该图的局部比例尺。这就
是在大区域小比例尺地图（小于1:1 000 000）上常见的图解
地形图上公里网横坐标前2位就是带号， 例如：1∶5万地形图上的坐标为（18576000， 293300），其中18即为带号。
2024/7/17
24
当地中央经线经度的计算
六度带中央经线经度的计算： 当地中央经线经度＝6°×当地带号－3°， 例如：地形图上的横坐标为18576000，其所处的六度带的中 央经线经度为：6°×18－3°＝105°。
2、建立地图投影的目的： 采用某种数学法则，使空间信息在地球表面上的位置和地 图平面位置一一对应起来，以满足地图制图的要求。
2024/7/17
9
理解地图投影如何改变空间属性的一种简便方法：
观察光穿过地球投射到表面（称为投影曲面）上。 想像一下，地球表面是透明的，其上绘有经纬网。用一 张纸包裹地球。位于地心处的光会将经纬网投影到一张纸上 。现在，可以展开这张纸并将其铺平。纸张上的经纬网形状 与地球上的形状不同。 地图投影使经纬网发生了变形。
地理空间数据及其特征
地理空间数据及其特征
首先，地理空间数据的几何特征描述了地球表面的形状和位置。
例如，地理空间数据可以使用点、线、面等几何对象来表示不同的地理特征。
点
表示一个具体的地理位置，线表示连接两个或多个地理位置的路径，面表
示一个区域范围。
其次，地理空间数据的拓扑关系描述了地理特征之间的邻近关系和连
接关系。
例如，道路网络数据可以描述道路之间的连接关系，河流网络数
据可以描述河流之间的流向和汇合关系。
通过分析地理空间数据的拓扑关系，可以揭示地理空间系统的复杂性和互动性。
最后，地理空间数据的属性特征描述了地理特征的属性信息。
例如，
人口数据可以描述一个地理位置的人口数量、年龄结构、性别比例等，土
地利用数据可以描述一个地理区域的土地用途类型、覆盖范围等。
属性特
征可以帮助我们了解地理特征的性质和特点，并进行进一步的分析和决策。
地理空间数据的特征对于各领域的研究和应用具有重要意义。
在城市
规划中，地理空间数据可以用来分析城市的布局和发展趋势，优化交通网
络和设施布局，提高城市的可持续发展性。
在环境保护中，地理空间数据
可以用来监测和评估环境状况，分析环境污染源和传播途径，制定保护措
施和政策。
在社会经济中，地理空间数据可以用来分析市场分布和经济发
展区域，预测人口增长和需求变化，帮助企业决策和投资战略。
总之，地理空间数据及其特征对于人类的生活和发展具有重要作用。
通过深入研究和应用地理空间数据，我们可以更好地理解和利用地球的地
理资源，为可持续发展和人类福祉做出贡献。
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
地理数据的初步整理
第一章 地理数据的初步整理第一节 地理数据的类型、特征及其采集一、地理数据的类型根据地理学的研究对象可将地理数据分为空间数据和属性数据。
（一）空间数据空间数据，主要用于描述地理实体、地理要素、地理现象、地理事件及地理过程产生、存在和发展的地理位置、区域范围及空间联系。
空间数据的表达，可以将其归纳为点、线、面三种几何实体以及描述它们之间联系的拓扑关系。
点：由一个独立的坐标点),(y x 定位，可以表示精确的地理坐标点，也可以是一些地理实体的抽象，如道路交叉点、河流汇聚点以及小比例尺地图上的城镇、村庄等。
线：由两个以上坐标点i i y x i i ,2,1),,( 定义，有一定的长度和走向，表示线状地物或点实体之间的联系。
如交通线、河流及各种地理区域的界线等，都是线实体。
面：表示在空间上连续分布的地理景观或区域。
如居民区、工业区、行政区等都是面实体。
点、线、面三种地理几何实体，按照一定的拓扑关系组合、排列，就可以形成更为复杂的地理几何实体。
如点、线组合形成网络；线、面组合形成地带；点、面组合形成地域类型；点、线、面组合形成地理区。
（二）属性数据属性数据主要用于描述地理实体、地理要素、地理现象、地理事件及地理过程的有关属性特征，如海拔高度、气温、植被覆盖率、人口数量等。
属性数据可以分为两种类型：即数量标志数据和品质标志数据。
1.数量标志数据根据测度标准，可以将数量标志数据分为以下两类：⑴ 间隔尺度数据。
是以有量纲的数据形式表示测度对象在某种量纲下的绝对量。
如摄氏温标表示气温，以面积量纲表示土地面积，以时间量纲表示地理事件、地理现象发生的时间等，如表1.1。
表1.1 间隔尺度数据 区域 年平均气温（℃） 年降水量（mm ） 土地面积（hm 2） 人口（人） 国内生产总值（万元） 1 8.0 500.2 1245.6 1210 2678.28 2 7.6 498.6 1064 1023 2015.47 3 6.5 550.9 894.3 848 1754.56 4 8.5 586.4 668.7 654 1365.46⑵ 比例尺度数据。
第三章 空间数据模型PPT教学课件
通常以坐标来定义。一个点的位置可以二 维或者三维中的坐标的单一集合来描述
2020/12/10
9
4．基于要素的空间关系分析 4．1拓扑空间关系分析 4．1．1拓扑属性
• 拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的
研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它 研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属 性——拓扑属性
关系构成。
2020/12/10
1
1．2空间数据模型的类型
• 在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基
于对象（要素）（Feature）的模型、网络 （Network）模型以及场（Field）模型。基于对 象（要素）的模型强调了离散对象，根据它们的 边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象， 可以详细地描述离散对象。网络模型表示了特殊 对象之间的交互，如水或者交通流。场模型表示 了在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数 据。
2020/12/10
15
PPT教学课件
没有“岛”）
• 一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以
完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属 性两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段 的长度一个区域的周长一个区域的面积
2020/12/10
11
• 非拓扑属性 • 两点之间的距离 • 一个点指向另一个点的方向 • 弧段的长度一个区域的周长 • 一个区域的面积
2020/12/10
2
2．场模型 2．1．1空间结构特征和属性域
• “空间”经常是指可以进行长度和角度测量
的欧几里德空间。空间结构可以是规则的 或不规则的，但空间结构的分辨率和位置 误差则十分重要，它们应当与空间结构设 计所支持的数据类型和分析相适应。属性 域的数值可以包含以下几种类型：名称、 序数、间隔和比率。属性域的另一个特征 是支持空值，如果值未知或不确定则赋予 空值。
GIS空间数据结构课件
椭球体与基准面之间的关系是一对多的关 系，也就是基准面是在椭球体基础上建立 的，但椭球体不能代表基准面，同样的椭 球体能定义不同的基准面，如前苏联的 Pulkovo 1942、非洲索马里的Afgooye基 准面都采用了Krassovsky椭球体，但它们 的基准面显然是不同的。
我国3个椭球体参数如下
3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；
4）对数据转换方法的描述；
5）对数据库的更新《G、IS空集间数据成结构等》PP的T课件说明。
3、元数据的主要作用
1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、 建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退 时，也不会失去对数据情况的了解；
2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、 数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售 等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；
《GIS空间数据结构》PPT课件
2、1980年中国国家大地坐标系，具体参数 为：
赤道半径（a）＝6378140.0000000000m 极半径（b）＝6356755.2881575287m 地球扁率（f）＝（a－b）/a＝1/298.257 1980年中国国家大地坐标系的大地原点，
设在陕西省泾阳县永乐镇，称西安原点。
《GIS空间数据结构》PPT课件
二、矢量数据的特点
➢ 可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。 例如建立封闭多《G边IS空形间数据，结构实》P现PT课道件 路的选取，进行 最佳路径的计算等等。
2．3 空间数据的计算机表示
以ARC/INFO矢量数据模型的系统为例 ➢ 首先，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层 。
《GIS空间数据结构》PPT课件
其次，将一个专题层的地理要素或实体分解 为点、线或面状目标 。每个目标的数据由 定位数据、属性数据和拓扑数据组成。具 有相同的分类码的同类目标组成类型，— 类或相近的若干类构成数据层，若干数据 层构成图幅，全部数据组成数据库。
第3讲+++空间数据模型
3.4空间逻辑数据模型
不规则三角网（Triangular Irregular Network，简称TIN）模型
TIN和Voronoi多边形数据模型 图中虚线为Voronoi多边形的边界，实线为TIN边，小圆点代表采样观测点
3.4空间逻辑数据模型
3.4空间逻辑数据模型
面向对象数据模型：面向对象程序设计的应用 应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系 ; 面向对象技术的核心是对象（object）和类 （class） ; 一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达 它的行为的一组操作（方法）组成 ; 类是具有部分系统属性和方法的一组对象的集合， 是这些对象的统一抽象描述 类的共性抽象构成超类（super-class），类成为 超类的一个子类，
3.4空间逻辑数据模型
栅格数据模型比较适 宜于用场模型抽象的 的空间对象，采用面 域或空域的枚举来直 接描述空间实体。栅 格可以用数字矩阵来 表示，地理空间坐标 隐含在矩阵的行列上。
栅格数据模型
3.4空间逻辑数据模型
栅格数据模型中，点实体是一个栅格单元 （cell）或像元，线实体由一串彼此相连的 像元构成，面实体则由一系列相邻的像元 构成，像元的大小是一致 ； 栅格和矢量数据模型是最成熟、常用的数 据模型 二者各有优缺点，两种格式互补，满足了 不同的需要
空间认知和抽象过程
空间数据库
计算机世界
物理数据模型 编码、表达、 编码、表达、建立空间关系
数据结构、数据组织
逻辑数据模型 场模型、对象模型、 场模型、对象模型、网络模型
概念世界
概念数据模型
现实世界
综合、 综合、简化和抽象 空间事物和现象
3.2 概念数据模型
概念数据模型：地理空间地理事物与现象 抽象概念集；地理数据的语义解释； 地理空间数据的概念模型包括： 对象模型,网络模型, 场模型
地理信息系统 第三章地理空间数据模型解剖
BSP索引机制
是一种二叉树，它将空间逐级进行一分为二的划分。 BSP树能很好地与空间数据库中空间对象的分布情况相适 应，但对一般情况而言，BSP树深度较大，对各种操作均 有不利影响。
6.5 空间数据模型
三种传统模型
层次、网络、关系
面向对象模型 二维矢量模型 栅格数据模型 三维空间模型
矢量、栅格
空间对象的层次分类编码
分类对象的从属和层次关系 有明确的分类对象类别和严格的隶属关系
管线:7
电力线71
地下电力线 与电缆72
管线73
地下检修井74
高压711
低压712
电杆713
电塔714 电线架715
依比例7141 不依比例7142
网 状 模 型
基本特征：结点数据之间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个 结点建立联系，即结点之间的联系是任意的，任何两个结点之间都能发 生联系，可表示多对多的关系。
工作区2 图幅2 工作层2 地物类2 地物2
……. ……. ……. ……. …….
工作区m 图幅n 工作层p 地物类q 地物r
3.4 空间数据索引
空间索引的层次结构 无缝图层 工作区索引 目标索引
窗坐标、BSP、KDB树、R树和R+树、 CELL树
空间数据索引的必要性
在GIS中需要根据空间位置进行查询，例如，“找 出通过某个区域的所有公路”，“检索在某个区域 内的所有湖泊”等等。
对海量数据而言，必须建立多个工作区， 将数据按工作区存放于存储器。 建立索引文件 在开窗操作时，系统根据窗口坐标，按 索引文件迅速调入所涉及的工作区
目标索引
窗坐标索引机制 格网型空间索引 BSP索引机制 KDB树 R树和R+树 CELL树
GIS地理信息系统空间数据结构ppt课件
数据库
独立编码
点: ( x ,y )
线: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( xn , yn ) 面: ( x1 , y1 ) , (x2 , y2 ) , … , ( x1 , y1 )
标识码 属性码 存储方法
点位字典
空间对象编码; 唯一; 连接空间和属性数据
点: 点号文件 线: 点号串 面: 点号串
15
3、拓扑关系的表达 拓扑关系具体可由4个关系表来表示： （1） 面--链关系： 面 构成面的弧段 （2） 链--结点关系： 链 链两端的结点 （3） 结点--链关系： 结点 通过该结点的链\ （4） 链—面关系： 链 左面 右面
4、拓扑关系的意义：
对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为： 1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳 定性，不随地图投影而变化。 2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接 县，--面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要 查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。 3）根据拓扑关系可重建地理实体。
距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。
（二）拓扑关系
11
（二）拓扑关系
1、定义 2、种类 3、拓扑关系的表达 4、意义
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。
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
拓扑变换 （橡皮变换）
非拓扑属性（几何） 两点间距离
一点指向另一点的方向
第三章 空间数据结构
§3-1空间实体及其描述 §3-2矢量数据结构 §3-3栅格数据结构
;.
1
地理空间数据分析与ppt课件
2024/7/17
17
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
表1 空间分析不同称谓的内容差别
2024/7/17
王劲峰 2000 《地理学报》
18
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
2024/7/17
11
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
包含的新的理论技术方法:
GIS创建数据库； 人工智能技术（AI）和智 能计算技术（CI）提供计算原理和计算工具； 高性能计算服务系统提供动力
核心技术：
▪ 空间数据处理与建模发展历史 ▪ GIS空间分析定义 ▪ 空间分析的主要方法、步骤 ▪ 空间分析一般模型 ▪ 地理空间问题
2024/7/17
3
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
▪ 空间数据处理与建模发展历史 ▪ GIS空间分析定义 ▪ 空间分析的主要方法、步骤 ▪ 空间分析一般模型 ▪ 地理空间问题
空间数据挖掘
是从地理空间数据库中挖掘时空系统中潜在的、有 价值的信息、规律和知识的过程，包括空间模式与 特征、空间与非空间数据之间的概要关系等。
图1.2 地理空间数据挖掘体系结构
2024/7/17
13
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确