1、第一章 GIS 緒論第一節(jié) GIS 的基本概念一、數(shù)據(jù) 通過數(shù)字化或直接記錄下來的可以被鑒別的符號，是用以載荷信息的物理符號，在計算機化 的地理信息系統(tǒng)中， 數(shù)據(jù)的格式往往和具體的計算機系統(tǒng)有關， 隨載荷它的物理設備的形式而改變。數(shù)據(jù)特點：數(shù)據(jù)只有對實體行為產生影響時才成為信息。GIS建立，首先收集數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行處理，即對數(shù)據(jù)進行運算、排序、轉換、 分類、增強等，其目的就是為了得到數(shù)據(jù)中包含的信息。對同一數(shù)據(jù)每個人的解釋可能不同， 因而獲得信息量的多少與人的知識水平和經驗有關。二、信息狹義信息論:信息是人們獲得信息前后對事物認識的差別。廣義信息論:信息是指主體（人、生物和機器）與外部客體

2、（環(huán)境、其它人、生物和機器）之間相 互聯(lián)系的一種形式。是主體和客體之間一切有用的消息和知識，是表征事物特征的一種普 遍形式。課程定義：信息是用文字、數(shù)字、符號、語言、圖像等介質來表示事 件、事物、現(xiàn)象等的內 容、數(shù)量或特征，從而向人們（或系統(tǒng)）提供關于現(xiàn)實世界新的事實和知識，作為生產、 建設、經營、管理、分析和決策的依據(jù)。信息特點：客觀性：與客觀事物緊密相聯(lián)系的；適用性：信息對決策是十分重要；傳輸性：信息可以在信息發(fā)送者和接受者之間傳輸， 既包括系統(tǒng)把有用信息送至終端設 備（包括遠程終端），和以一定形式提供給有關用戶，也包括信息在系統(tǒng)內各子系統(tǒng)之間的傳輸 和交換。共享性：信息可傳輸給多個戶，實

3、現(xiàn)用戶共享，本身并無損失，因此使其成為當代社會 發(fā)展的一項重要資源。信息與數(shù)據(jù)不可分離；信息是數(shù)據(jù)的內涵，而數(shù)據(jù)是信息的表達；數(shù)據(jù)是信息的載體。三、地理信息 地理信息是有關地理實體的性質、特征和運動狀態(tài)的表征和一切有用的知識，它是對表達地 理特征與地理現(xiàn)象之間關系的地理數(shù)據(jù)的解釋。地理信息特點：空間分布性：屬于空間信息，其位置的識別是與數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的，這是地理信息區(qū)別 于其它類型信息的最顯著的標志。具有多維結構的特征： 即在二維空間的基礎上實現(xiàn)多專題的第三維結構， 而各個專題型 實體型之間的聯(lián)系是通過屬性碼進行的，這就為地理系統(tǒng)各圈層之間的綜合研究提供了可能。時序特征十分明顯：可以按照時間尺

4、度將地理信息劃分為超短期的（如臺風、地震）、短 期的（如江河洪水、秋季低溫）、中期的（如土地利用、作物估產）、長期的（如城市化、水土流失）、 超長期的（如地殼變動、氣候變化）等。這對地理事物的預測、預報，從而為科學決策提供依據(jù) 很重要。具有豐富的信息：GIS數(shù)據(jù)庫中不僅包含豐富的地理信息，還包含與地理信息有關的其 它信息，如人口分布、環(huán)境污染、區(qū)域經濟情況、交通情況等等。紐約市曾經對其數(shù)據(jù)庫進行 了調查，發(fā)現(xiàn)有80%以上的信息為地理信息或與地理信息有關。四、地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)（GIS , Geographic Information Systems）是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對現(xiàn)實

5、世界（資源與環(huán)境）的研究和變遷的各類空間數(shù)據(jù)及描述這些空間數(shù)據(jù)特性的屬性進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)，它作為集計算機科學、地學、測繪遙感學、環(huán) 境科學、城市科學、空間科學、信息科學和管理科學等為一體的新興邊緣學科而迅速地興起和發(fā)展 起來。GIS重視對拓撲結構的管理，重視拓撲關系的自動生成 ，強調與空間相關的查詢統(tǒng)計， 強調空間分析，強調三維模型分析。地理信息系統(tǒng)中“地理”的概念并非指地理學， 而是廣義地指地理坐標參照系統(tǒng)中的坐 標數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及以此為基礎而演義出來的知識。GIS的特點：具有采集、管理、分析和輸出等能力以地學研究和地學決策為目的，以地學模型方法為手段

6、，具有空間分析、多要素綜合分 析和動態(tài)預測的能力；可產生高層次的地理信息具有公共的地理定位基礎， 所有地理要素， 要按經緯度或者特有的坐標系統(tǒng)進行嚴格的 空間定位，才能使具有時序性、多維性、區(qū)域性特征的空間要素進行復合和分解，將隱含其中 的信息變?yōu)轱@示表達，形成空間和時間上連續(xù)分布的綜合信息基礎，支持空間問題的處理與決由計算機系統(tǒng)支持進行空間地理數(shù)據(jù)管理， 并由計算機程序模擬常規(guī)的或專門的地理分 析方法，作用于空間數(shù)據(jù)，產生有用信息，完成人類難以完成的任務。地理信息系統(tǒng)從外部來看， 它表現(xiàn)為計算機軟硬件系統(tǒng)； 而其內涵確是由計算機程序和 地學數(shù)據(jù)組織而成的地理空間信息模型，是一個邏輯縮小的、高

7、度信息化的地理系統(tǒng)。信息的 流動及信息流動的結果，完全由計算機程序的運行和數(shù)據(jù)的交換來仿真。GIS分類:專題地理信息系統(tǒng)（Subject GIS）:具有有限目標和專業(yè)特點的GIS。為特定的專門的 目的服務，如水資源管理信息系統(tǒng)、礦產資源信息系統(tǒng)、農作物估產信息系統(tǒng)、草場資源管理 信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)、環(huán)境管理信息系統(tǒng)等。區(qū)域地理信息系統(tǒng)（Regional GIS）：主要以區(qū)域綜合研究和全面信息服務為目標。如 國家級、地區(qū)級、市級或縣級等。地理信息系統(tǒng)工具（GISTools）：它是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存儲管理、查詢檢索、 分析運算和多種輸出等地理信息系統(tǒng)基本功能的軟件包。GIS分類體系

8、：見圖表1地理信息系統(tǒng)的研究內容：概念、定義、內涵 信息論分析理論體系構成、特點、功能.任務 發(fā)展歷史發(fā)展方向硬件配置數(shù)據(jù)結構 輸入輸出系統(tǒng)見圖表2非空間信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)空閭倍息系貌全球 G1SS區(qū)域 GIS研丸范圍數(shù)據(jù)模型柵格 cns圖表 i數(shù)于地球地理信息系統(tǒng)一技術系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)管理用戶界面地理信息系統(tǒng)工具 微機地理信息系統(tǒng)應用系統(tǒng)設計應用方法專題分析檢驗GIS 與遙感結合地學專家系統(tǒng)圖表 2基本理論第二節(jié)地理信息系統(tǒng)構成地理空間數(shù)據(jù)：地理空間實體包括點、線、面、曲面和體等多種數(shù)據(jù)類型。矢量化前準備工作：幾何糾正；投影變換。GPS硬盤陣列全站儀專用設備繪圖儀輸入設備處理設備輸出設備掃描儀鍵盤

9、=鼠標解析和數(shù)字 攝蠹測量儀器全數(shù)字攝影測量工作站遙感與遙感 團象處理系繞終端存儲設備常規(guī)設備服務器工作站數(shù)字化儀打印機（系統(tǒng)調用、設箱運行、網絡等）圖表 3 計算機硬件系統(tǒng)標準軟件（圖形數(shù)據(jù)庫等）系統(tǒng)庫（編程語言，數(shù)學庫等）羨基礎軟件圖表 4 計算機軟件系統(tǒng)GIS軟件GIS第三節(jié) GIS 基本功能數(shù)據(jù)采集、輸入和編輯空間查詢功能疊加分析功能數(shù)據(jù)顯示與輸出典型的GIS功能框架圖： 見圖表5數(shù)據(jù)采集與輸入：見圖表6GIS的“分層”概念：略 空間查詢功能：略 疊加分析：略 緩沖區(qū)分析：略 網絡分析：略 地形分析：略 數(shù)據(jù)顯示與輸出：略GIS基本功能的實現(xiàn)過程：見圖表7圖表 5 一個典型的 GIS

10、功能框架圖現(xiàn)實世界空間數(shù)據(jù)庫編輯接邊、分層、圖形與 屬性連接、加注記等解析測圖儀數(shù)字化儀圖表 6 數(shù)據(jù)采集與輸入報遙象字、圖文告感等文件警數(shù)據(jù)獲取/數(shù)據(jù)輸出H交互展示|原始數(shù)拯I空間查詢空間分析空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)編輯投彩變換結構化數(shù)搖制圖、表格圖表 7 GIS 基本功能的實現(xiàn)過程第二章地理空間信息基礎、地圖的分幅和編號地圖的分幅：矩形分幅：每幅地圖的圖廓都是一個矩形，因此，相鄰圖幅是以直線劃分的。經緯線分幅：地圖的圖廓由經緯線構成。當前世界各國地形圖和大區(qū)域的小比例尺分幅地圖所采用的主要分幅形式分幅類型優(yōu)點缺點矩形分幅1圖幅之間結合緊密，便于拼接使用，各圖幅的印刷面 積可以相對平衡有利于充分利用紙

11、張和印刷機的版面；2可以使分幅有意識地避開重要地物，以保持其圖形在 圖面上的完整。1整個制圖區(qū)域只能一次 投影構成；2圖幅的地理位置不易精 確描述。經緯線分幅1每個圖幅都有明確的地理位置概念；2適用于很大范圍（全國、大洲、全世界）的地圖分幅。經緯線被描述成曲線 時，圖幅拼接不方便。地圖的編號：自然序數(shù)編號法：將分幅地圖按自然序數(shù)順序編號。它可以是從左到右，自上而下，也 可以是其他的排列。（見圖1）行列式編號法：將制圖區(qū)域劃分為若干行和列，并相應地按數(shù)字或字母順序編上號碼， 行和列號碼的組合即為圖之編號。（見圖2）行列-自然序數(shù)編號法：它是行列式和自然序數(shù)式相結合的編號方法。世界各國地形圖多采用

12、這種方式編號即在行列式編號的基礎上，用自然序數(shù)或字母代表詳細劃分的較大比例尺的代碼，兩者結合構成分幅 圖的編號。（見圖 3）458、坐標系地理空間坐標系：（如右圖所示）地理坐標系是以地理極（北極、南極）為極點。通過A點作橢球面的垂線，稱之為過A點的法線。法線與赤道面的交角，叫做A點的緯度恢過A點的子午面與通過英國格林尼治天文臺的子 午面所夾的二面角，叫做A點的經度入。xxxxxxxxxx1：100刀圖細彷號數(shù)字碼； MMMMiMBBIBBIi1：100刀胡頼列號效字碼iw -H- -H- ws-1-w- 比桝尺代硏;陽嘲列I號藪字碼r_ _K- WV W- -K-WKltufr號數(shù)字円圖片 3

13、 行列-自然序數(shù)編號法、等高線等高線：是地面上高程相同的相鄰點所連成的一條閉合曲線AHhtft圖上按基本等高 距描繪的等高線相鄰等高線之間的 高差稱為等高距， 一股用h表示個別緩坡帶，基本竽高線 不足以顯示局部地貌特征時 披1/2基本等高距用鹿線加 繪半距等高線每隔5條胃曲線加 粗一條等高線，并 注有高程也叫輔助等高線”通常 按”4等高距描繪等高 線，但也可以按任意高 度描繪等高線助曲線 用以表簸首曲線和間曲 線尚無法表示的重建地貌”在圖上以短虛線描 繪坐標參考系統(tǒng)一平面系統(tǒng): 見圖4高斯-克呂格投影分帶示意圖：我國的125萬1:50萬地形圖采用6分帶投影，1:1萬及更大比例尺地形圖采用3分帶

14、投 影，以保證地圖必要的精度。圖片 5 高斯-克呂格投影分帶示意圖注：IJ直接建立在球體上的土也理坐標，用 經度和緯度表達地理對象位置曹建立在平面上的直角坐標系統(tǒng)，用 （刃表達地理對象位萱圖片 4 坐標參考系統(tǒng)一平面系統(tǒng)坐標系種類很多，但與地圖測繪密切相關的有地理坐標系和平面坐標系。我國的大地坐標系：1954北京坐標系：新中國成立后，很長一段時間采用1954年北京坐標系統(tǒng)，它與蘇聯(lián)1942年建立的以普爾科夫天文臺為原點的大地坐標系統(tǒng)相聯(lián)系，相應的橢球為克拉索夫斯基橢 球。到20世紀80年代初，我國已基本完成了天文大地測量，經計算表明，54坐標系統(tǒng)普遍低于我國的大地水準面，平均誤差為29米左右。

15、 1980國家大地坐標系：1980年國家大地坐標系采用地球橢球基本參數(shù)為1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第十六屆大會推薦的數(shù)據(jù)。該坐標系的大地原點設在我國中部的陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，位于西安市西北方向約60公里，故稱1980年西安坐標系，又簡稱西安大 地原點。基準面采用青島大港驗潮站1952-1979年確定的黃海平均海水面（即1985國家高程基準）。平面坐標系：將橢球面上的點通過地圖投影的方法投影到平面上，通常使用平面坐標系，即平面極坐標 系和平面直角坐標系。平面極坐標系：用某點至極點的距離和方向（矢量角）表示該店的方法，稱為極坐標法。平面直角坐標系：是用直角坐標原理確定一點的平面位置的方

16、法，測繪中所使用的直角 坐標系與數(shù)學中的有所不同，即X軸和Y軸互換了位置，以便角度角從X軸開 始按順時針方向計量。四、地圖投影將地球橢球面上的點映射到平面上的方法，稱為地圖投影 為什么要進行投影？地理坐標為球面坐標，不方便進行距離、方位、面積等參數(shù)的量算；地球橢球體為不可展曲面；地圖為平面，符合視覺心理，并易于進行距離、方位、面積等量算和各種空間分析。投影實質：建立地球橢球面上經緯線網和平面上相應經緯線網的數(shù)學基礎，也就是建立地球橢球面上 的點的地理坐標（入與平面上對應點的平面坐標（x,y）之間的函數(shù)關系：*=z（入卩）當給定不同的具體條件時，將得到不同類型的投影方式。投影變形：將不可展的地球

17、橢球面展開成平面，并且不能有斷裂，則圖形必將在某些地方被拉伸，某 些地方被壓縮，故投影變形是不可避免的。（長度變形，面積變形，角度變形投影分類：變形分類：等角投影：投影前后角度不變； 等面積投影：投影前后面積不變； 任意投影：角度、面積、長度均變形。投影面：橫圓柱投影：投影面為橫圓柱； 圓錐投影：投影面為圓錐； 方位投影：投影面為平面。投影面位置：正軸投影：投影面中心軸與地軸相互重合； 斜軸投影：投影面中心軸與地軸斜向相交； 橫軸投影：投影面中心軸與地軸相互垂直；相切投影：投影面與橢球體相切； 相割投影：投影面與橢球體相割。投影選擇因素：制圖區(qū)域的地理位置、形狀和范圍制圖比例尺地圖內容出版方式

18、GIS中地圖投影：GIS以地圖方式顯示地理信息，而地圖是平面，地理信息則在地球橢球上，因此地圖 投影在GIS中不可缺少；GIS數(shù)據(jù)庫中地理數(shù)據(jù)以地理坐標存儲時，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過投 影變換轉換成地理坐標；而輸出或顯示時，則要將地理坐標表示的空間數(shù)據(jù)通過投影變換變換 成指定投影的平面坐標；GIS中，地理數(shù)據(jù)的顯示可根據(jù)用戶的需要而指定投影方式，但當所顯示的地圖與國 家基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。我國常用地圖投影：1:100萬：蘭勃投影（正軸等積割圓錐投影）大部分分省圖、大多數(shù)同級比例尺也采用蘭勃投影1:50萬、1:25萬、1:10萬、1:5萬、

19、1:2.5萬、1:1萬、1:5000采用高斯一克呂格投影五、地圖比例尺地圖比例尺反映了制圖區(qū)域和地圖的比例關系 紙質地圖：內容、概括程度、數(shù)據(jù)精度等；GIS：數(shù)據(jù)精度。比例尺的含義：制圖區(qū)域較小，采用各方面變形都較小的地圖投影，圖上各處的比例是一致的，故此 時比例尺的含義是圖上長度與相應地面長度的比例；制圖區(qū)域較大時，地圖投影比較復雜，地圖上長度因地點和方向的不同而有所變化， 這種地圖比例尺一般是指在地圖投影時，對地球半徑縮小的比率，稱為主比例尺。地圖經過投影后，體現(xiàn)在圖上只有個別點線沒有長度變形，也就是說，只有在這些長度沒有變形的點或線 上，才可用地圖上注明的比例尺。我國地圖比例尺分級系統(tǒng)：

20、大比例尺：1:5001:10萬中比例尺：1:10萬一1:100萬小比例尺： 1:100萬空間現(xiàn)象及其描述: 六、空間對象（實體）類型空間對象一般按地形維數(shù)進行歸類劃分：點：零維線：一維面：二維體：三維 時間：通常以第四維表達，但目前GIS還很難處理時間屬性?？臻g對象的維數(shù)與比例尺是相關的。點實體：有位置，無寬度和長度抽象的點線實體：有長度，但無寬度和高度用來描述線狀實體，通常在網絡分析中使用較多度量實體距離面實體：具有長和寬的目標通常用來表示自然或人工的封閉多邊形一般分為連續(xù)面和不連續(xù)面a.不連續(xù)變化曲面，如土壤、森林、草原、土地利用等，屬性變化發(fā)生在邊界上，面的 內部是同質的；b.連續(xù)變化曲

21、面：如地形起伏，整個曲面在空間上曲率變化連續(xù)。體實體：有長、寬、高的目標通常用來表示人工或自然的三維目標，如建筑、礦體等三維目標地理信息數(shù)字化描述方法： 柵格和矢量結構是計算機描述空間實體的兩種最基本的方式?，F(xiàn)實世界選擇抽象綜合測量， 位置 編碼；屬性 建立關系：表達地圖遙感影像空間圖片 6 地圖的矢量和柵格表示七、空間對象的描述要素編碼：區(qū)別不同的實體，包括分類碼和識別碼。分類碼表識空間對象的類別，而識別碼對每個 空間對象進行表識，是唯一的；位置：坐標形式給出空間對象的空間位置；類型：空間對象所屬的實體類型，或有那些實體組成；行為：空間對象所具備的行為和功能；屬性：空間對象所對應的非幾何信息

22、；說明：實體數(shù)據(jù)來源、精度等；關系：與其他實體之間的關系?？臻g對象的編碼：編碼對象：屬性數(shù)據(jù)編碼方法：層次分類編碼、多源分類編碼層次分類編碼：（如圖表8）a.分類對象的從屬和層次關系b.有明確的分類對象類別和嚴格的隸屬關系1 管線:了11 1 1電力線71醱孑L-,管線73地F檢修井M、丄1.1髙壓1低壓712|電桿713丨L丨電塔714電線架71511|依比例71411不依比例7142圖表 8 層次分類編碼多源分類編碼：（如圖表9）a.按空間對象不同特性進行分類并進編碼b.代碼之間沒有隸屬關系，反映對象特性c.具有較大的信息量，有利于空間分析000000L00 000330081044003

23、33001444 44033301044i333Q:Q444 44Q000170044 400000155000 000701555000 000001555500S0010550000000河流特性分類與編碼通航情況流水季節(jié)河流長度河流寬度河流深度通航：1 不通航：2常年河：1 時令河：2 消失河：3 1 km：12 km：2 5 kin：3 10 km：550m：65 -10 m：110-20 in：220 30 m：330 60 m：460 120 m：5120-300 m：6300-500 m：7500m：8圖表 9 多源分類編碼八、空間對象的空間關系表達描述空間對象之間的空間相互作用

24、關系方法：絕對關系：坐標、角度、方位、距離等；相對關系：相鄰、包含、關聯(lián)等相對關系類型：拓撲空間關系：描述空間對象的相鄰、包含等順序空間關系：描述空間對象在空間上的排列次序，如前后、左右、東、西、南、北等。度量空間關系：描述空間對象之間的距離等。地圖、遙感影像上的空間關系是通過圖形識別的，在GIS中的空間關系則必須顯式的進行定義和表達?？臻g關系的描述多種多樣，目前尚未有具體的標準和固定的格式，但基本原理一致。不同的GIS可能采用不同的方法進行描述拓撲空間關系：基于點集拓撲理論拓撲元素：a.點：孤立點、線的端點、面的首尾點、鏈的連接點b.線：兩結點之間的有序弧段，包括鏈、弧段和線段c.面：若干弧

25、段組成的多邊形基本拓撲關系a.關聯(lián)：不同拓撲兀素之間的關系b.鄰接：相同拓撲元素之間的關系c.包含：面與其他元素之間的關系d.層次：相同拓撲元素之間的層次關系 拓撲元素量之間的關系：歐拉公式歐拉公式：歐拉公式在GIS中有著重要的意義，主要用來檢查空間拓撲關系的正確性， 能發(fā)現(xiàn)點、線、面不匹配的情況和多余、遺漏的圖形元素n:結點數(shù)a:弧段數(shù)b:多邊形數(shù)c:常數(shù)，為多邊形地圖特征。若b包含邊界里面和外面的多邊形，則c=2,若b僅包含邊界內部多邊形，則c=1九、空間對象：自相關特征空間對象在屬性上存在相關性，兩空間對象越接近，其值也越接近，反之亦然。相關類型：負相關：位置越接近，屬性值相差越遠;正相關：位置越接近，特征也越接近；不相關：屬性與空間位置無關。鄰接相交相離包含1重合點一點Aa點七A宀點一面OO- S線 T&線面面一面=1圖片 7 點線面之間的拓普關系圖表10 基本拓普關系A.高度空間負向相關；B.無規(guī)律分布；C.空間獨立；D.空間聚類現(xiàn)象；E.高度正向相關地理