地理信息系统概论.docx
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地理信息系统概论
地理信息系统概论
讲稿
授课教师：
王玲
授课班级：
地理科学2013级1班
授课学期：
2015-2016学年第1学期
2015年8月
第一章导论
教学目的：
初步了解什么是地理信息系统，掌握地理信息系统的基本概念
教学内容：
第1节地理信息系统基本概念
第2节GIS的基本构成
第3节GIS的功能简介
第4节GIS的发展透视
重点和难点：
地理信息系统的一些基本概念
教学手段:
讲授法
作为全球信息化浪潮重要组成部分舶地理信息系统的建设与应用，日益引起科技界、企业界和政府部门的广泛关注。
地理信息系统、遥感技术和全球定位技术三者有机结合，构成科学地理学日臻完善的技术体系，引起世界各国普通的重视。
地理信息系统是管理和分析空间数据舶科学技术，它及时而又准确地向地学工作者、各级管理和生产部门提供有关区域综合、方案优选、战略决策等方面可靠的地理或空间信息，这就是地理信息系统的主要职能。
在论述地理信息系统之前，先介绍有关基本概念。
第1节地理信息系统基本概念
一、数据与信息
1、两者在词义上的差别：
数据是信息的表达，信息则是数据的内容；
2、数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；
3、信息是当代社会发展的一项重要任务。
二、地理信息与地理信息系统
1、地理信息
（1）地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称；
（2）地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。
2、地理信息系统
（1）GIS是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科，它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列基本问题，如空间对象表达与建模、空间关系及推理机制、空间信息的控制基准、空间信息的认知与分析、GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化、空间信息的政策与标准等；
（2）GIS的操作对象是空间数据,空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码，并实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等；
（3）GIS是管理和分析空间数据的应用工程技术，该工程技术系统由六个子系统组成；
（4）GIS为地理学解决复杂的规划与管理问题提供了有效的手段，而地理学则为GIS提供了重要的基础理论依托；
（5）GIS的科学定义：
地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。
其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。
第2节GIS的基本构成
一、系统硬件
由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。
二、系统软件
由系统管理软件、数据库软件和基础GIS软件组成，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。
三、空间数据库
由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。
四、应用模型
由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。
•五、用户界面
由菜单式、命令式或表格式的图形用户界面所组成，是用以实现人机对话的工具。
•第3节GIS的功能简介
基本功能
一、数据采集与编辑；
二、数据存储与管理；
三、数据处理和变换；
四、空间分析和统计；
五、产品制作与显示；
六、二次开发和编程。
七、辅助决策；
八、定位服务。
第4节GIS的发展透视
一、发展概况
二、发展简史；
三、发展态势：
1、GIS已成为一门综合性技术；
2、GIS产业化的发展势头强劲；
3、GIS网络化已构成当今社会的热点；
四、地理信息科学（geoinformatics）的产生和发展。
1、基础理论
地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科，因此它明显的体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系；
各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究，如美国国家自然科学基金委员会（NSF）支持成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA）等，研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机理和地理信息不确定性等；
李德仁院士在《空间信息系统的集成与实现》一书中，扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题：
地球空间信息学的基准；
地球空间信息标准；
地球空间信息的时空变化理论；
地球空间信息的认知；
地球空间信息的不确定性；
地球空间信息的解译与反馈；
地球空间信息的表达与可视化。
第2章地理信息系统的数据结构
教学目的：
认识地理空间的表达，掌握地理空间数据的结构和特征
教学内容：
第1节地理空间及其表达
第2节地理空间数据及其特征
第3节空间数据结构的类型
第4节空间数据结构的建立
重点和难点：
空间数据结构的类型；空间数据结构的建立
教学手段:
讲授法
第1节地理空间及其表达
一、地理空间的概念
1、概念：
地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”（Geo-spatial）来表述，一般包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。
地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。
2、坐标：
目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，该坐标系选
用1975年国际大地测量协会推荐的国际椭球（固2—1），其具体参数为：
赤道半径（a）＝6378140.O000000000m
极半径（b）=6356755．2881575287m
地球扁率（f）＝a-b/a=1/298.257
根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存：
一是1954年北京坐标系（局
部平差）；二是1980年国家大地坐标系（整体平差）；三是地心坐标系。
二、空间实体的表达
1、地理空间的特征实体包括点（point）、线（line）、面（polygon）、曲面（surface）和体（volume）等多种类型。
2、采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素时，称为矢量表示法
3、采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，称为栅格表示法。
第2节地理空间数据及其特征
一、GIS的空间数据
GIS中的饿数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型：
1、地图数据。
来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的类别和属性清晰，实测地形图还具有很高的精度。
2、影像数据。
主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、多角度和多种分辨率的遥感影象数据，构成多源海量数据，也是GIS的最有效的数据源之一。
3、地形数据。
来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型（DEM）和其他实测的地形数据等。
4、属性数据。
来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等c
5、元数据。
来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。
空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型：
1、类型数据。
例如考古地点、道路线、土壤类型的分布等。
2、面域数据。
例如随机多边形的中心点，行政区域界线、行政单元等。
3、网络数据。
例如道路交点、街道、街区等o
4、样本数据。
例如气象站、航线、野外样方分布区等。
5、曲面数据‘，例如高程点、等高线、等值区域等。
6、文本数据。
例如地名、河流名称、区域名称等。
7、符号数据。
例如点状符号、线状符号、面状符号等。
二、空间数据的基本特征
1、特征
（1）三条呈不同分布状态的交通线。
（2）三条分别具有不同等级的交通线。
（3）三条互相具有关联关系的交通线。
空间特征数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据，属性特征数据包括地理实体或现象的专题是属性（名称、分类、数量等）数据和时间数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据或地理数据。
因此，空间数据的特征可以概括为空间特征和属性特征。
2、拓扑结构
（1）概念：
拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在地理信息系统中，它不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。
（2）种类：
a.拓扑邻接：
指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。
b.拓扑关联。
指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。
C．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。
（3）拓扑关系的意义：
a.根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。
b.利用拓扑数据有利于空间要素的查询
c.可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。
第3节空间数据结构的类型
数据结构一般可分为：
基于矢量模型的数据结构
基于栅格模型的数据结构
矢量栅格一体化的数据结构。
一、矢量数据结构
1、定义：
基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。
2、类型:
（1）简单数据结构
在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最单性的是面条结构。
这类数据结构的主要特点是：
a、数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。
b、每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致。
c、点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据．互相之间不关联。
d、岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。
（2）拓扑数据结构
拓扑数据结构包括D1ME（对偶独立地图编码法）、POLYVRT（多边形转换器）、TIGER（地理编码和参照系统的拓扑集成）等。
它们共同的特点是：
点是相互独立的，点连成线，线构成面。
每条线始于起始结点（FN），止子终止结点（TN）,并与左右多边形（LP和RP）相邻接。
构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的弧段相交的点称为结点，由一条弧段组成的多边形称为岛，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域；含岛区的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。
在复连通区域中．包括有外边界和内边界．岛区多边形看作是复连通区域的内边界，复连通区域的内边界多边形对应的区域含有平面上的无穷远点。
在这种数据结构中，弧段或链段是数据组织的基本对象。
弧段文件由弧段
记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、FN、TN、LP和RP。
结点文件由结点记录组成，包括每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等。
多边形文件由多边形记录组成，包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。
拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能。
这种拓扑编辑功能，不但保证数字化原始数据的自动查错编辑，而且可以自动形成封闭的多边形边界，为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。
（3）曲面数据结构
曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度、磁场等。
表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算，常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，称为TIN。
二、栅格数据结构
1、定义：
基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。
1、类型
（1）栅格矩阵结构
栅格矩阵结构是指一种全栅格阵列的空间数据组织形式
（2）游程编码结构
游程是指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。
（3）四叉树数据结构
将空间区域按照四个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止。
（4）八叉树和十六叉树结构
八叉树结构是从四叉树结构直接发展而来的，其原理就是将空间区域不断地分解成八个同样大小的子区域。
三、矢量与栅格一体化数据结构
1、基本概念：
新一代集成化的地理信息系统，要求能够统一管理图形数据、属性数据、影象数据和数字高程模型（DEM）数据，称为四库合一。
既保持了矢量特性，又具有栅格的性质，就能将矢量与栅格统一起来，这就是矢量与栅格一体化数据结构的基本概念。
四、矢量与栅格数据结构的比较
优点：
矢量数据结构：
便于面向现象（土壤类、土地利用单元等）的数据表示
数据结构紧凑、冗余度低
有利于网络分析
图形显示质量好、精度高
数据结构复杂
软件与硬件的技术要求比较高
多边形叠合分析比较困难
显示与绘图分析比较困难
显示与绘图成本比较高
数据结构简单
空间分析和地理现象的模拟均比较容易
有利于与遥感数据的匹配应用和分析
输出方法快速，成本比较低廉
图形数据量大
投影转换比较困难
栅格地图的图形质量比较低些
现象识别的效果不如矢量方法
第3章空间数据的获取与处理
第一节空间数据的获取
空间数据获取——地理信息系统建设首先要进行的任务
它可以有多种实现方式：
包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中已有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力资源的工作。
空间数据获取的方式：
1、野外数据采集
2、地图数字化
3、摄影测量
4、遥感图像处理
5、属性数据获取
一、野外数据采集
1、对于大比例尺的城市地理信息系统而言，野外数据采集可能是一个主要手段。
2、野外数据采集涉及到地形测量的整套技术和生产工艺，详细内容请参阅地形测量的有关教程。
测量的仪器：
平板测量
（1）全站仪（电子平板）测量
（2）GPS测量
在图形数据录入完毕后，需要进行各种处理，包括坐标变换、拼接等等。
其中最重要的是建立拓扑关系，在拓扑建立过程中，需要先对各种错误修改，
二、地图数字化
随着技术的发展，人们对地图的要求进一步提高，由于传统纸地图效率、速度和精度很低，因此难以适应现代和未来科技发展。
而通过GIS工具，可以把纸地图经过一系列处理而转换成可以在屏幕上显示的电子化地图，可以满足人么使用地图的新的要求。
1、矢量化电子地图
当纸地图经过计算机图形图象系统光一电转换量化为点阵数字图象，经图象处理和曲线矢量化，或者直接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸地图相对应的计算机数据文件称为矢量化电子地图。
这种地图工作时需要有应用软件和硬件系统的支撑。
对矢量化地图的操作是以人机交互方式，通过GIS应用软件对硬件设备的控制来实现的。
2、矢量电子地图与纸地图相比有如下优点：
（1）计算距离和标注地名符号快速准确；
（2）可对地图局部放大、全图缩小和移动显示、漫游功能很强；
（3）分层显示地图（当对地图上各种信息分不同层归类存放后，则可以显示某些层，关闭不显示的层）；
（4）可以以图元为单位进行信息编辑修改，人机交互画线标注符号文字，删除地图上多余的信息。
（5）可以通过计算机网络进行电子地图传递，提供信息共享，传递的速度快，保密性强。
（6）如果能有效解决地图符号自动分割和识别问题，则能实现地图的智能矢量化。
这里智能化是指自动矢量化和自动标注符号，最佳路径优化选择和自动跟踪目标等。
3、矢量电子地图与点阵电子地图图像相比的优点
（1）相同信息量下前者的文件相对要小得多，图越复杂表现越明显；
（2）前者可对所有图元分层显示，后者只能做到对整图某区域（矩形区）的开窗显示控制。
（3）前者可以以图元为单位进行信息编辑修改删除，人机交互画线标注符号文字。
后者只能以像素为基本单位进行拷贝、移动或删除，即它的编辑功能很差。
4、地图数字化的方式：
（1）手扶化仪数字化
尽管手扶跟踪数字化工作量非常繁重，但是它仍然是目前最为广泛采用的将已有地图数字化的手段。
利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标。
其具体的输入方式与地理信息系统软件的实现有关，另外一些GIS系统也支持用数字化仪输入非空间信息，如等高线的高度、地物的编码数值等等。
手扶跟踪数字化仪是通过相关接口与计算机进行连接的，为了能够进行正确的数据发送和接收，为了保证数据录入的正确，必须设置数字化软件的参数和数字化仪的一致。
在进行数字化前，首先要确定需要数字化哪些信息，在目前由于大多数GIS软件对空间数据采用分层管理，所以要确定输入哪些图层，以及每个图层包含的具体内容。
另外，由于数字化过程不可能一次完成，在两次输入之间地图的位置可能相对于数字化板发生错动，这样前后两次录入的坐标就会偏移或旋转。
在每次录入之前，先输入至少三个定位点，或称为注册点，这些点相对于地图的位置是固定的，这样两次输入的内容就可以根据定位点坐标之间的关系进行匹配。
（2）扫描矢量化
由于手扶跟踪数字化需要大量的人工操作，使得它成为以数字为主体的应用项目瓶颈。
扫描技术的出现无疑为空间数据录入提供了有力的工具。
在扫描后处理中，需要进行栅格转矢量的运算，一般成为扫描矢量化过程。
扫描矢量化可以自动进行，但是扫描地图中包含多种信息，系统难以自动识别分辨，这使得完全自动矢量化的结果不那么“可靠”，
所以在实际应用中，常常采用交互跟踪矢量化，或者成为半自动矢量化。
5、将栅格图像转换为矢量地图一般需要以下一系列步骤
（1）图像二值化（Threshold）
图像二值化用于从原始扫描图像计算得到黑白二值图像（BinaryImage）,通常将图像上的白色区域的栅格点赋值为0；而黑色区域为1，黑色区域对应了要矢量化提取的地物，又称为前景。
（2）平滑
图像平滑用于去除图像中的随机噪声，通常表现为斑点。
（3）细化
细化将一条线细化为只有一个像素宽，细化是矢量化过程中的重要步骤，也是矢量化的基础。
（5）链式编码
链式编码将细化后的图像转换成为点链的集合，其中每个点链对应于一条弧段。
（6）矢量线提取
将每个点链转化成为一条矢量线。
每条线由一系列点组成，点的树木取决于线的弯曲程度和要求的精度。
三、摄影测量
摄影测量在我国基本比例尺图生产中起了关键作用,我国绝大部分1:
1万和1:
5万基本比例尺地形图使用摄影测量方法。
同样，在GIS空间数据采集的过程中，随着数字摄影测量技术的推广，亦将起越来越重要的作用。
四、遥感图像处理
五、属性数据处理
一般采用键盘输入，输入的方式有两种：
1、对照图形直接输入
2、预先建立属性表输入属性，或从其他统计数据库中导入属性，然后根据关键字与图形数据自动联接。
第二节空间数据的处理
数据处理包括：
1、数据变换
指数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，包括几何纠正、投影转换和辐射纠正等，以解决空间数据的几何配准。
2、数据重构
数据重构指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换、格式变换、类型替换等，以解决空间数据在结构、格式和类型上的统一，实现多源和异构数据的联接与融合。
3、数据提取
数据提取指对数据进行某种有条件的提取，包括类型提取、窗口提取、空间内插等，以解决不同用户对数据的特定需求。
一、空间数据的坐标变换
空间数据坐标变换的实质是建立两个平面点之间的一一对应关系，包括：
1、几何纠正
2、投影变换
1、几何纠正
几何纠正是为了实现对数字化数据的坐标转换和图纸变形误差的改正。
现有的几种商业GIS软件一般都具有仿射变换、相似变换、二次变换等几何纠正功能。
2、投影变换
当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。
投影转换的方法可以采用：
（1）正解变换
（2）反解变换
（3）数值变换
3、地图投影的类型
（1）方位投影
（2）圆锥投影
（3）圆柱投影
我国常用的地图投影
我国的GIS应用工程所采用的投影一般与我国基本地形图系列一致的地图投影系统，这就是大中比例尺（1：
50万以上）的高斯—克吕格投影（横轴等角切椭圆柱投影）和小比例尺（1：
100万以下）时的兰勃特（Lambert）投影（正轴等角割圆锥投影）。
我国基本比例尺地形图（1：
100万、1：
50万、1：
25万、1：
10万、1：
5万、1：
2.5万、1：
1万、1：
5000），除1：
100万外均采用高斯—克吕格投影为地理基础。
我国1：
100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百分之一地图投影保持一致。
我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的阿尔伯斯（Albers）投影（正轴等面积割圆锥投影）；
二、空间数据结构的转换
由于矢量数据结构和栅格数据结构各具有不同的优缺点，一般对它们的应用原则是：
1、数据采集采用矢量数据结构，有利于保证空间实体的几何精度和拓扑特性的描述；
2、而空间分析则主要采用栅格数据结构，有利于加快系统数据的运行速度和分析应用的进程。
由矢量向栅格的转换
由栅格向矢量的转换
三、多源空间数据的融合
1、遥感与GIS数据的融合
2、不同格式数据的融合
1、遥感与GIS数据的融合
两者的数据融合，有利于增强多重数据的复合能力，改善遥感信息提取的及时性和可靠性，便于利用遥感影像辅助GIS空间数据的获取与更新，有效地提高各类数据的使用率。
遥感与GIS数据的融合，目前最常用的方法具体表现为：
（1）遥感图像与图形的融合。
经过正射纠正后的遥感影像，与数字地图信息融合，可产生影像地图。
这种影像地图具有一定的数学基础，有丰富的光谱信息与集合信息，又有行政界限和属性信息，直接提高了用户的可视化效果。
（2）遥感数据与DEM的融合。
DEM代表精确的地形信息，它与遥感数据的融合，有助于实施遥感影像的几何校正与配准，消除遥感图像中因地形起伏所造成的像元位移，提高遥感图像的定位精度，同时DEM可参与遥感图像的分类，改善分类精度。
（3）遥感图像与地图扫描图像的融合。
将地图扫描图像配准叠合，可以从遥感图像中快速发现已发生变化的区域，进而实现GIS数据库的自动/半自动快速更新。
2、不同格式数据的融合
由于GIS软件的多样性，每种GIS软件都有自己特定的数据模型，造成数据存储格式和结构的不同。
目前不同GIS软件系统使用的空间数据格式主要有：
ESRI公司的ARC/INFOCoverageArcShapefiles、E00格式；Aotodesk公式的DXF和DWG格式；MapInfo公司的MIF格式；Intergraph公司的DGN格式等等。
解决这些不同格式数据之间的融合，主要有以下几种方法：
（1）基于转换器的数据融合。
在这种模式下，数据转换一般通过交换格式进行。
基于数据标准的数据融合
采用一种空间数据的转换标准来实现多源GIS数据的融合。
（2）基于公共接口的数据融合
又称为数据互操作模式。
接口相当于一种规程，它是大家都遵守并达成统一的标准。
（3）基于直接访问的数据融合
指在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问，用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。
四、空间数
升级会员 