地理信息系统原理重点

地理信息系统原理

第一章绪论

地理信息系统是对地理空间实体和地理现象的特征要素进行获得处

理表达管理分析显示和应用的计算机空间或时间系统

地理空间实体是指具有地理空间参考位置的地理实体特征要素，具有

相对固定的空间位置和空间相关关系相对不变的属性改变离散属性取

值或连续属性取值的特性

地理现象是指发生在地理空间中的地理事务特征要素，具有空间位置

空间关系和属性随时间改变的特性

地理信息系统具有以下五个基本特点：

1地理信息系统是以计算机系统作为支撑的

2地理信息系统操作的对象是地理空间数据

3地理信息系统具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地理信息系统具有分布特性

5地理信息系统的胜利应用更强调组织体系和人的因素的作用，这是由地

理信息系统的困难性和多学科交叉性所要求的

地理信息系统的组成：

硬件分为基本设备和拓展设备两大部分，基本设备包括计算机主机

（含鼠标键盘硬盘图形显示器等），存储设备（光盘刻录机磁带机光

盘塔磁盘阵列等），数据输入设备（数字化仪扫描仪手写笔等），以与

数据输出部分（打印机绘图仪等）；拓展部分包括数字测图系统图像处

理系统多媒体系统虚拟现实与仿真系统各类测绘仪器等

软件按层次结构组成和运行的软件体系

低水平.........................高水平

操作系统网络管理软件，工具软件；标准软件（图像图形处理数据库系

统系统库程序设计等）；GIS基本功能软件（商业化的GIS工具或平台）

GIS应用软件（二次开发）GIS与用户的接口、通讯软件（用户界面、通

讯软件）

4D产品:数字线划数据（digitallinegraph,DLG）数字栅格数据

（digitalrastergraph,DRC）数字高程模型（digitalelevationmodel,

DEM）数字正射影像（digitalorthomap,DOM）

基于“3s”技术的对地观测系统

P26图1.25

地理信息系统的技术基础：地理信息系统是一项多种技术集成的技术

系统。数据采集技术（包括遥感技术，全球定位系统，三维激光扫描技术,

数字测图技术等）、现代通信技术、计算机网络技术、软件工程技术、虚

拟现实与仿真技术、信息平安技术、网络空间信息传输技术等构成了GIS

技术体系的主要技术。

其次章地理信息系统基础理论

地理学是探讨地球表面地理环境的结构分部、发展改变的规律性以与

人地关系的学科，己经经验了近代地理学和现代地理学两个发展阶段。地

理学是探讨地理环境的科学。地理环境可以划分为自然环境、经济环境和

社会文化环境

地理学的三个发展阶段，第一阶段一地理学定量分析为特点；其次阶

段以图形学为特点，注意数量的空间关系，进一步由大地测量、遥感、摄

影测量、GPS的融入，发展到geomatics；第三阶段起先引入GIS,借助

GIS来探讨地理问题。

地理信息系统与地理学的关系：

1地理学是我们理解世界的基础科学，GIS使得地理科学活生生的应用到

现实世界中，包括科学中的基础部分

2地理学与GIS密不行分，两者完备结合。地理学的进一步探讨，须要gis

的支持。GIS的开发须要对地理问题深化相识。两者结合，相互促进了二

者的发展。地理信息科学的理论体系、探讨方法、学科地位的建立和完善,

有利于地理学家对瞬时信息进行定性分析、空间信息的定位分析、时间信

息的趋势分析、环境信息的综合分析

3地理信息的虚拟分析与严爵得以发展

4数值模拟和定量化探讨不断加强

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

的学问，他是对表达地理特征要素和地理现象之间关系的地理数据的说明

地理数据是各种地理特征和现象之间关系的符号化表示，包括位置特

征、属性特征和时态特征三个基本特征部分

第三章地理空间数据表达基础

方里网是由平行于投影坐标轴的两组评比线索构成的方格网，因为是

每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，所以称为方里网，又称直角方里网

经纬网地理坐标网

地图对地理信息实体要素的描述方法分为线划地图和影像地图两种,

地图图层是对地理信息的专题表达

1线划地图是依据肯定的比例、肯定的投影规则，有选择地将困难的三维

地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上，并用符号将这些内容耍

素表现出来，在地图学上把地理空间分为点线面三种要素

点状要素是指那些占据面积较小，不能按比例尺表示，又要定位的实体

线状要素是指那些在地面上呈线状或带状的地理实体，如河流道路等

面状要素指在空间占有肯定面积的地理实体，一般用面状填充符号表达

2遥感影像地图有正射影像图(DOM)和真正射影像图(TDOM),前者由数

字高程模型订正获得(DEM),后者由数字地形表面模型订正获得

3在GIS中，地理实体要素是以数字化的数据形式存在的

GIS数据表达的基本要求和原则

1定义表达空间数据的表达类型

2对不同的数据表达类型进行空间建模的原则

3同一空间参考系原则

4数据分层组织和无缝图层原则

5数据分类编码原则

6数据库存储和管理原则

7数据集组织原则

8空间索引要求

9建立空间拓扑关系原则

10建立空间元数据库要求；为了对空间数据库进行维护更新和共享服务,

须要对空间数据的定义内容格式参考系统质量标准状态日期等

信息进行描述，这类信息称为元数据

11为了到达上述的数据表达要求，须要对空间数据进行输入整合前编

辑，这一系列的工作称为空间数据库的建库

在GIS中，地理空间对象的基本表达类型有5种：矢量数据栅格数据

连续数据属性数据元数据；矢量数据用于描述和表达离散地理空间实体

要素；地图描述信息的属性是通过地图符号颜色和地图注记；栅格由一

系列的栅格坐标或像元所处栅格矩阵的行列号定义其位置，每个

像元独立编码，并载有属性；栅格单元的大小代表空间辨别率，表示表达

的精度；连续表面数据书描述地球表面上的每一个位置都具有一个值的一

类数据，替代方法：1等值线方法2等值域方法3栅格数据集方法4不

规则三角网表达方法

元数据就是“关于描述数据信息的数据”，主要作用：

1帮助数据生产者有效管理和维护空间数据，建立数据文档

2供应数据生产者对数据产品的说明信息，便于用户查询利用空间数据

3供应通过计算机网络查询数据的方法和途径，便于数据交换和传输

4帮助用户了解数据的质量信息，对数据的运用做出正确推断

5供应空间数据互操作的基础

元数据的内容主要是包括对数据库的描述，对数据库中的各数据项数

据来源数据全部者和数据生产历史等的说明；对数据质量的描述，如精

度数据的逻辑一样性数据的完整性辨别率数据的比例尺等；对数据处

理信息的说明，如纲量的转换等；对数据转换方法的说明；对数据库的更

新集成方法风的说明

空间关系是指地理空间特征或对象之间存在的与空间特征有关的关系

拓扑空间关系是GIS中重点描述的地理特征或对象之间的一种空间逻

辑关系，依据拓扑关系绘制的图称为拓扑图；在拓扑关系在GIS中，是以

数据表数据文件的形式进行存储的，主要用于描述点和多边形图形元素之

间的逻辑关系，有关联关系、邻接关系、连通关系和包含关系；计算机就

是通过在弧段序列中找到弧段之间的共同节点来推断与弧段之间是否存

在连接性

第四章地理空间数据模型建模

数据模型是对数据特征的抽象描述，它不是描述个别数据特性，而是

描述数据的共性，一个地理空间数据模型应能描述地理空间数据以下特

征：

1静态特性。包括实体和实体应有的特性、实体间的联系等，通过构造基

本数据结构类型来实现

2动态特性。即现实世界中的实体与实体间的不断发展改变，通过对数据

文件的索、插入、删除和修改等操作来实现

3数据间的相互制约与依存关系。通过一组完整性约束规则来实现

地理空间数据模型可分为矢量数据模型、栅格数据模型、连续表面数

据模型和属性数据模型（图4.2P111）

空间数据模型是以逻辑方式对客观世界进行抽象，是一组由相关关系

联系在一起的空间对象定义和空间关系表达的规则集，是几何数据模型和

语义数据模型的混合体，也称为地理空间数据的逻辑模型

地理空间数据结构是基于地理空间数据模型构建的物理数据文件格

式，与数据在计算机中的编码、存储和表达方式有关。地理空间数据结构

供应了为地理空间数据模型而定义的操作，并将操作映射到数据结构特定

的代码上

模型和对象的区分，矢量数据模型往往被拆成几个简洁元素表示，但

他们共享一个属性描述，特征元素表示的意义和实际的状况有很大区分，

特征一般不具有独立实体意义；一个对象对应现实世界中的一个具有完整

意义的地理是提要素，并对其一系列固有属性和可能的操作方式进行了封

装，一般具有很强的独立性

对象的特性

1抽象性

2封装性

3多态性

4继承性

面对对象数据建模的四种核心数据技术是：分类、概括、聚集和联合

地理数据模型的进展

1CAD数据模型

2coverage数据模型是arcgis8软件以前版本运用的地理空间数据模型,

也称为地理关系数据模型，是面对特征建模的数据模型，coverage数据模

型存储和管理数据的基本单元是数据层

3geodatabase数据模型是面对对象的数据模型

矢量数据是以点、线和多边形为基本表达特征元素，并用以表达具有

形态和边界的离散对象；矢量数据模型是以特征数据集合特征类存储特征

元素的

线段、链和环视特征形态的组合几何元素

Arcgis的几何对象模型（图4.21P127）

Coverage数据模型是空间数据、属性数据和与特征有联系的拓扑关系

的结合体

Coverage的主要特征类型有点、弧段、多边形和节点

Shapefile主要由包含空间和属性数据的3个主要文件构成，也可能

包括任选具有索引信息的其他文件，这些文件有点线面特征组成的一个特

征类，可以是点、点集、折线或多边形组成的同类特征的集合

Coverage模型与shapefile模型的主要区分是，前者具有拓扑关系，

后者没有拓扑关系；前者有过个类，后者只有一个类

栅格数据来源栅格数据表达影响或连续数据。栅格数据最常用的数据

源是卫星影像、航空影像、某个特征的照片、扫描的地图文件、矢量转化

成的栅格数据等

栅格数据的基本类型栅格数据有两个基本类型，专题数据和影像数

据。专题数据可能用于土地利用的专题分析，影像数据可能用于其他地理

数据的地图和导出专题数据

连续表面数据模型连续表面用于表达有限点数的具有Z值的连续场，

常用模型有两种，栅格数据模型和不规则三角网模型，最常见的应用是对

地形改变这类连续值的建模表达

第五章地理空间数据库

GIS与SDBMS（空间数据库管理系统）的关系gis供应了便于分析地理

数据和将地理数据可视化的机制，供应了丰富的分析功能，可对地理数据

进行相应的变换，利用gis可对某些对象和图层进行多种操作；利用SDBMS

可对更多的对象集合图层集进行更为简洁的操作，回答集合查询比GIS更

为优越

GIS图形界面空间和统计分析工具数据转换、导入和导出几何和拓扑

关系支持

SDBMS数据自主独立完全集成的空间数据事物处理，并发、备份、复原

统一的查询语言

空间数据库定义为具有内部联系的空间数据的集合，可以管理和维护

海量数据，并为不同的GIS应用所共享，应满意一下要求

1空间数据库是数据库系统

2空间数据库系统在它的数据模型中，供应空间数据类型与其空间查询语

—X-a

3数据库应当具备两个最核心的特征，一个是长久性，一个是事务

空间数据索引数据库的索引可以用来快速访问一条快速查询所恳求

的数据，而无需遍历整个数据库。索引是为提高查询效率而设计的协助文

件，它只记录两个域，主键和数据文件中的页面地址

空间索引技术的核心是依据查询条件，快速找到与该条件相交的全部

空间数据的集合。在这个缩小的集合上再处理各种困难的搜寻，效率大大

提高

空间索引是对存储在介质上的数据位置信息的描述，用来提高系统对

数据获得方式的效率

四叉树索引方法四叉树是有根树，每个内节点有4个子节点，四叉树

每个节点对应空间的一个方形区域，假如节点v有子节点，则它对应的方

形区域书属于v的四个方形区域，因此得名四叉树；根节点的4个子节点

被标识为NE、NW、SW、SE

空间数据的分层地理信息固有的层次性为GIS分层进行数据组织供应了

依据，通常按以下方式进行分层

1按专题属性进行分层

2按时间序列进行分层

3按实体几何类型进行分层

4按实体属性进行结构分层

5依据垂直分带性分层

6按上述方法综合考虑分层

空间数据存储方案

1磁盘阵列技术

2网络存储技术

3基础网络存储技术

4虚拟存储技术

空间数据库的存储方案

1分幅数据存储方案分图幅对地图数据进行管理一般只会时候数据生产

部门，因为他们很少会对数据进行跨图幅的分析操作

2无缝图层数据存储方案在数据的分析应用中，跨图幅操作是很常见的

事情，建立无缝图层是简化数据操作的必要条件

第六章地理空间数据获得与处理

地理空间数据源的类型数据源主要指建立GIS的地理数据库所需的各

种数据来源，主耍包括地图、遥感数据、文本数据、统计调查数据、多媒

体数已有系统的数据等。可归纳为原始采集数据、再生数据和交换数据三

种来源

地图数据是gis的直要数据源，包括多尺度图形数据

遥感数据是重要数据源，包括多尺度影像数据和非成像数据

文本数据主要是一些文档资料数据，如规范条例等

统计调查数据主要是通过社会调