地理信息系统.ppt

成绩评定方法 作业占10 考试占60 上机实习30 教材 主要参考书 教材 黄杏元等 地理信息系统概论 北京 高等教育出版社 2008主要参考书 龚健雅 地理信息系统基础 科学出版社邬伦等 地理信息系统 原理 方法和应用 北京 科学出版社 2001宋小冬 钮心毅 地理信息系统实习教程 北京 科学出版社 2004宋小冬 钮心毅 地理信息系统实习教程 arcgis9 x 北京 科学出版社 2007张超等 地理信息系统实习教程 汤国安 杨昕等编著 arcgis地理信息系统空间分析实验教程 教学内容 第一章绪论第二章地理信息系统的空间数据结构第三章空间数据的采集第四章空间数据的处理第五章空间数据库第六章空间查询与空间分析第七章空间数据的可视化与输出第八章地理信息系统的发展 第一章绪论 1 1gis概念1 2gis组成1 3gis的功能与应用1 4与相关学科的关系 1 1地理信息系统 gis 基本概念 1 1 1数据与信息何谓数据何谓信息信息的特点信息与数据的关系 指某一目标定性 定量描述的原始资料 包括数字 文字 符号 图形和图像以及它们能转换成的数据等形式 1 数据 2 信息 以文字 数据 符号 声音 图象等形式记录下来 进行传递和处理 为人们的生产 建设 管理等提供依据 它不随载体 记录 的形式改变而改变 特点1 客观性 任何信息都是与客观事实相联系的 这是信息的正确性和精确度的保证 数据录入的精度和准确 2 适用性 信息面宽量大 但对于不同问题 产生影响的因素不同 需要的信息种类不同的 信息系统将地理空间的巨大数据流收集 组织和管理起来 经过处理 转换和分析变为对生产 管理和决策具有重要意义的有用信息 这是由建立信息系统的明确目的性所决定的 建库时有选择性的录入数据 保持适合的精度 3 可传输性 信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的传输网络 被形象地称为 信息高速公路 4 共享性 信息与实物不同 信息可传输给多个用户 为用户共享 而其本身并无损失 这为信息的并发应用提供可能性 二 地理数据和地理信息 1 地理数据各种地理特征和现象间关系的符号化表示 特征 1 空间特征 表示现象的空间位置或现在所处的地理位置 2 属性特征属于一定地物 描述其特征的定性或定量指标 例如变量 级别 数量特征和名称等等 3 时间特征地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段 2 地理信息 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 它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释 特点区域性 通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识 多维性 在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构 时序性 可以按照时间尺度将地理信息划分为超短期的 如台风 地震 短期的 如江河洪水 中期的 如土地利用 长期的 如城市化 超长期的 如地壳变动 等 1 1 3地理信息系统 geographicinformationsystem gis 定义地理信息系统 geographicinformationsystem 缩写为gis 是在计算机硬件 软件及各种方法支持下 对地理空间数据进行采集 储存 管理 处理 分析 建模和显示的技术系统 三 地理信息系统 geographicinformationsystem gis 地理信息系统的类型按照内容 专题地理信息系统具有有限目标和专业特点的地理信息系统 为特定的专门目的服务 例如 森林动态监测信息系统 水资源管理信息系统区域地理信息系统主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标 可以有不同的规模 如国家级的 地区或省级的地理信息系统基本功能软件包 gis与其它信息系统的关系 gis与mis的关系联系 gis离不开数据库技术 数据库中的一些基本技术 如数据模型 数据存储等都是gis广泛使用的核心技术 区别 gis对空间数据和属性数据共同管理 分析和应用 mis侧重于属性数据的优化存储与查询 gis与计算机辅助设计 cad 共同点 都对图形图像进行加工处理 区别 根本区别在于使用目的不同 从而导致了功能和数据组织等方式上的区别 从使用目的来看 cad主要偏向于制图和表达 而gis更强调解决空间问题 因此 cad的图形编辑功能较强 具有较强的排版和制图能力 gis的核心功能是空间分析 1 2地理信息系统的组成 硬件软件数据用户 1 硬件 数据采集 输入设备数据存储和处理设备网络设备输出设备 1 硬件 扫描仪 键盘 鼠标 绘图仪 打印机 2 软件 数据库软件如sqlserver oracle10g等 gis软件如arcgis mapinfo arcview mapgis supermap等 另外 webgis软件如arcims 部分gis软件开发商及其主要产品情况表 3 数据 gis数据类型属性数据是表征空间实体属性信息的数据 一般用关系型数据库进行管理 空间数据表征空间实体位置的数据 一般采用以下数据结构进行管理和存储 栅格数据结构矢量数据结构 1 3gis基本功能 gis能做什么 数据采集 输入 编辑 主要用于获取数据 保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性 数值逻辑一致性与正确性等 一般 地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70 或更多 因此 信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容 图片来自 数据存储与管理 这是建立地理信息系统数据库的关键步骤 涉及到空间数据和属性数据的组织 数据处理 由于gis涉及的数据类型多种多样 同一种类型数据的质量也可能有很大的差异 为了保证系统数据的规范和统一 建立满足用户需求的数据文件 数据处理是gis的基本功能之一 初步的数据处理主要包括数据格式化 转换 概括 空间查询 空间查询是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的功能 而空间分析是地理信息系统的核心功能 图片来自 叠加分析 图片来自 缓冲区分析 图片来自 网络分析 图片来自 数据显示与输出 图片来自 arcgis简介 arcmap arccatalog和geoprocessing是arcgis的基础模块 应用arcgis进行空间分析时 应首先掌握这三个模块的各项功能 arcmap是arcgis桌面系统的核心应用程序 用于显示 查询 编辑和分析地图数据 具有地图制图的所有功能 arcmap提供了数据视图 dataview 和版面视图 layoutview 两种浏览数据的方式 arccatalog是一个空间数据资源管理器 geoprocessing空间处理框架具有强大的空间数据处理和分析工具 框架包括 arctoolbox和modelbuilder 可视化建模工具 arcmap 1 arcmap的窗口组成主要由主菜单 标准工具栏 内容表 显示窗口 绘图工具和状态条等6部分组成 1 主菜单主要包括file 文件操作 edit 编辑 view insert select tools windows和help等 2 窗口内容表窗口内容表用于显示地图所包含的数据组 dataframes 数据层 layers 地理要素 features 及其显示状态 一个地图文档至少包含一个数据组 当有多个数据组时 只有一个数据组属于当前数据组 active 只能对当前数据组进行操作 内容表有三种状态 地图要素显示状态 display 显示所有数据层地理要素的类型和表示方法 地图数据源显示状态 source 除显示地理要素外 还说明数据的存储位置和组织方式 数据选择状态 selection 用于控制数据层的选择与否 1 arcmap的窗口组成 3 地图显示窗口提供了两种地图显示状态 数据视图 dataview 和版面视图 layoutview 数据视图中 可以对数据进行查询 检索 编辑和分析等操作 但不包括地图辅助要素 版面视图中 图名 比例尺 图例 指北针等地图辅助要素可加载其中 两种视图方式可随时切换 两种视图方式分别对应两种显示工具分别是tools和layout 2 快捷菜单在arcmap窗口的不同部位单击右键 会弹出不同的快捷菜单 二 数据层的加载 在arcmap中 用户可以根据需要加载不同的数据层 数据层的类型主要有arcgis的矢量数据coverage tin和栅格数据grid arcview3 x的shapefile autocad的矢量数据dwg erdas的栅格数据imagefile等 1 直接在新地图中加载数据层 2 用arccatalog加载数据层 三 数据层的基本操作1 数据层更名2 改变数据层顺序3 数据层的复制与删除 四 显示其他图层在地图中显示其它图层 图层控制面板 toc 中复选框的使用 五 查询地理要素 在arcmap中 通过在地图显示区点击某个要素就可以查询其属性 了解它是什么东西 首先 应放大地图 这样更清楚地查看单个的要素 在 工具 tools 工具栏上 点击查询按钮 如果看不到 工具 tools 工具栏 在菜单 帮助 help 的右边的菜单栏上点击右键 然后点击 工具 tools 选项 你可以 闪烁显示 被查询的要素以观察它在地图中所处的区域 六 打开图层属性表 七 根据属性选择要素 八 设置并显示地图提示信息 九 使用空间关系选择地理要素selectbylocation 十 arctoolbox简介1 3d分析工具 3danalysttools 使用3d分析工具可以创建和修改tin或栅格表面 并从中抽象出相关信息和属性 2 分析工具 analysistools 对于所有类型的矢量数据 分析工具提供了一整套的处理方法 主要有 裁剪 相交 缓冲区等 3 制图工具 cartographytools 4 转换工具 conversiontools 包含了一系列不同数据格式的转换工具 5 coverage工具 coveragetools 6 数据管理工具 datamangementtools 提供了丰富且种类繁多的工具来管理和维护要素类以及栅格数据结构 7 地理编码工具 geocodingtools 8 地统计分析工具 geostatisticalanalysttools 用于可视化分析 9 线性要素工具 linearreferencingtools 10 空间分析工具 spatialanalysttools 提供了很丰富的工具用来栅格分析 11 空间统计工具 spatialstatisticstools 1 4 gis应用领域 gis应用领域 gis应用领域 gis应用领域 gis应用领域 gis应用领域 gis应用领域 辅助宏观决策 1 6gis与相关学科的关系 第二章地理信息系统的空间数据结构 2 1概述 空间实体及其描述 2 2矢量数据结构2 3栅格数据结构2 4矢栅数据结构比较 2 1概述 空间实体及其描述 地理实体 空间实体 空间实体分类空间实体关系 gis中以 空间实体 作为描述 反映空间对象的单位 实体 自然界 自然现象和社会经济事件中不能再分割的单元 一 地理实体 空间实体 二 空间实体的分类 按照空间实体的特点分为 点实体 有特定位置 维数为0的物体 如钻孔线实体具有相同属性的点的轨迹 线或折线 由一系列的有序坐标表示 如道路面实体如湖泊体实体对三维的空间实体的抽象数据 如地质构造 矿产等 当对特征实体进行数据表达时 关键又看如何表达空间的一个点 因为点是构成地理空间特征实体的基本元素 如果采用一个没有大小的点 坐标 来表达基本点元素时 称为矢量表示法 如果采用一个有固定大小的点 面元 来表达基本点元素时 称为栅格表示法 三 空间实体的关系 拓扑空间关系方向空间关系用上下左右 前后 东南西北等方向性名称来描述空间实体的顺序关系 算法复杂 至今没有很好的解决方法 度量空间关系欧氏距离 笛卡尔坐标系 曼哈顿 出租车 距离等 1 拓扑空间关系 拓扑属性 研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性 拓扑属性描述了两个对象之间的关系 又称为拓扑关系 表 平面上实体对象所具有的拓扑和非拓扑属性 类型 1 拓扑邻接 存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系 如结点邻接关系 多边形邻接关系 2 拓扑关联 存在与空间图形的不同元素之间的拓扑关系 如结点与弧段的关联关系 多边形与弧段的关联关系 3 拓扑包含 存在于空间图形的同类 但不同级的元素之间的拓扑关系 拓扑关系的意义 对于数据处理和gis空间分析具有重要的意义 因为 1 拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系 它比几何关系具有更大的稳定性 不随地图投影而变化 2 有助于空间要素的查询 利用拓扑关系可以解决许多实际问题 如某县的邻接县 面面相邻问题 又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门 就需要查询该线 管道 与哪些点 阀门 关联 3 根据拓扑关系可重建地理实体 2 2矢量数据结构 数据结构 数据的组织形式 是适合于计算机存储 管理和处理的数据逻辑结构 常采用矢量数据结构描述图形数据 栅格数据结构描述影像数据 关系数据库表描述属性数据 矢量数据结构 矢量数据结构 通过坐标值来精确地表示点 线 面等地理实体 点 由一对x y坐标表示 线 由一串有序的x y坐标对表示面 由一串有序的且首尾坐标相同的x y坐标对及面标识表示 矢量数据获取方式 矢量数据获取 由外业测量获得 然后转到地理数据库中 跟踪数字化 用跟踪数字化的方法 把地图变成离散的矢量数据 由栅格数据转换获得 利用栅格数据矢量化技术 把栅格数据转换为矢量数据 类型 1 实体式以实体为单位记录其坐标 1 点 2 线 3 面的矢量数据结构 优点 结构简单 直观 易实现以实体为单位的运算和显示 缺点 1 相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次 造成数据冗余和碎屑多边形 数据不一致 浪费空间 导致双重边界不能精确匹配 缺点 2 自成体系 缺少多边形的邻接信息 无拓扑关系 难以进行邻域处理 如消除多边形公共边界 合并多边形 所以 这种结构只用于简单的制图系统中 显示图形 mapinfo是以表的形式来组织信息的 每一个表都是一组mapinfo文件 这些文件组成了地图文件和数据库文件 一个典型的mapinfo表由下列文件组成 tab文件 描述表的数据结构 dat dbf xls bmp tif 文件 属性数据map文件 描述图形对象 id文件 图形对象文件的索引 用于连接数据和图形对象 ind 索引文件 shapefile是arcview存贮空间数据的内部缺省文件格式 利用这一简单的 非拓扑型的格式 arcview实现了地理要素属性信息与几何位置的统一贮存 shp 贮存地理要素的几何关系的文件 shx 贮存图形要素的几何索引的文件 dbf 贮存要素属性信息的dbase文件 当shape文件作为一个主题被加入到视图之后 该 dbf文件将会作为一个要素表格来显示 sbn和sbx 贮存地理要素的空间位置索引的文件 coverage的空间数据存储在一系列二进制文件中 属性数据和拓扑数据存储在info表中 2 拓扑数据结构 特点 点是相互独立的 点连成线 线连成面 每条线始于起始结点 fn 止于终止结点 tn 并于左右多边形 lp和rp 相邻接 构成多边形的线又称为链或弧段 两条以上的弧段相交的点称为结点 由一条弧段组成的多边形称为岛 在这种数据结构中 弧段或链是数据组织的基本对象 弧段文件由弧段记录组成 每个弧段记录包括弧段标识码 fn tn lp 和rp 结点文件由结点记录组成 包括每个结点的结点号 结点坐标及与该结点连接的弧段标识码等 多边形文件由多边形记录组成 包括多边形标识码 组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等 弧段文件 结点文件 多边形文件 2 3栅格数据结构 栅格数据的图形表示栅格结构的建立栅格数据编码方法 一 栅格数据的图形表示 栅格数据结构用密集正方形将地理区域划分为网格阵列 位置由行 列号定义 属性为栅格单元的值 点 由单个栅格表达 线 由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达 面 由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达 图象的栅格和数字阵列表示 一 栅格数据的图形表示 网格边长决定了栅格数据的精度 但是 当用栅格数据来表示地理实体时 不论网格边长多小 与原实体特征相比较 信息都有丢失 这是由于复杂的实体采用统一的格网所造成的 与矢量数据结构相比 用栅格数据结构表达地理要素比较直观 容易实现多层数据的叠置操作 便于与遥感图像及扫描输入数据相匹配使用等 缺点 数据精度取决于网格的边长 当网格边长缩小时 网格单元的数量将呈几何级数递增 造成存储空间的迅速增加 由于相邻网格单元属性值的相关性 冗余度大 栅格数据对于网络分析困难 二 栅格数据结构的建立 1 栅格数据的获取方法扫描仪扫描 由矢量数据转换而来 遥感影像数据 格网dem数据 属性值为地面高程 三 栅格数据编码方法 直接栅格编码行程编码块码四叉树编码 1 直接栅格编码 将栅格数据看作一个数据矩阵 逐行记录代码数据 1 每行都从左到右记录 aaaaa