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1、地理資訊系統(tǒng)概論 第四章 空間位置及資料結(jié)構(gòu),本章學(xué)習(xí)重點(diǎn),地球原子是什麼？ 大地座標(biāo)系統(tǒng)是什麼？ 何謂地圖投影？ 臺(tái)灣常用哪一種座標(biāo)投影系統(tǒng)？ 空間資料表示的概念模式為何？ 向量式結(jié)構(gòu)的概念模式為何？ 網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)的概念模式為何？ 向量式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)的概念模式之差異為何？ 數(shù)值地形模型的概念模式為何？,臺(tái)灣的絕對(duì)位置,以絕對(duì)位置的角度來看 臺(tái)灣北起北緯25度56分（N2556） （宜蘭黃尾嶼的北端） 南迄北緯21度45分 （N2145） （鵝鸞鼻南方14公里的七星巖） 極西位於東經(jīng)119度18分（E11918） （澎湖群島花嶼） 極東位於東經(jīng)124度34分（E12434） （宜蘭縣的赤尾嶼

2、）,.tw/t127/yang5/tai01.htm,臺(tái)灣的相對(duì)位置,臺(tái)灣的相對(duì)位置 以相對(duì)位置的角度來看臺(tái)灣，臺(tái)灣位於亞洲大陸的東南海洋中，西邊隔著臺(tái)灣海峽與中國(guó)大陸的福建省相望，東面緊鄰全球最大的海洋太平洋，南邊濱臨巴士海峽，與菲律賓相距約320公里，北邊瀕臨東海，與日本的琉球群島相距約600公里左右。,.tw/t127/yang5/tai01.htm,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(1),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD67（又稱GRS67，Geodetic Reference System,1967)，內(nèi)政部於1980年公佈：採(cǎi)用

3、1967年公佈GRS67橢球體的平面大地基準(zhǔn)。 （一）、參考橢球體採(cǎi)用1967年新國(guó)際地球原子如下： 1.長(zhǎng)半徑: a =6378160 M 2.短半徑: b =6356774.7192 M 3.扁平率: f =(a-b)/a=1/298.25,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(2),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD67（又稱GRS67，Geodetic Reference System,1967) (二)、大地基準(zhǔn)點(diǎn)以南投埔里之虎子山起算： 經(jīng)度120 58 25. 975 緯度23 58 32. 340 對(duì)頭拒山之方位角323 57 23. 135,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(3),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD67（又稱GRS67，Geo

4、detic Reference System,1967) （三）、高程基準(zhǔn)面： 臺(tái)灣本島以基隆平均海水面起算。 澎湖以馬公平均海水面起算。,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(4),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD67（又稱GRS67，Geodetic Reference System,1967) (四) 、地圖投影：有關(guān)地籍測(cè)量及大比例尺測(cè)圖所應(yīng)用之座標(biāo)系統(tǒng)，係採(cǎi)用橫麥卡托投影經(jīng)差二度分帶，臺(tái)灣本島之中央子午線為121。座標(biāo)原點(diǎn)為中央子午線與與赤道交點(diǎn)，且橫座標(biāo)西移250,000公尺，中央子午線之尺度比率為0.9999。,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(5),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD97（TAIWAN DATUM 97，1997臺(tái)灣大地基準(zhǔn)）

5、 內(nèi)政部於1997年公佈：採(cǎi)用1980年公佈GRS80橢球體為參考球體。 (1)新國(guó)家座標(biāo)系統(tǒng)之名稱命名為1997臺(tái)灣大地基準(zhǔn)(TWD97)，其建構(gòu)係採(cǎi)用國(guó)際地球參考框架(International Terrestrial Reference Frame，簡(jiǎn)稱為ITRF)。ITRF為利用全球測(cè)站網(wǎng)之觀測(cè)資料成果推算所得之地心座標(biāo)系統(tǒng)，其方位採(cǎi)國(guó)際時(shí)間局(Bureau International de lHeure，簡(jiǎn)稱為BIH)定義在1984.0時(shí)刻之方位。,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(6),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD97（TAIWAN DATUM 97，1997臺(tái)灣大地基準(zhǔn)） (2)新國(guó)家座標(biāo)系統(tǒng)之參考橢球體

6、採(cǎi)用1980年國(guó)際大地測(cè)量學(xué)與地球物理學(xué)協(xié)會(huì)（International Union of Geodesy and geophysics，簡(jiǎn)稱為IUGG）公布之參考橢球體 (GRS80)，其橢球參數(shù)如下： 長(zhǎng)半徑 a=6378137 M扁率 f=1/298.257222101,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(7),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD97（TAIWAN DATUM 97，1997臺(tái)灣大地基準(zhǔn)） (3)高程基準(zhǔn)面： 內(nèi)政部已完成臺(tái)灣一等水準(zhǔn)網(wǎng)，計(jì)2,065個(gè)一等水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量工作，並於基隆設(shè)置水準(zhǔn)原點(diǎn)及副點(diǎn)，高程系統(tǒng)以基隆港平均海水面為高程基準(zhǔn)面，據(jù)此訂定2001年臺(tái)灣高程基準(zhǔn)（簡(jiǎn)稱TWVD2001），作為臺(tái)灣高程

7、測(cè)量控制系統(tǒng)之基準(zhǔn)。,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(8),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)TWD97（TAIWAN DATUM 97，1997臺(tái)灣大地基準(zhǔn)） (4)臺(tái)灣、琉球嶼、綠島、蘭嶼及龜山島等地區(qū)之投影方式採(cǎi)用橫麥卡托投影經(jīng)差二度分帶，其中央子午線為東經(jīng)121度，投影原點(diǎn)向西平移250,000 公尺，中央子午線尺度比為0.9999；另澎湖、金門及馬祖等地區(qū)之投影方式，亦採(cǎi)用橫麥卡托投影經(jīng)差二度分帶，其中央子午線定於東經(jīng)119 度，投影原點(diǎn)向西平移250,000公尺，中央子午線尺度比為0.9999。,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(9),WGS84座標(biāo)系統(tǒng) GPS 定位座標(biāo)系統(tǒng)採(cǎi)用WGS84座標(biāo)系的地球橢球基本參數(shù)及主要幾何和物理

8、常數(shù)如下：1.地球橢球基本參數(shù) 長(zhǎng)半徑a6378137M 地球引力常數(shù)(含大氣層) GM3986005108 ms-2 正?；A帶諧係數(shù) C2.0-484.1668510-6 地球自轉(zhuǎn)角速度729211510-11 rads-1,4.1 座標(biāo)參考系統(tǒng)(10),WGS84坐標(biāo)系統(tǒng) 2. 主要幾何和物理常數(shù)短半徑b6356752.3142 M 扁平率f1/298.257223563第一偏心率平方e20.00669437999013第二偏心率平方e20.006739496742227橢球正常重力位U062636860.8497m2s-2赤道正常重力r0 9.9703267714ms-2,4.1 座

9、標(biāo)參考系統(tǒng)(11),4.2地圖投影 (1),等距離投影：保持由一或兩點(diǎn)起算的距離不變，如圓錐投影。 等積投影：保持所有區(qū)域的面積不變，如亞伯（Albers）等積投影。 正形投影：保持原來地物角度之不變，如蘭勃特（Lambert）正形圓錐投影及麥卡扥（Mercator）圓柱投影。,(參考自然公園 財(cái)團(tuán)法人公共電視文化事業(yè)基金會(huì).tw/web02/nature/content2-3.htm),(全人教育百寶箱, .tw/browse2.php?s=237),4.2地圖投影 (2),圓柱投影法 （Cylindrical

10、projection） 1552年，一位荷蘭的製圖家麥卡托，發(fā)明了一種特別的圓柱投影法，這種方法是將地球儀投影在圓柱筒上，再攤開成為平面地圖，地球儀與圓柱接觸的地方是一個(gè)大圓，通常是赤道。這種地圖投影法所投影出來的地圖，呈現(xiàn)長(zhǎng)方形的圖廓，地圖可以顯示全部的經(jīng)線，經(jīng)線和緯線也都和地球儀上的一樣，保持互相垂直。它是一種正形投影。,4.2地圖投影 (3),圓錐投影法（Conical projection） 圓錐投影法是將地球儀投影到圓錐上，再展開成平面地圖的一種方法，球體與圓錐接觸的地方 通常都是中高緯度的一條緯線，這種投影法雖然還是會(huì)造成扭曲，但是狀況比較不嚴(yán)重。尤其是與圓錐接觸的緯線附近的區(qū)域，

11、面積幾乎可以算是極準(zhǔn)確的，因此，若要表現(xiàn)中高緯度的國(guó)家，這是一個(gè)合適的投影法，像是中國(guó)和美國(guó)，就經(jīng)常用圓錐投影法來表現(xiàn)。這是一種等距離投影。,4.2地圖投影 (4),平面投影法（Azimuthal projection） 平面投影又稱為方位投影或天頂投影，這種投影法的投影面和地球儀相交於一個(gè)點(diǎn)，通常是南北極，但也可以是地球上的任何一點(diǎn)，投影出來的平面地圖呈圓形，緯線是一個(gè)一個(gè)的同心圓，經(jīng)線則是從圓心向外的一些放射線，這種投影法所投影出來的地圖，面積比例和實(shí)際的相符。缺點(diǎn)是一次只能投影半個(gè)球面。,4.3 國(guó)際橫麥卡扥投影座標(biāo)系統(tǒng)（Universal Transverse Mercator，UTM

12、） (1),http:/phgiraud.free.fr/eMapZone/help/ZonesUTM.gif,.tw/grid_tm2.htm,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(1),資料結(jié)構(gòu)之基本定義：按邏輯關(guān)係組織的一群資料，按一定的存儲(chǔ)方式將其存儲(chǔ)在電腦中，並在其中定義了操作（運(yùn)算）的資料集合，其研究重點(diǎn)在： (1)資料、資料之間的相互邏輯關(guān)係， (2)資料在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)表示，以及 (3)資料上可能的與結(jié)構(gòu)相關(guān)的運(yùn)算操作。,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(2),資料之間的相互關(guān)係稱爲(wèi)邏輯結(jié)構(gòu)。通常分爲(wèi)四類基本結(jié)構(gòu)： (1)線性結(jié)構(gòu)中的資料元素之間存在一對(duì)一的關(guān)係。 (2)樹型結(jié)構(gòu)中的資料元素之間存在一對(duì)

13、多的關(guān)係。 (3)圖狀結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的資料元素之間存在多對(duì)多的關(guān)係。 (4)文件（集合）結(jié)構(gòu)中的資料元素除了同屬於一種類型外，別無其他關(guān)係。,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(3),資料的物理表示，也叫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，資料結(jié)構(gòu)在電腦記憶體中的表示。 主要存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)有： (1)順序存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 用資料元素在記憶體中的相對(duì)位置來表示資料元素之間的邏輯關(guān)係。 (2)指標(biāo)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 在每一個(gè)資料元素中增加一個(gè)存放地址的指標(biāo)，用此指標(biāo)來表示資料元素之間的邏輯關(guān)係。 如何學(xué)習(xí)程式設(shè)計(jì)？著名電腦科學(xué)家 N. Wirth的觀點(diǎn)：演算法 + 資料結(jié)構(gòu) = 程式,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(4),演算法是爲(wèi)實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算而規(guī)定的基本動(dòng)作的執(zhí)行序

14、列。 評(píng)價(jià)一個(gè)好的演算法有以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)： (1) 正確性(Correctness)演算法應(yīng)滿足具體問題的需求。 (2) 可讀性(Readability) 演算法應(yīng)該好讀。每一步驟以及步驟間的關(guān)係清晰可讀。 (3) 強(qiáng)健性(Robustness) 演算法應(yīng)具有容錯(cuò)處理。當(dāng)輸入非法資料時(shí)，演算法應(yīng)對(duì)其做出反應(yīng)，而不是産生莫名其妙的輸出結(jié)果。 (4) 執(zhí)行效率與存儲(chǔ)量需求效率：演算法執(zhí)行的時(shí)間效率；存儲(chǔ)量需求指演算法執(zhí)行過程中所需要的最大存儲(chǔ)空間。,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(5),演算法與資料結(jié)構(gòu)的關(guān)係 資料結(jié)構(gòu)最關(guān)心的是資料的表示方法 邏輯結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 資料的運(yùn)算(元素) 演算法最關(guān)心的是對(duì)資料的運(yùn)

15、算。 資料運(yùn)算的基本方法,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(6),資料模型是一個(gè)可用於描述資料庫(kù)結(jié)構(gòu)的慨念集合 資料模型三要素 (1)資料結(jié)構(gòu)：指物件和物件間聯(lián)繫的表達(dá)和實(shí)現(xiàn)；資料本身：類型、內(nèi)容、性質(zhì)。例如關(guān)係模型中的域、屬性、關(guān)係等。 資料之間的聯(lián)繫，資料之間是如何相互關(guān)聯(lián)的，例如關(guān)係模型中的主碼外碼聯(lián)繫等。 (2)資料操作：對(duì)資料庫(kù)中物件的實(shí)例允許執(zhí)行的操作集合，主要指檢索和更新（插入、刪除、修改）兩類操作。 (3)資料完整性約制：完整性規(guī)則的集合，規(guī)定資料庫(kù)狀態(tài)及狀態(tài)變化所應(yīng)滿足的條件，以保證資料的正確性和相容性。 （王厚峰，演算法與資料結(jié)構(gòu)C語言描述 ),4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(7),GIS中的心

16、臟是資料模型，為了在數(shù)位電腦的環(huán)境中表示物件和處理程序。 為了執(zhí)行地圖製作、查詢資料庫(kù)、執(zhí)行點(diǎn)位置適當(dāng)性分析工作 正確地決定採(cǎi)用何種資料模型是GIS專案成功的關(guān)鍵因素之一,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(8),資料模型的抽象程度有四種模型： 第一個(gè)是真實(shí)性（Reality），由世界真實(shí)的現(xiàn)象所組成，如建築物、街道、加油站、湖泊、人們及包括所有也許是或也許不是個(gè)體認(rèn)知的情況； 第二個(gè)是概念模型（Conceptual Model），是由人類的概念想法所引導(dǎo)，通常部分的結(jié)構(gòu)，所選用的物件和處理的模型是針對(duì)特定領(lǐng)域問題而提出的。 第三個(gè)是邏輯模型（Logic Model），是一個(gè)執(zhí)行導(dǎo)向真實(shí)性表示，通常以圖形及

17、表單方式呈現(xiàn)出來。 第四個(gè)是物理模型（Physical Model），是一個(gè)描述GIS中真實(shí)應(yīng)用的情形，通常包括以檔案或資料庫(kù)形式儲(chǔ)存的表格來表示。,4.4 空間資料結(jié)構(gòu)(9),4.4.1 向量式資料結(jié)構(gòu)(1),向量式資料結(jié)構(gòu)（Vector data structure）以點(diǎn)（point）、線（line / polyline）、面（polygon）、體（solid）來描述物件的圖形資料。 （x1,y1） 圖4.5點(diǎn)資料之表示 點(diǎn)資料：由一組地圖投影座標(biāo)（X，Y）組成如圖4.5，以符號(hào)表之，如消防栓、加油站。點(diǎn)無大小，不佔(zhàn)位置，但可代表該位置之屬性。, （x1,y1）,4.4.1 向量式資料結(jié)構(gòu)

18、 (2),線資料：由一線段或連續(xù)折線線段組成，如圖4.6以一系列地圖投影座標(biāo)（X1，Y1 Xi，Yi，i=2,n）組成，以符號(hào)表之。線可量測(cè)距離。道路中心線非實(shí)體線，僅表示道路之中央線，用以表示道路之屬性，如路名、路寬、線道數(shù)等。,4.4.1 向量式資料結(jié)構(gòu)(3),面資料：由連續(xù)線段組成的封閉區(qū)域，如圖4.7中之區(qū)域1，2，3，4所示，以一系列地圖投影座標(biāo)（X1，Y1 Xi，Yi，i=2,n-1，n 2，X1=Xn，Y1=Yn）組成，以符號(hào)表之，如行政區(qū)、湖泊。面資料可量測(cè)其面積。,4.4.1 向量式資料結(jié)構(gòu)(4),面位相資料：以兩個(gè)多邊形P，Q彼此於空間上之相互關(guān)係為例，說明如何以點(diǎn)、線、面

19、之紀(jì)錄由邏輯判斷方式來區(qū)別兩多邊形。,4.4.1 向量式資料結(jié)構(gòu) (5),4.4.2 網(wǎng)格式資料結(jié)構(gòu) (1),網(wǎng)格式資料結(jié)構(gòu)是最簡(jiǎn)單最直接的空間資料結(jié)構(gòu)，它是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相接的網(wǎng)格二維陣列。每個(gè)網(wǎng)格就是一個(gè)像元（Pixel），由網(wǎng)格橫列座標(biāo)定義該像元之位置及屬性。空間中的點(diǎn)、線、面結(jié)構(gòu)亦可用網(wǎng)格式陣列及數(shù)值0與1表示。,4.4.2 網(wǎng)格式資料結(jié)構(gòu) (2),4.4.2 網(wǎng)格式資料結(jié)構(gòu) (3),4.4.2 網(wǎng)格式資料結(jié)構(gòu) (4),4.4.3 數(shù)值地形模型(1),數(shù)值地形模型（Digital Terrain Model，DTM）乃以數(shù)值化方式來展現(xiàn)三度空間地形起伏變化情形，而數(shù)值地

20、表模型（Digital Surface Model，DSM）為地表之三度空間數(shù)值模型。DTM中屬性爲(wèi)高程的要素叫數(shù)位高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM)。高程是地理空間的第三維座標(biāo)，DEM是地表單元上的高程集合，通常用矩陣表示，廣義的DEM可包括等高線、三角網(wǎng)等，這裏特指由地表網(wǎng)格單元構(gòu)成的高程矩陣。 DEM是建立DTM的基礎(chǔ)資料 DTM的生成已成為GIS的研究課題之一,4.4.3 數(shù)值地形模型(2),數(shù)值地形模型到底有何功能及效益呢？ 測(cè)製全臺(tái)灣高精度及高解析度數(shù)值地形模型，作為國(guó)家建設(shè)之基礎(chǔ)，以利於國(guó)土永續(xù)發(fā)展。 提供生態(tài)旅遊、水土保持、河川整治、防洪、海

21、岸、林業(yè)等方面快速自動(dòng)化應(yīng)用所需之基礎(chǔ)資訊。 提供衛(wèi)星影像之糾正（製成正射影像），並可協(xié)助建立精確之國(guó)土資訊系統(tǒng)等相關(guān)資料庫(kù)。 提供第三代行動(dòng)通訊（3G）之無線電波遮蔽分析，模擬出架設(shè)基地臺(tái)之最佳方案。,4.4.3 數(shù)值地形模型(3),提供輸配電工程、科學(xué)園區(qū)之規(guī)劃開發(fā)、水庫(kù)工程及變形監(jiān)測(cè)所需之基礎(chǔ)資訊。 提供都市規(guī)劃、更新、污水下水道、排水設(shè)施、強(qiáng)化農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃及建設(shè)所需之基礎(chǔ)資訊。 提供將臺(tái)灣豐富地勢(shì)、地貌資訊配合淺山、河川、沿海遊憩、國(guó)家風(fēng)景區(qū)建設(shè)、文化生態(tài)旅遊來呈現(xiàn)高品質(zhì)的觀光資訊。 避免各機(jī)關(guān)辦理各項(xiàng)建設(shè)時(shí)零星補(bǔ)測(cè)精度不一之?dāng)?shù)值地形資料，節(jié)省國(guó)家大量經(jīng)費(fèi)、人力與時(shí)間，提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。,4.4.3 數(shù)值地形模型(4),提供防災(zāi)與救災(zāi)方面應(yīng)用，如洪水淹沒區(qū)評(píng)估、土石流地區(qū)土方量估計(jì)。 落實(shí)高精度及高解析度之空載雷射掃描儀測(cè)繪工作之推廣，提升國(guó)家之防災(zāi)及救災(zāi)能力。 建立現(xiàn)代化之?dāng)?shù)值地形(表)模型資料查詢系統(tǒng)，經(jīng)由網(wǎng)際網(wǎng)路，提供精密之?dāng)?shù)值地形(表)模型資料，以利各界使用。 提供購(gòu)置引進(jìn)空載LIDAR測(cè)繪系統(tǒng)，進(jìn)行常態(tài)性國(guó)土監(jiān)測(cè)任務(wù)之評(píng)估參酌。,4.4.3 數(shù)值地形模型(5),數(shù)值地形最主要有三種表示模型，分別是： 規(guī)則網(wǎng)格模型 不規(guī)則三角網(wǎng)模