地信原理概论

1、地理信息系统概论第一章导论 数据与信息1、数据：是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量地描述 事物的特征和状况。2、信息：是指主体与外部客体之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间的 一切有用的消息或知识，是表征事物特征的一种普遍形式3、数据与信息的关系：数据是信息的表达形式，是信息的载体；而信息是数据 中蕴含的事物的含义，是数据的内容。4、地理信息：是地理数据所蕴含和表达的地理含义5、地理信息的特征：空间特征、属性特征、时序特征6地理信息系统是一门学科是描述存储分析和输出空间信息的理论方法的一门 新兴的交叉学科是一门技术系统是以地理空间数据库为基础采用地理模型 分析方法适时提

2、供多种空间的动态的地理信息为地理研究和地理决策服务的计 算机技术基础7 GIS的基本组成GIS 一般包括以下5个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人 员和应用模型。 一系统硬件 1、GIS主机：包括大型、中型、小型机，工作 站/服务器和微型计算机，其中各种类型的工作站/服务器成为GIS的主流。2、 GIS外部设备：包括各种输入（如图形数字化仪、图形扫描仪、解析和数字摄影 测量设备等）和输出设备（如各种绘图仪、图形显示终端和打印机）。3、GIS网络设备：包括布线系统、网桥、路由器和交换机等。二系统软件：（1）按功能分为GIS专业软件、数据库软件和系统管理软件。三 空间数据（2）基础支撑

3、软件（3）操作系统软件四 应用人员：包括系统开发人员和GIS技术的最终用户。五 应用模型8 GIS的功能简介基本功能是数据的采集、管理、处理、分析和输出。基本功能：包括数据采集与编辑、数据存储与管理、数据处理与变换、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：包括资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策9 GIS的发展透视发展概况 当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展方向迈进，呈现以下主要发展态 势：1、 GIS已成为一门综合性技术 2、 GIS产业化的发展势头强 劲3、GIS网络化已构成当今社会的热点4、地理信息科学的产生和发展第二章地理信息系统的数据结构1、地理空间：一

4、般指上至大气电离层，下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空 间区域。2、我国大地坐标系：（1）1954年北京坐标系（2）1980年国家大地坐标系（常 用）；（3）地心坐标系3、地图投影：将椭圆上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上 相应点的平面直角坐标。4、高程:指空间某点高于或低于某基准面的垂直距离，主要用来提供地形信息。5、我国现在规定的高程基准面为：1985国家高程基准6、空间实体的表达分：矢量表示法（采用一个没有大小的点来表达基本元素） 和栅格表示法（采用一个有固定大小的点来表达基本元素）7、GIS空间数据按照几何特征分;点、线、面、曲面、体。8、GIS的数据来源和数据类型繁多

5、，主要有：地图数据；影像数据；地形数据； 属性数据；元数据。空间数据根据表示对象的不同分为：类型数据；面域数据；网络数据；样本数据； 曲面数据；文本数据；符号数据。9矢量数据是利用欧式空间的点线面等几何元素来表达空间实体的几何特征的 数据栅格数据是将空间分割成有规律的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表 示空间实体的一种数据组织形式10、空间数据的基本特征：空间特征、属性特征、时间特征。11空间数据的拓扑关系包括：拓扑邻接；拓扑关联；拓扑包含12拓扑邻接:指存在于空间图形的相同类型元素之间的拓扑关系拓扑关联：指存在于不同类型空间元素之间的拓扑关系拓扑包含：指存在于空间图形的相同类型但不同等级

6、的元素之间的拓扑关系13空间拓扑关系的意义：1根据拓扑关系，不需要利用坐标或计算距离，就可以确定一种地理实体相对于 另一种地理实体的空间位置关系；2利用拓扑数据有利于空间要素的查询；例如某些区域与哪些区域邻接某条河流 能为哪些政区的居民提供水源3可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体例如建立封闭多边形，实现道路的 选取14矢量数据结构基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。矢量数据结构上利用欧几里得（Euclid）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15矢量数据结构分为以下几种主要类型1简单数据结构特点：数据按点、线或多边形为单元组织，数据排版直观，数字化

7、操作简单；每 个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成 数据冗余和不一致；点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相 之间不关联；岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。2、拓扑数据结构：包括DIME（对偶独立地图编码法）、POLYVRT （多边形转换器）、 TIGER （地理编码和参照系统的拓扑集成）。特点：点是相互独立的，点连成线，线构成面。16栅格数据结构是指将空间分割成大小均匀紧密相领的网格列阵每个网格作 为一个象元或像素列定义并包含一个代码表示该象元的属性类型或量值 17删格数据结构与矢量数据结构相比较，用删格数据结构表达地理要素比较直

8、观，容易实现多元数据的叠合操作，便于与遥感图象及扫描输入数据相匹配建库 和使用等18删格数据结构的类型：1、删格矩阵结构：是一种全删格阵列的空间数据组织形式。2、游程编码结构：（游程指相邻同值网格的数量）是逐行将相邻同值的网格合并， 并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩删格数据量，消除数据 间的冗余。3、四叉树数据结构：将空间区域按照四个象限进行递归分割（2n*2n，且n=1）， 知道子象限的数值单调为止。凡值（特征码或类型值）呈单调的单元，不论单元 大小，均作为最后的存储单元。游程编码结构:是逐行将相邻同值的栅格合并，记录合并后栅格的值及合并 栅格的数量（及游程），其目的是压缩

9、栅格数据量，消除数据间的冗余。22、游 程编码结构的建立方法：将栅格矩阵的一行数据序列隐射为相应的二元组序列。 冗余度：Re=1-Q/m n24、压缩比：S=m n/K四叉树结构的原理：将空间区域按照四个象限进行递归分割n次，每次分 割形成2n*2n个子象限，直到子象限中的属性数值都相同为止，该子象限就不再 分割。生成四叉树有两种方法：自上而下方式（先检测全区域，其值不相同时即 四叉分割，直到最小栅格或数值都相同为止）和自下而上的方式、四叉树的存 储方法:常规四叉树和线性四叉树19表达曲面的方法：一种是不规则三角网，一种是规则格网。20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

10、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数据层，为 数据采集、存储、管理、查询和共享提供依据。21空间数据的编码（特征码）：是指将数据分类结果用一种易于被计算机和人类 识别的符号系统表示出来的过程第三章空间数据的处理1、空间数据处理包括：数据变换、数据重构、数据提取2、数据变换：指数据从一种数学状态到另一数学状态的变换，包括几何纠正和 地图投影转换等，以实现空间数据的几何配准。3、数据重构：指数据从一种到另一种格式的转换，包括结构转换、格式转换、 类型替换等，以实现空间数据在结构、形式和类型上的统一。多源和异构数据的 联接与融合。4、数据提取:指对数据进行某种条件

11、的取舍，包括类型提取、窗口提取、空间内 插等，以适应不同用户对数据的特定要求。5、空间数据的变换器实质：是建立两个坐标系坐标点之间的一一对应关系，包 括几何纠正和投影转换6几何纠正是为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的改正。现有 的商业GIS软件一般都具有仿射变换、相似变换、二次变换等几何纠正功能 7投影转换 当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的 数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。投影转换的方法可采用：正解变换、 反解变换、数值变换。8仿射变换的特性：（1）直线变换后仍为直线（2）平行线变换后仍为平行线（3） 不同方向上的长度比发生变化。9、投影变形主要有

12、：角度变形、面积变形和长度变形、矢量和栅格数据特征的比较？优点 矢 量1、便于面向实体的数据表达。2、数据结构紧凑，冗余度低。3、拓扑结构有利于网络分析、空间查询等。缺点1、数据结构较复杂。2、软件实现的技术要求比较高。3、多边形叠合等分析相对困难。 栅 格优点1、数据结构相对简单。2、 空间分析较容易实现。3、有利于遥感数据的匹配应用和分析。缺点1、数 据量较大，冗余度高，需要压缩处理。2、定位精度比矢量低。3、拓扑关系难以表达10由矢量向删格的转换由矢量向删格的转换的根本任务是通过一个有限的工作存储区，使得矢量和删格 数据之间不可避免的读写操作，限制在最短的时间范围内。根据转换处理时，基

13、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。1点的栅格化 2线的栅格化3面的栅格化（1、基于弧段数据的删格化方法：其算法可分解 为数据管理和转换计算两步。2、基于多边形数据的删格化方法）由删格向矢量的转换由删格向矢量的转换的目的，是为了将删格数据分析的结果，通过矢量绘图装置 输出，或者为了数据压缩的需要，将大量的面状删格数据转换为由少量数据表示 的多边形边界，但是主要目的是为了能将自动扫描仪获取的删格数据加入矢量形 式的数据库。转换处理时，基于图象数据文件和再生删格数据文件的不同分别采 用不同的算法。1基于图象数据的矢量化方法：二值化；细化；跟踪2、基于 再生删格数据的矢量化方法

14、11遥感与GIS数据的融合常用方法具体表现为：遥感图象与图形的融合；遥感数据与DEM的融合；遥感图 象与地图扫描图象的融合不同格式数据的融合主要有以下几种方法：基于转换器的数据融合；基于标 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12空间数据压缩：从空间坐标数据集合中抽取一个子集，使这个子集在规定的 精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。（意义：将空间数 据组织为空间数据库）13基于矢量的压缩算法的原理：先拟定一个阀值，然后生成一条连接折线首尾 节点的直线段，并计算原始折线上的点到直线段的垂直距离。14、空间数据的重分类:存储在空间数据库中的数据，是提供为多

15、种目标服务的， 当需要进行特定的数据分析时，常常需要先对从数据库中提取的数据作属性的重 新分类和空间图形的化简，以构成数据新的使用形式。15空间数据的内插：通过已知点或多边形分区的数据，推求任意点或多边形分 区数据的方法。16数字高程模型的建立包括：数据取样、数据内插和数据精度分析等步骤。17、线性内插法：是先将所有的已知数据点连接成三角网的形式，使用靠近内插 点的三个已知数据点，来确定三角网中的一个三角形形成的空间平面，继而求出 该内插点在平面中的高程值。18点的内插点的内插是研究具有连续变化特征现象（例如地面高程等）的数值内插方法。根 据内插精度不同分为精确和概略的两类。一般需要经过数据取

16、样、数据处理和数 据记录三个过程。1、数据取样：数据点的选取和坐标的确定2、数据内插：以数据点作为控制基础，用某一数学模型来模拟地表面，进行内 插加密计算，确定三角网或格网节点处的特征值。（1分块内插法2线性内插 法）3、数据记录：将建立的节点特征值记录于存储器内，以供分析应用。19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。1、叠置法将目标区叠置在源区上，首先确定两者面积 的交集，然后用公式算出目标区各个分区的内插值。（计算方法P104）2、比重 法：根据平滑密度函数的原理，将源区的统计数据从同质性改变为非同质性，而 非同质性代表着一般社会经

17、济现象的普遍特点 第四章地理信息系统空间数据库空间数据库概述1. 1空间数据库的概念完整的空间数据库系统包括空间数据库、空间数据库管理系统和空间数据库应用 系统等三个部分组成。1. 2空间数据库的设计空间数据库的设计问题，其实质是将地理空间客体以一定的组织形式在数据库系 统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间客体数据的模型化问题。1、 空间数据库设计过程2、空间数据库的数据模型设计3、空间数据库设计的原则、步骤和技术方法1. 3空间数据库的实现和维护1、空间数据库的实现：根据空间数据库逻辑设计和物理设计的结果，在计算机 上创建实际的空间数据库结构，装入空间数据，并测试和运行。2、相关的其

18、他设计：包括加强空间数据库的安全性、完整性控制，以及保证 一致性、可恢复性等。3、空间数据库的运行与维护2空间数据库概念模型设计一一传统的数据模型传统的数据模型主要指层次、 网状和关系三种模型。2. 1层次数据模型：描述了各类客体及客体类之间的 联系。1、层次数据结构2、 层次数据结构的数据存取：树遍历法；通用选择法2. 2网状数据模型：以 系结构为基础1、网状数据结构2、网状数据模型的实现3、网状数据模型数据库的记录存取2. 3关系数据模型1、关系数据模型的基本概念：关系；关键字；关系模式；关系数据库；关系完 整性2、空间数据库关系数据模型的概念设计和逻辑设计2. 4三种传统数据 模型的比较

19、传统数据库的不足之处：以记录为基础的结构不能很好地面向用户和应用；不能 以自然的方式表示客体之间的联系；语义贫乏;数据类型太少难以满足应用需要。 第五章空间分析的原理与方法1空间分析的定义：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、 空间形成、空间演变等信息 2数字地面模型分析数字地面模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是定义于二维区域上的 一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。1. 1 地形因子的自动提取1、坡度计算2、坡向分析3、曲面面积计算p152 4、 地

20、表粗糙度计算P1535、高程及变异分析p1536、谷脊特征分析p154 7、日 照强度分析8、淹没边界的计算 3坡度坡向的表示4空间叠合分析是指在相同的空间坐标系统的条件下，将同一地区两个不同地理 特征的空间属性数据重叠相加，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。5分为：基于矢量数据结构的叠合分析和基于栅格数据的叠合分析两种类型。基 于矢量数据结构的分析：点与多边形的叠合，线与多边形的结合，多边形与多边 形的叠合6空间缓冲区就是地理空间实体的一种影响范围或服务范围。空间缓冲区分析是 围绕空间的店、线、面实体，自动建立其周围一定宽度内的多边形7常用模型：线性函数模型（

21、当主体对临近实体的影响度Fi随比值距离ri的增 加而线性衰减的），幕函数模型（幕函数衰减），指数函数模型（指数衰减）8空间临近度的另一个分析方法是Vornoi多边形分析，根据离散分布的已知数 据点对研究区域进行划分，使得划分成的多边形覆盖整个研究区域，形成一个 Voronoi图，且每一个多边形中仅包含一个已知的数据点，则可以用该已知的数 据点的数据分析该多边形内的所有其他数据点泰森多边形的特性是：1、每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；2、泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；3、位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。泰森多边形可用于定性分析、统计分析、邻近分析等。例如，可以用离散 点的性质来描述泰森多边形区域的性质；可用离散点的数据来计算泰森多边形区 域的数据；判断一个离散点与其它哪些离散点相邻时，可根据泰森多边形直接得 出，且若泰森多边形是n边形，则就与n个离散点相邻；当某一数据点落入某一 泰森多边形中时，它与相应的离散点最邻近，无需计算距离。9网络是一个由点线的二元关系构成的系统通常用来描述某种资源或物资沿着 路径在空间上的运动图是一个以抽象的形式来表达确定的事物以及事物之间是否具备某种特定关系 的数学系统或逻辑模型 顶