地理信息系统.docx
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地理信息系统
第1章地理信息与地理数据
黑体为老师画的重点
1、信息：
是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。
数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料。
包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。
2、地理数据:
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、属性特征及时域特征三部分。
地理信息:
是有关地理实体的性质、特征和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。
3、信息系统：
是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。
地理信息系统（GIS）定义：
由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务。
4、空间数据空间数据特征：
空间特征、属性特征、时间特征
地理信息系统的操作对象是地理数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。
空间特征：
是指地理实体的空间位置及相互关系；是GIS区别于其它的软件的根本特征
属性特征：
表示地理实体的名称、类型和数量等；
时间特征：
指实体随时间而发生的相关变化。
5、GIS与CAD与CAM的区别在于：
CAD不能建立地理坐标系和完成地理坐标转换；
GIS的数据量比CAD、CAM大的多，结构更为复杂，数据间联系紧密，这是因为GIS涉及的区域广泛，精度要求高，变化复杂，要素众多，相互联系，单一机构难以完整描述；
CAD和CAM不具备GIS具有地理意义的空间查询和分析功能。
6、GIS的基本构成：
计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（空间数据）、系统操作人员、应用模型
GIS基本功能：
数据采集与编辑、数据存储与管理、数据处理与变换、空间分析与统计、产品制作与显示、二次开发与编程
第二章空间数据模型
1、根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线和面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量或者栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。
2、空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供着基本方法。
空间数据概念模型可以分为三种（填空）：
①场模型：
用于描述空间中连续分布的现象，如污染物的集中程度、地表温度、土壤湿度。
②要素模型：
用于描述各种空间地物
③网络模型：
可以模拟现实世界中的各种网络
3、空间数据逻辑模型：
①栅格数据模型②矢量数据模型
4、矢量模型和栅格模型各具的特点和之间的区别
答：
数据结构一般分为基于矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构。
栅格模型：
栅格（Raster）数据结构是面向位置的结构，平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。
但对于某一个具体的目标又没有直接聚集所有信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也不能完整地建立地物之间的拓扑关系。
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。
栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。
每一个单元格对应一个相应的地块。
栅格数据特点：
①属性明显：
数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，因而我们可以直接得到地物的属性代码。
②定位隐含：
所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。
③栅格数据结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。
栅格结构的建立：
①数据获取②栅格系统的确定③栅格代码的确定
栅格数据编码方法：
①直接栅格②编码行程编码（变长编码）③块码④链式编码、Freeman链码、边界链码⑤四叉树编码
栅格数据的获取方式：
手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。
扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。
由矢量数据转换而来。
遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。
格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。
常见栅格压缩编码方法总结：
链码的压缩效率较高，已经近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域的性质，区域运算困难。
游程长度编码既可以在很大程度上压缩数据，又最大限度地保留了原始栅格结构，编码解码十分容易。
但对破碎数据处理效果不好。
块码和四叉树编码具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，但运算效率是其瓶颈。
其中四叉树编码可以直接进行大量图形图像运算，效率较高，是很有前途的方法。
矢量模型：
矢量数据是面向地物的结构，即对于每一个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明。
矢量数据用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置。
矢量数据结构的优点是:
数据占存贮空间小,空间位置精度高,空间关系描述全面,容易建立拓扑关系,空间和属性数据综合查询更方便。
矢量数据结构的主要缺点是:
数据结构复杂,处理位置关系（包括相交、通过、包含等）费时,地图叠加分析较困难,边界复杂模糊的事物难以描述,不能直接处理图像信息,与DTM和RS结合困难等。
矢量数据获取方式：
1）由外业测量获得：
可利用测量仪器自动记录测量成果（常称为电子手薄），然后转到地理数据库中。
2）由栅格数据转换获得：
利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。
3）跟踪数字化：
用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据
矢量数据编码方法：
①点实体；②线实体；③多边形：
坐标序列法、树状索引编码法、拓扑结构编码法
两种数据结构的比较
优点
缺点
矢量
1、数据结构紧凑、冗余度低
2、有利于网络和检索分析
3、图形显示质量好、精度高
1、数据结构复杂
2、多边形叠置分析困难，没有栅格有效。
栅格
1、数据结构简单，易于算法实现。
2、便于空间分析和地表模拟
3、现势性强
1、数据量大
2、投影转换比较复杂
5、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。
第三章空间参考系和地图投影（重点章节，最好看下课件）
一、大地水准面：
海洋静止时，海洋平面与该点的重力方向相垂直，这个面叫水准面。
水准面有无数个，与静止时平均海平面相重合的面叫大地水准面。
由于地球内部质量不均，处处与重力方向相交的大地水准面不规则，仍然不能有数学表达。
最自然的面
不规则，无法进行测算，必须找到规则的面来代替
我国大地坐标系使用的椭球体：
使用椭球体我国大地坐标系
克拉索夫斯基椭球体————————
IAG75椭球体————————————
WGS84椭球体————1954年北京坐标系
1980年国家大地坐标，西安80坐标系
GPS测量数据
椭球体模型
用椭球体近似表达地球表面。
地球半径为6371km。
二、高程基准和水准面
高程基准：
地面点到大地水准面的高程，成为绝对高程；地面点到任一水准面的高程，称为相对高程。
水准面：
海洋静止时，海洋平面与该点的重力方向相垂直，这个面叫水准面。
我国主要高程基准：
1956年黄海高程系：
即以1950年至1956年间青岛验潮站获得的平均海平面作为高程基准面，即零高程面。
中国水准原点建立在青岛验潮站附近。
用精密水准测量测定水准原点相对于黄海平均海面的高差，即水准原点高程，作为全国高程控制网的起算高程。
所测国家水准原点（青岛原点）高程为72.289米。
1985国家高程基准：
采用青岛验潮站1952年至1979年验潮资料确定的黄海平均海面。
所测国家水准原点（青岛原点）高程为72.260米。
即1956黄海高程基准相比其高差为29毫米。
我国其他高程基准：
大连高程基准、大沽高程基准、废黄河高程基准、长江流域习惯采用吴淞高程基准、
珠江地区习惯采用珠江高程基准等
深度基准：
海图图载水深及其相关要素的起算面。
通常取当地平均海面向下一定深度为这样的起算面，即深度基准面。
在一副海图中，陆地高程是以规定的国家高程基准起算的。
在我国灯塔、灯桩等高程是以平均大潮高潮面起算。
深度则是以规定的深度基准起算。
三、北京54和西安80坐标系:
通过建立地球椭球体模型及确定椭球体的原点建立的坐标系叫地理坐标系。
经纬度坐标及高程坐标可以作为所有空间要素的参照系统。
这个坐标系统是球面坐标系统：
是以三维球面为基础的。
用经纬度量测，单位度、分、秒，又称为大地坐标系。
54年北京坐标系：
在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测，通过大地坐标计算，推算出北京点的坐标，北京坐标系是苏联42年坐标系的延伸，其原点在苏联普尔科沃。
80年西安坐标系：
78年4月召开“全国天文大地网平差会议”建立80年西安坐标系，其原点在西安西北的永乐镇（34°32′27.00〃N，108°55′25.00〃E），简称西安原点。
椭球体参数为75年国际大地测量与地球物理联合会第16界大会的推荐值。
四、高斯-克吕格投影：
由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充，故称为高斯—克吕格投影。
1、高斯-克吕格投影原理：
属于横轴等角切圆柱投影（横轴墨卡托投影）。
这种投影是将椭圆柱面套在地球椭球的外面，并与某一子午线相切（此子午线叫中央子午线或中央经线），椭圆柱的中心轴通过地球椭球的中心，然后用等角条件将中央子午线东西两侧各一定经差范围内的地区投影到柱面上，并将此柱面展成平面，即获得高斯投影。
2、高斯投影特征：
①中央经线和赤道投影为互相垂直的直线，且为投影的对称轴；
②投影后无角度变形，即保角投影；
③中央经线无长度变形
④同一条经线上，纬度越低，变形越大，赤道处最大；同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；
⑤为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影；
3、高斯-克吕格投影分带：
3度带和6度带
①6度带：
从0度开始，自西向东每6度分为一个投影带，全球共分为60个投影带。
②3度带：
从东经1度30分开始，自西向东每3度分为一个投影带，全球共120个带。
我国1:
1万至1:
50万的地形图全部采用高斯－克吕格投影。
1:
2.5万至1:
50万的地形图，采用6°分带方案，全球共分为60个投影带；我国位于东经72°到136°间，共含11个投影带；1:
1万比例尺图采用3°分带方案，全球共120个带。
4、高斯-克吕格投影坐标原点：
在高斯克吕格投影上，规定以中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴的交点为坐标原点。
X坐标值在赤道以北为正，以南为负；Y坐标值在中央经线以东为正，以西为负。
我国在北半球，X坐标皆为正值。
Y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。
为了避免Y坐标出现负值，通常将各带的坐标纵轴西移500公里，即将所有Y值都加500公里。
5、墨卡托（Mercator）投影：
又称正轴等角切圆柱投影，其原理是假设有一个与某一标准纬线相切的圆柱面，先把球面映射到这个圆柱面，再把这个圆柱面展开成为一个平面。
在墨卡托投影中，强调角度不变——假定地球表面有两点A和B，在地球球面上，B相对于A的角度是北偏东，那么经过墨卡托投影之后，在平面地图上，B相对于A的角度仍然是北偏东。
这一点在航海中非常重要，因为在茫茫大海中，没有什么参照物，只能根据罗盘或者星象来判断方位，如果地图上终点相对于出发点的方位角和实际的方位角不同，那么这样的地图在航海中没有实际意义。
正因为如此，海图一般都是采用墨卡托投影规则制作的
（极地海图除外）。
（注意摩卡托投影和高斯投影的区别）
五、地图投影
投影原理：
设想的地球是透明体，在球心有一点光源S（投影中心），向四周辐射投影射线，通过球表面（各点A、B、C、D……）射到可展面（投影面）上，得到投影点a、b、c……，然后再将投影面展开铺平，又将其比例尺缩小到可见程度，从而制成地图
投影变形：
1、长度变形：
地球仪上，纬线长度不等；同一纬线上，经差相同，纬线长度相同；同一经线上，纬差相同而经线长度不同；所有经线长度相等。
2、面积变形：
地球仪上，同一纬度带内，经差相同的网格面积相等；同一经度带内，纬度越高，面积越小。
3、角度变形：
地球仪上，经线与纬线处处呈直角相交。
空间数据获取与处理
一、GIS的数据源
二、栅格数据获取方式：
1、手工获取，专题图上划分均匀网格，逐个决定其网格代码。
2、扫描仪扫描专题图的图像数据{行、列、颜色（灰度）}，定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到（行、列、属性）再进行栅格编码、存贮，即得该专题图的栅格数据。
3、由矢量数据转换而来。
4、遥感影像数据，对地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。
5、格网DEM数据，当属性值为地面高程，则为格网DEM，通过DEM内插得到。
三、元数据
1、定义：
元数据是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用。
元数据的内容包括对数据集的描述、对数据质量的描述、对数据处理信息的说明、对数据转换方法的描述、对数据库的更新、集成等的说明。
（课件上的定义：
元数据（Metadata）是描述数据的数据（Dataaboutdata），如数据的内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。
）
2、元数据的内容：
对数据集的描述、数据质量的描述、数据处理信息的说明、数据转换方法的描述、数据更新、集成等说明。
3、空间数据元数据的应用：
①帮助用户获取数据；②空间数据质量控制；③在数据集成中的应用。
4、地理信息系统与元数据
基于元数据的GIS功能扩展：
查错功能（Debugging）
数据浏览功能（BrowsingorCatalog）
程序自动生成（ProgramGeneration）
基于元数据的数据集成：
基于元数据可以实现对数据自动解释与处理，使得不同格式、精度、类型的数据可以很好的协同完成一个指定的任务。
5、地理信息元数据确定的原则：
①完整性原则：
核心元数据集应该能够完整地描述数据集的最重要的信息。
②准确性原则：
元数据应该准确而整洁地描述数据集的主要特征。
③结构性原则
6、地理信息元数据的主要内容：
①标识信息；②数据质量信息；③空间参照系统信息；④内容信息；⑤分发信息；
⑥核心元数据参考信息。
四、空间索引
1、空间索引：
空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。
2、作用：
空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，通过筛选作用，排除大量与特定空间操作无关的空间对象，从而提高空间操作的速度和效率。
3、原理：
自顶向下、逐级划分空间的各种数据结构。
3、索引类型：
①实体范围索引；②格网型空间索引；③四叉树空间索引；④R树和R+树索引。
空间分析
一、空间分析含义
GIS的空间分析是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、非空间属性数据运算、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。
空间分析目的是通过对空间数据的分析处理，获取地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间演变等新信息。
二、缓冲区分析缓冲区分析的原理和用途？
1、缓冲区分析：
是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立其周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或者主体对邻近对象的辐射范围或者影响程度，是解决临近度问题的空间分析工具之一。
它在交通、林业、资源管理、城市规划中有着广泛的应用。
例如：
湖泊和河流周围的保护区的定界；机场周围噪音影响缓冲区；民宅区远离街道网络的缓冲区的建立等。
2.类型：
①点：
圆形缓冲区；②线：
长条缓冲区；③面：
向内、外的缓冲带。
3.缓冲区用途：
①查询；②空间分析，如距学校一定距离内不能有游戏厅、道路拆迁估算、商业选址等。
4、空间缓冲区分析过程：
（1）建立缓冲区：
以图形元素为基础，拓宽或紧缩一定宽度而形成的区域。
这个宽度通常是等距的，也可以是不等距的缓冲区。
（2）缓冲区分析；根据建立的缓冲区，对缓冲区内的空间信息形态、特征、分布作进一步分析。
三、叠置分析
1、空间叠置概念：
空间叠置分析（SpatialOverlayAnalysis）是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠置，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。
2、地理信息系统叠加分析可以分为以下几类：
视觉信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形叠加、栅格图层叠加。
（1）点与多边性的叠置：
确定一个图层上的点落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层上的点建立新的属性。
例如:
将水井与规划区图层相叠置，可确定每口井所属的规划区范围。
（2）线与多边形的叠置：
确定某一线状图层上的弧段落在另一多变性图层上的哪个多边形内，以便为图层的每条弧段建立新的属性。
例如：
当确定某一行政区内各种等级道路的里程数时，就需要将道路图与境界图相叠置
（3）多边形与多边形的叠置。
四、空间插值
1、定义：
将离散的数据点转化为连续的数据曲面，是用已知点来估算其他未知点的过程。
2、需要插值的原因：
①现有离散曲面的分辨率、像元大小、方向与要求不符；
②现有连续曲面的数据模型与要求不一致（TIN—Raster）；
③现有数据不能完全覆盖所要求的区域
3、空间插值原理:
假设空间位置上越靠近的点，越有可能具有相似的特征值；而距离越远的点，其特征值相似的可能性越小。
4、空间插值方法：
整体插值方法：
用研究区所有采样点的数据进行全区特征拟合；①边界内插；②趋势面分析③变换函数插值
局部插值法：
仅仅用邻近的数据点来估计位置点的值
①泰森多边形（Thiessen），即最邻近法；②距离倒数插值；③样条函数插值
④空间自协方差最佳插值法—克里金插值
五、数字高程模型
1、概念：
数字地面（地形）模型（DTM）是通过地表点集的空间坐标及其属性数据表示表面特征的地学模型。
是带有空间位置特征和地面属性特征的数字描述。
（是地形表面形态属性信息的数字表达，是描述地面特性的空间分布的有序数值阵列。
）
DTM中属性为高程的要素叫数字高程模型（DEM）。
实际上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。
2、DEM主要表示模型：
①规则格网模型：
通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则格网。
规则格网将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。
规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理。
它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式；
格网DEM的缺点是不能准确表示地形结构和细部，为避免这些问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、三脊线、谷底线、断裂线，以描述地形结构。
格网DEM的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来了不便，通常要进行压缩存储；
DEM数据的无损压缩可以采用普通的栅格数据压缩方式，如游程编码、块码等；
但是由于DEM数据反映了地形的连续起伏变化，通常比较“破碎”，普通压缩方式难以达到很好的效果，可以采用哈夫曼编码。
②等高线模型：
等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值，一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。
等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段；
由于等高线模型只表达了区域的部分高程值，往往需要一种插值方法来计算落在等高线外的其它点高程。
③不规则三角网（TIN）模型：
TIN即不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork），是一种表示数字高程模型的方法。
TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。
如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。
TIN的数据存储方式比格网DEM复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。
不规则三角网与高程矩阵方法不同之处是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和调整采样点的位置，因而它能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。
3、规则格网DEM优点和缺陷：
优点：
规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理。
它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式。
缺陷：
①在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；
②在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象；
③在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向
4、格网DEM分析的主要应用
（1）地形曲面拟合：
DEM最基础的应用是求DEM范围内任意点的高程，在此基础上进行地形属性分析。
由于已知有限个格网点的高程，可以利用这些格网点高程拟合一个地形曲面，推求区域内任意点的高程。
（2）立体透视图：
绘制透视立体图是DEM的一个极其重要的应用。
透视立体图能更好地反映地形的立体形态，非常直观。
人们可以根据不同的需要，对于同一个地形形态作各种不同的立体显示，更好地研究地形的空间形态。
（3）通视分析：
通视分析有着广泛的应用背景。
典型的例子是观察哨所的设定、森林中火灾监测点的设定、无线发射塔的设定等。
通视问题可以分为五类：
a）已知一个或一组观察点，找出某一地形的可见区域；b）欲观察到某一区域的全部地形表面，计算最少观察点数量；c）在观察点数量一定的前提下，计算能获得的最大观察区域；d）以最小代价建造观察塔，要求全部区域可见；e）在给定建造代价的前提下，求最大可见区。
根据问题输出维数的不同，通视可分为点的通视，线的通视和面的通视。
（4）流域特征地貌提取与地形自动分割：
是进行流域空间模拟的基础技术。
主要包括两个方面：
a）流域地貌形态结构定义，定义能反映流域结构的特征地貌，建立格网DEM对应的微地貌特征；b）特征地貌自动提取和地形自动分割算法。
（5）计算地形属性：
DEM派生的地形属性数据可以分为单要素属性和复合属性二种。
前者可由高程数据直接计算得到，如坡度因子，坡向。
后者是由几个单要素属性按一定关系组合成的复合指标，用于描述某种过程的空间变化，这种组合关系通常是经验关系，也可以使用简化的自然过程机理模型。
综合分析
一、地理信息系统与一般管理信息系统的区别
答：
管理信息系统：
只有属性数据的管理，既使存储了图形，也往往以文件形式来存储，
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