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地理信息系统读书笔记
地理信息系统笔记
第一章绪论
§1-1GIS概念
一、信息与数据
1、信息1）定义：
信息是现实世界在人们头脑中的反映。
它以文字、数据、符号、声音、图象等形式记录下来，进行传递和处理,为人们的生产，建设，管理等提供依据。
2）信息的特性：
A、客观性：
任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。
B、适用性：
问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同的。
信息系统将地理空间的巨大数据流收集，组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息，这是由建立信息系统的明确目的性所决定的。
如股市信息，对于不会炒股的人来说，毫无用处，而股民们会根据它进行股票的购进或抛出，以达到股票增值的目的。
C、传输性：
信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的传输网络，被形象地称为“信息高速公路”。
D、共享性：
信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息的并发应用提供可能性。
2、数据
指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、\符号、声音、图象等符号。
数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。
数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。
3、两者关系
（有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然）。
数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。
只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。
例如“1、”“0”独立的1、0均无意义。
当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供了“有”“无”信息，当用它来标识某种实体的类别时，它就提供了特征码信息。
二、地理信息与地学信息
1、地理信息
1）定义：
指与研究对象的空间地理分布有关的信息。
它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。
2）特点：
A、地域性：
（是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志）。
地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。
B、多维结构：
指在同一位置上可有多种专题的信息结构。
如某一位置上的地理信息包括（例图）
C、时序特征：
时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。
因此，一实时的GIS系统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。
以免过时的信息造成决策的失误或因为缺少可*的动态数据，不能对变化中的地理事件或现象作出合理的预测预报和科学论证。
例如98年龙王庙特大洪水险情正是武汉勘测设计院利用先进的摇感、GPS技术测得实时数据为抗洪决策提供可*依据。
显然，如果用过时数据，这将造成多大的损失，这就是地理信息的时序特征。
2、地学信息
与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。
3、两者信息源不同
地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等；
地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空间。
它是人们深入认识地球系统、适度开发资源、保护环境的前提和保证。
四、信息系统和地理信息系统
1、信息系统（InformationSystem,IS）
1）系统：
由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体。
2）信息系统：
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的系统。
具有采集、管理、分析和表达数据的能力。
3）类型：
从适用于不同管理层次角度出发、信息系统分为下列不同类型。
事务处理系统、管理信息系统：
主要支持操作层人员的日常事务处理，图书管理，借还书。
决策支持系统：
从MIS中获取信息，进行推测，以辅助决策。
人工智能、专家系统：
用计算机模仿人类思维过程进行推理，在医学上应用较成功。
为有效地对信息流进行控制，组织、管理、充分利用，就需要建立某种信息系统，那么对地理信息进行管理、利用就需要建立地理信息系统。
2、地理信息系统（GeographicInformationSystem,GIS）
1）定义：
不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的
A、GIS是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。
B、为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。
---美国国家地理信息与分析中心
C、是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。
D、GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。
--英国教育部
2）理解
aGIS是一计算机系统，既然是系统，就要具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达，所以每个GIS系统都是由若干具有一定功能的模块组成。
bGIS的处理对象是有关的地理分布数据，也就是空间数据，为了能对这些空间数据进行定位，定性和定量的描述，决定了GIS要对空间数据按统一地理坐标进行编码，这是GIS与
其他信息系统不同的根本所在。
3、GIS与其它IS之间的关系和区别
1）GIS与其它IS之间的关系（信息系统分类）
2）GIS与其它IS的区别
A、GIS与一般MIS：
GIS离不开数据库技术。
数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。
GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。
如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。
B、GIS与CAD/CAM
GIS与CAD共同点GIS与CAD不同点
都有空间坐标系统；
都能将目标和参考系联系起来；
都能描述图形数据的拓扑关系；
都能处理属性和空间数据ＣＡＤ研究对象为人造对象?
规则几何图形及组合；
图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；
ＣＡＤ中的拓扑关系较为简单；
一般采用几何坐标系。
ＧＩＳ处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；
GIS的属性库结构复杂，功能强大；
强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁；
GIS采用地理坐标系。
GIS与CAM
GIS与CAM共同点GIS与CAM不同点
都有地图输出、空间查询、分析和检索功能ＣＡＭ侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有地图辅助设计和产生高质量矢量地图的输出机制；
它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺乏拓扑关系；
它与数据库的联系通常是一些简单的查询。
CAM是GIS的重要组成部分；
综合图形和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策信息。
§1-2GIS发展
GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一本术语，并建立了第一个GIS_加拿大GIS，随后GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来。
一、国际GIS的发展状况
1、60年代，探索时期（GIS思想和技术方法的探索）人们关注什么是GIS，GIS能干什么。
2、70年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进GIS迅速发展）。
这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。
3、80年代，实破阶段，也是GIS普遍发展和推广应用阶段，人们把GIS与RS解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。
4、90年代，全面应用，产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：
空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。
二、我国GIS发展
我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：
1、70年代，准备阶段：
一些知名人士GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。
2、80年代，试验起步阶段:
这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。
3、90年代，我国GIS发展阶段：
我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。
4、96年以来，是我国GIS产业化阶段。
近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GIS相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批高等院校开设了与GIS相关的新专业，培养了一大批从事GIS研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的GIS基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国GIS产业已进入新的发展阶段。
§1-3GIS构成
一、GIS组成
从计算机的角度看，GIS是由软件、硬件、数据和用户组成。
用户（GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户）
软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统）
硬件（各种设备-物质基础）
数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础）
由于计算机的飞速发展和地理信息的时序特征，硬件寿命3-5年，软件（5-15年），数据（1-2年，5-70年不等）GIS需要不断维护、更新，所以用户要不断进行知识更新。
二、硬件配置
前面说过，GIS作为技术系统必须具备数据的采集、管理、分析、表达和显示功能，一定功能必须由一定的软件、硬件实现，所以GIS的硬件配置为：
输入数字化、解析测图仪、扫描仪遥感处理设备等
存贮
处理计算机硬盘光盘等存储设备
输出打印机绘图仪显示终端等
网络服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等网络设备。
随着网络普及，信息共享成为时代要求，GIS要有网络功能
三、软件配置
1、GIS软件层次
有了计算机硬件之后，首先需要OS,DOS,WINDOWS,UNIIX等。
裸机，没装任何OS的机子，是不能工作的。
GIS应用软件在GIS软件层次的外层，外层以内层软件为基础，共同完成用户指定的任务。
2、GIS基础软件主要模块
空间数据输入与转换图形及属性编辑空间数据管理系统
制图与输出空间查询与空间分析
§1-4GIS功能和应用
一、GIS功能
空间查询叠加分析缓冲区分析网络分析地形分析数据显示与输出
二、GIS主要应用领域
资源管理区域和城乡规划灾害监测环境评估
作战指挥交通运输宏观决策
§1-5GIS相关学科
二、GIS学科树
第二章空间数据结构
§2-1空间实体及其描述
一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象
1、定义：
指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。
2、理解：
地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。
二、地理实体的描述?
?
空间数据
1、描述的内容
空间特征：
地理位置和空间关系
属性特征?
名称、等级、类别等
时间特征
2、空间数据基本特征
3、空间数据类型
1）依据数据来源的不同分为：
地图数据地形数据属性数据
元数据影象数据
三、实体的空间特征
（一）空间维数：
有0，1，2，3维之分，点、线、面、体。
（二）空间特征类型
1、点状实体
点或节点、点状实体。
点：
有特定位置，维数为0的物体。
1）实体点：
用来代表一个实体。
2）注记点：
用于定位注记。
3）内点：
用于负载多边形的属性，存在于多边形内。
4）角点、节点Vertex：
表示线段和弧段上的连接点。
2、线状实体
具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并有如下特性：
1）实体长度：
从起点到终点的总长
2）弯曲度：
用于表示像道路拐弯时弯曲的程度。
3）方向性：
如：
水流方向，上游?
下游，公路，单、双向之分。
线状实体包括：
线段，边界、链、弧段、网络等。
3、面状实体（多边形）
是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。
面状实体的如下特征：
1）面积范围2）周长
3）独立性或与其它地物相邻
如中国及其周边国家
4）内岛屿或锯齿状外形：
如岛屿的海岸线封闭所围成的区域。
5）重叠性与非重叠性：
如学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交*重叠现象，而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠。
4、体、立体状实体
立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征：
•体积，如工程开控和填充的土方量。
•每个二维平面的面积。
•周长。
•内岛。
•含有弧立块或相邻块。
断面图与剖面图。
（三）实体类型组合
现实世界的各种现象比较复杂，往往由不同的空间单元组合而成，例如根据某些空间单元或几种空间单元的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。
点、线、面两两之间组合表达复杂的空间问题：
如：
线?
面面--面
可见，用各要素之间的空间关系，可描述诸多空间问题。
空间关系是GIS数据描述和表达的重要内容，一方面它为GIS数据库的有效建立，空间查询，空间分析，辅助决策等提供了最基本的关系，另一方面有助于形成标准的SQL空间查询语言，便于空间特征的存储，提取，查询，更新等。
线?
面
1、区域包含线：
计算区域内线的密度，某省的水系分布情况。
2、线通过区域：
公路上否通过某县。
3、线环绕区域：
区域边界，搜索左右区域名称，中国与哪些国家接壤。
4、线与区域分离：
距离。
面?
面
1、包含：
岛,某省的湖泊分布。
2、相合：
重叠，学校服务范围与菜场服务范围重叠区。
3、相交：
划分子区。
4、相邻：
计算相邻边界性质和长度，公共连接边界。
分离：
计算距离。
四、实体间空间关系
（一）空间关系类型
1、拓扑空间关系：
2、顺序空间关系：
（方向空间关系）
用上下左右、前后、东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系，算法复杂，至今没有很好的解决方法。
3、度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。
1）在地理空间中两点间的距离有两种度量方法。
a、沿真实的地球表面进行,除与两点的地理坐标有关外，还与所通过路径的地形起伏有关，复杂,引入第二种。
b、沿地球旋转椭球体的距离量算。
2）距离类别：
欧氏距离（笛卡尔坐标系）、曼哈顿（出租车）距离、时间距离（纬度差）、大地测量距离（大地线）（沿地球大圆经过两个城市中心的距离）。
（二）拓扑关系
1、定义2、种类3、拓扑关系的表达4、意义
1、定义：
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。
非拓扑属性（几何）拓扑属性（没发生变化的属性）
两点间距离
一点指向另一点的方向
弧段长度、区域周长、面积等一个点在一条弧段的端点
一条弧是一简单弧段（自身不相交）
一个点在一个区域的边界上
一个点在一个区域的内部/外部
一个点在一个环的内/外部
一个面是一个简单面
一个面的连通性面内任两点从一点
可在面的内部走向另一点
2、种类
1）关联性：
（不同类要素之间）结点与弧段：
如V9与L5,L6,L3
多边形与弧段：
P2与L3,L5,L2
2）邻接性：
（同类元素之间）
多边形之间、结点之间。
邻接矩阵
重叠：
--邻接：
1不邻接：
0
3）连通性：
与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。
4）方向性
一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。
用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。
5）包含性：
指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。
6）区域定义：
多边形由一组封闭的线来定义。
7）层次关系：
相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。
主要的拓扑关系：
拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。
3、拓扑关系的表达
拓扑关系具体可由4个关系表来表示：
（1）面--链关系：
面构成面的弧段
（2）链--结点关系：
链链两端的结点
（3）结点--链关系：
结点通过该结点的链\
（4）链?
面关系：
链左面右面
4、拓扑关系的意义：
对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：
1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。
2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。
如某县的邻接县，--面面相邻问题。
又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。
3）根据拓扑关系可重建地理实体。
§2-3栅格数据结构
一、图形表示
栅格结构用密集正方形（或三角形，多边形）将地理区域划分为网格阵列。
位置由行，列号定义，属性为栅格单元的值。
点：
由单个栅格表达。
线：
由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。
面：
由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。
栅格数据表示的是二维表面上的地理数据的离散化数值。
在栅格数据中，地表被分割为相互邻接、规则排列的地块，每个地块与一个象元相对应。
因此，栅格数据的比例尺就是栅格（象元）的大小与地表相应单元的大小之比，当象元所表示的面积较大时，对长度、面积等的量测有较大影响。
每个象元的属性是地表相应区域内地理数据的近似值，因而有可能产生属性方面的偏差。
二、栅格数据组织
针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。
组织方法
方法a：
以象元为记录序列，不同层上同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组。
N层中只记录一层的象元位置，节约大量存储空间，栅格个数很多。
方法b：
每层每个象元的位置、属性一一记录，结构最简单，但浪费存储
方法c：
以层为基础，每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内各象元的坐标。
节约用于存储属性的空间。
将同一属性的制图单元的n个象元的属性只记录一次，便于地图分析和制图处理。
三、栅格结构的建立
（一）建立途径
1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。
2、扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。
3、由矢量数据转换而来。
4、遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。
5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。
二）栅格系统的确定
1、栅格坐标系的确定
表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构（矢、栅）都应在统一的坐标系统下，而坐标系的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。
由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。
2、栅格单元的尺寸
1）原则：
应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。
格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。
一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大（按分辨率的平方指数增加）计算机成本就越高，处理速度越慢。
2）方法：
用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式：
h为栅格单元边长
Ai为区域所有多边形的面积。
（三）栅格代码（属性值）的确定
当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。
1、中心点法：
取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。
2、面积占优法：
栅格单元属性值为面积最大者，常用于分类较细，地理类别图斑较小时。
3、重要性法：
定义属性类型的重要级别，取重要的属性值为栅格属性值，常用于有重要意义而面积较小的要素，特别是点、线地理要素。
4、长度占优法?
?
每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。
四、栅格数据编码方法
1、直接栅格编码：
将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行记录代码数据。
1）每行都从左到右记录；AAAAABBBAABBAABB
2）奇数行从左到右，偶数行从右到左；
特点：
最直观、最基本的网格存贮结构，没有进行任何压缩数据处理。
栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强的相关性，即相邻象元的值往往是相同的。
所以，出现了各种栅格数据压缩方法。
数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。
分为：
无损压缩：
在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息---信息保持编码。
有损压缩：
为最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复。
--信息不保持编码。
2、行程编码（变长编码）：
将原图表示的数据矩阵变为数据对：
1）属性码，长度，行号（可不要）
长度：
连续相同码值的栅格个数。
2）属性码，点位
特点：
对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。
这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。
3、块码----游程编码向二维扩展
采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格。
数据对组成：
（初始行、列，半径，属性值）
特点：
具有可变分辨率，即当属性变化小时图块大，对于大块图斑记录单元大，分辨率低，压缩比高。
小块图斑记录单元小，分辨率高，压缩比低
所以，与行程编码类似，随图形复杂程
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