GIS地理信息系统-《地理信息系统》资料整理

第一章绪论

第一节GIS的基本概念

一、信息、地理信息

1、信息和数据

信息(Information)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。

信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。信息来源于数据(Data)。它不随载体的物

理形式的改变而改变。

数据是一种未经加工的原始资料。数字、文字、符号、图像都是数据。数据是客观对象的表示，

而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开

信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设

备的形式而改变。

信息与数据的关系：信息与数据是不可分离的,数据是信息的表达，信息是数据的内涵。数据本

身并没有意义数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。

2、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。

地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征(简称属性)

及时域特征三部分。空间位置数据描述地物所在位置。这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地

经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的相邻、包含等；属性数据有时又称非

空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标。时域特征是指地理数据采集或地理现象

发生的时刻/时段。时间数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界越来越多的重视。室

间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。

3、地理信息的特征

地理信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：

(1)属于空间信息

(2)具有多维结构的特征

(3)时序特征十分明显

二、信息系统

1、信息系统的基本组成

信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。在计算机时代信息系统都部分或全部

由计算机系统支持，并由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成、另外，智能化的信息系统还

包括知识。

三、地理信息系统

地理信息系统是以地理空间数据库为基础,在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学

的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。

简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。

地理系统是地理信息系统的科学依据；地理信息系统是研究地理系统的科学技术保证。

地理信息系统的特点

1.公共的地理定位基础；

2,具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力

3.系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息：

4.以地理研究和地理决策为目的，是一个人机交互式的空间决策支持系统。

四、地理信息系统的分类

1.按功能分类

专题地理信息系统(ThematicGIS)

区域地理信息系统(RegionalGIS)

地理信息系统工具(GISTools)

2.按内容分类

城市信息系统

自然资源查询信息系统

规划与评估信息系统

土地管理信息系统等。

第二节GIS的组成

完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管

理操作人员，其核心部分是计算机软硬系统，空间数据库反映了GIS的地理内容，而管理人员和用户

则决定系统的工作方式和信息表示方式。

一、计算机硬件系统

计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的

元件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬

件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约.GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备

支持.GIS硬件配置一般包括四个部分：

1、计算机主机；

2、数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；

3、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；

4、数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪(打印机)、激光打印机等。

二、计算机软件系统

指GIS运行所必需的各种程序，通常包括：

1、计算机系统软件

由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编

程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需的。

2、地理信息系统软件和其他支撑软件

可以是通用的GIS软件也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。

3、应用分析程序

是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系

统功能的扩充与延伸。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成GIS的具体内容，这是用户最

为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键.用户进行系统开发的大

部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性、优劣和成败。

三、地理空间数据

地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、

文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS,

是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS其地

理空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的数据类型：

1、某个已知坐标系中的位置

即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系(如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义

坐标系)中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。

2、实体间的空间相关性

即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与

面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、

录入、格式转换、存贮管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。

3、与几何位置无关的属性

即常说的非几何属性或简称属性(Attribute),是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性

分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级，定性描述的属性如岩

石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、

降雨量、河流长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统

计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作

运算实现的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。

地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，

也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资

源管理的重要工具。

四、系统开发、管理和使用人员

人是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处

都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管

理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研

究和决策服务。

第三节地理信息系统的功能

地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和模型。

一、数据采集、监测与编辑

主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致

性与正确性等。一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%或更多，并且这种

比例在近期内不会有明显的改变。

二、数据处理

初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。数据的格式化是指不同数据结构的数据间变

换，是•种耗时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能避免；数据转换包括数据格式转化、数据

比例尺的变化等。在数据格式的转换方式上，矢量到栅格的转换要比其逆运算快速、简单。数据比例

尺的变换涉及到数据比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换；制图综合

(Generalization)包括数据平滑、特征集结等。目前地理信息系统所提供的数据概括功能极弱，与地

图综合的要求还有很大差距，需要进一步发展。

三、数据存储与组织

这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量

模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统

所能执行的数据与分析的功能；在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据

融合为一体。目前大多数系统都是将二者分开存储，通过公共项(一般定义为地物标识码)来连接。

这种组织方式的缺点是数据的定义与数据操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。

四、空间查询与分析

空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能；而

空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别，模型分析是

在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重

要标志。地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次。

1.空间检索

包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的

关键技术，如何有效地从大型的地理信息系统数据库中检索出所需信息，将影响地理信息系统的分析

能力；另一方面，空间物体的图形表达也是空间检索的重要部分。

2.空间拓扑叠加分析

空间拓扑叠加实现了输入要素属性的合并(Union)以及要素属性在空间上的连接(Join)。空间拓

扑叠加本质是空间意义上的布尔运算。

3.空间模型分析

在空间模型分析方血，目前多数研究工作着重于如何将地理信息系统与空间模型分析相结合。其

研究可分三类：

第一类是地理信息系统外部的空间模型分析，将地理信息系统当作一个通用的空间数据库，而空

间模型分析功能则借助于其它软件；

第二类是地理信息系统内部的空间模型分析，试图利用地理信息系统软件来提供空间分析模块以

及发展适用于问题解决模型的宏语言，这种方法一般基于空间分析的复杂性与多样性，易于理解和应

用，但由于地理信息系统软件所能提供空间分析功能极为有限，这种紧密结合的空间模型分析方法在

实际地理信息系统的设计中较少使用；

第三类是混合型的空间模型分析，其宗旨在于尽可能地利用地理信息系统所提供的功能，同时也

充分发挥地理信息系统使用者的能动性。

五、图形与交互显示

地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也

可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好

的地理信息系统应能提供•种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制

作出高质量的地图。

第四节地理信息系统的研究内容

地理信息系统研究的内容主要有以下三个方面，见下图所示。

•概念、定义、内涵

基本理论

理论体系构成、特点、功能、任务

-发展历史与发展方向

-硬件配置

数据结构

地理信息系统工具

地理信息系统技术系统输入、输出系统

空间数据管理

-用户界面等

-应用系统设计

专题分析模型

应用方法

数据采集与校验

-地学专家系统

图地理信息系统内容体系

一、地理信息系统基本理论研究

包括研究地理信息系统的概念、定义和内涵；地理信息系统的信息论研究；建立地理信息系统的

理论体系；研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；总结地理信息系统的发展历史，探讨地理

信息系统发展方向等理论问题。

二、地理信息系统技术系统设计

包括地理信息系统硬件设计与配置；地理空间数据结构及表示；输入与输出系统；空间数据库管

理系统；用户界面与用户工具设计；地理信息系统工具软件研制；微机地理信息系统的开发；网络地

理信息系统的研制等。

三、地理信息系统应用方法研究

包括应用系统设计和实现方法；数据采集与校验；空间分析函数与专题分析模型；地理信息系统

与遥感技术结合方法；地学专家系统研究等。

总之，地理信息系统的内容主要包括：有关的计算机软/硬件；空间数据的获取及计算机输入；空

间数据模型及数字表达；数据的数据库存储及处理；数据的共享、分析与应用；数据的显示与视觉化;

地理信息系统的网络化等等。

第五节GIS与相关学科与技术的关系

GIS是现代科学技术发展和社会需求的产物。人口、资源、环境、灾害是影响人类生存与发展的

四大基本问题。为了解决这些问题必须要自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合攻关。

于是，许多不同的学科，包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、

统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科，参在寻找一种能采集、存储、检索、变换、处理

和显示输出从自然界和人类社会获取的各式各样数据、信息的强有力工具，其归宿就是地理信息系统,

或称空间信息系统，资源与环境信息系统。因此，GIS明显地具有多学科交叉的特征，它既要吸取诸

多相关学科的精华和营养，并逐步形成独立的边缘学科，又将被多个相关学科所运用，并推动它们的

发展。GIS的相关学科技术见图14。

地理学和测绘学是以地域单元研究人类居住的地球及其部分区域，研究人类环境的结构、功能、

演化以及人地关系。空间分析是GIS的核心，地理学作为GIS的分析理论基础，可为GIS提供引导空

间分析的方法和观点。测绘学和遥感技术不但为GIS提供快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，

而且它们中的许多理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理。

图1-4GIS的相关学科技术（据郭达志等）

第六节GIS的发展概况

一、国际发展状况

综观GIS发展，可将地理信息系统发展分为以下儿个阶段：

1、地理信息系统的开拓期(60年代)：注重空间数据的地学处理。

1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建立了世界上第

一个实用的地理信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS),用于自然资源的管理和规划。

2、地理信息系统的巩固发展期(70年代)

发展阶段(70年代)，注重空间地理信息的管理，受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视。

3、地理信息系统技术大发展时期(80年代)：

推广应用阶段(80年代)，注重空间决策支持分析。

4、地理信息系统的应用普及时代(90年代)：

注重GIS社会应用与服务，GIS技术迅猛发展。控件式GIS成为GISTools的发展方向;WebGIS蓬

勃发展;三维GIS崭露头角。

二、国内发展状况

我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国

第一个地理信息系统研究室为标志。

地理信息系统进入发展阶段的标志是从第七个五年计划开始。地理信息系统研究作为政府行为，

正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。

自90年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联合科技攻关计划，强

调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部

应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。这期间开展的主要研究及今后

尚需进一步发展的领域有；重大自然灾害监测与评估系统的建设和应用；重点产粮区主要农作物估产;

城市地理信息系统的建设与应用；建立数字化测绘技术体系；国家基础地理信息系统建设与应用；专

业信息系统与数据库的建设和应用；基础通用软件系统的研制与建立；地理信息系统规范化与标准化;

基于地理信息系统的数据产品研制与生产。同时经营地理信息系统业务的公司逐渐增多。

三、国外主流GIS软件

ARC/INFO(ArcView,ArcObject>ArcIMS)

GENAMAP

MGE(ModularGISEnvironment)(GeoMedia)

Mapinfo(MapinfoPreserverMapX、MapXtreme、SpatialWare)

ERDAS

四、国产主流GIS软件

GeoStarMapGISSuperMapCityStar

五、地理信息系统的发展趋势

(DGIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学日趋完善的技术体系；

(2)空间数据结构与数据管理的研究更加深入；

(3)GIS应用模型开发日趋加强；

(4)GIS智能化；

(5)GIS网络化；

(6)三维GIS的研究不断深入；

(7)宏观与微观应用进一步加强，并形成新的产业。

六、地理信息系统的应用

①专题地图制图

②矿产资源评价

③环境评价与监测

④土地、水资源调查与管理

⑤资源开采

⑥管网、交通模拟模型

⑦导航系统

⑧城市规划

⑨教练与模拟

⑩辅助决策

第二章空间数据获取与处理

第一节数据源种类

地理信息系统的数据源是指建立地理信息系统数据库所需要的各种类型数据的来源。地理信息系

统的数据源是多种多样的，并随系统功能的不同而不同，主要包括以卜各种：

一、地图

1、各种类型的地图是GIS最主要的数据源，因为地图是地理数据的传统描述形式，是具有共同参

考坐标系统的点、线、面的二维平面形式的表示，内容丰富，图上实体间的空间关系直观，而且实体

的类别或属性可以用各种不同的符号加以识别和表示。我国大多数的GIS系统其图形数据大部分都来

自地图。

二、遥感影像数据

遥感影像是G1S中个极其重要的信息源。

通过遥感影像可以快速、准确地获得大面积的、综合的各种专题信息，航天遥感影像还可以取得

周期性的资料，这些都为GIS提供了丰富的信息。但是因为每种遥感影像都有其自身的成像规律、变

形规律，所以对其的应用要注意影像的纠正、影像的分辨率、影像的解译特征等方面的问题。

三、统计数据

国民经济的各种统计数据常常也是GIS的数据源。如人口数量、人口构成、国民生产总值等等。

四、实测数据

各种实测数据特别是一些GPS点位数据、地籍测量数据常常是GIS的一个很准确和很现势的资料。

五、数字数据

目前，随着各种专题图件的制作和各种GIS系统的建立，直接获取数字图形数据和属性数据的可

能性越来越大。数字数据也成为GIS信息源不可缺少的•部分。但对数字数据的采用需注意数据格式

的转换和数据精度、可信度的问题。

六、各种文字报告和立法文件

各种文字报告和立法文件在一些管理类的GIS系统中，有很大的应用，如在城市规划管理信息系

统中，各种城市管理法规及规划报告在规划管理工作中起着很大的作用。

第二节地图数字化

一、概述

地图数据可以分为：

1.空间数据（或图形数据）

空间数据是构成地图内容要素的几何图形，例如地图上的井、山峰、灯塔、河流、道路、等值线、

湖泊、森林界线和土壤类型界线等。为表示这些要素在二维平面上空间图形的定位特征，常用一对平

面直角坐标3D来表示，这种地图数据称为矢量数据；或用其通过栅格单元的左下角坐标（行和列）

来表示，称此为栅格数据。

地图要素图形大致可以分为点、线、面三种基本类型。

面——可由环绕它们的线表示；也可以由其区域内的点表示；

线——可离散化成为点的集合；

而点则能用一对平面坐标系中的坐标来确定。

2.语义数据（属性数据）

语义数据又称为非儿何数据，包括定性数据和定量数据。定性数据用来描述要素的分类或对要素

进行标名。定量数据是说明要素的性质、特征或强度的，例如距离、面积、人口、产量、收人、流速,

以及温度和高程等.

二、数字化仪数字化

1.手扶跟踪数字化

尽管手扶跟踪数字化(ManualDigitising)工作量非常繁重，但是它仍然是目前最为广泛采用的

将已有地图数字化的手段。

通常，数字化仪采用两种数字化方式，即点方式(PointMode)和流方式(StreamMode),点方

式是当录入人员按下游标(Puck)的按键时，向计算机发送一个点的坐标。输入点状地物要素时必须使

用点输入方式；而线和多边形地物的录入可以使用点方式，在输入时，输入者可以有选择地输入曲线

上的采样点，而采样点必须能够反映曲线的特征。

流方式录入能够加快线或多边形地物的录入速度，在录入过程中，当录入人员沿着曲线移动游标

时，能够自动记录经过点的坐标。采用流方式录入曲线时，往往采集点的数目要多于点方式，造成数

据量过大，一个解决的方案是对记录的点进行实时采样，即尽管系统接收到了点的坐标，但是可以根

据采样原则确定是否记录该点。

三、扫描矢量化

1.扫描矢量化以及处理流程

常见的地图扫描处理的过程如图2-3所示。由于扫描仪扫描幅面一般小于地图幅面，因此大的纸

地图需先分块扫描，然后进行相邻图对接；当显示终端分辨率及内存有限时，拼接后的数字地图还要

裁剪成若干个归一化矩形块，对每个矩形块进行矢量化(Vectorization)处理后生成便于编辑处理的矢

量地图，最后把这些矢量化的矩形图块合成为一个完整的矢量电子地图，并进行修改、标注、计算和

漫游等编辑处理。

图2-3：地图信息处理流程图

扫描矢量化可以自动进行，行是扫描地图中包含多种信息,系统难以自动识别分辨(例如，在一

幅地形图中，有等高线、道路、河流等多种线地物，尽管不同地物有不同的线型、颜色，但是对于计

算机系统而言，仍然难以对它们进行自动区分)，这使得完全自动矢量化的结果不那么“可靠”，所以

在实际应用中，常常采用交互跟踪矢量化，或者称为半自动矢量化。

第三节空间数据录入后的处理

一、图形坐标变换

在地图录入完毕后，经常需要进行投影变换，得到经纬度参照系下的地图。对各种投影进行坐标

变换的原因主要是输入时地图是种投影，而输出的地图产物是另外种投影。进行投影变换有两种

方式，一种是利用多项式拟合，类似于图像几何纠正；另一种是直接应用投影变换公式进行变换。

1.基本坐标变换

在投影变换过程中，有以下三种基本的操作：平移、旋转和缩放。

2.仿射变换(AffineTranformation)

仿射变换在不同的方向可以有不同的压缩和扩张，可以将球变为椭球，将正方形变为平行四边形。

二、图形拼接

在对底图进行数字化以后，由于图幅比较大或者使用小型数字化仪时，难以将研究区域的底图以

整幅的形式来完成，这是需要将整个图幅划分成几部分分别输入。

除了图幅尺寸的原因，在GIS实际应用中，由于经常要输入标准分幅的地形图，也需要在输入后

进行拼接处理，这时，一般需要先进行投影变换，通常的做法是从地形图使用的高斯——克吕格投影

转换到经纬度坐标系中，然后再进行拼接。

三、拓扑生成

在图形数字化——无论是手扶跟踪数字化还是扫描矢量化——完成后，对于大多数地图需要建立

拓扑，以正确判别地物之间的拓扑关系。在GIS数据管理中，拓扑关系可以定义以下内容：

1)区域，如果多边形数据DIME数据模型，每个多边形可以用一组封闭的线来表示，而不需要记

录封闭线上的所有点，避免两次记录相邻多边形的公共边界，这样减少了数据冗余。

2)邻接性，另一种可以用拓扑描述的属性是多边形之间的相互邻接性。

3)连通性，连通性是指对弧段连接的判别，连通性的建立和表现是网络分析的基础。

1.图形修改

在建立拓扑关系的过程中，一些在数字化输入过程中的错误需要被改正，否则，建立的拓扑关系

将不能正确地反映地物之间的关系。

2.建立拓扑关系

在图形修改完毕之后，就意味着可以建立正确的拓扑关系，拓扑关系可以由计算机自动生成，目

前大多数GIS软件也都提供了完善的拓扑功能；但是在某些情况下，需要对计算机创建的拓扑关系进

行手工修改，典型的例子是网络连通性。

正如拓扑的定义所描述的，建立拓扑关系时只需要关注实体之间的连接、相邻关系，而节点的位

置、弧段的具体形状等非拓扑属性则不影响拓扑的建立过程。

1)多边形拓扑关系的建立

如果使用DIME或者类似的编码模型，多边形拓扑关系的表达需要描述以下实体之间的关系：

•多边形的组成弧段；

•弧段左右两侧的多边形，弧段两端的节点；

•节点相连的弧段。

多边形拓扑的建立过程实际上就是确定上述的关系。具体的拓扑建立过程与数据结构有关，但是

其基本原理是一致的。

2)网络拓扑关系的建立

在输入道路、水系、管网、通信线路等信息时，为了进行流量以及连通性分析，需要确定线实体

之间的连接关系。网络拓扑关系的建立包括确定节点与连接线之间的关系，这个工作可以由计算机自

动完成，但是在一些情况中，如道路交通应用中，一些道路虽然在平面上相交，但是实际上并不连通,

如立交桥，这是需要手工修改，将连通的节点删除。

第四节空间数据质量

一、空间数据质量的概念

1、空间数据质量

空间位置、专题特征以及时间是表达现实世界空间变化的三个基本要素。空间数据是有关空间位

置、专题特征以及时间信息的符号记录。而数据质量则是空间数据在表达这三个基本要素时.，所能够

达到的准确性、•致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度。

2、与数据质量相关的几个概念

(1)误差(Error)：误差反映了数据与真实值或者大家公认的真值之间的差异,它是一种常用的

数据准确性的表达方式。

(2)数据的准确度(Accuracy)：数据的准确度被定义为结果、计算值或估计值与真实值或者大家

公认的真值的接近程度。

(3)数据的精密度(Resolution)：数据的精密度指数据表示的精密程度，亦即数据表示的有效位

数。它表现了测量值本身的离散程度。由于精密度的实质在于它对数据准确度的影响，同时在很多情

况下。它可以通过准确度而得到体现，故常把二者结合在一起称为精确度，简称精度。

(4)不确定性(Uncertainty)：不确定性是关于空间过程和特征不能被准确确定的程度,是自然

界各种空间现象自身固有的属性。在内容上，它是以真值为中心的一个范围，这个范围越大，数据的

不确定性也就越大。

二、空间数据质量评价

1、空间数据质量标准

空间数据质量标准的建立必须考虑空间过程和现象的认知、表达、处理、再现等全过程。空间数

据质量标准要素及其内容如下：

(1)数据情况说明：要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等作出准确、全面和详尽的说

明。

(2)位置精度或称定位精度：为空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常表现为空间三

维坐标数据精度。它包括数学基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度(形状保真度)、

像元定位精度(图像分辨率)等。平面精度和高程精度又可分为相对精度和绝对精度。

(3)属性精度：指空间实体的属性值与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类型，且常常与

位置精度有关，包括要素分类与代码的正确性、要素属性值的准确性及其名称的正确性等。

(4)时间精度：指数据的现势性。可以通过数据更新的时间和频度来表现。

(5)逻辑一致性：指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容(包括空间特征、专题特

征和时间特征)，以及拓扑性质上的内在一致性。

(6)数据完整性：指地理数据在范围、内容及结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、

空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。

(7)表达形式的合理性：主要指数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专

题特征和时间特征表达的合理性等。

2、空间数据质量的评价

空间数据质量的评价，就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题和时间特征进行

评价。下面给出了空间数据质量评价矩阵(表)。

表空间数据质量评价矩阵表

空间数据描述

空间特征时间专题特

空间数据彘^\特征征

世系(继承性)Jy

位置精度

属性精度

逻辑一致性

完整性y

表现形式准确性、/、/

三、误差的类型(源误差、操作误差)

空间数据的质量通常用误差来衡量，而误差定义为空间数据与其真值的差别。空间数据误差的来

源是多方面的，例如，GIS的原始录入数据本身包含着数据采集过程中引入的源误差。另外，在原始数

据录入到空间数据库以及随后的数据分析处理和结果输出过程中，每一步都会引入新误差。根据

P.A.Burrough(1986)的建议，可以将GIS数据误差的来源归纳为三类，如表所示。

1、源误差

GIS数据的来源主要有，直接从现场利用GPS或全站仪采集的数字数据；现有纸质地图的数字化;

航空影像和遥感数字数据或统计调查数据等。这些数据受表5—3中前两类误差来源的部分或全部影响。

表空间数据误差的来源

误差误差误

类型来源差特征

源误差数据年代；数据的空间明

覆盖范围：地图比例尺；观显、易探

测密度数据的可访问性，数测

据格式；数据与用途的一致

性；数据的采集处理费用

由自然变位置误差；属性误差：不

化或原始测量质量和数量方面的误差明显

引起的误差数据偏差：输入输出错难

误，观测者偏差，自然变化测定

GIS处理过计算机字长引起的误差复

程引起的误差拓扑分析引起的误差：杂

逻辑错误、地图叠置操作难

分类与综合引起的误探测

差：分类方法、分类间隔、

内插方法

2、操作误差

除了GIS原始录入数据本身带有的源误差外，空间数据在GIS的模型分析和数据处理等操作中还

会引入新误差。如，由计算机字长引起的误差，拓扑分析引入的误差和叠置中引入的误差等。

3、数据使用过程中引起的误差

GIS空间数据库中数据的许多不规则性是由所使用的分类方法和从点数据到面数据的内插方法引

起的，即它们作为GIS中的一种操作会引入许多误差。

以上讨论了GIS空间数据库中原始录用数据本身含有的源误差和随后空间操作中引入的新误差。

一般来说，源误差远大于操作误差，因此，要想控制GIS产品的质量，良好的原始录用数据是首要的。

五、空间数据质量的控制

数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入

手，分别用一定的方法减少误差。空间数据质量控制常见的方法有：

1、传统的手工方法质量控制的人工方法主要是将数字化数据与数据源进行比较，图形部分的

检查包括目视方法、绘制到透明图上与原图叠加比较，属性部分的检查采用与原属性逐个对比或其它

比较方法。'

2、元数据方法数据集的元数据中包涵了大量的有关数据质量的信息，通过它可以检查数据质量,

同时元数据也记录了数据处理过程中质量的变化，通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化。

3、地理相关法用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。例如，从地表自

然特征的空间分布着手分析，山区河流应位于微地形的最低点，因此，叠加河流和等高线两层数据时,

若河流的位置不在等高线的外凸连线上，则说明两层数据中必有一层数据有质量问题，如不能确定哪

层数据有问题时，可以通过将他们分别与其它质量可靠的数据层叠加来进一步分析。因此，可以建立

一个有关地理特征要素相关关系的知识库，以备各空间数据层之间地理特征要素的相关分析之用。

六、空间数据的元数据

Metadata可以译成元数据，是描述数据的数据。在地理空间数据中，元数据是说明数据内容、质

量、状况和其他有关特征的背景信息。元数据并不是•个新的概念。实际上传统的图书馆卡片、出版

图书的版权说明、磁盘的标签等都是元数据。纸质地图的元数据主要表现为地图类型、地图图例，包

括图名、空间参照系和图廓坐标、地图内容说明、比例尺和精度、编制出版单位和日期或更新日期、

销售信息等。在这种形式下，元数据是可读的，生产者和用户之间容易交流，用户通过它可以非常容

易地确定该书或地图是否能够满足其应用的需要。

在地理信息系统应用中，元数据的主要作用可以归纳为如下几个方面：

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，并保证即使其主要工作人员离

退时，也不会失去对数据情况的了解；

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）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的判断；

4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。

可见，元数据是使数据充分发挥作用的重要条件之一，它可以用于许多方面，包括数据文档建立、

数据发布、数据浏览、数据转换等。元数据对于促进数据的管理、使用和共享均有重要的作用。

（-）元数据的概念及类型

1元数据的概念

元数据是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户

对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，不同领域的数据库，其元数据的内容会有很大差异。通

过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次

开发等。

元数据的内容包括：

D对数据集的描述；对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（数据生产历史）

等的说明；

2）对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺

等；

3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；

4）对数据转换方法的描述；

5）对数据库的更新、集成等的说明。

2元数据的类型

元数据的分类研究的目的在于充分了解和更好地使用元数据。分类的原则不同，元数据的分类体

系和内容将会有很大的差异。

1）根据元数据的内容分类

由于不同性质、不同领域的数据所需要的元数据内容有差异，而且为不同应用目的而建设的数据

库的元数据内容会有很大的差异，所以将元数据化分为三种类型：

（1.1）科研型元数据：其主要目标是帮助用户获取各种来源的数据及其相关信息，它不仅包括

如数据源名称、作者、主体内容等传统的、图书管理式的元数据，还包含数据拓扑关系等。这类元数

据的任务是帮助科研工作者高效获取所需数据。

（1.2）评估型元数据：主要服务于数据利用的评价，内容包括数据最初收集情况、收集数据所

用的仪器、数据获取的方法和依据、数据处理过程和算法、数据质量控制、采样方法、数据精度、数

据的可信度、数据潜在应用领域等。

（1.3）模型元数据：用于描述数据模型的元数据与描述数据的元数据在结构上.大致相同，其内

容包括模型名称、模型类型、建模过程、模型参数、边界条件、作者、引用模型描述、建模使用软件、

模型输HI等。

2）根据元数据描述对象分类

（1.1）数据层元数据：指描述数据集中每个数据的元数据，内容包括日期邮戳、位置戳、量纲、

注释、误差标识、缩略标识、存在问题标识、数据处理过程等。

（1.2）属性元数据：是关于属性数据的元数据，内容包括为表达数据及其含义所建的数据字典、

数据处理规则（协议），如采样说明、数据传输线路及代数编码等。

（1.3）实体元数据：是描述整个数据集的元数据，内容包括数据集区域采样原则、数据库的有

效期、数据时间跨度等。

（二）空间数据元数据的应用

1帮助用户获取数据

通过元数据，用户可对空间数据库进行浏览、检索和研究等。

2空间数据质量控制

无论是统计数据还是空间数据都存在数据精确问题，影响空间数据精度的原因主要有两个方面：

一是源数据的精度；一是数据加工处理工程中精度质量的控制情况。空间数据质量控制内容包括：（1）

有准确定义的数据字典，以说明数据的组成，各部分的名称，表征的内容等；（2）保证数据逻辑科学

地集成，如植被数据库中不同亚类的区域组合成大类区，这要求数据按一定逻辑关系有效的组合：（3）

有足够的说明数据来源、数据的加工处理工程、数据解译的信息。这些要求可通过元数据来实现，这

类元数据的获取往往由地学和计算机领域的工作者来完成。数据逻辑关系在数据中的表达要由地学工

作者来设计，空间数据库的编码要求一定的地学基础，数据质量的控制和提高要有数据输入、数据查

错、数据处理专业背景知识的工作人员，而数据再生产要由计算机基础较好的人员来实现。所有这方

面的元数据，按一定的组织结构集成到数据库中构成数据库的元数据信息系统来实现上述功能。

3在数据集成中的应用

数据集层次的元数据记录了数据格式、空间坐标体系、数据的表达形式、数据类型等信息；系统

层次和应用层次的元数据则记录了数据使用软硬件环境、数据使用规范、数据标准等信息。这些信息

在数据集成的一系列处理中，如数据空间匹配、属性••致化处理、数据在各平台之间的转换使用等是

必要的。这些信息能够使系统有效地控制系统中的数据流。

第三章空间信息基础与空间关系

一、地理空间

地理空间上至大气电离层、下至地幔莫霍面。地球表层的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。地理空间是行星地球上大气圈、水圈、生

物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球

化学过程就发生在地理空间中。地理空间也是宇宙过程对地球影响最大的区域。

地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”（Geo—spatial）来表述。•般来说，地理空间被定义为

绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的

空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，它是由不同实体之间的空间关系构成。

二、地理空间的数学构建

为了深入研究地理空间，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

面儿何模型可以分为四类：第一类是地球的自然表面；第二类是相对抽象的面，即大地水准面；第三

类是模型；第四类是数学模型

1.第一类——最自然的面

包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。固体地球表面的形态，是多种成分的内、外地貌

营力在漫长的地质时代里综合作用的结果，所以非常复杂，难以用一个简洁的数学表达式描述出来，

所以不适合于数字建模；它在诸如长度、面积、体积等几何测量中都面临着十分复杂的困难

2.第二类是相对抽象的面，即大地水准面

地球自然表面是一个起伏不平、十分不规则的表面，有高山、丘陵和平原，又有江河湖海。地球

表面约有71%的面积为海洋所占用，29%的面积是大陆与岛屿。陆地上最高点与海洋中最深处相差近

20公里。这个高低不平的表面无法用数学公式表达，也无法进行运算。所以在量测与制图时，必须找

一个规则的曲面来代替地球的自然表面。当海洋静止时，它的自由水面必定与该面上各点的重力方向

（铅垂线方向）成正交，我们把这个面叫做水准面。但水准面有无数多个，其中有一个与静止的平均

海水面相重合。可以设想这个静止的平均海水面穿过大陆和岛屿形成•个闭合的曲面，这就是大地水

准面。

大地水准面所包围的形体，叫大地球体。由于地球体内部质量分布的不均匀，引起重力方向的变

化，导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的，仍然是不能用数学表达的曲面。

3.第三类是椭球体模型

•大地水准面形状虽然十分复杂，但从整体来看，起伏是微小的。它是一个很接近于

绕自转轴(短轴)旋转的椭球体。为了从数学上定义地球，必须建立一个地球表面的几何模型。

它是一个较为接近地球形状的几何模型，即椭球体，是由一个椭圆绕着其短轴旋转而成。

•所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体，这个旋转球体通常称地球椭球

体，简称椭球体。

•地球椭球体表面是一个规则的数学表面。椭球体的大小，通常用两个半径：长半径

a和短半径b,或山一个半径和扁率来决定。扁率。表示椭球的扁平程度。扁率的计算公式为：

a-(a-b)la。

•这些地球椭球体的基本元素a、b,。等，由于推求它的年代、使用的方法以及测定

的地区不同，其结果并不一致，故地球椭球体的参数值有很多种。

世界各图常用的地球椭球体模型

椭球体名称年份长半轴(m)短半轴(m)扁率

白塞尔(Bessel)1841637739763560791:299.15

克拉克(Clarke)1880637824963561511:293.5

克拉克(Clarke)1866637820663565841:295.0

海福特(Hayford)1910637838863569121:297

克拉索夫斯基1940637824563568631:298.3

LU.G.G1967637816063567751:298.25

埃维尔斯特1830637727663560751:300.8

(Everest)

中国在1952年前采用海福特椭球体，19537980年采用克拉索夫斯基椭球体，随着人造卫星发射,

有了更精密的测算验证条件。1975年第16届国际大地测量及地球物理联合会上通过国际大地测量协会

第一号决议中公布的地球椭球体称为GRS(1975),中国自1980年开始采用GRS(1975)。6371km

4.第四类是数学模型

是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面(Telluriod)、准大地水准面、静态水平

衡椭球体等。

三、地理空间坐标系的建立

1.地理空间坐标系的建立的目的

建立地理空间坐标系，主要的目的是确定地面点的位置。也就是求出地面点对大地水准面的关系,

它包括地面点在大地水准面上的平面位置和地面点到大地水准面的高度。确定地面点的位置，最直截

了当的方法就是用地理坐标(纬度、经度)来表示。

2.地理空间坐标系的建立

地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。地理极是地轴(地球椭球体的旋转轴)与椭球面的交点，

如图2-2,N为北极，S为南极。所有含有地轴的平面，均称为子午面。子午面与地球椭球体的交线，

称为子午线或经线。经线是长半径为a,短半径为b的椭圆。所有垂直于地轴的平面与椭球体面的交线,

称为纬线。纬线是不同半径的圆。赤道是其中半径最大的纬线。

设椭球面上有一点A（图2-2）,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，通常以字母W表示。纬度从赤道起算，在赤道上纬度为0。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，通常以字母人表示。国际规定

通过英国格林尼治天文台的予午线为本初子午线（或叫首子午线），作为计算经度的起点。

s

图2-2地理坐标

根据地理坐标系，地面上任一点的位置可由该点的纬度和经度来确定。但地理坐标是一种球面坐

标，难以进行距离、方向、面积等参数的计算。为此，最好把地面上的点表示在平面上，采用平面坐

标系（笛卡儿平面直角坐标）。所以，要用平面坐标表示地面上任何一点的位置，首先要把曲面展开为

平面，但山于地球表面是不可展开的曲面，也就是说曲面上的各点不能直接表示在平面上，因此必须

运用地图投影的方法，建立地球表面和平面上点的函数关系，使地球表面上任一个由地理坐标（W、X）

确定的点，在平面上必有一个与它相对应的点。

暂且不考虑地形起伏等因素，则纬度入、经度W、地球旋转椭球体参量a、b与平面直角坐标x、y

之间的变换关系如下：

x=acosWcosX

y=bcoswsinX地图投影变换引起了地理空间要素在平面形态上的变化，包括长度变化、方向变化和

地图投影变换引起了地理空间要素在平面形态上的变化，包括长度变化、方向变化和面积变化。

但是地理箝息熊统称的鼬理施眦通常脚融接翻翻场的崛倔放例锡甘朋狗®静U的她跳而租将虎前

图数的的巽论峨敝避于旋峋椭他微揪地图殁疑概换。

长期以来，人们主要考虑了二维地理空间的理论问题，至于三维地理信息系统中所涉及的地理空

间，则是在上述笛卡儿平面直角坐标系上加上第三维z,并假设该笛卡儿平面是处处切过地球旋转椭球

体的，这样Z就代表了地面相对于该旋转椭球体表面的高程。当我们所研究的区域较小、地球曲率可

以忽略不计时，这些假设可以提供良好的近似。

大地坐标：在地面上建立•系列相连接的三角形，量取一段精确的距离作为起算边，在这个边的

两端点，采用天文观测的方法确定其点位（经度、纬度和方位角），用精密测角仪器测定各三角形的角

值，根据起算边的边长和点位，就可以推算出其他各点的坐标。这样推算出的坐标，称为大地坐标。

我国1954年在北京设立了大地坐标原点，由此计算出来的各大地控制点的坐标，称为1954年北

京坐标系。

我国1980年宣布在陕西省泾阳县设立了新的大地坐标原点，并采用1975年国际大地测量协会推

荐的大地参考椭球体，由此计算出来的各大地控制点坐标，称为1980年大地坐标系。

高程系统

高程指空间参考的高于或低于某基准平面的垂直位置。

我国高程的起算面是黄海平均海水面,1956年在青岛设立了水准原点，其他各控制点的绝对高程

都是根据青岛水准原点推算的，称此为1956年黄海高程系。

1987年国家测绘局公布：中国的高程基准面启用《用85国家高程基准》取代国务院1959年批准

启用的《黄海平均海水面》。《1985国家高程基准》比《黄海平均海水面》上升29毫米。（现在使用）

四、地图比例尺

通常认为是地图上距离与地面上相应距离之比，它反映了制图区域和地图的比例关系。

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

地图比例尺的表示方法

1）数字比例尺

这是简单的分数或比例，可表示为1：1000000或1/1000000,最好用前者。这意味着，地图上（沿

特定线）长度1毫米、1厘米或1英寸（分子），代表地球表面上的1000000毫米、厘米或英寸（分母）。

2）文字比例尺

这是图上距离与实地距离之间关系的描述。例如，1：1000000这一数字比例尺可描述为“图1毫米

等于实地1公里

3）图解比例尺或直线比例尺

这是在地图上绘出的直线段，常常绘于图例方框中或图廓下方，表示图上长度相当于实地距离的

单位。

4）面积比例尺

这关系到图上面积与实地面积之比，表示图上1单位面积（平方厘米）与实地上同一种平方单位

的特定数量之比。

我国地图比例尺分