地理信息技术要点.doc

第一章数据（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，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。信息（Information)：构成一定含义的一组数据就称为信息。地理信息：和地理位置相关的信息就是地理信息，地理信息也可以称为空间信息。地理信息系统（GIS , Geographic Information System）：是以地理空间数据库为基础，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、分析、模拟和显示，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，为地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。简言之，地理信息系统是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。GIS在信息系统中的位置：GIS与nS之间的关系：地理信息系统的构成：系统软件、系统硬件、空间数据、应用模型、用户GIS软件类型：专业GIS（Professional GIS） 桌面GIS（Desktop GIS） q手持GIS（Hand-Held GIS） 组件GIS（Component GIS） qGIS Viewer 网络GIS（WebGIS） q其它（基于CAD的GIS）GIS基本功能：数据输入功能 数据编辑功能 数据存储与管理功能 数据查询检索功能 数据分析功能 数据显示输出功主要应用领域：地理信息系统的发展趋势：GIS标准化 GIS网络化 GIS全球化 GIS大众化 GIS数据商业化共相式GIS - Universal GIS：（5A）本质思想： 在GIS融入IT主流的当今， 把GIS的核心技术与价值同IT通用技术相分离，以便在较小代价下快速适应IT的发展与变化。 5A ：任何计算设备 (Any device) 任何操作系统(Any operation system) 任何开发语言 (Any programming language) 任何数据库 (Any database) 任何数据格式 (Any data format)第二章水准面：当海洋静止时，它的自由水面必定与该面上各点的重力方向（铅垂线方向）成正交，我们把这个面叫做水准面。大地水准面：静止的平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合的曲面，这就是大地水准面。大地球体：大地水准面所包围的形体，叫大地球体。地球椭球体：在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体，这个旋转球体通常称地球椭球体，简称椭球体。地球椭球体数据：我国地球椭球体类型的应用：（1）在1952年以前采用海福特（Hayford）椭球体； n （2）从1953-1980年采用克拉索夫斯基椭球体； n （3）1975年第16届国际大地测量及地球物理联合会上通过国际大地测量协会第一号决议中公布的地球椭球体，称为GRS（1975），中国自1980年开始采用GRS（1975）新参考椭球体系。 n （4）17届国际大地测量协会，WGS-84椭球(GPS全球定位系统椭球)WGS-84 GPS 基准椭球。纬度：法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度。经度：过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度。参心大地坐标系：选择合适的椭球体，确定一个大地原点的起始数据，并进行椭球的定位和定向。地心坐标系：采用空间大地测量技术，坐标原点与地球质心重合。WGS-84大地坐标系参考系统：（1）我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由此计算出来的各大地控制点的坐标，称为1954年北京坐标系。 （2）我国1986年宣布在陕西省泾阳县设立了新的大地坐标原点，并采用1975年国际大地测量协会推荐的大地参考椭球体，由此计算出来的各大地控制点坐标，称为1980年大地坐标系。绝对高程：地面点到大地水准面的高程，称为绝对高程。相对高程：地面点到任一水准面的高程，称为相对高程。地图投影：将地球椭球面上的点映射到平面上的方法。为什么要进行地图投影：（1）GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。 （2）地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算。 （3）地球椭球体为不可展曲面 （4）地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析。投影实质：建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上点的地理坐标（，）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系。投影分类：变形分类： 等角投影：投影前后角度不变 等面积投影：投影前后面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形 u投影面： 横圆柱投影：投影面为横圆柱 圆锥投影：投影面为圆锥 方位投影：投影面为平面 u投影面位置： 正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合 斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交 横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直 相切投影：投影面与椭球体相切 相割投影：投影面与椭球体相割地图投影选择：选择制图投影时，主要要考虑以下因素： 制图区域的范围、形状和地理位置、地图的用途、出版方式及其他特殊要求等，其中制图区域的范围、形状和地理位置是主要因素。 对于世界地图，常用的主要是正圆柱、伪圆柱和多圆锥投影。在世界地图中常用墨卡托投影绘制世界航线图、世界交通图与世界时区图；我国出版的世界地图多采用等差分纬线多圆锥投影，选用这个投影，对于表现中国形状以及与四邻的对比关系较好，但投影的边缘地区变形较大。 对于半球地图，东、西半球图常选用横轴方位投影；南、北半球图常选用正轴方位投影；水、陆半球图一般选用斜轴方位投影。对于其他的中、小范围的投影选择，须考虑到它的轮廓形状和地理位置，最好是使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致，以便减少图上变形。 v 圆形地区一般适于采用方位投影。 v 在两极附近则采用正轴方位投影。 v 以赤道为中心的地区采用横轴方位投影。 v 在中纬度地区采用斜轴方位投影。 v 在东西延伸的中纬度地区，一般多采用正轴圆锥投影，如中国与美国。 v 在赤道两侧东西延伸的地区，则宜采用正轴圆柱投影，如印度尼西亚。 v 在南北方向延伸的地区，一般采用横轴圆柱投影和多圆锥投影，如智利与阿根廷。常用的地图投影：1、世界地图的投影 2、半球地图的投影 3、各大洲地图投影我国常用的地图投影：（1）中国全国地图投影：斜轴等面积方位投影、斜轴等角方位投影、彭纳投影、伪方位投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角割圆锥投影。 （2）中国分省（区）地图的投影：正轴等角割圆锥投影、正轴等面积割圆锥投影、正轴等角圆柱投影、等角横切椭圆柱投影（高斯-克吕格投影）。 （3）中国大比例尺地图的投影：多面体投影（北洋军阀时期）、等角割圆锥投影（兰勃特投影）（解放前）、高斯-克吕格投影（解放以后）。比例尺：国家基本比例尺地形图有1：5000 、1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、1：25万、1：50万和1：100万8种。 普通地图通常按比例尺分为大、中、小三种： n 1：10万和更大比例尺的地图称为大比例尺地图； n 1：10万至1：100万的称为中比例尺地图； n 小于1：100万的称为小比例尺地图。我国的基本比例尺地形图(1:5千，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万)中： 大于等于50万的均采用高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger)，又叫横轴墨卡托投影。（由于这个投影是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充，故称为高斯克吕格投影。）小于50万的地形图采用正轴等角割圆锥投影，又叫兰勃特投影。海上小于50万的地形图多用正轴等角圆柱投影，又叫墨卡托投影(Mercator)，我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。 第三章空间对象类型：空间对象一般按地形维数进行归类划分 0 （1）点：零维 （2）线：一维 （3）面：二维 （4）体：三维 0 （5）时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。地理数据特征：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，后者如农业大学与理工大学相邻等。 时间特征：描述空间对象随时间的变化。地理（空间）数据类型：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。空间数据结构：空间数据结构则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。栅格数据取值方法：（1）中心点法（2）重要性（3）面积占优（4）长度占优栅格数据结构特点：（1）离散的量化栅格值表示空间对象（2）位置隐含,属性明显（3）数据结构简单,易与遥感数据结合,但数据量大（4）几何和属性偏差（5）面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系矢量数据结构：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。其坐标空间假定为连续空间，不必像栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。矢量数据结构编码的基本内容：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。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；矢量数据结构的特点：用离散的点描述空间对象与特征，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。比较：数据结构的选择原则：（1）要素还是位置？ （2）可获取的数据 （3）定位要素的必要精度 （4）需要什么类型的要素 （5）需要什么类型的拓扑关联 （6）所需空间分析类型 （7）生产地图类型第四章数据源种类：图形图像类数据（地图、工程图、规划图、照片、航空与遥感影像等）、文字类数据（调查报告、文件、统计数据、实验数据、野外调查的原始记录等）遥感影像的特点：能取得大面积、综合的信息；速度快；降低数据储存冗余度和不连续性；能提供各类专题所需要的信息。属性数据的编码方法（1）层次分类编码法：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（2）多源分类编码法（独立分类编码法）：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。【属性数据包括各类调查报告、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通过文件、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。编码原则：系统性和科学性；一致性；标准化和通用性；简捷性；可扩展性编码内容：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）】空间数据采集方法：全站仪测量、GPS测量（SPS测量技术）、摄影测量 、遥感图像处理 、地图数字化（手扶跟踪、屏幕跟踪）空间数据质量评价：（1）数据情况说明（2）时间精度（3）位置精度（4）分类精度（5）可靠性（6）逻辑的一致性、完整性（7）数据采集与编码方法误差类型：（1）源误差：测量数字数据的误差、地图数字化数据的误差、遥感数据误差（2）操作误差：由计算机字长引起的误差、由拓扑分析引起的误差、数据分类和内插引起的误差现有的卫星定位系统：（1）陆地资源卫星：Landsat、SPOT、IKONOS、QUICKBIRD、CBERS、JERS、IRS（2）海洋卫星（3）气象卫星：NOAA卫星系列 （美国）、GMS气象卫星系列 （日本）、FY气象卫星系列 （中国）GPS定义：其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。GPS的组成：空间部分、地面控制部分、用户设备部分第五章数据库的发展历程：（1）第一代数据库（层次及网状数据库）：它凭借数据库技术的优势而取代了文件系统的一统天下。数据库的数据共享性、数据独立性、最小冗余性、安全性、完整性、灵活性与可恢复性等特性，是文件系统无法攀登的高峰。 （2）第二代数据库（关系型数据库）：它的辉煌得益于结构化查询语言SQL（Strutured Query Language）的使用，关系数据库的操作简便，易于理解，深受广大用户欢迎，这也使得数据库技术的应用由专家型发展为大众型。 （3）第三代数据库（面向对象数据库）：它不仅能管理常规数据，而且能管理现实世界中的各种信息。它支持快速查询及并行处理的并行数据库（parallel database），方便人们理解信息的知识库与智能数据库系统。数据库：数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合数据库特征：（1）数据按一定的数据模型组织、描述和储存（2）可为各种用户共享（3）冗余度较小（4）数据独立性高（5）易扩展DBA（数据库管理员）的职责（1）负责数据库核心及其开发工具的安装和升级。（2）为数据库系统分配存储空间并规划未来的存储需求。（3）一旦开发者设计了应用，DBA负责建立基本的数据库存储结 构。（4）协助开发者建立基本的对象（表、视图、索引），如果需要，协助开发者修改数据结构。（5）负责注册用户并维护系统的安全性。（6）监控用户对数据库的存取。（7）监控并优化数据库的性能。（8）负责数据库系统的备份和恢复。数据库技术的发展趋势：（1）面向对象的数据库系统（2）并行数据库系统和分布式数据库系统（3）嵌入式数据库技术（4）网格计算（5）数据仓库及数据挖掘技术（6）数据库的自动化管理空间数据库：是关于某一区域内一定地理要素特征的数据集合，是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总和。空间数据库的组织形式（1）混合结构模式：基本思想是用两个子系统分别存储和检索空间数据与属性数据，其中属性数据存储在常规的RDBMS中，几何数据存储在空间数据管理系统中，两个子系统之间使用一种标识符联系起来。特点：存储和检索数据比较有效、可靠；有各自的规则，查询操作难以优化，存储在RDBMS外面的数据有时会丢失数据项的语义；数据完整性的约束条件有可能遭破坏。缺点：因为两个存储子系统具有各自的职责，互相很难保证数据存储、操作的统一。（2）扩展结构模式：采用同一DBMS存储空间数据和属性数据。其做法是在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(Geo SQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。优点是省去了空间数据库和属性数据库之间的繁琐联结，空间数据存取速度较快。缺点：由于是间接存取，在效率上总是低于DBMS中所用的直接操作过程，且查询过程复杂（3）统一数据模式：在开放型DBMS基础上扩充空间数据表达功能。缺点：用户必须在DBMS环境中实施自己的数据类型，对有些应用将相当复杂。第六章空间分析：基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。空间分析基本功能：空间查询与量算；空间变换；缓冲区分析；叠加分析；路径分析；空间插值；统计分类分析空间分析、GIS和空间模型的关系：（1）空间分析和空间模型是不同层次的概念。（2）空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，空间模型是复杂的，解决专门问题的理论和方法。例：工厂选址与水库选址，水土流失分析。 （3）应用模型无可枚举，而空间分析技术是有限的。 （4）空间分析和空间模型是零件和机器的关系。 （5）GIS是空间数据处理理论和方法的集成化实现，包含了大部分的空间分析技术，也是GIS区别与其他信息系统的标空间分析的步骤：(1)建立分析目的和评价标准（2）收集、输入空间和属性数据（3）做空间位置的处理和分析（4）获得简要的分析结果（5）解释和评价结果（6）以专题地图，文字报表形式作为正式结果，供决策用。数据查询：（1）属性数据的条件查询（2）空间定位查询（3）图元间关系查询数据的量算：质心量算、几何量算、形状量算、距离量算缓冲区分析的定义：缓冲区分析是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法。缓冲区的类型 ：点缓冲区；线缓冲区；面缓冲区；复杂缓冲区；可变距离缓冲区。缓冲区的建立 （1）点缓冲区建立等距离的点缓冲区（圆） （2）线缓冲区建立线的缓冲带 （3）面缓冲区建立可分为正缓冲区与负缓冲区网络分析：是依据网络拓扑关系（线性实体之间、线性实体与结点之间，结点与结点之间的连接、连通关系），通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面的分析计算。网络分析的用途：选择最佳路径；选择最佳布局中心的位置。网络分析类型：路径分析、资源分配、连通分析、流分析网络中的基本组成部分和属性：（1）链：网络中流动的管线，如街道，河流，水管等，其状态属性包括阻力和需求。 n（2）障碍：禁止网络中链上流动的点。 n（3）拐角点：出现在网络链中所有的分割结点上状态属性的阻力，如拐弯的时间和限制(如不允许左拐)。 n（4）中心：是接受或分配资源的位置，如水库、商业中心、电站等。其状态属性包括资源容量，如总的资源量；阻力限额，如中心与链之间的最大距离或时间限制。 n（5