地理信息系统1.docx

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地理信息系统1

导论

一、数据与信息

数据（data）是通过数字化或直接记录下来的可以被识别的符号，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。

数据的特点

1.数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。

2.数据处理，即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。

3.信息与数据是不可分离的，即信息是数据的内涵，而数据是信息的表达。

也就是说数据是信息的载体。

信息（information）

狭义：

为人们获得信息前后对事物认识的差别

广义：

信息是指主体（人、生物和机器）与外部客体（环境、其它人、生物和机器）之间相互联系的一种形式。

信息的特点：

客观性，适用性，传输性，共享性

数据与信息的关系

信息与数据是不可分离的。

信息是与物理介质有关的数据表达。

数据中所包含的意义就是信息。

数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。

信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。

数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。

不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息

数据是信息的表达形式，是信息的载体；信息是数据中蕴含的含义，是数据的内容。

2、地理信息与地理信息系统

地理数据：

是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形的总称。

地理信息：

是地理数据所蕴含和表达的地理含义，具有空间特征、属性特征及时序特征三部分。

特征：

空间特征，属性特征，时序特征

GIS定义

GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计来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。

GIS的特征：

一个系统，一门技术，一门工具，一种方法，一种地理信息的描述语言。

第二节GIS的基本构成

系统硬件，1、数据处理设备：

大型机、图形工作站、服务器和PC；

2、数据输入设备：

数字化仪、图像扫描仪，以及各种数字测量设备等；

3、数据输出设备：

绘图仪和计算机显示器。

系统软件，

空间数据，在某个已知坐标系中的位置：

即用几何坐标标识地理实体的空间位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。

实体间的空间相关性：

地理事物点、线、面实体间的空间联系，用拓扑关系（Topology）来表示。

与几何位置无关的属性（Attribute）：

分为定性和定量的两种。

应用人员，系统开发人员地理信息系统的最终用户

应用模型，由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。

第3节GIS的功能

数据采集与编辑数据存储与管理

数据处理与变换：

数据变换数据重构数据抽取

空间分析与统计：

拓扑叠合缓冲区建立数字地形分析空间集合分析

产品制作与显示二次开发和编程

第4节GIS的发展概况

从GIS的发展历史来看，每十年都上一个台阶：

20世纪60年代：

开拓发展阶段，机助制图、量算分析

70年代：

巩固阶段，大容量、图形化人机交互

80年代：

突破阶段，微机GIS软件产品、应用扩展

90年代：

社会化阶段，空间信息产业、WebGIS

新世纪：

空间信息基础设施、数字城市、数字地球

发展趋势——GIS与其他技术的结合更加紧密：

遥感技术（RS）全球定位系统（GPS）计算机辅助制图（CAD）多媒体技术虚拟现实技术

第2章GIS的数据结构

地图投影：

将地球椭球面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标。

地理空间中的空间对象的表达方法主要有如下类型：

1、矢量表示法2、栅格表示法（比较）

第2节地理空间数据及其特征

空间数据是表征地理空间系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图形和图像等的总称。

空间特征

地理现象和过程所在的位置、形状和大小等几何特征，以及相邻地理现象和过程的空间关系。

前者为定位特征，后者为拓扑特征。

属性特征

地理现象和过程所具有的专属性质，如名称、分类、质量和数量等。

时间特征

一定区域内的地理现象和过程随着时间的变化情况。

2、GIS的空间数据的分类地图数据遥感数据地形数据属性数据元数据

四、空间数据的计算机表示

空间分幅

将整个地理空间划分为许多子空间，再选择要表达的子空间。

属性分层

将要表达的空间数据抽象成不同类型属性的数据层来表示。

时间分段

将时间特征的地理数据按其变化规律划分为不同的时间段数据，再逐一表示。

第3节空间数据结构的类型

数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑表达。

对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

1、矢量数据结构

利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。

矢量数据结构的核心是坐标点。

（点线面）简单矢量数据表示法：

面条数据结构

属性数据与空间数据关联使用关系型数据库DBMS一个空间要素对应数据库的一条记录使用多个字段表达多重属性。

线──节点式拓扑结构的四原则：

方向性（线必定从起结点开始到终结点结束）

连接性（线和线的连接处必定是节点）

围合性（面必定是由线围合而成）

相邻性（线必定有左多边形、右多边形

2、栅格数据结构

栅格数据结构是指将空间分割成为有规则的网格（栅格单元），在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织方式。

栅格数据的压缩目的：

减少数据量。

通过某种编码的方法，达到减少数据长度的目的。

栅格矩阵结构：

简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；

游程编码结构：

在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；

四叉树结构：

具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。

栅格数据结构特点

离散的量化栅格值表示空间对象位置隐含,属性明显

数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大

几何和属性偏差

面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系

矢量与栅格数据结构的比较

矢量数据结构

优点便于面向实体的数据表达（土壤类、土地利用单元等）；数据结构紧凑、冗余度低；有利于网络分析；图形显示质量好、精度高。

缺点数据结构较复杂；软件与硬件的技术要求比较高；多边形叠合等分析比较困难；显示与绘图成本比较高。

栅格数据结构

优点数据结构相对简单；空间分析和地理现象的模拟均比较容易；有利于与遥感数据的匹配应用和分析；输出方法快速，成本比较低廉

缺点图形数据量大；投影转换比较困难；栅格地图的图形质量相对较低；现象识别的效果不如矢量方法。

第3章空间数据处理

一般包括数据变换、数据重构、数据提取等内容

第一节空间数据的变换

空间数据的变换即空间数据坐标系的变换。

其实质是建立两个坐标系坐标点之间的一一对应关系，包括几何纠正和投影转换。

1、几何纠正图形编辑可消除数字化产生的错误，但无法纠正图纸变形等误差。

几何纠正是为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的纠正。

2、地图投影及其转换

地图投影的基本原理

地图投影就是依据一定的数学法则，将不可展开的地表曲面映射到平面上或可展开成平面的曲面上，最终在地表面点和平面点之间建立一一对应的关系。

1）按变形的性质

等角投影等积投影等距（任意）投影

2）按构成方法分类

几何投影非几何投影

在我国大中比例尺时，采用高斯—克吕格投影，小比例尺采用兰勃特投影

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后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

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；

投影属于等角变换，没有角度变形。

长度比的等变形线平行于中央子午线。

优点

等角性适合系列比例尺地图的使用与编制;

径纬网和直角坐标的偏差小，便于阅读使用;

计算工作量小，直角坐标和子午收敛角值只需计算一个带。

由于高斯-克吕格投影采用分带投影，各带的投影完全相同，所以各投影带的直角坐标值也完全一样，所不同的仅是中央经线或投影带号不同。

第2节空间数据结构的转换

一、由矢量向栅格的转换——栅格化

矢量数据向栅格数据转换要将矢量表示的多边形转成栅格数据，使多边形内部所有栅格赋于多边形号。

实质上是将矢量图上点、线、面实体的坐标数据转为规则的格网数据再给予填充。

2、由栅格向矢量的转换——矢量化

从栅格单元转换到几何图形的过程称为矢量化，矢量化过程要保证以下两点：

转换物体正确的外形；保持栅格表示出的连通性与邻接性

第4节空间数据的压缩与重分类

空间数据压缩，即从空间坐标数据集合中抽取一个子集，使这个子集在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。

压缩比表示信息载体减少的程度。

数据压缩的目的节省存贮空间节省处理时间

数据压缩途径：

压缩软件

原数据信息基本不丢失而且可以大大节省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解压缩后才能使用。

数据消冗处理

原数据信息不会丢失，得到的文件可以直接使用，缺点是技术要求高，工作量大，对冗余度不大的数据集合效用小。

用数据子集代替数据全集

在规定的精度范围内，从原数据集合中抽取一个子集，缺点以信息损失为代价，换取空间数据容量的缩小。

压缩方法

1.基于矢量的压缩主要是对线的压缩（保持曲线的形状特征，保持曲线的密度对比，保持曲线特征转折点的精度，保持曲线空间关系的正确）优点：

可以有效保留线划上的特征点，精度高。

缺点：

必须在对整条曲线数字化完成后才能进行，计算量较大，有时会产生自相交的情况。

2.基于栅格数据的压缩通过压缩编码技术来消除冗余数据：

链码；游程长度编码；块码；四叉树编码；小波算法

3.空间数据的重分类数据属性的重新分类和空间图形的化简需要对数据进行压缩；相邻界线的删除；共同属性的合并

第5节空间数据的内插方法

定义：

通过已知点或多边形分区的数据，推求任意点或多边形分区数据的方法，称为空间数据的内插。

（点的内插多边形分区的内插）

离散空间：

空间具有跳跃特征（土地利用类型），重要变化发生在边界上，边界内的变化则是均匀的，同质的，即在各个方面都是相同的。

邻近元法：

以最相邻近图元的特征值表征未知图元的特征值。

连续空间：

空间具有渐变特征（地形表面），内插技术必须采用连续的空间渐变模型实现这些连续变化，可用一种平滑的数学表面加以描述。

这类技术可分为整体拟合和局部拟合技术

数据内插常用计算方法：

反比距离加权法样条函数法（线性内插）Kriging法（预测某地区的房价）

2、区域的内插

定义：

区域内插是根据一组多边形分区的已知数据来推求同一地区另一组多边形分区未知数据的内插方法。

1、叠置法2、比重法（具体算法书P105）

第4章GIS空间数据库

1、空间数据库的概念

数据库是一个信息系统的基本且重要的组成部分，是以一定的组织方式存储在一起的相互关联的数据集合。

空间数据库主要是为GIS提供空间数据的存储和管理方法。

特点

数据量特别大；不仅有地理要素的属性数据，还有大量的空间数据并且这两种数据之间具有不可分割的联系；数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用与规划……

空间数据库系统的构成：

空间数据库存储系统；空间数据库管理系统；空间数据库应用系统

2、空间数据库的设计

空间数据库设计－－空间数据的模型化

设计过程和步骤需求分析概念设计逻辑设计物理设计（P114）

空间数据库设计的原则和技术方法：

设计原则：

较少的冗余量；稳定和灵活的数据结构；高效的访问和查询；能反映空间数据间的复杂性较强的应用适应性

设计技术：

数据设计者使用的设计工具，其中包括各种算法、文本化方法、用户组织的图形表示法、各种转化规则、数据库定义的方法及编程技术。

设计技术分为两类：

数据分析技术和技术设计技术

第2节空间数据库概念模型设计

语义数据模型面向对象数据模型（了解）P116

第三节空间数据库逻辑模型设计

一、层次模型

概念：

层次模型是以记录类型为结点的有向树或森林，能很好地表达1:

N的关系。

主要特点：

除根结点外，任何结点都有且只有一个“父亲”；“父”结点表示的实体与“子”结点表示的实体是一对多的关系。

2、网状模型

概念：

网状模型将数据组织成有向图结构（系结构），图中的结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。

特点：

可以有一个以上的结点没有“父”结点；至少有一个结点有多于一个“父”结点；结点之间可以有多种联系；可以存在回路。

3、关系模型

关系数据模型是把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表格，每个二维表格称为一个关系。

关系模型以记录组或数据表的形式组织数据，便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。

1）关系数据模型的基本概念

关系；关键字；关系模式；关系数据库；关系完整性：

（实体完整性，参照完整性，用户定义完整性）

第6节空间数据库索引

空间索引的概念：

它是依据空间实体的位置和形状或空间实体之间某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间实体的概略信息，如标识码、最小外接矩形及存储地址。

常见的空间索引范围索引；格网空间索引；四叉树空间索引

第7节空间元数据

定义：

是指在空间数据库中用于描述空间数据的内容、质量、表示方法、空间参考和管理方式等特征的数据，是实现地理空间信息共享的核心标准之一。

元数据的内容

对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明；对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等；对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；数据转换方法的描述；对数据库的更新、集成方法等的说明

主要作用

帮助空间数据的使用者查询所需的空间信息，进行空间数据的共享，并进一步处理空间数据。

第五章空间分析的原理与方法

第一节数据高程模型

概念

☆数字高程模型（DEM）：

DTM（数字地形模型）中属性为高程的要素称为数字高程模型，它是地表单元上的高程集合，通常用矩阵来表示。

☆DEM是建立DTM的“基础数据”或称为单要素图；其它要素均可以从DEM数据直接或间接导出，这些“派生数据”通常包括：

平均高程、坡度、坡向等。

用途：

生产三维立体图*生产视线图*生产等高线图*坡度、坡向分析*高程及变异分析*地表形态的自动分类*地学剖面的绘制与分析*三维空间分析（如洪水淹没分析）

DEM的建立——不规则三角网方法（TIN）

对有限个离散点，每三个最临近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，计算每个网格点的高程，生成DEM。

特征*不规则三角网由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点（或称为节点）的密度和位置。

*不规则三角网能随地形起伏变化的复杂性改变采样点的密度和采样点的位置。

*不规则三角网方法能按照地形特征点，如山脊线、山谷线、地形变化线等获得DEM数据，并达到精度要求。

*在不规则三角网方法中，建立三角形之间的拓扑关系，并与属性数据联结起来。

第2节空间叠加分析

1、空间叠加分析的概念

是指在相同的空间系统条件下，每次将同一地区两个不同地理特征的空间和属性数据叠加，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。

二、基于矢量数据的叠加分析

1、点与多边形叠加

2、线与多边形叠加

3、多边形与多边形的叠加分析（五种方式P161）

三、基于栅格数据的叠加分析

图层之间的对应单元数值进行数学运算。

叠加之后的图层中单元的数值是对应单元数值进行数学运算的结果，

原理上比较简单（相对矢量的叠加）

第3节空间邻近度分析

一、缓冲区分析概念

☆缓冲区（影响区、影响带）：

是地理空间实体的一种影响范围或服务范围。

☆缓冲区分析：

指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区域，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围，以便为某项分析或决策提供依据。

二、缓冲区分析类型

点缓冲区

线缓冲区

分别对每一个顶点和每条边生成缓冲区，然后对这些缓冲区多边形进行叠加操作。

☆用途：

针对线要素的一定范围带状范围的分析。

面缓冲区

多重缓冲区生成:

以不同的半径首先分别生成一定宽度的缓冲区，然后对不同半径的缓冲区进行叠加操作

第4节空间网络分析

网络分析的应用主要包括三个方面：

路径分析、地址匹配和资源分配。

空间网络分析是GIS空间分析的重要组成部分。

通常用来描述某种资源或物质沿着路径在空间上的运动，其根本目标就是研究、筹划一项网络工程如何安排、并使其运行效果最好。

地址匹配

将路径分析和地理编码结合起来使用，如物流配送，需要将货物送到多家单位。

此时可先通过地理编码进行地址查询，获得各单位的地理位置，再利用最短路径方法确定最短送货线路。

资源分配

资源分配模型中的网络主要由中心点（分配中心）组成，有两种分配方式：

一是由分配中心向四周输出；另一种是从四周向分配中心集中。

资源分配的应用包括消防站点的分布和求援区划分、学校选址、停水/停电对区域的社会和经济的影响等。

第6章GIS的应用模型

第1节GIS应用模型概述

1、根据所表达的空间对象的不同，分为：

理论模型，经验模型，混合模型。

2、按照研究对象的瞬时状态和发展过程，分为：

静态、半静态、动态模型

GIS应用模型的构建

步骤：

明确分析的目标和评价准则；准备分析数据；空间分析操作（叠加、缓冲区、网络。

。

）；结果分析；解释、评价结果；制图输出

构建途径：

GIS环境内的模型建造；GIS外部的模型建造；混合型的模型建造

第2节土地定级估价模型

土地定级就是指在特定的目的下，对土地的质量和使用效益及其在土地空间上的分布差异状况的评定，并用等级序列表示其差异或优劣程度的过程，属于经济性评价。

1.城市土地定级的技术路线

2.定级因素因子体系确定

因素：

对具有实体特征的因子按照其功效等特征进行的逻辑归类，其层次可以为多层，归类结果根据衡量标准不同而不同

因子：

城市基础设施和公用设施结构密度、布局和可达性及其环境状况等具有实体特征的空间要素。

3.定级因素因子权重计算

权重定义：

定级因素权重反映定级因素对土地级别的影响程度的大小，权重值与因素对土地级别影响的大小成正比，权重值越大，说明该因素对土地级别影响程度越大

定级因素定权方法：

（1）特尔菲法

（2）层次分析法

（3）因素成对比较法

4.定级因子实体指标分析