地理信息系统原理学习大纲余志伟.docx
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地理信息系统原理学习大纲余志伟
《地理信息系统原理》学习大纲
余志伟
（中国矿业大学（北京校区）资源与安全工程学院）
第1章绪论
内容：
地理信息技术的发展与应用。
GIS的特征。
学习要点：
数据（Data）：
事实和其它原始资料，可以处理成信息。
信息（Information）：
经过处理的有用的数据。
知识（Knowledge）:
通过人类智力活动可将信息转换成对事物普遍性的描述，即知识，可以记录和传播。
认识（Understanding）:
用世界观和个人视角集成的知识，整体存在于人类大脑中。
智慧（Wisdom）:
人类大脑产生的整体形成的认识。
知识经济：
指建立在知识和信息的生产、分配和使用基础上的经济。
信息系统（InformationSystem）:
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。
数据挖掘（DataMining）:
从数据中提取隐含的、先前不知道的和潜在有用的知识到过程，也称数据库知识发现。
数据挖掘的基本思想就是从数据中抽取有价值的信息，其目的是帮助决策者寻找数据间潜在的关联，发现被忽略的要素，而这些信息对预测趋势和决策行为也许是十分有用的。
地理信息:
是有关地理实体的性质、特征及运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。
而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。
空间位置数据描述地物所在位置；这种位置即可以根据大地参照系如大地经纬度坐标定义，也可以根据地物间的相对位置关系如空间上的相邻、包含等定义。
属性数据又称为非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标。
时域特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻/时段。
时域数据对环境模拟分析非常重要。
空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。
地理信息系统（GeographicInformationSystem,GIS）:
地理空间数据的数字处理系统;是60年代发展起来的一种集数据采集、存储、分析于一体，对地球表面（含大气层）、地球内部及空间、地理分布等情况进行描述、管理的空间信息系统。
地理是相对于地球而言；空间强调的是数据的立体模型；数字表示机器可读;处理则是数据到信息的必由之路。
注意：
地理信息系统中的“地理”是个空间概念，是一个大地质的概念。
第一章小结
一个GIS的构成，可以简单地分成三个部分：
空间数据、空间数据库管理系统、空间数据分析处理软件。
一个地理信息系统如果不提供空间数据的分析处理功能，实际上就蜕化为一个地理数据库；反之，一个地理数据库，如果加强了空间数据的分析处理功能，就升格为一个地理信息系统。
当然，目前的空间数据库一般都带有一定的分析处理功能，不过，一般来说，地理信息系统应具有比一般地理数据库更为全面、丰富、完善的空间和非空间分析功能，尤其是一些专门化的应用模型，更是GIS的核心组成之一。
地理数据库:
完备的数据管理功能
地理信息系统：
完备的空间分析功能
智能化地理信息系统：
还具有空间建模功能，能解决需要专家知识才能解决的问题。
关于空间分析：
空间分析是地理信息系统的主要特征，也是评价一个地理信息系统的主要指标之一。
空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。
空间分析是各类综合性地学分析的基础，为人们建立复杂的空间应用模型提供了基本工具。
思考题
•数据与信息、知识的区别。
•地理信息系统与CAD的区别与联系
•学习地理信息系统的必要性。
第2章地理坐标与地图投影
内容：
地图投影与坐标变换。
学习要点：
地理坐标用经纬度表示地面定位的球面坐标。
大地经纬度：
大地经度参考椭球面上某一点的大地子午面与本初子午面间的两面角。
东经为正，西经为负。
大地纬度参考椭球面上某一点的法线（垂直线）与赤道面的交角。
北纬为正，南纬为负。
地心经纬度：
地心指地球椭球体的质量中心。
地心经度同大地经度，地心纬度是指参考椭球面上某一点和椭球中心连线与赤道面间的夹角。
由于地球是一椭球体，大地纬度（）与地心纬度（）有差别;它们与赤纬（）也不同。
地图投影：
地图投影是指建立地表曲面和投影平面两个点集间的一一对应关系，亦即研究如何将地球曲面表示到地图平面的方法与过程。
简而言之，研究如何将地球上的点（地形地物）在平面上表示出来。
（一）投影分类
1．按地图投影的构成方法分类
（1）几何投影
●方位投影（AzimuthalProjections）
●圆柱投影（CylindricalProjections）
●圆锥投影（ConicalProjections）
上述投影又可根据球面与投影面的相对位置不同，分为：
正轴投影（thenormalaspect）
横轴投影（thetransverseaspect）
斜轴投影（theobliqueaspect）
（2）非几何投影
并不借助辅助投影面，而是根据某些特定要求，用数学解析方法，求出投影公式，确定平面与球面之间点与点之间的函数关系。
按经纬线形状，分为伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影。
2.按地图投影的变形性质分类
（1）等角投影（conformality，ConformalProjection）
（2）等积投影（equivalence,Equal-areaProjection,EquivalentProjection）
（3）任意投影
（二）常用地图投影
1.等角正割圆锥投影
1978年我国规定用它作为1:
100万分幅地形图的数学基础。
2.等角正切圆柱投影（墨卡托投影）
由比利时人墨卡托于1569年为航海所创立。
其实用价值为图上任意两点连成的直线为等角航线，按此方位角航行，可一直到达目的地。
3.Gauss-Krüger（等角横切椭圆柱投影）与通用横轴墨卡托投影（UTM，UniversalTransverseMercator）
高斯-克吕格投影是将一椭圆柱横切于地球椭球体上，该椭圆柱与椭球体表面的切线为一经线，称为中央经线。
然后根据一定的约束条件（投影条件），将中央经线两侧规定范围内的点投影到椭圆柱上，从而得到点的高斯投影，按投影分类其属于解析投影。
UTM投影（通用横轴墨卡托投影,UniversalTransverseMercator）,与高斯-克吕格投影基本一样。
UTM是等角横割椭圆柱投影，在投影带内有两条长度比＝1的标准经线，中央经线的长度比为0.9996。
所以，高斯-克吕格投影的y值乘上系数0.9996，即为UTM投影。
本章提要
•地球是球体，地图是平面，将球面的景物表现在平面上必然会产生球面与平面之间的矛盾。
•地图投影的实质就是通过一定的数学方法，建立球面坐标和平面直角坐标（或极坐标）的变换函数关系。
•地图投影必然产生变形。
采用不同的投影方法，建立的经纬网形状不同，其变形性质和变形分布规律也不同。
•地图主比例尺是表明地图投影时地球缩小的倍率，只适用于个别没有变形的点或线。
•长度变形是最主要的变形，它制约着角度变形和面积变形。
•变形性质不同的投影，各有不同的用途。
•制图区域的地理位置、范围、形状，影响地图投影的选用。
思考题
∙地理坐标系的基本要素有哪些？
分别写出其定义。
∙天文经纬度、大地经纬度和地心经纬度的差别。
∙地图投影变形表现在哪几个方面？
为什么说长度变形是主要变形？
∙地图投影按变形性质分为哪几类？
它们的特性是什么？
∙什么叫长度比、长度变形、面积比、面积变形？
∙什么是主比例尺？
什么是局部比例尺？
∙简述空间定位数据在数字地球及地理信息系统中的意义。
∙地理坐标涉及地理信息系统中的哪些主要问题？
∙墨卡托投影具有什么特性和用途？
∙说明高斯-克吕格投影的变形性质、变形分布规律及用途。
∙UTM与高斯-克吕格投影的差别。
第3章空间数据结构
内容：
地理实体及空间关系。
矢量数据结构，栅格数据结构；矢量到栅格的数据格式转换。
空间数据结构新技术。
学习要点：
（一）在地理信息系统中，将地理实体分为四种对象（object）：
（1）点对象（PointObject）
点对象是有特定位置的维数为零的物体，代表一个点实体（PointEntity），如城市、村庄、钻孔等。
一个主题可以是若干点对象组成。
（2）线对象（LineObject）
线对象是维数为1的物体，代表一个线实体（LineEntity），如河流、线段、边界、链、网络等。
可以定义一个线对象由多个多边线组成，如河流有干流、支流等；也可以定义简单线对象（无回路和分叉），此时一个线类主题可由若干线对象组成。
（3）面对象（SurfaceObject）
面状实体包括湖泊、森林、岛屿、地块等，在二维图中表现多边形。
可以定义一个面对象由多个不连接Face（多边形）组成，如一个国家的领土常由好几个多边形组成；也可以定义一个面对象只由相连接的Face组成，由面类主题将它们聚合起来。
（4）体对象（BodyObject）
一个体对象代表一个空间三维实体，如地层、断层、矿体等。
一个三维实体由若干平面或曲面包围组成。
体中间若包含“空洞”，则为复杂的体。
但体中包含的“空洞”，应作为另一个体对象处理。
通过体类主题可将体对象聚合起来。
（二）表达地理实体对象的几何元素（geometricelement）：
节点（结点）（Node）
顶点（角点）（Vertex）
弧段（arc）
边（edge）
面或多边形（faceorpolygon）
其中节点和弧段是最基本的。
（1）节点（结点）（Node）
Node可以代表一个点对象，也可以是一个弧段或多个弧段的起点和终点。
（2）顶点（角点）（Vertex）
弧段的内部点。
（3）弧段（arc）
两个节点之间的连线，中间可以有也可以没有顶点。
弧段可以是线对象的一部分，也可以是Face的一部分。
为简单起见，弧段可认为是直线或折线，但也可以是数学曲线，此时应有（与节点有关的）数学表达式。
（4）边（edge）
Edge是中间性质的几何元素。
它们是Face的一部分，由弧段组成。
每个Edge都有一个序号，表明了在Face中的位置，并规定了arc的方向。
（5）面或多边形（faceorpolygon）
Face是最高层次的几何元素，由edge组成。
它可以是面对象的一部分，也可以是体对象分一部分（若干Face构成体的表面）。
在二维情况下，face呈多边形。
在三维中，face有方向,可根据edge的方向用右手系规则定义。
Face一般是平面，也可以是曲面（基于edge的数学函数）。
（三）拓扑
“拓扑”一词在希腊语中是“形状的研究”。
拓扑学研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。
地图上的拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
地理实体间的拓扑关系有：
（1）拓扑邻接:
指空间图形中同类元素之间呈邻接的关系。
（2）拓扑关联:
指空间图形中不同元素之间呈关联的关系。
（3）拓扑包含:
指空间图形中同类但不同级元素之间的包含关系。
（四）空间数据的组织
矢量数据格式
栅格数据格式
矢量栅格一体化数据格式
矢量数据结构以代表实体的几何要素的空间坐标值为基础。
矢量数据结构以空间坐标系的连续性为假定前提。
栅格数据结构实质上就是像元阵列。
栅格数据是二维表面上地理空间数据的离散、量化、近似值。
（五）多边形矢量编码
（1）实体型
点用一对坐标（x,y）表示，线用两个或两个以上有序坐标表示，面由一条或一个以上首尾相连的线（或弧段）组成。
用实体型数据表示空间数据直观、明了，但空间相互关系被隐含其中。
（2）索引式
索引式编码的核心就是建立一本“字典”，用以说明多边形和点或线的隶属关系。
即先建立点坐标文件，再建立弧段-点索引文件、多边形-弧段索引文件。
（3）双重独立式
双重独立式数据结构是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻多边形来予以定义，组成一个弧段文件。
通过双重独立式编码可以检查数据，并自动形成面文件（面由哪些弧段组成）。
（4）链状双重独立式
链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。
在DIME中，一条边只能有直线两端点的序号及相邻的多边形来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段，每个弧段可以有若干中间点。
链状双重独立式数据结构主要有四个文件组成：
多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、节点文件。
链状双重独立式编码也称为多边形转换器（POLYVRT,POLYgonconVeRTor）
在上述矢量数据结构模型中，前两种（实体型、链/点字典型）称为路径拓扑（PathTopology）模型，后两种称为网络拓扑（GraphTopology）模型。
这两种模型的主要区别在于前者将二维要素的边界作为独立的一维要素来单独处理，而不考虑要素之间的相互关系；而后者则是在一个关于边界的关系网络模型中来考查二维要素。
（六）三维拓扑关系
三维拓扑关系要建立的文件:
（1）对象文件（点、线、面、体）
（2）几何元素文件（Node、Arc、Edge、Face）
（3）拓扑查询文件包括NODEONF（NodeonFace）、NODEINB（NodeInBodyObject）、ARCONF（ArcOnFace）、ARCINB（ArcInBodyObject）、ARCPOFL（ArcPartOftheLine）共5个文件
（七）栅格数据结构的编码方法
1.直接编码
将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行逐列地记录每个代码数据。
不采用任何压缩处理，是一种最直观、最基本的栅格数据存储方式。
2.游程压缩编码
又称游程长度编码（RunLengthEncoding），是栅格数据的一种比较简单的保真压缩编码方法。
编码中，将原始栅格阵列中属性值相同的连续若干个栅格单元映射为一个游程，每个游程的数据结构为（A,P），其中A代表属性值或属性值的指针，P表示该游程最右端栅格的列号。
（注:
还有一种游程编码P是行程的长度即重复的个数）。
3链式数据编码（ChainEncoding）
又称为Freeman编码。
此法是从某一起点开始沿8个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。
单位矢量的长度为一个栅格单元的边长或对角线的长度，每个后续点位于前继续点的8个基本方向之一。
4线性四叉树编码
四叉树压缩编码（Quarter-treeEncoding）的基本思路为：
将一幅栅格图像或地图四等分，逐块检查每块的属性值是否一致，再对属性值不均一的块四等分，再逐块检查其属性值的一致性，以此类推，直至每个子块的属性值均一为止。
MQ码:
四进制线性四叉树Morton码（地址码）。
该码实际上就是自然数码。
MD码:
十进制线性四叉树Morton码（地址码）。
该码实际上就是自然数码。
●自下而上（down-top）线性四叉树编码:
（1）基于四进制的线性四叉树地址编码法中每个栅格的Morton码（实际操作中该步可不作）
MQ=2×Ib+Jb
Ib和Jb是二进制行、列号
（2）计算十进制的Morton码（MD）
II=（inin-1…i2i1）2
JJ=（jnjn-1…j2j1）2
MD=（injnin-1jn-1…i2j2i1j1）2
再转换成十进制
（3）压缩、合并记录叶节点的地址（MD）及属性值
对每一层次，如果4个相邻的MD对应的栅格的属性值相同则合并（只保留4个中最小的MD），否则将4个栅格作为叶节点记录下来（记录其地址MD及属性值）。
（4）将压缩后的MD按大小次序排列
排序后前后两个MD码之间的差值即表示了叶节点的大小（子区的大小），因而也省去了叶节点深度的存储。
（5）二维行程编码
（八）矢量栅格数据结构相互转换
1.矢量数据结构向栅格数据结构转换
点、线、面的转换。
2.栅格数据结构向矢量数据结构转换的方法步骤
对于图像数据文件和再生栅格数据文件，应采用不同的方法。
1）基于图像数据的矢量化方法：
①二值化②细化③跟踪
2）基于再生栅格数据的矢量化方法：
①边界线跟踪化②拓扑关系生成③去除多余点及曲线圆滑
（九）矢量-栅格一体化数据结构
基于线性四叉树的一体化数据结构
细分栅格网
将一个基本栅格网再分成一个栅格网。
此时一个点的位置用两个Morton码来表示，第一个表示点在基本格网中的位置，第二个则表示在细分格网的位置。
基于线性四叉树的一体化数据结构是将目标位置用基本栅格网和细分栅格网两级栅格网来表示，以提高点、线（包括面状目标的边界）数据表达的精度。
基本栅格网和细分栅格网都采用四叉树的编码方法，即将采样点和线性目标与基本格网的交点用两个十进制的Morton码（M1和M2）来表示，简称M码。
M1表示该点所在的基本格网的地址码，M2表示该点对应的细分栅格网的Morton码。
一句话，将一个x,y坐标转换成两个Morton码。
思考题
1.总结、归纳矢量数据结构。
2.总结、归纳栅格数据结构。
3.归纳矢量-栅格数据相互转换的方法。
4.线性四叉树编码的方法步骤？
5.矢栅一体化数据的优点？
6.基于线性四叉树的一体化数据结构。
第4章GIS数据模型与数据库
内容：
ARC/INFO、MapInfo数据模型。
GIS中的SQL查询，GIS数据库设计。
学习要点:
（一）ARC/INFO数据模型
ARC/INFO采用一种混合数据模型定义和管理地理数据。
其中的空间数据使用拓扑数据模型来表示，而属性数据则使用关系数据模型。
在“ARC/INFO”中，ARC是指用于定义地物空间位置和关系的拓扑数据结构，“INFO”是指用于定义地物属性的表格数据（关系数据）结构，“ARC/INFO”则是两种混合数据模型及其处理过程的关系。
（二）MAP/INFO数据文件组织
MapInfo以实体型数据结构组织图形数据，点、线、多边形、区域等要素的空间位置和相互关系都是通过坐标来表示。
1.MapInfo表
一个典型的MapInfo表主要由
.TAB文件,.DAT（MDB、TXT、DBF、XLS、WKS）文件，*.MAP文件，*.ID文件，*.IND文件五种文件组成。
2.工作空间文件*.WOR
工作空间是正在使用的所有表和窗口的列表。
.WOR用于保存有关在某次MapInfo交互使用中所使用的表和窗口的信息，相当于VB、VC中的工程文件。
3.MIF文件和MID文件
MIF（MapInfoInterchangeFormat）即MapInfo交换格式，是一种能完整描述MapInfo数据库的ASCII文件格式。
MID（MapInfoInterchangeData）即MapInfo交换数据。
MIF文件存放空间数据，MID文件存放属性数据。
（三）地理元数据（GeospatialMetadata）和数据字典（DataDictionary）
地理元数据:
关于数据的数据（Dataaboutdata），是有关数据和信息资源的描述信息。
数据字典:
是数据库中各类数据描述的集合，或说是元数据及相关数据操作的集合，其主要功能是存储和检索元数据。
（四）如何通过MIF、MID文件将图形和属性数据导入MapInfo系统?
（五）MapInfo的数据库存储模式
MapInfo采用双数据库存储模式，即将空间数据与属性数据分开存储。
属性数据存储在关系数据库的若干属性表中，而空间数据则以MapInfo的自定义格式保存于若干文件中，二者通过一定的索引机制联系起来。
（六）MapInfo中用点数据文件导入点对象有几种途径？
它们有何区别？
有三种途径:
通过MIF、MID文件导入；
通过打开图表文件调入点数据文件（TXT或数据库文件），再用“制造图点”法将点对象投影到地图上;
通过地理编码导入。
前二种方法适用于已有坐标的点数据，后一种适用于没有坐标的点数据；第1、3种方法产生本地（Native）表数据库,第2种方法使用外部表数据库。
（七）SQL－结构化查询语言（StructuredQueryLanguage）
SQL是基于关系运算的数据库操作与程序设计语言，是操作数据库的工业标准语言。
在SQL中，指定要做什么而不是怎么做。
不需要告诉SQL如何访问数据库，只要告诉SQL需要数据库做什么。
利用SQL，可以确切指定想要检索的记录以及按什么顺序检索。
Select
From
Where
SQL中Select语句的含义:
对From子句中的各关系，作广义笛卡儿积（×）；
对Where子句中的逻辑表达式进行选择（σ）运算，找出符合条件的元组；
根据Select子句中的属性列表，对上述结果作投影（）运算。
思考题
1.如何通过MIF、MID文件将图形和属性数据导入MapInfo系统?
2.如何对栅格图像进行配准、在屏幕上跟踪图层，并对图层建立属性数据库？
3.何谓地理元数据和数据词典？
4.SQL中Select语句的含义？
第5章空间分析
内容：
基本图形运算。
缓冲区分析。
空间叠置分析原理与操作。
网络分析。
地理编码。
栅格数据的空间分析。
地图代数。
空间分析综合应用实例。
学习要点：
GIS的空间分析是指以地理事物的空间位置和形态特征为基础，以空间数据运算或空间数据与属性数据的综合运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程。
空间分析功能是GIS的主要特征和评价GIS软件的主要指标之一。
GIS空间分析技术主要包括空间几何分析、网络分析、空间统计分析、影像分析和数字地形分析等内容，从技术方法上，又可将GIS空间分析分为两大类，即基于矢量数据的空间分析和基于栅格数据的空间分析。
（一）基本图形运算
1.图形量算
长度量算公式
多边形面积的量算
地形的体积量算
2.包含分析
（二）缓冲区分析
缓冲区:
缓冲区又称为影响区或影响带，是指围绕地理要素的一定宽度的区域。
缓冲区分析:
缓冲区分析是用来确定不同地理要素的空间邻近性和接近程度的一类重要的空间操作。
从数学的角度看，缓冲区分析是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域半径R决定。
（三）空间叠置分析原理与操作
空间叠置分析:
把同一地区的两幅或两幅以上的图形重叠在一起进行图形运算和属性运算，产生新的空间图形和属性的过程。
视觉信息叠加
点与多边形叠置
线与多边形叠置
多边形叠置
（四）网络分析
1.网络的组成
2．路径优化与选址
（1）计算最短（佳）路径的Dijkstra算法
（2）选址问题
用圆去覆盖该网络，其中半径最小的圆的圆心即定义为该网络中心。
3.地理编码
地理编码又称为地址匹配，是在含地址的表格数据和相关图层之间建立联系，并为表格数据创建一个相应的点要素图层。
地理编码的过程是先对含地址记录的数据库和带有地址属性的要素图层进行比较，如果找到一个匹配，被匹配的地理要素的地理坐标就被分配给含相应地址的表格数据记录，并在地址信息和被匹配的地图要素之间建立链接。
当对表格数据进行地理编码后，就可以对表格数据进行空间定位查询和分析。
（五）栅格数据的空间分析
栅格图层叠置
地图代数作用于不同数据层面上的基于数学运算的叠加运算。
地图代数有三种不同的类型：
（1）基于常数对数据层面进行的代数运算
（2）基于数学变换对
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