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1、第四章 GIS中的数据,第三节 空间数据的特征及其表示方法,空间信息、属性信息、时间信息。分别对应地理数据的三个基本特征：空间特征（定位数据），属性特征（非定位数据），时间特征（时间尺度）。,对空间数据的处理是GIS的核心功能，GIS中的数据通常描述三部分的信息：,空间数据的基本特征,一、空间数据的类型,在GIS中，按照其特征，空间数据可分为三种类型：,空间特征数据：表示空间实体的位置或现在所处的地理位置以及拓扑关系和几何特征。位置和拓扑特征是地理或空间信息系统所独有的。专题特征数据：专题特征是指地理实体所具有的各种性质，如地形的坡度、坡向、某地的年降水量、人口密度、交通流量等。专题属性通常以
2、数字、符号、文本和图象等方式表达。时间特征数据：是指地理实体的时间变化或数据采集的时间等。对于现有的大量GIS，由于它们并非是时态 GIS，或者由于有些空间数据随时间变化相对较慢，有时，把专题属性和时间特征数据统称为属性数据。,环境污染程度图,一般地，表示地理现象的空间数据可以细分为：类型数据：例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；面域数据：例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等；网络数据：例如道路交点、街道和街区等；样本数据：例如气象站、航线和野外样方的分布区等；曲面数据：例如高程点、等高线和等值区域；文本数据：例如地名、河流名称和区域名称；符号数据：例如点状符号、线状符号和面状
3、符号（晕线）等。,二、空间数据的表示方法,中各种数据及其表现,三、空间数据的拓扑关系及其表示,1.拓扑属性和非拓扑属性,“拓扑”（Topology）一词来源于希腊文，它的原意是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个重要分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性-拓扑属性。形象说明：假设欧氏平面是一块高质量无边界的橡皮，该橡皮能够伸长和缩短到任何理想的状态。想象一下基于这张橡皮所绘制的图形，允许这张纸伸长但不能撕破或者重叠，这样，在橡皮形状变化的过程中，图形的一些属性将继续存在，而一些属性则将发生变化。例如，在橡皮表面有一个多边形，多边形内有一点A，那么，无论对橡皮进行压缩或拉伸，点依然在多变
4、性内部。点A和多边形边界间的空间位置关系不改变，但多边形的面积会发生变化。这时，我们称多边形内的点具有拓扑属性，而面积则不具有拓扑属性，拉伸和压缩这样的变换称为拓扑变换。,拓扑属性,一个点在一个弧段的端点；一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）；一个点在一个区域的内部；一个点在一个区域的外部；一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）。,两点间的距离，弧段的长度；区域的面积；一个点指向另一点的方向。,非拓扑属性,附表：欧氏平面上空间对象部分拓扑和非拓扑属性,.拓扑关系,基本拓扑关系：拓扑邻接：相同拓扑元素之间的关系。拓扑关联：不同拓扑元素之间的关系。拓扑
5、包含：指不同级别或不同层次的多边形图形实体之间的拓扑关系。,拓扑元素：点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段 面：若干弧段组成的多边形,空间数据拓扑关系示意图,在左下图中，(a)、(b)、(c)分别有2、3、4个层次。同一层次的含义是：在同一有限的空间范围内（如同一外接多边形），那些具有邻接和关联拓扑关系或完全不具备邻接和关联拓扑关系的多边形处于同一级别或同一层次。在右下图中，结点N1与结点N2、N3相邻，多边形P1与P2、P3相邻。N1结点与弧段A1、A5、A3相关联，多边形P2与弧段A3、A5、A6相关联。,（a）,拓扑关系（续）,空间数
6、据的拓扑关系，在地理信息系统的数据处理和空间分析中具有十分重要的作用。根据拓扑关系，不需要利用坐标和距离就可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的空间位置关系。因为拓扑数据已经清楚地反映出空间实体间的逻辑结构关系，而且这种关系较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。利用拓扑数据有利于空间数据的查询。例如判别某区域与那些区域邻接；某条河流能为那些居民区提供水源，某行政区域包括那些土地利用类型等等。利用拓扑数据进行道路的选取，进行最佳路径的计算等。,四、空间关系,空间关系是指地理空间实体对象之间的空间相互作用关系。通常将空间关系分为三大类：,（1）拓扑空间关系：描述空间实体之间的相邻
7、、包含和相交等空间关系。(2)顺序空间关系：描述空间实体之间在空间上的排列次序，如实体之间的前后、左右和东南西北等方位关系。(3)度量空间关系：描述空间实体的距离或远近等关系。距离是定量描述，而远近则是定性描述。,拓扑空间关系示意图,第四节 数据的测量尺度,命名量：定性而不定量。只对特定现象进行标识，赋予一定的数值或符号而不定量描述。Nominal variables are those which are described by name,with no specific order.Categories of land use(such as parks,wilderness areas
8、,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：线性坐标上不按值得大小，而是按顺序排列的数；次序测量尺度是基于对现象进行排序来标识的。Ordinal variables are lists of di
9、screte 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)are ordinal variables since the discrete classes have a natural sequ
10、ence.,间隔量：不参照某个固定点，而是按间隔表示相对位置的数据。如：温度。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 distance between 10C and 20C is the same as the distance between 20C and 30C.比率量：比
11、例测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据，比例测量尺度与使用的测量单位无关。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 an arbitrary zero point,the freezing point of pure water,it fails the latter test
12、.,各种数据测量尺度及其制图表现,第五节 GIS中的数据质量,判断空间数据质量应根据数据的用途确定其标准。基于GIS技术的广泛应用和发展趋势，它的数据质量标准应该是明确的，可操作的。,一、与数据质量相关的几个概念,(1)误差(Error)：反映了数据与真实性或者大家公认的真值之间的差异；(2)准确性(Accuracy)：结果、计算值或估计值与真实值之间的接近程度；(3)精度(Precision)：指数据表示的精密程度；(4)数据的不确定性(Uncertainty)：它是关于空间过程和特征不能被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。（5）空间分辨率：是两个可测量数值之间最小的可辨识
13、的差异。（6）比例尺：地图上的距离和它所表现的“真实世界”距离的比例。,二、空间数据质量问题的来源,从空间数据的形式表达到空间数据的生成，从空间数据的处理变换到空间数据的应用过程中，都会有数据质量问题的产生。,（1）空间现象自身存在的不稳定性（2）空间现象的表达（3）空间数据处理中的误差（4）空间数据使用中的误差,附表：数据的主要误差来源,三、常见空间数据的误差分析,1.误差的类型 数据误差的类型可以是随机的，也可以是系统的。归纳起来，数据误差主要有四大类：几何误差、逻辑误差、时间误差和属性误差。,（1）逻辑误差（2）几何误差 点误差 线误差,各种逻辑误差,2.地图数据的质量问题,地图数据是现
14、有地图经过数字化或扫描处理后生成的数据。（1）地图固有误差：是指用于数字化的地图本身所带有的误差，包括控制点误差、投影误差等。（2）材料变形产生的误差：这类误差是由于图纸的大小受湿度和温度变化的影响而产生的。（3）图象数字化误差：数字化方式主要有跟踪数字化和扫描数字化两种。,3.遥感数据的质量问题（1）来自遥感仪器的观测过程；（2）来自遥感图像处理和解译过程。4.测量数据的质量问题（1）系统误差；（2）操作误差；（3）偶然误差。,第六节 空间数据的元数据,“meta”是一希腊语词根，意思是“改变”，“Metadata”一词的原意是关于数据变化的描述。一般都认为元数据就是“描述数据的数据”或者“
15、关于数据的数据”。是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。元数据是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。,1.元数据的概念,在地理信息系统应用中，元数据的主要作用：（1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情况的了解；（2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；（3）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其
16、需求做出正确的判断；（4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。,（1）对数据集的描述；对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代等的说明；（2）对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等；（3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；（4）对数据转换方法的描述；（5）对数据库的更新、集成等的说明。,2.元数据的内容,3.元数据的类型,（1）根据元数据的内容分类 科研型元数据：其主要目标是帮助用户获取各种来源的数据及其相关信息，它不仅包括如数据源名称、作者、主体内容等传统的、图书管理式的元数据，还包含数据拓扑关系等。评估型元数据：主要服务于
17、数据利用的评价，内容包括数据最初收集情况、收集数据所用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法等。模型元数据：用于描述数据模型的元数据与描述数据的元数据在结构上大致相同，其内容包括模型名称、模型类型、建模过程、模型参数等。,（2）根据元数据的作用分类 说明元数据：是为用户使用数据服务的元数据。它一般用自然语言表达，如源数据覆盖的空间范围、源数据图的投影方式及比例尺的大小、数据集说明文件等，这类元数据多为描述性信息，侧重于数据库的说明。控制元数据：是用于计算机操作流程控制的元数据，这类元数据由一定的关键词和特定的句法来实现。,（4）根据元数据在系统中的作用分类 系统级别元数据：指用于实现
18、文件系统特征或管理文件系统中数据的信息，如访问数据的时间、数据的大小、在存储级别中的当前位置等。应用层元数据：指有助于用户查找、评估、访问和管理数据等与数据用户有关的信息，如文本文件内容的摘要信息、图形快照、描述与其它数据文件相关关系的信息。,（3）根据元数据描述对象分类 数据层元数据：指描述数据集中每个数据的元数据，内容包括日期邮戳、位置戳、量纲、注释、误差标识、缩略标识、存在问题标识等。属性元数据：是关于属性数据的元数据，内容包括为表达数据及其含义所建的数据字典、数据处理规则（协议）。实体元数据：是描述整个数据集的元数据，内容包括数据集区域采样原则、数据库的有效期、数据时间跨度等。,4.元数据的标准,GIS标准化,5.元数据的应用,帮助用户获取数据：通过元数据，用户可对空间数据库进行浏览、检索和研究等。空间数据质量控制：空间数据质量控制内容包括：1）有准确定义的数据字典；2）保证数据逻辑科学地集成；3）有足够的说明数据来源、数据加工处理工程、数据解译的信息。在数据集成中的应用：数据集层次的元数据记录了数据格式、空间坐标体系、数据的表达形式、数据类型等信息；系统层次和应用层次的元数据记录了数据使用软硬件环境、数据使用规范、数据标准等信息。,
