1、第二章 空間信息基礎(chǔ),第一節(jié) 常規(guī)的地理空間信息描述法 第二節(jié) 地理信息數(shù)字化描述方法,第一節(jié)常規(guī)的地理空間信息描述法,1、地球空間模型描述 第一類是地球的自然表面，它是一個(gè)起伏不平，十分不規(guī)則的表面，非常復(fù)雜，難以用一個(gè)簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述出來(lái)，所以不適合于數(shù)字建模；它在諸如長(zhǎng)度、面積、體積等幾何測(cè)量中都面臨著十分復(fù)雜的困難,第二類是相對(duì)抽象的面，即大地水準(zhǔn)面。以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)，可以方便地用水準(zhǔn)儀完成地球自然表面上任意一點(diǎn)高程的測(cè)量。盡管大地水準(zhǔn)面比起實(shí)際的固體地球表面要平滑得多，但實(shí)際上，由于海水溫度的變化，盛行風(fēng)的存在，可以導(dǎo)致海平面高達(dá)百米以上的起伏變化。,第三類是模型，就是以大地水

2、準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立起來(lái)的地球橢球體模型。大地水準(zhǔn)面接近與繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的橢球體。所以在測(cè)量和制圖中就用旋轉(zhuǎn)橢球來(lái)代替大地球體。這個(gè)旋轉(zhuǎn)球體通常稱地球橢球體。地球橢球體表面是一個(gè)規(guī)則的數(shù)學(xué)表面。橢球體的大小通常用兩個(gè)半徑長(zhǎng)半徑a和短半徑b，或由一個(gè)半徑和扁率來(lái)決定。扁率表示橢球的扁平程度。扁率f的計(jì)算公式如下： f=(a-b)/a a、b、f稱為地球橢球體的基本元素。,圖3-1 地球表面、大地水準(zhǔn)面和地球橢球體之間的關(guān)系,第四類是數(shù)學(xué)模型，是在解決其它一些大地測(cè)量學(xué)問(wèn)題時(shí)提出來(lái)的，如類地形面(Tel1uriod)、準(zhǔn)大地水準(zhǔn)面、靜態(tài)水平衡橢球體等。,2、地理空間坐標(biāo)系的建立,根據(jù)地理坐標(biāo)系，地面上任一

3、點(diǎn)的位置可由該點(diǎn)的緯度和經(jīng)度來(lái)確定。 地理坐標(biāo)是一種球面坐標(biāo)，難以進(jìn)行距離、方向、面積等參數(shù)的計(jì)算。 需要把地面上的點(diǎn)表示在平面上，采用平面坐標(biāo)系（笛卡兒平面直角坐標(biāo)）。 曲面上的各點(diǎn)不能直接表示在平面上，因此必須運(yùn)用地圖投影的方法，建立地球表面和平面上點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系，使地球表面上任一個(gè)由地理坐標(biāo)確定的點(diǎn)，在平面上必有一個(gè)與它相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。,不考慮地形起伏等因素，則緯度、經(jīng)度 、地球旋轉(zhuǎn)橢球體參量a、b與平面直角坐標(biāo)x、y之間的變換關(guān)系如下： 地圖投影變換引起了地理空間要素在平面形態(tài)上的變化，包括長(zhǎng)度變化、方向變化和面積變化。但是，平面直角坐標(biāo)系(x，y)卻建立了對(duì)地理空間良好的視覺(jué)感，并易于進(jìn)行

4、距離、方向、面積等空間參數(shù)的量算，以及進(jìn)一步的空間數(shù)據(jù)處理和分析。 地理信息系統(tǒng)中的地理空間，通常就是指經(jīng)過(guò)投影變換后放在笛卡兒坐標(biāo)系中的地球表層特征空間。 三維地理信息系統(tǒng)中所涉及的地理空間，則是在上述笛卡兒平面直角坐標(biāo)系上加上第三維z，代表地面相對(duì)于該旋轉(zhuǎn)橢球體表面的高程。,3、地圖對(duì)地理空間的描述,地圖是現(xiàn)實(shí)世界的模型，它按照一定的比例、一定的投影原則有選擇地將復(fù)雜的三維現(xiàn)實(shí)世界的某些內(nèi)容投影到二維平面媒介上，并用符號(hào)將這些內(nèi)容要素表現(xiàn)出來(lái)。,地理空間的實(shí)體分為點(diǎn)、線、面三種要素,（1）點(diǎn)狀要素 點(diǎn)狀要素，是指那些占面積較小，不能按比例尺表示，又要定位的事物。因此，面狀事物和點(diǎn)狀事物的界

5、限并不嚴(yán)格。如居民點(diǎn)，在大、中比例尺地圖上被表示為面狀地物，在小比例尺地圖上則被表示為點(diǎn)狀地物。 通常以點(diǎn)狀符號(hào)的形狀和顏色表示質(zhì)量特征，以符號(hào)的尺寸表示數(shù)量特征，將點(diǎn)狀符號(hào)定位于事物所在的相應(yīng)位置上。圖2-3為幾種點(diǎn)狀符號(hào)舉例。,圖2-3 幾種點(diǎn)狀符號(hào),圖2-4 幾種線狀符號(hào),(2)線狀要素 對(duì)于地面上呈線狀或帶狀的事物如交通線、河流、境界線、構(gòu)造線等，在地圖上，均用線狀符號(hào)來(lái)表示。 對(duì)于線狀和面狀實(shí)體的區(qū)分，也和地圖的比例尺有很大的關(guān)系。如河流，在小比例尺的地圖上，被表示成線狀地物，而在大比例尺的地圖上，則被表示成面狀地物。通常用線狀符號(hào)的形狀和顏色表示質(zhì)量的差別，用線狀符號(hào)的尺寸變化（線

6、寬的變化）表示數(shù)量特征。圖2-4是幾種線狀符號(hào)。,（3）面狀要素 面狀分布的地理事物分布狀況有連續(xù)分布的，如氣溫、土壤等，有不連續(xù)分布的，如森林、油田、農(nóng)作物等；所具有的特征也不盡相同，有的是性質(zhì)上的差別，如不同類型的土壤，有的是數(shù)量上的差異，如氣溫的高低等。因此，表示它們的方法也不相同。圖2-5 地圖對(duì)面狀要素的描述 對(duì)于不連續(xù)分布或連續(xù)分布的面狀事物的分布范圍和質(zhì)量特征，一般可以用面狀符號(hào)表示。符號(hào)的輪廓線表示其分布位置和范圍，輪廓線內(nèi)的顏色、網(wǎng)紋或說(shuō)明符號(hào)表示其質(zhì)量特征。具體方法有范圍法、質(zhì)底法。例如土地利用圖中，描述的是一種連續(xù)分布的面狀事物，在地圖上通常用地類界與底色、說(shuō)明符號(hào)以及注

7、記等配合表示地表的土地利用情況（見(jiàn)上圖）。,對(duì)于連續(xù)分布的面狀事物的數(shù)量特征及變化趨勢(shì)，常?？梢杂靡唤M線狀符號(hào)等值線表示，如等溫線、等降水量線、等深線、等高線等，等值線的符號(hào)一般是細(xì)實(shí)線加數(shù)字注記。等值線的數(shù)值間隔一般是常數(shù)，這樣，就可以根據(jù)等值線的疏密，判斷制圖對(duì)象的變化趨勢(shì)或分布特征。 通過(guò)地圖符號(hào)形狀、大小、顏色的變化及地圖注記對(duì)這些符號(hào)的說(shuō)明、解釋不僅能表示實(shí)體的空間位置、形狀、質(zhì)量和數(shù)量特征，而且還可以表示各實(shí)體之間的相互聯(lián)系，如相鄰、包含、連接等。 地圖是地理實(shí)體的傳統(tǒng)載體，但隨著人們對(duì)地理信息需求量的增加及對(duì)其需求質(zhì)量和速度的提高，再加之計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得用計(jì)算機(jī)管理空間信息

8、，建立地理信息系統(tǒng)成為可能。,4、遙感影象對(duì)地理空間的描述,遙感影象對(duì)空間信息的描述主要是通過(guò)不同的顏色和灰度來(lái)表示的。 這是因?yàn)榈匚锏慕Y(jié)構(gòu)、成分、分布等的不同，其反射光譜特性和發(fā)射光譜特性也各不相同，傳感器記錄的各種地物在某一波段的電磁輻射反射能量也各不相同，反映在遙感影象上，則表現(xiàn)為不同的顏色和灰度信息。 所以說(shuō)，通過(guò)遙感影象可以獲取大量的空間地物的特征信息。 通過(guò)如右圖所示的遙感圖象，明顯地可以獲得這個(gè)區(qū)域的地貌特征和斷裂帶的信息。,還要說(shuō)明的是，利用遙感影象通?？梢垣@得多層面的信息，對(duì)遙感信息的提取一般需要具有專業(yè)知識(shí)的人員通過(guò)遙感解譯才能完成。,（a）地貌信息 （b）斷裂帶信息 圖2

9、-7 遙感影象表示的專題信息,第二節(jié) 地理信息數(shù)字化描述方法,1 傳統(tǒng)的手段（地圖和遙感影象）描述地理信息存的問(wèn)題： 地圖的生產(chǎn)周期太長(zhǎng)，不能滿足目前科研、生產(chǎn)與管理工作需要及時(shí)得到有關(guān)地表變化信息的要求。 遙感影象因?yàn)榇嬖谥冃危毷紫葘?duì)其進(jìn)行糾正。另外，遙感影象因?yàn)槠涑上穹绞降牟煌?，不同的影象有不同的影象特征，必須解譯才能變成人們所習(xí)慣的地圖方式，工作量大。,2 對(duì)地理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化描述,要使計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別地理事物的形狀，必須精確地指出空間模式如何處理，如何顯示等。在計(jì)算機(jī)內(nèi)描述空間實(shí)體有兩種形式：顯式描述和隱式描述。,例如一條河流，在計(jì)算機(jī)中的顯示表示，就是柵格中的一系列像元，如下圖

10、所示，為使計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)這些像元描述的是河流而不是其它物體，這些像元都給予相同的編碼值R或者用相同的顏色、符號(hào)、數(shù)字、灰度值來(lái)表示,河流的隱式表示是由一系列定義了始點(diǎn)和終點(diǎn)的線及某種連接關(guān)系來(lái)描述，線的始點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)定義為一條表示河流及其河心洲形狀的矢量（如圖3-8（c）。,（a） （b） （c） 圖3-8 河流的顯示和隱式表示,柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)對(duì)地理實(shí)體的顯式描述。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)對(duì)地理實(shí)體的隱式描述。 在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，整個(gè)地理空間被規(guī)則地分為一個(gè)個(gè)小塊（通常為正方形），地理實(shí)體的位置是由占據(jù)小塊的橫排與豎列的位置決定，小塊的位置則由其橫排豎列的數(shù)碼決定，每個(gè)地理實(shí)體的形態(tài)是由柵格或網(wǎng)

11、格中的一組點(diǎn)來(lái)構(gòu)成。 這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和遙感圖象的數(shù)據(jù)相同，因而數(shù)字遙感圖象就是柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。,在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，地理實(shí)體的形狀和位置是由一組坐標(biāo)對(duì)所確定。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)地理實(shí)體的描述類似于地圖對(duì)地理信息的描述，一般也把地理實(shí)體分為點(diǎn)、線、面三種，每種實(shí)體有不同的編碼方法，具體的內(nèi)容在第三章有專門(mén)的介紹。 地圖和遙感影象是空間信息的常見(jiàn)載體，所以，下面看一看地圖和遙感影象描述的空間信息用數(shù)字化的方式（柵格和矢量）如何表示：,有一個(gè)如圖3-9所示的地圖，圖中有點(diǎn)狀地物高程點(diǎn)、煙囪，線狀地物鐵路，面狀地物居民點(diǎn)、林地、菜地等，用矢量和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表示如圖3-10所示。在矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)狀地物用點(diǎn)狀

12、地物所在位置的一對(duì)坐標(biāo)表示其位置，其屬性值（是高程點(diǎn)還是煙囪，高程點(diǎn)的值是多少）則用其它的數(shù)據(jù)項(xiàng)來(lái)表示。線狀地物則用一組有序的坐標(biāo)對(duì)來(lái)表示，,如矢量圖中鐵路的表示；面狀地物則用組成面狀地物的邊界來(lái)表示，如居民點(diǎn)、林地等。同樣線狀地物和面狀地物的屬性值都要用其它的數(shù)據(jù)項(xiàng)來(lái)表示。 (a) 地圖的矢量表示 （b）地圖的柵格表示,圖3-9 含有點(diǎn)、線、面三種要素的地圖,(a) 地圖的矢量表示 （b）地圖的柵格表示 圖 3-10 地圖的矢量和柵格表示,圖 3-10 地圖的矢量和柵格表示 圖3-9 含有點(diǎn)、線、面三種要素的地圖 用柵格結(jié)構(gòu)表示地圖，首先要給定每個(gè)物體的編碼，如給定高程點(diǎn)的編碼為9，煙囪的編碼為7，鐵路的編碼為1，居民點(diǎn)的編碼為5，林地的編碼為3，菜地的編碼為4，則圖3-9的地圖用柵格結(jié)構(gòu)表示為3-10（b）。,對(duì)于如圖2-6所示的遙感圖象，用矢量和柵格的表示如圖3-