地理信息系统概论

地理信息系统概论

1、信息时代特点

1）信息的巨大物化力量，人们的工作重点从单纯的物质生产转移到对信息的处理上来。2）信息资源的科学管理和充分利用，合理地管理利用，把开发和保护结合起来。其表现为：兴起城市规划，污水、环境资源管理与利用，灾害监测系统，三峡工程等。3） 信息产业的形成与壮大，信息产业的发展日益迅猛，已成为当代经济发展的重要特点。

一 导论

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况。包括数字、文字、符号、图形、图像和声音等。数据本身没有意义。

信息：（广义）主体与外部客体之间相互联系的一种形式，是主体和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。不随数据形式的改变而改变

数据与信息的关系：（1）数据是信息的表达形式，是信息的载体；（2）信息是数据中蕴含的事物的含义，是数据的内容。（3）信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、现象等的内容、数量或特征，以便向人们提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。（4）信息来源于数据（Data）。（5）数据是一种未经加工的原始资料，数字、文字、符号、图像都是数据。（6）数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。

数据处理：是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算，以及分析、模拟和预测等操作。数据处理和解释用于从数据中得到信息

数据处理的目的：把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式，把数据加工成对正确管理和决策有用的数据，把数据编辑后存储起来，以供后续使用。

信息的特点：客观性；适用性；传输性；共享性

地理信息：是地理数据所蕴含和表达的地理含义

地理数据：是与地理环境要素有关的物质的数量、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。在逻辑上可以采用矢量和栅格两种数据组织形式来表达地理数据。分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。

地理信息的特征：（1）空间特征：地理实体的空间位置及其相互关系，表现为结构，是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志；（2）属性特征：表示地理实体的名称、类型和数量等；（3）时序特征：指实体随时间而发生的相关变化的信息（属性数据或空间数据的变化）（4）数据量大：地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计划不断发展，每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。

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，该系统设计来支持空间数据的采集、存储、管理、处理、分析、显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

GIS与一般MIS:GIS区别于其它信息系统的一个显著标志是具有空间分析功能。GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、检索等都是GIS广泛使用的核心技术。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信地理信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。

3S:RS,GPS,GIS

地理信息系统分为：一是应用型地理信息系统,包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统,即GIS工具软件包，如ArcGIS

地理信息系统的操作对象是地理数据或称空间数据

GIS构成：系统硬件、系统软件、地理空间数据、应用人员、应用模型

GIS软件是系统的核心，用于执行GIS功能的各种操作

GIS功能软件常分为：GIS基础软件平台和GIS应用软件两大类

GIS系统的基本功能应包括：数据采集与编辑、数据存储与管理、数据处理和变换、空间查询和分析、数据显示和输出功能

GIS系统的应用功能：资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策

数据处理的任务和操作内容有：

① 数据变换：指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等；

② 数据重构：指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据截取、数据压缩、结构转换等；

③ 数据抽取：指对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。

空间分析和统计功能主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系。常见的空间分析有：（1）叠加分析（2）缓冲区分析（3）数字地形分析

GIS产品是指经过GIS处理和分析的结果，可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明。其中地图图形输出是GIS产品的主要表现形式

加拿大Tomlinson博士是GIS之父

GIS 技术的主要发展趋势：（1）空间数据库趋向图形、影像和DEM 三库一体化和面向对象

5) 空间数据表达趋向多比例尺、多尺度、动态和实时三维可视化（3）空间分析和辅助决策智能化需要利用数据挖掘方法从空间数据库和属性数据库中发现更多的有用知识（4）通过Web 服务器和WAP 服务器的互联网和移动GIS 将推进数据库和互操作的研究及地学信息服务事业（5）地理信息科学的研究有望在本世纪形成较完整的理论框架体系

第二章 GIS的数据结构

地理空间：一般指上至大气电离层，下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。包括：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈。

大地测量控制系统——地理空间定位框架，包括平面位置坐标和高度值坐标

我国现有三种大地坐标系并存：（1）、北京-（局部平差）（2）、1980年国家大地坐标系（西安-80，整体平差）（3）、地心坐标系，即以地球的质心作为坐标原点的坐标系

1980年中国国家大地坐标系的大地原点，及国家水平控制网中推算的大地坐标起标点，设在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇。

高程：指空间某点高于或低于基准面的垂直距离，我国现在规定的高程基准面为“1985国家高程基准”

地理空间特征实体：指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体。包括点、线、面、曲面和体

地理空间的表达方法可以概括为矢量、栅格、三角形不规则网（TIN）等

空间数据：是GIS的核心，GIS的血液；GIS的操作对象；占据整个GIS工程的70%甚至更多。按数据来源分类：地图数据、影像数据、文本数据。按数据结构分类：矢量数据、栅格数据。按数据几何特征分类：点、线、面、曲面、体

2) 空间数据的基本特征

（一）基本特征：空间特征、属性特征、时间特征：

拓扑信息：地理对象之间的相互关系。

拓扑元素：点、线、 面

拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法。是描述地物之间相互连接的关系。其类型有1）拓扑邻接：是指存在于空间图形的相同类型元素之间的拓扑关系。

（2）拓扑关联：是指存在于不同类型空间元素之间的拓扑关系。如节点与弧段的关联关系、多边形与弧段的关联关系

（3）拓扑包含：是指存在于空间图形的相同类型但不同等级的元素之间的拓扑关系。

包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式。

空间拓扑关系的意义：根据拓扑关系，不需要利用坐标或者计算距离，就可以确定一种地理实体相当于另一种地理实体的空间位置关系。利用拓扑数据有利于空间要素的查询。可以利用拓扑数据作为感觉，重建地理实体。

空间数据表示的基本方法：空间分幅、属性分层、时间分段

数据结构：矢量数据结构、栅格数据结构、曲面数据结构

TIN曲面数据结构的主要特征：TIN由一系列三角形组成；三角形顶点都是一些特征点；每个三角形的坡度、坡向均一；三角形大小随地形变化而变；尽可能是等边三角形；三角形的边长之和最小；以拓扑方式存储

第三章 空间数据处理

空间数据处理包括：（1）数据变换（2）数据重构（3）数据提取

空间数据变换：即空间数据坐标系的变换。其实质是建立两个坐标系坐标点之间的一一对应关系。包括几何纠正和投影转换（仿射变换、相似变换、二次变换）等

地图投影中的变形主要有三种：角度变形、面积变形、长度变形

按照地图投影变形性质，一般把地图投影分为三类：等角投影、等面积投影和任意投影

常见GIS软件的空间数据格式：ArcInfo Coverage、Shapefile、E00格式；DXF和DWG格式；TAB和MIF格式；DGN格式；

空间数据的压缩的意义：优化存储空间，减少处理时间

空间数据压缩：从空间坐标数据集合中抽取一个子集，使这个子集在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。

空间数据内插分为分类：点的内插；多边形分区的内插。

5) 空间分析的原理与方法

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、空间形成和空间演变等信息。

空间分析的意义：空间分析是GIS的重要组成部分，也是评价一个GIS功能强弱的主要指标之一。

空间分析的目的：在于通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息。

空间分析分为矢量数据空间分析，栅格数据空间分析

数字地形模型：Digital Terrain Model，简称DTM,是在空间数据库中存储并管理的空间地形数据集合的统称，是对目标空间位置特征和地形属性特征的数字描述。简单的说就

是用数字化形式表达地形信息。

DTM在形式上主要分为：(1)规则格网（Grid）：最常见(2)不规则三角网（ Triangulated Irregular Network， TIN）(3)数字等高线、等深线、地形特征线（如山脊线、谷底线、坡度变换线等）

DTM的应用:地学分析和生产应用中的基础数据,地表属性的三维特征，如高度、坡度、坡向等重要的地貌要素;具体应用：如公路、铁路、输电线的选线;也可应用于测绘、制图、遥感等领域。

DTM可分为：数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）：当属性为海拔高程数值的时候，则称为DEM;派生的地形模型。DEM 是地表单元上高程的集合，是地貌形态的离散表示。

DEM与DTM的关系： DEM是构成DTM的基础，DTM的其他元素均由DEM导出。DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。

DEM与传统地形图相比的特点：可以以多种形式展示地形信息，精度不会损失，不存在载体变形的问题；形象逼真，能够进行三维显示。

DEM的应用：地形因子的自动提取；地表形态的自动分类；地学剖面的绘制和分析；DEM的通视分析

地形因子：包括地形的坡度、坡向、曲面面积、地表粗糙度、高程变异，以及谷脊特

征等与地形有关的信息，地形因子可以通过对数字高程模型的计算而获得。

坡度（slope）：表示地表单元陡缓的程度。坡度的表示方法有：百分比法、度数法、密位法、分数法

坡向（aspect）是指地形坡面的朝向，是坡面法线在水平面上的投影方向。

计算坡度和坡向的方法：通常有计算平均坡度的空间矢量分析法，以及计算最大坡度的拟合曲面法等

地表粗糙度是反映地表起伏变化与侵蚀程度的指标，是地表单元曲面面积与投影面积之比

高程分析包括平均高程和相对高程的计算，高程变异是反映地表单元网格各顶点高程变化的指标，它以网格单元顶点的标准差与平均高程的比值来表示

沟谷即为地势相对最低的点集。山脊为地势相对最高的点集。

地形剖面线表现的是地表从一个点到另一个点沿途的地形变化情况。

通视分析：就是利用DEM判断地形上任意两点之间是否可以相互可见的技术方法。

通视分析应用。可以用于架设通信基站等的工程设计、旅游景点规划等应用领域。

通视分析的实现可以借助上述的地形剖面线来完成，在任意两点间先生成一条剖面线，再在两点间形成一条直线，判断直线与剖面线是否有交点，若有交点则两点不能通视；若没有交点，还要判断两点高程是否高于剖面线的高程，以此判定两点是否通视。

空间叠合分析：是指在相同的空间坐标系统条件下，将同一地区两个不同地理特征的空间和属性数据重叠相加，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。

分为矢量数据的叠合分析（分为点与多边形的叠合、线与多边形的叠合和多边形与多边形的

叠合）；基于栅格数据的叠合分析

多边形叠合分析通常有五种方式：图层合并union、交集操作Intersect、识别叠加Identity、图层擦除Erase、修正更新Update

1.基于栅格数据叠合分析的特点：参与叠合分析的数据为栅格数据；可以有多个空间特征数据参与分析，矢量数据分析仅能在两个空间特征数据之间进行；数据占用的存储量比较大，运算过程简单

2.栅格叠合分析的条件：两个或多个相同地区的相同行列数的栅格数据；栅格单元大小相同

栅格叠合分析的结果是一个新生成的栅格数据，其中每一个栅格的数值是由参与计算

的原栅格数据计算得到；栅格叠合通过计算产生新的空间信息

栅格叠合分析的方法数算；函数运算；统计运算