空间数据基础解析.pptx

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1、12.1.1 地理空间从不同的角度看“空间（Space）”物理学：三维的外延天文学：时空连续体系的一部分地理学：物质、能量、信息的存在形式在形态、结构、功能上的分布方式和格局及其在时间上的延续。地理空间的范围：上至大气电离层，下至地幔莫霍面（即常说的地理圈层）？绝对地理空间：常用经纬度、平面直角坐标表示相对地理空间：依赖于与其他实体之间的空间关系2.1 空间数据基础第1页/共78页22.1.2 地理空间的数学建构地球的自然表面：复杂、难于表达物理表面：大地水准面（重力等位面，由于地球内部质量不均而起伏不平）数学表面：椭球体模型数学模型第2页/共78页3地球模型地球表面大地水准面地球椭球体铅垂线

2、水平面第3页/共78页4三轴椭球体第4页/共78页5旋转椭球体第5页/共78页6椭球体的三要素：长半径（赤道半径）a短半径（极半径）c扁率f=(a-c)/a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国际椭球体旋转椭球体第6页/共78页7地理坐标（球面坐标）纬度、经度国家大地坐标系（1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、2000国家大地坐标系）平面直角坐标地图投影（球面到平面的转换；变形的必然存在；长度、角

3、度、距离三种变形）高斯-克吕格投影（3度分带与6度分带）国家统一坐标（各带中央经线西移500km为纵轴，赤道为横轴）高程系相对高程绝对高程高程系（1956年黄海高程系、1985国家高程基准）2.1.3地理空间坐标系的建立第7页/共78页8地理坐标示意图第8页/共78页9平面直角坐标第9页/共78页10高斯克吕格投影高斯克吕格投影6度和3度分带第10页/共78页11国家统一坐标第11页/共78页12地理参考系统.MXYZZXY.MZXdq q笛卡尔坐标极坐标a a经度纬度Y第12页/共78页13坐标系统高程系统任意水准面大地水准面HAHA铅垂线AHBHBhAB第13页/共78页14水准原点198

4、5国家高程基准，72.260米黄海海面1952-1979年平均海水面为0米青岛验潮站示意图第14页/共78页15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）欧氏距离笛卡尔坐标系中的两点距离公式曼哈顿距离（出租车距离）两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离时间距离采用时间（从一点到达另一点所需要的时间）度量词典距离在词典或其它文本中的距离2.1.4 地理空间的距离度量第15页/共78页16地球旋转椭球体上不同的距离度量方法第16页/共78页172.1.5地理空间的拓扑关系拓扑（Topology）：原意为“形状的研究”。几何学的一个分支学科它研究在拓

5、扑变换下能够保持不变的几何属性，即拓扑属性拓扑变换：对欧氏平面上的空间进行拉伸、压缩等（不能扭曲或折叠）例如：橡皮拓扑属性：拓扑变换后不变的属性一个点在一个弧段的端点、区域边界上、区域内部、区域外部、环的内部等一个弧段是一个简单的弧段、一个面是一个简单的面、一个面的连接性非拓扑属性：拓扑变换后改变的属性两点之间的距离、一个点至另一个点的方向弧段的长度、区域的周长、区域的面积第17页/共78页18欧式平面上的拓扑与非拓扑属性第18页/共78页19三个非常重要的拓扑概念连接性连接性第19页/共78页20多边形区域定义多边形区域定义第20页/共78页21邻接性邻接性第21页/共78页22拓扑关系的意

6、义拓扑关系对拓扑关系对GISGIS的数据处理和空间分析，具有重要的意义的数据处理和空间分析，具有重要的意义通过它，不需要利用坐标与距离，即可确定地理实体之间的空间位置关系。有利于空间位置的查询。可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。便于检查数据的错误 便于空间数据的编辑便于属性数据的输入 便于空间分析功能的实现。第22页/共78页23矢量（Vector）：通过记录空间坐标对的方式，以点、线、面等形式来描述空间目标对象栅格（Raster）：用规则排列的像元阵列来描述空间目标对象TIN：三角形不规则网（Triangulated Irregular Network）。采用不规则的三角形来描述空间对

7、象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。三种常用的空间数据模型2.2 空间数据模型第23页/共78页242.2.1 矢量数据模型矢量0维：点，无大小、文向；用一个坐标对表示，在二维空间用（x,y）表示，三维空间中用（x,y,z）表示；一维：线、弧段、链等，有方向（有起点，有终点）、有长度；用多个坐村对表示（x1,y1,z1）、（x2,y2,z2）、（x3,y3,z3）、（x4,y4,z4）二维：面，以多边形表示三维：空间实体第24页/共78页25矢量数据模型的表达零维矢量一维矢量二维矢量三维矢量第25页/共78页26矢量数据模型的特征 定位明显、属性隐含 形象直观特别适合于模拟

8、离散（非连续变化）的空间数据精度高 矢量数据的获取 利用各种定位仪器设备获取 以硬拷贝数据方式获取 通过间接转换的方式获取 第26页/共78页27定位明显属性隐含形象直观第27页/共78页28适于模拟离散数据第28页/共78页29数据精度与点的数量与质量有关第29页/共78页302.2.2 栅格数据模型栅格数据模型的概念是一种用规则排列的像元阵列来描述空间目标对象的数据模型，它主要用来描述空间实体的级别分布特征及其位置。栅格数据模型的表达 第30页/共78页31栅格 第31页/共78页32栅格第32页/共78页33栅格数据模型的特征 属性明显，定位隐含 在栅格结构中，其精度与分辨率有关 栅格数

9、据的分辨率对数据精度的其他影响位置的移动 形状的畸变 属性的偏差 第33页/共78页34位置移动形状的畸变形状的畸变属性偏差属性偏差第34页/共78页35分辨率总结随着分辨率的提高，数据的信息损失越小。随着分辨率的提高，对存贮空间的要求将成几何级数增加。随着分辨率的提高，数据处理的时间要求也越长。分辨率选择的原则：在考虑数据精度要求的同时，还必须考虑数据存贮空间与处理时间的开销（在精度与存贮空间和处理时间之间权衡）。第35页/共78页36栅格数据的获取通过遥感影像数据获取 规则点采样、不规则点采样及插值 通过扫描仪、摄像机等设备获取 通过矢量数据的转换获取第36页/共78页37栅格数据的获取遥

10、感影像第37页/共78页38栅格数据的获取规则点采样第38页/共78页39栅格数据的获取不规则采样点及插值第39页/共78页40栅格数据的获取利用扫描仪、摄像机获取第40页/共78页41栅格数据的获取间接转换方式第41页/共78页42栅格单元属性的决定方式主要类型法中心点法第42页/共78页43重要性法ABC长度占优法第43页/共78页44比例分成法第44页/共78页45地图的矢量和栅格表示地图的矢量和栅格表示 第45页/共78页46矢量数据模型与栅格数据模型的比较比较内容矢量格式栅格格式数据结构严密简单数据量小大图形精度高低图形运算复杂、高效简单、低效与遥感影像格式不一致一致输出表示抽象、昂

11、贵直观、便宜数据共享不易实现容易实现拓扑与网络分析容易实现不易实现叠置与组合不容易容易技术复杂、高费用简单、低费用数字模拟不方便方便投影变换快慢第46页/共78页472.2.3 不规则三角网模型不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN）模型采用一系列相连接的三角形拟合地表或其他不规则表面，常用来构造数字地面模型（DTM）以及数字高程模型（DEM）。TIN的生成方法第47页/共78页48等高线与高程点生成的不规则三角模型第48页/共78页492.3.1 空间数据组织空间数据组织依据地理实体之间的不同特征、相似特征、不同地理实体的组合特征特征进行分类，运用

12、标志符建立空间数据（空间特征和属性特征）之间的联系的过程和方法。不同特征：如公路与铁路因建造方式不同可视为不同类型相似特征：如公路与铁路因都具有运输能力可将其视为一类组合特征：如机场跑道、停机坪、候机楼等组合成机场2.3.1 空间数据组织与编码第49页/共78页50空间数据的组织案例道路分类 道路类型道路类型1：高速公路2：主干道路3：居民街道物质组成物质组成1：水泥2：柏油3：碎石道路宽度道路宽度小巷数量小巷数量道路名称道路名称第50页/共78页51空间数据的组织标识符标识符（Identifier）用于标识空间要素的唯一代码作用1：保证空间要素在数据库中的唯一性2：保证空间特征属性与属性特征

13、数据的一一对应关系3：便于对数据的查找、关联与分析第51页/共78页52标识符对空间特征与属性特征的联系第52页/共78页532.3.2 空间数据编码概念根据地理要素在数据分类分级中的隶属关系和属性性质，将其进行数据化的一种方法。编码主码：实体元素的类别子码：实体元素的标识（标识码）、实体元素的描述（描述码）第53页/共78页54空间数据编码实例道路属性属性类型类型物质组成物质组成 路宽路宽小巷小巷数量数量路名路名位数xxxxxxxxxx例1160083123例：1160083123第54页/共78页55空间数据编码实例土地利用规划图的编码 属性规划用地类型原用地类型位数xxxx例1121第5

14、5页/共78页56土地利用数据库要素分类与编码方案土地利用数据库部分要素代码与名称第56页/共78页57空间数据编码实例100万分之一地貌编码第一级第二级第三级第四级第五级第六级一位码一位码一位码一位码二位码二位码一位码一位码一位码一位码一位码一位码 相对高度海拔高度成因次级成因不确定不确定平原1台地2丘陵3小起伏山地4中起伏山地5大起伏山地6极大起伏山地7低海拔1中海拔2亚高海拔3高海拔4极高海拔515种成因类型随主要成因的变化而变化，但基本上分为抬升/侵蚀、下降/堆积两种多为形态指标，但也可以为成因指标，或其他指标。多为形态指标，但也可以为成因指标，或其他指标。第57页/共78页58空间数

15、据编码实例100万分之一地貌编码 基本地貌类型地貌成因类型第一位第二位第三四位第五位第六位第七位类型编码类型命名起伏度海拔成因次级成因形态次一级形态 物质组成 倾斜程度平原1低海拔1海成11海积11111100海积平原海滩11111110海滩淤泥质11111111淤泥质海滩砂质21111112砂质海滩砾质31111123砾质海滩生物4 41111124生物海滩低阶地21111120海积低阶地洼地31111130泻湖洼地海积冲积21111200海积冲积平原海蚀31111300海蚀平原低阶地11111310海蚀低阶地平台21111320海蚀平台台地2低海拔1海积1高阶地12111110海积高阶地平

16、坦的12111111平坦的海积高阶地起伏的22111112起伏的海积高阶地海蚀2 22111210海蚀高阶地平坦的12111211平坦的海蚀高阶地起伏的22111212起伏的海蚀高阶地第58页/共78页592.4.1 空间数据质量的概念和内容误差误差数据的准确性数据的准确性数据的精密度数据的精密度分辨率分辨率不确定性不确定性比例尺比例尺与数据质量相关的几个概念与数据质量相关的几个概念2.4 空间数据质量第59页/共78页60空间数据质量指标和内容空间数据质量指标和内容时间精度时间精度属性精度属性精度位置精度位置精度数据数据情况说明情况说明数据的数据的可得性可得性数据的数据的相容性相容性数据的数

17、据的完整性完整性逻辑逻辑一致性一致性表达形式表达形式的合理性的合理性第60页/共78页61空间数据质量空间数据质量问题的来源问题的来源空间现象自身存在的空间现象自身存在的复杂性、模糊性和不稳定性复杂性、模糊性和不稳定性空间数据获取和表达空间数据获取和表达所产生的质量问题所产生的质量问题空间数据处理过程中空间数据处理过程中产生的质量问题产生的质量问题空间数据使用过程中空间数据使用过程中产生的质量问题产生的质量问题第61页/共78页62误差误差类型类型常见空间数据的误差分析常见空间数据的误差分析地图数据遥感数据测量数据数据误数据误差分析差分析几何误差属性误差时间误差逻辑误差第62页/共78页63逻

18、辑误差示意图第63页/共78页642.4.4 空间数据质量控制方法传统手工方法 地图符号化方法 地图符号化质量控制方法示意图第64页/共78页65元数据跟踪方法 空间分析方法 地理相关法 地理相关质量控制方法示意图第65页/共78页662.5.1 元数据空间数据元数据元数据和空间数据元数据 元数据概念空间数据元数据概念空间数据元数据的标准 元数据标准名称元数据标准名称建立标准的组织建立标准的组织CSDGM地球空间数据元数据内容标准FGDC，美国联邦空间数据委员会GDDD数据库描述MEGRIN，欧洲地图事物组织CGSB空间数据库描述CSC，加拿大标准委员会CEN地学信息数据标准元数据CEN/TC

19、287DIF目录交换格式NASAISO地理信息ISO/TC211空间数据元数据的几个现有标准 2.5 空间数据元数据第66页/共78页672.5.2 空间数据元数据的作用查询空间信息 组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源 组织和维护一个机构对数据的投资 提供数据转换方面的信息 建立数据目录和数据交换中心，实现信息共享 第67页/共78页682.5.3 ArcGIS的元数据元数据样式表FGDC ESRI样式表 FGDC FAQ样式表 ISO样式表 XML样式表 第68页/共78页69元数据的管理与编辑元数据的输入输出 FGDC编辑器FGDC编辑器第69页/共78页70空间数据元数据的应用空间数

20、据元数据的应用数据存储和功能实现在数据集成中控制数据流空间数据质量控制帮助用户获取数据第70页/共78页71复习思考题1、谈谈你对“空间”的理解。2、我国的大地坐标系是如何定义的？3、矢量数据与栅格数据各有何特点？试比较它们的优缺点？4、什么是拓扑？它有什么重要意义？5、试举例说明常用的数据编码方法。6、什么是空间数据质量？空间数据质量指标主要有哪些？7、怎样理解“空间数据质量问题不可避免以及空间数据质量是可以控制的”这一判断？8、常见的空间数据质量控制方法有哪些？9、什么是空间数据的元数据？其主要内容是什么？空间数据的元数据有何作用？第71页/共78页72实习二 空间数据的表达目的：初步熟悉

21、空间数据的矢量和栅格表达矢量（点、线、面）栅格实习要求：在ArcGIS中，分别将point1、polyline1、polygon1按分辨率2、4、8、16、32、64转换成栅格文件；分别将以上生成的栅格文件按缺损值转换成点、线、多边形的矢量文件；将新生成的矢量文件与分别与point1、polyline1、polygon1进行比较，分析它们之间的差异，并总其规律，写一简要报告。第72页/共78页73实习三 ArcGIS基本操作与数据表示ArcGIS的数据文件矢量：shapefile、coverage栅格：grid、tif、jpgGeodatabaseArcGIS中的数据浏览空间数据浏览属性数据浏

22、览第73页/共78页74实习四 栅格像元的不同编码方法及误差比较实验目的：实验目的：了解主要类型法、像元中心法等栅格像元编码方法及其误差特征。实验内容：以ArcGIS为基础，对土地利用数据ld502323进行两种不同的栅格编码，并比较其在同种编码方法不同分辨率下、以及同种分辨率不同编码方法下各类土地的面积误差。实验原理：矢量数据转换成栅格数据时，栅格像元需要进行编码。常用的编码方法包括主要类型法和像元中心法。实验方法：采用不同的分辨率，根据不同的编码方法，将矢量数据转换成栅格数据，统计并比较各类数据中各种土地的面积，分析误差特征。第74页/共78页75实习五 ArcGIS中空间数据的显示实验目

23、的：了解ArcMap中空间数据的显示方法。实验内容：在ArcMap环境下，充分运用各种工具及方法实现对空间数据的不同显示。实验原理：在ArcMap内容表中，通过图层、图层组、数据框等来组织地图，在显示区中提供两种地图视图方式，即数据视图和版面视图。图层中的要素可以采用不同的符号来显示；通过控制图层的比例尺范围，可以使地图在不同比例尺时都能够做到主次清晰。实验方法：认识ArcMap界面中各功能区的不同作用；对图层、图层组、数据框进行相关的操作以理解地图的组织形式和空间数据的显示方法；对图层进行符号化和比例尺设置，以控制空间数据的显示。第75页/共78页76实习六 ArcGIS中空间数据的操作实验

24、目的：实验目的：了解ArcCatalog中空间数据的基本操作。实验内容：实验内容：在ArcGIS的ArcCatalog环境下，了解ArcGIS支持的不同格式数据的特点，并掌握不同类型数据的操作，熟悉建立目录连接和网络服务器连接。实验原理：实验原理：ArcGIS支持多种不同格式的空间数据，并可以根据需要将这些数据与目录和网络服务器进行连接；ArcCatalog主要用来浏览、组织、分发、记录各种数据。实验方法：实验方法：在ArcGIS的ArcCatalog环境下对不同格式数据进行一系列操作。第76页/共78页77实验七 元数据的浏览与编辑实验目的：实验目的：掌握元数据的浏览与编辑方法。实验内容：在ArcGIS环境下，浏览元数据的各项内容，采用不同的样式对元数据进行显示，并对元数据进行编辑。实验原理：实验原理：元数据是“关于数据的数据”。ArcCatalog显示区中的Metadata标签下列出了元数据的各项内容，元数据工具条可以控制元数据的显示与编辑。实验方法：实验方法：在ArcCatalog中，以ArcGIS安装目录下Arctutor文件夹中的数据为例，浏览元数据的各项内容，采用不同的样式对元数据进行显示，并采用元数据编辑对话框对元数据进行编辑。第77页/共78页78感谢您的观看！第78页/共78页