地理信息系统与MapInfo应用.docx
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地理信息系统与MapInfo应用
第1篇地理信息系统及其开发
第1章地理信息系统概论
1.1信息与信息系统
信息是近代科学的一个专门术语。
关于信息有各种不同的定义，狭义信息论将信息定义为人们获得信息前后主体（人、生物和机器等）与外部客体（环境、其他人、生物和机械等）之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物的一种普通形式。
在很多书中还采用如下的定义：
信息是人们或机器提供的关于现实世界新的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。
那么，数据又是什么呢？
一般来说，数据是通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，数据不仅包括数字，还包括文字、符号、图形、图像以及各种可以转换成数据的现象。
数据是用以载荷信息的物理符号，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。
例如同样的数据1和0都是普通阿拉伯数字符号，当用来表示某一种实体在某个地域内存在与否时，它就提供了有（用1表示）无（用0表示）的挖主息；当在绘图矩阵中表示绘线或不绘线时，它就提供抬笔落笔的信息等等。
地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，目的是为了获得数据中所包含的信息。
对于同一数据由于每个人的解释榀能不同，因而获得信息量的我少与人的知识水平和经验有关。
在信息科学领域中，信息与数据不可分离，信息用记录在各种物理介质中的数据来表达，数据中所包含的意义就是信息。
数据只是信息的载体，并不等于信息。
只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能得到数据中所包含的信息。
通常在不会引起混乱的情况下，人们往往对信息和数据这两个术语的使用不加以严格区分。
系统是具有特定功能，由相互联系的若干要素所构成的一个整体。
对计算机而言，系统是为实现某些特定的功能，由必要的人、机器、方法或程序按一定相关关系联系起来进行工作的集合体，其内部要素之间的相互联系通过信息流实现。
系统的特征由构成系统的要素及要素之间的联系方式所决定。
信息系统是具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为企业、部门或组织的决策过程提供有用的信息。
在信息社会中，我们所说的信息系统大部分都由计算机系统支持，例如图书情报信息系统、商业服务管理系统、资源与环境信息系统等。
1.2地图与地理空间数据
1.2.1地图
地图是地理学家最常用的地理信息载体和地理语言，主要有地表形态和地表物分布（水系、植被、居民点、交通网、国界和行政区划等）的普通地理图、地形图，以及详细客观地表示某种（或某些）自然要素的专题地图。
苏联地图学家萨里谢夫将地图定义为：
由数学所确定的经过概括并用形象符号表示的地理表面上的图形，用其表示各种自然现象和社会现象的分布、状况的联系，根据每种地图的具体用途对所表示现象进行选择和概括，结果得到的图形叫做地图。
也就是说地图包括三个方面的内容：
·由数学决定的结构，即必须首先确定地球表面上点的地理坐标或其他坐标，以及这些点在地图平面上的直角坐标或其他坐标之间的严格的映射函数关系。
确定了这些函数关系后，才可以利用地图来研究它表示的地物的空间关系和联系。
·特殊的符号系统。
地图采用便于空间定位的专用图解符号，用于表示各种现象、性质及其相互关系，以及记录、转换和传递各种自然和社会现象的知识，从而在地图上构成客观实际的形象。
·现象的表示、取合和概括，或称为地图综合。
这是由于地图受到图幅比例的限制和图解符号表示的可能性制约，地图在应用中也常需要对自然景观进行取舍和概括表示。
地图是一种图像，从地图上我们可以获得一个地区或整个地球表面在同一时间的空间现象。
它们建立超地物形状、尺寸和相对的视觉形象，从而可从地图上得出地表景象的空间尺度，即空间坐标、长度、面积、高度和体积，除表示地物的数量和质量方面的特征外，地图还可以表示地物之间的空间联系和其他联系，即邻近性、包含性、叠置性、相对距离、从属关系、经济和交通方面的联系等等。
对于能够理解地图符号的使用者来说，地图是自然世界的一种模型，是制图人根据对自然世界的认识，用概括和简化的可视化形式客观反映自然世界在某些方面的结构，读图是通过对地图符号的理解，建立起地图所表示的客观实际的空间模型。
这是一种思维模型，它的建立依赖于制图人和读图人对制图符号的“约定”，地图是制图人和读图人之间交流自然空间信息的图像载体。
地图表达的对象可以是具体的（如居民区植被、土壤等）和抽象的（如人口密度、工农业产值、影响范围等）、现实的（如河网、道路、城市土地利用）和预期的（规划中的灌溉网、规划的道路和土地利用规划）。
更为重要的是，地图还可表示自然现象的发生发展过程，例如城市扩展图、土地利用变化图、土壤侵蚀速率图等。
由于地图在表达空间地理信息时具有精确、简洁、丰富、动态、灵活等特点，所以地图已经成为地理工作者普遍使用的地理语言，也是地理信息系统的最重要的数据源。
事实上，地图也是地理信息系统向用户输出信息的重要形式之一。
1.2.2空间数据
空间数据是单个或群体地以空间位置为参照的数据，地理空间数据是指人们通过观测所得到的地球上某些地物景观的空间数据。
一般来说，空间位置可以通过以下两种方法表示：
1.专门位置表示法
通过空间实体与某些数据要素之间空间位置的联系来表示，即表示为绝对坐标和相对坐标。
专门位置法可以表示：
·小尺度空间现象的点或大尺度空间现象的抽象的点，如城镇、高程控制点、交通网络的结点等；
·具有线性特征的线段，如水系、公路等；
·有规则的面，如栅格、像元等：
·用于面状描述的不规则多边形，如土壤分布、植被类型、空间影响范围等。
2.列名位置表示法
用名称或编码等可标识的数码表示。
如邮政编码、街区地址、门牌号码等。
它们只表示空间实体的组合和偶然的联系，本身并不能完整地表达空间位置，而需参照其他空间要素。
如地图上地名与编码结合起来才能确定实体的空间位置。
地理空间数据可以用来描述地球上可更新与不可更新的自然资源、人类赖以生存的自然环境、人文经济与劳动力资源的有关信息，包括：
地形地貌、土壤、岩石矿藏、植被、水、土地利用、行政界限、交通网络、政治分区、邮政区、公共设施位置、土地界限、土地价值、土地所有权、人口普查分区、人口分布、收入分配、经济区划、环境污染、疾病影响范围、自然灾害公布等。
空间数据表示了各种空间现象之间的空间关系，如邻接、距离、重叠、包含等。
空间现象的其他属性也可以用数据表示，有时在一定程度上空间关系或属性隐含于数据结构中，可以根据记录格式和数据结构计算出来。
1.3地理信息与地理信息系统
1.3.1地理信息
地理信息是指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。
地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著的标志。
地理信息的这种定位特征，是通过经纬网或公路网建立的地理坐标来实现空间位置识别的，地理信息还具有多维结构的特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构。
而各个专题之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各图层之间的综合研究提供了可能，也为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供了方便。
1.3.2地理信息系统
地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。
它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。
简而言之，地理信息系统是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管理系统，它是一种特殊而又十分重要的信息系统。
从学术与技术的角度看，地理信息系统是19世纪60年代开始迅速发展起来的一门新技术，结合计算机、系统工程、经济管理等多学科的知识，属跨学科的技术系统。
它所涉及的内容主要包括：
·有关的计算机硬、软件
·空间数据的获取及计算机输入
·空间数据模型及其数据表达
·属性数据的数据库存储及处理
·数据的共享、分析与应用
·数据的显示与视觉化
·地理信息系统的项目管理、开发、质量保证与标准化
·地理信息系统的机构设置与人员培训等
在本书中，我们将从功能或内容上来讨论地理信息系统，即把地理信息系统看成是一种以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型信息管理系统。
一般说来，地理信息系统按其内容可以分为三大类：
·专题信息系统（ThematicInformationSystem）这是具有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门的目的服务，如矿产资源管理信息系统、农作物估产信息系统、灾害监测信息系统等。
·区域信息系统（RegionalInformationSystem）主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标。
可以有不同的规模，如国家级的、地区或省、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以是按自然分区或流域为单位的区域信息系统，如加拿大国家信息系统、我国黄河流域信息系统等。
事实上，许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统等。
·地理信息系统工具（GIS-Tool）也称地理信息系统开发平台或外壳，它是具有地理信息系统基本功能的工具软件或开发平台，供其他系统调用或进行二次开发。
国内外已在不同档次的计算机设备上研制了一批地理信息系统工具，如美国耶鲁大学森林与环境学院的Map软件包（MapAnalysisPackage）、MapInfo公司的MapInfo系统，以及北京大学研制的微机地理信息系统工具Spaceman等。
将地理信息系统外壳与数据库系统结合，用以完成图形图像数字化、地理数据的存储管理、查询检索、结果输出等任务，就可以开发出相应的决策支持系统、专家系统等。
另一方面，也可以从其他角度对地理信息系统进行分类。
例如：
按数据结构的不同可将地理信息系统分为：
①基于多边形的，即矢量型地理信息系统；②基于格网的，即栅格型地理信息系统。
按照系统用途可将地理信息系统分为：
①自然资源清查信息系统；②城市信息系统：
③规划和评价信息系统：
④空间分析型的地理信息系统；⑤人才和智力资源信息系统。
按系统职能的不同可以分为：
①地形信息系统；②专题信息系统；②土地资源信息系统；④地籍信息系统；⑤人口统计信息系统等等。
1.4地理信息系统的构成
一般说来，一个完整的地理信息系统通常由四个部分组成（见图1—1），它们是计算机
硬件环境、软件环境、地理空间数据、系统维护和使用人员。
图1—1地理信息系统的基本构成
1.4.1硬件环境
地理信息系统的硬件配置一般包括以下几个部分：
·计算机主机它可以是单机，也可以组成计算机网络系统来应用。
·数据输入设备用于将系统所需要的各种数据输入计算机，并将模拟数据转换成数字化数据。
其他一些专门设备，如数字化仪、扫描仪、解析测图仪、数字摄影测量仪器、遥感图像处理系统、机助制图系统、图形处理系统等，它们均可以通过数字接口与计算机相联接。
·数据存储设备主要指存储数据的磁盘、磁带、光盘及相应的驱动设备。
·数据输出设备它包括图形终端显示设备、绘图机、打印机、磁介质硬拷贝机、可擦写光盘、以及多媒体输出装置等，它们将以图形、图像、文件、报表等不同形式显示数据的分析处理结果。
·数据通信传输设备配上网络系统连线、网卡及其他网络专门设施，地理信息系统就可通过网络与服务器或其他工作站交流信息或共享数据。
1.4.2软件环境
地理信息系统运行所必需的各种程序，通常包括：
·计算机系统软件一般由计算机厂家提供的，为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编系统、编译程序、诊断程序、库程序，以及各种维护使用手册、程序说明等。
这些是地理信息系统正常运行所必需的。
·地理信息系统软件和其他支持软件可以是通过地理信息系统工具专门开发的地理信息系统软件包，也可包括数据库管理系统、计算机图形软件包、CAD图像处理系统等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。
·应用分析程序这是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。
应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成地理信息系统的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。
用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定着系统的优劣和成败。
1.4.3地理空间数据
地理空间数据是地理信息系统的操作对象与管理内容。
它是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据，这些数据可以是数字、文字、表格、图像和图形等。
它们由系统建造者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他输入设备输入到地理信息系统中，是地理信息系统所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，其相应的区域信息包括位置信息、属性信息和空间关系等。
地理信息系统中的数据包括两大类型：
（1）空间数据
用来确定图形和制图特征的位置，这是以地球表面空间位置为参照的。
具体说来，它反映了以下两方面信息：
·在某个己知坐标系中的位置，也称几何坐标主要用于标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图的空间位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。
·实体间的空间相关性即拓扑关系（Topology），表示点、线、网、面等实体之间的空间联系，如网络结点与网络之间的枢纽关系，边界线与面实体问的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等等。
空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式软换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义。
是地理信息系统的特色之一。
（2）非空间的属性数据
用来反映与几何位置无关的属性，即通常所说的非几何属性，它是与地理实体相联系的地理变量或地理意义，一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计等方法得到。
非几何属性分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，如岩石类型、土壤种类、土地利用、行政区划等：
后者则包括数量和等级等，如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、水土流失量等。
任何地理实体至少包含有一个属性，而地理信息系统的分析、检索主要是通过对属性的操作运算来实现的。
1.4.4系统使用与管理人员
地理信息系统是一个动态的地理模型，是一个复杂的人—机系统。
仅仅有系统硬、软件和数据还构不成一个完整的地理信息系统，它必须处于相应的机构或组织环境内，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充等工作。
因此，系统的管理、维护和使用人员是地理信息系统中的重要构成因素，他们在地理信息系统环境中的作用与关系如图1—2所示。
图1—2地理信息系统与组织、管理机构环境
第2章
地理信息系统的空间数据表示
数据结构是指数据记录的编码格式及数据间的关系的描述。
不同类型的数据，只有按照一定的数据结构进行组织，并将它映射到计算机存储器中去，才能进行存储，检索，处理和分析。
在地理信息系统中地理空间数据常用的数据结构有两种：
栅格（Raster）数据结构和矢量（Vector）数据结构。
例如，一幅具有森林、河流和住房的地图（见图2—1（a））可以分别用这两种不同的数据结构来描述。
在栅格结构中，空间被有规则地分成了一个个小块（通常是正方形），地理实体用它们所占据的栅格的行、列号来定义，栅格同时可以附有属性值，例如图2—1凹中的P、R、S和H；在矢量结构中，地理实体用点、线、面来表达，其位置由二维平面直角坐标系中的坐标来定义，如图2—1（c）所示。
图2—1空间实体的栅格、矢量数据结构表示
2．1栅格数据结构
栅格数据结构由像元阵列构成，每个像元用网格单元的行和列来确定它的位置，常用于表示地质、气候、土地利用或地形等面状要素。
任何面状的对象，如土地利用、土壤类型、地势走伏、环境污染等，都可以用栅格数据来表示。
栅格数据的获取方法比较简单，即在专题地图上均匀地划分网格，相当于将一透明的方格纸覆盖在地图上，格网的尺寸大小依要求设定。
根据单位格网交点归属法（中心点法）、单位格网面积占优法、长度占优法、重要性法等方法，直接获取相应的栅格数据。
这类方法称之为手工栅格数据编码法，它适用于区域范围不大或栅格单元的尺寸较大的情况。
但是当区域范围较大或者栅格单元的分辨率较高时，需要采用数据类型转换万法，即由矢量数据向栅格数据作自动转换。
为了逼近原图或原始数据精度，除了采用上述的手工方法之外，还可以采用缩小单个栅格单元的方法（即增加精度），使得每个单位的栅格可以代表更为精细的地面单元。
这样，在大大提高精度，更接近真实形态的同时，行、列数也将大大增加，即数据量也大幅度地增加，使得数据冗余严重，为了解决这一矛盾，现在已研究出了一系列栅格数据压缩编码方法，使得用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息。
压缩编码方法可分为信息无损编码和信息有损编码两种，信息无损编码是指编码过程中没有任何信息处理损失，通过解码操作可以完全恢复原来的信息；信息有损编码是指为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过程中损失了一部分相对不太重要的信息，当解码时这部分信息难以恢复。
在地理信息系统中一般采用信息无损编码方法。
常用的数据压缩编码方法有以下几种：
2.1.1链式编码（ChainCodes）
链式编码又称弗里曼链码（Freeman，1961）或边界链码。
考虑图2—2中的多边形，该多边形的边界可以表示为由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。
基本方向一般定义为：
东=0，东南=1，南=2，西南=3，西=4，西北=5，北=6，东北=7。
图2—2用树格结构表示一个简单区域的例子
若设原点为像元（10,1），则图2—2的多边形边界按顺时针方向的链式编码为：
10，
1，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。
其中前两个数字10和1，代表起始点为第十
行第一列，从第三个数字开始每个数字代表单位矢量的方向。
链式编码对多边形的表示具有很强的压缩能力，且具有一定的运算能力，比较适合存储图形数据，但对叠置运算，如组合、相交等则很难实现，对局部修改将改变整体结构，效率较低，并且由于链码是以每个区域为单位存储边界的，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。
2.1.2游程长度编码（Run—LengthCodes）
游程长度编码是按行的顺序存储多边形内各像元的列号，把属性值相同的连续若干个栅格看成是一个游程，即在某一行上从左到右存储属于该多边形的始末像元列号，如图2—2中的简单区域按游程长度编码方法的编码为：
第9行：
2，3：
6，6：
8，10
第10行：
1，10
第11行：
1，9
第12行：
1，9
第13行：
3，9：
12，16
第14行：
5，16
第15行：
7，14
第16行：
9，11
这里我们用22个编码的值就完整地表示了含69个像元的多边形，因此大大地减少了存储量，这种编码方法在许多像元同时属于一个属性值的情况下，比传统编码法的存储情况有很大的改善。
克服了链式编码中效率铰低且很难实现叠置运算等缺点。
这种编码方法同时也减少了栅格数据库的数据输入量，但是在计算期间的处理和制图输出期间的处理工作量都有所增加。
2.1.3四又树编码（QuadtreeEncoding）
四叉树编码又称四分树或四元树编码，这种编码的基本原理是：
先把地图看成是一个正方形的单元，如果该单元内有不同性质的多边形，则将单元分成四个大小相同的二级单元，然后分别判断这四个二级单元中是否还有性质不同的多边形，如其中某个二级单元中有不同性质的多边形，则再将其划分成四个大小相同的三级单元。
这种逐级一分为四的方法一直继续到预定的最高分辨率为止。
图2—3给出了一个用四叉树方法表示一个多边形的划分过程，图2—4则是与之相对应的树状数据结构。
在图2—4中，树根代表整个区域，树的每个结点有四个子结点，为空的子结点称为叶子结点，用方框表示，叶子结点对应于区域分割时数据为单一类型或单个栅格的像元。
此外，树根结点用圆圈表示，它说明在该四分之一范围内尚存在不同性质的多边形，对此必须继续划分，直至分到树叶为止。
该图的叶子结点中，带X的结点框代表全属多边形范围，空心的结点框表示全不属多边形范围。
图2—3用四叉树方法表示一个多边形的例子
图2—4一个多边形的树状数据结构
为了在计算机中既能以最小的冗余来存储与图像对应的四叉树，又能方便地完成各种图形操作，现巳有多种编码方法，如线性四叉树编码的存储算法、常规四叉树编码的存储算法等。
这些栅格数据压缩方法各有利弊，我们应视图形的复杂情况合理选用，同时应在系统中备有相应的处理程序。
另外，用户的数据分析目的和方法也在很大程度上决定着压缩方法的选取。
2.2矢量数据结构
矢量数据结构是另一种最常见的图形数据结构，地理实体用一系列x,y坐标来确定它们的位置，即通过记录坐标的方式，尽可能的将点、线、面等地理实体表现得精确无误。
该数据结构常用于描述线状分布的地理要素，如河流、道路、等值线等。
任何的点、线、面实体都可以用直角坐标点x,y来表示，这里，x,y可以对应于地面坐标经度和纬度，也可以对应于数字化时所建立的平面坐标x和y。
点可以被表示成一组坐标（x,y），对于线和面，则均被表示为多组（x1,y1；x2,y2；…；xn,yn），由于表示面的多边形由首尾相连的线所组成，所以其起、止点的坐标相同。
这些由x,y坐标表示的点都是由光滑的曲线间隔采样得到的，同样的一条曲线，取的点越多，则以后恢复时就越接近原来的曲线，失真越少，但数据量将增加；反之，取的点太少，恢复时就可能成为折线，出现失真的情况。
这种用x,y坐标表示的失量编码方法文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示，但是其缺点也是明显的，例如：
·邻接多边形的公共边被数字化和存储两次，由此将产生数据冗余或边界不重合的匹配误差。
·每个多边形都自成体系，而缺少有关邻域关系的信息。
·不能解决多边形嵌套问题，内嵌的小多边形只作为单个的图形建立，没有与外面多边形的联系，即不能解决多边形关系中“洞”和“岛”的结构，例如，图2—5中面1和面2的结构。
·没有方便的办法来检查多边形边界的拓扑关系正确与否，例如是否存在不完整的多边形等。
图2—5多边形矢量编码的例子
为了解决上述问题，人们引入了树状索引编码法，这种方法是对所有边界点进行数字化，将坐标按顺序方式存储，以点索引和边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状结构。
相应的文件结构如图2—6所示。
图2—6树状索引的文件结构例子
采用树状索引编码法消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致问题，邻域信息和岛状信息可通过线索引处理得到，但较麻烦。
同时，上述编码表是以人工方式建立的，故较容易出错，而且这种编码基本上没有考虑到独立多边形，因而在地理信息系统中查询、检索较为困难。
为了有效地解决内嵌和邻域关系问题，最好的方法是采用拓扑结构编码方法，并且只有建立完整的拓扑多边形数据结构，岛屿多边形邻域关系处理，奇异多边形及“死点”检查等问题才能彻底而有效地解决。
关于拓扑结构编码方法的具体内容请读者参见有关文献。
综上所述，地理信息系统空间数据的矢量数据结构表示方法可分为简单结构表示法与拓扑结构表示法两种，前者的实现相对简单、方便，但效果
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