基于GIS的城市排水管网数据处理与校验硕士学位论文.doc

1 硕士研究生学位论 文 题题 目目 基于基于 GIS 的城市排水管网数据处理的城市排水管网数据处理 与校验与校验 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人或集体已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的集体和个人均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 日 期 论文使用和授权说明 本人完全了解云南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交学位论文和论文电子版 允许论文被查阅或借 阅 学校可以公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手 段保存论文 保密的论文在解密后应遵循此规定 研究生签名 导师签名 日 期 本人及导师同意将学位论文提交至清华大学 中国学术期刊 光盘版 电 子杂志社 进行电子和网络出版 并编入 CNKI 系列数据库 传播本学位论文 的全部或部分内容 同意按 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益 研究生签名 导师签名 日 期 摘要 I 摘要摘要 城市排水管网承担着城市污水排放 防洪排涝 城市污染河道的清水回补 河道水流的长距离输送 城市水资源的充分利用等任务 是城市重要的基础设 施 城市排水管网输送的生活污水和工业废水 是城市水环境的重要污染源 因此 排水管网的规划 建设和科学管理对保护城市水环境具有十分重要的意 义 而全面 准确和可靠的排水管网数据 是排水管网规划和管理的基础 近年来 随着昆明城市建设的飞速发展 排水管网的规模急剧增加 目前 昆明市已建有 2700 余公里的市政排水管网 此外 昆明经济开发区 呈贡新区 空港新城正在建设相应的排水管网 按照昆明城市排水总体规划 至 2030 年 昆明市排水管线总长将达到 5000 公里 2008 年昆明市规划局对昆明市地下综合管线进行了全面的探测 主要包括 排水 电力 煤气 供水等地下管线 原始探测数据中包含有 2740 公里的市政 排水管线 共包括 17 25 万个排水管点 16 88 万根排水管线 但由于原始数据 探测工作量巨大 大量数据需人工录入 不可避免地存在空间拓扑关系错误和 属性错误 因此必须对原始排水管网探测数据进行数据处理和数据校验 为昆 明排水管网空间数据库的建设提供数据支持 本文针对排水管网原始探测数据存在的问题 基于 GIS 技术和 ArcGIS 平 台 对排水管网数据进行分析 校验和处理 论文对地理信息系统及 ArcGIS 平 台进行探讨和研究 分析排水管网原始探测数据存在的问题 阐述排水管网数 据处理的方案 流程和技术路线 给出部分数据处理的实现方法及结果 主要 包括点线关系校验和处理 重复管线校验和处理 源点和汇水处理 错接管线 处理 排水流向校验和处理 图层合并等 经校验处理的排水管网数据已应用于昆明排水管网空间数据库中 为昆明 城市水环境和滇池污染治理提供了可靠 准确的排水管网基础数据 关键字 排水管网 数据处理 地理信息系统 ArcGIS 平台 摘要 II Abstract III Abstract 请重新翻译请重新翻译 City underground pipeline is the important part of city infrastructure is the city s survival and development of material basis known as the city of blood City drainage system of underground pipeline is the most important part it bears the city sewage discharge flood control and drainage city polluted water recharge flow of long distance transportation city water resource make full use of such tasks with protecting city environment and earthquake disaster prevention function The city sewer system the purpose of the study is to predict the pipeline system in various parts of the flow condition so that the drainage system of the integrated management and control has reached the full utilization of resources and city environmental protection effect Along with our country the rapid development of city construction as well as the computer technology network communication technology rapid development to our country city drainage system and the construction of information modernization has brought new development opportunities In the face of such a complicated pipeline of graphic data and attribute data conventional approaches to the management of massive three dimensional with a space of drainage pipe network information difficult to achieve rapid accurate and efficient storage management query statistics and analysis has been far from meeting the existing network system requirements so the city drainage pipe network information construction it is to solve current problems be imperative of a measure city drainage pipe network information construction of city environment city flood control and other aspects have long term interests Geographic Information System on the basis of geospatial database the computer hardware support realize the object information collecting organizing display edit query analysis management and decision support system Based on GIS technology of city underground drainage pipe network system integration of computer graphics technology and database technology to realize complicated pipeline pipe point data to modern scientific management achieve the pipeline pipe data visualization and real time updates and a dynamic comprehensive planning management and analysis The establishment of Kunming city underground drainage pipe network geographic information system to facilitate the conduct of city pipeline comprehensive layout including sewage pipeline water pipeline and confluent pipeline Can be convenient for drainage network data update query and maintenance Abstract IV so that the management of the city underground drainage pipeline status has been well understood Can achieve full utilization of resources and avoid the waste of water resources adequate and reasonable application of city underground drainage network In this paper Kunming city urban drainage pipe network geographic information system development and application as the background take ArcGIS as the development platform for drainage network data processing spatial database construction for drainage network to provide accurate data and finally realize the function module of spatial data processing Spatial data processing with ArcGIS technology NET technology the space database technology as the foundation through the programming of spatial data extraction modify update and other functions The first chapter of this thesis first introduces the relevant knowledge of the geography information system the second chapter introduces spatial data as well as the characteristics of Kunming city drainage pipe network data characteristics the third chapter ArcGIS platform introduction and application the fourth chapter Kunming city underground drainage network data processing of reality the fifth chapter summarizes Drainage pipe network data processing is Kunming proper diversion of rain and sewage pipe and branch pipe stem supporting construction project Network Information System is developed and applied based drainage pipeline network spatial database is the important content of the construction of system comprehensive analysis and decision making provide important data base Keywords drainage network geographic information system spatial database NET data processing 目录 V 目录目录 摘要摘要 I I ABSTRACTABSTRACT IIIIII 目录目录 V V 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 11 1 研究背景研究背景 1 1 1 21 2 研究目的和意义研究目的和意义 1 1 1 31 3 论文的主要工作论文的主要工作 2 2 第二章第二章 地理信息系统概述地理信息系统概述 4 4 2 12 1 GISGIS 概述概述 4 4 2 1 12 1 1 地理信息系统的定义地理信息系统的定义 4 4 2 1 22 1 2 地理信息系统的组成地理信息系统的组成 6 6 2 1 32 1 3 地理信息系统的主要特征和类型地理信息系统的主要特征和类型 7 7 2 1 42 1 4 地理信息系统的基本功能地理信息系统的基本功能 9 9 2 22 2 GISGIS 的发展的发展 9 9 2 2 12 2 1 GISGIS 的发展简史的发展简史 9 9 2 2 12 2 1 地理信息系统发展趋势地理信息系统发展趋势 1010 第三章第三章 昆明市排水管网数据特征昆明市排水管网数据特征 1212 3 13 1 空间数据及其基本特征空间数据及其基本特征 1212 3 1 13 1 1 空间数据的概念空间数据的概念 1212 3 1 23 1 2 空间数据的基本特征空间数据的基本特征 1212 3 1 33 1 3 空间数据类型空间数据类型 1313 3 1 43 1 4 空间数据管理空间数据管理 1616 3 23 2 昆明市排水管网数据分析昆明市排水管网数据分析 2020 3 2 13 2 1 数据来源数据来源 2020 3 2 23 2 2 排水管网数据概括排水管网数据概括 2020 3 2 33 2 3 数据问题分析数据问题分析 2121 3 2 43 2 4 排水管网数据有效性规则排水管网数据有效性规则 2424 第四章第四章 ARCGISARCGIS 平台简介与应用平台简介与应用 2828 4 14 1 A ARCRCGISGIS 平台的介绍平台的介绍 2828 4 24 2 A ARCRCGISGIS D DESKTOPESKTOP在管网数据空间分析中的简单应用在管网数据空间分析中的简单应用 3131 第五章第五章 昆明市排水管网数据处理实现昆明市排水管网数据处理实现 3535 5 15 1 排水管网数据处理简介排水管网数据处理简介 3535 5 25 2 数据处理的技术路线与方法数据处理的技术路线与方法 3535 5 35 3 排水管网数据处理实现排水管网数据处理实现 3636 5 3 15 3 1 排水管点与管线空间位置分离排水管点与管线空间位置分离 3636 目录 VI 5 3 25 3 2 排水管点重复记录排水管点重复记录 4040 5 3 35 3 3 排水管线的源点和汇点排水管线的源点和汇点 4444 5 3 45 3 4 排水管线的流向检测和纠错排水管线的流向检测和纠错 4444 5 3 55 3 5 大管接小管分析处理大管接小管分析处理 4848 5 3 65 3 6 将几个图层合为一个图层将几个图层合为一个图层 5050 第六章第六章 总结总结 5252 参考文献参考文献 5353 致致 谢谢 5555 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 研究背景研究背景 地下管线是城市基础设施的重要组成部分 是城市规划 建设 管理的重 要基础信息 主要包括给水 排水 煤气 电力 电信 有线电视 路灯 交 通信号等 担负着输送物资 能量和传输信息的功能 是城市赖以生存和发展 的 血脉 之一 排水管网是城市地下管线的重要组成部份 承担着城市污水排放 防洪排 涝 城市污染河道的清水回补 河道水流的长距离输送 城市水资源的充分利 用等任务 是城市重要的基础设施 城市排水管网输送的生活污水和工业废水 是城市水环境的重要污染源 因此 排水管网的规划 建设和科学管理对保护 城市水环境具有十分重要的意义 而全面 准确和可靠的排水管网数据 是排 水管网规划和管理的基础 目前 昆明市已建有 2700 余公里的市政排水管网 此外 昆明经济开发区 呈贡新区 空港新城正在建设相应的排水管网 按照昆明城市排水总体规划 至 2030 年 昆明市排水管线总长将达到 5000 公里 1999 年 昆明市对排水管网进行了探测 此批探测数据一直是城市规划和 建设的重要基础数据 由于多方原因 此后十年间 一直未全面开展排水管网 数据普查和探测工作 这十年间 昆明城市建设的飞速发展 排水管网的规模 急剧增加 地下管网越来越复杂 形成了一张错综复杂的地下管网图 随着城 市基础设施建设力度的逐渐加大 由于施工管理部门没有完整的地下管网数据 资料 在建设施工中时常发生在一条道路上重复施工 挖坏挖断现有地下管线 造成通讯中断 停水 停电 污水四溢等严重的施工事故 给人民群众的生产 和生活造成影响 也给国家财产造成损失 由于对城市地下管线数据掌握不足 随着城市基础设施建设的加快 给排水管线的规划和管理造成很大的难度 鉴于这一系列的问题 2008 年昆明市市政部门成立了专门的地下管线探测 办公室 对昆明市政管网数据进行系统的探测 此次排水管网数据探测共开井 检查 125142 座 探测物探点 153013 个 收集了主城区市政道路下 2740 公里排 第一章 绪论 2 水管线现状资料 基本摸清主城区约 330 平方公里范围内所有市政道路下排水 管线雨污性质 排水方向 管径及管道材质 地下河道走向等 这将为滇池水 污染治理 泄洪排涝和城市规划 建设 管理提供科学可靠的依据 城市年年 水患及道路反复开挖有望得到解决 但由于原始数据探测工作量巨大 大量数据需人工录入 不可避免地存在 空间拓扑关系错误和属性错误 因此必须对原始排水管网探测数据进行数据处 理和数据校验 为昆明排水管网空间数据库的建设提供数据支持 本文针对排水管网原始探测数据存在的问题 基于 GIS 技术和 ArcGIS 平 台 对排水管网数据进行分析 校验和处理 为昆明排水管网空间数据库的建 设 以及城市水环境和滇池污染治理提供可靠 准确的排水管网基础数据 1 21 2 研究目的和意义研究目的和意义 城市地下管网是城市现代化建设的重要基础设施 城市地下管网资料是城 市规划建设和管理的基础资料 近年来 随着我国经济的发展 作为城市重要 基础设施的地下排水管网也越来越庞大 密集 其种类也越来越复杂 形成了 地下排水管网错综复杂 密如蛛网的局面 以此对管理手段的要求也越来越高 面对有限的空间资源 如何使之产生最大的经济 社会效益成为当今社会发展 所面临的严峻问题 同时 管理部门越来越清醒地认识到信息管理技术对市政 管理 管网管理起着越来越重要的作用 在排水管网信息系统的支持帮助下 市政部门不仅可以方便的获取 存储 查询 管理和显示各种管网信息 而且 还可以对管网进行有效的分析 评价 模拟 预测 改扩建等工作 更好的控 制污染源的排污情况 从而为整个排水管理 市政管理提供全面 准确 及时 和客观的信息服务和技术支持 本研究的目的和意义在于 1 对地理信息系统的相关理论和方法进行分析和研究 2 基于 GIS 技术 对昆明市探测办提交的排水管网数据 包括雨水管点 污水管点 合流管点 雨水管线 污水管线 合流管线 6 个图层 共包括 17 25 万个排水管点 16 88 万根排水管线 进行数据的处理和校验 主要包括 空间拓扑关系校验和处理 属性数据有效性校验和处理 3 为昆明排水管网空间数据库的建设 以及城市水环境和滇池污染治理 提供可靠 准确的排水管网基础数据 第一章 绪论 3 1 31 3 论文的主要工作论文的主要工作 本论文研究的主要内容包括 1 针对排水管网原始探测数据存在的问题 基于 GIS 技术和 ArcGIS 平 台 对排水管网数据进行分析 校验和处理 2 对地理信息系统及 ArcGIS 平台进行探讨和研究 3 分析排水管网原始探测数据存在的问题 阐述排水管网数据处理的 方案 流程和技术路线 4 给出部分数据处理的实现方法及结果 主要包括点线关系校验和处 理 重复管线校验和处理 源点和汇水处理 错接管线处理 排水流向校验和 处理 图层合并等 5 经校验处理的排水管网数据已应用于昆明排水管网空间数据库中 为昆明城市水环境和滇池污染治理提供了可靠 准确的排水管网基础数据 1 41 4 论文的组织论文的组织 第一章介绍地理信息系统的相关知识 第二章分析空间数据的特征以及昆 明市排水管网数据的特征 第三章 ArcGIS 平台简介与应用 第四章昆明市地 下排水管网数据处理的现实 第五章总结 重新写此部分 第二章 地理信息系统概述 4 第二章 地理信息系统概述 2 12 1 GISGIS 概述概述 2 1 12 1 1 地理信息系统的定义地理信息系统的定义 1 地理信息的特性 地理信息是有关地理实体的性质 特征和运动状态的表征及一切有用的知 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 地理信息除 了具有信息的一般特性外 还具有以下特性 1 空间分布性 在地理信息中 地理要素的位置是通过地理数据 如 X Y 坐标 经纬度 进行标识的 这是地理信息区别于其它类型信息的最显著 的标志 2 多维结构特性 地理信息表达的是现实三维空间的地理要素 因此具 有多维结构特征 点 0 维 线 1 维 面 2 维 体 3 维 3 时序特性明显 地理信息通常都是随着时间发生变化的 按照时间尺 度可将地理信息划分为实时 如车辆位置 水位变化 超短期的 如台风 地 震 短期的 如江河洪水 秋季低温 中期的 如土地利用 作物估产 长期 的 如城市化 水土流失 超长期的 如地壳变动 气候变化 等 4 数据量大 地理信息具有空间特性 属性特性和时间特性 因此其数 据量很大 2 信息系统与地理信息系统 具有数据采集 管理 分析和表达能力的计算机系统 能够为单一的或有 组织的决策过程提供有用的信息 在信息社会中 我们所听说的信息系统大部 分由计算机系统支持 它能为企业 部门的科学决策提供有用的信息 信息系统的组成 信息系统都部分或全部由计算机系统支持 包括计算机 硬件 软件 数据和用户四大要素 如图 2 1 所示 第二章 地理信息系统概述 5 图图 2 1 信息系统的组成信息系统的组成 图尺寸太大 请适当压缩 以下同图尺寸太大 请适当压缩 以下同 从功能上看 信息系统分为以下三类 1 管理信息系统 Management Information System 简称 MIS 提供信 息帮助制定决策 2 决策支持系统 Decision Support System 简称 DSS 能从管理信息 系统中获得信息 帮助管理者制定好的决策 帮助改善决策的质量 3 空间信息系统 Spatial Information System 简称 SIS 是对空间数据 进行采集 处理 管理和分析的信息系统 由于空间数据的特殊性 使空间信 息系统的组织结构及处理方法有别于一般的信息系统 空间信息系统主要有地 理信息系统 Geographic Information System 简称 GIS 全球定位系统 Global Positioning System 简称 GPS 遥感 Remote Sensing 简称 RS 对地观测系统 Earth Observation System 简称 EOS 数字摄影测量系统 Digital Photogrammetric System 简称 DPS 等 地理信息系统 GIS Geographical Information System 是地理信息的 管理系统 它以地理数据为基础 是在计算机软硬件的支持下 对空间数据进 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 GIS 是一种决策支持系统 它具有信息系统的各种特点 地理信息系统与 其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的 地理位 置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分 第二章 地理信息系统概述 6 在地理信息系统中 现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象 这 些地理特征至少由空间位置参考信息 空间数据 和非位置信息 属性数据 两个组成部分 如图 2 2 所示 图 2 2 GIS 组成 此图不清晰 重绘 GIS 研究的对象是地理空间数据 研究内容包括 GIS 理论基础 GIS 技术 系统及 GIS 应用方法 三方面互相联系 相互促进 2 1 22 1 2 地理信息系统的组成地理信息系统的组成 地理信息系统组成 Geographic Information Systems 包括四部分 计算 机硬件 计算机软件 数据 系统开发管理和使用人员 如图 2 3 所示 图 2 3 地理信息系统的组成 第二章 地理信息系统概述 7 1 计算机硬件 图 2 4 计算机硬件组成 此图不清晰 重绘 2 计算机软件 系统软件 计算机操作系统 如 Windows Server Windows Professional Unix 等 GIS 平台及其支持软件 包括通用的 GIS 软件 以及数据库管理系统 计 算机图形软件包 计算机图像处理系统 CAD 等 用于支持对空间数据输入 存储 转换 输出和与用户接口 应用分析软件 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型开发 的用于某种特定应用任务的程序 是 GIS 功能的扩充与延伸 3 系统开发 管理和使用人员 人是 GIS 中的重要构成因素 GIS 不同于一幅地图 而是一个动态的地理 模型 仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统 需要人进行系 统组织 管理 维护和数据更新 系统扩充完善 应用程序开发 并灵活采用 地理分析模型提取多种信息 为研究和决策服务 4 数据 数据是 GIS 的核心与基础 GIS 需要表示两类信息 空间数据和属性数据 Spatial and Non Spatial data 2 1 32 1 3 地理信息系统的主要特征和类型地理信息系统的主要特征和类型 1 地理信息系统的主要特征 地理信息系统是对地球及表面有关地理分布数据进行采集 存储 管理 第二章 地理信息系统概述 8 处理 分析 描述和三维可视化的技术系统 地理信息系统是数据库技术 网 络技术和信息处理技术发展到一定阶段的产物 同时 地理信息系统的发展在 很大程度上与计算机硬件水平的发展密切相关 即地理信息系统是基于计算机 的软硬件技术的系统 目前使用的地理信息系统处理 传输的信息量可高达数 吉字节 GB 甚至太字节 TB 这对于计算机的海量数据存储 快速处理 分析和三维可视化等提出了极高的要求 尽管地理信息系统的定义不尽相同 一般来说 应具有以下特征 1 地理信息系统应包括数据采集子系统 数据管理子系统 数据处理和 分析子系统 数据输出子系统等 2 地理信息系统技术难点在于其处理的数据具有空间位置特征 包括点 线 面 体等三维空间特征 数据都是按照统一的地理坐标系编码 以便进行 地理实体的空间定位 定性和定量的描述 地理信息系统强调空间分析 通过 建立空间模型来分析空间数据 地理信息系统的成功应用有赖于空间分析技术 的发展和应用 3 地理信息系统的技术优势 在于空间数据的空间特性和属性特性关联 空间数据拓扑关系结构等特点 具有空间建模 分析和三维可视化的能力 可 以模拟空间运行过程 实现辅助决策和预测 4 地理信息系统处理的数据具有多样性 包括描述地理空间的空间特征 属性特征数据 也包括地图和影像等数据 其处理的数据载体可以是磁带 光 盘等物理载体 2 地理信息系统的主要类型 1 专题地理信息系统 Thematic GIS 具有专业或行业特点的地理信息系统 为特定的专门目的服务 例如 森 林动态监测信息系统 水资源管理信息系统 矿业资源信息系统 农作物估产 信息系统 草场资源管理信息系统 水土流失信息系统等 2 区域地理信息系统 Regional GIS 主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标 可以有不同的规模 如国 家级的 地区或省级的 市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系 统 区域信息系统如加拿大国家信息系统 中国黄河流域信息系统 数字港城 数字昆明 数字乡村等 3 地理信息系统平台 GIS Tools 是一组具有图形图像数字化 存储管理 查询检索 分析运算和多种输出 等地理信息系统基本功能的软件包 如 ArcGIS MapInfo 等 第二章 地理信息系统概述 9 2 1 42 1 4 地理信息系统的基本功能地理信息系统的基本功能 地理信息系统的基本功能包括 数据获取 数据存储 数据可视化 空间 查询 空间分析 数据输出等 1 数据获取 通过通用和专用设备对地理数据进行采集 监测 编辑和处理 目前 GPS 卫星定位数据和遥感数据已成为 GIS 的主要数据源 2 数据存储 采用一定的空间数据模型 如栅格数据模型或矢量数据模型 将空间数 据和属性数据进行有效的组织和管理 并存储于计算机中 支持空间查询 分 析与决策 GIS 通过空间数据库实现空间数据和属性数据无缝集成与管理 3 数据可视化 基于地图学的基本原理 采用地理坐标及地图符号 实现地理要素的图形 化显示 4 空间查询与空间分析 空间查询与空间分析是地理信息系统的核心功能 也是地理信息系统与其 它计算机系统的根本区别 用户只需通过简单的鼠标或键盘操作 即可实现空 间数据的检索 空间拓扑分析与空间模型分析 5 数据输出 提供良好的 交互式的制图环境 完成地图设计 制作及高质量的地图 输出 报表输出 2 22 2 GISGIS 的发展的发展 2 2 12 2 1 GISGIS 的发展简史的发展简史 纵观地理信息系统的发展 可将其分为以下几个阶段 1 20 世纪 60 年代为地理信息系统开拓期 注重空间数据的地学处理 加拿大地理信息系统 CGIS 是加拿大政府于 1963 年开始研制实施 到 1971 年投入正式运行 被认为是国际上最早建立的 较为完善的大型使用的地理信 息系统 由于计算机硬件系统功能较弱 限制了软件技术的发展 这一时期地 理信息系统软件的研制主要是针对具体的 GIS 应用进行的 图形功能非常有限 2 20 世纪 70 年代是地理信息系统的巩固发展期 计算机硬件和软件技 术的飞速发展 尤其是大容量存取设备 硬盘的使用 为空间数据的录入 存储 检索和输出提供了强有力的手段 美国 日本 法国等发达国家先后建 立了不同专题 不同规模 不同类型的各具特色的地理信息系统 人机交互技 术成熟 GIS 向着实用化方向发展 3 20 世纪 80 年代是地理信息系统的大发展时期 地理信息系统技术全 第二章 地理信息系统概述 10 面推向应用 由发达国家推向发展中国家 并进入多种学科领域 地理信息系 统软件平台具有更强的独立性和通用性 1981 年 ESRI 发布 ArcInfo 1985 年 MapInfo 公司建立 1989 年 Intergraph 发布 MGE 为地理信息系统的开发和 应用开辟了新的途径 我国地理信息系统方面的工作自八十年代初开始 以 1980 年中国科学院遥感应用研究所成立的全国第一个地理信息系统研究室为标 志 4 20 世纪 90 年代是地理信息系统的社会化阶段 GIS 已深入到各行各 业 成为人们生产 生活 学习和工作中不可缺少的工具和助手 已成为政府 机构必备的工作系统 改变着人们生活和工作方式 中国地理信息系统步入快 速发展阶段 从初步发展时期的实验 局部应用走向实用化和产业化 为国民 经济重大问题提供分析和决策依据 2 2 12 2 1 地理信息系统发展趋势地理信息系统发展趋势 目前 地理信息系统正在科学研究 国民经济和国防建设中起着越来越重 要的作用 随着对地理观测和信息技术 网络地理信息系统 空间信息网络技 术 基于位置信息服务 Google Earth 等研究的发展 它们正在对整个地球科 学学科产生深远影响 1 地球观测与信息技术 基于 RS GIS GPS 与计算机网络或网格计算技术 正在形成对地观测与 信息处理的技术体系 可实现对各种空间信息的收集 处理 更新和共享 地 球观测与信息处理涉及地球科学 空间科学 信息技术 计算机技术 通信技 术等多学科交叉 实现地理空间信息的动态获取 处理 管理 分析 表达 传输和应用 卫星导航定位系统和遥感技术为获取地球及其表面空间信息提供 实时 连续 高精度 大范围的技术手段 空间数据库或地理信息系统为地球 空间信息管理 分析和共享提供了智能平台 2 网络地理信息系统 网络地理信息系统 Web GIS 是 Internet 技术和 GIS 技术结合的产物 是利用 Web 技术来扩展地理信息系统的一项新技术 如下图 2 5 所示 第二章 地理信息系统概述 11 图 2 5 网络 GIS 硬件组成 3 嵌入式地理信息系统 嵌入式 GIS 是通过高级 GIS 逻辑定制专门 GIS 功能 其任务定制或组织在 简单数据编辑器进行 不需要功能完整的桌面 GIS 通常 GIS 用户需要通过专 业 GIS 桌面 或 Web GIS 服务器访问 GIS 典型的嵌入式 GIS 应用方式是通过 定制任务访问 GIS 功能 其应用功能介于 Web 浏览器和高端 GIS 桌面之间 如在移动设备中定制地图显示等 GIS 功能 4 4D 地理信息系统 4D GIS 也称为 T GIS 是建立在时态数据库等基础上的综合应用系统 其研究对象是地球及表面实体或对象 在过去 现在和未来等时空状态信息 4D GIS 是一种采集 存储 管理 分析与显示空间实体随时间变化信息的空间 数据库系统 空间实体 f x y z t 的时间 空间状态 是描述空间实体和空间 现象的基本特征 是反映空间实体状态和演变过程的重要信息 5 基于 Web 的空间信息服务 基于 Web 的空间信息服务 是实现空间信息的跨部门 跨区域 跨专业通 信 互操作和协同处理等提供技术服务 Web 的空间信息服务 要解决面向异 构数据 分布式资源 网络服务集成和互操作等技术 由于地理空间数据的多 源 多格式 多时空 多比例尺 多语义以及分布管理等特点 不同系统间的 数据交换 不同应用部门对不同空间现象理解和表达不同 造成应用系统间 不同领域间协作数据共享和交流存在困难 实现空间数据共享和互操作成为共 识 请将 ArcGIS 一章合并到此作为一节 Internet 输入设备多媒体系统图形图像处理系统 用户用户 输入设备GIS 空间数据库 服务器 局域网用户组 主干网络 第二章 地理信息系统概述 12 第三章 昆明市排水管网数据特征 13 第三章 昆明排水管网数据分析 3 13 1 空间数据及其基本特征空间数据及其基本特征 此部分请放到第二章中此部分请放到第二章中 3 1 13 1 1 空间数据的概念空间数据的概念 空间数据是表征地理空间系统诸要素的数量 质量 分布特征 相互联系 和变化规律的数字 文字 图形和图像等的总称 地理空间数据是 GIS 的血液 实际上整个 GIS 都是围绕空间数据的采集 加工 存贮 分析和表现展开的 空间数据源 空间数据的采集手段 生产工艺 数据的质量都直接影响到 GIS 应用的潜力 成本和效率 GIS 中人们将地理要素抽象化 用数字表达方式来 表示地理要素 包括 数字画线数据 影像数据 数字标高模型和地物的属性 数据 3 1 23 1 2 空间数据的基本特征空间数据的基本特征 空间数据包括三大基本特征 空间 时间和主题特性 1 空间特性 空间特征是地理信息系统或者说空间信息系统所特有的 空间特征是指空 间地物的位置 形状和大小等几何特征以及与相邻地物的空间关系 空间位置 可以通过坐标来描述 GIS 中地物的形状和大小一般也是通过空间坐标来描述 生活中人们对空间目标的定位不是记忆它的空间坐标而是确定某个目标与其他 更熟悉的目标的空间位置关系 而对于计算机来说最简单的空间定位方法就是 使用空间坐标 2 时间特性 严格来说 空间数据总是在某一特定时间或时间段内采集得到或计算得到 有些空间数据随时间的变化相对较慢 因而 有时被忽略 而在多数情况下 GIS 的用户又把时间处理成专题属性 或者在设计属性时 考虑多了时态的信 息 这对于大多数 GIS 软件来说是可以做到的 3 主题特性 主题特征是指空间现象或空间目标的属性特征 它是指除了时间和空间特 性以外的空间现象的其他特征 如某地的地形 坡度 坡向 年降雨量 土地 酸碱度 土地覆盖类型 人口密度 交通流量和空气污染程度等 第三章 昆明市排水管网数据特征 14 3 1 33 1 3 空间数据类型空间数据类型 一 地图数据一 地图数据 地图是 GIS 的主要数据源 因为地图包含着丰富的内容 不仅含有实体的 类别和属性 而且含有实体间的空间关系 地图数据通常用点 线 面和注记来表示地理实体及实体间的关系 如点 居民点 采样点 高程点 控制点等 线 河流 道路 构造线等 面 湖泊 海洋 植被等 注记 地名注记 高程注记等 地图按内容可以分为普通地图 和专题地图两大基本类型 1 普通地图 普通地图基本上是以同等详细程度表示各种自然和社会现象 主要内容有 水系 地貌 土质 植被 居民地 交通线 境界线和经济文化等要素 它又 可按内容的概括程度进一步划分为地形图和地理图 地形图 主要是按照国家制定的统一规范细则编制的国家基本比例尺地形 图 内容较详细 在地形图上 地形用等高线表示 能表示地面的实际高度和 起伏特征 其他要素用规定的图式符号表示 地形图有严密的大地控制基础 采用统一投影和统一分幅编号 根据国家颁布的测绘规范和图式测制 地理图 地理图的内容概括程度较高 比例尺一般较小 具有一览图的性 质 在 GIS 中用得不多 2 专题地图 专题地图是突出表示某一种或几种主题要素或现象的地图 它不同于普通 地图是拥有固定的用图对象 侧重某一方面 以内容适应专题要求为其特点 专题地图又可分为自然地图和社会经济地图两类 自然地图有植被图 土壤图 气候图 水文图 水系图 地质图和地貌图等 社会经济地图有政区图 人口 图 经济图和道路交通图等 另外 从遥感数据得来的数字高程模型和数字正 射影像图也可列入该类图 二 遥感数据二 遥感数据 遥感 Remote sensing 就是遥远感知事物的意思 也就是不直接接触目标 物和现象 在距离地物几公里到几百公里甚至上千公里的飞机 飞船 卫星上 使用光学或电子光学仪器 称为传感器 接受地面物体的反射或发射的电磁波 信号 并以图像胶片或数据磁带的形式记录下来 传送到地面 经过信息处理 判读分析和野外实地验证 最终服务于资源勘探 环境动态监测和有关部门的 规划决策 通常把这一接收 传输 处理 分析判读和应用遥感信息的全过程 称为遥感技术 遥感数据是 GIS 的重要数据源 遥感数据含有丰富的资源与环境信息 在 第三章 昆明市排水管网数据特征 15 GIS 的支持下 可以与地质 地球物理 地球化学 地球生物 军事应用等方 面的信息进行信息复合和综合分析 遥感数据是一种大面积的 动态的 近实 时的数据源 遥感技术是 GIS 数据更新的重要手段 三 全球定位系统 三 全球定位系统 GPS 数据 数据 1 GPS 全球定位系统 GPS 是缩写词 NAVSTAR GPS 的简称 其全部意义为 导 航卫星测时和测距全球定位系统 即 Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System 2 GPS 的组成 一般全球定位系统都由卫星 控制系统和用户设备三部分组成 1 卫星 全球定位系统由 24 颗卫星组成 分布在地球上空 20183km 高度的 6 个轨道上 每个轨道上有 4 颗卫星 卫星运行周期为 11h58min 这样可确保 在地球任意地方 至少同时可观察到 5 颗卫星 其中至少有 4 颗在地平线 7 5 以上 但同时同地可供观察的卫星不会超过 11 颗 由于目前利用无线电技术最容易实现的还是对时间的精密测量 时间基准也 是目前世界上所有物理量测量基准中精确度最高的 现代测距多使用无线电信 号测量所测距离上的传播延迟 传播时间 来推算距离 GPS 系统也是如此 因此时间基准对于准确定位十分重要 2 控制系统 控制系统由设在印度洋的 Diego Garcia 大西洋的 Ascencion 太平洋的 Kwajalein 和夏威夷以及美国本土的 Colorado Springs5 个监测站组成 Colorado Springs 站为监测总站 卫星监测站的功能是监测卫星运行情况 确定 其轨道和星上原子钟的工作状态 传送需要传播的信息到各卫星上 3 用户系统 GPS 用户使用适当的接收机下载卫星信号码及载波相位并提取 传播的信息 将下载接收到的卫星信息码与接收机产生的复制码匹配比较 便 可确定接收机至卫星的距离 如果计算出 4 颗或更多卫星到接收机的距离 再 与卫星位置相结合 便可确定 GPS 接收机天线所在的三维地心坐标 3 GPS 的工作原理 1 GPS 定位的基本原理 GPS 定位的基本原理是利用测距交会确定点位 如图 3 1 所示 一颗卫星 信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机的距离 但并不能确定接收 机相对于卫星的方向 在三维空间中 GPS 接收机的可能位置构成了一个球面 当侧到两颗卫星的距离时 接收机的可能位置被确定于两个球面相交的圆上 当得到第三颗卫星的距离后 球面与圆相交得到两个可能的点 第四颗卫星用 于确定接收机的准确位置 因此 如果接收机能得到 4 颗 GPS 卫星的信号 就 可以进行定位 当接收到信号的卫星数目多于 4 个时 可以优选 4 颗卫星计算 第三章 昆明市排水管网数据特征 16 位置 图 3 1 测距交会定位示意图 2 GPS 的应用 全球卫星定位系统