《地理信息系统概论》教案

PAGE1PAGE16地理信息系统概论教案授课人：授课对象：总课时：72系别：国土信息工程系课程性质与教学目标本课程是地理信息系统、地理科学、测绘科学、资源环境与城乡规划管理等本科专业的必修和选修课程。地理信息系统是一种兼数据采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量数据的通用技术。它是以地理数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间动态的地理信息，用于管理和决策过程的计算机技术系统，是计算机科学迅速发展的产物。它在近30多年内取得了惊人的发展，并广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。通过本课程的学习，使学生了解地理信息系统的基本概念、研究内容与应用；使学生理解空间数据的结构及其相互关系，元数据的概念与作用等，使学生掌握空间数据的采集、编辑及空间信息处理方法，空间数据的分析功能，并能使用这些功能解决一般与空间相关的地理问题。第一章绪论主要阐述了地理信息系统的定义、其发展历史和现状及发展展望；其组成及功能，与相关学科的关系。重点：GIS概念的理解、GIS的组成、GIS与相关学科的关系两个问题什么是“GIS”系统——面向功能工具集（箱）数据库“GIS”能干什么本章内容：GIS与国家信息化基本概念地理信息系统及其类型地理信息系统的功能地理信息系统的研究内容地理信息系统发展简史地理信息系统发展趋势1GIS与国家信息化（背景）1.1 2001年，是中国信息化发展建设全面推进的一年3月：“十五”计划通过，信息化成为国家发展战略；我国第一个信息化专项规划执行的第一年；宏观协调和管理体制将进一步加强；各个领域和地区推进信息化动作快，措施有力；要冷静地分析，科学地推进；1.2 中央“十五”建议关于信息化的论述大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措。以信息化带动工业化，发挥后发优势,实现生产力的跨越式发展。四层意思，回答四个关键问题定位：是现代化建设全局问题还是局部问题；关系：信息化带动工业化；途径：发挥后发优势；目的：实现生产力的跨越式发展；1.3信息技术与生产力信息技术是人类历史上迄今为止发展最快，影响最大的技术。全面改变着生产、工作、生活、学习。信息生产力如同18世纪蒸汽机、电机为代表的工业生产力一样，服从下述规律：技术革命——产业革命——社会革命创造了社会信息基础设施；重构了社会生产力系统；孕育了信息经济,知识经济,网络经济,数字经济等概念代表的新的经济形态；对生产关系、上层建筑已经并必将产生更加深刻影响。1.4生产力的质变全面影响构成劳动生产率和竞争力各要素劳动者：知识和创新能力成为主要内容；劳动工具：信息工具和工具的信息含量；劳动对象：信息和知识成为新的劳动对象；资本：全面提高资金的流动速度，改变资金流动方式和财富聚积方式；市场：网络改变了拓展和保持市场占有率的模式；2基本概念2.1信息狭义：“两次不定性之差”，即指人们获得信息前后对事物认识的差别；广义：信息是指主体（人、生物或机器）与外部客体（环境、其他人、生物或机器）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。本教材：信息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而改变。信息的特点客观性：实用性：传输性：共享性：2.2数据数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能转换成的数据等形式。数据与信息的关系数据是信息的载体，信息是数据的表现形式；GIS是真正的数据库问题超过70%的GIS项目资金用于数据采集和数据管理。数据库是GIS最主要的资产。从上可知：地理信息系统首先是一个数据库解决方案，其次才是一个地理化应用。2.3地理信息和地理数据地理数据：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、图像和图形等的总称。地理信息：是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。位置是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息的特性1）区域性空间位置的标识；2）多维结构在二维空间的基础上的第三维专题结构；3）时序特征超短期的（如台风、地震）短期的（如江河洪水、秋季低温）中期的（如土地利用、作物估产）长期的（如城市化、水土流失）超长期的（如地壳变动、气候变化）等。2.4信息系统及其组成系统（System）是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。基于计算机的信息系统1）计算机硬件；2）软件；3）数据；4）用户；3地理信息系统及其类型3.1地理信息系统地理信息系统（GeographicalInformationSystem，GIS）具有信息系统的各种特点，是一种决策支持系统。与其他信息系统的主要区别其存储和处理的信息是经过地理编码的，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分来描述。地理信息系统的定义可以从学科和技术两个方面来描述。地理信息系统的定义历史定义地理信息系统是以地理空间数据为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、模拟、分析和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。现代定义地理信息系统是空间数据的管理系统。3.2地理信息系统是什么？是空间数据和属性数据的综合体对地理信息系统的三种观点[Maguire，1991]：地图观点：侧重于制图有关的内容，GIS被视为一个地图分析与处理系统；数据库观点：侧重于数据库设计与实现的完美性，一个复杂的数据库管理系统被视为GIS不可分割的一部分；空间分析观点：侧重于分析和建模，GIS被视为一门空间信息科学而不仅是一门技术。GIS可以说是地图，是数据库，是空间分析工具3.3地理信息系统的类型地理信息系统按其内容可以分为三大类：1）专题地理信息系统（ThematicGIS）；2）区域地理信息系统（RegionalGIS）；3）地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GISTools）；按GIS的应用领域划分3.4地理信息系统的构成四部分构成计算机硬件系统计算机软件系统地理数据（或空间数据）系统管理操作人员。核心——计算机系统（软件和硬件）；内容——空间数据；用户决定系统的工作方式和信息表示方式。4地理信息系统的功能(涉及方面)1）位置（Locations）在某个特定的位置有什么。定义某个物体或地区信息的具体位置指定目标或区域的位置，可以获得预期的结果以及其所有或部分特性；2）条件（Conditions）什么地方有满足某些条件的东西。按照指定条件，选取对象；指定条件后，可以获得满足指定条件的所有对象的列表；3）变化趋势（Trends）综合现有数据，识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。依赖假设条件、个人推测、观测现象或证据报道，确定趋势；针对该趋势，可通过对数据的分析，对该趋势加以确认或否定；4）模式（Patterns）5）模型（Models）地理信息系统的功能(具体功能)数据采集、监测与编辑；数据处理；数据存储与组织；空间查询与分析；图形与交互显示；5地理信息系统的研究内容地理信息系统相关学科：6地理信息系统发展简史60年代开拓发展阶段特点：早期GIS的雏形加拿大地理信息系统（CGIS），1963有关机构、组织纷纷建立70年代巩固阶段特点：社会需求增加计算机发展到第三代，CPU速度提高，内存增大，I/O设备齐全，磁盘出现，人机对话系统。70~76年美国50个州建立了GIS。国际交流频繁GIS人才教育专家影响减弱，政府影响增强仍停留于国外。80年代GIS技术大发展时期特点：第四代计算机发展，微机和远程通信设备出现，计算机网络化软件技术发展，DBMS，软件工具，应用软件工具出现全面推向应用；国际合作日益加强，由发达国家推向发展中国家，如我国；进入多种学科领域，从比较简单的、单一功能的、分散的系统发展到多功能的、共享的综合性信息系统；地理信息系统工具具有高效率和更强的独立性和通用性。政府科学机构成立。90年代GIS应用普及时期特点实用化阶段计算机和网络发展，网络GISGIS成为部门的必备工作系统社会对GIS的认识普遍提高NII，NSDI，DE的推进网络GIS和因特网GIS时期（90年代中期~）特点：NII，NSDI和数字工程建设时期GIS成为国家信息化的基础平台软硬件环境的困难基本排除。7地理信息系统发展趋势网络化标准化数据商业化系统专门化企业化全球化大众化第二章从现实世界到比特世界1空间实体（现实世界的抽象）1.1空间实体目标：实体的物理表示。实体类型：点、线、面、体等。实体属性：对实体特征的描述，属性有属性值的概念并有等级之分。实体要素：实体是点、线、面、体多种要素的复杂组合。（1）空间认知过程：地图编制者的认识模型地图编制者的认识模型地图使用者的认识模型（2）空间实体的空间特征与抽象零维、一维、二维、三维实体的二维和三维情况表示如下图：（3）实体的类型1）点状实体（Point：有特定位置，维数为0的物体）如下几种类型：实体点Entitypoint：用来代表一个实体；注记点Textpoint：用于定位注记；内点Testpoint：用于负载多边形的属性，存在于多边形内；结点Node：表示线的终点和起点；角点Vertex：表示线段和弧段的内部点。2）线状实体（由一列有序坐标表示）如下特性实体长度：从起点到终点的总长；弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。线状实体包括线段、边界、链、弧段、网络等。如下图所示：3）面状实体面状实体也称为多边形，是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。面状实体有如下空间特性：面积范围；周长；独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家；内岛或锯齿状外形；重叠性与非重叠性；如下图所示：4）立体状实体立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性。体积，如工程开掘和填充的土方量；每个二维平面的面积；周长内岛或锯齿状外形；含有孤立块或相邻块；断面图与剖面图。实体类型组合现实世界的各种现象比较复群众观点，往往由不同的空间单元组合而成，例如：根据某些空间单元，将空间问题表达出来一个特殊任务有时需要几种空间单元来描述；复杂实体有可能由不同维数和类型的空间单元组合而成；某一类型的空间单元组合形成一个新的类型或一个复合实例；某一类型的空间实体可以转换为另一类型；某些空间实体具有二重性，也就是说，由不同的维数组合而成。下图是不同空间单元组合的现象：1.2空间实体与现实世界-总结从现实世界到比特世界2空间实体的描述2.1空间实体描述的内容：识别码：用于区别同类而又不同的实体。位置：可用坐标描述也可用其它形式。空间特征：也是位置信息的一种，如维数、类型及实体的组合等。实体的行为和功能：是指在数据采集过程中不仅要重视实体的静态描述，还要收集动态的变化，如岛屿的侵蚀、水体污染的扩散、建筑的变形等。实体的衍生信息：一个实体可能有多个名称。空间实体的空间特征实体根据空间特性可以进行分类，实体常常被认为由一些基本的空间单元（指那些基本的、实际的、不可再分的元素）来组合。可用空间维数、类型、组合方式说明空间实体的空间特征（见下图）空间单元的类型：2.2空间实体的时间维的处理对空间实体或者组合事件的时间维的描述可用以下方式：1）作为记录事件或属性的基本成份；2）作为没有空间特性发生改变的实体的一个属性；3）作为观察空间实体变化的参考；不同时间的处理方法2.3空间实体在地理信息系统中的表示1、单一特征在地理信息系统中，点特征用一组x、y坐标表示，线特征用一维有序的x、y坐标表示，面用一组首尾相同的坐标表示。（3，3）可用于表示一个点的位置。（1，7），（3，5），（5，5），（5，3），（6，1），可用于表示一条线。（3，10），（6，9），（7，10），（10，7），（9，5），（4，6），（3，8），（3，10）可用于表示一个多边形。（注意第一个坐标和最后一个坐标相同，因为多边形总是封闭的）2、多种特征的表示如果具有多种特征，就需要对每一特征给定一个序号。每一特征的坐标可以用与每一特征的坐标列表有关的序号来描述，见下图：空间实体在GIS中的多种特征表示3、带有属性的空间特征的表示表示道路的一组线特征的属性包括：道路类型：1=分隔行驶的公路2=干线公路3=主要公路4=住宅区街道5=未铺完的公路路面材料：混凝土、柏油、砾石路面宽度：以米计量道路名称：例：道路类型2 长度2715.5 路面材料 混凝土 宽度52 行人道路4 道路名称 八一路坐标表示和属性表示之间共享和属性表示之间同一识别码3空间问题1）空间问题人类开发和利用地理信息系统是因为它能处理与空间实体之间的各类空间问题。空间问题的一些形式：测量与空间关系的一些形式2）空间问题的分类：a条件定位：即根据一定的条件与规则确定物体的位置或者路径。例如；路径进取：路程最短，时间最省，经费最少定位选取：根据属性查询空间位置资源分配开销安排b间接推理：即通过建立模型进行的空间决策和预，测如：项目选址灾害预测与预报环境分析长度、体积、面积、坡度等量算c空间参考，测如：特定的笛卡尔坐标或极坐标。邻接性识别，也就是说，线状实体或面状实体与某特定实体相接触。线性定位物。最小尺寸的封闭矩形。地名或数字代码。地块、分区及其它外形规则或不规则的空间块。空间参考的几种形式3）空间特性a一般空间特性长度：河流长度、湖泊边界、公路长度。面积；湖泊、岛屿、某区域面积。体积：土方量、库容量规则外表：圆形、方形不规则外形：锯齿形海岸线、湖泊水涯线。方向：山丘的坡向、河流的流向、输电线方向坡度b统计特性相同属性的实体，可根据统计特性进行区分；最大值和最小值的范围；平均值以及变化值；c复杂特性不相连地物的分布模式；居宅建筑发展的安排方式，或农场划分土地或地块的路径布局；交通信号灯的距离，以及从不同位置到达城市中心的总计开销时间；各个地区的相邻地区数；航空交通系统的网络；穿越某区域的候鸟主要走向；现象的连续性；4）空间关系在GIS中，表示空间关系的方法主要有5种：1、区域定义；多边形可用一组封闭的线来定义2、邻接性：称为多边形——弧段拓扑3、连通性4、方向性5、包含性空间关系示意图5）空间概念及组织1）流的移动2）网络3）节点4）等级或名次5）领域或表面如果考虑到时间因素，还包括第（6）点6）疾病、思想的散布、传播空间概念的实例：1、环境物质流2、矿产资源埋藏地点的预测3、工程网络模拟6）空间预测4空间处理类型（1）三类基本数据之间可能的6种关系；1、点—点关系2、点—线关系3、点—区域关系4、线—线关系5、线—区域关系6、区域—区域关系本章总结：地理信息流与地理信息科学三个领域第三章空间数据模型（空间数据的组织方式）1空间数据模型的基本问题空间数据（SpatialData）也即地理数据。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成。地理空间地理空间绝对空间相对空间相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成。1.2空间数据模型的类型在GIS中与空间信息有关的信息模型基于对象（要素的模型）（Feature）；强调离散对象网络模型（Network）；表示特殊对象之间的交互场模型（Field）。表示在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。2场模型场：用于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象2.1场的特征由一系列等值线组成。（1）具有空间结构特征和属性域场模型：z:sàz(s)（2）连续的、可微的、离散的空间域，属性域（3）与方向无关的和与方向有关的各向同性和各向异性（4）空间自相关空间自相关是空间场中的数值聚集程度的一种量度，事物之间联系性的强弱。2.2栅格数据模型栅格数据模型是基于连续铺盖的、将连续空间离散化，用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。栅格数据模型——对现实世界的重采样：3要素模型将现实地理要素嵌入到欧氏空间中，归纳为三类地物要素对象：点对象、线对象、多边形对象。3.1.1点对象点是具有特定的位置，维数为零的物体，包括：点实体（PointEntity）：用来代表一个实体；注记点：用于定位注记；内点（LabelPoint）：用于记录多边形的属性，存在于多边形内；结点（节点）（Node）：表示线的终点和起点；角点（Vertex）：表示线段和弧段的内部点。3.1.2线对象线对象是维度为1的空间对象，由一系列坐标表示。特征：实体长度：从起点到终点的总长；弯曲度：用于表示像道路拐弯时弯曲的程度；方向性：水流方向是从上游到下游，公路则有单向与双向之分。3.1.3多边形对象面状实体也称为多边形，是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。空间特性：面积；周长；独立性或与其它的地物相邻，如中国及其周边国家内岛或锯齿状外形，如岛屿的海岸线封闭所围成的区域等；重叠性与非重叠性，如报纸的销售领域，学校的分区，菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象，一个城市的各个城区一般说来相邻但不会出现重叠。3.2矢量数据模型4基于要素的空间关系分析4.1空间关系的基本概念在地理信息系统中集中存储了以下的内容：空间分布位置信息属性信息拓扑空间关系信息空间关系的三种基本类型:拓扑关系方向关系度量关系。地理要素之间的空间区位关系1）点——点关系相合；分离；点为其它诸点的几何中心；点为其它诸点的地理重心。2）点——线关系点在线上(Vertix)：可以计算点的性质，如拐点等；线的端点(Node)：起点和终点；线的交点；点与线分离：可计算点到线的距离。3）点——面关系点在区域内，可以记数和统计；点为区域的几何中心；点为区域的地理重心；点在区域的边界上；点在区域外部。4）线——线关系重合；相接：首尾环接或顺序相接；相交：相切；并行。5）线——面关系区域包含线：可计算区域内线的密度；线穿过区域：线环绕区域：对于区域边界，可以搜索其左右区域名称；线与区域分离。6）面——面关系包含：湖泊内的岛屿；相合：相交：可以划分子区，并计算逻辑与、或、非和异或；相邻：计算相邻边界的性质和长度；分离：计算距离、引力等4.2拓扑空间关系分析4.2.1拓扑属性拓扑——“形状的研究”。研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性；拓扑属性：——无论基础空间如何变形，物体间的相互关系不发生变化。拓扑关系举例：拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）一个点在一个区域的边界上一个点在一个区域的内部一个点在一个区域的外部一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有“岛”）一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点之间的距离一个点指向另一个点的方向弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积拓扑属性——两个对象之间的关系——拓扑关系拓扑空间中的点和邻域4.2.29交模型——描述拓扑空间关系（Egenhofer,1993）现实世界中的两个简单实体A、BB(A)、B(B)表示A、B的边界；I(A)、I(B)表示A、B的内部；E(A)、E(B)表示A、B余；构造出一个由边界、内部、余的点集组成的9-交空间关系模型(9-IntersectionModel,9-IM)B(A)∩B(B)B(A)∩I(B)B(A)∩E(B)I(A)∩B(B)I(A)∩I(B)I(A)∩E(B)E(A)∩B(B)E(A)∩I(B)E(A)∩E(B)9-交模型拓扑关系图示：4.2.3空间方向关系分析方向关系：地物对象之间的方位如“河北省在河南省北部”前提：定义定位参考相互垂直的X、Y坐标轴（平面）8种可能关系：Restricted_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)Restricted_South(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj)AndY(Pi)＜Y(Qj)Restricted_West(Pi，Qj)=X(Pi)＜X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)Restricted_North(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj)AndY(Pi)＞Y(Qj)North_West(Pi，Qj)=X(Pi)＜X(Qj)AndY(Pi)＞Y(Qj)North_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)＞Y(Qj)South_West(Pi，Qj)=X(Pi)＜X(Qj)AndY(Pi)＜Y(Qj)South_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)＜Y(Qj)方向关系的识别最小外切矩形计算法MBR（MinimumBoundingRectangle）判断步骤：判断目标之间的MBR是否具有该关系利用点-点关系进一步进行关系判断，确定具体关系4.2.4度量空间关系分析两个地理对象之间的距离点-点、点-线、点-面、线-线、线-面、面-面应用：在已知点/线拓扑关系与点/点度量关系的基础上，可求出点/点间的最短路径、最优路径、服务范围等；已知点、线、面度量关系，进行距离量算、邻近分析、聚类分析、缓冲区分析、泰森多边形分析等。5网络结构模型一、网络空间LeonardEuler，1736二、网络模型地物被抽象为链、节点所组成的关系。网络模型所关心的问题：具体现象之间距离或者阻力的度量。网络模型的基本特征：结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与其它多个结点建立联系，支持空间重构。网络模型的优点：（层次模型）处理现实世界中常见的多对多关系。常见数据库结构比较关系模型（relationalmodel）满足一定条件的二维表格层次模型（hierarchicalmodel）以记录类型为节点的有向树（tree），其主要特征是：（1）除根节点外，任何节点都有且只有一个“父亲”；（2）“父”节点表示的实体与“子”节点表示的实体是一对多的联系。网状模型（networkmodel）特点：1）可以有一个以上的结点没有“父”结点；2）至少有一个结点有多于一个“父”结点；3）结点之间可以有多种联系；4）可以存在回路第四章空间参照系统和地图投影（GIS的地理基础）地理信息系统的地理基础是地理信息数据表示格式与规范的重要组成部分。包括：统一的地图投影系统；统一的地理网格坐标系统以及统一的地理编码系统；统一的地图投影系统就是要为地理信息系统选择和设计一种或几种适用的地图投影系统和网格坐标系统。1地球是一个不规则的椭球体1.1椭球体类型白塞尔(Bessel)克拉克(Clarke)克拉克(Clarke)（1840）海福特(Hayford)克拉索夫斯基I．U．G．G埃维尔斯特(Everest)1.2我国常用的椭球体海福特（Hayford）椭球体：1952年以前克拉索夫斯基椭球体：1953-1980年IAG75椭球体：1980年开始采用GRS（1975）新参考椭球体系。坐标系所谓坐标系，包含两方面的内容：一是在把大地水准面上的测量成果化算到椭球体面上的计算工作中，所采用的椭球的大小；二是椭球体与大地水准面的相关位置不同，对同一点的地理坐标所计算的结果将有不同的值。因此，选定了一个一定大小的椭球体，并确定了它与大地水准面的相关位置，就确定了一个坐标系2地图投影1.地图投影的变形长度变形——等距投影面积变形——等积投影角度变形——等角投影2.地图投影的分类3.地图投影的选择根据投影面与球面相关位置的分类图：3GIS中地图投影的设计与配置一、地理信息系统与地图投影二、地理信息系统中地图投影设计与配置的一般原则3.1GIS与地图投影的关系3.2统一的坐标系统是地理信息系统建立的基础1）各国家的地理信息系统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）各比例尺的地理信息系统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）各地区的地理信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；4）各种地理信息系统一般以一种或两种投影系统为其基准投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一。3.3地理信息系统中地图投影配置的一般原则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）系统一般地只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺；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，即所采用的网格系统在投影带中应保持完整。3.4我国GIS中常用的地图投影配置与计算1）我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000万）除1：100万外均采用高斯-克吕格投影为地理基础；2）我国1：100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致；Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离表现为近于直线，这有利于地理信息系统中的空间分析和信息量度的正确实施。3）我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影；3.5高斯—克吕格投影高斯投影是一种横轴等角切椭圆柱投影，其条件为：1）中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴；2）等角投影；3）中央经线上没有长度变形。高斯投影变形具有以下特点：1）中央经线上无变形2）同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；3）同一条经线上，纬度越低，变形越大；4）等变形线为平行于中央经线的直线。高斯—克吕格投影示意图：第五章GIS中的数据1数据类型空间特征数据（定位数据）；时间属性数据（尺度数据）；空间数据专题属性数据（非定位数据）通常时间和专题属性数据结合在一起共同作为属性特征数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据（或地理数据）。2数据获取途径大地测量控制地籍测量航空测量遥感室外调查（土壤、植被、交通等）定点观察（地球物理、气象、水文、生态等）地形图人口普查工业/经济调查基础设施（通讯、电力、运输、医疗、教育等）3空间特征数据空间特征指空间物体的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻物体的拓扑关系是GIS区别于其它的软件的根本特征；是由于地物或现象的空间分布所带来；通常是通过特定空间参照系下的坐标直接表达；基于坐标的派生数据；定量的度量信息：面积、周长、质心、距离等定性的空间关系：拓扑关系、方位关系4时间特征数据空间数据总是在某一特定时间或时段内采集得到或计算产生的。将特定时间里产生的空间数据看成是空间数据的一个专题特征。空间数据涉及时间特征的几个方面地物的生命周期（产生、消亡）地物的移动（移动点）属性的时效性相关的问题时间关系à时空关系时态GIS数据模型是其关键（时空立方体模型等）5专题特征数据专题特征指的是除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征。如地形的坡度、坡向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等专题属性特征通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示6数据的测量尺度命名（Nominal）量定性而非定量，不能进行任何算术运算，如一个城市的名字。对命名数据的逻辑运算只有“等于”或“不等于”两种形式。次序（Ordinal）量线性坐标上不按值的大小，而是按顺序排列的数。序数值相互之间可以比较大小，但不能进行加、减、乘、除等算术运算。间隔（Interval）量没有原点，按间隔表示相对位置的数。按间隔量测的值相互之间可以比较大小，并且它们之间的差值大小是有意义的。比率（Ratio）量比例测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据，与使用的测量单位无关。支持多种算术操作不同测量尺度数值可以进行的运算：命名量==,!=…次序量==,!=,>,<…间隔量==,!=,>,<,+,-…比率量==,!=,>,<,+,-,*,/…GIS数据测量尺度示例：比率量次序量比率量次序量命名量51015Eachdotrepresents500personsProportionalsymbolsLargeMediumSmallTownAirportFlowContour304050HighwayRoadStreetRoadBoundaryRiver10020PopulationdensityHighimpactLowimpactSwampDesertForrest7数据质量数据质量是指数据适用于不同应用的能力。即——空间数据质量的重要性空间数据质量的相关概念准确性（Accuracy）精度（Precision）空间分辨率（SpatialResolution）比例尺（Scale）误差（Error）不确定性（Uncertainty）现势性（Timeliness）（1）准确性（Accuracy）一个记录值（测量或者观察值）与它的真实值之间的接近程度；空间数据的准确性通常是根据所指的位置、拓扑或者非空间属性来分类的； 可以误差（Error）来衡量空间数据的准确性；（2）精度（Precision）数据精度表示数据对现象描述的详细程度数据精度和数据准确性的区别：精度低的数据不一定准确度也低；数据精度如果超出了测量仪器的已知准确度，这样的纪录数字在效率上是冗余的；例如：在设计精度为0.1mm的数字化仪上测量返回的坐标数据为（10.11mm,12.233mm），其中就含有冗余的数据；（3）空间分辨率（SpatialResolution）分辨率是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；空间分辨率可以看作是记录变化的最小幅度；空间分辨率示例：地图上最细线宽度对应的地理范围，遥感图像上一个像素代表的实际地理范围大小空间分辨率∝数据精度（4）比例尺（Scale）地图上一个记录的距离和它所表现的“真实世界”的距离之间的一个比例；如右图中，这幅地图的比例尺=10cm:1000m=1:10000比例尺是刻画数据精度的量（如最小线宽为地图的空间分辨率）；（5）误差（Error）描述测量值和真实值之间的差别；在大部分情况下，误差的大小是很不准确的，因为待测量的真实值往往无法得到；研究如何给出误差大小的最佳估计以及误差传播规律，是很有用的；误差的分析包括:位置误差（如点、线、多边形的位置误差）；属性误差；位置和属性误差之间的联系；（6）不确定性（Uncertainty）对于空间信息科学技术来说，数据的正确性与错误并存，正常与异常并存，精确与粗糙并存，质量高与质量低并存，什么时候是正确的，什么时候不正确的，这些都属于不确定性现象；GIS中数据的不确定性包括：位置的不确定性、属性的不确定性、时域的不确定性、逻辑上的不一致性以及数据的布完整性；研究不确定性可以更好的了解测量数据的性质？？（7）现势性（Timeliness）：指数据反映客观现象目前状况的程度。7.1数据质量的内容1、微观部分1）定位精度2）属性精度3）逻辑一致性2、宏观部分1）完整性2）时间性3）数据档案4）适用性7.2数据质量问题的来源9.1空间现象自身存在的不稳定性空间现象的空间特征和过程在空间、专题和时间内容上的不确定性。空间上的不确定性指其在空间位置分布上的不确定性变化；时间上的不确定性表现为其在发生时间段上的游移性；属性上的不确定性表现为属性类型划分的多样性，非数值型属性值表达的不精确性。9.2空间现象表达时产生的误差数据采集中的测量方法以及量测精度的选择等受到人类自身的认识和表达的影响，这对于数据的生成会出现误差。如：在地图投影中，由椭球体到平面的投影转换必然产生误差；获取各种原始数据的各种测量仪器都有一定的设计精度如：GPS提供的地理位置数据都有用户要求的一定设计精度，因而数据误差的产生不可避免。9.3数据处理中的误差投影变换：在不同投影形式下，地理特征的位置、面积和方向的表现会有差异。地图数字化和扫描后的矢量化处理：数字化过程采点的位置精度、空间分辨率、属性赋值等都可能出现误差。数据格式转换：在矢量格式和栅格格式之间的数据格式转换中，数据所表达的空间特征的位置具有差异性。数据抽象：在数据发生比例尺变换时，对数据进行的聚类、归并、合并等操作时产生的误差，如知识性误差和数据所表达的空间特征位置的变化误差。建立拓扑关系：拓扑过程中伴随有数据所表达的空间特征的位置坐标的变化。与主控数据层的匹配：数据库在与主控数据层匹配的过程中也会存在空间位移，导致误差。数据叠加操作和更新：数据在进行叠加运算以及数据更新时，会产生空间位置和属性值的差异。数据集成处理：指在来源不同、类型不同的各种数据集的相互操作过程中所产生的误差。数据的可视化表达：数据在可视化表达过程中为适应视觉效果，需对数据的空间特征位置、注记等进行调整，由此产生数据表达上的误差。数据处理过程中误差的传递和扩散：在数据处理的各个过程中，误差是累计和扩散的，前一过程的累计误差可能成为下一个阶段的误差起源，从而导致新的误差的产生。7.3空间数据使用中的误差生产者和使用者对数据的解释和理解不同，可通过空间数据的元数据来沟通。空间数据误差的主要来源数据处理过程误差来源数据搜集野外测量误差：仪器误差、记录误差遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷数据输入数字化误差：仪器误差、操作误差不同系统格式转换误差：栅格-矢量转换、三角网-等值线转换数据存储数值精度不够空间精度不够：每个格网点太大、地图最小制图单元太大数据处理分类间隔不合理多层数据叠合引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差；比例尺太小引起的误差数据输出输出设备不精确引起的误差输出的媒介不稳定造成的误差数据使用对数据所包含的信息的误解对数据信息使用不当空间数据误差的类型（1）空间数据误差分为：几何误差、属性误差、时间误差和逻辑误差；逻辑误差和几何误差为GIS特有。逻辑误差：语义角度判断数据的合理性（1）几何误差：空间数据表达的位置信息误差，在二维平面上主要反映在点（位置）误差和线（位置）误差上；线误差分布可以用Epsilon模型（等宽）或者误差带模型（不等宽）来描述（2）折线和曲线的误差（3）曲线的误差分布（误差带模型）（4）折线误差的分布（误差带模型）其他数据质量问题地图数据的质量问题地图固有误差、地图材料变形、地图扫描及数字化误差；遥感数据的质量问题遥感仪器观测过程误差（表现为空间分辨率、光谱分辨率、几何畸变以及辐射误差等）、图像处理和解译过程误差（校正匹配、解译判读、分类等）测量数据的质量问题选定的大地坐标系及投影、环境影响、测量仪器精度、操作误差、偶然误差等7.4空间数据质量控制传统的手工方法质量控制的人工方法主要是将数字化数据与数据源进行比较，图形部分的检查包括目视方法、绘制到透明图上与原图叠加比较，属性部分的检查采用与原属性逐个对比或其他比较方法。元数据方法数据集的元数据中包含了大量的有关数据质量的信息，通过它可以检查数据质量。地理相关法用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。8元数据Metadata译成元数据，是描述数据的数据。在地理空间数据中，元数据是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。元数据的内容：对数据集的描述、数据质量的描述、数据处理信息的说明、数据转换方法的描述、数据更新、集成等说明。空间数据元数据内容及示例：。。8.1元数据的类型根据元数据的内容分类根据元数据描述对象分类根据元数据在系统中的作用分类根据元数据的作用分类8.2元数据的主要作用帮助数据生产者管理和维护空间数据；便于数据用户查询检索地理空间数据；帮助用户了解数据，以便就数据是否能够满足其需求做出这功能的判断；提供有关信息，以便用户或者GIS软件进行数据的处理和转换；在空间数据及其应用迅速发展的今天，元数据成为数据共享和有效使用的重要工具8.4地理信息系统与元数据基于元数据的GIS功能扩展：查错功能（Debugging）数据浏览功能（BrowsingorCatalog）程序自动生成（ProgramGeneration）基于元数据的数据集成：基于元数据可以实现对数据自动解释与处理，使得不同格式、精度、类型的数据可以很好的协同完成一个指定的任务。第六章空间数据获取与处理（地图数字化）空间数据获取与处理的流程地理信息系统建设的第一项任务是获取空间数据地图数据采集、遥感数据处理、数据转换、实测。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。数据录入内容：空间信息和非空间信息数据采集方式：即屏幕数字化和扫描矢量化图形数据录入后期处理：纠错、拼接、建立拓扑关系、坐标变换1GIS数据采集类型1.空间数据（图形数据）2.语义数据（属性数据）语义数据（地理编码）：以科学的分类分级系统为基础，对地理环境中各基本实体及其联系进行编码，以便唯一地对某一系统中所有地图要素进行识别和处理。属性数据录入相比，空间数据录入的工作量更大，并且需要GIS软件工具的支持，属性数据可以用通用的数据库软件进行录入。2GIS图形数据采集方式1.计算机屏幕矢量化适用于多种源数据2.手扶跟踪数字化数字化前的设置串口通讯参数的设置（坐标原点、分辨率、采点方式、数据格式）数字化软件的参数与数字化仪保持一致2.1手扶跟踪数字化的方式1点方式（PointMode）每按下游标(Puck)一次，向计算机发送一个点的坐标信息。2流方式（StreamMode）距离流方式（DistanceStream）时间流方式（TimeStream）流方式手扶跟踪数字化的方式：3.数据转换：三种情形：其它矢量格式数据（往往是由其它GIS软件制订）的转换；坐标数据，往往表现为关系数据库表的形式位置描述信息，以关系数据表形式存取，同样可以转换为不太精确的坐标数据4.键盘录入：条件：已知地物精确坐标的情况下。适用于数据量较小的情况。5.实地测量：GPS为GIS提供矢量格式的坐标数据全站仪“全数字自动化测图系统”——VirtuoZo3曲线离散化算法（抽稀）途经：简化曲线，在曲线上取有限个点，将其变为折线，并在一定程度上保持原有的形状。目的：简化数据，减小数据容量。Douglas-Peucker算法1）在曲线首尾两点A、B之间连接一条直线段AB，该直线称为曲线的弦；2）得到曲线上离该直线段距离最大的点C，并计算其与AB的距离d；3）比较该距离与预先给定阈值ε的大小，如果小于ε，则将该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕；4）如果距离大于阈值，则用C将曲线分为两段AC和BC，并分别对两段曲线进行1-3步的处理。5）当所有曲线都处理完毕后，依次连接各个分割点形成的折线，即可以作为曲线的近似。扫描矢量化以及处理流程：栅格图像转换为矢量地图一般步骤1）图像二值化（Threshold）用于从原始扫描图像计算得到黑白二值图像（BinaryImage）。2）平滑（Smooth）用于去除图像中的随机噪声，即斑点。3）细化将一条线细化为只有一个像素宽，便与自动识别。4）链式编码将细化后的图像转换成为点链的集合。5）矢量线提取将每个点链转化成为一条矢量线。4图像拼接与裁剪4.1.图像拼接以两相邻地图图像的部分重叠区为基础，把它们合成为一幅整图的过程。以左右拼接为例：取左图右边缘一个矩形区域A，取右图左边缘一个矩形区域B。由A中右侧边缘从右至左依次取若干个列L1（0），L1（1），…，L1（n），以各列内像素灰度的长度序列为特征向量，分别求出以上各列的特征向量V1（0），V1（1），…，V1（n）。自动拼接，由B中左侧从左至右依次取若干列L2（n），L2（n-1），…，L2（0），以各列内像素灰度的长度序列为特征向量，分别求出以上各列的特征向量V2（n）：V2（n-1），…，V2（0）。若向量序列[V1（0）；V1（1）,…，V1（n）］和[V2（0），V2（1），…，V2（n）］匹配，则转向步骤4。人工拼接，固定A，通过人机交互控制B以一定步长上下左右移动，直到A和B重叠区对齐为止。根据步骤2匹配情况或步骤3的偏移情况对两相邻地图图像进行修正和合成。4.2.图像裁剪把一幅图像裁成两两相邻的规则图块的过程称为地图裁剪，实际是重采样。图像细化预处理二值图像平滑预处理的必要性：小分支（即毛刺噪声）、孔洞和凹陷噪声。4.3去除毛刺噪声——算法采用3×3模板进行处理：按点阵格式扫描图像上每一像素，只要图像相应区域与模板（包括其三次900旋转所形成的模板）匹配，则判定为毛刺，对应于模板中心的像素数值变为0。000010ⅩⅩⅩX1X101ⅩⅩⅩ去毛刺模板，X≥1去孔洞凹陷模板4.4图像细化（Thinning）不断去除曲线上不影响连通性的轮廓像素的过程，达到——保证细化后曲线仍然是连通的细化结果是原曲线的中心线保留细线端点常用算法：（大同小异）内接圆法、经典算法、异步算法、快速并行算法、并行八边算法等。有关细化的概念和符号N(p)为p的邻点的数值的和。图像像素联接数T(p)，如果旋转着看像素周围的点，T(p)就是p周围8个点从0变成1的次数，它反映了像素邻点的联接的块数。pW，pE，pS，pN分别指像素左侧、右侧、下边、上边邻点的数值。算法步骤-剥皮法（Zhang-Suen，1984）对于栅格图像中的每个点p，进行如下操作：如果2≤N(p)≤6并且T(p)=1并且pNpSpW=0并且pWpEpN=0，则标志p点；将所有被标志的栅格点赋值为0，如果没有被标志的点，则算法结束；转到第一步，循环。图像细化算法演示：线状地物的细化如果2≤N(p)≤6并且T(p)=1并且pNpSpW=0并且pWpEpN=0，则标志p点；链码（Freeman码）：用曲线出发点坐标和线的斜率来描述二值线图形，任意一条细线都可用链码序列表示为下式：C＝a1a2...an，0≤ai≤7使用Douglas-Peucher算法；自动扫描矢量化的可靠性还有待商榷；4.5空间数据录入后的处理（1）图形坐标变换输入与输出不同时的需要。投影变换有两种方式：多项式拟合，类似于图像纠正；直接应用投影变换公式进行变换。基本坐标变换1）平移将图形的一部分或者整体移动到笛卡尔坐标系中另外的位置。X’=X+TxY’=Y+Ty2）缩放缩放操作用于输出大小不同的图形：X’=XSxY’=YSy3）旋转在地图投影变换中，经常要应用旋转操作，实现旋转操作要用到三角函数，假定顺时针旋转角度为θ，其公式为：X’=Xcosθ+YsinθY’=-Xsinθ+Ycosθ4）仿射变换（AffineTranformation）综合考虑图形的平移、旋转和缩放5拓扑生成建立拓扑之前的图形修改在建立拓扑关系之前，要纠正数字化输入过程中的错误，以正确地反映地物之间的关系。ESRI定义的六个准则，可以帮助发现拓扑错误。1）所有录入的实体都能够表现出来；2）没有输入额外的实体；3）所有的实体都在正确的位置上，并且其形状和大小正确；4）所有具有连接关系的实体都已经连上；5）所有的多边形都有且只有一个标志点以识别它们；6）所有的实体都在边界之内。错误的类型1）伪节点（PseudoNode）伪节点使一条完整的线变成两段，造成伪节点的原因常常是没有一次录入完毕一条线——两个对象。2）悬挂节点（DanglingNode）一个节点只与一条线相连接，称该节点为悬挂节点悬挂节点有多边形不封闭不及和过头节点不重合3）“碎屑”多边形或“条带”多边形（SliverPolygon）条带多边形一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条线的位置不可能完全一致，造成了“碎屑”多边形。4）不正规的多边形（WeirdPolygon）不正规的多边形是由于输入线时，点的次序倒置或者位置不准确引起的。在进行拓扑生成时，产生“碎屑”多边形。（3）建立拓扑关系1.多边形拓扑关系的建立1）DIME模型（DualIndependentMapModel——双重独立地图编码模型）为基础，记录以下关系：多边形的组成弧段；弧段左右两侧的多边形，弧段两端的节点；节点相连的弧段。多边形拓扑的建立过程实际上就是确定上述的关系，具体的拓扑建立过程与数据结构有关。2）POLYVRT模型矢量数据结构（POLYgonconVeRTor，多边形转换器）是一种以弧段（ARC）为基础的拓扑数据模型。这种数据结构的基本元素称为“弧段”或者“链段”。弧段在两端有结点，并伴有共享该段的左、右两多边形的编码。弧段可由任意多各点构成，在POLYVRT模型中，多边形也是由弧段组成的，每个多边形是通过建立了一个环绕边界的弧段目录表来生成的。这种结构不仅存储了空间对象的几何信息，而且还存储了空间对象（多边形、弧段和点）之间的拓扑关系。这种结构的特点是，除结点外，每个空间对象都是由更基本的对象组成的。只有点的坐标是被实际存储的，其他复杂空间对象的坐标信息实际上是逻辑构成的。DIME与POLYVRT模型的区别对用以描述多边形之间关系并作为关系文件记录的基本单元的边的不同选择。DIME模型是以两个数据点之间的边界（拓扑模型中一般称为“段”—Segment）为关系描述和记录的基本单元，POLYVRT模型则以两个结点之间的一段边（拓扑模型中一般称为“链”—Chain）为基本单元DIME与POLYVRT模型的共同点在于二者都是以线性要素（段或链）作为存储记录结点之间、链间以及多边形间相互关系的基本单元。（4）多边形拓扑算法图中共有4个节点，以A、B、C、D表示；6条弧段，用数字表示；以及I、II、III三个多边形。定义以下概念：弧段是有方向的，A的起始节点称为首节点NS(A)，终止节点为尾节点NE(A)；沿弧段前进方向，将其相邻的多边形分别定义为左多边形和右多边形PL(A)和PR(A)拓扑建立后有以下关系(1)拓扑邻接：指存在于空间图形的同类图形实体之间的拓扑关系。如结点间的邻接关系和多边形间的邻接关系。在图中，结点N1与结点N2、N3相邻，多边形P1与P2、P3相邻。(2)拓扑关联：指存在于空间图形实体中的不同类图形实体之间的拓扑关系。如弧段在结点处的联结关系和多边形与弧段的关联关系。图中，N1结点与弧段A1、A5、A3相关联，多边形P2与弧段A3、A5、A6相关联。(3)拓扑包含：指不同级别或不同层次的多边形图形实体之间的拓扑关系。图中分别有2、3、4个层次。同一层次的含义是：在同一有限的空间范围内（如同一外接多边形），那些具有邻接和关联拓扑关系或完全不具备邻接和关联拓扑关系的多边形处于同一级别或同一层次。网络拓扑关系的建立为了进行流量以及连通性分析，在输入道路、水系、管网、通信线路等信息时，需要确定线实体之间的连接关系。网络拓扑关系的建立包括确定节点与连接线之间的关系。第七章空间数据管理1空间数据库数据本身具有空间属性系统的分析和应用与地理环境直接关联。深刻地影响着数据的结构、数据库的设计、分析算法和软件，以及系统的输入和输出。1.1GIS数据与MIS数据的比较主要区别图形和图像数据是GIS的主要特征一般MIS以统计数据、表格数据为主其他区别（要求更高）在硬件上，系统需要配置专门的输入和输出设备。在软件上，专门的图形和图像数据的分析算法和处理软件。应用方面MIS：查询检索和统计分析，处理结果是表格数据GIS：信息检索和统计分析+空间关系分析共同之处都以计算机为核心的信息处理系统都具有数据量大和数据之间关系复杂的特点都随着数据库技术的发展在不断的改进和完善事实上，地理信息系统正作为一种空间信息的处理系统，成为一个单独的研究和发展领域。2地理信息系统的数据库（1）概念空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的为一定目的服务，以特定的数据存储的相关联的数据集合。（2）空间数据库特点（相比于一般数据库）数据量特别大：地理系统的复杂性，空间位置数据的特殊性。属性数据与空间数据的复合体。数据应用更广泛。（3）GIS的内部数据结构两类结构都可用来描述地理实体的点、线、面三种基本类型。经过空间编码后才能为GIS所用。1）栅格模型空间被规则地划分为栅格（通常为正方形）。地理实体的位置和状态是用它们占据的栅格的行、列来定义的。栅格的值表达了这个位置上物体的类型或状态。2）矢量模型现实世界的要素位置和范围采用点、线或面表达，每一个实体的位置是用它们在坐标参考系统中的空间位置（坐标）定义。3栅格数据结构及其编码一、定义栅格数据结构将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。点：用一个栅格单元表示；线状地物：沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域：用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。二、特点属性明显，定位隐含栅格行列阵列容易为计算机存储、操作和显示，因此这种结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观。栅格结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。在栅格结构中，地表被分成相互邻接、规则排列的矩形方块，误差不仅有形态上的畸形，还可能包括属性方面的偏差。三、决定栅格单元代码的方式1.中心点法用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码。2.面积占优法以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代码。3.重要性法根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元代码。4.百分比法根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代码，如可记面积最大的两类BA，也可以根据B类和A类所占面积百分比数在代码中加入数字。四、栅格图像编码方法1直接栅格编码将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码根据需求不同有不同的记录顺序。弊端：数据量巨大2压缩编码方法分为无损编码和有损编码。1）链码（ChainCodes）链码又称为弗里曼链码，链码可以有效地压缩栅格数据，而且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度等运算十分方便，比较适合于存储图形数据。缺点：是对边界进行合并和插入等修改编辑工作比较困难，对局部的修改将改变整体结构，效率较低，由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界将被重复存储而产生冗余。2）游程长度编码（Run-LengthCodes）两种方案：只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。特点：压缩效率较高，且易于检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。(1)记录代码发生变化和重复的个数（0，1），（4，2），（7，5）；（4，5），（7，3）；（4，4），（8，2），（7，2）；（0，2），（4，1），（8，3），（7，2）；（0，2），（8，4），（7，1），（8，1）；(0，3)，(8，5)；(0，4)，(8，4)；(0，5)，(8，3)。压缩比的大小是与图的复杂程度成反比的。（2）记录代码发生变化的位置和相应代码按列（1，0），（2，4），（4，0）；（1，4），（4，0）；（1，4），（5，8），（6，0）；（1，7），（2，4），（4，8），（7，0）；（1，7），（2，4），（3，8），（8，0）；（1，7），（3，8）；（1，7），（6，8）；（1，7），（5，8）。3）块码块码采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径（边长），再加上记录单位的代码组成。1,1,1,0),(1,2,2,4),(1,4,1,7),(1,5,1,7),(1,6,2,7),(1,8,1,7),(2,1,1,4),(2,4,1,4),(2,5,1,4),(2,8,1,7),(3,1,1,4),(3,2,1,4),(3,3,1,4),(3,4,1,4),(3,5,2,8),(3,7,2,7),(4,1,2,0),(4,3,1,4),(4,4,1,8),(5,3,1,8),(5,4,2,8),(5,6,1,8),(5,7,1,7),(5,8,1,8),(6,1,3,0),(6,6,3,8),(7,4,1,0),(7,5,1,8),(8,4,1,0),(8,5,1,0)。特点：块码具有可变的分辨率，块码与游程长度编码相似，随着图形复杂程度的提高而降低效率，图斑越大，压缩比越高；图斑越碎，压缩比越低。块码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。4）四叉树将整个图像区逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元。分割原则：将图像区域划分为四个大小相同的象限，而每个象限又可根据一定规则判断是否继续等分为次一层的四个象限。终止判据：不管是哪一层上的象限，只要划分到仅代表一种地物或符合既定要求的少数几种地物时，则不再继续划分，否则一直划分到单个栅格象元为止。四叉树编码与块码的比较：块码分割四叉树分割四叉树编码特征：马里兰大学四叉树编码方式记录叶子结点的地址和值的地址包括两个部分，共32位（二进制）最右边4位记录该叶子结点的深度，以深度推知子区的大小；地址由从根结点到该叶子结点的路径表示，0，1，2，3分别表示SW、SE、NW、NE，从右边第5位开始2n字节记录这些方向。五、小结数据的压缩是以增加运算时间为代价的。好的压缩编码方法就是要在尽可能减少运算时间的基础上达到最大的数据压缩效率。链码的压缩效率较高，已经近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域的性质，区域运算困难；游程长度编码既可以在很大程度上压缩数据，又最大限度地保留了原始栅格结构，编码解码十分容易；块码和四叉树码具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图像运算，效率较高，目前应用最广泛。4矢量数据结构及其编码一、矢量数据类型点实体：记录其坐标和属性代码；线实体：用一系列足够短的直线首尾相接，记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个以直线段相连坐标序列；多边形：包含外部和内部。边界线与线实体的存储模式一致。二、特点定位明显、属性隐含数据精度高，所占空间小算法比栅格数据复杂计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换的效率和精度高三、编码方法点实体具体的或抽象的，如地物点、文本位置点或线段网络的结点等线实体：基本内容：多边形编码内容：位置；属性；区域的拓扑性质（形状、邻域和层次）。编码要求：存储效率；可以计算周长和面积；多边形拓扑关系的记录方式一致；区域的层次。四、多边形编码方法1.坐标序列法特征无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询；公共边重复存储，存在数据冗余，难以保证数据独立性和一致性；多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；处理嵌套多边形比较麻烦；适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析；2.树状索引编码法思路：减少数据冗余并间接增加邻域信息。方法：对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。II,III,IV,VII,III,IV,V50IV,VI,VII40X30III,VII,VIII,IX,X20I,II,IX10多边形边界多边形编号树状索引编码法分析优点消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题；在简化过于复杂的边界线或合并相邻多边形时可不必改造索引表；邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到；缺点索引建立繁琐，给相邻函数运算，消除无用边，处理岛状信息以及检查拓扑关系带来一定的困难。两个编码表都需要以人工方式建立，工作量大且容易出错。3.拓扑结构编码法编码内容：唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值）。采用拓扑结构编码可以较好地解决空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。4.双重独立式DIME(DuallndependentMapEncoding)这种数据结构除了通过线文件生成面文件外，还需要点文件。矢量编码最重要的是信息的完整性和运算的灵活性。目前并无统一的最佳的矢量结构编码方法，在具体工作中应根据数据的特点和任务的要求而灵活设计。矢栅结构的比较及转换算法5栅格结构与矢量结构的比较栅格结构：“属性明显、位置隐含”矢量结构：“位置明显、属性隐含”栅格数据操作容易实现，而矢量数据操作复杂。精度方面，栅格结构需要更多的栅格单元，矢量结构则需记录更多的线段结点。栅格结构只是矢量结构在某种程度上的一种近似。一、矢量格式与栅格格式的优缺点比较（一）矢量数据优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点：数据结构复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件（二）栅格数据优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时2）栅格数据到矢量数据的转换点状实体：每个实体仅由一个坐标对表示坐标精度变换问题。线实体：把栅格行列坐标转变为矢量结点坐标，根据精度要求，在结点之间插值或抽稀。6矢量格式向栅格格式的转换又称为多边形填充，实现过程是在矢量表示的多边形边界内部的所有栅格点上赋以相应的多边形编码。1）内部点扩散算法由每个多边形一个内部点（种子点）开始，向其八个方向的邻点扩散。问题：当复杂图形的同一多边形的两条边界落在同一个或相邻的两个栅格内，会造成多边形不连通，这样一个种子点不能完成整个多边形的填充。2）复数积分算法对全部栅格阵列逐个栅格单元地判断该栅格归属的多边形编码，判别方法是由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分（XY坐标），对某个多边形，如果积分值为2pr，则该待判点属于此多边形，赋以多边形编号，否则在此多边形外部，不属于该多边形。3）射线算法逐点判断数据栅格点在某多边形之外或在多边形内由待判点向图外某点引射线，判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数，如相交偶数次，则待判点在该多边形外部，如为奇数次，则待判点在该多边形内部。排除特殊情况下影响交点的个数。4）扫描算法将射线改为沿栅格阵列列或行方向扫描线。5）边界代数算法BAF-BoundaryAlgebraFilling基于积分思想适合于有拓扑关系的多边形矢量数据转换为栅格结构。算法：当边界弧段上行时，该弧段与左图框之间栅格增加一个值（左多边形编号减去右多边形编号）；当边界弧段下行时，该弧段与左图框之间栅格增加一个值（右多边形编号减去左多边形编号）。单个多边形的转换矢栅格式转换小结在栅格图像上提取特定的区域时采用种子填充算法；需要进行点和多边形关系的判断时采用射线算法边界代数法算法简单、可靠性好，各边界弧段只被搜索一次，通过简单的加减代数运算将边界位置信息动态地赋给各栅格点，实现了矢量格式到栅格格式的高速转换，避免了重复计算。7栅格向矢量格式的转换多边形栅格格式向矢量格式转换就是提取以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，并表示由多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。步骤多边形边界提取：栅格图像二值化；边界线追踪：对每个边界弧段由一个结点向另一个结点搜索，连成边界弧段；拓扑关系生成：建立矢量数据的拓扑结构和属性；去除多余点及曲线圆滑；算法（DBDF-DoubleBoundaryDirectFinding）基本思想：通过边界提取，将左右多边形信息保存在边界点上，每条边界弧段由两个并行的边界链组成，分别记录该边界弧段的左右多边形编号。边界线搜索采用2x2栅格窗口，在每个窗口内的四个栅格数据的模式，可以唯一地确定下一个窗口的搜索方向和该弧段的拓扑关系。算法过程（1）边界点和结点提取：采用2x2窗口。如果窗口内四个栅格有且仅有两个不同的编号，则该四个栅格表示为边界点；如果窗口内四个栅格有三个以上不同编号，则标识为结点（即不同边界弧段的交汇点），保持各栅格原多边形编号信息。对于对角线上栅格两两相同的情况，由于造成了多边形的不连通，也当作结点处理。节点的8种情形（2）边界线搜索与左右多边形信息记录：对每个弧段由一组已标识的四个结点开始。选定与之相邻的任意一组四个边界点和结点都必定属于某一窗口的四个标识点之一。首先记录开始边界点的两个多边形编号，作为该弧段的左右多边形，下一点组的搜索方向则由进入当前点的搜索方向和该点组的可能走向决定。每个边界点组只能有两个走向，一个是前点组进入的方向，另一个则可确定为将要搜索后续点组的方向。（3）多余点去除：多余点的去除基于如下思想：在一个边界弧段上的连续的三个点，如果在一定程度上可以认为在一条直线上（满足直线方程），则三个点中间一点可以被认为上多余的，予以去除。多余点产生的原因：栅格向矢量转换时逐点搜索边界造成的（当边界为直线时）。多余点去除算法可大量去除多余点，减少数据冗余。第八章空间分析概述空间分析是GIS系统的重要功能之一，是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括图形数据和属性数据两部分。空间数据用于实体的空间位置和几何形态，属性数据用于统计分析实体某一方面的性质。1空间查询与量算1.1空间查询用于图形与属性互查是最常用的查询。属性查图形：查询结果利用图形和属性的对应关系，在图上用指定的显示方式将结果定位绘出。图形查属性：用光标等工具选中地物后，在数据库中检索出被选空间实体，根据空间实体与属性的连接关系，得到所查询空间实体的属性列表。一、常用的空间关系查询方式拓扑、顺序、距离、方位。顺序、方位——在京沪线的东部距离——距离京沪线不超过50公里拓扑——特定形状、相邻性…属性——城市人口大于100万二、常见的空间关系查询面面查询：与某个多边形相邻的多边形有哪些面线查询：某个多边形的边界有哪些线。面点查询：某个多边形内有哪些点状地物。线面查询：某条线经过（穿过）的多边形有哪些；某条链的左、右多边形是哪些。线线查询：与某条河流相连的支流有哪些，某条道路跨过哪些河流。线点查询：某条道路上有哪些桥梁；某条输电线上有哪些变电站。点面查询：某个点落在哪个多边形内。点线查询：如某个结点由哪些线相交而成。1.2.空间量算几何量算；形状量算；质心量算；距离量算空间量算的具体内容点状地物（0维）：坐标；线状地物（1维）：长度，曲率，方向；面状地物（2维）：面积,周长,形状,曲率等体状地物（3维）：体积，表面积等。1.2.1几何量算（1）线的长度计算矢量数据：计算公式：复合线长度等于各分支曲线长度之和。栅格数据：累加地物骨架线通过的格网数目，骨架线采用8方向连接，当连接方向为对角线方向时，乘上。（2）面状地物的面积矢量结构几何交叉处理法：沿多边形的每个顶点作垂直与X轴的垂线，然后计算每条边、它的两条垂线及这两条垂线所截得X轴部分所包围的面积，所求出的面积的代数和，即为多边形面积栅格结构面积等于相同属性值的格网数目的面积和。1.2.2形状量算针对于面状地物的形状量测两个基本考虑：（1）空间一致性：有孔多边形和破碎多边形（2）多边形边界特征：多边形长、短轴之比，周长面积比，面积长度比等。一、欧拉函数：描述多边形破碎程度欧拉数=（孔数）-（碎片数-1）注意：有孔分布的才称为碎片二、多边形边界指标：形状系数P：地物周长，A：面积；如果r<1为紧凑型；r=1为标准圆；r>1为膨胀型。圆圆r=1r>1膨胀型r<1紧缩型1.2.3质心量算多边形或面的几何中心叫质心某些情况下，质心描述的是分布中心，而不是绝对几何中心。在处理实际问题时，通过权重系数解决，求得的结果称为加权平均中心。计算公式：；Wi为第i个离散目标物权重，Xi，Yi为第i个离散目标物的坐标。1.2.4距离量算最常用的距离概念是欧氏距离；理想距离：出发点与达到点构成的等时圆；现实距离：各向异性距离表面，又称为耗费距离；距离计算：2空间变换空间变换：为了满足特定空间分析的需要，对原始图层及其属性进行逻辑或代数运算，产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性的过程。（1）基于单个图层进行（2）基于多个图层基于栅格结构的空间变换（1）单点变换；（2）邻域变换；（3）区域变换；一、基于栅格结构的空间变换（一）单点变换：只考虑单个点的属性值进行运算单点变换最常见的函数有加、减、乘、除等代数运算；与、并、非、异或等逻辑运算；大于、小于等比较运算；指数函数，