地理信息系统原理学习大纲.docx
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地理信息系统原理学习大纲
《地理信息系统原理》学习大纲
学时:
32任课教师:
余志伟
联系电话:
61748965(H),(M)
第1章绪论
内容:
地理信息技术发展与应用。
GIS特征。
学习要点:
数据(Data):
事实和其它原始资料,可以处理成信息。
信息(Information):
经过处理有用数据。
知识(Knowledge):
通过人类智力活动可将信息转换成对事物普遍性描述,即知识,可以记录和传播。
认识(Understanding):
用世界观和个人视角集成知识,整体存在于人类大脑中。
智慧(Wisdom):
人类大脑产生整体形成认识。
知识经济:
指建立在知识和信息生产、分配和使用基础上经济。
信息系统(InformationSystem):
能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现,并能回答用户一系列问题系统。
数据挖掘(DataMining):
从数据中提取隐含、先前不知道和潜在有用知识到过程,也称数据库知识发现。
数据挖掘基本思想就是从数据中抽取有价值信息,其目是帮助决策者寻找数据间潜在关联,发现被忽略要素,而这些信息对预测趋势和决策行为也许是十分有用。
地理信息:
是有关地理实体性质、特征及运动状态表征和一切有用知识,它是对表达地理特征与地理现象之间关系地理数据解释。
而地理数据则是各种地理特征和现象间关系符号化表示,包括空间位置、属性特征(简称属性)及时域特征三部分。
空间位置数据描述地物所在位置;这种位置即可以根据大地参照系如大地经纬度坐标定义,也可以根据地物间相对位置关系如空间上相邻、包含等定义。
属性数据又称为非空间数据,是属于一定地物、描述其特征定性或定量指标。
时域特征是指地理数据采集或地理现象发生时刻/时段。
时域数据对环境模拟分析非常重要。
空间位置、属性及时间是地理空间分析三大基本要素。
地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS):
地理空间数据数字处理系统;是60年代发展起来一种集数据采集、存储、分析于一体,对地球表面(含大气层)、地球内部及空间、地理分布等情况进行描述、管理空间信息系统。
地理是相对于地球而言;空间强调是数据立体模型;数字表示机器可读;处理则是数据到信息必由之路。
注意:
地理信息系统中“地理”是个空间概念,是一个大地质概念。
第一章小结
一个GIS构成,可以简单地分成三个部分:
空间数据、空间数据库管理系统、空间数据分析处理软件。
一个地理信息系统如果不提供空间数据分析处理功能,实际上就蜕化为一个地理数据库;反之,一个地理数据库,如果加强了空间数据分析处理功能,就升格为一个地理信息系统。
当然,目前空间数据库一般都带有一定分析处理功能,不过,一般来说,地理信息系统应具有比一般地理数据库更为全面、丰富、完善空间和非空间分析功能,尤其是一些专门化应用模型,更是GIS核心组成之一。
地理数据库:
完备数据管理功能
地理信息系统:
完备空间分析功能
智能化地理信息系统:
还具有空间建模功能,能解决需要专家知识才能解决问题。
关于空间分析:
空间分析是地理信息系统主要特征,也是评价一个地理信息系统主要指标之一。
空间分析是基于地理对象位置和形态特征数据分析技术,其目在于提取和传输空间信息。
空间分析是各类综合性地学分析基础,为人们建立复杂空间应用模型提供了基本工具。
思考题
•数据与信息、知识区别。
•地理信息系统与CAD区别与联系
•学习地理信息系统必要性。
第2章地理坐标与地图投影
内容:
地图投影与坐标变换。
学习要点:
地理坐标用经纬度表示地面定位球面坐标。
大地经纬度:
大地经度参考椭球面上某一点大地子午面与本初子午面间两面角。
东经为正,西经为负。
大地纬度参考椭球面上某一点法线(垂直线)与赤道面交角。
北纬为正,南纬为负。
地心经纬度:
地心指地球椭球体质量中心。
地心经度同大地经度,地心纬度是指参考椭球面上某一点和椭球中心连线与赤道面间夹角。
由于地球是一椭球体,大地纬度()与地心纬度()有差别;它们与赤纬()也不同。
地图投影:
地图投影是指建立地表曲面和投影平面两个点集间一一对应关系,亦即研究如何将地球曲面表示到地图平面方法与过程。
简而言之,研究如何将地球上点(地形地物)在平面上表示出来。
(一)投影分类
1.按地图投影构成方法分类
(1)几何投影
●方位投影(AzimuthalProjections)
●圆柱投影(CylindricalProjections)
●圆锥投影(ConicalProjections)
上述投影又可根据球面与投影面相对位置不同,分为:
正轴投影(thenormalaspect)
横轴投影(thetransverseaspect)
斜轴投影(theobliqueaspect)
(2)非几何投影
并不借助辅助投影面,而是根据某些特定要求,用数学解析方法,求出投影公式,确定平面与球面之间点与点之间函数关系。
按经纬线形状,分为伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影。
2.按地图投影变形性质分类
(1)等角投影(conformality,ConformalProjection)
(2)等积投影(equivalence,Equal-areaProjection,EquivalentProjection)
(3)任意投影
(二)常用地图投影
1.等角正割圆锥投影
1978年我国规定用它作为1:
100万分幅地形图数学基础。
2.等角正切圆柱投影(墨卡托投影)
由比利时人墨卡托于1569年为航海所创立。
其实用价值为图上任意两点连成直线为等角航线,按此方位角航行,可一直到达目地。
3.Gauss-Krüger(等角横切椭圆柱投影)与通用横轴墨卡托投影(UTM,UniversalTransverseMercator)
高斯-克吕格投影是将一椭圆柱横切于地球椭球体上,该椭圆柱与椭球体表面切线为一经线,称为中央经线。
然后根据一定约束条件(投影条件),将中央经线两侧规定范围内点投影到椭圆柱上,从而得到点高斯投影,按投影分类其属于解析投影。
UTM投影(通用横轴墨卡托投影,UniversalTransverseMercator),与高斯-克吕格投影基本一样。
UTM是等角横割椭圆柱投影,在投影带内有两条长度比=1标准经线,中央经线长度比为0.9996。
所以,高斯-克吕格投影y值乘上系数0.9996,即为UTM投影。
本章提要
•地球是球体,地图是平面,将球面景物表现在平面上必然会产生球面与平面之间矛盾。
•地图投影实质就是通过一定数学方法,建立球面坐标和平面直角坐标(或极坐标)变换函数关系。
•地图投影必然产生变形。
采用不同投影方法,建立经纬网形状不同,其变形性质和变形分布规律也不同。
•地图主比例尺是表明地图投影时地球缩小倍率,只适用于个别没有变形点或线。
•长度变形是最主要变形,它制约着角度变形和面积变形。
•变形性质不同投影,各有不同用途。
•制图区域地理位置、范围、形状,影响地图投影选用。
思考题
地理坐标系基本要素有哪些?
分别写出其定义。
天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度差别。
地图投影变形表现在哪几个方面?
为什么说长度变形是主要变形?
地图投影按变形性质分为哪几类?
它们特性是什么?
什么叫长度比、长度变形、面积比、面积变形?
什么是主比例尺?
什么是局部比例尺?
简述空间定位数据在数字地球及地理信息系统中意义。
地理坐标涉及地理信息系统中哪些主要问题?
墨卡托投影具有什么特性和用途?
说明高斯克吕格投影变形性质、变形分布规律及用途。
与高斯克吕格投影差别。
第3章空间数据结构
内容:
地理实体及空间关系。
矢量数据结构,栅格数据结构;矢量到栅格数据格式转换。
空间数据结构新技术。
学习要点:
(一)在地理信息系统中,将地理实体分为四种对象(object):
(1)点对象(PointObject)
点对象是有特定位置维数为零物体,代表一个点实体(PointEntity),如城市、村庄、钻孔等。
一个主题可以是若干点对象组成。
(2)线对象(LineObject)
线对象是维数为1物体,代表一个线实体(LineEntity),如河流、线段、边界、链、网络等。
可以定义一个线对象由多个多边线组成,如河流有干流、支流等;也可以定义简单线对象(无回路和分叉),此时一个线类主题可由若干线对象组成。
(3)面对象(SurfaceObject)
面状实体包括湖泊、森林、岛屿、地块等,在二维图中表现多边形。
可以定义一个面对象由多个不连接Face(多边形)组成,如一个国家领土常由好几个多边形组成;也可以定义一个面对象只由相连接Face组成,由面类主题将它们聚合起来。
(4)体对象(BodyObject)
一个体对象代表一个空间三维实体,如地层、断层、矿体等。
一个三维实体由若干平面或曲面包围组成。
体中间若包含“空洞”,则为复杂体。
但体中包含“空洞”,应作为另一个体对象处理。
通过体类主题可将体对象聚合起来。
(二)表达地理实体对象几何元素(geometricelement):
节点(结点)(Node)
顶点(角点)(Vertex)
弧段(arc)
边(edge)
面或多边形(faceorpolygon)
其中节点和弧段是最基本。
(1)节点(结点)(Node)
Node可以代表一个点对象,也可以是一个弧段或多个弧段起点和终点。
(2)顶点(角点)(Vertex)
弧段内部点。
(3)弧段(arc)
两个节点之间连线,中间可以有也可以没有顶点。
弧段可以是线对象一部分,也可以是Face一部分。
为简单起见,弧段可认为是直线或折线,但也可以是数学曲线,此时应有(与节点有关)数学表达式。
(4)边(edge)
Edge是中间性质几何元素。
它们是Face一部分,由弧段组成。
每个Edge都有一个序号,表明了在Face中位置,并规定了arc方向。
(5)面或多边形(faceorpolygon)
Face是最高层次几何元素,由edge组成。
它可以是面对象一部分,也可以是体对象分一部分(若干Face构成体表面)。
在二维情况下,face呈多边形。
在三维中,face有方向,可根据edge方向用右手系规则定义。
Face一般是平面,也可以是曲面(基于edge数学函数)。
(三)拓扑
“拓扑”一词在希腊语中是“形状研究”。
拓扑学研究在拓扑变换下能够保持不变几何属性拓扑属性。
地图上拓扑关系是指图形保持连续状态下变形,但图形关系不变性质。
地理实体间拓扑关系有:
(1)拓扑邻接:
指空间图形中同类元素之间呈邻接关系。
(2)拓扑关联:
指空间图形中不同元素之间呈关联关系。
(3)拓扑包含:
指空间图形中同类但不同级元素之间包含关系。
(四)空间数据组织
矢量数据格式
栅格数据格式
矢量栅格一体化数据格式
矢量数据结构以代表实体几何要素空间坐标值为基础。
矢量数据结构以空间坐标系连续性为假定前提。
栅格数据结构实质上就是像元阵列。
栅格数据是二维表面上地理空间数据离散、量化、近似值。
(五)多边形矢量编码
(1)实体型
点用一对坐标(x,y)表示,线用两个或两个以上有序坐标表示,面由一条或一个以上首尾相连线(或弧段)组成。
用实体型数据表示空间数据直观、明了,但空间相互关系被隐含其中。
(2)索引式
索引式编码核心就是建立一本“字典”,用以说明多边形和点或线隶属关系。
即先建立点坐标文件,再建立弧段-点索引文件、多边形-弧段索引文件。
(3)双重独立式
双重独立式数据结构是对图上网状或面状要素任何一条线段,用其两端节点及相邻多边形来予以定义,组成一个弧段文件。
通过双重独立式编码可以检查数据,并自动形成面文件(面由哪些弧段组成)。
(4)链状双重独立式
链状双重独立式数据结构是DIME数据结构一种改进。
在DIME中,一条边只能有直线两端点序号及相邻多边形来表示,而在链状数据结构中,将若干直线段合为一个弧段,每个弧段可以有若干中间点。
链状双重独立式数据结构主要有四个文件组成:
多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、节点文件。
链状双重独立式编码也称为多边形转换器(POLYVRT,POLYgonconVeRTor)
在上述矢量数据结构模型中,前两种(实体型、链/点字典型)称为路径拓扑(PathTopology)模型,后两种称为网络拓扑(GraphTopology)模型。
这两种模型主要区别在于前者将二维要素边界作为独立一维要素来单独处理,而不考虑要素之间相互关系;而后者则是在一个关于边界关系网络模型中来考查二维要素。
(六)三维拓扑关系
三维拓扑关系要建立文件:
(1)对象文件(点、线、面、体)
(2)几何元素文件(Node、Arc、Edge、Face)
(3)拓扑查询文件包括NODEONF(NodeonFace)、NODEINB(NodeInBodyObject)、ARCONF(ArcOnFace)、ARCINB(ArcInBodyObject)、ARCPOFL(ArcPartOftheLine)共5个文件
(七)栅格数据结构编码方法
1.直接编码
将栅格数据看作一个数据矩阵,逐行逐列地记录每个代码数据。
不采用任何压缩处理,是一种最直观、最基本栅格数据存储方式。
2.游程压缩编码
又称游程长度编码(RunLengthEncoding),是栅格数据一种比较简单保真压缩编码方法。
编码中,将原始栅格阵列中属性值相同连续若干个栅格单元映射为一个游程,每个游程数据结构为(A,P),其中A代表属性值或属性值指针,P表示该游程最右端栅格列号。
(注:
还有一种游程编码P是行程长度即重复个数)。
3链式数据编码(ChainEncoding)
又称为Freeman编码。
此法是从某一起点开始沿8个基本方向前进单位矢量链来表示线状地物或多边形边界。
单位矢量长度为一个栅格单元边长或对角线长度,每个后续点位于前继续点8个基本方向之一。
4线性四叉树编码
四叉树压缩编码(Quarter-treeEncoding)基本思路为:
将一幅栅格图像或地图四等分,逐块检查每块属性值是否一致,再对属性值不均一块四等分,再逐块检查其属性值一致性,以此类推,直至每个子块属性值均一为止。
MQ码:
四进制线性四叉树Morton码(地址码)。
该码实际上就是自然数码。
MD码:
十进制线性四叉树Morton码(地址码)。
该码实际上就是自然数码。
●自下而上(down-top)线性四叉树编码:
(1)基于四进制线性四叉树地址编码法中每个栅格Morton码(实际操作中该步可不作)
MQ=2×Ib+Jb
Ib和Jb是二进制行、列号
(2)计算十进制Morton码(MD)
II=(inin-1…i2i1)2
JJ=(jnjn-1…j2j1)2
MD=(injnin-1jn-1…i2j2i1j1)2
再转换成十进制
(3)压缩、合并记录叶节点地址(MD)及属性值
对每一层次,如果4个相邻MD对应栅格属性值相同则合并(只保留4个中最小MD),否则将4个栅格作为叶节点记录下来(记录其地址MD及属性值)。
(4)将压缩后MD按大小次序排列
排序后前后两个MD码之间差值即表示了叶节点大小(子区大小),因而也省去了叶节点深度存储。
(5)二维行程编码
(八)矢量栅格数据结构相互转换(不要)
1.矢量数据结构向栅格数据结构转换
点、线、面转换。
2.栅格数据结构向矢量数据结构转换方法步骤
对于图像数据文件和再生栅格数据文件,应采用不同方法。
1)基于图像数据矢量化方法:
①二值化②细化③跟踪
2)基于再生栅格数据矢量化方法:
①边界线跟踪化②拓扑关系生成③去除多余点及曲线圆滑
(九)矢量-栅格一体化数据结构
细分格网
一个点位置用两个Morton码来表示,第一个表示点在基本格网中位置,第二个则表示在细分格网位置。
思考题
1.总结、归纳矢量数据结构。
2.总结、归纳栅格数据结构。
3.归纳矢量-栅格数据相互转换方法。
4.线性四叉树编码方法步骤?
5.矢栅一体化数据优点?
第4章GIS数据模型与数据库
内容:
ARC/INFO、MapInfo数据模型。
GIS中SQL查询,GIS数据库设计。
学习要点:
(一)ARC/INFO数据模型
ARC/INFO采用一种混合数据模型定义和管理地理数据。
其中空间数据使用拓扑数据模型来表示,而属性数据则使用关系数据模型。
在“ARC/INFO”中,ARC是指用于定义地物空间位置和关系拓扑数据结构,“INFO”是指用于定义地物属性表格数据(关系数据)结构,“ARC/INFO”则是两种混合数据模型及其处理过程关系。
(二)MAP/INFO数据文件组织
MapInfo以实体型数据结构组织图形数据,点、线、多边形、区域等要素空间位置和相互关系都是通过坐标来表示。
1.MapInfo表
一个典型MapInfo表主要由
.TAB文件,.DAT(MDB、TXT、DBF、XLS、WKS)文件,*.MAP文件,*.ID文件,*.IND文件五种文件组成。
2.工作空间文件*.WOR
工作空间是正在使用所有表和窗口列表。
.WOR用于保存有关在某次MapInfo交互使用中所使用表和窗口信息,相当于VB、VC中工程文件。
3.MIF文件和MID文件
MIF(MapInfoInterchangeFormat)即MapInfo交换格式,是一种能完整描述MapInfo数据库ASCII文件格式。
MID(MapInfoInterchangeData)即MapInfo交换数据。
MIF文件存放空间数据,MID文件存放属性数据。
(三)地理元数据(GeospatialMetadata)和数据字典(DataDictionary)
地理元数据:
关于数据数据(Dataaboutdata),是有关数据和信息资源描述信息。
数据字典:
是数据库中各类数据描述集合,或说是元数据及相关数据操作集合,其主要功能是存储和检索元数据。
(四)如何通过MIF、MID文件将图形和属性数据导入MapInfo系统?
(五)MapInfo数据库存储模式
MapInfo采用双数据库存储模式,即将空间数据与属性数据分开存储。
属性数据存储在关系数据库若干属性表中,而空间数据则以MapInfo自定义格式保存于若干文件中,二者通过一定索引机制联系起来。
(六)MapInfo中用点数据文件导入点对象有几种途径?
它们有何区别?
有三种途径:
通过MIF、MID文件导入;
通过打开图表文件调入点数据文件(TXT或数据库文件),再用“制造图点”法将点对象投影到地图上;
通过地理编码导入。
前二种方法适用于已有坐标点数据,后一种适用于没有坐标点数据;第1、3种方法产生本地(Native)表数据库,第2种方法使用外部表数据库。
(七)SQL查询
Select
From
Where
思考题
1.如何通过MIF、MID文件将图形和属性数据导入MapInfo系统?
2.如何对栅格图像进行配准、在屏幕上跟踪图层,并对图层建立属性数据库?
3.何谓地理元数据和数据词典?
第5章空间分析
内容:
基本图形运算。
缓冲区分析。
空间叠置分析原理与操作。
网络分析。
栅格数据空间分析。
空间分析综合应用实例。
学习要点:
GIS空间分析是指以地理事物空间位置和形态特征为基础,以空间数据运算或空间数据与属性数据综合运算为特征,提取与产生新空间信息技术和过程。
空间分析功能是GIS主要特征和评价GIS软件主要指标之一。
GIS空间分析技术主要包括空间几何分析、网络分析、空间统计分析、影像分析和数字地形分析等内容,从技术方法上,又可将GIS空间分析分为两大类,即基于矢量数据空间分析和基于栅格数据空间分析。
(一)基本图形运算
1.图形量算
长度量算公式
多边形面积量算
地形体积量算
2.包含分析
(二)缓冲区分析
缓冲区:
缓冲区又称为影响区或影响带,是指围绕地理要素一定宽度区域。
缓冲区分析:
缓冲区分析是用来确定不同地理要素空间邻近性和接近程度一类重要空间操作。
从数学角度看,缓冲区分析是给定一个空间对象或集合,确定它们邻域,邻域大小由邻域半径R决定。
(三)空间叠置分析原理与操作
空间叠置分析:
把同一地区两幅或两幅以上图形重叠在一起进行图形运算和属性运算,产生新空间图形和属性过程。
视觉信息叠加
点与多边形叠置
线与多边形叠置
多边形叠置
(四)网络分析
1.网络组成
2.路径优化与选址
(1)计算最短(佳)路径Dijkstra算法
(2)选址问题
用圆去覆盖该网络,其中半径最小圆圆心即定义为该网络中心。
3.地理编码
地理编码又称为地址匹配,是在含地址表格数据和相关图层之间建立联系,并为表格数据创建一个相应点要素图层。
地理编码过程是先对含地址记录数据库和带有地址属性要素图层进行比较,如果找到一个匹配,被匹配地理要素地理坐标就被分配给含相应地址表格数据记录,并在地址信息和被匹配地图要素之间建立链接。
当对表格数据进行地理编码后,就可以对表格数据进行空间定位查询和分析。
(五)栅格数据空间分析
栅格图层叠置
地图代数作用于不同数据层面上基于数学运算叠加运算。
地图代数有三种不同类型:
(1)基于常数对数据层面进行代数运算
(2)基于数学变换对数据层面进行数学变换(指数、对数、三角函数等)
(3)多个数据层面代数运算和逻辑运算(与、或、非、异或等)。
思考题
1.总结、归纳基本图形运算内容
2.总结、归纳缓冲区分析和空间叠置分析栅格数据空间分析内容。
3.网络分析中Dijkstra算法步骤?
4.何谓地理编码?
第6章数字高程模型建立和应用
内容:
DEM建立。
曲面样条函数方法。
DEM应用。
数字地面模型实例分析。
学习要点:
DTM:
指数字地形模型(DigitalTerrainModel)是通过地表点集空间坐标(x,y,z)及其属性数据表示地形表面特征地学模型。
DEM:
指数字高程模型(DigitalElevationModel),是表示区域D上地形三维矢量有限序列{Vi=(xi,yi,zi)},其中(xi,yiD)是平面坐标,zi是(xi,yi)对应高程。
TIN模型:
不规则三角网(TriangulatedIrregularNetwork)模型,其根据区域有限个点集将区域划分为相连三角面网络,是一个三维空间分段线性模型,在整个区域内连续但不可微。
(一)DEM建立
数据内插(Interpolation)
目:
利用已知点(参考点)上高程求出其它待定点上高程,即求Z=f(x,y)x,yD,在数学上属于插值问题。
距离加权插值法
移动拟合法
双线性多项式内插
曲面样条函数(SurfaceSplines)
(二)DEM应用
等高线绘制
立体图绘制
地形剖面图绘制
DTM地形分析
坡度分析
坡向分析
思考题
1.为什么不能简单地说一种插值方法比另一种更好?
2.总结、归纳已介绍各种插值方法原理。
3.建立DEM数据源有哪些?
名词解释
数据信息知识知识经济信息系统数据挖掘地理数据属性数据
地理信息地理信息系统空间分析地图投影大地