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1、第四章第四章 地理空间数据处理地理空间数据处理第一节第一节第一节第一节 GIS GIS的地学基础的地学基础的地学基础的地学基础第二节第二节第二节第二节 地理空间数据插值地理空间数据插值地理空间数据插值地理空间数据插值第三节第三节第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理10/30/202210/30/20221 1第一节 GIS的地学基础uu一、地球表面形状一、地球表面形状uu二、地理坐标二、地理坐标uu三、地图投影三、地图投影uu四、坐标变换四、坐标变换10/30/202210/30/20222 2第一节 GIS的地学基础uu一、地
2、球表面形状一、地球表面形状一、地球表面形状一、地球表面形状uu1.1.地球表面形状的几级近似表示地球表面形状的几级近似表示地球表面形状的几级近似表示地球表面形状的几级近似表示 大地水准面大地水准面大地水准面大地水准面:平均海面（物理上相当于静止海面），平均海面（物理上相当于静止海面），及其在陆地下的延伸所构成的一个闭合的环球水准面。及其在陆地下的延伸所构成的一个闭合的环球水准面。它是它是重力测量重力测量和和高程起算高程起算的基准面。（绝对高程，海的基准面。（绝对高程，海拔高度）拔高度）地球椭球体地球椭球体地球椭球体地球椭球体：由地球长、短半轴确定的的实际形状。由地球长、短半轴确定的的实际形状。
3、（与大地水准面相差不到一二百米）（与大地水准面相差不到一二百米）地球正球体地球正球体地球正球体地球正球体：精度要求不高时，可以近似表示。：精度要求不高时，可以近似表示。10/30/202210/30/20223 3第一节 GIS的地学基础uu2.2.两种椭球体两种椭球体两种椭球体两种椭球体uu根据逼近方式不同，地球椭球体分为两类：根据逼近方式不同，地球椭球体分为两类：根据逼近方式不同，地球椭球体分为两类：根据逼近方式不同，地球椭球体分为两类：参考椭球体；（在局部范围内逼近大地水准面）参考椭球体；（在局部范围内逼近大地水准面）参考椭球体；（在局部范围内逼近大地水准面）参考椭球体；（在局部范围内逼
4、近大地水准面）平均椭球体；（在全球范围内逼近大地水准面）平均椭球体；（在全球范围内逼近大地水准面）平均椭球体；（在全球范围内逼近大地水准面）平均椭球体；（在全球范围内逼近大地水准面）uu参考椭球体是局部定位的地球椭球体，是具体国家参考椭球体是局部定位的地球椭球体，是具体国家参考椭球体是局部定位的地球椭球体，是具体国家参考椭球体是局部定位的地球椭球体，是具体国家“大地测量网大地测量网大地测量网大地测量网”的基础。为什么？的基础。为什么？的基础。为什么？的基础。为什么？10/30/202210/30/20224 4第一节 GIS的地学基础uu二、地理坐标（三种地理坐标）二、地理坐标（三种地理坐标）
5、uu地心坐标：地心坐标：GPSGPS测得的坐标测得的坐标uu大地坐标（依据参考椭球体建立）：大地坐标（依据参考椭球体建立）：GISGIS中常用的，具体中常用的，具体国家的大地测量的地理坐标。国家的大地测量的地理坐标。uu单纯的球面坐标（天文经纬度）单纯的球面坐标（天文经纬度）10/30/202210/30/20225 5第一节 GIS的地学基础uu三、地图投影三、地图投影uu1.1.定义：将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为定义：将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影地图投影uu2.2.原因原因:地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积地理坐标为球面坐标，不方便进行距离
6、、方位、面积等参数的量算等参数的量算地球椭球体为不可展曲面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、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面积等量算和各种空间分析10/30/202210/30/20226 6第一节第一节 GIS GIS的地学基础的地学基础 3.3.投影实质投影实质 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的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（标（，）与平面上对应点的平面坐标（）与平面上对应点的平面坐标（x x，
7、y y）之间）之间的函数关系：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当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。方式。10/30/202210/30/20227 7地图投影：投影实质地图投影：投影实质10/30/202210/30/20228 8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10/30/202210/30/20229 9第一节第一节 GIS GIS的地学基础的地学基础l l4.4.投影变形投影变形l l将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有
8、断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方断裂，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。被压缩，故投影变形是不可避免的。l l长度变形长度变形l l面积变形面积变形l l角度变形角度变形10/30/202210/30/20221010第一节第一节 GIS GIS的地学基础的地学基础uu5.5.投影选择因素投影选择因素 制图区域的地理位置、形状和范围制图区域的地理位置、形状和范围 制图比例尺制图比例尺 地图内容地图内容 出版方式出版方式10/30/202210/30/20221111第一节第一节 GIS GIS的地学基础的地学基础uu6.6.我国常用地图投影我国常用地
9、图投影 1 1：100100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）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大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影 1 1：5050万、万、1 1：2525万、万、1 1：1010万、万、1 1：5 5万、万、1 1：万、：万、1:11:1万、万、1 1：50005000采用高斯采用高斯克克吕吕格投影。格投影。10/30/202210/30/20221212第一节 GIS的地学基础uu四、坐标变换四、坐标变换(几何纠正或坐标校正几何纠正或坐标校正)uu含义：直角坐标之间的转换含义：直角坐标之间的转换uuX=FX=F1 1（X
10、 X，Y Y）和）和Y=FY=F1 1（X X，Y Y）关系式对坐标进行转换）关系式对坐标进行转换uu分两类：分两类：地理坐标化；地理坐标化；配准或校准；（不一定要转换为地理坐标）配准或校准；（不一定要转换为地理坐标）uu技术路线：寻找地面控制点。线形关系；非线形关系。技术路线：寻找地面控制点。线形关系；非线形关系。10/30/202210/30/20221313第二节 地理空间数据插值uu一、基本概念一、基本概念uu二、整体插值法二、整体插值法uu三、局部插值法三、局部插值法10/30/202210/30/20221414第二节 地理空间数据插值uu一、基本概念一、基本概念uu1.1.概念概
11、念 指通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的处指通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的处理及其方法。理及其方法。uu2.2.必要性必要性 自然环境恶劣，数据难以采集，或由于某种原因数据缺失自然环境恶劣，数据难以采集，或由于某种原因数据缺失 数据分布不均匀；数据分布不均匀；转换格式或坐标校正等变化时，需要插值；转换格式或坐标校正等变化时，需要插值；10/30/202210/30/20221515第二节 地理空间数据插值uu3.3.内容内容内容内容：内插内插内插内插；外推；外推uu4.4.原则原则原则原则：尽量减少因插值带来的数据质量损失，空间变量：尽量减少因插值带来的数据质量损失
12、，空间变量数据源的分布最好比较适应空间变量的分布特点。数据源的分布最好比较适应空间变量的分布特点。空间变量的分布特点：缓变（稀疏），剧变（密集），空间变量的分布特点：缓变（稀疏），剧变（密集），跃变（沿跃变带密集采样）跃变（沿跃变带密集采样）uu中常见的数据源在空间分布上的类型中常见的数据源在空间分布上的类型中常见的数据源在空间分布上的类型中常见的数据源在空间分布上的类型 栅格数据（卫星，航空测量）；栅格数据（卫星，航空测量）；较均匀的采样数据；较均匀的采样数据；不均匀或不规则的数据。不均匀或不规则的数据。10/30/202210/30/20221616第二节 地理空间数据插值uu二、整体插值
13、法（全局方法）二、整体插值法（全局方法）uu含义：利用每个可利用的控制点来构建一个方程或一个模含义：利用每个可利用的控制点来构建一个方程或一个模型，而后该模型可用于估算未知数值。型，而后该模型可用于估算未知数值。uu1.1.趋势面分析（趋势面模型）趋势面分析（趋势面模型）方法：用多项式拟合已知的数据值，并用于估算其他方法：用多项式拟合已知的数据值，并用于估算其他的点。的点。线形或一阶趋势面方程：线形或一阶趋势面方程：Zx,y=b0+bZx,y=b0+b1 1X+B2yX+B2y 软件自带，最小二乘法计算软件自带，最小二乘法计算 示例示例10/30/202210/30/20221717第二节 地
14、理空间数据插值uu2.2.边界内插法边界内插法uu3.3.回归模型法回归模型法10/30/202210/30/20221818第二节 地理空间数据插值uu三、局部插值法三、局部插值法uu含义：只能使用邻近点或样本数据来估算未知的点。含义：只能使用邻近点或样本数据来估算未知的点。uu方法：方法：最邻近点法（泰森多边形法）；最邻近点法（泰森多边形法）；移动平均插值法（距离倒数插值法）移动平均插值法（距离倒数插值法）10/30/202210/30/20221919第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu一、基本概念一、基本概念uu二、数字高程模型及其生成二、数字高程模型及其生成
15、uu三、其他派生数据或地形分析三、其他派生数据或地形分析10/30/202210/30/20222020第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu一、空间数据三维处理的基本概念一、空间数据三维处理的基本概念uu1.1.基本思路基本思路真三维处理；真三维处理；维处理。维处理。空间变量空间变量土壤类型，城市地价土壤类型，城市地价二维数据结构二维数据结构表达三维形象表达三维形象土地利用、地貌特征、土地利用、地貌特征、污染指数等污染指数等10/30/202210/30/2022212110/30/202210/30/20222222第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的
16、三维处理uu一、空间数据三维处理的基本概念一、空间数据三维处理的基本概念uu2.2.三维地形表达的传统方式三维地形表达的传统方式数学模拟法；数学模拟法；图形图像法（等高线法）；图形图像法（等高线法）；阴影法（晕渲法）。阴影法（晕渲法）。10/30/202210/30/20222323第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu一、空间数据三维处理的基本概念一、空间数据三维处理的基本概念uu三维处理的主要内容，三维处理的主要内容，DEMDEM数字高程模型（数字高程模型（DEMDEM）；）；a.a.高程矩阵（高程数据布满整个区域的方格网）；高程矩阵（高程数据布满整个区域的方格网）
17、；b.b.三角网点。三角网点。地形分析（计算派生地形数据）；地形分析（计算派生地形数据）；多层次三维地形可视化表达；多层次三维地形可视化表达；其他空间变量的三维可视化表达。其他空间变量的三维可视化表达。DEM是以（是以（x,y）为）为自变量的高程自变量的高程Z数据数据的有序集合。的有序集合。基于基于DEM可以计算可以计算地表的坡度、坡向地表的坡度、坡向等数据等数据阴影、透视、明暗阴影、透视、明暗10/30/202210/30/20222424第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu一、空间数据三维处理的基本概念一、空间数据三维处理的基本概念uu4.4.现代三维地形表达的现
18、代三维地形表达的5 5个层次个层次数字高程模型；（高层次三维表达的基础）数字高程模型；（高层次三维表达的基础）数字地形模型；（如照片般的可视化地形）数字地形模型；（如照片般的可视化地形）数字地面模型；（在数字地形模型上叠加真数字地面模型；（在数字地形模型上叠加真实地物）实地物）虚拟现实的数字地面模型；（身临其境）虚拟现实的数字地面模型；（身临其境）虚拟现实虚拟现实/GIS/GIS数字地面模型。（与数据库挂数字地面模型。（与数据库挂钩，可查询）钩，可查询）10/30/202210/30/2022252510/30/202210/30/2022262610/30/202210/30/2022272
19、710/30/202210/30/20222828第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu二、数字高程模型及其生成二、数字高程模型及其生成uu1.一般思路一般思路 构造高程数据和构造高程数据和TINTIN数据集数据集内插，组合内插，组合生成高生成高程样点程样点模型生成。模型生成。10/30/202210/30/20222929第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu二、数字高程模型及其生成二、数字高程模型及其生成uu2.2.高程矩阵的特点及其生成（网格高程矩阵的特点及其生成（网格DEMDEM或或GridGrid）uu概念：高程矩阵又称网格概念：高程矩
20、阵又称网格DEMDEM或或GridGrid，是以高程为属性值，是以高程为属性值的栅格数据。的栅格数据。uu表达方法：以规整格网的单元或像素，作为表达高程起伏表达方法：以规整格网的单元或像素，作为表达高程起伏的基本地表单元或地形单元。的基本地表单元或地形单元。uu特点：具有栅格数据的优点，结构简单规则，便于计算机特点：具有栅格数据的优点，结构简单规则，便于计算机计算。计算。uu生成方法：活动窗口插值法生成方法：活动窗口插值法10/30/202210/30/20223030第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu二、数字高程模型及其生成二、数字高程模型及其生成二、数字高程模型
21、及其生成二、数字高程模型及其生成uu模型及其生成（不规则三角网）模型及其生成（不规则三角网）模型及其生成（不规则三角网）模型及其生成（不规则三角网）uu含义：它是直接基于不规则高程样点进行组合，将离散高含义：它是直接基于不规则高程样点进行组合，将离散高含义：它是直接基于不规则高程样点进行组合，将离散高含义：它是直接基于不规则高程样点进行组合，将离散高程样点每三个邻近点联结成三角形，以连续的三角面形成程样点每三个邻近点联结成三角形，以连续的三角面形成程样点每三个邻近点联结成三角形，以连续的三角面形成程样点每三个邻近点联结成三角形，以连续的三角面形成数字高程模型。数字高程模型。数字高程模型。数字高
22、程模型。uu不规则三角网以三角面作为表达高程起伏的基本地表单元不规则三角网以三角面作为表达高程起伏的基本地表单元不规则三角网以三角面作为表达高程起伏的基本地表单元不规则三角网以三角面作为表达高程起伏的基本地表单元或地形单元。或地形单元。或地形单元。或地形单元。uu构成方法：搜寻最近点，参考教材构成方法：搜寻最近点，参考教材构成方法：搜寻最近点，参考教材构成方法：搜寻最近点，参考教材P142P14210/30/202210/30/20223131uu数字高程模型及其生成样图数字高程模型及其生成样图数字高程模型及其生成样图数字高程模型及其生成样图10/30/202210/30/20223232第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理uu三、其他派生数据或地形分析三、其他派生数据或地形分析uu1.1.坡度和坡向坡度和坡向uu2.2.等值线等值线uu3.3.视线图视线图uu4.4.地形轮廓及其他地形轮廓及其他10/30/202210/30/20223333第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理10/30/202210/30/20223434第三节第三节 地理空间数据的三维处理地理空间数据的三维处理10/30/202210/30/2022353510/30/202210/30/20223636