武汉大学 地理信息系统

1、第一章GIS：对地理实体和地理现象的特征要素进行获取、处理、分析、应用等的计算机空间或时空信息系统。地理空间实体：具有地理空间参考位置的地理实体要素，具有相对固定的空间位置和关系，具有特定的属性（静态、动态空间对象，离散、连续特征要素）地理现象：发生在地理空间中的地理事件特征要素，具有空间位置、关系和属性随时间变化的特性。空间对象：地理空间实体和地理现象在空间或时空信息系统中的数字化表达形式，具有随表达尺度而变化的特性。（离散、连续对象）联系：空间对象是数字化表达，地理空间实体和地理现象在现实中客观存在。GIS的五个基本特点：1、 GIS以计算机系统为支撑2、 GIS操作对象是空间数据3、 G

2、IS有对地理空间数据进行空间分析、评价、可视化和模拟的综合利用优势4、 GIS具有分布特性5、 GIS的成功应用更强调组织体系和人的因素GIS以应用需求为驱动，以技术为引导。为什么需要GIS：1、 地理数据维护管理不善，修订更新搜索不易2、 制图和统计方法落后，分析不易3、 空间数据和信息不准确4、 缺乏空间数据恢复和共享服务5、 可提高人员生产力和决策管理水平，节省时间资金6、 可得到更多地理信息附加产品信息系统：四大要素：硬件、软件（计算机程序）、数据、用户分类：事务处理系统（处理日常事务，民航订票系统）、管理信息系统、决策支持系统（用以获得辅助决策方案），人工智能和专家系统（智能推理）地

3、理信息系统：组成：硬件、软件系统，数据，空间分析（重要功能，为解决各类空间问题提供分析应用工具），人员硬件：包括计算机主机、存储设备、数据输入输出设备等包括单机系统结构模式（一台计算机为核心，单用户使用，单层：一台计算机）、GIS企业内部网系统结构模式（C/S模式，企业或组织内部使用，两层：服务器、客户机）、GIS因特网系统模式（B/S模式，因特网多用户使用，三层：GIS服务器、WEB服务器、客户端浏览器）软件：下两层系统软件与硬件相关（操作系统，管理、工具软件），上三层实现GIS功能（GIS基本功能软件、应用软件、用户接口或通信软件），中间为标准软件（数据库系统等）GIS基本软件功能由六大子

4、系统组成：1、 空间数据输入与格式转换子系统2、 图形与属性编辑子系统：符合数据结构，统一参照系，严格编码和分层3、 数据存储与管理子系统：由特定数据模式或结构来描述，由数据库管理，数据模型经历了：层次模型网络模型关系模型地理相关模型（Coverage）地理关系模型（Geodatabase）面向对象的模型对象-关系模型（地理关系模型）4、 空间数据处理与分析子系统5、 空间数据输出与表示子系统：地图、表格、决策方案、模拟显示结果等形式6、 用户接口：用户和系统交互的工具数据：空间数据，属性数据地理数据：数字线划数据，数字栅格数据，数字高程模型，数字正射影像空间数据质量评定：准确度，精度，不确定

5、性，相容性，一致性，完整性，可得性，现势性地理空间数据库：地理数据的直接组织结果，提供数据库管理系统进行管理。（基础、专题数据库）空间分析：地理信息系统应用的重要因素，为计算和回答各种空间问题提供有效基本的工具集。GIS的空间分析能回答五类问题：1、 位置问题：绝对（地理坐标确定）、相对（空间关系确定）位置，某地是什么2、 条件问题：寻址，面积大约1000平米且位于水边3、 变化趋势问题：城市扩张，土地沙化4、 模式问题：分析事件原因，某交通路口常发事故，某地犯罪率高的因果关系5、 模拟问题：某地会发生什么，洪水地震等五类问题分为科学解释：科学解释发生在地理空间中的现象、规律等空间管理决策：对

6、人类干预或科学开发利用地理进行宏观和微观决策人员：系统管理人员，数据处理及分析人员，终端用户，GIS专业人员，组织管理人员，应用领域专家GIS与相关学科关系：1、 信息科学是方法论的源泉2、 3S，VR，网络传输，模式识别：产生和发展的动力3、 资源、环境、生态科学是核心4、 计算机科学、图形图像学，测绘制图学是表达描述的工具5、 经典地理学是理论基础6、 数字地球理论是发展的推动力GIS发展：三大因素：1、 计算机技术发展2、 空间技术（遥感）发展3、 对海量空间数据处理管理利用的应用牵引阶段：1、1950-60GIS开拓期：注重空间数据的地学处理。加拿大GIS2、1970巩固发展期：注重空

7、间地理信息的管理。一是资源开发、环境保护成为政府的难题，二是计算机技术发展，数据处理加快，三是专业人才不断增加3、1980大发展时期：注重空间决策支持分析。许多公家启动大型科研项目，应用从解决基础设施的管理规划转向区域开发，与遥感一起开始解决全球性问题4、1990用户时代：GIS成为许多机构必备工作系统，社会对GIS的认识提高，因特网技术发展，大范围共享地理信息成为趋势，被列入国民经济发展规划5、21世纪初空间信息网格和云计算时代空间信息网格（SIG）：一种汇聚和共享地理分布海量空间信息资源，对其进行一体化组织与处理，从而具有按需服务能力的空间信息基础设施。云计算：基于互联网的超级计算模式，把

8、储存于个人终端的大量信息和处理器资源集中，协同工作，可扩展信息技术能力向外部客户作为服务来提供的一种计算。云计算：一切皆服务。软件、平台、基础设施既服务。GIS和云计算：GIS大规模缓存、数据，高强度分析，云计算弹性存储、计算、平行，GIS云存储，云分析与服务，云应用GIS应用：自然科学：城市规划、管理、排水，房产管理社会经济：宗教分析、警用GIS地球系统科学：研究地球系统各个圈层之间的相互关系、作用机制，地球系统变化规律和控制变化的机理，为预测全球变化，解决人类面临的问题建立科学基础，并为地球系统科学管理提供依据。地球系统：大气、水、岩石、生物圈人类面临的四大问题：人口、资源、环境、灾害地球

9、系统科学的科学思维方法：1、 系统方法：将地球作为整体系统研究2、 分析与综合法：从分析到综合，从综合到分析的思维方法3、 模型方法：建立正确的数学模型，描述过程推演、预测变化地球信息科学：地球系统科学的组成部分，研究地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流，或以信息流作为纽带的物质、能量流，包括人流、物流、资金流的科学信息流程：信息获取存储检索分析加工最终视觉产品（信息服务） 地球空间信息科学：以3S为主要内容。并以计算机和通信技术为主要技术支撑，用于采集、分析、管理、显示、应用与地球和空间分布有关的数据的综合集成信息和科学的学科，地球科学的前沿领域，地球信息科学的重要组成部分，以3S技术

10、为代表，包括通信技术、计算机技术的信息学科。概念比地理信息科学广，包含了很多交叉学科的内容，融汇了很多计算机技术，更侧重技术集成和应用，更强调空间地理信息科学：信息时代的地理学，新的技术平台、观察视点和认识模式下的地理学的新范式，关于地理信息的本质特征和运动规律的科学，地球信息科学的重要组成部分，理论、技术、应用构成地理信息科学的内容体系，利用计算机技术对地理信息进行处理地理信息科学的提出来自：1、 技术与应用的驱动2、 学科融合与地理综合思潮的逻辑扩散经典地理学（人力测绘）计量地理学（数学语言）地理信息科学（信息技术）GIS技术基础：1、 地理空间数据采集技术：信息获取更新是关键、瓶颈，3S

11、激光扫描数字测图2、 计算机网络工程技术/传感网/物联网：基础传感网：集成有传感器的微小节点组成的无线网络物联网：物与物相连的物联网，任何物体都可通过传感器与互联网连接，可在网络间进行信息交换和通信物联网工作步骤：对物体属性进行表示，静态属性直接存储在电子标签中，动态属性高实施探测，通过射频识别设备完成属性读取，将信息转换为适合网络传输的数据格式，将信息通过网络传输到处理中心，计算后进行交换通信射频识别（RFID）：物联网关键技术，利用射频信号实现无接触信息传递，达到物体识别的目的。3、 现代通信技术通信技术：传递信息的技术，通过传输系统和交换系统将大量用户终端连接起来的数据传递网络。包括光纤

12、、卫星、数字微波通信。4、 软件工程技术软件工程：指导计算机软件开发和维护的工程学科，把经过时间考验，证明正确的管理技术和当前最好的开发技术结合起来的工程软件开发方法：生命周期方法（瀑布模型，冻结需求）、快速原型方法（螺旋模式，迭代，加入风险分析）、面对对象方法（面对对象分析、设计、编程）、组件对象方法（组件对象模型，基于程序开发部件集成）演化模型：先给出核心需求，需求实现后用户提出反馈 喷泉模型：多次重复5、 信息安全技术：应满足信息（数据）的保密性、认证、不可否认性、完整性，信息安全技术：公钥基础设施、防火墙技术、信息伪装技术6、 网络空间信息传输技术7、 虚拟现实技术（VR）与仿真技术：

13、VR通过系统生成虚拟环境，用户通过计算机进入虚拟的三维环境，身临其境地与虚拟世界交互，来完成用户需要的各种虚拟过程，VR可用于数字工程，其发展必须有大容量的数据存储，快速地数据处理和宽带信息通道的技术支撑第二章地理学：研究地表地理环境的结构分布、发展变化的规律性以及人地关系的学科自然地理学：研究自然环境及其变化规律人文地理学：研究人地关系系统地理学：研究地理环境的整体或某一地理要素的规律性区域地理学：以一区域为研究对象应用地理学：研究某一特殊问题的地理因素现代地理学的发展阶段：1、 地理学定量分析为特点2、 以图形学为特点，注重数量的空间关系，3S融入发展到地球空间信息学3、 引入GIS，产生

14、地理信息科学提出地理信息科学的三种观点：1、 信息社会：地理信息科学是信息社会的地理学思想2、 信息科学：地理信息科学是面向地理空间数据处理的信息科学3、 地理信息认知：地理信息是人类对地理空间的认知GIS和地理学的关系：1、 地理学是理解世界的基础科学，GIS使地理学得到应用2、 地理学进一步研究需要GIS支持，GIS开发需要对地理问题的深入认识3、 GIS的发展可使地理学家通过所建立的虚拟世界，亲自感受认知地理学知识4、 数值模拟和定量化研究的加强加深了人们对地理系统的认识地理信息科学受到以下因素影响：1、 客观实践的需求促进发展2、 科学思想：线性到非线性，对地球的认识需要新的指导理论3

15、、 科技推动力4、 现代技术成就信息和数据：数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。信息具有客观性（与客观事实紧密相关），适用性（为特定对象服务），可传输性，共享性。联系和区别： 1、 信息由的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。2、 数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义。3、 数据是记录下来可以识别的符号，不随载体的物理设备形式的改变而改变。 4、 信息可以离开信息系统存在，数据的格式往往与计算机系统和物理设备有关。5、 数据是原始事实，

16、而信息是数据处理的结果。 6、 不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。地理信息：有关地理实体和地理现象的性质、特征、运动状态的表征的知识，对表达地理特征额地理现象之间关系的地理数据的解释。独特特性：空间分布性（空间定位特点，在区域上分布）、多维结构（同一位置获得多个专题和属性信息）、时序特征（动态变化）、数据量大（空间，时间）。地理数据：各种地理特征和现象之间关系的符号化表达。包括空间位置特征、属性特征（非空间特征，地理实体定性定量指标）、时态特征物质信息：地理实体的物质成分、结构、空间分布等性质和状态的表征或一切只是，物质的流动形成物质流能量信息：有关地理实体的能量特征，如

17、重力、磁力等的性质、特征的一切知识，能量的流动产生能量流信息过程：采集，传递，加工处理地理系统：特定时间空间的，由两个以上相互区别又联系、制约的地理要素或过程组成，并具有特定的功能和行为，与外界环境相互作用，能自动调节的具有自组织功能的整体地理要素：资源、环境、经济、社会、地质、气候、土壤、植被、水文地理系统的自组织：系统在无外界的强迫条件下，自发的形成的有序行为，能调节自身功能，其结果表现为系统的平衡状态认识地理系统，有助于：1、 明确地理实体、地理现象或地理过程的客观特征2、 获取和利用地理系统中的物质、能量信息，揭示地理信息的客观规律，为地理过程的建模提供依据耦合：一定时空尺度上，自然、

18、社会、人文和经济等要素之间的关系，对耦合关系的研究是进一步探索物质能量信息流的重要途径（资源与环境的耦合等）地球信息科学的内容：1、阐明系统内各要素及其过程的发展及规律2、 探索地理信息形成、传递的机理和模式3、 探索系统地稳定性及其安全问题4、 挖掘新技术在其方面的新应用5、 开拓信息服务产业地理信息科学基本框架：基础理论体系：地理信息的研究方法体系：空间数据分类、编码、坐标转换等应用体系：区域可持续发展、全球变化等地理信息科学的重要理论：与地理系统有关的理论1、 混沌理论：研究从紊乱中寻找规律，研究如何自组织自相似理论（局部与整体相似的理论）、分形分维理论（从分形几何学中发展，是自相似理论

19、的一种）分形：任意小尺度有复杂细节；自相似性；不规则形（难用几何语言描述）；分形维数大于拓扑维数；可由迭代生成2、 地理系统协同论：地理系统各要素既有协同性又有制约性，各要素相加具有非线性特征，结果可能大于和也可能小于和，由系统地结果或有序程序决定，序参量（气候地形是农林牧系统地序参量）与系统配合得好效果就好3、 人地系统理论：可持续发展，资源环境社会经济协调发展，地球容量有限，不影响后人的需求，不宜破坏为代价发展经济4、 地理系统的整体性和分异理论：整体性（资源环境经济社会综合体）与分异性（地表物质能量分布不均造成，存在地带性规律）统一5、 地理空间结构与空间区位理论：地理空间结构与功能具有

20、区位特征地理空间结构：一定区域内，资源环境经济社会的耦合及配套关系地理空间结构功能：区域所具有的发展潜力大小，或可持续发展潜力大小地理空间区位：一定区域内对社会经济发展的有利部位地理信息理论：地理科学理论与信息科学理论相结合，主要研究地理信息熵、地理信息流、地理空间场、地理实体电磁波、地理信息关联等理论1、 地理信息熵：信噪比，信息噪声之比，度量信息载体的信息能量2、 地理信息流：物质能量分布不均产生，依附物质能量流存在，地理信息系统就是研究物质能量信息流的特征机理和可预见性3、 地理空间场：不同地理实体物质成分不同可形成不同的空间场4、 地理实体电磁波：不同的电磁波辐射特征5、 地理信息关联

21、理论：研究地理信息的联系，把握变化的信息之间的关系地理空间认知理论：地球空间信息科学和地理信息系统地公认基础理论认知：人认知和感知生活中经历的过程的总称，包括感受、想象、记忆、学习等地理空间认知：研究人怎样认识赖以生存的环境，包括位置，分布，变化规律等地图空间认知：通过描述地理环境的地图来进行，认知制图、心象地图认知制图：利用计算机模拟心象地图：不呈现在眼前的对环境的心理表征，在对环境多次感知的基础上形成，通过实地考查，阅读文献，使用地图等方式建立认知过程：感知表象记忆思维感知：作用于人的视觉器官产生感觉表象：在知觉基础上产生表象，通过回忆联想印象再现思维：概括性，间接性，对世界的认识，从现象

22、到本质的转化GIS两大类特殊概念：1、 地理实体和地理现象2、 时空特征和空间关联特征（研究比较弱，何时何地）时空集成问题、时空的表达：GIS动态变化的表达需求，如何更好表达时间空间应用角度：要求更好的时空集成方法、心得地理实体和地理现象的表达方法时空GIS（TGIS）：采集分析显示与地理实体随时间变化信息的计算机系统发展：1、 以研究空间和属性为主的传统GIS2、 以研究属性和时间为主的时态数据库3、 以研究空间和时间为主的图形动画4、 以三者（空间、时间、属性）并重的时空GIS（相对前三者起步晚，新领域）GIS空间社会分析与调查（空间观表达）：1、 社会调查应用需求：空间化、可视化、定量化

23、2、 应用于人文社会科学的新方法3、 GIS支持下的空间抽样（调查前，抽样结果空间化、可视化，内容：地址编码，概率抽样，结果可视化），GIS和GPS支下的调查辅助（路径规划，轨迹记录，问卷结果录入等）和行为轨迹分析（调查员行为规律，基于被访者位置和调查路线的工作分配）（调查中），空间数据统计分析（调查后，非空间数据空间化）行为轨迹分析的研究内容：1、 行为轨迹与人文社会交互及关联理论：分析关联机制2、 GPS轨迹与人类活动设施和社会因素的关联分析地理信息科学方法概论1、 地理信息本体论：继承科学哲学中的思路，反映地理信息的特征等，在认识论和方法论的指导下阐述地理信息的本质知识表达工具，知识表达

24、关联的方法阻碍地理信息共享的原因之一是不同系统间的语义冲突，该问题本体论发挥作用本体：某一领域的共享概念化模式的形式化和显示的说明规范地理本体：把有关地理的知识信息数据抽象成具有共识的试题，按照一定关系进行概念化处理和明确的定义，最后以形式化表达的方法，比如对草地，给予一个定义，每平方米的植被树木在a和b之间，电磁波谱范围在c和d之间2、 地理信息科学方法：以信息对象研究总结出的整体思维方法3、 地理信息技术方法地理信息科学方法：1、 图形-图像思维方法2、 数学模型方法3、 地学信息图谱方法4、 智能分析与计算方法5、 模拟和仿真方法6、 综合集成方法：定性定量基础，归纳演绎集成等地理信息技

25、术方法：1、 地理信息采集和监测技术方法：GPS,GIS2、 地理信息管理技术方法：数据库3、 地理信息处理、分析和模拟技术方法：基于位置的空间地位服务（LBS）4、 地理信息表达技术方法：地图5、 地理信息服务技术方法：地图服务，辅助决策服务6、 地理信息网格技术：地理信息网格计算、分析、共享、服务7、 地理信息5S集成技术方法：GIS-RS-GPS-DSS-MIS第三章建立地理空间数据库的空间参考系统是为了描述绝对空间中的几何属性和相对空间中的空间关系。绝对空间：描述地理空间对象空间位置几何元素，由坐标值和几何特征元素组成相对空间：表现为不同空间对象之间的非图像化逻辑关系GIS中使用的空间

26、参考系统：地理坐标系统，地图坐标系统，线性参考系统地理坐标系统：球面坐标系，确定地理空间实体在地球表面上位置的参考系统，由椭球体和大地基准面组成参考椭球体：假象平静海水面形成的大地体大地基准面：假设海水面处于完全静止的平衡状态时的海面，且地球重力方向处处政教的连续闭合水准面地理空间参照系（地理坐标系、投影坐标系）不同则不同同层无法再空间上配准地理坐标系：经纬度坐标系（表时差）投影将球面的地理坐标系变为平面坐标系投影坐标系统：极坐标，直角坐标（确定二维平面位置）高程系：地面点至平均海水面的垂直高度经纬网：经线纬线构成，地理坐标网方里网：平行于投影坐标系的坐标轴的两组平行线构成的方格网，每隔整公里

27、绘出，直角坐标网地图投影：三维球面转换到二维平面，透视投影投影变形：长度、角度、面积变形投影类型：等角投影（正形，正射）：局部形状相似，面积不一定相等，面积大形状也会变等面积：面积不变，角度形状等变等距离：都变，但面积变形小于等角，形状变形小于等面积选择投影以减少图上变形为目的，最好使等变形线与制图区域轮廓形状基本一致地图投影在GIS中的重要性：1、 空间数据必须通过投影转换为地理坐标才能装入GIS中2、 当需要显示或输出图像时须将地理数据库中的地理坐标投影变换成投影坐标GIS地理空间：投影变换后在笛卡尔坐标系中的地球表层特征空间我国投影使用情况：1、 基本比例尺，高斯克吕格投影2、 小于1:

28、50，正轴等割圆锥投影，兰勃特投影，其大圆航线为直线，有利于GIS空间分析度量正确进行3、 省区图，正轴等面积割圆锥投影4、 海上地图：墨卡托投影地图：一个页面上对地图要素布局和组织的集合，线划地图，影像地图地图框架是地图的主要元素，提供地信息的主要显示内容。地图图层转换为地理信息通过以下表达实现：1、 按照点、线、多边形的离散特征2、 使用地图符号注记等描述3、 使用航空影像覆盖4、 等高线、高程点或地貌晕染线划地图：将复杂的三维地理实体投影绘制在二维平面上，用符号表示，点，线，多边形影像：记录了地理实体分布的写照模型，受空间分辨率影响遥感影像：记录地物光谱的辐射连续地理空间数据场：获取连续

29、实体信息离散地理空间数据场：离散连续实体要素：表达时离散化，采用栅格数据形式离散实体：可单独识别，矢量数据GIS数据表达的基本要求：1、 定义数据的表达类型2、 对不同数据进行空间建模3、 统一空间参考4、 数据分层组织和无缝图层原则5、 数据分类编码：分类编码、标识编码（身份识别）6、 数据库存储和管理原则7、 数据集组织原则：建立数据库或子数据集8、 空间索引要求：数据查询检索9、 建立空间拓扑关系：提高数据质量，计算效率，检查对象逻辑10、 建立元数据库：数据字典11、 建立空间数据库：对空间数据整合元数据：对空间数据的定义、内容、格式、参考系统、状态、日期等信息描述GIS数据表达：矢量

30、、栅格、表面连续、属性、元矢量数据：坐标表示离散实体实体店，标记点，面点，节点（表示图形形状），结点（起点终点）简单线，有连接关系的线，无连接关系的线弦列，拓扑连线，护短，线段拓扑连线是两个结点或节点的连线，其方向可由结点或节点的顺序确定全链，面链，网链链是一个非相交线段和（或）弧的无分支而有方向的序列弧不能相交面面状要素：内面、G-多边形、GT-多边形、广义多边形、虚多边形等内面，G多边形，GT多边形，广义多边形矢量数据：几何特征，属性特征属性特征：类别特征，说明信息或统计信息属性字段：名义值（电话，无排序），序数值（排序），区间值，比率值，循环值（0-360度）栅格单元大小代表空间分辨率，

31、可分层或分波段组织，取值可为栅格中心的值或整个单元的值栅格数据四个用途：1、 底图：扫描地图2、 表面数据：浓度3、 专题地图：土地利用分类4、 属性数据：相片连续数据表面：等值线，等值域，栅格数据集成，不规则三角网表达不规则三角网（TIN）：连接的三角网络，每个三角形节点都具有坐标元数据：数据的数据，地图的元数据为比例尺，图名，图例等元数据作用：1、 有助于建立数据文档，管理和维护数据2、 有助于用户查询利用3、 有助于数据交换传输4、 有助于了解数据质量，对数据使用做判断5、 提供数据互操作的基础元数据内容：1、 对数据库描述2、 对数据质量描述3、 对数据处理信息说明4、 对数据转换方法

32、说明5、 对数据库更新，集成说明元数据描述对象：图层，数据库系统，服务站点元数据获取：收集前（根据数据库内容设计），收集中（元数据随数据产生），收集后（描述管理）五种方法：键盘输入，关联法（从已存在数据中关联），测量法（测量估算比例尺），计算法，推理法管理：物理层（存放），逻辑层（逻辑关联），概念层（概念）空间关系：与空间特性有关的PPT空间数据关系：存在于栅格矢量数据中的空间度量关系、拓扑关系、方位、一般关系拓扑关系：拓扑变换下不变的几何属性，如拉伸橡皮擦时不变的属性非拓扑：变的属性拓扑关系：1、连接：弧段与弧段2、 关联：弧段与节点，弧段与多边形3、 邻接：多边形与多边形，弧段与弧段4、

33、连通：有向网络5、 包含：多边形内是否包含拓扑关系检查：1、 未正确接合的线，未正确闭合的多边形，不改正会影响空间分析的正确性2、 路径分析时断开的道路会影响3、 通过拓扑可查找图形的关系，而非比较大量坐标系空间方位关系：前后左右，东南西北空间度量关系：描述空间实体的距离一般关系：电表位于变压器附近而不接触栅格数据很难进行网络和空间分析，如跟踪链和多边形的节点困难栅格方向：四方向，八方向栅格拓扑 栅格节点搜索第四章地理空间数据模型：数据要素的关系规则的描述空间数据建模：根据定义的空间数据模型生成数据格式，并形成数据文件的过程地理空间数据抽象表达的三个阶段：地理世界，模型世界，数字世界GIS目的

34、：提供开发利用地球资源的智能决策的空间框架和对人文环境的管理建模的三个层次：地理空间认知模型（概念世界），地理空间数据模型（模型世界），地理空间数据结构（数字世界）概念模型：通过地理学认知访问完成对地理世界认知的过程，获得知识并用地理学语言对其定义逻辑模型：用计算机形式化语言定义和描述物理模型：用计算机数据库语言定义和描述，形成地理空间数据结构地理空间认知模型：人类对现实地理世界的认知的知识表达成果，具有客观性和普遍性地理空间数据模型：因建模应用角度和面向的数据库不同而不同，具有选择性和针对性，可能具有不同的数据文件结构数据模型是数特征的抽象表达，不描述个别特性而描述共性一个模型应能描述数据的

35、一下特征：1、 静态特征2、 动态特征3、 数据间相互制约与依存关系实体间联系：一对一，一对多，多对多模型：矢量（最复杂），栅格，连续表表面，属性数据模型矢量分类：面向特征的数据模型：CAD,Coverage面向对象的数据模型：Shapile，Geodatabase具有拓扑关系表达的数据模型：还描述拓扑关系，Coverage，Geodatabase无拓扑关系表达的数据模型：仅描述几何关系CAD，Shapfile网络，区域，动态分段数据模型连续表面数据模型：2.5维规则格网（Grid）：多栅格定义结构不规则三角网（TIN）：基于三维数据点构建的不规则三角形表达数值空间变化的模型，特定的具有拓扑关

36、系的矢量数据结构空间数据模型：以逻辑方式对客观世界进行抽象，是一组关系的规则集，概念集，实体集，几何数据模型（静态或动态变化的几何分布和空间关系），语义数据模型（描述对非空间关系的专题信息及时态信息）空间数据结构：基于模型构建的物理数据文件格式，与计算机编码、存储、表达有关，强调地理空间的实现手段，即计算机的编码、存储、表达。结构提供了为模型定义的操作，并将操作映射到特定代码上。二者关系：1、 结构是模型的物理描述和实现，结构为数据的物理模型2、 模型时定义结构的基础3、 模型相对独立存在，结构则随系统地不同而不同数据库模型和数据库结构是从空间数据集角度，描述数据文件的定义及关系的规则集、数据

37、文件策略和方法。数据库模型从逻辑角度定义、描述在数据文件，是数据库的逻辑设计结果。数据库结构是这种逻辑设计的物理实现结果。特征是指点、线、多边形等特征要素，没有实际的实体意义，因为现实世界不存在具体的点、线、多边形，点、线、多边形是对具体的对象（水井、河流、居民地）的抽象，在现实世界中并不存在。对象在现实世界具有实际意义，例如，可能是一口水井，可能是一条道路（如珞瑜路），也可能是一个多边形（如武测田径场）。地理空间数据建模已经从面向特征的建模发展成面向对象的建模，即：以前的面向特征的建模是研究点、线、面；现在面向对象的建模是研究具体的对象，如：水井、河流、居民地。GIS对象：描述一个地理实体的

38、空间和属性数据以及定义操作函数的统一体对象特征：1)具有唯一的标识，以表明独立性；2)具有描述特征的属性，以表明其状态。3)具有表示行为的操作方法，用以改变对象的状态。对象类：同类对象的集合对象特性：1、 抽象性：抽象思维的结果2、 封装性：封装好的独立模块3、 多态性：可被不同对象接收4、 继承性：可从父类中继承某些属性和行为面向对象数据建模的核心技术：1、 分类：把相同属性的对象归为公共类，城镇可分为商业区，住宅区等2、 概括：把几个类中具有部分公共属性的提取出形成超类，建筑物是住宅的超类3、 聚集：把几个不同类对象组合成一个更高级的复合对象，医院由医护人员，病人，门诊部等聚集而成4、 联

39、合：同一类中的对象几个具有部分相同属性值的对象组合成一个集合，农场主，养殖方法，养殖水产品联合成集合面向对象数据建模的核心工具：继承和传播1、 继承：父类定义子类2、 传播：用于聚集和联合的工具，用于描述复合对象对集合对象的依赖性，并获得成员对象属性的过程差别表现：1、 继承服务于概括，传播作用于聚集和联合2、 继承从上到下，应用于类，传播自下而上，作用于对象3、 继承包括属性和操作，传播只涉及属性4、 继承是一种信息隐含机制，父类特征自动传给子类，传播是强制性工具，需要显式定义成员并说明需要传播哪些属性值面向对象模型的三个特点：1、 可充分利用现有数据模型优点2、 可扩充性3、 可模拟和操纵

40、复杂对象面向对象：点、线、多边形描述空间数据的三个基本特征：描述了地理实体或现象的定位关系(绝对定位关系、相对定位关系)、属性关系(定性关系、定量关系)和时间关系(事务处理时间关系、有效时间关系)。1、 空间位置特征：实体，现象在参照系中的位置，绝对位置由坐标定义，相对位置由空间关系定义2、 空间属性特征：对实体或现象的特性的描述，用定量定性关系描述实体或现象，如分类、数量和名称等。3、 空间时间特征：实体或现象随时间变化的特征，有效时间和事务处理时间，前者是实体或现象实际发生变化的绝对时间，后者则是数据库中数据的处理时间。完整描述地理空间对象，应从以下几个方面进行：1、 编码2、 位置3、

41、行为4、 属性5、 说明：元数据6、 关系地理空间数据模型：通过数据对象对真实世界实体或现象的抽象表达和建模的结果，以支持对数据对象的地图显示、编辑等CAD：无拓扑Coverage：先进性在于用户具有自定义属性表的能力，可添加字段和建立与外部数据库表的联系。存储拓扑改善了分析性能，提高了数据实体精度。缺点是特征被聚集成具有通用行为的点、线和多边形同性质的数据集合，表达一条道路的线的行为与表达一条河流的线的行为是一样的关键点：1、 空间数据与属性数据结合2、 存储矢量特征之间的拓扑关系Geodatabase：不需要编写代码，通过软件实现功能，数据模型使物理模型和逻辑模型更接近，模型中的数据对象与

42、逻辑中的数据对象很大程度可认为是相同的对象面向对象的优点：1、 统一地理数据库：所有数据存在一个数据库中2、 添加和编辑特征：遵循规则：域约束，允许值范围，邻接应满足约束条件，特征集合应符合自然分布，满足逻辑约束3、 用户操作更直观的数据对象4、 特征具有更丰富的上下文联系5、 特征之间的空间关系6、 地理显示7、 空间数据分析8、 地图上显示的特征是动态的9、 特征形状可被更好地定义10、 特征连续11、 支持多用户编辑特征建模优点：1、 有助于建立一个丰富的模型以获取一组地理特征的完整信息2、 有助于GIS软件的空间操作3、 特征可按照任意颜色线宽等绘制特征适合对人工对象建模，如道路房屋等

43、特征表达的基础是它的几何元素或形状，每个特征都有与之联系的几何或形状几何元素类型：特种形状定义，形状组合定义面向对象的数据模型与面向特征的数据模型：1、简单几何元素和复杂几何元素可以组合为一个特征类，即复合对象。2、一个折线的特征类可以由多个部分的折线组成3、一个多边形的特征类可以由多个部分的多边形组成。4、这对特征形状的建模提供了极大的灵活性，并简化了数据结构。几何元素：点，折线，多边形，外接矩形，线段（直线段，圆弧，椭圆弧，Beizer曲线），链（由多种线段连接），环Beizier曲线：四个控制点定义的曲线，常用于表达光滑的特征。面向对象的数据模型：数据集、特征类、对象类和关系类的集合，按

44、照无缝图层管理数据。数据集的三种基本类型：1、 特征数据集：矢量数据，特征类的集合，共同坐标系统。2、 栅格数据集：栅格，简单数据集，多波段组合。3、 TIN 数据集：TIN 数据，由一组具有三维坐标顶点组成的不规则三角形构成的，用于表达连续表面对象类，特征类（简单特征类，拓扑特征类），关系类Coverage：空间数据、属性数据和与特征有联系的拓扑关系的集合体。包含组合特征如路径，区域等。Shapfile：简单特征类：用点、线、多边形存储特征形状，不存储拓扑关系。优点：简单、显示快速。缺点：不能强化空间约束。优缺点都与简单特征类有关。Coverage与Shapefile：1、 前者具有拓扑关系

45、，后者没有拓扑关系2、 前者有多个类，后者只有一个类栅格数据两个基本类型：专题数据和影像数据。1、 专题数据用于土地利用的专题分析，专题栅格数据的每个单像素值可能是一个测量值或分类值2、 影像数据可能用于其他地图和导出专题数据专题地图包括空间连续数据和离散数据影像数据：由成像系统记录的栅格数据，基于光谱辐射值相片：记录红、绿、蓝波段的光谱反射值卫星影像：更宽的光谱辐射范围，用于分析地学表面或植被栅格数据：主要用于底图、地表覆盖分类、水文、环境、地形分析等。栅格单元的数值类型：名义型、序数型、区间型、比率型等。在GIS数据库中，对于分层的栅格数据的存储结构有三种基本方式：1、 基于像元2、 基于

46、层：以层为基础，每层又以像元为序3、 基于多边形：以层为基础，每层以多边形为序栅格数据建模：1、 直接编码顺序2、 特定编码顺序栅格数据存储：多采用影像相同的格式存储优点：1、 支持的数据格式更多2、 不必为栅格数据设计特殊算法，可以使用图像处理的算法完成操作3、 GIS与图像处理系统的集成更容易、更紧密格网(Grid)数据：按照采样的位置或Z值的插值将表面表达为规则的格网。对Z值位置均匀间隔形成栅格，将表面表达为格网，值的位置是格网中心，是数据矩阵形式。适合小尺度制图，空间分析功能强大（邻近性，最小距离，坡度等）格网数据(Grid)缺点：1、 谷底线、山脊线等特性线不能很好地融入表面不连续性

47、的表达中2、 一些重要的特征点(如山峰)，在采样时可能丢失，会影响表面的精细表达。TIN的定义：构成TIN的每个三角形由具有(x, y, z)坐标的三个点组成，是一个空间三角面。这些三角面相互连接，不重叠地构成三角网络。TIN：连续的、不重叠的三角面表达。采样的原则：由于地形变化，采样点不规则两条采样原则：1、 对数值变化剧烈的区域密集采点2、 变化平缓区域采集稀疏采点保留了原始表面特征的形状和精确位置。1、 区域特征：如湖泊和岛，通过闭合三角形表达2、 线性特征：谷底线、山脊线等，通过连接的三角形边界表达。山峰可以表达为三角形的顶点，特征元素可以作为表面建模的约束条件，实现表面模型的精细建模

48、。缺点：不是即时即得，需要数据采集适合大尺度制图，需要精确表达的场合，支持各种表面数据分析，不同方法构建TIN网精度不同，不仅存储顶点坐标，还存储拓扑关系狄罗尼构建规则：对任意一个三角形，根据三个顶点绘制一个圆，内部不包含任何其它的三角形顶点。精细化建模：1、 点特征：具有测量的Z值，构网化后作为三角形的顶点，原位置和植被保留2、 线特征：自然的线性特征线。两种类型: 硬线和软线。硬线是坡度不连续的分界线，如河流的中心线、山脊线、谷底线等。硬线保留了表面的剧烈变化特征，改善了对TIN的分析和显示。软线允许添加线性特征的边界，但不代表它是表面的坡度不连续性的变化的地方，如添加一条道路到TIN，但

49、它不会明显改变表面的局部坡度。坡度变化不受它的影响，不参与构网。3、 面特征：置换多边形（替换表面某点）、擦除多边形（标记多边形内部区域）、填充多边形（多边形整体赋值，不能替换）和剪裁多边形（标记多边形外部区域）网络模型：1、 几何网络：线性系统特征组成，边界和连接点为网络特征元素2、 逻辑网络：与几何网络联系，定义非图形化的网络关系1、 简单边界连接：几何特征和逻辑元素一对一2、 复杂流向：逻辑网络的边界元素表中，可能的取值只有两种可能,同向、反向网络的其它属性：1、 网络元素的权重2、 网络标志点(网络分析路线的必经点)3、 网络障碍点(网络元素失效的位置)等动态分段数据模型：表达不同属性

50、时，不用去分割实际的地理数据，而是动态计算出该属性对应的地理位置前40公里为交警2大队管辖，后60公里为交警4大队管辖30至70公里为水泥路面，其余为沥青路面地理空间数据模型：空间对象和关系的静态结构。时空数据模型：表达了随时间变化的动态结构，时空数据模型用于数据的时态变化分析。地理空间数据的动态建模比静态建模要复杂得多。时态数据模型具有多种类型。时空概念：体现了时间和空间概念的集成时空数据的概念：需要内嵌时态数据和空间数据的概念。理解空间数据、时态数据和时空数据的概念是建立时空数据模型的基础，时态数据：表达随时间变化的对象的属性粒度：由时间轴上的锚点和划分长度定义的概念。不同应用需要不同的粒

51、度层次。锚点：划分时间轴颗粒的起点，划分长度是颗粒的尺寸。时态操作：在处理时间参考信息方面，正确地描述时间关系一系列特定的操作,如查询两种时间标记（时间）：1、 对整个地理空间对象使用时间标记，占用较少存储，有限表达对象生命周期内的时态特性2、 将时间和空间在原子空间对象上(点、多边形)进行融合。较多的存储，对象内表达更细粒度的时间变化特性时间顺序：顺序的（向前的），循环的（稳定持续的）生命期：一个模型支持一个对象持续的时间时空演变：描述对象位移或变化时空对象变化的8种类型时空数据模型考虑因素：(1)节省存储空间；(2)加快存取速度(3)表现时空语义：时空语义包括地理实体的空间结构、有效时间结

52、构、空间关系、时态关系、地理事件、时空关系等。建立时空数据模型的基本思想：(1)根据应用领域的特点，折衷考虑时空数据的属性，选择时间标记的对象。(2)同时提供静态、动态数据建模手段(3)显式表达地理实体进化、存亡事件(4)表达时空拓扑关系，时空拓扑关系是地理实体空间拓扑关系的拓扑事件间的时态关系。时空数据模型：1、 快照修正栅格：快照的基础上，仅存储特定位置变化2、 时空组合模型：空间内变化为空间属性，变化历史为时态属性3、 简单时间标记：包含对象产生和删除的时间4、 面向事件：对于对象和事件的变化设计记录5、 面向事件修正：时间是与离散的，线性的，相对的6、 三域：语义、时间、空间7、 替代

53、三域：用专题域代替语义域8、 历史图形模型：识别所欲失态行为的类型并管理事件和对象9、 实体-关系模型：时间空间可识别，属性可定义10、 位移对象：将位移点看到三维的（二维+时间）11、 时空立方体：给定时间位置值，就可以从三维立方体中获得相应截面的状态12、 基态修正：只存储相对于基态的变化量第五章建立空间数据库的重要性：1、 空间数据库在地理信息处理、计算机视觉、 自动制图、 计算机图形学、VR、CA)、 医学影像、 生物分子学、 立体建模和机器人技术等诸多方面的应用已变得越来越重要2、 应用范围已远远超出了传统的GIS领域3、 空间数据库的概念比地理空间数据库的概念更广泛。空间数据库发展

54、：1、 研究成果应用到不同领域2、 空间数据库厂商已推出专门处理空间数据的产品3、 拓展了传统数据库的功能，将数据库技术更好地引入空间信息存储处理领域建立空间数据库的主要目的：1、 为存储和恢复空间数据提供管理2、 保证空间数据的一致性和安全性3、 提供一套处理空间数据的访问接口GIS和SDBMS1、 GIS可对对象和图层进行操作，SDBMS可对象集和图层集进行操作2、 SDBMS在回答集合查询时比 GIS 更优越3、 GIS可作为SDBMS的前端， 在分析空间数据之前，通过SDBMS 访问数据；SDBMS可作为GIS的后台数据库，为GIS的分析和处理提供数据支持GIS技术发展的6个方面：1、

55、 数据处理的计算模式方面2、 图形显示媒体方面：操作系统3、 用户界面方面4、 数据库管理方面5、 数据模型方面6、 图形显示方面移动定位服务：通过无线网络、 移动电话网络，借助个人数字助理、移动电话、智能手机，为移动人员提供使用空间数据的技术手段。基于位置的服务(LBS)：通过与全球卫星导航系统的结合使用，做到精确定位，进而产生一种广泛使用的信息服务模式，即基于位置的服务(LBS)。数据库演进：关系数据库，面向对象数据库，对象-关系数据库（面向对象的方法与关系数据库DBMS结合）SDBMS的特殊结构：1、 空间应用层：应用层并不直接与DBMS 打交道，需要经过一个中间层，即空间数据库库引擎2、 DBMS层3、 中间层-空间数据库引擎。中间层是封装大多数空间领域知识的地方，是