地理信息系统原理与方法-课件

地理信息系统原理与方法中国地质大学(武汉)信息工程学院地理信息系统原理与方法1绪论2空间数据结构3

地理信息系统的地理数学基础4地理信息系统数据输入5地理信息系统的数据处理6空间数据管理9空间分析10数字高程模型14地理信息系统的发展趋势

地理信息系统原理与方法1.1地理信息系统的基本概念1.2地理信息系统发展过程1.3地理信息系统与其它相关学科系统间的关系1.4地理信息系统组成1.5地理信息系统功能和应用1.6地理信息系统与数字地球

地理信息系统原理与方法地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。地理信息系统原理与方法（１）起始发展阶段(60年代)（２）发展巩固阶段(70年代)（３）推广应用阶段(80年代)（４）蓬勃发展阶段(90年代以后)地理信息系统原理与方法GIS与地图学GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础最终产品之一也是地图GIS是地图学理论、方法与功能的延伸地图学强调图形信息传输GIS则强调空间数据处理与分析

GIS与一般事务数据库数据库技术具有很好的管理,分析和处理数据的功能数据库技术是GIS的主要支撑技术之一GIS属性数据库部分相当于一般数据库GIS数据库比一般数据库结构要复杂得多GIS与计算机地图制图计算机地图制图系统强调的是图形表示GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法,可综合图形和属性的数据进行深层次的空间分析数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式

GIS与计算机辅助设计(CAD)共同点:都有空间坐标都能把目标和参考系统联系起来都能描述图形数据的拓扑关系都能处理非图形属性数据

区别:CAD处理的多为规则几何图形及其组合;它的图形功能尤其是三维图形功能极强;属性库功能相对要弱;采用的一般是几何坐标系GIS处理的多为自然目标，因而图形处理的难度大;GIS的属性库内容结构复杂，功能强大;图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征;GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能;GIS的数据量大，数据输入方式多样化;所用的数据分析方法具有专业化特征

目前,GIS与CAD仍有不同的侧重和特长,但它们主流技术之间的融合仍在不断扩展之中地理信息系统原理与方法（１）数据输入和检验（２）数据存储和管理（３）数据变换（４）数据输出和表示（５）用户接口数据变换地理信息系统原理与方法（１）数据采集与输入（２）数据编缉与更新（３）数据存贮与管理（４）空间查询与分析（５）数据显示与输出地理信息系统原理与方法数字地球的概念和提出的背景数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源

数字地球的特点

多源、多比例尺、多分辨率数据无缝集成的网络信息系统面向全社会公众开放的网络信息系统虚拟现实技术支持下多维网络信息系统数字地球需要的支撑技术与数字地球框架计算科学海量存储卫星图像宽带网络互操作元数据数字地球的应用和意义地理信息系统原理与方法2.1栅格数据结构2.2矢量数据结构2.3地理数据的显式和隐式表示2.4矢量与栅格数据结构的比较地理信息系统原理与方法2.1.1栅格数据基本概念2.1.2栅格数据层的概念2.1.3栅格数据取值方法2.1.4栅格数据存储编码

地理信息系统原理与方法将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为象素。根据所表示实体的表象信息差异，各象元可用不同的“灰度值”来表示。若每个象元规定N比特，则其灰度值范围可在0到2N—1之间；把白～灰色～黑的连续变化量化成8比特（bit），其灰度值范围就允许在0～255之间，共256级；若每个象元只规定1比特，则灰度值仅为0和1，这就是所谓二值图像，0代表背景。栅格数据结构实际上就是象元阵列，即象元按矩阵形式的集合，栅格中的每个象元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。地理信息系统原理与方法

在栅格数据结构中，物体的空间位置就用其在笛卡尔平面网格中的行号和列号坐标表示，物体的属性用象元的取值表示，每个象元在一个网格中只能取值一次，同一象元要表示多重属性的事物就要用多个笛卡尔平面网格，每个笛卡尔平面网格表示一种属性或同一属性的不同特征，这种平面称为层。地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值来确定。长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留的原则地理信息系统原理与方法(1)直接编码(2)链式编码(3)行程编码(4)块式编码(5)四叉树编码

直接栅格编码是最简单最直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法，通常称这种编码为图像文件或栅格文件。直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐象元记录，也可奇数行从左到右，而偶数行由右向左记录，为了特定目的还可采用其它特殊的顺序

3334444433334444133344421133322211113222111122221111122211111222133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222地理信息系统原理与方法

按行（或列）记录相同代码的始末象元的列号（或行号）和相应的代码，左图可沿行方向进行程编码：

1行：（1，3，3），（4，8，4）；

2行：（3，4，3），（5，8，4）；

3行：（1，1，1），（2，4，3），（5，7，4），（8，8，2）；

4行：（1，2，1），（3，5，3），（6，8，2）；

5行：（1，4，1），（5，5，3），（6，8，2）；

6行：（1，4，1），（5，8，2）；

7行：（1，5，1），（6，8，2）；

8行：（1，5，1），（6，8，2）。

133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222

地理信息系统原理与方法

把多边形范围划分成由象元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码数据结构中包括3个数字：块的初始位置（行、列号）和块的大小（块包括的象元数），再加上记录单元的代码组成。（1，1，2，3），（1，3，1，3），（1，4，1，4），（1，5，3，4）,（1，8，1，4），（2，3，1，3），（2，4，1，3），（2，8，1，4），（3，1，1，1），（3，2，1，3），（3，3，2，3），（3，8，1，2），（4，1，1，1），（4，2，1，1），（4，5，1，3），（4，6，1，2），（4，7，2，2），（5，1，4，1），（5，5，1，3），（5，6，1，2），（6，5，1，2），（6，6，3，2），（7，5，1，1），（8，5，1，1）。133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222地理信息系统原理与方法2.2.1矢量数据概念2.2.2拓扑关系2.2.3多边形矢量编码2.2.4ＤＩＭＥ结构地理信息系统原理与方法矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合。地理信息系统原理与方法拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包含关系。地理信息系统原理与方法拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4，N1/N2···等；多边形邻接关系有P1/P3，P2/P3···等。

地理信息系统原理与方法拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5···等。多边形与线段的关联关系有P1/C1、C5、C6，P2/C2、C4、C5、C7等。

地理信息系统原理与方法拓扑包含指存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系，P1包含P2和P3。

地理信息系统原理与方法一个区域或一幅地图可以划分成许多多边形，每个多边形由一条或若干条弧段组成，每条弧段由一串有序的x，y坐标对组成，每条弧段的两端点为结点，每个结点连接两条以上的弧段，多边形矢量编码主要用于表示空间图形为多边形的面状要素，每个多边形在数据库中是相互独立、分开存储的。如特征值为4的多边形由条4弧段组成，其文件编码坐标为:x18,y18;x19,y19;x9,y9;x8,y8;x7,y7;x20,y20;x21,y21;x22,y22;x23,y23;x24,y24;x18,y18

地理信息系统原理与方法

特征值坐标位置1x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x1,y12x28,y28;x29,y29;x30,y30;x31,y31;x32,y32;x33,y33;x28,y283x1,y1;x11,y11;x12,y12;x13,y13;x14,y14;x15,y15;x16,y16;x17,y17;x18,y18;x19,y19;x9,y9x10,y10;x1,y14x18,y18;x19,y19;x9,y9;x8,y8;x7,y7;

x20,y20;x21,y21;x22,y22;x23,y23;x24,y24;x18,y185x16,y16;x17,y17;x18,y18;x24,y24;x23,y23;x27,y27;x26,y26;x25,y25;x16,y16地理信息系统原理与方法双重独立地图编码，简称DIME结构（DualIndependentMapEncoding）。它是由美国人口调查局建立起来的为人口调查目的而设计的一种拓扑编码方法，是一种把几何量度信息（直角坐标）与拓扑逻辑信息结合起来的系统。DIME文件的基本元素是连接两个端点（结点）的一条线段（街段）、线段始结点和终结点标识符、伴有这两个结点的坐标及线段两侧的区域代码（左区号和右区号）。根据结点标识符和结点坐标建立结点坐标文件。根据结点、线段、多边形间的拓扑关系建立拓扑结构文件。在这种结构中，线段通常被认为是直线型的，复杂的曲线由一系列逼近曲线的直线段来表示。结点与结点或者面域与面域之间为邻接关系，而结点与线段或面域与线段之间为关联关系,。

地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法

矢量数据数据存储量小空间位置精度高用网络连接法能完整描述拓扑关系输出简单容易，绘图细腻、精确、美观可对图形及其属性进行检索、更新和综合数据结构复杂获取数据慢数学模拟困难多种地图叠合分析困难不能直接处理数字图像信息空间分析不容易实现边界复杂、模糊的事物难以描述数据输出的费用较高

栅格数据数据存储量大空间位置精度低难于建立网络连接关系输出速度快，但绘图粗糙、不美观便于面状数据处理数据结构简单快速获取大量数据数学模拟方便多种地图叠合分析方便能直接处理数字图像信息空间分析易于进行容易描述边界复杂、模糊的事物技术开发费用低地理信息系统原理与方法3.1地图投影概念3.2地图投影基本要素3.3地图投影变形3.4地图投影分类3.5几种主要投影类型3.6地理信息系统中地

图投影设计与配置3.7我国GIS中地图投影的应用地理信息系统原理与方法

建立平面上的点和地球表面上的点之间的函数关系，用数字式表达这种关系就是：

为平面坐标，为球面地理坐标地理信息系统原理与方法3.2.1地球形状、大小3.2.2大地坐标系3.2.3投影坐标系3.2.4子午圈曲率半径、卯酉圈曲率半径，纬圈半径地理信息系统原理与方法（1）大地水准面海水处于静止状态，把海水面延伸到大陆之下形成包围整个地球的连续表面：（2）椭球体元素扁率：第一偏心率：第二偏心率：

不同资料，a、b不同

52年以前用海福特，53年起用克拉索夫斯基。地理信息系统原理与方法（1）54年北京坐标系

在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测，通过大地坐标计算，推算出北京点的坐标，北京坐标系是苏联42年坐标系的延伸，其原点在苏联普尔科沃。（2）80年西安坐标系

78年4月召开“全国天文大地网平差会议”建立80年西安坐标系，其原点在西安西北的永乐镇，简称西安原点。椭球体参数为75年国际大地测量与地球物理联合会第16界大会的推荐值。（3）新54年北京坐标系

将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系，称为新54年北京坐标系，它与80年国家大地坐标系的轴定向基准相同，网的点位精度相同。（4）WGS84坐标系

在GPS定位中，定位结果属于WGS84坐标系，坐标系原点位于质心，Z轴指向BIH1984.0协议地极（CTP）。地理信息系统原理与方法(1)用户坐标系由用户指定的相对于二维坐标系,一般与实际地物定位无关。(2)地理坐标系经度起点为英国格林威治,向东为正,纬度自赤道起向北为正的。(3)投影平面直角坐标系是将地球球面投影到平面后所设定的坐标系,如高斯投影坐标系。(4)地心坐标系三维球心空间坐标系，原点位于球心，常用直角坐标（x，y，z）或角度和高程表示（B，L，H）其中B，L分别为纬度和经度。地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法3.3.1长度变形3.3.2面积变形3.3.3角度变形地理信息系统原理与方法按微分几何的概念、微分梯形在平面上表象为平等四边形地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法沿经线长度比沿纬线长度比在一定点上的长度比存在有是大、最小值，称为极值长度经。极值长度比所代表方向为点方向，相当于变形椭元的a、b轴经纬线正交投影中，经纬线方向的长度比即为极值长度比地理信息系统原理与方法面积比=地理信息系统原理与方法

方位角的变形随不同的方向的变化，一定点上的角度变形的大小是用其最大值来衡量，称最大角度变形，用W表示地理信息系统原理与方法3.4.1按变形分类3.4.2按投影面与地球表面相关位置分类3.4.3按投影经纬网线的形状分类地理信息系统原理与方法（1）等角投影

微分图形投影后保持相似

（2）等面积投影

某一微分面积投影前后保持相等

（3）等距离投影

沿某一方向上投影长度比等于1

沿线线上等距离投影：沿纬线上等距离投影：地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法

相应于图中类别投影名称经纬线形状限定特征经线纬线C（右）圆锥直线来同心圆弧经线间隔相等，交于纬线元心C（右）方位直线束同心圆弧同上，且经线夹角等于经差C（左）圆柱平行直线平等直线经纬线正交B2（右）伪元锥对称曲线同心圆弧

B2（右）伪方位对称曲线同心圆

B2（左）伪圆柱对称曲线平行直线

A（右）多元锥对称曲线同轴圆弧

地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法3.5.1圆锥投影3.5.2圆柱投影3.5.3高斯——克吕格投影（Gauss-kruger）

地理信息系统原理与方法①等角圆锥投影（兰勃脱Lambert）②等面积圆锥投影③等距离圆锥投影地理信息系统原理与方法(1)单标准纬线（一纬线无长度变形）

（2）双标准纬线（等角割圆维投影）（两条纬线无长度变形）

地理信息系统原理与方法

（经差1弧度，纬差为0°到纬度的梯形面积)（1）单标准纬线（正轴等面积切圆锥投影）（2）双标准纬线（正轴等面积割圆锥投影，亚尔勃斯（A/bers）投影）地理信息系统原理与方法（1）单标准纬线（正轴等距离切圆锥投影）

（2）双标准纬线（等距离割圆锥投影）

地理信息系统原理与方法①等角圆柱投影（墨卡托Mercator）②等距离圆柱投影（方格投影）③等面积圆柱投影地理信息系统原理与方法

Mod=0.4342945

为割纬线的半径在切圆柱中

地理信息系统原理与方法

为赤道到的子午线长度当横坐标轴与赤道重合时，x=0故C=0地理信息系统原理与方法S为经差一弧度，纬差由赤道到梯形面积地理信息系统原理与方法(1)高斯投影的三个条件(2)高斯投影直角坐标公式(3)高斯投影变形分析(4)高斯投影带划分(5)坐标图地理信息系统原理与方法（1）中央经线和赤道投影后互相垂直，且为对称轴（2）等角投影（3）中央经线无长度变形地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法（1）中央经线上无长度变形（2）除中央经线长度比为1，任何在长度比均大于1（3）同一纬线距中央经线越远变形愈大变形最大位于投影带边（4）同一经线上，纬度越低，变形越大。地理信息系统原理与方法（1）6°带

1∶2.5万~1∶50万址形图采用经差6°分带东半球：中央经经位置西半球：中央经线位置

（2）3°带

大于等于1∶1万地形图采用经差3°分带从东径1°30′算起。地理信息系统原理与方法1）经纬网

由经线和纬线我织构成的坐标网又称地理坐标网。2）方里网

方里网等于投影坐标轴的两组平行线构成的方格网，每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，方厘网同时平行于直角坐标轴的坐标网线，故又称直角坐标网。直角坐标网以中央经线投影后的直线为x轴，以赤道投影后的直线为y轴，它们交点为坐标原点，我国位于北半球，为了避免y坐标出现负值，规定纵坐标轴向西平移500km。每个带的坐标完全相同，为了指出投影带是哪一带，规定要在横坐标之前加上带号。地理信息系统原理与方法原横坐标y=245863.7m西移500km后，横坐标y′=745863.7m加上带号20

横坐标

y″=20745863.7m地理信息系统原理与方法3.6.1GIS与地图投影关系地图投影（地理基础）数据获取数据源地图投影数据存储统一的坐标基础数据处理投影转换数据应用空间分析依据数据库投影数据输出有相应投影的地图3.6.2GIS中地图投影设计与配置（1）各国家GIS所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致（2）各比例尺的GIS中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致。（3）各地区的GIS中投影系统与其所在区域适用的投影系统一致。（4）各种GIS一般以一种或两种（至多三种）投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一。

GIS中地图投影配置一般原则：（1）所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图投影系统一致。（2）系统一般最多只采用两种投影系统，一种服务于大比例尺，一种服务于小比例尺。（3）所用投影以等角投影为宜。（4）所用投影应能与网格坐标系统相适应。地理信息系统原理与方法(1)我国基本比例尺地形图中≥1:50万的图均采用高斯——克长格投影。(2)我国1：100万地形图采用正轴等角割圆锥投影(3)我国大部分省区图多采用正轴等角割圆锥投影和属于同一投影系统的正轴等面积割圆锥投影。(4)正轴等角圆锥投影中，地球表面上两点间的最短距离（即大圆航线）表现为近于直线，这有利于GIS中空间分析和信息量度的正确实施。地理信息系统原理与方法4.1空间数据的输入4.2属性数据的输入4.3空间与属性数据的连接地理信息系统原理与方法4.1.1手工键盘输入4.1.2跟踪数字化输入4.1.3扫描数字化输入4.1.4现有数据转换地理信息系统原理与方法键盘输入就是通过手工在计算机终端上输入数据。实际上就是将图形元素点、线、面实体的地理位置数据（各种坐标系中的坐标）通过键盘输入数据文件或程序中去。实体坐标可以用地图上的坐标网或将其他格网复盖在材料上量取，这是最简单又不用任何特殊设备的图形数据输入法。

地理信息系统原理与方法(1)数字化仪简介(2)数字化过程(3)数字化方式(4)数字化精度

地理信息系统原理与方法数字化仪由电磁感应板（操作平台）、坐标输入控制器（标示器）和接口装置组成。目前，市场上数字化仪的规格按其可处理的图幅面积来划分，有A0、A1、A3等幅面。典型的用于制图的数字化仪是A0规格，其幅面为1.0m×1.5m。较小的数字化设备称为数字化板。地理信息系统原理与方法根据GIS软件所提供的数字化仪设备驱动程序和数字化仪的类型，作好数字化仪安装工作，给数字化仪加电，将准备好的数字化原图固定于数字化桌上，输入原图的比例尺，定义用户坐标系（原点和坐标轴），确定地图投影方式，选择数字化方式，确定数字化范围，即用标示器将X、Y最小值的点和X、Y最大值的点数字化。数字化时必须按照不同的专题内容分文件、分图层有顺序地数字化，幅面较大的图件，可分块数字化。

地理信息系统原理与方法点方式数字化时，只要将标示器十字丝交点对准数字化原图上要数字化的点，按下标示器上相应的按键，记录该点x、y坐标。每记录一次坐标，操作员需要按键一次。点方式主要用于采集单个点和控制曲线形态的特征点（端点、极值点、拐点），如控制点、三角点、水准点、独立地物中心点等，折线的始点、终点、转折点，居民地街区拐角点等。流方式数字化时，将标示器十字丝交点沿曲线从起点移动到终点，让它以等时间间隔或等距离间隔方式记录曲线上一系列密集的离散点坐标，操作员无需对每个点都按键一次，仅在曲线的始点和终点各按一次相应的按键即可，对于不规则的曲线图形，如河流、等高线、海岸线等，常使用流方式数字化。地理信息系统原理与方法数字化仪设备使用时间过长导致精度降低或不符合标准的设备均会影响输入数据的精度。数字化仪的分辨率对数字化误差有决定性的影响。最大偏差不应超过3至6个分辨单位，即标定分辨率为0.025mm的数字化仪，测试时的最大偏差应在±0.07mm至0.15mm范围内，否则数字化仪的质量就太差。数字化方式对数字化精度也有影响，流方式比简单的点方式的位置误差要大，流方式等间隔记录点则不能正确地数字化尖锐的弯曲顶点，常常切割这类弯曲部分，误差较大。操作员人为误差主要指操作员的经验技能、生理因素和工作态度等。人工制作编稿原图过程中必然会有误差产生,这些误差随着图数转换而进入计算机的数据中。

地理信息系统原理与方法(1)扫描仪简介(2)扫描前准备(3)矢量化处理地理信息系统原理与方法绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理。扫描仪可分为滚筒式、平板式、CCD直接摄像式三种，其中大幅面的地图以滚筒（卷纸）式用得最多。目前市场上常见的A0幅面的滚筒式单色分灰度扫描仪的分辨率为400～800dpi，操作的精度要高。普通的扫描仪大都按灰度分类扫描，高级的可按颜色分类扫描。地理信息系统原理与方法①原图准备②记录格式③光孔孔径④计算坐标差

地理信息系统原理与方法由于扫描数字化是采样头对原图进行扫描，凡扫到需要色（对黑白地图来说，黑色为需要色，对彩色地图来说，对哪种颜色扫描，那种颜色就叫需要色）就记录一个数（例如“1”），扫到不需要色就记录另一个数（例如“0”）。为提供扫描数字化，首先要选择色调分明，线划实在而不膨胀的地图作为原图；其次要在图上精确划定数字化的范围，标出坐标原点；最后要清理图面，如修净污点，连好线划上的断头。

地理信息系统原理与方法选择数据扫描数字化仪的数据记录格式有两种，一种是数字格式，也就是每个网格记录一个二进制数“0”或“1”，它适用于对黑白或彩色线划地图数字化；一种是连续格式，每个网格记录一个灰度值（0～255个灰阶），这适用于对像片数字化。

地理信息系统原理与方法扫描仪采样头中透光孔的孔径有好多规格，

12.5μ×12.525μ×12.5μ50μ×25μ50μ×40μ100μ×100μ（μ(微米)=1/1000毫米），它用来控制网格的大小，也就是用以控制分辨率，孔径越小，网格就越小，分辨率就越高，数据量也就越大。根据地图的精度要求，应选择具有一定的分辨率，数据量又不致过大的孔径。通常选择100μ×100μ（或50μ×40μ）的孔径，即地图上0.1毫米粗的线划一般只占1至2个网格。地理信息系统原理与方法当原图经过定向，固定的在滚筒（或平台）上之后，要算出扫描仪原点和原图原点之差，以便控制记录装置。地理信息系统原理与方法

原始地图GIS数据库

扫描栅格文件自动矢量化矢量文件文件转换

栅格编缉

矢量编缉

扫描并自动矢量化的过程地理信息系统原理与方法任何信息系统总要利用已有数据，以减轻信息收集、编码、输入的工作量。除了利用本单位、本部门的现成资料外，常用的、通用的数据供社会共享已成为一种趋势。特别在发达国家，有很多政府机构或私人公司已经开始向社会公开提供数据服务，这种服务大致有五类信息：基本数字化地图、自然资源数据、地面数字高程、遥感数据、与人口统计相结合的空间、属性、地址数据。这些数据服务可以减少在数据收集与数据输入方面多付出的劳动，对GIS普及将起到了有力的促进作用。地理信息系统原理与方法(1)与空间数据同时输入

键码法-根据数字化仪标示器上的键盘,将数字化要素的特征码输入数字化程序直接输入法-利用计算机的数字键盘将数字化要素特征码输入给数字化程序特征码清单法-在数字化仪右上方设置一块菜单区域,每个矩形方格为一种要素的菜单选项,当数字化图形时,先在菜单选项中取点,程序将坐标换算成菜单编号,再编码得到相应特征码(2)属性数据单独输入到文本文件中地理信息系统原理与方法在数据编辑的基础上,确定空间数据和非空间属性数据连接的关键字,然后将非空间属性输入到文本文件中,空间数据通过手扶跟数字化或扫描矢量化后,再经检查、线和连接点、细化处理、变形纠正过程建立起多边形，最后将唯一的识别符加入到图形实体中，实现空间与非空间的连接，建立起多边形矢量数据库。

数据编辑关键字连接空间数据属性数据输入文本文件空间属性连接多边形矢量数据库手工数字化扫描矢量化检查线和连接点细化处理建立多边形加入识别符地理信息系统原理与方法5.1误差校正5.2图形变换5.3数据匹配地理信息系统原理与方法

因图纸变形和数字化过程的随机误差所产生的影响，必须经过几何校正。从理论上讲，几何校正是根据图形的变形情况，计算出其校正系数，然后根据校正系数，校正变形图形控制点选择：

经纬网交点、方里网交点、三角点、水准点、图廓点误差校正方法：

一次变换（同素变换、仿射变换）、二次变换、高次变换分块校正：

三角网校正、四边形校正

地理信息系统原理与方法

同素变换是一种较复杂的一次变换形式，其函数式为

其主要性质有：直线变换后仍为直线，但同一线段上长度比不是常数；平行线变换后为直线束；同一线束中经一割线的交叉比在变换前后保持不变；通过同一割线上相应各点的线束的交叉比在变换前后也保持不变。地理信息系统原理与方法

仿射变换是一种比较简单的一次变换，其表达式为：

式中3对待定系数，只要知道不在同一直线上的3个对应点坐标都可求得。实际应用时，往往利用4个以上对应点坐标和最小二乘方法求解变换系数，以提高变换精度。仿射变换的特点是：直线变换后仍为直线；平行线变换后的仍为平行线，并保持简单的长度比；不同方向上上的长度比发生变化地理信息系统原理与方法

这两种变换是实施地图内容转换的多项式拟合方法，它由下列多项式表达：

A和B代表三次以上高次项之和。上式是高次曲线方程，符合此方程的变换称为高次变换。若不考虑A和B，则上式为二次曲线方程。4~7个控制点：用双线性变换8~19个控制点：二次变换20~49个控制点：三次变换50个控制点以上：用四次变换控制点增加，位置精度增加，但计算量加大地理信息系统原理与方法（1）顶点匹配

本是同一结点，由于数字化误差，几条弧段在结点处没有吻合，为此在数据处理时，需要将它们的重心重新安放。（2）数字接边

分幅数字化，在拼幅时须对分幅数字化地图在公共边上进行相同要素的匹配，这就是数字接边。地理信息系统原理与方法6.1多样性空间数据库6.2空间数据的无缝组织6.3图形数据与属性数据的连接方式6.4主要GIS软件的比较地理信息系统原理与方法空间数据主要包括矢量和栅格数据。现有GIS系统是基于矢量的，具有比较成熟的管理和建立矢量数据库的能力。同时，目前多数据GIS软件都可以将数字正射影像数据、遥感数据作为背景与矢量数据、DEM数据进行套合显示。由于遥感影像数据不断增长，现有GIS软件难以组织、调度、存储与管理这样的海量数据，因此开发能对多数据源、多比例尺、多时相影像数据进行统一管理和集成的大型空间数据库管理系统是研究的主要方向。地理信息系统原理与方法6.2.1以图幅为单元建库6.2.2逻辑上无缝组织6.2.3逻辑和物理上无缝组织地理信息系统原理与方法查询往往涉及到多幅图或在不同专题间进行地理实体的完整性和一致性难以维护分幅管理对于数据共享和地理实体一级的安全管理增加了难度。地理信息系统原理与方法Intergraph的MGE，ESRI的ARC/INFO等都能建立无缝GIS地理数据库。能够完成地理数据的几何接边和逻辑接边，但物理上仍然按照图幅的概念进行存储管理，对同一地理实体的多个几何标识进行后台关联处理，对用户来说是不可见的。地理信息系统原理与方法(1)工程和工作区

从逻辑上和物理上的无缝组织出发，一个完整的无缝空间数据库可以被看成是一个工程，在工程中地物要保持存储、表达的完整性和一致性，在工程中具有唯一的几何标识和地物标识。工作区是为了方便使用空间数据库，可以说是在应用时的工程的临时子集，可以按规则大小划分，也可以相互嵌套，最大可以为整个工程。工作区可以包括任何区域、任意一层或多层地物。(2)数据无缝组织

基于客户/服务器结构，突破传统图幅分块，保持地物完整性存放。空间地物的属性数据在工程中统一管理，用关系数据库管理系统进行管理。为了在工程中有效地组织和表达空间实体，可以按照地物大小对其进行分级抽取，然后对不同大小地物的几何对象标识进行整理、分层，建立空间索引。地理信息系统原理与方法6.3.1专题属性作为图形数据悬挂体6.3.2属性数据与图形数据完全独立（完全分开）6.3.3属性数据与图形数据自成体系（混合处理）6.3.4属性数据与图形数据结构统一（完全结合）地理信息系统原理与方法属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存贮的。这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才是有用的。大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长。当然，主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行。用户界面空间数据管理系统图形属性地理信息系统原理与方法可以利用现有的CAD技术和DBS技术，维护难度大，相互操作难度大，CAD中删除一个，必须去找DBS，DBS也必须删除。用户界面图形数据管理系统图形数据库用户界面属性数据管理系统属性数据库地理信息系统原理与方法图形数据和属性数据自成体系，属性数据有其专用的数据库系统，很多情况下是用于事务管理的商业数据库，并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能，图形和属性间连接是通过关键字和标识码来连接。相互操作难度较大。例如ARC/INFO中ARC实现用拓扑关系定义了空间数据，INFO实现了用关系数据模型定义属性数据，两者通过内部代码和用户标识码（USER—ID）作为公共数据项。0用户界面图形数据管理系统图形数据库属性数据管理系统属性数据库地理信息系统原理与方法此结构中有双向指针参照，且由一个数据库管理系统来控制，使灵活性和应用范围均大为提高。这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求。CAD中删除一个图元，ＤＢＳ自动删除。ＭＡＰＧＩＳ属于这种类型。用户界面空间数据管理系统图形属性地理信息系统原理与方法ＡＲＣ／ＩＮＦＯ：美国，ＥＳＲＩＧＥＮＡＭＰ：澳大利亚，ＧＥＮＡＳＹＳＩＤＲＩＳＩ：美国，克拉克大学制图部ＥＲＤＡＳ：美国，ＥＲＤＡＳＩＬＷＩＳ：荷兰，ＩＴＣＳｙｓｔｅｍ９：瑞士／美国，ＰＲＩＭＥ／ＣｏｍｐｕｔｅｒｓｉｏｎＭＧＥ：美国，ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈＳＰＡＮＳ：加拿大，ＴｙｄａｌｔｅｃｈｏｌｏｇｉｅｓｃｏｐＴＩＧＲＩＳ：美国，Ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

地理信息系统原理与方法地理信息系统（GIS）与计算机辅助绘图系统(CAD)的主要区别：GIS具有空间数据的利用和分析功能。通过开发和应用适当的数据模型，用户可以使用GIS的空间分析功能来研究现实世界。用户可以将各种空间分析组合成一个操作序列，从已有模型来求得一个新模型，而这个新模型就可能展现出数据集内部或数据集之间新的或未曾明确的关系，从而深化我们对现实世界的理解。

地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法(4)获得简要的分析结果包括地图和表格

(5)解释和评价结果解释和评价结果，若不满意，返回(1)、(2)、(3)任一处重做。(6)以专题地图，文字报表形式作为正式结果，供决策用。地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法AANDB：检索出埋深小于3米且长度小于300米的所有煤气管；地理信息系统原理与方法AXORB：检索出埋深小于3米而长度大于或等于300米的煤气管道和长度小于300米而埋深大于或等于3米的煤气管道；地理信息系统原理与方法用光标选择一个图元或多个图元，则系统检索出这些图元的属性数据。地理信息系统原理与方法面-面检索例如，与某个多边形相邻的多边形是哪些？面-线检索例如，某个多边形的边界是哪些线（弧段）？线-面检索例如，某弧段的左右区域分别是什么？线-线检索例如，与某条河流相连的支流有哪些？线-点检索例如，某条道路上有哪些桥梁？点-线检索例如，某个结点由哪些线（弧段）相交而成？面-面检索例：与某个多边形相邻的多边形是哪些？请点击“河南省”地理信息系统原理与方法（1）单个图元：线长度、两点间距离、区域面积、区域重心等。（2）字段在某范围内的记录数，图元某属性项的总和、最大值、最小值及平均值，四则运算，函数运算等。（3）空间量算：填、挖土方体积等。

地理信息系统原理与方法9.4.1分类：属性按区间分类统计例：城市人口密度分为高、中、低三类。间接分类例：按房屋建造年代分类，作为是否保留这些建筑的参考依据。地理区域分类例：北京分为三个区域，二环内、二环至三环、三环以外。9.4.2合并按照重分类、边界消除、合并这三个步骤实现依据属性聚合区域的目的。例：希望从一个数据层中得到土壤类型分布图，原始数据层中的多边形是根据更细的类别划分的（从图（a）可见，大写字母表示土壤类型的分类，小写字母表示植被类型的分类，每个多边形中土壤类型和植被类型完全一致。)(1)按照土壤类型这个属性项对原始数据层重分类。(2)如果两相邻多边形具有相同土壤类型，则删除它们间的分界弧段，这就是边界消除。(3)重建拓扑，将没有分界弧段的相邻多边形合成一个。

地理信息系统原理与方法地图叠置就是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新数据层和新数据层上的属性（即提取感兴趣的数据）。9.5.1栅格系统的叠加分析9.5.2矢量系统的叠加分析地理信息系统原理与方法地理信息系统原理与方法矢量系统叠置分析的步骤（1）对原始数据（多边形）形成拓朴关系（2）多层多边形数据的空间叠置，形成新的层（3）对新层中的多边形重新进行拓朴组建（4）剔除多余的多边形，提取出感兴趣的部分叠置分析的主要内容：（1）多边形与多边形分析：合并、相交、相减、判别（2）多边形与线分析:相交、判别（3）线对多边形分析：相交、判别

（4）点对多边形分析：相交、判别

（5）多边形对点分析：相减、相交

（6）点对线分析：点与线的距离区对区叠加(合并)分析:区对线叠加(相交)分析:线对区叠加(判别)分析点对区叠加(判别)分析:区对点叠置(相交)分析:点对线分析：点与线的距离地理信息系统原理与方法缓冲分析就是在点、线、面实体（缓冲目标）周围建立一定宽度范围的多边形。换言之，任何目标所产生的缓冲区总是一些多边形，这些多边形将构成新的数据层。地理信息系统原理与方法10.1数字高程模型概念10.2DEM数据分布特征10.3DEM数据网格化10.4网格化插值方法10.5DEM的表示方法地理信息系统原理与方法数字高模型（DigitalElevationModel），简称DEM，是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形状大小和起伏的数字描述。DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法，最基本的DEM是由一系列地面点x，y位置及其相联系的高程Z所组成，用数学函数式的表达是：Z=f(x，y)，(x，y)∈DEM所在的区域。尽管DEM是为了模拟地面起伏而发展起来的，但也可以用来模拟其他二维表面上连续变化的特征，比如说还可以表示地面景观的属性，地面温度、降水、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其它地面特性信息，此时的DEM也称为数字地形模型(DigitalTerrainModels)，简称DTM。关于DTM和DEM的含义，无论在国外或国内文献中都存在着不同的理解，DTM包含着地面起伏和属性两个含义，所以DEM和DTM是有区别的。

地理信息系统原理与方法10.2.1格网数据10.2.2离散数据

地理信息系统原理与方法把DEM覆盖区划分成为规则格网，每个网格大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维地理空间定位，第三维为特性值，可以是高程和属性。对于规则网来说，仅用z的矩阵数据来描述地理场，其对应的平面坐标位置数据蕴含在向量序列关系之中，n个数据观测点的数据记录个数也为n，用公式表示如下：

DEM={zij}地理信息系统原理与方法离散数据DEM的平面二维地理空间定位由不规则分布的离散样点平面坐标实现，第三维仍为高程和属性特性值。每个离散数据的记录必须使用三项数据，分别记录其坐标值x，y和特性值z，这样，n个离散数据点的数据记录个数为3n个。例如人工地震勘探则通常布设多条测线读取有关地层结构的数据（图9-2-1b）；航磁一般沿测线观测，沿测线的测点密度远大于测线间隔的密度，并且测线也并不是等