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第一章 绪论2第一节 GIS的基本概念2一、信息与地理信息2二、信息系统(Information System)2三、地理信息系统(Geographical Information System)3第二节 GIS的组成3第三节 GIS功能：采集、存储、查询、分析、显示、输出3第四节 GIS分类3第五节 GIS与其他学科关系3二、地理信息系统与其它系统的区别3第六节 GIS的应用4第七节 GIS的发展历程4第二讲 地理空间数据基础4第一节 空间实体极其描述41.1 空间实体 定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。41.2 地理实体的描述41.3 实体的空间特征51.6 空间对象及其表达51、空间数据的特征（地理空间实体三要素）：6第二节 空间数据结构72.1 矢量数据结构72.2 栅格数据结构9第三讲 空间信息的采集与处理12第一节 GIS数据的来源12第二节 空间数据的采集13第三节 地图数字化13第四节 属性数据的获取14第五节 空间数据处理14第六节 空间数据的质量16第七节 空间数据标准（自学）17第四讲 空间数据库基础17第一节 空间数据库概念17第二节 空间数据库模型18第三节 空间数据库设计19第四节 空间数据库的建立与维护（自学）19第五讲 空间数据查询与分析20第一节 空间查询20第三节 缓冲区分析21第四节 叠置分析22第五节 网络分析23第六节 数字高程模型分析24地理信息信息系统第一章 绪论第一节 GIS的基本概念一、信息与地理信息(一)信息和数据1.信息(Information) 狭义信息论: 为人们获得信息前后对事物认识的差别。 广义信息论: 信息是指主体与外部客体之间相互联系的一种形式。我们采用的定义： 信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息的特点：客观性、适用性、可传输性、共享性2.数据(Data) 通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，是用以载荷信息的物理符号，是一种未加工的原始材料，是客观对象的表示。数字、文字、符号、图像等都是数据。3.数据与信息 信息来源于数据，是数据的内容和解释，而数据是客观对象的表示，即数据是信息的载体。(二)地理信息与地学信息1.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。从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。它脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存储、分析、显示地理信息的功能。 特点： 地域性、多维结构 、时域特征2、地学信息 与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。3、两种来源不同 地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等；地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空间。它是人们深入认识地球系统、适度开发资源、保护环境的前提和保证。 二、信息系统(Information System)(一)系统与信息系统的概念1.系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体。 2.信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。具有采集、管理、分析和表达数据的能力。二、信息系统(Information System)(三)信息系统分类 (二)信息系统的基本组成三、地理信息系统(Geographical Information System)(一)定义 地理信息系统（GIS , Geographic Information System）是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。定义理解：GIS是计算机系统，具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达。GIS的处理对象是地理分布数据，即空间数据（Spatial Data） GIS是空间数据与属性数据的综合体！（二）地理信息系统的基本特点数据的空间定位特点；空间关系处理的复杂性海量数据管理能力。 第二节 GIS的组成GIS组成：系统软件系统硬件空间数据用户第三节 GIS功能：采集、存储、查询、分析、显示、输出GIS基本功能的实现过程地理信息系统的基本功能包括：数据采集与输入 、数据编辑与更新、数据存储与管理、数据显示与输出 、空间查询与分析（空间查询与分析、空间查询与分析、空间查询与分析、网络分析、地形分析）1.数据采集2.数据存储3.查询4.分析（相邻、叠加、网络）5.显示6.输出第四节 GIS分类一、按GIS的研究范围分类 全球GIS(全球范围)、跨国GIS(多国范围)、国家级GIS(全国范围)、跨省级GIS(多省范围)、省级GIS(全省范围内)、市级GIS(全省范围内)二、按GIS的数据格式分类 矢量地理信息系统、栅格地理信息系统、混合格式地理信息系统三、按GIS是否组成网络分类GIS：单机GIS、网络GIS（局域网GIS、Intranet GIS、广域网GIS、Internet GIS）第五节 GIS与其他学科关系二、地理信息系统与其它系统的区别 GIS与DBMS（数据库管理系统）；、GIS与MIS（管理信息系统）；、GIS与地图数据库；、GIS与CAD系统；GIS与MIS的区别 1）GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用； 2）一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询。第六节 GIS的应用主要应用领域：资源管理、区域和城乡规划、灾害监测 、环境评估、作战指挥、作战指挥 、宏观决策、商业金融、通讯邮电、日常生活等各领域第七节 GIS的发展历程一、国际发展概况(四个阶段) 60年代，探索时期，人们关注什么是GIS，GIS能干什么。 70年代，巩固时期，研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理。 80年代，实破阶段，把GIS与RS结合来解决全球性问题。90年代，全面应用，产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。二、国内发展概况(四个阶段)我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：70年代，准备阶段 1980-1986年，试验起步阶段 1986-1995年，我国GIS发展阶段 96年以来，是我国GIS产业化阶段三、目前GIS的发展状况 1GIS组件化取得重要进展(Com-GIS) 2GIS网络化取得重要进展(WebGIS) 3纯关系型数据库技术在GIS中逐步得到应用 4真三维地理信息系统技术取得进一步进展(3DGIS)四、GIS的发展趋势 1.无缝集成化；2.应用专业化；3.功能组件化；4.信息高维化：三维或四维方向发展；5.平台网络化；6.分析功能复杂强大化； 7.数据输入自动化；8.表现多媒体化；9.操作标准化。第二讲 地理空间数据基础第一节 空间实体极其描述1.1 空间实体 定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。 理解:地理实体类别及实体内容的确定是从实际需要出发的1.2 地理实体的描述1.3 实体的空间特征(一) 空间维数空间对象一般按地形维数进行归类划分：点：零维线：一维面：二维体：三维时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性（但地学模拟技术的主要目标于此）。(二) 实体类型1、点实体：有位置，无宽度和长度的抽象2、线实体：有长度，但无宽度和高度用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离 线状实体包括：线段，边界、链、弧段、网络等。3、面状实体：具有长和宽的目标通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面4、体、立体状实体：具有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目(二) 实体类型（续）：欧氏平面空间对象层次1.4 实体的地图表达点：位置：（x，y） 属性：符号线：位置： (x1,y1),(x2,y2),(xn,yn) 属性：符号形状、颜色、尺寸面：位置：(x1,y1),(x2,y2),(xi,yi),(xn,yn) 属性：符号变化 等值线 1.5 实体的遥感影像表达 1.6 空间对象及其表达(一) 描述空间对象的要素 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类码标识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行标识，是唯一的。 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成 行为：空间对象所具备的行为和功能 属性：空间对象所对应的非几何信息 说明：实体数据来源、精度等 关系：与其它实体之间的关系(三) 空间对象的空间关系表达 什么是空间关系：空间对象之间的空间相互作用关系。 描述方法： 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等 相对关系：相邻、包含、关联 相对关系的类型 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等1、空间数据的特征（地理空间实体三要素）：属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。时间特征：描述空间对象随时间的变化2、空间数据的类型：属性数据：描述空间对象属性特征的数据，又称非几何数据，如类型、名称、性质等，一般通过代码给予表达几何数据：描述空间对象空间特征的数据，也称位置数据、定位数据，一般用经纬度、坐标表达关系数据：描述空间对象的空间关系的数据，如邻接、包含、关联等，一般通过拓扑关系表达。3、空间对象的空间拓扑关系：理论基础：基于点集拓扑理论拓扑元素：点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点；线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段；面：若干弧段组成的多边形基本拓扑关系：关联：不同拓扑元素之间的关系邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系4、空间拓扑关系的表达关系表 空间数据拓扑关系对数据处理和空间分析的作用1)根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何数据有更大的稳定性，不随地图投影而变化。 2)利用拓扑关系有利于空间要素的查询。例如某条铁路通过哪些地区，某县与哪些县邻接。又如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源，某湖泊周围的土地类型及对生物栖息环境作出评价等。3) 利用拓扑数据重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的选择等。第二节 空间数据结构2.1 矢量数据结构 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。 除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系用最小的存储空间存储复杂的数据。一、矢量数据的获取方式1) 由外业测量获得 可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。2)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。3)跟踪数字化 用数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。二、矢量数据结构编码基本内容矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。q 点：空间的一个坐标点；q 线：多个点组成的弧段面：q 多个弧段组成的封闭多边形；面实体的数据结构 多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。三、矢量数据结构的编码方式(一)实体式(多边形矢量编码)编码方法：只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系存储方式独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 特征i. 无拓扑关系，主要用于显示、输出及一般查询ii. 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iii. 多边形分解和合并不易进行，邻域处理较复杂；iv. 处理嵌套多边形比较麻烦b) 适用范围 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析 (二)索引式编码 (三)双重独立式编码(四)链状双重独立式编码是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段节点文件、结点坐标文件。四、矢量数据结构的属性表达属性特征类型 类别特征：是什么;说明信息：同类目标的不同特征属性特征表达 类别特征：类型编码; 说明信息：属性数据结构和表格属性表的内容取决于用户图形数据和属性数据的连接通过目标识别符或内部记录号实现。五、矢量数据结构的特点 用离散的点描述空间对象，定位明显，属性隐含 用拓扑关系描述空间对象之间的关系 面向目标操作，精度高，数据冗余度小 与遥感等图象数据难以结合 输出图形质量好，精度高2.2 栅格数据结构一、栅格数据结构编码主要内容1.栅格数据的表示 栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。 每个栅格单元只能存在一个值。 对于栅格数据结构 点：为一个像元 线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。 面：聚集在一起的相邻像元集合。2.栅格数据结构：坐标系与描述参数 3.栅格数据单元值确定4.栅格结构数据的获取方法栅格数据结构主要可有四个途径得到，即： a.目读法；b.矢量数字化法；c.扫描数字化法 d.分类影像输入。二、栅格数据结构的数据组织三、栅格数据压缩存储编码方法1.栅格矩阵 Raster数据是二维表面上地理数据的离散量化值，每一层的pixel值组成像元阵列（即二维数组），其中行、列号表示它的位置。例如影像： A A A A A B B B A A B B A A A B 在计算机内是一个4*4阶的矩阵。但在外部设备上，通常是以左上角开始逐行逐列存贮。如上例存贮顺序为：A A A A A B B B A A B B A A A B 当每个像元都有唯一一个属性值时，一层内的编码就需要m行n列3(x,y和属性编码值)个存储单元。数字地面模型就属此种情况2.链式编码(ChainCodes) 又称为弗里曼链码(Freeman)或边界链码。 基本方向可定义为：东0，东南l，南=2，西南3，西4，西北5，北6，东北7等八个基本方向。如果再确定原点为像元(10，1)，则该多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10，l，7，0，1，0，7，1，7，0，0，2，3，2，2，1，0，7，0，0，0，0，2，4，3，4，4，3，4，4，5，4，5，4，5，4，5，4，6，6。3.游程长度编码(Run-Length Codeds)游程长度编码的编码方案是，只在各行(或列)数据的代码发生变化时一次记录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据压缩。实质也可以按行帧序存储多边形内的各个像元的列号，即在某行上从左至右存储属该多边形的始末像元的列号4.块状编码(Block Codes) 块状编码是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。如图：块状编码的数据结构由初始位置(行号，列号)和半径，再加上记录单元的代码组成。(1,1,2,9),(1,3,1,9),(1,4,1,9)(1,5,2,0),(1,7,2,0),4.四叉树编码 四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效的压编数据的方法。它将2n2n像元阵列连续进行4等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止，而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉树编码四、栅格数据结构的特点u 离散的量化栅格值表示空间对象u 位置隐含,属性明显u 数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大u 几何和属性偏差u 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系第三讲 空间信息的采集与处理第一节 GIS数据的来源数据采集在GIS中的地位以数据为处理线索硬件软件数据 = 12 7一、GIS数据的内容：数字线化数据(地形测图思想：点、线、面)影像数据(数据源丰富、生产效率高、直观详细记录地表自然现象)数字高程模型属性数据（是什么，判读和考察；详细描述信息）二、GIS数据的来源：图形图像数据（地图 、工程图、规划图、照片、航空与遥感影像等）；文字数据（调查报告、文件、统计数据、实验数据、野外调查的原始记录等）二、GIS数据的来源-小结目前各种类型的地图是重要的信息源。从某种意义上说，一册完备的专题地图集是一个很好的人工操作地理信息系统。遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源，它至少具有下列一些特点：（能取得大面积、综合的信息；速度快；降低数据储存冗余和不连续性；能提供各类专题所需要的信息。） 文字数据主要用来描述空间对象的属性，比如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据确定应用哪些类型的数据是由系统的功能所确定的，例如要建立一个土地的适宜性和承载力的信息系统，所需要的数据有地形、土壤类型、降雨、地下水位、岩土工程数据 第二节 空间数据的采集一、空间数据的采集任务：将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接受的数字形式文字数据数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性配置不同的设备和仪器：不同的数据来源要用到不同的设备和方法数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成。二、空间数据的采集手段：全站仪测量；GPS测量；摄影测量（解析摄影测量、数字摄影测量）遥感图像处理（栅格影像与矢量GIS的线划图叠加；用GIS的数据作为辅助信息，进行多光谱遥感的地物分类；辅助目标识别；GIS数据采集与更新；GIS与遥感两者之间的联合分析与制图）三、常用图形数据采集设备数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备（特点：范围大，速度快；使用范围：大面积GIS数据采集、资源普查等）野外测量：大平板、全站仪、GPS、移动测绘系统（特点：精度高、效率较低适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新）第三节 地图数字化地图数字化定义：是指把传统的纸质或其它材料上的地图(模拟信号)转换为计算机可以识别的图形数据(数字信号)的过程地图数字化的目的：是为了让图形数据更好的在计算机中进行存贮、分析和输出地图数字化的方法：1）手工数字化 2）数字化仪数字化 3）扫描跟踪数字化等一、地图数字化流程：确定数字化路线-地图预处理-地图数字化二、数字数据采集方案：随机取样、系统取样、系统随机取样、可变系统采样、蔟聚取样、断面取样、等高线取样三、手工数据化：指不借用任何数字化设备对地图进行数字化，即手工读取并录入地图的地理坐标数据分类：按照空间数据的存贮格式的不同分为：手工矢量数字化手工栅格数字化两种四、数字化仪数据化第四节 属性数据的获取属性数据采集包括各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野外调查的原始记录等，如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据。对于要输入属性库的属性数据，通过键盘直接键入或文件、表格、数据库导入。对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据，则必须进行编码输入。一、属性数据的类型：社会环境、自然环境和资源与能源三大类共14小项二、属性数据的编码原则：系统性和科学性：满足所涉及学科的科学分类方法，能反映出同一类型中不同的级别特点。一致性：对代码所定义的同一专业名词、术语必须是唯一的。标准化和通用性：有国家或行业标准的要按标准进行，没有标准的必须考虑在有可能的条件下实现标准化。简捷性：在满足国家标准的前提下、每一种编码应该是以最小的数据量载负最大的信息量。可扩展性：编码的设置应留有扩展的余地，避免新对象的出现而使原编码系统失效、造成编码错乱现象。 三、属性数据的编码内容：登记部分：用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序编码；分类部分：用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征；控制部分：用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据量较大情况下具有重要意义。 四、属性编码方法 层次分类编码方法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系 多源分类编码法：对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代码之间并没有隶属关系第五节 空间数据处理一、误差或错误的检查与编辑1. 空间数据编辑的必要性（修正数据输入错误；维护数据的完整性和一致性；更新地理信息）2. 空间数据一般性错误（数据不完整、重复；空间数据位置不正确；空间数据比例尺不准确；空间数据变形；几何和属性连接有误；属性数据不完整）3. 错误检查主要方法（叠合比较法、目视检查法、逻辑检查法）4、误差修正一般过程（1）设定容许值（2）连接接点 （3）重建拓扑关系二、图像纠正1. 纠正的原因（地图变形(均匀变形、非均匀变形）；数字化中的位置移动；遥感影像本身存在几何变形；投影方式不同；分幅扫描2. 进行纠正的实质：建立纠正图象与标准地图的一一对应关系3.变换方法（作业，提交）精确方法：仿射变换、双线性变换、平方变换、立方变换等；近似方法：橡皮板变换4. 遥感影像的纠正：变换标准：选取和遥感影像比例尺相近的地形图和正射影像图作为变换标准，选用合适的变换函数，分别在纠正的遥感影像和标准地形图或正射影像图上采集同名地物点。采点顺序：先采源点,后采目标点三、数据格式转换1. 数据结构转换：相同数据结构的不同组织形式转换（矢量拓扑结构变换;栅格数据转换)不同数据结构转换(矢量到栅格;栅格到矢量)2.不同介质转换五、图像解译图像解译是从图像中提取有用信息的过程。图像解译需要一定的能力：研究地理区域的一般知识;具有一定的图像处力掌握影像分析的经验和技能 ;对影像特征的深入理解 遥感图象的解译方法：目视判读和计算机自动解译(监督分类和非监督分类)（作业，需提交）。 六、图幅拼接不同图幅的连接 自动、手工:第一种方法是小心地修改空间数据库中点和矢量的坐标，以维护数据库的连续性；第二种方法是先对准两幅图的一条边缘线，然后再小心地调整其它线段使其取得连续。第六节 空间数据的质量一、空间数据质量:指空间数据的可靠性和精度，通常用空间数据误差来度量。二、空间数据质量的基本内容1、位置（几何）精度：如平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的误差。2、属性精度：如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量；3、逻辑一致性：如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等，由几何或属性误差也会引起逻辑误差4、完备性：如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性、数据层完整性以及检验完整性等5、现势性：如数据的采集时间、数据的更新时间等三、空间数据误差来源误差成因成因一：空间现象自身存在的不稳定性因素分析与解释：空间现象在空间位置分布上的不确定性变化； 在发生时间段上的游移性；非数值型属性值表达的不精确性成因二：空间现象的表达因素分析与解释：投影变换所致误差（角度、尺度转换）；仪器误差（系统误差）；操作误差（人为主管因素所致误差）。成因三：空间数据使用中的误差因素分析与解释：对数据的解释过程中产生的误差；对数据的精度、尺度特征等方面缺乏了解，因数据生产目标及应用目的的不匹配而导致的误差；成因四：空间数据处理中的误差因素分析与解释：地图数字化处理和扫描矢量化处理中产生的误差； 数据格式转换中产生的误差；数据抽象过程中产生的误差；拓扑关系建立过程中所产生的误差；与主控数据匹配过程中产生的误差数据叠加操作和更新中产生的误差；数据集成处理产生的误差数据可视化表达中产生的误差。2 误差形成阶段阶段一：数据采集阶段可能的误差来源：实测误差，地图制图误差（制作地图的每一过程都有误差），航测遥感数据分析误差（获取、判读、转换、人工判读（识别要素）误差）阶段二：数据输入阶段可能的误差来源：数字化过程中操作员（人为误差）和设备（系统误差）造成的误差，某些地理属性没有明显边界引起的误差阶段三：数据存贮阶段可能的误差来源：数字存贮有效位不能满足（由计算机字长引起，单精度、双精度类型）空间精度不能满足；阶段四：数据操作阶段可能的误差来源：类别间的不明确、边界误差（不规则数据分类方法引起）；多层数据叠加误差；多边形叠加产生的裂缝（无意义多边形）；各种内插（数学地质、降尺度）引起的误差阶段五：数据输出阶段可能的误差来源：比例尺误差；输出设备误差；媒质不稳定（如图纸伸缩）阶段六：成果使用所导致的误差 用户错误理解信息、不正确使用信息四、空间数据质量控制措施与手段数据质量控制应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差。常见的数据质量控制方法有如下几种：传统的手工方法（通过手工方法，减少系统误差，但是也增加了人为因素）元数据方法（元数据在质量控制中的作用？作业。提示：元数据是关于数据的数据）地理相关法（作业：查阅地理相关法的基本实现策略）第七节 空间数据标准（自学）第四讲 空间数据库基础第一节 空间数据库概念了解三个基本的概念：空间数据库、空间数据库管理系统、空间数据库应用系统1、数据库的定义：为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应用的相关联的数据集合2、空间数据库的定义空间数据库是存取、管理空间信息的数据库。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库3、空间数据库的特点：数据量巨大；空间数据同属性数据统一，数据种类类型多样；应用广泛；4、建立地理空间数据库时，应遵循如下两个原则 一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法；另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题空间数据库管理系统：是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义空间数据库管理系统应具备的基本功能：提供必须的空间数据查询、检索存取功能；能够空间数据进行有效的维护和更新的软件系统。空间数据库应用系统：提供给用户访问和操作空间数据库的用户界面，是应用户数据处理需求而建立的具有数据库访问功能的应用软件。 第二节 空间数据库模型1、数据模型：对客观事物及其联系的逻辑组织描述。 数据是什么：是描述事物的符号记录 模型是什么：是对现实世界的数学抽象（规律发掘及描述）2、数据模型所描述的内容 数据结构：是指数据的组织形式，在计算机中存储、管理和处理的数据逻辑结构数据操作：描述在相应的数据结构上的操作类型和操作方式数据约束：主要描述数据结构内数据间的语法、词义联系、他们之间的制约和依存关系，以及数据动态变化的规则，以保证数据的正确、有效和相容3、数据模型的类型按不同的应用层次分成三种类型：概念数据模型、逻辑数据模型、物理数据模型概念数据模型：简称概念模型，是面向数据库用户的现实世界的模型，主要用来描述世界的概念化结构，它使数据库的设计人员在设计的初始阶段，摆脱计算机系统及相应数据库实现技术问题，集中精力分析数据以及数据之间的联系等，与具体的数据管理系统（DBMS）无关。概念数据模型必须换成逻辑数据模型，才能在DBMS中实现逻辑数据模型：简称数据模型，这是用户从数据库所看到的模型，是具体的DBMS所支持的数据模型，如网状数据模型(Network Data Model)、层次数据模型(Hierarchical Data Model)等等。此模型既要面向用户，又要面向系统，主要用于数据库管理系统（DBMS）的实现物理数据模型；简称物理模型，是面向计算机物理表示的模型，描述了数据在储存介质上的组织结构，它不但与具体的DBMS有关，而且还与操作系统和硬件有关。4、常用的逻辑数据模型（数据模型）类型 :层次模型、网络模型、关系模型（当前最为普遍）层次模型：用树结构表示实体之间联系的模 型叫层次模型树由节点和连线组成，节点代表实体型，连线表示两实体型间的一对多联系树有以下特性：每棵树有且仅有一个节点无父节点，此节点称为树的根树中的其它节点都有且仅有一个父节点网络模型：是一个满足下列条件的有向图： 可以有一个以上的节点无父节点 至少有一个节点有多于一个的父节点（排除树结构）关系模型（当前最为普遍）用二维表来表示实体及其相互联系： 数据库的总体设计称作数据库的模式，如右表“表头”。特定时刻存储在数据库中信息的集合称作数据库的一个实例，如“表格”5、面向对象的数据模型 对象：描述一个地理实体的空间和属性数据以及定义一系列对实体有意义的操作函数的统一体 对象类：同类对象的集合 方法：对一个类定义的所有操作 消息：对象间的相互联系和通信的唯一途径是通过消息传递的地理信息系统中的对象：点、线、面一个地理实体可以由三种简单的对象之一构成。复杂的地理实体可以由多种简单对象构成或者由其它复杂对象构成。地理信息系统中地理实体的组织方法：一个地理信息系统可以有多个工作区，一个工作区可以有多个图层，一个图层可以有多个地理实体。第三节 空间数据库设计1、需求分析阶段需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，也是软件研发是否成功的直接前提条件，主要进行以下工作：(1)调查用户需求：了解用户特点和要求，取得设计者与用户对需求的一致看法。(2)需求数据的收集和分析：包括信息需求(信息内容、特征、需要存储的数据)、信息加工处理要求(如响应时间)、完整性与安全性要求等。(3)编制用户需求说明书：包括需求分析的目标、任务、具体需求说明、系统功能与性能、运行环境等，是需求分析的最终成果。2、结构设计指空间数据结构设计，结果是得到一个合理的空间数据模型，是空间数据库设计的关键。空间数据库设计的实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。第四节 空间数据库的建立与维护（自学）第五讲 空间数据查询与分析空间分析是综合分析空间数据的技术的统称，它是构成地理信息系统的核心部分之一，在整个地理数据的应用中发挥着举足轻重的作用，也是GIS区别于其它信息系统的一个显著标志。缓冲区分析（Buffer） 叠置分析（Overlay）网络分析（Network） DEM分析（DEM）第一节 空间查询一、 空间查询方式1.由图形查询属性 1）检索其相应属性2）检索其空间拓扑关系2.由属性查图形 1）检索对应的空间实体2）查询属性 二. 空间查询的种类1.几何特征查询 包括点的位置坐标，两点间的距离，线目标的长度，面目标的周长或面积等（空间量算）实现方式：空间量算或属性库查询2.空间定位查询给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性（ 按点查询： 给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性； 开窗查询： 分为该窗口包含和穿过的区别。实现方式：根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。）三. 空间关系查询1.相邻分析检索u 面面：如查询与面状地物相邻的多边形的实现方法u 线线：如与某干流A相连的所有支流u 点点：A与B是否相通2.相关分析检索u 线面: 我国（面）边境线总长度u 点线: 自来水GIS中，与某阀门（点）相关的水管（线）u 点面: 某个点（点）落在哪个多边形内（面）3.包含查询（同层包含:建立了拓扑关系的数据。不同层包含:没有建立拓扑关系的数据）4.穿越查询：求某公路穿越的县城5.落入查询：一个空间对象落入哪个空间对象之内6.缓冲区查询:查询落在点、线、面缓冲区内的空间实体四.属性查询1.查找 实现图形与属性联动2. SQL 查询 Select 属性项 From 属性表 Where 条件 or条件 and 条件3.扩展SQL 查询 例如，“查询长江流域人口大于50万的县或市”，可表示为：SELECT *;FROM 县或市;WHERE 县或市.人口 50万 AND CROSS（河流.名称=“长江”）第三节 缓冲区分析一.缓冲区概述缓冲区是地理空间目标的一种影响范围或服务范围，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形。数学表达为： ( 其中,R为 缓冲宽度，或缓冲半径)作用:缓冲区分析是GIS的基本空间操作功能之一，一般应用于求地理实体的影响范围，即邻近度问题。二.基于矢量的缓冲区第四节 叠置分析叠置分析是将同一地区的两组或两组以上的要素(地图)进行叠置，产生新的特征(新的空间图形或空间位置上的新属性的过程)的分析方法。一、基于矢量数据的叠置分析1.分析的内容 1) 点与多边形的叠置(核心算法为判断点是否在多边形内) 2) 线与多边形的叠置(核心算法为线的多边形裁剪)3)多边形与多边形的叠置3.多边形叠置分析1)定义是指不同图幅或不同图层多边形要素之间的叠置，根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形（合成叠置）或进行多边形范围内的属性特性的统计分析（统计叠置）。合成叠置需要进行属性合并。方法可用加、减、乘、除，也可取平均值、最大最小值，或取逻辑运算的结果等。统计叠置是确定一个多边形中含有其它多边形的属性类型的面积等，即把其它图上的多边形的属性信息提取到本多边形中来。2)应用：寻求和确定同时具有几种属性的分布区域例如，土壤类型图(1，2)与城市功能分区图(a,b)叠置，可得出土壤与分区合成图，也可得出新属性统计表(属性面积)3) 实施步骤 a. 对原始数据（多边形）形成拓扑关系。b. 多层多 边形数据的空间叠置，形成新层。c. 对新层中的多边形重建拓扑d. 删除多余多边形（或处理意义多边形）提取感兴趣的部分。二.基于栅格数据的叠置分析(一)单层栅格数据的分析空间变换：对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算，以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性的过程。3.滤波预算 滤波运算可将破碎的地物合并和光滑化，以显示总的状态和趋势，也可以通过边缘增强和提取，获取区域的边界。4.特征参数计算 即对栅格数据计算区域的周长、面积、重心等，以及线的长度、点的坐标等。5、相似运算-匹配识别 按某种相似性度量来搜索与给定物体相似的其它物体的运算。(二)多层栅格数据的分析1.单点变换1) 概念只将对应栅格单元的属性作某种运算（加、减、乘、除、三角函数、逻辑运算等）得到新图层属性，而不受其邻近点的属性值的影响。2) 实际应用 土地适应性评价的多因素分析中，对土壤类型、土壤排水能力、土壤肥力、地形等各图层中对应栅格值的加权数学和逻辑运算。(二)多层栅格数据的分析2.区域变换 新属性的值不仅与对应的原属性值相关，而且与原属性值所在的区域的长度、面积、形状等特性相关。3、邻域变换 计算新图层属性时，不仅考虑原始图上对应栅格本身的值，还需考虑该图元邻域关联的其他图元值的影响。三. 叠置分析小结 栅格叠置的作用：1）类型叠置:获取新的类型。2）数量统计:即计算某一区域内的类型和面积。3）动态分析4）益本分析5）几何提取第五节 网络分析一. 网络分析概述 1、网络分析的定义:网络分析是对地理网络、城市基础设施进行地理分析和模型化过程，通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，实现对网络结构及其资源等的优化处理。 (1) 基本思想在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。(2) 主要用途 :求解最佳路径；选择最佳布局中心的位置，进行资源分配；地址匹配等。(3) 理论基础：图论与运筹学 从运筹学的角度来研究、统筹、策划一类具有网络拓扑性质的工程，安排各个要素的运行使其能充分发挥作用或达到所预想的目标(4) 网络分析的流程 2、网络的创建2、网络的创建2、网络的创建三. 应用实例1.题目： 最短路径的分析与应用2.目的： 学会应用地理信息系统平台软件进行各种类型的最短路径分析，理解网络分析的原理。3. 数据：城市交通网络、商业中心及家庭住址、网络节点等。4.题目要求 根据不同要求，获得到达指定目的地的最佳路径，并给出路径的长度。 (1) 在网络中指定一个商业中心，分别求出在不同距离、时间的限制下从家到商业中心的最佳路径。(2) 给定访问顺序，按要求找出从家出发，逐个经过访问点，最终达到目的地的最佳路径。(3) 研究阻强的设置对最佳路径选择的影响。第六节 数字高程模型分析一. DEM概述 1. DEM(Digital Elevation Models)，是国家基础空间数据的重要组成部分，它表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为： z = f（x，y）。 DTM：当z为其它二维表面上连续变化的地理特征，如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特征，此时的DEM成为DTM（Digital Terrain Models）。 2.表示方法 （1）等高线法（2）TIN法(Triangulated Irregular Network) （3）规则格网法二. DEM的建立1.数据获取与处理 (1)数据采集(2)数据处理(格式转换、坐标系变换、数据编辑、数据分块、数据内插等) 2.DEM生成 (1) 人工格网法(2) 三角网法(4)曲面拟合法:根据有限个离散点的高程，采用多项式或样条函数求得拟合公式，再逐个计算各点的高程，得到拟合的DEM。可反映总的地势，但局部误差较大。二. DEM的应用 (一)基于DEM的信息提取 1.坡度:定义为地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。 2.坡向 坡向是地表单元的法向量在水平面上的投影与X轴之间的夹角， 在计算出每个地表单元的坡向后，可制作坡向图，通常把坡向分为东、南、西、北、东北、西北、东南、西南8类，再加上平地，共9类，用不同的色彩显示，即可得到坡向图。 3.地表粗造度（破碎度）是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标，一般定义为地表单元的曲面面积与其水平面上的投影面积之比。Grid DEM上制作坡度、坡向图。(二)等高线的绘制 1.等高线追踪，利用DEM矩形格网点的高程内插出格网边上的等高线点，并将这些等高线点排序； 2.等高线光滑，进一步加密等高线点并绘制光滑曲线。2.通视性分析GIS思考题第一讲 思考题1.你是如何理解地理信息系统的概念的？2.地理信息系统的构成、功能是什么？3.地理信息系统的基本功能和应用功能的区别和联系是什么？4.现代信息技术的出现给测绘技术与地理分析技术带来哪些主要的变化？（主要思考与地质有关的）5.通过网络查询GIS在地质中怎样应用的？应用现状和未来应用发展前景？第二讲地理空间实体的三要素是什么？它们之间的关系是怎样的？