地理信息系统.doc

第一章 概论地理信息系统（Geographic Information System）：是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，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。GIS的组成：GIS由系统硬件（主机、外部设备、网络设备）、系统软件（GIS专业软件、数据库软件、系统管理软件）、空间数据、应用人员和应用模型组成。GIS功能：（1）基本功能1、数据的采集与编辑；2、数据存储与管理；3、数据处理与变换；4、空间分析与统计（拓扑叠合、缓冲区建立、数字地形分析、空间集合分析）；5、产品制作和显示；6、二次开发和编程。（2）应用功能1、资源管理；2、区域规划；3、国土监测；4、辅助决策。GIS专业软件模块：1、数据的输入和编辑；2、空间数据的管理；3、数据处理和分析；4、数据输出；5、用户界面；6、系统二次开发能力。gis有以下子系统：数据输入子系统，数据存储和检索子系统，数据操作和分析子系统，报告子系统.地理信息系统的特点：第一， 具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；第二， 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，完成人类难以完成的任务；第三， 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。地理信息系统的特殊性：其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置（位置信息）以及与该位置有关的地物属性特征（非位置信息）成为信息检索的重要部分。地理信息科学（Geographic Information Science）: 地理信息科学是为了与数字地球时代相适应,而从20世纪90年代开始正在蓬勃兴起的地球科学的前沿领域。它是遥感、全球定位系统、地理信息系统、数字传输网络等一系列现代信息技术高度集成形成的以地理信息系统为核心的空间信息技术体系,与信息科学、地理科学交叉融合形成的科学系统,是地球信息科学的重要分支学科。Goodchild于1992年提出了地理信息科学概念。地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析的过程中所提出的一系列基本问题,如数据的获取与集成、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等。地理信息科学与地理信息系统的联系和区别：地理信息科学的提出,是地理信息系统技术及其应用发展到一个相当水平后的必然要求,它是在人们不再满足于仅仅利用计算机技术来对地理信息进行可视化表达及其空间查询、强调地理信息系统的空间分析和模拟能力时产生的。它在注重地理信息技术发展的同时,还注意到了与地理数据、地理信息有关的其它一些理论问题,如地理数据的不确性、地理信息的认识及社会对于地理信息技术运用实践的认可等。地理信息科学最大的挑战是找到建立有效模拟周围无穷尽的复杂世界的方法。为此我们必须首先证实空间数据(更确切地说是地理数据)是惟一的,而且它们的问题不能因此用一些更大的范围来归纳。还必须证实,存在许多对所有地理信息都具有普遍性的问题,至少有可能区分开哪些是和不是。例如,有关犯罪的统计地图(choropleth)的属性的准确性似乎为不具有普遍意义的地理信息属性知识,而只是在一定程度上对特定犯罪统计问题的认识。然而,对一任意定义的多边形地区的人口估计的准确性,则至少具有这方面的属性。据此不难发现,地理学综合研究也是地理信息科学的重要部分,反过来,地理信息科学的发展还有赖于地理学综合研究的推动。应该说,地理信息系统技术的出现解决了空间数据的管理,并带动了对地理现象的数值模拟技术的发展。地理信息科学的崛起标志着新的地理学综合的开始。从地理信息科学的角度,其发展的关键除了技术本身之外,就是空间数据的惟一性及彼此之间的关系。从地理学的角度,地理综合的关键是如何揭示地理信息的发生机理,从而寻找出空间信息的机理,以及在众多的空间数据中发现对地理系统起主导作用和有重要影响的空间原始信息,进而开展相应的空间分析和模拟。ComGIS（Components GIS）组件GIS：就是基于组件技术开发的GIS系统。组件GIS将GIS的各大功能分解为若干组件或控件，每个组件完成不同的功能，这些组件可以是来自不同的厂家和不同时期的产品，可以用任何语言开发，开发的环境也无特别的限制。各个组件之间可以根据应用要求，通过可视界面和使用方便的接口可靠而有效的组合在一起，形成最终的应用系统。WebGIS: WebGIS是利用网络技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术，由于HTTP协议采用基于客户机/服务器的请求/应答机制，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据，用户通过交互操作，就可以通过网络来寻找其所需的空间数据。WebGIS的应用层面：空间数据发布、空间查询检索、空间模型服务和Web资源的组织。WebGIS与GIS的不同：WebGIS必须是基于网络的客户机/服务器系统，而传统的GIS大多为独立的单机系统；WebGIS利用因特网来进行客户端和服务器之间的信息交换，信息的交换是全球性的；WebGIS是一个分布式系统，用户和服务器可以分布在不同地点和不同计算机平台上。OpenGIS: OpenGIS是指在计算机和通信环境下，根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统，在这个系统中，不同厂商的地理信息系统软件以及异构分布数据库能相互通过借口交换数据，并将他们结合在一个集成式的操作环境中。它具有以下特点： 1、互操作性 不同地理信息系统软件之间连接方便，信息交换没有障碍 2、可扩展性 硬件方面，可在不同软件不同档次的计算机上运行，起性能和硬件平台的性能成正比；软件方面，增加了新的地学空间数据和地学数据处理功能。 3、技术公开性 开放的思想主要是对用户公开，公开源代码及规范说明是重要的途径之一。4、可移植性 独立于软件、硬件及网络环境，因此它不需要修改便可在不同的计算机上运行。 5、兼容性 通过无逢集成技术保护用户在原有数据及软件上的投资，他将现有的信息技术和以有的地学处理软件熔为一炉；同时他对用户是透明的，应用程序稍加修改便能在不同的平台上运行。 6、可实现性 随着操作系统、通讯技术及面向对象方法技术在分布处理系统中的应用，开放式地理信息系统的开发将变的易于实现。 7、协同性 能够尽可能的兼容其他信息处理技术以及共享信息技术的标准。GIS发展历程：国际： GIS的发展经历了以下几个阶段：60年代的开拓期，注重于空间数据的地学处理，如美国人口调查局建立的DIME用于处理人口统计数据；70年代的巩固期，注重于空间地理信息的管理，充分利用了新的计算机技术，但数据分析能力仍然很弱，在地理信息技术方面未有新突破；80年代的技术大发展期，注重于空间决策支持分析，应用领域迅速扩大，商业化实用系统进入市场；90年代是地理信息系统的用户时代，以来微机的发展和数字化信息产品在全世界普及，GIS已经深入到各行各业，其应用领域从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，涉及到许多学科和领域。许多国家制定了本国的GIS发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构，如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室，美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心。现在，GIS已成为许多机构必备的工作系统。社会对GIS的认识也普遍提高，需求大幅度增加，从而导致GIS应用的扩大与深化。 国内： 我国GIS的发展虽然较晚，经历了四个阶段，即起步(1970-1980)、准备(1980-1985)、发展(1985-1995)、产业化(1996以后)阶段。我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划开始。地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。自90年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部实用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。总之，中国地理信息系统事业经过十年的发展，取得了重大的进展。地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。GIS的发展趋势概述：地理信息系统的发展趋势表现为GIS系统技术和应用两方面。（1）系统技术方面数据标准化使GIS市场从单纯的系统驱动转向数据驱动，意味着支持GIS工作的数据结构及数据交换格式的标准化，提供GIS工作基础数据接口的标准化。包括建立Open GIS的互操作标准，寻求驻网GIS数据和空间数据处理服务的标准方法等。 实现数据自动输入，包括对属性表格的扫描和识别，图形扫描和追踪，拓扑关系的自动生成，图例符号的自动标识等。 在空间数据结构与数据管理方面，将出现高效的栅格-矢量相互转换算法来支持栅格和矢量统一的系统，图形空间数据压缩技术将大大发展，面向对象的数据模型将可以实现对复杂的地理将可以直接操作，语言界面将更加实用，出现“真三维”、“时空四维”等数据结构。 系统集成化意味着GIS软件部件的对象化，使GIS软件具有不同功能、可实现互操作和自我管理的软件组件。使数据不仅能在应用系统内流动，还能在系统间流动。 平台网络化意味着GIS的工作平台将逐步从单机转入网络工作环境，实现在互连网上发布、浏览和下载，实现基于Web的GIS查询和分析。 另外还将出现数据商业化、系统专门化、微机化、智能化等新的趋势。 (2)系统应用方面GIS的应用将出现社会化、企业化、全球化和大众化等特征，GIS将进一步与RS和GPS结合，进入更多宏观和微观领域形成新的产业，专业人员分离，GIS教育将得到大力发展和普及以推广和发展GIS的应用，使GIS真正转化为生产力，更有效地推动经济发展的社会进步。 GIS的前沿问题包括：(1)、系统技术方面：数据结构的标准化、数据采集自动化、空间数据和属性数据组织的一体化以及空间分析功能的多样化；(2)应用方面：各种专业应用模型的开发，3S的高度结合和集成化等。GIS与其它学科的关系：地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而诞生的边缘学科，因此它明显体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成GIS的基础理论体系。这些学科包括地理学、地图学、测绘学、数学、统计学、计算机科学以及一切与获取、处理和分析空间数据有关的学科和技术。地理学是以地域为单元研究人类环境的结构、功能、演化以及人地关系的学科，它的空间分析历史悠久，而空间分析正是GIS的核心，地理学作为GIS的理论依托，为GIS提供引导空间分析的方法和观点，为GIS之父。测绘学及其分支学科，如大地测量学、摄影测量学、地图学等，不但为GIS提供高精度的空间数据，而且它们中的误差理论、地图投影理论、图形学理论、许多相关的算法等，可直接用于GIS空间数据的处理，保证空间数据的精度和质量，以及GIS产品的开发和输出等。GIS是地理空间数据和计算机技术相结合的产物，例如计算机科学信息论，为GIS数据的组织、编目、定位、存储、检索和维护等，提供了信息模型、信息结构和数据管理中的方法论依据，以及使得各种形式的空间数据能够在计算机中表示。DBMS提供了各种用户共享而具有最小冗余度和较高的数据与应用程序的独立性、安全性和完整性的机制保证。数学的各种分支学科，已经广泛的应用与GIS空间数据分析，例如路径和网络分析、数字地形模型分析和许多模型的构建等。第二章 空间数据处理与空间数据库空间数据（Spatial Data）的定义及其特征: 空间数据(Spatial Data)是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面 信息的数据。它可以用来描述来自现实世界的目标，它具有定位、定性、时间和空间关系等特性。定位是指在一个已知的坐标系里空间目标都具有唯一的空间位置；定性是指有关空间 目标的自然属性，它伴随着目标的地理位置；时间是指空间目标是随时间的变化而变化。 元数据:元数据是关于数据的描述性数据信息，说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。其目的是促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程服务。元数据的内容：对数据集的描述，对数据质量的描述，对数据处理信息的说明，对数据转换方法的描述，对数据库的更新、集成等的说明。元数据的作用和意义：帮助数据生产单位有效的维护和管理数据；提供有关数据生产单位的各种有关信息供用户查询；帮助用户了解数据；提供有关信息，以便用户处理和转换有用数据。采用元数据可以便于数据共享。数据质量概念：准确性，即一个记录值与它的真实值之间的接近程度；精度，即对现象描述的详细程度；空间分辨率，即两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；比例尺，即地图上一个记录的距离和它所表现的真实距离之间的一个比例；误差，即一个所记录的测量和它的事实之间的差异；不确定性，包括空间位置的不确定性、属性不确定性和数据不完整性等。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。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。空间数据标准要素及内容如下：(1)数据情况的说明：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)位置或定位精度：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（指同类图形不同图幅的接边）、形状再现精度、像元定位精度（图象分辨率）等。平面精度和高程精度又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。这又主要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：通过数据更新的时间和频度来表现；一般情况下，与交通管理、工业生产（只要指控制）有关的GIS系统的精度要求高，而与矿产资源探查、社会调查有关的GIS系统的精度要求低。(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：只要指数据抽象、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的合理性等。GIS的误差来源：数据采集（实地测量误差、航测遥感数据分析误差、地图的误差）、数据输入（数字化过程中操作员和设备造成的误差 、地理属性没有明显边界引起的误差）、数据存储（数据存储有效位不能满足、空间精度不能满足）、数据操作（类别间的不明确、边界误差、多层数据叠加误差、多边形叠加产生的裂缝）、数据输出（比例尺误差、输出设备误差、介质的变形误差）、成果使用（用户错误理解信息造成的误差、不正确使用信息造成的误差）。拓扑关系：拓扑关系是指地理空间实体间的一种关系，这种关系不会因为地理空间实体的地理空间变换而改变，例如点在面内，经典的举例就是橡皮擦模型。在地理信息系统中，为了真实地描述空间实体，不仅需要反映实体的大小、形状及属性，而且还要反映出实体之间的相互关系。一般说来，通过结点、弧段、多边形就可以表达任意复杂程度的地理空间实体。所以，结点、弧段、多边形之间的拓扑关系就显得十分重要。归纳起来，结点、弧段、多边形间的拓扑关系主要有如下三种：(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。(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。(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。拓扑关系与空间分析：空间数据的拓扑关系，在地理信息系统的数据处理和空间分析中具有十分重要的作用。1、根据拓扑关系，不需要利用坐标和距离就可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的空间位置关系。因为拓扑数据已经清楚地反映出空间实体间的逻辑结构关系，而且这种关系较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。2、利用拓扑数据有利于空间数据的查询。例如判别某区域与那些区域邻接；某条河流能为那些居民区提供水源，某行政区域包括那些土地利用类型等等。3、利用拓扑数据进行道路的选取，进行最佳路径的计算等。空间数据的主要数据源：根据数据的类型，GIS使用的数据主要有6种来源：(1)基础制图数据：包括地形、地层数据和人文景观数据。地形、地层数据指等高线、等厚线和离散点高程、厚度等数据；而人文景观数据主要指道路、河流、行政境界、城市、村镇的分布以及人文方面的管理等。通常，这些不同类型的信息是从已有的地图系列按不同的要求数字化而成的；(2)自然资源数据：各种矿产资源的空间分布、储量、品位；城市用地、农业用地、山地、林地、湿地、贫瘠地、冻土地、公园、旅游地、海洋等的分布范围、类型和性质；(3)调查统计数据：主要包括人口统计调查等数据。具体指省、市、县、区、街道、地址、邮政编码、收入、职业、年龄、文化水平、住房特征（如类型、使用期、年代、面积、设备和装修等）；(4)数字高程数据：这里主要指DEM提供的数据。数字高程数据可以从已有的等高线图上获取，也可以利用摄影测量方法得到。第一个被广泛使用的DEM数据是美国国防制图局开发的美国北美地区的DEM,该DEM的数据是用扫描1：25万比例尺的地形图等高线获取的。我国国家基础地理信息中心也有类似的DEM数据。(5)法律文档数据：GIS系统的建立和运行是建立在完善的法律保障基础上的。因此，法律文档自身也作为信息系统数据的一部分进行存储。这些法律文档将在系统数据的采集许可、数据的有效性以及数据的合法性等诸多方面起保护和监督的作用。除法律条文外，技术部门颁布的行业规范，技术要求也可以纳入法律文档数据中。(6)已有系统的数据：为降低数据成本，系统还可以从已建成的其它有效系统中获取相应的数据。由于目前国际化、规范化标准的流行和推广，系统间数据可交换性越来越强。这从一方面拓宽了数据的可使用性，增加了数据的潜在价值，另一方面则使得数据的流通性、共享性大大增强。随着WebGIS技术，GIS的数据集成技术，特别是数字地球技术的发展，GIS系统间的数据共享将更加广泛。例如，每一城市可以建立一个基础的GIS数据库，如地形图库，与城市规划、交通运输、环境保护、管网工程有关的GIS系统就可以利用这些图库，而不必分别数字化相关图形。栅格数据结构: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。栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。栅格数据的编码方法：直接栅格编码，就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码；压缩编码，包括：链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据；游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现；块码是有成长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域为记录单元；四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率。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精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。矢量结构的显著特点：定位明显，属性隐含。对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息；对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法。坐标序列法是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息；树状索引编码法是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐标对，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，消除了相邻多边形边界数据冗余问题；拓扑结构编码法是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。矢量栅格数据的比较：矢量数据的优缺点：优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高；缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。栅格数据的优缺点：优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强；缺点为数据量大，投影转换比较复杂。两者比较：栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂；栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。对于地理信息系统软件来说，两者共存，各自发挥优势是十分有效的。矢量栅格相互转换算法：矢量转栅格：内部点扩散法，即由多边形内部种子点向周围邻点扩散，直至到达各边界为止；复数积分算法，即由待判别点对多边形的封闭边界计算复数积分，来判断两者关系；射线算法和扫描算法，即由图外某点向待判点引射线，通过射线与多边形边界交点数来判断内外关系；边界代数算法，是一种基于积分思想的矢量转栅格算法，适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换，方法是由多边形边界上某点开始，顺时针搜索边界线，上行时边界左侧具有相同行坐标的栅格减去某值，下行时边界左侧所有栅格点加上该值，边界搜索完毕之后即完成多边形的转换。栅格转矢量：即是提取具有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，并表示成矢量格式边界线的过程。步骤包括：多边形边界提取，即使用高通滤波将栅格图像二值化；边界线追踪，即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索；拓扑关系生成和去处多余点及曲线圆滑。游程编码：按行扫描，将相邻等值的像元合并，并记录代码的重复个数。四叉树编码：将2* 2*像元组成的图象所构成的二维平面，按四个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止，最后得到一个四分叉的倒向树，该树最高为N级。数据内插：通过已知点或分区数据，推求任意点或分区数据的方法。数据的互操作：数据互操作就是指异构数据源之间的转换。数据库互操作技术就是解决异构数据源之间相互转换的技术。该技术可以提高数据库管理系统的适应性，是数据库管理系统的一个核心技术和组件。空间数据挖掘：数据挖掘是从大量的数据中，抽取出潜在的、有价值的知识（模型或规则）的过程。面向对象的表达方法：实际上，矢量表达方法中的点、线、面也是对象（Object），但它们是简单对象。面向对象（Object-Oriented，简称00）的表达方法是近年来发展起来的一种新的程序设计方法。00方法的基本含义就是无论多么复杂的空间实体，都可以用一个对象来准确表示，而无需把复杂对象分解为单一的对象实体（如点、线、面、体），然后利用矢量表达方法加以表示。结合程序设计方法，通过分类、概括、联合、聚集四种数据处理技术就可以实现OO的各种表达方法。空间索引：空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。 关系数据库模型：把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表格，每个二维表格称为一个关系。关系表由许多同类的实体组成，每个实体对应表中的一行，表中的列表示同一种属性。第三章 空间分析与应用模型（略）第四章 地理信息系统设计GIS标准化的意义和内容：意义：（1）可移植性（portability）：为了获得在硬件、软件和系统上的综合投资 效益，系统必须是可移植的，使所开发的应用模块和数据库能够在各种计算机平台 上移植；（2）互操作性（interoperability）：一个大型信息系统，往往是一个由多 种计算机平台组成的复杂网络系统，有了标准，可以促进用户从网络的不同节点上 获取数据。即从不同硬件环境中获取数据和实现各种应用。（3）可伸缩性（scalability）：为了适应不同的项目和应用阶段，一种优秀 的软件必须以相同的用户界面在不同大小级别的计算机上运行。（4）通用环境（common applications environment）：标准提供了一个通用 的系统应用环境，如提供通用的用户界面和查询方法等。利用这个通用环境，用户 可以减少在学习上的弯路和提高生产效率。另一方面，一个GIS标准的制定实际上是一项重大的技术进步。它为建立各种 系统软件和硬件组成提供了标准界面，也为检测各部分功能的正确性提供了机会。 所以标准被认为是系统开发和集成的一个最好的指南。极大地增强了数据的应用、 信息共享和数据产生的能力，提高了系统的经济效益。内容GIS标准化是一个综合而复杂的概念，它的内容非常广泛，涉及到几乎所有与 GIS有关的领域。对GIS标准化的内容，可以从分两个层次去理解。一是狭义的标准化,其内容包括数据、数据交换、数据库转换、图形、软件、硬件等方面的标准。即主要包括空间数据标准和信息技术标准两个方面。二是广义的标准化，其内容则更为广泛，除以上两个方面外，还包括地理、算法、解译和行业标准等方面的内容。现将标准分为四类作简单介绍。、应用标准可以说，GIS的应用是无限的，所以影响GIS的标准也是多种多样的。GIS的一 些主要应用领域，如土地管理、资源管理和城市规划等，都各自有其标准和规范，数不胜数，这些标准对GIS均有影响，但是最重要的是来自对应用领域有深刻影响的各种专业组织和机构，具体的讲主要来自测绘部门，即与地图相关，如空间要素的表达、地图规范和算法要求等，这些是进行空间要素处理的基础，所以又可以说 是一种基础性标准。 （1）地理标准： 主要指地图和空间数据表达方面的标准，它们主要涉及地图 要素的位置和位置精度等，如地图比例尺和投影均属地理标准的范畴。实际上，这 类标准已有数百年的发展历史，十分完善，许多国家都建立了自己的标准。另一个 重要方面是空间信息的分类编码，这一工作在近二十年里逐渐得到发展和完善。如 美国在六十年代初就开始制定了区位编码系统，我国也制定了多种用途的区位编码 系统。这类标准的绝大部分可以根据具体需要直接应用于GIS的数字地图之中。但 是，现在仍然存在许多问题，有待进一步发展和完善。例如，在各种专题地图要素 的一致性问题上，仍没有完整的标准，每建立一个系统都需要对地图要素的符号、 颜色等重新设计，以满足应用的要求。（2）算法标准：在进行空间分析和数据处理中，为实现某类目的，往往有多 种算法，如空间插值和视景分析，就有多种算法。为了在应用上提高精度和进行数 据转换，各种算法需要达到一定的基准，同时给用户提供指南。在更深一个层次上，GIS的处理结构也应标准化。如早期的数据库管理，各种 产品联系很少，SQL语言出现后，极大地增加了系统的联系和提高了效率。所以有 人提出制定一种“GIS标准语言”（GSL），用以促进应用模型的发展和模型的相互 转换。至今，在算法标准上还没有大的突破，许多思想仍停留在概念上。但在学术界， 通用的、综合的处理机制已引起越来越多人的兴趣。（3）解译标准：目前解译标准仍很少引起人们的注意。对地理现象和实体的 表达，地图是一种行之有效的手段，然而，地图表达地理空间现象通常是通过某种 “模型”来实现的。至今，人们所强调的往往是地图的产品（结果），而没有检验 最终产品结果的标准，缺乏对隐含其后逻辑的探讨，即缺少建立各种地理模型的标 准。然而，要实现对空间要素的认识、解译和表达的标准化是非常困难的，即无法 找到一种统一的模型。现在离解译标准相距遥远，但将是GIS标准化的一个重要方 向。、数据标准因为数据是GIS的基础，所以关于数据方面的标准是非常重要的，它们主要包 括数据交换、数据质量和数据说明文件等三方面的内容。（1）数据交换： 数据交换是将一种数据格式转换成为另外某种数据格式的技 术。简单地说，它是一种专门的中间媒介转换系统。这类标准往往涉及环境要素的描述、分类、编码等方面的内容，美国的空间数 据转换规范（SDTS）和欧洲的地理数据文件（GDF）均属这类标准。但是在具体的 应用和实施过程中，由于空间数据的格式、结构、应用和软硬件的复杂多样性，制 定这类标准的难度非常之大。在目前的实际应用中，仍是以采取系统两两相互转换 的方法为多。这种方法的弊端在于容易丢失信息和损失数据精度，无法转换元数据 文件。（2）数据精度： 在应用过程中，每个用户都希望获得现时的、完整而准确的 数据。每个部门对数据的精度、流通性、完整性以及其它方面的要求是不同的，即 便在同一个单位，不同的应用项目对数据的精度要求也不相同。所以很难以某种数 据阀值来确定统一的精度标准，现在的做法是采用“数据质量报告”的概念来描述 所了解的数据精度。如SDTS就采用数据质量报告对数字空间数据的一些要素进行描 述，包括空间数据精度、属性数据精度、逻辑一致性、数据完整性和层次关系等内 容。（3）数据文件： 数据文件通常称为元文件（metadata），它是关于数据的数 据，用以描述数据集或数据库的内容，数据的组织形式，数据存取方式等。元数据 还包括了数据质量和转换的相关信息。元数据有三种用途，一是作为数据的目录，提供数据集内容的摘要，类似于图书 馆中的图书卡片。二是有助于数据共享，提供数据集或数据库转换和使用所需要的 数据内容、形式、质量方面的信息。三是内部文件记录，用以记录数据集或数据库 的内容、组织形式、维护和更新等情况。目前还没有元数据的标准，在美国，不少数据提供部门都?手制定自己的元数 据文件，联邦地理数据委员会（FGDC）和国家标准与技术研究所（NIST）正?手于元数据标准，以作为SDTS的补充。加拿大遥感中心（CCRS）也在?手于这方面的工作。、信息技术标准信息技术（IT）标准主要来自计算机界，计算机的硬件与软件生产者早已采用了多种标准，用于通信、用户界面、图形、操作系统、数据库查询等许多方面。这类标准具有比较广泛的适用性，与GIS相关的信息标准较多，在下节中将作详细的讨论。、行业标准主要指从事这一技术的专业人员的标准与规范。随?技术的成熟和推广应用， 越来越多人员从事GIS或相关业务，所以有必要制定统一的标准和规范，以确定GIS 的人员资格，保证人员的技术水平。目前仍没有这类标准，参照其它学科的做法， 如我国的软件水平升级考试等，可以制定某种规定或标准，通常可以基于专业学历 和技术培训，发放技术水平确认证和从业许可证等。当然在实施过程中，是非常复 杂的，很难进行标准化和规范化。在美国，一些机构正在进行这方面的探索，如对 GIS技术和知识的要求等，作一定的规定，虽然这离行业标准差距甚远，但至少可 以为GIS培训和学校制定课程和学生选择课程提供一个有益的参考。三、GIS标准与信息技术标准的发展在GIS标准的各项内容中，空间数据和信息技术标准是两个最为核心的内容。 空间数据标准与数据的定义、数据的描述和数据的处理相关；而信息技术标准则为 普通的计算机技术标准。把特定的计算机标准应用于GIS，便产生了GIS的标准。信 息技术标准为GIS提供了一套现存的计算机标准。这些标准也促进了GIS之间或GIS 与总的计算机环境之间的相互操作。GIS是一种特殊信息技术，信息技术和GIS之间是一种相互受益的协同关系。信 息技术为GIS的综合提供了通用模式，而GIS则代表了执行这些标准的具体系列。本 节主要介绍最有代表意义的美国空间数据标准和信息技术标准的发展，进而讨论GIS 标准化发展趋势。、空间数据标准为了满足管理和决策上的需要，几乎每个行业或机构都以某种形式采集、处理 和传播空间信息。在这种情况下，尤其是多种计算机应用环境下，对空间数据的综 合利用和共享就产生了障碍，自然也不利于GIS的推广，所以许多用户已意识到， 制定权威的信息标准是非常必要的。在美国，基础空间数据标准研究与类型很多， 而其核心在于联邦政府，即所谓的“联邦信息处理标准”（FIPS）。在空间数据处理方面，FIPS的两个发展对GIS影响最大，一是地理编码系统； 二是空间数据转换标准的制定。对属性数据和地理实体进行位置确定和空间检索的FIPS地理编码早在六十年代 后期在联邦制定的第一个计算机标准中就已经有了。各国、各州、县、地点、城区 和水文单元的FIPS字母和数字编码，在联邦政府和公众中广为使用。代表各地点的 位置和州议员选区的格式也早已存在。它是美国空间数据标准的一个重要基础。于1980年发起了制定空间数据转换标准（SDTS），经过十多年的努力，已在1991年4月完成，并宣布为期90天的审查期。去年已通过，并作为正式的FIPS标准。SDTS是一个转换复杂地图文件和相关空间数据的综合性标准。其目的是要确保在交换过程中无数据的损失，数据的逼真度和它们的关系都可以保存下来，而且转换后 的文件能够完全理解。GIS的发展和成功应用在很大程度上依赖于SDTS所提供的数 据转换功能。虽然SDTS不可能解决所有GIS的数据问题，但它为GIS界提供了一个所 需要的数据交换机制。、信息技术标准信息技术标准对现有计算机技术是一个大的促进，并为今后的发展提供了一个 基本框架。过去的标准是一种“反映”式标准，往往当最终标准制定完成时，它就 过时了。今天，标准的制定者们已经清楚地认识到标准发展和审查在时间上的滞后 性。所以必须了解什么时候、什么地方需要标准，这是制定标准的一个重要前提。信息技术标准可以分为基础标准和功能标准两类。基础标准（base standards） 的范围和内容非常广泛，它们满足最基本和通用的需要。功能标准（functional standards）是基于执行的。它能够在基础标准的限制下，确定功能子集的轮廓。信 息技术标准的发展也导致了信息技术参考模型的产生，这些模型为协调基础标准以 达到更高水平和更加广泛的实用性这一目标提供了一个概念性基础。对维持所有相 关的基础标准的一致性，具有参考性。由这类参考模型提供的基础结构具有更大灵 活性和广泛的应用性。信息技术标准很多，而对于GIS最为适应和最有用的是计算机图形元文件（CGMComputer Graphic Metafile）、结构化询问语言（SQL）和信息资源字典系统（IRDS）。美国政府每年要花费数十亿美元来获取、维护和实施信息技术，巨大的投资主 要用于保护其数据和应用。美国国家标准和技术研究所的GIS标准实验室建立的最 根本目标是为空间数据和信息技术集成制定标准。、GIS标准化发展趋势随着GIS的成熟和应用，GIS的现有标准日臻完善，新的标准不断涌现。GIS标准主要涉及空间数据标准和信息技术标准。空间数据标准与空间数据的 定义、描述和处理有关；信息技术（IT）标准实际上是普通的计算机标准。采用IT 标准，为GIS提供了一组现存的通用计算机标准，它可使在一个GIS内部能够进行综 合。这些标准也促进了不同GIS之间的兼容能力和GIS与其硬件环境的结合。地理标准和数据标准是GIS标准化的基础，尽管这一基础有许多成熟的编码系 统和方案，有的已进入应用阶段，但许多方面仍待进一步发展，如面向目标GIS的 出现，对空间数据的地理编码提出了新的要求，空间数据的标准化需要进一步完善。 第二阶段是数据转换标准，现在国际GIS界在这方面作了大量的研究，制定了多种 标准，可以说数据转换标准是目前GIS标准化最为活跃的方面。第三阶段是算法标 准、解译标准和行业标准等，现在距离这些标准仍有一段相当长的过程。所以目前 国际GIS标准化基本处于第一、第二阶段之中，即地理标准和数据转换标准的制定 和研究阶段，特别是数据转换方面，以引起了最为广泛的关注。本章所讨论的GIS 标准化也是以地理标准和数据转换为主要内容。 大量的信息反映, GIS标准化的发展方向是多方面的，空间数据标准与信息技 术的结合和数据转换标准向信息管理标准是GIS标准化的两个重要内容。（1）空间数据标准与信息技术标准结合空间数据标准与信息技术标准的结合是GIS标准化发展的必然趋势，其结合的 程度是GIS成功的重要标志之一。信息技术标准和空间数据标准的结合成为GIS的应 用从地学扩展到社会管理、消费服务等领域的一个重要环节。另外，也可以提高其应用的灵活动性。同时让GIS与本身所依赖的计算机环境紧密结合，在某种程度上可以为更多的计算机用户提供GIS功能。空间数据标准和信息技术标准的结合刚刚开始。信息技术标准不断涌现和不断 发展，许多新技术的出现和标准的制定，如CD-ROM、全球定位系统、图形用户接口 和面向目标技术方面的标准的出现，将对GIS的应用产生冲击。（2）数据管理GIS标准化将由现在的数据转换标准向数据管理标准发展。一旦SDTS这类转换 标准被GIS界广泛接受，大量数据的可达性将成为另一个重要问题。使用计算机技 术对数据进行采集是传统数据管理方法远远不能胜任的。各种组织正努力使用计算 机技术来管理它们自己的数据。同时，若要利用政府部门大量的数据，没有协调和 数据管理标准是无法成功的。所以标准化的重点很快又会从空间数据标准转移到计 算机信息标准和数据管理上来。在GIS标准化方面，也许会有更多的基础信息技术标准出现。用户通过标准化活动和专业组织也将为确定这些特征作出贡献。GIS专业组织在促进和发展这种努力起重要用。2DGIS和3DGIS区别：本质区别在于数据分布的范围，2D-GIS可以用一个表达式v=f(x,y)来表示，(x,y)是二维平面的坐标，DTM本质上讲是二维的，只能获取地表的信息，而对地表内部任意一点不能有效地表示。真正的三维数据模型和相关软件却能够处理这些问题。3D-GISv=f(x,y,z)其中(x,y,z)在三维空间连续自由变化的，z是一个自变量，不受(x,y)变化的影响。3S集成:RS与GIS集成：遥感数据是GIS的重要信息来源，GIS则可作为遥感图像解译的强有力的辅助工具。GIS作为图像处理工具，可以进行几何纠正和辐射纠正，图像分类和感兴趣区域的选取；遥感数据作为GIS的重要信息来源，可以进行线和其他地物要素的提取，DEM数据的生成，以及土地利用变化和地图更新。GIS与GPS集成：定位（旅游、探险）、测量（土地管理、城市规划）、监控导航（车辆船只的动态监控）。GPS+RS：几何校正、训练区选择以及分类验证，提供定位遥感信息查询；GPS+GIS：定点查询专题信息，提供或更新空间点位；GIS+RS：几何配准、辅助分类等，提供和更新区域信息。3S集成的意义：3S结合应用，取长补短是自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了一个大脑，两只眼睛的框架，即和向提供或更新区域信息以及空间定位，进行空间分析，以从提供的大量数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为科学决策的依据。实际应用中，较为多见的是两两之间的结合。一、名词解释1. 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。2. 空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。3. DTM为数字地形模型（Digital Terrain Model），是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM。4. GIS互操作是指不同的GIS间与平台无关的透明数据访问、共享空间数据库和其它服务。是当代GIS技术发展的重要方向。5. 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。6.TIN即不规则三角网（Triangulated Irregular Network），是一种表示数字高程模型的方法。TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到。7.元数据是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用。元数据的内容包括对数据集的描述、）对数据质量的描述、对数据处理信息的说明、对数据转换方法的描述、对数据库的更新、集成等的说明。8.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，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。二、简答题1. 矢量数据结构与栅格数据结构的转换算法。 对于点状实体，每个实体仅由一个坐标对表示，其矢量结构和栅格结构的相互转换基本上只是坐标精度变换问题。线实体的矢量结构由一系列坐标对表示，在变为栅格结构时，除把序列中坐标对变为栅格行列坐标外，还需根据栅格精度要求，在坐标点之间插满一系列栅格点，这可以由两点式直线方程得到。线实体由栅格结构变为矢量