地理空間數(shù)據(jù)處理

1、第四章 地理空間數(shù)據(jù)處理第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)插值第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理8/16/20221第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)一、地球表面形狀二、地理坐標(biāo)三、地圖投影四、坐標(biāo)變換8/16/20222第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)一、地球表面形狀1.地球表面形狀的幾級近似表示大地水準(zhǔn)面: 平均海面（物理上相當(dāng)于靜止海面），及其在陸地下的延伸所構(gòu)成的一個閉合的環(huán)球水準(zhǔn)面。它是重力測量和高程起算的基準(zhǔn)面。（絕對高程，海拔高度）地球橢球體： 由地球長、短半軸確定的的實際形狀。（與大地水準(zhǔn)面相差不到一二百米）地球正球體：精度要求不高時，可以近似表示。8/16/20223第一節(jié) GIS的地學(xué)

2、基礎(chǔ)2.兩種橢球體根據(jù)逼近方式不同，地球橢球體分為兩類：參考橢球體；（在局部范圍內(nèi)逼近大地水準(zhǔn)面）平均橢球體；（在全球范圍內(nèi)逼近大地水準(zhǔn)面）參考橢球體是局部定位的地球橢球體，是具體國家“大地測量網(wǎng)”的基礎(chǔ)。為什么？8/16/20224第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)二、地理坐標(biāo)（三種地理坐標(biāo)）地心坐標(biāo)：GPS測得的坐標(biāo)大地坐標(biāo)（依據(jù)參考橢球體建立）：GIS中常用的，具體國家的大地測量的地理坐標(biāo)。單純的球面坐標(biāo)（天文經(jīng)緯度）8/16/20225第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)三、地圖投影1.定義：將地球橢球面上的點映射到平面上的方法，稱為地圖投影2.原因:地理坐標(biāo)為球面坐標(biāo)，不方便進(jìn)行距離、方位、面積等參數(shù)的量

3、算地球橢球體為不可展曲面地圖為平面，符合視覺心理，并易于進(jìn)行距離、方位、面積等量算和各種空間分析8/16/20226第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ) 3. 投影實質(zhì) 建立地球橢球面上經(jīng)緯線網(wǎng)和平面上相應(yīng)經(jīng)緯線網(wǎng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也就是建立地球橢球面上的點的地理坐標(biāo)（，）與平面上對應(yīng)點的平面坐標(biāo)（x，y）之間的函數(shù)關(guān)系： 當(dāng)給定不同的具體條件時，將得到不同類型的投影方式。 8/16/20227地圖投影：投影實質(zhì)8/16/20228直接建立在球體上的地理坐標(biāo)，用經(jīng)度和緯度表達(dá)地理對象位置建立在平面上的直角坐標(biāo)系統(tǒng)，用（x，y）表達(dá)地理對象位置投影8/16/20229第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)4.投影變形將不可展的

4、地球橢球面展開成平面，并且不能有斷裂，則圖形必將在某些地方被拉伸，某些地方被壓縮，故投影變形是不可避免的。長度變形面積變形角度變形8/16/202210第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)5. 投影選擇因素制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍制圖比例尺地圖內(nèi)容出版方式8/16/202211第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)6. 我國常用地圖投影1：100萬：蘭勃投影（正軸等積割圓錐投影）大部分分省圖、大多數(shù)同級比例尺也采用蘭勃投影1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5萬、1:1萬、1：5000采用高斯克呂格投影。8/16/202212第一節(jié) GIS的地學(xué)基礎(chǔ)四、坐標(biāo)變換(幾何糾正或坐標(biāo)校正)含義：直角坐

5、標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換X=F1（X，Y）和Y=F1（X，Y）關(guān)系式對坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分兩類：地理坐標(biāo)化；配準(zhǔn)或校準(zhǔn)；（不一定要轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)）技術(shù)路線：尋找地面控制點。線形關(guān)系；非線形關(guān)系。8/16/202213第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)插值一、基本概念二、整體插值法三、局部插值法8/16/202214第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)插值一、基本概念1.概念指通過已知點或分區(qū)的數(shù)據(jù)，推求任意點或分區(qū)數(shù)據(jù)的處理及其方法。2.必要性自然環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)難以采集，或由于某種原因數(shù)據(jù)缺失數(shù)據(jù)分布不均勻；轉(zhuǎn)換格式或坐標(biāo)校正等變化時，需要插值；8/16/202215第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)插值3.內(nèi)容：內(nèi)插；外推4.原則：盡量減少因插值帶來的

6、數(shù)據(jù)質(zhì)量損失，空間變量數(shù)據(jù)源的分布最好比較適應(yīng)空間變量的分布特點?？臻g變量的分布特點：緩變（稀疏），劇變（密集），躍變（沿躍變帶密集采樣）5.GIS中常見的數(shù)據(jù)源在空間分布上的類型柵格數(shù)據(jù)（衛(wèi)星，航空測量）；較均勻的采樣數(shù)據(jù)；不均勻或不規(guī)則的數(shù)據(jù)。8/16/202216第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)插值二、整體插值法（全局方法）含義：利用每個可利用的控制點來構(gòu)建一個方程或一個模型，而后該模型可用于估算未知數(shù)值。1.趨勢面分析（趨勢面模型）方法：用多項式擬合已知的數(shù)據(jù)值，并用于估算其他的點。線形或一階趨勢面方程：Zx,y=b0+b1X+B2y軟件自帶，最小二乘法計算示例8/16/202217第二節(jié) 地理空

7、間數(shù)據(jù)插值2.邊界內(nèi)插法3.回歸模型法8/16/202218第二節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)插值三、局部插值法含義：只能使用鄰近點或樣本數(shù)據(jù)來估算未知的點。方法：最鄰近點法（泰森多邊形法）；移動平均插值法（距離倒數(shù)插值法）8/16/202219第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理一、基本概念二、數(shù)字高程模型及其生成三、其他派生數(shù)據(jù)或地形分析8/16/202220第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理一、空間數(shù)據(jù)三維處理的基本概念1.基本思路真三維處理；2.5維處理。自變量空間地理坐標(biāo)（X，Y，Z）Z=（X，Y）空間變量土壤類型，城市地價二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)三維形象土地利用、地貌特征、污染指數(shù)等8/16/202221Y軸X軸

8、二次曲面Z=F（X，Y）就是變量Z的區(qū)域分布8/16/202222第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理一、空間數(shù)據(jù)三維處理的基本概念2.三維地形表達(dá)的傳統(tǒng)方式數(shù)學(xué)模擬法；圖形圖像法（等高線法）；陰影法（暈渲法）。8/16/202223第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理一、空間數(shù)據(jù)三維處理的基本概念3.GIS三維處理的主要內(nèi)容，DEM數(shù)字高程模型（DEM）；高程矩陣（高程數(shù)據(jù)布滿整個區(qū)域的方格網(wǎng)）；三角網(wǎng)點。地形分析（計算派生地形數(shù)據(jù)）；多層次三維地形可視化表達(dá)；其他空間變量的三維可視化表達(dá)。DEM是以（x,y）為自變量的高程Z數(shù)據(jù)的有序集合。基于DEM可以計算地表的坡度、坡向等數(shù)據(jù)陰影、透視、明暗8/1

9、6/202224第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理一、空間數(shù)據(jù)三維處理的基本概念4.現(xiàn)代三維地形表達(dá)的5個層次數(shù)字高程模型；（高層次三維表達(dá)的基礎(chǔ)）數(shù)字地形模型；（如照片般的可視化地形）數(shù)字地面模型；（在數(shù)字地形模型上疊加真實地物）虛擬現(xiàn)實的數(shù)字地面模型；（身臨其境）虛擬現(xiàn)實/GIS數(shù)字地面模型。（與數(shù)據(jù)庫掛鉤，可查詢）8/16/2022258/16/2022268/16/2022278/16/202228第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理二、數(shù)字高程模型及其生成1.一般思路構(gòu)造高程數(shù)據(jù)和TIN數(shù)據(jù)集內(nèi)插，組合生成高程樣點模型生成。高程矩陣TINDEM及其數(shù)據(jù)不規(guī)則分布的高程樣點數(shù)據(jù)航片立體像對分析數(shù)

10、字化的地形圖、等高線、高程點GPS、全站儀等高程觀測數(shù)據(jù)8/16/202229第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理二、數(shù)字高程模型及其生成2.高程矩陣的特點及其生成（網(wǎng)格DEM或Grid）概念：高程矩陣又稱網(wǎng)格DEM或Grid，是以高程為屬性值的柵格數(shù)據(jù)。表達(dá)方法：以規(guī)整格網(wǎng)的單元或像素，作為表達(dá)高程起伏的基本地表單元或地形單元。特點：具有柵格數(shù)據(jù)的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單規(guī)則，便于計算機(jī)計算。生成方法：活動窗口插值法8/16/202230第三節(jié) 地理空間數(shù)據(jù)的三維處理二、數(shù)字高程模型及其生成3.TIN模型及其生成（不規(guī)則三角網(wǎng)）含義：它是直接基于不規(guī)則高程樣點進(jìn)行組合，將離散高程樣點每三個鄰近點聯(lián)結(jié)成三角形，以連續(xù)的三角面形成數(shù)字高程模型。不規(guī)則三角網(wǎng)以三角面作為表達(dá)高程起伏的基本地表單元或地形單元。構(gòu)成方法：搜尋最近點，參考教材P1428