1、第四章 GIS中的數據第三節 空間數據的特征及其表示方法 空間信息、屬性信息、時間信息。分別對應地理數據的三個基本特征：空間特征（定位數據），屬性特征（非定位數據），時間特征（時間尺度）。 對空間數據的處理是GIS的核心功能，GIS中的數據通常描述三部分的信息：空間數據的基本特征 一、 空間數據的類型 在GIS中，按照其特征，空間數據可分為三種類型：空間特征數據：表示空間實體的位置或現在所處的地理位置以及拓撲關系和幾何特征。位置和拓撲特征是地理或空間信息系統所獨有的。專題特征數據：專題特征是指地理實體所具有的各種性質，如地形的坡度、坡向、某地的年降水量、人口密度、交通流量等。專題屬性通常以數字

2、、符號、文本和圖象等方式表達。時間特征數據：是指地理實體的時間變化或數據采集的時間等。對于現有的大量GIS，由于它們并非是時態 GIS，或者由于有些空間數據隨時間變化相對較慢，有時，把專題屬性和時間特征數據統稱為屬性數據。 環境污染程度圖 一般地，表示地理現象的空間數據可以細分為：類型數據：例如考古地點、道路線和土壤類型的分布等；面域數據：例如隨機多邊形的中心點、行政區域界線和行政單元等；網絡數據：例如道路交點、街道和街區等；樣本數據：例如氣象站、航線和野外樣方的分布區等；曲面數據：例如高程點、等高線和等值區域；文本數據：例如地名、河流名稱和區域名稱；符號數據：例如點狀符號、線狀符號和面狀符號

3、（暈線）等。 二、空間數據的表示方法中各種數據及其表現 三、空間數據的拓撲關系及其表示1.拓撲屬性和非拓撲屬性 “拓撲”（Topology）一詞來源于希臘文，它的原意是“形狀的研究”。拓撲學是幾何學的一個重要分支，它研究在拓撲變換下能夠保持不變的幾何屬性-拓撲屬性。 形象說明：假設歐氏平面是一塊高質量無邊界的橡皮，該橡皮能夠伸長和縮短到任何理想的狀態。想象一下基于這張橡皮所繪制的圖形，允許這張紙伸長但不能撕破或者重疊，這樣，在橡皮形狀變化的過程中，圖形的一些屬性將繼續存在，而一些屬性則將發生變化。例如，在橡皮表面有一個多邊形，多邊形內有一點A，那么，無論對橡皮進行壓縮或拉伸，點依然在多變性內部

4、。點A和多邊形邊界間的空間位置關系不改變，但多邊形的面積會發生變化。這時，我們稱多邊形內的點具有拓撲屬性，而面積則不具有拓撲屬性，拉伸和壓縮這樣的變換稱為拓撲變換。拓撲屬性 一個點在一個弧段的端點；一個弧段是一個簡單弧段（弧段自身不相交）； 一個點在一個區域的內部；一個點在一個區域的外部；一個面的連續性（給定面上任意兩點，從一點可以完全在面的內部沿任意路徑走向另一點）。 兩點間的距離，弧段的長度；區域的面積；一個點指向另一點的方向。非拓撲屬性附表：歐氏平面上空間對象部分拓撲和非拓撲屬性 . 拓撲關系 基本拓撲關系： 拓撲鄰接：相同拓撲元素之間的關系。拓撲關聯：不同拓撲元素之間的關系。拓撲包含：

5、指不同級別或不同層次的多邊形圖形實體之間的拓撲關系 。拓撲元素： 點：孤立點、線的端點、面的首尾點、鏈的連接點 線：兩結點之間的有序弧段，包括鏈、弧段和線段 面：若干弧段組成的多邊形N1N2N3N4P1P2P3A1A2A3A4A5A6N5A7P4空間數據拓撲關系示意圖 在左下圖中， (a)、(b)、(c)分別有2、3、4個層次。同一層次的含義是：在同一有限的空間范圍內（如同一外接多邊形），那些具有鄰接和關聯拓撲關系或完全不具備鄰接和關聯拓撲關系的多邊形處于同一級別或同一層次。 在右下圖中，結點N1與結點N2、N3相鄰，多邊形P1與P2、P3相鄰。N1結點與弧段A1、A5、A3相關聯，多邊形P2

6、與弧段A3、A5、A6相關聯 。(b)(c)（a）拓撲關系 （續） 空間數據的拓撲關系，在地理信息系統的數據處理和空間分析中具有十分重要的作用。 根據拓撲關系，不需要利用坐標和距離就可以確定一種空間實體相對于另一種空間實體的空間位置關系。因為拓撲數據已經清楚地反映出空間實體間的邏輯結構關系，而且這種關系較之幾何數據有更大的穩定性，即它不隨地圖投影而變化。 利用拓撲數據有利于空間數據的查詢。例如判別某區域與那些區域鄰接；某條河流能為那些居民區提供水源，某行政區域包括那些土地利用類型等等。 利用拓撲數據進行道路的選取，進行最佳路徑的計算等。 四、空間關系 空間關系是指地理空間實體對象之間的空間相互

7、作用關系。通常將空間關系分為三大類： （1）拓撲空間關系：描述空間實體之間的相鄰、包含和相交等空間關系。 (2) 順序空間關系：描述空間實體之間在空間上的排列次序，如實體之間的前后、左右和東南西北等方位關系。 (3) 度量空間關系：描述空間實體的距離或遠近等關系。距離是定量描述，而遠近則是定性描述。拓撲空間關系示意圖 第四節 數據的測量尺度 命名量：定性而不定量。只對特定現象進行標識，賦予一定的數值或符號而不定量描述。 Nominal variables are those which are described by name, with no specific order. Categor

8、ies of land use (such as parks, wilderness areas, residential districts, and central business districts) and trees (such as Eucalyptus calophylla, Pinus coulteri, and Quercus agrifolia) are different kinds of nominal variables. These are common in many kinds of thematic maps. 次序量：線性坐標上不按值得大小，而是按順序排列

9、的數；次序測量尺度是基于對現象進行排序來標識的。 Ordinal variables are lists of discrete classes, but with an inherent order. Classes of streams (first order, second order, and so forth; referring to the number of tributaries which contribute to the stream) or levels of education (primary, secondary, college, post-graduate

10、) are ordinal variables since the discrete classes have a natural sequence. 間隔量：不參照某個固定點，而是按間隔表示相對位置的數據。如：溫度。 Interval variables have a natural sequence, but in addition, the distances between the values have meaning. Temperature measured in degrees Celsius is an interval variable, since the distanc

11、e between 10C and 20C is the same as the distance between 20C and 30C. 比率量：比例測量尺度的測量值指那些有真零值而且測量單位的間隔是相等的數據，比例測量尺度與使用的測量單位無關。 Ratio variables have the same characteristic as interval variables, but in addition, they have a natural zero or starting point. Since degrees Celsius is a measurement with a

12、n arbitrary zero point, the freezing point of pure water, it fails the latter test. 各種數據測量尺度及其制圖表現第五節 GIS中的數據質量 判斷空間數據質量應根據數據的用途確定其標準。基于GIS技術的廣泛應用和發展趨勢，它的數據質量標準應該是明確的，可操作的。 一、與數據質量相關的幾個概念 (1) 誤差(Error)：反映了數據與真實性或者大家公認的真值之間的差異； (2) 準確性(Accuracy)：結果、計算值或估計值與真實值之間的接近程度； (3) 精度(Precision)：指數據表示的精密程度； (4

13、)數據的不確定性(Uncertainty)：它是關于空間過程和特征不能被準確確定的程度，是自然界各種空間現象自身固有的屬性。 （5）空間分辨率：是兩個可測量數值之間最小的可辨識的差異。 （6）比例尺：地圖上的距離和它所表現的“真實世界”距離的比例。二、空間數據質量問題的來源 從空間數據的形式表達到空間數據的生成，從空間數據的處理變換到空間數據的應用過程中，都會有數據質量問題的產生。 （1）空間現象自身存在的不穩定性 （2）空間現象的表達 （3）空間數據處理中的誤差 （4）空間數據使用中的誤差數據處理過程誤差來源數據搜集野外測量誤差：儀器誤差、記錄誤差遙感數據誤差：輻射和幾何糾正誤差、信息提取誤

14、差地圖數據誤差：原始數據誤差、坐標轉換、制圖綜合及印刷數據輸入數字化誤差：儀器誤差、操作誤差不同系統格式轉換誤差：柵格-矢量轉換、三角網-等值線轉換數據存儲數值精度不夠空間精度不夠：每個格網點太大、地圖最小制圖單元太大數據處理分類間隔不合理多層數據疊合引起的誤差傳播：插值誤差、多源數據綜合分析誤差比例尺太小引起的誤差數據輸出輸出設備不精確引起的誤差輸出的媒介不穩定造成的誤差數據使用對數據所包含的信息的誤解對數據信息使用不當附表：數據的主要誤差來源三、常見空間數據的誤差分析 1.誤差的類型 數據誤差的類型可以是隨機的，也可以是系統的。歸納起來，數據誤差主要有四大類：幾何誤差、邏輯誤差、時間誤差和

15、屬性誤差。 （1） 邏輯誤差（2） 幾何誤差 點誤差 線誤差 各種邏輯誤差 2.地圖數據的質量問題 地圖數據是現有地圖經過數字化或掃描處理后生成的數據。 （1）地圖固有誤差：是指用于數字化的地圖本身所帶有的誤差，包括控制點誤差、投影誤差等。 （2）材料變形產生的誤差：這類誤差是由于圖紙的大小受濕度和溫度變化的影響而產生的。 （3）圖象數字化誤差：數字化方式主要有跟蹤數字化和掃描數字化兩種。 3. 遙感數據的質量問題 （1）來自遙感儀器的觀測過程； （2）來自遙感圖像處理和解譯過程。4. 測量數據的質量問題 （1）系統誤差； （2）操作誤差； （3）偶然誤差。第六節 空間數據的元數據 “meta

16、”是一希臘語詞根，意思是“改變”，“Metadata”一詞的原意是關于數據變化的描述。 一般都認為元數據就是 “描述數據的數據”或者“關于數據的數據”。是說明數據內容、質量、狀況和其他有關特征的背景信息。 元數據是關于數據的描述性數據信息，它應盡可能多地反映數據集自身的特征規律，以便于用戶對數據集的準確、高效與充分的開發與利用，不同領域的數據庫，其元數據的內容會有很大差異。 1. 元數據的概念 在地理信息系統應用中，元數據的主要作用： （1）幫助數據生產單位有效地管理和維護空間數據、建立數據文檔，并保證即使其主要工作人員離退時，也不會失去對數據情況的了解； （2）提供有關數據生產單位數據存儲、

17、數據分類、數據內容、數據質量、數據交換網絡及數據銷售等方面的信息，便于用戶查詢檢索地理空間數據； （3）幫助用戶了解數據，以便就數據是否能滿足其需求做出正確的判斷； （4）提供有關信息，以便用戶處理和轉換有用的數據。 （1）對數據集的描述；對數據集中各數據項、數據來源、數據所有者及數據序代等的說明； （2）對數據質量的描述，如數據精度、數據的邏輯一致性、數據完整性、分辨率、元數據的比例尺等； （3）對數據處理信息的說明，如量綱的轉換等； （4）對數據轉換方法的描述； （5）對數據庫的更新、集成等的說明。2. 元數據的內容3. 元數據的類型（1）根據元數據的內容分類 科研型元數據：其主要目標是幫

18、助用戶獲取各種來源的數據及其相關信息，它不僅包括如數據源名稱、作者、主體內容等傳統的、圖書管理式的元數據，還包含數據拓撲關系等。 評估型元數據：主要服務于數據利用的評價，內容包括數據最初收集情況、收集數據所用的儀器、數據獲取的方法和依據、數據處理過程和算法等。 模型元數據：用于描述數據模型的元數據與描述數據的元數據在結構上大致相同，其內容包括模型名稱、模型類型、建模過程、模型參數等。（2）根據元數據的作用分類 說明元數據：是為用戶使用數據服務的元數據。它一般用自然語言表達，如源數據覆蓋的空間范圍、源數據圖的投影方式及比例尺的大小、數據集說明文件等，這類元數據多為描述性信息，側重于數據庫的說明。 控制元數據：是用于計算機操作流程控制的元數據，這類元數據由一定的關鍵詞和特定的句法來實現。（4）根據元數據在系統中的作用分類 系統級別元數據：指用于實現文件系統特征或管理文件系統中數據的信息，如訪問數據的時間、數據的大小、在存儲級別中的當前位置等。 應用層元數據：指有助于用戶查找、評估、訪問和管理數