GIS课件.docx
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GIS课件
第一讲地理信息系统概述
一、基本概念
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数据：
是指对某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能转换成的数据等形式。
信息：
是数据中所包含的意义，是关于现实世界新的事实的知识，它不随载体物理设备形式的改变而改变。
信息与数据是不可分离的，数据是信息的载体，数据中所包含的意义就是信息。
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地理数据：
是表征地理环境中地理要素的位置、数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。
如道路的起点和终点坐标、长度，某城市的地理坐标、高程、面积等。
地理信息：
它是对地理数据的解释，是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识。
如道路的相交、行政区划的相邻、排水管道的流向等。
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地理信息的特点:
地理信息具有典型的空间分布性、多维结构性和时序性。
空间分布性
在地理信息中，地理要素的位置是通过地理数据（如X、Y坐标，经纬度）进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。
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多维结构性
地理信息表达的是现实三维空间的地理要素，因此具有多维结构特征
点：
0维
线：
1维
面：
2维
体：
3维
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时序性
地理信息通常都是随着时间发生变化的。
按照时间尺度可将地理信息划分为实时（如车辆位置、水位变化）、超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。
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信息系统：
具有数据采集、管理、分析和表达能力的计算机系统，能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。
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信息系统的组成
信息系统都部分或全部由计算机系统支持，包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。
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信息系统的类型：
事务处理系统（TPS）
（TransactionProcessSystem），主要用以支持操作层人员的日常活动,负责处理日常事务。
管理信息系统（MIS）
（ManagementInformationSystem）提供信息帮助制定决策。
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决策支持系统（DSS）
（DecisionSupportSystem）能从管理信息系统中获得信息，帮助管理者制定好的决策，帮助改善决策的质量。
专家系统（ES）
（ExpertSystem）是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统，能推理制作决策并解释决策理由。
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二、地理信息系统及其功能
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地理信息系统的定义：
地理信息系统（GIS，GeographicalInformationSystem）是地理信息的管理系统。
它以地理数据为基础，是在计算机软硬件的支持下，对空间数据进行采集、管理、操作、模拟、分析和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。
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GIS是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。
地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。
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GIS包括两方面的含义：
是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；
是以地理空间数据库（GeospatialDatabase）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。
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在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息（空间数据）和非位置信息（属性数据）两个组成部分。
空间数据
属性数据
30
地理信息系统（GIS）是什么？
空间数据
属性数据
空间数据和属性数据的综合体
能让你轻易找到1995年以前建设的管径大于
1000毫米的所有污水管线
GIS
是
31
GIS是现实世界的一种信息抽象
32
GIS将现实世界抽象为图层的叠加
33
河流
道路
城市
行政区划
湖泊
34
…一切信息都可图形化、可视化
地理信息系统的特点:
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地理信息系统的类型：
专题地理信息系统（ThematicGIS）
具有专业或行业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。
例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。
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区域地理信息系统（RegionalGIS）
主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统、数字港城、数字昆明、数字乡村等。
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地理信息系统平台（GISTools）
是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。
如ArcGIS、MapInfo等。
地理信息系统平台一般都具有地理信息系统的通用功能，并为用户提供了开放的二次开发接口。
在通用的地理信息系统工具支持下建立和开发区域或专题地理信息系统，不仅可以节省软件开发的人力、物力、财力，缩短系统建立周期。
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数据获取、数据存储、数据可视化、空间查询、空间分析、数据输出
GIS的基本功能：
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数据获取
通过通用和专用设备对地理数据进行采集、监测、编辑和处理。
目前GPS卫星定位数据和遥感数据已成为GIS的主要数据源。
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数据存储
采用一定的空间数据模型（如栅格数据模型或矢量数据模型），将空间数据和属性数据进行有效的组织和管理，并存储于计算机中，支持空间查询、分析与决策。
GIS通过空间数据库实现空间数据和属性数据无缝集成与管理。
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栅格数据
空间数据库
40
数据存储
采用一定的空间数据模型（如栅格数据模型或矢量数据模型），将空间数据和属性数据进行有效的组织和管理，并存储于计算机中，支持空间查询、分析与决策。
GIS通过空间数据库实现空间数据和属性数据无缝集成与管理。
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数据可视化
昆明市道路交通监控点分布图
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空间查询与空间分析
空间查询与空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别。
用户只需通过简单的鼠标或键盘操作，即可实现空间数据的检索、空间拓扑分析与空间模型分析。
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空间查询
公交线路查询
空间查询
地理要素查询
空间分析
事故点扩散与影响范围分析
统计分析
数据输出
提供良好的、交互式的制图环境，完成地图设计、制作及高质量的地图输出、报表输出。
GIS可以做什么?
—数据可视化
GIS可以做什么?
—管理海量空间数据
GIS可以做什么?
—空间数据浏览、查询
GIS可以做什么?
—统计分析
GIS可以做什么?
—报表输出
GIS可以做什么?
—网络分析
GIS可以做什么?
—空间模型分析
GIS可以做什么?
—高质量的地图输出
GIS可以做什么?
—三维数字地面模型
GIS可以做什么?
—数字高程模型
GIS可以做什么?
—三维沙盘模型
计算机软件
系统软件：
计算机操作系统（如WindowsServer，WindowsProfessional，Unix等）
GIS平台及其支持软件：
包括通用的GIS软件，以及数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统、CAD等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口
应用分析软件：
是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型开发的用于某种特定应用任务的程序，是GIS功能的扩充与延伸。
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系统开发、管理和使用人员
人是GIS中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。
仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。
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数据：
数据是GIS的核心与基础。
GIS需要表示两类信息
空间数据和属性数据
SpatialandNon-Spatialdata
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空间数据：
反映事物地理空间位置的信息，称空间信息或空间数据（也称地图数据，图形数据）。
属性数据：
与地理位置有关的反映事物其它特征的信息，称属性信息或属性数据（也可称为文字数据，非图形数据）。
GIS通过对空间数据和属性数据的特有管理方式，在它们之间建立双向对应关系，实现图形和数据的集成与应用。
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空间数据
属性数据
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地理信息系统的核心问题——
位置、条件、变化趋势、模式和模型
位置（Location）：
某个特定的位置有什么？
条件（Condition）：
满足条件的东西在哪里？
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变化趋势（Trend）：
自从…以来有什么变化？
即随着时间时或空间的变化什么将会发生变化？
如何变化？
该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。
模式（Pattern）：
什么与它有关系？
该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。
模型（Model）：
如果…，会…？
该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。
GIS的相关学科：
地理学
地理学是一门研究人类赖以生存的地理空间的科学，空间分析的理论和方法是地理学的重要研究内容，它为地理信息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法，是地理信息系统的基础理论依托。
另一方面，GIS以地理信息世界表达地理现实世界，为地理学中地理问题的解决提供了全新的技术手段。
地图学
地图是记录地理信息的一种图形语言形式，是地理学的第二代语言。
GIS脱胎于地图，是地图信息的又一种新的载体形式，是地理学的第三代语言。
地图学为GIS提供了地理信息符号化、可视化的基本方法，地图仍是GIS的重要数据来源。
地理信息系统——电子地图
电子地图侧重于空间数据的符号化与显示
地理信息系统更注重于地理信息的管理与分析
计算机科学
地理信息系统的应用和发展与计算机科学的发展是密不可分的，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征。
计算机图形学、数据库技术、面向对象的软件开发技术为GIS提供了强有力的技术支持。
计算机科学已成为GIS的重要支撑学科。
遥感
遥感是一种不通过直接接触目标物而获取和处理地球表面的信息、并将其反映在像片或数字影像上的新型的探测技术。
（通常通过卫星或航拍来实现）遥感作为空间数据采集手段，已成为地理信息系统的主要信息源与数据更新途径。
遥感数据
GIS应用领域—
交通地理信息系统GIS-T（GISforTransportation）
军事地理信息系统MGIS（GISforMilitary）
交通地理信息系统（GIS-T）：
GIS以其特有的空间数据存储、管理、空间可视化与空间分析功能，为智能交通系统（ITS，IntelligentTransportationSystem）提供了强有力的技术支撑，已成为ITS的重要基础平台。
交通控制与管理
道路交通基础信息管理
交通基础设施管理
交通事故点快速定位
交通指挥调度
事故影响区域分析
交通事故空间热点分析
交通路况实时视频监控
警务预案与警务排班
交通综合信息管理与分析
车辆跟踪
交通状况统计分析
路段平均速度与通行时间分析
GIS的发展方向：
GIS网络化—WebGIS
空间数据库在地理位置上以分布方式存在，实现网络空间数据管理与共享。
用户通过因特网和浏览器进行空间数据的浏览、查询和分析。
嵌入式GIS
在嵌入式设备（掌上电脑、手机等）中实现GIS应用。
三维GIS
突破三维空间数据建模与数据传输的瓶颈，实现二、三维GIS的集成应用。
GIS标准化
多源、多格式、多尺度空间数据标准化，实现共同理解基础上空间信息和资源共享。
国际标准化组织OGC（OpenGISConsortium），欧洲的GDF（地理数据文件标准）等。
第二讲空间数据模型
为了能够利用信息系统来描述现实世界，必须对现实世界进行建模。
对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。
空间数据模型是整个GIS理论中最为核心的内容。
一、现实世界抽象
OpenGIS：
（OpenGeodataInteroperationSpecification）开放的地理数据互操作规范
OGC：
（OpenGISConsortium）美国的OpenGIS协会。
OGC是一个非赢利性组织，目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的标准化和互操作性。
OGC会员主要包括GIS相关的计算机硬件和软件制造商（包括ESRI,Intergraph,MapInfo等知名GIS软件开发商），数据生产商以及一些高等院校，政府部门等，其技术委员会负责具体标准的制定工作。
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OpenGIS定义了从现实世界到地理要素集合世界的转换模型，即将地理对象的抽象过程分为如下9个层次：
现实世界（RealWorld）
概念世界（ConceptualWorld）
地理空间世界（GeospatialWorld）
尺度世界（DimensionalWorld）
项目世界（ProjectWorld）
点世界（PointsWorld）
几何体世界（GeometryWorld）
地理要素世界（FeatureWorld）
要素集合世界（FeatureCollectionWorld）
九层模型中，前五个模型是对现实世界的抽象，并不在计算机软件中被实现；后四个模型是现实世界的数学和符号化模型，将在软件中被实现。
现实世界（RealWorld）
现实世界是所有客观事物（Fact）的集合。
现实世界
概念世界（ConceptualWorld）
概念世界是人类自然语言的世界，人类了解且认识其所命名的事物，因此这些事物构成了“语言的世界”。
概念世界
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地理空间世界（GeospatialWorld）
对于GIS来讲，自然语言的概念世界并不是充分抽象的，在GIS中只有概念世界中一个简化的子集才是兴趣所在。
这个子集叫做地理空间世界。
地理空间世界
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现实世界与地理空间世界的联系
在地理空间世界中，地理要素被抽象为点、线、面、体。
如河流被看作线，地形被看作等高线多边形的简化，而森林被看作多边形。
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维度世界（DimensionalWorld）
维度世界是对地理空间世界的抽象，它通过在欧氏空间中进行工具测量获取要素的尺度。
如距离、面积、方位等。
维度世界
指北针
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项目世界（ProjectWorld）
项目世界是维度世界的进一步抽象，它将地理世界抽象为针对特殊应用领域的具体实现。
制图员、地籍管理员和道路管理人员视角的项目世界
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在项目世界中，空间参照系统（SpatialReferenceSystem）的概念被引入，最常见的参照系统是环绕地球表面建立的坐标系统（经纬度）；此外，还有其它的间接的参照系统，例如线性参照系统可以用一个参数标识出一条线（如高速公路）上的一个点位。
地理编码是项目世界中地理要素的另一重要特征。
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项目世界与地理空间世界的关系
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点世界（PointsWorld）
几何体世界（GeometryWorld）
地理要素世界（FeatureWorld）
要素集合世界（FeatureCollectionWorld）
地理要素在信息世界的实现
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二、空间数据模型
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数据模型
以一定方式组织数据，通过足够的抽象性和概括性，对客观事物及其联系的进行描述,是连接现实世界和计算机世界的桥梁。
空间数据模型
是关于现实世界中空间实体及其相互联系的概念，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供基本方法。
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基于计算机的地理信息系统不能直接作用于现实世界，必须采用一定的空间数据模型对现实世界进行数据描述。
根据对地理实体从现实世界到计算机内部表示的不断抽象，GIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型3个有机联系的层次组成。
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概念数据模型
是关于空间实体及实体间联系的抽象概念集。
逻辑数据模型
根据概念数据模型确定的空间实体及相互关系，具体地表达数据项、记录等之间的关系，因而可以有若干不同的实现方法。
（如结构化模型、关系模型）
物理数据模型
描述数据在计算机中的物理组织、存储路径和数据库结构。
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空间数据模型的三个层次
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目前GIS常用的空间数据模型（概念模型）有场（Field）模型、要素（Feature）模型和网络（Network）模型。
场模型
场模型用于描述在一定空间内具有连续分布特点的地理现象。
例如，空气中污染物指数、地表的温度、土壤的湿度、森林植被等。
一个二维场就是在二维空间中任何已知的地点上，都有一个表现这一现象的值；而一个三维场就是在三维空间中对于任何位置来说都有一个值。
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场模型可以表示为如下的数学公式：
z（s））或f（x,y）
上式表示了从空间域到某个值域的映射，其中z为空间位置可度量的函数，s表示空间中的位置。
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栅格数据模型
栅格数据模型是场模型在信息系统中的具体实现。
它将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。
方格、三角形和六角形可完整地铺满一个平面，是栅格数据模型中最常用的规则覆盖。
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基于栅格的空间模型把空间看作像元（Pixel）的划分，每个像元的值表明了在已知类中现象的分类情况。
栅格数据模型、荒地、湖泊、湿地、树林、27
栅格数据模型、道路、河流、建筑、空地、
栅格数据模型中，每个像元具有固定的尺寸和位置，其位置由像元所处的行号和列号决定。
由于栅格模型是用规则的“栅格块”来表现连续的自然现象，且每个像元具有相同的值，因此分类之间的界限被迫采用沿着栅格像元的边界线。
这可能造成对现象的分布的误解，其程度则取决于像元的大小（分辨率）。
分辨率的大小决定了栅格模型与现实世界的接近程度。
优点：
栅格数据模型结构简单，空间数据的叠置与结合十分方便，易于进行空间分析，数学模拟方便，真实感较强，可用于表示空间连续分布的地理现象。
缺点：
图形数据量大（因为栅格数据是面向像元的）；难于进行网络分析。
由于像元是以行号和列号来标识，栅格数据本身无空间参考坐标，在使用中需进行影像配准。
要素模型
要素模型用于描述在一定空间内具有离散连续分布特点的地理现象。
例如，建筑物、道路、城市等。
要素模型将地理要素嵌入到欧氏空间中，形成三类地理要素，即点对象、线对象和多边形对象。
可以测量点之间的距离及方向的带坐标的几何空间叫做欧氏空间。
欧氏空间中，最常使用的参照系统是笛卡尔坐标系（直角坐标系）和极坐标系。
点对象（Point）
指有特定的位置，维数为零的地理要素，包括：
．点实体（PointEntity）：
用来代表一个点状实体；
．注记点：
用于定位注记；
．结点（节点）（Node）：
表示线的终点和起点。
点对象通常由一对空间坐标（X,Y）标识。
小比例尺地图中的城市、大比例尺地图中的建筑物、道路起点和终点，是典型的点对象。
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线对象（Line）
线对象是维度为1的地理要素，由一系列坐标表示。
线对象具有如下特征：
．实体长度：
从起点到终点的总长；
．弯曲度：
用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；
．方向性：
水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。
线对象通常可表示线段、边界、链、弧段、网络等。
道路、地下管线、河流、航线、边境线等是典型的线对象。
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面对象（Polygon）
面对象也称为多边形,用于表现湖泊、岛屿、地块等一类地理现象，具有如下空间特性：
、面积、周长、相邻性、、重叠性与非重叠性
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要素模型强调个体现象，把地理空间分解为点、线、面等离散对象（Object）的集合，这些对象必须满足三个条件：
．可被识别
．重要（与问题相关）
．可被描述（有特征）
要素模型中每一个对象与其它对象必须是不同的，必须有惟一的标识并可以单个测量。
每个对象必须嵌入空间坐标系统中，以确定其地理位置。
有关对象的特征，可以通过静态属性（如城市名、人口等）来描述。
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基于场的模型和基于要素的模型各有长处，应该恰当地综合运用这两种方法来建模。
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矢量数据模型
矢量数据模型是要素场模型在信息系统中的具体实现。
它强调了离散现象的存在，将地理空间抽象为一系列点、线、面离散对象的集合，并将这些地理要素嵌入到欧氏空间中。
在矢量数据模型中，点、线、多边形等地理实体是通过记录坐标的方式来描述的。
矢量数据模型:
地理要素类型
矢量数据
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优点：
存储数据量小，数据结构严密，可提供有效的拓扑编码和网络分析，能完整地描述拓扑关系，图形输出精确美观，速度快，图形数据和属性数据易于编辑、显示。
缺点：
数据结构复杂，表达空间变化性能力差，叠加操作没有栅格有效，以点、线、面来表示的空间物体缺乏真实感，不如栅格图生动。
矢栅混合模型
将矢量模型和栅格模型集成在同一个系统中，以分别表示相同的或不同的实体空间。
矢量数据用于精确表示实体空间的位置和实体之间的拓扑关系，进行实体空间几何变换等；栅格数据则用于进行实体的空间分析和操作。
矢量和栅格数据的结合通过数据转换来实现。
因此矢栅混合模型可以在需要的时候利用到矢量模型或栅格模型的优点；但是需要同时维护两套模型，系统负担重；在进行矢量到栅格或栅格到矢量的转换时可能出现信息丢失或错误。
矢栅一体化模型
矢栅一体化将矢量面向对象的方法和栅格像元覆盖的方法结合起来，采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。
该模型一方面保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系。
矢量一体化具有矢量和栅格模型的特性又避免了模型的维护和转换工作；但是技术难度高，目前尚不成熟。
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如何选择合适的空间数据模型，实现空间数据的高效组织和管理，是地理信息系统开发应用的关键，直接关系到整个系统的算法实现和开发效率。
一个成熟的GIS系统支持栅格和矢量两种方法的综合使用
一个熟练的GIS用户要能够综合使用栅格和矢量两种方法
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网络模型
网络关系普遍存在于自然界和人类社会中,如水系网络、道路网络、通讯网络、地下管网等。
在网络模型中，地物被抽象为边、节点等对象，即网络由一组边和节点按照一定的拓扑关系彼此连接而成。
边是具有一定长度和物流（如交通流方向、电力或水的流向等）的网络要素，节点是两条或两条以上边的交汇处，实现两条边之间物流的转换。
边与节点是网络的两类基本组成要素。
网络模型将数据组织成有向图结构，可有效反映现实世界中常见的多对多关系，如一个节点可与其它多个节点和边建立联系。
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网络模型
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网络模
升级会员 