第二章
GIS空间分析基础
目录
空间与地理空间 地理空间参考系统 地理空间数据特征
地理空间问题
GIS空间分析基础
❖地理信息系统区别于其他信息系 统的独特功能？
▪ 空间分析，空间分析处理的对象是 [地 理空间目标].熟识[地理空间数据的特征] 是进行GIS空间分析的[前提]和[基础]
空间与地理空间
空间的概念
点数据
线数据
面数据
点实体
• 抽象的点 •有位置，无宽度和长度
美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲 可能的500个地震位置
线实体
• 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 • 度量实体距离 • 有长度，但无宽度和高度
香港城市道路网分布
面实体
• 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 • 具有长和宽的目标 • 一般分为连续面和不连续面
角度表达的地理坐标概念
第49条纬线
北极 =
纬度角
赤道面
经度角
球体（椭球体）坐标的特性
❖经纬线 ❖旋转轴、南北极、坐标原点 ❖经纬度表达为角度值 - 度分秒（DMS）或十
进制度（DD），为从地心到地表任一点的 量测值。 ❖地表上任一点的位置都可以用一对经纬度 值来表示。
平面直角坐标的特性
❖具有任意原点的笛卡尔网格系统 ❖使用 x, y 坐标对定义平面上的位置 ❖方便距离、面积、周长，方位等空间信息
地球椭球体
地球椭球体
以一个接近地球整体形状的 旋转椭球代替真实的地球形 体，这个旋转椭球为参考椭 球
极移现象 与协议地 球坐标系
参心坐标系
坐标系统
Z Pn
天球坐标系
S γ
M
δ
M
春分点
α
Γ
天球赤道
Y
X
天球空间直角坐标系与天球球面坐标系
地心坐标系
站心坐标系
极移现象 与协议地 球坐标系
坐标系统
天球坐标系
❖ 地理坐标（球面角度） 向直角坐标系（平面距 离）的数学转换：
x f ,; y f ,.
投影面
为什么要进行投影?
❖地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、 方位、面积等参数的量算
❖地球椭球体为不可展曲面
❖地图为平面，符合视觉心理，并易于进行 距离、方位、面积等量算和各种空间分析
❖GIS以地图方式显示地理信息。地图是平面， 而地理信息则是在地球椭球上，因此地图 投影在GIS中不可缺少。
中国土地利用分布图（不连续面）
空间对象（实体）的地图表达
点：位置：（x，y） 属性：符号
空间对象（实体）的地图表达
线：位置： (x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)
属性：符号—形状、颜色、尺寸
空间对象（实体）的地图表达
面：位置：(x1,y1),(x2,y2),…,(xi,yi),…,(x1,y1)
属性：符号变化 等值线
空间对象（实体）的遥感影像表达
遥感传感器平台 传感器
地理空间参考系统
❖地理实体空间位置、分布、形态、空间关 系（距离、方位、拓扑、相关场）等基本 特征的精确描述依赖于空间参考系统，空 间参考系统定义了地理空间三维表面的空 间坐标系统及各坐标系统间的数学关系。
地理空间坐标系统
空间
是一个复杂的概念，具有多义性， 既有与时间对应的含义，也有“宇 宙空间”的含义。
欧式空间
欧氏空间是对物理空间的一种数学理 解与表达，是GIS中常用的一种重要空 间。欧式空间擅长平面二维空间目标 的空间方位、规模的表达 。
拓扑空间是另一种理解和描述物理空间的 数学方法，也是GIS中常用的重要数学空
▪ GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系 中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；
▪ 目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地 坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程 基准。
地理空间
GIS中地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式
绝对空间
定义
具有属性描述的空间几 何位置的集合，由一系 列不同位置的空间坐标 组成
包括
坐标、角度、方位、距 离等
相对空间
定义
具有空间属性特征的实 体集合，由不同实体之 间的空间关系构成
包括
相邻、包含、关联等
地理空间的特性
地理空间 的特性
空间多维性
可分性
尺度特征
地理空间的抽象
GIS采用高度抽象的方法将空间地物或现象抽象成几种基本类型—— 点、线、面和复合对象。空间地物间的位置关系采用空间拓扑关系 来描述。
地球椭球体
坐标系统
地理空间坐标系统是空间位置的度量 衡，是确定空间位置、空间距离、空 间方位、空间关系等信息必需的工具 ，是空间数据分析的基础和前提
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高斯－克吕格投影示意图
北极
中 央
赤 6道0经 线
BIH1984.0 零度子午面
Z（BIH1984.0定义的CTP）
O 地球质心
E
Y X 南极
WGS-84坐标系是地图投影？
❖ 地球的全部或部分表面 在平面上的系统表达。
❖ 将地球椭球面上的点映 射到平面上的方法，称 为地图投影。
地理坐标系统基本构成
地理网格:
经线 – 经度（Longitude） 纬线 – 纬度（Latitude）
原点:
初始子午线 – 0 赤道 – 0
方向:
经度 – 东-西（East/West） 纬度 – 北-南（North/South）
最大值:
经度 – 180 (E or W) 纬度 – 90 (N or S)
参心坐标系 站心坐标系
z hp
地心坐标系
φ O
E
λ
y
x
地心空间直角坐标系和地心大地坐标系
坐标系统
极移现象 与协议地 球坐标系
zΊ
（北） φhss S xΓ
zГ （东）
yГ OГ
参心坐标系
φ
O
yΊ
λ
xΊ
站心直角坐标系和站心极坐标系
站心坐标系
天球坐标系 地心坐标系
常用椭球面上的坐标系统
AB DC 中 央 子 午 线
拓扑空间 间。而拓扑空间则是描述空间目标宏观分
布或目标之间相互关系的有效方法 。
地理空间的概念
▪ GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一 般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；
▪ GIS中的地理空间（Geo-spatial）是指经过投影变换后， 在笛卡尔坐标系中的地球表层特征空间 ；