地理信息系统原理与方法

第一章    数据与信息

信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义

，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。

信息的特点：客观性（信息与客观事实紧密相关）实用性 (经过信息系统处理可以变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息)、传输性（可以在发送者和接收者之间传播）、 共享性（可为多个用户共享而本身无损失）。

数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以

及它们能够转换成的数据等形式。

数据的特点： 格式依赖计算机系统，可以转换形式，是用以载荷信息的物理符号，本身并无意义。 数据与信息的关系： 信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。 数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。 信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。 数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。

信息系统:

信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组

织的决策过程提供有用信息。

信息系统的类型：

事务处理系统（支持操作层人员的日常活动，处理日常事务）；

管理信息系统（为战术层管理者提供信息，包含事务处理系统）；

决策支持系统（交互式信息系统，能支持管理者制定决策）;

人工智能和专家系统（能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统）。

地理信息系统

地理信息系统是一种决策支持系统。它的定义由两方面组成，一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

地理信息系统的特点：

第一， 具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；

第二， 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，完成人类难以完成的任务；

第三， 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

地理信息系统的特殊性：其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置（位置信息）以及与该位置有关的地物属性特征（非位置信息）成为信息检索的重要部分。

地理信息系统的构成：

计算机硬件系统（计算机系统中的实际物理装置的总称）、

计算机软件系统（必须的各种程序，包括系统软件、地理信息系统软件和应用分析程序）；

系统开发、管理和使用人员和空间数据（指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据）。地理信息系统功能概述：数据采集、监测与编辑（手扶跟踪数字化）；数据处理（矢栅转换、制图综合）；数据存储与组织（矢量栅格模型）；空间查询与分析（空间检索、空间拓扑叠加分析、空间模型分析）；图形交互与显示（各种成果表现方式）。

 

第二章 从现实世界到比特世界

从现实世界到比特世界

现实世界、概念世界、地理空间世界、维度世界、项目世界、比特世界。

 

第三章 空间数据模型

三个基本模型

空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念。

空间数据模型的类型：基于对象（要素）的模型；网络模型；场模型。

要素模型：

点对象，由特定位置、维数为零的物体；线对象，维度为一的空间组成部分；多边形对象，即面状实体，通常用封闭曲线加内点来表示。矢量模型即是基于要素的，将现象看成原型实体的集合，矢量模型的表达源于空间实体的本身，通常以坐标来定义。

网络模型：地物被抽象为链、节点等对象，同时要注意其连通关系。

场模型：用于模拟一定空间内连续分布的现象，常用栅格数据模型描述。栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，以规则或不规则的铺盖覆盖整个空间。

三种模型的对比：

基于对象的模型强调了离散对象，网络模型表示了特殊对象之间的交互，场模型表示了二维或三维空间中连续变化的数据。

要素模型和场模型的不同在于一个是先选择要素，再回答"它在哪里"的问题；场模型实现选择一个位置，在回答"哪里怎么样"的问题，最后都得到数据。网络模型的基本特征是：节点数据之间没有明确的从属关系，一个节点可以与其他多个节点建立联系，将数据组织成有向图结构，它反映了现实世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构。

空间关系分析

三种基本类型：拓扑关系（确定拓扑属性）、方向关系（地物对象之间的方位）、度量关系。度量关系分析包括空间指标量算（几何、自然、人文）、地理空间的距离量算（4种距离）。

 

第四章 空间参照系统和地图投影(不考)

第五章 GIS中的数据

空间数据的类型

三种类型： 空间特征数据（定位数据）是指空间实体的位置、拓扑关系和几何特征；

时间属性数据（尺度数据）是指地理实体的时间变化或数据采集的时间；

专题属性数据（非定位数据）是指地理实体所具有的各种性质。

测量尺度

四个层次： 命名量 命名量是定性而非定量，不能进行任何算术运算；

次序量 次序量只按顺序排列，可以比较比例量大小，也不能运算；

间隔量 间隔量按相等间隔表示相对位置，但无真实零值，可以进行运算；

比例量 比例量间隔相等，而且有真实零值，测量尺度与单位无关。

数据质量

概念： 准确性，即一个记录值与它的真实值之间的接近程度；

精度，即对现象描述的详细程度；

空间分辨率，即两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；

比例尺，即地图上一个记录的距离和它所表现的真实距离之间的一个比例；

误差，即一个所记录的测量和它的事实之间的差异；

不确定性，包括空间位置的不确定性、属性不确定性和数据不完整性等。

元数据

元数据是关于数据的描述性数据信息，说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。其目的是促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程服务。

元数据的内容：对数据集的描述，对数据质量的描述，对数据处理信息的说明，对数据转换方法的描述，对数据库的更新、集成等的说明。

元数据的作用和意义：

帮助数据生产单位有效的维护和管理数据；

提供有关数据生产单位的各种有关信息供用户查询；

帮助用户了解数据；

提供有关信息，以便用户处理和转换有用数据。

采用元数据可以便于数据共享。

 

第六章 空间数据获取与处理

地图数字化

手扶跟踪数字化是目前最为广泛使用的将已有地图数字化的手段，利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标，通常采用两种方式，即点方式和流方式，流方式又分距离流方式和时间流方式。

曲线离散化算法

曲线离散化即在数字化过程中对原有曲线进行采样简化，在曲线上取有限个点将其变为折线，并能在一定程度上保持原有形状。

算法： 1.在首尾两点之间连接一条直线段，称为曲线的弦；

2.得到曲线上离该直线段距离最大的点，并计算其与弦的距离；

3.比较该距离与给定阈值的大小，若小于阈值则将弦作为曲线的近似；若大于阈值则用最远点将曲线分为两段，分别进行上述处理；当所有的曲线都处理完毕后依次连接各个分割点形成折线，即可作为曲线的近似。

图像细化

线细化就是不断去除曲线上不影响连通性的轮廓像素的过程。

一般要求：保证细化后曲线的连通性；细化结果是原曲线的中心线；保留细线端点。

坐标变换

包括：基本坐标变换：平移（将图形的一部分或全部移动到迪卡尔坐标系中另外的位置）、缩放（用于输出大小不同的图形）、旋转（投影变换中常用）；仿射变换（综合考虑图形的平移、旋转和缩放的变换）。

拓扑生成 拓扑关系需定义的内容：区域、邻接性和连通性。

数字化后地图错误的表现形式：伪节点、悬挂节点、碎屑多边形和不正规多边形。

建立拓扑关系：多边形拓扑关系的建立需要描述多边形的组成弧段，弧段两侧的多边形、两段的节点，节点相连的弧段。网络拓扑关系的建立，需要确定线实体之间的连通关系。

 

第七章 空间数据管理

栅格数据结构

栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。

栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。

栅格数据的编码方法：直接栅格编码，就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码；压缩编码，包括

链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据；

游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现；

块码是有成长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域为记录单元；

四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率。

矢量数据结构

矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。

矢量结构的显著特点：定位明显，属性隐含。

矢量数据的编码方法：

对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息；

对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法。坐标序列法是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息；树状索引编码法是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐标对，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构，消除了相邻多边形边界数据冗余问题；拓扑结构编码法是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。

矢量栅格数据的比较

矢量数据的优缺点：

优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高；

缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。

栅格数据的优缺点：

优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强；

缺点为数据量大，投影转换比较复杂。

两者比较：

栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂；

栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。对于地理信息系统软件来说，两者共存，各自发挥优势是十分有效的。

矢量栅格相互转换算法

矢量转栅格：内部点扩散法，即由多边形内部种子点向周围邻点扩散，直至到达各边界

为止；复数积分算法，即由待判别点对多边形的封闭边界计算复数积分，来判断两者关

系；射线算法和扫描算法，即由图外某点向待判点引射线，通过射线与多边形边界交点

数来判断内外关系；边界代数算法，是一种基于积分思想的矢量转栅格算法，适合于记

录拓扑关系的多边形矢量数据转换，方法是由多边形边界上某点开始，顺时针搜索边界

线，上行时边界左侧具有相同行坐标的栅格减去某值，下行时边界左侧所有栅格点加上

该值，边界搜索完毕之后即完成多边形的转换。

栅格转矢量：即是提取具有相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓

关系，并表示成矢量格式边界线的过程。步骤包括：多边形边界提取，即使用高通滤波

将栅格图像二值化；边界线追踪，即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索；拓扑关

系生成和去处多余点及曲线圆滑。

 

第八章 空间分析

空间量算

包括几何量算（对点线面地物有不同含义）、形状量算（空间一致性、多边形边界特征

描述）、质心量算和距离量算。

缓冲区 地理空间目标的一种影响范围或服务范围。 是解决临近度问题的空间分析工具之一。

缓冲区解决的基本问题是双线问题：角分线法、凸角圆弧法。例子：交通沿线和河流沿线的地物特征，公共设施的服务半径，水库建设引起的搬迁，铁路公路以及河道对所经区域经济发展的重要性。

叠加分析： 将地理景观分层提取，每个主题层（数据层面）既可以用矢量结构的数据表达，也可以用栅格结构的数据表达。地理信息系统的叠加分析是将有关主题层组成的数据层面进行叠加，产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层面要素所具有的属性 。它不仅包括空间关系的比较，也包含属性关系的比较。提取空间隐含信息的手段之一

可以分为以下几类（应用）：

视觉信息叠加（遥感影象与专题地图的叠加）点与多边形的叠加（多边形对点的包含关

系，进行属性查询），线与多边形叠加（比较线上坐标与多边形的关系，计算河流和路

网密度），多边形叠加（土地利用分析），栅格图层叠加（用于空间模拟如：土壤侵蚀

强度模拟）。

空间插值

将离散点的测量数据转化为连续的数据曲面，以便于其他空间现象的分布模式进行比较 .包括空间内插和外推两种算法

用处：不同分辨率和方向的影象之间的转换、改变数据模型、现有数据的不能完全覆盖

所要求的区域范围。

数据源：航片和卫星影象、扫描影象、野外测量采样数据、数字化地图。

空间插值方法

整体（边界内插、趋势面分析），局部插值（泰森多边形方法、距离倒数插值法、样条

函数插值法、克里金插值法）

第九章 数字地形模型和地形分析

DEM 数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特 征的数字描述。当地形属性为高程时就是数字高程模型（DEM）。

应用： 线路选线设计、工程的面积体积坡度计算、通视判断和断面图绘制。绘制等高线、立体 透视图，是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析规划、军事导航和制导。

表示方法：格网DEM：DEM最广泛使用的模式，以数据矩阵形式提供，应用方便，但不能准确地表示 地形的结构和细部，且数据量过大，通常要进行压缩存储；

TIN：根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络，数字高程有连续的三角面 组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的位置和密度，能够避免地形平坦 时的数据冗余，又能按地形特征点表示数字高程特征；

等高线模型：一系列等高线集合和它们的高程值一起构成等高线模型，一般需要用插值

方法确定等高线以外的其他点的高程。缺点：计算坡度的效率不高。优点：数据量比较

小。

TIN 生成算法：由规则点集生成TIN（泰森多边形）、由格网DEM转成TIN；

格网DEM转成TIN：保留重要点发（计算平均值并与阈值比较）、启发丢弃法（逐次迭代计算逐渐删除不太重要的点）。

TIN转成格网DEM：投影、对格网搜索其附近的TIN数据点，按某种插值计算。

等高线转成DEM容易出现阶梯地形，格网DEM提取等高线容易出现二义性（最短距离占优 ）。 DEM的应用 格网DEM的应用：地形曲面拟合，立体透视图，通视分析，特征地貌提取，地形属性计算。 TIN的应用：三角网内插、等高线追踪。

 

第十章

第十一章 空间数据表现与地图制图

GIS给制图技术带来的变化：

计算机制图的主要内容是将地图设计和绘制通过计算机程序和相应的硬件来实现。地图符号可以完全由计算机绘制，对地图特征的许多处理都可以由计算机来实现，但是制图

综合方面还不成熟。

DEM表示法可以表现传统方法无能为力的垂直分布特征如：地貌晕渲图和三维曲面。

地理信息的可视化和虚拟地理环境技术将给制图技术和人机交互显示带来更大的变化。

 

第十二章 3S集成技术

遥感 遥感是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息， 并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。

遥感技术的优点：增大了观察范围，能提供大范围的瞬间静态图像，用于监测动态变化

的对象；能够进行大面积重复观察；拓宽了人眼所能观察到的光谱范围；空间详细程度

高。 GPS 全球定位系统是利用人造地球卫星进行点位测量导航技术的一种。

全球定位系统的组成：卫星星座、地面监控系统、信号接收机。

全球定位系统定位基本原理：利用测距交会确定点位。四颗卫星即能测准接收机的位置

3S集成 RS与GIS集成：遥感数据是GIS的重要信息来源，GIS则可作为遥感图像解译的强有力的辅助工具。GIS作为图像处理工具，可以进行几何纠正和辐射纠正，图像分类和感兴趣区域 的选取；遥感数据作为GIS的重要信息来源，可以进行线和其他地物要素的提取，DEM数 据的生成，以及土地利用变化和地图更新。

GIS与GPS集成：定位（旅游、探险）、测量（土地管理、城市规划）、监控导航（车辆船只的动态监控）。

GPS+RS：几何校正、训练区选择以及分类验证，提供定位遥感信息查询；

GPS+GIS：定点查询专题信息，提供或更新空间点位；

GIS+RS：几何配准、辅助分类等，提供和更新区域信息。

3S集成的意义：3S结合应用，取长补短是自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了 "一个大脑，两只眼睛"的框架，即和向提供或更新区域信息以及空间定位，进行空间分 析，以从提供的大量数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为科学决策的依据。实际应用中，较为多见的是两两之间的结合。

 

第十三章 网络地理信息系统

WebGIS

WebGIS是利用网络技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术，由于HTTP协议采用基于客户机/服务器的请求/应答机制，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据，用户通过交互操作，就可以通过网络来寻找其所需的空间数据。

WebGIS的应用层面：空间数据发布、空间查询检索、空间模型服务和Web资源的组织。

WebGIS与GIS的不同：WebGIS必须是基于网络的客户机/服务器系统，而传统的GIS大多为独立的单机系统；WebGIS利用因特网来进行客户端和服务器之间的信息交换，信息的交换是全球性的；WebGIS是一个分布式系统，用户和服务器可以分布在不同地点和不同计算机平台上。

第十四章 （实例）

第十五章 地理信息系统应用项目组织和管理

 

开发GIS的方式三种方式：通过购买实施（包括购买通用平台、购买完整软件、购买完整系统和购买服务）；请软件开发商来开发（包括承包开发和合作开发）；由组织内部人员开发。

各种模式的优劣：见P349表。

GIS应用项目的四个阶段：识别需求、提出解决方案、执行项目和结束项目，共同构成项目的生命周期。

 

第十六章

软件工程活动包括需求分析、系统设计（结构化方法和面向对象方法）、实现阶段、确

认活动和软件维护。

 

第十七章 地理信息系统标准

地理信息系统标准

GIS 的标准对于GIS 的意义

有利于保障GIS技术及其应用的规范化发展，指导GIS相关的实践活动，拓展GIS 的应用 领域，从而实现GIS的社会和经济价值。基于GIS标准可以实现不同应用领域地理信息的共享和互操作，这是实现数字地球的关键技术之一。

两个标准： ISO/TC211地理信息标准：是对与地球上位置直接或间接有关的物体和现象信息的结构化标准。

OpenGIS标准：制定规范，使得应用系统开发者可以在单一的环境和单一的工作流中使用 分布于网上的任何地理数据和地理处理。

 

第十八章 地理信息和社会

GIS对社会的影响和社会对GIS的反作用

影响：GIS已经融入到人们的日常生活中，潜移默化的改变着人们的生活方式：电子地图提供定位定向导航功能、GIS可以进行检索、查询和决策支持。其他问题：GIS产业的形成与分化、GIS相关的政策法律法规和标准、针对GIS的教育和培训。

社会对GIS的反作用：数字计算技术的发展影响GIS 的发展，社会的具体需求目标通过影响计算机技术的发展来影响GIS发展。

 

第十九章 数字地球 数字地球的概念

1、 指数字化的三维显示的数字地球，或指信息化地球；

2、 实施数字地球的计划需要政府、企业和学术界的共同协力参加。

3、 数字地球是一次新的技术革命，将改变人们的生产和生活方式，进一步促进科学技

术的发展和推动社会经济的进步。

数字地球是GIS应用的极致，也是GIS社会化的顶点，GIS发展的将来是没有GIS。