地理信息系统原理吴信才讲义.docx
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地理信息系统原理吴信才讲义
中国地质大学《地理信息系统原理》吴信才讲义
第一章绪论
当今信息技术突飞猛进，信息产业获得空前发展，信息资源得到爆炸式扩张。
多尺度、多类型、多时态的地理信息是人类研究和解决土地、环境、人口、灾害、规划、建设等重大问题时所必需的重要信息资源，是信息高速公路上的重要列车。
信息时代人类对信息资源采集、管理、分析提出了很高的要求。
系统论、信息论、控制论的形成，计算机技术、人造卫星遥感等空间技术，自动化技术的应用，为信息资源的科学管理展示出更加广阔的前景。
地理信息系统（GeographicInformationSystem），简称GIS，是在上述学科不断发展的历史背景下产生的，它是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。
1.1地理信息系统的基本概念1.1.1信息与数据
信息 信息是现实世界在人们头脑中的反映，是向人们提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理形式的各种改变而改变。
信息具有客观性、适用性、传输性、共享性等特点。
客观性 信息是客观存在的，任何信息都是与客观事物紧密联系的，但同一信息对不同的部门来说会有完全不同的重要性。
适用性 信息对决策是十分重要的，它可作为生产、管理、经营、分析和决策的依据，因而它具有广泛实用性
传输性 信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备（包括远程终端）和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统同各子系统之间的转输和交换。
信息在传输、使用、交换时其原始意义不改变。
共享性 现代信息社会中，信息共享是一最基本的特点，共享使信息被多用户使用。
数据 对于计算机而言，数据是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象（数字、文字、符号、声音、图像等），在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。
数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才变成信息。
1.1.2空间数据与地图
空间数据 空间数据是指单个地或群体地以空间位置为参照的数据，空间信息可以从位置信息、属性信息、时间信息三个方面来描述.
位置信息 位置信息用定位数据（亦称几何数据）来记录，它是反映自然现象的地理分布，具有定位的性质
属性信息 非位置信息用属性数据来记录，它是描述自然现象、物体的质量和数量特征
时间信息 时间信息反映空间物体的时序变化及发展过程与规律，无论是几何数据还是属性数据，都是在某一时刻采集的空间信息，时间信息也可隐含在属性数据中
一个井泉，可以从地形图上确定它的地理坐标（几何数据），而井泉的涌水量等参数则是该井泉的属性信息。
不同的时间消水量不同，时间信息隐含在属于性数据中，
地图 地图是根据一定数学法则，使用形象符号，使用形象符号，通过选择和概括将地球表面缩放到平面上，用以表示各种自然和社会性现象分布、联系、变化和发展的图件。
1.1.3地理信息与地学信息
地理信息 地理信息是表征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数字、文字、图像和图形等的总称。
地学信息 地学信息所表示的信息范围更广，它不仅来自地表，还包括地下、大气层，甚至宇宙空间。
凡是与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。
1.1.4信息系统和地理信息系统
信息系统 能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。
信息系统的四大功能为数据采集、管理、分析和表达。
信息系统是基于数据库的问答。
地理信息系统 地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。
1.2地理信息系统的发展过程
GIS发展阶段起始发展阶段（60年代）我国GIS发展阶段准备阶段（70-80年代）巩固发展阶段（70年代）推广应用阶段（80年代）起步阶段（81-85年）蓬勃发展阶段（90年代以后）发展阶段（86年）
1.2.1地理信息系统的发展阶段1963年由加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出并建立的世界上第一个地理信息系统是称为加拿大地理信息系统（CGIS）。
1963年美国哈佛大学城市建筑和规划师HowardT.Fisher设计和建立了SYMAP系统软件。
1966年美国成立了城市和区域信息系统协会（URISA），1968年国际地理联合会（IGU）设立了地理数据收集委员会（CGDSP）。
1969年，又建立起州信息系统国协会（NASIS）。
70年代，GIS朝实用方向发展。
各国对GIS的研究均投入了大量人力、物力、财力。
不同规模、不同专题的信息系统得到很大发展。
从1970年到1976年美国地质调查局发展了50多个地理信息系统。
GIS受到政府、商业和学校的普遍重视。
80年代，GIS在全世界范围内全面推广应用，应用领域不断扩大，开始用于全球性的问题。
开展GIS工作的国家更为广泛，国际合作日益加强。
GIS软件开发具有突破性的进展，仅1989年市场上有报价的软件达70多个。
90年代，随着地理信息产生的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIA已成为确定性的产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的年增长率为35%以上，从事GIS的厂家已超过300家。
GIS已渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。
1.2.2地理信息系统在我国的发展地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。
GIS在中国的发展可分为三个阶段。
第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡仪，开始组建队伍，培训人才，组织个别实验研究。
第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进，研究数据规范和标准，空间数据库建立，数据处理和分析算法及应用软件的开发等，对GIS进行理论探索和区域性实验研究。
第三个阶段从1986年到现在，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室，目前国内较流行的GIS软件有MAPGIS、CITYSTAR、GEOSTAR、VIEWGIS等。
1.3地理信息系统与其他相关科学系统间的关系1.3.1GIS与地图学GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础，其最终产品之一也是地图，因此它与地图有着极密切的关系，两者都是地理学的信息载体，同样具有存储分析和显示（表示）的功能。
由地图学到地图学与GIS结合，这是科学发展的规律，GIS是地图学在信息时代的发展。
关于GIS与地图学的关系问题，存在不少专门的论述，其作者有地图专家，也有以遥感、摄影测量或其它专业为背景的GIS专家。
一种观点认为：
“GIS脱胎于地图”，“GIS是地图学的继续”，“GIS是地图学的一部分”，“GIS是数字的或基于可视化地图的地理信息系统”等；另一种观点认为：
“地图学是GIS的回归母体”，“地图是模拟的GIS”，“地图是GIS的一部分”等。
英国S.Caeettari认为“GIS是一种把各系统发展中的一些学科原理综合起来的独特技术，作为其中一部分的地图学，不仅提供一体化的框架和数据，而且提供了目标、知识、原理和方法”。
把地图学和GIS加以比较可以看出，GIS是地图学理论、方法与功能的延伸，地图学与GIS是一脉相承的，它们都是空间信息处理的科学，只不过地图学强调图形信息传输，而GIS则强调空间数据处理与分析，在地图学与GIS之间一个最有力的连接是通过地图可视化工具与它们的潜力来增加GIS的数据综合和分析能力。
1.3.2GIS与一般事务数据GIS离不开数据库技术。
数据库技术主要是通过属性来管理和检索，其优点是存储和管理有效，查询和检索方便，但数据表示不直观，不能描述图形拓扑关系，一般没有空间概念，即使存贮了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询。
GIS能处理空间数据，其工作过程主要是处理空间实体的位置、空间关系及空间实体的属性。
例如电话查号台可看作一个事务数据库系统，它只能回答用户所询问的电话号码，而通讯信息系统除了可查询电话号码外，还可提供电话用户的地理分布、空间密度、最近的邮电局等信息
1.3.3GIS与计算机地图制图早在18世纪，欧州一些国家就开始系统地绘制本国地形图。
六七十年代期间，空间数据应用的主要领域是资源调查、土地评价和规划等领域，各学科领域的科学家们认识到地表各特征之间的相互联系、相互影响这一事实后，开始寻找一种综合的多学科、多目标的调查分析方法来评价地表特征，因而产生了面向特殊目的的专题图件。
60年代，计算机的出现，传统的制图方式被打破，对地球资源的量化分析和评价产生了实质性的发展，地图要素被量化成简单的数字，可以用计算机很方便地给予定性、定量及定位分析，进而用颜色、符号和文字说明完整地表达实体，因此产生了计算机地图制图技术。
70年代后期，由于计算机硬件持续发展，计算机地图制图的历程向前迈进了一大步。
80年代，美国地质调查研究所制定了旨在实现地图制图现代化的计划，它的任务是大规模地扩充和改进地图数字化设备，制定数据库信息交换标准，提高地图修编能力，改革传统的制图工艺，形成现代化数字制图流程，计算机地图制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，GIS出现进一步为地图制图提供了现代化的先进技术手段,它必将引起地图制图过程深刻变化,成为现代地图制图主要手段，GIS应用于地图制图，可实现地图图形数字化，建立图形和属性两类数据相结合的数据库。
但GIS系统不同于计算机地图制图，计算机地图制图主要考虑可视材料的显示和处理,考虑地形、地物和各种专题要素在图上的表示，并且以数字形式对它们进行存贮、管理，最后通过绘图仪输出地图。
计算机地图制图系统强调的是图形表示，通常只有图形数据，不太注重可视实体具有或不具有的非图形属性，而这种属性却是地理分析中非常有用的数据。
GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法和显示质量，强调的是信息及其操作，不仅有图形数据库，还有非图形数据库，并且可综合两者的数据进行深层次的空间分析，提供对规划、管理和决策有用的信息。
数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式，计算机地图制图是GIS重要组成部分。
1.3.4GIS与计算机辅助设备（CAD）CAD主要用来代替或辅助工程师们进行各种设计工作，它可绘制各种技术图形，大至飞机，小至微芯片等，也可与计算机辅助制造（CAM）系统共同用于产品加工中的实时控制。
GIS与CAD系统的共同特点是两者都有空间坐标，都能把目标和参考系统联系起来，都能描述图形数据的拓扑关系，也都能处理非图形属性数据。
它们的主要区别是：
CAD处理的多为规则几何图形及其组合，它的图形功能尤其是三维图形功能极强，属性库功能相对要弱，采用的一般是几何坐标系。
而GIS处理的多为自然目标，有分维特征（海岸线、地形等高线等），因而图形处理的难度大，GIS的属性库内容结构复杂，功能强大，图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征，GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能，GIS的数据量大，数据输入方式多样化，所用的数据分析方法具有专业化特征。
因此一个功能较全的CAD，并不完全适合于完成GIS任务。
GIS基本概念集锦
GIS基本概念集锦
1、地理信息系统（GeographicInformationSystem，即GIS）——一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。
GIS有以下子系统：
数据输入子系统，数据存储和检索子系统，数据操作和分析子系统，报告子系统.
信息系统
非空间的空间的
管理信息系统非地理学的GIS
CAD/CAM其他GISLIS
社会经济,人口普查基于非地块,基于地块的
2、比较GIS与CAD、CAC间的异同。
CAD——计算机辅助设计，规则图形的生成、编辑与显示系统，与外部描述数据无关。
CAC——计算机辅助制图，适合地图制图的专用软件，缺乏空间分析能力。
GIS——地理信息系统，集规则图形与地图制图于一身，且有较强的空间分析能力。
3、图层：
将空间信息按其几何特征及属性划分成的专题。
4、地理数据采集——实地调查、采样；传统的测量方法，如三角测量法、三边测量法；全球定位系统（GPS）；现代遥感技术；生物遥测学；数字摄影技术；人口普查。
5、信息范例——传统的制图方法，称为信息范例，即假定地图本身是一个最终产品，通过使用符号、分类限制的选择等方式交换空间信息的模式。
这个范例是传统的透视图方法，由于原始而受到很多限制，地图用户不能轻易获得预分类数据。
也就是说，用户只限于处理最终产品，而无法将数据重组为更有效的形式以适应环境或需求的变化。
6、分析范例（整体范例）——存储保存原始数据的属性数据，可根据用户的需求进行数据的显示、重组和分类。
整体范例是一种真正的用于制图学和地理学的整体方法。
7、栅格——栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。
因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。
特点：
属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性本身，而所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标，即定位是根据数据在数据集中的位置得到的，在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。
8、矢量——它假定地理空间是连续，通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。
对于点实体，矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；对于线实体，用一系列坐标对的连线表示；多边形是指边界完全闭合的空间区域，用一系列坐标对的连线表示。
9、“拓扑”（Topology）一词来源于希腊文，它的原意是“形状的研究”。
拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性——拓扑属性（拓扑属性：
一个点在一个弧段的端点，一个点在一个区域的边界上；非拓扑属性：
两点之间的距离，弧段的长度，区域的周长、面积）。
这种结构应包括：
唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值）。
地理空间研究中三个重要的拓扑概念
（1）连接性：
弧段在结点处的相互联接关系；
（2）多边形区域定义：
多个弧段首尾相连构成了多边形的内部区域；（3）邻接性：
通过定义弧段的左右边及其方向性来判断弧段左右多边形的邻接性。
10、矢量的实体错误——伪节点：
即需要假节点进行识别的节点，发生在线和自身相连接的地方（如岛状伪结点——显示存在一个岛状多边形，这个多边形处于另一个更大的多边形内部），或发生在两条线沿着平行路径而不是交叉路径相交的地方（节点——表示线与线间连接的特殊点）。
摇摆结点：
有时称为摇摆，来源于3种可能的错误类型：
闭合失败的多边形；欠头线，即结点延伸程度不够，未与应当连接的目标相连；过头线，结点的线超出想与之连接的实体。
碎多边形：
起因于沿共同边界线进行的不良数字化过程，在边界线位置，线一定是不只一次地被数字化。
高度不规则的国家边境线，例如中美洲，特别容易出现这样的数字变形。
标注错误：
丢失标注和重复标注。
异常多边形：
具有丢失节点的多边形。
丢失的弧。
11、空间分析方法——1、空间信息的测量：
线与多边形的测量、距离测量、形状测量；2、空间信息分类：
范围分级分类、邻域功能、漫游窗口、缓冲区；3、叠加分析：
多边形叠加、点与多边形、线与多边形；4、网络分析：
路径分析、地址匹配、资源匹配；5、空间统计分析：
插值、趋势分析、结构分析；6、表面分析：
坡度分析、坡向分析、可见度和相互可见度分析。
12、欧拉数——最通常的空间完整性，即空洞区域内空洞数量的度量，测量法称为欧拉函数，它只用一个单一的数描述这些函数，称为欧拉数。
数量上，欧拉数=（空洞数）-（碎片数-1），这里空洞数是外部多边形自身包含的多边形空洞数量，碎片数是碎片区域内多边形的数量。
有时欧拉数是不确定的。
13、函数距离——描述两点间距离的一种函数关系，如时间、摩擦、消耗等，将这些用于距离测量的方法集中起来，称为函数距离。
14、曼哈顿距离——两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离，即D（I，J）=|XI-XJ|+|YI-YJ|。
对于一个具有正南正北、正东正西方向规则布局的城镇街道，从一点到达另一点的距离正是在南北方向上旅行的距离加上在东西方向上旅行的距离因此曼哈顿距离又称为出租车距离，曼哈顿距离不是距离不变量，当坐标轴变动时，点间的距离就会不同。
15、邻域功能——所谓邻域是指具有统一属性的实体区域或者焦点集中在整个地区的较小部分实体空间。
邻域功能就是在特定的实体空间中发现其属性的一致性。
它包括直接邻域和扩展邻域。
16、缓冲区分析——是指根据数据库的点、线、面实体基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的空间分析方法。
缓冲区在某种程度上受控于目前存在的摩擦表面、地形、障碍物等，也就是说，尽管缓冲区建立在位置的基础上，但是还有其他实质性的成分。
确定缓冲区距离的四种基本方法：
随机缓冲区、成因缓冲区、可测量缓冲区、合法授权缓冲区。
17、统计表面——表面是含有Z值的形貌，Z值又称为高度值，它的位置被一系列X和Y坐标对定义且在区域范围内分布。
Z值也常被认为是高程值，但是不必局限于这一种度量。
实际上，在可定义的区域内出现的任意可测量的数值（例如，序数、间隔和比率数据）都可以认为组成了表面。
一般使用的术语是统计表面，因为在考虑的范围内Z值构成了许多要素的统计学的表述（Robinsonetal.,1995）。
18、DEM——数字高程模型（DigitalElevationModel）。
地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。
DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。
在地理信息系统中，DEM是建立数字地形模型（DigitalTerrainModel）的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向。
19、空间插值——空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。
空间内插算法：
通过已知点的数据推求同一区域未知点数据。
空间外推算法：
通过已知区域的数据，推求其它区域数据。
20、泰森多边形——通过数学方法定义、平分点间的空间并以直线相连结，在点状物体间生成多边形的方法。
21、线密度——用所有区域内的线的总长度除以区域的面积。
22、连通性——连通性是衡量网络复杂性的量度，常用γ指数和α指数计算它。
其中，γ指数等于给定空间网络体节点连线数与可能存在的所有连线数之比；α指数用于衡量环路，节点被交替路径连接的程度称为α指数,等于当前存在的环路数与可能存在的最大环路数之比。
23、图形叠加——将一个被选主题的图形所表示的专题信息放在另一个被选主题的图形所表示的专题信息之上。
24、栅格自动叠加——基于网格单元的多边形叠加是一个简单的过程，因为区域是由网格单元组成的不规则的块，它共享相同的一套数值和相关的标注。
毫无疑问，网格单元为基础的多边形叠加缺乏空间准确性，因为网格单元很大，但是类似于简单的点与多边形和线与多边形叠加的相同部分，由于它的简单性，因此可以获得较高的灵活程度和处理速度。
25、拓扑矢量叠加——如何决定实体间功能上的关系，如定义由特殊线相连的左右多边形，定义线段间的关系去检查交通流量，或依据个别实体或相关属性搜索已选择实体。
它也为叠加多个多边形图层建立了一种方法，从而确保连结着每个实体的属性能够被考虑，并且因此使多个属性相结合的合成多边形能够被支持。
这种拓扑结果称作最小公共地理单元（LCGU）。
26、矢量多边形叠加——点与多边形和线与多边形叠加使用的主要问题是，线并不总是出现在整个区域内。
解决该问题的最强有力的办法是让软件测定每组线的交叉点，这就是所谓的结点。
进行矢量多边形的叠加，其任务是基本相同的，除了必须计算重叠交叉点外，还要定义与之相联系的多边形线的属性。
27、布尔叠加——一种以布尔代数为基础的叠加操作。
28、制图建模——用以指明应用命令组合来回答有关空间现象问题的处理。
制图模型是针对原始数据也包括导出数据和中间地图数据进行一系列交互有序的地图操作来模拟空间决策的处理。
29、地理模型的类型——类似统计同类的描述性模型和与推理统计技术相关的规则性模型。
30、常见模型——1、注重样式与处理的问题长时间以来用于解释类似农业活动与运输成本间的关系——独立状态模型。
2、最初为预测工业位置点的空间分布的样式而设计的WEBER模型，进行改进后可使参与者寻找最佳商业和服务位置——位置-分配模型。
3、建立在吸引力与到潜在市场的距离呈反比这一基础上的经济地理模型——重力模型。
4、通过空间验证思想如今广泛用于生态群落，通过地理空间跟踪动植物运动——改进扩散模型。
31、专题地图——以表现某单一属性的位置或若干选定属性之间关系为主要目的的地图。
专题图形设计的一般程序包括合适的符号和图形对象的选择、生成和放置，以明确突出研究主题的重要属性和空间关系，同时还要考虑参考系统。
GIS专题地图输出的规则：
不但要有精美的图形，最重要的是去读图、分析地图和理解地图。
32、元数据——关于数据的数据，对数据库内容的全面描述,其目的是促进数据集的高效利用和充分共享。
使用元数据的理由：
性能上，完整性、可扩展性、特殊性、安全性；功能上，差错功能、浏览功能、程序生成。
33、聚合——将单个数据元素进行分类的大量数字处理过程。
34、克立金法——依靠地球自然表面随距离的变化概率而确定高程的一种精确内插方法。
35、四叉树——一种压缩数据结构，它把地理空间定量划分为可变大小的网格，每个网格具有相同性质的属性。
36、比较工具型地理信息系统和应用型地理信息系统的异同。
工具型地理信息系统：
是一种通用型GIS，具有一般的功能和特点，向用户提供一个统一的操作平台。
一般没有地理空间实体，而是由用户自己定义。
具有很好的二次开发功能。
如：
ArcInfo、Genamap、MapInfo、MapGIS、GeoStar。
应用型地理信息系统：
在较成熟的工具型GIS软件基础上，根据用户的需求和应用目的而设计的用于解决一类或多类实际问题的地理信息系统，它具有地理空间实体和解决特殊地理空间分布的模型。
如LIS、CGIS、UGIS。
37、详细描述应用型地理信息系统的开发过程
1、系统
升级会员 