地理信息系统概论电子教案课件

1、研制 黄杏元 马劲松 高等教育出版社高等教育电子音像出版社面向21世纪课程教材地理信息系统概论电子教案地理信息系统GIS使 用 说 明 本电子教案，是为了方便教师与学生使用面向二十一世纪课程教材地理信息系统概论（修订版）(黄杏元、马劲松、汤勤编著，高等教育出版社，2001)而制作的。 电子教案按照教材的章节体系设计，并辅以图表的形式，力图以形象生动简洁的方式传达各章的教学重点、教学难点以及可供选择的教学活动。 第六章是在前面各章教学基础上的总结，要求教师通过12个应用模型融入前述各章所介绍的内容、方法和相关的操作，使学生了解应用GIS技术解决实际应用问题的原理、方法和过程。 第六章的第一节和第

2、二节包含基本概念和应用范例，为必修内容。其余各节可根据实际情况，由教师选择作为课堂讨论、上机实习或课程论文的内容。 电子教案仅提供了一个基本的思路和框架。教师在授课时可以根据实际情况进行调整与修改。 电子教案由黄杏元、马劲松等设计制作。在编制过程中，还得到高等教育出版社徐丽萍副编审的鼓励与支持。在电子教案出版之际，谨对所有关心和支持这项工作的单位和个人表示衷心的感谢！ 不当之处敬请广大师生批评指正。 联络信箱: 教学大纲简介课程特点和基本要求教学内容和学时分配考核方式与参考书目课程特点与基本要求课程特点GIS是一门典型的交叉性学科 因此，学生要学好GIS，首先必须要做好“GIS” (Gentl

3、emanlike, Intelligence, Smile。即博大(共建共享)、智能(开发创新)、微笑(微笑服务) )。GIS是一门实践性很强的学科 因此，要重视技能训练，重点掌握ArcInfo等基础GIS软件的操作和使用。GIS是一门迅速发展中的学科 因此，要经常阅读有关的文献资料，掌握GIS学科的发展趋势，努力更新自己的知识，不断提高自己的能力。基本要求 本课程旨在使学生掌握地理信息系统的基本原理、技术方法和实际应用，了解其主要应用领域和发展方向，并为从事GIS的地理学应用和应用型地理信息系统的开发奠定基础。具体要求如下：了解地理信息系统的基本原理，包括空间数据的语义学基础、GIS的科学定

4、义、空间关系和空间对象的表达、空间数据结构和类型、空间分析原理和地学模型方法等；掌握地理信息系统的基本技术和方法，具有应用MapInfo或ArcInfo软件从事空间数据的采集、存储与管理、处理、分析和图形创造的基本技能；初步具有应用GIS技术开展地学研究的能力，包括地学应用模型的构建，应用型GIS的设计，主要GIS软件系统的使用和评价等。教学内容与学时分配内容分八章，由课堂讲授和上机实习两大教学环节组成 ，总学时为80学时，具体安排如下：课堂教学(52学时)上机实习(28学时)课堂教学（52学时）第1章 导论 (2学时)1.1 地理信息系统的基本概念1.2 地理信息系统的基本构成1.3 地理信

5、息系统的功能简介1.4 地理信息系统的发展透视 第2章 地理信息系统的数据结构 (6学时)2.1 地理空间及其表达2.2 地理空间数据及其特征2.3 空间数据结构的类型2.4 空间数据结构的建立 第3章 空间数据的处理 (6学时) 3.1 空间数据的坐标变换 3.2 空间数据结构的转换3.3 多源空间数据的融合 3.4 空间数据的压缩与综合 3.5 空间数据的内插方法 3.6 图幅数据边沿匹配处理第4章 地理信息系统空间数据库 (8学时)4.1 空间数据库概述4.2 空间数据库概念模型设计：传统的数据模型 4.3 空间数据库概念模型设计：语义数据模型和 面向对象数据模型 4.4 空间数据库逻辑

6、模型设计和物理设计4.5 GIS空间时态数据库第5章 空间分析的原理与方法 (10学时)5.1 数字地面模型分析5.2 空间叠合分析5.3 空间缓冲区分析5.4 空间网络分析5.5 空间统计分析5.6 空间数据的集合分析和查询第6章 地理信息系统的应用模型 (8学时)6.1 GIS应用模型概述6.2 适宜性分析模型6.3 发展预测模型6.4 位址选择模型6.5 交通规划模型6.6 地学模拟模型6.7 专家系统概述第7章 地理信息系统的设计与评价 (6学时)7.1 GIS设计概述7.2 地理信息系统的设计7.3 地理信息的标准化7.4 地理信息系统的评价第8章 地理信息系统产品的输出设计(6学时

7、)8.1 地理信息系统产品的输出形式8.2 地理信息系统图形输出系统设计8.3 地理信息系统的可视化与虚拟现实上机实习（28学时） 实习1初识MapInfo 2学时 实习2 屏幕数字化 2学时 实习3 数字化图形的编辑 2学时 实习4MapInfo与数据库:空间库与属性库的建立 2学时实习5无缝图层的建立2学时实习6地理编码2学时实习7地理分析功能2学时实习8数据库应用:空间数据与属性数据的双向查询2学时实习9数据信息统计2学时实习10专题地图的绘制 2学时实习11用户界面设计 2学时实习12模块设计2学时 实习13MapBasic文件操作 2学时实习14MapInfo与其他程序的集成方法(O

8、LE) 2学时考核方式与参考书目考核方式本课程的教学应坚持理论与实践相统一的原则，考核方式包括平时提问、期中检查、期末考试和上机实习成果考评等；本课程采用的结构化考核和评分方法为：学生的总成绩（100分）= 平时提问和课堂讨论成绩（20分）+ 上机实习和课程设计成绩（40分）+ 期末考试成绩（40分）。 参考书目龚健雅.地理信息系统基础.北京：科学出版社，2001郭达志等.地理信息系统基础与应用.北京：煤炭工业出版社，1997张超等.地理信息系统实习教程.北京：高等教育出版社，2000吴信才等.地理信息系统原理与方法.北京：电子工业出版社，2002考核方式与参考书目第一章 导 论第一节 地理信

9、息系统基本概念第二节 地理信息系统的基本构成第三节 地理信息系统的功能简介第四节 地理信息系统的发展透视第一节 地理信息系统基本概念数据与信息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；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；信息是当代社会发展的一项重要任务。地理信息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；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。第一节 地理信息系统基本概念地理信息系统(简称GIS)GIS是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科

10、，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；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；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；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

11、重要的基础理论依托；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。第二节 GIS的基本构成系统硬件 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。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。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。应用模

12、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。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。GIS基本构成的结构图硬件系统软件系统应用模型GIS用户GUI空间数据DBMS第三节 GIS的功能简介基本功能数据采集与编辑；数据存储与管理； 数据处理和变换；空间分析和统计； 产品制作与显示；二次开发和编程。应用功能资源管理； 区域规划；国土监测； 辅助决策；定位服务。第三节 GIS的功能简介第四节 GIS的发展透视发展概况发展简史；发展态势：GIS已成为一门综合性技术； GIS产业化的发展势头强劲；GIS网络化已构成当今

13、社会的热点； 地理信息科学( geoinformatics )的产生和发展。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

14、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。第二章 地理信息系统的 数 据 结 构第一节 地理空间及其表达第二节 地理空间数据及其特征第三节 空间数据结构的类型第四节 空间数据结构的建立第一节 地理空间及其表达地理空间的概念GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；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；GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家

15、大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。空间实体的表达在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的；对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格表示法（栅格数据模型）,如下图。湖泊河道居民地流路GIS的空间数据空间数据可以按照数据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型；空间、属性和时间特征空间对象的三大基本特征：第二节 地理空间数据及其特征空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；属性特征是指空间对象的专题属性；时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。第二节 地理空间数据及其特

16、征空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。第二节 地理空间数据及其特征空间数据的计算机表示指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。第二节 地理空间数据及其特征第三节 空间数据结构的类型矢量数据结构矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式；矢量数据结构分为简单数据结构（也称面条数据结构）、拓扑数据结构和曲面数据结构；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，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。第三节 空间数

17、据结构的类型C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑数据举例第三节 空间数据结构的类型弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1N1N2P2P1C2N3N2P1P4C3N1N3P1C4N1N4P2C5N2N5P2P4C6N4N5P3P2C7N5N6P3P4C8N4N6P3C9N7N7P4P5C10N3N6P4栅格数据结构栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式；栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。第三节 空间数据结构的类

18、型第三节 空间数据结构的类型 矢量结构 栅格结构 矢量与栅格数据结构矢量与栅格一体化的基本概念；矢量与栅格一体化数据结构的设计。矢量与栅格数据结构的比较优点缺点矢量数据结构1.便于面向现象(土壤类、土地利用单元等)；2.数据结构紧凑、冗余度低；3.有利于网络分析；4.图形显示质量好、精度高。1.数据结构复杂；2.软件与硬件的技术要求比较高；3.多边形叠合等分析比较困难；4.显示与绘图成本比较高。栅格数据结构1.数据结构简单；2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；4.输出方法快速，成本比较低廉。1.图形数据量大；2.投影转换比较困难；3.栅格地图的图形质量

19、相对较低；4.现象识别的效果不如矢量方法。第四节 空间数据结构的建立系统功能与数据间的关系现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系(见下表)，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。空间数据的分类和编码空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层(见下图)；系统功能与数据间的关系(据Jack Dangermond等) 信息层示意图空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一

20、种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示： 大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别位大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。国土基础信息数据分类与代码举例 矢量数据的输入与编辑矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去；空间数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。栅格数据的输入与编辑栅格数

21、据的输入方法包括透明格网采集输入、扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误，根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压缩和数据组织方式的变换等,如下图。 空间数据的不同组织方式第三章 空间数据的处理第一节 空间数据的坐标变换第二节 空间数据结构的转换第三节 多源空间数据的融合第四节 空间数据的压缩与综合第五节 空间数据的内插方法第六节 图幅数据边沿匹配处理第一节 空间数据的坐标转换几何纠正几何纠正是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系；几何纠正的方法包括仿射变换、相似变换、二次变换

22、和高次变换等。第一节 空间数据的坐标转换仿射变换举例投影转换投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等。第一节 空间数据的坐标转换第一节 空间数据的坐标转换地图投影转换等面积伪圆锥投影第一节 空间数据的坐标转换斜轴等面积方位投影第二节 空间数据结构的转换由矢量向栅格的转换当数据采集采用矢量数据，而空间分析采用栅格数据时，需要将矢量数据转换为栅格数据；由矢量数据向栅格数据的转换方法，根据原数据文件的不同，可以分别应用：基于弧段数据的栅格化方法；基于多边形数据的栅格化方法。由栅格向矢量的转换当由

23、栅格数据分析的结果通过矢量绘图机输出，或者将栅格数据加入矢量数据库时，都需要将栅格数据转换为矢量数据；由栅格数据向矢量数据的转换，根据图像数据文件和再生栅格数据文件的不同，可以分别采用：基于图像数据的矢量化方法；基于再生栅格数据的矢量化方法。栅格矢量化举例（栅格数据）栅格矢量化得到的弧段数据弧段数据自动生成多边形第三节 多源空间数据的融合遥感与GIS数据的融合遥感图像与数字地图数据的融合；遥感图像与DEM数据的融合；遥感图像与地图扫描数据的融合。不同格式数据的融合基于转换器的数据融合；基于数据标准的数据融合；基于公共接口的数据融合；基于直接访问的数据融合。第四节 空间数据的压缩与综合空间数据的

24、压缩空间数据的压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的程度范围内最好地逼近原集合，而且具有最大的压缩比a 式中：m为曲线的原点数；n为曲线经压缩后的点数。曲线上点的压缩方法：道格拉斯-普克法(Douglas-Peucker)；Li-openshaw的自然综合法则法；垂距法 。面域栅格数据的压缩方法：游程编码法；四叉树编码压缩法。空间数据的综合空间数据的综合是针对存贮在GIS数据库中的数据因属性数据的重新分类而进行的操作；空间数据的综合内容包括相同属性的删除和相同属性公共边界线的删除等。第五节 空间数据的内插方法点的内插点的内插是研究具有连续变化特征现象

25、（如地形、气温、气压等）的数值内插方法；点的内插方法可以采用：移动拟合法；局部函数法；克里格（Kriging）内插法。区域的内插区域的内插是研究根据一组分区的已知数据来推求同一地区另一组分区未知数据的内插方法；区域的内插方法可以采用：叠置法；比重法。克里格（Kriging）内插法举例高程数据设置参数插值结果三维显示第六节 图幅数据边沿匹配处理图幅数据边沿匹配的概念图幅数据边沿匹配的任务识别和检索相邻图幅的数据；相邻图幅边界点坐标数据的匹配；相同属性多边形公共界线的删除；连续图幅数据文件的建立。第四章 GIS空间数据库第一节 空间数据库概述第二节 空间数据库概念模型设计: 传统的数据模型第三节

26、空间数据库概念模型设计:语义 数据模型和面向对象数据模型第四节 空间数据库逻辑模型设计和物 理设计第五节 GIS空间时态数据库时态数据库第一节 空间数据库概述空间数据库的概念GIS存储空间和属性数据的数据库。空间数据库的设计设计过程；数据模型设计；原则、步骤和技术方法。空间数据库的实现和维护第二节 空间数据库概念模型设计:传统的数据模型层次数据模型网状数据模型关系数据模型基本概念：关系；关键字；关系模式；关系数据库；关系完整性。第三节 空间数据库概念模型设计: 语义模型与对象模型语义数据模型E-R模型。面向对象的数据模型面向对象的基本概念：对象、类；继承；重载；概括与聚集。第四节 空间数据库逻

27、辑模型设计和物理设计逻辑设计步骤和内容；E-R模型向关系数据模型转换。物理设计第五节 GIS空间时态数据库空间时态数据库概述空间时态数据的表达；空间时态数据的更新；空间时态数据的查询；时空一体化数据模型时间片快照模型；底图叠加模型；时空合成模型；全信息对象模型。第五章 空间分析的原理和方法第一节 数字地面模型分析第二节 空间叠合分析第三节 空间缓冲区分析第四节 空间网络分析第五节 空间统计分析第六节 空间数据的集合分析和查询第五章 空间分析的原理和方法空间分析的概念 空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、

28、空间形成和空间演变等信息。空间分析的一般分类产生式分析(product mode) ；咨询式分析(query mode) 。第一节 数字地面模型分析地形因子的自动提取坡度计算；坡向分析；曲面面积计算；地表粗糙度计算；高程及变异分析；谷脊特征分析；日照强度的分析；淹没边界的计算。地表形态的自动分类拟定地形分类决策表；建立地形类型分类系统；输出地形类型图。地学剖面的绘制和分析建立数字高程模型；确定地形剖面线的位置；剖面线交点的内插计算；地形剖面线及相关地理信息（地质、土壤、土地利用等）的叠加表示和输出。第二节 空间叠合分析空间叠合分析的概念空间叠合分析是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两

29、个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系；空间叠合分析根据叠合对象图形特征的不同，分为点与多边形的叠合、线与多边形的叠合和多边形与多边形的叠合三种类型。多边形与多边形的叠合分析多边形与多边形的叠合分析是指将两个不同图层的多边形要素相叠合，产生输出层的新多边形要素，用以解决地理变量的多准则分析、区域多重图幅要素更新、相邻图幅拼接和区域信息提取等；多边形与多边形叠合分析的功能：union；intersect；identity；erase；update；clip。 空间叠合分析的方法基于矢量数据的叠合分析；基于栅格数据的叠合分析；第三节 空间缓冲区分析

30、空间缓冲区分析的概念空间缓冲区分析是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据；空间缓冲区的三大要素，即主体、邻近对象和作用条件。空间缓冲区分析的模型线性模型；二次模型；指数模型。空间缓冲区分析的方法 方案一 方案二计算模型参数f0和d0设定di计算ri和Fi缓冲区图形表达计算模型参数f0和d0设定Fi计算di缓冲区图形表达第四节 空间网络分析网络图论的基本概念图及其构成元素；有向图和无向图；邻接矩阵和关联矩阵。空间网络的类型和构成空间网络的拓扑分类；空间网络的构成元素。空间网络分析方法路径

31、分析；定位-配置分析。第五节 空间统计分析变量筛选分析变量筛选分析的概念；变量筛选分析的方法。变量聚类分析变量聚类分析的概念；变量聚类分析的方法。第六节 空间数据的集合分析和查询空间数据的集合分析空间集合分析的概念；空间集合分析的方法。空间数据的查询基于关系查询语言扩充的空间查询方法；可视化空间查询方法；基于自然语言的查询方法；超文本查询方法。第六章 地理信息系统的应用模型第一节 GIS应用模型概述第二节 适宜性分析模型第三节* 发展预测模型第四节* 位址选择模型第五节* 交通规划模型第六节* 地学模拟模型第七节* 专家系统概述 *第三至第七节供选择使用第一节 GIS应用模型概述GIS应用模型

32、的分类理论模型；经验模型；混合模型。GIS应用模型的构建GIS环境内的模型构建；GIS外部的模型构建；混合型的模型构建。第二节 适宜性分析模型模型的一般形式模型的应用实例选择评价对象；确定评价方法；评价过程和操作；输出评价结果。第三节第七节 (供选择使用)第七章 地理信息系统的设计与评价第一节 GIS设计概述第二节 地理信息系统的设计第三节 地理信息的标准化第四节 地理信息系统的评价第一节 GIS设计概述系统设计的目的这里的系统设计是指应用型或业务型地理信息系统的设计；应用型地理信息系统设计的目的是为了建立业务化的运行系统，以实现业务操作的手工模式向信息化模式的根本转变，实现管理和决策的高效率和科学化。系统设计的模式结构化的系统设计模式；软件工程理论的应用。系统设计的流程系统分析；系统设计；系统实施；系统运行与维护。第二节 地理信息系统的设计系统分析系统分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案；系统分析的内容包括：who谁使用该系统；what新