《地理信息系统》理论教案Word文档格式.docx

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GIS的大发展，但总体水平与国外仍有差距，在软件开发、市场化方面、人员培训及售后服务等方面存在较大差距。

4．GIS的发展趋势

（1）向综合化发展

GIS+GPS+RS+Internet+VR（VirtualReality）+通信+办公自动化

（2）向分化发展

组件式GIS：

城市GIS、政府GIS、社会GIS、企业GIS。

灵活、经济、高效

WebGIS：

共享、传输、商业前景广阔

（3）产业化

全球GIS产值（软件、硬件、数据及服务等）近100亿美元

（4）综合国力的体现和军事方面的重要性

（5）地理信息系统造型语言（GeographicInformationModelingLanguage）

5．GIS的教育和培训

●GIS的未来取决于GIS的教育和培训，人才和团队是GIS发展的关键

●美国100多所大学开设GIS课程（1995）+公司+政府

●中国：

80年代只要几所重点大学开设GIS课程，90年代激增，60-80%地理专业开设GIS课程，21世纪广泛普及

●问题：

缺乏师资；

缺乏软件、硬件设备投入；

GIS教材不能满足不同层次需要，过分专业化，高深难懂

6．GIS学习参考书

陈述彭，等，地理信息系统导论，科学出版社，2001

朱光，等，地理信息系统基本原来及应用，测绘出版社，1997

张超，等，地理信息系统，高教出版社，1995

黄杏元，等，地理信息系统概论，高教出版社，1990

7．GIS网站（作业：

请上网搜索）

第二讲GIS的基本构成和基本功能（2学时）

1．GIS的基本构成

（1）计算机系统-GIS的核心

A.硬件

●计算机主机：

CPU+内寸（ROM+RAM）+

●外围设备：

输入设备（键盘keyboard，鼠标mouse，扫描仪scanner，数字化仪digitizer.）;

输出设备（显示器displayer，打印机printer，绘图仪plotter）

●存储设备：

硬盘、光盘、软盘、移动硬盘、移动存储器（优盘）、磁带…

B.软件：

计算机系统软件+GIS应用软件

（2）数据库系统-GIS的瓶颈技术之一

空间几何数据+属性数据

空间几何数据=矢量数据+栅格数据

属性数据：

几何数据相对应的特征，例如某省区范围的面积、人口、

（3）人员和组织机构-GIS成功的关键

项目经理–>

专业人员（一般技术人员+高级技术人员）->

用户

2．GIS的基本功能

（1）数据采集/输入功能

●用数字化仪进行数据采集（基本已经过时）

●用扫描仪进行数据采集，产生栅格图象，进行屏幕跟踪矢量化（人工、半自动化、全自动化）

●GPS定位数据采集与输入

●野外专业数据采集（veryimportant）

●属性数据输入（野外掌上电脑+笔记本手工记录）

（2）数据操作与编辑功能

●数据转换（不同GIS数据格式转换）

●投影变换（美国WGS-84，我国高斯投影）

●图形数据编辑（点线面的增加、删除、改动；

图形的缩放、移动、旋转；

拓扑关系，等）

●属性数据编辑（关系数据库管理系统RDBMS；

结构化查询语言SQL）

（3）数据存储与管理功能

●数据量大，海量数据

●空间数据与属性数据不可分割

●应用面广

●数据管理目前缺乏统一标准

（4）查询功能（重要！

应用广泛）

根据图形查询属性信息

根据属性查找地理位置

根据属性组合查询空间图形

高级查询（空间分析）

（5）空间分析功能

●缓冲区分析（buffer）：

根据点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区，例如：

距离北京市100公里的所有城市（考虑经济辐射）；

距离某条河流两岸5公里范围内的所有村庄（考虑河流污染的影响范围）；

距离某国家边境100公里的所有主要城市（考虑战争）

●空间集合分析：

逻辑运算（and,or,not,etal）进行数据提取

●空间拓扑分析：

空间相交、包含、相邻、接近等关系（点与线之间、点与面之间、线与面之间，等）。

例如：

检索某河流上的所有桥梁（点与线之间关系）；

某城市内商业网点的分布（点与面之间关系）；

某条公路经过的河流（线与线的关系）；

某条铁路通过的地区（线与面之间的关系）

（6）输出功能

●计算机屏幕显示

●硬拷贝（HARDCOPY）

●数据（存储设备）

第三讲地理空间数据基础（2学时）

1．地球形状的数学表达

●地球自然表面非常复杂，严格来讲，无法用数学公式表达！

●水准面-处于自由静止状态下的海洋、湖泊、江河等的水面

●大地水准面-与平均海水面相吻合的水准面，通常以此作为高程测量的起算面

●大地水准面物理意义：

大地水准面上任意一点切面与重力方向垂直，大地水准面也是一个十分复杂的物理面，也不可能用简单的数学公式表达。

●参考旋转椭球体-非常接近大地水准面，可以用数学公式表达，采用不同参考椭球（达100多种），形成不同的坐标系统：

椭球体名称

年代

长半轴

a（m）

短半轴

b（m）

扁率e=（a-b）/a

坐标系

Bessel（白赛尔）

1841

6377397

6356079

1/299.15

Clarke（克拉克）

1880

6378249

6356515

1/293.5

Krasovsky（克拉索夫斯基）

1940

6378245

6356863

1/298.3

北京54

第16届IUGG

1975

6378140

6356755

1/298.26

西安80

第17届IUGG

1979

6378137

6356752

1/298.257

第18届IUGG

1983

6378136

6356751

WGS-84

1984

1/298.253

IUGG-InternationalUnionofGeodesyandgeophysics（国际大地测量与地球物理联合会）

WGS-WorldGeodeticSystem（世界大地测量系统）

●北京54坐标系-由于当时历史条件，来自于前苏联坐标系的延伸，原点不在北京，在前苏联普尔科沃。

采用克拉索夫斯基椭球为参考椭球，高程以1956黄海平均海水面为基准。

●西安80坐标系-由于当时历史条件，原点设在西安西北的永乐镇。

采用IUGG-1975椭球为参考椭球。

●WGS84-是结合卫星数据（GPS）而产生的坐标系，坐标原点位于地球质心（美国标准）

2．坐标系统

（1）地理坐标-研究整个地球的形状或进行大区域的测量工作时采用

A．天文地理坐标（把地球近似看作圆球）

天文经度+天文纬度

首子午线：

通过英国格林威治天文台的子午线

B．大地地理坐标（把地球看作椭球）

大地经度（L）+大地纬度（B）

（2）平面直角坐标-运用数学方法将地球表面的点线面展示在平面上，必须进行地图投影!

测量与地图上使用的平面直角坐标与数学上的直角坐标不同！

（相反）

测量工作中规定纵坐标为X轴，方向为南北方向，向北为正，向南为负；

横坐标为Y轴，东正西负；

象限注记采取顺时针方向。

自成独立体系：

相对坐标系/地方坐标系

（3）高程

●绝对高程：

地面上任何一点至大地水准面（基准面）的垂直距离，我国大地水准面规定为黄海平均海水面，青岛水准原点。

●相对高程：

地面上任何一点至适当的水准面的垂直距离。

3．地图投影

（1）定义：

将地球椭球上的点、线、面通过某种数学方法投影在平面或可展的曲面上。

X=F1（B,L）；

Y=F2（B,L）

（2）投影变形

举例：

把橘子皮压平，变形是不可避免的。

三种变形：

长度变形，面积变形，角度变形。

投影前后保持三者同时不变是不可能的，应根据地图用途确定。

（3）投影分类

等角投影、等积投影、等距投影、任意投影（按照变形性质分类）

圆柱投影、圆锥投影、方位投影（按照投影面类型分类）

高斯-克吕格投影、UTM（通用横向墨卡托投影）、兰伯特投影、等等（按照投影方法或创始人分类）

（4）高斯-克吕格投影简介

创始人：

Gauss-Kruger（高斯-克吕格）

投影方法：

等角横切椭圆柱投影！

设想用一个椭圆柱套在地球椭球体外面，并与地球面上某一子午线相切，这条子午线为中央子午线（中央经线）。

椭圆柱中心轴通过地球中心，按等角投影条件，将中央经线东西两侧一定范围内的经纬线投影到椭圆柱面上。

然后将椭圆柱面沿其母线剪开，展成平面，得到投影结果：

●中央子午线投影为一条直线，长度无变形，其余经线为凹向中央子午线的对称曲线

●赤道投影也为一直线，其余纬线投影是凸向赤道的对称曲线

●线条之间投影后角度关系不变，为等角投影

高斯投影分带：

为限制变形而采用的缩小投影区域的分带投影法

6°

分带法：

从首子午线开始，按经差6°

为一个带，将全球分为60个带，逐一投影。

每个投影带的中间一条子午线为中央子午线，其经度为6°

n-3°

。

分带一般能满足1：

25000或更小比例尺精度需要。

3°

从首子午线开始，按经差3°

为一个带，将全球分为120个带，逐一投影。

每个投影带的中间一条子午线为中央子午线，其经度为3°

n。

10000或更大比例尺精度需要。

思考题：

桂林市某点经度为110°

15’，为几号6°

带？

几号3°

（答案：

19；

37）

灌阳县某点经度为111°

8’，为几号6°

高斯平面直角坐标系：

中央子午线投影为X轴，赤道投影为Y轴，两轴交点为原点。

用一系列平行X、Y轴的直线，组成直角坐标网格，称公里网格。

为避免Y轴为负值，统一规定将每一带的纵坐标轴西移500公里（500000m）[这也就是GPS中WGS-84坐标系转换为中国坐标系时FALSEE需要输入500000的原因]

桂林工学院某点的经度约为110°

18’，在1：

10000地形图上（北京54坐标系），平面直角坐标为37430700m，前面“37”代表分带（第37个3°

带），后面430700代表向西平移500km的坐标，算回为430.7-500=-69.3km，说明位于该带中央子午线以西（负值）。

桂林工学院某点的纬度约为25°

17’，在1：

10000地形图上（北京54坐标系），平面直角坐标为2798km，说明距赤道2798km。

（5）UTM投影简介

定义：

UniversalTransverseMercator通用横向墨卡托投影

等角横切圆柱投影！

设想用一个圆柱套在地球椭球体外面。

与高斯-克吕格投影相同的地方是采用6°

分带法！

但在地球两极一般不采用

（6）GIS中投影问题注意事项

●GIS中数据投影要一致！

●在ArcView中只有DD（DecimalDegree）坐标才需要投影！

●GIS中提供多种投影转换功能！

第四讲GIS的数据结构（2学时）

1．地理空间的实体表达

（1）点实体（point）：

观察点、采样点、矿点、城镇、高程点。

表示方法：

坐标（x,y）+属性

（2）线实体（line）：

河流、铁路、公路、断层、路线。

起点坐标（x,y）+终点坐标（x,y）+属性

（3）面实体（polygon）：

行政区、岩石分布、土壤分布、森林分布、植被分布。

封闭的线+属性

（4）体实体（volume）：

地质体（矿体、土体）。

是GIS的难点

封闭的面+属性

2．GIS空间数据结构

（1）矢量数据结构（Vector）

坐标+属性

简单数据结构：

单独的点、线、面

拓扑数据结构：

空间数据之间的关系

（2）栅格数据结构（Raster）

单元网格（象素）+属性

扫描图、遥感图象。

（3）矢量数据结构与栅格数据结构的比较

矢量数据结构

栅格数据结构

1

数据结构紧凑，冗余低、数据量相对小

图象数据量大

2

图形质量好

图形质量相对低（与分辨率有关）

3

数据结构复杂

数据结构简单

4

精度高，可以精确定义实体的位置、长度和面积

5

对属性数据检索、更新方便

数据查询功能差

6

有利于建立拓扑关系

7

多图叠加操作困难

易进行叠加操作

8

不易进行模拟操作

易进行模拟操作

9

需专门软件输出费用高

图象输出简单

（4）矢量数据结构与栅格数据结构的转换

矢量数据à

栅格数据

栅格数据à

矢量数据

（5）矢量数据+栅格数据一体化数据结构

（6）关于数据编码方式和压缩（略）

3．多源空间数据及其融合

（1）源空间数据类型

●地图数据：

来源于各种类型原有地图，通过扫描获得，要注意投影类型、比例尺、来源、质量。

●影象数据：

来源于卫星遥感、航空遥感、数码影象。

●专题数据：

地质、地球物理、地球化学。

●属性数据：

来源于实际采集、文献。

●元数据：

关于数据的数据，如数据的来源、时间、所有者等

（2）多源空间数据的融合

●基于转换的数据融合：

例如MapInfo中的通用转换器（Universaltranslator）

●基于数据标准的数据融合（国家标准）

●基于公共接口的数据融合（国际标准）

●基于直接访问的数据融合（不需转换）

4．GIS数据模型

数据组织是GIS的核心问题之一，涉及到数据内部的联系、集成、用户要求等多方面。

数据库的数据结构、操作方式和整体合理的组织等构成数据模型。

（1）层次数据模型：

树结构

优点：

反映了现实世界中实体间的层次关系，有方向有序的树结构，容易理解

缺陷：

任何对象的查询必须始于其所在层次结构的根，使得查询低层次对象的效率，且难已进行反向查询；

数据独立性差；

容易造成数据冗余；

不能直接表示实体之间多对多的联系。

（2）网状数据模型-图结构

可表示多对多的联系；

运行效率高；

具有一定独立性

结构更加复杂，增加查询困难；

不直接支持对于层次结构的表达

（3）关系数据模型-二维表结构

行：

一个记录\一个取样\一个元组

列：

域\属性

（4）语义数据模型

（5）面向对象的数据模型

第五讲GIS的空间分析（4学时）

什么是空间分析？

查找某一规划公路两侧一定距离内的居民点；

查找某一被污染水源一定距离内的所有水井；

查找某一国家相邻的国家。

空间分析是对GIS中空间数据进行分析、处理、并获取新的加工信息，为GIS应用服务，是GIS重要功能之一。

1．空间缓冲区分析（buffer）

根据对象自动建立它们周围一定距离内的带状区，为分析和决策提供依据

主体：

分析的目标或对象（点、线、面三种实体）

邻近对象：

受主体影响的客体

作用条件：

主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度

缓冲区分析的应用：

（1）交通

（2）土地评价

（3）林业规划

（4）城市规划

（5）战争国维和方面

2．空间统计分析

（1）常规统计分析

（2）相关分析

（3）聚类分析

（4）回归分析

（5）趋势分析

3．叠加分析

（1）多边形叠加

Union：

输出保留了两个输入的所有多边形及其属性。

人口普查区和校区叠加，可得出校区的人口数。

Intersect：

输出层保留了两个输入区的共同覆盖区。

土壤层与经济作物分布区的叠加，可以知道哪些土壤适合于哪些经济作物生长。

（2）点与多边形叠加：

实质是计算包含关系，叠加的结果是为点建立新的属性。

矿点与土地规划区相叠合，可确定矿点所属的土地范围。

（3）线与多边形叠加：

确定每条弧段落在哪个多边形内。

确定广西境内各种等级公路的里程，可以将道路与境界图叠合，得出广西境内公里数。

4．空间网络分析

对地理网络（道路系统、地下管网系统、电网、互联网）进行地理分析和模型化，优化网络工程，达到资源最佳分配。

公交线路的最佳选择、邮递路线的最佳选择、紧急救援行动线路的选择、消防站在城市的分布、社区医院的配置。

（1）网络的基本元素

结点node/intersection

链（link）：

网络中连接两个结点的弧段或路径，资源运移通道，例如：

街道、河流、水管等

障碍（barrier）：

资源不能通过的结点

拐角（turn）：

资源运动方向的改变，属性有时间及限制等

中心（center）：

接受或发送资源的结点，如水库、商业中心

站点（stop）：

资源增加和减少的结点，如库房、车站、码头

（2）网络分析方法

路径分析：

计算最佳路径，在交通、消防、通讯、救灾方面应用

定位配置分析：

中心点的资源供求分析，实现实施的最佳布局，如城镇中心、商业中心布局

地址匹配：

通过给地址编码，进行地理位置查询，如邮件地址的编码和查询

5．空间数据的集合分析和查询-咨询式分析

用户-->

条件-->

查询结果

（1）空间SQL查询（StructuralQueryLanguage）

（2）可视化空间查询

（3）自然语言查询

（4）超文本（Hypertext）查询

6．DTM和DEM分析

DTM：

DigitalTerrainModel数字地面模型

DEM：

DigitalElevationModel数字模型

第六讲GIS工程设计和常用GIS软件（2学时）

针对特定的应用目的和要求，统筹设计、优化、建设、评价、维护实用的GIS系统的全部步骤和过程。

1．设计目的

●满足用户需求

●科学化

●高效

2．设计模式

A结构化系统设计模式

●访问用户，调查用户需求，确定系统目的和要求

●了解资源和限定因素，例如：

硬件、软件、法律等因素

●拟订几个不同的系统，并满足所规定的要求

●对拟订的系统作最后评价，选择一个运行的系统

B现代原形化设计模式

●目的和任务

●概念的定义

●功能的要求

●性能的测定

C面向对象（Object-oriented）的设计模式

应用封装机制

应用继承机制

应用多性机制

3．设计步骤或流程

系统分析系统设计系统实施系统维护

（1）系统分析

●用户需求分析

●可行性分析（社会方面、经济方面、技术方面、等）

●结构方案分析

（2）系统设计

●总体设计/功能设计

●详细设计/实际设计（子系统设计、数据库设计、功能模块设计、用户界面设计）

（3）系统实施

●系统硬件和软件的引进及调试

●系统数据库的建立

●应用管理系统的开发

●系统测试和联调

●系统验收和鉴定

（4）系统运行和维护

包括软件的维护、硬件的维护、数据的维护及对客户各种反馈的服务

4．GIS常用软件介绍

（1）ArcInfo

世界上应用最广泛GIS软件之一，市场占有率高居第一。

功能强大，应用广泛，技术领先

版权：

美国ESRI（EnvironmentalSystemResearchInstitute），1978年推出，1991进入中国

（2）ArcViewGIS

ESRI推出的桌面式GIS软件

比ArcInfo更灵活、更经济

应用广泛、易学、易推广

（3）MapInfo

美国MapInfo公司

比ArcInfo更经济

小型、灵活、简单

（4）GENAMAPGIS

澳大利亚GENAMAPSYS公司

（5）MGE（ModularGISEnvironment）

美国INTERGRAPH公司

（6）城市之星（Citystar）

北京大学十三秦信息技术公司；

80年代初推出

（7）吉奥之星（Geostar）

武汉测绘科技大学GIS研究中心；

1986年代初推出

（8）MAPGIS

中国地质大学（武汉）信息工程学院，现版权为中地公司，1995年推出

（9）SuperMap（超图）

北京超图地理信息技术有限公司，2000年推出

第七讲ArcViewGIS简介（2学时）

WhatisArcView?

ArcViewisapowerful,easy-to-usetoolthatbringsgeographicinformationtoyourdesktop.ArcViewgivesyouthepowertovisualize,explore,queryandanalyzedataspatially.

ArcView是一个功能强大而又易于使用的GIS桌面系统，主要功能是视图化、探索、查询和空间分析。

Whatisaview（视图）?

Aviewisaninteractivemapthatletsyoudisplay,explore,queryandanalyzegeographicdatainArcView.ViewsaresavedintheArcViewprojectyouarecurre