第二章 空间数据1空间数据的相关概念2空间数据的特性3空间数据的尺度4空间数据的来源5空间数据质量第一节、空间数据的相关概念1.空间数据2.地理空间和分析空间3.空间物体4.空间物体的维数和延展度5.空间变量和空间属性6.系统功能与数据间的关系1、空间数据作为地理信息系统处理和分析对象的地理数据（Geo Data)，或称空间数据(Spatial Data)，是描述地球表层一定范围（地理圈、地理空间）内地理事物（空间实体）数量、质量、分布特征、相互关系和变化规律的数据。2、地理空间与分析空间地理空间：是人类赖以生存的地球表层具有一定厚度的连续空间域，又称地理圈（人地关系系统）。分析空间：在空间数据处理中，用于分析实际应用问题的二维或三维空间范围，即研究范围。地理空间的表达u“地理空间”(geo-spatial)，一般用地理空间定位框架来定位和表达；GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，即地理空间定位框架，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；u地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成；u目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。3、空间物体空间实体（空间物体）：指具有确定位置和形态特征，并具有地理意义的地理空间的物体，即地理事物。u确定的位置u确定的形状u地理意义4、空间物体的维数与延展度空间物体的维数随应用环境而定，取决于分析空间的维数；空间物体的延展度反映空间物体本身的空间延展特性。l点0延展l线1延展度l面2延展度l体3延展度5、空间变量和空间属性空间变量：以空间物体为定义域，随空间物体的延展而变化的地理现象（变量）。是对定义域上的空间物体的局部描述。如河流的宽度、深度，水流的速度等。空间物体的属性：不随空间物体的延展而变化的地理现象。是定义域上的空间物体的全局描述。如河流的名称、长度等。6、系统功能与数据间的关系现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系(见下表)，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。系统功能与数据间的关系(据Jack Dangermond等)第二节、空间数据的特性1.空间性2.专题性3.时间性4.选择性5.抽样性6.多态性7.可靠性8.详细性与概括性9.完备性1、空间性空间性是空间数据的最主要特性。它是指空间物体的位置、形态以及由此产生的系列特性，如空间相互关系。2、专题性专题特征指的是空间特征以外的空间现象的非几何属性特征。如地形的坡度、坡向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等 3、时间性数据是静态的，而地理事物本身则可能是动态的不断变化的，某一数据只能反映地理事物的某一特定时刻或特定时间段内的情况。时间性导致数据的现势性问题。也就是说数据能否反映地理事物当前的状况。4、选择性数据只是从某一（些）侧面或角度描述地理事物的属性特征，反映了地理数据的选择性特征。数据的选择性还不仅指从这些侧面进行内容的取舍，同时还有存在方式的选择。因为存在方式的选择将直接影响侧面的选择。5、抽样性空间物体以连续的方式存在于地理空间，为了能以数字方式对其进行描述，必须将其离散化，即以有限的抽样数据表述无限的连续物体。u线的抽样u连续曲面变量的取样u属性的抽样6、多态性一是同样地物在不同情形下的形态差异；二是不同地物占据同样的空间位置。7、详细性与概括性详细性指数据的分辨率，也就是可描述最细微差异的程度以及最细小物体的大小。详细性的对偶是概括性u 空间详细性u 时间详细性u 质量详细性u 数量详细性概括性是空间数据处理的一种手段，是对地理物体的化简和综合8、可靠性如果不是直接获取的第一手资料，那数据就存在可靠性的问题。有些数据不是通过直接量测得到的，而是分析估算出来的，则更存在可靠性的问题。即使采用的是精密的 仪器、规范的统计方法，仍然会有误差，影响数据可靠性。数据在存储、管理、传播过程中也会影响其可靠性。9、完备性完备性指数据是否系统，是否有缺失。不完备的数据往往对分析造成困难。尤其是数据的数值分析，没有完备的数据是不可能进行的。第三节、空间数据的尺度 数据的不同存在方式在描述事物方面的能力具有明显的差异，而数据的存在方式决定于数据源本身。1、名义尺度2、有序尺度3、间隔尺度4、比率尺度1、名义尺度名义尺度（Nominal）描述事物名义上或类别上的差别，这种差别往往是质的差别。名义尺度对事物作区分，只回答“同”和“异”的问题。名义尺度背后一般的说有一个分类系统，在分类系统基础上，表示质的差别。不能进行算术运算；逻辑运算只有“等于”和“不等于”，两种形式；在统计学中，其中心趋势(Central tendency)用众数(Mode)来量测，众数定义为在某个分布中，最高频率所在的类别，即那个类别出现的次数最多，则这个类别就是众数。其散布情况用变率(variation ration)表示。变率定义为：u V=1-(Fmode/N)u 式中V表示变率，Fmode表示众数对应的频率，N表示样本数。2、有序尺度有序尺度（ordinal）表示事物的等级和次序概念，这种等级和次序比名义尺度稍具“量”的色彩。有序尺度可以将事物以一定的次序排列起来，这种次序具有对称性和传递性。类别之间的距离没有意义，故不能进行算术运算。对这类数据的逻辑运算除了 “等于”和“不等于”外，还有“大于”和“小于”。在统计学中，其中心趋势用中位数(Median)来量测。中位数定义为分布级别的中间值 ，在这个级别值之上和之下，其样本数是相等的。其散布情况定义为十分位范围(Decile Range)。即：样本按等级排序后，样本数顶部百分之十和底部百分之十上所对应等级值的差。比如，50个城市，按城市质量划分为110个等级，这50个城市按城市质量排序后，第五个城市被划分到第8级，第46个城市被划分为第5级。则十分位范围为8-5=3。3、间隔尺度间隔尺度（interval）可以比较事物的异同，以及事物之间排定次序或等级，还可以定量地描述事物间的相对差异大小。这种差异是相对关系，而不是绝对关系。其0点没有实际意义，只是相对值。如：海拔高度、温度4、比率尺度比率尺度（ratio）比间隔尺度更进一步，它除了具间隔尺度描述事物差异的一切能力外，还可以明确描述事物间的比率系数，表示事物之间的绝对差异。如：某种生物的数量u间距和比率其逻辑运算包括“等于”、“不等于”、“大于”和“小于”。u可以进行算术运算；u对于统计分析：p其中心趋势用均值表示：p其散布性用方差表示：3、小结A.尺度的差别往往不是事物本质的差异，而只是人们对事物的考察角度的差异。由于侧面的不同，数据的尺度会有所不同。B.尺度可以转化。一组已经统计好的数据，根据需要和经过一定的处理可以进行尺度的转化，但这种转化具有方向性。C.比率尺度数据和间隔尺度数据也统称为定量数据；名义尺度数据和有序尺度数据则统称为定性数据。第四节、地理数据的来源一、普通地图与专题地图二、统计数据和自然资源数据三、遥感数据四、全球定位系统的数据五、测量仪器的数据六、已有系统数据数据来源可以大致分为原始数据或处理加工后的数据，又可将数据源分为非电子数据和电子数据两类。一、普通地图与专题地图地图投影空间坐标框架体系比例尺表明参考坐标的控制点表示特定地理特征的图形符号通过地形图可取得高程数据，生成DEM普通地图和专题地图是GIS最重要的数据来源。通过数字化仪或扫描仪输入，可取得地理现象的位置信息，并通过键盘可输入地图上地理现象的属性值。采用扫描仪输入时，对扫描仪输入的数据需要通过矢量化软件进行矢量化。普通和专题地图数字化仪时，需要考虑以下因素：普通地图和专题地图的主要类别普通地图是一般性的参考图，它主要用来表达六方面内容；居民地、道路、行政边界、地形、地表覆盖、水系和典型目标物。常见的专题地图：u天气预测图以天气类型、温度和降水空间分存为主的地图；u旅游图以介绍旅游景点位置和交通状况为主的地图；u交通图以介绍街区和公共交通状况为主的地图；u地铁线路图反映地铁站点位置、路径、中转位置等为主的地图；u地势图以反映地形起伏和山脉高程为主的地图；u反映自然条件的专题地图有：地质图、土壤图、气候图、植被图、太阳能分布图、风能分布图、洋流图、潮汐图等；u反映经济状况的专题图：交通图、工业图、农业图、商业图、贸易图、水利图、电力图、渔业图、林业图、牧业图等。二、统计数据和实地采集的数据键盘输入，通过键盘既可以输入文字、数字形式的属性数据，也可以按照软件要求输入地理特征的坐标或地名，这些坐标或地名可以转换为位置信息。三、遥感数据1、卫星数据目前世界上常用的卫星数据仍是美国的陆地卫星（Landsat）专题制图仪（ThematicMapper，TM）、诺阿气象卫星的甚高分辩率辐射仪（NOAA-AVHRR）和法国SPOT卫星的较高分辩率传感器（HRV）数据及美国的SPACEIMAGING的IKNOS高分辨率卫星数据。2、几种对地观测卫星的传感器特性3、 遥感数据的特点能取得大面积的信息，能够提供大范围的瞬间静态图象数据更新快，即使是人类难以到达的偏远地区也能够做到这一点；数据更新快，能够进行大面积重复性观测；大大加宽了人眼所能观察的光谱范围；特别适合于表示连续变化的地理现象，如光谱反映的土壤含水量；能得到综合的信息；空间详细程度高信息类型丰富。通过解译，可提取各类专题信息。4、 遥感数据的处理方法遥感数据按其存储形式可通过扫描仪或直接读取的方式来输入：照片和胶片扫描仪输入数字产品：磁盘、磁带和光盘直接读取，往往需要格式转换。遥感数据必须进行几何校正才能和相应的地理数据相匹配四、全球定位系统的数据从GPS可以得到观测点的三维坐标，可实现空间数据的快速定位，是动态GIS最主要的数据源。五、测量仪器的数据普通测量仪器如经纬仪可直接取得测量对象的地理坐标解析测图仪可以从航片得到目标点的地理坐标，并同时进行了矢量化处理；解析测图仪可以直接从航片立体像对得到DEM（数字地面模型）第五节、空间数据质量第五节、空间数据质量1 1、空间数据质量的有关概念、空间数据质量的有关概念2 2、空间数据质量的含义、空间数据质量的含义3 3、空间数据质量的内容、空间数据质量的内容4 4、影响空间数据质量的因素、影响空间数据质量的因素空间数据质量分析的目的空间数据质量分析的目的在于分析和了解空间数据误差的性质、类型、大小和来源以及产生原因，对系统数据和处理结果中的不确定性因素进行模拟和估计，从而了解空间数据的可靠性和可信度。在此基础上，实现空间数据质量控制：空间数据质量控制:指在空间数据采集和分析过程中，对这些步骤和过程的一些指标和参数予以规定，对可能引入误差的步骤和过程加以控制，对检查出的误差和错误进行纠正，以达到提高空间数据质量和提高空间分析应用水平的目的。1、空间数据质量的有关概念A.准确度 （Accuracy）指测量值、计算值或估计值与真实值（或可视为真实值的值）的接近程度，用误差来表示；B.精度 （Precision）指数据表示的精密程度，亦即数据表示的有效位数。它表示了测量值本身的离散程度；C.不确定性 （Uncertainty）表示真实值不能被精确测量或肯定的程度；当真值不可测或无法知道时，就无法确定误差，因而用不确定性取代误差。实际上，不确定性一般是包含了真实值的一个范围。这个范围越大，数据的不确定性就越大。不确定性是地理事物本身固有的属性，不确定性可以看作是一种广义的误差，它包括可度量和不可度量的误差，也包含了数值和概念上的误差。2、空间数据质量的含义空间数据是对现实理事物的抽象和表达，由于现实地理事物的无限复杂性和模糊性，以及人类认识和表达能力的局限性，这种抽象和表达是不可能完全达到真实值，而只能在一定程度上接近真实值。而且，真实值往往是不可知的或不可测的（不确定性），由此，误差总是存在着的。空间数据质量的好坏不是一个绝对的概念。较准确的定义是：空间数据质量指空间数据对特定用途的分析和操作适用的程度。即数据质量是指数据适用于不同应用的能力。3、空间数据质量的内容1.位置精度 或称定位精度，为地理实体的坐标数据与实体的位置间的接近程度，常以空间三维坐标数据精度来表示，包括数学基础精度、平面坐标精度、高程精度、接边精度、形状再现精度、像元定位精度（分辨率）等；2.属性精度 为地理实体的属性值与其真实值相符的程度。属性精度通常取决于数据的类型，而且常常与位置精度有关；3.时间精度即现势性（Timeliness）：主要指数据的现势性，表示数据反映客观现象目前状况的程度。可以通过数据采集的时间和数据更新的时间和频度来表示。3、空间数据质量的内容（续）4.一致性 （Consistency）指对同一现象或同类现象在表达上一致程度, 包括数据内容、数据结构、属性的一致性，也包括拓扑结构上的一致性；5.数据完整性 （Completeness）指具有同一准确度和精度的空间数据在范围、内容及结构等方面的完整程度；6.相容性（Compatibility）：指不同来源的数据在同一个应用中匹配的程度；7.数据档案：即数据情况说明，要求对数据的来源、内容及其处理过程等进行准确、全面和详尽的说明元数据；8.可得性（Accessibility）：指获取或使用数据的容易程度；9.适用性4、影响空间数据质量的因素空间数据质量问题是伴随着数据的采集、处理与应用过程而产生的。A、空间数据源影响数据质量的因素，数据源产生的误差包括这些数据源在实际采集过程中产生的误差。如：l测量中测量方法、仪器和人员操作等形成的误差；l空间数据的变形误差来源有原数字化材料上的各种变形误差。l遥感解译过程中产生的定位和分类误差；4、影响空间数据质量的因素（续）B、空间数据库建立过程中影响数据质量的因素 这包括系统数据获取、数字化和数据格式转换所引起的质量问题；C、空间分析和处理过程中影响数据质量的因素 这里包括计算、拓扑、叠加(冗余多边形)等。这一类影响因素较为隐蔽。