p04-GIS的地理基礎(chǔ)省公開課一等獎全國示范課微課金獎?wù)n件

第四章地理信息系統(tǒng)

地理基礎(chǔ)蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院馬金輝第1頁地理信息系統(tǒng)地理基礎(chǔ)地理基礎(chǔ)是地理信息數(shù)據(jù)表示方式與規(guī)范主要組成部分。它主要包含：統(tǒng)一地圖投影系統(tǒng)統(tǒng)一地理網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一地理編碼系統(tǒng)第一節(jié)、地圖投影第二節(jié)、制圖綜合第三節(jié)、地理信息編碼第2頁胡友元等，計(jì)算機(jī)地圖制圖，測繪出版社，1987年；A.H.羅賓遜等，地圖學(xué)原理（第5版），測繪出版社，1989年；張文中等，微機(jī)地理制圖，高教出版社，1990年；徐慶榮等，計(jì)算機(jī)地圖制圖原理，武漢測繪科技大學(xué)出版社，1993年；…….參考書目第3頁第一節(jié)、地圖投影地圖投影相關(guān)概念和原理地圖投影分類中國慣用地圖投影第4頁地圖投影概念所謂地圖投影就是建立地圖平面上點(diǎn)（x,y)和地球表面上點(diǎn)(,)之間函數(shù)關(guān)系。準(zhǔn)確表示地物地理位置。普通通式為：第5頁投影變換必要性1、圖層空間關(guān)系2、表示空間位置兩種坐標(biāo)系3、投影轉(zhuǎn)換原因第6頁1）、圖層空間匹配關(guān)系研究區(qū)域圖層往往被分成許多幅和許多專題。這些圖層組織方式或空間關(guān)系可分為兩種：垂直結(jié)構(gòu)組織：同一研究區(qū)域中包含不一樣地理要素一組圖層（比如：土壤、土地利用、河流和道路）水平結(jié)構(gòu)組織：一組組成同一專題空間鄰接圖層（稱‘層片’）。第7頁A、水平匹配結(jié)構(gòu)圖示第8頁B、垂直匹配結(jié)構(gòu)圖示第9頁2）、投影轉(zhuǎn)換原因之一地圖顯示設(shè)備是平面，而地球表面是曲面，將曲面直接展示為平面，必定產(chǎn)生重合或裂縫，造成以地理坐標(biāo)系來定位地理實(shí)體并不能直接表示在地圖上和顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。需要采取某種方法，將基于球面經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)，這種轉(zhuǎn)換過程就是地圖投影。第10頁2）、投影轉(zhuǎn)換原因之二因?yàn)榈厍蚴莻€橢球體，經(jīng)度1°距離隨緯度而改變。緯度1°距離也隨緯度而改變。經(jīng)度1°距離和緯度1°距離也不一樣，而且這個距離隨位置而改變。因?yàn)椴扇〗?jīng)緯度表示位置時，距離和面積量測不一致性，使基于距離和面積空間信息查詢和空間分析不能進(jìn)行。所以為了有效地進(jìn)行空間測量和進(jìn)行空間分析，有必要將球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，使距離或面積在空間上反應(yīng)實(shí)際情況。第11頁3）地圖投影與GIS關(guān)系第12頁一、地圖投影相關(guān)概念地球幾何形狀地面坐標(biāo)系統(tǒng)地圖坐標(biāo)系統(tǒng)第13頁1、地球幾何形狀Ellipsoid(橢球體)地球自西向東旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力造成地球中部凸起而兩極偏平Geoid(大地水準(zhǔn)面）將地球表示為最近似平均海平面等重力面（equigravitational）面，因?yàn)橹亓臻g改變，大地水準(zhǔn)面并不和橢球體完全重合（100米差）Geoidheight（水準(zhǔn)高度）橢球面和大地水準(zhǔn)面之間高度差在小百分比尺（1：1000，000）情況下，將地球看作球體。但在大百分比尺情況下，必須將地球看作橢球體。第14頁地球橢球體大小長半徑a（赤道半徑）semiminor短半徑b（極半徑）semimajor扁率=(a-b)/a第一偏心率e2=(a2-

b2)/a2第二偏心率e`2=(a2-

b2)/b2經(jīng)過長軸和短軸來度量地球形狀。不一樣方法其長短軸參數(shù)不一樣，所適用地域也就不一樣。在北美通常使用CLARKE1866，在我國和前蘇聯(lián)使用克拉索夫斯基橢球體KRASOVSKY。在CLARKE1866橢球體長軸是6,378,206.4m，短軸是6,356,583.8m。第15頁Datum橢球體是描述地球形狀數(shù)學(xué)模型；datum定義了橢球體相對于地心位置，它提供了一個測量地表位置框架；實(shí)質(zhì)上是將橢球體和地球表面某個特定區(qū)域盡可能地配準(zhǔn)；它定義了經(jīng)緯網(wǎng)原點(diǎn)和走向。第16頁DatumsNorthAmericanDatums(局地datum選擇不一樣橢球體位置來迫近特定區(qū)域地表）NAD27(NorthAmericanDatumof1927)NAD83(NorthAmericanDatumof1983)WorldDatums(全球Datum以地球質(zhì)量質(zhì)心為原點(diǎn)，慣用有WGS84，全球Datum起源于衛(wèi)星測量結(jié)果，大多用于GPS定位。)OtherDatumsEuropeanDatumof1979OrdnanceSurveyDatumofGreatBritain,1936AustralianGeodeticDatum,1984第17頁2、地面點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)大地坐標(biāo)系/地理坐標(biāo)系高程系第18頁1）、地理坐標(biāo)地表空間實(shí)體位置按嚴(yán)格數(shù)學(xué)定義表示成地理坐標(biāo)（球面坐標(biāo)），地理坐標(biāo)以經(jīng)度坐標(biāo)/緯度坐標(biāo)表示。第19頁2）、地表垂直和水平基準(zhǔn)面地表以最近似平均海平面地球重力等勢面作為高度為零大地水準(zhǔn)面（Geoid)，以大地水準(zhǔn)面為參考測量得到高度H被用于地形制圖，它是一個正射（視）高度。第20頁3）我國大地坐標(biāo)系和高程系1954年北京坐標(biāo)系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)第21頁3、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)第22頁地圖坐標(biāo)系統(tǒng)建立由投影幾何特征建立平面直角坐標(biāo)系;自行要求坐標(biāo)系(原點(diǎn)/橫、縱軸).第23頁二、地圖投影分類1、依據(jù)投影面形狀分類2、依據(jù)投影變形性質(zhì)分類3、依據(jù)投影探求方法分類4、依據(jù)投影方程特征分類第24頁1、依據(jù)投影面形狀分類按投影面形狀來來分，有方位投影圓柱投影圓錐投影多圓錐投影偽圓錐投影雙圓錐投影等第25頁1）方位投影投影面是與地球表面相切（或相割）平面，切點(diǎn)位置是這類投影關(guān)鍵。第26頁1)方位投影類別依據(jù)投影光源位置：Gnomonicprojection

（心射切面投影：）viewsthesurfacedatafromthecenteroftheEarth,Stereographicprojectionviewsitfrompoletopole.Orthographicprojection（正射投影）viewstheEarthfromaninfinitepoint,asifviewedfromdeepspace.第27頁2）圓錐投影圓錐投影（ConicProjection）–正圓錐面和地球緯線相切，遠(yuǎn)離標(biāo)準(zhǔn)緯線，變形越大用于中緯度地域，保持東西方位正確投影面和地表兩個點(diǎn)接觸時，叫做割圓錐投影（secantconicprojections）第28頁3）圓柱投影Equatoristypicallythelineoftangency（正圓柱投影是投影面和赤道相切），這時經(jīng)線是等間距，緯線向兩極加密，東西方位得以保持Transverseprojections橫軸圓柱投影，使用經(jīng)線作為投影切線，所以南北方位被保持不變第29頁投影面和球面相關(guān)位置分類第30頁2、依據(jù)投影變形分類每種投影都會產(chǎn)生變形，而且這種變形隨位置和方向發(fā)生改變。地圖投影變形主要表達(dá)在：角度變形；面積變形；距離變形；兼而有之。地圖投影在保持某個方面變形較小或者不變形情況下，在另一個方面必定產(chǎn)生很大變形。第31頁地圖投影變形圖解示例

（摩爾維特投影－等積偽圓柱投影）長度變形角度變形第32頁地圖投影變形圖解示例

（UTM－橫軸等角割圓柱投影UniversalTransverseMercator）面積變形和長度變形第33頁按投影變形投影分類按變形情況，地圖投影又分為：等角投影conformal（保持局部形狀不變）；等積投影equal-area；等距投影equi-distant；真方位true-direction投影。在選擇地圖投影時，應(yīng)依據(jù)項(xiàng)目標(biāo)要求和區(qū)域大小來選擇適當(dāng)?shù)貓D投影，以確保感興趣內(nèi)容精度要求。比如，對相關(guān)土地利用方面GIS，面積最為主要，選擇面積變形最小投影。對于以道路為內(nèi)容GIS，可能要選擇距離改變最小地圖投影。第34頁?ESRI,UnderstandingMapProjections1）等角投影ConformalProjections也稱正形投影（Orthomorphic）。投影后任意點(diǎn)上任意兩條微分線段組成角度不產(chǎn)生變形，確保了地表上任意一個小面積投影前后形狀保持不變。沿任意方向長度比相等但產(chǎn)生面積變形第35頁?ESRI,UnderstandingMapProjections2）等積投影equal-area對微分面積和較大區(qū)域，都保持投影前后面積不變，但對形狀變形，距離中心越遠(yuǎn)，變形越大；等角和等面積相互抵消，等角以犧牲等面積為代價，等面積以犧牲等角為代價。第36頁?ESRI,UnderstandingMapProjections3）等距投影Equidistantprojections沿某個方向（經(jīng)線方向）長度比為1，保持長度不便第37頁第38頁3、依據(jù)投影探求方法分類透視——幾何投影：這類投影完全依據(jù)透視原理，依據(jù)視點(diǎn)（投影中心）、物點(diǎn)（地表被投影點(diǎn)）與像點(diǎn)（投影平面上點(diǎn)）之間幾何關(guān)系來建立投影方程。如各種透視方位投影、空間透視投影等；幾何——解析投影：這類投影特點(diǎn)是首先依據(jù)經(jīng)緯線形狀確定投影方程基本形式，再依據(jù)給定某種條件推求出特定投影詳細(xì)方程。如圓錐投影、圓柱投影、偽圓錐投影等；解析投影——解析投影：事先并不人為確定經(jīng)緯線形狀，其投影后經(jīng)緯線形狀與投影方程形式完全依據(jù)人們給出條件逐步推求得到。如高斯－克呂格投影等。第39頁依據(jù)投影方程特征分類圖4、依據(jù)投影方程特征分類第40頁四、中國慣用地圖投影高期—克呂格投影Lambert投影Albert投影第41頁1、高期—克呂格投影（TransverseMercator）高期—克呂格投影是一個橫軸等角切圓柱投影。從0°經(jīng)線起，由西向東按經(jīng)差6°（3°）分為一個投影帶，將全球分為60（120）個投影帶，每個投影帶有一條中央經(jīng)線。采取圓柱法，將一橢圓柱橫切于地球橢球體上，使圓柱軸經(jīng)過地心，并使圓柱和某一帶中央經(jīng)線相切，將圓柱展開，就得到某個帶平面圖形。第42頁高斯—克呂格投影示意圖第43頁1）、高期—克呂格投影特點(diǎn)中央經(jīng)線和地球赤道投影成為直線且正交為投影對稱軸等角投影，無角度變形，沿任意方向長度比都相等；中央經(jīng)線上無（長度）變形；同一條緯線上，離中央經(jīng)線越遠(yuǎn)，變形越大，等變形線為平行于中央經(jīng)線直線；同一條經(jīng)線上，緯度越低，變形越大。面積變形大于長度變形，面積變形為長度變形兩倍；第44頁2）、高期—克呂格投影圖幅子午線收斂角各經(jīng)線向中央經(jīng)線收斂。對不在中央經(jīng)線上各點(diǎn)存在一個和中央經(jīng)線夾角，稱為該點(diǎn)處子午線收斂角子午線收斂角隨距離中央經(jīng)線距離增大而增大；所以，按經(jīng)緯線劃分圖幅都不與水平線相垂直，投影坐標(biāo)正北方向（坐標(biāo)北）和經(jīng)線方向（真北方向）也不一致。第45頁3）、高期—克呂格投影坐標(biāo)值確實(shí)定中央經(jīng)線西側(cè)存在X坐標(biāo)負(fù)值，為了確保正值，增加一個500km坐標(biāo)偏移量經(jīng)緯網(wǎng)（地理坐標(biāo)網(wǎng)）：方里網(wǎng)：平行于投影坐標(biāo)軸兩組平行線，隔千米繪制，用于確定投影坐標(biāo)。不一樣投影帶空間數(shù)據(jù)整合第46頁4）高期—克呂格投影適用性高期—克呂格適合于緯度較高地域。對中低緯度變形較大，所以當(dāng)前許多國家采取與之相近橫軸墨卡脫(UTM)投影，該投影是一個橫軸等角割圓柱投影，它和高期—克呂格投影同屬一類，不一樣是，中央經(jīng)線長度比小于1（0.9996），即產(chǎn)生一個負(fù)變形區(qū)，這么整個投影變形就得到很大改進(jìn)。第47頁2、LambertConformalConic我國1:100萬地形圖采取Lambert投影（正軸等角割圓錐投影）。經(jīng)線表現(xiàn)為交于一點(diǎn)直線束，緯線為同心園圓弧，圓心為直線束交點(diǎn)。Shape：保持小形狀不變。Area：在標(biāo)準(zhǔn)緯線上變形最小，在標(biāo)準(zhǔn)緯線之間面積變小，之外面積增加；Distance：沿標(biāo)準(zhǔn)緯線保持不變，在標(biāo)準(zhǔn)緯線之間長度變小，之外長度增加，地球表面上兩點(diǎn)間最短距離表現(xiàn)為近于直線。對于中國全圖，長度變形可到達(dá)4％，面積變形可到達(dá)9％。第48頁Lambert投影圖示Lambert投影（正軸等角割圓錐投影）。第49頁3、Albert投影我國大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一百分比尺地圖也多采取Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)Albert投影（正軸等積割圓錐投影）。第50頁4、地理信息系統(tǒng)中地圖投影配置普通標(biāo)準(zhǔn)各國家地理信息系統(tǒng)所采取投影系統(tǒng)與該國基當(dāng)?shù)貓D系列所用投影系統(tǒng)一致；各百分比尺地理信息系統(tǒng)中投影系統(tǒng)與其對應(yīng)百分比尺主要信息源地圖所用投影一致；各地域地理信息系統(tǒng)中投影系統(tǒng)與其所在區(qū)域適用投影系統(tǒng)一致；各種地理信息系統(tǒng)普通以一個或兩種投影系統(tǒng)為其投影坐標(biāo)系統(tǒng)，以確保地理定位框架統(tǒng)一。，一個服務(wù)于大百分比尺數(shù)據(jù)處理與輸入輸出，另一個服務(wù)于中小百分比尺；系統(tǒng)普通地只考慮至多采取兩種投影系統(tǒng)4）所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采取網(wǎng)格系統(tǒng)在投影帶中應(yīng)保持完整。第51頁我國GIS中慣用地圖投影規(guī)范我國基本百分比尺地形圖（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1：100萬外均采取高斯-克呂格投影為地理基礎(chǔ)；我國1：100萬地形圖采取了LambertConformalConic投影，其分幅標(biāo)準(zhǔn)與國際地理學(xué)會要求全球統(tǒng)一使用國際百萬分之一地圖投影保持一致；我國大部分省區(qū)圖以及大多數(shù)這一百分比尺地圖也多采取Lambert投影和屬于同一投影系統(tǒng)Albers投影；第52頁地圖所用投影主要技術(shù)參數(shù)國家基本百分比尺地形圖系列1：100萬正軸等角割圓錐投影按國際統(tǒng)一4?！?。分幅，標(biāo)準(zhǔn)緯線：φ1=φs+35’φ

2=φn-35’(φ

s、φn為圖幅南北邊緯)國家基本百分比尺地形圖系列1：5萬~1：50萬高斯-克呂格投影（6。分帶）投影帶號(N)13~23中央經(jīng)線λ0=(N×6-3)。國家基本百分比尺地形圖系列1：5000~1：2.5萬高斯-克呂格投影（3。分帶）投影帶號(N)24~46中央經(jīng)線λ0=(N×3)。城市圖系列(1：500~1：5000)城市平面局域投影或城市局部坐標(biāo)高斯投影第53頁第二節(jié)、制圖綜合(Generalization)

——空間數(shù)據(jù)綜合制圖綜合定義為何要進(jìn)行制圖綜合制圖綜合內(nèi)容第54頁一、制圖綜合定義制圖綜合是指在：地圖主題用途百分比尺制圖區(qū)域地理特點(diǎn)等條件下，經(jīng)過對地圖內(nèi)容選取、概括和協(xié)調(diào)，建立能反應(yīng)區(qū)域地理規(guī)律和特點(diǎn)地圖模型理論、方法和過程。制圖綜合實(shí)質(zhì)在于用科學(xué)選取與概括伎倆，在地圖上正確、顯著、深刻地反應(yīng)制圖區(qū)域地理現(xiàn)象空間分布和改變規(guī)律。第55頁二、為何要進(jìn)行制圖綜合在地圖有限范圍內(nèi)表現(xiàn)繁雜遼闊客觀世界，處理地圖空間范圍有限性和客觀世界復(fù)雜、遼闊之間矛盾；突出空間事物分布規(guī)律性；使地圖清楚易讀。第56頁三、制圖綜合內(nèi)容分類和分級系統(tǒng)確實(shí)立抽象：要素選取(全選/部分選取，按質(zhì)量或數(shù)量特征)符號化圖形概括、化簡合并同質(zhì)合并異質(zhì)合并(重新分類與符號化)圖形轉(zhuǎn)換夸大圖形協(xié)調(diào)(移位)第57頁四、制圖要素選取過程確定選取分界尺度(質(zhì)量/數(shù)量/圖形尺寸)確定選取定額(地圖面積載負(fù)量)確定選取次序要素自動選取第58頁第三節(jié)、地理信息編碼地理信息編碼意義地理特征碼地理信息編碼方法編碼一致性編碼設(shè)置普通方法第59頁一、地理信息編碼意義定量信息能夠被計(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)接收，地理信息編碼是經(jīng)過采取一個編碼方法將定性信息用“屬性特征碼”（簡稱特征碼）表示，這么就能夠?qū)⒍ㄐ詫傩孕畔⑤斎胗?jì)算機(jī)中；地理信息編碼就是用數(shù)字或字符標(biāo)識空間對象屬性，這種編碼既是標(biāo)識空間對象標(biāo)志，組織和編排地理數(shù)據(jù)媒介，又是存放和檢索標(biāo)志，是空間數(shù)據(jù)主要組成部分。第60頁地理特征碼簡稱屬性碼，或特征碼。用來表示空間要素類別、級別等分類特征或其它質(zhì)量特征數(shù)字或字符。第61頁二、地理信息編碼方法地理屬性編碼法圖形屬性編碼方法第62頁1、地理屬性編碼將真實(shí)世界地理事物和現(xiàn)象定性與定量指標(biāo)進(jìn)行分類和分級，依據(jù)類別和等級賦予一定代碼方法稱為地理屬性編碼。第63頁2、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)編碼法第64頁A）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，不一樣級別之間為隸屬關(guān)系或含有層次結(jié)構(gòu)，伴隨級別層次不一樣，要用數(shù)位代碼來表示一個空間實(shí)體屬性。這是一個常見分類體系與編碼方式。第65頁B）維指標(biāo)結(jié)構(gòu)編碼法對于某種確定空間現(xiàn)象每個獨(dú)立因子變量用一位代碼表示，即每一位代碼表示一個屬性，碼位之間是并列關(guān)系，組成二維表結(jié)構(gòu)。建立