北大地理信息系统概论教学大纲

1、地理信息系统概论教学大纲目的要求：使学生掌握正确的专业基本概念和基础认识，掌握地理信息系统的基本框架结构，了解地理信息系统的应用及发展状况，从而为其后续专业及相关的学习和研究指引正确方向、打好坚实基础。学时分配 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top授课内容授课学时第一章 地理信息系统概论2第二章 从现实世界到比特世界1第三章 空间数据模型3第四章 空间参照系统和地图投影自学第五章 GIS中的数据3第六章 空间数据获取与处理3第七章 空间数据管理3第八章 空间分析3第九章 数字地形模型与地形分析2第十章 空间建模与空间决策支持3第十一章 空间

2、数据表现与地图制图2第十二章 3S集成技术2第十三章 网络地理信息系统3第十四章 地理信息系统应用实例2第十五章 地理信息系统应用项目组织和管理2第十六章 地理信息系统软件工程技术2第十七章 地理信息系统标准2第十八章 地理信息系统和社会2第十九章 地球信息科学和数字地球1现场参观2专题讲座2共计45学时教学内容 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top本课程教学的主要内容包括四个主要模块：基本概念和理论；地理信息系统的框架与功能；地理信息系统应用；地理信息系统的前沿问题与发展趋势。基本概念和理论第一章 地理信息系统概论 介绍了地理信息系统的一

3、些最基本的、但又非常重要的概念，包括信息、数据、信息系统、空间数据、空间信息和地理信息系统。有些概念，如空间信息和空间数据，还将得到进一步的阐述，实际上，空间数据也是本书中描述GIS功能的核心。 GIS既是一项技术，也是一门学科，本章也介绍了它的主要研究内容以及与其它学科，如地理学、地图学、遥感等的关系。 同时介绍了GIS的组成、分类、功能、发展历史和展望，这些将在后面的章节中更为详尽地被描述。 第二章 从现实世界到比特世界 从空间认知的角度讲述了对现实世界进行抽象的过程。空间认知属于行为地理学的范畴，它研究个体如何对现实世界进行认知，并在意识中编码的过程。在认识的基础上进行逐步抽象，最后得到

4、数字化的空间数据，这正是OpenGIS九层抽象模型前五层所描述的内容。最后是空间数据库模型，进一步强调了该抽象过程。 第三章 空间数据模型 本章描述的是整个GIS理论中最为核心的内容。为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。空间数据模型可以分为三种： 1、场模型：用于描述空间中连续分布的现象； 2、要素模型：用于描述各种空间地物； 3、网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络。 在各种模型中，又介绍了相关的概念，如空间划分，空间关系，以及拓扑关系的形式化描述9交模型等。 最后讲述了普通的二维数据模型在空间上和

5、时间上的扩展，时间数据模型和三维数据模型。值得注意的是，本章谈到的场模型和要素模型类同于后面提及的栅格数据和矢量数据，但是前者是概念模型；后者是指其在信息系统中的实现。 第四章 空间参照系统和地图投影 一个要素要进行定位，必须嵌入到一个空间参照系中，因为GIS所描述的是位于地球表面的信息，所以根据地球椭球体建立的地理坐标（经纬网）可以作为所有要素的参照系统。因为地球是一个不规则的球体，为了能够将其表面的内容显示在平面的显示器或纸面上，必须进行坐标变换。 本章讲述了地球椭球体参数、常见的投影类型。考虑到目前使用的1：100万以上地形图都是采用高斯克吕格投影，本章最后又对该种投影类型和相关的地形图

6、分幅标准做了简单介绍。 第五章 GIS中的数据 对空间数据的处理是GIS的核心功能，GIS中的数据通常描述三部分信息：空间信息（位置，空间关系等等），非空间的属性信息，时间信息。数据按照其测量尺度，可以分为定名、定比、间隔、比率量四种类型。由于各方面的原因，GIS数据存在着质量问题，了解数据质量有利于数据的正确使用，避免出现“Garbage In, Garbage Out”的情形。数据质量可以通过元数据进行描述，简单的说，元数据是对数据的描述，在GIS应用不断发展、空间数据不断增长的情况下，元数据有助于数据的共享和有效使用。地理信息系统的框架与功能 第六章 空间数据获取与处理 空间数据获取是地

7、理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有多种实现方式包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中已有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力资源的工作。在GIS中，录入的内容包括空间信息和非空间信息，前者是录入的主体。目前，空间信息的录入主要有两种方式，即手扶跟踪数字化和扫描矢量化，本章具体介绍了这两种方式，以及相关的算法，如曲线近似拟合，栅格图形细化跟踪等。 在图形数据录入完毕后，需要进行各种处理，包括坐标变换、拼接等等，其中最重要的是建立拓扑关系。在拓扑建立过程中，需要先对各种错误修改，本章描述了各种具体的错误情形，最后则介绍了多边形自动拓扑生成算法。 第七章 空间数据

8、管理 本章首先介绍空间数据库、与一般数据库的比较，以及空间数据库的存储方式。 然后介绍了GIS中两种重要的数据结构：栅格结构和矢量结构，以及其具体的存储方式，然后比较了两种结构的特点，并给出了其相互转换算法。 最后介绍了空间检索中常用的技术空间索引，介绍了一些常用的空间索引方式，如BSP树、R树、CELL树等；以及空间数据的查询功能。 第八章 空间分析 空间分析源于60年代地理和区域科学的计量革命，在开始阶段，主要是应用定量（主要是统计）分析手段用于分析点、线、面的空间分布模式。后来更多的是强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析。实际上自有地图以来，人们就始终在自

9、觉或不自觉地进行着各种类型的空间分析。如在地图上量测地理要素之间的距离、方位、面积，乃至利用地图进行战术研究和战略决策等，都是人们利用地图进行空间分析的实例，而后者实质上已属较高层次上的空间分析。 地理信息系统集成了多学科的最新技术，如关系数据库管理，高效图形算法，插值，区划和网络分析，为空间分析提供了强大的工具，使得过去复杂困难的高级空间分析任务变得简单易行。目前绝大多数地理信息系统软件都有空间分析功能。空间分析早已成为地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息（特别是隐含信息）的提取、表现和传输功能，是地理信息系统区别于一般信息系统的主要功能特征。 空间分析是对分析空间数据有关技术的统

10、称。根据作用的数据性质不同，可以分为：（1）基于空间图形数据的分析运算；（2）基于非空间属性的数据运算；（3）空间和非空间数据的联合运算。空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。 本章介绍GIS中实现空间分析的基本功能，包括空间查询与量算，缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、统计分类分析等，并描述了相关的算法，以及其中的计算公式。 第九章 数字地形模型与地形分析 DEM和DTM主要用于描述地面起伏状况，可以用于提取各种地

11、形参数，如坡度、坡向、粗糙度等，并进行通视分析、流域结构生成等应用分析。因此，DEM在各个领域中被广泛使用。 DEM可以有多种表达方法，包括网格、等高线、三角网等，本章同时介绍了这些表达方法之间的相互转换算法，如由三角网生成等高线，网格DEM生成三角网等等。 第十章 空间建模与空间决策支持 本章介绍了“更高层次”的GIS分析功能，第一节讲述了如何利用基本的分析，如缓冲区、叠加分析，进行组合，以完成特定的功能。 后面几节分别介绍了空间决策支持系统、专家系统、数据仓库、元胞自动机和空间定位和配置方面的知识，这些内容，或者在其它的领域已经成熟，或者属于新兴的领域。在GIS的支持下，实现相关功能，并将

12、其应用于空间分析，可以解决更为复杂的空间问题。 第十一章 空间数据表现与地图制图 空间数据的表现功能贯穿于GIS空间数据处理的始终，功能的许多方面，包括符号、专题信息表达、图幅配置、制图综合等，都来源于地图制图，这也表明了地理信息系统和制图学的渊源关系。从某种角度上来讲，地理信息系统可以称为“动态的地图”，它提供了比普通地图更为丰富和灵活的空间数据表现方式，如动态信息表达、虚拟现实等等。但是，从另外的角度来看，制图学又是一门艺术，单纯依靠计算机系统是难以制作完美的地图的，它需要人工的交互干预，如制图综合，目前还没有任何GIS软件能够很好地解决这些问题。 本章最后介绍了可视化的内容，可视化与信息

13、的感知和传输有着密切的关系，地学可视化的研究、以及在GIS中应用可视化技术，对于空间数据的广泛应用有着重要的意义。地理信息系统应用 第十二章 3S集成技术 本章简介了遥感和全球定位系统技术的基本概念以及它们与GIS的集成应用。作为实时、客观获取空间信息的新兴技术手段，遥感和全球定位系统成为地理信息系统的重要数据来源，而通过GIS对其获得的数据进行处理和分析，可以提取各种有用信息，以进行决策支持。 本章主要介绍了一些3S集成的具体应用，并简要描述了其技术实现方案。 第十三章 网络地理信息系统 本章首先介绍了计算机网络的基本知识，包括定义、拓扑结构、分类、网络协议等，然后介绍了因特网以及目前流行的

14、WWW和HTML语言。 第二节讲述了基于网络的分布计算以及地理信息系统在分布计算环境下的具体实现方案。 第三节主要介绍了在Web上发布空间数据，即实现WebGIS的几种技术方案，并进行了比较。 第十四章 地理信息系统应用实例 本章介绍了地理信息系统在一些具体领域的应用。 由于GIS是用来管理、分析空间数据的信息系统，所以几乎所有的使用空间数据和空间信息的部门都可以应用GIS。由于各个部门的不同，GIS在具体业务系统中所占的比重、应用方式也各异，结合比较紧密的如城市规划、环境领域等，相对松散的有商业、医疗卫生领域。 本章简单介绍了一些GIS应用实例，针对不同实例，介绍方法也不同，有的概述一个具体

15、区域的应用，有的叙述工作流程，有的介绍了工作原理和分析方法，可以对相关领域的GIS建设提供借鉴，也可以作为其它领域建设GIS的参考。 本章也引入了一些新的概念，如AM/FM、GIS/T以及一些具体的分析方法，如动态分段模型，它们处于GIS与具体领域的交叉部分，同时也是GIS理论和技术的有益补充。 第十五章 地理信息系统应用项目组织和管理 本章首先简单概括了GIS应用项目，提出了GIS应用的三元划分，然后介绍了几种GIS应用的建立途径以及项目周期。在项目开始之前，需要进行策略性规划和实施规划，如果要进行项目承包，则要签订合同;在GIS项目进行过程中，要进行人员管理，数据管理以及质量控制，本章根据

16、GIS具体技术特点，提出了相应的建议。在最后，介绍了软件研制和开发的质量控制的两个标准，ISO9000系列标准和CMM模型，作为项目开发机构的指导。 本章和地理信息系统软件工程技术一章讲述的内容是互相依赖的，后者重点在于技术，而本章则侧重于组织和管理，往往组织管理对项目成败的影响比所采用的技术更大。 第十六章 地理信息系统软件工程技术 本章介绍了软件工程的基本概念，软件开发活动，过程模型以及两种重要的开发方法：结构化方法和面向对象的方法。在GIS开发过程中应用软件工程技术，可以提高软件开发效率和质量。本章讲述了软件工程技术在GIS系统开发中的几个应用方面： 1、GIS软件构件和构架 2、需求分

17、析 3、数据管理设计 4、用户界面设计 5、设计模式在GIS软件开发中的应用 6、应用配置管理来实现空间过程支持 这些方面涉及了GIS开发过程中不同的阶段以及不同的层次，有些方法之间是互斥的，如UML和Code方法，但是软件工程技术最重要的是实用，开发者可以根据具体的情况选用不同的技术。 第十七章 地理信息系统标准 信息技术的标准对于产业的发展有着重要的意义，GIS也不例外，目前GIS标准主要集中于空间数据模型和空间服务模型以及相关领域，此外还包括流程、认证等等。本章介绍了两个主要的GIS标准：ISO/TC 211和OpenGIS。地理信息系统的前沿问题与发展趋势 第十八章 地理信息系统和社会

18、 地理信息系统应用的社会化是其发展的必然趋势，在社会化的GIS应用阶段，GIS技术在公众生活中被广泛使用，形成了GIS产业，这需要有相应的政策法规来规范产业运行，并且需要教育为GIS应用提供专业人才。在GIS技术影响社会的同时，一些社会因素也影响着GIS的发展。 第十九章 地球信息科学和数字地球 本章介绍了GIS发展的一些最新的概念，包括地球信息科学，数字地球等等，这些概念的具体含义至今仍在变化。 数字地球与其说是一门技术，不如说是一个政策，它是GIS应用发展的顶点。最后介绍了国家空间数据基础设施，它是一个国家推广GIS应用重要的第一步。教学参考书 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top 本课程主要以自编教材地理信息系统-原理、方法与应用作为教学使用教材，同时还参考国内外其它优秀教材,使用的教材及教学参考书包括：邬伦等，地理信息系统-原理、方法与应用，科学出版社，2001邬伦等，地理信息系统教程，北京大学出版社，1994张超、陈丙咸、邬伦编著，地理信息系统，高等教育出版社，2000邬伦等，地理信息系统，电子工业出版社，2002Paul A.Longley, M.F.Goodchild，David J.Maguire&D.W.Rhind, Geographical Information Systems: Pri