GIS第2部分地理信息系统的数据结构.

第二章地理信息系统的数据结构•地理空间及其表达•地理空间数据及其特征•空间数据结构类型•空间数据结构建立第一节地理空间及其表达一、地理空间：地球上物质、能量、信息在形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局，以及在时间上的延续。–建立在地理空间坐标系基础上–地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。1、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P点作椭球面的垂线，称之为过P点的法线。•法线与赤道面的交角，叫做P点的纬度α（Latitude）。•过P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P点的经度λ（Longitude）。1、地理空间坐标系•地理坐标系（GeographicCoordinateSystem,GCS）基于球形单位（Degree），通过纬度（Latitude）和经度（Longitude）记录地理实体在地球上的空间位置。•投影坐标系（ProjectionCoordinateSystem,PCS）参数：–椭球（Spheriod）–基准面(Datum)–投影参数椭球及其中心所在位置（大地水准面）的组合称为基准面。大地水准面:相对于基准面的地球半径测量。小尺度（洲、国家等）范围采用各地相应的基准面。投影变形长度变形面积变形角度变形地图投影：投影实质投影面地球地图投影：通过一系列数学公式，将纬度和经度转换为平面x,y坐标后，地理坐标系成为投影坐标系。圆柱投影横向切倾斜圆柱投影方式切圆锥投影割圆锥投影几种常见的投影兰勃特(Lambert)投影是等角正轴切（割）圆锥投影；墨卡托(Mercator)投影是等角圆柱正轴切投影；高斯克吕格(Gauss-Kriiger)是等角圆柱横轴切投影；我国地形图有:北京54坐标系(3º带、6º带)西安80坐标系亚尔勃斯(Albers)是等积正轴切（割）圆锥投影。UTM投影（UniversalTransverseMercatolProjection，即通用横轴墨卡托投影）高斯—克吕格投影示意图地形图分幅我国的大地坐标系•我国现有大地坐标系：–1954北京坐标系——高斯-克吕格投影–1980年国家大地坐标系——高斯-克吕格投影•选用1975年国际大地测量协会推荐的国际椭球•赤道半径=6378140.0000000000m•极半径=6356755.2881575287m•地球扁率=1/298.257•原点：陕西省泾阳县永乐镇——西安原点地图投影：我国常用地图投影•1：100万：兰勃特投影（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特投影•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。GIS中地图投影•GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。•GIS数据库中地理数据可以地理坐标和投影坐标存贮。两者可以相互转换。•GIS中，地理数据的显示制图可根据用户的需要而指定投影方式。当所制地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，最好采用国家基本系列地图所用的投影。2、地图比例尺（Scale）•比例尺的含义：制图区域较小，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，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。•我国地图比例尺分级系统：大比例尺：1：500—1：10万中比例尺：1：10万—1：100万小比例尺：〈1：100万3、ArcGIS建立坐标系统信息坐标系统的信息用于描述空间数据坐标特性。亦称“空间参考”在ArcGIS中，可以在新建数据时定义坐标系统信息，也可以利用DefineProjection工具对已有的数据定义坐标系统信息。•对于文件形式的数据，定义投影后将产生一个投影文件（*.prj），投影文件是一个文本文件；•对数据库形式的数据，定义投影后，将把坐标系统信息增加到空间参照表中。•坐标系统的定义有三种方式：–选择预定义的坐标系统（在ArcGIS中，有几百种已定义的坐标系统）。–从其它数据（有坐标系统定义）中输入坐标系统。–创建一个新坐标系统。3、ArcGIS建立坐标系统信息ArcGIS中定义空间参考（投影坐标系统）界面选择预定义的坐标系统定义新的坐标系统建立坐标系统信息•一方面可以更好地认识数据；•另一方面，可以在视图窗口中实现空间坐标的实时转换，并以新的坐标系统输出。（如增加的第二个图层数据与第一个图层数据的坐标不一致，第二个图层数据自动转换空间坐标与第一个图层数据的坐标一致）3、ArcGIS建立坐标系统信息3、ArcGIS坐标系统变换•坐标系统的变换包括：–不同基准（Datum）地理坐标的相互转换–地理坐标与投影坐标转换（可以包括Datum转换）–不同投影坐标转换（可以包括Datum转换）–未定义（或未知）坐标与已定义坐标的转换•坐标系统的变换将产生空间坐标的变化，即产生新的空间数据。在ArcGIS中，可以利用Project工具实现已知坐标系统信息数据的相互转换，也可以利用几何校正模块实现未知坐标信息数据的相互转换。已知坐标系统信息数据的转换要求输入数据有坐标系统信息定义输出数据的坐标系统信息选择不同Datum相互转换模型•ArcGIS有几百种不同投影模型。如，北京54以及西安80的投影；Lambert、Albers和UTM等。•ArcGIS实现不同的通用的地图投影间的转换模型，但对于自定义投影，首先要定义投影参数才能建立转换模型。4、ArcGIS坐标系统变换ArcGIS投影及参数设置二、空间实体信息的表达•在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的；–点状：气象站、山峰、企事业单位等–线状：河流、海岸线、铁路、行政边界等–面状：土地利用模式、湖泊等点（point）实体•有位置，无宽度和长度；•抽象的点美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置线(line)实体•有长度，但无宽度和高度•用来描述线状实体。也可用于网络分析模型•度量实体距离香港城市道路网分布面(polygon)实体•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•表达方式（空间数据结构）:–矢量表示法（矢量数据模型）采用矢量坐标对表达基本的点、线、面要素。–栅格表示法（栅格数据模型）采用有固定大小的格网点表达基本要素，以及“场”。湖泊河道居民地空间对象（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),(x1,y1)属性：符号变化矢量数据独立的点物体用其所处的格网点来表示。二值图时其值为1，非二值图时用其属性代码作为格网值。如该点为电视塔（代码是105），则该格网的值即为105。面状地物用其在空间所覆盖的格网集合来表示。(同样，二值图时其值为1，非二值图时用其属性代码作为格网值。)线状地物借助于经过线段中心的一组格网来表示。(同样，二值图时其值为1，非二值图时用其属性代码作为格网值。)不同专题的地图数据可以置于不同的格网层面上，即用不同的栅格层面来表示不同的地理数据。栅格数据类型图第二节地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据类型和来源–地图数据地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源–影像数据各种遥感数据及其制成的图像资料,是GIS最有效的数据源之一–地形数据–属性数据(文字图表等)–元数据（Metadata）：“关于数据的数据”二、空间数据的基本特征空间对象的三大基本特征：–空间特征•绝对定位---某一坐标系的位置信息•相对定位---实体相互关系的拓扑信息–属性特征描述空间对象的特性，即是什么，如实体特征的名称，等级和数量等。–时间特征时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间联系或拓扑关系属性特征是指空间对象的专题属性：空间数据的时态特征196319721983197919871995GIS的空间数据组织传统上，常用的分专题地图叠盖分析的方法。分层（分专题）存贮地理信息，在应用时进行叠盖分析的思想方法被地理信息系统用来作为空间地理数据的组织。即空间地理信息特征在逻辑上被组织成一组信息层或专题数据层来存储，以备组合应用。通常基本的地理空间信息可以划分成许多基本层面。如道路交通、河流水系、土地利用、地形和居民地等层面。分层的地图空间信息示意地理信息系统软件ARC/INFO中，通常把一个个分层的专题数据层面称做为一个coverage(或shp)，其含义为一个覆盖面或一个覆盖层。MapInfo软件中一个图层为一个tab表。层的定义是地理特征以及用于描述这些特征的属性在逻辑意义上的集合。它是图形数据存贮的基本单元，也是进行叠加分析中众多个要素中的一个。空间数据特征：构造层的典型做法是将点、线和多边形分别放在不同的层面上。如：井位用点表示，可将其放在一个层面上；道路用线表示，放在另一个层面上。专题类型分组：把特征根据其所表示的对象在逻辑上加以组织。如森林植被组织在一个层面上；土壤土质组织在一个层面上；河流水系组织在一个层面上；道路组织在一个层面上。尽管其都是以线特征来表示的。实际应用目的：地理数据的使用目的决定了一个GIS之中需要建立哪些层，哪些地物特征建立在一个层面上，每层上需要有哪些描述性属性。如何分层？分层结构的GIS数据组织，需要各层数据都应有统一的几何坐标系统（即统一的底图）和统一的地图投影性质。如果数据资料来源(坐标、投影)不一样，要通过GIS的功能进行变换。这种数据组织使得GIS中各数据层可自成体系，各层能独立的进行图形编辑和分析提取，各层数据都可形成自己的拓扑空间关系，各层数据可以覆合显示和叠盖分析，能生成新的空间数据。分层数据的要求•拓扑的概念：明确定义空间结构关系的一种数学方法。•拓扑元素：点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段面：若干弧段组成的多边形•拓扑关系：邻接：相同拓扑元素之间的关系关联：不同拓扑元素之间的关系包含：不同级的元素之间的关系空间对象的拓扑空间关系起点终点中间点弧段1弧段3弧段2弧段4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N1е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2拓扑邻接（连接）：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：N1/е1、е3、е6；P1/е1、е5、е6拓扑包含：P3与P4结点（节点）集合结点名指针第一个离开弧段第一个到达弧段坐标N1e3e1x1，y1N2e1e2x2，y2N3e2e3x3，y3е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2弧段名e1N2N1P1P0e6e2s1e2N3N2e5P2P0e4e3s2e3N1N3e6e4P3P0s3e4N4N3e5e3P2P3e2e6s4始结点终结点离开始结点的下一条弧段到达终结点的下一条弧段右多边形左多边形右多边形顺时针下一条弧段左多边形逆时针下一条弧段坐标串е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2弧段集合顺时针弧段逆时针弧段指针属性P1e1e5e6t0P2e2e4e5t1P3e3e4e6t2多边形名P4e7t3多边形集合е1е2е5е6е4е7е3P1P3P2P4N4N3N5N2空间拓扑关系表达—关系表面域与弧段的拓扑关系面域弧段P1a,b,c,-gP2b,d,fP3c,f,eP4g结点与弧段的拓扑关系结点弧段Aa,c,eBa,d,bCd,e,fDb,f,cEg弧段与结点的拓扑关系弧段结点aA,BbB,DcD,AdB,CeC,AfC,DgE,E弧段与面域的拓扑关系弧段左邻面右邻面aP0P1bP2P1cP3P1dP0P2eP0P3fP3P2gP1abcdefgACBDEP4P0P1P2P3空间数据的拓