地理信息系统原理及应用教案.doc

教 案课程名称：地理信息系统原理及应用第一章 绪论【导入新课】随着资源开发与利用、环境保护等问题的日益突出，我们急需要弄清楚这几个问题：1.我们在哪里？我们周围有什么？有多少？2.它们之间的关系以及和我们的关系？3.我们需要的东西在哪里？4.万物变化的趋势是什么？谁使它们变化？5.我们怎么办？人类社会迫切需要一种能够有效地分析、处理空间信息的技术、方法和系统。 著名的地理学家陈述彭先生说：“地理信息系统事实上就是地图的一个延续，就是用地理信息系统扩展地图工作的内容。”【教学过程】第一节 地理信息系统的概念及构成一、地理信息系统的全称：全称虽有出入，但简称都叫做“GIS”。Geographical Information System英国Geographical-Information-System 德国Land Information System加拿大、澳大利亚Resources and Enviromental Information System 中国二、地理信息系统的定义“GIS是一种存储、分析和显示空间与非空间数据的信息技术。” 美国Parker“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统。” 加拿大Reger Tomlinson“GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。” 美国联邦数字地图协调委员会三、GIS的概念框架 用户界面系统和数据库管理产品生成产品输出空间数据处理空间数据分析数据输入数据库建立 四、GIS基本功能的实现过程文件图表 原始数据存储检索空间查询空间分析数据编辑投影变换数据输出 制图、表格 交互展示 结构化数据空间数据库数据获取五、系统的应用模式1、单机式2、局域网模式3、广域网模式六、GIS的分类1、根据研究范围：全球性信息系统、区域性信息系统2、根据研究内容：专题信息系统、综合信息系统3、根据数据结构：栅格型 、矢量型、混合型七、GIS的构成完整的GIS由四部分构成：1、计算机硬件系统2、计算机软件系统3、地理空间数据4、系统开发、管理和使用人员第二节 GIS 的功能和应用一、GIS的主要功能采集、存储、查询、分析、显示、输出二、GIS的主要应用领域地理信息系统的博才取胜和运筹帷幄的优势，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具。也成为与空间信息有关各行各业的基本工具，以下简要介绍地理信息系统的一些主要应用方面：1、测绘与地图制图：2、资源管理：3、城乡规划：4、灾害监测：5、环境保护：6、国防：7、宏观决策支持：第三节 几个基本概念一、信息、地理信息1、信息和数据2、地理信息3、地理信息的特征地理信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：（1）空间分布性。（2）数据量大。（3）信息载体的多样性。二、信息系统1、信息系统的基本组成2、信息系统的类型根据系统所执行的任务，信息系统可分为事务处理系统（Transaction process system）和决策支持系统（Decision support system）。事务处理系统强调的是数据的记录和操作，民航定票系统是其典型示例之一。决策支持系统是用以获得辅助决策方案的交互式计算机系统，一般是由语言系统、知识系统和问题处理系统共同构成。第四节 GIS的发展历史及发展趋势一、国际发展状况综观GIS发展，可将地理信息系统发展分为以下几个阶段： 1、地理信息系统的开拓期（60年代）：2、地理信息系统的巩固发展期（70年代）3、地理信息系统技术大发展时期（80年代）： 4、地理信息系统的应用普及时代（90年代）：二、国内发展状况我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。起步阶段：19781980发展阶段：19811985初步发展阶段：1986至今地理学地图制图学数据库理论机助设计软件工程人工智能城市规划测量学摄影测量遥感地理学计算机科学信息科学资源管理GIS第五节 GIS与相关学科的关系第六节 课程安排本课程分理论学习和上机实习两部分； 通过该门课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本原理、基本方法与常用GIS软件的操作 ，为GIS的应用和二次开发应用打下理论基础。54第三章 空间数据的获取第一节 GIS数据的内容1、数字线化数据：地形测图思想：点、线、面2、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3、数字高程模型4、属性数据：是什么，判读和考察，详细描述信息第二节 空间数据的特征1、位置特征(location) 位置特征又称空间特征，描述了事物所处的位置。通常以坐标数据形式来表示空间位置，以拓扑关系来表示空间位置关系。 2、属性特征（attibution) 反应了空间事物的质量特征或数量特征。属性数据本身属于非空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分。3、时间特征（temporal) 反映了地理现象发生或存在的时刻或时段。 实体随时间的变化具有周期性，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的、长期的和超长期的。这三个方面的基本特征及其组合可以形成千变万化的地理关系，从而得到丰富的空间地理信息。第三节 空间数据的采集一、准备工作1、资料准备，区域标定1）基础原始数据的确定2）数据分类项目的确定3）数据标准的准确性的确定2、进行三个统一：（地理基础统一，即确定投影、比例尺、 分类分级编码）3、所用软件的检查、试用菜单准备及其它辅助工作。4、硬件检查5、精度试验6、试验，样区、单项试验二、数据采集任务1、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。2、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。3、不同的数据来源要用到不同的设备和方法。数据的转换装载。4、数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等。三、数据源种类 电子数据、非电子数据；一手资料、二手资料。四、空间数据的采集：1、属性数据的采集2、几何数据的采集3、图形数据的采集第四节 空间数据的转换数据交换文件GIS A GIS A GIS B GIS B 内部文件 外部文件 外部文件 内部文件 GIS A数据交换标准Open GISInternet1、互操作含义2、GIS互操作类型3、GIS 互操作问题4、急需实现异构GIS间的互操作5、GIS互操作现状第五节 空间数据质量控制一、空间数据质量的概念1、空间数据质量 空间位置、专题特征以及时间是表达现实世界空间变化的三个基本要素。空间数据是 有关空间位置、专题特征以及时间信息的符号记录。而数据质量则是空间数据在表达这三 个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度。 空间数据是对现实世界中空间特征和过程的抽象表达。由于现实世界的复杂性和模糊 性，以及人类认识和表达能力的局限性，这种抽象表达总是不可能完全达到真值的，而只 能在一定程度上接近真值。从这种意义上讲，数据质量发生问题是不可避免的；另一方面， 对空间数据的处理也会导致出现一定的质量问题；例如，在某些应用中，用户可能根据需 要来对数据进行一定的删减或扩充，这对数据记录本身来说也是一种误差。 因此，空间数据质量的好坏是一个相对概念，并具有一定程度的针对性。尽管如此，我们仍可以脱离开具体的应用，从空间数据存在的客观规律性出发来对空间数据的质量进行评价和控制。2、与数据质量相关的几个概念 （1）误差(Error)：误差反映了数据与真实值或者大家公认的真值之间的差异，它是一 种常用的数据准确性的表达方式。 （2）数据的准确度(Accuracy)：数据的准确度被定义为结果、计算值或估计值与真实值或者大家公认的真值的接近程度。（3）数据的精度(Resolution)：数据的精密度指数据表示的精密程度，亦即数据表示的有效位数。它表现了测量值本身的离散程度。由于精密度的实质在于它对数据准确度的影响，同时在很多情况下。它可以通过准确度而得到体现，故常把二者结合在一起称为精确度，简称精度。（4）不确定性（Uncertainty)：不确定性是关于空间过程和特征不能被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。在内容上，它是以真值为中心的一个范围，这个范围越大，数据的不确定性也就越大。二、空间数据质量评价1、空间数据质量标准 空间数据质量标准是生产、使用和评价空间数据的依据，数据质量是数据整体性能的 综合体现。目前，世界上已经建立了一些数据质量标准，如美国FGDC的数据质量标准等。 空间数据质量标准的建立必须考虑空间过程和现象的认知、表达、处理、再现等全过 程。空间数据质量标准要素及其内容如下： (1)数据情况说明：要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等作出准确、全面和详尽的说明。 (2)位置精度或称定位精度：为空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常 表现为空间三维坐标数据精度。它包括数学基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度(形状保真度)、像元定位精度(图像分辨率)等。平面精度和高程精度又可分 为相对精度和绝对精度。 (3)属性精度：指空间实体的属性值与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类 型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与代码的正确性、要素属性值的准确性及其名 称的正确性等。 (4)时间精度：指数据的现势性。可以通过数据更新的时间和频度来表现。 (5)逻辑一致性：指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容(包括空间特征、专题特征和时间特征)，以及拓扑性质上的内在一致性。 (6)数据完整性：指地理数据在范围、内容及结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。 (7)表达形式的合理性：主要指数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专题特征和时间特征表达的合理性等。2、空间数据质量的评价空间数据质量的评价，就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题和时 间特征进行评价。三、误差的类型（源误差、操作误差）空间数据的质量通常用误差来衡量，而误差定义为空间数据与其真值的差别。空间数据误差的来源是多方面的。如下表所示。1、源误差 GIS数据的来源主要有，直接从现场利用GPS或全站仪采集的数字数据；现有纸质地图的数字化；航空影像和遥感数字数据或统计调查数据等。这些数据受表53中前两类误差来源的部分或全部影响。空间数据误差的来源误差类型误差来源误差特征源误差数据年代；数据的空间覆盖范围；地图比例尺；观测密度数据的可访问性，数据格式；数据与用途的一致性；数据的采集处理费用明显、易探测由自然变化或原始测量引起的误差位置误差；属性误差：质量和数量方面的误差数据偏差：输入输出错误，观测者偏差，自然变化不明显难测定GIS处理过程引起的误差计算机字长引起的误差拓扑分析引起的误差：逻辑错误、地图叠置操作分类与综合引起的误差：分类方法、分类间隔、内插方法复杂难探测 2、操作误差 除了GIS原始录入数据本身带有的源误差外，空间数据在GIS的模型分析和数据处理等操作中还会引入新误差。如，由计算机字长引起的误差，拓扑分析引入的误差和叠置中引入的误差等。 (1)由计算机字长引起的误差 (2)由拓扑分析引起的误差 (3)数据分类和内插引起的误差 以上讨论了GIS空间数据库中原始录用数据本身含有的源误差和随后空间操作中引入的新误差。一般来说，源误差远大于操作误差，因此，要想控制GIS产品的质量，良好的原始录用数据是首要的。四、GIS空间操作中误差的传播1、算术关系下的误差传播 如果f()为算术关系，例如独立变量的和差关系、倍数关系或线性关系，则其中误差传播规律是众所周知的；若为相关或一般非线性函数时，其误差传播规律也在经典测量误差理论中已有详细介绍。2、逻辑关系下的误差传播 除了上述算术关系操作外，在GIS中还存在着叠置、推理等大量逻辑运算，如布尔逻辑运算(AND 、OR、NOT)和专家系统中的不精确推理。 （1）布尔逻辑运算下的误差传播（2）不精确推理关系下的误差传播逻辑关系下的误差传播律正处于研究中，借用信息论、模糊数学、人工智能和专家系统的基础理论可望解决这一问题。通过上述讨论不难理解，由于GIS还是一门比较年轻的学科，对GIS数据的质量和精度问题还不大为人们所了解，还有许多问题有待于深入研究。例如，由于用户的需求多式多样，对数据质量和精度还没有一致的意见；缺乏度量空间数据和GIS输出结果不确定性的方法；在GIS功能中没有标准方法来建立误差模型。对如何处理误差，没有成熟的规范可循，现有的GIS能够提供一个派生信息的工具，但却没能提供一个关于系统可靠性的工具，即交出的最终结果没有附上一份相应的关于其可靠性的分析报告。五、空间数据质量的控制 数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量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。空间数据质量控制常见的方法有： 1、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 属性逐个对比或其它比较方法。 2、元数据方法 数据集的元数据中包涵了大量的有关数据质量的信息，通过它可以检查数据质量，同时元数据也记录了数据处理过程中质量的变化，通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化。 3、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。例如， 从地表自然特征的空间分布着手分析，山区河流应位于微地形的最低点，因此，叠加河流和等高线两层数据时，若河流的位置不在等高线的外凸连线上，则说明两层数据中必有一层数据有质量问题，如不能确定哪层数据有问题时，可以通过将他们分别与其它质量可靠的数据层叠加来进一步分析。因此，可以建立一个有关地理特征要素相关关系的知识库，以备各空间数据层之间地理特征要素的相关分析之用。 数据质量控制应体现在数据生产和处理的各个环节。下面以地图数字化生成地图数据过程为例，说明数据质量控制的方法。数字化过程的质量控制，主要包括数据预处理、数字化设备的选用、对点精度、数字化误差和数据精度检查等项内容。1、数据预处理工作 2、数字化设备的选用 3、数字化对点精度(准确性) 4、数字化限差 5、数据的精度检查 空间数据的采集与处理工作，是建立GIS的重要环节，了解GIS数字化数据的质量与不确定性特征，最大限度地纠正所产生的数据误差，对保证GIS分析应用的有效性具有重要意义。第四章 空间数据表达第一节 空间对象及其定义一、地理空间指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续，具体包括地球上大气圈、水圈、生物圈、土壤圈和岩石圈交互作用的区域。二、空间对象（实体）类型空间对象一般按地形维数进行归类划分：零维空间对象：点一维空间对象：线二维空间对象：面三维空间对象：体时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。三、空间对象关系 相离重合邻接相交包含四、拓扑关系的应用第二节 空间数据的应用c1c2c3c4c5c6P1P2P3P4N1N2N3N4N5一、空间数据的特征信息该地图为一副交通图，它传递的基本信息包括：(1)定位信息：三条呈不同分布状态的交通线；(2)属性信息：三条呈不同等级的交通线；(3)拓扑信息：三条具有关联关系的交通线。二、拓扑关系类型：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：指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。拓扑关联：指存在于空间图形的不同元素之间的拓扑关系。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。包含包括简单包含、多层包含、等价包含三种形式。三、空间数据拓扑关系的意义第三节 空间数据的计算机表达一、两种数据结构 表示地理实体的空间数据包含着空间特征和属性特征，对具有这些复杂特征的空间数据，如何组织和建立它们之间的联系，以便计算机存储和操作，这称为数据结构。 栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。二、空间数据表达的步骤 以ARC/INFO基于矢量数据模型系统为例，为了将空间数据存入计算机：第一，从逻辑上将空间数据抽象为不同的专题或层（一个专题层包含指定区域内地理要素的位置数据和属性数据）。第二，将一个专题层的地理要素或实体分解为点、线或面状目标分类码。第三，对目标进行数字表示标识码。三、空间数据结构的标准 空间数据编码是空间数据结构的实现，其目的是将图形数据、影像数据、统计数据等资料，按一定的数据结构转换为适用于计算机存储和处理的形式。高效率的数据结构，应具备如下要求：组织的数据能够表示要素之间的层次关系，便于不同数据连接和覆盖；能正确反映地理实体的空间排列方式和各实体间相互关系；便于存取和检索；节省存储空间，减少数据冗余；存取速度快，在运算速度较慢的微机上能做到快速响应；足够的灵活性，数据组织应具有插入新的数据、删除或修改部分数据的基本功能。第四节 空间数据结构一、栅格数据结构栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行、列确定它的位置，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。 由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在网络文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。在网络文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。1、简单栅格数据结构 栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构(raster或grid cell)或象元结构(pixel)，是指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、列号定义，并包含一个代码，表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。如图所示，在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物则用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。任何以面状分布的对象(土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等)，都可以用栅格数据逼近。遥感影像就属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级。栅格结构的显著特点是：属性明显，定位隐含。栅格数据结构的几种其它形式 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(特殊的情况下也可以是三角形或菱形、六边形等（如图所示)，每个地块与一个栅格单元相对应。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。在许多栅格数据处理时，常假设栅格所表示的量化表面是连续的，以便使用某些连续函数。由于栅格结构对地表的量化，在计算面积、长度、距离、形状等空间指标时，若栅格尺寸较大，则会造成较大的误差，同时由于在一个栅格的地表范围内，可能存在多于一种的地物，而表示在相应的栅格结构中常常只能是一个代码。这类似于遥感影像的混合象元问题，如landsat MSS卫星影像单个象元对应地表7979m2的矩形区域，影像上记录的光谱数据是每个象元所对应的地表区域内所有地物类型的光谱辐射的总和效果。因而，这种误差不仅有形态上的畸变，还可能包括属性方面的偏差。 栅格结构数据主要可由四个途径得到，即 目读法 数字化仪手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢量结构数据后，再转换为栅格结构 扫描数字化 分类影像输入 在转换和重新采样时，需尽可能保持原图或原始数据精度，通常有两种办法： 第一，在决定栅格代码时尽量保持地表的真实性，保证最大的信息容量。图所示的一块矩形地表区域。内部含有A、B、C三种地物类型，O点为中心点，将这个矩形区域近似地表示为栅格结构中的一个栅格单元时，可根据需要，采取如下方案之一决定该栅格单元的代码： 栅格单元代码的确定 中心点法 面积占优法 重要性法百分比法 逼近原始精度的第二种方法是缩小单个栅格单元的面积，即增加栅格单元的总数，行列数也相应地增加。这样，每个栅格单元可代表更为精细的地面矩形单元，混合单元减少。混合类别和混合的面积都大大减小，可以大大提高量算的精度；接近真实的形态，表现更细小的地物类型。然而增加栅格个数、提高数据精度的同时也带来了一个严重的问题，那就是数据量的大幅度增加，数据冗余严重。为了解决这个难题，已发展了一系列栅格数据压缩编码方法，如游程长度编码、块码和四叉树码等。2、栅格数据的压缩编码方式游程长度编码（run-length code） 游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法，它的基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。其编码方案是，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代码重复的个数，从而实现数据的压缩。四叉树编码(quad-tree code) 四又树结构的基本思想是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其格网属性值(或灰度)。如果某个子区的所有格网值都具有相同的值。则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。八叉树八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域(即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小立方体)，分解的次数越多，子区域就越小，一直到同区域的属性单一为止。按从下而上合并的方式来说，就是将研究区空间先按定的分辨率将三维空间划分为三维栅格网，然后按规定的顺序每次比较3个相邻的栅格单元，如果其属性值相同则合并，否则就记盘。依次递归运算，直到每个子区域均为单值为止。八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题。二、矢量数据结构特点：定位明显，属性隐含。获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法1、简单的矢量数据结构面条结构在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条结构。 只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。主要特点：1）数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化 操作简单；2）每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致；3）点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联；4）岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析2、拓扑数据结构这种数据结构的共同特点是：点连成线，线构成面。每条线始于起始结点止于终止结点，并与左右多边形（LP和RP）相邻接。构成多边形的线又称为链段或弧段，两条以上的弧段相交的点称为结点，由一段弧段组成的多边形称为岛，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形，表示单联通区域；含岛区的多边形称为复合多边形，表示复联通区域。在这种数据结构中，弧段或链段是数据组织的基本对象。1）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。2）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。3）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。拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能。这种拓扑编辑功能，不但保证数字化原始数据的自动查错编辑，而且可以自动形成封闭的多边形边界，为由各个单独存储的弧段组成所需要的各类多边形及建立空间数据库奠定基础。 拓扑编辑功能包括：多边形连接编辑和结点连接编辑。3、曲面数据结构曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度、磁场。三.、矢量与栅格一体化数据结构既保持矢量特性，又具有栅格性质，将矢量和栅格统一起来，这就是矢量与栅格一体化数据结构的基本概念。为了建立矢量与栅格一体化数据结构，要对点、线、面目标数据结构的存储要求作如下统一的约定：（1）对点状目标，因为没有形状和面积，在计算机内部只需要表示该点的一个位置数据及与结点关联的弧段信息；（2）对线状目标，它有形状，但没有面积，在计算机内部需用一组元子来填满整个路径，并表示该弧段相关的拓扑信息。（3）对面状目标，它既有形状，又有面积，在计算机内部需表示由元子填满路径的一组边界和由边界组成的紧凑空间。第五节 空间数据结构的建立空间数据结构的建立是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应的GIS空间数据，为空间数据库的建立提供物质基础。数据结构的建立，通常是融合在系统设计和系统实施过程中，其主要内容和建立过程，如下：根据用户需求，确定数据项目根据数据项目，确定数据源数据分类和编码确定数据模型和数据结构类型数据输入与编辑操作矢量数据输入与编辑栅格数据输入与编辑第五章 空间数据处理数据处理的概念 数据处理，就是对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数据形式进行编辑运算，清除数据冗余，弥补数据缺失，形成符合用户要求的数据文件格式。 数据处理的意义数据处理是实现空间数据有序化的必要过程。数据处理是检验数据质量的关键环节。 数据处理是实现数据共享的关键步骤。空间数据处理所涉及的主要内容有坐标变换、数据结构转换、图形编辑、拓扑关系的自动生成、空间数据压缩、空间数据内插等。 第一节 空间数据的坐标变换一、空间数据坐标变换的概念空间数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，实质是建立两个平面点之间（或球面坐标和平面坐标）的一一对应关系，是空间数据处理的基本内容之一。 二、空间数据坐标变换的地理意义(1)实现由设备坐标到现实世界坐标的转换： 由数字化设备读取的坐标值直接依赖于该设备的坐标系统及其设置，并不代表实际地理坐标，因此有必要建立坐标转换公式，在数字化过程中将设备坐标转换为实际地理坐标。(2)控制数据采集的精度： 由控制点建立的坐标转换公式实际上是一组回归方程，通过在图面上均匀选取适当数目的控制点，并精确输入控制点的实际地理坐标，可以提高回归方程的拟和精度，进一步控制数字化的精度。(3)实现多图幅拼接或不同比例尺间地图的匹配三、空间数据变换的类型空间数据坐标变换类型：1、坐标系转换：主要解决G1S中设备坐标同用户坐标的不一致，设备坐标之间的不一致问题。平移变换、旋转变换、比例变换(a)平移(b)缩放(c)旋转 2、几何纠正：主要解决数字化原图变形等原因引起的误差，并进行几何配准。主要应用：扫描地形图、遥感影像，进行图纸变形误差的纠正，建立实际地理坐标系。采用方法：（1）高次变换：（2）二次变换：（3）仿射变换：使用最多的一种几何纠正方式3、投影变换：主要解决地理坐标到平面坐标之间的转换问题。 当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将取自不同地图投影的数字化坐标数据转换为系统规定投影的坐标数据，称为地图投影变换。公式：X=f1(x,y),Y=f2(x,y)地图投影的转换方法(1)正解变换(2)反解变换(3)数值变换(4)数值解析变换 当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先通过数值变换求出原投影的公式时，可先通过数值变换求出原投影点的地理坐标，然后代入新投影公式中，求出新投影点的坐标。第二节 空间数据结构的转换矢量结构包含有拓扑信息，通常应用于空间关系的分析；栅格数据易于表示面状要素，主要应用于空间分析和图像处理。一、矢量向栅格的转换由于矢量数据的基本要素是点、线、面，因而只要实现点、线、面的转换，各种线划图形的变换问题基本上都可以得到解决。 1、点的转换 设矢量数据的一坐标点值为(x，y)，转成栅格数据其行列值为(i，j)。2、线的转换1）用点栅格化方法，实现直线的起点和终点坐标点栅格化 用以上点栅格计算公式分别求出矢量数据中直线端点a、b的栅格行列值(ia、ja)和(ib、jb)。2）求出直线段所对应的栅格单元的行列值范围 这里直线段ab所对应的栅格单元的行范围为(ia - ib)；列范围为( ja - jb)。 3）求直线经过的中间栅格数据所在行列值 由于栅格数据中线段由相邻的栅格单元组成，当已知线段对应的栅格单元行列值范围后，可利用连续的行(列)值，根据直线方程求线中间栅格的列（行）值。3、多边形数据的转换 又称为多边形填充，就是在矢量表示的多边形边界内部的所有栅格上赋予相应的多边形编号，从而形成栅格数据阵列。转换方法（1）内部点扩散法（2）复数积分算法（3）射线算法和扫描算法（4）边界代数算法二、栅格向矢量的转换1、点的矢量化对任意栅格点数据P，假设其坐标数据为(I，J)，按下图所示坐标，计算其中心点坐标，将其转换为矢量数据。2、线段的矢量化 线段栅格数据向矢量数据转换的实质是：将具有相同属性值的连续的单元格搜索出来，最后得到细化的一条线。 具体实施时可以先将具有一定粗细的栅格数据线进行细化，使其成为单像素的线段，然后进行矢量化。3、面的矢量化多边形栅格数据向矢量数据转换的实质是首先，将具有同一属性的单元归为一类；然后，再检测两类不同属性的边界作为多边形的边；最终，提取以栅格集合表示的区域边界和边界的拓扑关系。栅格格式向矢量格式转换一般步骤(1)多边形边界提取和细化 通过高通滤波将栅格图形二值化或以特殊值标识边界点； 进行细化，细化实质是消除线段横截面栅格数的不一致，将图像中的线条沿中心细化，使其具有一个像素宽度的线条。 说明：细化意味着要删除一部分栅格，但细化后要保持图像的连接性不变，要保留原图像的关键部分，如图的突出部分、线段的端点等。 细化处理是图像处理的一种重要处理方法，实现算法很多，主要有“剥皮法”和“骨架法”，为获得好的处理结果，算法的选择应视图像情况而定。(2)多边形边界跟踪 多边形边界跟踪的目的是，将细化处理后的栅格数据转换成矢量图形坐标系列。 对每个边界弧段由一个结点向另一个结点搜索，通常对每个已知边界点需除了进入方向的其他7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段。(3) 拓扑关系生成 拓扑关系生成需要找出用矢量表示的结点、线段，形成拓扑关系，并建立相应属性信息。(4)去除多余点及曲线光滑 由于上述过程是逐个栅格进行的，因此存在大量多余点需要除去，多余点去除根据直线方程求得，即找线段上连续的3个点，检查中间点是否在直线上或基本上(规定误差范围内)在直线上时，如上述条件成立则去除中间点。 同时，由于栅格精度所限，跟踪曲线可能不光滑，使曲线光滑。第三节 空间数据的压缩一、数据压缩的定义 所谓数据压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼近原数据集合，而又取得尽可能大的压缩比。二、数据压缩的目的 节省存贮空间、节省处理时间三、数据压缩途径压缩软件优点：原数据信息基本不丢失而且可以大大节省存贮空间，缺点：是压缩后的文件必须在解压缩后才能使用数据消冗处理优点：原数据信息不会丢失，得到的文件可以直接使用，缺点：是技术要求高，工作量大，对冗余度不大的数据集合效用小用数据子集代替数据全集优点：在规定的精度范围内,从原数据集合中抽取一个子集，缺点：以信息损失为代价，换取空间数据容量的缩小四、常见空间数据的压缩方法 1.曲线数据的压缩2.面域栅格数据的压缩 3.面域邻接线段的删除 五、不同数据结构的压缩1、矢量数据的压缩DouglasPeucker：也可称为迭代端点拟合算法，用于压缩线状数据 。垂距法：每次顺序取曲线上的三个点； 计算中间点与其它两点连线的垂线距离d，并与限差D比较。若dD，则中间点去掉；若dD，则中间点保留； 然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。光栏法基本思想是：定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。&几种方法的比较：道格拉斯普克法：压缩算法较好，但必须对整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大；光栏法：压缩算法也很好，而且可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；垂距法：算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点p去掉而失真。2、栅格数据的压缩影像数据压缩是因为像素之间存在着较强的相关性：从统计观点上看，用编码方法提取这种相关牲，实现影像数据的压缩。从信息论观点来看，影像压缩就是减少影像信息中无用的冗余信息。第四节 矢量数据的图形编辑在建立拓扑关系的过程中，一些在数字化输入过程中的错误需要被改正，否则建立的拓扑关系将不能正确反映地物之间的关系。 由于地图数字化，是一件耗时、繁杂的人力劳动，在数字化过程中错误几乎是不可避免的。造成数字化错误的具体原因包括：（1）遗漏某些实体；（2）某些实体重复录入。（3）定位不准确。一、自动捕捉法1、点的捕捉 设光标点为S(x,y)，某一点状要素的坐标为A(X，Y)，可设一捕捉半径D(通常为35个象素)。若S和A的距离d小于D则认为捕捉成功，即认为找到的点是A，否则失败，继续搜索其它点。2、线的捕捉 3、面的捕捉二、编辑操作1、结点的编辑2、图形编辑包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。如：1）删除一个顶点2）增加一个顶点3）移动一个顶点4）删除一段弧段3、数据检查与清理4、撤消与恢复编辑 Undo,Redo功能是必要的。但功能的实现是困难的。当撤消编辑，即恢复目标，要恢复目标的标识和坐标、拓扑关系。这一处理过程相当复杂. 因此，有些GIS不在图形编辑时实时建立和维护拓扑关系，如Arc/Info等，而在图形编辑之后，发Clean 或Build命令重新建立拓扑关系。这样，在每次进行任何一次编辑，都要重新Clean 或Build，对用户不便。5、图斑操作图斑合并：图斑分裂第五节 拓扑关系的建立一、点线拓扑关系的自动建立在图形采集和编辑中实时建立 二、多边形拓扑关系自动建立1、链的组织1）找出在链的中间相交的情况，自动切成新链；2）把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号。2、结点匹配1） 把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取多个端点的平均值。2）对结点顺序编号。 3、检查多边形是否闭合 通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行。 多边形不闭合的原因：1）由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端点未匹配；2）由于数字化误差较大，或数字化错误，这些可以通过图形编辑或重新确定匹配限差来确定。3）还可能这条链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑，这种情况下可以作一标记，使之不参加下一阶段拓扑建立多边形的工作。4、建立多边形 5、确定多边形的属性多边形以内点标识。内点与多边形匹配后,内点的属性常赋于多边形.第六节 图形拼接与裁剪一、图形的裁剪-开窗处理 1、方式：矩形窗和多边形窗。 正窗：提取窗口内的数据。 负窗：提取窗口外的数据子集。二、图幅接边（边界匹配）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。第七节 空间数据的插值一、空间数据内插概念 设已知一组空间数据，它们可以是离散点的形式，也可以是分区数据的形式，空间数据的内插就是从这些数据中找到一个函数关系式，使该关系最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据该函数关系式推求出区域范围内其他任意点或任意分区的值。二、主要技术整体拟合技术：拟合模型是由研究区域内所有采样点上的全部特征观测值建立的。通常采用的技术是整体趋势面拟合。这种内插技术一般用于模拟大范围内的变化，而不能提供内插区域的局部特性。 局部拟合技术：是仅仅用邻近的数据点来估计未知点的值，而不受局部范围外其它点的影响。三、内插方法分类内插:在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程；外推:在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程。第六章 空间数据库第一节 数据库系统概述一、基本概念：1、数据2、数据库3、数据库管理系统4、数据库系统二、数据管理发展数据处理的中心问题是数据管理。数据管理指的是对数据的分类、组织、编辑、储存、检索和维护。主要经历了如下三个阶段：人工管理阶段(50年代中期以前)文件系统阶段(50年代后期60年代中期数据库系统阶段(60年代后期开始)三、数据库系统为解决多用户、多应用共享数据的需求，使数据尽可能多的应用服务，就出现了数据库这样的数据管理系统。1、面向全组织的复杂数据结构数据结构化2、数据冗余度小，易扩充3、具有较高的数据和程序独立性4、统一的数据控制功能第二节 数据库系统结构一、数据视图： 数据库管理系统的一个主要作用就是隐藏关于数据存储和维护的某些细节，而为用户提供数据在不同层次上的抽象视图，即不同的使用者从不同的角度去观察数据库中的数据所得到的结果(数据库中的)数据抽象。1、物理层：最低层次的抽象，描述数据实际上是如何存储的。物理层详细描述复杂的低层数据结构，是开发DBMS的数据库供应商应该研究的事情。2、逻辑层：比物理层稍高层次的抽象，描述数据库中存储什么数据以及这些数据间存在什么关系。3、视图层：最高层次的抽象，但只描述整个数据库的某个部分。尽管在逻辑层使用了比较简单的结构，但由于数据库的规模巨大，所以仍存在一定程度的复杂性。二、数据库系统中模式的分级 为了提高数据的物理独立性和逻辑独立性，使用户看到的数据库，与数据库的物理方面，即实际存储的数据库区分开来，数据库系统的模式是分级的。CODASYL（Conference On Data System Language，美国数据系统语言协商会）提出模式、外模式、存储模式三级模式的概念。三级模式之间有两级映象。三、数据库的二级映像功能外模式/模式映象：定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改此映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为逻辑独立性。模式/内模式映象： 定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。四、数据库系统的体系结构：1、单用户数据库系统2、主从式结构的数据库系统3、分布式结构的数据库系统4、客户/服务器结构的数据库系统第三节 空间数据的管理地理信息系统与一般管理信息系统的比较：1.两者的区别： 硬件上 软件上 信息处理的内容和采用目的方面2.共同之处： 都以计算机为核心都具有数据量大和数据之间关系复杂的特点不断改进和完善。第四节 空间数据库的设计一、数据库中的数据组织方式数据库中的数据组织一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。1、数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。 2、记录：由若干相关联的数据项组成。 3、文件：文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。 4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部