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bdbah2x449 · 发表于综合类资料 2022-12-16 17:24:06

Remote SensingGeographical Information System
（RS & GIS ）
遥感及地理信息系统
(讲稿)
                           第一章GIS 概述
§1.1 地理信息系统的产生与发展
一、GIS产生的背景：
地理学——地图绘制（手工、计算机）——世界上第一个地理信息系统：
CGIS（1963年）
二、GIS的发展
1. 计算机技术的发展
2. 空间技术的发展
卫星定位技术
卫星定位的特点 1.全球地面无缝覆盖，全天候定位。2.定位精度高，实时定位速度快。3.观测时间短。4.提供三维坐标。5.使用简便。
GPS系统：美国于1978－1993年发射，共24颗卫星。其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。GPS卫星向用户发送用于导航定位的调制波，它含有：载波（L1和L2）、测距码（C/A码和P码）和数据码（导航电文）。C/A码伪距，精度约为20米左右（民用）P码伪距，精度约为2米左右（军用）
GLONASS系统：苏联于20世纪70年代开始建设，并于1993年启用由24颗卫星组成。目前在轨14颗卫星；预计于2010年左右使卫星数量达到“满员”状态。民用信号定位精度：30米。
“伽利略”系统：30颗卫星组成欧空局和欧盟合作于1999年启动。2005年12月28日，首颗试验卫星Glove-A成功发射；预计2008年底前全部发射入轨。民用信号精度：1米。
“北斗”系统：
“北斗1代”：2000－2003年发射3颗静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域导航系统（2颗工作卫星、1颗备用卫星）。
北斗2代：“北斗”全球卫星导航系统。空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。定位精度为10米。
卫星遥感技术
卫星遥感的特点：能够快速、大范围获取地面影像和地表专题数据
?SRTM计划——航天飞机雷达地形测绘任务（2000年）
(Shuttle Radar Topography Mission)
覆盖范围在北纬60度至南纬56度之间。10天内，有99.968%被一次覆盖，94.59%两次，49.25%三次，24.1%四次。
DEM高程数据间隔为1弧秒，约30米，所包含的信息内容相当于1∶5万地形图
SRTM由三部分组成：主雷达天线、桅杆、机外雷达天线（Outboard radar antenna）
现代GIS的相关技术:
地理学、遥感技术、测量学、数学和统计学、制图技术、计算机科学、专家系统、计算机图形学、计算机辅助设计、数据库技术、软件工程
§1.2 GIS的相关概念
1、数据：是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，如数字、文字、符号、
                           图形等。
2、信息：是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。它不随载体的物理形式的变化而改变。
数据与信息的关系：
数据是信息的载体?信息是数据的内涵?数据本身并没有意义，数据只有对实体行为产生影响时才能成为信息?数据只有通过解释、解算才能成为信息－－使用者的知识背景。
信息的特点：
(1)信息的客观性：任何信息都是与客观事物紧密相关的－信息正确性与精确度的保证。
(2)信息的适用性：不同的信息适用于与之相关的领域。
(3)信息的传输性：信息在传输时，其原始意义并不改变。
(4)信息的共享性：信息的使用对其本身无损失。
3、系统：具有特定功能的、相互有机联系的若干要素构成的一个整体。
4、信息系统：具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为人们的决策提供正确、有用的信息。
5、地图：是将地理环境诸要素按照一定的数学法则，运用符号系统并经过制图综合缩绘于平面上的图形。a 由数学决定的结构b 特定的符号系统c 现象表示的取舍和概括
6、地理信息：是指表示地理环境诸要素的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律的数字、文字、图象和图形等的总称。
地理信息的特征：
(1)定位特征：通过地理坐标实现空间位置的识别
(2)多维结构的特征：除地理位置外，还有多个专题和属性
(3)时序特征：随时间的变化而变化，需及时采集和更新?
地图与地理信息的关系：
地图是地理信息的载体?地图是地理信息的传统数据源?地图是GIS的查询与分析结果的表示方法
§1.3 地理信息系统的概念
地理信息系统是一门学科：是研究采集、管理、分析地理数据和输出地理信息的理论和方法的新兴、交叉学科。
地理信息系统是一种决策支持系统：在计算机软、硬件系统的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策、规划等所需地理信息的技术系统。
Geographical Information System
Geographic Information System
Geo-Information System
地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演绎出来的知识。
?地理信息系统的分类——按功能分类：
1. 专题地理信息系统(Thematic GIS)：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特
定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系
统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。
2. 区域地理信息系统(Regional GIS)：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如国
                           家级、地区级、市级或县级等。
3. 地理信息系统工具(GIS Tools)：是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、
分析运算和输出等地理信息系统基本功能的软件包。
GIS与其它系统的区别：
GIS与DBMS（数据库管理系统）的区别
1 . DBMS缺乏空间实体定义能力
2 . DBMS缺乏空间关系查询能力
3 . GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。
GIS与MIS（管理信息系统）的区别
1. GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；
2. MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。
GIS与其它系统的区别
GIS与地图数据库的区别：
地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。
GIS与CAD系统的区别：
1 . 二者虽然都有参考坐标系统，都能描述图形，但CAD系统主要处理几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。2. CAD的坐标无地理意义，不能进行地理坐标转换。
§1.4 GIS的发展历史
一、国外GIS的发展
1.起步阶段（1960s）：注重空间数据的地学处理。相关组织机构纷纷成立。1963年，加拿大测量学家R. T. Tomlinson首先提出GIS这一术语，建立加拿大地理信息系统（CGIS）；1969年，ESRI （环境系统研究所）建立；1969年，Integraph公司建立。
2.发展阶段（1970s）：注重空间地理信息的管理，受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视。
3.推广应用阶段（1980s）：注重空间决策支持分析。应用领域迅速扩大，与RS结合，参与解决全球性问题。1981年，ESRI ARC/INFO GIS发布；1985年，GPS成为可运行系统；1986年，MapInfo 建立；1986年，SPOT卫星首次发射；1987年，地理信息系统的国际杂志出版；1989年，Ingegraph 发布MGE；1989年全球有报价的GIS软件达70多个。
4.用户时代（1990至今）：注重GIS社会应用与服务－商业决策和政府管理GIS技术迅猛发展－GIS产业化。控件式GIS成为GISTools的发展方向;WebGIS蓬勃发展;三维GIS崭露头角。
5.国外主流GIS软件：ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）－ARCGISGENAMAP（澳大利亚）MGE（Modular GIS Environment）MapInfo（MapinfoProserver、MapX、MapXtreme、SpatialWare）ERDAS
二、我国GIS的发展
1.准备阶段（1970后期）: 舆论准备、提出倡议、组建队伍、组织个别实验研究。1980年中科院遥感所成立第一个GIS研究室
2.试验阶段（1981-1985）: 理论探索和区域性研究;制定国家地理信息系统规范。1:100万国土基础信息系统和全国土地信息系统1 :400万全国资源和环境信息系统
3.初步发展阶段（1986至20世纪末）: 地理信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课
                           题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。
4.快速发展阶段( 20世纪末到现在): 理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WEBGIS 走向应用，GIS市场开始形成。
5.国产主流GIS软件: GeoStar（武测）MapGIS（地大）CityStar（北大）
三、地理信息系统的发展趋势
(1)GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学日趋完善的技术体系－3S技术；
(2)空间数据结构与数据管理的研究更加深入；
(3)GIS应用模型开发日趋加强；
(4)GIS智能化；
(5)GIS网络化－WEBGIS；
(6)三维GIS
                           第二章遥感的基本原理及其应用
§2.1 遥感概述
一、遥感的概念
20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。遥感一词的英文为Remote Sensing，意思是遥远的感知。60年代由美国人EvelynPruitt（美国海军研究局）提出。
广义理解：遥感泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波(声波、地震波)等的探测。实际工作中，重力、磁力、声波、地震波等的探测被划为物探(物理探测)的范畴。因而，只有电磁波探测属于遥感的范畴。
狭义理解：遥感是指从不同高度的平台（Platform）上，使用各种传感器（Sensor），接收来自地球表层的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离探测和识别的综合技术。
二、遥感技术系统
根据电磁波理论，不与目标物接触，从远处用探测仪器接收来自目标物的电磁波信息，通过对信息的处理和分析研究，确定目标物的属性及目标物相互间的关系的综合技术系统，称为遥感技术系统。
遥感技术系统包括：
1. 遥感信息源
2. 空间信息获取
3. 遥感数据传输与接收
4. 遥感信息处理、提取与分析
5. 遥感信息应用
6. 遥感技术系统及工作流程
7. 遥感技术系统组成
遥感信息源：任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁波的相互作用．构成了目标物的电磁波特性，它是遥感探测的依据。
空间信息获取：地物空间信息主要由搭载在遥感平台上的遥感器来获取。接收、记录目标物电磁波特征的仪器，称为遥感器。
遥感数据传输与接收：传感器接收到目标地物的电磁波信息，被记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送至地面回收，而数字记录信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面卫星接收站。遥感技术系统组成
遥感信息处理、提取与分析：地面站对接收到的数字信息进行一系列的处理：信息恢复辐射校正卫星姿态校正投影变换通用数据格式转换地面站或用户还可根据需要进行精校正处理和专题信息处理、分类等。遥感技术系统组成
遥感信息应用：遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业人员按不同的应用目的进行。遥感技术系统组成
三、遥感的类型
1.按遥感平台分
地面遥感:遥感器设置在地面平台上，如车载、船载、固定或活动高架平台等;
航空遥感:遥感器设置于航空器上，主要是飞机、气球、飞艇等;
航天遥感:遥感器设置于环地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站等;
2.按传感器的探测波段分
紫外遥感——探测波段在0.05一0.38μm之间;
                           可见光遥感—探测波段在0.38一0.76μm之间;
红外遥感——探测波段在0.76一1000μm之间;
微波遥感——探测波段在1mm一1m之间;
多波段遥感—指探测波段在可见光波段和红外波段范围内，再分成若干窄波段来探测目标。
3.按工作方式分
主动遥感和被动遥感:主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射值量;被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。
成像遥感与非成像遥感:成像遥感——传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成(数字或模拟)图像。非成像遥感——传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。
4.按遥感的应用领域分
从大的研究领域：可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等;
从具体应用领域：可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、渔业遥感、地质遥感、气象遥感、水文遥感、城市遥感、工程遥感及灾害遥感、军事遥感等，还可以划分为更细的研究对象进行各种专题应用。
四、遥感的特点
1.大面积同步观测：遥感观测不受地形阻隔等限制，探测到的地面范围大，容易发现地球上一些重要目标物空间分布的宏观规律。
2.时效性强：遥感探测可以在短时间内对向一地区进行重复探测，发现地球上许多事物的动态变化。这对于研究地球上不同周期的动态变化非常重要
3.数据的综合性与可比性好：遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上的自然、人文信息。如地球资源卫星LANDSAT所获得的地物电磁波特性均可以较综合地反映地质、地貌、土壤、植被、水文等特征。
4.较高的经济与社会效益：与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。
5.一定的局限性：所利用的电磁波波段有限、已经被利用的电磁波谱段对许多地物的某些特征还不能难确反映、地面调查和验证尚不可缺少。
五、遥感的发展简史
1. 无纪录的地面遥感阶段(1608-1838年)： 1608年，汉斯·李波尔赛制造了世界第一架望远镜，1609年伽利略制作了放大倍数3倍的科学望远镜，从而为观测远距离目标开辟了先河。
2. 有记录的地面遥感阶段(1839-1857年)：对探测目标的记录与成像始于摄影技术的发明，并与望远镜相结合发展为远距离摄影。1839年，达盖尔(Daguame)发表了他和尼普斯(Niepce)拍摄的照，第一次成功地把拍摄到事物形象地记录在胶片上。
3. 航空摄影遥感阶段(1858-1956年)： 1858年，G·F·陶纳乔用系留气球拍摄了法国巴黎的“鸟瞰”像片。1903年，W·莱特和O.莱特(WilbourWright & OrvilkeWright)发明了飞机。1909年，W·莱特在意大利的森托塞尔上空用飞机进行了空中摄影。
4. 航天遥感阶段(1957-)：
1957年10月4日，苏联第一颗人造地球卫星的发射成功。
1960年，美国发射了TIROS-1和NOAA-1太阳同步卫星，从航天器上对地球进行长期观测。
1972年ERTS-1发射（后改名为Landsat-1），装有MSS传感器，分辨率79米。
1982年Landsat-4发射，装有TM传感器，分辨率提高到30米。
1986年法国发射SPOT-1，装有PAN和XS遥感器，分辨率提高到10米。
1988年9月7日中国发射的第一颗“风云1号”气象卫星。
1999年4月15日Landsat-7发射，携带了增强型主题成像传感器(ETM+)。
                           1999年9月24日美国发射IKNOS，空间分辨率提高到1米。
1999年10月14日中国成功发射资源卫星1号。
2001年10月发射的快鸟卫星，可获取0.61米分辨率的黑白影像以及2.44米分辨率的多光谱（4波段）影像。
2002年其5月发射Spot-5，其性能作了重大改进，可获取2.5米分辨率的全色影像。
六、遥感技术的发展趋势
1. 多分辨率传感器并存一方面，高分辨率的图象（如1m分辨率的IKONOS）可以会有较快的发展，这是由于小卫星技术日趋成熟，发射成本越来越低，它在军事侦察与城市测绘方面有独突的作用。另一方面，低空间分辨（如1km 分辨率的NOAA 系列）将会得到较快的发展，因为实践表明这种尺度较适合于全球变化的研究。
2.高光谱遥感遥感器波段宽度窄化，针对性更强，可以突出特定地物反射峰值波长的微小差异；同时，成像光谱仪等的应用，提高了地物光谱分辨力，有利于区别各类物质在不同波段的光谱响应特性。
3. 遥感分析技术从“定性”向“定量”转变定量遥感成为遥感应用发展的热点。
4. 建立适用于遥感图像自动解译的专家系统逐步实现遥感图像专题信息提取自动化。
5. RS与GPS、GIS 的有机结合构成集成系统
§2.2 遥感平台及遥感器
一、遥感平台
遥感平台:——遥感中搭载遥感器的工具。
1.遥感平台的种类
地面平台——地面遥感
航空平台——航空遥感
航天平台——航天遥感
按遥感平台的高度和运行方式分为：
（1）地面平台：高度在0～100m范围内，包括三脚架、车、船、遥感塔等。在平台上放置地物波谱仪、辐射计、分光光度计等，可以测定各类地物的波谱特性。对地观测研究中应用较少。主要目的：对地物进行波谱测量，近距离摄影测量，大气辐射纠正等。
（2）航空平台：飞机高度在百米～10几km，包括低、中、高空飞机，以及飞艇、气球等。航空平台历史悠久，主要目的是航空摄影。低空：n+1 ,甚至可以达到3n 。B、代表性:训练样本应该反映该类地物的亮度特征；且需注意同类地物空间分布的不连续性（如；可以分别在２块草地中选取训练样本）。Ｃ、亮度分布：从亮度特征角度而言，对于同一类地物具有不同亮度特征情况，通常都要选取（同物异谱）。Ｄ、纯度的把握：一般来说，在已知类别的中间部位较高；如果过纯，则方差过小，导致许多此类地物的像元被拒分；如果不纯，则方差过大，导致不是此类地物的像元被分到该类别中，导致出现“错分”的情况；把握纯度的方法：读像元的亮度值，确定该类地物的亮度分布区间；同时，注意其它地物亮度值与其近似部分的像元亮度分布区间，依“错分损失最小”的原
                           则，确定“分类界限”。
非监督分类与监督分类的结合：
通常非监督分类做为监督分类的前导；如果监督分类的最终结果要８类，那么做非监督分类时致少要12类。以此保证分类的纯度，因为方差小，错分的可能性也小。
§2.7 遥感图像地学分析与应用
地学分析基础：
遥感影像反映的是某一区域特定地理环境中的综合信息，它综合地反映了地球系统各要素的相关性。
遥感地学相关分析，指的是充分认识地物间的相关性，在遥感图像上寻找目标识别的相关因子，建立直接解译标志和间接解译标志，推断和识别目标本身。
地学分析前的准备:
地学（地理、地质等）背景知识
遥感影像的尺度特征
混合像元
光谱分辨率
时间分辨率（获取时间）
一、水体信息提取
通过对遥感影像的分析,获得水体的分布、泥沙、有机质等状况和水深、水温等要素的信息，从而对一个地区的水资源和水环境等作出评价。
水体界限的确定（水体的分布）
水体悬浮物质的确定
水温的探测

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水体污染的探测
水深的探测
1.水体的光谱特征
遥感器所接收到的辐射包括水面反射光、悬浮物反
射光、水底反射光和天空散射光。由于不同水体的水面性
质、水体中悬浮物的性质和含量、水深和水底特性等不同，
从而形成传感器上接收到的反射光谱特征存在差异，为遥
感探测水体提供了基础。
2.水体界线的确定
在可见光范围内，水体的反射率总体上比较低，不
超过10％，一般为4％～5％，并随着波长的增大逐渐降
低，到0.6μm处约2％～3％，过了0.75μm，水体几乎
成为全吸收体。因此在近红外影像上，清澈的水体呈黑色，
即对近红外光全吸收。为区分水陆界线，确定地面上有无水体覆盖，应选择近红外波段的影像。
3.水体悬浮物质的确定
遥感能够探测的水中悬浮物质主要有两种：一种是无机的泥沙；一种是有机的叶绿素。
1）泥沙的确定
2）叶绿素的确定
? 混浊水体的反射波谱曲线整体高于清水，随着悬浮泥沙浓度的增加，差别加大；
? 波长较短的可见光，如蓝光和绿光对水体的穿透能力较强，能反映出水面下一定深度的泥
沙分布状况；
? 随着悬浮泥沙浓度的加大，可见光对水体的透射能力减弱，反射能力加强。因此，在近岸的浅水区，其波浪和水流对水底泥沙的扰动作用比较强烈，使水体混浊，故遥感影像上色调较浅。而深水处扰动作用较弱，水体较清，遥感影像上水体色调较深。
相对水深的探测
二、地质地貌信息提取
地质遥感实际上就是从遥感影像上提取地质专题信息的技术过程，地质遥感的应用目的就是为地质制图、矿产资源的探查、工程地质和水文地质调查服务。主要包括：
◆岩性的识别
◆地质构造的识别
1. 岩性的识别:
所谓岩性就是根据岩石的矿物成分、结构构造来判断岩石的种类。不同的岩石，由于其矿物成分、结构构造的不同，具有不同的电磁波辐射特性，在遥感影像上表现为不同的影像特征，岩性的识别就是根据各种岩石在遥感影像上特有的影像特征来判断岩石种类的过程。TM5，TM7为区分岩石性质最好的波段，各种岩石的光谱差异最明显。
三大岩类的影像特征：
沉积岩的条带状影像特征——沉积岩最大的特点是具有成层性，具有明显的层理构造。胶结良好的沉积岩，出露充分时，可在较大范围内呈条带状延伸。在高分辨率影像上可以显示出岩层的走向和倾向。
岩浆岩影像——岩浆岩因其生成的条件与沉积岩差别很大，因此，在岩浆岩发育的地区则常常见到节理（即岩石的破裂面），而基本上看不到层理；
变质岩——特征构造是具有叶理（岩石中片状结构或组织的通称），和沉积岩的层理不同，它是变质作用的形成的。其中的矿物都呈定向排列。
2. 地质构造的识别
构造解译是遥感图像地质解译的重点，也是遥感图像用于地质上效果最好的领域。由于遥感图像视域辽阔，概括性强，用它研究规模较大的构造以及一些隐伏构造和深部构造，效果常常优于地面观察，能将工作区内各种构造形态解译出来。包括岩层产状的判读、褶皱、断层、断裂构造的判断。
地形起伏区水平岩层—封闭曲线、云朵状环带。
岩层三角面：某一岩层同一层面地表露头线上山脊点与相邻两沟谷点用直线连接所成的假想三角形平面（随地形不同的变态：梯形、熨斗形、半圆形、半月形）。
岩层三角面——遥感图像上判断和量测岩层产状的最佳标志。
断层的突出影像特征就是线性，在线形构造的两侧是岩性不同的岩石，通常岩石突然消失的地带就是断层。
第三章GIS的组成
§3.1 GIS 的计算机硬件系统
计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约．GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持．GIS硬件配置一般包括四个部分：
1、计算机主机；
2、数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；
3、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；
4、数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。

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§3.2 GIS的计算机软件系统及模块划分
一、软件的种类：
计算机系统软件：操作系统、汇编程序、编译程序库、程序使用手册、程序说明。
GIS软件和其他支持软件：通用的GIS软件包、数据库管理系统（DBMS）、图形图像处理系统应用分析软件：系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。
二、GIS软件系统的模块划分
GIS的软件系统根据其功能的特点，可以分为以下几种软件模块：
1. 数据输入与编辑模块
2. 数据存储与管理模块
3. 数据变换与分析模块
4. 数据输出与显示模块
5. 用户接口模块
各功能模块之间的关系

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§3.3 GIS的地理数学基础
一、地球的形状及相关概念
1.大地水准面：不考虑潮汐、风浪及大气压的影响，与平均海水面相重合，并延伸到大陆下面处处与铅垂线（重力方向）相垂直的水准面，称为大地水准面。
特点：由于地壳质量分布的不均匀，引起重力方向的变化，导致处处和重力方向成正交的大地水准面成为一个不规则的、高低起伏的曲面。该曲面无法用数学公式表达。

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2.大地球体：闭合的大地水准面所包围的形体，叫大地球体。
3.地球椭球体：大地水准面形状虽然十分复杂，但从整体来看，起伏是微小的。大地球体是一个很接近于绕自转轴（短轴）旋转的椭球体。在大地测量和制图中用旋转椭球来代替大地球体，这个旋转球体称为地球椭球体。
4.参考椭球体：对于国家测图或区域制图，往往采用其大小及定位定向最接近本国或本地区的地球椭球体。这样的地球椭球体称为参考椭球体。
特点：参考椭球体在大小及定位定向上都不与地球椭球体一致。定位不一致：地心不重合；定向不一致：地轴不重合或不平行 5. 国家高程基准：
（1）高程基准面：地面点高程或海底点水深的统一起算面，称为高程基准面。大地水准
面通常作为高程基准面。对于一个国家来说，一般根据一个验潮站的潮汐资料所求得的平均海水面作为国家高程基准面。
（2）水准原点：传递高程的起算点。用精密水准测量方法，将水准原点与验潮站的水准
标尺联测，以高程基准面为零，推求水准原点的高程。
（3）我国高程基准面使用青岛验潮站多年潮汐资料推求的平均海水面，作为中国高程基
准面。
青岛验潮站：位于青岛港内我国水准原点：位于青岛观象山（4）我国高程基准面的变更：
?1956年黄海高程系统：1950年－1956年7年间的潮汐资料推求的平均海水面，作为中
国高程基准面。水准原点高程：72.289米?
1985国家高程基准：1952年－1979年（28年）间19年的潮汐资料推求的平均海水面，
作为新的中国高程基准面。水准原点高程：72.260米1988年1月1日启用，同时“1956年黄海高程系统”废止。
（5）我国其他海水水深起算面：
?理论深度基准面－－海图深度基准面国家高程基准－理论最低潮面≈2.4m ?短周期平均海平面
二、地球的大小
?地球椭球体的大小和形状：
常用旋转椭圆的5个基本几何参数表示：长半轴（长半径）a；短半轴（短半径）b；扁率
α=(a-b)/a；第一偏心率e=（a 2-b 2）0.5/a；第二偏心率e′= （a 2-b 2）0.5
/b

?椭球参数根据天文大地测量、重力测量及人造地球卫星观测资料综合确定。
世界各国常用的地球椭球体参数
1980国家大地坐标系
1/298.257 6356755.2886378140.0
IUGG (1975) 1954年北京坐标系
1/298.3
6356863
6378245
克拉索夫斯基 (Krassovsky 1940)
1/297 6356912 6378388 海福特(Hayford 1910) 1/293.5 6356515 6378249 克拉克(Clarke 1880) 1/299.15 6356079 6377397 白塞尔(Bessel 1841) 备注
扁率短半轴(米) 长半轴(米) 椭球体名称
椭球参数是进行坐标转换的基础！
三、GIS常用坐标系
1．大地坐标系：又称地理坐标系
?地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。

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?通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。
?法线与赤道面的交角，称为A点的大地纬度,B。
?过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹
的二面角，称为A点的大地经度,L。
?A点距大地水准面的高度，称为A点的大地高，H。
A点的地理位置由B、L、H确定
2.空间直角坐标系
坐标原点：地球椭球（参考椭球）
Z轴：与地球自转轴重合，指向北极点。
X轴：指向本初子午线与赤道线的交点

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Y轴：垂直于X、Y轴确定的平面，向东为正。
空间任意点的坐标用X、Y、Z表示
3.平面直角坐标系
运用地图投影的方法，建立地球表面和平面上点的函数关
系，使地球表面上任一点由地理坐标（L、B）确定的点，在平面
上必有一个与它相对应的点，平面上任一点的位置可以用直角坐
标表示。
在平面上选一点O为直角坐标原点，过该点O作相互垂直
的两轴X’OX和Y’OY而建立平面直角坐标系平面直角坐标系。
注意：纵轴为X轴，指向北为正横轴为Y轴，指向东为正
四、地图投影
为什么要进行投影？
地图投影实质
投影变形
投影分类
投影选择所考虑的因素
我国常用的投影方法
1.为什么要进行投影？
定义：将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影。
? 地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算。
? 地球椭球体为不可展曲面。
? 地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析。 2. 地图投影实质
建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（λ，φ）与平面上对应点的平面直角坐标（x，y）之间的函数关系：当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。
地图投影示意

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3. 投影变形：
将不可展的地球椭球面展开成平面，并且不能有断裂，则图形必将在某些地方被拉伸，某些地方被压缩，故投影变形是不可避免的。
长度变形面积变形角度变形
4. 投影分类

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变形分类：
等角投影：投影前后角度不变
等面积投影：投影前后面积不变；
等距投影：投影前后长度不变变形
投影面：
圆柱投影：投影面为圆柱（包括椭圆柱）
圆锥投影：投影面为圆锥
方位投影：投影面为平面
投影面位置：
正轴投影：投影面中心轴与地轴相互重合
斜轴投影：投影面中心轴与地轴斜向相交
横轴投影：投影面中心轴与地轴相互垂直
相割或相切：
相切投影：投影面与椭球体相切
相割投影：投影面与椭球体相割
5. 影响投影选择的因素
?制图区域的地理位置、形状和范围
?制图比例尺
?地图内容
?出版方式
地图投影选择，主要指中、小比例尺地图，不包括国家基本比例尺地形图。
国家基本比例尺地形图的投影、分幅等，是由国家测绘主管部门研究制订，不容许任意改变。
小区域大比例尺地图，无论采用什么投影，变形都很小。
GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。
6. 我国常用的投影方法
高斯-克吕格投影（Gauss-Kruger）——国家基本比例尺地形图(≥1:50万)
墨卡托投影（Mercator）——海图
兰勃特投影（Lambert）——国家基本比例尺地形图(1:100万)、大部分省区图
通用横轴墨卡托投影（UTM）
高斯—克吕格投影：
横轴等角椭圆柱切投影假想一椭圆柱面横套在地球椭球体上，并与某一条子午线（中央子午线）相切，椭圆柱的中心轴通过椭球体中心，将中央子午线两侧各一定经差范围内的地区投影到椭圆柱面上。
?投影条件：1）中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴；2）投影后无角度变形；3）中央经线上没有长度变形。
?特点：1）中央经线上无变形；2）同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；3）同一条经线上，纬度越低，变形越大。
?我国高斯投影的分带：我国规定按6°或3 °分带；
6度带：从0度子午线起，自西向东每隔经差6为一投影带，全球分为60带，各带的带号（n）用自然序数1，2，3，…60表示。中央子午线经度L0=6n－36度带3度带；
3度带：从东经1度30分的经线开始，每隔3度为一带，全球划分为120个投影带，各带的带号（n′）用自然序数1，2，3，…120表示。中央子午线经度L0= 3n′；

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?我国高斯平面直角坐标系?以中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴的交点为坐标原点。
?为了避免Y坐标出现负值，将各带的坐标纵轴西移500公里，即将所有Y值都加500公里。
?各带的投影完全相同，某一坐标值（x，y），在每一投影带中均有一个，不能确切表示该点的位置。因此，在Y值前，需冠以带号，称之为通用坐标。
例如大学路操场内某点：X=3995920 Y=21 259470——21带
墨卡托投影：
等角正轴圆柱（切、割）投影?圆柱与地球椭球的切线或割线称为基准纬线。
特点：1. 没有角度变形－等角航线。2. 经纬线都是平行直线，且相交成直角。3.经线间隔相等，纬线间隔从基准纬线向两极逐渐增大。4.常用作航海图和航空图。
?墨卡托投影坐标取零子午线或自定义原点经线与赤道交点的投影为原点，零子午线或自定义原点经线的投影为纵坐标x轴，赤道的投影为横坐标y轴，构成墨卡托平面直角坐标系，此投影标准纬线无变形。
五、我国常用坐标系统
1954年北京坐标系：20世纪50年代初，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，由此传算过来的坐标系定名为1954年北京坐标系： a．属参心大地坐标系； b．采用克拉索夫斯基椭球参数； c. 大地原点在原苏联的普
尔科沃；
1980年国家大地坐标系
?又称1980西安坐标系
?为进行全国天文大地网整体平差而建立（1）属参心坐标系。椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向；Y轴与Z、X轴成右手坐标系；（3）采用IUGG 1975椭球参数（3）大地原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳县永乐镇；
WGS一84坐标系
?美国国防部研制确定的大地坐标系
?GPS采用的地心坐标系。
?原点在地球质心,z轴指向BIH 1984．0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0 的零子午面和CTP赤道的交点。Y轴与Z、X轴构成右手坐标系，又称为1984年世界大地坐标系统。?椭球参数采用IUGG第17届大会的推荐值。
六、坐标系统与投影小结
坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和椭球参数所定义的。
任一坐标系统均可分为大地坐标系和空间直角坐标系。而其平面直角坐标系需根据投影方式确定。
由于坐标系统定义所采用的参数不同，地球上的同一点，在不同坐标系统中的大地坐标值不同。
在同一个坐标系统里，坐标的转换是严密的，而不同坐标系统之间的坐标转换是不严密的。
§3.4地理空间数据
一、地理空间数据的定义
观测地球某一位置的地物所得到的、以空间位置为参照的数据称为地理空间数据。
地理空间数据描述的主体称为地理实体，任何一种地理实体都可以用以下三种基本实体来抽象描述：1）点实体2）线实体3）面实体。
点实体——?有位置，无宽度和长度；?抽象的点?用坐标对表示（x , y）（L , B）
线实体——?有位置、长度，但无宽度和高度?用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多?度量实体距离?用坐标对序列表示（x1, y1），（x2, y2）…. （xn, yn）
面实体——?有位置，具有特定的形状、范围?通常用来表示自然或人工的封闭多边形?用坐标对序列表示的闭合线来表示中国土地利用分布图（不连续面）
二、地理空间数据的内容
地理空间数据一般包括三个方面的内容：
1、某个参考坐标系所确定的位置
即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系（如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系）中的空间位置。
2、实体间的空间相关性——空间拓扑关系
表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。
3、与几何位置无关的属性即非几何属性或简称属性（Attribute），是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。定性：名称、类型、特性… 定量：等级、数量…
地理空间数据三个方面的内容可分为两种数据类型：
1、某个参考坐标系所确定的位置——必需的

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三、空间拓扑关系
地理实体间的空间相关性，即点、线、面之间的空间关系称为空间拓扑关系。 “拓扑”——源于希腊文，原意：形状的研究 “拓扑学”（Topology）——几何学的分支，研究内容：图形在拓扑变换时能够保持不变
的几何属性——拓扑属性
举例：将橡皮拉伸或压缩
?空间拓扑关系的分类：
地理实体间的拓扑关系可以从不同的角度来描述：
空间位置实体的构成
不同种类实体间的相互组合
1. 空间位置的角度
?拓扑邻接：同类实体之间的拓扑关系。

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如：N1/N2 、N3 、N4 P1/P3 ； P2/P3 ?拓扑关联：不同类实体之间的拓扑关系。
如：N1/е1、е3 、е6 P1/е1、е5 、е6 ?拓扑包含：同类不同级实体之间的拓扑关系。
如：P3 与P4
拓扑包含分类：简单包含：多层包含：等价包含：
2. 实体构成的角度
e7 P4 e3 、 e4 、 e6
P3 e2 、 e4 、 e5 P2 e1 、 e5 、 e6 P1 弧段面 …… …… N1 、 N3 e3 N2 、 N3 e2 N1 、 N2 e1 结点弧段

面实体的构成线实体的端点

e1、e2、e5 N2点
e1、e3、e6 N1 弧段结点 …… P1
右邻面右多边形）
…… ……P5
e1
左邻面 (左多边形) 弧段
                           线实体的结点面实体的公共边界
3.不同种类实体间的相互组合
1）点—点关系
点和点之间的关系主要有两点（通过某条线）是否相连，两点之间的距离是多少？如城市中某两个点之间可否有通路，距离是多少？这是在实际生活中常见的点和点之间的空间关系问题。
2）点—线关系
点和线的关系主要表现在点和线的关联关系上。如点是否位于线上，点和线之间的距离等等。
3）点—面关系
点和面的关系主要表现在空间包含关系上。如某个村子是否位于某个县内？或某个县共有多少个村子？
4）线—线关系
线和线是否邻接、相交是线和线关系的主要表现形式。如河流和铁路的相交，两条公路是否通过某个点邻接？
5）线—面关系
线和面的关系表现为线是否通过面或和面关联或包含在面之内？
6）面—面关系
?地理空间数据拓扑关系的意义：
（1）确定地理实体间的相对空间位置，它比坐标数据有更大的稳定性。——与坐标投影无关！
（2）利于空间要素查询。
（3）重建地理实体。
§3.5 系统开发、管理与使用人员
系统开发、管理、维护、操作
数据更新、系统扩充完善、应用程序开发人员
必备的知识：计算机、测绘、遥感、相关应用学科
?GIS的使用年限和费用组成
硬件：2－5年，10％
软件：5年，20％
地理空间数据：10－20年，65％
人员：5％（培训费）
                           第四章地理空间数据的采集与处理
§4.1 地理空间数据的采集
一、数据源的种类
1. 地图各种类型的地图是GIS最主要的数据源。纸质地图、电子地图?
地图作为数据源应注意的问题：
a. 地图存储介质的缺陷——变形（纸质地图）
b. 现势性差——制作周期长、更新慢
c. 不同类型的地图采用的坐标系和投影方式不同——需转换
2. 遥感数据
记录形式：胶片、数字格式——影像合成
遥感数据的特点：快速地获取大面积、综合性专题信息。
遥感作为数据源应注意的问题：各有其自身的成像规律、变形规律，应注意影像的分辨率、影像的纠正和解译特征。
3. 测绘实测数据：?经纬仪?全站仪?GPS（单机、自差分、信标差分、广域差分）
?GPS的数据输出格式NMEA-0183格式：文本格式
4. 数字数据：
?其他GIS的数据?数字图件?数字资料
使用数字数据应注意的问题：a. 数据格式的转换b. 数据的精度、可信度、时限
5. 统计数据：如人口数量、人口构成、国民生产总值等
6. 各种文字报告和立法文件
7. 多媒体文件：声音、图片、动画
二、地理空间数据的采集方法
1．空间数据（图形数据）的采集
（1）手工输入：通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘和鼠标输入。键盘：输入坐标数据鼠标：在计算机屏幕上直接点绘图形
（2）手扶跟踪数字化输入：硬件设备——数字化仪。使用数字化仪的地图数字化方式，称为手扶跟踪数字化。数字化仪的种类：机械式、超声波式、全电子式。
生成图形的格式：矢量图形
?数字化仪的工作方式：
a．点方式：每次定标器的键被按下，感应板发送一对坐标数据到计算机。
b．距离流方式：定标器在感应板上移动一定距离，数字化仪就自动向计算机发送一个坐标数据。
c．时间流方式：不论定标器的键是否按下，数字化仪每隔一定的时间自动向计算机发送一个坐标数据。
影响手扶跟踪数字化精度的因素：数字化仪的精度，人为误差，经验、技能工作态度。（3）扫描数字化输入：
硬件设备：扫描仪（滚筒式、平板式、CCD直接摄像式）。
描扫描模式：二值扫描、灰度扫描、真彩色扫。
使用扫描仪的地图数字化方式，称为扫描数字化。
生成图形的格式：栅格图形
?扫描图像的用途：①用作底图显示②以之为地图，进行屏幕矢量化（自动、手动）③用软件自动转成矢量地图R2V——Raster to Vector。
                           （4）遥感影像处理和信息提取
从遥感影像上自动提取专题信息。
以遥感影像为底图进行人工屏幕矢量化。
（5）数字数据的转换：数据格式的转换、坐标的转换
（6）定位测量设备的输入：GPS、全站仪等
2．属性数据的采集
属性数据即地理实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。
属性数据的存储方式：1)单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码（指针、索引）与图形数据相联系。输入方式：键盘输入或其他数据的转换。2)直接记录在栅格或矢量数据文件中。输入方式：首先对属性数据进行编码，然后再输入。
编码目的：将属性数据变为计算机可以接受的数字或字符形式，便于GIS存储管理。
编码原则:（1）编码的系统性和科学性。（2）编码的一致性。（3）编码的标准化和通用性。（4）编码的简捷性。（5）编码的可扩展性。
§4.2 地理空间数据（采集后）的处理
一、数据处理的目的
1. 修正数据输入错误
2. 维护数据的完整性和一致性
二、地理空间数据一般性错误
1.数据不完整、重复
2.空间数据位置不正确
3.空间数据变形
4.空间数据和属性数据连接有误
5.属性数据不完整
错误检查的主要方法:
? 叠合比较法
? 目视检查法
? 逻辑检查法
三、数据处理的主要内容
1、图像纠正
扫描得到的地形图的纠正
遥感影象的纠正
2、数据格式的转换
不同数据介质之间的转换
数据结构之间的转换
3、地图投影转换

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投影B（X，Y）
4、遥感影像的解译
知识要求：
?研究地理区域的一般知识；
?掌握影像分析的经验和技能；
?对影像特征的深入理解。
目的：建立典型地物类型的遥感影像解译标志：包括图象的色调或色彩、大小、形状、纹理、阴影、位置及地物之间的相互关系等。
5、图幅拼接
在相邻图幅的边缘部分，由于原图本身的数字化误差，使得同一实体的线段或弧段的坐标数据不能相互衔接，或是由于坐标系统、编码方式等不统一，需进行图幅数据边缘匹配处理。
图形接边：实体的连续性；逻辑接边：属性的一致性
6、拓扑生成
(1)图形修整：伪节点、悬挂节点（(a)多边形不封闭(b)结点不重合）、碎屑多边形不正规多边形。
（2）建立拓扑关系
计算机自动生成：大多数GIS软件提供完善的拓扑功能；
对计算机创建的拓扑关系进行手工修改。
四、GIS的数据质量
1．定义：空间位置空间位置、属性特征属性特征以及时间时间是表达现实世界空间变化的三个基本要素。GIS的数据在表达这三个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度，称为GIS的数据质量。
2 ．GIS数据质量的基本内容
（1）位置精度：如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的质量。
（2）属性精度：如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。
（3）逻辑一致性：如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等。
（4）完备性：如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性等。
（5）现势性：如数据的采集时间、数据的更新时间等
3 ．影响GIS数据质量的误差
（1）误差类型
源误差：数据源的不准确性以及数据采集和录入中产生的误差
处理误差：对地理空间数据进行处理时产生的误差
（2）GIS中的误差传播误
差传播是指对有误差的数据，经过处理生成的GIS产品也存在着误差。
①代数关系下的误差传播：这是指对有误差的数据进行代数运算后，所得结果的误差。
②逻辑关系下的误差传播：即指在GIS中对数据进行逻辑交、并等运算所引起的误差传播，如叠置分析时的误差传播。
③推理关系下的误差传播：这是指不精确推理所造成的误差。
五、GIS的空间元数据
元数据（Metadate）：描述数据的数据，是关于数据和信息资源的描述性信息。
空间元数据（GeospatialMetadata）：地理空间数据和信息资源的描述性信息。它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。
?空间元数据的应用
帮助用户获取数据、空间数据质量控制、数据集成
地理空间数据采集及处理流程

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第五章GIS的空间数据结构
§5.1 空间数据模型及空间数据结构
一、空间数据模型
1.模型（Model）
模型是对现实世界的简化表达，是现实世界的某些特征的模拟和抽象。
模型：
实物模型：飞机模型
抽象模型：数学模型（应用数学分析方法建立的数学表达式）、数据模型
2.空间数据模型
地理空间数据特征的抽象，是对地理数据特征的抽象，是客观事物及其联系的描述。
3.空间数据建模
?建模过程
（1）选择一种数据模型数据模型来对描述现实世界的数据进行组织。
（2）选择一种数据结构数据结构来表达该数据模型。
（3）选择适合的文件格式文件格式记录该数据结构。
把描述地理空间实体的数据组织成信息世界中计算机能够接受的数据集的过程。
数据建模通常可选多种数据模型，一种数据模型可用多种数据结构来表示，一种数据结构又可用多种文件格式来存储。
栅格离散化——栅格模型
矢量离散化——矢量模型
二、空间数据结构
1.数据结构
数据结构是指数据记录的编码格式及数据间的关系描述，即数据的组织形式。
? 抽象数据结构（逻辑结构）
? 数据存储结构（物理结构）
2.空间数据结构
空间数据结构是指地理空间数据在计算机内的组织和编码格式。它是一种适合于计算机存储、管理和分析地理空间数据的逻辑结构。是地理实体的空间排列和相互关系的抽象描述。

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3.空间数据编码
根据选定的数据结构，将GIS的数据源转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程，称为空间数据编码。
图形数据编码属性数据编码——矢量数据结构所采用
图形数据与属性数据混合编码——栅格数据结构所采用
§5.2 栅格数据结构及其编码
一、栅格数据结构（Raster Data Structure）
                           1．栅格数据结构的概念
将地面划分为均匀的网格、每个网格作为一个像元，像元的位置由所在行、列号确定，像元所含有的代码表示其属性或仅是与其属性相联系的指针。用这种离散化方法获得的地理空间数据称为栅格数据。地理空间数据的这种组织方式，称为栅格数据结构。
实质：像元阵列
特点：定位隐含属性明显
?像元的表示：
位置：像元的行、列号确定
属性：像元的代码（像元值）确定
?栅格像元的分辨率：
每个栅格像元所代表的实际地块的面积的倒数。
R＝1/实际地块的面积
2 ．地理实体的表示方法
实体：用一个像元表示。
线实体：用沿线走向的一组相邻像元表示。
面实体：用具有相同属性的相邻像元的集合表示。
3 ．栅格数据的获取途径
（1）格网法：在地图上进行均匀网格划分，逐个网格决定其属性代码，形成栅格数字地图文件。
（2）扫描数字化。
（3）遥感影像数据。
（4）矢量数据转换为栅格数据。
（5）DEM数据
4 ．栅格数据的偏差
几何偏差
属性偏差
（1）几何偏差（又称形态畸变）：（举例：三角形栅格化）
降低几何偏差的方法: 提高栅格像元的分辨率
（2）属性偏差
像元的属性是地表相应区域内地物类型的近似值，因而存在属性方面的偏差。
Landsat TM卫星影像的单个像元对应着地表30×30m2的矩形区域，影像记录的光谱数据是每个像元所对应的地表区域内所有地物光谱辐射的总和。
?栅格像元属性值的确定：
①中心点法
由像元代表的地块的中心点所在的面域的属性来确定。适用于具有连续分布特性的实体要素。
②面积占优法
由像元代表的地块中面积最大的实体的属性来确定。适用于分类较细，地物类别面积较小的实体要素。
③重要性法
选取像元代表的地块中最重要的地物的类型作为栅格单元的属性值。适用于具有特殊意义而面积较小的实体要素。
? 降低属性偏差的方法：
                           使用上述属性值确定方法
提高栅格像元的分辨率
使用数据分层处理
二、栅格数据的编码方法
根据选定的数据结构，将GIS的数据源转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程，称为空间数据编码。
直接栅格编码：栅格矩阵编码
压缩编码：链码、游程长度编码、块码、四叉树编码
1．栅格矩阵编码(直接栅格编码)
栅格矩阵编码就是将栅格地图看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录像元代码，形成栅格矩阵文件。
栅格矩阵文件是其它压缩编码方法的逻辑原型！
优点：编码简单，信息无损失
缺点：数据量大
2．链码
又称为弗里曼链码又称为弗里曼链码(Freeman) Freeman)或边界链码。或边界链码。用一个起点（行、列值）和一系列在基本方向上的单位矢量记录线实体或面实体的边界。
链码的特点：
（1）易于估算面积、长度、转折方向的凹凸度
（2）边界合并和插入等修改比较困难
（3）相邻区域的边界被重复存储而产生冗余
3．游程长度编码
基本思路：
对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干像元具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。
游程长度编码有两种编码方案
方案一：只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数。方案二：
逐行（或列）记录代码发生变化的位置（列号或行号）和相应代码。
游程长度编码的特点
（1）压缩比的大小与图的复杂程度成反比，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分游程数就少，图件越简单，压缩效率就越高。
（2）游程长度编码在栅格加密时，数据量没有明显增加。
4．块码
又称为二维游程长度编码。
把栅格矩阵划分成由属性相同的像元组成的正方形，每个正方形称为一个记录单元，正方形行（或列）方向上像元的个数称为记录单元的边长。
记录单元的划分原则：按行（或列）扫描栅格矩阵，视其周围的像元能否组成记录单元。若某个像元已成为记录单元的组成部分，则不再重复划分。栅格文件由记录单元的初
始位置（左上角像元的行、列号）和边长，再加上记录单元的代码组成。
? 其特点与游程长度编码相同。
5．四叉树编码
四叉树编码是将整个栅格图像按照4个象限进行递归分割（2n×2 n，且n>1），直至整个图像区逐步分解为一系列具有单一属性的的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元。
                           分割原则：将图像区域划分为四个大小相同的象限，而每个象限又可根据一定终止规则判断是否继续等分为次一层的四个象限。
终止规则：不管是哪一层上的象限，只要划分到仅代表一种地物或符合既定要求的少数几种地物时，则不再继续划分，否则一直划分到单个栅格象元为止。
为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n×2n的栅格阵列。
?四叉树编码的记录方式：
——以美国马里兰大学四叉树编码为例（线形四叉树）
（1）编码中只记录叶结点
（2）使用32位二进制数记录每个叶结点
（3）每个叶结点只记录其地址和属性代码
深度：即处于四叉树的第几层上
路径：每次分割所在的象限代码的组合
?四叉树编码的特点：
①阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树分级多，分辨率高；多边形内部分级少，分辨率低；因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量。
② 树状表示的结构缺乏统一性。用同一形状和大小的多边形可能得出多种不同的四叉树结构，不利于形状分析和模式识别。
三、栅格数据的压缩性
1．栅格像元大小的确定
设图形（地块）内最小多边形的面积为A，则合理的栅格像元的大小（边长H ）为：
H = A0.5/2
2 ．栅格数据的压缩率
设栅格矩阵由i 行、j 列像元组成，像元属性值变化的频率为q，则该栅格矩阵的信息冗余度为Rc：
Rc＝1－ q/(i×j)
?Rc越大，栅格数据的压缩率越高
?Rc越小，栅格数据的压缩率越低
?栅格数据编码总结:
①栅格矩阵法产生的栅格文件是其他压缩编码的逻辑原型。
②数据的压缩以增加运算时间为代价。
③链码的压缩效率较高，已经近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域的性质，区域运算困难；
④游程长度编码既可以在很大程度上压缩数据，又最大限度地保留了原始栅格结构，编码解码十分容易；
⑤块码和四叉树码具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率。
§5.3 矢量数据结构及其编码
一、矢量数据结构（Vector Data Structure）
1．矢量数据结构的概念
通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、面等地理实体，地理空间数据的这种组织方式，称为矢量数据结构。
特点：定位明显、属性隐含
                           2 ．地理实体的表示方法
点实体：用参考坐标系下的一个坐标对表示。(x,y)
线实体：用一系列足够短的、首尾相连的直线段表示，并依次记录这些直线段的首尾坐标——坐标对序列。(x1,y1)…(xn,yn)
面实体：用闭合的线段圈闭成多边形
?计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，效率和精度均较高。
?在叠加运算、邻域搜索等操作时则比较困难。
3 ．矢量数据的获取途径
（1）手工输入
（2）手扶跟踪数字化
（3）屏幕矢量化
（4）栅格数据的转换
（5）其它数据格式的转换
（6）实测数据
二、矢量数据的编码方法
1．点实体的矢量编码
空间位置
属性：非几何属性、显示属性
点实体矢量编码内容：

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2．线实体的矢量编码

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3．面实体的矢量编码
空间位置
拓扑关系(形状、邻域和层次结构)
属性：非几何属性、显示属性
面实体的矢量编码基本要求
①组成地图的每个多边形应有唯一的形状、周长和面积。
②地理分析要求数据结构应能够记录每个多边形的邻域关系。
③专题地图上的多边形并不都是同一等级的多边形，而可能是多边形内的嵌套多边形（次一级）。
（1）坐标序列法

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?坐标序列法的特点
a.坐标序列法文件结构简单，易
于实现以多边形为单位的运算和显示。
b.多边形之间的公共边界被数字化和存储两次，由此产生冗余和碎屑多边形；
c.每个多边形自成体系而缺少邻域信息，难以进行邻域处理，如消除某两个多边形之间的共同边界；
d.岛只作为一个单个的图形建造，没有与外包多边形的联系；
e.不易检查拓扑错误。
（2）树状索引法
该法采用树状索引以减少数据冗余并间接表示邻域信息。
记录所有边界点的点号和坐标对，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。
点号和坐标对——点文件
点索引——线文件
线索引——多边形文件

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?树状索引法的特点
树状索引法消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致的问题。
邻域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到。
编码文件需要以人工方式建立，工作量大且容易出错。
（3）拓扑结构法
要求：在进行矢量编码时，明确反映点、线、面的拓扑关系。
典型方法：
?双重独立地图编码（DIME）
?多边形转换器（POLYVRT）
?地理编码与参考系统的拓扑集成（TIGER）

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?右图的拓扑结构编码可分两步进行
① “多边形－边界线－结点”的拓扑编码表（大—
>小）
多边形－边界线的拓扑关系
多边形边界线
P1c1 ,c3, c7
… …
P4c2 ,c3, c4
边界线－结点的拓扑关系
边界线起点终点边界点坐标
c1N1N2
(x11,y11) …(x1n,y1n)
… … … … …
c7N1N4
(x71,y71) …(x7n,y7n)
② “结点－边界线－多边形”的拓扑编码表（小—>大）
结点－边界线的拓扑关系
结点边界线
N1
c1 ,c5, c7
N2
c1 ,c2, c3
… …
边界线－多边形的拓扑关系
边界线左多边形右多边形
c1
P1P3
… … …
c7
P5P1
拓扑结构图：

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?由大到小和由小到大的拓扑关系应该是一致的，否则编码错误！
?DIME编码
——Dual Independent Map Encoding 双重独立地图编码
——技术贡献：拓扑检查
?拓扑结构法的特点
数据结构紧密，拓扑关系明确，有利于空间数据的拓扑查询和拓扑分析。
公共边界只存储一次，降低了数据冗余。
拓扑关系面向几何要素而不是地理实体，强调几何要素之间的连接关系，而忽视地理实体的完整性和独力性，因此难以表达复杂的地理实体，对实体的操作（增加、删除、修改）效率低，影像对实体的快速查询和复杂的空间分析。
数据结构复杂，不便于系统的维护和更新。

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面实体的一般矢量编码内容
?矢量数据结构总结
① 用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含；
② 用拓扑关系描述空间对象之间的关系；
③ 面向目标操作，精度高，数据冗余度小；
④输出图形质量好，精度高。
⑤ 与遥感影像难以结合；
§5.4 栅格数据与矢量数据的比较和转换
一、两种数据结构的比较
栅格数据矢量数据
优点 ?数据结构及处理算法?数据结构及处理算法均较
简单；
?数学模拟方便；
?叠置分析易实现；
?数据输入费用低；
?易于与遥感影像数据结合。
均较简单；
?数学?数据量小；?能完整描述拓
扑关系；
?表示地理空间数据的精度高；
?网络分析易实现。?图形输出精
确美观；
模拟方便；
缺点 ?叠置分析易实现；?数据量大；
?降低分辨率以减少数据量时，精度和信息量受损；
?投影变换困难；
?难以表达拓扑关系，网络分析难以实施； ?地图输出不美观，线条有锯齿。 ?数据输入?数据结构及处理算法复杂；
?数学模拟困难； ?叠置分析难；
?数据输入费用高；
?与遥感影像数据结合困难。 ?
费用低；

?数据结构选择原则
可获取的数据源种类所需的位置精度所需的空间分析类型输出地图的类型
GIS 中需考虑两种数据结构转换的原因:
?栅格数据与矢量数据各具特点与适用性； ?空间数据库中两种数据类型共存；
?建立同时适应两种数据结构的空间分析模型非常困难； ?GIS的空间分析需基于同一种数据结构。
二、两种数据结构的转换
矢量数据结构向栅格数据结构的转换栅格数据结构向矢量数据结构的转换
1．矢量数据结构向栅格数据结构的转换确定栅格像元的大小:
设图形（地块）内最小多边形的面积为A，则栅格像元的边长H 为：
H = A 0.5
/2

?点实体的转换

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?线实体的转换
线实体由首尾相连的直线段组成，假如某直线段的首尾坐标为(x1,y1)、(x2,y2)两点组
成直线方程：y = ax + b ,以△x为步长（step），扫描直线方程，求出直线上某点坐标（xi，yi），用点实体的转换公式计算该点的行列号I、J，若与前一个点的行列号相同则不计，否则计为新的像元。扫描完所有直线段，则完成整个线实体的转换。

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?面实体的转换
实质：多边形填充（将多边形的属性赋予多边形内部的每个栅格像元）
常用的多边形填充算法：
1）内部点扩散算法
由每个多边形一个内部点（种子点）开始，向其八个方向的邻点扩散，判断各个新加入点是否在多边形边界上，如果在边界上，则该新加入点不作为种子点，否则把非边界点的邻点作为新的种子点与原有种子点一起进行新的扩散运算，并将该种子点赋以该多边形的编号。重复上述过程直到所有种子点填满该多边形并遇到边界停止为止。
2）射线算法
由待判点向四周引射线，判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数。
如相交偶数次，则待判点在该多边形外部；如为奇数次，则待判点在该
多边形内部，将此多边形的属性赋予该点；
射线算法特例
3）扫描算法
扫描算法是射线算法的改进，将射线改为沿栅格阵列列或行方向扫描线，判断与射线算法相似。扫描算法省去了计算射线与多边形边界交点的大量运算，大大提高了效率。
4）边界代数算法
如图所示，多边形编号为a。初始化栅格阵列各栅格值为零，以栅格行列为参考坐标轴，由多边形边界上某点开始顺时针搜索边界线，当边界上行时（图a），位于该边界左侧的具有相同行坐标的所有栅格被减去a；当边界下行时（图b），该边界左边所有栅格点加一个值a，边界搜索完毕则多边形内部所有像元被赋予属性a，外部仍然为0，完成了多边形的转换。

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2．栅格数据结构向矢量数据结构的转换
? 点状实体栅格的矢量化
                           点状栅格数据的矢量化是将栅格点的中心转换为矢量坐标的过程。
对于任何一个栅格点而言，将其行列号I、J转换为其中心点的X、Y的公式：
X = X0 + (J – 0.5)×dx
Y = Y0 + (I – 0.5) ×dy
? 线状实体栅格的矢量化
线状栅格数据向矢量化数据的转换过程是提取弧段栅格序列点中心的矢量坐标的过程。 ? 面状栅格的矢量化
面状栅格数据的矢量化过程就是提取具有相同属性编码的栅格集合的矢量边界及边界与边界之间拓扑关系的过程。
? 多边形边界提取
? 边界线追踪
? 拓扑关系生成
? 去除多余点及曲线圆滑
?面状栅格数据矢量化的一般过程：
a.多边形边界提取
确定边界点和边界结点。
b.边界线追踪
对每个边界弧段由一个结点向另一个结点搜索，通常对每个已知边界点需沿除了进入方向的其他7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段。
c.拓扑关系生成
对于矢量表示的边界弧段数据，判断其与原图上各多边形的空间关系，以形成完整的拓扑结构并建立与属性数据的联系。
d.去除多余点及曲线圆滑
采用一定的插补算法进行光滑处理，常用的算法有：线形迭代法；分段三次多项式插值法等。
                           第六章GIS的基本功能
§6.1数据的输入功能
GIS的数据输入需考虑的问题：
统一的地理数学基础
图形数据的采集
属性数据的采集
图形数据与属性数据的连接
一、统一的地理基础
——GIS空间数据库内地理空间数据的地理基础的一致性
统一的地理坐标系统——应与国家基本比例尺地形图的要求一致！
统一的地图投影系统——应与国家基本比例尺地形图的要求一致！
统一的地理编码系统——指属性数据编码
我国基本比例尺地形图：
1:5000、1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万（高斯投影3°带）、1:100万（高斯投影6°带）
地理坐标系统：1954北京坐标系、1980西安坐标系、兰勃特投影
影响地图投影选取的因素：
制图比例尺
区域的地理位置、形状和范围
二、图形数据的采集
手工输入 ——键盘、鼠标
手扶跟踪数字化输入 ——支持数字化仪
扫描数字化输入 ——支持扫描仪
遥感影像处理和信息提取——与遥感影像格式的兼容空间数据库
数字数据的转换 ——与其它数据格式的兼容
定位测量设备的输入 ——测量设备接口
三、属性数据的采集
属性数据的存储方式采集过程
1、直接记录在栅格或矢量数据文件中属性数据编码
空间数据库
2、单独输入数据库存储为属性文件通过关键码与图形数据相联系
四、图形数据与属性数据的连接
——地理编码（Geocode）
§6.2数据的编辑功能
图形数据的编辑
属性数据的编辑
数据的更新
一、图形数据的编辑
                           a.误差或错误的检查与编辑
b.拓扑关系的建立
c.图幅拼接
数据采集——>空间数据库——>d.遥感影像的解译 ——>空间数据库
e.地图投影转换数
f.据格式的转换
g.图像纠正
二、属性数据的编辑
数据内容的编辑
与图形数据连接的编辑
统计计算与分析报表
三、数据的更新——保持数据的现势性！
图形数据的更新、属性数据的更新
§6.3数据的存储与管理功能
一、计算机数据管理模式及其发展
1. 程序管理阶段程—20世纪50年代
数据面向应用，程序间不能实现数据共享。
2. 文件管理阶段—20世纪60年代
?由文件系统管理数据，应用程序与数据的逻辑结构有关联；
?应用程序直接访问所使用的数据文件；
?数据共享性差。
3. 数据库管理阶段—20世纪70年代
?数据由数据库管理系统（DBMS）统一管理和控制；
?DBMS提供方便的用户接口；
?数据的共享性、独立性高，易扩展，冗余度低
二、数据库的相关概念
1．数据库
为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 2．数据库管理系统（DBMS）
位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。它提供数据库的访问接口。
DBMS的功能：数据库的定义、数据操作、数据库的运行管理、数据库的维护、数据库的通讯
3．数据库系统（DBS）
指使用数据库管理数据的计算机系统。包括：数据库、操作系统、DBMS、应用系统、数据库管理员和用户。
三、数据库的数据组织的分级
1．数据项：数据项是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。
2．记录：记录是由若干相关联的数据项组成，是处理和存储信息的基本单位，是关于一个实体的数据总和，构成该记录的数据项表示实体的若干属性。
3．文件：文件是一给定类型的（逻辑）记录的全部具体值的集合，文件用文件名称标识，文件根据记录的组织方式和存取方法可以分为：顺序文件、索引文件、直接文件和倒排文件等。
                           4．数据库：数据库是比文件更大的数据组织，数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。
四、传统数据库系统的数据模型
数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。每一个具体的数据库都是由一个相应的数据模型来定义。数据模型的主要任务就是研究记录类型之间的联系。
主要有三种类型：层次模型、网状模型、关系模型
1．层次模型
层次次模型所表达的基本联系是一对多的关系，它把数据按其自然的层次关系组织起来，以反应数据之间的隶属关系，将数据组织成有向有序的树结构。
优点：模型层次分明、结构清晰，较容易实现，反映了现实世界中实体间的层次关系
缺点：?对任何对象的查询必须始于其所在层次结构的根，使得低层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询。?数据独立性较差。删除一个记录其所有下属记录也同时被删除。
2．网状模型
网状模型基本特征是在记录之间没有明确的主从关系，任何一个记录可与任意其他多个记录建立联系。网络模型将数据组织成有向图结构。
优点：?与层次模型相比较，大大压缩了数据的存贮量，数据存贮效率高于层次模型；?可以表示实体的多种，关系更为灵活，对确定的数据表示效率高，冗余小；?表示关系复杂的地理数据和具有网络特征的地理实体效果较好。
缺点：?结构复杂，用户查询和定位困难。?不直接支持对于层次结构的表达。?数据更新较为繁琐。
3．关系模型
关系模型是将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表。实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表，把这种二维表叫做“关系”。这些关系表的集合就构成了关系模型。
优点：?数据结构灵活、清晰，可以通过数学运算进行各种查询、计算和修改；?数据描述具有较强的一致性和独立性。
缺点：?实现效率不够高，重构数据的操作费时；?不允许嵌套元组和嵌套关系存在；?模拟和操纵复杂对象的能力较弱。
五、空间数据库
1．空间数据库特点
空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：
（1）数据量特别大。——海量数据
（2）不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。
（3）数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。
2．传统数据库系统管理地理空间数据的局限性
(1)传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理空间数据是连续的，并且具有很强的空间相关性。
(2)传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空间关系；而地理空间数据的实体类型繁多，实体类型之间存在着复杂的空间关系，并且还能产生新的关系(如拓扑关系)。
                           (3)传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录的数据；而地理空间数据通常由于不同空间目标的坐标串长度不定，具有变长记录，并且数据项也可能很大，很复杂。
(4)传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息；而空间数据库中需要有大量的空间数据操作和查询，如相邻、连通、包含、叠加等。
3．GIS的空间数据管理方案
目前，大多数商品化的GIS软件都不是采取传统的某一种单一的数据模型，也不是抛弃传统的数据模型，而是采用建立在关系数据库管理系统(RDBMS)基础上的综合的数据模型，归纳起来，主要有以下三种管理解决方案：
文件关系数据库混合管理方案
全关系式数据库管理方案
扩展关系数据库管理方案
文件关系数据库混合管理方案
图形数据和属性数据分开存储，数据的完整性有可能遭到破坏。
属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索比较可靠、有效；
图形数据采用图形文件管理，功能较弱，特别是在数据的安全性、一致性、完整性、并发控制方面，比商用数据库要逊色得多。
GIS软件：Arc/Info，MGE，SICARD、GENEMAP等。
全关系式数据库管理方案
属性数据、图形数据同时采用关系式数据库进行管理
空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快
属性数据间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作
GIS软件：System9，Small World、Geovision等
扩展关系数据库管理方案
在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。
解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高
用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储 GIS软件：TIGER，Geo++、Geo Tropics等
MapInfo的数据库方案——。。。
对空间数据库的总结：
?空间数据库系统必须具备对地理对象(大多为具有复杂结构和内涵的复杂对象)进行模拟和推理的功能。
?可将空间数据库技术视为传统数据库技术的扩充；
?空间数据库突破了传统数据库理论(如将规范关系推向非规范关系)，其实质性发展必然导致理论上的创新。
§6.4空间查询与空间分析功能
①物体A在何处? ——空间查询
                           ②物体B是做什么用的？——空间查询
③物体A处于物体B的什么地方? ——空间查询
④具有属性A的地块的面积是多少? ——空间量算
⑤B地物的形状怎样(面积周长比)? ——空间量算
⑥各种空间数据的交、并运算结果是什么? ——空间分析
⑦各种空间数据叠加运算后结果是什么? ——空间分析
⑧具有一定属性组合的物体与什么物体相邻? ——空间分析
⑨按某属性组合如何将物体重新分类？ ——空间分析
?空间分析和空间查询是GIS系统的重要功能之一,是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。空间查询和分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括空间坐标和非几何属性两部分。
?GIS的空间查询和空间分析能力来自于对地理空间数据的分析、变换功能。
——数据变换与分析模块
一、空间量算
空间信息的自动化量算是地理信息系统所具有的重要功能，也是进行空间分析的定量化基础。其中的主要量算有：
?几何量算 ?形状量算 ?质心量算 ?距离量算
1. 几何量算
几何量算对点、线、面目标物而言，其内容不同：
点状目标：坐标；
线状目标：长度、曲率、方向；
面状目标：面积、周长等
线的长度计算：……
面状地物的面积：……
几何交叉处理方法：沿多边形的每个顶点作垂直与X轴的垂线，然后计算每条边、它的两条垂线及这两条垂线所截得X轴部分所包围的面积，向右（左）为正，向左（右）为负，所求出的面积的代数和的绝对值，即为多边形面积。
2. 形状量算
地物外形是影像处理中模式识别的一个重要部分。例如海岸线的外形是岛屿的重要特征，森林中不同类型的土地外形对野生生物显得非常重要。目标物的外观是多变的，很难找到一个准确的量对其进行描述。
基本考虑：空间完整性、多边形形状特征。
第一种量算方法：首先统计线段的总长度得到多边形的周长，然后与同该多边形面积相同的圆的周长进行比较。将多边形周长与圆周长相除得到一个参数，用以比较多边形的不同。如：多边形长、短轴之比，周长面积比，面积长度比等。
第二种量算方法：如果认为一个标准的圆目标既非紧凑型也非膨胀型，则可定义其形状系数为： r=P/(2*(π ? A)0.5)
其中，P为目标物周长，A为目标物面积。如果r＝1，目标物为一标准圆；r＞1，目标物为膨胀型。
3. 质心量算
定义：保持目标均匀分布的平衡点，一般为多边形的几何中心或重心。计算公式：
                           ∑∑==i i y )/1( x )/1(N Y N X G G
?某些情况下，质心为加权平均中心
∑∑∑
∑=
=
i
i
i G
i
i i G
w
y w Y w x w X
应用: a.跟踪某些地理分布的变化，如人口变迁、土地类型变化等。
b.简化复杂目标的模型建立等
4. 距离量算：
n 维匀质空间广义距离公式：
()()
[
]
k
k j i k
j i Y Y X X d 1?+?=
K 为阻力参数
?当k＝1时：
j i j i ij y y x x d ?+?=——曼哈顿距离
?当k＝2时：
22)()(j i j i ij y y x x d ?+?=——欧氏距离
?当k＝0.6时：
[]
6
.0/16
.06.0)()(j i j i ij y y x x d ?+?=——非标准欧氏距离
二、空间查询 1. 简单查询
?按属性信息的要求来查询定位空间位置，称为“属性查图形”。 ?根据对象的空间位置查询有关属性信息，称为“图形查属性”。 2. 拓扑空间查询面面查询：
面面查询：如与某个多边形相邻的多边形有哪些。面线查询：如某个多边形的边界有哪些线。面点查询：如某个多边形内有哪些点状地物。
线面查询：如某条线经过（穿过）的多边形有哪些，某条链的左、右多边形是哪些。线线查询：如与某条河流相连的支流有哪些，某条道路跨过哪些河流。线点查询：如某条道路上有哪些桥梁，某条输电线上有哪些变电站。点面查询：如某个点落在哪个多边形内。点线查询：如某个结点由哪些线相交而成。三、空间分析 1. 叠置分析
在统一的空间参照系下，将两个或多个数据图层进行叠加，以确定地理实体之间的空间
对应关系或生成具有多重属性特征的新实体。这种空间分析方法，称为叠置分析。
实质：分析具有不同属性实体的相互空间关系和属性关系。
（1）视觉信息叠加
将不同侧面的信息内容叠加显示在结果图件或屏幕上，以便研究者判断其相互空间关系，获得更为丰富的空间信息。?点状图，线状图和面状图之间的叠加显示。?面状图区域边界之间或
                           一个面状图与其他专题区域边界之间的叠加。?遥感影象与专题地图的叠加。?专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体专题图。视觉信息叠加不产生新的数据图层！
（2）点与多边形叠加计算
多边形对点的包含关系。分析点是否落在多边形内或某多边形包含那几个点，然后将点的属性赋予多边形或将多边形的属性赋予点。例如将一个中国政区图（多边形）和一个全国矿产分布图（点）叠加：?将点的属性赋予多边形——查询某省有哪几种矿产；?将多边形的属性赋予点——查询某种矿产在哪些省里有分布。点与多边形叠加不产生新的数据图层！
（3）线与多边形叠加
判断线与多边形是否相交，只要相交，就产生一个结点，将原线打断成一条条弧段，并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段。——查询某多边形内指定线种类的总长度线与多边形叠加产生新的数据图层！
（4）多边形与多边形叠加
根据不同图层上的多边形的边界的交点，创建有多重属性的新多边形。多边形与多边形叠加产生新的数据图层！
2. 缓冲区分析
根据地理对象点、线、面的空间特性，自动建立对象周围一定距离的区域范围（缓冲区域），以分析该对象对缓冲区内邻近对象的影响程度。这种空间分析方法，称为缓冲区分析。
缓冲区分为：点缓冲区、线缓冲区、面缓冲区
缓冲区分析三要素：
（1）主体
（2）主体的作用条件
（3）邻近对象
应用：分析某地理要素（主体）对邻近对象的影响程度、影响范围
3. 网络分析
依据网络元素的拓扑关系（线实体之间、线实体与结点之间、结点与结点之间的连接连通关系），考查网络元素的空间及属性数据特征，对网络的性能进行分析评估的分析计算方法，称为网络分析。
网络的基本组成部分
链（Link）：供物体运移的通道
节/结点（Node）:网络中链的端点或任意两条链的交点。结点中又有下面几种特殊的类型：中心（Center）：接受或分配资源的位置，有源、汇之分
站点（Stop）：资源中转站
障碍（Barrier）：资源不能通过的节点
拐点（Turn）：资源流向发生改变处，出现在网络链中的分割结点上
网络的主要属性：阻强、资源需求量、资源容量
应用：
选择最优路径、资源调配、地址匹配
1）路径分析：求最优路径 ?最优状态：静态、动态；?最优目标：距离最短路径、时间最短路径、耗费最低路径；?最优数量：1条、N条
2）资源分配?负荷设计?时间和距离估算
3）连通分析
4. 地形分析——DTM & DEM
                           （1）数字地形模型——DTM（Digital Terrain Model）
数字地面模型是描述地球表面形态多种属性信息空间分布的有序数值阵列，是通过地表点的空间坐标及属性数据集合表示地形特征的地学模型。
DTM＝{Zx,y}
其中，Zx,y为平面坐标为（x,y）的点的地形属性数据。地形属性数据包括：高程、坡度、坡向、坡度变化率。
与DTM相近的术语：
德国：DHM (Digital Height Model)
英国：DGM(Digital Ground Model)
美国地质测量局USGS：DTEM (Digital Terrain Elevation Model)
（2）数字高程模型——DEM （Digital Elevation Model）
当数字地形模型（DTM）中地形属性数据为高程时，DTM称为数字高程模型。
数字高程模型是描述地球表面高程分布的有序数值阵列，是通过地表点的空间坐标及高程集合表示地形特征的地学模型。
DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出！
国家地理信息的基础数据：
数字线化图(DLG，Digital Linear Graphs)
数字高程模型(DEM，Digital Elevation Models)
数字正射影像(DOQ，Digital OrthophotoQuadrangles)
数字栅格图(DRG，Digital Raster Graphs)
前三种构成了国家空间数据基础设施框架数据！
（3）DEM的主要表示模型
①规则格网模型：规则网格通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。
DEM＝｛Zi,j｝i=1，2，…m-l，m；j＝1，2，…n-1,n
②等高线模型：每一条等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起构成了一种地面高程模型。
?等高线通常被存成一个有序的坐标点对序列，可以认为是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。
③不规则三角网模型（TIN——Triangulated Irregular Network）
TIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到.
?TIN可根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置
?能充分表示地形特征点和线
?减少了地形较平坦地区的数据冗余。
（4）建立DEM的数据源及采集方法
①以航空或航天遥感图像为数据源由航空或航天遥感立体像对，用摄影测量的方法建立空间地形立体模型，量取密集数字高程数据，建立DEM 。
?SRTM计划——雷达干涉测量
SRTM Level-2地形高程数据集：数字商程数据是在任务中通过C波段数据采集而产生
                           的。每一个数据点代表一个高程点，水平基准面是WGS84椭球模型。绝对水平和高程精度分别为20米和16米；高程数据间隔为1弧秒，约30米。
②以地形图为数据源主要以比例尺不大于1：1万的国家近期地形图为数据源，从中量取中等密度地面点集的高程数据，建立DTM。
手工方法、手扶跟踪数字化仪采集、扫描数字化仪采集
③以地面实测记录为数据源利用自动记录的测距经纬仪（常用电子速测经纬仪或全站经纬仪）在野外实测，建立DEM。
（5）DTM在地图制图与地学分析中的应用
①利用DEM绘制等高线图
利用DEM绘制等高线图，是以格网点高程数据或者将离散的高程数据由栅格追踪法原理转换为矢量等值线所产生的。该方法可以适用于所有的利用格网数据方法绘制等值线图。
②利用DEM绘制地面晕渲图
晕渲图是以通过模拟实际地面本影与落影的方法有效反映地形起伏的重要的地图制图学方法。
③绘制立体透视图反映地形的立体形态。
④通视分析
⑤地形分析：
a.坡度和坡向分析
b.地表粗糙度的计算
c.地表曲率（坡度变化率）的计算
d.谷脊特征分析地面坡度图地面坡向图
⑥计算表面积、土方量、绘制地形剖面图
§6.5 地理信息的显示与表达功能
地理系统信息产品输出
屏幕显示
打印机输出
绘图机输出
电子地图的编制
?信息输出硬件的特点
设备图形输出方式精度特点
矢量绘图机矢量线划高适合绘制一般的线划地图，还可以进行刻图等
特殊方式的绘图
喷墨打印机栅格点阵高可制作彩色地图与影像地图等各类精致地图制
品。
高分辨彩显屏幕像元点阵一般实时显示GIS的各类图形、图像产品。
行式打印机字符点阵差以不同复杂度的打印字符输出各类地图，精度
差，变形大。
胶片拷贝机光栅较高可将屏幕图形复制至胶片上，用于制作幻灯片
或正胶片。
?地理信息系统输出产品的类型
地图、图像、统计表、三维多媒体虚拟现实、电子地图、专题地图
专题地图：
                           专题地图是突出地表示一种或几种自然现象和社会经济现象的地图。按内容可分为三大类：
自然地图、社会经济地图和其他专题地图。自然地图：表示自然界各种现象的特征、地理分布及其相互关系，如地质图、水文图等；
社会经济地图：表示各种社会经济现象的特征、地理分布及其相互关系，如人口图、行政区划图等；
其他专题地图：指不属于上述二类的专题地图，如航海图、航空图等。
电子地图：
产生于20世纪80年代中期，它随着数字地图及GIS技术的发展和应用，随着计算机视觉化研究的深入应运而生，侧重于空间信息的表现与显示。电子地图与全球定位系统（GPS）集成，在航天、航空、军事领域以及汽车导航中也发挥着十分广泛的作用。
电子地图的特点：
电子地图是以地图数据库为基础，以数字形式存贮在外存贮器上，并能在屏幕上快速显示的可视地图。电子地图的主要特点是：快速、动画显示；生产周期短；检索十分方便编辑修改容易；动态模拟；通讯传送简便；量测自动化。
电子地图的生成：数据采集、数据处理、符号化
电子地图的显示：目前电子地图的显示，广泛应用光栅扫描图形显示器。屏幕电子地图的显示，实质就是存贮于帧存贮器中的象素矩阵在监视器屏幕上的映射。显示模块包括检索方式、属性查询、静态显示、动态显示、图形缩放、翻页和产品输出等功能。
                           第七章GIS工程设计
§7.1 GIS设计概述
GIS的分类：
专题GIS
区域GIS
GIS工具（GIS TOOLS）——应用型GIS、工具型GIS
工具型GIS：
通用型GIS，提供通用的GIS操作平台，一般没有地理空间实体，由用户根据目的和需要，以其为基础进行进一步的设计和二次开发，达到解决实际问题的目的。如：ArcGis，MapInfo，MapGis
应用型GIS：
以工具型GIS为基础，设计、开发的具有解决实际问题能力的GIS。
GIS的特点：
（1）多学科交叉的边缘学科，涉及的专业知识广。
（2）以空间数据为主，兼有专业属性数据，数据结构复杂，数据量大。
（3）以应用为目的，针对不同的领域有不同的GIS。
（4）以空间分析、统计处理为手段，辅助决策为目的。
GIS的设计、开发和应用是一项复杂的系统工程，涉及“系统”的诸多方面：
（1）系统的优化设计
（2）系统的控制运行
（3）系统的管理
（4）系统资源（人、财、物）的配置与组织
——一个完整的GIS的建立过程，不是简单的原理或方法的应用，而是基于系统化思想指导下的工程化的建立过程！
GIS设计的模式：
结构化的系统设计模式——Calkins在1972年地理数据处理学术会议上提出
结构化——有组织,有计划,有规律的一种安排。
结构化系统分析方法——利用一般系统工程分析法和有关结构概念,把它们应用于地理信息系统的设计,采用自上而下划分模块、逐步求精的系统的分析方法。
结构化的基本思想：
系统的观点
调研的观点
结构化的观点
面向用户的观点
系统的观点：
首先要从总体出发，考虑全局的问题，然后再自上而下，一层一层的完成系统的研制，这是结构化的思想核心。
调研的原则：
只有先进行调查研究，了解用户的需求，掌握必要的数据，才能进行系统分析,做出合理的设计。调查研究是GIS设计的基本原则。
结构化的方法:
GIS的逻辑设计,应采用结构化的方法,包括: 分析信息流程,绘制数据流程图；根
                           据数据的规范,编制数据字典;；根据概念结构的设计,确定数据文件的逻辑结构；选择系统执行的结构化语言
面向用户的观点:
地理信息系统类型的选择,很大程度上取决于使用部门的工作性质、工作领域以及该领域内的应用范围和应用期限。另外,用户的技术选择,用户的财力和人力的费用等,都是设计地理信息系统需要考虑的内容。
地理信息系统设计要满足的三个基本要求：
加强系统的实用性
降低系统开发和应用的成本
提高系统的生命周期
§7.2 GIS设计与开发的步骤
GIS设计与开发的四个阶段：
系统分析——“做什么？”
系统设计——“怎么做？”
系统实施——“做！”
系统维护及评价——“做的怎样？”
一、系统分析
1、用户需求分析
调查用户部门或其它有关部门对相应GIS系统的信息需求情况。
从上至下调查用户部门各级机构在目前和将来发展业务上需要些什么信息；
从下自上调查他们完成本部门专业活动所需要的数据和所采用的处理手段，以及为改善本部门工作进行了哪些实践活动等。
收集他们对本部门的业务活动实现现代化的设想与建议。
可能碰到的用户类型：
（1）能明确提出要求。这类用户希望用GIS来实现现有工作业务的现代化，改善数据采集、分析、表示方法及过程，并用以对工作领域的前景进行评估，以及对现有技术方法更新改造等。
（2）不十分明确提出要求，提出要求不合理，或者要求与投入矛盾极大。
（3）不能提出具体要求，只是跟风炒作。
2、系统目的和任务
①空间信息管理与制图；
②空间指标量算；
③空间分析与综合评价；
④空间过程模拟。
3、数据源调查和评估
种类、数量、精度、收集方法——工作量估计
4、评价地理信息系统的年处理工作量、数据库结构和大小、GIS的服务范围、输出形式和质量等。
5、系统的支持状况
部门管理者的态度
工作人员对建立GIS的支持情况；包括有多少人力可用于GIS系统，人员的知识结构等；
                           财力支持情况包括组织部门所能给予的当前的投资额及将来维护GIS的逐年投资额等。
根据上述调查结果确定GIS的可行性及GIS的结构形式和规模，估算建立GIS所需投资和人员编制等。——可行性分析
可行性分析就是根据社会、经济和技术条件，确定系统开发的必要性和可能性，主要进行①效益分析；②经费估算；③进度预测；④技术水平的支持能力；⑤有关部门的支持程度等。?系统分析的重要性：
根据美国一些软件公司的统计资料，在后期引入一个变动比在早期引入相同变动所需付出的代价高 2～3个数量级。
二、系统设计
（1）功能设计：根据系统研制的目标，确定系统必须具备的空间操作功能。
（2）数据设计：数据分类和编码，完成空间数据的存储和管理。
（3）应用设计：系统的建模和产品的输出。
①硬件配置与选购；
②数据库设计；
③软件设计
1）模块设计2）代码设计3）数据库设计4）数据获取方案设计5）界面设计6）输入输出设计7）程序模块设计8）安全性设计9）实施方案设计
三、系统实施
1. 程序编制与调试
2. 数据采集与数据库建立
3. 人员技术培训，编制用户手册
4. 系统测试
四、系统维护及评价
1 . 维护：〈1〉纠错〈2〉数据更新〈3〉完善与适应性维护〈4〉硬件设备维护
2 . 评价：
评价的主要内容：系统效率、系统可靠性、可扩展性、可移植性、系统效益
系统效率：是通过系统的各种职能指标、技术指标和经济指标反映出来的。例如：系统操作是否方便快捷,系统出错率如何，资源的使用效率高低等等。
系统可靠性：是指系统在运行时的稳定性。可靠性好的系统，一般很少发生事故，即使发生事故也能很快修复。可靠性还包括系统有关的数据文件和程序能否妥善保存，系统是否有后备体系等。
系统可扩展性：任何系统的开发都是从简单到复杂的不断求精和逐步完善的过程,特别是地理信息系统常常是从清查和汇集空间数据开始,然后逐步演化到从管理到决策的高级阶段,功能逐步增加和提高.因此,要在现行系统上不做大的改动或不影响整个系统的情况下增加功能模块,就必须在系统设计时留有接口,否则,当数据增加或功能增加时,系统就要重新设计,这就是一个没有生命力的系统。
系统可移植性：是评价地理信息系统的一项重要指标。一个有价值的地理信息系统的软件和数据库,不仅在于它自身结构的合理,还在于他对环境的适应能力。这首先要求系统必须按国家规范标准设计,以保证软件和数据的匹配,交换和共享.此外,在地理信息系统软件的设计中,采用自上而下的结构设计,即首先将与软件,硬件有关的公用子程序列出,在列出与软件,硬件无关的子
                           程序,最后组成软件系统,也可提高软件开发的可移植性。
系统效益：
经济效益---体现:促进生产和产值的提高,减少盲目投资,降低工时耗费,减轻灾害损失等.
社会效益---体现:信息共享的效果,地学综合能力的发展,应用系统的模型化,工作时间的缩短等。
§7.3 GIS的运行及管理
1．日常操作
2 ．数据更新
3 ．功能扩充
GIS设计与开发周期的各个阶段：

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§7.4 应用型GIS的开发方法
?独立开发
?单纯二次开发
?集成二次开发
一、独立开发：
指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如Visual C++、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS工具软件，减少了开发成本，但一方面对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化GIS工具软件相比，而且在购买GIS工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。
二、单纯二次开发：
指完全借助于GIS工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如ESRI的ArcView提供了Avenue语言，MapInfo公司研制的MapInfo Professional提供了MapBasic语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原GIS工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言，作为编程语言只能算是二流，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意。
三、集成二次开发
指利用专业的GIS工具软件，如ArcView、MapInfo等，实现GIS的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如Visual C++、Delphi、Visual Basic、PowerBuilder等为开发平台，进行二者的集成开发。——GIS控件
集成二次开发的优点: 既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、便于维护。这种方法唯一的缺点是前期投入比较大，需要同时购买GIS工具软件和可视化编程软件。
三种开发方法的对比：
应用GIS开发的主流方向由于独立开发难度太大，单纯二次开发受GIS工具提供的编程语言的限制差强人意，因此结合GIS工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就成为GIS应用开发的主流。

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