【文章內(nèi)容簡介】 相對位置。地圖投影與GIS 地圖是GIS的主要數(shù)據(jù)來源，在采集地圖數(shù)據(jù)并輸入GIS的過程中，就要考慮地圖投影的系統(tǒng)配置。為確保GIS在同一系統(tǒng)內(nèi)或在不同系統(tǒng)之間的信息（或數(shù)據(jù)）能夠?qū)崿F(xiàn)交換和共享，配準(zhǔn)是第一步。否則后續(xù)所有基于GIS的空間分析、處理及應(yīng)用都是不可能的?？梢哉f地圖投影對GIS的影響是滲透在GIS建設(shè)的各個方面，下圖可以反映出地圖投影與GIS的關(guān)系。地圖投影在GIS中的作用（1）GIS以地圖方式顯示地理信息。地圖是平面，而地理信息則是在地球橢球面上，因此地圖投影在GIS中不可缺少。投影是一個GIS項(xiàng)目的首要任務(wù)。（2）GIS數(shù)據(jù)庫中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲時，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)；而輸出或顯示時，則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過投影變換轉(zhuǎn)換成指定投影的平面坐標(biāo)。（3）在GIS中，地理數(shù)據(jù)的顯示可根據(jù)用戶的需要而指定投影方式，但當(dāng)所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。統(tǒng)一地圖投影系統(tǒng)（1）地球曲面轉(zhuǎn)換成平面是應(yīng)用了地圖投影的原理，在空間信息系統(tǒng)中投影系統(tǒng)配置要統(tǒng)一。（2）空間信息系統(tǒng)中地圖投影配置的一般原則：①所配置的投影系統(tǒng)應(yīng)與相應(yīng)比例尺的國家基本圖（基本比例尺地形圖、基本省區(qū)圖或國家大地圖集）投影系統(tǒng)一致。②系統(tǒng)一般只考慮至多采用兩種投影系統(tǒng)，一種服務(wù)于大比例尺的數(shù)據(jù)處理與輸入輸出，另一種服務(wù)于中小比例尺。③為保證不變形或變形少，選用投影以等角投影為宜。④所用投影應(yīng)能與網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)相適應(yīng)，即所采用的網(wǎng)格系統(tǒng)在投影帶中應(yīng)保持完整。統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)的意義為GIS選擇和設(shè)計(jì)一種或幾種適用的地圖投影系統(tǒng)和網(wǎng)格坐標(biāo)系統(tǒng)，可以為各種地理信息的輸入、輸出及匹配處理提供一個統(tǒng)一的定位框架，使各種來源的地理信息和數(shù)據(jù)能夠具有共同的地理基礎(chǔ)，并在這個基礎(chǔ)上反映出它們的地理位置和地理空間關(guān)系特征。面向數(shù)字地球的投影問題 數(shù)字地球是美國前副總統(tǒng)戈?duì)栍?998年提出的，其基本概念是指可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)的多分辨率和三維的地球表示，是虛擬地球，是現(xiàn)實(shí)地球的模型。目前，有關(guān)這方面的研究已有一定的進(jìn)展，典型的成果是球面格網(wǎng)模型的建立（球面四元三角網(wǎng)QTM）及其在全球參考系統(tǒng)中的應(yīng)用。第四節(jié)地球時間系統(tǒng)一、時間的本質(zhì)和含義這種物質(zhì)運(yùn)動變化的序列和持續(xù)的性質(zhì)，就是時間的本 質(zhì)。時間不能完全脫離于空間，而必須和空間結(jié)合在一起，空間目標(biāo)的表征和現(xiàn)象是隨時間變化而變化的。時間有時刻和時段兩重含義。二、量時原則和時間計(jì)量系統(tǒng)時間是通過物質(zhì)的運(yùn)動形式來計(jì)量表達(dá)的，但在選擇不同的物質(zhì)運(yùn)動形式來表達(dá)或計(jì)量時間的過程中，必須遵從的三個原則是被時間計(jì)量所考察的物質(zhì)運(yùn)動必須具有周期性、穩(wěn)定性和可測性。在GIS中，人們經(jīng)常用到的是太陽時系統(tǒng)（以太陽在天穹上的位置來確定一日中的時間），包括平太陽時（簡稱平時）和視太陽時（簡稱視時）。第三章GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間數(shù)據(jù)庫第一節(jié)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在GIS領(lǐng)域，目前普遍采用了兩種數(shù)據(jù)模型，即基于目標(biāo)的和基于場的。常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有兩種，即基于矢量的和基于柵格的。一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示法矢量數(shù)據(jù)模型（1）基于對象的矢量數(shù)據(jù)簡單模型矢量數(shù)據(jù)模型是以點(diǎn)為基本單位描述地理實(shí)體的分布特征，每一個點(diǎn)用一對（x，y）坐標(biāo)表示。點(diǎn)狀實(shí)體由一個單獨(dú)的點(diǎn)表示；線狀實(shí)體由一系列有序點(diǎn)串或集表示，點(diǎn)的記錄順序稱為線的“方向”；面狀實(shí)體由一系列首末同點(diǎn)的閉合環(huán)或有序點(diǎn)集表示；線狀和面狀實(shí)體在顯示時分別以直線段將組成它們的點(diǎn)連接成線段鏈和多邊形。（2）矢量數(shù)據(jù)獲取方式和編碼方法矢量數(shù)據(jù)模型只需選取和記錄反映地理實(shí)體分布形狀特征的點(diǎn)，但點(diǎn)的數(shù)量對地理實(shí)體表示有影響。它非常適合于表示線狀實(shí)體和面狀實(shí)體的范圍邊界。獲取方式：①由外業(yè)測量獲得。②由柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換獲得?！兜乩硇畔⑾到y(tǒng)導(dǎo)論》復(fù)習(xí)資料（要點(diǎn)）陳詩吉（編）③由跟蹤數(shù)字化獲得。編碼方法：①對于點(diǎn)實(shí)體和線實(shí)體，直接記錄空間信息和屬性信息。②對于多邊形地物，用樹狀索引編碼法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼法。③對于多邊形地物，用坐標(biāo)序列法，即由多邊形邊界的“x、y坐標(biāo)對”集合及說明信息組成。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）簡單矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：空間數(shù)據(jù)按照基本的空間對象（點(diǎn)、線、面或多邊形）為單位進(jìn)行單獨(dú)組織，并以地理實(shí)體為單位，將地理實(shí)體特征點(diǎn)的坐標(biāo)存儲到一個數(shù)據(jù)文件中。每個實(shí)體由其編號或識別碼標(biāo)識，實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)設(shè)為屬性碼，以表的形式存儲在另一個數(shù)據(jù)文件中，當(dāng)需要查詢、顯示或分析某一實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)時，GIS以實(shí)體編號為關(guān)鍵字從屬性數(shù)據(jù)文件中將它們讀取出來。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，存取便捷。（2）拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：除了存儲地理實(shí)體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以外，還以計(jì)算機(jī)可以識別的方式存儲反映地理實(shí)體拓?fù)涮匦?。在拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)狀實(shí)體僅以其編號和一對（x，y）坐標(biāo)表示和存儲；線狀實(shí)體則表示為線段弧，又稱為弧段；面狀實(shí)體可看成是由一系列的弧段組成的多邊形。（3）不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：根據(jù)一系列不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)產(chǎn)生的，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)由（x，y，z）表示。其中，x、y為點(diǎn)坐標(biāo)，z為所表示的地理實(shí)體在該點(diǎn)的屬性值。TIN將數(shù)據(jù)點(diǎn)以直線相連形成一個不規(guī)則三角網(wǎng)，網(wǎng)中所有三角形相互鄰接，互不相交，互不重疊。將不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接成三角網(wǎng)的方法最常用的是狄諾里三角形。使用Delaunay三角構(gòu)網(wǎng)法形成的每一個三角形，它的外接圓不含有除三個頂點(diǎn)以外的其他數(shù)據(jù)點(diǎn)，而這個外接圓的圓心正是與該三角形三個頂點(diǎn)相對應(yīng)的多邊形（也稱泰森多邊形，Thiessen或Voronoi）的公共頂點(diǎn)。泰森多邊形可用于GIS定性分析、統(tǒng)計(jì)分析、鄰近分析等。泰森多邊形的特性：①每個泰森多邊形內(nèi)僅含有一個離散點(diǎn)數(shù)據(jù)。②泰森多邊形內(nèi)的點(diǎn)到相應(yīng)離散點(diǎn)的距離最近。③位于泰森多邊形邊上的點(diǎn)到其兩邊的離散點(diǎn)的距離相等。建立泰森多邊形的步驟：①離散點(diǎn)自動構(gòu)建三角網(wǎng)，即構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)。②找出與每個離散點(diǎn)相鄰的所有三角形的編號，并記錄下來。對已構(gòu)建的三角網(wǎng)中找出具有一個相同頂點(diǎn)的所有三角形即可。③對與每個離散點(diǎn)相鄰的三角形按順時針或逆時針方向排序，以便下一步連接生成泰森多邊形。④計(jì)算每個三角形的外接圓圓心，并記錄之。⑤根據(jù)每個離散點(diǎn)的相鄰三角形，連接這些相鄰三角形的外接圓圓心，即得到泰森多邊形。對于三角網(wǎng)邊緣的泰森多邊形，可作垂直平分線與圖廓相交，與圖廓一起構(gòu)成泰森多邊形。TIN是一種拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不僅存儲每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的（x，y，z）三維坐標(biāo)值，而且存儲三角網(wǎng)的拓?fù)涮匦?。每個三角形具有三個特性（即面積、梯度（或坡度）和方位），都可以作為TIN的屬性值存儲在一個數(shù)據(jù)文件中，或在使用TIN時將它們計(jì)算出來。TIN是根據(jù)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)所構(gòu)建的，很適合表示連續(xù)型面狀實(shí)體，尤其對于復(fù)雜的、變化大的面狀實(shí)體，表達(dá)比較逼真，效果較好。（4）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指一組相互連接的線狀地理實(shí)體。在GIS中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型本質(zhì)上是矢量數(shù)據(jù)模型，它把網(wǎng)絡(luò)看成是由結(jié)點(diǎn)和路徑組成，并以結(jié)點(diǎn)和路徑為單位描述網(wǎng)絡(luò)的幾何、拓?fù)浜蛯ｎ}特征。二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示法柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示法以規(guī)則網(wǎng)格描述地理實(shí)體、記錄和表示地理數(shù)據(jù)。柵格數(shù)據(jù)模型柵格數(shù)據(jù)模型視地球表面為平面，將其分割為一定大小、形狀規(guī)則的格網(wǎng)，以網(wǎng)格為單位記錄地理實(shí)體的分布位置和屬性。組成格網(wǎng)的網(wǎng)格通常使用正方形。使用這種柵格數(shù)據(jù)模型，點(diǎn)狀地理實(shí)體表示為單一的網(wǎng)格或表示為單個像元；線狀地理實(shí)體表示為一串相連的網(wǎng)格或在一定方向上連接成串的相鄰像元的集合；面狀地理實(shí)體則由一組聚集在一起且相互連接的網(wǎng)格或由聚集在一起的相鄰像元的集合表示。每個地理實(shí)體的形狀特征表現(xiàn)為由構(gòu)成它的網(wǎng)格組成的形狀特征。每個網(wǎng)格的位置由其所在的行列號表示。柵格數(shù)據(jù)可以是一組數(shù)據(jù)矩陣，每個數(shù)據(jù)稱為網(wǎng)格值，代表相應(yīng)網(wǎng)格內(nèi)地理實(shí)體的屬性。柵格數(shù)據(jù)不明確地表示地理實(shí)體的拓?fù)涮匦?，但有些特性可以通過計(jì)算獲得。柵格數(shù)據(jù)的精度在很大程度上取決于網(wǎng)格的大小。網(wǎng)格越大，精度越低；反之，網(wǎng)格越小，精度越高。柵格數(shù)據(jù)的精度對地理實(shí)體幾何形狀特征表示的詳細(xì)性和精確性影響很大。一般實(shí)體特征愈復(fù)雜，柵格尺寸越小，分辨率愈高。柵格數(shù)據(jù)量愈大（按分辨率的平方指數(shù)增加），計(jì)算機(jī)成本就越高，處理速度就越慢。不管網(wǎng)格有多小，每個網(wǎng)格內(nèi)有關(guān)地理實(shí)體屬性變化的細(xì)節(jié)會全部丟失，而且柵格數(shù)據(jù)總會在某種程度上會歪曲地理實(shí)體的細(xì)部特征。當(dāng)一個網(wǎng)格包含兩種或兩種以上不同類型的地理實(shí)體時，只能將它表示為其中一種類型。通常使用的網(wǎng)格賦值規(guī)則包括：①中心點(diǎn)法：選取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。②面積占優(yōu)法：選取占據(jù)柵格單元屬性值為面積最大者賦值。常用于分類較細(xì)、地理類別圖斑較小的情景。③重要性法：定義屬性類型的重要級別，選取重要的屬性值為柵格屬性值，常用于有重要意義而面積較小的要素，特別適用于點(diǎn)、線地理要素的定義。④長度占優(yōu)法：定義每個柵格單元的值由該柵格中線段最長的實(shí)體的屬性來確定。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。（1）柵格矩陣：將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼（也稱直接?xùn)鸥窬幋a）。通常，這個文件具有一個文件標(biāo)頭部分，用以存放有關(guān)柵格數(shù)據(jù)模型基本要素方面的數(shù)據(jù)。柵格矩陣要求存儲所有的網(wǎng)格值，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件的大小取決于網(wǎng)格的行數(shù)和列數(shù)（mn）。網(wǎng)格的大小對柵格數(shù)據(jù)量有很大的影響。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲的網(wǎng)格值，冗余度較大?！兜乩硇畔⑾到y(tǒng)導(dǎo)論》復(fù)習(xí)資料（要點(diǎn)）陳詩吉（編）到第i個觀測點(diǎn)之間的距離，Ai、a、b和c為待定系數(shù)。評價：①薄板樣條函數(shù)的主要問題是在數(shù)據(jù)點(diǎn)或觀測點(diǎn)稀少的地區(qū)會產(chǎn)生很大的梯度變化，插值的結(jié)果常比實(shí)際情況偏ing）是一種用于空間插值的地有一定的連續(xù)性，但不能以一個單一的平滑變化的總體趨勢：即現(xiàn)象成連續(xù)面狀分布為半方差圖的統(tǒng)計(jì)方的大小取決于觀測點(diǎn)之間的距離。大。為了糾正這一問題，人們已提出了幾種改進(jìn)的樣條函數(shù)，包括規(guī)則化樣條函數(shù)和張力薄板樣條函數(shù)。②樣條函數(shù)比較適合于呈連續(xù)、平滑曲面狀分布的面狀實(shí)體。雖由樣條函數(shù)產(chǎn)生的等值線顯得非常平滑，在某些情況下，則可能會產(chǎn)生不切合實(shí)際的平滑效果?？死铮ń穑└穹ǎ?）克里（金）格法（Krig學(xué)統(tǒng)計(jì)方法。（2）克里格法使用區(qū)域化變量的概念，這種變量的值隨著地點(diǎn)而變化，具數(shù)學(xué)方程來模擬，許多地形表面、土壤質(zhì)量的區(qū)域變化等都具有這種特性。這類現(xiàn)象的空間變化既不是隨機(jī)的，也不是確定的，而是由三個部分組成：①的總體結(jié)構(gòu)。②空間自相關(guān)變化：即偏離總體變化趨勢的一些小的變化，這些變化雖然是隨機(jī)的，但在空間上是相互關(guān)聯(lián)的。例如，在地形表面出現(xiàn)的一些小峰谷，它們的高程與周圍地點(diǎn)的高程是呈連續(xù)變化的，即相關(guān)的。③隨機(jī)誤差或隨機(jī)噪音：它們既與總體變化趨勢無關(guān)，又沒有空間上的相互關(guān)系。例如地面上突然出現(xiàn)的巨大礫石。（3）模擬和估算：克里格法對區(qū)域化變量的這三個成分分別采用不同的方法進(jìn)行模擬和估算。總體趨勢以模擬變量區(qū)域性變化的數(shù)學(xué)方程表達(dá)和計(jì)算；空間自相關(guān)變化和隨機(jī)噪音通過使用稱法估算。半方差是衡量觀測點(diǎn)或樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)之間空間依賴性的一個統(tǒng)計(jì)量，它觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)在距離為h的半方差r（h）定義為所有相距h距離 的觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)的方差除以一半。表達(dá)式：。式中，h為觀測點(diǎn)之間的距離，n為相距h距離的觀測點(diǎn)的個為觀測點(diǎn)xi的數(shù)據(jù)值，z（xi＋h）為與觀測點(diǎn)xi相距h距離的數(shù)模型、高斯模型、插值結(jié)果的方差達(dá)到最小，并運(yùn)用半方差圖估類，即普通克里格法和廣義克里是根據(jù)點(diǎn)狀實(shí)體的分布估算它們在一個區(qū)域內(nèi)各地的分布密度。密度估算則針對點(diǎn)狀實(shí)體。上，計(jì)算位于每個網(wǎng)格的點(diǎn)數(shù)，根據(jù)每個點(diǎn)所代表的 點(diǎn)狀含的所有 觀測數(shù)，z（xi）另一觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)值。半方差應(yīng)隨著距離的增大而增大。利用此曲線可以估算任何距離的半方差，利用這條擬合曲線可以模擬了區(qū)域變量的自相關(guān)變化。半方差圖中的擬合曲線通常采用以下五種數(shù)學(xué)曲線模型之一：球形曲線模型、圓環(huán)曲線模型、指線性模型?？死锔穹ㄊ褂冒敕讲顖D來估算插值過程中所需要的已知點(diǎn)權(quán)重值，以使算出插值結(jié)果的方差值。根據(jù)對區(qū)域化變量分布特性的假設(shè)不同，克里格法可劃分為好幾類，GIS中常用的有兩格法。密度估算密度估算上述的四種空間插值方法用于估算連續(xù)性面狀實(shí)體在每一點(diǎn)的值，而這里的密度估算產(chǎn)生一個面，可以柵格數(shù)據(jù)或等值線的形式輸出。（1）簡單密度估算：將一個格網(wǎng)覆蓋在一個點(diǎn)狀實(shí)體分布圖實(shí)體的個數(shù)計(jì)算每個網(wǎng)格所包含的點(diǎn)狀實(shí)體的總數(shù)，將這個總數(shù)除以網(wǎng)格的面積即得一個網(wǎng)格的密度。（2）采用核函數(shù)計(jì)算：假想將核的中心（底部圓心）移到待計(jì)算點(diǎn)上，以帶寬為搜索半徑，尋找核所包點(diǎn)，根據(jù)各觀測點(diǎn)到待計(jì)算點(diǎn)的距離由核函數(shù)估算它們對待計(jì)算點(diǎn)影響的權(quán)重，然后用公式估算待計(jì)算點(diǎn)的密度：。式中，（x，y）為待計(jì)算測點(diǎn)個數(shù)，h為帶寬，（點(diǎn)的坐標(biāo)，n為核函數(shù)帶寬范圍內(nèi)觀yi）為帶寬范圍內(nèi)第i個觀測點(diǎn)的坐標(biāo)，mi為在第i個觀測點(diǎn)影響大于遠(yuǎn)距離點(diǎn)值的影響。一定 的差用的數(shù)據(jù)模型。i，觀測到的個體數(shù)目。所有的空間差值技術(shù)都有一個基本的假設(shè)，即一個點(diǎn)的值受其附近已知點(diǎn)值的空間插值技術(shù)有很多種，不管使用哪一種方法，通過插值獲取的數(shù)據(jù)都是估算的近似數(shù)據(jù)，它們與實(shí)際值會有距，任何根據(jù)內(nèi)插數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的結(jié)果都具有某種程度上的不確定性。因此，在使用內(nèi)插數(shù)據(jù)時必須認(rèn)識到數(shù)據(jù)的局限性。總結(jié)：柵格數(shù)據(jù)模型和矢量數(shù)據(jù)模型是描述地理現(xiàn)象最常見、最通《地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論》復(fù)習(xí)資料（要點(diǎn)）陳詩吉（編）第六章GIS應(yīng)用模型第一節(jié)GIS應(yīng)用模型概述一、GIS應(yīng)用模型的問題，借助于GIS自身的技術(shù)優(yōu) 勢，類象的不同分概念根據(jù)具體的應(yīng)用目標(biāo)和使觀念世界中形成的概念模型，具體化為信息世界中可操作的機(jī)理和過程。二、GIS應(yīng)用模型的分