《地理信息系统GIS》全套教学课件

地理信息系统GIS第1讲（2学时）GIS第2讲（3学时）第3讲绪论（2学时）第4讲从现实世界到比特世界（3学时）第5讲空间数据模型（2学时）第6讲空间数据模型（3学时）第7讲空间参照系统和地图投影（2学时）第8讲GIS中的数据质量（3学时）第9讲空间数据获取与处理（2学时）第10讲空间数据获取与处理（3学时）第11讲空间数据管理（2学时）第12讲空间分析（3学时）第13讲空间分析（2学时）第14讲DTM与地形分析（3学时）第15讲空间建模与空间决策支持（2学时）第16讲空间建模与空间决策支持（3学时）GIS实验全套可编辑PPT课件本讲内容第一部分关于本课程第二部分关于地理学第三部分关于地理信息系统第四部分本讲教学内容第一部分关于本课程1、课程性质：专业核心课；2、课程要求：要求掌握GIS数据结构、空间数据管理、地图矢量化、空间数据库构建、空间分析等原理与方法；较为熟练地使用ArcView、MapInfo、MapObjects、ARC/INFO等GIS软件（《农业信息技术综合实验（2）》），基本具备基于GIS的农业应用软件研发能力。（1）GIS是一门典型的交叉学科。涉及地理学+信息系统科学等。（2）GIS是一门硬技术，不是Book-farming。力求知识、能力与技能三位一体提升。（3）GIS是一门快速发展中的新兴学科。

经常阅读文献资料，研判学科发展趋势；经常关注行业应用，把握技术发展方向。3、GIS之特点（1）信息量丰富（缓冲区、泰森多边形等）；（2）知识面宽，知识点多；（3）专业性强（DTM、DEM、DSM）；（4）创新要求高（多软件交互操作）；（5）应用性特点鲜明（农业行业应用等）。4、本课程之特点与要求5、教学安排（1）教材选用：邬伦教授编著之书（2）讲授内容：1-11章，其他自学（3）学时安排：40学时理论教学+32学时实验教学（4）成绩计算：课堂考勤（5%）、回答问题（5%）、课程测试（15%）、课堂讨论（5%）+期末考试成绩（70%）=课程总成绩（100%）第二部分关于地理学1、地理学是研究地理环境中各种自然现象和人文现象及它们间相互关系的学科。“地理”一词最早见于中国《易经》。英文中地理一词则来源于希腊文hêgê（意为“地球”）和graphein（意为“写”）。地理学自然地理学人文地理学系统地理学区域地理学历史地理学应用地理学……建设地理学环境地理学农业地理学医学地理学……2、中国古代最早的地理书籍包括了《禹贡》和《山海经》等。古代的地理学主要探索关于地球形状、大小有关的测量方法，或对已知的地区和国家进行描述。例如：孟良（以宋将命名）崮之崮，意为顶平坡陡的山峰。已知最早中国地球仪。于1623年专为当时皇帝（明朝天启三年）制作小贴士：了解地球

地球是一个不规则的椭球体；长半径（a）、短半径（b）、扁率[α=（a-b）/a]。

埃拉托色尼（公元前276年-公元前194年）计算出地球圆周长为39690千米，这与现在的测量值40000千米较为接近。

地球年龄：46亿岁；表层温度：-70至+56℃。

约在公元前600年，巴比伦人已算出两次金星与地球距离相同点的时间间隔是583.91天；在今天计算机时代，则是583.92天。并算出两个月圆之间时间间隔是29.53064天；这与目前我们计算的29.530589天的结果相当接近。地球重力分布图第三部分关于地理信息系统1、英文名称：GeographicInformationSystem，简称GIS。2、人们使用信息的80%以上都是地理信息。3、GIS是一种决策支持系统，它具有信息系统诸特点，但其又是一种独一无二的信息系统，带有空间定位性质。4、ADefinitionofGISGISisaSystemofcomputersoftware,hardwareanddata,andpersonneltohelpmanipulate,analyzeandpresentinformationthatistiedtoaspatiallocation.——Amethodtovisualize,manipulate,analyze,anddisplayspatialdata.——“SmartMaps”linkingadatabasetothemap.用户界面系统和数据库管理空间数据处理空间数据分析数据输入数据库建立产品生成产品输出甘肃社会经济统计地理信息系统全省1：5万及主要城市1：1万，最小空间单元到行政村，10GB用GOOGLEEARTH了解地理环境中国版GoogleEarth第四部分本讲教学内容第一章地理信息系统概论第一节地理信息系统的基本概念第二节地理信息系统及其类型

第一节地理信息系统的基本概念第一章地理信息系统概论

如果说地图是地理学的第二代语言，那么地理信息系统就是地理学的第三代语言。

——陈述彭院士地理信息系统是回答如下问题的信息系统——“哪里”。

——HenryTom一、数据、信息、地理数据与地理信息（一）数据（Data）

1、定义：指某一目标定性、定量描述的原始资料。

2、数据与信息关系：数据是信息的表达，信息是数据的内涵。（二）信息（Information）

1、信息的含义

（1）性质：一个专门术语。

（2）定义：指人们所关心的事物的情况、消息或知识。信息是数据、消息中所包含的意义。

2、信息特点：客观性、实用性、传输性、共享性。不透水面层

第一章地理信息系统概论《地理信息系统》课程第二讲思考题1、GIS是地理学的：（）A．第一代语言B．第二代语言C．第三代语言D．第四代语言2、

2013年第23号热带风暴“菲特”于9月30日20时在菲律宾以东洋面生成。生成时中心位于北纬13.9度、东经132.5度，中心附近最大风力8级（18米/秒），中心最低气压1000百帕。“菲特”于10月1日17时在西北太平洋洋面上加强为强热带风暴。“菲特”于10月3日凌晨加强为台风。“菲特”于10月4日下午加强为强台风。“菲特”于10月7日01时15分在福建省福鼎市沙埕镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有14级（42米/秒），中心最低气压为955百帕。“菲特”于10月7日03时减弱为台风，04时减弱为强热带风暴，05时减弱为热带风暴，09时在福建省建瓯市境内减弱为热带低压。

VS本讲内容第一章地理信息系统概论第一节地理信息系统的基本概念（二）第二节地理信息系统及其类型第三节GIS的功能概述第四节GIS的研究内容

第一节地理信息系统的基本概念（二）第一章地理信息系统概论一、数据、信息、地理数据与地理信息（三）地理数据

1、定义：指表征地理环境固有要素的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。

2、地理数据的类型

（1）位置数据：描述地物所在空间位置。

（2）属性数据：描述地物特征的定性或定量指标。

（3）时态数据：地理现象发生的时刻或时段。RealityGISIntegratesAlltheParts…

toSeetheWhole!HomesSchoolDistrictsStreetsZipCodesCitiesCounties南方冬闲田利用中国农科院农业资源与农业区划所2009（四）地理信息

1、定义：指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。

2、位置通过数据（如经纬度）进行标识、编码，这是地理信息区别于其它类型信息最显著的标志。2、地理信息的特性

（1）空间定位特性：通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置标识；

（2）多维结构特性：点、线、面、体+时间维；

（3）动态变化特性：可按时间尺度将地理信息划分为超短期（如台风、地震）、短期（如江河洪水、疫病传播）、中期（如土地利用、作物估产）、长期（如城市化、水土流失、气候变迁）、超长期（如地壳变动）等。373839表1长江农场生产队尺度土壤养分评价采样地点有机质(g/kg)全氮(g/kg)碱解氮(mg/kg)有效磷(mg/kg)速效钾(mg/kg)pH养分值养分等级养分值养分等级养分值养分等级养分值养分等级养分值养分等级测定值酸碱度屏东一队29.0丰富1.67丰富119.5一般27.5极丰富161极丰富8.0偏碱性屏东三队32.3极丰富1.87丰富147.2一般35.6极丰富153极丰富7.8偏碱性屏东四队23.9一般1.38一般106.3一般20.4极丰富157极丰富7.8偏碱性屏东五队28.2丰富1.72丰富123.7一般26.1极丰富255极丰富7.6偏碱性前江六队31.6极丰富1.79丰富140.1一般37.2极丰富177极丰富7.6偏碱性前江八队33.3极丰富1.87丰富141.4一般35.2极丰富181极丰富7.5偏碱性前江九队35.3极丰富2.05极丰富157.2丰富45.8极丰富203极丰富7.8偏碱性新沙一队30.4极丰富1.73丰富126.1一般27.2极丰富163极丰富8.0偏碱性新沙二队33.9极丰富1.86丰富138.7一般53.8极丰富173极丰富7.9偏碱性新沙三队31.3极丰富1.83丰富138.7一般30.1极丰富165极丰富8.2偏碱性101队23.1一般1.63丰富305.8极丰富26.6极丰富127丰富8.0偏碱性102队24.7一般1.45一般111.7一般27.8极丰富109丰富8.2偏碱性103队31.7极丰富1.86丰富131.4一般21.7极丰富169极丰富7.5偏碱性104队31.3极丰富1.84丰富131.2一般25.0极丰富153极丰富7.8偏碱性105队30.5极丰富1.59丰富130.7一般23.8极丰富129丰富7.9偏碱性203队27.7丰富1.66丰富114.5一般26.4极丰富133丰富7.5偏碱性301队23.0一般1.34一般93.5缺16.4丰富119丰富7.6偏碱性304队22.6一般1.22一般86.1缺34.6极丰富177极丰富7.7偏碱性305队31.1极丰富1.89丰富137.1一般45.7极丰富289极丰富7.7偏碱性403队23.0一般1.42一般103.7一般14.0一般167极丰富7.8偏碱性益东队24.8一般1.36一般86.2缺22.5极丰富101丰富7.9偏碱性益西队27.7丰富1.50丰富94.9缺22.8极丰富169极丰富7.6偏碱性杨浦队29.4丰富1.58丰富102.1一般36.0极丰富169极丰富7.8偏碱性杨种队24.6一般1.48一般99.0缺19.2丰富139丰富7.7偏碱性平东队26.2丰富1.50丰富99.2缺29.1极丰富129丰富7.6偏碱性平中队31.5极丰富1.77丰富107.0一般34.7极丰富145丰富7.7偏碱性平南队25.2丰富1.54丰富106.5一般25.8极丰富133丰富7.7偏碱性平西队团24.4一般1.44一般88.5缺15.7丰富109丰富7.7偏碱性东长队26.7丰富1.56丰富100.8一般26.5极丰富139丰富7.6偏碱性东浜队31.5极丰富1.78丰富108.8一般28.5极丰富153极丰富7.7偏碱性东平队24.2一般1.46一般106.0一般33.0极丰富105丰富7.8偏碱性东机队20.9一般1.33一般91.2缺32.1极丰富129极丰富7.7偏碱性益西队23.3一般1.55丰富93.5缺55.0极丰富173极丰富7.4中性杨浦队24.0一般1.58丰富91.0缺53.0极丰富235极丰富7.5偏碱性平南队17.4缺1.18一般83.6缺25.4极丰富99一般7.6偏碱性长江农场有机质空间分布图（图例单位：g/kg）二、信息系统及其类型

1、信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，能为决策过程提供有用信息。

2、包含多种类型。根据不同需要，满足相应功能。

第二节GIS及其类型第一章地理信息系统概论一、地理信息系统

1、GIS与其他IS的主要区别在于：其存储和处理的信息是经过地理编码，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。

2、GIS定义：指以空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，提供多种静态和动态的地理信息，为地理研究与决策服务的计算机技术系统。属性表--------------------实景情况地图数据属性数据数字化地理信息系统3、GIS具有的特征

（1）具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力；

（2）进行空间数据管理，使用地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息；

（3）快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。二、地理信息系统的类型

按其内容可分为三大类：

1、专题地理信息系统（ThematicGIS）：如水稻精确施肥管理信息系统等。

2、区域信息系统（RegionalGIS）：如中国黄河流域信息系统等。

3、GIS工具或GIS外壳（GISTools）。法国地图在江苏组织了宏大的协作组，使叶龄模式技术得到推广应用1987年，被列为全国农业十项重大推广技术之一仅1988～1990年在苏、黔、赣、鄂、皖、豫、湘、桂、黑、京、沪等累计协作推广1.1亿亩，覆盖率60.8%，比常规栽培亩均产增11.5%，累计增产稻谷540.1亿公斤，增效27亿元黑龙江江苏安徽河南湖北湖南江西广西贵州北京上海三、GIS的构成

主要由四部分构成，即：计算机硬件系统计算机软件系统地理数据（或空间数据）系统管理操作人员（一）计算机硬件系统系统的应用模式（单机式）操作系统（系统调用、设备运行、网络等）系统库（编程语言、数学库等）标准软件（图形、数据库等）GIS基本功能软件GIS应用软件用户界面GIS软件基础软件系统软件GIS（二）计算机软件系统GIS咨询管理信息管理数据整理（三）系统开发、管理和使用人员

（四）空间数据

是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据等。栅格数据栅格结构矢量结构定位拓扑关系属性空间数据

空间数据主要包括：

1、某个已知坐标系中的位置：即几何坐标。

2、实体间的空间关系：（1）度量关系；（2）方位关系；（3）拓扑关系。

3、非几何属性

即属性，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。

（1）定性：包括名称、类型、特性等，如土类、土属、土种等。

（2）定量：包括数量和等级，如面积、长度、土地等级、人口数等。

第三节GIS的功能概述第一章地理信息系统概论WhatCanaGISDoforYou?PerformGeographicQueriesandAnalysisMaps,Modeling,andAnalysisMakeBetterDecisionsandCreateBetterSolutionsWhatAreSomeIndustriesUsingGISSolutionsElectric/GasUtilitiesBusiness/MarketingTelecommunicationsTransportationLogisticsPetroleum&MiningPipelineWater&WastewaterHealthCareFederalGovernmentNationalAgenciesEnvironmentalMgmt.LocalGovernmentPublicSectorRetailMilitary/IntelligenceCADMappingLandUsePlanningRealEstate&CadastralSiteLocationAgricultureForestryRiskManagement一、数据采集、监测与编辑功能

主要用于获取数据，保证GIS数据库中数据在内容、时间与空间上的完整性、逻辑一致性与正确性等。地图数字化数字化仪屏幕跟踪数字化扫描的纸图,航空照片、卫星照片

二、数据处理功能

1、数据格式化：指不同数据结构的数据间变换，如栅格与矢量的互转。

2、数据转换：包括数据格式转换（CAD-TAB）、数据比例尺变化等。

3、数据概括：如再分类。栅格数据的聚合分析

根据空间分辨力和分类表，进行数据类型的合并或转换以实现空间地域的兼并。空间聚合的结果往往将较复杂的类别转换为较简单的类别，并且常以较小比例尺的图形输出。当从地点、地区到大区域的制图综合变换时常需要使用这种分析处理方法。

1、2类合并为b，3、4类合并为a

2、3类合并为c，1、4类合并为d

三、数据存储与组织功能

四、空间查询与分析功能

1、空间查询：ArcView的Query模块；2、空间分析：如空间插值。五、图形与交互显示功能149314941496149214931494149614921493149414961492试验区Cr浓度空间分布图

第四节GIS的研究内容第一章地理信息系统概论

一、研究内容

《地理信息系统》第三讲第一章地理信息系统概论

第二章从现实世界到比特世界思考题1、GIS按内容可分为

、

、

。2、找问题：本讲提要第一章地理信息系统概论第四节GIS的研究内容（二）第五节GIS的发展简史第六节GIS的发展展望第二章从现实世界到比特世界第一节对现实世界的地理认知第二节现实世界的抽象第三节比特世界

第四节GIS的研究内容第一章地理信息系统概论

一、研究内容

表FrancisChilds高产竞赛土壤养分状况

测试项目高产竞赛田农场一般生产田备注：ASI养分分级标准测定值注释测定值注释缺乏适中高量极高有机质(g/kg)60很高47很高pH7.5中性6.3微酸性磷（mg/kg）219.0极高216.0极高<1212～2424～60>60钾（mg/kg）2043.0极高733.0极高<8080～120120～160>160钙（mg/kg）1581.0高量1789.0高量<400400～12001200～4800>4800镁（mg/kg）294.0适中343.0高量<120120～300300～1460>1460锌（mg/kg）5.2高量3.0适中<22～33～6>6硫（mg/kg）78.0极高24.0适中<1212～2424～40>40铁（mg/kg）130.0高量147.0高量<1010～3030～300>300锰（mg/kg）27.0高量23.0高量<55～1515～150>150硼（mg/kg）0.9高量0.6适中<0.20.2～0.60.6～8>8资料来源：BruulsemaTW等（2000）。肥田生物蚯蚓的空间分布研究遥感地理学计算机科学定位系统管理地图学

GIS二、GIS相关学科

1、地理学经济地理学历史地理学人文地理学社会地理学自然地理学军事地形学抗美援朝战争上甘岭战役要图2、地图学地图是记录地理信息的一种图形语言形式。从历史发展角度看，GIS脱胎于地图，是活地图。

地图强调的是数据分析、符号化与显示，而GIS更注重于空间分析。…

GIS脱胎于地图，是地理信息的“灵活”、“多变”载体，具有存储、编辑、处理、分析与显示地理数据的功能。刻在石头上的地图

古代用树枝做的地图

公元前1500年树枝和贝壳制作的航海图新石器时代的壁画地图

古代上海地图

七世纪中叶的亚洲（唐朝）

历史沉浮，疆域更改解放前的河北省地图

VB环境下用MO控件生成

3、计算机科学

GIS与CAD和CAM的区别在于：

（1）CAD不能建立地理坐标系和完成地理坐标变换；（2）GIS数据量比CAD、CAM大得多，结构更为复杂，数据间联系紧密；（3）CAD和CAM不具备GIS具有的空间查询和空间分析等功能。4、遥感（RemoteSensing）

5、管理科学如南水北调工程管理信息系统、农业电商物流管理信息系统、一带（丝绸之路经济带）一路（21世纪海上丝绸之路）管理信息系统等。

第五节GIS的发展简史第一章地理信息系统概论萌生起步大发展普及亨里克斯·马提勒斯世界地图(15世纪)。此图是当时平面上描绘世界的最精确方式。15世纪90年代初期，哥伦布就是用这张地图或类似地图说服费迪南和伊莎贝拉支持他的航海计划。该图还是首张记录了1488年葡萄牙航海探险家迪亚士发现的南非好望角地图。英国霍乱病流行地区霍乱病死者居住位置分布图

1854年8-9月伦敦霍乱病流行时，始终找不到发病原因。后医生琼·斯诺在绘有霍乱流行地区所有道路、房屋、饮用水机井等的1:6500城区地图上，标出了每个霍乱病死者住家位置，得到死者居住位置分布图。他发现死者住家都集中于饮用“布洛多斯托”井水的地区及周围。据此，当局于9月8日摘下了此井水泵，再往后就未出现新霍乱病人。伦敦市贫困人口分布地图（1889年）。商人CharlesBooth对1885年有人宣称“1/4伦敦人都生活在极端贫困中”观点表示怀疑，于是雇人进行调查。结果显示为30%。调查结果被以7种颜色表现形式绘制成了地图，从黑线的“最底层”到金线的富裕阶层。受此影响，当局建成第一批简易住宅建成。伦敦地铁交通图（1933）1931年伦敦地铁交通图首次递交时曾被否决。HarryBeck地铁交通图解决了“如何清晰美观地展现伦敦稠密而又复杂交错的地铁线路”问题。其忽略各个地铁站点之间的真实距离，而是以相似间隔来标注各地铁站，然后再突出伦敦中心，这就增强了该地图的清晰性。20世纪60年代：开拓发展阶段20世纪70年代：巩固提高阶段20世纪80年代：突破创新阶段20世纪90年代：普及推广阶段21世纪：国际化、网络化、交互化阶段广州亚运地图图长治地形图

Fig.TopographicmapofChangzhi图长治行政区划图Fig.RegionalismmapofChangzhi

图晋谷21蛋白质区划Fig.jingu21proteincontentdistributionMap

图晋谷21脂肪区划Fig.Jingu21fatcontentofdistributionmap

图晋谷21直链淀粉区划Fig.Jingu21AmylosecontentdistributionMap

图晋谷21综合品质生态区划图Fig.Jinggu21qualityecologicaldistributionMap

第六节GIS的发展展望第一章地理信息系统概论InventoryDecisionSupportCitizensTheWorldGeographicKnowledge

一、GIS理论研究中亟待解决的问题（一）GIS理论发展需求

1、图形与属性集成交互；

2、栅格与矢量数据一体化快速融合；

3、GIS与RS的集成；

4、GIS与GPS、BD导航平台的集成；

5、GIS与ES的集成；

6、超媒体系统与GIS的集成；

7、3D-GIS与TGIS等。

（二）GIS理论研究中亟待解决的问题

1、GIS设计与实现的方法学问题；

2、GIS的功能问题：发展更强大的空间分析、预测预报与决策支持功能；

3、地理统计学学科的发展问题；

4、空间信息可视化技术和VR技术；

5、地理信息普及化问题。

GISDAY（1999年开始）：每年11月第三周的周三

二、地理信息系统的发展动态（一）GIS软件中发展的热点

1、GIS中面向对象（OO）技术研究；

2、时空系统（时间属性）；

3、地理信息建模系统（GIMS-GeographicInformationModelingSystem）；

4、嵌入式GIS、3DGIS等的研究；

5、3S系统融合研究等。

（二）实用GIS发展趋势与展望

1、GIS网络化（随IT产业兴而兴）

2、GIS标准化（得标准者行天下）

3、数据商业化（有限度共享）

4、系统专门化（组件化、图标化）

5、GIS企业化（企业是创新应用主体）

6、GIS全球化（国际化、大数据、云计算）

7、GIS大众化（普及教育与在线服务）

江西省万安县脐橙种植区划

141143影象GIS问题GoogleEarth等新生代GIS的问题一项重大的社会GIS工程——家谱GIS

思考题

1、地理数据、地理信息的定义及类型。

2、GIS的定义、特征及其组成。

3、GIS的基本功能。

4、GIS农业应用的领域。第二章从现实世界到比特世界

第三章空间数据模型《地理信息系统》第四讲思考题1、CAD数据量要比矢量结构数据量：（）A．大B.小C.相当D.无法比较2、TGIS是指

；VirtualGeographicalEnvironment是指

。3、世界上第一个地理信息系统形成于：（）A．美国B．英国C．加拿大D．中国本讲提要第二章从现实世界到比特世界第一节对现实世界的地理认知第二节现实世界的抽象第三节比特世界第三章空间数据模型第一节空间数据模型的基本问题第二节场模型第二章从现实世界到比特世界

前言：关于比特世界

1、原子世界：Address；比特世界：E-mail

2、无处不在的比特

在数字化世界中，鉴于1s和0s尚未被取名，1946年普林斯顿大学统计学家约翰·图基把二进制（Binary）和数据（Digit）两个单词合二而一，变成一个专门术语，即比特（Bit）。现实世界（原子世界，物理空间）概念世界（精神世界，精神空间）数字世界（比特世界，赛博空间）对现实世界的再认知地理认知模型研究地理概念计算方法研究地理信息与社会研究李德仁：基于认知层次的发现状态空间

第一节对现实世界的地理认知第二章从现实世界到比特世界

对于同一客观世界，不同领域人群往往在所关心的问题、研究对象等方面存在差异，这就会产生不同环境映象。属性——概念——特征

一、认知的含义

1、认知理论：“刺激——反应”关系模式。举例：一只叛逆的猴子。

2、地图制图可视化之实质：探讨地图信息传输过程中人对空间客体的认知。

图空间认知的框架新猴子拿香蕉如拿，则自己定被淋湿一定得阻止：打客观世界

GIS就是信息加工系统，即输入信息，进行编码，存储记忆，做出决策，输出结果（I/0）。

认知的目的在于求解问题，即找到问题的解决方案。油泄露对周围影响

二、环境映象与模型

环境映象可看作是被学习到的稳定的思维概念，它总结与反映了个人对环境的兴趣、认识、评价和选择能力。

图人与环境的相互作用关系图

地学中所采用的表现模型包括地图、遥感图像、统计图表、剖面图等。地图是地学中使用最普遍、最重要的模型。

国际地图制图协会（ICA）提出“地图是地理现实世界的表现或抽象，以视觉、数字或触觉的方式表现地理信息的工具”。地图必须经过科学概括北京市村镇人口密度图（局部）

三、地图认知模型

1、地图认知模型分为地图编制与设计者的认知模型和地图使用者的认知模型。

图地图编制者的认知模型

图地图使用者的认知模型

2、制图者的认知模型：目的是指导制图者选取最主要的制图内容与最适合的表现形式。

3、地图使用者的认知是在已有地图基础上，结合读图者空间知识与背景，完成对地图对象的认知，从而间接达到认知客观世界目的。小孩两岁时即有地图认知能力。

图制图活动过程现实世界概念世界地理空间世界匈牙利泄漏的有毒泥浆

四、地图是客观世界形象—符号—概括模型

1、地图是客观世界的形象模型：具有形象性，能对实际对象做出完整、清晰和直观的图形描述。2、地图是客观世界的符号模型3、地图是客观世界的概括模型

对地物进行取舍、图形化简、数量和质量概括、地物协调，及夸大表示等处理。重要地区扩大图

第二节现实世界的抽象第二章从现实世界到比特世界

图OpenGIS九层模型软件中实现WellKnownText

一、现实世界——事物的集合

二、概念世界

三、地理空间世界（GeospatialWorld）RealityHomesSchoolDistrictsStreetsZipCodesCitiesCounties

图地理空间世界

四、维度世界（DimensionalityWorld）

可进行卷尺测量和设置指南针，如周长、面积、弧段长度、点间距离、高程、方位、角度等。

五、项目世界（ProjectWorld）制图员视角地籍管理人员视角路政管理人员视角

第三节比特世界第二章从现实世界到比特世界

一、比特世界

地图是对现实世界的简化描述，并存储有丰富的现实世界信息。

二、模型的作用

GIS中，模型，尤其是数学模型具有十分重要的作用。由于模型是对客观世界中解决各种实际问题所依据的规律或过程的抽象或模拟，因此能有效地帮助人们从各种因素间找出其因果关系或联系，有利于问题解决。

三、GIS空间数据建模

如空气污染物分布：定位取样——提取统计特征——决策模型确立——GIS软件分析。ArcViewGUI窗口标题栏:

Usetoselectawindowandmovewindowsaroundthescreen菜单栏:

ContainsArcViewpull-downmenusgroupedbyfunctiontype.工具栏:

Clickatoolanditbecomesactive(pushedin).Applythetoolinsideadocumenttoexecutethefunction.按钮栏:

ContainsArcViewcommandbuttons.Clickabuttononcetoexecuteafunction.工具提示:

HoldthemousepointeroveraButtonorTooltogetitsname.AlsolookintheStatusBar应用程序窗口菜单栏按钮栏工具栏状态栏工程窗口视图数据表图表图版脚本程序

工程文档ArcView用户界面构成

四、GIS空间数据模型的概念与分类

1、GIS空间概念数据模型：基于平面图的矢量数据模型和基于连续铺盖的栅格数据模型。

2、空间逻辑数据模型：空间实体（可被识别、重要——与问题相关、可被描述——有特征）及相互关系。

3、物理数据模型：空间数据的物理组织、存取方法等。思考题1、制图者和地图使用者各自认知的目的。2、地图是客观世界的何种模型。3、OpenGIS九层模型的主要内容。4、GIS中模型的作用。第三章空间数据模型

第一节

空间数据模型的基本问题第三章空间数据模型

一、地理空间的概念

地理数据即空间数据（SpatialData）。

空间数据库：SDB，SpatialDataBase。

地理空间是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。

1、绝对空间由一系列不同位置的空间坐标值（如经度、纬度）组成；

2、相对空间由不同实体间的空间关系构成（如相接、相邻、包含、交叉、穿过等拓扑关系）。

3、空间数据就是以不同方式和来源获得的数据，如地图、各种专题地图等。第三章空间数据模型《地理信息系统》第五讲思考题1、有关地图的论述错误的是：（）A．地图是一种符号图形B．地图是地理信息系统的数据源C．地图是GIS查询与分析结果的主要表示手段D．地图是地球表面缩小描绘的图形2、地图是客观世界的：（）A．形象模型、统计模型、符号模型B．形象模型、符号模型、概括模型C．统计模型、色彩模型、概括模型D．统计模型、符号模型、概括模型本讲提要第三章空间数据模型第一节空间数据模型的基本问题（二）第二节场模型第三节要素模型第四节基于要素的空间关系分析第五节网络结构模型

一、地理空间的概念

地理空间是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。

包括绝对空间（经纬度）、相对空间（拓扑关系），用地图、专题地图等表示。第三章空间数据模型第一节基本问题专题地图（ThematicMap）

着重表示自然或社会现象中的某一种或几种要素，即集中表现某种主题内容的地图。直观表示数据，使数据更具说服力。SuperMap支持的TM类型包括：单值，分段，等级符号，曲线图，面积图，梯度图，柱状图，饼图，玫瑰图，点密度及三维饼图/玫瑰图/面积图等。WhatMapDataDoINeed?

Ifyouareunfamiliarwithmapdata,thinkfirstabouthowyouwanttousemapdata.Manyprojectneedsaremetwiththefollowingcommonmapdatatypes.Thenexploretheselinkstolearnmoreaboutmapdata!

BaseMaps--Includestreetsandhighways;boundariesforcensus,postal,and

politicalareas;riversand

lakes;parksandlandmarks;

placenames;andUSGS（地理调查局）

rastermaps.

BusinessMapsandData--Includedatarelatedtocensus/demography,consumerproducts,financialservices,healthcare,realestate,telecommunications,emergencypreparedness,crime,advertising,businessestablishments,andtransportation.

EnvironmentalMapsandData--Includedatarelatedtotheenvironment,weather,environmentalrisk,satelliteimagery,topography（地形学）,andnaturalresources.

GeneralReferenceMaps--Worldandcountrymapsanddatathatcanbeafoundationforyourdatabase.

二、空间数据模型的类型

1、对象（要素）模型

强调不可连续的离散对象，如农资供应点、湖泊分布。其他？2、网络（Network）模型：表示特殊对象间的交互，如水汽热油电车信号等。如西气东输、南水北调等。

3、场（Field）模型表示在2D或3D空间中连续变化的数据，如污染物或土壤养分分布，森林类型等。

第二节场（Field）模型第三章空间数据模型

场适于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象。

如空气中污染物集中程度、气温、地表温度、日照时数、土壤湿度、土壤养分、土壤重金属含量及空气与水的流动速度和方向。关于空气污染物空气污染物有：烟尘、总悬浮颗粒物、可吸入悬浮颗粒物（浮尘）、二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、挥发性有机化合物等。空气质量好坏反映了空气污染程度，它根据空气中污染物浓度高低来判断。其中包括尾气、生产排放、垃圾焚烧等人为因素。城市发展密度、地形地貌等也是影响空气质量的重要因素。

一、场的特征

场常被视为由一系列等值线（ContourLine）组成。

等值线即地面上所有具有相同属性值的点的有序集合。沈高镇加密点等值线图

1、空间结构特征和属性域

空间常指可进行长度和角度量测的欧几里德空间（简称欧氏空间）。

空间结构可规则或不规则。属性域的一个特征是其支持空值（NullValue）。如平原地区一般忽略高程。

2、连续、可微、离散特征

随着空间位置的微小变化，其属性值也将发生微小变化，不会出现悬崖类的突变值。

3、各向同性与各向异性特征

一个场中的所有性质都与方向无关，则称为各向同性场，反之则为各向异性场。

图在各向同性与各向异性场中的旅行时间面起点等时圆高速通道

4、空间自相关特征

其描述了某一位置与相邻位置上的属性值间的关系。

（1）空间场中类似数值有聚集倾向，则该空间场就表现出很强的正空间自相关。

（2）类似数值在空间上有相互排斥倾向，则表现为负空间自相关。

图强空间正负自相关模式正空间自相关负空间自相关

二、栅格数据（RasterData）模型

RD模型是基于连续铺盖，将连续空间离散化，用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。

铺盖可分为规则和不规则，如经济分区、农田形状。

其特征参数有尺寸、形状、方位和间距。

图三角形、方格和六角形划分

图栅格数据模型湿地森林草原湖泊*.tif文件栅格图VS矢量图？

第三节要素模型第三章空间数据模型

一、欧氏（Euclidean）空间及其三类地物要素

根据常用公式就可测量点之间的距离及方向的带有坐标的空间模型叫做欧氏空间，包括欧氏平面、欧氏立体。

最常用参照系统是笛卡尔坐标系（CartesianCoordinates，广延概念——空间有大小之分）。

形成三类地物要素对象，即点对象、线对象和多边形对象。1、点（Point）对象

点是有特定位置，维数为零的物体，包括：

（1）点实体（PointEntity）：代表实体（可被识别、重要、可被描述）；

（2）注记点：用于定位注记；

（3）内点（LabelPoint）：用于记录多边形的属性，存在于多边形内；

（4）结点（Node）:表示线的终点和起点；

（5）角点（Vertex）：线段和弧段的内部点。2、线对象

维度为1。由一系列坐标表示，有如下特征：

（1）实体长度：从起点到终点的总长；

（2）弯曲度：用于表示河道、山路等；

（3）方向性：水流方向一般是从上游到下游，泥石流、山洪大多是从上到下，公路则有单向与双向之分。

线状实体包括线段、边界、链、网络等。

图多边线

3、多边形对象

维度为2。面状实体也称多边形。其空间特性为：

（1）面积范围；

（2）周长；

（3）独立性或与其它地物相邻；

（4）内岛或锯齿状外形（渚、半岛？）；

（5）重叠性与非重叠性。城市诸城区一般相邻但不会出现重叠；企业产品市场分布则可能重叠。

图多边形Studyarea:southeasternChina

二、要素模型的基本概念

常用嵌入式空间类型有：

欧氏空间，允许在对象间采用距离和方位量度，对象可用坐标组集合表示；

量度空间，允许在对象间采用距离量度（但不一定有方向）；

拓扑空间，允许在对象间进行拓扑关系描述（不一定有距离和方向）。1、欧氏平面上的空间对象类型

2、离散欧氏平面上的空间对象

图离散一维对象的继承等级

图要素模型和场模型的比较

三、矢量数据(VectorData)模型

矢量方法强调离散现象存在，由边界线（点、线、面）来确定边界，因此可看成是基于要素的。

栅格技术将重点放置在了空间格网像元位置的内容上，因此常被描述为基于位置的。

图矢量数据模型Layer矢量GIS

第四节

基于要素的空间关系分析第三章空间数据模型

拓扑学的由来

几何拓扑学是19世纪形成的一门数学分支，它属于几何学范畴。早在18世纪就出现了拓扑学内容。

数学上，关于哥尼斯堡七桥问题、多面体的欧拉定理、四色问题等都是拓扑学发展史的重要问题。

哥尼斯堡（今加里宁格勒）是东普鲁士首都，普莱格尔河横贯其中。十八世纪在这条河上建有七座桥，将河中间的两个岛和河岸联结起来。

一天有人提出：能不能每座桥都只走一遍，最后又回到原来位置。很多人尝试各种各样的走法，但谁也没有做到。岛岛哥尼斯堡七桥问题简化图

1736年，有人找到了当时的大数学家欧拉，欧拉经过思考，很快就用一种独特方法给出了解答。欧拉把这个问题首先简化，他把两座小岛和河的两岸分别看作四个点，而把七座桥看作这四个点之间的连线。

欧拉得出结论——不可能每座桥都走一遍，最后回到原来位置。且给出了所有能一笔画出来的图形所应具有的条件。这是拓扑学的“先声”。

在拓扑学里没有不能弯曲的元素，每个图形大小、形状都可改变。

欧拉在解决哥尼斯堡七桥问题时，他画的图形就不考虑它的大小、形状，仅考虑点（岛）和线（岸）的个数。这就是拓扑学思考问题的出发点。

一、空间关系的基本概念

1、点——点关系

（1）相合；（2）分离；（3）一点为其它诸点几何中心；（4）一点为其它诸点地理重心。2、点——线关系

（1）点在线上：中点、拐点；

（2）线的端点：起点和终点；

（3）线的交点；

（4）点与线分离：可计算点到线的距离。3、点——面关系

（1）点在区域内；

（2）点为区域的几何中心；

（3）点为区域的地理重心；

（4）点在区域的边界上；

（5）点在区域外部。酸雨（acidrain）是指PH值小于5.6的雨雪或其他形式的降水。

4、线——线关系

（1）重合；

（2）相接：首尾环接或顺序相接；

（3）相交：公路、铁路接口处；

（4）穿过：立交桥；

（5）相切；

（6）并行。5、线——面关系

（1）区域包含线：可计算区域内线密度（江苏高速公路密度居全国第一）；

（2）线穿过区域（京沪高速）；

（3）线环绕区域；

（4）线与区域分离等。密西西比河阿拉斯加州育空三角洲

6、面——面关系

（1）包含：如岛、地级市-县级市；

（2）相合；

（3）相交：可划分子区与计算逻辑；

（4）相邻:计算相邻边界性质和长度；

（5）分离：计算距离、引力等。澳大利亚大堤礁

二、拓扑空间关系分析

1、拓扑属性

拓扑（Topology）一词来自于希腊文，意为“形状的研究（StudyofForm）”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。表欧氏平面上实体对象之拓扑和非拓扑属性拓扑属性一个点在一个弧段的端点一个弧段是一个简单弧段（弧段自身不相交）一个点在一个区域的边界上（内部或外部）一个点在一个环的内部一个面是一个简单面（面上没有“岛”）一个面的连续性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部沿任意路径走向另一点）非拓扑属性两点之间的距离（度量性质）一个点指向另一个点的方向（方向性质）弧段的长度一个区域的周长一个区域的面积

图拓扑空间中的点和邻域ABC2、点集拓扑学

拓扑学已成为GIS空间关系的理论基础，为点、线、面间包含、覆盖、相离和相接等空间关系的描述提供理论依据。实体A实体BB（B）B（A）I（B）I（A）E（A）E（B）

3、拓扑空间关系描述—9交模型B(A)∩B(B)B(A)∩I(B)B(A)∩E(B)I(A)∩B(B)I(A)∩I(B)I(A)∩E(B)E(A)∩B(B)E(A)∩I(B)E(A)∩E(B)

图9-交模型所述拓扑关系图示

QjPiRestricted_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)XY0参考目标原目标

三、方向空间关系分析

这些关系定义为：

Restricted_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)

Restricted_South(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj)AndY(Pi)＜Y(Qj)

Restricted_West(Pi，Qj)=X(Pi)＜X(Qj)AndY(Pi)=Y(Qj)

Restricted_North(Pi，Qj)=X(Pi)=X(Qj)AndY(Pi)＞Y(Qj)

North_West(Pi，Qj)=X(Pi)＜X(Qj)AndY(Pi)＞Y(Qj)

North_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)＞Y(Qj)

South_West(Pi，Qj)=X(Pi)＜X(Qj)AndY(Pi)＜Y(Qj)

South_East(Pi，Qj)=X(Pi)＞X(Qj)AndY(Pi)＜Y(Qj)

通过对上述8种关系进行扩充，可得出另外4种方向关系，即：

East(Pi，Qj)=North_East(Pi，Qj)OrRestricted_East(Pi，Qj)OrSouth_East(Pi，Qj)

South(Pi，Qj)=South_West(Pi，Qj)OrRestricted_South(Pi，Qj)OrSouth_East(Pi，Qj)

West(Pi，Qj)=North_West(Pi，Qj)OrRestricted_West(Pi，Qj)OrSouth_West(Pi，Qj)

North(Pi，Qj)=North_West(Pi，Qj)OrRestricted_North(Pi，Qj)OrNorth_East(Pi，Qj)第三章空间数据模型

第四章空间参照系统和地图投影《地理信息系统》第六讲本讲提要第三章空间数据模型

第四节基于要素的空间关系分析（二）第五节网络结构模型第六节时空模型第七节三维模型第四章空间参照系统和地图投影

第一节地球椭球体基本要素第二节坐标系第三节地图投影的基本问题思考题1、将地理要素嵌入到欧氏空间中，形成了三类地物要素对象，即

、

、

。2、研究土壤养分空间分布应采用的数据模型为:（）A.要素模型B.场模型C.网络模型D.离散对象模型

第四节

基于要素的空间关系分析第三章空间数据模型

四、度量空间关系分析

包含点/点、点/线、点/面、线/线、线/面、面/面之间的距离。

可求算点/点间最短路径、最优路径、服务范围等；也可进行距离量算、邻近/邻接分析、聚类分析、缓冲区分析、泰森多边形分析等。。缓冲区分析

泰森多边形及其特性

荷兰气候学家A·H·Thiessen提出了一种根据离散分布的气象站降雨量来计算平均降雨量方法，即将所有相邻气象站连成三角形，作这些三角形各边垂直平分线，于是每个气象站周围若干垂直平分线便围成一个多边形。

用这个多边形内所包含的一个惟一气象站降雨强度来表示这个多边形区域内降雨强度，称这个多边形为泰森多边形。泰森多边形也称Voronoi图，或Dirichlet图。

泰森多边形特性是：

1、每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；

2、泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；

3、位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。

（一）空间指标量算

1、几何指标：位置、长度、面积、体积、形状、方位等指标；

2、自然地理参数：坡度、坡向、山体阴影、地形起伏度等；

3、人文地理指标：如集中指标、地理关联系数、辐射范围、人口密度等。

（二）地理空间的距离度量

第五节网络结构模型第三章空间数据模型

地物被抽象为链、节点等，并要关注其间连通关系。

如通过管线与隧道分析水气油及电力等流动，高速公路、高铁，互联网、数字电视网等。通过狭小的通道转换属性和空间数据提供丰富的数据模型（粗管道）、大量I/0格式和其间的双向转换

网络模型可表示多对多关系，其数据存储效率高于层次模型，但其结构复杂。

第六节时空模型第三章空间数据模型

一、时空数据模型概述

能同时处理时间、空间、属性维度的GIS叫TGIS（TemporalGIS，时间GIS）。

GIS中，具有时间维度的数据可分为两类：

一是结构化数据：一个测站历史数据积累；

二是非结构化数据：土地利用状况变化、城市格局演变等。刚果：维伦加(Virunga)大猩猩国家公园(1978年2月6日)

刚果：维伦加(Virunga)大猩猩国家公园(2005年2月21日)

二、时空数据模型设计思想

疆域变迁、地籍变更、海岸线变化、道路改线、环境变化等应用领域，需保存并管理历史变化数据，以便将来重建历史状态、跟踪变化、预测未来。1750年乾隆京城全图1842年北京地图1945年民国地图：四川省

第七节三维模型第三章空间数据模型城市三维景观虚拟现实飞行虚拟现实洪水淹没虚拟现实虚拟现实（VR）分类：

1、全侵式虚拟现实系统：指客户能带上头盔、数据手套、数据衣服、操纵杆等外部设备，在全范围360度视野内感受虚拟环境。并能利用外设与VRE进行交互。

2、半全侵式：指客户能在不低于60度视角内感受VRE。可是大屏幕监视器+投影仪或一个多投影系统。

3、非侵式：指客户利用计算机产生虚拟环境，用鼠标、键盘等与VRE进行交互。

VR在地学中应用：虚拟地球，虚拟社区、虚拟数字高程模型、虚拟医学、辅助设计等。

三维技术的应用越来越广泛：3D数字特效技术电影制作、模拟飞行训练、三维虚拟聊天室、数字地面模型、数字地球等。1、OpenGL2、VRML3、Java3D4、3DMAX5、Maya思考题1、空间数据模型的类型。2、场模型、泰森多边形的特征。3、欧氏空间概念及其三类基本地物要素。4、简述点-面、线-面、面-面空间关系。5、空间关系的三种基本类型。6、TGIS、VRE、VGE的内涵。第四章空间参照系统和地图投影天体系统总星系（约有109个星系）河外星系银河系太阳系其他行星及卫星系统地月系其他恒星系统50亿年前形成156亿年前形成前言太阳系八大行星赤道半径的比较地球：6378千米（月地平均距离384400千米）金星：6050千米木星：71400千米水星：2440千米火星：3395千米土星：60000千米天王星：25900千米海王星：24750千米海王星：赤道半径24750千米火星太阳与地球的比较太阳数据太阳是地球的倍数半径约70万千米109倍体积1.4×1018千米3130万倍质量约1.99×1033克33万倍表面重力加速度274米/秒228万倍平均密度1.409克/厘米31/4

太阳离地球约1.5亿千米。若步行，按每小时5千米计算，需3425年。太阳耀斑产生高能带电粒子流，可能影响地球气候变化，干扰电离层短波无线电通信，使地球磁场产生磁暴现象。世界大陆概况

大陆名称面积（万km2）占全球陆地面积的比率（%）占全球总面积比率（%）平均高度（m）亚洲大陆448029.88.7950非洲大陆306020.56.0650北美大陆220014.84.3700南美大陆179012.03.5600南极大陆13909.32.92263欧洲大陆10407.02.1300澳大利亚大陆7805.21.5340合计1490010029.2875寒带面积占全球面积8.3%；温带面积占全球面积51.9%；热带面积占全球面积39.8%。

第一节

地球椭球体基本要素第四章空间参照系统和地图投影

一、地球椭球体

（一）地球的形状

地球表面几何模型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。

地球表面约71%面积为海洋，29%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。图中国地形状况

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，这个面叫做水准面。

设想一个静止平均海水面穿过大陆和岛屿形成一个闭合曲面，这就是大地水准面。

大地水准面所包围的形体，叫大地球体。大地水准面是一个很接近于绕自转轴（短轴、本初子午线）旋转的椭球体。测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体，称地球椭球体，简称椭球体。

地球的形状和大小：赤道半径（长半径）为6378k