测绘与地理信息系统的应用作业指导书

测绘与地理信息系统的应用作业指导书TOC\o"1-2"\h\u20232第1章绪论 372711.1测绘与GIS技术概述 3302271.2作业目的与意义 427368第2章测绘基础知识 4290082.1测绘基本概念 4123022.2测绘坐标系与基准 4153282.3测绘仪器与设备 518040第3章地理信息系统基础 5189383.1GIS的组成与功能 533983.1.1硬件设备 5294063.1.2软件系统 5104503.1.3数据 6131023.1.4人员与组织 6118103.2GIS数据结构及组织 6212773.2.1矢量数据结构 6140383.2.2栅格数据结构 659173.2.3数据组织 624683.3GIS软件平台介绍 758703.3.1ArcGIS 791213.3.2SuperMap 7302743.3.3MapGIS 743283.3.4GeoStar 721321第4章数据采集与处理 7141744.1地面测量数据采集 789354.1.1测量设备准备 732314.1.2测量方法与步骤 7121394.1.3数据记录与整理 7144304.2遥感数据采集 8219964.2.1遥感数据源选择 8283514.2.2遥感数据处理 8163234.2.3遥感数据集成与应用 8272444.3数据处理与质量控制 81964.3.1数据预处理 8277694.3.2数据整合与构建 820634.3.3数据质量控制 862344.3.4数据更新与维护 9192第5章空间数据管理 9298045.1空间数据存储与组织 9268195.1.1空间数据存储 9235205.1.2空间数据组织 960325.2空间数据库设计 9217845.2.1空间数据库概念设计 9316585.2.2空间数据库逻辑设计 1060555.2.3空间数据库物理设计 10197195.3空间数据查询与更新 10101335.3.1空间数据查询 1091675.3.2空间数据更新 1022432第6章空间分析与应用 1077106.1空间分析基本概念 10211246.2地形分析 10216626.2.1数字高程模型（DEM）的构建与处理 1129706.2.2坡度、坡向分析 1174846.2.3地形起伏度、切割度分析 11146636.2.4水系提取与流域分析 11215756.3网络分析 11205006.3.1网络数据模型与结构 11265486.3.2最短路径分析 11275016.3.3资源分配与选址分析 11320996.3.4交通可达性分析 11146716.4缓冲区分析 1152636.4.1缓冲区定义与方法 11267366.4.2缓冲区分析的应用领域 11173706.4.3缓冲区分析的关键参数设置 11216726.4.4多尺度缓冲区分析 11141第7章地理信息可视化 11193637.1地图符号与注记 112607.1.1地图符号 11215417.1.2地图注记 1270147.2地图制作与输出 12297987.2.1地图设计 12192147.2.2地图编制 1262227.2.3地图输出 1267417.3三维可视化 13324127.3.1三维数据模型 13234567.3.2三维数据处理 1331347.3.3三维可视化技术 13132717.3.4三维可视化应用 138031第8章测绘与GIS在土地管理中的应用 14188768.1土地利用现状调查 1420418.1.1数据采集 14186098.1.2数据处理与分析 14148348.1.3成果输出 1468908.2土地利用规划 14115208.2.1规划目标与原则 1477288.2.2土地利用现状分析 14166308.2.3规划方案制定 14285628.2.4规划评估与调整 14289638.3地籍测绘与管理系统 1435088.3.1地籍测绘 14143058.3.2地籍数据管理 15201378.3.3土地登记与发证 15193518.3.4地籍变更与维护 1519824第9章测绘与GIS在城市规划中的应用 15267979.1城市基础地理信息采集 15216479.1.1地面控制点测量 15144089.1.2地面高程数据采集 15139319.1.3地面影像数据采集 1586539.2城市规划与管理 15187449.2.1空间数据管理 1513929.2.2土地利用规划 15112109.2.3城市基础设施规划 1641979.2.4城市环境保护规划 16249719.3城市三维建模与可视化 1680419.3.1三维数据采集 1618749.3.2三维建模方法 1627469.3.3城市规划可视化 16122959.3.4虚拟现实与城市规划 1620160第10章测绘与GIS在环境保护中的应用 161207310.1环境监测与评价 162429610.1.1地表水环境监测 16222010.1.2大气环境监测 16730610.1.3生态环境质量评价 171455610.2环境灾害预警与防治 173118710.2.1地质灾害预警与防治 172357710.2.2水灾害预警与防治 172073110.2.3森林火灾预警与防治 171578210.3生态环境规划与保护 173132710.3.1生态功能区划 171995410.3.2生态保护红线划定 171643610.3.3生态环境恢复与保护 171739210.3.4生态补偿机制 18第1章绪论1.1测绘与GIS技术概述测绘是一门涉及地球表面空间数据的采集、处理、分析和应用的科学技术。科技的发展，测绘技术已从传统的光学测绘、电子测绘逐步发展到数字化测绘阶段。地理信息系统（GIS）作为现代测绘技术的重要组成部分，是一种以采集、存储、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。它融合了计算机科学、地理学、测绘学等多个学科的知识，为地理空间信息的处理和应用提供了有效的技术手段。1.2作业目的与意义本次作业旨在使学生深入理解测绘与GIS技术的基本原理和方法，掌握地理空间数据的采集、处理、分析和应用等操作技能，培养学生在实际项目中运用测绘与GIS技术解决问题的能力。（1）掌握测绘与GIS技术的基本概念、发展历程和现状，了解其在国民经济建设和社会发展中的应用领域。（2）学习测绘与GIS技术的数据处理方法，包括数据采集、编辑、存储、管理和分析等，提高数据处理能力。（3）通过实际操作，使学生具备运用测绘与GIS技术解决实际问题的能力，为今后从事相关领域工作奠定基础。（4）培养学生团队协作精神，提高沟通与交流能力，为将来在测绘与GIS领域的发展奠定基础。通过本次作业的学习，学生将能够更好地理解测绘与GIS技术在地理空间信息处理和应用中的重要作用，为今后在相关领域的研究和工作提供有力支持。第2章测绘基础知识2.1测绘基本概念测绘，即测量与绘图，是一门研究地球表面和空间物体的形状、大小、位置及属性的科学。它包括测量学、地图学、地理信息系统（GIS）等多个学科。测绘的基本任务是获取地球及其表面物体的空间位置信息，为国民经济建设、国防安全、自然资源管理、环境保护等领域提供基础数据和专业技术支持。2.2测绘坐标系与基准测绘坐标系是用于描述地球表面位置的一套数学规则。常见的坐标系有地理坐标系、平面直角坐标系、高斯克吕格坐标系等。地理坐标系以经纬度表示地面点位置，平面直角坐标系将地面点投影到某一水平面，高斯克吕格坐标系则是将地球表面投影到圆柱面上。测绘基准是进行测绘工作时所采用的一系列参考标准，包括大地基准、高程基准、重力基准等。我国目前采用的大地基准是2000国家大地坐标系（CGCS2000），高程基准是1985国家高程基准。2.3测绘仪器与设备测绘仪器与设备是进行测绘工作的物质基础，主要包括以下几类：（1）测角仪器：用于测量角度，如经纬仪、全站仪、激光测距仪等。（2）测距仪器：用于测量距离，如钢尺、光电测距仪、激光测距仪等。（3）测高仪器：用于测量高程，如水准仪、激光水准仪、GPS测高仪等。（4）遥感设备：用于获取地表信息，如卫星遥感、航空遥感等。（5）地理信息系统（GIS）设备：用于处理、分析和展示地理信息，如计算机、专业软件等。（6）辅助设备：如三脚架、测量尺、测量轮、对讲机等。各类测绘仪器与设备在测绘工作中发挥着重要作用，为测绘成果的准确性和可靠性提供保障。第3章地理信息系统基础3.1GIS的组成与功能地理信息系统（GIS）是一种集成、存储、分析、管理和展示与地理位置相关数据的计算机系统。其主要组成部分及功能如下：3.1.1硬件设备（1）计算机硬件：包括服务器、工作站、个人计算机等，用于运行GIS软件及处理数据。（2）外部设备：如GPS接收器、数字化仪、扫描仪、绘图仪等，用于数据采集、输出和展示。3.1.2软件系统GIS软件系统包括以下功能模块：（1）数据采集与输入：支持多种数据格式和来源的数据导入，如矢量数据、栅格数据等。（2）数据存储与管理：采用数据库管理系统（DBMS）对地理数据进行组织、存储和管理。（3）数据分析：提供空间分析、属性分析等工具，如缓冲区分析、叠加分析等。（4）数据可视化：将地理数据以图形、图像等形式展示，便于用户观察和分析。（5）制图与输出：支持地图制作、打印输出等功能。3.1.3数据GIS数据包括空间数据和非空间数据。空间数据表示地理位置信息，如地形、地貌、水系等；非空间数据表示与地理位置相关的属性信息，如人口、经济数据等。3.1.4人员与组织GIS应用需要专业人员进行系统管理、数据维护、分析处理等工作。组织架构的合理性也对GIS应用效果有重要影响。3.2GIS数据结构及组织GIS数据结构主要包括矢量数据结构和栅格数据结构。3.2.1矢量数据结构矢量数据结构以点、线、面等基本几何元素表示地理实体，具有以下特点：（1）精确表示地理要素的位置、形状和大小。（2）数据量相对较小，便于快速处理和分析。（3）易于进行拓扑关系分析。3.2.2栅格数据结构栅格数据结构以像素阵列形式表示地理实体，具有以下特点：（1）易于表达连续变化的地理现象，如温度、高程等。（2）数据结构简单，便于存储和显示。（3）数据量大，处理速度相对较慢。3.2.3数据组织GIS数据组织主要包括以下层次：（1）数据层：将具有相同属性和特征的空间数据组织在一起。（2）要素类：具有相同几何类型和属性的要素集合。（3）要素：地理实体在GIS中的具体表示，包括位置信息和属性信息。3.3GIS软件平台介绍目前市场上存在多种GIS软件平台，以下列举几个常见的GIS软件平台：3.3.1ArcGISArcGIS是美国Esri公司开发的GIS软件平台，具有强大的空间分析、制图和地理数据处理功能，广泛应用于城市规划、环境保护、资源管理等领域。3.3.2SuperMapSuperMap是北京超图软件股份有限公司开发的GIS软件平台，具有自主知识产权，功能全面，适用于各种行业和领域的GIS应用。3.3.3MapGISMapGIS是武汉中地数码科技有限公司开发的GIS软件平台，具有国内领先的技术水平，广泛应用于地质、测绘、城市规划等领域。3.3.4GeoStarGeoStar是北京吉奥星空科技有限公司开发的GIS软件平台，以地理信息处理、分析、展示为核心，适用于各类GIS应用场景。第4章数据采集与处理4.1地面测量数据采集4.1.1测量设备准备在进行地面测量数据采集之前，需对测量设备进行严格的检查与校准。保证设备功能稳定、精度符合要求。根据项目需求，选用合适的测量设备，如全站仪、GPS接收机、激光扫描仪等。4.1.2测量方法与步骤（1）根据项目范围，布设控制点，保证控制点分布均匀、合理；（2）采用全站仪、GPS等设备进行地面测量，记录测量数据；（3）对测量数据进行初步检查，剔除明显错误数据；（4）根据项目需求，进行不同精度的测量，如地形图测量、建筑立面测量等。4.1.3数据记录与整理地面测量数据采集过程中，需详细记录以下信息：（1）测量时间、地点、设备型号及编号；（2）测量人员、观测方法及环境条件；（3）测量数据，包括坐标、高程、距离等；（4）数据质量检查结果。4.2遥感数据采集4.2.1遥感数据源选择根据项目需求，选择合适的遥感数据源，如卫星遥感数据、航空遥感数据等。考虑数据分辨率、光谱特性、覆盖范围等因素，保证遥感数据满足项目需求。4.2.2遥感数据处理（1）对原始遥感数据进行辐射定标、几何校正等预处理；（2）根据项目需求，进行图像增强、波段组合等操作；（3）采用监督分类、非监督分类等手段进行遥感图像解译；（4）对解译结果进行精度评价，保证遥感数据质量。4.2.3遥感数据集成与应用将处理后的遥感数据与地面测量数据、其他来源数据等进行集成，为地理信息系统提供数据支持。遥感数据可用于以下方面：（1）地形分析；（2）土地利用/覆盖分类；（3）生态环境监测；（4）城市规划与管理。4.3数据处理与质量控制4.3.1数据预处理对采集的地面测量数据和遥感数据进行预处理，包括数据清洗、格式转换、坐标系统一等。4.3.2数据整合与构建将预处理后的数据整合到地理信息系统中，构建空间数据库。保证数据的一致性、完整性和准确性。4.3.3数据质量控制（1）对数据进行质量检查，包括数据完整性、逻辑一致性、精度等；（2）对发觉的问题数据进行修正或剔除；（3）建立数据质量控制体系，保证数据的可靠性；（4）定期对数据质量进行评估，以提高数据应用效果。4.3.4数据更新与维护根据项目需求，定期对数据进行更新与维护，保证数据的时效性和准确性。更新内容包括：（1）地面测量数据的更新；（2）遥感数据的更新；（3）空间数据库的更新；（4）数据质量检查与控制。第5章空间数据管理5.1空间数据存储与组织5.1.1空间数据存储空间数据存储是指将获取的地理空间信息以一定格式存储在相应的存储设备中。为了提高存储效率，应采用以下方法：（1）选择合适的存储格式，如矢量和栅格数据格式；（2）采用数据压缩技术，降低存储空间需求；（3）合理组织数据结构，便于快速检索。5.1.2空间数据组织空间数据组织主要包括以下内容：（1）数据分层，将不同类型或用途的空间数据分为不同的层次；（2）数据分类，按照一定的标准对空间数据进行分类；（3）建立索引，提高空间数据的检索速度。5.2空间数据库设计5.2.1空间数据库概念设计空间数据库概念设计主要包括以下内容：（1）确定空间数据的基本实体和关系；（2）构建实体关系模型，如ER模型；（3）定义实体属性和关系属性。5.2.2空间数据库逻辑设计空间数据库逻辑设计主要包括以下内容：（1）选择合适的数据模型，如关系模型、对象关系模型等；（2）定义空间数据表结构，包括字段名、数据类型、约束条件等；（3）建立空间数据表之间的关联关系。5.2.3空间数据库物理设计空间数据库物理设计主要包括以下内容：（1）选择合适的存储引擎，如MySQL的InnoDB引擎、Oracle的Spatial等；（2）优化数据存储结构，提高数据访问效率；（3）设置合适的索引策略，加快查询速度。5.3空间数据查询与更新5.3.1空间数据查询空间数据查询主要包括以下内容：（1）基于属性查询，通过指定属性条件筛选空间数据；（2）基于空间关系查询，如包含、相交、相邻等；（3）复合查询，结合属性和空间关系进行查询。5.3.2空间数据更新空间数据更新主要包括以下内容：（1）数据添加，将新的空间数据插入到现有数据库中；（2）数据修改，对现有空间数据的属性或空间信息进行修改；（3）数据删除，根据需求删除不再需要的空间数据；（4）数据同步，保证不同来源和时态的空间数据一致性和完整性。第6章空间分析与应用6.1空间分析基本概念空间分析是地理信息系统（GIS）的核心功能之一，主要涉及对地理空间数据的处理、分析和模拟。本章首先介绍空间分析的基本概念，包括空间数据的结构、空间关系、空间分析的方法及其在GIS中的应用。6.2地形分析地形分析是空间分析的重要组成部分，主要用于提取和分析地表形态特征。本节主要内容包括：6.2.1数字高程模型（DEM）的构建与处理6.2.2坡度、坡向分析6.2.3地形起伏度、切割度分析6.2.4水系提取与流域分析6.3网络分析网络分析关注空间实体之间的连接关系，主要应用于交通、水利、城市规划等领域。本节主要介绍以下内容：6.3.1网络数据模型与结构6.3.2最短路径分析6.3.3资源分配与选址分析6.3.4交通可达性分析6.4缓冲区分析缓冲区分析是GIS空间分析中的一种常用方法，用于确定空间实体的邻近区域。本节主要阐述以下内容：6.4.1缓冲区定义与方法6.4.2缓冲区分析的应用领域6.4.3缓冲区分析的关键参数设置6.4.4多尺度缓冲区分析通过本章的学习，读者可以掌握空间分析的基本概念、方法及其在不同领域的应用，为实际项目提供有针对性的解决方案。第7章地理信息可视化7.1地图符号与注记地图符号与注记是地理信息可视化的基础，其目的在于将抽象的地理数据以直观、形象的方式展示给用户。本节主要介绍地图符号与注记的制作和应用。7.1.1地图符号地图符号分为点状符号、线状符号和面状符号三种类型。点状符号用于表示地理位置，如城市、景点等；线状符号用于表示地理对象间的联系，如道路、河流等；面状符号用于表示具有一定面积的地理对象，如湖泊、行政区划等。7.1.2地图注记地图注记是对地图上地理对象进行文字说明，包括地名、比例尺、图例等。注记应简洁明了，字体、大小、颜色等应与地图符号协调，以提高地图的可读性。7.2地图制作与输出地图制作与输出是将地理信息数据转化为可视化地图的过程。本节介绍地图制作与输出的基本方法和步骤。7.2.1地图设计地图设计是根据地图用途和用户需求，确定地图的投影、比例尺、图幅大小、符号系统等。地图设计应遵循以下原则：（1）符合地图用途和用户需求；（2）保证地图信息的准确性和完整性；（3）保持地图符号和注记的统一性和协调性；（4）便于地图的制作和输出。7.2.2地图编制地图编制是根据地图设计，利用测绘与地理信息系统软件，将地理信息数据转换为地图图形。主要包括以下步骤：（1）准备地理信息数据；（2）设定地图投影和比例尺；（3）制作地图符号和注记；（4）绘制地图底图；（5）添加专题数据；（6）进行地图编辑和调整；（7）审核和修改。7.2.3地图输出地图输出是将编制完成的地图以纸质或电子形式输出。输出形式包括：（1）纸质地图：打印、印刷等方式；（2）电子地图：PDF、JPEG、TIFF等格式；（3）网络地图：通过互联网发布，如WebGIS。7.3三维可视化三维可视化是地理信息可视化的重要组成部分，能够直观地展示地理对象的空间形态和相互关系。本节介绍三维可视化的基本方法和技术。7.3.1三维数据模型三维数据模型包括规则网格模型、不规则三角网模型、体元模型等。选择合适的三维数据模型是进行三维可视化的基础。7.3.2三维数据处理三维数据处理主要包括以下内容：（1）三维数据采集：通过地形测量、激光雷达等技术获取三维空间数据；（2）三维数据建模：构建三维模型，包括表面模型和实体模型；（3）三维数据编辑：对三维模型进行编辑和调整，以满足可视化需求。7.3.3三维可视化技术三维可视化技术主要包括以下方面：（1）三维渲染：利用计算机图形学技术，对三维模型进行渲染，实现光照、阴影、纹理等效果；（2）三维交互：通过鼠标、键盘等设备与三维场景进行交互，实现旋转、缩放、漫游等功能；（3）三维分析：对三维模型进行空间分析、属性查询等操作，为决策提供支持。7.3.4三维可视化应用三维可视化在地理信息系统中的应用主要包括：（1）城市规划与管理：展示城市地形、建筑、基础设施等，为规划和管理提供直观依据；（2）灾害评估与防治：分析地质灾害、洪水等灾害风险，为防治工作提供支持；（3）资源调查与开发：展示矿产资源、地下管线等，为资源调查和开发提供参考；（4）环境保护与监测：展示生态环境、污染分布等，为环境保护和监测提供依据。第8章测绘与GIS在土地管理中的应用8.1土地利用现状调查8.1.1数据采集土地利用现状调查首先需要对各类土地数据进行采集。测绘技术在此环节中发挥着关键作用，包括地面测量、航空摄影、卫星遥感等方法。通过这些技术手段，可获得高精度、高分辨率的土地利用现状数据。8.1.2数据处理与分析采集到的数据需经过GIS进行处理和分析。GIS技术能将各类空间数据进行整合，实现多源数据的融合。通过对土地利用现状数据的处理和分析，可掌握各类土地的分布、结构、利用状况等信息。8.1.3成果输出利用GIS制图功能，输出土地利用现状图、土地利用类型图等成果，为土地管理部门提供直观、准确的现状信息。8.2土地利用规划8.2.1规划目标与原则依据国家及地方政策，结合区域实际情况，制定土地利用规划的目标和原则。测绘与GIS技术在此阶段可提供基础数据支持，为规划编制提供科学依据。8.2.2土地利用现状分析利用GIS空间分析功能，对土地利用现状进行深入分析，识别存在的问题和潜力，为规划方案制定提供参考。8.2.3规划方案制定根据土地利用现状分析结果，结合规划目标与原则，制定具体的土地利用规划方案。测绘与GIS技术可辅助规划人员进行方案设计，实现规划方案的可视化展示。8.2.4规划评估与调整利用GIS技术对规划方案进行模拟和评估，分析规划实施后可能产生的影响。根据评估结果，对规划方案进行优化和调整。8.3地籍测绘与管理系统8.3.1地籍测绘地籍测绘是对土地权属、界址、面积等信息进行测绘的过程。测绘技术包括地面测量、航空摄影、卫星遥感等，为地籍管理提供基础数据。8.3.2地籍数据管理利用GIS建立地籍数据管理系统，实现地籍数据的存储、查询、统计和分析等功能。地籍数据管理系统有助于提高土地管理的效率和准确性。8.3.3土地登记与发证基于地籍测绘成果和地籍数据管理系统，开展土地登记与发证工作。GIS技术在此环节中可提供便捷的土地权属查询、界址展示等功能，保证土地登记与发证工作的顺利进行。8.3.4地籍变更与维护土地利用现状的变化，地籍信息也需要进行相应的更新和变更。利用测绘与GIS技术，对地籍数据进行实时更新和维护，保证地籍信息的现势性和准确性。第9章测绘与GIS在城市规划中的应用9.1城市基础地理信息采集9.1.1地面控制点测量在城市规划中，精确的地面控制点对于保证地图和空间数据的准确性。本节介绍如何利用测绘技术进行地面控制点的测量，包括选点、测角、测距等方法。9.1.2地面高程数据采集高程数据是城市规划中的重要信息，本节阐述采用测绘技术如水准测量、激光雷达等手段进行城市地面高程数据的采集。9.1.3地面影像数据采集地面影像数据为城市规划提供了丰富的视觉信息。本节主要讲解航空摄影、卫星遥感等技术在城市基础地理信息采集中的应用。9.2城市规划与管理9.2.1空间数据管理介绍如何运用GIS技术进行城市规划中的空间数据采集、存储、更新、查询和分析等操作，以提高城市规划的效率。9.2.2土地利用规划分析测绘与GIS技术在城市土地利用规划中的应用，包括土地适宜性评价、土地利用现状分析、土地利用规划方案制定等。9.2.3城市基础设施规划本节探讨测绘与GIS技术在城市基础设施规划中的应用，如道路、桥梁、给排水、电力等设施的布局与优化。9.2.4城市环境保护规划介绍测绘与GIS技术在城市环境保护规划中的应用，包括环境质量评价、污染源监测、生态保护红线划定等。9.3城市三维建模与可视化9.3.1三维数据采集本节介绍三维激光扫描、倾斜摄影等技术在城市三维数据采集中的应用。9.3.2三维建模方法阐述基于测绘与GIS技术进行城市三维建模的方法，包