第二章 GIS空间分析基础.

Presentation on theme: "第二章 GIS空间分析基础."— Presentation transcript:

1 第二章 GIS空间分析基础

2 目录 空间与地理空间 地理空间参考系统 地理空间数据特征 地理空间问题

3 地理信息系统区别于其他信息系统的独特功能？
GIS空间分析基础 地理信息系统区别于其他信息系统的独特功能？ 空间分析，空间分析处理的对象是 [地理空间目标].熟识[地理空间数据的特征]是进行GIS空间分析的[前提]和[基础]

4 空间与地理空间 空间 欧式空间 拓扑空间 是一个复杂的概念，具有多义性，既有与时间对应的含义，也有“宇宙空间”的含义。
欧氏空间是对物理空间的一种数学理解与表达，是GIS中常用的一种重要空间。欧式空间擅长平面二维空间目标的空间方位、规模的表达 。 空间的概念 欧式空间 拓扑空间是另一种理解和描述物理空间的数学方法，也是GIS中常用的重要数学空间。而拓扑空间则是描述空间目标宏观分布或目标之间相互关系的有效方法 。 拓扑空间

5 地理空间的概念 GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；
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。

6 地理空间 GIS中地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式 相对空间 绝对空间
具有属性描述的空间几何位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标组成 具有空间属性特征的实体集合，由不同实体之间的空间关系构成 包括 包括 坐标、角度、方位、距离等 相邻、包含、关联等

7 地理空间的特性 地理空间的特性 空间多维性 可分性 尺度特征

8 地理空间的抽象 GIS采用高度抽象的方法将空间地物或现象抽象成几种基本类型——点、线、面和复合对象。空间地物间的位置关系采用空间拓扑关系来描述。 点数据 线数据 面数据

9 美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置
点实体 抽象的点 有位置，无宽度和长度 美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置

10 线实体 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离 有长度，但无宽度和高度 香港城市道路网分布

11 面实体 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 具有长和宽的目标 一般分为连续面和不连续面 中国土地利用分布图（不连续面）

12 空间对象（实体）的地图表达 点：位置：（x，y） 属性：符号

13 空间对象（实体）的地图表达 线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn) 属性：符号—形状、颜色、尺寸

14 空间对象（实体）的地图表达 面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(x1,y1) 属性：符号变化 等值线

15 空间对象（实体）的遥感影像表达 遥感传感器平台 传感器

16 地理空间参考系统 地理实体空间位置、分布、形态、空间关系（距离、方位、拓扑、相关场）等基本特征的精确描述依赖于空间参考系统，空间参考系统定义了地理空间三维表面的空间坐标系统及各坐标系统间的数学关系。

17 地理空间坐标系统 地球椭球体 坐标系统 地理空间坐标系统是空间位置的度量衡，是确定空间位置、空间距离、空间方位、空间关系等信息必需的工具，是空间数据分析的基础和前提 [Image Info] Note to customers : This image has been licensed to be used within this PowerPoint template only. You may not extract the image for any other use.

18 地球椭球体 以一个接近地球整体形状的旋转椭球代替真实的地球形体，这个旋转椭球为参考椭球 地球椭球体

19 坐标系统 极移现象与协议地球坐标系 天球坐标系 参心坐标系 地心坐标系 站心坐标系 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 Z Pn S γ δ
Y X 天球赤道 M α Γ 春分点 Z S γ δ 天球坐标系 极移现象与协议地球坐标系 参心坐标系 地心坐标系 站心坐标系

20 坐标系统 地心坐标系 极移现象与协议地球坐标系 天球坐标系 参心坐标系 站心坐标系 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系 z h p φ O
λ φ h p O E x y z 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系 地心坐标系 站心坐标系

21 坐标系统 参心坐标系 极移现象与协议地球坐标系 天球坐标系 地心坐标系 站心坐标系 站心直角坐标系和站心极坐标系 λ φ O zΊ （北）
xΓ φs hs S zГ （东） yГ OГ yΊ xΊ 地心坐标系 站心坐标系

22 常用椭球面上的坐标系统 WGS-84坐标系统示意图 Y 地球质心 X E O Z（BIH1984.0定义的CTP） BIH1984.0
零度子午面 高斯－克吕格投影示意图 南极 中 央 经 线 赤 道 北极 60 A B C D 中央子午线

23 摊开在平面上的地球

24 什么是地图投影？ 地球的全部或部分表面在平面上的系统表达。 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影。
地理坐标（球面角度）向直角坐标系（平面距离）的数学转换： 建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（λ，φ）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式 投影面

25 为什么要进行投影? 地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算 地球椭球体为不可展曲面
地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析 GIS以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信息则是在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。

26 地理坐标系统基本构成 地理网格: 原点: 方向: 最大值: 经线 – 经度（Longitude） 纬线 – 纬度（Latitude）
初始子午线 – 0 赤道 – 0 方向: 经度 – 东-西（East/West） 纬度 – 北-南（North/South） 最大值: 经度 – 180 (E or W) 纬度 – 90 (N or S)

27 角度表达的地理坐标概念 北极 = 第49条纬线 赤道面 纬度角 经度角

28 球体（椭球体）坐标的特性 经纬线 旋转轴、南北极、坐标原点
经纬度表达为角度值 - 度分秒（DMS）或十进制度（DD），为从地心到地表任一点的量测值。 地表上任一点的位置都可以用一对经纬度值来表示。

29 平面直角坐标的特性 具有任意原点的笛卡尔网格系统 使用 x, y 坐标对定义平面上的位置 方便距离、面积、周长，方位等空间信息的度量和计算
比例尺一致性问题和其他系统误差

30 投影方式之一：几何投影 正 轴 斜 轴 横 轴 方位 圆柱 圆锥

31 圆柱投影面 正切投影 正割投影 正切横轴投影

32 地图投影的分类 地图投影 变形规律 构成方式 几何投影 非几何投影 方 位 投 影 圆 锥 投 影 圆 柱 投 影 伪 方 位 投 影 伪
多 圆 锥 投 影 等 积 投 影 等 角 投 影 任 意 投 影

33 等面积投影 vs. 等角投影 墨卡托投影 彼得斯投影

34 同变形特征 vs. 不同投影面 正弦等面积投影 兰伯特等面积方位（赤道）投影

35 综合型投影 翰墨-埃托夫投影 罗宾逊投影

36 不同地图投影之间比较 墨卡托 兰伯特等角圆锥投影 无投影的经纬度 以北纬39度，西经96度为中心的三种地图投影

37 我国地图系列所采用的投影 基本比例尺地形图 (1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万) 中，大于等于50万的均采用高斯-克吕格投影 (Gauss-Kruger)，又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator)； 小于50万的地形图采用正轴等角割园锥投影，又叫兰勃特投影(Lambert Conformal Conic)； 大部分省图、大多数同级比例尺地图也采用兰勃特投影； 海洋小于50万的地形图多用正轴等角园柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator)； 我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。

38 GIS中的地图投影 GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。 GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。

39 地图投影选择须考虑的因素 制图区域的地理位置、形状、范围和走向 制图比例尺 地图内容 出版方式 高、中、低纬度 长、方、圆形 东西向、南北向
精度和用途 地图内容 出版方式

40 地球表面及其三级近似模型 地球自然表面 椭球体面 卫星重力面 海平面–定义海洋的垂直形状 经典重力学–定义陆地的垂直形状
卫星重力模型–用重力定义整个地球的垂直形状 旋转椭球体–标准数学曲面（如1952 海福特椭球，1953 克拉索夫斯基椭球，1975年国际椭球），用来对地球卫星重力 模型（即大地水准面）的部分或全部进行逼近表达。

41 全球大地测量系统（WGS 84） 所采用的卫星重力模型

42 椭球体参数 北极 b a 赤道 a – 主半轴 (WGS-84 value = 6378137.0000 m) b – 次半轴
f – 扁平率 = (a - b) / a (WGS-84 value = 1/ )

43 部分参考椭圆体

44 我国使用的椭球体和基准面 每个国家或地区均有各自的基准面。
我国的两个大地基准面 - 北京54坐标系（Krassovsky 椭球体）西安80坐标系（1975年地球椭球体 ）。 大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，北京54与西安80坐标之间的转换可查阅国家测绘局公布的对照表。 WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。 虽然现有GIS平台中都预定义有上百个基准面供用户选用，但均没有我们国家的基准面定义。 假如精度要求不高，可利用前苏联的Pulkovo 1942基准面（Mapinfo中代号为1001）代替北京54坐标系；假如精度要求较高，如土地利用、海域使用、城市基建等GIS系统，则需要在GIS中自定义基准面。

45 地理网格 地理网格系统是一种以平面子集的规则分级剖分为基础的空间数据结构，具有较高的标准化程度。它能由粗到细、逐级地分割地球表面，将地球曲面用一定大小的多边形网格进行近似模拟，再现地球表面，其目的是将地理空间的定位和地理特征的描述一体化，并将误差控制在网格单元的大小范围内。

46 经纬网格 经纬网格是目前比较常用的 该网格由等度数间隔的经线和纬线交叉组成，空间数据的属性与经纬网格内的点相关联，方便网格内空间数据的获取与处理。网格系统可以在原有较小分辨率网格的基础上创建更细的子网格，增大其分辨率。 rd树已经应 用于经纬网 线构成的网格 四叉树结构是 rd树的特例

47 定义 nd 树结构的网格系统，其主要特性有：
1 创建分级的一维地址。如果较大范围的空间区域内某种属性值一致，则以较低分辨率的网格来表示，如果属性值经常变化，则用较高分辨率的网格来表示，这样可以节省存储空间。 2

48 举例 例如 定义rd树中的d = 2，r = 10，在十进制度表达的经纬网线上建立连续网格（如图2.9所示），每一个间隔为10°的网格单元被细分成100个1°的网格（在经纬线两个方向上进行10等分），这种分割可以达到任意精细程度 （如图） 分辨率为10°的经纬网格 分辨率为10°和1°的rd树结构经纬网格

49 全球地理网格模型的建立 由形成地球表面剖分的一系列区域所组成，每个区域都包含一个与之相关联的点。
正 二十 面 体 1. 全球地理网格模型 由形成地球表面剖分的一系列区域所组成，每个区域都包含一个与之相关联的点。 正 十二 面 体 正 八 面 体 正 六 面 体 正 四 面 体 地球表面往往以球体、椭球体、大地水准面等近似的拓扑形状来表达 从一个柏拉图立体开始建立 规则的全球地理网格模型

50 确定在规则多面体的单一表面上分层次的空间剖分方法
建立全球地理网格模型的过程 大多数情况下要从以下四方面入手 确定在规则多面体的单一表面上分层次的空间剖分方法 确定规则多 面体相对于 地球表面的 固定方位 平面剖分到球面或椭球面的转换方法 选择规则多面体 第一步 第二步 第三步 最后一步

51 注意：一般来讲，理想立体上的表面个数越多，由多面体的面投影到球体表面时的变形就越小。
选择规则多面体 已有研究中比较常见的规则多面体都是理想立体中的一种，平面和球面上的理想立体共有五种类型（图2.12）：四面体、六面体、八面体、十二面体和二十面体。 平面和球面上的柏拉图立体 注意：一般来讲，理想立体上的表面个数越多，由多面体的面投影到球体表面时的变形就越小。

52 多面体相对方位的确定 多面体与地球表面的方位关系必须建立起来，最简单的方法是给出一个多面体顶点的大地坐标以及该顶点与其邻近顶点的方位角。对于规则的理想立体来说这种方法完全可以确定所有其他顶点的位置。下图是20面体的例子

53 表面层次剖分方法 全球地理网格模型具有层次性的特点，能够满足多分辨率级别或实际应用中的比例尺缩放要求，这就需要在已经选择的柏拉图立体表面进行分割，创建更精细的网格系统 。 由7个六边形叠成的伪六边形 三种分辨率水平下的三角形表面剖分

54 表面层次剖分方法 将三角形表面剖分成不规则、不近似的多个子面域，如图所示 。

55 注意：最简单的方法是将球面上的大圆弧线与平面上的线对应，在球面上直接进行剖分。
转换方法 选择转换方法是在对应的球体表面建立相似的拓扑结构关系。所谓转换的方法并不是指投影方式的选择，而是如何将平面上设计好的层次网格与实际的地球表面套合或者联系到一起，使网格系统能以更加通用的数据结构表达和存储地球空间数据。 注意：最简单的方法是将球面上的大圆弧线与平面上的线对应，在球面上直接进行剖分。

56 地理空间数据特征 时空特征 海量性 多维结构 不确定性 多尺度性 地理空间数据特征

57 地理空间数据特征 空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系 时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化
地理空间数据不仅能描述空间三维和时间维，也可以表现空间目标的属性以及数据不同的测量方法，不同来源、不同载体等多维信息，实现多专题的信息记录

58 地理空间数据特征 空间多尺度是指空间范围大小或地球系统中各部分规模的大小，时间多尺度指的是地学过程或地理特征有一定的自然节律性，其时间周期长短不一。 不确定性是数据“真实值”不能被肯定的程度。 GIS地理空间数据的数据量极大。它既有空间特征（地学过程或现象的位置与相互关系），又有属性特征（地学过程或现象的特征）

59 地理空间问题 GIS对地学数据的分析过程 空间动态过程 空间关系与影响 资源配置与规划 在不同功能层次的GIS空间分析方法支持下，可以分析地理数据中隐藏的模式、关系和趋势，解释地理特征间的关系及空间模式，从而解决关于地理实体和地理现象的各类空间问题 空间分布和格局

60 空间分布与格局 空间分布类型 空间分布分析 地理对象通常可以抽象为点目标、线目标、面目标三类（体目标可以看作是这三类目标的组合类型）
典型的空间分布问题包括生物物种的空间分布、自然灾害的空间分布、犯罪的空间分布、疾病的空间分布等

61 资源配置与规划 资源配置是在资源总量不足的背景条件下，将有限的资源重新进行时空分配，使稀缺的资源的功效最大化，从而保证社会经济和生态效益最优化 位置—分配问题一般可表述如下 设有一定数量的居民集中点，这些点被称为需求点(或消费点、居民点)，求一定数量的供给点(某种公共设施)以及(或)供给点的需求分配，以完成某个规划目的。 如果已设需求点，求供给点 则涉及位置或定位问题 如果已设供给点，求分配 则涉及分配或配置问题 则涉及位置-分配或 定位-配置问题 如果同时求供给点和分配

62 资源配置与规划

63 空间关系与影响 空间关系包括：距离、方向、连通、拓扑
利用状态变量和影响因素之间的关系类比建立数学模型，并用实测数据回归获得参数，然后进行分析预测。它一般应用于社会经济领域的问题 空间相互 影响

64 空间动态与过程 内容包括 空间动态与过程 时空数据的分类 和时间量测 基于时间的平滑和综合
时空数据分类是指对时空数据根据不同的分类体系进行重组，派生新的数据；量测是指计算并显示历史数据的时间 平滑是根据对象在不同时间的不同状态推测对象的中间状态，综合则是根据一定的时间综合原则对空间数据进行合并 内容包括 变化的统计分析、时空叠加 时间序列分析以及预测分析 变化的统计分析是指根据时空数据对变化的速度、频率、范围等进行多种统计分析；时空叠加分析是将不同时间的空间对象叠加在一起 时间序列分析是指对一个对象根据时间序列进行空间上的排列；预测分析是基于多种数据运用数学模型根据某种目的进行推理的综合分析

65 空间动态与过程 空间动态模型 空间动态模型是对空间现象从一个分布状态到另一个分布状态变化的抽象和概括，可以看作是现实世界中地球表面特定位置上的属性或状态随其驱动力的时间变化而变化的数学表达。 空间动态模型的逻辑组成

66 2.GIS可视化不支持对模型结果的交互式时空表现
1.记录、存储格式与模型使用的格式存在差异 4.GIS很少能实现快速有效的模拟动态模型的开放系统模拟方法 2.GIS可视化不支持对模型结果的交互式时空表现 3.编写模型是十分困难且花费时间的过程

67 Thank You !