农业信息技术 chapter5 地理信息系统

1、农业信息技术农业信息技术第五章地理信息系统第五章地理信息系统3& 地理信息系统的基本概念& GIS的构成& GIS的基本原理& GIS的软件系统& 3S集成与农业应用第一节 地理信息系统的基本概念一、地理信息系统的定义二、GIS 的产生与发展三、GIS的基本特征四、GIS的类型五、GIS的主要用途一、地理信息系统的定义第一节 地理信息系统的基本概念地理信息系统地理信息系统(Geographical Information System，简称，简称GIS)，是是20世纪世纪60年代开始迅速发展起来的集地理空间数据处理与年代开始迅速发展起来的集地理空间数据处

2、理与计算机技术于一体的一门边缘技术学科，是以地理空间数据库计算机技术于一体的一门边缘技术学科，是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，实现空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显的理论，实现空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。示等功能，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。二、 GIS 的产生与发展起步阶段起步阶段 发展阶段发展阶段 应用阶段应用阶段 成熟阶段成熟阶段 普及阶段普及阶段 1960 美美 R.F.Tomlinson 数字地图数字地图

3、1965 W.L. Garrison 提出提出GIS术语术语 加拿大土地管理局加拿大土地管理局 CGIS 信息论信息论系统论系统论控制论控制论 硬件技术硬件技术 软件技术软件技术 未被广泛认可未被广泛认可 从事的人员有限从事的人员有限 项目的投资强度非常小项目的投资强度非常小 少数专家左右着少数专家左右着GISGIS的发展的发展 地学地学第一节 地理信息系统的基本概念成立了一些和成立了一些和GIS相关的组织相关的组织一些企业开始涉足一些企业开始涉足GIS市场市场 计算机技术计算机技术地图交互编辑技术地图交互编辑技术地图数字化地图数字化 得到一定的发展得到一定的发展 理论和技术上没有什么突破理论

4、和技术上没有什么突破 1970s起步阶段起步阶段 发展阶段发展阶段 应用阶段应用阶段 成熟阶段成熟阶段 普及阶段普及阶段 二、 GIS 的产生与发展第一节 地理信息系统的基本概念计算机技术广泛应用计算机技术广泛应用数据库技术推广数据库技术推广 GIS数据处理能力、空间分析功能、人数据处理能力、空间分析功能、人机交互对话、地图的输入、编辑和输出机交互对话、地图的输入、编辑和输出技术均有了较大发展技术均有了较大发展大批商业化大批商业化GIS软件软件1980s起步阶段起步阶段 发展阶段发展阶段 应用阶段应用阶段 成熟阶段成熟阶段 普及阶段普及阶段 二、 GIS 的产生与发展第一节 地理信息系统的基本

5、概念起步阶段起步阶段 发展阶段发展阶段 应用阶段应用阶段 成熟阶段成熟阶段 普及阶段普及阶段 计算机软硬件技术迅速发展计算机软硬件技术迅速发展GIS已成为支持多种硬件平台的高技术已成为支持多种硬件平台的高技术产品，并利用产品，并利用Windows开发工具与多开发工具与多媒体技术，为用户提供了多窗口环境媒体技术，为用户提供了多窗口环境与更为良好用户界面与更为良好用户界面空间技术发展新阶段（需求应用）空间技术发展新阶段（需求应用） 1990s二、 GIS 的产生与发展第一节 地理信息系统的基本概念起步阶段起步阶段 发展阶段发展阶段 应用阶段应用阶段 成熟阶段成熟阶段 普及阶段普及阶段 1990s后

6、期到后期到21世纪初世纪初 应用领域已达应用领域已达100多个多个广义的地理空间性质的自然资源管理、广义的地理空间性质的自然资源管理、国土整治及生态建设、土地及房地产管国土整治及生态建设、土地及房地产管理、市政工程及城市管理等理、市政工程及城市管理等 社会治安、消防、运输、商业网点、通社会治安、消防、运输、商业网点、通讯、环境保护、石油、气象、水利、地讯、环境保护、石油、气象、水利、地质、农林业等质、农林业等 向数据挖掘、模型模拟、预报与预测、向数据挖掘、模型模拟、预报与预测、智能化决策分析、虚拟现实地理信息系智能化决策分析、虚拟现实地理信息系统、统、WebGIS方向发展方向发展二、 GIS

7、的产生与发展第一节 地理信息系统的基本概念三、GIS的基本特征地图是地理学的第二地图是地理学的第二代语言，而代语言，而GISGIS将成为将成为地理学的第三代语言地理学的第三代语言陈述彭陈述彭影像表示的形体模型影像表示的形体模型（如遥感影像）（如遥感影像）地图表示的地理模型地图表示的地理模型数表展示的人文经济数表展示的人文经济社会统计数据社会统计数据GISGIS模型模型区域研究综合区域研究综合思维工具思维工具地理空间地理空间数据库数据库适时提供多种空间的适时提供多种空间的和动态的地理信息，和动态的地理信息，用于决策服务用于决策服务第一节 地理信息系统的基本概念三、GIS的基本特征第一节 地理信息

8、系统的基本概念1.地理信息系统是一个空间型的信息系统，具有采集、管理、分析和地理信息系统是一个空间型的信息系统，具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性。输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性。2. 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析和动态预测的能力。空间分析和动态预测的能力。3. GIS的操作对象是地理数据，既有空间数据，又有属性数据，并通过的操作对象是地理数据，既有空间数据，又有属性数据，并通过数据库管理系统将二者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提数据库管理系统

9、将二者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了认识地理现象的一种新的方式方法。供了认识地理现象的一种新的方式方法。三、GIS的基本特征第一节 地理信息系统的基本概念4. 在计算机系统支持下，利用空间分析模型，完成空间地理数据管在计算机系统支持下，利用空间分析模型，完成空间地理数据管理、地理分析、地理决策。计算机支持是地理信息系统的重要特理、地理分析、地理决策。计算机支持是地理信息系统的重要特征。征。5. 能够对空间信息数据进行图形化输出，表达形象直观，便于决策能够对空间信息数据进行图形化输出，表达形象直观，便于决策应用。应用。6. 与地球科学、环境科学、管理科学、应用数学、遥感、与地球科学、

10、环境科学、管理科学、应用数学、遥感、GPS、空间、空间数据库、图形图像处理及各种应用技术有着不可分割的密切关系。数据库、图形图像处理及各种应用技术有着不可分割的密切关系。四、GIS的类型第一节 地理信息系统的基本概念n 大致分为应用型地理信息系统和工具型地理信息系统。n 根据研究范围，分为全球信息系统、区域信息系统和国家信息系统；n 根据其研究内容，分为专题信息系统和综合信息系统；n 按照使用的数据模型，分为矢量信息系统、栅格信息系统和矢栅混合系统等。 四、GIS的类型（一）专题信息系统（一）专题信息系统（Thematic Information SystemThematic Informat

11、ion System）l 森林动态监测信息系统森林动态监测信息系统l 水资源管理信息系统水资源管理信息系统l 矿产资源信息系统矿产资源信息系统l 农作物估产信息系统农作物估产信息系统l 草场资源管理信息系统草场资源管理信息系统l 水土流失信息系统等水土流失信息系统等 具有有限目标和专业特点的具有有限目标和专业特点的GISGIS，为特定的专门目的服务。，为特定的专门目的服务。第一节 地理信息系统的基本概念（二）区域信息系统（二）区域信息系统（Regional Information SystemRegional Information System）以区域综合研究和全面的信息服务为目标以区域综合

12、研究和全面的信息服务为目标四、GIS的类型第一节 地理信息系统的基本概念l 加拿大国家信息系统加拿大国家信息系统l 美国橡树岭地区模式信息系统美国橡树岭地区模式信息系统l 美国圣地亚哥县信息系统美国圣地亚哥县信息系统l 我国黄河流域信息系统等我国黄河流域信息系统等自然分区或流域为单位自然分区或流域为单位l 国家级的区域信息系统国家级的区域信息系统 l 地区或省级地区或省级l 市级和县级等市级和县级等行政分区行政分区l 北京市水土流失信息系统北京市水土流失信息系统l 海南岛土地评价信息系统海南岛土地评价信息系统l 河南省冬小麦估产信息系统等河南省冬小麦估产信息系统等 区域性专题信息系统区域性专题

13、信息系统四、GIS的类型第一节 地理信息系统的基本概念许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间 （三）地理信息系统工具（三）地理信息系统工具（GIS ToolGIS Tool）一组具有图形图像数字化、存贮管理、查询检索、分析运算一组具有图形图像数字化、存贮管理、查询检索、分析运算和多种输出等和多种输出等GISGIS基本功能的软件包基本功能的软件包 l 专门设计研制的专门设计研制的l 在完成了实用在完成了实用GIS后抽取掉具体区域或专题的地理空间数据后抽取掉具体区域或专题的地理空间数据后得到的后得到的四、GIS的类型第一节 地理信息系统的基本概念五、GIS

14、的主要用途信息查询信息查询绘制图件绘制图件预测预报预测预报模拟分析模拟分析管理与决策管理与决策特定位置存在什么、周边环境如何特定位置存在什么、周边环境如何查找满足一定条件的地方所处位置查找满足一定条件的地方所处位置地图：数据来源地图：数据来源 / 一种成果一种成果过去及现在空间格局变化分析过去及现在空间格局变化分析 未来变化过程未来变化过程假设数据假设数据GIS进行模拟进行模拟分析可能结果分析可能结果与专家系统相结合，开发空间决策支持系统与专家系统相结合，开发空间决策支持系统第一节 地理信息系统的基本概念第二节 GIS的构成 一、硬件系统二、软件系统三、地理空间数据四、系统开发、管理和使用人员

15、一、硬件系统（一）硬件系统构成（一）硬件系统构成1.数据输入设备数据输入设备： 图形手扶跟踪数字化仪、大幅面图形图像扫描仪、图形手扶跟踪数字化仪、大幅面图形图像扫描仪、各种类型的数字测量设备、键盘、通讯端口等。各种类型的数字测量设备、键盘、通讯端口等。 第二节 GIS的构成 一、硬件系统（一）硬件系统构成（一）硬件系统构成2. 数据存贮设备数据存贮设备： 光盘、硬盘、磁带及相应的驱动设备。光盘、硬盘、磁带及相应的驱动设备。第二节 GIS的构成 硬盘硬盘 磁带机磁带机 磁盘驱动器磁盘驱动器 磁盘阵列磁盘阵列 一、硬件系统（一）硬件系统构成（一）硬件系统构成3. 计算机主机计算机主机： 大型、中型

16、、小型机、工作站和微型计算机。大型、中型、小型机、工作站和微型计算机。第二节 GIS的构成 工作站工作站中型机中型机 小型机小型机大型机大型机微机微机一、硬件系统（一）硬件系统构成（一）硬件系统构成4. 数据输出设备数据输出设备： 图形图形/图像显示器、矢量图像显示器、矢量/栅格绘图仪、行式栅格绘图仪、行式/点阵打印机等。点阵打印机等。 第二节 GIS的构成 （二）硬件系统配置类型（二）硬件系统配置类型1. 简单型配置简单型配置2. 基本型配置基本型配置3. 专业型配置专业型配置4. 网络型配置网络型配置一、硬件系统第二节 GIS的构成 1. 简单型配置简单型配置满足满足GIS软件软件的基本要

17、求的基本要求 编辑编辑 查询查询 检索检索 分析分析 制表制表 制图制图 受限受限输入设备输入设备存储设备存储设备输出设备输出设备数据更新数据更新成果表达成果表达-2. 基本型配置基本型配置 地理信息更新和表达地理信息更新和表达 GISGIS功能全面发挥功能全面发挥 3. 专业型配置专业型配置高分辨率高分辨率图形工作站图形工作站图像处理器图像处理器全站型速测仪全站型速测仪GPS 接收机接收机4. 网络型配置网络型配置二、软件系统第二节 GIS的构成 l 操作系统操作系统l 汇编程序汇编程序l 编译程序编译程序l 诊断程序诊断程序l 库程序库程序l 各种维护使用手各种维护使用手册、程序说明等册、

18、程序说明等 计算机系统软件计算机系统软件GIS GIS 软件和其他支撑软件软件和其他支撑软件应用分析程序应用分析程序l 数据库管理软件数据库管理软件l 计算机图形软件计算机图形软件包包l CADl 图像处理软件等图像处理软件等 数据输入数据输入 交互编辑交互编辑 数据管理数据管理 数据操作数据操作 查询检索查询检索 整饬输出整饬输出 用户接口用户接口 l 根据地理专题根据地理专题或区域分析模或区域分析模型编制的用于型编制的用于某种特定应用某种特定应用任务的程序，任务的程序，是系统功能的是系统功能的扩充与延伸扩充与延伸 三、地理空间数据（一）信息与数据（一）信息与数据第二节 GIS的构成 l 信

19、息（信息（information）是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知）是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体物理设备形式的改变识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体物理设备形式的改变而改变。而改变。l 数据（数据（data）是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、）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、图像以及它们所能转换成的各种形式。文字、符号、图形、图像以及它们所能转换成的各种形式。表表 示示数据名称数据名称 数据类型数据类型 数据长度数据长度类类 型型数值型数据数值型数据字符型数据字符型数据图表

20、数据图表数据音频数据音频数据视频数据视频数据（二）地理信息与地理数据（二）地理信息与地理数据l 地理信息（地理信息（geographical information）关于地理圈（大气、生物、）关于地理圈（大气、生物、土壤、岩石、水）或地理环境中地理实体的性质、特征和运动状土壤、岩石、水）或地理环境中地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，是对地理数据的解释。态的表征和一切有用的知识，是对地理数据的解释。1. 1. 地理信息地理信息区区 域域 性性经纬网等建立地理坐标来实现空间位置标识经纬网等建立地理坐标来实现空间位置标识 多维结构多维结构二维空间基础上实现多专题的第三维结构二维空

21、间基础上实现多专题的第三维结构 时序特征时序特征超短期超短期 / / 短期短期 / / 中期中期 / / 长期长期 / / 超长期超长期 三、地理空间数据第二节 GIS的构成 l 地理数据（地理数据（geographical data）是指表征地理圈或地理环境固有要素）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、联系和规律的数字、文字、图像或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称，是各种地理特征和现象间关系的符号化表示。和图形等的总称，是各种地理特征和现象间关系的符号化表示。2. 2. 地理数据（地理数据（geographical datage

22、ographical data）（二）地理信息与地理数据（二）地理信息与地理数据三、地理空间数据第二节 GIS的构成 空间数据空间数据（spatial data）单个的或群体的以空间位置为参照的数据，描述地物所在位单个的或群体的以空间位置为参照的数据，描述地物所在位置，或地物间的相对位置关系，如空间上的距离、邻接、重置，或地物间的相对位置关系，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等。叠、包含等。属性数据属性数据（attribute data）一定地物、描述其特征的定性或定量指标，包括语义数据与一定地物、描述其特征的定性或定量指标，包括语义数据与统计数据等，通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示。

23、统计数据等，通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示。时态数据时态数据（temporal data）描述地理数据采集或地理现象发生时刻或时段的数据。描述地理数据采集或地理现象发生时刻或时段的数据。图 形图 像文 字表 格数 字数字化仪数字化仪扫描仪扫描仪键键 盘盘磁带机磁带机系统系统建立者建立者GISl 是系统程序作用的对象是系统程序作用的对象l 是是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容l 以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据三、地理空间数据第二节 GIS的构成 （三）地理

24、空间数据（三）地理空间数据 四、系统开发、管理和使用人员骨架：计算机硬件骨架：计算机硬件 精髓：精髓：GISGIS软件软件 血液：地理数据血液：地理数据 大脑：大脑：GISGIS用户用户 系统组织、管理、维护系统组织、管理、维护数据更新、系统扩充完善、应用程序开发数据更新、系统扩充完善、应用程序开发灵活采用地理分析模型提取多种信息灵活采用地理分析模型提取多种信息第二节 GIS的构成 第三节 GIS的基本原理一、地理空间数据与地图二、地图的基本原理三、数字地图的存储、显示与输出四、GIS的空间数据管理五、GIS的空间数据分析与处理一、地理空间数据与地图l 地理空间数据地理空间数据-表格或地图表示

25、表格或地图表示l 地图（地图（map）是经过概括并用形象符号表示的地球表面在平面上的）是经过概括并用形象符号表示的地球表面在平面上的图形，用来表示各种自然和社会现象的分布状况和联系。图形，用来表示各种自然和社会现象的分布状况和联系。l 地图是一种图解图像模型，可以获得一个地区或整个地球表面的地图是一种图解图像模型，可以获得一个地区或整个地球表面的同一时间的空间表象。同一时间的空间表象。l 地图表达的对象可以是具体的（如居民点、植被、土壤等）和抽地图表达的对象可以是具体的（如居民点、植被、土壤等）和抽象的（如人口密度、工农业产值、影响范围）、现实的（如河网、象的（如人口密度、工农业产值、影响范围

26、）、现实的（如河网、道路、城市土地利用）和预期的（如规划的灌溉网、规划的道路道路、城市土地利用）和预期的（如规划的灌溉网、规划的道路和土地利用规划）。还可表示自然现象的发生发展过程，如表示和土地利用规划）。还可表示自然现象的发生发展过程，如表示城市化过程的城市扩散图、土地利用变化图，反映土壤侵蚀速率城市化过程的城市扩散图、土地利用变化图，反映土壤侵蚀速率图等。图等。第三节 GIS的基本原理二、地图的基本原理第三节 GIS的基本原理（一）地图上的坐标及坐标映射体系（一）地图上的坐标及坐标映射体系 l 地图实际上是将地球表面的特征以点、线、面的形式映射到一个地图实际上是将地球表面的特征以点、线、面

27、的形式映射到一个二维平面上，通过采用平面坐标系（二维平面上，通过采用平面坐标系（planar coordinate systems）确定地图位置与地面位置的对应关系。确定地图位置与地面位置的对应关系。l 平面坐标系又称平面坐标系又称xy坐标系或笛卡尔坐标系（坐标系或笛卡尔坐标系（Cartesian coordinate systems）。）。l 位置总是与坐标（位置总是与坐标（x,y）密切相联。地球是个椭圆形的球体，经度）密切相联。地球是个椭圆形的球体，经度和纬度常用于表示地球表面上任何一点的位置，其单位为度、分、和纬度常用于表示地球表面上任何一点的位置，其单位为度、分、秒（秒（DMS）。但是

28、，经度和纬度不能用作平面坐标系中的）。但是，经度和纬度不能用作平面坐标系中的x、y坐坐标，因为同样的经度差所反映的地面距离是随纬度而变的。例如，标，因为同样的经度差所反映的地面距离是随纬度而变的。例如，度的经度差值间的地面距离，在赤道上是度的经度差值间的地面距离，在赤道上是111公里，在两极上则公里，在两极上则为为0。二、地图的基本原理第三节 GIS的基本原理（一）地图上的坐标及坐标映射体系（一）地图上的坐标及坐标映射体系 l 根据不同的需要，采用适合的坐标映射体系将地球表面映射到平面上。根据不同的需要，采用适合的坐标映射体系将地球表面映射到平面上。l 常用的映射体系有若干种，各自都在不同方面

29、产生某些程度的失真：常用的映射体系有若干种，各自都在不同方面产生某些程度的失真： 名名 称称形状形状面积面积距离距离方向方向备注备注麦开托（麦开托（Mercator）不失真不失真确定失真确定失真愈近两极，愈近两极，失真愈大失真愈大有些失真有些失真通用横向麦开托（通用横向麦开托（Universal Transverse Mercator）不失真不失真愈远离中央经愈远离中央经线，失真愈大线，失真愈大失真情况同失真情况同面积面积有些失真有些失真在映射大面积区在映射大面积区域时不适用。域时不适用。横向麦开托（横向麦开托（Transverse Mercator）不失真不失真确定失真确定失真有些失真有些失

30、真有些失真有些失真艾尔伯斯等积锥（艾尔伯斯等积锥（Albers Equal-Area Conic）有些失真有些失真不失真不失真有些失真有些失真有些失真有些失真兰伯特等形锥（兰伯特等形锥（Lambert Conformal Conic）不失真不失真有些失真有些失真有些失真有些失真有些失真有些失真二、地图的基本原理第三节 GIS的基本原理（二）地理信息在地图上的表示（二）地理信息在地图上的表示 类类 别别地理特征的地理特征的举例：城市举例：城市地图元素地图元素空间信息空间信息spatial 位置和形状以及特征位置和形状以及特征之间空间关系之间空间关系经纬坐标经纬坐标点、线、面点、线、面属性信息属性

31、信息attribute 非空间属性的描述性非空间属性的描述性信息信息城市名称、级别、城市名称、级别、人口等人口等符号、文字、颜色等符号、文字、颜色等二、地图的基本原理第三节 GIS的基本原理（二）地理信息在地图上的表示（二）地理信息在地图上的表示 1 1空间信息在地图上的表示空间信息在地图上的表示点（点（Point）：）： 用一个独立的位置来代表，具有一对（用一个独立的位置来代表，具有一对（x，y）坐）坐标和至少一个属性，逻辑上不能再分。标和至少一个属性，逻辑上不能再分。太小而无法用线特征和面积特征来表示太小而无法用线特征和面积特征来表示不具备面积特征（如油井、道路交叉点等）不具备面积特征（如

32、油井、道路交叉点等）在某个比例尺或分辨率以及某个特殊问题在某个比例尺或分辨率以及某个特殊问题二、地图的基本原理第三节 GIS的基本原理（二）地理信息在地图上的表示（二）地理信息在地图上的表示 1 1空间信息在地图上的表示空间信息在地图上的表示线（线（Line）：）： 是具有相同属性的点的轨迹，由一组有序的坐是具有相同属性的点的轨迹，由一组有序的坐标点相连接而成，线上每个点有不多于二个的邻点。标点相连接而成，线上每个点有不多于二个的邻点。宽度太窄小而无法表示为一个面积区域（如水宽度太窄小而无法表示为一个面积区域（如水渠、道路）渠、道路）本身就没有宽度（如地形等高线，区域边界，本身就没有宽度（如地

33、形等高线，区域边界，地质界线等）地质界线等）二、地图的基本原理第三节 GIS的基本原理（二）地理信息在地图上的表示（二）地理信息在地图上的表示 1 1空间信息在地图上的表示空间信息在地图上的表示面（面（Area）：）： 是所有具相同属性的点的集合，由一个封是所有具相同属性的点的集合，由一个封闭的图形区来代表，其边界包围着同一性质的一个区域，闭的图形区来代表，其边界包围着同一性质的一个区域，其内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有至少一个相其内部点可以有多于三个的邻点，面内点具有至少一个相同属性。如同一土地类型、同一行政区划等。同属性。如同一土地类型、同一行政区划等。2 2属性信息在地图上的表示

34、属性信息在地图上的表示l 图例空间实体与非空间属性的联系图例空间实体与非空间属性的联系二、地图的基本原理第三节 GIS的基本原理（二）地理信息在地图上的表示（二）地理信息在地图上的表示 三、数字地图的存储、显示与输出l 数字地图是指与传统的地图相区别的、在数字地图是指与传统的地图相区别的、在GIS中中以数据库形式保存的地理信息。以数据库形式保存的地理信息。l GIS并不以图形或图像文件的形式保存地图，而并不以图形或图像文件的形式保存地图，而是存储着地图元件的空间信息数据库和描述性是存储着地图元件的空间信息数据库和描述性信息数据库。信息数据库。l GIS中信息分为空间信息和属性信息两种中信息分为

35、空间信息和属性信息两种 第三节 GIS的基本原理（一）空间信息的存储（一）空间信息的存储l GIS中也采用平面坐标系，通过中也采用平面坐标系，通过点、线、面三种基本地图元素点、线、面三种基本地图元素来反映空间信息。来反映空间信息。元元 素素别别 名名表示方法表示方法点点一个独立的一个独立的（x，y）坐标）坐标对对线段线段弧弧 arc一系列有序的一系列有序的（x，y）坐标）坐标对对面面： 由由一条或多一条或多条弧围成条弧围成多边形多边形polygon一系列有序的一系列有序的（x，y）坐标）坐标对，其中起点对，其中起点与终点的坐标与终点的坐标相同。相同。点号点号坐标坐标（x，y）12,423,23

36、5,346,2l 由于同一种元素往往不只一个，所以，要对每一个元素赋于一由于同一种元素往往不只一个，所以，要对每一个元素赋于一个顺序号或标识符，存储时顺序号与坐标（或坐标系列）保持个顺序号或标识符，存储时顺序号与坐标（或坐标系列）保持一一对应的关系一一对应的关系 （一）空间信息的存储（一）空间信息的存储弧号弧号坐标对坐标对（x，y）系列）系列11,53,66,57,621,12,34,2.56,3 7,3l 由于同一种元素往往不只一个，所以，要对每一个元素赋于一由于同一种元素往往不只一个，所以，要对每一个元素赋于一个顺序号或标识符，存储时顺序号与坐标（或坐标系列）保持个顺序号或标识符，存储时顺

37、序号与坐标（或坐标系列）保持一一对应的关系一一对应的关系 （一）空间信息的存储（一）空间信息的存储多边多边形号形号坐标对坐标对（x,y）系列）系列11,42,6 3,6 4,5 2,3.51,422,23,34,3 5,4 6,25,13,12,2l 由于同一种元素往往不只一个，所以，要对每一个元素赋于一由于同一种元素往往不只一个，所以，要对每一个元素赋于一个顺序号或标识符，存储时顺序号与坐标（或坐标系列）保持个顺序号或标识符，存储时顺序号与坐标（或坐标系列）保持一一对应的关系一一对应的关系 （一）空间信息的存储（一）空间信息的存储l 在数字地图中，各对象之间的空间关系通过用拓扑学在数字地图中

38、，各对象之间的空间关系通过用拓扑学（topology）的方法来表述。）的方法来表述。 l 拓扑是用来清楚地确定物体之间的空间位置关系的一拓扑是用来清楚地确定物体之间的空间位置关系的一种数学方法种数学方法 。l 在在GIS中应用拓扑学，可使数据的存储更加高效，便中应用拓扑学，可使数据的存储更加高效，便于更快地处理更大量的数据。于更快地处理更大量的数据。（一）空间信息的存储（一）空间信息的存储GIS中的拓扑学概念：中的拓扑学概念：l 弧与弧相互连接于节点弧与弧相互连接于节点l 多边形由相互连接的弧围成多边形由相互连接的弧围成l 弧具有方向，并且有左右邻面弧具有方向，并且有左右邻面轨点轨点verti

39、ces弧上的点弧上的点确定弧的形状确定弧的形状节点节点nodes弧的端点弧的端点每条弧具有两每条弧具有两个节点（起始个节点（起始节点和终了节节点和终了节点）点）弧和弧于弧和弧于结点处相结点处相连接连接（一）空间信息的存储（一）空间信息的存储2 2：弧编号：弧编号 （6 6）：节点编号）：节点编号 ：多边形编号：多边形编号弧弧号号始节点始节点 终结点终结点x,y 坐标坐标对对1135,3 5,5 8,52348,5 20,5 20,434520,4 20,1 18,145118,1 5,1 5,35237,4 8,56217,4 6,3 7628779641065弧弧- -节点的拓扑节点的拓扑多

40、边多边形号形号弧弧 系系 列列24，6，7，10，833，10，947，5，2，951，5，668多边形多边形- -弧的拓扑弧的拓扑2 2：弧编号：弧编号 （6 6）：节点编号）：节点编号 ：多边形编号：多边形编号弧号弧号左侧左侧多边形多边形右侧右侧多边形多边形1152143134125546257248269431032弧弧- -左右多边形拓扑左右多边形拓扑2 2：弧编号：弧编号 （6 6）：节点编号）：节点编号 ：多边形编号：多边形编号在在GIS数据文件中，空间信息存储的记录结构：数据文件中，空间信息存储的记录结构：点点弧弧多边形多边形字段数字段数262字段字段点代号点代号弧代号弧代号多边

41、形代号多边形代号坐标对坐标对起始结点起始结点弧代号系列弧代号系列终了结点终了结点左侧多边形代号左侧多边形代号右侧多边形代号右侧多边形代号坐标对系列坐标对系列（二）属性信息的存储（二）属性信息的存储l 与空间信息的存储很相似，记录的字段数（即与空间信息的存储很相似，记录的字段数（即项目数）因该特征具有的信息项数而异。项目数）因该特征具有的信息项数而异。l 一个地理特征的属性信息数据文件更象一个表一个地理特征的属性信息数据文件更象一个表格格, 每一条记录就相当于一个表行，所以，描述每一条记录就相当于一个表行，所以，描述性信息数据文件又叫做特征属性表（性信息数据文件又叫做特征属性表（Feature

42、attribute table）。）。区域道路图区域道路图弧号弧号坐标对系列坐标对系列1 3,5 5,52 5,5 8,53 8,5 11,54 6,9 5,8 5,7 5,6 5,55 5,5 4,4 4,16 8,5 8,7道路图的空间数据存储结构道路图的空间数据存储结构弧号弧号类型类型路面材料路面材料宽度宽度车道数车道数名名 称称1 一级一级公路公路沥青沥青484N Main ST2 一级一级公路公路沥青沥青484N Main ST3 一级一级公路公路沥青沥青484N Main ST4 高速高速公路公路混凝土混凝土604Highway 425 高速高速公路公路混凝土混凝土604Highw

43、ay 426 居民区居民区街道街道沥青沥青322Elm ST道路图的属性数据存储结构道路图的属性数据存储结构（三）数据文件间的连接（三）数据文件间的连接l 在空间和属性数据文件中，有一个共同字段，即识别码在空间和属性数据文件中，有一个共同字段，即识别码（ID ）可以是记录号，也可以是用户指定的识别代）可以是记录号，也可以是用户指定的识别代号。必须是唯一的。号。必须是唯一的。l GIS通过识别码存取和交换信息，在空间信息数据和描述通过识别码存取和交换信息，在空间信息数据和描述性信息数据之间建立一一对应关系。性信息数据之间建立一一对应关系。l 通过用识别码作桥梁，可以将空间信息和属性信息合并存通过

44、用识别码作桥梁，可以将空间信息和属性信息合并存储，也可以将同一空间对象的两个或多个特征属性表合并储，也可以将同一空间对象的两个或多个特征属性表合并为一个文件存储。为一个文件存储。（四）数字地图的显示与输出（四）数字地图的显示与输出数字地图显示数字地图显示l GIS能实时地访问空间信息数据库并读取其中的空间信息能实时地访问空间信息数据库并读取其中的空间信息数据进行处理，然后在计算机屏幕上显示出相应的图形。数据进行处理，然后在计算机屏幕上显示出相应的图形。在在ArcView GIS中，称之为中，称之为“添加主题添加主题”。 l GIS同时访问相应的属性信息数据库，打开对应的特征属同时访问相应的属性

45、信息数据库，打开对应的特征属性表，并通过识别码在二者之间建立联系。用户可方便性表，并通过识别码在二者之间建立联系。用户可方便地进行双向查询。地进行双向查询。（四）数字地图的显示与输出（四）数字地图的显示与输出数字地图输出数字地图输出也可以把结果按一定的比例放大也可以把结果按一定的比例放大或缩小并转换为一个或缩小并转换为一个BMP或其它或其它格式的图形文件，供图形图像软格式的图形文件，供图形图像软件处理。件处理。第三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理（一）（一）GISGIS的数据来源的数据来源 l 现有的地图现有的地图 数字化仪扫描仪数字化仪扫描仪l 以计算机图形图像文件形式存放的影像

46、资料（卫片及航片等）以计算机图形图像文件形式存放的影像资料（卫片及航片等）l 表格资料表格资料 直接显示为视图特征属性表数据库文件及文本文件直接显示为视图特征属性表数据库文件及文本文件l 绘图软件（如绘图软件（如Auto CAD）绘制的图形）绘制的图形l 遥感数据遥感数据l 全球定位系统数据全球定位系统数据第三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理（二）（二）GISGIS的空间数据结构的空间数据结构 类型类型定义定义优点优点缺点缺点矢量矢量数据数据结构结构用在坐标参考系中的坐用在坐标参考系中的坐标来定义点、线、面等标来定义点、线、面等地理要素的空间位置地理要素的空间位置数据结构紧凑、冗数

47、据结构紧凑、冗余度低，有利于网余度低，有利于网络和检索分析，图络和检索分析，图形显示质量好、精形显示质量好、精度高度高数据结构数据结构复杂，多复杂，多边形叠加边形叠加分析比较分析比较困难困难栅格栅格数据数据结构结构将地球表面划分为大小将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵均匀紧密相邻的网格阵列，以规则阵列来表示列，以规则阵列来表示空间地物或者现象分布空间地物或者现象分布的数据组织的数据组织数据结构简单，便数据结构简单，便于空间分析和地表于空间分析和地表模拟，显示性较强模拟，显示性较强数据量大，数据量大，投影转换投影转换比较复杂比较复杂第三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理（二）（二

48、）GISGIS的空间数据结构的空间数据结构 第三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理l 空间数据编码是根据地理信息系统的目的和任务所收集的、空间数据编码是根据地理信息系统的目的和任务所收集的、经过审核的地形图、专题地图和遥感影像等资料按照特定的经过审核的地形图、专题地图和遥感影像等资料按照特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程。数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程。l 矢量数据结构编码方式主要有坐标序列编码、树状索引编码矢量数据结构编码方式主要有坐标序列编码、树状索引编码和二元拓扑编码等。和二元拓扑编码等。l 栅格数据结构编码方式主要有直接栅格编码、链码、行

49、程编栅格数据结构编码方式主要有直接栅格编码、链码、行程编码、块码、四叉树码等。码、块码、四叉树码等。 （二）（二）GISGIS的空间数据结构的空间数据结构 l矢量数据结构矢量数据结构 1 1）矢量数据的概念）矢量数据的概念l 在图面上，空间目标的点、线、面等特征用采样点在图面上，空间目标的点、线、面等特征用采样点x、y坐标对记录的数据，即为矢量数据。坐标对记录的数据，即为矢量数据。l 在在GIS中，除了记录空间目标的几何图形数据外，还要考中，除了记录空间目标的几何图形数据外，还要考虑与这个目标有关的属性信息以及空间目标之间的相互虑与这个目标有关的属性信息以及空间目标之间的相互关系，以满足空间查

50、询和空间分析的需要。关系，以满足空间查询和空间分析的需要。l 属性数据通常用表格方式存贮，一般用关系数据库管理属性数据通常用表格方式存贮，一般用关系数据库管理系统管理系统管理l 几何图形数据，则涉及空间拓扑关系几何图形数据，则涉及空间拓扑关系l矢量数据结构矢量数据结构 2 2）矢量拓扑结构）矢量拓扑结构2栅格数据结构栅格数据结构 l 来自遥感、数字摄影测量的数据、扫描的数据和格网数字地面模型都是栅格形式。来自遥感、数字摄影测量的数据、扫描的数据和格网数字地面模型都是栅格形式。l 栅格数据结构简单，易于快速进行空间叠加和空间分析，节省空间。栅格数据结构简单，易于快速进行空间叠加和空间分析，节省空

51、间。2栅格数据结构栅格数据结构 1 1）栅格矩阵）栅格矩阵 l 栅格数据是二维表面上地理数据的离散量化值。每一层栅格数据是二维表面上地理数据的离散量化值。每一层的象元值组成象元阵列（即二维数组），其中行、列号的象元值组成象元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置表示它的位置 x y y yy x x xy y y xy y x x 在计算机内，这个在计算机内，这个44阶的矩阵通阶的矩阵通常是以左上角开始逐行逐列存贮常是以左上角开始逐行逐列存贮 ：xyyyyxxxyyyxyyxx x y y yy x x xy y y xy y x x 1x3y1y3x3y1x2y2x8对对节省了空间节省

52、了空间l 地理数据一般有较强的相关性，就是说相邻象元的值往往是地理数据一般有较强的相关性，就是说相邻象元的值往往是相同的。这样就可以用某种编码方法来进行压缩。相同的。这样就可以用某种编码方法来进行压缩。l 按行扫描，将相邻等值的象元合并，并记录行程长度和它的按行扫描，将相邻等值的象元合并，并记录行程长度和它的值，称为行程编码。值，称为行程编码。 2栅格数据结构栅格数据结构 2 2）行程编码）行程编码l 如果在行与行之间不间断地连续编码，则有：如果在行与行之间不间断地连续编码，则有：1x4y3x3y1x2y2x=7对对l 以栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照四个象限进以栅格数据二维空间分

53、布的特点，将空间区域按照四个象限进行递归分割（行递归分割（2n2n且且nl），直到子象限数值单调为止，最后），直到子象限数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。得到一棵四分叉的倒向树。3 3）四叉树编码）四叉树编码2栅格数据结构栅格数据结构 类型类型特点特点指针指针四叉树四叉树在子结点与父结点之间设立指针，由于指针占用的在子结点与父结点之间设立指针，由于指针占用的空间较大，难以达到数据压缩的目的空间较大，难以达到数据压缩的目的线性线性四叉树四叉树不需要记录中间结点和使用指针，仅记录叶结点，不需要记录中间结点和使用指针，仅记录叶结点，并用地址码表示叶结点的位置并用地址码表示叶结点的位置3 3）

54、四叉树编码）四叉树编码2栅格数据结构栅格数据结构 四叉树压缩编码原理图四叉树压缩编码原理图 l 虽然栅格数据结构有许多优点，但栅格结构精虽然栅格数据结构有许多优点，但栅格结构精度低，并难以建立网络拓扑结构。度低，并难以建立网络拓扑结构。l 这些缺点正好可以用矢量数据结构加以克服，这些缺点正好可以用矢量数据结构加以克服，所以许多所以许多GIS既含有栅格结构又保持矢量结构，既含有栅格结构又保持矢量结构，以形成一种混合数据结构并提供空间数据转换以形成一种混合数据结构并提供空间数据转换功能。功能。 3. 矢量栅格一体化数据结构矢量栅格一体化数据结构l 数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具，它是衡

55、量数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具，它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。数据库能力强弱的主要标志之一。类型类型层次模型层次模型一对多一对多 （树形结构（树形结构 ）网络模型网络模型无主从关系无主从关系 关系模型关系模型数学化模型，将数据的逻辑结构归结为数学化模型，将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表，亦称关系满足一定条件的二维表，亦称关系 （三）（三）GISGIS的数据模型的数据模型第三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理第三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理（四）矢量与栅格数据的相互转换（四）矢量与栅格数据的相互转换l 矢量数据包含有拓扑信息，而栅格数据则

56、易于表示面状矢量数据包含有拓扑信息，而栅格数据则易于表示面状要素，特别是地图数据与图像数据的混合处理，已成为要素，特别是地图数据与图像数据的混合处理，已成为当前地理信息系统发展的主要趋势。当前地理信息系统发展的主要趋势。l 系统对矢量、栅格和专业数据的共同管理和处理，已成系统对矢量、栅格和专业数据的共同管理和处理，已成为空间信息系统设计的基本标准，这种共同管理和处理为空间信息系统设计的基本标准，这种共同管理和处理的主要内容就是矢量数据和栅格数据之间的相互转换、的主要内容就是矢量数据和栅格数据之间的相互转换、表示和运算。表示和运算。 第三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理（四）矢量与栅

57、格数据的相互转换（四）矢量与栅格数据的相互转换l 矢量数据向栅格数据转换的根本任务是通过一个有限的矢量数据向栅格数据转换的根本任务是通过一个有限的工作存储区，使得矢量和栅格数据之间不可避免的读写工作存储区，使得矢量和栅格数据之间不可避免的读写操作，限制在最短的时间范围内。操作，限制在最短的时间范围内。l 根据转换处理时，基于弧段数据文件和多边形数据文件根据转换处理时，基于弧段数据文件和多边形数据文件的不同，分别采用不同的算法：的不同，分别采用不同的算法：（1）内部点扩散法）内部点扩散法（2）复数积分算法）复数积分算法（3）射线算法和扫描算法）射线算法和扫描算法（4）边界代数算法）边界代数算法第

58、三节 GIS的基本原理四、GIS的空间数据管理（四）矢量与栅格数据的相互转换（四）矢量与栅格数据的相互转换l 栅格数据向矢量数据的转换是提取具有相同编号的栅格栅格数据向矢量数据的转换是提取具有相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成矢量格式边界线的过程。示成矢量格式边界线的过程。l 步骤包括多边形边界提取（即使用高通滤波将栅格图像步骤包括多边形边界提取（即使用高通滤波将栅格图像二值化）、边界线跟踪（即对每个弧段由一个节点向另二值化）、边界线跟踪（即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索）、拓扑关系的生成和曲线光滑等。一个节

59、点搜索）、拓扑关系的生成和曲线光滑等。第三节 GIS的基本原理五、GIS的空间数据分析与处理l 它是以地理空间数据库为基础，通过各种几何的逻辑运它是以地理空间数据库为基础，通过各种几何的逻辑运算、数理统计分析、代数运算等数学手段，提取和传输算、数理统计分析、代数运算等数学手段，提取和传输地理空间信息，解决人们所涉及到的地理空间实际问题，地理空间信息，解决人们所涉及到的地理空间实际问题，特别是隐含信息，满足辅助决策的需要。特别是隐含信息，满足辅助决策的需要。l 空间数据分析是对分析空间数据有关的技术的统称。空间数据分析是对分析空间数据有关的技术的统称。基于空间图形数据的分析运算基于空间图形数据的

60、分析运算基于非空间属性的数据运算基于非空间属性的数据运算空间和非空间数据的联合运算空间和非空间数据的联合运算l 可以分为可以分为第三节 GIS的基本原理五、GIS的空间数据分析与处理（一）空间插值（一）空间插值 l 空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面。空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面。l 对于收集的采样点数据，要按照一定方法推演出整个区域的对于收集的采样点数据，要按照一定方法推演出整个区域的参数分布，以便与其它空间现象的分布模式进行比较。参数分布，以便与其它空间现象的分布模式进行比较。l 通常包括空间内插和外推两种算法。通常包括空间内插和外推两种算法。n 空间内插法是一种通过已知点的数据推求