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1、地理信息系统概论,给力哦！,考试不挂科,鄂州大学建筑工程学院建筑工程技术教研室 霍 瑛,第一章 导 论,第一节 地理信息系统基本概念 第二节 地理信息系统的基本构成 第三节 地理信息系统的功能简介 第四节 地理信息系统的发展透视,第一节 地理信息系统基本概念,数据与信息 两者在词义上的差别：数据是信息的表达，信息则是数据的内容； 数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息； 信息是当代社会发展的一项重要任务。,地理信息 地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称； 地理信息属于空间信息，它具有空间定位特
2、征、多维结构特征和动态变化特征。,第一节 地理信息系统基本概念,地理信息系统(简称GIS) GIS是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科，它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列基本问题，如空间对象表达与建模、空间关系及推理机制、空间信息的控制基准、空间信息的认知与分析、GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化、空间信息的政策与标准等； GIS的操作对象是空间数据,空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码，并实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等；,GI
3、S是管理和分析空间数据的应用工程技术，该工程技术系统由六个子系统组成； GIS为地理学解决复杂的规划与管理问题提供了有效的手段，而地理学则为GIS提供了重要的基础理论依托； GIS的科学定义： 地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以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。,第二节 GIS的基本构成,系统硬件 由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。 系统软件 由系统管理软件、数据库软件和基础GIS软件组成，用于执行G
4、IS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。 空间数据库 由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。 应用模型 由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。,用户界面 由菜单式、命令式或表格式的图形用户界面所组成，是用以实现人机对话的工具。 GIS基本构成的结构图,第三节 GIS的功能简介,基本功能 数据采集与编辑； 数据存储与管理； 数据处理和变换； 空间分析和统计； 产品制作与显示； 二次开发和编程。,应用功能 资源管理； 区域规划； 国土监测； 辅助决策； 定位服务。,第三节 GIS的功能简
5、介,第四节 GIS的发展透视,发展概况 发展简史； 发展态势： GIS已成为一门综合性技术； GIS产业化的发展势头强劲； GIS网络化已构成当今社会的热点； 地理信息科学( geoinformatics )的产生和发展。 基础理论 地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科，因此它明显的体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系；,各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究，如美国国家自然科学基金委员会（NSF）支持成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA）等，研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机理和地理信息
6、不确定性等； 李德仁院士在空间信息系统的集成与实现一书中，扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题： 地球空间信息学的基准； 地球空间信息标准； 地球空间信息的时空变化理论； 地球空间信息的认知； 地球空间信息的不确定性； 地球空间信息的解译与反馈； 地球空间信息的表达与可视化。,第二章 地理信息系统的 数 据 结 构,第一节 地理空间及其表达 第二节 地理空间数据及其特征 第三节 空间数据结构的类型 第四节 空间数据结构的建立,第一节 地理空间及其表达,地理空间的概念 GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象； 地理空间定位框
7、架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成； GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一； 目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。,空间实体的表达 在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的； 对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格表示法（栅格数据模型）,如下图。,流,路,GIS的空间数据 空间数据可以按照数据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型； 空间、属性和时间特征空间对象的三大基本特征：,第二节 地理空
8、间数据及其特征,空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；,属性特征是指空间对象的专题属性；,时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。,第二节 地理空间数据及其特征,空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。,第二节 地理空间数据及其特征,空间数据的计算机表示 指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。,第二节 地理空间数据及其特征,第三节 空间数据结构的类型,矢量数据结构 矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表
9、示地理实体空间分布的一种数据组织方式； 矢量数据结构分为简单数据结构（也称面条数据结构）、拓扑数据结构和曲面数据结构； 拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。,第三节 空间数据结构的类型,拓扑数据举例,第三节 空间数据结构的类型,栅格数据结构 栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式； 栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。,第三节 空间数据结构的类型,第三节 空间数据结构的类型,矢量结构,栅格结构,矢量与栅格数据结构 矢
10、量与栅格一体化的基本概念； 矢量与栅格一体化数据结构的设计。 矢量与栅格数据结构的比较,第四节 空间数据结构的建立,系统功能与数据间的关系 现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系(见下表)，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能； 对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。 空间数据的分类和编码,空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层(见下图)；,系统功能与数据间的关系 (据Jack Dangermond
11、等),信息层示意图,空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示： 大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别位 大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。,国土基础信息数据分类与代码举例,矢量数据的输入与编辑 矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去； 空间数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的各类
12、错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。 栅格数据的输入与编辑 栅格数据的输入方法包括透明格网采集输入、扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；,栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误，根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压缩和数据组织方式的变换等,如下图。,空间数据的不同组织方式,第三章 空间数据的处理,第一节 空间数据的坐标变换 第二节 空间数据结构的转换 第三节 多源空间数据的融合 第四节 空间数据的压缩与综合 第五节 空间数据的内插方法 第六节 图幅数据边沿匹配处理,第一节 空间数据的坐标转换,几何纠正 几何纠正是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和
13、图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系； 几何纠正的方法包括仿射变换、相似变换、二次变换和高次变换等。,第一节 空间数据的坐标转换,仿射变换举例,投影转换 投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据； 投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等。,第一节 空间数据的坐标转换,第一节 空间数据的坐标转换,地图投影转换,等面积伪圆锥投影,第一节 空间数据的坐标转换,斜轴等面积方位投影,第二节 空间数据结构的转换,由矢量向栅格的转换 当数据采集采用矢量数据，而空间分析采用栅格数据时，需要将矢量数据转换为栅格数据； 由矢量数据向栅格
14、数据的转换方法，根据原数据文件的不同，可以分别应用： 基于弧段数据的栅格化方法； 基于多边形数据的栅格化方法。,由栅格向矢量的转换 当由栅格数据分析的结果通过矢量绘图机输出，或者将栅格数据加入矢量数据库时，都需要将栅格数据转换为矢量数据； 由栅格数据向矢量数据的转换，根据图像数据文件和再生栅格数据文件的不同，可以分别采用： 基于图像数据的矢量化方法； 基于再生栅格数据的矢量化方法。,栅格矢量化举例（栅格数据）,栅格矢量化得到的弧段数据,弧段数据自动生成多边形,第三节 多源空间数据的融合,遥感与GIS数据的融合 遥感图像与数字地图数据的融合； 遥感图像与DEM数据的融合； 遥感图像与地图扫描数据
15、的融合。 不同格式数据的融合 基于转换器的数据融合； 基于数据标准的数据融合； 基于公共接口的数据融合； 基于直接访问的数据融合。,第四节 空间数据的压缩与综合,空间数据的压缩 空间数据的压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的程度范围内最好地逼近原集合，而且具有最大的压缩比a 式中：m为曲线的原点数；n为曲线经压缩后的点数。 曲线上点的压缩方法： 道格拉斯-普克法(Douglas-Peucker)； Li-openshaw的自然综合法则法； 垂距法 。,面域栅格数据的压缩方法： 游程编码法； 四叉树编码压缩法。 空间数据的综合 空间数据的综合是针对存
16、贮在GIS数据库中的数据因属性数据的重新分类而进行的操作； 空间数据的综合内容包括相同属性的删除和相同属性公共边界线的删除等。,第五节 空间数据的内插方法,点的内插 点的内插是研究具有连续变化特征现象（如地形、气温、气压等）的数值内插方法； 点的内插方法可以采用： 移动拟合法； 局部函数法； 克里格（Kriging）内插法。 区域的内插 区域的内插是研究根据一组分区的已知数据来推求同一地区另一组分区未知数据的内插方法； 区域的内插方法可以采用： 叠置法； 比重法。,克里格（Kriging）内插法举例,高程数据,设置参数,插值结果,三维显示,第六节 图幅数据边沿匹配处理,图幅数据边沿匹配的概念 图幅数据边沿匹配的任务 识别和检索相邻图幅的数据； 相邻图幅边界点坐标数据的匹配； 相同属性多边形公共界线的删除； 连续图幅数据文件的建立。,第四章 GIS空间数据库,第一节 空间数据库概述 第二节 空间数据
