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地理信息系统课程教案自然地理教研室课程名称地理信息系统（黄杏元主编）课 题第一章 绪 论授课时数4教学方法课堂讲授教学目的1.掌握GIS的定义，能分析其与其他系统的不同。2.掌握GIS的基本构成是系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员、应用模型。3.了解功能及发展趋势。教学过程第一节 地理信息系统的基本概念一、信息与数据的概念 1.信息（Information）及数据（Data）信息是用数字、文字、符号、语言、图形、影像、声音等来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征.两者在词义上的差别：数据是信息的表达，信息则是数据的内容；数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；信息是当代社会发展的一项重要任务。2.信息系统（Information System）二 、地理信息及其特征地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。三、地理信息系统地理信息系统：地理信息系统是以地理空间数据为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、模拟、分析和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。第二节 地理信息系统的组成一个典型的地理信息系统应包括三个基本部分：计算机系统：硬件软件地理数据库系统：属性数据库、图形数据库用户：系统的使用管理和维护人员一、 系统硬件 ：（1）GIS主机；（2）GIS外部设备；（3）GIS网络设备二、 系统软件：(1)GIS专业软件；(2)数据库软件；(3)系统管理软件三、 空间数据：(1)混合式；2)扩展式；(3)开放式四、应用模型五、应用人员第三节 GIS的功能简介一、基本功能（1）数据采集与编辑（2）数据存储与管理（3）数据处理和变换（4）空间统计与分析（5）产品制作和显示（6）二次开发和编程二、应用功能（1）、资源管理（2）、区域规划（3）、国土监测（4）、辅助决策第四节 GIS的发展透视一、国际发展状况20世纪60年代为GIS思想和技术方法的探索时期。70年代是GIS的发展时期。80年代是GIS在理论、方法和技术上取得突破与趋向成熟的阶段。90年代以来，随着地理信息产业的建立和地球数字化产品的普及应用，GIS的发展进入用户时代。二、国内发展状况准备阶段、域的应用、试验阶段。三、当代GIS发展动态（1）、面向对象技术与GIS的结合（2）、真三维GIS和时空GIS（3）、GIS应用模型的发展第四节 GIS与相关学科的关系一、地理信息系统与地理学的关系二、地理信息系统与遥感的关系三、地理信息系统与地图学的关系四、地理信息系统与计算机科学的关系重点难点思考题教学难点、重点：1.GIS本质概念和特征。2.空间数据和GIS应用模型。思考题： 1.什么是地理信息系统?与地图数据库有什么异同?与地理信息的关系是什么?2.地理信息系统由哪些部分组成?与其他信息系统的主要区别有哪些?3.论述地理信息系统与相关学科的关系参考文献1 陈述彭等编：地理信息系统导论科学出版社，1999年2 陈述彭等编：地理信息系统导论，科学出版社，1999年3 陆守一等编：地理信息系统实用教程，中国林业出版社，1998年4马智民等编：应用地理信息系统设计与实现，西安地图出版社，1996年课程名称地理信息系统（黄杏元主编）课 题第二章 地理信息系统的数据结构授课时数8教学方法课堂讲授教学目的1.熟练掌握地理空间概念及其表达2.准确理解空间数据的基本特征3.了解GIS中的数据类型，掌握空间数据的基本特征4.掌握矢量数据与栅格数据的类型、特点5.掌握栅格数据的编码方法6.掌握拓扑数据结构的特点7.掌握空间数据的输入方法教学过程第一节 地理空间及其表达一、地理空间的概念地理空间（geo-spatial）一般包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。二、空间实体的表达1.空间实体指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体，包括点、线、面、体。2.空间实体描述对空间实体的描述有5种内容：识别码：位置: 可用坐标描述也可用其它形式实体特征: 也是位置信息的一种，如维数、类型及实体的组合等行为或功能: 是指在数据采集过程中不仅要重视实体的静态描述，还要收集那些动态的变化，如岛屿的侵蚀、水体污染的扩散、建筑的变形等实体的衍生信息: 如一个实体有许多个名称第二节 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据空间数据是GIS的核心，GIS中的数据来源和数据类型繁多，主要有以下几种类型：地图数据；影像数据；地形数据；属性数据； 元数据二、空间数据的基本特征一般一幅地理信息系统中的交通图主要会传达以下几种基本信息：定位信息、属性信息、拓扑信息。（1）拓扑邻接。指存在于空间图形的同类元素之间的关系。如结点邻接关系V5/V6；多边形邻接关系P2/P3等。（2）拓扑关联。指存在与空间图形的不同元素之间的拓扑关系，如L3/V4等（3）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。三、空间数据的计算机表示第三节 空间数据结构的类型一、矢量数据结构基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。矢量数据结构是利用殴几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。1.简单数据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）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条结构。特点：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；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；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；岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。2.拓扑数据结构拓扑关系 空间实体不仅具有空间位置、形状、大小等空间特征，而且不同实体间还存在邻接、关联和包含等空间相互关系特征，由于描述空间实体的这种关系不需要考虑空间坐标和距离因素，所以，这种点、线、面之间的空间关系又称为拓扑关系。拓扑关系包含： 指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。拓扑数据结构类型：拓扑关联、拓扑包含拓扑数据结构类型特点：点是相互独立的，点连成，线构成面；每条线始于起始结点（FN），止于终止结点（TN），并与左右多边形（LP和RP）相邻接；构成多边形的线又称弧段或链段，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，多边形图中，不含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域，含岛的多边形称为复合多边形，表示复连通区域 ；在复连通区域 中，包含有外边界和内边界，岛区多边形看作是复连通区域 的内边界。3.曲面数据结构类型二、栅格数据结构基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。1.栅格数据的组织方法栅格矩阵结构（直接栅格编码）在计算机中，直接栅格编码文件是以行为记录单位，按行存储地理数据的。栅格数据结构的组织方法有：面积占优法、中心点法、长度占有法、重要性法。2.变长编码3.游程编码是将原始栅格阵列中属性值相同的连续若干个栅格单元映射为一个游程，每个游程的数据结构为（A，P）整数对。其中，A代表属性值，P代表该游程最右端栅格的列号。4.四叉树编码基本原理：将空间区域以2k2k（k1）的像元阵列按照四个象限进行逐步分割（四分割过程，其中k为分辨率），直到子象限的属性值单调为止。四叉树编码法有许多有趣的优点：1）容易而有效地计算多边形的数量特征；2）阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；3）栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容易； 4）多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。三、矢量与栅格一体化数据结构1.矢量与栅格一体化的基本概念1.矢量与栅格一体化数据结构的设计四、矢量与栅格数据结构的比较第四节 空间数据结构的建立一、 系统功能与数据间的关系二、 空间数据的分类和编码1. 空间数据的分类2. 空间数据的编码三、 矢量数据的输入与编辑四、 栅格数据的输入与编辑重点难点思考题教学难点、重点：1.栅格数据和矢量数据的区分2.栅格数据编码3.空间数据的基本特征思考题： 1.通过实例说明GIS空间数据的基本特征及在计算机中的表示方法。2.简述空间数据的拓扑关系及其对GIS数据处理和空间分析有何重要意义？3.矢量数据与栅格数据的区别是什么？它们有什么共同点？4.与其它信息系统相比，GIS有哪些功能是比较独特的？5.地理信息系统中的数据都包含哪些？参考文献1 陈述彭等编：地理信息系统导论科学出版社，1999年2 陈述彭等编：地理信息系统导论，科学出版社，1999年3 陆守一等编：地理信息系统实用教程，中国林业出版社，1998年4马智民等编：应用地理信息系统设计与实现，西安地图出版社，1996年课程名称地理信息系统（黄杏元主编）课 题第三章 空间数据的处理授课时数6教学方法课堂讲授教学目的1.掌握空间数据的处理方法。2.了解空间数据的输入与编辑方法。3.了解空间数据几何纠正的方法。4.了解空间数据融合的方法。5.了解空间数据压缩与内插的方法教学过程第一节 空间数据的坐标变换一、几何纠正 二 、投影变换1.正解变换2.反解变换3.数值变换第二节 空间数据结构的转换一、 矢量数据向栅格数据转换1. 点的转换2. 线的转换3. 面的转换二、 栅格数据向矢量数据的转换1. 二值化2. 细化3. 跟踪第三节 多源空间数据融合一、 遥感与GIS数据融合1.遥感图像与图形的融合2.遥感数据与DEM的融合3.遥感图像与地图扫描图像的融合二、不同格式数据的融合1.基于转换器的数据融合2.基于数据标准的数据融合3.基于公共接口的数据融合4.基于直接访问的数据融合第四节 空间数据的压缩与融合一、空间数据的压缩1. 数据压缩的意义2. 曲线上点的压缩3. 面域栅格数据的压缩二、 空间数据的综合第五节 空间数据的内插方法一、点的内插1.数据取样 2.数据内插 3.数据记录二、区域的内插1.叠置法2.比值法第六节 图幅数据边沿匹配处理一、 识别和检索相邻图幅的数据二、 相邻图幅边界点坐标数据的匹配三、相同属性多边形公共界线的删除重点难点思考题教学难点、重点：1空间数据几何纠正的方法。2.空间数据内插。思考题： 1.空间数据投影变换的方法有哪些？2.空间数据内插的方法有哪些3.讨论在空间数据坐标变换中选择控制点数量及分布的判断标准参考文献1 陈述彭等编：地理信息系统导论科学出版社，1999年2 陈述彭等编：地理信息系统导论，科学出版社，1999年3 陆守一等编：地理信息系统实用教程，中国林业出版社，1998年4马智民等编：应用地理信息系统设计与实现，西安地图出版社，1996年课程名称地理信息系统（黄杏元主编）课 题第四章 地理信息系统空间数据库授课时数4教学方法课堂讲授教学目的1.掌握空间数据库的概念。2.掌握GIS空间数据库的设计过程、原则与方法。3.了解传统数据模型的类型、特点。4.了解语义模型的概念教学过程第一节 空间数据库概述一、空间数据库的概念 一般数据库是数据库系统的简称。一个完整的数据库系统应该包括数据库、数据库管理系统（Database Management System,DBMS）和数据库应用系统三个组成部分。二 、空间数据库的设计1.空间数据的设计过程2.空间数据库的数据模型设计3.空间数据库设计的原则、步骤和方法三、空间数据库的实现与维护1.空间数据库的实现2.相关的其他设计空间数据库的再组织设计故障恢复方案设计安全性考虑事务控制3.空间数据库的运行与维护第二节 空间数据库概念模型设计传统的数据模型一、 层次数据模型1.层次数据结构2.层次数据结构的数据存储3.层次数据结构的特点二、 网状数据模型1.网状数据结构2.网状数据模型的实现3.网状数据模型数据的记录存取4.网状数据模型的特点三、 关系数据模型1.关系数据模型的基本概念2.空间数据库关系数据模型的概念设计和逻辑设计3.关系数据模型的特点四、三种传统数据模型的比较第三节 空间数据库概念模型设计语义数据模型和面向对象数据模型一、传统数据模型的不足二、语义模型1.实体2.联系3.属性三、面向对象的数据模型1.面向对象数据模型的基本概念2.继承及类之间的层次关系3.功能重载和多态性4.概括和聚集5.空间数据库对象模型第四节 空间数据库逻辑模型设计和物理设计一、空间数据库逻辑设计的步骤和内容1.初始模型形成2.子模式设计3.模式评价4.优化模式二、E-R模型向关系数据模型的转换三、关系数据库的逻辑设计四、空间数据库的物理设计第五节 GIS空间时态数据库一、空间时态数据库概述二、时空一体化数据模型1.时间片快照模型2.底图叠加模型3.时空合成模型4.全信息对象模型重点难点思考题教学难点、重点：1.GIS空间数据库的概念。2.传统数据模型的特点。3.空间数据的设计过程思考题： 1.空间数据库的概念及其组成部分有哪些?2.空间数据库的设计有哪些主要的步骤和内容?3.传统的数据库模型有哪三种，它们各自有何优缺点？参考文献1 陈述彭等编：地理信息系统导论科学出版社，1999年2 陈述彭等编：地理信息系统导论，科学出版社，1999年3 陆守一等编：地理信息系统实用教程，中国林业出版社，1998年4马智民等编：应用地理信息系统设计与实现，西安地图出版社，1996年课程名称地理信息系统（黄杏元主编）课 题第五章空间分析的原理与方法授课时数6教学方法课堂讲授教学目的1.掌握GIS空间分析的概念及原理。2.掌握GIS叠加分析和缓冲区分析的原理及应用。3.掌握数字地面模型分析和网络分析的原理及应用。4.掌握GIS空间统计分析和空间数据的集合分析教学过程第一节 数字地面模型分析一、地形因子的自动提取 1.坡度计算2.坡向分析3.曲面面积计算4.地表粗糙度计算5.高呈及变异分析6.谷脊特征分析7.日照强度分析二 、地表形态的自动分类三、地学剖面的绘制和分类第二节 空间叠合分析一、空间叠合分析的概念是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。二、基于矢量数据的空间叠合分析1.点与多边形的叠合2.线与多边形的叠合3.多边形与多边形的叠合三、基于栅格数据的空间叠合分析1.点对点的叠加运算2.掩模叠加运算3.相交叠加运算第三节 空间缓冲区分析一、空间缓冲区分析的模型缓冲区分析是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。缓冲区分析对象主体：表示分析的主要目标，一般分为点源、线源和面源三种类型。邻近对象：表示受主体影响的客体，例如行政界线变更时所涉及的居民区、森林遭砍伐时所影响的水土流失范围等等。作用条件：表示主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度。二、空间缓冲区分析的方法（以道路缓冲区为例）1. 计算道路的综合规模指数2. 计算道路的最大影响距离3. 实施缓冲区操作三、 注意事项1.当缓冲区发生重叠时的处理2.当对特征规定不同缓冲区宽度时的 处理3.复杂图形情况下缓冲区和非缓冲区的 标示处理4.需要对缓冲区图形和原输入图形作比较分析的处理第四节 空间网络分析一、网络图论的基本概念二、空间网络的类型和构成三、空间网络分析方法1.最短路径分析2.定位配置分析第五节 空间统计分析一、变量筛选分析二、变量聚类分析第六节 空间数据的集合分析和查询一、空间集合分析二、空间数据的查询重点难点思考题教学难点、重点：1.GIS空间分析的概念。2.叠加分析和缓冲区分析的原理和应用。3.最短路径分析的原理。思考题： 1.试解释缓冲区分析和叠加分析的概念，并举例说明这两种空间分析方法的用途。2.设某一实体的影响度Fi随距离ri而呈指数率变化，已知该实体的影响半径为d0，分级指标值为f0，试述对该实体进行缓冲区分析的步骤和方法（i=1，2，5）。3.试说明栅格数据叠加分析的应用。参考文献1 陈述彭等编：地理信息系统导论科学出版社，1999年2 陈述彭等编：地理信息系统导论，科学出版社，1999年3 陆守一等编：地理信息系统实用教程，中国林业出版社，1998年4马智民等编：应用地理信息系统设计与实现，西安地图出版社，1996年课程名称地理信息系统（黄杏元主编）课 题第六章 地理信息系统的应用模型授课时数4教学方法课堂讲授教学目的1.掌握GIS模型的概念。2.了解GIS模型的构建过程。3.了解几个解决实际问题的GIS模型。教学过程第一节 地理信息系统的应用模型一、地理信息系统应用模型的分类二、地理信息系统应用模型的构建第二节 适宜性分析模型一、一般形式二、应用施礼第三节 发展预测模型一、一般形式二、应用施礼第四节 位址选择模型一、数据准备阶段二、综合影响评价阶段三、位址选择阶段第五节 交通规划模型一、交通发生量预测模型二、出行分布预测模型三、交通量最优分配流程第六节 地学模拟模型一、确定土壤侵蚀的数值分析模型二、设计土壤侵蚀数据处理流程三、土壤侵蚀图的输出重点难点思考题教学难点、重点：1.GIS应用模型的概念。2.GIS应用模型的设计过程。思考题： 1.什么是地理信息系统的应用模型？2.以选址模型为例说明地理信息系统应用模型的设计过程参考文献1 陈述彭等编：地理信息系统导论科学出版社，1999年2 陈述彭等编：地理信息系统导论，科学出版社，1999年3 陆守一等编：地理信息系统实用教程，中国林业出版社，1998年4马智民等编：应用地理信息系统设计与实现，西安地图出版社，1996年课程名称地理信息系统（黄杏元主编）课 题第七章 地理信息系统的设计与评价授课时数2教学方法课堂讲授教学目的1、 了解GIS系统设计的模式与流程2、 了解GIS的设计过程3、 掌握GIS的标准化内容4、 掌握GIS评价的内容教学过程第一节GIS设计概述。一、系统设计的目的二、系统设计的模式三、系统设计的流程第二节GIS的设计。一、系统分析二、系统设计1.总体设计2.详细设计三、系统实施四、系统运行和维护第三节GIS的标准化。一、