地理信息系统笔记整理全解剖.docx
《地理信息系统笔记整理全解剖.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地理信息系统笔记整理全解剖.docx（87页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
地理信息系统笔记整理全解剖
第一章：
地理信息系统概说
数据与信息
数据（data）：
是未经过加工的原始材料，是客观对象的表示。
信息（information）：
是对数据的解释、运用与解算，是数据内涵的意义。
数据处理：
对数据进行收集、筛选、排序、归并转换、存储、检索、计算、分析、模拟和预测等操作。
信息的特点：
客观性、适用性、传输性、共享性。
地理信息：
是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、图像和图形等的总称。
地理信息的特征体现在区域性、多层次性和动态变化上：
空间位置：
通过公共地理参考来描述地物所在位置，如大地参照系、地物间的相对位置。
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。
时序特征：
指地理数据采集或地理现象发生的时刻/时段。
地理信息系统：
由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计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。
物理外壳：
计算机化的技术系统
操作（处理）对象：
空间数据。
技术优势：
在于它的混合数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段、以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等。
对GIS的三种认识：
地图观点：
强调GIS作为信息载体与传播媒介的地图功能。
数据库观点：
强调数据库系统在GIS中的重要作用。
分析工具的观点：
强调GIS的空间分析与模型分析功能，认为GIS是一门空间信息科学，这是其有别与其它系统的唯一特征。
GIS概念框架和构成
---数据库建立和数据库输入
用户界面----系统和数据库管理---空间数据处理和分析
---产品生成和输出
GIS的基本构成：
硬件；软件；数据；人员；方法
硬件：
计算机是GIS硬件的核心，GIS软件可以在从中央服务器到桌面计算机，从单机到网络环境上运行。
GIS的外部设备包括；；输入、输出设备，数据存储和传输设备，网络设备。
它能影响到处理的速度，使用的便捷性和可用的输出类型。
软件：
GIS软件是系统的核心，它提供GIS所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。
主要的组分有：
1输入和处理地理信息的工具2数据库管理系统（DBMS）3支持地理查询、分析和视觉化的工具4容易使用这些工具的图形化界面（GUI）
软件不仅包括GIS软件，还包括各种数据库、绘图、统计、图象以及其它软件。
数据
GIS系统中最重要的部件就是数据，它也是GIS的操作对象。
地理数据和相关的表格数据可以自己采集或者购买商业数据。
GIS将把空间数据和其他数据源的数据集成在一起，而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系统，来管理空间数据。
数据的可用性和精确性将最终影响到分析或查询的结果。
地理数据的组成要素
几何位置表示地理要素与现实世界位置的联系，地理要素抽象为点、线、面。
属性表示地理要素的描述性信息。
行为取决于用户定义的环境，表示可以对地理要素进行某些编辑、显示、分析操作。
人员
这是GIS最重要的要素，人必须开发程序，定义GIS任务，人们经常会克服GIS其它要素的不足。
但事实上，世界上最好的软件和硬件都有无法弥补的缺憾。
GIS技术如果没有人来管理系统和制定计划应用于实际问题，将没有什么价值。
GIS的用户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该系统并完成他们每天工作的人员。
GIS组织数据的方法
GIS以专题分层的方式存贮信息，各层可以按地理特征联系起来。
各层具有相同的地理范围；每层具有相似的属性。
1.3GIS的基本功能
▪数据采集（Capturedata）
GIS提供多种地理数据和属性数据的输入方法，可用的数据方法越多，则GIS的通用性越广。
地理数据库是昂贵和生存期最长的GIS要素。
数据存储（Storedata）
GIS能够用矢量和栅格两种格式存储地理数据。
数据查询（Querydata）
GIS必须提供根据位置或属性值确定某些特定要素的工具。
数据分析（Analyzedata）
GIS能够回答有关各种数据集之间空间关系的问题。
最常见的两种：
邻近分析（Proximityanalysis）叠加分析（Overlayanalysis）
数据显示（Displaydata）
GIS提供以各种颜色符号可视化显示地理要素的工具。
数据输出（Outputdata）
显示的结果将能够以各种格式，如地图、报表、图表的形式输出。
1.4与GIS相关的科学与技术
ＧＩＳ是传统科学与现代技术的结合。
地图学与GIS的区别：
地图强调的是数据载体、符号化与显示，而GISs则注重于信息分析。
同时，地图学理论与方法对GISs的发展有重要的影响，并成为GISs发展的根源之一。
1.5GIS的主要应用领域
世界各国的政府部门、商业机构、学术团体已广泛采用GIS。
美国三里岛核事故中，USGS应用GIS及时作出判断与决策.
加拿大应用CGIS于70年代完成全国土地资源潜力的评价。
GIS可应用于任何涉及空间数据分析处理的领域，尤其是资源与环境的调查、规划和管理方面。
资源调查与分析是GIS应用最广泛的领域和趋于成熟的方面
•野生动植物保护、洪泛平原、湿地、农田蓄水层、森林等管理。
•视域分析；
•有毒或有害设施定址；
•地下水模拟和有害物质跟踪；
•野生动物栖息地分析、迁移路线规划。
全球信息化是社会发展的必然趋势，地理信息是各种信息中最重要的基础信息，关系到经济建设、国防建设、人们的生活质量和社会可持续发展。
GIS系统可广泛应用于：
•土地管理、城市规划、智能化交通、精准农业
•环境污染、土地荒漠化及其时空变化
•海洋、河流与水资源、森林、草场等自然资源现状及变迁情况
•地下矿藏的空间结构、储量，如何开采这些矿藏最有利于可持续发展
•南水北调选线方案等国家重大基础建设项目的三维仿真
•军用三维电子地图、远程精确制导、打击效果评估······
1.6GIS发展历史的回顾-国外
六十年代：
与计算机图形学的关系，应用主要针对城市和土地利用，局部的算法研究
七十年代：
应用的发展，软件的成熟，与遥感的结合；1969年ESRI和Intergraph成立
八十年代：
DBMS成熟与GIS的结合，各方面的算法完善，微机GIS
九十年代：
社会化阶段，3S集成应用，网络发展
1.7GIS可以回答的问题
位置（LOCATION）：
Whatisat...?
要找出在某一特定的位置上存在什么。
这个位置可以是地名、邮政编码、地理坐标等。
条件（CONDITION）：
Whereisit...?
要找出在什么地方有满足某些条件的东西。
它是第一个问题的变换，要求通过空间分析加以回答。
如：
找出在某一公路100米以内，土壤条件适合建筑，面积大于2000m2的无林地。
趋势（TRENDS）：
Whathaschangedsince...?
这一问题同前两个问题都有关，它是要寻求发现某一范围在时间上的变化。
第二章地理空间参照系统与地图投影
2.1地理空间
“空间”（Space）概念：
●物理学：
空间是指宇宙在三个相互垂直方向上所具有的广延性。
●天文学：
空间是指时/空连续体的一部分。
●地理学：
空间（Geographicspace）是指物质、能量、信息的存在形式在空间形态、结构过程、功能关系上的分布、格局及其在时间上的延续。
地理空间的概念
●GIS中的空间概念常用“地理空间”来表达。
地理空间上至大气电离层、下至地幔莫霍面。
它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程就发生在这里。
●地理空间既可以是具有属性描述的空间位置的集合（由一系列的空间坐标值组成）；也可以是具有空间属性特征的实体的集合（由不同实体之间的空间关系构成）。
●地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的理论基础。
地图—传统的地理信息表达方式
❑现实地理世界抽象模型
v点（位置）
v高程点,控制点,三角点,地形特征点
v水井位,水泉位,油井位,钻井位
v站台,车站,水文站,气象站,天文台,地震台
v乡镇驻地
v线：
由点与点之间步长、方向确定
v交通线:
铁路线,公路线,高速公路线,道路线
v水系:
干流,支流,渠系
v等值线:
等高线,等温线,等压线,等径流线
v边界线:
国界线,省界线,流域线,海岸线,岸边线
v临界线:
区域界线,自然地带分界线,经济带分界线
v阈值线:
植物生长阈值线……
v多边形：
由线封闭的面积,构成地理类型或地理区域
v土地利用:
耕地,园地,草地,林地,水域,城镇,荒地……
v地貌类型:
高原,山地,丘岭,平原……
v植被类型:
针叶林,阔叶林,混交林……
v土壤类型:
棕壤,褐土,黄壤,红壤……
v流域面积:
小流域……
v区域面积:
行政区,经济区,自然保护区,特区……
v表面（场）
❑地图描述地理信息的方式
1.符号和注记2.空间关系隐含
❑基本地图比例尺
比例尺等级（有级）
1:
100,1:
200,1:
500,1:
1000,1:
2000,1:
5000
1:
10000,1:
50000,1:
100000,1:
200000
1:
500000,1:
1000000,1:
2000000,1:
4000000
1:
8000000,1:
10000000,1:
20000000,1:
50000000
1:
100000000（全世界一览无遗）
2.2地球椭球体基本要素
地球的形状（大地测量学将地球表面的几何模型分四类）:
●地球的实际表面：
最自然的面。
地球自然表面起伏不平、十分不规则，无法用数学公式表达和运算，不适宜数字建模，所以在量测与制图时，必须找一个规则的曲面来代替地球的自然表面。
●大地水准面：
相对抽象的面。
地球表面的72％被流体状态的海水所覆盖。
假设，当海洋处于完全静止的平衡状态时，一个静止的平均海水面延伸到所有陆地下部，与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面。
大地水准面所包围的形体，叫大地球体。
由于地球体内部质量分布不均，引起重力方向的变化，导致大地水准面成为一个形状十分复杂，不能用数学表达的不规则曲面。
从整体来看，大地水准面起伏微小，是一个很接近于绕自转轴（短轴）旋转的椭球体，通常称地球椭球体。
模型：
以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型，三轴椭球体模型在数学上可行，又十分接近大地水准面。
椭球体的大小，通常用长/短半径a/b，或由一个半径和扁率来决定。
扁率为：
α=（a-b）/a。
由于地球椭球体的基本元素a、b、α等的推求年代、使用方法以及测定地区不同，故地球椭球体的参数值有多种。
三轴椭球体模型
c—椭球体短轴半径，表示从极地到地心的距离；
A和b—椭球体长轴和中轴上的半径，表示赤道面上的两个主轴。
基于大地水准面建立地球三轴椭球体模型
●数学模型：
数学上定义的地球是由一个椭圆绕着其短轴旋转而成的椭球体。
它是一个较为接近地球形状的几何模型。
用于解决其它一些大地测量学问题。
地球的形状与椭球的大小
地球的形状
●地球体、大地体、椭球体
椭球的大小
●长半径a（赤道半径）；短半径b（极半径）
●扁率=（a-b）/a
我国的椭球
●中国在1952年以前采用海福特（Hayford）椭球体，从1953-1980年采用克拉索夫斯基（Krasovsky）椭球体。
也采用IAG75椭球体。
2.3坐标系
坐标系包含两方面的内容：
●一是在把大地水准面上的测量成果换算到椭球体面上的计算工作中，所采用的椭球的大小；
●二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。
选定了一个一定大小的椭球体，并确定了它与大地水准面的相关位置，就确定了一个坐标系。
地理空间坐标系的建立
●地理坐标系：
用经度和纬度表示地球表面特征的位置。
●笛卡儿平面直角坐标系（二维欧几里德（Euclidean）空间）：
用于距离、方向、面积等参数的计算。
●GIS中的地理空间通常是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。
地理坐标
地球表面空间要素的定位参照系统。
由经线和纬线组成地理格网。
地理坐标以经度坐标（Longitude）/纬度坐标（Latitude）表示。
坐标原点为本初子午线与赤道的交点。
高程
绝对高程：
地面点到大地水准面的高程。
P0P0‘为大地水准面，地面点A和B到P0P0’的垂直距离HA和HB为A、B两点的绝对高程。
相对高程：
地面点到任一水准面的高程。
A、B两点至任一水准面P1P1‘的垂直距离HA’和HB‘为A、B两点的相对高程。
地面点的坐标系统
•大地坐标系/地理坐标系与我国的大地坐标系
•1954年北京坐标系
•1980年国家大地坐标系（西安大地坐标系）
•高程系和中国的高程系
•1956年黄海高程系:
高程起算面是黄海平均海水面。
•1985年国家高程基准
•1956年黄海高程系比1985国家高程基准上升29毫米。
•地理坐标系
•平面直角坐标系（用于绘制地图）
•平面极坐标系（用于地图投影计算）
•地图坐标系统的建立
•由投影几何特征建立平面直角坐标系;
•自行规定坐标系（原点/横、纵轴）.
2.4地图投影
由于地球是近似椭球的，故从椭球面到平面必须经过数学变换，这个数学变换称为地图投影（projection）。
按变形性质可以分为三类：
●等角投影、等积投影和任意投影
按构成方法可以分为两大类：
●几何投影：
方位投影、圆柱投影、圆锥投影
●非几何投影：
伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影
按照投影面与地球相割或相切分类：
●割投影、切投影
地图投影的一些概念
标准线：
投影面与参考椭球的切线。
对于圆柱和圆锥投影，相切（割）时有一（两）条标准线。
如果标准线沿（经）纬线方向，称为标准（经）纬线。
标准线指明投影变形分布的模式，标准线上没有投影变形。
中心线定义地图投影的中心或原点。
通常它与标准线不同。
横坐标（x）坐标东移，纵坐标（y）北移。
●用于改变地图投影原点，避免坐标出现负值。
X-平移，y-平移。
●减少坐标读取位数。
地图投影的基本问题就是利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到平面上。
在GIS中使用地图投影保证了空间信息在地域上的联系和完整性，在各类GIS的建立过程中，选择适当的地图投影系统是首先要考虑的问题。
地图投影的变形
1长度变形2面积变形3角度变形
地图投影的选择
选择制图投影主要考虑以下因素：
制图区域的范围、形状和地理位置，地图的用途、出版方式及其他特殊要求等。
世界地图常用正圆柱、伪圆柱和多圆锥投影。
墨卡托投影绘制世界航线/交通/时区图；
●我国出版的世界地图多采用等差分纬线多圆锥投影。
东、西半球图常选用横轴方位投影；南、北半球图常选用正轴方位投影；水、陆半球图一般选用斜轴方位投影。
对于其他中、小范围的投影选择，须考虑其轮廓形状和地理位置，最好是使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致。
●圆形地区一般适于采用方位投影，在两极附近则采用正轴方位投影，以赤道为中心的地区采用横轴方位投影，在中纬度地区采用斜轴方位投影。
●在东西延伸的中纬度地区，一般多采用正轴圆锥投影，如中国与美国。
在赤道两侧东西延伸的地区，则宜采用正轴圆柱投影，如印度尼西亚。
在南北方向延伸的地区，一般采用横轴圆柱投影和多圆锥投影，如智利与阿根廷。
常用的一些地图投影
各大洲地图投影
●亚洲地图的投影：
斜轴等面积方位投影、彭纳投影。
●欧洲地图的投影：
斜轴等面积方位投影、正轴等角圆锥投影。
●北美洲地图的投影：
斜轴等面积方位投影、彭纳投影。
●南美洲地图的投影：
斜轴等面积方位投影、桑逊投影。
●澳洲地图的投影：
斜轴等面积方位投影、正轴等角圆锥投影。
●拉丁美洲地图的投影：
斜轴等面积方位投影。
中国各种地图投影
●全国地图投影：
斜轴等面积方位投影、斜轴等角方位投影、彭纳投影、伪方位投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角割圆锥投影。
●分省（区）地图的投影：
正轴等角割圆锥投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角圆柱投影、高斯-克吕格投影（宽带）。
●大比例尺地图的投影：
多面体投影（北洋军阀时期）、等角割圆锥投影（兰勃特投影）（解放前）、高斯-克吕格投影（解放后）。
高斯—克吕格投影
高斯投影是一种横轴等角切椭圆柱投影，其条件为：
●中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴；
●等角投影；
●中央经线上没有长度变形。
由公式可分析出高斯投影变形具有以下特点：
●中央经线上无变形
●同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；
●同一条经线上，纬度越低，变形越大；
●等变形线为平行于中央经线的直线。
6度带从0度子午线起，自西向东，全球分为60带。
3度带从1度30分的经线起，自西向东，全球分为120带。
正轴圆锥投影
Lambert投影（正轴等角割圆锥投影）。
投影变换与坐标转换
●地图投影对大范围、小比例尺的地图，在某些部位（一般是边缘）失真很明显。
●在设计GIS数据库时，依当地情况或标准来选择投影方式和坐标系。
统一的坐标系统是地理信息系统建立的基础
各国家的地理信息系统所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致；
各比例尺的地理信息系统中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；
各地区的地理信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；
各种地理信息系统一般以一种或两种投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一。
地理信息系统中地图投影配置的一般原则为：
所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本地图投影系统一致；
系统一般地只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺；
所用投影以等角投影为宜；
所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统在投影带中应保持完整。
地图投影的设置
ØArcToolbox中的ProjectWizard可以设置投影和坐标系统。
我国GIS中常用的地图投影配置与计算
我国基本比例尺地形图（1：
100万、1：
50万、1：
25万、1：
10万、1：
5万、1：
2.5万、1：
1万、1：
5000）除1：
100万外均采用高斯-克吕格投影为地理基础；
我国1：
100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致；
我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影；
Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离表现为近于直线，这有利于地理信息系统中的空间分析和信息量度的正确实施。
地形图的分幅和编号
国家基本比例尺地形图有1：
1万、1：
2.5万、1：
5万、1：
10万、1：
20万、1：
50万和1：
100万七种。
●普通地图通常按比例尺分为大、中、小三种：
●大比例尺地图：
≥1：
10万比例尺的地图；
●中比例尺地图：
1：
10万至1：
100万的地图；
●小比例尺地图：
<1：
100万的地图。
对于一个国家或世界范围来讲，测制成套的各种比例尺地形图时，通常这是由国家主管部门制定统一的图幅分幅和编号系统。
我国以1：
100万地形图为基准，按照相同的经差和纬差定义更大比例尺地形图的分幅。
百万分之一地图在纬度0o—60o之间的图幅，图幅大小按经差6o，纬差4o分幅；在60o—76o之间的图幅，其经差为12o，纬差为4o；在76o—80o之间图幅的经差为24o，纬差为4o。
比例尺（万）
图幅大小
图幅间的数量关系
经度
纬度
1：
100
6度
4度
1
1：
50
3度
2度
4
1
1：
20
1度
40分
36
9
1
1：
10
30分
20分
144
36
4
1
1：
5
15分
10分
576
144
16
4
1
1：
2.5
7.5分
5分
2304
576
64
16
4
1
1:
1
3分45秒
2.5分
9216
2304
256
64
16
4
分幅编号
1：
100万地图的编号
●例如北京所在的一幅百万分之一地图的编号为J-50。
1：
50万、1：
20万、1：
10万地形图的编号
1：
50万地图编号为：
如J-50-乙。
1：
20万地图表示为：
如J-50-（28）。
1：
10万地图表示为：
如J-50-28。
1：
5万、1：
2.5万、1：
1万地形图的编号
以1：
10万地形图的编号为基础，将一幅1：
10万地图划分四幅1：
5万地图，分别用甲、乙、丙、丁表示，其编号是：
如J-50-32-甲。
再将一幅1：
5万地图划分四幅1：
2.5万地形图，分别用1、2、3、4表示，其编号是：
如J-50-32-甲-1。
以一幅1：
10万地形图划分为64幅1：
1万地形图，编号分别以带括号的
（1）—（64）表示，其编号是：
，如J-50-32-（10）。
一幅1：
1万地形图划分为4幅1：
5000地形图，分别用a、b、c、d表示，其编号：
如J-50-32-（10）-a。
大中比例尺地形图坐标系
•>1：
50万为高斯－克吕格投影；
•中央经线和赤道投影后互为垂直的直线，作为直角坐标轴；
•两种坐标网格：
经纬网和公里网
2.5地理空间距离度量
地球表面特征度量，最直截方法是用经、纬度来表示，这种方法有利于空间物理位置的精确测定，但难以进行有关空间距离、方向、面积等应用性参数的计算。
这些参数计算的理想环境是笛卡儿平面直角坐标系，即二维欧几里德（Euclidean）空间。
用经度、纬度表示的地球旋转椭球体（φ,λ）与平面直角坐标系（χ,у）之间的转换关系：
F:
（φ,λ）→（χ,у）
这个空间转换关系F就是地图投影。
地图投影变换必然引起地理空间立体要素在平面形态上的变化（变形），包括在长度、方向和面积上的变化。
但是，平面直角坐标系（χ,у）却能建立对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。
GIS中的地理空间，一般就是指经过投影变换后放在笛卡儿平面坐标系中的地球表层特征投影空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。
1.欧几里德距离
在相对较小的地理空间中，采用笛卡儿坐标系，定义地理空间中所有点的集合，组成笛卡儿平面，记为R2。
在R2中，任意两点（χi,уi）和
升级会员 