空间数据管理技术课件

1第五章空间数据管理技术第一节地理信息系统第二节全球定位系统第三节基于GPS/GIS的物流信息系统应用实例补充空间数据管理概述

空间信息是有关空间实体的性质、特征和运动状态的表征进行描述的数据，它是对表达空间特征与空间现象之间关系的空间数据的解释。空间信息借助于空间信息载体（图像和地图）进行传递。图形是表示空间信息的主要形式。空间信息的特征

空间信息除了具有信息的一般特性，如共享性、客观性等外，还具有以下独特特性：1．地理信息具有空间定位的特点2．数据量大：地理信息既有空间特征，又有属性特征，并包括一个较长的发展时段，因此其数据量很大3．信息载体的多样性：文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体2.空间信息系统

信息系统按照是否含空间信息分为非空间信息系统（一般指管理信息系统）和空间信息系统，如图所示。空间信息系统分为非GIS（一般CAD/CAM）和GIS。空间信息系统的基本功能下面主要描述基本功能：空间信息系统在物流中的应用

物流企业通过无线通信、GIS/GPS能够精确地获取运输车辆的信息，再通过Internet让企业内部和客户访问，从而把整个企业的操作业务变得透明，为协同商务打下基础。75.1地理信息系统85.1地理信息系统

全国已经拥有加油站8万余座，其中中国石油化工集团公司今年预计达到2.5万余座，在我国油品零售市场开放的前夜。如何在扩大占领更多的”战场”的同时，建立布局合理、竞争有序、功能完善的加油站销售服务网络体系，成为油品零售公司面临的一个战略问题9一、地理信息系统（GIS）概述GIS的发展依赖于计算机技术的发展，尤其是计算机图形学的发展。GIS萌芽于20世纪60年代初，是由加拿大的Roger

F.Tomlinson和美国的DuaneF.Marble在不同地方不同角度提出的。Roger针对土地利用，在加拿大土地调查局建立了加拿大地理信息系统（CGIS）；Duane则在美国西北大学研究大规模城市交通，并提出建立GIS软件系统的思想。10地理信息系统的发展GIS发展分为以下几个阶段：20世纪60年代为GIS开拓期，注重于空间数据的地学处理。EDP（电子数据处理）

例如:人口统计。20世纪70年代为GIS巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。MIS例如:商业应用环境资源管理。20世纪80年代为GIS技术大发展时期，注重于空间决策支持分析。DSS应用领域进一步扩大。20世纪90年代为GIS推广、普及时期。11GIS的应用领域政府部门城市规划土地管理环境与资源旅游军事税务交通企业应用管网电信自来水商业/广告物流电力银行公众服务社区管理LBS旅游咨询医疗咨询位置咨询12GIS在城市规划中的作用（1）GIS提供规划直观和理性的工具（2）GIS对规划数据的存储管理与分析功能（3）GIS在规划决策中的作用（4）GIS在动态城市规划、规划管理方面的作用（5）GIS在城市三维可视化中的应用13应用一：数字国土系统依据"在全国范围内建立土地利用规划管理信息系统，形成全国４级土地利用规划数据网络体系"的总体布署，建立了国家级规划数据库和国家级应用系统，实现对规划成果数据的有效管理和充分利用，提高规划实施的效率和科学性，改进规划管理手段、加强规划实施管理工作。14应用一：数字国土初步形成支撑国土资源管理的地政、矿政两大基础数据库体系和地学基础数据库体系；完成土地基础数据库5个；全国土地利用现状数据库建设进展顺利，已完成近700个市县的建库工作；完成矿产资源和地质环境基础数据库5个；完成基础地学数据库24个；图文地质资料数据库建设进展顺利，完成了8000种重要图文地质资料的数字化。15土地规划16应用二：数字城市

“数字城市”概念的核心是城市管理职能和城市服务功能的信息化、数字化。具体地说，就是以一个城市的城市地理、自然资源、环境、人口、经济、社会等实体系统为对象，综合利用计算机、网络及虚拟技术等各种数字信息技术手段，全面规划、整合一个城市信息资源；建立各类信息的生产、加工、服务、管理和共享体系，为城市企事业和公众提供便捷、丰富的信息服务。

17应用二：数字城市

2008年12月，泰州市启动了“数字泰州”项目，成立了数字泰州地理空间框架建设工作领导小组，统一组织、领导和协调“数字泰州”建设。2009年4月，内容包括泰州市基础地理信息数据及数据库完善、地理信息公共平台建设、若干示范应用建设的《数字泰州地理空间框架工程设计书》通过专家评审。其中，基础地理信息数据建设包括泰州市约300平方公里1:6000比例尺真彩色航空摄影以及1:1000比例尺数字正射影像图制作、800公里可量测实景影像采集、建城区56平方公里非精细三维信息采集及建模、9平方公里示范样区精细三维信息采集及建模、400个示范样区全景影像信息采集和地名地址数据采集。18应用二：数字城市

----公众影像地图服务系统该项目获取了与公众衣、食、住、行相关的详细信息，为公众提供了大量直观、详细、可量测的城市环境信息，为公众旅游、导航提供便捷的服务。泰州影像地图网站定位于实景社区，为个人提供大量而丰富的信息查询服务，为企业提供地图化的广告发布平台和企业展示空间。

----数字供电系统泰州市数字供电系统采用泰州市地形矢量数据，叠加电力专业数据，实现了足不出户即可一览全网的效果。如果实地有电杆或变电箱出现故障，接线员接到报修电话后，进入该系统便可查询到事故所在位置，分析相关电力设施情况，判断故障原因，保证维护人员在最短时间内前往现场排除故障。19应用二：数字城市

----便民信息亭“便民信息亭”是工信部、国家发改委试点，2009年泰州市海陵区政府十件惠民工程之一。日前，60个便民信息亭安放在社区服务中心、泰州大学城等人流相对集中的地段。这些信息亭操作简单方便，人们通过点击触摸屏上相应的按钮，可以快速查阅城市地图、证券行情、公交换乘等各类信息，方便公众生活。20应用三：公路运输GIS北京高速公路信息系统21应用四：车辆监控基于WEB的GPS车辆监控系统

由GIS、GPS技术组成的车辆监控系统可以分为三大功能模块,即车载终端模块、移动通信系统与监控中心。22地理信息系统（GIS）与其他学科的关系空间分析理论学：为GIS提供了空间分析的基本观点与方法，是GIS的基础地图学：地图仍然是GIS的重要数据来源之一，但二者的差别在于：地图强调的是数据分析，符号化显示，GIS更侧重信息的分析。数据库管理系统（DBMS）：存储、管理和查询非空间数据。一般的DBMS在处理空间数据时缺乏空间分析的能力。计算机图形理论：图形处理、显示的软、硬件以及技术方法计算机网络技术：开发基于WEB的GIS遥感技术：空间数据采集手段，为主要信息源与数据更新途径：航空相片。23卫星遥感技术应用领域土地资源、土地利用及其动态监测主要农作物的遥感估产重要自然灾害的遥感监测与评估城市发展的遥感监测天气与海洋其他领域如军事、突发事件等24九一一遭到恐怖分子袭击后燃烧的美国世贸中心卫星遥感数据对突发事件的监测25东北大兴安岭林火过火区监测结果

烧毁林木面积达10，000平方公里26二、地理信息系统的定义与特征（一）地理信息的组成空间位置：经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系属性特征（简称属性）：是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标时域特征：地理数据采集或地理现象发生的时刻／时段27地理信息系统（一）定义GIS可定义为由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储检索、操作和分析，生成并输人各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务。组成功能作用28简单定义GIS可简单定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。它是有关空间数据管理和空间信息分析的计算机系统。29特征1．GIS使用了空间数据与非空间数据，并通过DBMS将两者联系在一起共同管理、分析和应用。2．GIS强调空间分析，通过利用空间解析式模型来分析空间数据，GIS的成功应用依赖于空间分析模型的研究与设计。3．GIS的成功应用不仅取决于技术体系，而且依靠一定的组织体系。（包括实施组成、系统管理员、技术操作员、系统开发设计者等）30（二）分类

1．根据GIS的功能：工具型GIS与应用型GIS2．根据研究对象的性质和内容：专题GIS与区域GIS、全国性GIS3．根据GIS的数据结构分：矢量型GIS、栅格型GIS和混合型GIS31矢量型GIS当空间数据是由矢量数据结构表示，即用坐标值精确的表示点，线，面等地理实体时，这种GIS称为矢量型GIS。32栅格型GIS当空间数据是由栅格数据结构表示，即以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布时，这种GIS称为栅格型GIS。栅格数据栅格数据就是将空间分割成有规律的网格，每一个网格称为一个单元，并在各单元上赋予相应的属性值来表示实体的一种数据形式。每一个单元（像素）的位置由它的行列号定义，所表示的实体位置隐含在栅格行列位置中。33栅格数据3435三、地理信息系统组成361．硬件GIS系统的硬件是指操作GIS所需的一切计算机资源。一个典型的GIS硬件系统包括计算机系统，数据采集/输入系统、地图显示和打印输出系统以及网络系统。2．软件软件是指GIS运行所必须的各种程序，提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具。GIS软件由计算机系统软件、地理信息系统工具或地理信息系统实用软件、以及应用程序等内容组成。3．数据数据是一个GIS应用系统最基础的组成部分。数据包括空间数据和属性数据。空间数据的表达可以采用栅格和矢量两种形式。374．人员GIS需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发，并采用空间分析模型提取多种信息。包括从事设计、开发和维护GIS系统的技术专家，也包括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。一个GIS系统的运行班子应有项目负责人、信息技术专家、应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。5．方法这里的方法主要是指空间信息的综合分析方法，即常说的应用模型。它是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的。如基于GIS的矿产资源评价模型、灾害评价模型等。38地理信息系统（GIS）的功能1．数据输入:数据输入功能指将地图数据、物化遥感数据、统计数据和文字报告等输入、转换成计算机处理的数字形式的各种功能。2．数据编辑与更新:主要包括图形编辑和属性编辑。3．数据的存储与管理4．空间查询与分析:是GIS的核心。5．可视化表达与输出:不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。39四、地理信息系统在物流信息系统中的作用车辆线路模型：一个起点，多个终点的运输问题网络物流模型：N个仓库，M个商店的运输问题分配集合模型：销售市场（X个）和服务范围（某一地区）问题设施定位模型：确定一个或多个设施（仓库）位置的问题405.2全球定位系统41一、全球卫星定位系统概述世界上正在运行的全球卫星导航定位系统主要有两大系统：一是美国的GPS系统二是俄罗斯的“格洛纳斯”系统-GLONASS日前，“中国北斗”卫星导航系统与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统一起被联合国确认为全球卫星导航系统核心供应商。

42GPS1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统：简称GPS系统（GLOBALPOSITIONINGSYSTEM）。经过20余年的研究实验，耗资200亿美元，到1994年3月，全球覆盖高达98％的24颗GPS卫星星座已经布设完成。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。43GLONASS（前苏联）-格洛纳斯

GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTE”的缩写-“全球卫星导航系统。GLONASS的起步晚于GPS9年时间。从前苏联于1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星开始，到1996年，13年时间内历经周折，完成了24颗工作卫星加1颗备用卫星的布局。经过数据加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统正常运行。GLONASS系统在系统组成和工作原理上与GPS类似，也是由空间卫星星座，地面控制和用户设备三大部分组成。44NAVSAT导航卫星系统（欧洲空间局）－“伽利略”系统

GPS和GLONASS系统主要是为军事应用建立的卫星导航系统。欧洲空间局（ESA）正在筹建的NAVSAT导航卫星系统，则是一种民用卫星导航系统。伽利略计划系统2002年批准-2008-2013年建设阶段-2013年开始实施应用设计定位精度优于美国GPS系统-可达到1米如今的GPS只能找到街道，而“伽利略”系统则能找到车库门。45影象资料/show/vd2viQi2_uFtTPvT.html46INMARSAT系统（国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织）INMARSAT系统由国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织，简称INMARSAT）筹建。最初，该系统仅具有卫星通信能力，在其4颗INMARSAT－2型卫星于1992年全部投入全球覆盖。进行通信运营之后，公司便着手改进4颗INMARSAT－3型卫星的设计，即在其上加装卫星导航舱。这4颗新星人轨之后，1996年初，在向全球提供通信服务的同时，已具备了导航定位能力。47GNSS系统全称是全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统，。48中国-北斗卫星导航系统2000年以来，中国已成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”，建成北斗导航试验系统。第一代北斗-中国计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，第二代北斗-继续进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统-空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。北斗卫星导航系统与GPS和GLONASS系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。

定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒49中国北斗定位导航系统示意图到２０１５年，中国自主卫星导航应用将全面铺开，到２０２０年，中国北斗系统将有能力参与全球竞争。“北斗卫星”为中国赴南沙作业渔船保驾护航50

二、全球定位系统的定义与特点（一）GPS定义全球卫星定位系统是利用卫星星座（通信卫星）、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反馈空间信息。GPS信号包括两种码p、c/a码。其中，P码为精确码，美国为了自身的利益，只供美国军方、政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用，定位精度３m。c/a码为粗码，其定位和时间精度均低于P码，定位精度１４m。51GPS系统主要特点1）定位精度高-GPS14MGLONASS14M

北斗10MGEO1M2）观测时间短：目前GPS接收机的一次定位和测速工作在1秒甚至更少的时间内便可完成3）执行操作简便：

GPS可以全天候操作，接收机体积也越来越小，重量越来越轻4）功能多、应用广：不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时5）抗干扰性能好、保密性强6）全球、全天候工作：可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息，不受天气的影响52GPS分类1．按接收机的用途分类（1）导航型接收机：运动载体的导航，车载型、航海型、航空型。（2）测地型接收机：主要用于精密大地测量和精密工程测量。（3）授时型接收机：利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中保持时间同步。2．按接收机的载波频率分类（1）单频接收机：只能接收L1载波信号，单频接收机只适用于短基线（＜15km＞）的精密定位。（2）双频接收机：可以同时按收L1，L2载波信号，双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。53三、GPS的组成空间卫星系统：2万公里高空，6个轨道，24颗卫星（其中有3颗备用），保证地球上任一地点、任一时间都能见到4颗卫星。主要任务是播发导航信息（三维位置、三维速度、定时信息）。地面监控系统

：由1个主控站（负责管理、协调整个地面控制系统的工作）、3个注入站（在主控站的控制下，向卫星注入导航电文）、5个监测站（数据自动收集中心）和通讯辅助系统（数据传输）组成。

用户设备：GPS接收机54四、全球定位系统（GPS）的基本运行机理首先我们假设卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A与另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可以测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以和容易排除其中一个不合理的位置，那么A点的位置就确定了。55

当空间3颗卫星位置及其相对于用户的距离已知时，便可求得用户的绝对位置。GPS信号包括两种码p、