第2章 GIS的地理基礎(chǔ)課件

第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.1地球空間的認(rèn)知及表達(dá)2.2地球形狀與地球空間模型2.3空間參照基礎(chǔ)的坐標(biāo)系2.4地球時(shí)間系統(tǒng)地理基礎(chǔ)是地理信息數(shù)據(jù)表示格式與規(guī)范的重要組成部分。第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.1地球空間的認(rèn)知及表達(dá)人類認(rèn)識(shí)地球可以說(shuō)經(jīng)歷了三次大飛躍，第一次“地理大發(fā)現(xiàn)”對(duì)地球是球體的認(rèn)識(shí)，第二次“哥白尼的日心說(shuō)”對(duì)地球繞日運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，第三次“數(shù)字地球”的認(rèn)識(shí)，則有助于人類監(jiān)控地球，人們對(duì)地球科學(xué)的認(rèn)知走過(guò)了艱難的歷程。地球在宇宙中運(yùn)動(dòng)，受近地天體的影響，尤其是受太陽(yáng)的影響。從日地關(guān)系來(lái)看，地球空間包括被太陽(yáng)風(fēng)包圍著的、受地球磁場(chǎng)控制的空間區(qū)域，也是各種應(yīng)用衛(wèi)星、空間站和載人飛船運(yùn)行的主要空間區(qū)域，是地球最重要的宇宙環(huán)境（見圖2.1）。地理學(xué)主要研究地球表層的環(huán)境特點(diǎn)及演變規(guī)律。人們用“空間實(shí)體”來(lái)概括表達(dá)對(duì)表層（現(xiàn)實(shí)世界）有意義的環(huán)境，空間實(shí)體是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界有意義的東西的統(tǒng)稱。對(duì)于空間實(shí)體來(lái)說(shuō)，它是有形狀的，可用維度表達(dá)。人們對(duì)地球空間的認(rèn)識(shí)可概括成圖2.2。第2章GIS的地理基礎(chǔ)圖2.1日地關(guān)系及最重要的宇宙環(huán)境第2章GIS的地理基礎(chǔ)圖2.2地球空間的認(rèn)知第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.1.1地理實(shí)體和地理數(shù)據(jù)

1.地理實(shí)體和地理數(shù)據(jù)概念GIS的研究對(duì)象是地理實(shí)體。即指地球表層自然現(xiàn)象和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素中不能再分割的單元。地理實(shí)體類別及實(shí)體內(nèi)容的確定是從具體需要出發(fā)的，具有很強(qiáng)的尺度特征。GIS中的地理實(shí)體是一個(gè)概括、復(fù)雜、相對(duì)的概念。如：面狀實(shí)體在小比例尺表達(dá)時(shí)可能成為點(diǎn)狀實(shí)體。點(diǎn)狀實(shí)體在大比例尺可視化里也許就成為面狀實(shí)體。第2章GIS的地理基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)用于描述空間要素的空間位置，或離散或連續(xù)。離散要素是指觀測(cè)值是不連續(xù)的，形成分離的要素，并可單個(gè)識(shí)別，包括點(diǎn)要素（如井）、線要素（如道路）和面要素（如土地利用類型）等；連續(xù)要素指觀測(cè)值是連續(xù)的要素（如降水量和等高線分布等）。根據(jù)空間特征，地理實(shí)體也可分為離散型和連續(xù)型兩種；也可進(jìn)一步簡(jiǎn)化、抽象分為點(diǎn)、線、面、體等實(shí)體類型。第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.地理數(shù)據(jù)與地理實(shí)體的關(guān)系所有地理數(shù)據(jù)都是地理實(shí)體的概括，反映地理實(shí)體在地表分布的定位數(shù)據(jù)都是依據(jù)一定的地表定位參照系統(tǒng)。地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號(hào)化表示，是一種較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，涉及到空間特征、屬性特征及它們之間關(guān)系的描述，人們常把地理數(shù)據(jù)稱為空間數(shù)據(jù)。但地理實(shí)體以什么形式存儲(chǔ)和處理反映了實(shí)體空間、屬性和時(shí)間三個(gè)特征,也是地理空間分析的三大基本要素?？臻g特征包括地理位置和空間關(guān)系，定位數(shù)據(jù)描述地物所在位置，這種位置既可以根據(jù)大地參照系定義，如大地經(jīng)緯度坐標(biāo)，也可以定義為地物間的相對(duì)位置關(guān)系，如空間上的距離、鄰接、重疊、包含等；屬性特征又稱為非空間特征，是屬于一定地物、描述其特征的定性或定量指標(biāo)（包括名稱、等級(jí)、類別等），即描述了信息的非空間組成部分，包括語(yǔ)義與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等；時(shí)間特征是指地理數(shù)據(jù)采集或地理現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)刻或時(shí)段，反映時(shí)序變化等，時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境模擬分析非常重要。第2章GIS的地理基礎(chǔ)3.地理數(shù)據(jù)與比例尺用地理數(shù)據(jù)表示現(xiàn)實(shí)世界經(jīng)歷了一定的對(duì)地理實(shí)體的概括和綜合過(guò)程的，地圖概括、地圖比例尺的概念都反映了這個(gè)特征。地理數(shù)據(jù)是有選擇地表示那些反映客觀世界的主要地理實(shí)體及其重要特征，其表示的地理實(shí)體的數(shù)量和特征的詳略程度主要受地圖比例尺和影像空間分辨率的影響，如圖2.4所示。第2章GIS的地理基礎(chǔ)在GIS中，地理數(shù)據(jù)對(duì)地理實(shí)體概括描述的程度主要以地圖比例尺表示。地圖比例尺定義為地圖上一條直線段的長(zhǎng)度與其在地面上相應(yīng)的水平投影長(zhǎng)度之比。地圖比例尺主要有三種形式：數(shù)字式、說(shuō)明式和圖解式。GIS在地圖形式顯示或輸出地理數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)常使用圖解式比例尺。這是因?yàn)殡S著顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上的地圖的放大或縮小，圖解比例尺相應(yīng)地按比例拉長(zhǎng)或縮短。比例尺的大小決定地圖表達(dá)地理實(shí)體內(nèi)容的詳略，對(duì)地理數(shù)據(jù)所表示的地理實(shí)體詳略程度有影響。但GIS表達(dá)地理實(shí)體主要與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)量多少有關(guān)；GIS中地理數(shù)據(jù)的精度及其所表示的地理實(shí)體的詳略程度，主要取決于原始地圖或影像資料的比例尺。第2章GIS的地理基礎(chǔ)4.地理數(shù)據(jù)的分類與編碼

地理數(shù)據(jù)或信息種類繁多、內(nèi)容豐富，只有將“現(xiàn)實(shí)世界”按一定的規(guī)律進(jìn)行分類和編碼，才能使其在“信息世界”中有序地存儲(chǔ)、檢索，以滿足各種應(yīng)用分析需求。（1）屬性數(shù)據(jù)編碼在屬性數(shù)據(jù)中，有一部分是與幾何數(shù)據(jù)的表示密切相關(guān)的。例如，道路的等級(jí)、類型等，決定著道路符號(hào)的形狀、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把這部分屬性數(shù)據(jù)用編碼的形式表示，并與幾何數(shù)據(jù)一起管理。編碼是指確定屬性數(shù)據(jù)的代碼的方法和過(guò)程。代碼是一個(gè)或一組有序的易于被計(jì)算機(jī)或人識(shí)別與處理的符號(hào)，是計(jì)算機(jī)鑒別和查找信息的主要依據(jù)和手段。編碼的直接產(chǎn)物就是代碼，而分類分級(jí)則是編碼的基礎(chǔ)。第2章GIS的地理基礎(chǔ)（2）分類編碼的原則分類是將具有共同的屬性或特征的事物或現(xiàn)象歸并在一起，而把不同屬性或特征的事物或現(xiàn)象分開的過(guò)程。分類是人類思維所固有的一種活動(dòng)，也是認(rèn)識(shí)事物的一種方法。分類的基本原則是：科學(xué)性、系統(tǒng)性、可擴(kuò)性、實(shí)用性、兼容性、穩(wěn)定性、不受比例尺限制及靈活性等。第2章GIS的地理基礎(chǔ)（3）分類碼和標(biāo)識(shí)碼分類碼是直接利用信息分類的結(jié)果制定的分類代碼，用于標(biāo)記不同類別信息的數(shù)據(jù)。分類碼一般由數(shù)字、或字符、或數(shù)字字符混合構(gòu)成。標(biāo)識(shí)碼是間接利用信息分類的結(jié)果，在分類的基礎(chǔ)上，對(duì)某一類數(shù)據(jù)中各個(gè)實(shí)體進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以便能按實(shí)體進(jìn)行存儲(chǔ)和逐個(gè)進(jìn)行查詢檢索。標(biāo)識(shí)碼通常由定位分區(qū)和各要素實(shí)體代碼兩個(gè)碼段構(gòu)成。分類碼標(biāo)識(shí)碼第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.1.2地理實(shí)體類型及空間關(guān)系1.地理實(shí)體空間基本類型及表示方法按空間分布特征，地理實(shí)體類型可劃分為點(diǎn)、線、面、體。相應(yīng)地實(shí)體的維數(shù)就有0、1、2、3維之分。地理數(shù)據(jù)根據(jù)點(diǎn)、線、面和體的劃分來(lái)描述地理實(shí)體的空間分布及其專題特性。地理實(shí)體的基本類型及表示方法點(diǎn)狀：包括實(shí)體點(diǎn)、注記點(diǎn)、內(nèi)點(diǎn)、角點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)等。點(diǎn)有特定位置，不能按比例尺表示線狀：包括線段，邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等呈線狀或帶狀延伸分布，在地圖上它們以線狀符號(hào)表示，在GIS中，看成具有相同屬性的點(diǎn)的軌跡、線或折線，由一系列的有序集坐標(biāo)表示，并有實(shí)體長(zhǎng)度、彎曲度、方向性等特性。面狀或體狀：即多邊形或多面體。呈面狀分布，且其分布面積和實(shí)際形狀輪廓能按比例表示。以面狀符號(hào)表示。有離散型面狀連續(xù)型面狀實(shí)體在空間上每一點(diǎn)呈連續(xù)的區(qū)域分布，實(shí)體和連續(xù)型面狀實(shí)體。離散型面狀實(shí)體呈不連續(xù)的區(qū)域分布，連續(xù)型面狀實(shí)體在空間上每一點(diǎn)呈連續(xù)的區(qū)域分布。見教材表2.1第2章GIS的地理基礎(chǔ)注意：現(xiàn)實(shí)世界的各種現(xiàn)象是比較復(fù)雜的，往往由不同的空間單元組合而成。所以，復(fù)雜實(shí)體可由簡(jiǎn)單實(shí)體組合來(lái)表達(dá)。用點(diǎn)、線、面兩兩之間組合可表達(dá)復(fù)雜的空間問(wèn)題。在地圖上，通過(guò)地圖概括或比例尺改變，實(shí)體維數(shù)的表示可以改變，如：“面（大比例尺的居民點(diǎn)）變到點(diǎn)（小比例尺居民點(diǎn)）”或“面（雙線河）變到線（單線河）”。同樣，在GIS中，實(shí)體維數(shù)的表示也是根據(jù)比例尺改變的，見圖2.5所示。第2章GIS的地理基礎(chǔ)第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.地理實(shí)體的空間關(guān)系拓?fù)潢P(guān)系、距離關(guān)系、方向關(guān)系拓?fù)洌═opology）一詞來(lái)源于希臘文，拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，研究在拓?fù)渥儞Q下能夠保持圖形關(guān)系不變的幾何屬性，即“拓?fù)鋵傩浴保傅氖且粋€(gè)點(diǎn)在一個(gè)弧段的端點(diǎn)，或一個(gè)點(diǎn)在一個(gè)區(qū)域的邊界上；而“非拓?fù)鋵傩浴敝竷牲c(diǎn)之間的距離，弧段的長(zhǎng)度，區(qū)域的周長(zhǎng)、面積等。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)包括：唯一標(biāo)識(shí)，多邊形標(biāo)識(shí)，外包多邊形指針，鄰接多邊形指針，邊界鏈接，范圍界定（最大和最小x、y坐標(biāo)值）。第2章GIS的地理基礎(chǔ)（1）拓?fù)潢P(guān)系定義指滿足拓?fù)鋷缀螌W(xué)原理的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)間的相互關(guān)系。即用結(jié)點(diǎn)、圓弧和多邊形所表示的實(shí)體之間的鄰接、關(guān)聯(lián)和包含等關(guān)系?；蛑鸽m圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)（如將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉(zhuǎn)或折疊）。（2）拓?fù)潢P(guān)系種類依系統(tǒng)元素之間的關(guān)系可分為關(guān)聯(lián)性、鄰接性、連通性、包含性等。①關(guān)聯(lián)性：指不同類要素之間，如圖2.6中的結(jié)點(diǎn)（9）與弧段（5、6、3）關(guān)聯(lián)，多邊形（2）與弧段（3、5、2）關(guān)聯(lián)。第2章GIS的地理基礎(chǔ)②鄰接性：指同類元素之間，如多邊形之間或結(jié)點(diǎn)鄰接矩陣表達(dá)如圖2.7所示。其中“1”表示鄰接，“0”表示不鄰接。③連通性：是衡量網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的程度，常用γ指數(shù)和α指數(shù)計(jì)算它。其中，γ指數(shù)等于給定空間網(wǎng)絡(luò)體節(jié)點(diǎn)連線數(shù)與可能存在的所有連線數(shù)之比；α指數(shù)用于衡量環(huán)路，節(jié)點(diǎn)被交替路徑連接的程度稱為α指數(shù),等于當(dāng)前存在的環(huán)路數(shù)與可能存在的最大環(huán)路數(shù)之比。連通性常用于網(wǎng)絡(luò)分析中確定路徑或分析街道是否相通等。連通矩陣如圖2.8所示，其中“1”表示連通，“0”表示不連通。④包含性：指面狀的實(shí)體包含了哪些線（?。?、點(diǎn)或面狀實(shí)體。圖2.7鄰接性表達(dá)圖2.8連通性表達(dá)第2章GIS的地理基礎(chǔ)（3）拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)GIS領(lǐng)域目前對(duì)于拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)普遍采用Egenhofer的9交叉模型。模型首先對(duì)線、面幾何目標(biāo)根據(jù)其拓?fù)涔π澐秩齻€(gè)部位：邊界

Y、內(nèi)部Yo、外部Y－，然后通過(guò)這些部位的二元邏輯交運(yùn)算，根據(jù)結(jié)果0/1(無(wú)交/有交)的組合值確定拓?fù)潢P(guān)系的種類，然后尋求對(duì)應(yīng)的自然語(yǔ)言的描述。由于兩實(shí)體比較三個(gè)部位的組合產(chǎn)生3×3=9種組合，因此稱“9交叉模型”，通常采用3×3的矩陣來(lái)表示。如圖2.9所示。第2章GIS的地理基礎(chǔ)圖2.9面、線目標(biāo)的拓?fù)洳课槐硎荆ㄆ渲校哼吔?/p>

Y、內(nèi)部Yo、外部Y－）第2章GIS的地理基礎(chǔ)

通過(guò)分析棄除矩陣中無(wú)意義的0/1組合，最后得到線與面目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系有19種，面與面目標(biāo)的拓?fù)潢P(guān)系有8種，分別如圖2.10和圖2.11所示。圖2.10線與面目標(biāo)的19種拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)第2章GIS的地理基礎(chǔ)圖2.11面與面目標(biāo)的8種拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)

第2章GIS的地理基礎(chǔ)（4）拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系如圖2.12所示。結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)表達(dá)如表2.2（a）～（d）所示。其中表2.2（a）是結(jié)點(diǎn)與弧段的拓?fù)潢P(guān)系。圖2.12空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系第2章GIS的地理基礎(chǔ)（5）拓?fù)潢P(guān)系對(duì)GIS空間分析的意義拓?fù)潢P(guān)系對(duì)于數(shù)據(jù)處理和GIS空間分析具有重要的意義。表現(xiàn)為：第一，拓?fù)潢P(guān)系能清楚地反映實(shí)體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化；第二，拓?fù)溆兄诳臻g要素的查詢，利用拓?fù)潢P(guān)系可以解決許多實(shí)際問(wèn)題（如區(qū)域的鄰接和相鄰問(wèn)題分析）；第三，根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可重建地理實(shí)體，這對(duì)于虛擬GIS發(fā)展很有利。第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.1.3地理數(shù)據(jù)、地理實(shí)體與圖層在GIS中，地理數(shù)據(jù)是以圖層（MapLayer或Coverage）為單位進(jìn)行組織和存儲(chǔ)的。一幅圖層表示一種類型的地理實(shí)體，它包含了以一定的柵格或矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織的有關(guān)同一地區(qū)、同一類型地理實(shí)體的定位和屬性數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，存儲(chǔ)在一起形成一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)集（Dataset）。由于一幅圖層反映某一特定的主題，因此，它又稱為專題數(shù)據(jù)層（ThematicDataLayer）。圖層表示法就是以圖層為結(jié)構(gòu)表示和存儲(chǔ)綜合反映某一地區(qū)的自然、人文現(xiàn)象的地理分布特征和過(guò)程的地理數(shù)據(jù)，這種方法實(shí)際上源自傳統(tǒng)的專題地圖表示法。專題地圖主要用于反映某一主題地理現(xiàn)象的分布特征，一個(gè)地區(qū)的自然和人文地理綜合特征是通過(guò)使用一系列的專題地圖來(lái)表示的。存儲(chǔ)在GIS中的每一幅圖層可看作是一幅反映單一主題現(xiàn)象的專題地圖，但是，一個(gè)圖層只能用于描述單一地理實(shí)體（點(diǎn)、線或面）。第2章GIS的地理基礎(chǔ)1．地理數(shù)據(jù)或?qū)嶓w分層基本原則和方法

（1）在劃分圖層時(shí)遵循基本的原則有：①不同的圖形對(duì)象類型存放在不同的圖層；②基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)作為單獨(dú)圖層；③依系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)的處理方式不同而分層存放。（2）實(shí)施的方法：。①專題分層：每圖層對(duì)應(yīng)一個(gè)專題，包含某一種或某一類數(shù)據(jù)或?qū)嶓w。如地貌層、水系層、道路層、居民地層等。②時(shí)間序列分層：把不同時(shí)間或不同時(shí)期的數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)層。如2000年和2005年福州林地?cái)?shù)據(jù)就可存放兩個(gè)圖層中。③幾何特征分層：把點(diǎn)、線、面不同的幾何特征數(shù)據(jù)分成不同的層，如高程點(diǎn)只有位置，沒(méi)有長(zhǎng)度與面積；如道路、水系等，抽象成線，由點(diǎn)串構(gòu)成，有長(zhǎng)度屬性；面狀的水庫(kù)湖泊等，不但有位置，而且還有面積、周長(zhǎng)等屬性。第2章GIS的地理基礎(chǔ)2、地理數(shù)據(jù)或?qū)嶓w分層的目的

地理數(shù)據(jù)分層后便于空間數(shù)據(jù)的管理、查詢、顯示和分析等。主要目的為：（1）空間數(shù)據(jù)分為若干數(shù)據(jù)層后，對(duì)所有空間數(shù)據(jù)的管理就簡(jiǎn)化為對(duì)各數(shù)據(jù)層的管理，而一個(gè)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往往比較單一，數(shù)據(jù)量也相對(duì)較小，管理起來(lái)就相對(duì)簡(jiǎn)單。（2）對(duì)分層的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢時(shí)，不需要對(duì)所有空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，只需要對(duì)某一層空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢即可，因而可加快查詢速度。（3）分層后的空間數(shù)據(jù)，由于便于任意選擇需要顯示的圖層，因而增加了圖形顯示的靈活性。（4）對(duì)不同數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加，可進(jìn)行各種目的的空間分析，特別有利于地圖的疊加分析。第2章GIS的地理基礎(chǔ)3．處理數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

在使用GIS采集和處理地理數(shù)據(jù)、地理實(shí)體和圖層之間的關(guān)系時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。某些空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)要求把點(diǎn)、線、面實(shí)體分別組織、存儲(chǔ)在不同的圖層中，如早期版本的Arc/Info對(duì)Coverage的存儲(chǔ)，點(diǎn)與面目標(biāo)不能存放在一起。由于不同屬性描述，所定義的屬性表是不一樣的，所以，同一種幾何類型但功能不同的地理實(shí)體應(yīng)分別組織、存儲(chǔ)在不同的圖層中。反映同一地理實(shí)體但具有不同比例尺或不同資料來(lái)源的地理數(shù)據(jù)應(yīng)分別組織、存儲(chǔ)在不同的圖層中。對(duì)來(lái)源于不同部門或需要經(jīng)常更新的地理數(shù)據(jù)應(yīng)分別組織、存儲(chǔ)在不同的圖層中。當(dāng)研究的區(qū)域范圍較廣時(shí)，由于地理數(shù)據(jù)量大，應(yīng)注意合理分幅，然后再將各分幅數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)，構(gòu)建所需的圖層。第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.2地球形狀與地球空間模型2.2.1地球的形狀

地球在宇宙中是不停地運(yùn)動(dòng)著的。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)地球形狀的認(rèn)識(shí)常描述為球體、或橢球體、或不規(guī)則的橢球體、或具有高低起伏的扁球體。究竟如何表達(dá)描述地球形狀，則與人們對(duì)了解地球所要求的精度相關(guān)。第2章GIS的地理基礎(chǔ)第2章GIS的地理基礎(chǔ)地球自然地面實(shí)際呈高低起伏。最高處為珠穆朗瑪峰頂，海拔8844．43m，最低馬里亞納海溝底，海拔-11034m，但兩者相差約20km，若與地球的赤道半徑6378.140km和極半徑6356.755km相比，或與地球的平均半徑6378.14km對(duì)比，懸殊較大。若用相同的比例尺縮小來(lái)反映地球，則難以表達(dá)地表的20km的差別。人們常把地球視為“圓球體”，如地球模型之一“地球儀”，所以在研究地球形狀時(shí)，主要視精度的需求而定。人們或用規(guī)則的橢球體來(lái)模擬地球，或用規(guī)則的球體來(lái)模擬地球，或用大地水準(zhǔn)面來(lái)模擬真實(shí)的地面（如圖2.14所示）。換一句話說(shuō)，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)表達(dá)可以采用地球空間模型。地圖和GIS其實(shí)都是地球模型，地圖以圖形符號(hào)來(lái)記載和表示地理數(shù)據(jù)；GIS以數(shù)字形式來(lái)記載和表示地理數(shù)據(jù)。第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.2.2地球空間模型如何描述地球的形狀？這是地圖和GIS要解決的重要問(wèn)題之一。一般可用地球空間模型表達(dá)，常見的地球空間模型有以下幾種。（1）地球的自然表面：是一個(gè)高低起伏、不規(guī)則的表面，包括海陸表面。（2）地球大地水準(zhǔn)面：假設(shè)當(dāng)海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)時(shí)，從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個(gè)連續(xù)、閉合的水準(zhǔn)面，也就是地球引力場(chǎng)的等勢(shì)面，稱為大地水準(zhǔn)面。如圖2.14所示。第2章GIS的地理基礎(chǔ)（3）地球橢球體模型：以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立起來(lái)的地球橢球體模型（見圖2.15），表面是個(gè)規(guī)則的數(shù)學(xué)表面，橢球體的大小通常用兩個(gè)半徑――長(zhǎng)半徑a（也叫赤道半徑）和短半徑b（也叫極半徑），或由一個(gè)半徑和扁率u或偏心率e來(lái)決定。其中：扁率：

第一偏心率：第二偏心率：圖2.15地球橢球體模型第2章GIS的地理基礎(chǔ)對(duì)于旋轉(zhuǎn)橢球體的描述，由于計(jì)算年代不同，所用方法不同；測(cè)定地區(qū)不同，其描述方法也不同。一百多年來(lái)，各國(guó)研究者對(duì)地球橢球體進(jìn)行了眾多研究，提出了多組地球橢球體參數(shù)。常用參數(shù)數(shù)據(jù)如表2.3。不同的GIS軟件，所提供的旋轉(zhuǎn)橢球體模型種類有不同，如Arc/Info軟件中提供了30多種旋轉(zhuǎn)橢球體模型。第2章GIS的地理基礎(chǔ)我國(guó)于1954年開始采用前蘇聯(lián)克拉索夫斯基（Krasovski）橢球體作為地球表面幾何模型，即1954年北京坐標(biāo)系。20世紀(jì)70年代末建立了新的1980西安坐標(biāo)系，采用了國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)（IUGG）提供的橢球體。1984年后采用了世界大地坐標(biāo)（WGS84）橢球體，建立的是國(guó)家大地坐標(biāo)系。2008年7月1日后啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，它是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)使用的具體體現(xiàn)，同時(shí)，國(guó)家測(cè)繪局公告2000國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過(guò)渡期為8至10年。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系采用的地球橢球參數(shù)如下：長(zhǎng)半軸a＝6378137m扁率f＝1/298.257222101地心引力常數(shù)：自轉(zhuǎn)角速度第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.3空間參照基礎(chǔ)的坐標(biāo)系2.3.1坐標(biāo)系統(tǒng)

由于GIS的一個(gè)基本原則是集成在一起使用的地圖圖層必須在空間上是仿射的，所以，了解空間參照基礎(chǔ)的坐標(biāo)系統(tǒng)很重要。與GIS有關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng)主要有：1.地理坐標(biāo)，屬于球面坐標(biāo)系統(tǒng)；2.投影坐標(biāo)，屬于平面坐標(biāo)系統(tǒng)。應(yīng)用GIS技術(shù)來(lái)模擬、反演區(qū)域地理過(guò)程或現(xiàn)象是地學(xué)應(yīng)用的重要發(fā)展趨勢(shì)，但地表不同區(qū)域參數(shù)的選擇（是曲面還是平面，是球體還是橢球體，還是不規(guī)則橢球體）是GIS地學(xué)應(yīng)用模型構(gòu)建的關(guān)鍵。第2章GIS的地理基礎(chǔ)1.球面坐標(biāo)一般模式由基圈、始圈和終圈構(gòu)成的球面三角，如圖2.16所示。第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.常見的坐標(biāo)系（1）目前常見的定位坐標(biāo)系統(tǒng)有地方獨(dú)立坐標(biāo)系1954北京坐標(biāo)系1980西安坐標(biāo)系1984國(guó)家大地坐標(biāo)2000國(guó)家大地坐標(biāo)（1）地理坐標(biāo)系屬于球面坐標(biāo)系，它的基圈是赤道，始圈是本初子午線，終圈是所在地的經(jīng)線，緯線和經(jīng)線相交定點(diǎn)，用緯度（φ）和經(jīng)度（λ）表示，即（φ，λ）。例如：北京（39.9N°，116.4°E），福州（26.0N°,119.3°E），武漢（30.5N°，114.2°E）等。地球表面空間要素的位置是基于用經(jīng)、緯度值表示的地理坐標(biāo)系。第2章GIS的地理基礎(chǔ)（2）平面坐標(biāo)系若把地球曲面視為平面，或地球曲面投影后的平面，可用狄卡爾直角坐標(biāo)系（x，y）表示地面的位置，單位“米”或“千米”。GIS用戶通常是在平面上對(duì)地圖要素進(jìn)行處理，地球表面空間要素的位置是基于用x軸和y軸表示的平面坐標(biāo)系。（3）高程系如果考慮高度，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)空間點(diǎn)位置，可以用大地坐標(biāo)系的形式表示，即（φ，λ，h），也可用空間大地直角坐標(biāo)系表達(dá)，即（x，y，z）表示。目前國(guó)內(nèi)常見高程系有黃海高程系（高程基準(zhǔn)面以黃海平均海面為準(zhǔn)）和地方高程系（如福建有羅星塔平均海平面作為基準(zhǔn)）。高程可用海拔（m）表示。如：1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，即指以青島水準(zhǔn)原點(diǎn)和青島驗(yàn)潮站1952年到1979年的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)確定的黃海平均海水面所定義。第2章GIS的地理基礎(chǔ)第2章GIS的地理基礎(chǔ)第2章GIS的地理基礎(chǔ)第2章GIS的地理基礎(chǔ)第2章GIS的地理基礎(chǔ)2.3.2地圖投影1．地圖投影的基本問(wèn)題地球是個(gè)球體，如何將地表曲面轉(zhuǎn)換成平面，從一種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一種坐標(biāo)系，這就是地圖投影的問(wèn)題。定義將地球橢球面上的點(diǎn)映射到平面上來(lái)的方法，稱為“地圖投影”。將不可展的地球橢球面展開成平面，且不斷裂，圖形就要發(fā)生變形，在制圖學(xué)上稱為“投影變形”。一般有長(zhǎng)度變形、角度變形和面積變形。地圖投影的類型很多，依變形性質(zhì)可分為等角投影、等面積投影和任意投影；依可展曲面形狀可分為圓錐投影、圓柱投影和方位投影；依投影面與地軸軸向的相對(duì)位置可分為正軸、斜軸和橫軸投影類型等（關(guān)于地圖投影知識(shí)參見相關(guān)的地圖學(xué)教材）。每一種投影都與一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)相聯(lián)系。坐標(biāo)系統(tǒng)是一套說(shuō)明某一物體地理坐標(biāo)的參數(shù)，其中參數(shù)之一就為“投影”。投影關(guān)系說(shuō)明如何將圖形物體顯示于平面上，而坐標(biāo)系統(tǒng)則顯示出地形地物所在的相對(duì)位置。第2章GIS的地理基礎(chǔ)地球橢球體與地圖投影第2章GIS的地理基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)在不同地圖投影中的轉(zhuǎn)換第2章GIS的地理基礎(chǔ)2．地圖投影與GIS地圖是GIS的主要數(shù)據(jù)來(lái)源，在采集地圖數(shù)據(jù)并輸入GIS的過(guò)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。注意：這里所說(shuō)的“處理”指的是“投影和重新投影”，前者是指將數(shù)據(jù)集從地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成投影坐標(biāo)，后者是指從一種投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成另一種投影坐標(biāo)?？梢哉f(shuō)地圖投影對(duì)GIS的影響是滲透在GIS建設(shè)的各個(gè)方面，圖2.17可以反映出地圖投影與GIS的關(guān)系。第2章GIS的地理基礎(chǔ)第2章GIS的地理基礎(chǔ)3．地圖投影在GIS中的作用地圖投影在GIS中的作用主要有以下幾個(gè)方面。（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(gè)GIS項(xiàng)目的首要任務(wù)。（2）GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲(chǔ)時(shí)，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過(guò)投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)；而輸出或顯示時(shí)，則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過(guò)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(guó)家基本地圖系列的比例尺一致時(shí)，一般采用國(guó)家基本系列地圖所用的投影。第2章GIS的地理基礎(chǔ)4．統(tǒng)一地圖投影系統(tǒng)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。一般要求如下幾點(diǎn)。各國(guó)家的地理信息系統(tǒng)投影與該國(guó)基本地圖系列所用的投影系統(tǒng)一致。各比例尺GIS投影與相應(yīng)比例尺的主要信息源地圖所用的投影一致。各地區(qū)GIS投影與所在區(qū)域適用的投影一致。各種地理信息系統(tǒng)一般以一種或兩種（至多三種）投影系統(tǒng)為其投影坐標(biāo)系統(tǒng)，以保證地理定位框架的統(tǒng)一。第2章GIS的地理基礎(chǔ)空間信息系統(tǒng)中地圖投影配置的一般原則如下：（1）所配置的投影系統(tǒng)應(yīng)與相應(yīng)比例尺的國(guó)家基本圖（基本比例尺地形圖、基本省區(qū)圖或國(guó)家大地圖集）投影系統(tǒng)一致；我國(guó)基本比例尺地形圖除1:100萬(wàn)外均采樣高斯――克呂格投影為地理基礎(chǔ)。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。為保證不變形或變形少，選用投影以等角投影為宜。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)(特別是一級(jí)網(wǎng)格)在投影帶中應(yīng)保持完整。第2章GIS的地理基礎(chǔ)5．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(gè)統(tǒng)一的定位框架，使各種來(lái)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(gè)基礎(chǔ)上反映出它們的地理位置和地理空間關(guān)系特征。第2章GIS的地理基礎(chǔ)6．面向數(shù)字地球的投影問(wèn)題數(shù)字地球（DigitalEarth）是美國(guó)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。受傳統(tǒng)地圖空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論和方法的影響，目前幾乎所有的GIS均沿用地圖投影作為自己參考系的數(shù)