GIS理论与实践_学习报告

1、研究生课程GIS理论与实践学习报告学 院： 国土资源工程学院 专 业： 测绘工程 学生姓名： * 学 号： * 授课教师： * 日 期： 2014年11月 一、课程学习目的1、理解GIS的相关概念，说明GIS和相关学科的关系2、掌握地理空间信息的描述方法3、掌握GIS的特点、类型与组成4、了解GIS的基本功能和用途5、理解地理数据分类描述的方法6、理解和掌握地理空间数据的拓扑关系7、掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法8、了解栅格与矢量数据之间的转化方法9、了解GIS的发展概况重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。二、课程学习相关内容本门课程主要包括理论知识的学习和上

2、机操作（一） 理论知识1、地理信息系统的定义地理信息系统（GIS）是采集、存储、管理、表达和分析处理空间信息的软件工具，它以实体的空间位置信息为主线，集成经济、社会、环境、科技、文化等各类信息，为各种应用服务。数据：对客观世界的表示，在GIS中主要是指对地球表面与自然环境的表示。信息：加工提炼过的数据、数字、字符、图表中有意义的事物。信息具有共享性、客观性。信息系统：能够对数据进行采集、处理、分析、输出、传输，回答用户提问的系统。地理信息：是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征等一切有用的知识。它是对地理特征与地理现象之间的地理数据的解释，而地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，

3、包括空间位置、属性特征以及时域特征三部分组成。2、地理信息的特点：数据量大 一张精度适当的地图，其数据量超过百万字的书籍，相当于一张光盘的容量。例如，城市地理信息系统处理的数据量预期将达到百万GB；区域分布性 地理现象在空间分布上是不均匀的，有的区域分布密集，有的区域分布稀疏。例如综合性大都市，数据的数据结构相当复杂，所涉及的内容相当广泛；信息载体的多样性 地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身。其次，还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。3、GIS的主要功能数据的采集与编辑数据的采集与编辑主要用于获取数据，保证GIS数据库中的数据在内

4、容与空间上的完整性。方法：定位设备，数字化设备，数据交换，数据内容与相应设备，误差探测与编辑，边界匹配数据的存储与组织数据的存储与组织是一个数据集成的过程，也是建立GIS数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。空间数据管理的主要任务是在空间数据之间建立拓扑关系。属性数据的组织有文件系统、层次结构、网络结构与关系数据库管理系统等。目前被广泛采用的主要是关系数据库系统。在数据的存储与组织中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体数据的处理与管理数据格式化(Data formation)是指不同数据间的变换，尤其是矢量数据与栅格数据之间的转化。数据转换(Data transfer)

5、涉及到数据比例尺的缩放、平移、旋转等方面，其中最主要的是投影变换。几何变换方法，坐标变换（回忆矩阵的知识）数据的表达与可视化用户利用地理信息系统的显示功能不仅可以观察查询和分析的结果，而且还可以进行信息的表达输出。数据的空间分析与应用分析功能包括查询、检索、统计计算、空间分析、模型分析等方面。查询、检索、统计计算是GIS以及许多数据信息系统应具备的最基本的分析功能，而空间分析功能才是GIS的核心，也是GIS与其它系统区别的重要标志。模型分析是指GIS支持下处理分析问题的方法体现，是GIS应用深化的重要体现。4、城市地理信息系统的应用领域城市地下管线控制和分析，城市布局分析，城市设计，城市控制性

6、规划，灾害评价和水土保持，土地利用/土地覆被变化研究，智能交通，海洋渔业，数字城市等5、城市地理信息系统的发展趋势与主要发展方向发展趋势1理论发展趋势2技术发展趋势3应用发展趋势主要技术发展方向1面向对象的组件式GIS发展2 Web GIS 的应用3高分辨率遥感影像与GIS结合4三维GIS和虚拟现实5移动GIS(无线通讯)6、GIS数据分类图形数据：数字化的数据 图像数据：航空和航天数据实体属性数据：空间定位型关系和属性数据统计数据：描述型数据7、栅格数据 所谓栅格数据是: 将制图区域的平面表象按一定的分解力作行和列的规则划分,就形成了一个阵列,其中每个栅格也称”像元”或”像素”.根据所表示的

7、表像信息,各个像元可用不同的”灰度值”来表示,但每个像元被认为是内部一致的基本单元.换句话说:由平面表像对应位置上像元灰度值所组成的矩阵形式的数据就是栅格数据（1）栅格数据的获取1.遥感方法获取(航天与航空);2.图片扫描获取(纸介质的地图等扫描);3.矢量数据转换而来;4.由平面上行距,列距固定的点抽样而来主要包括: (1)中心归属法;(2)面积占优法;(3)长度占优法.（2）栅格数据的基本运算1.栅格图像的平移(向左一格,再向上一格)2.两个栅格图像的算数组合3.两个栅格图像的布尔逻辑组合4.其它栅格图像的基本运算栅格灰度值乘上或加上一个常数;)栅格灰度值求其正弦,余弦等,方根,对数,指数

8、等;)将某些栅格灰度值置成常数等;)求一个栅格图像中元素灰度值之和;)找出一个栅格图像中元素灰度值最大和最小等;求出两个栅格图像对应灰度值的数量积;)将两层栅格图像对应灰度值比较,并把一个较大 的元素记录到结果栅格图像中;)进行”二值图像”处理等等.（3）栅格数据的宏运算1.扩张2.侵蚀3.加粗4.减细5.填充(带有边界条件的逐步加粗法)计算机的具体实现方法: (1) 开辟一个数组IA存放原始图像；（2）为存放中间结果及最后结果，另开辟一个数组IB；（3）将IA中的原图拷贝到IB中；（4）对IA中的每一个灰度值为“1”的像元，在IB中相应位置右侧一列及二列处分别置“1”。（4）栅格数据运算的具

9、体应用.两要素之间有粘连现象.三线公路的绘制（两次加粗，异或运算，或运算）.各种面积量算.指定范围内填充规定的图案.栅格图像的叠置分析8、拓扑拓扑：空间关系的研究或为形状的研究（1）基本拓扑要素概念 线段（ARC，弧段），在线段的中间与其他任何线段不存在任何相关关系，在线段的端点才与其他的线段有关系。线段是有向线段，它的方向有首尾端点确定。 结点(NODE)，即线段的两端点，可以分为首结点和尾结点。多边形(POLYGON), 由数条线段有序的首尾连接而成。 层（LAYER）, 具有相同属性的拓扑要素的组合。（2）基本拓扑关系：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含9、WEBGIS原理与方法l WebGI

10、S是Internet和www技术应用于GIS开发的产物，是实现GIS互操作的一条最佳解决途径。从Internet的任意节点，用户都可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图、进行各种空间信息检索和空间分析。10、GIS空间分析空间分析:是指用于分析空间目标的一系列技术处理, 其目的是：（1)描述与认知空间数据分布特征，如点线面的空间分异状况；（2)解释空间现象与空间模式的形成机理，如城市土地利用变化研究；（3)调控在地理空间上发生的事件，如水资源的合理配置；(4)预测预报，如洪水的预测预报。空间分析的主要方法 (1)基于地图的空间图形分析，如GIS中的缓冲区、叠加分析、数字高程模型(DE

11、M),数字地面模型等(DTM)；(2)空间动力学分析，有城市扩张模型(驱动力等)、空间价格竞争模型(区位优势)、空间择位模型（中心地等）；(3)空间信息分析，是指根据数据或统计方法建立的模型，如空间聚类、空间自相关、回归模型等。实际上，同一种空间分析方法和模型可以归属于不同的类型。例如，中心地属于空间信息分析模型，但中心地的形成又追求服务距离最短的动力学机制，可归属于空间动力学模型。11、数字城市数字城市关键技术（1）地理信息空间技术 地理信息系统（GIS）为庞大的城市数据提供了管理、存储和维护的有效手段 遥感（RS）技术中数字摄影测量技术、航空摄影测量与高分辨率卫星遥感技术和激光扫描技术提供

12、了数据获手段 全球定位系统（GPS）提供动态目标的定位（2）信息高速公路和计算机网络技术 万维网的扩展速度是其他任何技术所无法比较的，通过万维网，公众可以使用网页上能访问到的三维景象和数码城市的景象数据和城市数据，为了保证用户得到实时的数据，数据必须运行在信息高速公路上（3）虚拟现实技术虚拟现实(VR)是指为用户提供一种模拟现实的或操作的环境，使用户具有仿佛置身于现实世界一样的临境感(三维视觉、听觉、触觉等多重感觉)使得城市中的地理信息从原有的符号化、水平化、静止化的状态，进入了动态、时空变换、多维的可交互的环境中。 （4）分布式数据库管理技术12、空间缓冲区分析（1）缓冲区分析缓冲区分析是解

13、决邻近度问题的空间分析工具之一。（2）缓冲区定义所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。（3）从数学的角度看，缓冲区分析的基本思想是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小根据邻域半径R值确定。所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。（4）从数学的角度看，缓冲区分析的基本思想是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小根据邻域半径R值确定。另外，还有特殊形态的缓冲区，如点对象有三角形、矩形、圆形；线对象有双侧对称，双侧不对称或是单侧缓冲区，对于面对象有内侧和外侧缓冲区。(5)栅格缓冲区的建立将栅格数据表示为一个二值(0,1)矩阵(MN)，其中“0”像元

14、为空白位置，“1”元素为空间物体所占据的位置。经过距离变换，计算出每个“0”元素与最近的“1”元素的距离，即背景像元与空间物体的最小距离。假设缓冲区的宽度为d，则缓冲区边界就是距离为d的各个背景像元的集合。（二）上机实习1、MAPGIS系统的总体结构MAPGIS是具有国际先进水平的完整的地理信息系统，它分为“图形处理”、“库管理”、“空间分析”、“图象处理”以及“实用服务”5大部分。根据地理信息来源多种多样、数据类型多、信息量庞大的特点，该系统采用矢量和栅格数据混合的结构，力求矢量数据和栅格数据形成一整体的同时，又考虑栅格数据既可以和矢量数据相对独立存在，又可以作为矢量数据的属性，以满足不同问

15、题对矢量、栅格数据的不同需要。2、矢量化流程（1) 打开MAPGIS主菜单后，进入图形处理中的输入编辑子系统。（2) 选择新建工程后，自定义点、线、区文件（*.wt、*.wl、*.wp）的默认文件名及其路径。（3) 当要对地形图的点、线、区中的一种要素进行矢量化时，打开相应的文件。（4) 在矢量化菜单中选择装入栅格文件（*.tif），在工作区中打开所要矢量化的栅格图象。（5) 根据地形图中的地图要素，进行地形图矢量化的分层。（6) 当进行同一类地图要素的矢量化时，必须先将当前图层修改为相应的图层。如当要对计曲线进行矢量化时，要先将当前层设置为计曲线层。3、拓扑处理工作流程（1）数据准备将原始数

16、据中那些与拓扑无关的线）放到其他层，而将有关的线放到一层中，并将该层保存为一新文件，以便进行拓扑处理。（2）预处理用户用数字化仪或矢量化工具得到的原始数据是线数据（*.wl），进行拓扑处理前，须进行预处理，其核心工作是将线数据转为弧段数据（*.wp）（这时还没有区），存入某一文件名下，然后将之装入；此后就可以做拓扑处理的工作了。为了纠正数据的数字化误差或错误，在执行线转弧的前后可以选择执行以下功能项： 编辑线，自动剪断等，具体的先后次序不难从功能项中推知，如“自动线结点平差”应在“线自动剪断”后，“自动剪断线”只对线文件起作用，因此，要运用“自动剪断”功能，应在线转弧段前执行，或将弧段转换为线

17、后再执行。在执行这些功能时，可按下边的顺序进行：自动剪断线线转弧段装入转换后的弧段文件拓扑查错。（4）重建拓扑所有的预处理工作认为做好了，执行“重建拓扑”这个功能项，系统随即自动构造生成区，并建立拓扑关系。拓扑处理时，没有必要注意那些母子关系，当所有的区检完后，执行子区检索，系统自动建立母子关系，不需人工干预。当拓扑建立后，人工手动建立的区，且有区域套合关系，就得执行“子区检索”功能。4、图形裁剪图形裁剪实用程序提供对图形(点、线、区)文件进行任意裁剪的手段。裁剪方式有内裁剪和外裁剪。内裁剪即裁剪后保留裁剪框里面的部分，外裁剪则是裁剪后保留裁剪框外面的部分。（1）定义、编辑裁剪框在裁剪之前，必

18、须先定义裁剪框，定义裁剪框可用下列方法之一：1）用图形编辑系统中的造线、修改层号，改当前层，存当前层等功能编辑裁剪框，存到线文件中，然后再进人裁剪实用处理程序进行裁剪。2）在裁剪实用处理程序中，装入被裁剪文件，对照被裁剪文件，用编辑裁剪框功能直接编辑、修改裁剪框。（2）定义裁剪工程在定义好裁剪框后，就可以定义裁剪工程。裁剪工程定义完毕，就可以开始裁剪。也就是说，裁剪是根据当前的裁剪工程进行的。裁剪工程菜单功能如下：“新建”根据当前裁剪框和装入的文件，建立新的裁剪工程，然后进入裁剪工程编辑状态。“打开”打开已存在的裁剪工程文件，并把新打开的文件作为当前裁剪工程。在打开新的裁剪工程文件之前，若已存

19、在当前裁剪工程，则先关闭当前裁剪工程，再打开新的裁剪工程文件。“关闭”关闭当前裁剪工程文件。“保存”将当前裁剪工程的内容保存到磁盘文件。“另存”将当前裁剪工程的内容保存到指定的文件。“修改”修改编辑当前裁剪工程。“裁剪”根据当前裁剪工程进行裁剪。在裁剪之前，先检查裁剪工程的内容是否齐全，若不齐全，则进人编辑状态，否则直接进行裁剪。（3）编辑裁剪工程裁剪工程编辑窗中，显示一个新创建的裁剪工程，包括新创建的裁剪工程名*.CLP，该文件包括三个裁剪项，分别对应打开的三个图形文件*.WL、*.WT和*.WP。三个图形文件的裁剪框是同一个文件(*.WL)，即当前裁剪框。裁剪工程没有确定裁剪结果文件，裁剪

20、结果文件名可以直接在对应的编辑框中输入，也可以通过对应“浏览”按钮从磁盘上选择输入。输入好裁剪项的内容（包括裁剪框，被裁剪文件，结果文件，裁剪类型）后，按“增加”按钮可将裁剪项增加到裁剪表中，按“修改”则修改裁剪表中的当前项。无论何时，按“删除”按钮都将删除裁剪表中的当前项。编辑好裁剪工程后，按“OK”认可，按“Cancel”则取消。裁剪方式有制图裁剪和拓朴裁剪两种。制图裁剪和拓扑裁剪区别在于对区文件的裁剪，制图裁剪方式是当裁剪两个相邻的区时，将它们共同的弧段一分为二，使两个区相互独立，并且拓朴关系发生了变化，而拓扑裁剪方式将它们共同的弧段继续保持着原来的拓扑关系。模糊半径是指在裁剪时能进行平

21、差的平差半径。系统会将小于这个距离的点自动平差，线自动剪断。（4）裁剪定义好裁剪工程后，就可以开始裁剪，裁剪程序根据裁剪工程中的内容逐项进行，并将裁剪结果存到裁剪结果文件中。如果没指定裁剪结果文件名，系统将不进行任何操作。5、数字高程模型随着计算机数据处理能力的提高，自动测量仪器广泛使用以及制图技术的发展，一种全新的数字描述地理现象的方法日渐普及，这就是通称的数字高程模型（DEM）。该类模型的数据必须利用已有的观测数据经过专业处理产生，然后利用计算机自动产生各类专业地学图件并进行各类专业分析。数字高程模型子系统完成此类图形数据的处理及专业地学图件的自动生成。数字高程模型子系统主要有以下功能：（

22、1）网格化功能：可对离散的、随机采样的高程数据点进行网格化处理，将不规则的离散高程数据点网格化为规则的高程数据点。系统提供有距离加权平均、距离加权最小二乘、三角剖分插值及克立金等网格化模型算法；同时系统可对高程数据点进行可视编辑校对，检验数据的正确性。（2）数据插密功能：可对规则网高程数据按双三次曲面或线性进行网格的加密内插，减小模型数据的失真。（3）规则网数学计算及拼接功能：可对规则网数据进行例如加、减、乘、除、平方等数学运算；同时，可以完成规则网的拼接工作。（4）绘制等值线图功能：根据插密生成的数据文件，系统可生成矢量式彩色等值线图件；追踪等值线层的设置方式有自动、手动、半自动等多种方式供

23、用户灵活选择。（5）绘制彩色立体图功能：系统提供生成矢量式三维彩色立体图功能，在完成高程数据到二维平面数据透视交换的同时，根据在等值线追踪过程中提供的信息数据，对面域着色，产生彩色网状立体图。（6）剖面分析、面积体积量算功能：系统提供剖面图绘制分析功能，可对剖面套色成区；量算功能可实现高程范围内任意区域的地表面积、体积及按给定高程后拉平区域所需的搬去方量、外运方量及区域总方量等的量算输出。（7）专业分析功能根据高程数据：系统可作坡度坡向分析、山脊沟谷提取(分水岭汇水)分析、日照遮蔽区提取分析及趋势分析等。（8）TIN模型分析：系统可对离散点数据快速生成Delaunay剖分三角网，在三角剖分的基

24、础上可以进行手工调整、生成矢量式彩色等值线图及相关专业分析功能。6、坐标转换在MAPGIS软件中，可进行经、纬度坐标与投影平面直角坐标之间的相互转换，单点情况可按下列的流程进行：（1）在MAPGIS6.7主菜单中打开“图形处理输入编辑”，进入到“MAPGIS编辑子系统”，装入项目区点、线、区文件。（2）点击“N点编辑定位点”，然后点击图中的某一点，此时会得到定位点的坐标（注意：此时显示的是该点在“投影平面直角坐标系”中的坐标）。（3）在MAPGIS6.7主菜单中打开“实用服务投影变换”，进入到“MAPGIS投影变换系统”，点击“P投影变换P输入单点投影坐标”，此时跳出相应的窗口。（4）把（2）

25、中得到的坐标复制到（3）的窗口中，分别点击“原始投影参数”和“结果投影参数”按钮，进行参数设置。（5）点击“投影点”按钮，在“投影结果输出窗”中即可显示界址点在“地理坐标系”中的经、纬度坐标了。（6）同样可完成经、纬度坐标到投影平面直角坐标的转换。7、图形输出MAPGIS输出系统是一个具有Windows多文档界面的软件系统，它具有Windows多窗口系统操作的基本特征。“多工程输出”和“单工程输出”操作界面及功能不一样，在创建或打开的时候，只要指定版面（*.MPB）或工程（*.MPJ）即可进入对应的“多工程输出” 文档界面或“单工程输出”文档界面状态。当您要用MAPGIS输出系统输出您的地图时

26、，您首先要创建一个版面（*.MPB）或工程（*.MPJ）。在版面中，给出组成版面的各幅地图的各个工程文件的文件名及各种版面参数，在工程中，给出组成这幅地图的各个文件（要素层）的文件名，相对位置及在图中的缩放比例，旋转角度等信息，进行拼版。然后，选择您需要的输出处理功能，进行输出处理。最后，装入处理后的文件，驱动设备进行输出。下面主要讲Windows输出和光栅输出。（1）Windows输出打开一个.MPB版面或一个.MPJ工程后，可以直接选择打印输出，它可以驱动Windows打印设备进行图形输出（必须安装该设备的打印驱动程序）。在打印前，您可以使用“打印机设置”功能对打印机的参数，打印方式等进行

27、设置，设置方法请参考打印机的使用手册。“Windows输出”由于受到输出设备的Windows输出驱动程序及输出设备的内部缓存限制，有的图元输出效果可能不令人满意，有的图元不能正确输出，但是对于一些比较简单，而且幅面较小的图来说，这种方法输出速度快，而且能驱动的设备比较多，适应范围也比较广。（2）光栅输出栅格输出是将地图进行分色光栅化，形成分色光栅化后的栅格文件。将生成的栅格文件在“文件”菜单下打开后，就可以对形成的栅格文件进行显示检查。三、学习心得与思考（或具体应用）GIS理论与实践是研究生期间的一门重要的课程，能否掌握好学习内容，培养实践能力，显得尤为重要。GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量