地理信息系统原理重点整理

地理信息系统原理 第一章 绪论 地理信息系统是对地理空间实体和地理现象的特征要素进行获取 处理 表达 管理 分 析 显示和应用的计算机空间或时间系统 地理空间实体是指具有地理空间参考位置的地理实体特征要素 具有相对固定的空间 位置和空间相关关系 相对不变的属性变化 离散属性取值或连续属性取值的特性 地理现象是指发生在地理空间中的地理事件特征要素 具有空间位置 空间关系和属性 随时间变化的特性 地理信息系统具有以下五个基本特点 1 地理信息系统是以计算机系统作为支撑的 2 地理信息系统操作的 对象是地理空间数据 3 地理信息系统具有对地理空间数据进行空间分析 评价 可视化和模拟的综合利用优势 4 地理信息系统具有分布特性 5 地理信息系统的成功应用更强调组织体系和人的因素的作用 这是由地理信息系统的复 杂性和多学科交叉性所要求的 地理信息系统的组成 硬件 分为基本设备和拓展设备两大部分 基本设备包括计算机主机 含鼠标 键盘 硬 盘 图形显示器等 存储设备 光盘刻录机 磁带机 光盘塔 磁盘阵列等 数据输入设备 数字化仪 扫描仪 手写笔等 以及数据输出部分 打印机 绘图仪等 拓展部分包括数 字测图系统 图像处理系统 多媒体系统 虚拟现实与仿真系统 各类测绘仪器等 软件 按层次结构组成和运行的软件体系 低水平 高水平 操作系统 网络管理软件 工具软件 标准软件 图像图形处理 数据库系统 系统库 程序 设计等 GIS 基本功能软件 商业化的 GIS 工具或平台 GIS 应用软件 二次开发 GIS 与 用户的接口 通讯软件 用户界面 通讯软件 4D 产品 数字线划数据 digital line graph DLG 数字栅格数据 digital raster graph DRC 数字高程模型 digital elevation model DEM 数字正射影像 digital ortho map DOM 基于 3s 技术的对地观测系统 P26 图 1 25 地理信息系统的技术基础 地理信息系统是一项多种技术集成的技术系统 数据采集 技术 包括遥感技术 全球定位系统 三维激光扫描技术 数字测图技术等 现代通信技 术 计算机网络技术 软件工程技术 虚拟现实与仿真技术 信息安全技术 网络空间信 息传输技术等构成了 GIS 技术体系的主要技术 第二章 地理信息系统基础理论 地理学是研究地球表面地理环境的结构分部 发展变化的规律性以及人地关系的学科 已经经历了近代地理学和现代地理学两个发展阶段 地理学是研究地理环境的科学 地理 环境可以划分为自然环境 经济环境和社会文化环境 地理学的三个发展阶段 第一阶段一地理学定量分析为特点 第二阶段以图形学为特 点 注重数量的空间关系 进一步由大地测量 遥感 摄影测量 GPS 的融入 发展到 geomatics 第三阶段开始引入 GIS 借助 GIS 来研究地理问题 地理信息系统与地理学的关系 1 地理学是我们理解世界的基础科学 GIS 使得地理科学活生生的应用到现实世界中 包括 科学中的基础部分 2 地理学与 GIS 密不可分 两者完美结合 地理学的进一步研究 需要 gis 的支持 GIS 的 开发需要对地理问题深入认识 两者结合 互相促进了二者的发展 地理信息科学的理论 体系 研究方法 学科地位的建立和完善 有利于地理学家对瞬时信息进行定性分析 空 间信息的定位分析 时间信息的趋势分析 环境信息的综合分析 3 地理信息的虚拟分析与严爵得以发展 4 数值模拟和定量化研究不断加强 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 他是对 表达地理特征要素和地理现象之间关系的地理数据的解释 地理数据是各种地理特征和现象之间关系的符号化表示 包括位置特征 属性特征和 时态特征三个基本特征部分 第三章 地理空间数据表达基础 方里网是由平行于投影坐标轴的两组评选线索构成的方格网 因为是每隔整公里绘出 坐标纵线和坐标横线 所以称为方里网 又称直角方里网 经纬网 地理坐标网 地图对地理信息实体要素的描述方法分为线划地图和影像地图两种 地图图层是对地 理信息的专题表达 1 线划地图是按照一定的比例 一定的投影规则 有选择地将复杂的三维地理实体的某些 内容投影绘制在二维平面媒体上 并用符号将这些内容要素表现出来 在地图学上把地理 空间分为点线面三种要素 点状要素 是指那些占据面积较小 不能按比例尺表示 又要定位的实体 线状要素 是指那些在地面上呈线状或带状的地理实体 如河流道路等 面状要素 指在空间占有一定面积的地理实体 一般用面状填充符号表达 2 遥感影像地图有正射影像图 DOM 和真正射影像图 TDOM 前者由数字高程模型纠 正获得 DEM 后者由数字地形表面模型纠正获得 3 在 GIS 中 地理实体要素是以数字化的数据形式存在的 GIS 数据表达的基本要求和原则 1 定义表达空间数据的表达类型 2 对不同的数据表达类型进行空间建模的原则 3 同一空间参考系原则 4 数据分层组织和无缝图层原则 5 数据分类编码原则 6 数据库存储和管理原则 7 数据集组织原则 8 空间索引要求 9 建立 空间拓扑关系原则 10 建立空间元数据库要求 为了对空间数据库进行维护更新和共享服务 需要对空间数据 的定义 内容 格式 参考 系统 质量 标准 状态 日期等信息进行描述 这类信息称为元数 据 11 为了到达上述的数据表达要求 需要对空间数据进行输入 整合和编辑 这一系列的工 作称为空间数据库的建库 在 GIS 中 地理空间对象的基本表达类型有 5 种 矢量数据 栅格数据 连续数据 属性 数据 元数据 矢量数据用于描述和表达离散地理空间实体要素 地图描述信息的属性是通 过地图符号 颜色和地图注记 栅格由一系列的栅格坐标或像元所处栅格矩阵的行列号 I J 定义其位置 每个像元独立编码 并载有属性 栅格单元的大小代表空间分辨率 表示表达的精度 连续表面数据书描述地球表面上的每一个位置都具有一个值的一类数据 替代方法 1 等值线方法 2 等值域方法 3 栅格数据集方法 4 不规则三角网表达方法 元数据就是 关于描述数据信息的数据 主要作用 1 帮助数据生产者有效管理和维护空间数据 建立数据文档 2 提供数据生产者对数据产品的说明信息 便于用户查询利用空间数据 3 提供通过计算机网络查询数据的方法和途径 便于数据交换和传输 4 帮助用户了解数据的质量信息 对数据的使用做出正确判断 5 提供空间数据互操作的基础 元数据的内容主要是包括对数据库的描述 对数据库中的各数据项 数据来源 数据所 有者和数据生产历史等的说明 对数据质量的描述 如精度 数据的逻辑一致性 数据的完 整性 分辨率 数据的比例尺等 对数据处理信息的说明 如纲量的转换等 对数据转换方 法的说明 对数据库的更新集成方法风的说明 空间关系是指地理空间特征或对象之间存在的与空间特征有关的关系 拓扑空间关系是 GIS 中重点描述的地理特征或对象之间的一种空间逻辑关系 根据拓 扑关系绘制的图称为拓扑图 在拓扑关系在 GIS 中 是以数据表数据文件的形式进行存储 的 主要用于描述点和多边形图形元素之间的逻辑关系 有关联关系 邻接关系 连通关 系和包含关系 计算机就是通过在弧段序列中找到弧段之间的共同节点来判断与弧段之间 是否存在连接性 第四章 地理空间数据模型建模 数据模型是对数据特征的抽象描述 它不是描述个别数据特性 而是描述数据的共性 一个地理空间数据模型应能描述地理空间数据以下特征 1 静态特性 包括实体和实体应有的特性 实体间的联系等 通过构造基本数据结构类型 来实现 2 动态特性 即现实世界中的实体及实体间的不断发展变化 通过对数据文件的索 插入 删除和修改等操作来实现 3 数据间的相互制约与依存关系 通过一组完整性约束规则来实现 地理空间数据模型可分为矢量数据模型 栅格数据模型 连续表面数据模型和属性数 据模型 图 4 2 P111 空间数据模型是以逻辑方式对客观世界进行抽象 是一组由相关关系联系在一起的空 间对象定义和空间关系表达的规则集 是几何数据模型和语义数据模型的混合体 也称为 地理空间数据的逻辑模型 地理空间数据结构是基于地理空间数据模型构建的物理数据文件格式 与数据在计算 机中的编码 存储和表达方式有关 地理空间数据结构提供了为地理空间数据模型而定义 的操作 并将操作映射到数据结构特定的代码上 模型和对象的区别 矢量数据模型往往被拆成几个简单元素表示 但他们共享一个属 性描述 特征元素表示的意义和实际的情况有很大区别 特征一般不具有独立实体意义 一个对象对应现实世界中的一个具有完整意义的地理是提要素 并对其一系列固有属性和 可能的操作方式进行了封装 一般具有很强的独立性 对象的特性 1 抽象性 2 封装性 3 多态性 4 继承性 面对对象数据建模的四种核心数据技术是 分类 概括 聚集和联合 地理数据模型的进展 1 CAD 数据模型 2 coverage 数据模型 是 arcgis 8 软件以前版本使用的地理空间数据模型 也称为地理关系数 据模型 是面向特征建模的数据模型 coverage 数据模型存储和管理数据的基本单元是数 据层 3 geodatabase 数据模型 是面向对象的数据模型 矢量数据是以点 线和多边形为基本表达特征元素 并用以表达具有形状和边界的离 散对象 矢量数据模型是以特征数据集合特征类存储特征元素的 线段 链和环视特征形状的组合几何元素 Arcgis 的几何对象模型 图 4 21 P127 Coverage 数据模型 是空间数据 属性数据和与特征有联系的拓扑关系的结合体 Coverage 的主要特征类型有点 弧段 多边形和节点 Shapefile 主要由包含空间和属性数据的 3 个主要文件构成 也可能包括任选具有索引 信息的其他文件 这些文件有点线面特征组成的一个特征类 可以是点 点集 折线或多 边形组成的同类特征的集合 Coverage 模型与 shapefile 模型的主要区别是 前者具有拓扑关系 后者没有拓扑关系 前者有过个类 后者只有一个类 栅格数据来源 栅格数据表达影响或连续数据 栅格数据最常用的数据源是卫星影像 航空影像 某个特征的照片 扫描的地图文件 矢量转化成的栅格数据等 栅格数据的基本类型 栅格数据有两个基本类型 专题数据和影像数据 专题数据可能 用于土地利用的专题分析 影像数据可能用于其他地理数据的地图和导出专题数据 连续表面数据模型 连续表面用于表达有限点数的具有 Z 值的连续场 常用模型有两种 栅格数据模型和不规则三角网模型 最常见的应用是对地形变化这类连续值的建模表达 第五章 地理空间数据库 GIS 与 SDBMS 空间数据库管理系统 的关系 gis 提供了便于分析地理数据和将地理数 据可视化的机制 提供了丰富的分析功能 可对地理数据进行相应的变换 利用 gis 可对 某些对象和图层进行多种操作 利用 SDBMS 可对更多的对象集合图层集进行更为简单的操 作 回答集合查询比 GIS 更为优越 GIS 图形界面 空间和统计分析工具 数据转换 导入和导出 几何和拓扑关系支持 SDBMS 数据自主独立 完全集成的空间数据 事物处理 并发 备份 恢复 统一的查询语言 空间数据库 定义为具有内部联系的空间数据的集合 可以管理和维护海量数据 并为 不同的 GIS 应用所共享 应满足一下要求 1 空间数据库是数据库系统 2 空间数据库系统在它的数据模型中 提供空间数据类型及其空间查询语言 3 数据库应当具备两个最核心的特征 一个是持久性 一个是事务 空间数据索引 数据库的索引可以用来快速访问一条快速查询所请求的数据 而无需遍 历整个数据库 索引是为提高查询效率而设计的辅助文件 它只记录两个域 主键和数据 文件中的页面地址 空间索引技术的核心是 根据查询条件 迅速找到与该条件相交的所有空间数据的集合 在这个缩小的集合上再处理各种复杂的搜索 效率大大提高 空间索引是对存储在介质上的数据位置信息的描述 用来提高系统对数据获取方式的 效率 四叉树索引方法 四叉树是有根树 每个内节点有 4 个子节点 四叉树每个节点对应空 间的一个方形区域 如果节点 v 有子节点 则它对应的方形区域书属于 v 的四个方形区域 因此得名四叉树 根节点的 4 个子节点被标识为 NE NW SW SE 空间数据的分层 地理信息固有的层次性为 GIS 分层进行数据组织提供了依据 通常按以下 方式进行分层 1 按专题属性进行分层 2 按时间序列进行分层 3 按实体几何类型进行分层 4 按实体属性进行结构分层 5 按照垂直分带性分层 6 按上述方法综合考虑分层 空间数据存储方案 1 磁盘阵列技术 2 网络存储技术 3 基础网络存储技术 4 虚拟存储技术 空间数据库的存储方案 1 分幅数据存储方案 分图幅对地图数据进行管理一般只会时候数据生产部门 因为他们很 少会对数据进行跨图幅的分析操作 2 无缝图层数据存储方案 在数据的分析应用中 跨图幅操作是很常见的事情 建立无缝图 层是简化数据操作的必要条件 第六章 地理空间数据获取与处理 地理空间数据源的类型 数据源主要指建立 GIS 的地理数据库所需的各种数据来源 主 要包括地图 遥感数据 文本数据 统计调查数据 多媒体数已有系统的数据等 可归纳 为原始采集数据 再生数据和交换数据三种来源 地图数据 是 gis 的重要数据源 包括多尺度图形数据 遥感数据 是重要数据源 包括多尺度影像数据和非成像数据 文本数据 主要是一些文档资料数据 如规范条例等 统计调查数据 主要是通过社会调查 人口统计 经济统计等获取的社会经济数据 实测数据 是指通过各种传感器实时感知得到的观测数据 多媒体