地理信息系统与应用

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1、 1 地理信息系统原理与应用 参考提纲 同济大学城市规划与设计现代技术实验室 2005.8 第一章 地理信息系统的产生与发展 一、 传统地图在分析、表达空间信息上的局限性 信息负荷量小(幅面限制、内容重叠限制) 量算、统计精度低 查找、分类、重新分类不方便 复杂分析难以进行 地图和地图、地图和其它信息之间建立联系不便。 更新复杂，特别是局部更新工作量大 二、 地理信息系统的发展过程 1950 年代末-60 年代末萌发于若干相互独立的领域，早期的探索领域： 1 土地资源分析和成果表达 (Teryy Coppock, CGIS，澳大利亚) 2 交通问题研究 (Duance Marble) 3 计算

2、机地图制图 (David Bickmore & Ray Boyle) 4 景观规划、设计 (MacHarg) 5 人口统计 (DIME) 6 遥感信息的利用 7 地籍管理(奥地利) 1970 年代侧重技术研究。研究空间数据的储存、检索、转换、分析、表达的技术问题， 实用系统的进展不显著。 1980 年代开始实用。计算机(工作站)成本下降，GIS 软件通用化、商品化，各种实用系 统大量涌现。 1990 年代推广、普及。软件进一步改进，二次开发简化，易学易用，便于集成，GIS 应 用已渗透到和地理空间信息处理的各个领域，并和非 GIS 应用相结合(地籍、农业、水资源、 林业、 地质、 环保、 公用

3、事业、 基础设施、 城市规划、 治安、 防灾、 商务、 社会研究、 军事、 )。 21 世纪广泛应用，大众化、专业化两个方向发展。 2 三、地理信息系统的发展动力 （一）社会需要 资源紧张、环境问题激化，环境意识增强 城市化进程快，建设规模大(发展中国家) 土地开发，工程建设难度越来越大 基础设施维护费用上升 交通方便，运输量增加，人、财、物空间流动性提高 社会、经济的空间特征变化 军事用途关系密切 一般公众使用 （二）技术可能 计算机主机：运算速度提高、容量增大、成本下降，体积缩小，管理维护简便。 计算机外设：显示器、打印机、绘图仪、扫描仪、外部存储器、多媒体输入、输出设备， 性能提高、成本

4、下降。 网络通讯：局域网轻而易举，远程网、互联网方兴未艾。 计算机软件：图形处理、图像处理、数据库、人机界面、开发工具、应用集成、多民族 语言。 数据获取：航测、遥感、卫星定位系统，野外现场数字化采集。 （三）政府推动 基础数据的公益化 美国：National Spatial Data Infrastructure 欧洲：European Data Infrastructure 人才培训与科学研究 四、什么是地理信息系统(Geographic Information System，GIS) （一）以计算机为基础的综合性应用技术 信息获取与输入、数据储存与管理、数据查询与分析、成果表达与输出。

5、GIS 所处理的数据： 空间、地图、几何数据：矢量图形、栅格图像 文字、非几何数据：表状属性、正文、其他(声音、图片、动画、) GIS 与 CAD 的区别：CAD 空间查询、分析功能弱，GIS 不适合工程设计。 3 （二） 以 GIS 技术为核心的实用信息系统 GIS 技术本身的发展需要理论探索，但是 GIS 的发展动力是为了解决应用问题，不是解 决理论问题。地理信息系统与地理信息科学有差异。 （三） GIS 的数据构成 空间事物类型 典型对象 典型属性 图形图象表达形式 1）点 学校、 环保监测站 规模、有关监测指标 点状符号 2）线 道路、电缆、水系 交通量、电压、水质 线型 3）面（多边

6、形） 地块、行政区 土地使用、人口 填充符号、边界线 4）网络 交通系统 交通量、交叉口延误 结点符号、线段线型 5）三维表面 地形、土壤 高程、土壤成分 彩色图像、立体网状图 辅助地图注记 地名、高程 制图参数 文字、辅助线、点符号 （四） 实用系统的常见类型 数据供应与共享 业务管理 公众查询 分析与决策支持 （五） 推广应用的局限性和发展障碍 数据收集、输入、更新工作量大，花费人工多 通用软件的功能有限 人才缺乏，基层人员不熟悉，高层领导不了解，技术人员不全面 软 件 硬 件 数 据 人 员 管 理 应 用 对 象 4 第二章 数据结构与数据管理 研究数据储存的目的 1便于检索、更新 2

7、节省储存空间 3适应多种应用 4易于软件开发 一、属性数据储存与管理 文件系统与数据库系统 第一种方式的特点 1. 用户必须知道文件的内部结构 2. 改进处理，往往要改进文件结构 3. 某个文件结构的变化，引起众多程序的修改 第二种方式的特点 1. 数据与应用相对独立 2. 用户数据共享 处理1 处理2 处理3 输出1 输出2 输出3 文件1 文件2 文件3 文件4 . . 处理1 处理2 处理3 输出1 输出2 输出3 数 据 库 管 理 文件1 文件2 文件3 文件4 . . 5 3. 中央化的控制 4. 使用方便 5. 软件复杂、效率低 第三种方式的特点 1. 数据保密性好 2. 软件更

8、复杂 3. 数据库管理软件要求高 ArcView 3.x 的 Tables 是第二种方式，也可以访问第三种方式的数据库 ArcInfo 除了有上述 2 种方式，还可通过 ArcCatalog 对第三种方式进行管理、维护 基于关系模型的数据库 以表为基础：行(记录)，列（属性、数据项、字段、关键字段） 查询：投影(列)，选择(行)，连接(表与表)，查询的结果仍是表 维护：行：删除、添加、改属性值 列：更名、删除、增加、改类型、改宽度 表：增加、删除、更名 ArcView ArcInfo 均有上述功能，后者在维护上更全面 关系数据库的优缺点： 容易理解、直观易懂、查询灵活 维护方便 处理1 处理2

9、 处理3 输出1 输出2 输出3 数 据 库 管 理 6 查询效率慢（连接处理计算量大，要靠索引数据） 没有计算机的数据库： 卡片柜数据库 卡片盒表 卡片记录、行 卡片栏目字段、属性（关键字查询用、连接用） 地块表 地块编号 地块面积用地性质规划容积率 申请者表 开发商名称 申请项目编号 项目表 项目 编号 所在 地块 占地 面积 建筑 面积 项目 名称 开工 日期 竣工时间 查询一：用地性质是商业的土地有哪些?地块编号、规划容积率怎样? 选择： 用地性质 =“商业” 投影： 地块编号、规划容积率 查询二：1996 年正在建设的项目分布在哪些地块，土地使用如何？ 7 选择：(开工时间0 and

10、 开工时间1997) and (竣工时间1996 or 竣工时间=“0”) 连接：项目表的所在地块 = 地块表的地块编号。 投影：地块编号、用地性质 地块表 地块编号 地块面积用地性质 规划容积率 申请者表 开发商名称 申请项目编号 项目表 项目 编号 所在 地块 占地 面积 建筑 面积 项目 名称 开工 日期 竣工时间 查询三：X X 地块已批项目的容积率如何？ 选择： 所在地块“ X X ” 连接： 项目表的所在地块 地块表的地块编号 投影： 建筑面积、占地面积、规划容积率 计算： 项目建筑面积之和项目占地面积之和 8 查询四：X X X 发展商要开发的土地其规划用地性质是什么？ 选择：

11、开发商名称“X X X” 连接： 申报表的申请项目编号项目表的项目编号 连接： 项目表的所在地块 地块表的地块编号 投影： 用地性质 9 1 1 1 1 1 1 1 1 11111 1 2 2 2 2 2 2 2 4 4 4 44 444 33 3 3 33 3 3 33 3 33 Value Count 1 2 3 4 14 7 13 8 二、空间数据模型 栅格型空间数据模型 栅格数据结构的特点： 、用单元填满空间 、数据结构简单，存储方便 、有限的多重属性（栅格取值应整数） 、分辨率的提高和数据量之间呈平方指数关系 5、为了减少数据量，产生了多种压缩存储量的数据结构 6、对大数据量栅格，金

12、字塔索引可以平衡分辨率和显示、查询速度之间的矛盾 ArcView ArcInfo 具有通用的图象显示功能、Grid 数据分析功能 1 11 111 1 1 111 11 1 111111 1 1 1 111 1 1 1 3 3 33 3 33 3 33 33 33 33 33 33 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 222 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 22 22 222 22 2 222 22 2 222 22 2 222 22 2 222 22 2 222 22 2 2 2222 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2222 2 2 2 2 2 222 2 22

13、222 22 222 22 222 22 22 22 22 2 22 22 2 22 2 22 2 2 2 2 22 2 22 2 222 2 2 2 10 矢量型空间数据模型（点、线、面是简单矢量，网络是复杂矢量） 矢量型多边形一般采用环状数据结构，公共边界需重复输入 传统线结点式拓扑结构的四原则： 方向性（线必定从起结点开始到终结点结束） 连接性（线和线的连接处必定是结点） 围合性（面必定是由线围合而成） 相邻性（线必定有左多边形、右多边形） Shape 文件为非拓扑的点、线、面，Coverage 显性的符合上述原则的拓扑结构 Geodatabase 具有隐含的、随时的、多种拓扑关系 30

14、1 学校编号名称班级性质 301 405 279 125 城中小学 上群中学 中心小学 实验中学 24 14 22 28 普通小学 初中 重点小学 高中 405 279 125 101 203 187 77 78 59 87 46 32 45 192 193 201 79 . . . 路段编号类型路面材料宽度 101 203 187 . 主干道 次干道 支路 沥青 水泥 沥青 40 24 16 . 地块编号土地使用建筑密度容积率 77 79 87 46 . 住宅 商业 办公 工业 . 0.4 0.8 0.7 0.3 . 1.5 2.1 3.0 0.8 . 11 C a3a1 a2 a4 a5

15、a6 a7 N1 N2 N3 N4 N5 N6 A B D E 结点 N1 N2 N3 N4 N5 N6 线 a1,a3,a4 a1,a2,a5 a2,a3,a5 a4 a6 a7 多边形线 A B C D E a1,a2,a3 a2,a5,0,a6,0,a7 a7 a6 范围之外 线坐标值表（略） 线 起结点 终结点 左多边形 右多边形 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 N1 N2 N3 N4 N3 N5 N6 N2 N3 N1 N1 N2 N5 N6 E E E A A B B A B A A B B C 多边形编码表线编码表 结点编码表 空间对象相互关系 自身 邻接 相交 相离 包含 重合 点-点 点-线 点-面 线-线 线-面 面-面 12 网络（以道路系统为例） 拓扑数据结构的优缺点 1图形的修改方便，可由软件检查数据输入的错误，容易保证数据质量 2便于叠合分析、