地理空间数据组织与管理

第二部分地理空间数据组织与管理（一）第五章地理空间信息基础GIS表达的是地理空间信息，为了描述地理空间信息，需要建立地球空间模型，确定地理空间参照系统，进行地图投影变换，对地理空间信息的空间位置、空间关系以及空间属性等数据进行定义和表达。这些内容共同构成了地理空间信息基础。平面坐标系地理坐标系第一节地理空间信息的描述方法“空间”的概念是GIS的重要概念。在地理学上，地理空间（GeographicSpace）是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式、格局及其在时间上的延续。地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面。地球表层地基准是陆地表面和大样表面，是人类活动最频繁的区域，人地关系最复杂、最紧密。是地球圈层相互作用区域，物理、化学、生物过程就发生在地理空间之中。也是宇宙过程对地球影响最大的区域。第一节地理空间信息的描述方法在GIS中，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的实体的空间位置的集合，它由一系列不同位置上的实体的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，它由不同实体之间的空间关系构成。为了表达地理空间信息，就需要建立地理空间信息的描述模型和方法。第一节地理空间信息的描述方法一、地球空间模型描述地球表面的几何模型。是定义合适的地理参照系统的依据。根据大地测量学的研究，球表面几何模型分为四类：地球的自然表面模型、地球的相对抽象表面模型、地球的旋转椭球体模型和地球的数学模型。第一节地理空间信息的描述方法1、地球的自然表面模型地球的自然表面模型是地球的自然体，起伏而不规则，呈梨形形状。第一节地理空间信息的描述方法2、地球的相对抽象表面模型地球的相对抽象表面模型，即由大地水准面描述的模型。是假设当一个海水面处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，且与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面构成的地表模型。以大地水准面为基准，就可以利用水准测量对地球自然表面任意一点进行高程测量。由于地球重力的影响，大地水准面也是一个不规则曲面，但起伏远小于自然表面。第一节地理空间信息的描述方法3、地球的旋转椭球体模型地球的旋转椭球体模型，是为了测量成果计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球，且这个旋转椭球是由一个椭圆绕其短轴旋转而成的。它是以大地水准面为基础的。凡是与局部地区(一个或几个国家)的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称为参考椭球。1:5,000,000基于圆的旋转体1:1,000,000基于椭圆的旋转体长半轴a、短半轴b,扁率f=(a-b)/a如WGS84定义的参考椭球：a=6378137.0meter1/f=298.257223563不同的参考椭球，参数不一样。我国测图历史上层使用的参考椭球：1、1952年前，海福特椭球；2、1954年～1980年，克拉索夫斯基椭球a=6378245m,b=6356863m,f=1:298.33、1980年后，1975年国际大地测量学与地球物理学联合会推荐的椭球；a=6378140m,b=6356755m,f=1:298.257922第一节地理空间信息的描述方法地球表面大地水准面参考椭求表面地球自然表面、大地水准面、参考椭球面的关系第一节地理空间信息的描述方法4、地球的数学模型地球的数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。第一节地理空间信息的描述方法二、地理空间参照系的建立地理空间参照系是表示地理实体的空间参照系统，在GIS中，一个基本原则是：所有的空间数据都必须纳入统一的地理空间参照系。主要有地理坐标系和投影坐标系。除少数局部GIS应用，例如一个研究区域仅有几百平米或几平方千米且不予其它区域研究研究结果进行比较时，可以忽略大地参考系统与坐标系统对GIS的影响。但大多数情况是，建立全局的参考框架对GIS非常重要。过去的地图通常使用国家地图机构定义与维护的国家大地测量框架，这在地图生产方面，尤为突出。GPS的出现，为全球统一参考框架的实现提供了可能性。因为GPS提供了全球统一参考框架下低成本、实时测量定位的方法手段。第一节地理空间信息的描述方法1、地理坐标系地理坐标系是为确定地面点的位置，而定义的以经纬度为坐标量测值的空间参照系。第一节地理空间信息的描述方法第一节地理空间信息的描述方法以大地水准面和铅垂线为依据，用天文测量的方法，可获得地面点的天文经纬度。测量有天文经纬度坐标(λ,φ)的地面点，称为天文点。以旋转椭球和法线为基准，用大地测量的方法，根据大地原点和大地基准数据，由大地控制网逐点推算各控制点的坐标(L，B)，称为大地经纬度。第一节地理空间信息的描述方法地理坐标可以用于地球表面地理实体的定位。但由于量测单位的不一致，导致相同的角度代表不同的距离，因此它不具有标准的长度度量标准。直接利用地理坐标进行距离、面积和方向等参数运算是复杂的，也不能方便显示数据到平面上。把地面点表示在平面上的方法是采用笛卡儿坐标系（平面直角坐标）。要用平面坐标系表示地面上的任何一点的位置，首先要把曲面展开为平面，但地球表面是不可展开的曲面，因此必须应用投影的方法，建立地球表面与平面上点的函数关系。因此产生了不同的地图投影变换方法。大地坐标系（另一种位置定义）对地理位置的描述方法有两种：1、直接定位法，是基于坐标系统的一种地理位置描述方法，在坐标系统为参考的基础上，能确定空间（1维、2维、3维，甚至多维）中任何点的唯一坐标。2、间接定位法，基于属性值（如行政单元、邮政地址、公路编号）进行地理位置描述的一种方法。根据所需的精度，可以将空间点无歧义映射到特定的地理位置。所有直接定位都通过包括大地基准的大地参考系进行。大地参考系包括定义地表点位的所有必须的元素。大地坐标系的标识通常用全称或英文简写。如WGS84,或WorldGeodeticSystem1984。大地坐标系的原点、方向和旋转都有大地基准来确定。大多数地理参考系只有一个基准。然而，由于过去水平位置和垂直分量测量通常是分开独立进行的。这样，一个坐标参考系统有两个基准，即大地平面基准和垂直基准(平面坐标系，高程坐标系)。三维大地基准定义了相对于地球质心的原点位置，相对于传统地球旋转轴的Z轴方向，相对于传统起始子午线的X轴方向，于Y轴一起构成右手坐标系。XYZOP大地参考系中的笛卡儿坐标当大地参考系和参考椭球体的参数选定之后，假定原点重合，椭球的长短轴与大地坐标轴重合，则空间任意一点的经纬度、高度可以确定。(X,Y,Z)=f(λ,φ,h)第一节地理空间信息的描述方法2、投影坐标系统投影坐标系统（平面坐标系），将椭球面上的点，通过投影的方法投影到平面上时，通常使用平面坐标系统。平面坐标系统分为平面极坐标系统和平面直角坐标系统。第一节地理空间信息的描述方法投影坐标系统X坐标东移；Y坐标北移。X=f(φ,λ)Y=g(φ,λ)9.27第一节地理空间信息的描述方法投影坐标系统定义了地理实体的平面位置，其到大地水准面的高度是由高程系来定义的。高程是由高程基准面起算的地面点的高度。而高程基准面是根据多年观测的平均海水面来确定的。也就是说，高程(也称海拔高程、绝对高程)是指地面点至平均海水平的垂直高度。地面点之间的高程差，称为相对高程，简称高差。一个国家一般只能采用一个平均海水面作为统一的高程基准。我国国家高程基准曾采用过1956年黄海高程系，1985年国家高程基准。不幸的是，在水利方面，还有吴淞高程系、珠海高程系。今天一些部门正在统一它们。不同的高程系为GIS数据的集成应用带来不便。第一节地理空间信息的描述方法为了制作地图和使用地图的方便，经常会将地理经纬线网和方里网绘制在地图上。经纬线网，指由经线和纬线所构成的坐标网，又称地理坐标网。方里网，是由平行于投影坐标轴的两组平行线所构成的方格网。因为是每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，所以称之为方里网，同时由于方里线又是平行于直角坐标轴的坐标网线，故又称直角坐标网。第一节地理空间信息的描述方法三、地图投影的概念地图投影在GIS中是必须的。在计算机显示和地图输出时，需要将地球球面上的实体表示在平面上。第一节地理空间信息的描述方法1、地图投影的概念转换三维地球表面到二维地图平面的数学处理方法称之为地图投影。它是一种透视投影。地图投影第一节地理空间信息的描述方法由于要将不可展的地球椭球面展开为平面，且不能有断裂，那么图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，因而投影变形是不可避免的。投影变形通常包括三种，即长度变形、角度变形和面积变形。投影与变形切线地图投影是为特定的制图目的服务的。根据控制投影变形的目的，有以下投影类型：①等角投影（正形投影，正射投影），它保持局部形状相似，但不能保证面积相等。但面积较大时，也不能保证形状不变。②等面积投影，保持面积不变，但角度、形状、和比例会发生变形。③等距离投影，是一种既不等面积也不等角的投影。长度、角度、面积、比例均有变形。但面积变形小于等角，形状变形小于等积。第一节地理空间信息的描述方法2、地图投影的方法地图投影的方法主要由圆锥投影、圆柱投影、平面（方位）投影等，它们均包括正轴、斜轴、横轴等投影方式，在此基础上又分为相切、相割方式两种情况在建立投影函数时，即（X,Y）=f(φ,λ)又有不同的计算函数，如我国使用的高斯投影、兰波特投影等。第一节地理空间信息的描述方法圆锥投影第一节地理空间信息的描述方法圆柱投影第一节地理空间信息的描述方法平面（方位）投影投影分带3度带、6度带第一节地理空间信息的描述方法在GIS应用中，地图投影方法的选择主要是针对中小比例尺的地图投影而言的，基本比例尺地图投影类型和方法一般应按国家相关部门规定进行。在进行地图投影方法选择时，考虑的因素包括范围、形状、地理位置、用途、出版方式等。以减少图上变形为目的，最好使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致。其中范围、形状、地理位置最重要。第一节地理空间信息的描述方法在GIS中，地理数据的显示往往可以根据用户的需要，指定各种投影。但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，往往采用与国家基本系列地图所用的投影。我国常用的地图投影的情况为：(1)、我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5、1：1万、1：5000）除1：100万外均采用高斯—克吕格投影为地理基础；(2)、我国1：100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。(3)、我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）；(4)、Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离（即大圆航线）表现为近于直线，这有利于地理信息系统中和空间分析量度的正确实施。越来越多的GIS数据使用者开始从互连网下载数字地图或从数据生产部门购买数据，他们遇到的首要问题就是，这些数据有的是地理经纬度坐标，有的是不同投影坐标系的坐标，它们分别适用于各自的GIS工程项目，如果放在一起进行数据分析利用，就必须进行投影或重新投影转换。在GIS中，一个基本原则是所有的空间数据都必须纳入统一的地理空间参照系，否则，不同图层的地图要素无法在空间上相互配准。第一节地理空间信息的描述方法四、地理坐标系转换(重新投影)通常是指两个地理坐标系统之间的转换。分为地理坐标之间的直接转换或经由大地坐标之间的间接转换。如从NAD1927到WGS1984的转换。不同的投影方法不同的投影参数第一节地理空间信息的描述方法大地坐标系统是一个地心坐标系统（经由大地坐标的转换的关系可由下图描述。大地坐标系统地理坐标转换关系第一节地理空间信息的描述方法三参数坐标转换：七参数坐标转换：Molodensky方法是一种直接基于两个地理坐标系之间的转换。不必回到大地坐标系。需要三个大地坐标的平移量（DX,D