地理信息系统技术与应用讲义.docx
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地理信息系统技术与应用讲义
第1节GIS基本概念
1、数据与信息（dataandinformation）
1.1数据与信息的定义
数据是信息的表达，是未经加工的原材料；数据是通过数字化记录下来可以被鉴别的符号，不仅数字是数据，而且文字、符号、图像也是数据，数据本身并没有意义。
信息是数据的内容，是对数据的解释、运用与解算。
数据只有经过解释才有意义，才成为信息。
就本质而言，数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义。
1.2数据处理——从数据中获取信息的重要环节
所谓数据处理，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、模拟和预测等等操作。
数据处理的目的：
（1）转换成便于处理和应用的形式；
（2）加工成对正确管理和决策有用的数据；（3）便于存储以供不断使用。
1.3信息的特点
A、客观性——信息与客观事实紧密相关，是信息正确性和精确度的保证；
B、适用性——信息对决策是十分重要的；
C、传输性——信息可以在信息发送者和接收者之间传输；
D、共享性——信息可被多个用户共享，而其本身并无损失（信息与实物的不同）。
2、地理信息与地理信息系统
2.1地理信息概念：
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、图像、图形等的总称。
特征——区域性、多层次和动态变化的特征：
A：
地理信息属空间信息——位置的识别与数据紧密联系
B：
具多维结构——在二维空间的基础上，实现多专题的第三维的信息结构
C：
时序特征十分明显
2.2地理信息系统
Britain:
geographicalinformationsystemGermany:
geo-informationsystemCanada&Australia:
landinformationsystem
China:
resourcesandenvironmentinformationsystem
对地理信息系统的定义，或强调其技术内涵，或强调其应用功能
美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）的定义：
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。
作业：
1、数据和信息有何区别？
2、地理信息的概念和特点3、地理信息系统的概念
第2节GIS的构成与功能
一、GIS的构成
包括5个主要部分：
系统硬件；系统软件；空间数据；应用人员；应用模型。
1、系统硬件——地理信息系统的物质外壳
1.1地理信息系统主机Unix与NT两大类型
1.2外部设备输入设备：
数字化仪，扫描仪，CD，RS，GPS等输出设备：
绘图仪，打印机等
1.3地理信息系统网络设备
网络设备和计算机通信线路设计成为地理信息系统硬件环境的重要组成部分
2、系统软件——地理信息系统的核心
按功能分为：
地理信息系统专业软件、数据库软件和系统管理软件。
2.1地理信息系统专业软件——处理地理信息
包括6大核心模块：
数据输入和编辑空间数据管理数据处理和分析数据输出用户界面系统二次开发能力
2.2数据库软件
专门的地理信息系统数据库
2.3系统管理软件
计算机操作软件：
DOS、Windows、UNIX——关系到地理信息系统软件和开发语言使用的有效性
3、空间数据——地理信息系统的操作对象
空间数据对地理实体的数据表达形式，而地理实体具有空间特征、属性特征、时间特征和点、线、面三种形式，空间数据一般有矢量数据和栅格数据两种形式。
4、应用人员——地理信息系统成败的关键
包括系统开发人员和地理信息系统的最终用户，应用人员的专业素质和专业知识是地理信息系统工程及应用成败的关键
5、应用模型——地理信息系统与相关专业连接的纽带
应用模型构建的一般过程：
明确求解问题的基本流程——构建模型逻辑结构图——确定GIS空间操作项目和空间分析方法——模型的验证、修改和输出
二、GIS的基本功能
包括基本功能和应用功能
1、基本功能
1.1数据采集与编辑——theme,layer
1.2数据存储与管理——数据库
1.3数据处理与变换数据变换：
由一种数学状态到另一种数学状态数据重构：
由一种几何形态到另一种几何形态
数据抽取：
从全集到子集的提取
1.4空间分析和统计
拓扑叠合：
不同图层叠合——便于多条件查询缓冲区建立：
确定不同要素的空间接近度或邻近性
数字地形分析：
功能模块空间集合分析
1.5产品制作与显示以地图图形的形式输出
1.6二次开发与编程
2、应用功能2.1资源管理——清查、管理、分析2.2区域规划——高度综合性2.3国土监测——与RS结合
森林火灾、洪水、土地利用的动态变化、环境评估2.4辅助决策
作业：
1、简述地理信息系统的基本构成2、地理信息系统的功能是什么
第3节从地图到GIS
1、地图是人类认识客观世界、传递时空信息的重要方式
1.1地图的基本特征和定义
1.1.1地图的基本特征无论从传统的还是现代的观点，地图所具有的基本特征，都可以概括为4个方面：
数学法则、地图概括、符号系统、地理信息的载体。
（1）地图必须遵循一定的数学法则——比例尺——地图投影——坐标系统
（2）地图必须经过科学概括
经过分类、简化、夸张和符号化，从地理信息形成地图信息的过程，就是地图概括。
地图概括反映了人们对所选取的地理信息内在的、本质的特征及联系的认识。
（3）地图具有完整的符号系统符号可以是图形，也可以是文字注记和数字。
（4）地图是地理信息的载体容纳和储存大量的信息。
地图的形式多样。
1.1.2地图的定义
地图是遵循一定的数学法则，将客体（一般指地球，或其他星球）上的地理信息，通过科学概括，并运用符号系统表示在一定载体上的图形，以传递它们的数量和质量在时间与空间上的分布规律和发展变化。
1.2地图的构成要素
（1）图形要素是地图所表示内容的主体，主要表现为地图符号和各种注记。
（2）数学要素是保证地图具有可量性、可比性的基础。
主要包括地图投影、比例尺、坐标系统和控制点等。
（3）辅助要素图名、图例、地图编号，编制和出版本图的单位、时间，主要编图过程及参数。
保证地图的完整性，在地图使用中不可缺少。
（4）补充说明以地图、统计图表、剖面图、照片、文字等形式，对主要图件在内容和形式上进行的补充。
可根据需要配置在主要图面的适当位置。
1.3地图的简要制作过程
1.3.1实测成图一直是测制大比例尺地图最基本的方法。
步骤：
图根控制测量——细部测量——绘制成图——制印实测的方法可以分为地面和高空两种。
1.3.2编绘成图把实测所得的大比例尺地图，根据需要，逐级缩小，编制成各种较小比例尺的地图。
包括编辑准备、编绘、清绘、制印四个步骤。
1.4地图学的定义
1.4.1地图的历史悠久，但地图学的形成较晚——缺乏系统的理论指导
进入20世纪后，地图学独立的学科体系逐渐形成。
到了20世纪50年代前后，地图的数学基础，特别是地图投影有了较系统的论著，地图学开始迅速发展。
20世纪70年代后，各种技术和理论向地图学的渗透以及地图应用范围的扩大，促进了地图学学科体系的丰富和完善。
1.4.2地图学的定义是以地图信息传递为中心的，探讨地图的理论实质、制作技术和使用方法的综合学科。
1.4.3地图学与相关学科的关系
2、GIS是具有更强大功能的电子地图
2.1GIS以图形的形式显示空间数据——”电子地图——认识地理环境的重要工具
2.2地图是GIS空间数据的重要来源
2.3GIS的功能更强大——分析功能
2.4GIS的使用更为便捷
作业：
•1、什么是地图？
地图的基本特征是什么？
2、地图的构成要素有哪些？
3、你认为GIS在哪些方面比地图能更好地满足人们的需要？
第4节地理空间及其表达
1、地理空间的概念
地理空间上至大气层电离层，下至地幔莫霍面，是生命过程活跃的场所，也是宇宙过程对地球影响最大的区域。
一般包括地理空间地位框架及其所联结的特征实体。
地理空间定位框架即大地测量控制，由平民控制网和高程控制网组成。
●地球内部圈层
（1）地球内部圈层的划分依据——地震波
（2）地球内部圈层的划分界面——不连续面
（3）划分：
以两个不连续面（莫霍界面、古登堡界面）将地球的内部圈层分为地壳、地幔、地核三层。
（4）岩石圈包括地壳和地幔顶部（软流层以上），全部由岩石构成，是构成地貌、土壤的物质基础，提供各种矿产资源。
岩石圈与其它三个外部圈层（大气圈、水圈、生物圈）一起，构成了人类生存的地理环境。
●地球外部的四大圈层：
大气圈、水圈、岩石圈、生物圈。
（1）大气圈的作用：
提供生命活动所需要的大气，而且还是生物生存的保护层等，对人类有重大作用。
（2）大气的垂直分层各部分大气层的基本特点：
大气层虽然有数千千米（一般认为有2000～3000千米），但其质量的3/4以上却分布在离地面十几千米的低层。
依据各大气层温度（如图5-1）、密度和运动状况，我们可以将大气层分成对流层、平流层和高层大气。
（3）大气层的基本特点见下表：
2、我国的大地测量控制
（1）地理椭球的选择——采用1975国际大地测量协会推荐的国际椭球（ICA-75国际椭球）
•赤道半径a=6378140m极半径b=6356755.2881575287m地球扁率f=（a-b）/a=1/298.257
（2）原点——西安原点，位于陕西省泾阳县永乐镇
•大地原点，亦称大地基准点，即国家水平控制网中推算大地坐标的起标点。
大地原点是人为界定的一个点，利用它我们可以精确地知道自己的地理位置所在，也因此所谓的GPS全球定位系统才有意义。
是科学家们勘察计算了很久才确定了这个原点。
自此中国任何一寸土地都可以用精确的大地坐标标示。
上个世纪70年代，中国决定建立自己独立的大地坐标系统。
通过实地考察、综合分析，最后将我国的大地原点，确定在咸阳市泾阳县永乐镇石际寺村境内，具体坐标在：
34°32′27.00″N,108°55′25.00″E。
（3）大地坐标——高斯-克吕格平面直角坐标
•高斯—克吕格平面直角坐标简称高斯坐标（Gausscoordinate），是经高斯投影后的地面点坐标。
地面点的x坐标值，表征此地面点至赤道的距离，中国位于北半球，X坐标值均为正值，“位于北半球”的“N”也常省略；地面点的Y坐标值、表征此地面点至中央子午线的距离，当地面点位于中央子午线以东时为正，位于以西时为负。
通常将纵坐标轴向西平移500千米，不仅可保证六度带投影和三度带投影后的Y坐标值不出现负值，并可使其千米数是3位数，以便与前面所加的带号区别开。
（4）高程控制——1985国家高程基准，高于此前使用的黄海基面29mm
•通过对全国验潮站的调查分析，新中国建立初期确定采用青岛大港验潮站的平均海水面作为我国高程起算面，并于1954年在青岛观象山上建立了国家水准原点。
1956年，以大港验潮站1950-1956年连续7年的验潮资料推求的平均海水面作高程基准面，采用1955年联测成果，推算国家水准原点的高程为72.289米，称为“1956年黄海高程系统”，在中国历史上第一次统一了全国高程系统。
1978-1983年，通过对沿海42个验潮站进行全面勘察和历年验潮资料的分析计算，最终采用青岛大港验潮站1952—1979年间的验潮资料，取19年的资料为一组，滑动步长为一年，得到10组以19年为一个周期的平均海面，然后取平均值作为全国高程基准面，求得青岛国家水准原点的高程为72.260米，科学准确地确定了“1985国家高程基准”。
“1985国家高程基准”于1987年启用
3、空间实体的表达
3.1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，它们构成地球圈层间复杂的地理综合体。
3.2特征实体的数据表达——便于计算机识别和处理
空间点是地理空间特征实体的基本元素矢量表示法：
采用一个没有大小、有精确位置的点来表示基本点元素
栅格表示法：
采用一个由固定大小、无精确位置的点来表达基本点元素
作业：
1、什么是地理空间？
2、什么是地理空间特征实体？
3、简要说明我国的地理空间定位框架。
第5节地理空间数据及其特征
1、GIS空间数据的分类
1.1根据数据的来源
●地图数据——空间关系直观、实体的类别或属性清晰、实测地图定位精度高
●影像数据——遥感；
●文本数据——调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等
1.2根据数据结构
•矢量数据栅格数据
1.3根据数据特征
•空间定位数据——坐标数据非空间属性数据——名称、种类、质量、数量等
1.4根据数据发布形式
•数字线划图（DLG）数据数字栅格图（DRG）数据数字高程模型（DEM）数据数字正射影像（DOM）数据
2、空间数据的基本特征
2.1空间特征空间位置——定位数据空间关系——拓扑数据
2.2属性特征地理现象和过程所具有的专属性质——属性数据
2.3时间特征随时间变化的情况——时态数据
3、空间数据的拓扑关系
3.1拓扑关系的类型
A、拓扑邻接：
存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系节点与节点；弧段与弧段；多边形与多边形
B、拓扑关联：
存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系节点与弧段；节点与多边形；弧段与节点；弧段与多边形；多边形与节点；多边形与弧段
C、拓扑包含：
存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系，有简单包含、多层包含、等价包含三种。
空间图形的三类基本要素节点——弧段与弧段的交点弧段——节点之间的连线多边形——弧段首尾相连而成的闭合图形
3.2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对于另一种地理实体的空间位置关系。
利用拓扑关系数据有利于空间要素的查询。
以拓扑数据为工具，重建地理实体。
4、空间数据的计算机表示
数据结构——GIS的核心技术
组织和建立起空间数据之间的联系，以便于计算机存储和操作，成为数据结构。
4.1空间分幅4.2属性分层4.3时间分段
作业：
1、空间数据分为哪些类型？
2、空间数据的基本特征是什么？
3、简要说明空间数据的拓扑关系及其对GIS数据处理和空间分析的意义。
4、简要说明空间数据计算机表示的基本方法
第6节GIS空间数据库
1、空间数据库的作用
——空间数据的存储和管理方法通常有两种：
空间数据文件和空间数据库
空间数据库为GIS提供空间数据的存储和管理方法
空间数据库是地理信息系统中空间数据的存储场所。
在一个项目的工作过程中，空间数据库发挥着核心作用，表现在：
用户在决策过程中，通过访问空间数据库获得空间数据，在决策过程完成后再将决策结果存储到空间数据库中。
空间数据库的布局和存取能力对GIS功能的实现和工作的效率影响极大。
2、空间数据库的概念
2.1数据库系统——简称数据库
一个完整的数据库系统包括数据库（Database，DB）、数据库管理系统（DatabaseManagementSystem，DBMS）和数据库应用系统（DBUS）三个组成部分。
DB：
是按一定结构组织在一起的相关数据的集合。
DBMS：
提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统。
DBUS：
具有DB访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定DB的用户界面。
2.2空间数据库系统
也是由上述三部分组成。
空间数据库指的是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。
空间数据库管理系统使之能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索功能，以及能够对空间数据进行有效维护和更新的一套软件系统。
空间数据库应用系统是由地理信息系统的空间分析模型和应用模型组成的软件系统，通过它不但可以全面地管理空间数据，还可以运用空间数据进行分析和决策。
空间数据库管理系统的实现是建立在常规的DBMS的之上的。
它除了要完成常规DBMS所必备的功能之外，还需要提供特定的针对空间数据的管理功能。
空间数据库管理系统的实现方法有二：
A、直接对常规DBMS进行功能扩展，加入一定数量的空间数据存储与管理功能。
B、在常规DBMS之上添加一层SDE（spatialdatabaseengine），以获得常规DBMS功能之外的空间数据存储管理功能。
3、空间数据库的设计
空间数据库的设计，其实质是将地理空间客体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间客体数据的模型化问题。
3.1空间数据库的设计过程
概念模型包括对地理现象和过程等客体的特征描述、关系分析和过程模拟等内容。
这些内容往往被抽象、概括为数据结构的定义、数据模型的建立及专业应用模型的构建等内容。
地理空间是一个三维空间，其空间特性表现为四个最基本的客体类型，即点、线、面和体。
相互之间存在内在联系，构成上属于不同层次，随维数、视角、比例尺的变化而相互转化。
空间客体的联系包括空间联系、时间联系和属性联系。
3.2空间数据库的数据模型设计
目的：
揭示空间客体的本质特征，并对其进行抽象化，使之转化为计算机能够接受和处理的数据形式。
空间数据模型是衡量GIS功能与优劣的主要因素之一。
3.3空间数据库设计的原则、步骤和技术方法
原则：
A、节省存储空间——减少冗余B、稳定的数据结构C、高效查询D、反映空间数据的复杂性E、应用适应性
技术：
A、数据分析技术——分析用户数据的语义B、技术设计技术——将数据分析结果转化为数据库
步骤：
4、空间数据库的实现与维护
4.1空间数据库的实现
根据空间数据库逻辑设计和物理设计的结果，就可以在计算机上创建起实际的空间数据库结构，装入空间数据，并测试和运行，这个过程就是空间数据库的实现过程。
包括：
A、建立实际的空间数据库结构B、装入试验性空间数据对应用程序进行测试
C、装入实际的空间数据（加载），建立起实际运行的空间数据库
4.2相关的其它设计
其它设计的工作包括加强空间数据库的安全性、完整性控制，以及保证一致性、可恢复性等，总之是以牺牲数据库运行效率为代价的。
A、再组织设计B、故障恢复方案设计C、安全性考虑D、事务控制
4.3空间数据库的运行与维护
A、维护安全性与完整性：
需要及时调整授权和密码，转储及恢复数据库
B、监测并改善数据库性能：
分析评估存储空间和相应时间，必要时进行数据库的再组织
C、增加新的功能：
对现有功能按用户需求进行扩充
D、修改错误：
包括程序和数据
作业：
1、简要说明空间数据库的作用2、简要说明空间数据库的构成3、简要说明空间数据库设计的原则与步骤
4、简要说明空间数据库的实现过程5、空间数据库的运行与维护主要进行哪些方面的工作？
第7节空间数据的查询
1、空间数据查询的概念与分类
1.1空间数据查询的概念
•空间数据的查询就是从数据库中找出所有满足用户条件的地理对象的过程。
空间数据的查询是空间数据库的主要功能之一条件有两种：
空间约束条件和属性约束条件
1.2空间数据查询的分类
根据查询所依据的条件的不同，可分为三类：
空间关系查询属性数据查询空间、属性联合查询
2、空间关系查询的类型
空间关系查询主要是依据空间实体间的拓扑、顺序、距离、方位等关系进行要素的查询。
由于空间实体可以抽象为点、线、面三种最基本的类型，空间关系查询可以分为以下9种类型。
2.1点-点查询查询距离某个点实体一定范围内的其他点实体：
距离北京500Km内的城市；距拉萨100Km内的村镇
2.2点-线查询查询距离某个点实体一定范围内的线实体：
2.3点-面查询查询距离某个点实体一定范围内的面实体：
2.4线-点查询查询距离某个线实体一定范围内的点实体
2.5线-线查询查询距离某个线实体一定范围内的其他线实体：
2.6线-面查询查询距离某个线实体一定范围内的面实体：
2.7面-点查询查询距离某个面实体一定范围内的点实体：
2.8面-线查询查询距离某个面实体一定范围内的线实体：
2.9面-面查询查询距离某个面实体一定范围内的其他面实体：
3、属性数据查询
●查询满足给定属性条件的要素结构化查询语言用名字查询国家；查询满足人口条件的国家
4、空间、属性联合查询
●查询条件中既有空间位置条件、又有属性条件
●一般可以分步骤实现——先按一种条件进行查询，再在查询结果中用另一种条件进行查询
5、空间查询语言
●结构化查询语言（SQL,structuralquerylanguage）关系数据库（表格）查询语言MapInfo
作业：
1、什么是空间数据的查询？
空间数据的查询分为哪几类2、举例说明点-线查询、线-面查询、面-点查询。
3、举例说明属性数据查询和空间、属性联合查询。
第9节数字地面模型分析
1、数字地面模型（DTM）
数字地面模型是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。
DTM={Zi,j}
i=1，2，3，…，m；j=1，2，3，…，n；Z为地面属性数据
当属性为海拔高程时，DTM即为DEM
2、地形因子
2.1坡度slop[00，900]
坡度可简单地理解为坡面与水平面夹角的度量坡度可用百分比表示
坡度分级表示法：
坡度范围
坡度等级
0%——10%
I级
11%——20%
II级
21%——50%
III级
51%——100%
IV级
2.2坡向aspect
坡向可简单地理解为坡面的朝向
坡向综合表
θ
坡向
坡向合并
代码
平缓坡
平缓坡
1
0
[-π/2，0]
[0，π/2]
S
WS
ES
阳坡
2
3/2π
π/2
W
E
半阳坡
3
π
[π，3/2π]
[π/2，π]
N
WN
EN
阴坡
4
θ为与正北方向的夹角
2.3曲面面积
2.4地表糙度是放映地表的起伏变化与侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积与投影面积之比。
3、地表形态的自动分类
在DEM数据文件的基础上进行地形的自动分类，首先根据区域的地形特点，拟定地形分类决策表，然后按照自动提取地形类型信息的过程，便可获得区域的地形类型分类系统，并输出地形类型图。
4、地学剖面的绘制和分析
研究地学剖面，可以以线代面，概括研究区域的地势、地质和水文特征，包括区域内的地貌形态、轮廓形态、绝对与相对高度、地质构造、斜坡特征、地表切割强度和侵蚀因素等。
地理剖面的自动绘制和表示，是区域栅格数据的应用内容之一，是地理信息系统分析工具的组成部分，它为区域地理数据的处理和立地条件的分析，提供了一种有效的手段。
5、arcview软件中DEM分析的方法
1）新建view;2）在file菜单下选择extension，在列表中选择spatialanalyst;
3）Addtheme4）在对话框中的datasource中选择griddatasource,在目录下选择要使用的DEM数据；
5）在analysis菜单下选择deriveslope，将会生成坡度图；6）在analysis菜单下选择deriveaspect，将会生成坡向图；
7）观察坡度图和坡向图，了解工作区域地形的变化8）生成等高线图contou
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