地理信息系统原理.docx
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地理信息系统原理
1、空间参照系统是指确定空间目标平面位置和高程的平面坐标和高程系。
2、地理信息系统：
是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示的计算机综合应用系统，可描述整个或部分地球表面或其实体的空间地理分布，用以解决复杂的规划和管理问题的特定的空间信息系统。
地理信息系统日是（GISDay）：
9月15。
工作原理:
1）空间模型：
将现实世界抽象为相互连接不同的特征的层面组合，这一实用的概念提供解决纷繁复杂的世界问题的途径。
2）地理参考系：
空间数据包括绝对位置信息（经纬度）和相对位置信息（地址、编码、统计调查值等），它们可有效地解决地球表面任意空间定位。
3）矢量和栅格数据结构：
以点、线、面方式编码并以（X,Y）坐标存储管理的矢量数据是表现离散空间特征的最佳方式，栅格数据通过一系列网格单元表达连续的地理特征。
功能：
基本功能：
1）数据采集与编辑；2）数据存储与管理；3）数据处理与变换；4）控件分析与统计；5）产品制作与演示；6）二次开发与编程；应用功能：
1）资源管理；2）区域规划；3）国土监测；4）辅助决策；基础理论：
地理学、地图学、测量学、数学、计算机科学等。
组成:
空间数据、应用模型、系统软件、系统硬件、应用人员。
第一个地理信息系统：
加拿大地理信息系统CGIS，Tomlinson。
3、大地水准面与具有微小扁率的旋转椭球面非常接近，可用来代表地球形状，故又名地球椭球面。
地球椭球体的大小，通常用长半径a，短半径b和扁率α三个几何参数来确定。
a=6377140
4、地理参照系：
1、经纬度坐标系（地理坐标）2、笛卡尔平面坐标（投影坐标），3、高程系统
5、我国GIS常用的平面坐标系：
北京54，西安80，中国2000，WGS-84。
高程坐标系：
56黄海，85国家（黄海）。
6、空间变换：
为什么要进行？
——数据坐标系统不一致，投影不一致。
如何处理：
——建立两个平面上点之间的一一对应关系；
内容：
——包括几何纠正和投影变换。
7、数据与信息：
数据：
是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量地描述事物的特征和状况，为加工的原始资料，是信息的表达形式，是信息的载体。
信息:
是主体与外部客体之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间的一切有用的消息和知识，是表征事物特征的一种普遍形式，是有用和有意义的数据，是数据的内容和解释，是数据的内容。
（客观性、适用性、传输性、共享性）
8、GIS产品的发布形式（4D）
1）DLG数字线画图数据：
是现有地形图要素的矢量数据，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。
2）DRG数字栅格图数据：
是现有纸质地图经计算机处理后得到的栅格数据文件，每一幅地形图在扫描数字化后，经几何纠正，并进行内容更新和数据压缩处理得到。
3）DEM数字高程模型数据：
DEM数据是以数字形式表达的地形起伏数据。
4）DOM数字正射影数据：
是对遥感数字影像，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围裁剪生成的。
9、投影：
建立两个点集之间的一一对应的映射关系。
地图投影：
将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。
分类：
1）根据投影面及其与球面相关位置的分类
2）根据投影变形性质的分类
等角投影:
保证投影后的由任意两条微分线段构成的角度不产生变形，使得投影前后的形状保持不变。
等面积投影：
保证投影前后的面积保持不变。
任意投影：
它既不保持角度不变，又不保持面积不变，同时存在长度、角度、面积的变形。
特例：
高斯——克吕格投影：
是一种横轴等角切圆柱投影
投影转换：
方式（假定原图点的坐标为x,y（称为旧坐标），新图点的坐标为X，Y（称为新坐标）：
按照转换方法投影转换可分为：
1）解析变换：
正解变换，反解变换。
2）数值变换：
利用若干同名数字化点（对同一点在两种投影中均已知其坐标的点），采用插值法、有限差分法或多项式逼近的方法，即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式。
3）数值-解析变换：
当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先通过数值变换求出原投影点的地理坐标φ，λ，然后代入新投影公式中，求出新投影点的坐标。
10、地理实体（空间实体）：
指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元。
依附于地理空间，各种事物（可能是物质或非物质）与一定的地理位置有关，具有一定形态。
11、地理信息与地理数据:
地理数据：
是以空间位置为参考，描述地理特征与地理现象之间关系的数据，地理信息（空间数据）：
地理实体的描述。
是表征地理要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文子等的总称。
是与所研究对象空间地理分布有关的信息。
特征：
属性特征（表示实际现象或特征）；空间特征（表示现象的空间位置或现在所处的地理位置）；时间特征（指现象或物体随时间的变化）。
空间数据类型：
地图数据；地形数据；属性数据；元数据；影象数据（依数据来源划分）。
12、实体间空间关系：
1）、 拓扑空间关系；2）、 顺序空间关系：
（方向空间关系）3）、 度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。
13、拓扑关系：
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
主要的拓扑关系：
拓扑邻接:
指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。
例如结点邻接关系，多边形邻接关系。
拓扑关联:
指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。
例如结点与弧段的关联关系。
拓扑包含:
指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。
包含关系分简单包含、多层包含和等价包含三种形式。
拓扑关系的表达：
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。
14、空间数据结构：
1）栅格数据结构：
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。
栅格数据是按网格单元的行与列排列、具有不同灰度或颜色的阵列数据。
每一个单元（象素）的位置由它的行列号定义，所表示的实体位置隐含在栅格行列位置中，数据组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性或指向其属性的指针。
一个优秀的压缩数据编码方案是：
在最大限度减少计算机运算时间的基点上进行最大幅度的压缩。
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。
（奇数行从左到右，偶数行从右到左）
2、行程编码：
将原图表示的数据矩阵变为数据对：
属性码，长度，行号（可不要）
3、块码：
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）
4、链式编码、Freeman链码、边界链码:
将栅格数据（线状地物面域边界）表示为矢量链的记录。
5、四叉树编码：
（常规四叉树、线性四叉树）:
是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。
其基本思想是首先把一幅图象或一幅栅格地图等分成四部分，如果检查到某个子区的所有格网都含有相同的值（灰度或属性值），那么这个子区域就不再往下分割；否则，把这个区域再分割成四个子区域，这样递归地分割，直至每个子块都只含有相同的灰度或属性值为止。
15、矢量数据结构：
基于矢量模型的数据结构。
编码方式：
1）实体式：
面条模型:
以实体为单位记录其坐标，2）索引式：
对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。
3）双重独立式编码：
是一种拓扑编码结构，4）链状双重独立式编码--拓扑数据结构
栅格结构:
大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。
矢量结构：
城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用。
16、矢栅一体化数据结构：
将矢量面对目标的方法和栅格元子充填的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础。
17、GIS数据源：
地图数据，遥感数据，文本数据，统计数据，实测数据，多媒体数据，已有系统的数据
18、地理空间：
指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续，具体包括地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。
地理空间的数学建构---如何建立地球表面的几何模型。
1、最自然的面：
12、相对抽象的面，即大地水准面；3、椭球体模型
19、GIS数据质量的基本内容
1）位置（几何）精度：
如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的误差。
2）属性精度：
如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。
3）逻辑一致性：
如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等，由几何或属性误差也会引起逻辑误差。
4）完备性：
如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性，数据层完整性，检验完整性等。
5）现势性：
如数据的采集时间、数据的更新时间等。
GIS数据质量评价方法：
1、直接评价法，2、间接评价法（地理相关法和元数据法），3、非定量描述法
OGC协会规定的OpenGIS规范。
开放式地理数据交换规程
20、空间数据的采集：
1）几何图形数据的采集：
（一）手工数字化：
确定数字化路线、地图预处理、地图数字化；
手工矢量数字化手工栅格数字化：
（二）数字化仪数字化（三）扫描矢量化
（四）解析测图法（五）已有数据转入。
2）属性数据的采集：
（一）键盘
（二）程序
21、GIS空间元数据：
地理的数据和信息资源的描述性信息。
它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。
作用：
（a）用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源。
（b）帮助数据使用者查询所需空间信息。
（c）组织和维护一个机构对数据的投资。
（d）用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心。
（e）提供数据转换方面的信息。
22、空间数据处理：
一）坐标变换:
（一）几何纠正：
1、高次变换
2．二次变换：
当不考虑高次变换方程中的A和B时，则变成二次曲线方程，称为二次变换。
二次变换适用于原图有非线性变形的情况，至少需要5对控制点的坐标及其理论值，才能解算待定系数。
3．仿射变换:
实质是两坐标系间的旋转变换。
设图纸变形引起x,y两个方向比例尺不同，当x,y比例尺相同时，为相似变换。
（二）投影转换（同上投影转换）
二）图形编辑：
又叫数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工，其主要的目的是在改正数据差错的同时，相应地改正数字化资料的图形。
三）拓扑关系的自动建立：
点、线、链、多边形拓扑关系自动建立。
a、顺时针方向构多边形：
指多边形是在链的右侧。
b、最靠右边的链：
指从链的一个端点出发，在这条链的方向上最右边的第一条链，实质上它也是左边最近链。
a的最右边的链为d。
当多边形由顺时针方向构成时，面积为正；反之，面积为负。
c、多边形面积的计算
建立多边形的基本过程：
1°顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链。
2°取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作为下一条链。
3°是否回到起点：
是，已形成一多边形，记录之，并转4°；否，转2°。
4°取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转2°；若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转1°。
例：
1°从P1开始，起始链定为P1P2,从P2点算起，P1P2最右边的链为P2P5；从P5算起，P2P5最右边 的链为P5P1,...形成的多边形为P1P2P5P1。
2°从P1开始，以P1P5为起始链，形成的多边形为P1P5P4P1。
3°从P1开始，以P1P4为起始链,形成的多边形为P1P4P3P2P1。
4°这时P1为结点的所有链均被使用了两次，因而转向下一个结点P2，继续进行多边形追踪，直至所有的结点取完。
共可追踪出五个多边形，即A1、A2、A3、A4、A5。
四）图形的裁剪、合并：
开窗处理（裁剪）、数据文件合并（合并）、形成无缝数据库（图幅接边）
五）空间插值：
边界内插（泰森多边形）、趋势面分析、局部内插、移动平均
内插：
在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程；
外推：
在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程.—--预测。
六）数据压缩与光滑
七）空间数据格式转换：
矢量向栅格转化：
DDA算法，Bresenhan算法（线），种子扩散法，扫描法（面）；栅格向矢量转换：
人工矢量化、程序转化
23、空间数据库：
是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总合。
模型：
1、层次模型：
用树结构来表示实体和实体之间联系的模型。
层次模型的优点是：
结构清晰，表示各结点之间的联系简单；容易表示如“家族关系”等现实世界的层次结构的事物及其之间的联系。
缺点是：
不能表示两个以上实体型之间的复杂联系和实体型之间的多对多联系；严格的层次顺序使数据插入和删除操作变得复杂，如父结点的删除导致子结点的删除。
用于GIS地理数据库存在的主要问题是：
1）很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余；
2）对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；
3）数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除；
4）层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径；
5）基本不具备演绎功能和操作代数基础。
2、网络模型：
用图结构来表示实体和实体之间联系的模型。
网状模型的优点是：
能够表示实体之间的多种复杂联系。
缺点是：
网状模型比较复杂，需要程序员熟悉数据库的逻辑结构；在重新组织数据库时容易失去数据独立性。
用于GIS地理数据库的主要问题如下：
1）由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置；
2）网状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题；
3）不直接支持对于层次结构的表达；
4）基本不具备演绎功能和操作代数基础。
3、关系模型：
用二维表格来表示实体和实体之间联系的模型。
关系模型的优点是：
使用表的概念，简单直观；直接表示实体之间的多对多联系；具有更好的数据独立性；具有坚实的理论基础。
缺点是：
关系模型的联结等操作开销较大，需要较高性能计算机的支持。
用于GIS地理数据库的主要问题如下：
1）无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱；
2）用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理；
3）由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不够高。
4）空间数据通常是变长的，而一般RDBMS只允许记录的长度设定为固定长度，此外，通用DBMS难于存储和维护空间数据的拓扑关系。
5）一般RDBMS都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。
6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能。
7）一般RDBMS难以支持复杂的地理信息，因为单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，包括大地网、特征坐标、拓扑关系、属性数据和非空间专题属性等方面信息。
8）GIS管理的是具有高度内部联系的数据，为了保证地理数据库的完整性，需要复杂的安全维护系统，而这些完整性约束条件必须与空间数据一起存储，由地理数据库来维护系统数据的完整性。
否则，一条记录的改变会导致错误、相互矛盾的数据存在，而一般RDBMS难以实现这一功能。
4、面向对象模型：
对象、类、实例、消息。
性质：
抽象、封装、多态。
核心技术：
分类、概括、聚集、联合。
GIS空间数据库类型：
1、基于文件管理的方式；2、文件与关系数据库混合管理3、全关系型控件数据库管理，4、对象-关系数据库管理5、面向对象管理
数据库设计的基本步骤：
（l）需求分析：
准确了解与分析用户需求（包括数据与处理）。
（2）概念结构设计：
通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS的概念模型。
（3）逻辑结构设计：
将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型，并对其进行优化。
（4）数据库物理设计：
为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）。
（5）数据库实施：
设计人员运用DBMS提供的数据语言、工具及宿主语言，根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库，编制与调试应用程序，组织数据入库，并进行试运行。
（6）数据库运行和维护：
在数据库系统运行过程中对其进行评价、调整与修改。
建立过程：
1、建立空间数据库结构：
利用DBMS提供的数据描述语言描述逻辑设计和物理设计的结果，得到概念模式和外模式，编写功能软件，经编译、运行后形成目标模式，建立起实际的空间数据库结构。
2、数据装入：
一般由编写的数据装入程序或DBMS提供的应用程序来完成。
在装入数据之前要做许多准备工作，如对数据进行整理、分类、编码及格式转换（如专题数据库装入数据时，采用多关系异构数据库的模式转换、查询转换和数据转换）等。
装入的数据要确保其准确性和一致性。
3、调试运行：
装入数据后，要对地理数据库的实际应用程序进行运行，执行各功能模块的操作，对地理数据库系统的功能和性能进行全面测试。
24、空间分析：
是基于空间数据的分析技术，是以地球科学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间演变等信息。
25、统计分析：
1.统计图表分析，2.属性数据的集中特征数，3.属性的离散特征数，4.属性数据的分类分级，
26、DEM分析：
（DigitalElevationModels），是国家基础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：
z=f（x，y）。
特点：
1）容易以多种形式显示地形信息。
地形数据经过计算机软件处理过后，产生多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图。
而常规地形图一经制作完成后，比例尺不容易改变或需要人工处理。
2）精度不会损失。
常规地图随着时间的推移，图纸将会变形，失掉原有的精度。
而DEM采用数字媒介，因而能保持精度不变。
另外，由常规的地图用人工的方法制作其他种类的地图，精度会受到损失，而由DEM直接输出，精度可得到控制。
3）容易实现自动化、实时化。
常规地图要增加和修改都必须重复相同的工序，劳动强度大而且周期长，而DEM由于是数字形式的，所以增加和修改地形信息只需将修改信息直接输入计算机，经软件处理后即可得各种地形图。
DEM的建立：
1.数据获取与处理，2.DEM生成：
1）人工网格法：
在地形图上蒙上格网，逐格读取中心点或交点的高程值。
2）对有限个离散点，每三个邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，可计算各格网点高程，生成DEM。
3）立体像对法4）曲面拟合法，5）等值线插值法
DEM的应用：
（一） 基于DEM的信息提取
1、坡度：
定义为地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。
在计算出各地表单元的坡度后，可对不同的坡度设定不同的灰度级，可得到坡度图。
2、坡向：
坡向是地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角，在计算出每个地表单元的坡向后，可制作坡向图，通常把坡向分为东、南、西、北、东北、西北、东南、西南8类，再加上平地，共9类，用不同的色彩显示，即可得到坡向图。
3、地表粗造度（破碎度）：
是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积与其水平面上的投影面积之比。
4、高程变异分析：
包括平均高程、相对高程、高程标准差，高程变异。
高程变异：
为格网顶点的高程标准差与平均高程的比值。
5．地貌形态的自动分类
（二）等高线的绘制（三）基于DEM的可视化分析：
1.剖面分析，2.通视分析，3.地形三维图绘制，4.地貌渲染图绘制，5.模拟飞行（四）流域水文特征及土木工程。
表示方法：
1.等高线法2.TIN法：
TIN（TriangulatedIrregularNetwork）表示法利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点（各三角形的顶点）连接成相互连续的三角面（在连接时，尽可能地确保每个三角形都是锐角三角形或是三边的长度近似相等—Delaunay迪洛尼），并保证由最近邻的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。
3.规则网格法：
规则格网法是把DEM表示成高程矩阵，此时，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。
DTM：
当z为其他二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特征，此时的DEM成为DTM（DigitalTerrainModels）。
DTM（DigitalTerrainModel）——数字地面模型是利用一个任意坐标系中大量选择的已知x、y、z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，DTM就是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
地形表面形态的属性信息一般包括高程、坡度、坡向
27、叠置分析：
是将同一地区的两组或两组以上的要素（地图）进行叠置，产生新的特征（新的空间图形或空间位置上的新属性的过程）的分析方法。
（一）、基于矢量数据的叠置分析：
1）点与多边形的叠置：
点层与面层的叠置，核心算法为判断点是否在多边形内。
2）线与多边形的叠置：
线与多边形的叠置是把一幅图（或一个数据层）中的多边形的特征加到另一幅图（或另一个数据层）的线上。
线与多边形叠置的算法就是线的多边形裁剪。
3）多边形与多边形的叠置：
是指不同图幅或不同图层多边形要素之间的叠置，根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形（合成叠置）或进行多边形范围内的属性特性的统计分析（统计叠置）。
应用：
寻求和确定同时具有几种属性的分布区域。
例如，土壤类型图（1，2）与城市功能分区图（a,b）叠置，可得出土壤与分区合成图，也可得出新属性统计表（属性面积）。
合成叠置需要进行属性合并。
方法可用加、减、乘、除，也可取平均值、最大最小值，或取逻辑运算的结果等。
统计叠置是确定一个多边形中含有其它多边形的属性类型的面积等，即把其它图上的多边形的属性信息提取到本多边形中来。
）
（二）基于栅格数据的叠置分析
1、单层栅格数据的分析----空间变换
空间变换：
对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算，以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性的过程。
1）、布尔逻辑运算：
用布尔逻辑运算组合更多的属性作为检索条件，以进行更复杂的逻辑选择运算。
2）、重分类：
是将属性数据的类别合并或转换成新类。
即对原来数据中的多种属性类型，按照一定的原则进行重新分类，以利于分析。
3）、滤波运算：
可将破碎的地物合并和光滑化，以显示总的状态和趋势，也可以通过边缘增强和提取，获取区域的边界。
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