GIS课件整理第1

1、第一章 GIS 绪论第一节 GIS 的基本概念一、数据 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。数据特点：数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。GIS建立，首先收集数据，然后对数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、 分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。对同一数据每个人的解释可能不同， 因而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有关。二、信息狭义信息论:信息是人们获得信息前后对事物认识的差别。广义信息论:信息是指主体（人、生物和机器）与外部客体

2、（环境、其它人、生物和机器）之间相 互联系的一种形式。是主体和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物特征的一种普 遍形式。课程定义：信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事 件、事物、现象等的内 容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、 建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息特点：客观性：与客观事物紧密相联系的；适用性：信息对决策是十分重要；传输性：信息可以在信息发送者和接受者之间传输， 既包括系统把有用信息送至终端设 备（包括远程终端），和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输 和交换。共享性：信息可传输给多个户，实

3、现用户共享，本身并无损失，因此使其成为当代社会 发展的一项重要资源。信息与数据不可分离；信息是数据的内涵，而数据是信息的表达；数据是信息的载体。三、地理信息 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。地理信息特点：空间分布性：属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别 于其它类型信息的最显著的标志。具有多维结构的特征： 即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构， 而各个专题型 实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。时序特征十分明显：可以按照时间尺

4、度将地理信息划分为超短期的（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。这对地理事物的预测、预报，从而为科学决策提供依据 很重要。具有丰富的信息：GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其 它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。纽约市曾经对其数据库进行 了调查，发现有80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关。四、地理信息系统 地理信息系统（GIS , Geographic Information Systems）是在计算机硬、软件系统支持下，对现实

5、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，它作为集计算机科学、地学、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等为一体的新兴边缘学科而迅速地兴起和发展 起来。GIS重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成 ，强调与空间相关的查询统计， 强调空间分析，强调三维模型分析。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学， 而是广义地指地理坐标参照系统中的坐 标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。GIS的特点：具有采集、管理、分析和输出等能力以地学研究和地学决策为目的，以地学模型方法为手段

6、，具有空间分析、多要素综合分 析和动态预测的能力；可产生高层次的地理信息具有公共的地理定位基础， 所有地理要素， 要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的 空间定位，才能使具有时序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中 的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决由计算机系统支持进行空间地理数据管理， 并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分 析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。地理信息系统从外部来看， 它表现为计算机软硬件系统； 而其内涵确是由计算机程序和 地学数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高

7、度信息化的地理系统。信息的 流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真。GIS分类:专题地理信息系统（Subject GIS）:具有有限目标和专业特点的GIS。为特定的专门的 目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、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、环境管理信息系统等。区域地理信息系统（Regional GIS）：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如 国家级、地区级、市级或县级等。地理信息系统工具（GISTools）：它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。GIS分类体系

8、：见图表1地理信息系统的研究内容：概念、定义、内涵 信息论分析理论体系构成、特点、功能.任务 发展历史发展方向硬件配置数据结构 输入输出系统见图表2非空间信息系统信息系统空闾倍息系貌全球 G1SS区域 GIS研丸范围数据模型栅格 cns图表 i数于地球地理信息系统一技术系统空间数据管理用户界面地理信息系统工具 微机地理信息系统应用系统设计应用方法专题分析检验GIS 与遥感结合地学专家系统图表 2基本理论第二节地理信息系统构成地理空间数据：地理空间实体包括点、线、面、曲面和体等多种数据类型。矢量化前准备工作：几何纠正；投影变换。GPS硬盘阵列全站仪专用设备绘图仪输入设备处理设备输出设备扫描仪键盘

9、=鼠标解析和数字 摄蠹测量仪器全数字摄影测量工作站遥感与遥感 團象处理系绕终端存储设备常规设备服务器工作站数字化仪打印机（系统调用、设箱运行、网络等）图表 3 计算机硬件系统标准软件（图形数据库等）系统库（编程语言，数学库等）羡基础软件图表 4 计算机软件系统GIS软件GIS第三节 GIS 基本功能数据采集、输入和编辑空间查询功能叠加分析功能数据显示与输出典型的GIS功能框架图： 见图表5数据采集与输入：见图表6GIS的“分层”概念：略 空间查询功能：略 叠加分析：略 缓冲区分析：略 网络分析：略 地形分析：略 数据显示与输出：略GIS基本功能的实现过程：见图表7图表 5 一个典型的 GIS

10、功能框架图现实世界空间数据库编辑接边、分层、图形与 属性连接、加注记等解析测图仪数字化仪图表 6 数据采集与输入报遥象字、图文告感等文件警数据获取/数据输出H交互展示|原始数拯I空间查询空间分析空间数据库数据编辑投彩变换结构化数摇制图、表格图表 7 GIS 基本功能的实现过程第二章地理空间信息基础、地图的分幅和编号地图的分幅：矩形分幅：每幅地图的图廓都是一个矩形，因此，相邻图幅是以直线划分的。经纬线分幅：地图的图廓由经纬线构成。当前世界各国地形图和大区域的小比例尺分幅地图所采用的主要分幅形式分幅类型优点缺点矩形分幅1图幅之间结合紧密，便于拼接使用，各图幅的印刷面 积可以相对平衡有利于充分利用纸

11、张和印刷机的版面；2可以使分幅有意识地避开重要地物，以保持其图形在 图面上的完整。1整个制图区域只能一次 投影构成；2图幅的地理位置不易精 确描述。经纬线分幅1每个图幅都有明确的地理位置概念；2适用于很大范围（全国、大洲、全世界）的地图分幅。经纬线被描述成曲线 时，图幅拼接不方便。地图的编号：自然序数编号法：将分幅地图按自然序数顺序编号。它可以是从左到右，自上而下，也 可以是其他的排列。（见图1）行列式编号法：将制图区域划分为若干行和列，并相应地按数字或字母顺序编上号码， 行和列号码的组合即为图之编号。（见图2）行列-自然序数编号法：它是行列式和自然序数式相结合的编号方法。世界各国地形图多采用

12、这种方式编号即在行列式编号的基础上，用自然序数或字母代表详细划分的较大比例尺的代码，两者结合构成分幅 图的编号。（见图 3）458、坐标系地理空间坐标系：（如右图所示）地理坐标系是以地理极（北极、南极）为极点。通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度恢过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点的经度入。xxxxxxxxxx1：100刀图細彷号数字码； MMMMiMBBIBBIi1：100刀胡頼列号效字码iw -H- -H- ws-1-w- 比桝尺代硏;阳嘲列I号薮字码r_ _K- WV W- -K-WKltufr号数字円图片 3

13、 行列-自然序数编号法、等高线等高线：是地面上高程相同的相邻点所连成的一条闭合曲线AHhtft图上按基本等高 距描绘的等高线相邻等高线之间的 高差称为等高距， 一股用h表示个别缓坡带，基本竽高线 不足以显示局部地貌特征时 披1/2基本等高距用鹿线加 绘半距等高线每隔5条胃曲线加 粗一条等高线，并 注有高程也叫辅助等高线”通常 按”4等高距描绘等高 线，但也可以按任意高 度描绘等高线助曲线 用以表簸首曲线和间曲 线尚无法表示的重建地貌”在图上以短虚线描 绘坐标参考系统一平面系统: 见图4高斯-克吕格投影分带示意图：我国的125万1:50万地形图采用6分带投影，1:1万及更大比例尺地形图采用3分带

14、投 影，以保证地图必要的精度。图片 5 高斯-克吕格投影分带示意图注：IJ直接建立在球体上的土也理坐标，用 经度和纬度表达地理对象位置曹建立在平面上的直角坐标系统，用 （刃表达地理对象位萱图片 4 坐标参考系统一平面系统坐标系种类很多，但与地图测绘密切相关的有地理坐标系和平面坐标系。我国的大地坐标系：1954北京坐标系：新中国成立后，很长一段时间采用1954年北京坐标系统，它与苏联1942年建立的以普尔科夫天文台为原点的大地坐标系统相联系，相应的椭球为克拉索夫斯基椭 球。到20世纪80年代初，我国已基本完成了天文大地测量，经计算表明，54坐标系统普遍低于我国的大地水准面，平均误差为29米左右。

15、 1980国家大地坐标系：1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大 地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952-1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。平面坐标系：将椭球面上的点通过地图投影的方法投影到平面上，通常使用平面坐标系，即平面极坐标 系和平面直角坐标系。平面极坐标系：用某点至极点的距离和方向（矢量角）表示该店的方法，称为极坐标法。平面直角坐标系：是用直角坐标原理确定一点的平面位置的方

16、法，测绘中所使用的直角 坐标系与数学中的有所不同，即X轴和Y轴互换了位置，以便角度角从X轴开 始按顺时针方向计量。四、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？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；地球椭球体为不可展曲面；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 的点的地理坐标（入与平面上对应点的平面坐标（x,y）之间的函数关系：*=z（入卩）当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。投影变形：将不可展的地球

17、椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某 些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。（长度变形，面积变形，角度变形投影分类：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。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。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。投影选择因素：制图区域的地理位置、形状和范围制图比例尺地图内容出版方式

18、GIS中地图投影：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；GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投 影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换 成指定投影的平面坐标；GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国 家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。我国常用地图投影：1:100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影1:50万、1:25万、1:10万、1:5万、

19、1:2.5万、1:1万、1:5000采用高斯一克吕格投影五、地图比例尺地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系 纸质地图：内容、概括程度、数据精度等；GIS：数据精度。比例尺的含义：制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比例是一致的，故此 时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例；制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不同而有所变化， 这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率，称为主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线 上，才可用地图上注明的比例尺。我国地图比例尺分级系统：

20、大比例尺：1:5001:10万中比例尺：1:10万一1:100万小比例尺： 1:100万空间现象及其描述: 六、空间对象（实体）类型空间对象一般按地形维数进行归类划分：点：零维线：一维面：二维体：三维 时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。空间对象的维数与比例尺是相关的。点实体：有位置，无宽度和长度抽象的点线实体：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a.不连续变化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，属性变化发生在边界上，面的 内部是同质的；b.连续变化曲

21、面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。体实体：有长、宽、高的目标通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标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。现实世界选择抽象综合测量， 位置 编码；属性 建立关系：表达地图遥感影像空间图片 6 地图的矢量和栅格表示七、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

22、；说明：实体数据来源、精度等；关系：与其他实体之间的关系。空间对象的编码：编码对象：属性数据编码方法：层次分类编码、多源分类编码层次分类编码：（如图表8）a.分类对象的从属和层次关系b.有明确的分类对象类别和严格的隶属关系1 管线:了11 1 1电力线71醱孑L-,管线73地F检修井M、丄1.1髙压1低压712|电杆713丨L丨电塔714电线架71511|依比例71411不依比例7142图表 8 层次分类编码多源分类编码：（如图表9）a.按空间对象不同特性进行分类并进编码b.代码之间没有隶属关系，反映对象特性c.具有较大的信息量，有利于空间分析000000L00 000330081044003

23、33001444 44033301044i333Q:Q444 44Q000170044 400000155000 000701555000 000001555500S0010550000000河流特性分类与编码通航情况流水季节河流长度河流宽度河流深度通航：1 不通航：2常年河：1 时令河：2 消失河：3 1 km：12 km：2 5 kin：3 10 km：550m：65 -10 m：110-20 in：220 30 m：330 60 m：460 120 m：5120-300 m：6300-500 m：7500m：8图表 9 多源分类编码八、空间对象的空间关系表达描述空间对象之间的空间相互作用

24、关系方法：绝对关系：坐标、角度、方位、距离等；相对关系：相邻、包含、关联等相对关系类型：拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。地图、遥感影像上的空间关系是通过图形识别的，在GIS中的空间关系则必须显式的进行定义和表达。空间关系的描述多种多样，目前尚未有具体的标准和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法进行描述拓扑空间关系：基于点集拓扑理论拓扑元素：a.点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点b.线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段c.面：若干弧

25、段组成的多边形基本拓扑关系a.关联：不同拓扑兀素之间的关系b.邻接：相同拓扑元素之间的关系c.包含：面与其他元素之间的关系d.层次：相同拓扑元素之间的层次关系 拓扑元素量之间的关系：欧拉公式欧拉公式：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n: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=1九、空间对象：自相关特征空间对象在属性上存在相关性，两空间对象越接近，其值也越接近，反之亦然。相关类型：负相关：位置越接近，属性值相差越远;正相关：位置越接近，特征也越接近；不相关：属性与空间位置无关。邻接相交相离包含1重合点一点Aa点七A宀点一面OO- S线 T&线面面一面=1图片 7 点线面之间的拓普关系图表10 基本拓普关系A.高度空间负向相关；B.无规律分布；C.空间独立；D.空间聚类现象；E.高度正向相关地理