第二章 空间信息基础 第一节 常规的地理空间信息描述法 第二节 地理信息数字化描述方法 第一节常规的地理空间信息描述法常规的地理空间信息描述法1、地球空间模型描述、地球空间模型描述第一类是地球的自然表面第一类是地球的自然表面，它是一个起伏不，它是一个起伏不平，十分不规则的表面，非常复杂，难以用平，十分不规则的表面，非常复杂，难以用一个简洁的数学表达式描述出来，所以不适一个简洁的数学表达式描述出来，所以不适合于数字建模；它在诸如长度、面积、体积合于数字建模；它在诸如长度、面积、体积等几何测量中都面临着十分复杂的困难等几何测量中都面临着十分复杂的困难 第二类是相对抽象的面，即大地水准面。以大地水准面为基准，可以方便地用水准仪完成地球自然表面上任意一点高程的测量。尽管大地水准面比起实际的固体地球表面要平滑得多，但实际上，由于海水温度的变化，盛行风的存在，可以导致海平面高达百米以上的起伏变化。第三类是模型，就是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。大地水准面接近与绕自转轴旋转的椭球体。所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体。这个旋转球体通常称地球椭球体。地球椭球体表面是一个规则的数学表面。椭球体的大小通常用两个半径长半径a和短半径b，或由一个半径和扁率来决定。扁率表示椭球的扁平程度。扁率f的计算公式如下：f=(a-b)/aa、b、f称为地球椭球体的基本元素。图3-1 地球表面、大地水准面和地球椭球体之间的关系第四类是数学模型，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(Tel1uriod)、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。 2、地理空间坐标系的建立、地理空间坐标系的建立 根据地理坐标系，地面上任一点的位置可由该点的纬度和经度来确定。地理坐标是一种球面坐标，难以进行距离、方向、面积等参数的计算。需要把地面上的点表示在平面上，采用平面坐标系（笛卡儿平面直角坐标）。曲面上的各点不能直接表示在平面上，因此必须运用地图投影的方法，建立地球表面和平面上点的函数关系，使地球表面上任一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与它相对应的点。不考虑地形起伏等因素，则纬度不考虑地形起伏等因素，则纬度 、经度、经度 、地球旋转椭球、地球旋转椭球体参量体参量a a、b b与平面直角坐标与平面直角坐标x x、y y之间的变换关系如下：之间的变换关系如下：地图投影变换引起了地理空间要素在平面形态上的变化，地图投影变换引起了地理空间要素在平面形态上的变化，包括长度变化、方向变化和面积变化。但是，平面直角坐包括长度变化、方向变化和面积变化。但是，平面直角坐标系标系(x(x，y)y)却建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进却建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。间数据处理和分析。地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间。放在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间。三维地理信息系统中所涉及的地理空间，则是在上述笛卡三维地理信息系统中所涉及的地理空间，则是在上述笛卡儿平面直角坐标系上加上第三维儿平面直角坐标系上加上第三维z z，代表地面相对于该旋，代表地面相对于该旋转椭球体表面的高程。转椭球体表面的高程。3、地图对地理空间的描述、地图对地理空间的描述地图是现实世界的模型，它按照一定的比例、一定的投影原则有选择地将复杂的三维现实世界的某些内容投影到二维平面媒介上，并用符号将这些内容要素表现出来。地理空间的实体分为点、线、面三种要素（1 1）点状要素）点状要素点状要素，是指那些占面积较小，不能按比例尺表示，又点状要素，是指那些占面积较小，不能按比例尺表示，又要定位的事物。因此，面状事物和点状事物的界限并不严要定位的事物。因此，面状事物和点状事物的界限并不严格。如居民点，在大、中比例尺地图上被表示为面状地物，格。如居民点，在大、中比例尺地图上被表示为面状地物，在小比例尺地图上则被表示为点状地物。在小比例尺地图上则被表示为点状地物。通常以点状符号的形状和颜色表示质量特征，以符号的尺通常以点状符号的形状和颜色表示质量特征，以符号的尺寸表示数量特征，将点状符号定位于事物所在的相应位置寸表示数量特征，将点状符号定位于事物所在的相应位置上。图上。图2-32-3为几种点状符号举例。为几种点状符号举例。图2-3 几种点状符号图2-4 几种线状符号(2)(2)线状要素线状要素对于地面上呈线状或带状的事物如交通线、河流、对于地面上呈线状或带状的事物如交通线、河流、境界线、构造线等，在地图上，均用线状符号来表境界线、构造线等，在地图上，均用线状符号来表示。示。对于线状和面状实体的区分，也和地图的比例尺有对于线状和面状实体的区分，也和地图的比例尺有很大的关系。如河流，在小比例尺的地图上，被表很大的关系。如河流，在小比例尺的地图上，被表示成线状地物，而在大比例尺的地图上，则被表示示成线状地物，而在大比例尺的地图上，则被表示成面状地物。通常用线状符号的形状和颜色表示质成面状地物。通常用线状符号的形状和颜色表示质量的差别，用线状符号的尺寸变化（线宽的变化）量的差别，用线状符号的尺寸变化（线宽的变化）表示数量特征。图表示数量特征。图2-42-4是几种线状符号。是几种线状符号。（3 3）面状要素）面状要素面状分布的地理事物分布状况有连续分布的，如气温、土壤等，有不面状分布的地理事物分布状况有连续分布的，如气温、土壤等，有不连续分布的，如森林、油田、农作物等；所具有的特征也不尽相同，连续分布的，如森林、油田、农作物等；所具有的特征也不尽相同，有的是性质上的差别，如不同类型的土壤，有的是数量上的差异，如有的是性质上的差别，如不同类型的土壤，有的是数量上的差异，如气温的高低等。因此，表示它们的方法也不相同。图气温的高低等。因此，表示它们的方法也不相同。图2-5 2-5 地图对面状地图对面状要素的描述要素的描述对于不连续分布或连续分布的面状事物的分布范围和质量特征，一般对于不连续分布或连续分布的面状事物的分布范围和质量特征，一般可以用面状符号表示。符号的轮廓线表示其分布位置和范围，轮廓线可以用面状符号表示。符号的轮廓线表示其分布位置和范围，轮廓线内的颜色、网纹或说明符号表示其质量特征。具体方法有范围法、质内的颜色、网纹或说明符号表示其质量特征。具体方法有范围法、质底法。例如土地利用图中，描述的是一种连续分布的面状事物，在地底法。例如土地利用图中，描述的是一种连续分布的面状事物，在地图上通常用地类界与底色、说明符号以及注记等配合表示地表的土地图上通常用地类界与底色、说明符号以及注记等配合表示地表的土地利用情况（见上图）。利用情况（见上图）。对于连续分布的面状事物的数量特征及变化趋势，对于连续分布的面状事物的数量特征及变化趋势，常常可以用一组线状符号常常可以用一组线状符号等值线表示，如等温等值线表示，如等温线、等降水量线、等深线、等高线等，等值线的线、等降水量线、等深线、等高线等，等值线的符号一般是细实线加数字注记。等值线的数值间符号一般是细实线加数字注记。等值线的数值间隔一般是常数，这样，就可以根据等值线的疏密，隔一般是常数，这样，就可以根据等值线的疏密，判断制图对象的变化趋势或分布特征。判断制图对象的变化趋势或分布特征。通过地图符号形状、大小、颜色的变化及地图注通过地图符号形状、大小、颜色的变化及地图注记对这些符号的说明、解释不仅能表示实体的空记对这些符号的说明、解释不仅能表示实体的空间位置、形状、质量和数量特征，而且还可以表间位置、形状、质量和数量特征，而且还可以表示各实体之间的相互联系，如相邻、包含、连接示各实体之间的相互联系，如相邻、包含、连接等。等。地图是地理实体的传统载体，但随着人们对地理地图是地理实体的传统载体，但随着人们对地理信息需求量的增加及对其需求质量和速度的提高，信息需求量的增加及对其需求质量和速度的提高，再加之计算机技术的发展，使得用计算机管理空再加之计算机技术的发展，使得用计算机管理空间信息，建立地理信息系统成为可能。间信息，建立地理信息系统成为可能。4、遥感影象对地理空间的描述、遥感影象对地理空间的描述遥感影象对空间信息的描述主要是通过不同的颜色和灰度来表示的。 这是因为地物的结构、成分、分布等的不同，其反射光谱特性和发射光谱特性也各不相同，传感器记录的各种地物在某一波段的电磁辐射反射能量也各不相同，反映在遥感影象上，则表现为不同的颜色和灰度信息。所以说，通过遥感影象可以获取大量的空间地物的特征信息。 通过如右图所示的遥感图象，明显地可以获得这个区域的地貌特征和断裂带的信息。还要说明的是，利用遥感影象通常可以获得多层还要说明的是，利用遥感影象通常可以获得多层面的信息，对遥感信息的提取一般需要具有专业面的信息，对遥感信息的提取一般需要具有专业知识的人员通过遥感解译才能完成。知识的人员通过遥感解译才能完成。（a）地貌信息 （b）断裂带信息图2-7 遥感影象表示的专题信息第二节 地理信息数字化描述方法 1 1 传统的手段（地图和遥感影象）描述地理信息存的传统的手段（地图和遥感影象）描述地理信息存的问题：问题：地图的生产周期太长，不能满足目前科研、生产与地图的生产周期太长，不能满足目前科研、生产与管理工作需要及时得到有关地表变化信息的要求。管理工作需要及时得到有关地表变化信息的要求。遥感影象因为存在着变形，须首先对其进行纠正。遥感影象因为存在着变形，须首先对其进行纠正。另外，遥感影象因为其成像方式的不同，不同的影另外，遥感影象因为其成像方式的不同，不同的影象有不同的影象特征，必须解译才能变成人们所习象有不同的影象特征，必须解译才能变成人们所习惯的地图方式，工作量大。惯的地图方式，工作量大。2 对地理信息系统进行数字化描述要使计算机能够识别地理事物的形状，必须精确地指出空间模式如何处理，如何显示等。在计算机内描述空间实体有两种形式：显式描述和隐式描述。例如一条河流，在计算机中的显示表示，就是栅例如一条河流，在计算机中的显示表示，就是栅格中的一系列像元，如下图所示，为使计算机认格中的一系列像元，如下图所示，为使计算机认识这些像元描述的是河流而不是其它物体，这些识这些像元描述的是河流而不是其它物体，这些像元都给予相同的编码值像元都给予相同的编码值R R或者用相同的颜色、或者用相同的颜色、符号、数字、灰度值来表示符号、数字、灰度值来表示 河流的隐式表示是由一系列定义了始点和终点河流的隐式表示是由一系列定义了始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点的线及某种连接关系来描述，线的始点和终点坐标定义为一条表示河流及其河心洲形状的矢坐标定义为一条表示河流及其河心洲形状的矢量（如图量（如图3-83-8（c c）。）。 （a） （b） （c）图3-8 河流的显示和隐式表示栅格数据结构：计算机对地理实体的显式描述。矢量数据结构：计算机对地理实体的隐式描述。在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成。这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数字遥感图象就是栅格数据结构。在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把地理实体分为点、线、面三种，每种实体有不同的编码方法，具体的内容在第三章有专门的介绍。地图和遥感影象是空间信息的常见载体，所以，下面看一看地图和遥感影象描述的空间信息用数字化的方式（栅格和矢量）如何表示：有一个如图3-9所示的地图，图中有点状地物高程点、烟囱，线状地物铁路，面状地物居民点、林地、菜地等，用矢量和栅格数据结构的表示如图3-10所示。在矢量数据结构中，点状地物用点状地物所在位置的一对坐标表示其位置，其属性值（是高程点还是烟囱，高程点的值是多少）则用其它的数据项来表示。线状地物则用一组有序的坐标对来表示，如矢量图中铁路的表示；如矢量图中铁路的表示；面状地物则用组成面状地面状地物则用组成面状地物的边界来表示，如居民物的边界来表示，如居民点、林地等。同样线状地点、林地等。同样线状地物和面状地物的属性值都物和面状地物的属性值都要用其它的数据项来表示。要用其它的数据项来表示。 (a) (a) 地图的矢量表示地图的矢量表示 （b b）地图的栅格表示）地图的栅格表示图3-9 含有点、线、面三种要素的地图(a) 地图的矢量表示 （b）地图的栅格表示图 3-10 地图的矢量和栅格表示图图 3-10 3-10 地图的矢量和栅格表示地图的矢量和栅格表示图图3-9 3-9 含有点、线、面三种要素的地图含有点、线、面三种要素的地图用栅格结构表示地图，首先要给定每个物体的编码，如给定高程点的编码用栅格结构表示地图，首先要给定每个物体的编码，如给定高程点的编码为为9 9，烟囱的编码为，烟囱的编码为7 7，铁路的编码为，铁路的编码为1 1，居民点的编码为，居民点的编码为5 5，林地的编码为，林地的编码为3 3，菜地的编码为，菜地的编码为4 4，则图，则图3-93-9的地图用栅格结构表示为的地图用栅格结构表示为3-103-10（b b）。）。对于如图2-6所示的遥感图象，用矢量和栅格的表示如图3-11所示。通过遥感影象提取的不同专题信息需用不同的文件分别存储和表示。图3-11 遥感图象中信息的矢量和栅格表示由以上两例可看出，至少有两种数字化的方法可以表示空间信息：栅格法：由一系列x,y坐标定位的像元，每个像元独立编码，并载有属性。矢量法：三种主要地理实体的点、线、面中，点类似于像元，但不占有面积，其余两种均由一系列内部相关联的坐标形成，一定的面或线则与一定的属性连接。