地理信息系统概论 全套PPT课件.ppt

面向21世纪的课程教材，地理信息系统导论，电子教学计划，1，地理信息系统，地理信息系统，2，使用说明，该电子教学计划旨在方便教师和学生使用面向21世纪的课程教材地理信息系统概论（修订版）(黄星羱，马劲松，唐沁，高等教育出版社，2001)。电子教案是根据教科书的章节体系设计的，辅以图表，试图以生动简洁的方式传达教学重点、教学难点和教学活动供选择。第六章是在前几章教学的基础上的总结，要求教师通过1-2个应用模型整合前几章介绍的内容、方法和相关操作，使学生了解应用地理信息系统技术解决实际应用问题的原则、方法和过程。第六章的第一节和第二节包含基本概念和应用实例，是必修内容。其余部分可由教师根据实际情况选择作为课堂讨论、计算机练习或课程论文的内容。为了学好地理信息系统，学生必须首先学好地理信息系统。也就是说，宽广(共建共享)、智慧(发展创新)和微笑(微笑服务)。地理信息系统是一门非常实用的学科。因此，我们应重视技能培训，掌握基础地理信息系统软件如ArcInfo的操作和使用。地理信息系统是一门发展迅速的学科。因此，有必要经常阅读相关文献，把握地理信息系统学科的发展趋势，努力更新知识，不断提高能力。基本要求本课程旨在使学生掌握地理信息系统的基本原理、技术方法和实际应用，了解其主要应用领域和发展方向，为地理信息系统的地理应用和应用地理信息系统的发展奠定基础。具体要求如下：了解地理信息系统的基本原理，包括空间数据的语义基础、地理信息系统的科学定义、空间关系和空间对象的表达、空间数据的结构和类型、空间分析的原理和地球科学模型的方法等。掌握地理信息系统的基本技术和方法，具备使用MapInfo或ArcInfo软件收集、存储和管理空间数据、处理、分析和创建图形的基本技能。初步具备将地理信息系统技术应用于地学研究的能力，包括地学应用模型的构建、应用地理信息系统的设计、主要地理信息系统软件系统的使用和评价等。教学内容和课时分配分为八章，包括课堂教学和计算机实践，共80学时。具体安排如下：课堂教学(52小时)、计算机实践(28小时)、8小时和课堂教学(52小时)。第一章简介(2小时)1.1地理信息系统的基本概念1.2地理信息系统的基本构成1.3地理信息系统功能简介1.4地理信息系统发展展望第二章地理信息系统的数据结构(6小时)2.1地理空间及其表达2.2地理空间数据及其特征2.3空间数据结构的类型2.4空间数据结构的建立9， 第3章空间数据的处理(6小时)3.1空间数据的坐标变换3.2空间数据结构的变换3.3多源空间数据的融合3.4空间数据的压缩和插值方法3.5空间数据的合成3.6地图数据边缘匹配处理第4章地理信息系统空间数据库(8小时) 4.1空间数据库概述4.2空间数据库概念模型设计：传统数据模型4.3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4.4空间数据库逻辑模型设计和物理设计4.5地理信息系统时空数据库，10， 第5章空间分析的原则和方法(10小时)5.1数字地面模型分析5.2空间叠加分析5.3空间缓冲分析5.4空间网络分析5.5空间统计分析5.6空间数据聚合分析和查询第6章地理信息系统应用模型(8小时)6.1地理信息系统应用模型概述6.2适宜性分析模型6.3发展预测模型6.4地址选择模型11， 6.5交通规划模型6.6地球科学模拟模型6.7专家系统概述第7章地理信息系统的设计和评估(6小时)7.1地理信息系统设计概述7.2地理信息系统的设计7.3地理信息系统的标准化7.4地理信息系统的评估第8章地理信息系统产品的输出设计(6小时)8.1地理信息系统产品的输出形式8.2地理信息系统图形输出系统设计8.3地理信息系统的可视化和虚拟现实，12，计算机实践(28小时)，12，13， 考核方法与参考书目、考核方法本课程的教学应坚持理论与实践相统一的原则，考核方法包括平时提问、期中考试、期末考试和计算机实践结果的评价等。本课程采用的结构化评估和评分方法是：学生总成绩(100分)=常见问题和课堂讨论成绩(20分)、计算机实践和课程设计成绩(40分)和期末考试成绩(40分)。14，参考书目龚建亚。地理信息系统基础。北京：科学出版社，2001郭等。地理信息系统的基础与应用。北京：煤炭工业出版社，1997，朱克章等.地理信息系统实用教程.北京：高等教育出版社，2000吴信才等。地理信息系统原理与方法。北京：电子工业出版社，2002，评估方法与参考文献，15，第1章绪论，第1节地理信息系统的基本概念，第2节地理信息系统的基本构成，第3节地理信息系统的功能简介，第4节地理信息系统的发展前景，第16节，第1节地理信息系统的基本概念，数据与信息的词义差异：数据是信息的表达，信息是数据的内容；数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为有影响时，数据才成为信息。信息是当代社会发展的一项重要任务。地理信息地理信息是指描述地理圈或地理环境中自然元素或物质的数量、质量、分布特征、关系和规律的数字、字符、图像和图形的总称。地理信息属于空间信息，具有空间位置、多维结构和动态变化的特点。地理信息系统的基本概念地理信息系统是一门跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。研究了地理空间信息处理与分析过程中提出的一系列基本问题，如空间对象表达与建模、空间关系与推理机制、空间信息控制基准、空间信息认知与分析、地理信息系统设计与评价、地理信息系统应用模型与可视化、空间信息政策与标准等。地理信息系统的操作对象是空间数据。空间数据的主要特点是按照统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述。地理信息系统的技术优势是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形生成手段和可靠的科学预测和决策辅助功能。地理信息系统是管理和分析空间数据的应用工程技术。工程技术系统由六个子系统组成。地理信息系统为地理学解决复杂的规划和管理问题提供了有效的手段，地理学为地理信息系统提供了重要的基础理论支持。地理信息系统的科学定义：地理信息系统不仅是管理和分析空间数据的应用工程技术，而且是一门跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。该技术系统由计算机硬件、软件及相关方法和流程组成，用于支持空间数据的收集、管理、处理、分析、建模和显示，从而解决复杂的规划和管理问题。第二节地理信息系统硬件的基本组成包括主机、外围设备和存储、处理、传输和显示空间数据的网络。系统软件由系统管理软件、数据库软件和基础地理信息系统软件组成，用于地理信息系统功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出。空间数据库由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新。应用模型由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决实际应用问题，获得经济效益和社会效益。用户界面由菜单、命令或表格图形用户界面组成，是实现人机对话的工具。地理信息系统的基本结构图，第22节，介绍地理信息系统的功能，数据采集和编辑的基本功能；数据存储和管理；数据处理和转换；空间分析和统计；产品的生产和展示；二次开发和编程。23，应用功能资源管理；区域规划；土地监测；辅助决策；定位服务。第三部分是对地理信息系统功能的简要介绍，第四部分是地理信息系统发展简史。发展趋势：地理信息系统已成为一项综合性技术；地理信息系统产业化发展势头强劲。地理信息系统网络化已经成为当今社会的一个热门话题。地理地理信息学的产生和发展。基础理论地理信息系统是传统科学与现代技术相结合形成的边缘学科。因此，它明显体现了跨学科的特点。这些交叉学科的基本理论也构成了地理信息系统的基本理论体系。各国政府都成立了相应的组织来指导地理信息系统的理论研究。例如，美国国家自然科学基金会支持建立国家地理信息和分析中心。研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机制和地理信息不确定性。李德仁院士在空间信息系统的集成与实现一书中简要描述了地理空间信息学的七个理论问题：地理空间信息学的基准；地理空间信息标准；地理空间信息的时空变化理论；地理空间信息认知；地理空间信息的不确定性；地理空间信息的解释和反馈；地理空间信息的表达和可视化。第2章地理信息系统数据结构第1节地理空间及其表达第2节地理空间数据及其特征第3节空间数据结构类型第4节空间数据结构的建立第27节地理空间及其表达地理空间的概念在地理信息系统中通常用“地理空间”来表达，它一般包括地理空间定位框架及其连接的空间对象。地理空间定位框架，即大地控制，由平面控制网和高程控制网组成。地理信息系统的任何空间数据都必须集成到一个统一的空间参考框架中，以实现不同来源数据的集成、连接和统一。目前，我国采用的大地坐标系是1980年的中国大地坐标系，现在规定的高程起始基准是1985年的国家高程基准。空间实体的表达是在计算机中进行的，真实世界是用各种数字和字符来表达和记录的。现实世界中有两种表达各种空间对象的方式，即矢量表示(矢量数据模型)和栅格表示(栅格数据模型)，如下图所示。地理信息系统的空间数据可以根据数据项、空间对象和图形特征的不同分为不同的类型。空间、属性和时间特征空间对象的三个基本特征：第2节地理空间数据及其特征30空间特征是指空间对象的位置及其与相邻对象的空间或拓扑关系；属性特征是指空间对象的主题属性。时间特征是指空间对象的时间演化引起的空间和属性特征的变化。第2节地理空间数据及其特征，33。空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，在地理信息系统数据处理、空间分析和数据库查询检索中具有重要意义。空间数据的计算机表示是指利用确定的数据结构和数据模型表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。第2节地理空间数据及其特征第3节空间数据结构类型矢量数据结构是使用欧几里德几何中的点、线、平面及其组合来表示地理实体的空间分布的数据组织方法。矢量数据结构分为简单数据结构(也称为面数据结构)、拓扑数据结构和曲面数据结构。拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是它的拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和节点连接编辑。第3节空间数据结构的类型、拓扑数据的示例、第37节空间数据结构的类型、第38节栅格数据结构栅格数据结构指的是一种数据组织方法，该方法将空间划分为规则的栅格像元，并将对应于空间对象的属性值分配给每个栅格像元。栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六进制树数据结构。第3节，空间数据结构的类型，39，空间数据结构的类型，矢量结构，栅格结构，40，矢量和栅格数据结构的矢量和栅格集成的基本概念；矢量栅格一体化数据结构的设计。矢量和栅格数据结构的比较，第41节，空间数据结构的建立，系统功能和数据之间的关系现代地理信息系统数据模型的一个重要特征是数据和功能之间的密切关系(见下表)。因此，在确定数据内容时，必须首先明确定义系统功能。开发的地理信息系统的功能是通过调查用户的需求来确定的。因此，在开发地理信息系统之前，首先要进行系统分析。空间数据的分类和编码，空间数据的分类是指根据系统功能和国家规范标准，将具有不同属性或特征的要素进行区分，从而将空间数据逻辑组织成不同的信息层的过程(见下图)；系统功能和数据之间的关系(根据JackDangermond等人的说法)，43，信息层图，44，空间数据编码：指的是对数据进行分类，并用计算机和人容易识别的符号系统来表示数据的过程。编码结果是代码的形成。代码由数字或字符组成。例如，中国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下：大类代码、小类代码、一类代码、二类代码标识位、大类代码、小类代码、一类代码和二类代码分别按数字顺序排列。标识位由用户定义，以便于扩展。矢量数据的输入和编辑矢量数据的输入是指将分类和编码的空间对象图形转换成一系列x和y坐标，然后根据确定的数据结构将其添加到线段或标记点的计算机数据文件中。空间数据编辑的目的是消除数字化过程中引入的各种误差，检查数据的拓扑关系。栅格数据和编辑栅格数据的输入方式包括透明栅格采集输入、扫描数字输入和其他数据传输或转换输入等。栅格数据编辑的目的还在于消除数字化过程中引入的各种误差。根据栅格数据结构的特点，其编辑内容还包括数据压缩和数据组织转换，如下图所示。组织空间数据的不同方法第3章空间数据处理第1节空间数据坐标变换第2节空间数据结构变换第3节多源空间数据融合第4节空间数据压缩和整合第5节空间数据插值方法第6节地图数据边缘匹配处理第49节空间数据坐标变换和几何校正几何校正指数字化原始图像数据的坐标变换和绘图变形误差的校正，以实现与理论值的一一对应。几何校正方法包括仿射变换、相似变换、二次变换和高阶变换。50，第一节空间数据坐标变换，例如仿射变换，51，投影变换投影变换是指当系统使用从不同地图投影的图形数据时，投影的数据需要转换成待投影的坐标数据；投影变换方法