地理信息系统.doc

1.地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，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。 特点：（1）空间分布性 （2）具有多维结构 （3）时序特征十分明显 （4）具有丰富的信息2.地理信息系统（GIS , Geographic Information System）是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统 分类：（1）专题地理信息系统 （2）区域地理信息系统 （3）地理信息系统工具3.地理信息系统与其他系统的区别：（1）GIS有别于DBMS（数据库管理系统），GIS具有以某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，因此，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。（2）GIS有别于MIS（管理信息系统），GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS。（3）GIS有别于地图数据库，地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。（4）GIS有别于CAD系统，二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。4. 地理信息系统的研究内容 （1）基本理论 （2）技术系统 （3）应用方法5. GIS 的构成 （1）系统硬件 （2）系统软件 （3）空间数据 （4）用户6. GIS的基本功能 （1）数据获取 （2）数据编辑投影变换 （3）空间查询空间分析 （4）存储检索 （5）数据输出7. GIS的发展阶段（1）60年代起源于北美：加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调查资料，于60年 代开始建立地理信息系统（CGIS），于70年代初投入产品生产；同一时期的美国哈佛大学的计算机图形与空间分析实验室，建立通 用的制图软件包，竭力发展空间分析模型和软件。 （2）70年代是GIS发展的巩固阶段：美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。 （3）80年代为地理信息系统的大发展阶段：计算机的迅速发展和普及，地理信息系统也逐 步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向应用阶段。 （4）90年代至今为地理信息系统的应用普及时代 ：由于计算机的软硬件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。从美国的 “国家信息基础设施：行动计划（National Information Infrastructure ,简称NII）” 建设到数字地球的提出，由“数字地球”细化到“数字中国”、“数字省区”、“数字城市” 、“数字小区”直到“企业信息化”、“电子商务”、“数字通讯”、“虚拟现实”等众多的信息化领域的工作已全面铺开。 （二）1.坐标系统：西安1980 北京 19542.地图投影：将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影 为什么要进行投影 （1） 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（2） 地球椭球体为不可展曲面 （3）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3.投影的实质：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的点的地理坐标（，）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系： x=f1(，) y=f2(，)当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。4. 投影的变形：（1）长度变形（2）面积变形（3）角度变形5我国常用的地图投影 （1） 1：100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）（2）大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影（3）1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯克吕格投影。6我国地图比例尺分级系统： 大比例尺：1：5001：10万 中比例尺：1：10万1：100万 小比例尺：1：100万7.空间对象（实体）类型 （1）点实体 有位置，无宽度和长度； 抽象的点 （2）线实体 有长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离 （3）面实体 具有长和宽的目标 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 一般分为连续面和不连续面8.地理信息数字化描述方法 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。 9.空间对象的描述要素 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类 码 表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行表识，是唯一的。位置：坐标形式给出空间对象的空间位置类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成行为：空间对象所具备的行为和功能属性：空间对象所对应的非几何信息说明：实体数据来源、精度等关系：与其他实体之间的关系10. 拓扑关系 见书p欧拉公式在GIS中有着重要的意义，主要用来检查空间拓扑关系的正确性，能发现点、线、面不匹配的情况和多余、遗漏的图形元素。 c + a = n + bn: 结点数a: 弧段数b: 多边形数c: 常数，为多边形地图特征。若b包含边界里面和外面的多边形，则c=2，若b仅包含边界内部多边形，则c=111.地理数据的类型 (1)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(2)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(3)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。12. 一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。 元数据的主要作用 (1)帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档 (2)提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据 (3)提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息 (4)帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断 (5)提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据13. CSDGM地球空间数据元数据内容标准 FGDC，美国联邦空间数据委员会 GDDD数据集描述方法 MEGRIN，欧洲地图事务组织(三)1. 空间数据结构l 网格数据结构(显式表示 )l 矢量数据结构(隐式表示 ) 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。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 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，不必象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2. 矢量数据拓扑结构，即基本要素点线面和实体之间具有邻接、关联和包含的拓扑关系,与长度面积无关。 概念：拓扑学是几何学的一个分支，它研究图形在连续变形下（拓扑变换）的那些不变的几何属性。组成一个图形的各元素（结点、弧段、面域）之间都存在着二元关系，即邻接关系和关联关系。在地图上这种关系可以借助图形来识别，而在计算机中这种关系需用拓扑关系加以定义。拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法。 拓扑关系的重要意义（1）根据拓扑关系可以确定地理实体间的相对空间位置， 而无需利用坐标和距离；（2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询；（3）可以利用拓扑数据重建地理事体。 如建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等。 空间数据的拓扑关系1. 拓扑邻接： 同类元素之间的拓扑关系。2、拓扑关联： 不同类元素之间的拓扑关系。3、拓扑包含： 同类不同级元素之间的拓扑关系 地理空间数据拓扑关系应用价值（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离（2）利于空间要素查询（3）重建地理实体3. 矢量数据 优点： 表示地理数据的精度较高 严密的数据结构，数据量小 完整的描述空间关系 图形输出精确美观 图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现 面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息缺点： 数据结构复杂 矢量叠置较为复杂 数学模拟比较困难 技术复杂，特别是软硬件 栅格数据 优点： 数据结构简单 空间数据的叠置和组合方便 各类空间分析很易于进行 数学模拟方便缺点： 图形数据量大 用大像元减少数据量时，精度和信息量受损 地图输出不美观 难以建立网络连接关系 投影变换比较费时 矢量数据向栅格数据转化的方法 （1）点的变换（2）矢量线段的变换 （3）多边形数据的转换 (边界代数算法、内部点扩散法、射线算法） 栅格数据向矢量数据转换的方法 （1）二值化 （2）细化（剥皮法、骨架法）（3）跟踪（四）1.数据库：概念 数据库是以一定的组织形式存贮在一起的互相有关联的数据的集合。数据库是由两个最基本的部分所组成：一是原始信息数据库，即描述全部原始要素信息的原始数据，也是数据库系统加工处理的对象；二是程序库，即数据库软件，它存放着管理和控制数据的各种程序，是数据库系统加工处理的手段。两种不同类型的数据库 (1) 事务管理数据库 （2）空间数据库2.数据模型：主要是指用来管理和存贮空间数据的数据库模型。常用的数据模型有 （1）层次模型 优点：存取方便，容易理解。 缺点：结构呆板，要保留大量的索引文件，结构冗余。（2）网络模型 优点：明确而方便地表示数据间的复杂关系，数据冗余小。 缺点：指针数据增加数据量，指针的建立和维护是非常达的任务。（3）关系模型 优点：结构特别灵活，可以满足所有用布尔运算和数学运算规则形成的询问要求，能搜索，组合，比较不同类型的数据， 缺点：许多操作都要求在文件中顺序查找满足特定关系的数据，可能花费很多时间。（4）面向目标模型 3.空间数据库 概念 空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的场所。 空间数据库与一般数据库的不同（1）数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置和空间关系等，其数据量往往很大； 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系； 数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。4.空间数据的基本特征 空间特征 非结构化特征 空间关系特征 多尺度和多态性 分类编码特征 海量数据特征5.栅格数据管理方式：（1）数据管理方法（2）文件管理方式6.空间数据库引擎：1996年，ESRI公司与Oracle等数据库开发商合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到大型关系数据库中管理的产品，将其定名为“spatial database engine”，简称SDE，即为“空间数据库引擎”。7. 常见空间索引方法通常采用自上而下，逐级划分空间的方式来建立索引：l 实体（对象）范围索引l 格网索引l 四叉树索引l R树和R+树索引l CELL树索引（五）1空间数据采集和处理的步骤 （1）数据源的选择 （2）采集方法的确定 （3）数据的进一步编辑与处理 （4）数据入库2.数据的采集方法 （1）定位设备 （2）数字化设备 （3）数据交换3.数据编辑 内容（1）数据不完整，重复。（2）空间数据位置不正确。（3）空间数据比例尺不准确。（4）空间数据变形。（5）几何和属性连接有误。（6）属性数据不完整。 主要方法：（1）叠合比较法，（2）目视检查法。（3）逻辑检查法4. 数据质量特征 准确度：与真值的接近程度； 精度：对象表达的详细程度 不确定性：不能精确描述的对象 相容性：两个来源数据在同一应用中的难易程度 一致性：同类现象表达的一致性 完整性：数据的完整性 可得性：数据获取的容易程度 现势性：数据反映对象目前的程度评价指标（1） 完备性（2）逻辑一致性（3）位置准确性（4）时间准确性空间数据质量的控制方法 （1）传统的手工方法（2）元数据方法（3）地理相关法 （六）1.空间查询 方式 （1）图形差属性 （2）属性查图形2.空间量算 （1）几何量算 （2）距离量算 （3）形状量算 （4）质心量算 形状特征描述参数 （1） 圆U=1 （2）U1膨胀型 （3）U1 紧缩型3.栅格叠置分析运算方法 布尔逻辑运算 重分类 数学运算复合法4缓冲区 缓冲把地图分为两个区域，一个区域在所选地图要素制定距离之内，另一个在制定距离之外。在指定距离之内的区域称为缓冲区 常见缓冲区类型 （1）点，圆形缓冲区 （2）线，长条缓冲区 （3）面，向内、外的缓冲区5. 最佳路径的数学模型 直接求解比较困难，目前主要采用戴克斯徒拉在1959年提出的算法 6.定位与分配的应用 通过网络模拟资源的供需分配问题规划重要的公共设施普通设施q 医院、教育、养老院等应急设施q 消防队、急救站等7定位与分配的常用模型 最小距离法（P 中值定位模型） 所有需求点到服务点的总距离为最小 图书馆、食物配送、健康设施、垃圾站设置等 最大覆盖模型 指定时间或距离到达需求的覆盖面最大 紧急救护、消防服务 最大最小距离 保证行程最小的情况下确保需求点在指定的最大距离范围内（七）1.数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表示），它是对二维地理空间上具有连续变化特征地理现象的模型化表达和过程模拟。 数字地形分析（Digital Terrain Analysis, DTA），是指在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术。DTA技术是各种与地形因素相关空间模拟技术的基础。2.地形属性分类 （1）地形曲面参数 （2）地形形态特征 （3）地形统计特征 （4）复合地形属性3.地形分析的主要内容一是在复杂的现实世界地理过程中各影响因子和简单、高效、精确、易于理解的抽象与计算机视线中找到平衡。简单地说，就是提取描述地形属性和特征的因子，并利用各种相关技术分析解释地貌形态，划分地貌形态等。二是DTM的可视化分析。数字地形分析中可视化分析的重点在于地形特征的可视化表达和信息增强，以帮助传达地形曲面参数、地标形态特征和复合地形属性的信息。4. 常用的数字地形分析的方法（1）提取剖面地形因子