GIS地理信息系统地学基础

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,GIS,地理信息系统,Geographical Information System,1,地理空间及其表达,地理空间,大地测量控制系统,大地测量控制点,平面控制网,高程控制网,9/14/2024,2,四大圈层,地球呈现出圈层构造，可以划分出内部圈层与外部圈层。,内部圈层,包括地壳、地幔、地核。,外部圈层,包括岩石圈、大气圈、水圈、生物圈。,岩石圈,指地球表层由固体岩石组成的圈层；,大气圈,指环绕地球的由气体组成的圈层；,水圈,指地球表层由各种形式存在的水组成的圈层；,生物圈,指地球表层所有活着的有机体组成的圈层。,3,9/14/2024,4,地理空间及其表达,地理空间,大地测量控制系统,大地测量控制点,平面控制网,高程控制网,9/14/2024,5,GIS,的地学基础,地球模型,坐标参考系统,地图投影,地图比例尺,地理数据特征,地图对地理现象表达,遥感影像对地理现象表达,9/14/2024,6,地球模型,地球表面,水准面,大地水准面,铅垂线,地球椭球体,9/14/2024,7,9/14/2024,8,地球模型：三级近似,地球自然表面,极不规则，无法用数学表面进行描述,水准面所包围的球体,大地水准面所包围的球体,旋转椭球体,不规则性、动态性、不唯一性,不规则性、相对唯一性,标准数学曲面,1952,：海福特椭球,1953,：克拉索夫斯基椭球,1978,：,1975,年国际椭球,9/14/2024,9,地理空间坐标系,地理坐标系是以地理极,(,北极、南极,),为,极点。,通过,A,点作椭球面的垂线，称之为过,A,点的法线。,法线与赤道面的交角，叫做,A,点的纬度,。,过,A,点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做,A,点的经度,。,9/14/2024,10,定位坐标系：平面系统,直接建立在球体上的,地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置,建立在平面上,的直角坐标系统，用（,x,，,y,）表达地理对象位置,投影,9/14/2024,11,坐标系统,高程系统,任意水准面,大地水准面,H,A,H,A,铅垂线,A,H,B,H,B,h,AB,9/14/2024,12,坐标系统,高程系统,任意水准面,大地水准面,H,A,H,A,铅垂线,A,H,B,H,B,h,AB,水准原点,1985,国家高程基准，,72.2604,米,黄海海面,1952-1979,年平均海水面为,0,米,9/14/2024,13,地图投影,为什么要进行投影,地图投影实质,地图投影变形,地图投影方法,投影选择所考虑的因素,我国常用的地图投影方式,9/14/2024,14,地图投影,:,为什么要进行投影,?,将地球椭球面上的点映射到平面上的 方法，称为地图投影,地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算,地球椭球体为不可展曲面,地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析,9/14/2024,15,地图投影概念,投影面,地球,9/14/2024,16,地图投影实质,建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（,，,）与平面上对应点的平面坐标（,x,，,y,）之间的函数关系：,当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式,9/14/2024,17,地图投影,:,投影变形,将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。,Mercator Projection,Mollweide Projection,9/14/2024,18,地图投影,:,投影方法,投影面,地球,9/14/2024,19,投影方式,地图投影,变形规律,构成方式,几何投影,非几何投影,方位投影,圆柱投影,圆锥投影,等积投影,等角投影,任意投影,9/14/2024,20,投影方式：几何投影,正 轴,斜 轴,横 轴,方位,圆柱,圆锥,9/14/2024,21,地图投影：投影分类,变形分类：,等角投影：投影前后角度不变,等面积投影：投影前后面积不变；,任意投影：角度、面积、长度均变形,投影面：,横圆柱投影：投影面为横圆柱,圆锥投影：投影面为圆锥,方位投影：投影面为平面,投影面位置：,正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合,斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交,横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直,相切投影：投影面与椭球体相切,相割投影：投影面与椭球体相割,9/14/2024,22,地图投影,:,投影选择因素,制图区域的地理位置、形状和范围,制图比例尺,地图内容,出版方式,9/14/2024,23,地图投影,:GIS,中的地图投影,GIS,以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信息则是在地球椭球上，因此地图投影在,GIS,中不可缺少。,GIS,数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。,GIS,中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。,9/14/2024,24,我国常用的地图投影,1,：,100,万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）,大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影,1,：,50,万、,1,：,25,万、,1,：,10,万、,1,：,5,万、,1,：,2.5,万、,1:1,万、,1,：,5000,采用高斯,克吕格投影。,9/14/2024,25,地图比例尺,地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系,纸质地图：内容、概括程度、数据精度等,比例尺的含义：,制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比例是一致的，故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例；,制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不同而有所变化，这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率， 称为主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线上，才可用地图上注明的比例尺,9/14/2024,26,地图比例尺（续）,我国地图比例尺分级系统：,大比例尺：,1,：,5001,：,10,万,中比例尺：,1,：,10,万,1,：,100,万,小比例尺：,1,：,100,万,无级比例尺概念,9/14/2024,27,空间对象（实体）的地图表达,点：位置：（,x,，,y,）,属性：符号,线：位置：,(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn),属性：符号,形状、颜色、尺寸,面：位置：,(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn),属性：符号变化,等值线,9/14/2024,28,空间对象（实体）的遥感影像表达,遥感传感器平台,传感器,9/14/2024,29,空间现象及其表达,现实世界,空间数据,地图,遥感影像,特征,关系,行为,观察,选择,抽象,综合,测量：位置,编码：属性,建立关系：,表达,9/14/2024,30,空间对象类型,空间对象一般按地形维数进行归类划分,点,：零维,线,：一维,面,：二维,体,：三维,时间：通常以第四维表达，但目前,GIS,还很难处理时间属性。,Cont.,9/14/2024,31,点,美国佛罗里达洲地震监测站,2002,年,9,月该洲可能的,500,个地震位置,有位置，无宽度和长度；,抽象的点,9/14/2024,32,线,香港城市道路网分布,有长度，但无宽度和高度,用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多,度量实体距离,9/14/2024,33,面,具有长和宽的目标,通常用来表示自然或人工的封闭多边形,一般分为连续面和不连续面,中国土地利用分布图（不连续面）,9/14/2024,34,空间对象：面（续）,连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。,不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。,9/14/2024,35,体,有长、宽、高的目标,通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标,香港理工大学校园建筑,9/14/2024,36,地理信息数字化描述方法,栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。,9/14/2024,37,地图的矢量和栅格表示,9/14/2024,38,空间对象的描述,编码,：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类码表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行表识，是唯一的。,位置,：坐标形式给出空间对象的空间位置,类型,：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成,行为,：空间对象所具备的行为和功能,属性,：空间对象所对应的非几何信息,说明,：实体数据来源、精度等,关系,：与其他实体之间的关系,9/14/2024,39,空间对象编码,属性数据含义,编码过程：分类、分级、编码,分类,定义：具有共同属性或特征的事物或现象归并在一起,原则：科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性,方法：线分类、面分类,9/14/2024,40,空间对象编码（续）,分级,定义：对事物或现象的数量或特征进行等级划分，包括确定分级数和分级线 。,原则：,符合数值估计精度要求,顾及可视化要求,符合数据分布特征,上述条件下，尽可能少的分级数,方法：数列分级、最优分割分级、统一标准分级等。,9/14/2024,41,空间对象编码（续）,编码：,指定属性数据的代码的方法和过程,功能：,鉴别、分类、排序,编码原则：,唯一性、合理性、可扩性、简单性、适 用性、规范性。,类型：数字、字母、数字字母混合型,9/14/2024,42,空间数据编码（续）,GIS,中的代码类型,分类码,识别码,编码方案,层次分类编码,多源分类编码,9/14/2024,43,空间数据编码（续）：例,国标行政区划代码（,GB-2260-91,）,地形要素分类编码,省,自治区,直辖市,省直辖市,地区,州、盟,县,旗,市辖市,一级代码，一位数字,三级代码，三位数字,二级代码，二位数字,四级代码，三位数字,9/14/2024,44,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,高压,711,电线架,715,管线,:,7,地下电力线,与电缆,72,电力线,71,地下检修井,74,管线,73,低压,712,电杆,713,电塔,714,不依比例,7142,依比例,7141,9/14/2024,45,多源分类编码,按空间对象不同特性进行分类并进编码,代码之间没有隶属关系，反映对象特性,具有较大的信息量，有利于空间分析,河流特性分类与编码,通航情况,通航：,1,不通航：,2,常年河：,1,时令河：,2,消失河：,3,1 km,：,1, 2 km,：,2, 5 km,：,3,10 km,：,5,流水季节,河流宽度,河流长度,河流深度,5 10 m,：,1,10 20 m,：,2,20 30 m,：,3,30 60 m,：,4,60 120 m,：,5,120 300 m,：,6,300 500 m,：,7,500m,：,8,50m,：,6,9/14/2024,46,空间对象关系表达,描述空间对象之间的空间相互作用关系,方法,绝对关系,:,坐标、角度、方位、距离等；,相对关系：相邻、包含、关联等,相对关系类型,拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等,顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。,度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。,9/14/2024,47,空间对象关系表达,地图、遥感影象上的空间关系是通过图形识别的，在,GIS,中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。,空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致。不同的,GIS,可能采用不同的方法进行描述,9/14/2024,48,空间对象的拓扑空间关系,基于点集拓扑理论,拓扑元素：点、线、面,基本拓扑关系：,关联：不同拓扑元素之间的关系,邻接：相同拓扑元素之间的关系,包含：面与其他元素之间的关系,层次：相同拓扑元素之间的层次关系,弧段,4,起点,终点,中间点,弧段,1,弧段,3,弧段,2,点,:,面,:,弧,:,邻接,相交,重合,相离,包含,点,点,点,线,点,面,线,面,面,面,线,线,9/14/2024,49,GIS,中引入拓扑关系的优缺点,优点,描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体的坐标位置。,空间关系信息丰富、简洁，数据冗余小。,方便多边形和多边形的叠合。,便于检查数据输入过程中的错误。,缺点,拓扑关系建立过程比较复杂,数据结构本身复杂,9/14/2024,50,拓扑结构采用原则,应用目的,制图或一般查询，可不要拓扑结构,空间分析，则应建立拓扑关系,服务对象和系统数据结构,面状目标：面,-,弧、弧,-,面,网络目标：点,-,弧、弧,-,点,9/14/2024,51,空间拓扑关系表达：关系表,e,b,c,4,1,3,2,5,A,B,C,7,6,D,a,d,a:,结点号,A:,多边形号,1:,弧段号,弧段数字化方向,表中数字前负号为相反方向,弧,-,面拓扑,弧段,左面,右面,起点,终点,1,A,c,a,2,B,A,b,c,3,C,A,b,a,4,C,d,a,5,C,D,d,B,6,B,D,e,e,7,B,d,c,面,-,弧拓扑,面号,弧数,弧号,A,3,-1,-2,3,B,4,2,-7,5,0,-6,C,3,-3,-5,4,D,1,6,结点,-,弧拓扑,结点,弧,a,1,3,4,b,2,3,5,c,1,2,7,d,4,5,7,e,6,9/14/2024,52,空间对象,:,自相关特征,空间对象在属性上存在相关性，两空间对象越 接近，其值也越接近，反之亦然。,相关类型,负相关：位置越接近，属性值相差越远,正相关：位置越接近，特征也越接近,不相关：属性与空间位置无关。,9/14/2024,53,（,A,）高度空间负向相关；（,B,）无规律分布；（,C,）空间独立； （,D,）空间聚类现象；（,E,）高度正向相关,9/14/2024,54,地理数据特征,属性特征,：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。,空间特征,：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。,时间特征,：描述空间对象随时间的变化,9/14/2024,55,地理数据类型,属性数据,：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达,几何数据,：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达,关系数据,：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。,9/14/2024,56,作业,什么是拓扑关系？在,GIS,中引入拓扑关系有什么有优点和缺点？,简述空间数据的基本特征。,简述地图和遥感是如何表达地理对象的。,9/14/2024,57,第二讲结束,谢谢,9/14/2024,58,