武大地理信息系统笔记

武大地理信息系统笔记一、地理信息系统概论（一）地理信息系统的定义地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

它具有以下特点：1.空间定位：以地理空间数据为基础，精确表示地理实体的空间位置。2.数据集成：能够整合多种来源的地理数据，如地形、土地利用、人口分布等。3.多种分析功能：包括空间分析、属性分析、模型分析等，用于解决各种地理问题。4.可视化表达：将地理信息以直观的地图、图表等形式呈现出来。

（二）地理信息系统的构成1.硬件：包括计算机主机、存储设备、输入设备（如数字化仪、扫描仪、GPS接收机等）、输出设备（如打印机、绘图仪等）。2.软件：主要有操作系统、GIS基础软件（如ArcGIS、MapInfo等）、数据库管理系统、应用分析软件等。3.数据：地理空间数据是GIS的核心，包括空间数据（如点、线、面等几何数据）和属性数据（如地理实体的特征描述）。4.人员：包括系统开发人员、数据采集与处理人员、GIS应用分析人员等。

（三）地理信息系统的发展历程地理信息系统的发展经历了以下几个阶段：1.起步阶段（20世纪60年代）：主要进行空间数据的存储和简单处理。2.发展阶段（20世纪70年代）：功能逐渐丰富，应用领域不断拓展。3.成熟阶段（20世纪80年代至今）：技术不断完善，应用范围广泛，成为地理信息处理与分析的重要工具。

二、地理空间数据（一）空间数据的类型1.矢量数据：以点、线、面等几何图形来表示地理实体，具有定位精度高、数据结构紧凑等优点。2.栅格数据：将地理空间划分为规则的网格单元，每个单元赋予相应的属性值，数据结构简单，但数据量大。

（二）空间数据的采集1.野外测量：使用全站仪、GPS等设备直接获取地理实体的空间位置和属性信息。2.遥感数据采集：通过卫星、飞机等平台搭载传感器获取地球表面的影像数据，经过处理后提取地理信息。3.数字化录入：将纸质地图等资料通过数字化仪等设备转化为数字形式的空间数据。

（三）空间数据的质量控制空间数据质量包括位置精度、属性精度、逻辑一致性、完整性等方面。质量控制方法有：1.数据源控制：选择可靠的数据源，并对其进行质量评估。2.数据采集过程控制：严格按照规范进行数据采集，减少误差。3.数据处理与转换控制：对采集的数据进行质量检查和必要的处理，确保数据质量。4.质量评价与验证：采用多种方法对数据质量进行评价和验证，及时发现和纠正问题。

三、空间数据结构（一）矢量数据结构1.实体式：将空间实体作为独立的对象进行存储，每个实体包含几何信息和属性信息。2.索引式：通过建立索引来提高数据的查询和检索效率。3.双重独立地图编码（DIME）：用于表示地理要素之间的拓扑关系。

（二）栅格数据结构1.基于像元的结构：每个像元具有相同的大小和属性值，简单直观。2.基于游程编码的结构：通过记录连续相同属性值的像元序列来压缩数据。3.四叉树结构：将空间区域递归地划分为四个象限，根据数据分布情况进行编码，有效减少数据冗余。

（三）矢量与栅格数据结构的比较矢量数据结构适合表示边界明确的地理实体，数据量小，图形显示质量高；栅格数据结构数据处理简单，便于进行空间分析，但数据量大，精度受像元大小限制。在实际应用中，常根据具体需求选择合适的数据结构或进行两者之间的转换。

四、空间数据库（一）空间数据库的概念空间数据库是指存储和管理地理空间数据的数据库系统，它不仅能存储空间数据，还能对其进行有效的查询、检索、更新和维护。

（二）空间数据库的设计1.需求分析：明确用户对空间数据的需求，包括数据内容、查询要求、处理流程等。2.概念设计：采用ER模型等方法设计空间数据库的概念结构，描述地理实体及其之间的关系。3.逻辑设计：将概念模型转换为数据库管理系统支持的逻辑模型，如关系模型。4.物理设计：确定数据库的物理存储结构，包括数据文件的组织、索引的建立等，以提高数据的访问效率。

（三）空间数据库的管理系统常见的空间数据库管理系统有OracleSpatial、PostGIS等。它们提供了对空间数据的存储、查询、分析等功能，支持多种空间数据格式和空间操作算法。

五、空间分析（一）空间分析的概念与类型空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。主要类型包括：1.空间查询与量算：如查询某个区域内的地理实体、量算距离、面积、体积等。2.空间叠加分析：将不同图层的空间数据进行叠加，产生新的信息，如土地利用与土壤类型叠加分析。3.缓冲区分析：以点、线、面实体为基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形。4.网络分析：对交通网络、水系网络等进行分析，如路径规划、最短路径求解等。5.空间插值：根据已知点的属性值估算未知点的属性值，如地形插值、气象要素插值等。

（二）空间分析的应用1.资源管理：如土地资源、水资源、矿产资源的管理与规划。2.环境评价：分析环境污染的分布、扩散，进行生态环境评价。3.城市规划：包括城市土地利用规划、交通规划、设施布局规划等。4.灾害预测与应急响应：预测洪水、地震等灾害的影响范围，制定应急救援方案。

六、地理信息系统的应用（一）资源与环境领域1.土地资源调查与评价：利用GIS准确获取土地的类型、面积、质量等信息，进行土地适宜性评价，为土地利用规划提供依据。2.水资源管理：分析水资源的分布、流动情况，进行水资源的合理调配和保护。3.生态环境监测与分析：监测生态系统的变化，评估生态环境质量，为生态保护决策提供支持。

（二）城市规划与管理领域1.城市总体规划：整合城市的土地利用、人口分布、交通等多方面信息，制定科学合理的城市发展规划。2.城市交通规划：进行交通流量分析、道路网络规划、公交线网优化等。3.城市设施管理：对城市中的各种设施（如供水、供电、排水等）进行管理和维护，提高设施的运行效率。

（三）灾害防治与应急响应领域1.灾害风险评估：分析地震、洪水、台风等灾害的潜在风险，划分风险区域，为灾害预防提供参考。2.灾害监测与预警：利用卫星遥感、地面监测等手段实时监测灾害的发生和发展，及时发布预警信息。3.应急救援指挥：在灾害发生时，通过GIS提供的地理信息和空间分析功能，制定合理的救援方案，指挥救援行动。

七、地理信息系统的发展趋势（一）技术融合地理信息系统将与遥感、全球定位系统、物联网、大数据、人工智能等技术进一步融合，实现更全面、实时、准确的地理信息获取与分析。

（二）云GIS云GIS技术将GIS软件和数据存储在云端，用户可以通过互联网随时随地使用GIS功能，降低使用成本，提高数据共享和协同工作效率。

（三）三维GIS与虚拟现实（VR）/增强现实（AR）三维GIS能够更直观地展示地理空间的三维形态，结合VR/AR技术，为用户提供沉浸式的地理信息体验