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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date地理信息系统原理复习资料第二章地理空间与空间数据（GIS的地学基础）绪论第一章0、 地理信息系统基本概念0.1、地理（空间）数据：地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的
2、实质性内容。0.2、地理（空间）信息：是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称。0.3地理信息系统： 是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。说明：1. 是计算机系统2. 操作对象：空间数据 3. 基本功能：采集、管理、处理、分析、建模、显示4. 其技术优势在于其数据综合、模拟和分析评价能力，实现地理空间过程演化的模拟和预测5. 与地理学和测绘学关系密切 GIS的定义框架 GIS在信息系统中的地位和分类0.4GIS的基本构成v GIS主
3、机：大型、中型、小型机，工作站/服务器、微型计算机v GIS外部设备：1 输入设备：数字化仪、扫描仪、解析和数字摄影测量设备、全站仪等2 输出设备：绘图仪、打印机、图形显示终端等3 数据存贮与传送设备：磁带机、光盘机、活动硬盘、U盘、MP3等v GIS网络设备：布线系统、网桥、路由器、交换机等0.5GIS组成软件 空间数据 人员0.6GIS的功能1 数据采集: 数据是GIS的血液，贯穿于GIS的各个过程2 数据编辑与处理:原始数据不可避免的存在误差，需要对其编辑和格式转换等处理，因此GIS应提供强大的、交互式的编辑功能，包括图形编辑、数据变换、数据重构、拓扑建立、数据压缩、图形数据和属性数据的
4、关联。3 数据存储、组织和管理:GIS的数据结构：矢量数据结构、栅格数据结构GIS数据的组织和管理：文件-关系数据库混合管理、全关系型数据管理、面向对象数据管理4 空间查询和空间分析v 空间分析：GIS提供的空间分析工具如查询、几何量算、缓冲区分析、叠置分析、地形分析等，这些工具是有限的；v 应用分析：应用分析是无限的，不同的应用目的可能构建不同的应用模型，GIS空间分析为建立和解决复杂的应用模型提供了基本工具。v GIS空间分析和应用分析是“零件”和“机器”的关系。应用GIS解决实际问题的关键就是如何将这些零件搭配成能够用来解决问题的“机器”。5 数据输出:GIS脱胎于计算机制图，因而GIS
5、的一个主要功能就是计算机地图制图；属性数据也要报表输出等。0.7GIS的主要应用领域 通过对世界进行建模和制图，GIS为行业决策提供更好的支持，包括：交通运输、自然资源管理、城市管理、电力、电信、国土资源管理第二章地理空间与空间数据（GIS的地学基础）1、地理空间：在空间信息系统中，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，是由不同实体之间的空间关系构成。 1.1绝对空间1.1.1地球模型 地球的物理表面v 水准面：当海洋静止时，自由水面与该面上各点的重力方向（铅垂线）成正交的面
6、v 大地水准面：在众多的水准面中，有一个与静止的平均海水面相重合，并假想其穿过大陆、岛屿形成一个闭合曲面。它实际是一个起伏不平的重力等位面地 球物理表面。它所包围的形体称为大地体vvvvvvv 大地水准面的意义： 一级逼近1）. 地球形体的一级逼近：对地球形状的很好近似，其面上高出与面下缺少的相当。2）. 起伏波动在制图学中可忽略： 对大地测量和地球物理学有研究价值，但在制图业务中，均把地球当作正球体。3）. 重力等位面： 可使用仪器测得海拔高程（某点到大地水准面的高度）。地球的数学表面在测量和制图中就用旋转椭球体来代替大地球体，这个旋转椭球体通常称为 地球椭球体，简称 椭球体。 二级逼近它是
7、一个规则的数学表面，所以人们视其为 地球体的数学表面，也是对地球形体的二级逼近，用于测量计算的基准面。 三级逼近确定与局部地区大地水准面符合最好的一个地球椭球体 参考椭球体，这项工作就是参考椭球体定位通过数学方法将地球椭球体摆到与大地水准面最贴近的位置上，并求出两者各点间的偏差，从数学上给出对地球形状的三级逼近。我国采用的参考椭球自1980年开始采用 GRS 1975（国际大地测量与地球物理学联合会 IUGG 1975 推荐）新参考椭球体系，并确定陕西泾阳县永乐镇北洪流村为“1980西安坐标系”大地坐标的起算点。1.1.2常见投影方法v 地图投影： 在地球椭球面和平面之间建立点与点之间函数关系
8、的数学方法，称为地图投影v 地图投影的实质： 是将地球椭球面上的经纬线网按照一定的数学法则转移到平面上。v 常见投影方法1） 高斯-克吕格投影（等角横切椭圆柱投影） 此投影无角度变形，中央经线无长度变形。为保证精度，采用分带投影方法： 经差 6或 3分带，长度变形 0.14%中国国家基本比例尺地形图采用高斯-克吕格6分带投影：11万（3分带）12.5万、15万、110万、125万、150万。2） 墨卡托投影（正轴等角圆柱投影）特点: 不仅保持了方向和相对位置的正确，而且使等角航线在图上表现为直线。这一特性对航海具有重要的实用价值。3） 通用横轴墨卡托投影 UTM 投影4）LABERT投影：由于
9、我国位于中纬度地区，我国小比例尺基本地形图（1：100万地形图）采用兰勃投影Lamberts （正轴等角割圆锥投影），中国地图和分省地图经常采用Alberts（正轴等积割圆锥投影）1.1.3投影配置原则地理信息系统中地图投影配置的一般原则为：（1）配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图，基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；（2）一般最多只采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出；（3）用投影以等角投影为宜；（4）用投影应能与网格坐标系统相适应，即所用的网格系统在投影带中应保持完整。（总结：地理信息系统中的地理空
10、间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。）2、 空间信息空间信息是有关地理空间中的物质的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。2.1地理空间信息描述法常规描述方法数字化描述方法2.2空间现象及其表达2.3空间对象类型空间对象一般按地形维数进行归类划分 点：零维 有位置，无宽度和长度；抽象的点线：一维 有长度，但无宽度和高度。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面：二维 具有长和宽的目标。通常用来表示自然或人工的封闭多边形。一般分为连续面和不连续面体：三
11、维 有长、宽、高的目标。通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。 空间对象的维数与比例尺是相关2.42.5空间数据的基本特征属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。时间特征：描述空间对象随时间的变化2.6空间数据的拓扑关系2.6.1拓扑概念拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性 2.6.
12、2拓扑关系的重要的意义根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。利用拓扑关系有利于空间要素的查询。可以根据拓扑关系重建地理实体。2.7元数据2.7.1元数据的内容v 对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明 v 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、源数据的比例尺等 v 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等数据转换方法的描述 v 对数据库的更新、集成方法等的说明2.7.2元数据的主要作用 u 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 u 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内
13、容、数据质量、数据交换网络(clearing house)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 u 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 第三章 GIS空间数据结构3.1数据结构v 数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。v 空间数据结构是指空间数据适合于计算机存贮、管理、处理的逻辑结构。v 在GIS中，数据结构是系统完善的一个关键，它不仅决定了数据操作的效率，同时也影响了系统的灵活性和通用性。3.2数据、数据元素1、数据：数据是客观事物的符号表示。2、数据元素、数据项：数据元素是数据的基本单位，它也可
14、以再由不可分割的数据项组成。数据结构的形式定义：数据结构名称=（D，S） 其中D为数据元素的有限集，S是D上关系的有限集3.3数据模型 在数据库中用数据模型来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。3.3.1数据模型应满足三方面要求v 能比较真实地模拟现实世界v 容易为人所理解v 便于在计算机上实现3.3.2数据模型的三要素:1. 数据结构 2. 数据操作 3. 数据的约束条件 数据结构是对系统静态特性的描述 ; 数据操作是对系统动态特性的描述3.4栅格数据结构v 栅格结构是将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个象元阵列，其最小单元称为象元或象素。v 每个
15、象元的位置由行列号确定，其属性则以代码表示。v 每个栅格单元只能存在一个值。v 以栅格数据结构表示的地理空间关系称为图象(image)或格网(grid)。3.4.2压缩编码3.4.3栅格数据结构：特点v 离散的量化栅格值表示空间对象v 位置隐含,属性明显v 几何和属性偏差v 数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大v 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系（矢量数据和栅格数据优缺点比较）3.5矢量数据结构3.5.1概述v 矢量数据结构是另一种常见的图形数据结构，它是用一系列有序的x、y坐标对表示点、线、面（多边形）等地理实体的空间位置。v 矢量结构的特点：属性隐含，定位明显v 矢量型
16、数据结构按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为实体型和拓扑型两大类。3.5.2编码方案3.5.2.1实体式u 实体式数据结构：是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。u 实体式数据结构中，边界坐标数据和多边形单元一一对应，各个多边形边界都单独编码和数字化。u 优点：编码容易、数字化操作简单、数据编排直观u 缺点：相邻多边形的公共边界数字化两次；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系；岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。3.5.2.2索引式v 索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由
17、点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。v 优点：消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致。v 缺点：处理麻烦，工作量大3.5.2.2双重独立式双重独立式数据结构最早由美国人口统计局研制，用来进行人口普查分析和制图，简称DIME（Dual Independent Map Encoding）系统或双重独立式的地图编码法。DIME的特点是采用了拓扑编码结构。双重独立式数据结构是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来定义。3.5.2.3链状双重独立式链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的
18、面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。链状双重独立式数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。3.5.3矢量数据结构的特点1. 用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含2. 用拓扑关系描述空间对象之间的关系3. 面向目标操作，精度高，数据冗余度小4. 与遥感等图象数据难以结合5. 输出图形质量好，精度高第五章5.0Gis的建库流程5.1数据源的分类地图数据：1）地图存储介质的缺陷。由于地图多为纸质，在不同的存放条件下存在不同程度的变形，具体应用时，须对其进行纠正。（2）地图现势性较差。传统地图更新周期
19、较长，造成现存地图的现势性不能完全满足实际需要。（3）地图投影的转换。使用不同投影的地图数据进行交流前，须先进行地图投影的转换。遥感数据5.2数据源的选择考虑的因素 是否能够满足系统功能的要求；所选数据源是否已有使用经验。系统成本5.3空间数据采集-5.3.1采集仪器-数字化设备:数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备特 点：范围大，速度快使 用 范 围：大面积GIS数据采集、资源普查等定位设备:野外测量：大平板、全站仪、GPS、移动测绘系统特 点：精度高、效率较低适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新5.3.2数字化手扶跟踪数字化仪 （Digitizer）扫描仪（Scanner）
20、屏幕跟踪数字化5.3.35.3.4坐标转换l 转换的实质:建立两个坐标系之间的数学关系l 转换的意义:1.将设备坐标转换为地理要素的实际坐标2.减少各种变形(投影变形、扫描变形、纸张变形等)l 转换通过配准来实现5.4.1地图配准l 地图配准是将控制点配准为参考点的位置，从而建立两个坐标系统之间一一对应关系。l 控制点就是当前没有配准前的点的坐标，参考点就是希望配准后的坐标。l 图像之间的配准主要包括两方面的内容：其一，是确定足够数量的配准控制点（RCP，Registration Control Point）；其二，是根据这些配准控制点确定两幅或多幅图像的像素之间的坐标对应关系。5.4.2地图
21、配准的基本步骤1.添加栅格图像/矢量地图2.定义投影3.启动配准环境4.添加控制点5.地图配准/空间链接6.查看结果5.4.3地图配准的动作要领l 控制点的选取：对应点l 控制点的数量：通常是均匀分布于地图上，数量不少于1个，2个，3个，根据地图配准的函数模型的复杂程度，通常可以给出5个，但是太多也会有问题。l 误差的产生是必然的，但也是有限的，否则数字化的结果将产生变形。5.5数字化错误类型1 定位错误:v 手扶跟踪数字化中的人为误差v 扫描和跟踪过程中产生的误差v 数字化地图转换为现实世界坐标中产生的误5.6非拓扑数据编辑1. 删除、移动、剪切和粘贴2. 分割和合并3. 线条的简化、加密和
22、平滑2 拓扑错误:v 悬挂节点(Dangling Node)v 伪节点(Pseudo Node)v 弧段方向v 多标识点错误5.7拓扑数据编辑5.7.1拓扑编辑v 地图编辑过程始于地图拓扑关系的构建。这一步确保计算机能够辨认地图上单独的节点、弧段和多边形。同时，在地图要素之间建立拓扑关系的过程能够消除某些数字化错误。v 第二步是指出地图上存在的数字化错误的类型。v 第三步是消除数字化错误。基于拓扑的相关软件:ArcGIS作为一个可伸缩的平台，无论是在桌面，在服务器，在野外还是通过Web，为个人用户也为群体用户提供GIS的功能。订正数字化错误的方法:全局方法:全局方法即把一些指定容差值应用于整幅
23、地图以消除数字化错误。如ARC/INFO中的CLEAN命令，对输入的图层使用两个容限差：悬挂长度和模糊容差。5.7.2拓扑构建的步骤1、裁剪相交弧段2、根据“模糊容差”捕捉节点3、构建拓扑表4、根据“悬挂长度”编辑弧段5、重新构建拓扑表5.8空间数据质量 误差是GIS的本质5.8.1误差的概念数据与其真值之间的差异。误差的概念是完全基于数据而言的，没有包含统计模型在内，从某种程度上讲，它只取决于量测值，因为真值是确定的。如测量地面某点高程为1002.4m，而其真值为1001.3m，则该数据误差为0.9m6、 空间分析与空间建模- （GIS是空间数据处理理论和方法的集成化实现。包含了大部分的空间
24、分析技术，是GIS的技术特色。）6.1空间分析空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，空间模型是复杂的，解决专门问题的理论和方法。6.2空间模型应用模型建立过程比较复杂，有些还不能用数学方法描述，空间分析技术为解决复杂的应用模型提供基本的分析工具6.3基本空间分析技术空间查询与统计缓冲区分析叠置分析网络分析数字高程模型与数字地形分析6.4空间查询v 空间查询是空间分析基础，任何空间分析都开始于空间查询。v 空间查询特性 ：1. 回答用户的简单问题2. 不改变空间数据库数据3. 不产生新的空间实体和数据v GIS双向查询：图形查属性，属性查图形6.5几何查询通过地图要素的操作从地图上检索数据
25、数据的过程。 方法： 指针选择要素 图形选择要素 圆、方框、多边形 6.6属性查询通过对属性数据的操作从地图中检索数据。 结果通过高亮度显示或保存。 -手段：表达式 -表达式必须被GIS或数据库理解-不同的系统可能表达式不一样6.7拓扑查询空间关系 （拓扑关系查询） 包含：完全在选择要素之内 相交：与选择要素相交的要素 邻近（邻接，距离=0）：选择要素指定距离内的要素v 相关概念源：源指的是距离分析中的目标或者目的地，如学校，商场，水井，道路等；源表现在GIS数据特征上就是一些离散的点、线、面要素。要素可以邻接，但属性必须不同；源可以用栅格数据表示，也可以使用矢量数据表示。v 相关概念成本：成
26、本即到达目标、目的地的花费，包括金钱、时间、人们的喜好等；成本栅格数据记录了通过每一单元的通行成本；成本数据的制作一般是基于重分类功能完成，成本数据是一个单独的数据，但有时会遇到需要考虑多个成本因素（需要根据成本影响程度确定单个成本权重，依权重百分比加权求和，得到多个单成本因素综合影响的成本栅格数据）。v 相关概念成本距离加权：也称成本累计数据，记录每个栅格到距离最近、成本最低的源的最少累计成本；成本距离加权考虑到了事物的复杂性，对于基于复杂地理特性的分析非常有用。可用于动物迁移、顾客行为、道路、电力管线、输油管布设等的最低耗费成本计算。v 相关概念距离方向数据距离方向数据表示了从每一单元出发，沿着最低累计成本路径到达最近源的录像方向。v 相关概念分配数据分配数据记录每一单元点隶属的最近源信息，单元值就是其最近源的值；在直线距离分析制图中，分配函数用直线距离最邻近分析方法识别单元归属于哪个源；在成本距离加权分析中依据最短距离、最小累加通行成本识别单元归属于哪个源。