《地理信息系统》理论教案.docx
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《地理信息系统》理论教案
地理信息系统教案(理论部分)
GeographicInformationSystem
张桂林
桂林工学院
资源与环境工程系
二004年8月
地理信息系统(理论部分)
GeographicInformationSystem
第一讲GIS的概念、应用、历史和发展趋势(2学时)
1.GIS的概念
GIS是采集、存储、管理、查询、分析、显示、输出地理空间信息的计算机系统。
●地理空间信息:
具有地理坐标,区别于一般的信息系统
●海量数据、高效、准确、应用广泛
●交叉学科:
地理学、测绘学、空间科学、管理科学、信息科学、计算机科学
●IT的重要组成部分,综合性高新技术
●发展前景广阔,与GPS及RS结合,称3S技术
2.GIS的应用(多达几十~近100个研究领域)
(1)资源规划、调查和开发
(2)环境监测:
污染程度、环境数据、环境保护
(3)区域规划、国土规划、旅游规划、城市规划
(4)交通管理:
交通状况、交通事故、GPS导航
(5)灾害防治:
洪水、森林火灾
(6)商业方面:
市场调查分析、客户统计分析、营销、投资地点选择
(7)军事方面:
军事目标的侦查和进攻
(8)政府部门:
人口、资源、环境管理
(9)农业、林业:
农作物生长情况、森林调查
(10)海洋调查研究:
海洋赤潮等
(11)其它方面(例如我国SARS疫情发布GIS系统)
3.GIS的发展历史
国际上:
●20世纪60年代:
GIS的开始阶段,北美大学和政府用于计算机制图和大量地理信息数据的统计(如人口、资源数据)
●20世纪70年代:
GIS的发展时期,经济发展+计算机技术发展+专业人才增加三方面因素推动了GIS的快速发展,专业GIS软件开始出现
●20世纪80年代:
GIS的大发展时期,应用领域扩大,涉及资源调查管理、环境、森林、规划等方面,商业化GIS软件进入市场(ArcInfo,MapInfo,…)
●20世纪90年代:
GIS的用户时代,应用领域进一步扩大扩大,渗透到经济社会各方面,并走进普通用户,与GPS及RS结合,商业化GIS软件成熟,市场需求激增,软件达400多种。
国内(比国际至少晚20年):
⏹20世纪80年代:
GIS的开始阶段,了解国外GIS发展状况,模仿学习
⏹20世纪90年代:
GIS的发展时期,推出国产GIS软件(GeoStar,CityStar,MAPGIS)
⏹21世纪:
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
1/298.257
WGS-84
1984
6378137
6356752
1/298.253
WGS-84
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°。
6°分带一般能满足1:
25000或更小比例尺精度需要。
3°分带法:
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。
6°分带一般能满足1:
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°带?
(答案:
19;37)
灌阳县某点经度为111°8’,为几号6°带?
几号3°带?
(答案:
19;37)
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]
举例:
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
投影方法:
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。
。
。
表示方法:
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。
。
。
表示方法:
封闭的线+属性
(4)体实体(volume):
地质体(矿体、土体)。
。
。
是GIS的难点
表示方法:
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
例如:
扫描图、遥感图象。
。
。
(3)矢量数据结构与栅格数据结构的比较
单元网格(象素)+属性
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
优点:
可表示多对多的联系;运行效率高;具有一定独立性
缺陷:
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?
例如:
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。
。
。
。
。
。
定义:
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。
例如:
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。
例如:
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。
例如:
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。
例如:
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。
例如:
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
版权:
美国MapInfo公司
比ArcInfo更经济
小型、灵活、简单
(4)GENAMAPGIS
版权:
澳大利亚GENAMAPSYS公司
(5)MGE(ModularGISEnvironment)
版权:
美国INTERGRAPH公司
(6)城市之星(Citystar)
版权:
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)
版权:
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