重要武大资环院GIS课件自我总结

1、武大资环GIS课件总目录:l 第一讲：地理信息系统概论P1l 第二讲：空间数据与数据获取P12l 第三讲：空间数据模型P23l 第四讲：空间数据库模型P35l 第四讲：（补充）空间索引P40l 第五讲：空间数据处理P43l 第六讲：空间数据查询与分析P48l 第七讲：空间数据可视化l 第八讲：几种常见的空间数据模型第一讲 地理信息系统概论1， 基本概念2， 地理信息系统的起因与发展 3， 地理信息系统的基本内容 4， 地理信息系统的构成5， 地理信息系统与其他系统的差别6， 地理信息系统的分类 1、基本概念l 数据l 信息l 地理信息l 信息系统l 地理信息系统信息和数据:信息（Informa

2、tion）：是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，信息向人们（或系统）提供关于现实世界的知识，作为生产、管理、经营、分析和决策的依据。 数据（Data）：是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，它们以数字、文字、符号、声音、图象等形式被输入到计算机被存储和处理的。 数据本身并没有意义。数据的格式往往与具体的计算机系统和应用需求有关。两者关系：l 信息来自数据，数据是未加工的原始资料 l 数据是信息的载体和表达，信息是数据的内涵，两者是形与质的关系。l 数据只有在具体的语境下才有意义，成为信息。例如：80信息需要依赖正确的数据形式才能够正确表达

3、和应用。同样的信息可以采用不同的数据形式来表达。地理信息（Geographic Information 简称GI）地理信息是指地理环境中各地理实体固有的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律等信息的总称。地理信息是对表达地理实体特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。从地理实体到地理数据，再到地理信息的发展，反映了人类认识的巨大飞跃。地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，它具有区域性。地理信息又具有多维结构特征，即在同一XY位置上具有多个专题和属性的信息结构。例如在一个地面点位上，可取得高度、地耐力、噪声、污染、交通等多种信息。而且，地理信息有明显的时序特征，即动态变化的

4、特征，这就要求及时采集和更新它们，并根据多时相的数据和信息来寻找随时间变化的分布规律，进而对未来作出预测或预报。地理信息除了描述地理实体的空间位置外，还包含与位置有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。它脱胎于地图，地图是地理信息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功能。信息系统（Information System）l 系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体l 信息系统：指能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统，具有数据采集、管理、分析和表达等功能l 信息系

5、统是基于数据库的问答系统 ：l 信息系统是具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为企业、部门或组织的决策过程提供有用的信息。通常包括经营信息系统、企业管理信息系统、金融信息系统、交通运输信息系统、空间信息系统和其它信息系统等。其中的空间信息系统是一种十分特别而重要的信息系统，它要采集、管理、处理和更新空间信息。l 信息系统的构成： 用户:是信息系统所服务的对象，是信息系统的主人。用户分一般用户和从事系统建立、维护、管理和更新的高级用户硬件:包括各类计算机处理机及其终端设备软件:是支持数据与信息的采集、存贮、加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统数据:则包括定量和定性数据 知识:是智能信息系

6、统的重要组成部分，用于指导系统的智能化运行地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）l 陈述彭院士认为“地理信息系统可简单定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”l 美国科学院院士Prof.Goodchild把GIS定义为“采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”l 武汉大学龚健雅教授定义“地理信息系统（GIS）是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统”l 在地理信息系统中，现实世界被表达成一系

7、列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间信息和非空间信息两个组成部分l 地理信息系统是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学于一体的新兴边缘学科l 地理信息系统中包括空间数据和属性数据两大类数据，前者描述地理实体的空间位置，后者描述地理实体的特征。空间数据有时又被称为图形数据。2、地理信息系统的起因与发展l 地图作为空间数据的载体长期为航海、军事以及现代经济建设服务l 二十世纪立体航空摄影测量和遥感成象技术的发展提高了空间数据的精度，加速了空间数据获取速度l 五十年代，测绘工作者和地理工作者开始利用计算机汇总各种空间数据，并进行处理和分析，其结

8、果成为决策过程的有用信息 l 六十年代末，加拿大建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划；著名的地理信息系统软件公司ESRI和Integraph相继成立l 七十年代计算机硬软件技术的发展推动地理信息系统朝实用方向迅速发展，一些地理信息系统软件公司推出各自的应用系统，据统计，七十年代有300多个应用系统投入使用； 1972年第一本地理信息系统专著地理数据处理出版。许多大学开始培养GIS人才，创建了地理信息系统实验室。 l 八十年代是GIS普及和推广应用的阶段，GIS基础软件和应用软件的发展，使得GIS应用从解决基础设施的管理和规划（如道路、输电线）转

9、向更复杂的区域开发，例如土地利用、城市化发展、人口规划与分布等，并涌现出一些有代表性的GIS软件，如 ARC/INFO，TIGRIS，MGE，SICAD，GENAMAP，SYSTEM 9等，它们可在工作站或微机上运行。 此外，1987年，“地理信息系统的国际杂志”出版；1988年， GIS WORLD杂志首次发行1988年，首次GIS/LIS国际会议召开 GIS WORLD is the world's first and leading magazine devoted to serving the GIS industry. It is dedicated to the under

10、standing and application of GIS technology worldwide.从九十年代开始，地理信息系统进入应用产业化阶段，随着微机和Windows的迅速发展 ，一些基于Windows和Windows NT的桌面GIS如MAPINFO、ARCView、GeoMedia等软件以其界面友好、易学好用的独特风格，将GIS带入到各行各业。因特网发展特别是九十年代万维网的发展，为地理信息系统在因特网上运行提供了必要的技术条件，各软件厂商争相研究出基于万维网的地理信息系统软件。比较典型的软件有：Autodesk公司的Map Guide、ESRI公司的MapObject IMS

11、、Intergraph公司的GeoMdia Web Map、MapInfo公司的MapInfo ProServer和武汉测绘科技大学吉奥信息工程公司的 GeoSurf等。21世纪，地理信息系统进入网络化阶段，国家级及全球性的地理信息系统已经成为公众关注的问题。 以因特网为基础、以提供地理信息服务为目标的分布式地理信息系统成为目前地理信息系统行业的主要研究对象和发展方向。地理信息系统技术的发展过程3、GIS的基本内容GIS的内容主要包括： 有关的计算机软、硬件； 空间数据的获取； 空间数据的表达及数据结构； 空间数据的处理； 空间数据的管理； 空间数据分析； 空间数据的显示与可视化； GIS的应

12、用； GIS的项目管理、开发、质量保证与标准化； GIS机构设置与人员培训等。 GIS的研究内容4、地理信息系统构成从计算机的角度看，地理信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成，这一点与其他信息系统一致。 ü 数据则包括图形和非图形数据、定性和定量数据、影像数据及多媒体数据等 ü 数据处于核心地位，用户通过软件和硬件操纵数据ü 在地理信息系统的构成中，硬件、软件和数据的比例通常为1:2:7ü 硬件寿命一般较短，计算机主机的寿命只有3-5年，软件寿命约为5-15年，而数据的有效寿命，短的只有1-2年，长的则可达到5-70年或更长 传统的构成

13、& 网络时代的构成地理信息系统基本元素硬件系统局域网模式局域网（LAN-Local Area Network）是指小区域网的计算机互连网。局域网由于通讯距离较短，可以采用专用网线，因而有较高的数据传输速率和较低的误码率。 硬件系统单机模式硬件系统广域网模式广域网（WAN:Wide Area Network）是在一个广泛范围内建立的计算机通信网，不受地区限制。广域网可与局域网互连，局域网可以是广域网的一个终端系统。广域网按照一定网络协议实现不同系统的互连和相互协同工作。· 地理信息系统软件构成GIS的软件层次。最下面两层为操作系统和系统库，它们是与硬件有关的，故称为系统软件。再

14、上一层为标准软件，以保证图形、数据库、Windows系统及GIS系统能够运行，故称为基础软件。上面三层包含GIS基础软件、应用软件和用户界面，代表了地理信息系统的能力和用途。对非单机版的GIS系统还需要网络通讯软件的支持。 地理信息系统基本功能GIS基础软件GIS基础软件：按照GIS的基本功能采集、存储、查询、分析、表达和输出，可将GIS基础软件分为五大子系统 数据输入子系统数据输入子系统包括将现有地图、外业观测成果、航空像片、遥感数据、文本资料等转换成计算机兼容的数字形式的各种处理转换软件 图形及属性编辑子系统图形及属性编辑子系统负责数字化仪的数据输入和图形编辑。一方面原始输入数据有错误，需

15、要编辑修改，另一方面需要修饰图形，设计线型、颜色、符号、注记等，还要建立拓扑关系，图幅接边，输入属性数据等。空间数据库管理系统地理数据库中存储地理要素或地理实体的位置、空间关系以及属性数据。数据库管理系统则是能够对地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供必须的空间数据查询、检索和存取功能，能够空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。许多GIS软件采用关系数据库管理属性数据，而空间数据采用文件系统来管理。目前，一些大型的商用关系数据库如Oracle增加了空间数据类型，基于这类数据库实现GIS空间数据和属性数据的统一管理。空间查询与空间分析子系统制图与输出子系统组件式GIS的构成在90年代末期

16、出现了组件式GIS设计思想，是基于组件式程序设计模式，采用相互独立的组件模块实现GIS的各种功能，遵循特定的接口规范，通过系统注册方式嵌入到GIS系统中，组件模块的更新不影响整个系统。Internet GIS的构成5、地理信息系统与其他系统的差别GIS与计算机辅助制图（简称机助制图或数字制图）系统的区别与联系 ：l 联系：Ø 机助制图是地理信息系统的主要技术基础，它涉及到GIS中的空间数据采集、表示、处理、可视化甚至空间数据的管理Ø GIS早期的技术都主要反映在机助制图方面l 区别：地理信息系统和数字制图系统的主要区别在于空间分析方面，：地理信息系统可以包含数字制图系统的所

17、有功能，此外它还应具有丰富的空间分析功能。要建立一个决策支持型的GIS应用系统，需要对多层的图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，以提供对规划、管理和决策有用的信息，各种空间分析如缓冲区分析、叠置分析、地形分析、资源分配等功能是必要的 GIS与数据库管理系统的区别与联系 ：l 联系：Ø 数据库管理系统目前一般指商用的关系数据库管理系统，通常是地理信息系统中数据管理的基础软件，特别是属性数据的管理。目前大型的商用数据库如Oracle增加了管理空间数据的功能。 l 区别：Ø 地理信息系统除需要空间数据的管理功能之外，还需要具有图形数据的采集，空间数据的可视化和空间分析等功能

18、Ø GIS在硬件和软件方面均比一般事务数据库更加复杂，在功能上也比后者要多GIS与CAD的区别与联系 ：计算机辅助设计（CAD）是计算机技术用于机械、建筑、工程和产品设计的系统，它主要用于范围广泛的各种产品和工程的图形GIS与遥感图像处理系统区别与联系 ：遥感图像处理系统是专门用于对遥感图像数据进行分析处理的软件。它主要强调对遥感栅格数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取 。 l 联系：Ø 遥感数据是地理信息系统的重要信息源 Ø 遥感数据经过遥感图像处理系统处理之后，或是进入GIS系统作为背景影像，或是与经过分类的专题信息系统一道协同进行GIS与遥感的集成分析。

19、l 区别：Ø 遥感图像处理系统主要处理栅格数据，而GIS可以处理栅格、矢量以及属性数据 Ø GIS具有丰富的空间分析功能，能够表达地理实体之间的相互关系，而且具有属性数据管理与操作功能， 而遥感图像处理系统的空间分析功能相对较弱GIS与其它信息系统之间的联系和区别：第二讲 地理数据采集和数据质量1. 地理数据的内容2. 地理数据的基本特征3. 地理数据测量的尺度与精度 4. 地理数据来源5. 空间数据的采集 6. 空间数据转换7. 属性数据获取8. 地理数据质量1 地理数据的内容地理数据是GIS的血液。几乎所有的GIS操作都是围绕地理数据展开的。地理数据源、数据类型、数据质

20、量都直接影响到GIS应用的潜力、成本和效率。地理数据的数字表达可以归为：Ø 数字线划数据（Digital Line Graph，DLG）Ø 数字栅格数据（Digital Raster Graphic，DRG）Ø 数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）Ø 数字正射影像图（Digital Orthographic Map，DOM） Ø 影像数据（Image Data）Ø 属性数据(Attribute Data)（在测绘界和空间数据生产部门，将前四种数据统称为4D产品。）DLGl 数字线划数据是将空间地物直接

21、抽象为点、线、面的实体，用坐标描述它的位置和形状。这种抽象的概念直接来源于地形测图的思想。l 数字线划地图是现有地形图基础上的矢量数据集，并且保存有要素间的空间关系信息DRG数字栅格地图(DRG)： 数字栅格地图是模拟纸质地图的数字化产品，地图经过扫描、纠正、图像处理与数据压缩，形成在内容、几何精度和色彩上与地图完全一致的计算机栅格文件，主要用于计算机上地图查询以及各种计算机设计底图。DEM数字高程模型(DEM)：定义在x、y域离散点以高程表达地面起伏形态的数字集合。数字高程模型是现实世界地面山川河流起伏在计算机中的数字化表达。它在计算机中直观地反映现实的地貌情况。主要用于规划设计(如高速公路

22、设计，无线通讯台站设计，开挖及填埋土方计算，洪水淹没分析等)。Dont be confused about the expressions "digital terrain model" (DTM) an "digital elevation model" (DEM). DEM is only the more general expression for digital surface data but you must define the kind of surface the elevation data are for: e.g. DEM of

23、 the vegetation surface, DEM of the groundwater surface or DEM of the relief of the earth surface which is also called "digital terrain model". DOM数字正射影像图(DOM)：用数字形式储存的正射影像图。它是对遥感影像进行像元纠正、影像镶嵌等一系列处理后形成的影像平面图，带有坐标格网和图廓整饰，其上可叠加线画要素、文字注记等。较传统的地图而言，正射影像图具有信息量丰富、直观易读等特点；它生产周期短，现势性好。主要用于宏观规划、资源普

24、查、环保管理等。 这种图给人一种身临其境的感觉，具有很大的实用价值，用它可以修正大量过时的城区地图，并获取大量城市建设信息。影像数据l 影像数据包括遥感影像和航空影像，它可以是彩色影像，也可以是灰度影像。l 影像数据直观而又详细地记录了地表的自然现象，人们使用它可以加工出各种信息，如进一步采集数字线划数据。 属性数据l 属性数据包含两方面的含义：Ø 第一类：描述地理实体是什么，有什么样的特性，属于哪一类地理实体类型或地物类型。这种属性一般可以通过目视直接获得，同时考察它的形状和其他地理实体之间的关系；Ø 第二类属性是实体的详细描述信息，例如一栋房子的建造年限、房主、住户等，

25、这些属性必须经过详细的调查。 Ø 属性数据可以分为命名、次序、间隔和比值四种测度中的一种 2.地理数据的基本特征空间特征专题特征 时间特征 空间特征:l 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。l 空间位置可以通过坐标来描述。GIS中地理实体的形状和大小一般也是通过空间坐标来体现。l 空间位置坐标是定义在特定的坐标系统下的，GIS的坐标系统有严格的定义，如经纬度地理坐标系，一些标准的地图投影坐标系或任意的直角坐标系等。 l 空间关系是确定空间位置的另外一种重要方式，通过地理实体之间的相对位置关系，确定各自的空间位置。l 在GIS中直接存贮地理实体的

26、空间坐标。对于空间关系，有些GIS软件存贮部分空间关系，如相邻、连接等关系。而大部分空间关系则是通过空间坐标进行运算得到。时间特征l 地理实体都有一定存在时期，描述地理实体空间特征的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的，描述了那个特定时期地理实体的空间特征。l 时间特征对于时序性较强的地理实体和地理现象时间特征尤为重要，比如说人口分布、土地利用等，必须将其至于某个特定的时间段内说明或研究才具有实际意义。l 地理实体变化的周期有超短周期、短期、中期和长期之分 l 在GIS数据记录中，往往将时间特征作为属性数据的一部分记录，用于说明某个地理实体的其他属性数据和空间数据的记录年代

27、和时间。l 利用多时态数据在GIS中进行时空分析和动态模拟是当前GIS研究的难点和热点之一。 专题特征l 专题特征亦指地理现象或地理目标的属性特征，它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征，如地形的坡度、坡向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。l 专题特征在专题GIS研究的主要内容，它是GIS中的属性数据所要表达的信息。同样的属性数据经过不同专题数据模型的处理可以表达不同的专题特征。3、地理数据测量的尺度与精度地理数据包括定性数据和定量数据定性数据l 定性数据描述地理实体和地理现象的性质、分类和命名。定性数据主要反映属性特征。对地理实体和地理

28、现象的分类就是一种定性数据。l 定性数据只从名义或语义上描述在地球表面不同位置某种地理现象的不同性质，不能说明任何数量上或程度上的差异。尽管 有些定性数据采用数字形式记录，但也只是某个特征值的代码或标识，而不代表量化的任何概念。l 对某个地理实体或地理现象的定性描述不是一成不变的，不同的GIS应用领域或区域采用的定性描述标准可能不同，描述的详细程度也可能不尽相同。这表明在不同的应用系统中，定性数据的表达尺度和表达精度是变化的。 定量数据l 定量数据可以描述地理实体的空间特征和属性特征。描述空间特征的定量数据就是空间数据。对于空间坐标的测量，测量的尺度主要取决于采样点的取舍和坐标测量的精确度。属

29、性数据的采集尺度则取决具体应用对地理实体分类的详细程度和特征描述的深度等因素的要求。l 地图比例尺决定了地图表现的地理实体的精确程度，包括地理实体的数量、形状、空间位置的准确性等。以地图作为数据源的GIS数据的精度也受到比例尺约束。以影像数据作为数据源的GIS数据的精度受到影像数据的空间分辨率的制约。 l GIS中的比例尺概念又不完全等同于地图。例如按1:1万比例尺的规范建立的地理信息系统，可以输出1:1.5万甚至1:2万比例尺的地图。关于GIS中空间目标的测量尺度和精度，一般原则是计算机输出的地图要满足同等比例尺地图的精度要求。 l 描述属性特征的定量数据主要指一些量化指标，如工农业产值、职

30、工工资等，它反映数量或程度上的差异。影响属性定量数据的精度的因素很多，不同属性特征具有不同的精度衡量标准。4、地理数据的来源数据源类型l 数据源可以分为原始数据（第一手数据）和经过加工处理后的数据（第二手数据），又存在非电子数据和电子数据两种形式。 数据形式第一手数据第二手数据非电子数据平板仪、工程测量、航空相片、人口普查、社会经济调查地图、统计图表等电子数据全站仪、GPS数据、遥感数据等数据库（空间数据库，其他的专题数据库）等数据源l 野外观测数据平板测量：测量的成果都是纸质地图，通过手扶跟踪数字化和扫描方式成为数字数据；全站仪测量：两种方式，一种是它与电子手簿相连接，将数据存储到电子手簿上

31、，回到室内进行编辑和处理；另一种是将便携机直接与全站仪相连接，直接记录、编辑和处理；GPS测量：得到GPS天线所在位置的3维椭球面坐标；l 地图数据地图是GIS的主要数据来源，这不仅是因为地图的内容直观与丰富，而且是由于在地理信息系统诞生以前，地图是表示空间与非空间信息强有力的手段；地图的种类不同，按内容划分，包括各种比例尺的普通地图和专题地图。普通地图是以相对平衡的详细程度表示地球表面上的自然要素和社会经济要素，主要表达境界、居民地、交通网、水系、地形和植被等；专题地图重点反映某一种或几种专门的要素，从某种意义上说，一册完备的专题地图集是一个很好的人工操作地理信息系统； 为了便于输入可将地图

32、上表达的地理要素根据其分布形状分解为点、线和面三种基本要素。可以利用手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式输入计算机；l 遥感数据遥感数据是GIS的重要信息源，它至少具有下列一些特点(1)能取得大面积、综合的信息；(2)速度快；(3)能提供各类专题所需要的信息；从卫星或飞机上获取的图像信息主要有胶片和数字磁带两种记录形式。胶片是一种模拟信号，必须通过转换设备把模拟信号变为数字信号后，才能被计算机存储和处理；数字磁带是一种数字图像记录，通过读取设备可以直接进入计算机；遥感数据对GIS硬件和软件要求较高。l 统计资料统计资料是建立GIS必不可少的资料，在分析中起着重要的作用；包括社会经济数据、人口普查

33、数据、野外调查和监测数据等；统计数据一般都和一定范围内的统计单元和观测点联系在一起；l 文字报告文字报告可以是各行业、各部门的有关法律文档、行业规范、技术标准、条文条例等；在专题信息系统中，各种文字说明资料对确定专题内容的属性特征起着重要的作用；在区域信息系统中，描述区域地理特征的文字报告是区域综合研究不可缺少的参考资料。l 已有系统的数据GIS可以从其它已经建立的信息系统中和数据库中获取相关的数据。由于规范化、标准化的推广，不同系统间的数据共享和可交换性越来越强，这样就拓展了数据的可用性，增加了数据的潜在价值。已有系统的数据可以作为Internet GIS的重要数据源之一，Internet上

34、存储者各种各样丰富的数据，通过一定的网络许可就可以访问这些数据，这样可以充分的发挥已有数据的效益，节省数据重复生产的开销，同时也可以一定程度上减少系统之间数据的不一致性。5、空间数据采集l 数据采集的任务：Ø 将现有的上述类型数据采用适宜的采集手段转换成GIS可以处理与接收的数字形式，通常要经过验证、修改、编辑等处理进入地理数据库。l 数据采集需要考虑的要素：Ø 地理空间Ø 地理参照系Ø 地图投影 Ø 空间数据的分类与编码Ø 属性数据的分类与编码Ø空间数据采集的一般方法几种常用的空间数据采集方法：l 地图Ø 扫描数

35、字化Ø 手扶跟踪数字化Ø 屏幕跟踪数字化l 遥感影像Ø 定性：Ø 定量：l GPS和全站仪等空间数据的分类与编码l 几个概念：分类、代码、编码、标识码分类：是将具有共同的属性或特征的事物或现象归并在一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过程。 代码：是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号，是计算机鉴别和查找信息的主要依据和手段。又称为标识码编码：是指确定属性数据的代码的方法和过程。编码的直接产物就是代码，而分类分级则是编码的基础。l 编码方法在GIS中常用层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系作为排列顺序的一种编码方法，它的优点是

36、能明确表示出分类对象的类别和层次关系，代码结构有严格的隶属关系。 l 空间数据组织l 空间数据分层空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，通常称为图层（Coverage）空间数据分层方法： 1）专题分层 每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。如地貌层、水系层、道路层、居民地层等。 2）时间序列分层 将相同时间或时期的数据作为一个数据层。3）地面垂直高度分层 将位于相同高度带上的数据作为一个数据层。上述分层方法可以联合使用，比如专题分层的基础上，对不同时间采集的数据进行分层组织 空间数据分层的目的空间数据分层便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。 1. 空间数据分为若干数据层后，对所有

37、空间数据的管理就简化为对各数据层的管理，而一个数据层的数据结构往往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单； 2. 对分层的空间数据进行查询时，不需要对所有空间数据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因而可加快查询速度； 3. 分层后的空间数据，由于便于任意选择需要显示的图层，因而增加了图形显示的灵活性； 4. 对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。l 空间数据分类与编码空间数据分类和编码的过程也是对现实世界的认识过程，依据一定规律或规则将地理实体进行分类，使其有序的存储、检索和数据处理，同时便于后期以正确的方式表达空间数据。正确的分类是空间数据的专题分层的基础。空间

38、数据的分类一般是根据“地理实体是什么”的原则进行分类的，它属于属性数据的一种，属性数据的分类与编码比空间数据分类编码更加丰富和复杂在属性数据中，有一部分是与几何数据的表示密切有关的。例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的形状、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把这部分属性数据用编码的形式表示，并与空间数据一起管理起来。分类码和标识码:6、空间数据转换l 空间数据转换作为空间数据获取的手段之一，在现代GIS的建设中起越来越重要的作用。可以用于实现不同GIS系统之间的数据共享和数据交流。l 根据具体应用的需求，将已有的空间数据转换为用户所需的数据格式，可以避免数据的重复采集，缩短系统开发和应用的时

39、间。l 空间数据转换的内容主要包括三个方面的信息，其一是空间定位信息（实体的坐标），其二是空间关系（如一条弧段的起结点、终结点、左多边形、右多边形等），其三是属性数据。 但是在数据转换过程中会有不同程度的信息损失，比如特殊图形信息、空间拓扑关系、属性信息等。l 空间数据格式的相互转换：矢量数据和栅格数据的相互转换。l 基于外部数据交换文件的空间数据转换空间数据转换目前主要通过外部数据交换文件进行。大部分商用GIS软件定义了外部数据交换文件格式，一般为ASC码文件，如ARC/INFO的EOO，MapInfo的MID，Auto CAD的DXF，MGE的ASC Loader等。系统之间的数据一般要通

40、过2-3次的转换。 l 基于空间数据交换标准的空间数据转换Ø 制定空间数据交换的标准格式，每个GIS系统都提供读写这一标准格式空间数据的程序，可以避免大量编程工作，而且数据转换仅需要两次即可 l 基于空间数据的互操作的空间数据转换Ø 国际标准化组织之一的OGC（The Open Geospatial Consortium, Inc.）提出制定一套读写空间数据的标准函数，每个系统软件都按这一套标准提供读写自己系统空间数据的驱动程序，其它软件就可以通过调用这一程序，直接读到对方的内部数据。 7、属性数据获取l 属性数据获取主要在于资料的收集，包括各类调查报告、文件、统计数据、实

41、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。 l 在建立地理信息系统之前，首先要进行详细的用户调查，根据具体应用系统的需求，确定需要收集哪些数据、这些数据之间的关系是什么、属性数据和空间数据之间的关系如何、这些属性数据在什么单位收集等问题。 l 属性数据输入的方式有两种，一种是对照图形，利用键盘直接输入，另一种是预先建立属性表输入属性，或从其它统计数据库中导入属性，然后根据关键字与空间数据自动联接，有些需要手工辅助确定属性数据和空间数据之间的关系。l 属性数据中最为普遍和重要的数据就是类型数据，它在说明地理实体或地理现象类型的同时，也影响空间数据的分层组织和可视化表

42、达。根据不同的应用，同种地理现象的分类标准和分类体系不同。属性和空间数据的连接l 地理数据采用空间数据文件和关系数据库相结合的方式存储l 采用对象关系数据库存储地理数据，空间数据和属性数据存储一体化，数据录入时两者的关系已经建立8、地理数据质量l 数据质量是指数据适用于不同应用的能力。只有了解数据质量之后才能判断数据对某种应用的适宜性。l 考察数据质量的几个关键数据特征：Ø 准确度(Accuracy)：即测量值与真值之间的接近程度，可用误差(error)来衡量 Ø 精度（Precision）：即对现象描述的详细程度,但精度低的数据并不一定准确度也低。Ø 不确定性（

43、Uncertainty）：指某现象不能精确测得，当真值不可测或无法知道时就无法确定误差，因而用不确定性取代误差。可以用标准差来表示测量值不确定性 Ø 相容性（Compatibility）：指两个来源的数据在同一个应用中使用的难易程度。 表现在空间数据和属性数据两方面。Ø 一致性（Consistency）：指对同一现象或同类现象的表达的一致程度。有地理实体状态描述的一致性和逻辑一致性。Ø 完整性（Completeness）：指具有同一准确度和精度的数据在特定空间范围内是否完整的程度。 Ø 可得性（Accessibility）：指获取或使用数据的容易程度。

44、Ø 现势性（Timeliness）：指数据反映客观现象目前状况的程度。 GIS数据误差的主要来源数据处理过程 误 差 来 源  数据搜集野外测量误差：仪器误差、记录误差遥感数据误差：辐射和几何纠正误差、信息提取误差地图数据误差：原始数据误差、坐标转换、制图综合及印刷等误差 数据输入数字化误差：仪器误差、操作误差 不同系统格式转换误差：栅格-矢量互换、三角网-等值线互换  数据存储数值精度不够 空间精度不够：格网或图像太大、地图最小制图单元太大  数据处理分类间隔不合理 多层数据叠加引起的误差传播：插值误差、多源数据综合分析误差 比例尺太大引起的误差 数据

45、输出 输出设备不精确引起的误差 输出的媒介不稳定造成的误差 数据使用 对数据所包含的信息的误解 对数据信息使用不当 第三讲 空间数据的表达1. 地理系统（地理空间）2. 地理现象（地理空间实体）3. 地理空间认知模型4. 地理空间实体(对象)的描述方法5. 地理空间实体（对象）的矢量表达（矢量结构）6. 地理空间实体（对象）的栅格表达（栅格结构）7. TIN8. 空间索引 1： 地理系统（地理空间）l 地理系统是一个开放的复杂巨系统，主要涉及地球表层空间，按照层次划分，可分为岩石圈、水圈、生物圈、大气圈和电离层。地理信息系统目前所涉及的范围主要在岩石圈和大气圈之间的地理现象。l 地理

46、系统表现出来的各种各样的地理现象代表了现实世界，地理信息系统即是人们通过对各种地理现象的观察、抽象、综合取舍，得到实体目标，然后对实体目标进行定义、编码结构化和模型化，以数据形式存入计算机内，建立地理数据库。l 地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面，有着广阔的范围。但一般地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。l 设E1,E2,En为n个不同类的地理空间实体， E=E1,E2,En表示地理空间中各组成部分的集合；R表示地理空间实体之间的相互联系、相互制约关系，那么地理空间可以表为为S=E,R2地理现象（地理空间实体）：l

47、 地理空间实体是依附于地理空间存在的各种事物或者现象，它们可能是物质的，也可能是非物质的，它们的一个典型特征是与一定的地理空间位置有关，都具有一定的几何形态。l 空间特征l 空间位置:表示地理空间实体在一定的坐标参考系中的空间位置，通常用地理坐标系、平面直角坐标系来表示。也称几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状、分布状况等。l 空间关系：指地理空间实体之间存在的一些具有空间特性的关系.l 拓扑关系：拓扑变化下的拓扑不变量，如邻接关系、关联关系和包含关系等l 方位关系：实体在地理空间中的某种顺序，如左右、东南西北等l 度量关系：用地理空间中的度量来描述的实体之间的关系，实体之间的距离 l 属

48、性特征:是与地理空间实体相联系的、具有地理意义的数据或变量。属性通常分定性和定量两种，定性属性包括名称、类型、特征等；定量属性包括数量、等级等。l 时间特征：指地理实体随着时间而变化的特征。地理空间实体的位置属性和属性相对于时间来说，常常呈现相互独立的变化。3： 地理空间认知模型 现有的地理空间认知模型主要有三个： 场模型：强调空间要素的连续性 基于对象的模型：强调空间要素的离散性 网络模型：强调空间要素的交互 >>基于域（场）（field-based）的地理空间认知模型 把地理空间中的事物和现象作为连续的变量或体来看待，根据不同的应用可以表示为二维的，也可表示为三维的 在空间信息

49、系统中，场模型一般指的是栅格模型，其主要特点就是用二维划分覆盖整个连续空间。划分可以是规则的或不规则的，通常是采用正多边形作为划分的单位，如三角形、方格、六边形等。栅格模型把空间看作像元的划分，每个像元都记录了所在位置的某种现象，用像元值表示。该值可以表示一个确定的现象，也可以是一种模糊的现象。但一个像元应该只赋一个单一的值。栅格模型的一个重要特征就是每个栅格中的像元的位置是预先确定的，因此描述同一区域的不同现象的栅格数据之间很容易进行重迭运算。>>基于实体或对象(object-based)的地理空间认知模型 将研究的整个地理空间看成一个空域，地理实体和现象作为独立的对象分布在该空

50、域中。按照其空间特征的分为点、线和面三种基本对象，对象也可能是由其它的对象构成构成的复杂对象，并且与其它的对象保持着特定的关系。每个对象对应着一组相关的属性以区分出各个不同的对象。只适合于那些具有完整边界的地理现象。点实体：有特定的位置，维数为0的实体 如城镇、乡村居民地、交通枢纽、车站、工厂、学校、医院、机关、火山口、震中、山峰、隘口、基地等等 从较大的空间规模上来观测这些地物，就能把它们都归结为呈点状分布的地理现象。线实体：维数为1的实体，由一系列坐标点表示，有以下特征：q 实体长度：从起点到终点的总长；q 弯曲度：用于表示象道路拐弯时弯曲的程度；q 方向性：如水流从上游到下游，公路则有单

51、双向之分；q 如河流、海岸、铁路、公路、地下管网、街道、行政边界等 多边形实体：维数为2的实体，有以下特征：q 面积范围；q 周长；q 独立性或与其它地物相邻：如北京及周边省市；q 内岛或锯齿状外形：岛屿及海岸线；q 重叠性与非重叠性。q 如土壤、森林、草原、沙漠等等，属于大范围连续分布的自然地理现象，此外城市区划、耕地等属于社会经济现象 体实体：维数为3的实体，有以下特征：q 立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有以下一些空间特征：q ·体积，如工程开控和填充的土方量q ·每个二维平面的面积q ·周长q

52、83;内岛q ·含有弧立块或相邻块q · 断面图与剖面图对象模型强调的是空间要素的个体现象，研究的是个体现象本身或与其他个体现象的关系。任何现象，无论大小，都可以被确定为一个实体。如人为现象：建筑物、道路、管理区域等；自然现象：河流、湖泊、森林等。空间实体必须符合三个条件：q 可被识别q 重要（与问题相关）q 可被描述：位置、属性等在对象模型中，空间实体的空间位置、关系和度量的描述是非常重要的。空间实体见的空间关系可以抽象为点、线、多边形之间的六种关系： q 点点：q 点线：q 点多边形：q 线线：q 线多边形：q 多边形多边形：方位空间关系方位空间关系指的是空间实体之间的

53、上下、前后、左右、东西南北等顺序关系。可以根据实体类型分为：多边形多边形、多边形线、多边形点、线线、线点、点点之间的方位空间关系。 点点方位空间关系最好确定，只需计算两点连线与某一基准方向的夹角即可。多边形点、线点方位空间关系也可以在一定程度上简化为点点方位空间关系。 其余方位空间关系的计算就相对复杂得多了，目前尚未有很好的解决办法。度量空间关系基本度量空间关系指的是空间实体之间的距离，在此基础上，还可以构造出实体群之间的度量关系。距离度量有不同的计算方式：大地测量距离、曼哈顿距离（经度差加上纬度差）、时间距离等。 此外，还有其他的一些空间量算的指标：q 几何指标：位置、距离、面积、体积形状、

54、方位等q 自然地理参数：坡度、坡向、地表辐射度、地形起伏度、通达度等q 人文地理指标：交通便利程度、吸引范围、人口密度等>>基于网络的地理空间认知模型Ø 描述不连续的地理现象Ø 考虑通过路径相互连接多个地理现象之间的相交情况Ø 是基于对象的模型的一个特例，它是由点对象和线对象之间的拓扑关系所构成Ø 网络模型是从图论中发展而来。在网络模型中，空间要素被抽象为链、节点等对象，同时还要关注其间的连通关系。这种模型适合用于对相互连接的线状现象进行建模，如交通线路、电力网线等。网络模型可以形式化定义为： 网络图 （节点，节点间的关系，即链）4，地理空间

55、实体(对象)的描述方法l 地球空间模型 为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。根据大地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类：Ø 地球的自然表面：起伏不定，十分不规则的表面,马利亚纳海沟-11022米,珠穆朗玛峰8848.13米)。非常复杂，难以用一个简单的数学表达式描述出来，所以不适合于数学建模。l 相对抽象的面，即大地水准面：假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面。它有高达百米以上的起伏变化。l 模型，地球椭球体模型：绕地球自转轴旋转而成的椭球体。它是一个规则的数学表面。长半径、短半径和扁

56、率成为地球椭球体的基本元素。l 数学模型：为解决大地测量中其他一些问题提出的。 l 地图对地理空间的描述 地图是现实世界的模型，它按照一定的比例、一定的投影原则，又选择地将复杂的三维世界的某些内容投影到二维平面介质上，并用符号将这些内容要素表现出来。在地图学上，把地理空间的实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。l 遥感影像对地理空间的描述 遥感影像对空间信息的描述主要通过不同的颜色和灰度来表示的。这是因为地物的结构、成分、分布等的不同，其反射光谱特性和发射光谱特性也各不相同，传感器记录的各种地物在某一波段的电磁辐射反射能量也各不相同，反映在影像上则表现为不同的颜色和灰度信息。所以说，通过遥感影像可以获取大量的空间地物的特征信息。5，地理空间实体（对象）的矢量表达（矢量结构）矢量数据结构的编码方法:Ø 无拓扑关系的编码方法：仅记录空间目标的位置和属性信息，而不记录拓扑关系。ü Spaghetti模型(独立实体法)ü 点位字典法Ø 拓扑关系的编码方法：不仅记录空间目标的位置和属性信息，而且记录拓扑关系。ü 网络模型(Network Model)ü 拓扑模型(Topological Model)Spaghetti模型 Ø Spag