1、地理信息系統原理學習大綱學時：32 任課教師：余志偉了解電話：61748965（H）M）第1章 緒論內容： 地理信息技術的發展與應用。GIS的特征。學習要點：數據(Data)：事實和其它原始資料，可以處理成信息。信息(Information)：經過處理的有用的數據。知識(Knowledge):通過人類智力活動可將信息轉換成對事物普遍性的描述，即知識，可以記錄和傳播。認識(Understanding):用世界觀和個人視角集成的知識，整體存在于人類大腦中。智慧(Wisdom):人類大腦產生的整體形成的認識。知識經濟：指建立在知識和信息的生產、分配和使用基礎上的經濟。信息系

2、統(Information System):能對數據和信息進行采集、存儲、加工和再現，并能回答用戶一系列問題的系統。 數據挖掘(Data Mining): 從數據中提取隱含的、先前不知道的和潛在有用的知識到過程，也稱數據庫知識發現。數據挖掘的基本思想就是從數據中抽取有價值的信息，其目的是幫助決策者尋找數據間潛在的關聯，發現被忽略的要素，而這些信息對預測趨勢和決策行為也許是十分有用的。 地理信息:是有關地理實體的性質、特征及運動狀態的表征和一切有用的知識，它是對表達地理特征與地理現象之間關系的地理數據的解釋。而地理數據則是各種地理特征和現象間關系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征(簡稱屬性)及

3、時域特征三部分。空間位置數據描述地物所在位置；這種位置即可以根據大地參照系如大地經緯度坐標定義，也可以根據地物間的相對位置關系如空間上的相鄰、包含等定義。屬性數據又稱為非空間數據，是屬于一定地物、描述其特征的定性或定量指標。時域特征是指地理數據采集或地理現象發生的時刻/時段。時域數據對環境模擬分析非常重要。空間位置、屬性及時間是地理空間分析的三大基本要素。地理信息系統(Geographic Information System, GIS):地理空間數據的數字處理系統;是60年代發展起來的一種集數據采集、存儲、分析于一體，對地球表面(含大氣層)、地球內部及空間、地理分布等情況進行描述、管理的空間

4、信息系統。地理是相對于地球而言；空間強調的是數據的立體模型；數字表示機器可讀; 處理則是數據到信息的必由之路。注意：地理信息系統中的“地理”是個空間概念，是一個大地質的概念。第一章 小結一個GIS的構成，可以簡單地分成三個部分：空間數據、空間數據庫管理系統、空間數據分析處理軟件。 一個地理信息系統如果不提供空間數據的分析處理功能，實際上就蛻化為 一個地理數據庫；反之，一個地理數據庫，如果加強了空間數據的分析處理功能，就升格為一個地理信息系統。當然，目前的空間數據庫一般都帶有一定的分析處理功能，不過，一般來說，地理信息系統應具有比一般地理數據庫更為全面、豐富、完善的空間和非空間分析功能，尤其是一

5、些專門化的應用模型，更是GIS的核心組成之一。地理數據庫: 完備的數據管理功能地理信息系統：完備的空間分析功能智能化地理信息系統：還具有空間建模功能，能解決需要專家知識才能解決的問題。關于空間分析：空間分析是地理信息系統的主要特征，也是評價一個地理信息系統的主要指標之一。空間分析是基于地理對象的位置和形態特征的數據分析技術，其目的在于提取和傳輸空間信息。空間分析是各類綜合性地學分析的基礎，為人們建立復雜的空間應用模型提供了基本工具。思考題數據與信息、知識的區別。地理信息系統與CAD的區別與了解學習地理信息系統的必要性。第2章 地理坐標與地圖投影內容： 地圖投影與坐標變換。學習要點：地理坐標&#

6、190;用經緯度表示地面定位的球面坐標。大地經緯度：大地經度¾參考橢球面上某一點的大地子午面與本初子午面間的兩面角。東經為正，西經為負。大地緯度¾參考橢球面上某一點的法線(垂直線)與赤道面的交角。北緯為正，南緯為負。地心經緯度：地心指地球橢球體的質量中心。地心經度同大地經度，地心緯度是指參考橢球面上某一點和橢球中心連線與赤道面間的夾角。由于地球是一橢球體，大地緯度(j)與地心緯度(y)有差別;它們與赤緯(f)也不同。地圖投影：地圖投影是指建立地表曲面和投影平面兩個點集間的一一對應關系，亦即研究如何將地球曲面表示到地圖平面的方法與過程。簡而言之，研究如何將地球上的點(地形地物

7、)在平面上表示出來。(一)投影分類1按地圖投影的構成方法分類(1) 幾何投影l 方位投影(Azimuthal Projections)l 圓柱投影(Cylindrical Projections)l 圓錐投影(Conical Projections)上述投影又可根據球面與投影面的相對位置不同，分為： 正軸投影 (the normal aspect) 橫軸投影 (the transverse aspect) 斜軸投影 (the oblique aspect)(2) 非幾何投影 并不借助輔助投影面，而是根據某些特定要求，用數學解析方法，求出投影公式，確定平面與球面之間點與點之間的函數關系。按經緯線

8、形狀，分為偽方位投影、偽圓柱投影、偽圓錐投影、多圓錐投影。2. 按地圖投影的變形性質分類(1) 等角投影(conformality，Conformal Projection)(2) 等積投影(equivalence, Equal-area Projection, Equivalent Projection)(3) 任意投影(二) 常用地圖投影1. 等角正割圓錐投影1978年我國規定用它作為1:100萬分幅地形圖的數學基礎。2. 等角正切圓柱投影(墨卡托投影)由比利時人墨卡托于1569年為航海所創立。其實用價值為圖上任意兩點連成的直線為等角航線，按此方位角航行，可一直到達目的地。3. Gauss

9、-Krüger(等角橫切橢圓柱投影)與通用橫軸墨卡托投影(UTM， Universal Transverse Mercator) 高斯-克呂格投影是將一橢圓柱橫切于地球橢球體上，該橢圓柱與橢球體表面的切線為一經線，稱為中央經線。然后根據一定的約束條件(投影條件)，將中央經線兩側規定范圍內的點投影到橢圓柱上，從而得到點的高斯投影，按投影分類其屬于解析投影。UTM投影(通用橫軸墨卡托投影,Universal Transverse Mercator), 與高斯-克呂格投影基本一樣。UTM是等角橫割橢圓柱投影，在投影帶內有兩條長度比1的標準經線，中央經線的長度比為0.9996。所以，高斯-克

10、呂格投影的y值乘上系數0.9996，即為UTM投影。本章提要地球是球體，地圖是平面，將球面的景物表現在平面上必然會產生球面與平面之間的矛盾。地圖投影的實質就是通過一定的數學方法，建立球面坐標和平面直角坐標(或極坐標)的變換函數關系。地圖投影必然產生變形。采用不同的投影方法，建立的經緯網形狀不同，其變形性質和變形分布規律也不同。地圖主比例尺是表明地圖投影時地球縮小的倍率，只適用于個別沒有變形的點或線。長度變形是最主要的變形，它制約著角度變形和面積變形。變形性質不同的投影，各有不同的用途。制圖區域的地理位置、范圍、形狀，影響地圖投影的選用。思考題·地理坐標系的基本要素有哪些？分別寫出其定

11、義。·天文經緯度、大地經緯度和地心經緯度的差別。·地圖投影變形表現在哪幾個方面？為什么說長度變形是主要變形？·地圖投影按變形性質分為哪幾類？它們的特性是什么？·什么叫長度比、長度變形、面積比、面積變形？·什么是主比例尺？什么是局部比例尺？·簡述空間定位數據在數字地球及地理信息系統中的意義。·地理坐標涉及地理信息系統中的哪些主要問題？·墨卡托投影具有什么特性和用途？·說明高斯-克呂格投影的變形性質、變形分布規律及用途。·UTM與高斯-克呂格投影的差別。第3章 空間數據結構內容：地理實體及空間關系。

12、矢量數據結構，柵格數據結構；矢量到柵格的數據格式轉換。空間數據結構新技術。學習要點：(一) 在地理信息系統中，將地理實體分為四種對象(object)：(1)點對象(Point Object) 點對象是有特定位置的維數為零的物體，代表一個點實體(Point Entity)，如城市、村莊、鉆孔等。一個主題可以是若干點對象組成。(2)線對象(Line Object)線對象是維數為1的物體，代表一個線實體(Line Entity)，如河流、線段、邊界、鏈、網絡等。可以定義一個線對象由多個多邊線組成，如河流有干流、支流等；也可以定義簡單線對象(無回路和分叉)，此時一個線類主題可由若干線對象組成。(3)

13、面對象(Surface Object)面狀實體包括湖泊、森林、島嶼、地塊等，在二維圖中表現多邊形。可以定義一個面對象由多個不連接Face(多邊形)組成，如一個國家的領土常由好幾個多邊形組成；也可以定義一 個面對象只由相連接的Face組成，由面類主題將它們聚合起來。(4) 體對象(Body Object)一個體對象代表一個空間三維實體，如地層、斷層、礦體等。一個三維實體由若干平面或曲面包圍組成。體中間若包含“空洞”，則為復雜的體。但體中包含的“空洞”，應作為另一個體對象處理。通過體類主題可將體對象聚合起來。(二) 表達地理實體對象的幾何元素(geometric element)：節點(結點)(N

14、ode)頂點(角點)(Vertex)弧段(arc)邊(edge)面或多邊形(face or polygon)其中節點和弧段是最基本的。(1)節點(結點)(Node)Node可以代表一個點對象，也可以是一個弧段或多個弧段的起點和終點。(2)頂點(角點)(Vertex)弧段的內部點。(3) 弧段(arc)兩個節點之間的連線，中間可以有也可以沒有頂點。弧段可以是線對象的一部分，也可以是Face的一部分。為簡單起見，弧段可認為是直線或折線，但也可以是數學曲線，此時應有(與節點有關的)數學表達式。(4) 邊(edge)Edge是中間性質的幾何元素。它們是Face的一部分，由弧段組成。每個Edge都有一個

15、序號，表明了在Face中的位置，并規定了arc的方向。(5) 面或多邊形(face or polygon)Face是最高層次的幾何元素，由edge組成。它可以是面對象的一部分，也可以是體對象分一部分(若干Face構成體的表面)。在二維情況下，face呈多邊形。在三維中，face有方向,可根據edge的方向用右手系規則定義。Face一般是平面，也可以是曲面(基于edge的數學函數)。(三) 拓撲“拓撲”一詞在希臘語中是“形狀的研究”。拓撲學研究在拓撲變換下能夠保持不變的幾何屬性¾拓撲屬性。地圖上的拓撲關系是指圖形保持連續狀態下變形，但圖形關系不變的性質。地理實體間的拓撲關系有：(1)

16、拓撲鄰接:指空間圖形中同類元素之間呈鄰接的關系。(2)拓撲關聯:指空間圖形中不同元素之間呈關聯的關系。(3) 拓撲包含:指空間圖形中同類但不同級元素之間的包含關系。(四) 空間數據的組織矢量數據格式柵格數據格式矢量柵格一體化數據格式矢量數據結構以代表實體的幾何要素的空間坐標值為基礎。矢量數據結構以空間坐標系的連續性為假定前提。柵格數據結構實質上就是像元陣列。柵格數據是二維表面上地理空間 數據的離散、量化、近似值。(五) 多邊形矢量編碼(1) 實體型點用一對坐標(x,y)表示，線用兩個或兩個以上有序坐標表示，面由一條或一個以上首尾相連的線(或弧段)組成。用實體型數據表示空間數據直觀、明了，但空間

17、相互關系被隱含其中。(2) 索引式索引式編碼的核心就是建立一本“字典”，用以說明多邊形和點或線的隸屬關系。即先建立點坐標文件，再建立弧段-點索引文件、多邊形-弧段索引文件。(3) 雙重獨立式雙重獨立式數據結構是對圖上網狀或面狀要素的任何一條線段，用其兩端的節點及相鄰多邊形來予以定義，組成一個弧段文件。通過雙重獨立式編碼可以檢查數據，并自動形成面文件(面由哪些弧段組成)。(4) 鏈狀雙重獨立式 鏈狀雙重獨立式數據結構是DIME數據結構的一種改進。在DIME中，一條邊只能有直線兩端點的序號及相鄰的多邊形來表示，而在鏈狀數據結構中，將若干直線段合為一個弧段，每個弧段可以有若干中間點。 鏈狀雙重獨立式

18、數據結構主要有四個文件組成：多邊形文件、弧段文件、弧段坐標文件、節點文件。鏈狀雙重獨立式編碼也稱為多邊形轉換器(POLYVRT,POLYgon conVeRTor)在上述矢量數據結構模型中，前兩種(實體型、鏈/點字典型)稱為路徑拓撲(Path Topology)模型，后兩種稱為網絡拓撲(Graph Topology)模型。這兩種模型的主要區別在于前者將二維要素的邊界作為獨立的一維要素來單獨處理，而不考慮要素之間的相互關系；而后者則是在一個關于邊界的關系網絡模型中來考查二維要素。(六)三維拓撲關系三維拓撲關系要建立的文件:(1) 對象文件(點、線、面、體)(2) 幾何元素文件(Node、Arc、

19、Edge、Face)(3) 拓撲查詢文件 包括NODEONF(Node on Face)、NODEINB (Node In Body Object)、ARCONF(Arc On Face)、ARCINB(Arc In Body Object)、ARCPOFL(Arc Part Of the Line)共5個文件(七)柵格數據結構的編碼方法1. 直接編碼將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行逐列地記錄每個代碼數據。不采用任何壓縮處理，是一種最直觀、最基本的柵格數據存儲方式。2. 游程壓縮編碼又稱游程長度編碼(Run Length Encoding)，是柵格數據的一種比較簡單的保真壓縮編碼方法。編碼中，

20、將原始柵格陣列中屬性值相同的連續若干個柵格單元映射為一個游程，每個游程的數據結構為(A,P)，其中A代表屬性值或屬性值的指針，P 表示該游程最右端柵格的列號。(注:還有一種游程編碼P是行程的長度即重復的個數)。3 鏈式數據編碼(Chain Encoding)又稱為Freeman編碼。此法是從某一起點開始沿8個基本方向前進的單位矢量鏈來表示線狀地物或多邊形的邊界。單位矢量的長度為一個柵格單元的邊長或對角線的長度，每個后續點位于前繼續點的8 個基本方向之一。4 線性四叉樹編碼四叉樹壓縮編碼(Quarter-tree Encoding)的基本思路為：將一幅柵格圖像或地圖四等分，逐塊檢查每塊的屬性值是

21、否一致，再對屬性值不均一的塊四等分，再逐塊檢查其屬性值的一致性，以此類推，直至每個子塊的屬性值均一為止。MQ碼: 四進制線性四叉樹Morton碼(位置碼)。該碼實際上就是自然數碼。MD碼: 十進制線性四叉樹Morton碼(位置碼)。該碼實際上就是自然數碼。l 自下而上(down-top)線性四叉樹編碼: (1) 基于四進制的線性四叉樹位置編碼法中每個柵格的Morton碼(實際操作中該步可不作) MQ=2×Ib+Jb Ib和Jb 是二進制行、列號 (2) 計算十進制的Morton碼(MD) II=(inin-1i2i1)2 JJ=(jnjn-1j2j1)2 MD=(injnin-1jn

22、-1i2j2i1j1)2 再轉換成十進制(3) 壓縮、合并記錄葉節點的位置(MD)及屬性值 對每一層次，如果4個相鄰的MD對應的柵格的屬性值相同則合并(只保留4個中最小的MD)，否則將4個柵格作為葉節點記錄下來(記錄其位置MD及屬性值)。 (4) 將壓縮后的MD按大小次序排列 排序后前后兩個MD碼之間的差值即表示了葉節點的大小(子區的大小)，因而也省去了葉節點深度的存儲。(5) 二維行程編碼(八)矢量柵格數據結構相互轉換(不要) 1. 矢量數據結構向柵格數據結構轉換點、線、面的轉換。2. 柵格數據結構向矢量數據結構轉換的方法步驟對于圖像數據文件和再生柵格數據文件，應采用不同的方法。1) 基于圖

23、像數據的矢量化方法：二值化 細化 跟蹤2) 基于再生柵格數據的矢量化方法：邊界線跟蹤化 拓撲關系生成 去除多余點及曲線圓滑(九)矢量-柵格一體化數據結構細分格網一個點的位置用兩個Morton碼來表示，第一個表示點在基本格網中的位置，第二個則表示在細分格網的位置。思考題1. 總結、歸納矢量數據結構。2. 總結、歸納柵格數據結構。3. 歸納矢量-柵格數據相互轉換的方法。4. 線性四叉樹編碼的方法步驟？5. 矢柵一體化數據的優點？第4章 GIS數據模型與數據庫內容：ARC/INFO、MapInfo數據模型。GIS中的SQL查詢，GIS數據庫設計。學習要點:(一) ARC/INFO數據模型 ARC/I

24、NFO采用一種混合數據模型定義和管理地理數據。其中的空間數據使用拓撲數據模型來表示，而屬性數據則使用關系數據模型。在“ARC/INFO”中，ARC是指用于定義地物空間位置和關系的拓撲數據結構，“INFO”是指用于定義地物屬性的表格數據(關系數據)結構，“ARC/INFO”則是兩種混合數據模型及其處理過程的關系。(二)MAP/INFO數據文件組織 MapInfo以實體型數據結構組織圖形數據，點、線、多邊形、區域等要素的空間位置和相互關系都是通過坐標來表示。1. MapInfo表 一個典型的MapInfo表主要由 .TAB文件,.DAT(MDB、TXT、DBF、XLS、WKS)文件，*.MAP文件

25、，*.ID文件，*.IND文件五種文件組成。2.工作空間文件 *.WOR 工作空間是正在使用的所有表和窗口的列表。.WOR用于保存有關在某次MapInfo交互使用中所使用的表和窗口的信息，相當于VB、VC中的工程文件。3. MIF文件和MID文件MIF(MapInfo Interchange Format)即MapInfo交換格式，是一種能完整描述MapInfo數據庫的ASCII文件格式。MID (MapInfo Interchange Data)即MapInfo交換數據。MIF文件存放空間數據，MID文件存放屬性數據。(三) 地理元數據(Geospatial Metadata)和數據字典(D

26、ata Dictionary) 地理元數據: 關于數據的數據(Data about data)，是有關數據和信息資源的描述信息。數據字典:是數據庫中各類數據描述的集合，或說是元數據及相關數據操作的集合，其主要功能是存儲和檢索元數據。(四)如何通過MIF、MID文件將圖形和屬性數據導入MapInfo系統?(五) MapInfo的數據庫存儲模式MapInfo采用雙數據庫存儲模式，即將空間數據與屬性數據分開存儲。屬性數據存儲在關系數據庫的若干屬性表中，而空間數據則以MapInfo的自定義格式保存于若干文件中，二者通過一定的索引機制了解起來。(六) MapInfo中用點數據文件導入點對象有幾種途徑？它

27、們有何區別？有三種途徑: 通過MIF、MID文件導入； 通過打開圖表文件調入點數據文件(TXT或數據庫文件)，再用“制造圖點”法將點對象投影到地圖上; 通過地理編碼導入。 前二種方法適用于已有坐標的點數據，后一種適用于沒有坐標的點數據；第1、3種方法產生本地(Native)表數據庫,第2種方法使用外部表數據庫。(七) SQL查詢SelectFromWhere思考題1. 如何通過MIF、MID文件將圖形和屬性數據導入MapInfo系統?2. 如何對柵格圖像進行配準、在屏幕上跟蹤圖層，并對圖層建立屬性數據庫？3. 何謂地理元數據和數據詞典？第5章 空間分析內容：基本圖形運算。緩沖區分析。空間疊置分

28、析原理與操作。網絡分析。柵格數據的空間分析。空間分析綜合應用實例。學習要點：GIS的空間分析是指以地理事物的空間位置和形態特征為基礎，以空間數據運算或空間數據與屬性數據的綜合運算為特征，提取與產生新的空間信息的技術和過程。 空間分析功能是GIS的主要特征和評價GIS軟件的主要指標之一。GIS空間分析技術主要包括空間幾何分析、網絡分析、空間統計分析、影像分析和數字地形分析等內容，從技術方法上，又可將GIS空間分析分為兩大類，即基于矢量數據的空間分析和基于柵格數據的空間分析。(一) 基本圖形運算1. 圖形量算長度量算公式多邊形面積的量算地形的體積量算2. 包含分析(二) 緩沖區分析緩沖區: 緩沖區

29、又稱為影響區或影響帶，是指圍繞地理要素的一定寬度的區域。緩沖區分析:緩沖區分析是用來確定不同地理要素的空間鄰近性和接近程度的一類重要的空間操作。從數學的角度看，緩沖區分析是給定一個空間對象或集合，確定它們的鄰域，鄰域的大小由鄰域半徑R決定。(三) 空間疊置分析原理與操作空間疊置分析:把同一地區的兩幅或兩幅以上的圖形重疊在一起進行圖形運算和屬性運算，產生新的空間圖形和屬性的過程。視覺信息疊加點與多邊形疊置線與多邊形疊置多邊形疊置(四)網絡分析1. 網絡的組成2路徑優化與選址 (1) 計算最短(佳)路徑的Dijkstra算法(2) 選址問題用圓去覆蓋該網絡，其中半徑最小的圓的圓心即定義為該網絡中心

30、。3. 地理編碼地理編碼又稱為位置匹配，是在含位置的表格數據和相關圖層之間建立了解，并為表格數據創建一個相應的點要素圖層。地理編碼的過程是先對含位置記錄的數據庫和帶有位置屬性的要素圖層進行比較，如果找到一個匹配，被匹配的地理要素的地理坐標就被分配給含相應位置的表格數據記錄，并在位置信息和被匹配的地圖要素之間建立鏈接。當對表格數據進行地理編碼后，就可以對表格數據進行空間定位查詢和分析。(五) 柵格數據的空間分析柵格圖層疊置地圖代數¾作用于不同數據層面上的基于數學運算的疊加運算。地圖代數有三種不同的類型：(1) 基于常數對數據層面進行的代數運算(2) 基于數學變換對數據層面進行的數學變換(指數、對數、三角函數等)(3) 多個數據層面的代數運算和邏輯運算(與、或、非、異或等)。思考題1. 總結、歸納基本圖形運算的內容2. 總結、歸納緩沖區分析和空間疊置分