地理信息系统概论（修订版）

第一章 导论

第一章 导论

§1 地理信息系统基本概念

1．1数据与信息

数据（data）是信息(information)的表达，而信息是数据的内容。数据是未经加工的原始材料，地理信息系统的设计和建立，首先是收集数据和处理数据。

数据是通过数字化或记录下来可以可以被鉴别的符号，不仅数字是数据，而且文字、符号、图象也是数据，数据本身没有意义；信息是对数据的解释、运用与解算，数据即使是经过处理以后的数据，只有经过解释才有意义，才成为信息。

就本质而言数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，只有数据对实体行为产生影响时才成为信息。

信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。

信息的特点：客观性、适用性、传输性、共享性。

1．2地理信息与地理信息系统

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、图象和图形的总称。地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的一个最显著的标志。

地理信息系统（Geographical Information System）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。（美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）关于GIS的定义）

§2 GIS的基本组成

GIS一般包括以下5个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。

2．1系统硬件

1、GIS主机：包括大型、中型、小型机，工作站/服务器和微型计算机，其中各种类型的工作站/服务器成为GIS的主流。

2、GIS外部设备：包括各种输入（如图形数字化仪、图形扫描仪、解析和数字摄影测量设备等）和输出设备（如各种绘图仪、图形显示终端和打印机）。

3、GIS网络设备：包括布线系统、网桥、路由器和交换机等。

2．2系统软件：按功能分为GIS专业软件、数据库软件和系统管理软件。

2．3空间数据

2．4应用人员：包括系统开发人员和GIS技术的最终用户。

2．5应用模型

§3 GIS的功能简介

基本功能是数据的采集、管理、处理、分析和输出。

3．1基本功能：包括数据采集与编辑、数据存储与管理、数据处理与变换、空间分析和统计、产品制作与显示、二次开发和编程

3．2应用功能：包括资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策

§4 GIS的发展透视

4．1发展概况

当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展方向迈进，呈现以下主要发展态势：

1、 GIS已成为一门综合性技术

2、 GIS产业化的发展势头强劲

3、 GIS网络化已构成当今社会的热点

4、 地理信息科学的产生和发展

4．2基础理论

第二章 地理信息系统的数据结构

§1 地理空间及其表达

1．1地理空间（geo-spatial）的概念

地理空间一般包括地理空间定位框架及其联结的特征实体。地理空间定位框架即大地测量控制，有平面控制网和高程控制网组成。

目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，该坐标系选用1975年国际大地测量协会推荐的国际椭球，其具体参数为：赤道半径（a）=6378140.0000000000m，极半径（b）=6356755.2881575287m，地球扁率（f）=(a-b)/a=1/298.257。1980年中国国家大地坐标系的大地原点，设在我过中部的陕西省泾阳县永乐镇，简称西安原点。

高程指空间参考的高于或低于某基准平面的垂直位置，主要用来提供地形信息。我国现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准，该基准比原国务院批准启用的黄海平均海平面高29mm。

1．2空间实体的表达

如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素时，称为矢量表示法；如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，称为删格表示法。

§2 地理空间数据及其特征

2．1GIS的空间数据

空间数据根据表示对象的不同分为：类型数据；面域数据；网络数据；样本数据；曲面数据；文本数据；符号数据。

2．2空间数据的基本特征

一般地，空间特征数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据，属性特征数据包括地理实体或现象的专题属性（名称、分类、数量等）数据和时间数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据或地理数据。

空间数据的拓扑关系包括：拓扑邻接；拓扑关联；拓扑包含。

2．3空间数据的计算机表示

§3 空间数据结构的类型

3．1矢量数据结构

基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。

矢量数据结构上利用欧几里得（Euclid）几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。

矢量数据结构分为以下几种主要类型：

1、 简单数据结构

特点：数据按点、线或多边形为单元组织，数据排版直观，数字化操作简单；每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致；点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联；岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。

2、 拓扑数据结构：包括DIME(对偶独立地图编码法)、POLYVRT（多边形转换器）、TIGER（地理编码和参照系统的拓扑集成）。

特点：点是相互独立的，点连成线，线构成面。

3、 曲面数据结构

3．2删格数据结构

基于删格模型的数据结构简称为删格数据结构，指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。

删格数据结构与矢量数据结构相比较，用删格数据结构表达地理要素比较直观，容易实现多元数据的叠合操作，便于与遥感图象及扫描输入数据相匹配建库和使用等。

删格数据结构的类型：

1、 删格矩阵结构：是一种全删格阵列的空间数据组织形式。

2、 游程编码结构：（游程指相邻同值网格的数量）是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩删格数据量，消除数据间的冗余。

3、 四叉树数据结构：将空间区域按照四个象限进行递归分割（2n*2n，且n>=1），知道子象限的数值单调为止。凡值（特征码或类型值）呈单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。

4、 八叉树和十六叉树结构

3．3适量与删格一体化数据结构

1、适量与删格一体化的基本概念

2、适量与删格一体化数据结构设计：点状目标和结点只有位置，没有形状和面积；线状目标只要将其通过的删格地址全部记录下来即可；面状目标应包含边界和边界所保卫的整个区域。

3．4矢量与删格数据结构的比较

§3 空间数据结构的建立

空间数据结构的建立是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应的GIS空间数据，为空间数据库的建立提供物质基础。

4．1系统功能与数据间的关系

4．2空间数据的分类和编码

1、空间数据的分类：首先根据图形原则，将空间数据分为点、线、面三种类型；其次是对象原则。

2、空间数据的编码：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。

3、矢量数据的输入与编辑：输入过程实际上是产生和矢量数据结构相适应GIS空间数据的过程。编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的错误，以及将数字化数据重新组织以便得到便于进一步处理和使用的格式。

4、删格数据的输入与编辑

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第三章 空间数据的处理

数据处理涉及的内容很广泛，主要取决与原始数据的特点和用户的具体要求，一般包括数据变换、数据重构、数据提取等内容。

数据变换指数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，包括几何纠正、投影转换和辐射纠正等，以解决空间数据的几何配准。

数据重构指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换、格式变换、类型替换等，以解决空间数据在结构、格式和类型上的统一，实现多源和异构数据的联接与融合。

数据提取指对数据进行某种有条件的提取，包括类型提取、窗口提取、空间内插等，以解决不同用户对数据的特定需求。

§1 空间数据的坐标变换

空间数据坐标变换的实质是建立两个平面点之间的一一对应关系，包括集合纠正和投影转换，它是空间数据处理的基本内容之一。

1．1几何纠正

几何纠正是为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的改正。现有的商业GIS软件一般都具有仿射变换、相似变换、二次变换等几何纠正功能。

仿射变换是GIS数据处理中使用最多的一种几何纠正方法，其主要特性为：同时考虑到x和y方向上的变形，因此纠正后的坐标数据在不同方向上的长度比将发生变化。

1．2投影转换

当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。投影转换的方法可采用：正解变换、反解变换、数值变换。

§2 空间数据结构的转换

矢量数据结构和删格数据结构应用原则：数据采集采用矢量数据结构，有利于保证空间实体的几何精度和拓扑特性的描述；而空间分析则主要采用删格数据结构，有利于加快系统数据的运行速度和分析应用的进程。

2．1由矢量向删格的转换

由矢量向删格的转换的根本任务是通过一个有限的工作存储区，使得矢量和删格数据之间不可避免的读写操作，限制在最短的时间范围内。根据转换处理时，基于弧段数据文件和多边形数据文件的不同，分别采用不同的算法。

1、基于弧段数据的删格化方法：其算法可分解为数据管理和转换计算两步。

2、基于多边形数据的删格化方法

2．2由删格向矢量的转换

由删格向矢量的转换的目的，是为了将删格数据分析的结果，通过矢量绘图装置输出，或者为了数据压缩的需要，将大量的面状删格数据转换为由少量数据表示的多边形边界，但是主要目的是为了能将自动扫描仪获取的删格数据加入矢量形式的数据库。转换处理时，基于图象数据文件和再生删格数据文件的不同分别采用不同的算法。

1、 基于图象数据的矢量化方法：二值化；细化；跟踪

2、 基于再生删格数据的矢量化方法

§3 多源空间数据的融合

3．1遥感与GIS数据的融合

常用方法具体表现为：遥感图象与图形的融合；遥感数据与DEM的融合；遥感图象与地图扫描图象的融合

3．2不同格式数据的融合

主要有以下几种方法：基于转换器的数据融合；基于标准的数据融合；基于公共接口的数据融合；基于直接访问的数据融合

§4 空间数据的压缩与综合

4．1空间数据的压缩

1、数据压缩的意义

所谓数据压缩，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，在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。

2、 曲线上点的压缩

3、 面域删格数据的压缩

4．3空间数据的综合

§5 空间数据的内插方法

通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法就称为空间数据的内插。

5．1点的内插

点的内插是研究具有连续变化特征现象（例如地面高程等）的数值内插方法。根据内插精度不同分为精确和概略的两类。一般需要经过数据取样、数据处理和数据记录三个过程。

1、数据取样：数据点的选取和坐标的确定

2、数据处理：以数据点作为控制基础，用某一数学模型来模拟地表面，进行内插加密计算，确定三角网或格网节点处的特征值。

3、数据记录：将建立的节点特征值记录于存储器内，以供分析应用。

5．2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。

1、叠置法

2、比重法：根据平滑密度函数的原理，将源区的统计数据从同质性改变为非同质性，而非同质性代表着一般社会经济现象的普遍特点。

§6 图幅数据边沿匹配处理

6．1识别和检索相邻图幅的数据

6．2相邻图幅边界点坐标数据的匹配

6．3相同属性多边形公共界线的删除

第四章 地理信息系统空间数据库

§1 空间数据库概述

1．1空间数据库的概念

完整的空间数据库系统包括空间数据库、空间数据库管理系统和空间数据库应用系统等三个部分组成。

1．2空间数据库的设计

空间数据库的设计问题，其实质是将地理空间客体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是地理信息系统中空间客体数据的模型化问题。

1、空间数据库设计过程

2、空间数据库的数据模型设计

3、空间数据库设计的原则、步骤和技术方法

1．3空间数据库的实现和维护

1、空间数据库的实现：根据空间数据库逻辑设计和物理设计的结果，在计算机上创建实际的空间数据库结构，装入空间数据，并测试和运行。

2、相关的其他设计：包括加强空间数据库的安全性、完整性控制，以及保证一致性、可恢复性等。

3、空间数据库的运行与维护

§2 空间数据库概念模型设计——传统的数据模型

传统的数据模型主要指层次、网状和关系三种模型。

2．1层次数据模型：描述了各类客体及客体类之间的联系。

1、层次数据结构

2、层次数据结构的数据存取：树遍历法；通用选择法

2．2网状数据模型：以系结构为基础

1、网状数据结构

2、网状数据模型的实现

3、网状数据模型数据库的记录存取

2．3关系数据模型

1、关系数据模型的基本概念：关系；关键字；关系模式；关系数据库；关系完整性

2、空间数据库关系数据模型的概念设计和逻辑设计

2．4三种传统数据模型的比较

传统数据库的不足之处：以记录为基础的结构不能很好地面向用户和应用；不能以自然的方式表示客体之间的联系；语义贫乏；数据类型太少难以满足应用需要。

§3 空间数据库概念模型设计——语义模型和面向对象数据模型

3．1语义数据模型

语义数据模型的模型结构是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述客体的基本语义特性，在根据语义模型结构规则把这些抽象有机地组织起来。

最常用的语义模型之一是实体联系模型（entity-relationship model,E-R模型）。

E-R模型具有一些明显的优点，即接近人的思想，易于理解，同时又与计算机具体的实现无关，是一种很好的数据库概念设计的方法。

3．2面向对象数据模型。

1、面向对象数据模型的基本概念：对象；消息；类

2、继承及类之间的层次关系

3、功能重载和多态性

4、概括和聚集

5、空间数据库对象模型

§4 空间数据库逻辑模型设计和物理设计

逻辑设计的目的是从概念模型导出特定的数据库管理系统可以处理的数据库的逻辑结构（数据库的模式和外模式），这些模式在功能、性能、完整性和一致性约束及数据库可扩充性等方面均应满足用户提出的要求。

4．1空间数据库逻辑设计的步骤和内容：初始模式形成；子模式设计；模式评价；优化模式

4．2E-R模型向关系模型的转换

4．3关系数据库的逻辑设计：导出初始关系模式；规范化处理；模式评价；优化模式；形成数据库的逻辑设计说明书：存储记录的格式设计；存储方法设计；访问方法设计；完整性和安全性考虑；应用设计；形成物理设计说明书

4．4空间数据库的物理设计

§5 GIS空间时态数据库

5．1空间时态数据库概述

时空数据库系统或数据处理技术，其内容表现为以下三个主要方面：空间时态数据的表达；空间时态数据的更新；空间时态数据的查询。

5．2时空一体化数据模型

1、时间片快照（time-slice snapshots）模型：用一系列状态对应的地理数据来反映地理想象的时空演化过程。

2、底图叠加(base map with overly)模型：类似于地理底图的修订方式。

3、时空合成(space-time composites)模型：在底图叠加模型的基础上提出的，其设计思想是将每一次独立的叠加操作转换为一次性的合成叠加。

4、全信息对象模型：运用面向对象的设计方法，将地理现象和过程的空间与属性信息随时间的变化封装成由时态版本组成的对象。

第五章 空间分析的原理与方法

空间分析是地理信息系统科学内容的重要组成部分，也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一。

空间分析的根本目的，在于通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息。

空间分析的定义：是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。

§1 数字地面模型分析

数字地面模型（Digital Terrain Model，简称DTM）是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。

1．1地形因子的自动提取

1、坡度计算

2、坡向分析

3、曲面面积计算

4、地表粗糙度计算

5、高程及变异分析

6、谷脊特征分析

7、日照强度分析

8、淹没边界的计算

1．2地表形态的自动分类

1．3地学剖面的绘制和分析

§2 空间叠合分析

2．1空间叠合分析的概念

空间叠合分析（spatial overlay analysis）是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。

1、点与多边形叠合（point-in-polygon overlay）：实质是点与面之间的包含分析

2、线与多边形叠合(line-in-polygon overlay)

3、多边形与多边形叠合(polygon-on-polygon overlay)

2．2基于矢量数据的叠合分析

2．3基于删格数据的叠合分析

1、点变换方法

2、区域变换方法

3、邻域变换方法

§3 空间缓冲区分析

3．1空间缓冲区分析的模型

空间缓冲区分析（spatial buffer analysis）是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响读，以便为某项分析或决策提供依据。

3．2空间缓冲区分析的方法

§4 空间网络分析（spatial network analysis）

4．1网络图论的基本概念

4．2空间网络的类型和构成

类型：平面网络（道路型、树型、环网型和细胞型）和非平面网络（交错型）

4．3空间网络分析方法

1、路径分析(path analysis)

2、定位—配置分析（location-allocation analysis）

§5 空间统计分析

空间统计分析主要用于数据分类，而数据分类方法是任何地理信息系统重要的组成部分。

5．1变量筛选分析

常用方法：主成分分析法、主因子分析法和关键变量分析法

5．2变量聚类分析

§6 空间数据的集合分析和查询

6．1空间集合分析

空间集合分析是按照两个逻辑子集给定的条件进行逻辑运算，其基本原理是布尔代数，他的运算符号或算子包括AND、OR、XOR、NOT及其组合等，逻辑运算的结果为真或假。

6．2空间数据的查询

空间数据查询定义为从数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。

查询方法：基于关系查询语言扩充的空间查询方法、可视化空间查询方法、基于自然语言的查询方法、超文本查询方法。

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