地理信息系统（成都理工大学）.ppt

1、地理信息系统Geographic Information System,成都理工大学 地球科学学院空间信息技术系,参考书目,胡鹏，地理信息系统教程，武汉大学出版社 ，2001.3 陈述彭，地理信息系统概论，高等教育出版社，1999.5 邬伦， 地理信息系统教程，北京大学出版社，1994.6 陈俊，实用地理信息系统，科学出版社，1998.6 ESRI，Modeling our World 孙家广，计算机图形学，清华大学出版社，1995,第1章 绪论,1.1 地理信息系统的概念 1.2 地理信息系统的组成 1.3 地理信息系统的功能和应用 1.4 地理信息系统的发展,1.1 地理信息系统的概念,一

2、、公园选址辅助决策 二、数据与信息 三、地理信息与地学信息 四、信息系统与地理信息系统,一、公园选址辅助决策,郊游公园具体位置的选择需要满足一定的要求： 1）依山傍水，地形有一定起伏，必须靠近天然的小河流； 2）交通方便，但周围环境较安静，公园距公路的距离最远不得超过1.25km，最近不得小于0.25km； 3）空气新鲜，有一定的植被覆盖率； 4）等等其它条件；,GIS用于郊区公园选址,二、数据与信息,(一) 数据 指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图像等符号。数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而

3、改变。,(二) 信息 定义：信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图像等形式记录下来，进行传递和处理,为人们的生产，建设，管理等提供依据。 特性： 客观性 适用性 传输性 共享性,(三) 两者关系 有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然。数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。 例如独立的“1”、“0”均无意义。当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供了“有”“无”信息；当用它来标识某种实体的类别时，它就提供了特征码信息。,三、地理信息与地学信息,(一) 地理信息

4、 定义：地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息,它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。 特性： 地域性 多维结构 时序特征,(二) 地学信息 指与人类居住的地球有关的信息都是地学信息，具有无限性、多样性、灵活性等特点。地学信息是人们深入认识地球系统、合理开发资源、净化能源、保护环境的前提和保证。 地理信息与地学信息的区别主要在于信息源的范围不同，地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等；地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空间。,四、信息系统与地理信息系统,(一) 信息系统 为了有

5、效对信息流进行控制、组织管理，实现双向传递，需要通过某种信息系统。它能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统，具有采集、管理、分析和表达数据的能力。由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。,从适用于不同管理层次的角度出发，信息系统分为事务处理系统和决策支持系统。事务处理系统强调对数据的记录和操作，主要支持操作层人员的日常事务处理，如图书管理系统、各种定票系统等。决策支持系统是用以获得辅助决策方案的交互式计算机系统，一般由语言系统、知识系统和问题处理系统共同构成。,(二) 地理信息系统,1）美国学者Parker认为“GIS是一种存贮、分 析和显示空间与非空间数据

6、的信息技术”。 2）加拿大的Roger Tomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统”。 3）Goodchild把GIS定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。 4）Burrough认为“GIS是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”。,5）俄罗斯学者也把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。 6）美国国家地理信息与分析中心给出的定义：“GIS为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统”。 7）英国教育部认为：“GIS是一种获取、存储、检索、操

7、作、分析和显示地球空间数据的计算机系统”。,四、信息系统与地理信息系统,GIS:是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题,GIS概念框架与构成,(二) GIS内涵 (1)GIS的物理外壳是计算机化的技术系统。该系统又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、可视化表达与输出子系统等。这些子系统的构成直接影响着GIS的硬件平台、系统功能和效率、数据处理的方式和产品输出的类型。,(2)GIS的对象是地理实体。 地理实体数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理

8、坐标进行编码，实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述。GIS以地理实体数据作为处理和操作的主要对象，这是它区别于其他类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。,(二) GIS内涵 (3)GIS的技术优势在于它的混合数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等。其中，通过地理空间分析可以产生常规方法难以获得的重要信息，实现在系统支持下的地理过程动态模拟和决策支持，这既是GIS的研究核心，也是GIS的重要贡献。,(三)GIS与其它系统的区别和联系 从操作、管理的信息种类的不同，

9、信息系统又可分为企业、事业管理信息系统、财务管理信息系统等一般管理信息系统(Management Information System,MIS)和空间信息系统(Spatial Information System,SIS)。空间信息系统采集、管理和分析的对象是空间信息，而地理信息系统就是一种十分重要的空间信息系统。,信息系统构成,GIS与CAD的异同,GIS与CAM的异同,第1章 绪论,1.1 地理信息系统的概念 1.2 地理信息系统的组成 1.3 地理信息系统的功能和应用 1.4 地理信息系统的发展,1.2 地理信息系统的组成,系统硬件:包括各种硬件设备，是系统功能实现的物质基础； 系统软件

10、:支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统；,空间数据:系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础； 应用人员:GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户； 应用模型:解决某一专门应用的应用模型，是GIS技术产生社会经济效益的关键所在。,GIS组成关系,一、系统硬件,1、GIS的主机 2、GIS外部设备 3、输出设备 4、GIS的网络设备 5、数据存贮与传送设备,二、系统软件,GIS专业软件 数据库软件 系统管理软件,GIS软件层次,三、空间数据,空间数据是地理信息的载体，是地理信息系统的操作对象，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征

11、是指地理实体的空间位置及其相互关系；属性特征表示地理实体的名称、类型和数量等；时间特征指实体随时间而发生的相关变化。,根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线、面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量和栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。,在地理信息系统中，空间数据是以结构化的形式存储在计算机中的，称为地理空间数据库。数据库由数据库实体和数据库管理系统组成。数据库实体存储有许多数据文件和文件中的大量数据，而数据库管理系统主要用于对数据的统一管理，包括查询、检索、增删、修改和维护等。,四、应用人员,GIS应用人员包括系统开发人员和GIS技术的最终用户，他们的业务素

12、质和专业知识是GIS工程及其应用成败的关键。,五、应用模型,GIS应用模型的构建和选择也是系统应用成败至关重要的因素。虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目的的解决，必须通过构建专门的应用模型，例如土地利用适宜性模型、选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型和影响模型等。,第1章 绪论,1.1 地理信息系统的概念 1.2 地理信息系统的组成 1.3 地理信息系统的功能和应用 1.4 地理信息系统的发展,1.3 地理信息系统的功能和应用,由计算机技术与空间数据相结合而产生的GIS这一高新技术，包含了处理信息的各种高级功能，但是它

13、的基本功能是数据的采集、管理、处理、分析和输出。GIS依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术、二次开发环境等，演绎出丰富多彩的系统应用功能，被广泛地应用于资源管理、区域规划等领域，满足用户的广泛需求。,一、基本功能,包括：数据采集与编辑，数据存储与管理，数据处理和变换,空间查询和分析和数据显示、输出功能。,GIS基本功能,1、数据采集与编辑 地理信息系统的数据通常抽象为不同的专题或层。数据采集编辑功能就是保证各层实体的地物要素按顺序转化为X、Y坐标及对应的代码输入到计算机中。,GIS数据分层概念,GIS数据采集,2、数据存储与管理 GIS数据库是区

14、域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。由于GIS数据库具有数据量大，空间数据与属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能除了与属性数据有关的DBMS功能之外，对空间数据的管理技术主要包括：空间数据库的定义，数据访问和提取，从空间位置检索空间物体及其属性，从属性条件检索空间物体及其位置，开窗和接边操作，数据更新和维护等。,3、数据处理和变换 1)数据变换：指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等； 2)数据重构：指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据

15、拼接、数据截取、数据压缩、结构转换等； 3)数据抽取：指对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。,4、空间查询和分析,2)拓扑叠加：通过将同一地区两个不同图层的特征相叠加，不仅建立新的空间特征，而且能将输入的特征属性予以合并，易于进行多条件的查询检索、地图裁剪、地图更新和应用模型分析等；,1)空间查询：空间查询是GIS最基本的功能，包括已知属性查图形，已知图形查属性及多种条件的综合查询；,3)缓冲区：它是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立各种类型要素的缓冲多边形，用以确定不同地理要素的空间接近度或邻近性。它是GIS重要的和基本的空间分析功能之一。,-

16、4)网络分析：网络分析是GIS空间分析的重要组成部分。网络模型是运筹学中的一个基本模型，例如在城市各街道区建立图书馆、医院等公共设施，希望各居民住家能到这些设施的路途最短，而在建立消防站、救护车站时，需要路途最短，花费时间最少等。,- 5)数字地形分析：GIS提供了构造数字高程模型及有关地形分析的功能模块，包括坡度、坡向、地表粗糙度、山谷线、山脊线、日照强度、库容量、表面积、立体图、剖面图和通视分析等，为地学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础性数据。,空间查询,叠加分析,缓冲区分析,网络分析,地形分析,5、数据显示与输出 GIS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

17、幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件。,数据显示与输出,二、主要应用领域,由于GIS具有许多功能和优点，目前被广泛地应用资源管理、区域和城乡规划、灾害监测和环境评估等各领域.,GIS主要应领域,1、资源管理 资源的清查、管理和分析是GIS应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源潜力的评价和土地利用规划以及水资源的时空分布特征研究等。系统的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，GIS软件能在一个连续无缝的方式下管理大型的地理数据库，这种功能强大的数据环境允许集成各种应用，最终用户通过GIS的客户端软件可直接对数

18、据库进行查询、显示、统计、制图以及提供区域多种组合条件的资源分析，为资源的合理开发利用和规划决策提供依据。,2、区域规划 城市与区域规划具有高度的综合性，涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等因素，但是要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式并不容易，规划人员需要切实可行的、实时性强的信息，而GIS能为规划人员提供功能强大的工具。例如规划人员利用GIS对交通流量、土地利用和人口数据进行分析，预测将来的道路等级；工程技术人员利用GIS将地质、水文和人文数据结合起来，进行路线和构造设计；GIS软件帮助政府部门完成总体规划、分区、现有土地利用、分区一致性、空地、开发区和设施位置等分析工作

19、，是实现区域规划科学化和满足城市发展的重要保证。,3、国土监测 GIS方法和多时相的遥感数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等。例如黄河三角洲地区的防洪减灾研究表明，在ARC/INFO地理信息系统支持下，通过建立大比例尺数字地形模型和获取有关的空间和属性数据，利用GIS的叠置操作和空间分析等功能，可以计算出若干个泄洪区域内的土地利用及面积，比较不同泄洪区内房屋和财产损失等，可以确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线，保证以最快的速度有效应付突发事件的发生。,4、辅助决策 GIS利用拥有的数据库和互联网传输技

20、术，已经实现了电子商贸的革命，满足企业决策多维性的需求。当前在全球协作的商业时代，90%以上的企业决策与地理数据有关，例如：企业的分布、客货源、市场的地域规律、原料、运输、跨国生产、跨国销售等。利用GIS迅速有效管理空间数据，进行空间可视化分析，确定商业中心位置和潜在市场的分布，寻找商业地域规律，研究商机时空变化的趋势，不断为企业创造新的商机，GIS和互联网已成为最佳的决策支持系统和威力强大的商战武器。,第1章 绪论,1.1 地理信息系统的概念 1.2 地理信息系统的组成 1.3 地理信息系统的功能和应用 1.4 地理信息系统的发展,1.4 地理信息系统的发展,一、国际GIS发展状况 二、我国

21、GIS发展状况 三、当代GIS发展动态,一、国际GIS发展状况,1、20世纪60年代为GIS思想和技术方法的探索时期； 2、70年代是GIS的发展时期； 3、80年代是GIS在理论、方法和技术上取得突破与趋向成熟的阶段； 4、90年代，全面应用。,二、我国GIS发展状况,1、准备阶段 2、试验阶段 3、发展阶段 4、产业化阶段,三、当代GIS发展动态,1、面向对象技术与GIS的结合 2、真三维GIS和时空GIS 3、GIS应用模型的发展 4、Internet与GIS的结合 5、GIS与专家系统、神经网络的结合 6、GIS与虚拟现实技术的结合,第2章 GIS的空间数据结构和数据库,2.1 地理实

22、体及其描述 2.2 矢量数据结构 2.3 栅格数据结构 2.4 矢量栅格一体化数据结构 2.5 三维数据结构 2.6 空间数据模型 2.7 空间数据库的设计、建立和维护,2.1 地理实体及其描述,一、地理系统和地理实体 二、实体的描述及存储 三、实体的空间特征 四、实体间的空间关系,一、地理系统和地理实体,地理信息来源于地理系统。著名数学家钱学森曾指出：地理系统是一个开放的复杂巨系统。所谓开放性是指地理系统与其它系统有关联，有物质和信息的交往，不是一个封闭系统；复杂巨系统是指地理系统有成千上万的种类繁多的子系统。,将地理系统中复杂的地理现象进行抽象得到的地理对象称为地理实体或空间实体、空间目标

23、，简称实体(Entity)。实体现实世界中客观存在的，并可相互区别的事物。实体可以指个体，也可以指总体，即个体的集合.抽象的程度与研究区域的大小、规模不同而有所不同,二、实体的描述和存储,在地理信息系统中，根据具体要求需要描述实体各个侧面如名称、位置、形状和获取这些信息的方法、时间和质量等，记录实体的这些描述内容的空间数据具有三个基本特征：空间特征、属性特征和时间特征，根据反映实体特征的不同，空间数据可分为不同的类型：几何数据、关系数据、属性数据和元数据，而不同类型的空间数据在计算机中是以不同的空间数据结构存储的。,实体的存储,1、空间实体的描述 通常需要从如下方面对地理实体进行描述： 1)编

24、码:用于区别不同的实体，有时同一个实体在不同的时间具有不同的编码，如上行和下行的火车。编码通常包括分类码和识别码。分类码标识实体所属的类别，识别码对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。 2)位置:通常用坐标值的形式(或其它方式)给出实体的空间位置。,3)类型:指明该地理实体属于哪一种实体类型，或由哪些实体类型组成。 4)行为:指明该地理实体可以具有哪些行为和功能。 5)属性:指明该地理实体所对应的非空间信息，如道路的宽度、路面质量、车流量、交通规则等。 6)说明:用于说明实体数据的来源、质量等相关的信息。 7)关系:与其它实体的关系信息。,2、空间数据的特征 1)属性特征用以描述事

25、物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等。 2)空间特征用以描述事物或现象的地理位置，又称几何特征、定位特征，如界桩的经纬度等。 3)时间特征用以描述事物或现象随时间的变化，例如人口数的逐年变化。,空间数据的基本特征,3、空间数据的类型 1)属性数据描述空间数据的属性特征的数据，也称非几何数据。即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等。 2)几何数据描述空间数据的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。即说明“在哪里”，如用X、Y坐标来表示。,3)关系数据描述空间数据之间的空间关系的数据，如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。拓扑关系是一种对空间关

26、系进行明确定义的数学方法。 此外，还有元数据，它是描述数据的数据。在地理空间数据中，元数据说明空间数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息，便于数据生产者和用户之间的交流。,4、空间数据结构 空间数据结构是空间数据在计算机中的具体组织方式。目前尚无一种统一的数据结构能够同时存储上述各种类型的数据，而是将不同类型的空间数据以不同的数据结构存储。一般来说，属性数据与其他信息系统一样常用二维关系表格形式存储。元数据以特定的空间元数据格式存储，而描述地理位置及其空间关系的空间特征数据是地理信息系统所特有的数据类型，主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。,实体的存储,三、实体的空间特征,1、

27、空间维数 有零维、一维、二维、三维之分，对应着不同的空间特征类型：点、线、面、体。在地图中实体维数的表示可以改变。如一条河流在小比例尺地图上是一条线（单线河），在大比例尺图上是一个面（双线河）。,2、空间特征类型 1）点状实体：点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。具体有下列类型的点：实体点、注记点、内点和节点等不同类型 2）线状实体：具有相同属性的点的轨迹，线或折线，由一系列的有序坐标表示，并长度、弯曲度、方向性等特性，线状实体包括线段，边界、链、弧段、网络等。,3）面状实体（多边形）：是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述，在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。具有面积、范围、周

28、长、独立性或与其它地物相邻、内岛屿或锯齿状外形、重叠性与非重叠性等特性。 4）体、立体状实体：用于描述三维空间中的现象与物体，它具有长度、宽度及高度等属性，立体状实体一般具有体积、每个二维平面的面积、内岛、断面图与剖面图等空间特征。,GIS中不同类型的点,3、实体类型组合 现实世界的各种现象比较复杂，往往由上述不同的空间类型组合而成，例如根据某些空间类型或几种空间类型的组合将空间问题表达出来，复杂实体由简单实体组合表达。,不同空间类型组合表达复杂空间问题,四、空间关系,空间关系是指各空间实体之间的空间关系，包括拓扑空间关系，顺序空间关系和度量空间关系。由于拓扑空间关系对GIS查询和分析具有重要

29、意义，在GIS中，空间关系一般指拓扑空间关系。,1、定义 拓扑关系是一种对空间结构关系进行明确定义的数学方法。是指图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。可以假设图形绘在一张高质量的橡皮平面上，将橡皮任意拉伸和压缩，但不能扭转或折叠，这时原来图形的有些属性保留，有些属性发生改变，前者称为拓扑属性，后者称为非拓扑属性或几何属性(表2-1-1)。这种变换称为拓扑变换或橡皮变换。,拓扑属性和非拓扑属性,2、拓扑关系的种类 点(结点)、线(链、弧段、边)、面(多边形)三种要素是拓扑元素。它们之间最基本的拓扑关系是关联和邻接。 1)关联：不同拓扑元素之间的关系。如结点与链，链与多边形等。 2)邻

30、接：相同拓扑元素之间的关系。如结点与结点，链与链，面与面等。邻接关系是借助于不同类型的拓扑元素描述的，如面通过链而邻接。,3)包含关系：面与其它拓扑元素之间的关系。如果点、线、面在该面内，则称为被该面包含。如某省包含的湖泊、河流等。 4)几何关系：拓扑元素之间的距离关系。如拓扑元素之间距离不超过某一半径的关系。 5)层次关系:相同拓扑元素之间的等级关系。如国家由省(自治区、直辖市)组成，省(自治区、直辖市)由县组成等。,3、拓扑关系的表示 在目前的GIS中，主要表示基本的拓扑关系，而且表示方法不尽相同。在矢量数据中拓扑关系可以由图中的四个表格来表示。,拓扑关系的表达,4、拓扑关系的意义 空间数

31、据的拓扑关系，对于GIS数据处理和空间分析具有重要的意义，因为： 1)拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。 2)有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。 3)根据拓扑关系可重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现面域的选取；根据弧段与结点的关联关系重建道路网络，进行最佳路径选择等。,拓扑关系的表达和重建,第2章 GIS的空间数据结构和数据库,2.1 地理实体及其描述 2.2 矢量数据结构 2.3 栅格数据结构 2.4 矢量栅格一体化数据结构 2.5 三维数据结构 2.6 空间数据模型 2.7 空间数据库的设计、建立和维

32、护,2.2 矢量数据结构,一、矢量数据的图形表示 二、矢量数据的获取方式 三、矢量数据表示,一、矢量数据的图形表示,矢量方法将地理现象或事物抽象为点、线、面实体，将它们放在特定空间坐标系下进行采样记录 1、点实体：记录点坐标和属性代码； 2、线实体：记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码； 3、面实体：记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。,矢量数据的图形表示,二、矢量数据的获取方式,矢量数据的获取方式通常有： 1)由外业测量获得，可利用测量仪器自动记录测量成果(常称为电子手薄)，然后转到地理数据库中。 2)由栅格数据转换获得，利用栅格数据矢量化技术，

33、把栅格数据转换为矢量数据。 3)跟踪数字化，用跟踪数字化的方法，把地图变成离散的矢量数据。 由于栅格数据自动矢量化技术还不成熟，人工跟踪数字化是当前获取矢量数据的最主要方法，但存在工作量大，数据获取困难等缺点。,三、矢量数据表示,(一)简单数据结构 矢量数据的简单数据结构分别按点、线、面三种基本形式来描述,简单数据结构,(二)拓扑数据结构 1、拓扑元素 矢量数据可抽象为点(结点)、线(链、弧段、边)、面(多边形)三种要素，即称为拓扑元素。 2、编码方式 拓扑数据结构的关键是拓扑关系的表示，而几何数据的表示可参照矢量数据的简单数据结构。在目前的GIS中，主要表示基本的拓扑关系，而且表示方法不尽相

34、同。下面举一表示矢量数据拓扑关系的例子,矢量图,矢量图,拓扑数据结构,第2章 GIS的空间数据结构和数据库,2.1 地理实体及其描述 2.2 矢量数据结构 2.3 栅格数据结构 2.4 矢量栅格一体化数据结构 2.5 三维数据结构 2.6 空间数据模型 2.7 空间数据库的设计、建立和维护,2.3 栅格数据结构,一、栅格数据的图形表示 二、栅格数据的组织 三、栅格结构的建立 四、栅格数据结构的表示,一、栅格数据的图形表示,栅格结构是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。换句话说，栅格数据结构就是像元阵列，用每个像元的行列号确定位置，用

35、每个像元的值表示实体的类型、等级等的属性编码 1、点实体：表示为一个像元； 2、线实体：表示为在一定方向上连接成串的相邻像元的集合； 3、面实体：表示为聚集在一起的相邻像元的集合。,栅格数据的图形表示,二、栅格数据组织,多层栅格数据,栅格数据组织方法,三、栅格结构的建立,（一）栅格数据的获取途径 1、来自于遥感数据:通过遥感手段获得的数字图像就是一种栅格数据。它是遥感传感器在某个特定的时间、对一个区域地面景象的辐射和反射能量的扫描抽样，并按不同的光谱段分光并量化后，以数字形式记录下来的象素值序列。,2、来自于对图片的扫描:通过扫描仪对地图或其它图件的扫描，可把资料转换为栅格形式的数据。具体为：

36、扫描仪扫描专题图的图像数据得到每个像元的（行、列、颜色（灰度），定义颜色与属性对应表，用相应属性代替相应颜色，得到每个像元的（行、列、属性），再进行栅格编码、存贮，即得到该专题图的栅格数据。 3、由矢量数据转换而来:通过运用矢量数据栅格化技术，把矢量数据转换成栅格数据。这种情况通常是为了有利于GIS中的某些操作，如叠加分析等，或者是为了有利于输出。 4、由手工方法获取:在专题图上均匀划分网格，逐个网格地确定其属性代码的值，最后形成栅格数据文件,（二）栅格系统的确定 1、栅格坐标系的确定:表示具有空间分布特征的地理要素，不论采用什么编码系统，什么数据结构(矢、栅)都应在统一的坐标系统下，而坐标系

37、的确定实质是坐标系原点和坐标轴的确定。 由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质，但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。,2、栅格单元的尺寸:栅格单元的尺寸确定的原则是应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。格网太大，忽略较小图斑，信息丢失。一般讲实体特征愈复杂，栅格尺寸越小，分辨率愈高，然而栅格数据量愈大，按分辨率的平方指数增加，计算机成本就越高，处理速度越慢。具体可采用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸的方法,(三)栅格代码（属性值）的确定 1、中心归属法：每个栅

38、格单元的值由该栅格的中心点所在的面域的属性来确定。 2、长度占优法：每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。 3、面积占优法：每个栅格单元的值由该栅格中单元面积最大的实体的属性来确定。 4、重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物的类型作为栅格单元的属性值。这种方法适用于具有特殊意义而面积较小的实体要素。,栅格代码的确定,四、栅格数据结构的表示,将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行(或逐列)记录代码，可以每行都从左到右记录，也可以奇数行从左到右，偶数行从右到左。这种记录栅格数据的文件常称为栅格文件，且常在文件头中存有该栅格数据的长和宽，即行数和列数。这样，具体的像元值就

39、可连续存储了。其特点是处理方便，但没有压缩。,栅格数据的表示,第2章 GIS的空间数据结构和数据库,2.1 地理实体及其描述 2.2 矢量数据结构 2.3 栅格数据结构 2.4 矢量栅格一体化数据结构 2.5 三维数据结构 2.6 空间数据模型 2.7 空间数据库的设计、建立和维护,2.4 矢量栅格一体化数据结构,一、矢量、栅格数据结构的优缺点 二、矢栅一体化的概念 三、三个约定和细分格网法 四、矢栅一体化数据结构的设计,一、矢量、栅格数据结构的优缺点,二、矢栅一体化的概念,可采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的表达方法作为一体化数据结构的基础。 每个线状目标 除记录原始取样点外，还记录路

40、径所通过的栅格； 每个面状地物 除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。,矢栅一体化的概念,三、三个约定和细分格网法,（一）三个约定 为了设计点、线、面状地物具体的一体化数据结构，首先作如下约定： 1、地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据。 2、地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子填满整个路径。 3、地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成。,（二）细

41、分格网法 由于一体化数据结构是基于栅格的，表达目标的精度必然受栅格尺寸的限制。可利用细分格网法提高点、线（包括面状地物边界）数据的表达精度，使一体化数据结构的精度达到或接近矢量表达精度。,细分网格,四、矢栅一体化数据结构的设计,1、点状地物和结点的数据结构 根据基本对点状地物的约定，点仅有位置、没有形状和面积，不必将点状地物作为一个覆盖层分解为四叉树，只要将点的坐标转化为地址码M1 和M2 ,而不管整个构形是否为四叉树。这种结构简单灵活，便于点的插入和删除，还能处理一个栅格内包含多个点状目标的情况。,点状地物和节点的数据结构,2、线状地物的数据结构 一般认为用四叉树表达线状地物是困难的。但采用

42、元子填满整条路径 的方法，它的数据结构将变得十分简单。根据对线状地物的约定，线状地物有形状但没有面积，没有面积意味着线状地物和点状地物一样不必用一个完全的覆盖层分解四叉树，而只要用一串数据表达每个线状地物的路径 即可，表达一条路径就是要将该线状地物经过的所有栅格的地址全部记录下来。一个线状地物可能有几条弧段组成，所以应先建立一个弧段数据文件。,弧段的数据结构,线状地物的数据结构,3、面状地物的数据结构 根据对面状地物的约定，一个面状地物应记录边界和边界所包围的整个面域。其中边界由弧段组成。面域信息则由线性四叉树或二维行程编码表示。 同一区域的各类不同地物可形成多个覆盖层，例如建筑物、耕地、湖泊

43、等可形成一个覆盖层，土地利用类型、土壤类型又可形成另外两个覆盖层。这里规定每个覆盖层都是单值的，即每个栅格内仅有一个面状地物的属性值。每个覆盖层可用一棵四叉树或一个二维行程编码来表示。为了建立面向地物的数据结构，做这样的修改，二维行程编码中的属性值可以是叶结点的属性值，也可以是指向该地物的下一个子块的循环指针。即用循环指针将同属于一个目标的叶结点链接起来，形成面向地物的结构。,链接情况,二维行程编码,带指针的二维行程编码,面文件,四、矢栅一体化数据结构的设计,4、复杂地物的数据结构 由几个或几种点、线、面状简单地物组成的地物称为复杂地物。例如将一条公路上的中心线、交通灯、立交桥等组合为一个复杂

44、地物，用一个标识号表示。,第2章 GIS的空间数据结构和数据库,2.1 地理实体及其描述 2.2 矢量数据结构 2.3 栅格数据结构 2.4 矢量栅格一体化数据结构 2.5 三维数据结构 2.6 空间数据模型 2.7 空间数据库的设计、建立和维护,2.5 三维数据结构,一、八叉树三维数据结构 二、三维边界表示法,一、八叉树三维数据结构,（一）基本原理 假设要表示的形体V可以放在一个充分大的正方体C内，C的边长为2n，形体VC，它的八叉树可以用以下的递归方法来定义： 八叉树的每个节点与C的一个子立方体对应，树根与C本身相对应，如果VC，那么V的八叉树仅有树根，如果VC，则将C等分为八个子立方体，

45、每个子立方体与树根的一个子节点相对应。只要某个子立方体不是完全空白或完全为V所占据，就要被八等分，从而对应的节点也就有了八个子节点。这样的递归判断、分割一直要进行到节点所对应的立方体或是完全空白，或是完全为V占据，或是其大小已是预先定义的体素大小，并且对它与V之交作一定的“舍入”，使体素或认为是空白的，或认为是V占据的。,某个子立方体被八等分,（二）八叉树的存贮结构 1、规则八叉树 2、线性八叉树,线性八叉树,二、三维边界表示法,1、方法原理 首先考虑一个简单的四面体应如何表示。它是一个平面多面体，即它的每个表面均可以看成是一个平面多边形。为了做到无歧义地、有效地表示，需指出它的顶点位置以及由

46、哪些点构成边，哪些边围成一个面等一些几何与拓扑的信息。,2、特点 3、拓扑检查,三维边界表示法,第2章 GIS的空间数据结构和数据库,2.1 地理实体及其描述 2.2 矢量数据结构 2.3 栅格数据结构 2.4 矢量栅格一体化数据结构 2.5 三维数据结构 2.6 空间数据模型 2.7 空间数据库的设计、建立和维护,2.6 空间数据模型,一、数据库基础知识 二、传统数据模型 三、传统模型存储空间数据的局限 四、面向对象技术 五、面向对象地理数据模型 六、空间数据库管理系统,一、数据库基础知识,1、数据库的概念 数据库可以看作是与现实世界有一定相似性的模型，是认识世界的基础，是集中、统一地存储和

47、管理某个领域信息的系统，它根据数据间的自然联系而构成，数据较少冗余，且具有较高的数据独立性，能为多种应用服务。数据库作为一个复杂的系统，由数据集、物理存储介质和数据库软件三个基本部分构成：,2、数据库的主要特征 1）数据集中控制 2）数据独立 3）数据共享 4）减少数据冗余 5）数据结构化 6）统一的数据保护功能,3、数据库的系统结构,数据库的系统结构,4、数据模型 数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间的关系和在数据上的各种操作，是数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织的形式表示，以抽象的形式描述和反映一个部门或系统的业务活动和信息流程。 选择与建立数

48、据模型的目的是用最佳的方式反映本部门的业务对象及信息流程和以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口。数据模型的三要素：数据结构、数据操作和数据的约束条件。,5、数据库管理系统(DBMS) 数据库管理系统(DBMS)是处理数据库数据存取和各种管理控制的软件。它是数据库系统的核心，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。数据库管理系统(DBMS)通常具有数据库定义、管理和维护功能。,二、传统数据模型,1、层次模型,实体E及其空间要素,层次模型,2、网状数据模型,实体E及其空间要素,网状模型,3、关系数据模型,实体E及其空间要素,关系模型,三、传统模型存储空间数据的局限,1、层次模型用于GIS

49、地理数据库的局限性 1)很难描述复杂的地理实体之间的联系，描述多对多的关系时导致物理存储上的冗余； 2)对任何对象的查询都必须从层次结构的根结点开始，低层次对象的查询效率很低，很难进行反向查询；,3)数据独立性较差，数据更新涉及许多指针，插入和删除操作比较复杂，父结点的删除意味着其下层所有子结点均被删除； 4)层次命令具有过程式性质，要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出数据的存取路径； 5)基本不具备演绎功能和操作代数基础。,2、网状模型用于GIS地理数据库的局限性 1)由于网状结构的复杂性，增加了用户查询的定位困难，要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自己所处的位置； 2)网

50、状数据操作命令具有过程式性质，存在与层次模型相同的问题； 3)不直接支持对于层次结构的表达； 4)基本不具备演绎功能和操作代数基础。,3、关系模型用于GIS地理数据库的局限性 1)无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱； 2)用关系模型描述本身具有复杂结构和涵义的地理对象时，需对地理实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理； 3)由于概念模式和存储模式的相互独立性，及实现关系之间的联系需要执行系统开销较大的联接操作，运行效率不够高。,四、面向对象数据模型,（一）基本思想和基本概念,面向对象的基本概念,四、面向对象

51、数据模型,（二）面向对象的特性,面向对象的特性,（三）面向对象数据模型的四种核心技术 1、分类：是把一组具有相同属性结构和操作方法的对象归纳或映射为一个公共类的过程。如城镇建筑可分为行政区、商业区、住宅区、文化区等若干个类。 2、概括：将相同特征和操作的类再抽象为一个更高层次、更具一般性的超类的过程。子类是超类的一个特例。一个类可能是超类的子类，也可是几个子类的超类。所以，概括可能有任意多层次。概括技术避免了说明和存储上的大量冗余。这需要一种能自动地从超类的属性和操作中获取子类对象的属性和操作的机制，即继承机制。,3、聚集：聚集是把几个不同性质类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程。 4、联

52、合：相似对象抽象组合为集合对象。其操作是成员对象的操作集合。,五、面向对象地理数据模型,1、面向对象数据模型的含义 为了有效地描述复杂的事物或现象，需要在更高层次上综合利用和管理多种数据结构和数据模型，并用面向对象的方法进行统一的抽象。这就是面向对象数据模型的含义，其具体实现就是面向对象的数据结构。,面向对象模型最适合于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，且支持对象的嵌套，信息的继承和聚集。 允许用户定义对象和对象的数据结构及它的操作。可以将空间对象根据GIS需要，定义合适的数据结构和一组操作。这种空间数据结构可以带和不带拓扑，当带拓扑时，涉及对象的嵌套、对象的连接和对象与信息聚集。,2

53、、面向对象的几何数据模型,面向对象的几何数据模型,3、面向对象的属性数据模型,面向对象的属性数据模型,4、面向对象数据库系统的基本概念及其特征 一个面向对象的数据库系统应该满足两条准则：它应该是一个数据库管理系统，而且还是一个面向对象的系统。第一条准则是说它应该具备六个特征：永久性、外存管理、数据共享（并发）、数据可靠性（事务管理和恢复）、即席查询工具和模式修改。第二条准则是说它应具备八个特征：类/类型、封装性/数据抽象、继承性、多态性/滞后联编、计算完备性、对象标识、复杂对象和可扩充性,5、面向对象数据库系统所具有的优势 1）缩小了语义差距 2）减轻了“阻抗失配”问题 3）适应非传统应用的需

54、要,六、空间数据库管理系统,1、基于文件管理的方式,基于文件管理的方式,2、文件与关系数据库混合管理系统,文件与关系数据库混合管理,3、全关系型空间数据库管理系统分层模型,全关系型和对象关系空间数据管理系统,4、对象-关系数据库管理系统,全关系型和对象关系空间数据库管理系统,第2章 GIS的空间数据结构和数据库,2.1 地理实体及其描述 2.2 矢量数据结构 2.3 栅格数据结构 2.4 矢量栅格一体化数据结构 2.5 三维数据结构 2.6 空间数据模型 2.7 空间数据库的设计、建立和维护,2.7 空间数据库的设计、建立和维护,一、空间数据库的设计: 二、空间数据库的建立和维护:,一、空间数

55、据库的设计,1、需求分析 1）调查用户需求 2）需求数据的收集和分析 3）编制用户需求说明书 2、结构设计 1）概念设计 2）逻辑设计 3）物理设计 4）数据层设计,二、空间数据库的建立和维护,1、空间数据库的建立 1）建立空间数据库结构 2）数据装入 3）调试运行 2、空间数据库的维护 1）空间数据库的重组织 2）空间数据库的重构造 3）空间数据库的完整性、安全性控制,第3章 空间数据的采集和质量控制,3.1概述 3.2 空间数据的地理参照系和控制基础 3.3 地理实体数据的编码与GIS数据库 3.4 空间数据的采集 3.5 GIS的数据质量 3.6 空间数据标准,3.1 空间数据的采集和质

56、量控制概述,一、GIS的数据源 二、空间数据采集的任务 三、研究GIS数据质量的目的和意义,一、GIS的数据源,1、地图数据 2、遥感数据 3、文本资料 4、统计资料 5、实测数据 6、多媒体数据 7、已有系统的数据,世界地图,二、空间数据采集的任务,空间数据采集的任务是将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图像、文本资料等转换成GIS可以处理与接收的数字形式，通常要经过验证、修改、编辑等处理。下图显示了GIS数据的部分来源。,GIS数据来源,三、研究GIS数据质量的目的和意义,一、什么是GIS的数据质量 GIS的数据质量是指GIS中空间数据(几何数据和属性数据)的可靠性，通常用空间数据的

57、误差来度量。 误差是指数据与真值的偏离。,二、GIS数据质量研究的目的 GIS数据质量研究的目的是建立一套空间数据的分析和处理的体系，包括误差源的确定、误差的鉴别和度量方法、误差传播的模型、控制和削弱误差的方法等，使未来的GIS在提供产品的同时，附带提供产品的质量指标，即建立GIS产品的合格证制度。,从应用的角度，可把GIS数据质量的研究分为两大问题。当GIS录入数据的误差和各种操作中引入的误差已知时，计算GIS最终生成产品的误差大小的过程称为正演问题。而根据用户对GIS产品所提出的误差限值要求，确定GIS录入数据的质量称为反演问题。显然，误差传播机制是解决正反演问题的关键。,三、研究GIS数

58、据质量的意义 研究GIS数据质量对于评定GIS的算法、减少GIS设计与开发的盲目性都具有重要意义。如果不考虑GIS的数据质量，那么当用户发现GIS的结论与实际的地理状况相差较大时，GIS会失去信誉。,3.2 空间数据的地理参照系和控制基础,一、空间数据的地理参照系 二、地图投影 三、地理信息系统的地理空间,一、空间数据的地理参照系,1、地球的形状 2、坐标系 坐标系确定地面点或空间目标位置所采用的参考系。与测量相关的主要有地理坐标系和平面坐标系。 (1)、地理坐标系 (2)、平面坐标系 3、高程系,二、地图投影,1、地图投影的实质,透视投影示意图,2、投影变形,高斯克吕格投影3带与6大分带示意

59、图,三、地理信息系统的地理空间,地理信息系统中的地理空间通常是指经过投影变换放在笛卡儿平面直角坐标系中的地球表层特征空间。它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。,x = a*cos*cosy = a*cos*sinz = c*sin,3.3 地理实体数据的编码与GIS数据库,一、地理实体的分类 二、地理实体的编码 三、GIS数据库,一、地理实体的分类,1、地理实体与地理目标的类型,(1)地理实体 地理实体地理数据库中的实体，是一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。例如城市可看成一个地理实体，并可划分成若干部分，但这些部分不叫城市，只能称为区、街道之类。 地理目标实体在地理数据库中的表示。地理目标的表示方法随比例尺、目的等情况的变化而变化，例如，对于城市这个地理实体，在小比例尺上可作为一个点目标，而在大比例尺上将作为一个面目标。地理目标在地图上是以地图符号的形式来表示的。,(2)地理实体的类型 点状实体 线状实体 面状实体 体状实体,(3)地理目标的类型 0维有位置无长度的目标，如点。 1维有长度的目标，一般由两个或多个0维目 标组成，如线。 2维有长和宽的目标，如多边形。 3维有长、宽和高的目标，如三维立体。,(4)地理实体的描述 编码用于