1、第四章 地理信息系統(tǒng)的地理基礎(chǔ),程承旗 北京大學(xué)遙感所與GIS研究所,地理信息系統(tǒng)的地理基礎(chǔ),地理基礎(chǔ)是地理信息數(shù)據(jù)表示格式與規(guī)范的重要組成部分。它主要包括統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)、統(tǒng)一的地理網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)以及統(tǒng)一的地理編碼系統(tǒng)，統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)就是要為地理信息系統(tǒng)選擇和設(shè)計(jì)一種或幾種適用的地圖投影系統(tǒng)和網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)。,一、地圖投影,地理坐標(biāo),地表空間實(shí)體的位置按嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義表達(dá)成地理坐標(biāo)（球面坐標(biāo)）或平面坐標(biāo)，地理坐標(biāo)以經(jīng)度坐標(biāo)/緯度坐標(biāo)表示。見下圖,地表的垂直和水平基準(zhǔn)面,地表以最近似平均海平面的地球重力等勢面作為高度為零的大地水準(zhǔn)面（Geoid)，以大地水準(zhǔn)面為參考測量得到的高度H被用于地形

2、制圖，它是一種正射（視）高度。如果將大地水準(zhǔn)面換成一個橢球面，人們也可以計(jì)算一個幾何高度h或以橢球面為參考的高度。 H-h即是大地水準(zhǔn)面和橢球面在基點(diǎn)的高度差。,幾何要素的量度,地球的形狀與大小 地球上的點(diǎn)位描述 地圖上的點(diǎn)位描述,地球的形狀,地球體 大地體 橢球體,橢球的大小,長半徑 a（赤道半徑） 短半徑 b（極半徑） 扁 率 =(a-b)/a 第一偏心率 e2=(a2- b2)/ a2 第二偏心率 e2=(a2- b2)/ b2,我國的橢球,海福特橢球體 克拉索夫斯基橢球體 IAG75橢球體,地面點(diǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng),大地坐標(biāo)系/地理坐標(biāo)系 高程系,我國的大地坐標(biāo)系和高程系,1954年北京坐標(biāo)系

3、 1980年國家大地坐標(biāo)系 1956年黃海高程系 1985年國家高程基準(zhǔn),地圖坐標(biāo)系統(tǒng),地理坐標(biāo)系 平面直角坐標(biāo)系 (用于繪制地圖) 平面極坐標(biāo)系 (用于地圖投影計(jì)算),地圖坐標(biāo)系統(tǒng)的建立,由投影幾何特征建立平面直角坐標(biāo)系; 自行規(guī)定坐標(biāo)系(原點(diǎn)/橫、縱軸).,大中比例尺地形圖坐標(biāo)系,1：50萬為高斯克呂格投影； 中央經(jīng)線和赤道投影后互為垂直的直線，作為直角坐標(biāo)軸； 兩種坐標(biāo)網(wǎng)格：經(jīng)緯網(wǎng)和公里網(wǎng),地圖投影的基本原理,一、地圖投影的基本分類 1、根據(jù)投影面及其與球面相關(guān)位置的分類 2、根據(jù)投影變形性質(zhì)的分類 3、根據(jù)投影探求的方法的分類 透視幾何投影：這類投影完全依據(jù)透視的原理，根據(jù)視點(diǎn)、 物點(diǎn)

4、與像點(diǎn)之間的幾何關(guān)系來建立投影的方程。 幾何解析投影：這類投影的特點(diǎn)是首先根據(jù)經(jīng)緯線形狀確定 投影方程的基本形式，再根據(jù)給定的某種條件解析地推 求出特定投影的具體方程。 解析投影解析投影事先并不人為確定經(jīng)緯線的形狀，其投影 后的經(jīng)緯線形狀與投影方程的形式完全依據(jù)人們給出的 條件逐步推求得到。 4、根據(jù)投影方程特征的分類,地圖投影的一般概念,地圖投影,所謂地圖投影就是建立地圖平面上的點(diǎn)（x,y)和地球表面上的點(diǎn)(,)之間的函數(shù)關(guān)系。一般通式為：,根據(jù)投影面與球面相關(guān)位置的分類圖,根據(jù)投影方程特征的分類圖,地圖投影的變形,長度變形 面積變形 角度變形,地圖投影中不可避免地存在著變形，在建立一個投影

5、時不僅要建立（x,y)與(,)之間的關(guān)系，而且要研究投影變形的分布與大小。地圖投影的變形主要體現(xiàn)在：,地圖投影變形的圖解示例（摩爾維特投影等積偽圓柱投影）,地圖投影變形的圖解示例（UTM橫軸等角割圓柱投影）,投影變形示意圖,GIS中地圖投影的設(shè)計(jì)與配置,一、地理信息系統(tǒng)與地圖投影 二、地理信息系統(tǒng)中地圖投影設(shè)計(jì)與配 置的一般原則,1）各國家的地理信息系統(tǒng)所采用的投影系統(tǒng)與該國的基本地圖系列所用的投影系統(tǒng)一致； 2）各比例尺的地理信息系統(tǒng)中的投影系統(tǒng)與其相應(yīng)比例尺的主要信息源地圖所用的投影一致； 3）各地區(qū)的地理信息系統(tǒng)中的投影系統(tǒng)與其所在區(qū)域適用的投影系統(tǒng)一致； 4）各種地理信息系統(tǒng)一般以一種

6、或兩種投影系統(tǒng)為其投影坐標(biāo)系統(tǒng)，以保證地理定位框架的統(tǒng)一。,統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)建立的基礎(chǔ),地理信息系統(tǒng)中地圖投影配置的一般原則為：,1）所配置的投影系統(tǒng)應(yīng)與相應(yīng)比例尺的國家基本圖投影系統(tǒng)一致； 2）系統(tǒng)一般地只考慮至多采用兩種投影系統(tǒng)，一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出，另一種服務(wù)于中小比例尺； 3）所用投影以等角投影為宜； 4）所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投影帶中應(yīng)保持完整。,我國地理信息系統(tǒng)中常用的地圖投影配置與計(jì)算,1）我國基本比例尺地形圖（1：100萬、1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1：1萬、1：5000萬）除1：1

7、00萬外均采用高斯-克呂格投影為地理基礎(chǔ)； 2）我國1：100萬地形圖采用了Lambert投影，其分幅原則與國際地理學(xué)會規(guī)定的全球統(tǒng)一使用的國際百萬分之一地圖投影保持一致；,3）我國大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)的Albers投影； 4）Lambert投影中，地球表面上兩點(diǎn)間的最短距離表現(xiàn)為近于直線，這有利于地理信息系統(tǒng)中的空間分析和信息量度的正確實(shí)施。,高斯克呂格投影,高斯投影是一種橫軸等角切橢圓柱投影，其條件為： 1）中央經(jīng)線和地球赤道投影成為直線且為投影的對稱軸； 2）等角投影； 3）中央經(jīng)線上沒有長度變形。 由公式可分析出高斯投影變形

8、具有以下特點(diǎn)： 1）中央經(jīng)線上無變形 2）同一條緯線上，離中央經(jīng)線越遠(yuǎn)，變形越大； 3）同一條經(jīng)線上，緯度越低，變形越大； 4）等變形線為平行于中央經(jīng)線的直線。,高斯克呂格投影示意圖,正軸圓錐投影,Lambert投影（正軸等角割圓錐投影）。,二、制圖綜合,制圖綜合的定義,制圖綜合是指在地圖主題與用途、比例尺和制圖區(qū)域地理特點(diǎn)等條件下，通過對地圖內(nèi)容的選取、概括和關(guān)系協(xié)調(diào)，建立起能反映區(qū)域地理規(guī)律和特點(diǎn)的新的地圖模型的理論、方法和過程.,制圖綜合的實(shí)質(zhì),在于用科學(xué)的選取與概括手段，在地圖上正確、明顯、深刻地反映制圖區(qū)域的空間分布和變化規(guī)律。,為何要進(jìn)行制圖綜合(Generalization),主

9、要解決在地圖有限的范圍內(nèi)表現(xiàn)繁雜廣闊的客觀世界的矛盾； 突出空間事物分布的規(guī)律性； 使地圖清晰易讀。,第一次制圖綜合的核心內(nèi)容,分類分級系統(tǒng)的確立 抽象（選?。?符號化,基礎(chǔ)空間要素的第二次制圖綜合主要內(nèi)容,內(nèi)容選?。ㄙ|(zhì)量/數(shù)量特征） 圖形概括/數(shù)據(jù)化簡 圖形關(guān)系協(xié)調(diào),專題空間要素的第二次制圖綜合主要內(nèi)容,分類分級(質(zhì)量/數(shù)量特征概括) 合并 符號化,單比例尺成圖模式,多比例尺成圖模式,制圖綜合的主要內(nèi)容(1),要素的選取(全額/部分選取) 化簡 同質(zhì)合并 異質(zhì)合并(重新分類與符號化),制圖綜合的主要內(nèi)容(2),圖形轉(zhuǎn)換 夸大 圖形協(xié)調(diào)(移位),制圖要素的選取過程,確定選取的分界尺度 (質(zhì)量/

10、數(shù)量/圖形尺寸) 確定選取定額 (地圖的面積載負(fù)量) 確定選取順序 要素的自動選取,制圖綜合方法,地理信息編碼,三、,地理信息編碼的意義,定量信息可以被計(jì)算機(jī)直接識別，而定性信息必須首先“數(shù)字化”才能被計(jì)算機(jī)接受，它是通過采用一種編碼方法將定性信息用“屬性特征碼”（簡稱特征碼）表示，這樣就可以將定性屬性信息輸入計(jì)算機(jī)中。,地理信息編碼的意義(續(xù)),地理信息編碼就是用數(shù)字或字符標(biāo)記空間對象的屬性。它既是標(biāo)識空間對象的標(biāo)志，組織和編排地理數(shù)據(jù)的媒介，又是存儲和檢索的標(biāo)志，是不可缺少的空間數(shù)據(jù)的一個組成部分。,地理特征碼,簡稱屬性碼，或特征碼。用來表示空間要素的類別、級別等分類特征或其它質(zhì)量特征的數(shù)

11、碼或字符。,地理信息編碼方法,地理屬性編碼法 圖形屬性編碼方法,地理屬性編碼,將真實(shí)世界地理事物和現(xiàn)象的定性與定量信息結(jié)合起來，直接進(jìn)行分類和分等定級，根據(jù)類別和等級賦予一定代碼的方法稱為地理屬性編碼。,地理屬性編碼方法,樹型分類結(jié)構(gòu)編碼法 多維指標(biāo)結(jié)構(gòu)編碼法,樹型分類結(jié)構(gòu)編碼法,樹型分類結(jié)構(gòu)首先對現(xiàn)象進(jìn)行分類分級，隨著級別的層次不同，要用數(shù)位代碼來表示一種空間實(shí)體屬性。不同級別之間為從屬關(guān)系或具有層次結(jié)構(gòu)。這是一種常見的分類體系與編碼方式。,多維指標(biāo)結(jié)構(gòu)編碼法,對于某種確定的空間現(xiàn)象的每個獨(dú)立因子變量用一位代碼表示，即每一位代碼表示一種屬性，碼位之間是并列關(guān)系，構(gòu)成二維表結(jié)構(gòu)。建立多個獨(dú)立變

12、量之間的關(guān)系（模型），可推導(dǎo)出其它派生變量。,圖形屬性編碼,對空間事物和現(xiàn)象的類別與等級，按某種地圖表現(xiàn)形式賦予一定代碼，這種方法可稱為圖形屬性編碼。例如道路可用線型、寬度、顏色等參數(shù)值描述。,屬性信息編碼原則,一致性 系統(tǒng)性 通用性和標(biāo)準(zhǔn)化 可擴(kuò)展性,編碼的一致性,一致性指對象的專業(yè)名詞、術(shù)語的定義必須嚴(yán)格保證概念的一致，對代碼所定義的同一專業(yè)名詞、術(shù)語必須是唯一的。,編碼的系統(tǒng)性,各種地理現(xiàn)象是地理系統(tǒng)的組成部分，彼此之間相互聯(lián)系、相互影響。編碼的系統(tǒng)性就是指在設(shè)置代碼時要明確地反映出現(xiàn)象之間的固有關(guān)系，具有嚴(yán)密的邏輯性、層次性和關(guān)聯(lián)性。,編碼的通用性和標(biāo)準(zhǔn)化,即要與國家已頒布的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)一致