文档介绍：第八章 GIS空间分析导论
空间数据
一、空间数据的基本概念及内容
地理信息系统能够飞速发展和广泛应用,主要原因就是其具有管理空间数据,并利用空间数据进行空间分析,为各行各业服务的能力。空间数据(也称地理数据)是地理信息系统的一个主要组成部分。
空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据,可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它是GIS所表达的现实世界经过模型抽象后的内容,一般通过扫描仪、键盘、磁带机或其它通讯系统输入GIS。
在GIS中,空间数据主要包括:
空间实体的位置
即在某一个已知坐标系中的几何坐标,标识了地理现象在自然界或某个地图区域的空间位置,如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。
对空间实体的位置进行描述,必须对其进行抽象表示。一般来说,在二维分析空间,根据分析问题的尺度,我们把自然界中的物体抽象为点、线、面三种,在三维分析空间,则区分为点、线、面、体四种。
2、空间实体的关系
实体之间的关系通常包括:①度量关系,如两个实体之间距离的远近;②延伸关系(或方位关系),定义了两个实体之间的方位;③拓扑关系,定义了两个实体之间的关联、邻接、包含关系。
3、空间实体的非几何属性
一般简称属性,是指与地理实体相关联的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量两种,定性数据包括名称、类型、特性等,如地貌类型、土地利用类型、行政区划等,定量数据包括数量、级别等,如土地面积、道路长度、人口数量、高程等;非几何属性一般是经过抽象、概括,通过分类、量算、统计得到。地理信息系统中的分析、检索大部分都是通过对属性的操作运算实现的,因此,属性数据的分类系统、量算指标、准确性对系统功能的实现有较大的影响。
4、空间实体的时间特征
指现象或空间实体随时间的变化。空间实体的位置数据和属性数据相对于时间来说,常常呈相互独立的变化,即在不同的时间,空间位置不变,但是属性特征可能已经发生变化,或者相反。
二、空间数据的表示
空间数据的表示,就是指将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接受的数字形式。计算机对上述空间数据内容的描述,主要的差别体现在对空间数据位置及其关系的表达,对非几何属性的记录,一般都用关系表的形式或指针来完成。
计算机描述空间实体(位置及关系)有两种形式:显式描述和隐式描述。显式表示,就是把表示的空间栅格化,通过给定栅格中一系列像元的编码、颜色、数值或符号来表示。隐式表示是用一些坐标点或定义了起点和终点的线及某种连接关系的矢量来描述。显式描述和隐式描述,从数据结构角度,一般称为栅格数据结构和矢量数据结构。
图8-1 点、线、面数据及其栅格表示
栅格数据结构是最简单最直观的空间数据结构,又称为网格结构或像元结构,是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列,每个网格作为一个像元或像素,有行列号定义,并包含一个代码,表示该像素的属性值,或仅仅包含指向其属性记录的指针。因此,栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织,栅格中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。在栅格结构中,点用一个栅格单元来表示;线状地物则用沿线走向的一组相邻栅格单元表示;面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合来表示(如图8-1)。
图8-2 栅格单元的属性值
一般,每个栅格单元都会和这个栅格单元的一个或一组属性值相连(如图8-2)。
矢量数据结构,是另一种常见的图形数据结构,它是通过记录坐标的方法尽可能精确地表示点、线、面等地理实体,坐标空间为连续的,可以允许任意位置、长度、面积的精确定义。
在矢量数据结构中,每个点用一个X,Y坐标来记录,线用一组有序的X,Y坐标来记录,面用一组线段(这些线段可构成一个封闭的区域)的X,Y坐标来记录。在面的表示中,多边形的第一个坐标和最后一个坐标总是相同的,在GIS软件中,一般是通过拓扑检查来实现的。
图8-3 查询矢量数据的属性值
在Arc View 中,每一个点、线或面要素都有一个ID号,和其属性值相连。如图8-3是一条公路的位置及其属性信息。
空间数据的这两种基本表示方法主要是对二维平面上的实体进行描述,除此之外,为了表示三维地形,对地表形态进行模拟,有一种特殊的栅格数据结构数字地面模型—DTM和不规则三角网模型—TIN。
DTM(Digital Terrain Model)——数字地面模型是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示,或者说,DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达,是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向等。
当数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型(DEM,Digital Elevation M