地理信息系统的.pdf

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1、.-第一章第一章数据：数据： 数据是通过数字化并记录下来可以被识别的符号， 用以定性或定量地描述事物的特征和状态； 不仅数字是数据， 文字、 符号、 图像和声音等也可以是数据； 数据本身并没有意义。信息：信息： “两次不定性之差” ，即指人们获得信息前后对事物认识的差别（狭义） 。信息是指主体与外部客体之间相互联系的一种形式， 是主体与客体之间的一切有用的消息或知识， 是表征事物特征的一种普遍形式。差别：数据是信息的表达，信息则是数据的内容； 只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息。地理信息：地理信息：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

2、像和图形等的总称；地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。地理信息系统地理信息系统( (简称简称 GIS)GIS)：既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。 其技术系统由计算机硬件、 软件和相关的方法过程所组成，用以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。GISGIS 的基本构成：的基本构成：一、系统硬件：一、系统硬件： 由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。二、系统软件：二、系统软件： 由系统管理软件、数据库软件和基础GIS 软件组成，用于执行GIS

3、功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。三、三、空间数据库：空间数据库： 由数据库实体和数据库管理系统组成， 用于空间数据的存储、 管理、 查询、检索和更新等。四、应用模型：四、应用模型： 由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。五、用户界面五、用户界面( (应用人员）应用人员） ：由菜单式、命令式或表格式的图形用户界面所组成，是用以实现人机对话的工具。GISGIS 的基本功能：的基本功能： GISGIS 的应用功能：的应用功能：一、数据采集与编辑；一、数据采集与编辑；一、资源管理一、资源管理二、数据存储与管理；二、数据存储与管理

4、；二、区域规划二、区域规划三、数据处理和变换；三、数据处理和变换；三、国土监测三、国土监测四、空间分析和统计；四、空间分析和统计；四、辅助决策四、辅助决策五、产品制作与显示；五、产品制作与显示；五、定位服务五、定位服务六、二次开发和编程。六、二次开发和编程。第二章第二章第一节第一节 地理空间及其表达地理空间及其表达一、地理空间的概念一、地理空间的概念“地理空间”(geo-spatial) 一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；地理空间定位框架即大地测量控制， 由平面控制网和高程控制网组成； 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

5、前，我 XX 用的大地坐标系为 1980 年中国国家大地坐标系。二、空间实体的表达二、空间实体的表达地理空间实体包括点（地理空间实体包括点（point)point)、线、线(line)(line)、面、面(polygon)(polygon)、曲面、曲面(surface)(surface)和体和体(volume)(volume)等多种类型。等多种类型。对空间实体进行数据表达时，关键看如何表达空间的一个点。. word.zl-.-如果采用一个没有大小的点（坐标） 来表达基本点元素，则称矢量表示法；如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本元素，则称为栅格表示法；它们分别对应矢量数据模型、栅格数据

6、模型。空间实体的表达：空间实体的表达： 指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、 拓扑关系和属性信息。第二节第二节 地理空间数据及其特征地理空间数据及其特征一、一、GISGIS 的空间数据的特征的空间数据的特征空间数据可以按照数据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型空间对象的三大基本特征：空间、属性和时间特征1、空间特征：空间特征：是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在 GIS 的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。2、属性特征：属性特征：是指空间对象的专题属性。3、时

7、间特征：是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。二、二、GISGIS 空间数据的分类空间数据的分类1 1、按数据来源：、按数据来源：地图数据、影像数据、文本数据2 2、按数据结构：、按数据结构：矢量数据、栅格数据3 3、按几何特征：、按几何特征：点、线、面、曲面、体4 4、按数据发布形式：、按数据发布形式：数字线划图（ DLG ）数据、数字栅格图（DRG）数据、数字高程模型数据（ DEM ） 、数字政摄影像数据（ DOM ）三、三、空间数据计算机表示的基本方法空间数据计算机表示的基本方法1 1、空间分幅、空间分幅2 2、属性分层、属性分层3 3、时间分段、时间分段第三节第三节 空

8、间数据结构的类型空间数据结构的类型数据结构：数据结构：数据记录的编排方式以及它们相互关系的描述。不同类型的数据，只有按照一定的数据结构进行组织， 并将它映射到计算机存储器中， 才能进行存贮、 检索、 处理和分析。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。一、矢量数据结构一、矢量数据结构概念：概念：矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。类型：类型：矢量数据结构分为简单数据结构 （也称面条数据结构） 、拓扑数据结构和曲面数据结构。特点：特点：属性隐含，定位明显。拓扑数据结构

9、最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。二、栅格数据结构二、栅格数据结构概念：概念： 栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元， 然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式；类型：类型：栅格数据结构分为栅格矩阵结构、 游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。特点：特点：属性明显，定位隐含。栅格结构的数据获取途径：栅格结构的数据获取途径：人工采样、将矢量地图转换为栅格地图、扫描、影像. word.zl-.-栅格数据的取值方法：栅格数据的取值方法：中心点法；面积占优法；长度占优法；重要性法栅格数据的编码方法：1.直

10、接编码无压缩编码：将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码2.链式编码（边界链码） ：它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。3.游程长度编码：所谓游程是指按行的顺序连续且属性值相同的若干栅格。游程长度的记录方式有两种：记录每个游程起（迄）列号；记录每个游程象元数4、块式编码：块式编码是将游程扩大到两维情况，把多边形范围划分成若干具有同一属性的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码的数据结构由初始位置（行列号） 、半径和属性代码组成。5 5、四叉树编码：、四叉树编码：四叉树分割的基本思想四叉树分割的基本思想: :首先把一幅栅格地图(2nx

11、2n,n1)等分成 4 等分，逐块检查其栅格值，若每个子区中所有栅格都含有相同值，则该子区不再往下分割，否则，将该区域再分割成4个子区域，如此递归地分割，直到每个子块都含有相同的灰度或属性值为止。 这样的数据组织称为自上往下四叉树。 四叉树也可自下而上的建立。 这时，从底层开始对每个数据的值进行检测，对具有相同灰度或属性的四等分的子区进行合并，如此递归向上合并。四叉树优点：四叉树优点：a a 具有可变分辨率。它能够按图形特征、自动调整分割尺寸和层次， 即能精确表示图形的细节部分，又可以根据图形结构除去不必要存储量，所以这样编码效率高；b b 具有区域性质，适合图形图象的分析运算；c c 便于岛

12、的分析，便于同栅格矩阵之间进行转换。因此越来越受到GIS 工作人员的关注。矢量数据结构优点：矢量数据结构优点：1.便于面向现象(土壤类、土地利用单元等)；2.数据结构紧凑、冗余度低；3.有利于网络分析；4.图形显示质量好、精度高。矢量数据结构缺点：矢量数据结构缺点：1.数据结构复杂；2.软件与硬件的技术要求比较高；3.多边形叠合等分析比较困难；4.显示与绘图成本比较高。栅格数据结构优点：栅格数据结构优点：1.数据结构简单；2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；4.输出方法快速，成本比较低廉。栅格数据结构缺点：栅格数据结构缺点：1.图形数据量大；. wor

13、d.zl-.-2.投影转换比较困难；3.栅格地图的图形质量相对较低；4.现象识别的效果不如矢量方法。三、数据结构选择原则三、数据结构选择原则1、要素还是位置？2、可获取的数据3、定位要素的必要精度4、需要什么类型的要素5、需要什么类型的拓扑关联6、所需空间分析类型7、生产地图类型第四节第四节 空间数据结构的建立空间数据结构的建立一、系统功能与数据间的关系一、系统功能与数据间的关系1、现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；2、对开发的 GIS 系统的功能，是通过用户需求调查来确定的， 因此，在开发 GIS 系统之前，

14、首先要进行系统分析。二、空间数据的分类和编码二、空间数据的分类和编码1 1、空间数据的分类：、空间数据的分类：是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层。2 2、空间数据的编码：、空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。三、矢量数据的输入与编辑三、矢量数据的输入与编辑输入：输入：矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y 坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去。编辑：编辑： 空间

15、数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。四、栅格数据的输入与编辑四、栅格数据的输入与编辑输入：输入： 栅格数据的输入方法包括透明格网采集输入、 扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；编辑：编辑： 栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误， 根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压缩和数据组织方式的变换等。第三章第三章 空间数据处理空间数据处理空间数据处理：空间数据处理：是指 GIS 对空间数据本身所提供的操作手段，它不涉及内容的分析。而空间数据分析是指 GIS 为用户提供的解决问题的方法。 空间数据的处理和分析是G

16、IS 的核心，也是 GIS 有别于 CAD 等其他系统的关键。空间数据处理的目的：空间数据处理的目的：1、实现净化数据；2、实现数据的规范化，以便为用户提供方便、合理的数据结构及类型。空间数据处理的内容：空间数据处理的内容：1 1）编辑处理：）编辑处理：图形数据的编辑，属性数据的编辑，图形的拼接和分割等。2 2）变换处理：）变换处理：投影变换，坐标变换，比例尺变换，几何校正等. word.zl-.-3 3）编码和压缩处理：）编码和压缩处理： 栅格数据的编码，矢量数据的编码，栅格数据压缩，多余点的去除等。4 4）数据的插值：）数据的插值：点的内插，区域的内插等5 5）数据类型的转换：）数据类型的

17、转换：矢量向栅格的转换，栅格向矢量的转换，系统间数据格式的转换等。第一节第一节 空间数据采集与编辑空间数据采集与编辑一、GIS 数据源：地图资料、遥感(RS)资料、实测数据资料、统计资料二、空间数据数字化的一般方法（1）手扶跟踪数字化仪（Digitizer）数字化数据采集方式：点方式、时间方式、距离方式；（2）扫描数字化（3）屏幕跟踪数字化栅格图象矢量化扫描数据、遥感数据空间数据的内插方法空间数据的内插方法空间数据的插值是寻找一种函数关系式， 使它接近或等于已知的空间数据点， 并能用该函数求出区域内其它任意点或任意区的数据值。空间的几何形状主要是由自由曲线和曲面组成的。 通常可用一组离散的数据

18、点来定义和构造几何形状，这种定义曲线、曲面的方法涉及到插值、逼近、拟合等概念。（1) 1)插值：插值：是根据一组已知的数据点，构造一个函数，使已知的数据点全部通过该函数。并用该函数求出其它位置数据点值，这种方法称为插值法，所构造的函数称为插值函数。（2) 2)逼近：逼近：是根据一组已知的数据点，构造一个函数，使已知的数据点整体上接近该函数，但不必通过全部数据点，但所构成的函数与已知数据点之间的误差在某种意义上值差最小。（3) 3)拟合：拟合：通常将插值和逼近统称为拟合。一、一、 点插值点插值概念：概念：点插值所研究的空间通常是连续空间（如地形、气温等）的数值内插方法，所以可采用连续的平滑的数学

19、面加以描述。类型：整体拟合、局部拟合。类型：整体拟合、局部拟合。整体拟合整体拟合是研究区域内所有采样点上的全部特征值， 它一般用于模拟大范围内变化， 即整体趋势面拟合。 局部插值是把一定范围的区域分成若干个块， 然后利用局部范围内的已知采样点，进行拟合插值的方法；局部拟合局部拟合可提供局部区域的内插值，且不受局部范围之外的其他点的影响。1、 数据取样2、 数据内插（1）分块内插：把整个内插空间划成若干分块，并对各分块求出各自的曲面函数来刻画曲面形态。 分块内插的关键是要解决各相邻分块函数间的连续性问题。 分块内插分为线性内插、双线性多项式内插、二元样条函数内插法等。（2）逐点内插：以插值点为中

20、心，定义一个局部函数去拟合周围的数据点，数据点的范围随插值点位置的变化而变化， 因此又称移动曲面法。逐点内插法主要有移动拟合法、 加权平均法两种基本插值方法； 此外，克里金法也是一种加权插值方法， 只是在计算权重的方法上与加权平均法不同。克立格插值方法克立格插值方法 ：克立格（：克立格（KrigingKriging）插值法，又称空间局部估计或空间局部插值法，是地）插值法，又称空间局部估计或空间局部插值法，是地统计学的主要内容之一。统计学的主要内容之一。 克立格法是建立在变异函数理论及结构分析基础之上的，克立格法是建立在变异函数理论及结构分析基础之上的， 它是在有它是在有限区域内对区域化变量的取

21、值进行无偏最优估计的一种方法。限区域内对区域化变量的取值进行无偏最优估计的一种方法。. word.zl-.-二、二、 区域插值区域插值概念：概念： 点插值主要用于解决对连续空间数据的插值。 空间数据中存在着大量离散空间数据需要用区域插值法。 区域插值是研究从一组已知的分区数据中推断出同一地区的另一组分区数值的插值方法。区域的内插方法：区域的内插方法：叠置法；比重法。空间拓扑关系编辑一、多边形连接编辑二、节点连接编辑第四章第四章GISGIS 空间数据库空间数据库一、一、 数据库数据库1 1、定义：、定义：数据库是为一定目的服务，以特定结构存储的相关联的数据的集合。计算机对数据的管理经过了三个阶段

22、 ：程序管理阶段 、文件管理阶段 、数据库管理阶段。2 2、特点：、特点： 数据独立于应用程序而集中管理； 数据之间建立联系，反映现实世界信息的联系3 3、数据模型：、数据模型：层次模型、网络模型、关系模型4 4、数据库中的数据组织方式：、数据库中的数据组织方式：数据项、记录、文件、数据库二、空间数据库二、空间数据库1 1、定义：、定义：空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合2 2、特点：、特点：数据量特别大；属性数据和空间数据联合管理；数据应用范围广泛三、空间数据库的数据特征三、空间数据库的数据特征空间特征、非结构化特征、空间关系特征、分类编码特征、海量数据特征空间数据库概念模

23、型设计：传统的数据模型空间数据库概念模型设计：传统的数据模型1、层次数据模型2、网状数据模型3、关系数据模型第五章第五章 空间分析的原理和方法空间分析的原理和方法一、空间分析的概念一、空间分析的概念空间分析是基于空间数据的分析技术， 它以地学原理为依托， 通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。二、空间分析的一般分类二、空间分析的一般分类1、产生式分析(product mode) ；2、咨询式分析(query mode) 。三、空间分析的功能三、空间分析的功能空间数据查询和检索只是空间分析基本功能，空间分析更深层次内容涉及各种空间模型

24、分析，不仅包括对一个目标的空间位置信息和属性信息的分析， 还包括对多个目标的分析。 随着 GIS 应用范围的不断扩大，用户对 GIS 分析功能的要求也越来越高，因此，不断增加空间数据的分析功能已成为扩大GIS 应用范围的关键。1 1、查询检索：、查询检索：空间数据查询检索不同于一般数据库查询检索，它既包含属性查询功能，还必须有图形查询、图形和属性交叉查询功能及空间目标之间拓扑关系查询功能等。2 2、形态分析：、形态分析：主要分析空间物体形态特征，主要是对其几何特征进行分析，如距离计算、面积计算、体积计算、曲线长度及多边形周长的计算等。 在形态分析中，将空间物体作为独立个体进行分析，不涉及物体之

25、间位置的关系。. word.zl-.-3 3、地形分析：、地形分析：主要是通过数字高程模型进行如等高线分析、坡度坡向分析、剖面分析、视域分析、淹没分析及透视图分析等。4 4、叠置分析：、叠置分析：是一种信息复合模型。它以叠置运算为基础对多种地学信息进行综合分析，以帮助用户判断信息间相互关系，并从中获取更丰富的信息。5 5、邻域分析：、邻域分析：主要是根据指定的目标信息检查邻近区域内的目标信息，或从邻近区域的目标信息中进一步分析特定的目标信息。如缓冲区分析，泰森多边形分析等。6 6、网络分析：、网络分析：是基于图数据结构的一种分析方法。这里所说的网络同计算机网络技术是两个完全不同的概念。 网络分析最典型的问题是最短或最佳路径分析， 用于寻找两点之间的一条最优通道。7 7、模型分析：、模型分析：是随着 GIS 技术的发展而产生，用于进一步的加强系统的分析功能。可以看作是空间分析功能的一个重要分支。它直接面向应用，具有很强专业性，是当前 GIS 应用领域研究热点之一。. word.zl-