PAGE137PAGE第一章緒論學(xué)習(xí)目標(biāo)·理解GIS的相關(guān)概念·掌握GIS的特點、類型與組成·了解GIS的基本功能和用途·描述GIS和相關(guān)學(xué)科的關(guān)系·了解GIS的發(fā)展概況地理學(xué)的發(fā)展與人類生產(chǎn)活動中的技術(shù)進(jìn)步有密切關(guān)系。如果說地理大發(fā)現(xiàn)和地理制圖技術(shù)的革新促進(jìn)了近代地理學(xué)的誕生，那么計算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和自動化技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)的應(yīng)用，為信息時代地理學(xué)的發(fā)展，展示出更加廣闊的前景。信息時代的地理學(xué)，對地理信息的采集、管理、分析提出了更高的要求,于是地理信息系統(tǒng)(GIS)應(yīng)運而生。地理信息系統(tǒng)技術(shù)的興起，使地理學(xué)向精密科學(xué)邁進(jìn)。地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)技術(shù)和全球定位系統(tǒng)(GPS)三者有機(jī)結(jié)合(稱之為3S技術(shù)),使GIS應(yīng)用的深度和廣度達(dá)到一個新水平，構(gòu)成地理學(xué)日臻完善的技術(shù)體系,引起世界各國普遍的重視。GIS是以地圖為基礎(chǔ)，管理和分析空間數(shù)據(jù)的技術(shù)，它能及時提供有關(guān)國土整治、區(qū)域規(guī)劃、可持續(xù)發(fā)展等宏觀的輔助決策信息，作為生產(chǎn)、管理和決策的依據(jù)。第一節(jié)地理信息系統(tǒng)的基本概念一、數(shù)據(jù)與信息數(shù)據(jù)是通過數(shù)字化或直接記錄下的可以被鑒別的符號，是一種未經(jīng)加工的原始資料。數(shù)據(jù)是客觀事物的屬性、數(shù)量、位置及其相關(guān)關(guān)系等的抽象表示。不僅數(shù)字是數(shù)據(jù)，而且文字、符號和圖像也是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是用以載荷信息的物理符號，在計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)有關(guān)，隨載荷它的物理設(shè)備的形式而改變。信息是向人們或機(jī)器提供關(guān)于現(xiàn)實世界各種事實的知識，是數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義，它不隨載體的物理形式的改變而改變。信息是通過數(shù)據(jù)形式來表示的，是加載在數(shù)據(jù)之上的，對數(shù)據(jù)具體含義的解釋。信息的主要特點如下：(1)信息的客觀性。任何信息都是與客觀事實緊密相關(guān)的，是現(xiàn)實世界的反映，這是信息正確性的保證。(2)信息的適用性。信息對決策是十分重要的，建立GIS的目的就是為生產(chǎn)、管理和決策服務(wù)的，因而信息具有適用性。(3)信息的傳輸性。信息可以在信息發(fā)送者和接受者之間傳播，既包括系統(tǒng)把有用信息傳送至終端設(shè)備和以一定形式或格式提供給有關(guān)用戶，也包括信息在系統(tǒng)各個子系統(tǒng)之間的流動和交換以及網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。(4)信息的共享性。信息與實物不同，它可以傳輸給多個用戶，為多個用戶共享，而其本身并無損失。信息的這些特點，使信息成為當(dāng)代社會發(fā)展的一項重要資源。數(shù)據(jù)與信息有區(qū)別又有聯(lián)系。信息與數(shù)據(jù)是不可分離的，數(shù)據(jù)是信息的表達(dá)，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵。數(shù)據(jù)本身并沒有意義，數(shù)據(jù)只有對實體行為產(chǎn)生影響時才成為信息。要從數(shù)據(jù)中得到信息，處理和解釋是非常重要的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理是對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算、排序、轉(zhuǎn)換、分類、篩選、檢索等，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(jīng)驗有關(guān)。信息與數(shù)據(jù)雖然有詞義上的差別，但GIS的建立和進(jìn)行，就是信息(或數(shù)據(jù))按一定方式流動的過程，在通常情況下，并不嚴(yán)格區(qū)分使用數(shù)據(jù)和信息兩個術(shù)語。二、地理信息與地圖地理信息是指表示地理環(huán)境諸要素的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征及其相互聯(lián)系和變化規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像和圖形等的總稱。從地理實體到地理數(shù)據(jù)，從地理數(shù)據(jù)到地理信息的發(fā)展，是人類認(rèn)識地理事物的一次飛躍。地理信息的主要特征有：(1)地理信息屬于空間信息。這是地理信息區(qū)別于其他類型信息的顯著標(biāo)志。地理信息位置的識別是通過經(jīng)緯網(wǎng)或方里網(wǎng)建立的地理坐標(biāo)來實現(xiàn)空間位置的識別。(2)地理信息具有多維結(jié)構(gòu)的特征。在二維空間的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多專題的第三維結(jié)構(gòu)，而各個專題型、實體型之間的聯(lián)系是通過屬性碼進(jìn)行的。(3)地理信息的時序特征十分明顯?？梢园凑諘r間尺度將地理信息劃分為超短期的(如臺風(fēng)、地震)、短期的(如江河洪水、寒潮)、中期的(如土地利用、作物估產(chǎn))、長期的(如水土流失、城市化)、超長期的(如氣候變化、地殼變動)等。地圖是地理環(huán)境諸要素按照一定的數(shù)學(xué)法則，運用符號系統(tǒng)并經(jīng)過制圖綜合縮繪于平面上的圖形，以傳遞各種自然和人文現(xiàn)象的數(shù)量與質(zhì)量的空間分布和聯(lián)系以及隨時間的發(fā)展變化。地圖是一種符號圖形，從地圖上可以獲得一個區(qū)域或整個地球表面的同一時間的空間表象，它是自然世界的一種模型，是制圖者根據(jù)對自然世界的認(rèn)識，用簡化和概括的遍使用的第二語言。地圖是地理信息的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源，GIS的查詢與分析結(jié)果的表示手段主要是地圖。因此，地圖學(xué)理論和地圖分析方法是GIS的重要學(xué)科基礎(chǔ)。三、信息系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)是具有采集、管理、分析和表達(dá)數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)。信息系統(tǒng)是為實現(xiàn)某些特定功能，由人、機(jī)器、數(shù)據(jù)、程序或方法按一定的相關(guān)關(guān)系聯(lián)系起來進(jìn)行工作的集合體，內(nèi)部要素之間的相互聯(lián)系通過信息流實現(xiàn)。信息系統(tǒng)由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四個主要部分組成。另外，智能化的信息系統(tǒng)還包括知識。信息系統(tǒng)根據(jù)所處理的信息特征可分為空間信息系統(tǒng)和非空間信息系統(tǒng)（如圖1-1所示）。非空間信息系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)的記錄和操作，如目前流行的人事檔案信息系統(tǒng)、圖書情報信息系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)等。空間信息系統(tǒng)是一種十分重要而又與其它類型信息系統(tǒng)有顯著區(qū)別的信息系統(tǒng)，它所采集、管理、處理和更新的是空間信息。因此，這類信息系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上也比一般信息系統(tǒng)復(fù)雜得多，功能上也較其他信息系統(tǒng)強(qiáng)得多。信息系統(tǒng)非空間信息系統(tǒng)空間信息系統(tǒng)管理信息系統(tǒng)非地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)CAD/CAM區(qū)域信息系統(tǒng)專題信息系統(tǒng)圖1-1信息系統(tǒng)的分類地理信息系統(tǒng)是在計算機(jī)軟硬件支持下，對地理環(huán)境諸要素進(jìn)行采集、存儲、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計算機(jī)系統(tǒng)。簡單地說，地理信息系統(tǒng)就是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)。也稱為土地資源信息系統(tǒng),在我國有時也稱為資源與環(huán)境信息系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外已研制了一批GIS工具軟件，如美國環(huán)境系統(tǒng)研究所研制的ARC/INFO系統(tǒng)、中國地質(zhì)大學(xué)研制的微機(jī)地理信息系統(tǒng)工具M(jìn)APGIS等。第二節(jié)地理信息系統(tǒng)的特征和類型一、地理信息系統(tǒng)的特征地理信息系統(tǒng)具有以下特征:(1)公共的地理定位基礎(chǔ)。所有的地理要素，要按地理坐標(biāo)或者特定的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)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(jìn)行復(fù)合和分解，將隱含其中的信息進(jìn)行顯示表達(dá)，形成空間和時間上連續(xù)分布的綜合信息基礎(chǔ)，支持空間問題的處理與決策。(2)具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力。(3)系統(tǒng)以分析模型驅(qū)動，具有極強(qiáng)的空間綜合分析和動態(tài)預(yù)測能力，并能產(chǎn)生高層次的地理信息。(4)以提供地理信息服務(wù)為目的，是一個人機(jī)交互式的空間決策支持系統(tǒng)。GIS的外觀表現(xiàn)為計算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，其內(nèi)涵是由計算機(jī)程序和地理數(shù)據(jù)組成的地理空間信息模型，一個邏輯縮小的、高度信息化的地理系統(tǒng)，從視覺、計量和邏輯上對地理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，信息的流動及信息流動的結(jié)果，完全由計算機(jī)程序的運行和數(shù)據(jù)的變換來仿真，也可以快速地模擬自然過程的演變和思維過程，取得地理預(yù)測和實驗的結(jié)果，選擇優(yōu)化方案，避免錯誤的決策。二、地理信息系統(tǒng)的類型1.按內(nèi)容分類GIS按內(nèi)容可分為專題地理信息系統(tǒng)、區(qū)域地理信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)工具三大類。(1)專題地理信息系統(tǒng)：是以某一專業(yè)、任務(wù)或現(xiàn)象為主要內(nèi)容的GIS，為特定的專門目的服務(wù)，如森林動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)和土地管理信息系統(tǒng)等。(2)區(qū)域地理信息系統(tǒng)：主要以區(qū)域綜合研究和全面信息服務(wù)為目標(biāo)。區(qū)域可以是行政區(qū)，如國家級、省級、市級和縣級等區(qū)域信息系統(tǒng)；也可以是自然區(qū)域，如黃土高原區(qū)、黃淮海平原區(qū)和黃河流域等區(qū)域信息系統(tǒng)；還可以是經(jīng)濟(jì)區(qū)域，如京津唐區(qū)和滬寧杭區(qū)等區(qū)域信息系統(tǒng)。(3)地理信息系統(tǒng)工具：它是一組包括GIS基本功能地軟件包。一般包括圖形圖像數(shù)字化、存貯管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出等功能，GIS工具軟件適合用于建立專題或區(qū)域性實用GIS的支撐軟件，也可作教學(xué)軟件，如ARC/INFO、MAPGIS和CITYSTAR等均屬此類。2.按用途分類GIS按用途的不同可分為多種地理信息系統(tǒng)，如自然資源查詢信息系統(tǒng)、規(guī)劃與評價信息系統(tǒng)和土地管理信息系統(tǒng)。除此之外，GIS還可以按照系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、用戶類型、數(shù)據(jù)容量等進(jìn)行分類。第三節(jié)地理信息系統(tǒng)的組成地理信息系統(tǒng)主要由四部分組成，即計算機(jī)硬件系統(tǒng)、計算機(jī)軟件系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和應(yīng)用人員。GIS的組成如圖1-2表示。輸入設(shè)備輸入設(shè)備存貯設(shè)備輸出設(shè)備應(yīng)用分析程序GIS軟件計算機(jī)系統(tǒng)軟件硬件系統(tǒng)地理數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)用戶地理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)存貯信息輸出系統(tǒng)操作系統(tǒng)支撐地理分析圖1-2地理信息系統(tǒng)的組成一、計算機(jī)硬件系統(tǒng)計算機(jī)硬件一般由四部分組成，如圖1-3所示。輸入設(shè)備輸入設(shè)備數(shù)字化儀掃描儀鍵盤數(shù)字相機(jī)計算機(jī)主機(jī)輸出設(shè)備顯示器繪圖機(jī)打印機(jī)校片記錄儀存儲設(shè)備軟盤磁帶機(jī)硬盤光盤讀寫器圖1-3GIS主要硬件組成二、計算機(jī)軟件系統(tǒng)計算機(jī)軟件系統(tǒng)是指GIS運行所必須的各種程序，它是GIS的靈魂。一般由計算機(jī)系統(tǒng)軟件、地理信息系統(tǒng)軟件和應(yīng)用分析軟件組成，如圖1-4所示。應(yīng)用分析軟件應(yīng)用分析軟件GIS軟件用戶接口模塊數(shù)據(jù)輸入和校驗數(shù)據(jù)存貯和管理數(shù)據(jù)變換分析數(shù)據(jù)顯示和輸出計算機(jī)系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)匯編程序編譯程序服務(wù)程序圖1-4GIS的軟件系統(tǒng)組成GIS軟件的配置應(yīng)注意以下幾個方面：（1）能最大限度地滿足本系統(tǒng)的需要，便于使用與開發(fā)。（2）軟件公司技術(shù)實力較強(qiáng)，軟件維護(hù)、更新和升級有保障。（3）有較強(qiáng)的力量支持，并且有一個較大的用戶群體。（4）性能穩(wěn)定可靠，價格相對合理。三、地理數(shù)據(jù)地理數(shù)據(jù)是指以地球表面空間位置為參照，描述自然和社會經(jīng)濟(jì)要素的數(shù)據(jù)，可以是圖形、圖像、文字、數(shù)字和表格等。GIS數(shù)據(jù)包括相互聯(lián)系的三個方面：1.幾何數(shù)據(jù)是描述地理實體本身位置和形狀大小等的量度信息。其表達(dá)手段是坐標(biāo)串。2.關(guān)系數(shù)據(jù)是描述各個不同地理實體之間空間關(guān)系的信息，如接近度、鄰接、關(guān)聯(lián)、包含和連通等。其表達(dá)手段是建立實體之間的連接信息，用拓?fù)潢P(guān)系來表示，“關(guān)系”也是一種數(shù)據(jù)。關(guān)系數(shù)據(jù)的存在有助于各種應(yīng)用和空間分析。3.屬性數(shù)據(jù)即非空間數(shù)據(jù)，是各個地理單元中的自然、社會、經(jīng)濟(jì)等專題數(shù)據(jù)。其表達(dá)手段是字符串或統(tǒng)計觀測數(shù)值串。屬性數(shù)據(jù)是GIS的主要處理對象，是對地理實體專題內(nèi)容更廣泛、更深刻的描述，是對空間數(shù)據(jù)強(qiáng)有力的補(bǔ)充。數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)庫地理數(shù)據(jù)庫位置坐標(biāo)關(guān)系數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)詢問輸入數(shù)據(jù)變換檢索圖1-5地理數(shù)據(jù)庫的組成地理數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫進(jìn)行組織和存貯，并通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，如圖1-5所示。地理數(shù)據(jù)屬于空間數(shù)據(jù)。四、應(yīng)用人員GIS應(yīng)用人員包括系統(tǒng)開發(fā)人員和GIS技術(shù)的最終用戶，他們的業(yè)務(wù)素質(zhì)和專業(yè)知識是GIS工程及其應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。人是GIS中重要的構(gòu)成因素，僅有系統(tǒng)軟件、硬件和數(shù)據(jù)還構(gòu)不成完整的地理信息系統(tǒng)，需要人進(jìn)行系統(tǒng)組織、管理、維護(hù)和數(shù)據(jù)更新、應(yīng)用程序開發(fā)并采用地理分析模型提取多種信息，為地理研究和地理決策服務(wù)。GIS只是一種技術(shù)手段和工具，它的作用在很大程度上取決于用戶的水平、技能和經(jīng)驗。系統(tǒng)可快速地采集和顯示所需的數(shù)據(jù)，執(zhí)行指定的分析計算，提供結(jié)果信息，幫助用戶制定決策，系統(tǒng)本身并不作決策，它只是輔助或支持用戶，而不是代替用戶決策。因此，GIS是一個決策支持系統(tǒng)。第四節(jié)地理信息系統(tǒng)的功能在建立一個實用的地理信息系統(tǒng)過程中，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到系統(tǒng)完成，必須經(jīng)過各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，每個轉(zhuǎn)換都有可能改變原有的信息。一般的地理信息系統(tǒng)包括以下幾項基本功能：一、數(shù)據(jù)采集與輸入數(shù)據(jù)采集與輸入，是將系統(tǒng)外部的原始數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部，并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)便于處理的內(nèi)部格式的過程。對多種形式和多種來源的信息，輸入的方式也有多種。主要有圖形數(shù)據(jù)輸入、柵格數(shù)據(jù)輸入、測量數(shù)據(jù)輸入和屬性數(shù)據(jù)輸入等。將系統(tǒng)外部的原始數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部，并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)便于處理的內(nèi)部格式通常是經(jīng)過數(shù)字化、規(guī)范化和數(shù)據(jù)編碼三個步驟實現(xiàn)的。（1）數(shù)字化是指根據(jù)不同信息類型，經(jīng)過跟蹤數(shù)字化或掃描數(shù)字化，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換等，形成各種數(shù)據(jù)文件，存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)。（2）規(guī)范化是指對不同比例尺、不同投影坐標(biāo)系統(tǒng)和不同精度的外來數(shù)據(jù)，必須統(tǒng)一坐標(biāo)和記錄格式，以便在同一基礎(chǔ)上進(jìn)一步工作。（3）數(shù)據(jù)編碼就是根據(jù)一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)屬性特征，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計算機(jī)識別和管理的代碼或編碼字符。數(shù)據(jù)輸入方式與使用的設(shè)備密切相關(guān)，常用的有三種形式，即手扶跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字化和鍵盤輸入。二、數(shù)據(jù)編輯與更新數(shù)據(jù)編輯主要包括圖形編輯和屬性編輯。圖形編輯主要包括圖形修改、增加和刪除、圖形整飾、圖形變換、圖幅拼接、投影變換、誤差校正和建立拓?fù)潢P(guān)系等。屬性編輯通常與數(shù)據(jù)庫管理結(jié)合在一起完成，主要包括屬性數(shù)據(jù)的修改、刪除和插入等操作。數(shù)據(jù)更新是以新的數(shù)據(jù)項或記錄來替換數(shù)據(jù)文件或數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的數(shù)據(jù)項或記錄，它是通過修改、刪除和插入等一系列操作來實現(xiàn)的。由于地理信息具有動態(tài)變化的特征，人們所獲取的數(shù)據(jù)只反映地理事物某一瞬間或一定時間范圍內(nèi)的特征，隨著時間的推進(jìn)，數(shù)據(jù)會隨之改變。因此，數(shù)據(jù)更新是GIS建立地理數(shù)據(jù)的時間序列，滿足動態(tài)分析的前提，是對自然現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展做出科學(xué)合理的預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ)。三、數(shù)據(jù)存儲與管理數(shù)據(jù)存儲是將數(shù)據(jù)以某種記錄格式在計算機(jī)內(nèi)部或外部存儲介質(zhì)上。其存儲方式與數(shù)據(jù)文件的組織密切相關(guān)。數(shù)據(jù)管理是處理數(shù)據(jù)存取和數(shù)據(jù)運行的各種管理控制?？臻g數(shù)據(jù)管理是GIS數(shù)據(jù)管理的核心。四、空間查詢與分析空間查詢與分析是GIS的核心，是GIS區(qū)別于其它信息系統(tǒng)的本質(zhì)特征。主要包括數(shù)據(jù)操作運算、數(shù)據(jù)查詢檢索、數(shù)據(jù)綜合分析。綜合分析功能可以提高系統(tǒng)評價、管理和決策的能力，分析功能可在系統(tǒng)操作運算功能的支持下建立專門的分析軟件來實現(xiàn)，主要包括信息量測、屬性分析、統(tǒng)計分析、二維模型分析、三維模型分析和多要素綜合分析等。五、數(shù)據(jù)顯示與輸出數(shù)據(jù)顯示是指中間處理過程和最終結(jié)果的屏幕顯示。通常用人機(jī)對話方式選擇顯示對象和形式，對于圖形數(shù)據(jù)可根據(jù)要素的信息量和密集程度，選擇放大或縮小顯示。輸出是將GIS的產(chǎn)品通過輸出設(shè)備（包括顯示器、繪圖機(jī)、打印機(jī)等）輸出。GIS不僅可以輸出全要素地圖，還可以根據(jù)用戶需要，分層輸出各種專題地圖、各類統(tǒng)計圖、圖表、數(shù)據(jù)和報告等。總之，GIS的基本功能一方面是統(tǒng)一支配相關(guān)的海量信息，加快信息的處理速度、節(jié)約時間、提高效率，快速響應(yīng)社會需求，直接創(chuàng)造社會財富；另一方面贏得預(yù)測、預(yù)報的時間，減少損失，間接獲得經(jīng)濟(jì)效益。第五節(jié)地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用由于GIS本身的綜合性，決定了它具有廣泛的用途。GIS在各方面的應(yīng)用主要是通過系統(tǒng)中的多要素空間數(shù)據(jù)、各種數(shù)學(xué)模型以及應(yīng)用軟件來實現(xiàn)。概括起來講，GIS的主要應(yīng)用功能如下：一、統(tǒng)計與量算利用GIS將多種數(shù)據(jù)源信息匯集在一起，通過系統(tǒng)的統(tǒng)計和疊置分析功能，按多種邊界和屬性條件，提供區(qū)域多種條件組合形式的資源統(tǒng)計和進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的快速再現(xiàn)。GIS是一種空間信息系統(tǒng)。通過GIS的有關(guān)應(yīng)用程序，分別可以在一維、二維和三維空間里實現(xiàn)對各種研究對象的長度、面積和體積的快速量算，為用戶提供各種有用的數(shù)據(jù)。二、規(guī)劃與管理規(guī)劃與管理是GIS應(yīng)用的一個重要方面。區(qū)域規(guī)劃和城市規(guī)劃中涉及到諸多方面和眾多因素，如人口、交通、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、金融和基礎(chǔ)設(shè)施等多個地理變量和大量數(shù)據(jù)。GIS技術(shù)能夠進(jìn)行多要素分析，它具有為規(guī)劃部門快速提供大量信息的能力。三、預(yù)測與監(jiān)測在GIS中，預(yù)測主要采用統(tǒng)計方法，通過分析歷史資料和建立數(shù)學(xué)模型，對事物進(jìn)行定量分析，并對事物的未來作出判斷和預(yù)測，例如洪水預(yù)報模型。監(jiān)測是借助遙感遙測數(shù)據(jù)的搜集，利用GIS對環(huán)境污染、森林火災(zāi)、洪水災(zāi)情等進(jìn)行監(jiān)視推測，為環(huán)境治理和救災(zāi)搶險決策提供及時準(zhǔn)確的信息。四、輔助決策GIS在其多要素空間數(shù)據(jù)庫的支持下，通過構(gòu)建一系列決策模型，并對這些決策模型進(jìn)行比較分析，為各部門決策提供科學(xué)的依據(jù)，輔助政府部門決策的制定。總之，隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展，GIS的應(yīng)用將越來越廣泛，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。第六節(jié)地理信息系統(tǒng)的研究內(nèi)容一、研究內(nèi)容地理信息系統(tǒng)研究內(nèi)容主要有基本理論、技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)用方法三個方面。1.基本理論GIS的基本理論主要包括：GIS的概念、定義、內(nèi)涵；GIS的構(gòu)成、特點、功能和任務(wù)；GIS的理論體系；（4）GIS發(fā)展史與發(fā)展趨勢等。2.技術(shù)系統(tǒng)GIS的技術(shù)系統(tǒng)包括：系統(tǒng)的硬件配置；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與表示；數(shù)據(jù)輸入、輸出系統(tǒng)；地理數(shù)據(jù)管理；用戶界面；（6）GIS工具的研制等。3.應(yīng)用方法GIS的應(yīng)用方法包括：應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計；數(shù)據(jù)采集與校驗；專題分析模型；GIS與遙感技術(shù)及GPS的結(jié)合；（5）地學(xué)專家系統(tǒng)等。GIS產(chǎn)生于地學(xué)研究和生產(chǎn)實踐，GIS的應(yīng)用使得技術(shù)系統(tǒng)日趨完善，并逐漸形成和發(fā)展了GIS的理論；理論研究又指導(dǎo)開發(fā)新一代高效GIS，并不斷拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，加深應(yīng)用的深度；GIS的應(yīng)用，又對理論研究和技術(shù)方法提出了更高的要求。因此，理論、技術(shù)與方法這三個方面的研究內(nèi)容是相互聯(lián)系相互促進(jìn)的。二、相關(guān)學(xué)科地理信息系統(tǒng)本身就是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它是以地球科學(xué)及部分生命科學(xué)為基礎(chǔ)，是集多學(xué)科為一體的新興邊緣學(xué)科。GIS的發(fā)展，明顯地體現(xiàn)出多學(xué)科交叉的特點，這些交叉學(xué)科包括地理學(xué)、地圖學(xué)、攝影測量學(xué)、遙感技術(shù)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)等。1.地理信息系統(tǒng)與地理學(xué)地理學(xué)是一門研究人類賴以生存的空間的科學(xué)。在地理學(xué)研究中，空間分析的理論方法具有悠久的傳統(tǒng)歷史，它為地理信息系統(tǒng)提供了有關(guān)空間分析的基本觀點與方法，成為GIS的基本理論依托。而GIS的發(fā)展也為地理問題的解決提供了全新的技術(shù)手段，并使地理學(xué)研究的數(shù)學(xué)傳統(tǒng)得到充分發(fā)揮。2.地理信息系統(tǒng)與地圖學(xué)從歷史的發(fā)展看，地理信息系統(tǒng)脫胎于地圖，并成為地圖信息的又一種新的載體形式，它具有存儲、分析、顯示和傳輸功能，尤其是計算機(jī)制圖為地圖特征的數(shù)字表示、操作和顯示提供了成套方法，為GIS的圖形輸出設(shè)計提供了技術(shù)支持；同時，地圖仍是GIS的重要數(shù)據(jù)源之一。但二者有著一定的差別，地圖強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)載體、符號化與顯示，而GIS則注重于信息分析。同時，地圖學(xué)理論與方法對GIS的發(fā)展有著重要的影響，并成為GIS發(fā)展的根源之一。3.地理信息系統(tǒng)與計算機(jī)科學(xué)計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展對GIS的發(fā)展有著深刻的影響。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是現(xiàn)代GIS不可缺少的重要組成部分之一。計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）提供了數(shù)據(jù)輸入、顯示與表達(dá)的軟件與方法。計算機(jī)圖形理論是現(xiàn)代GIS的技術(shù)理論之一，計算機(jī)圖形學(xué)提供了圖形處理、顯示的技術(shù)方法。人工智能的發(fā)展給GIS的技術(shù)進(jìn)步也帶來了積極的影響，雖然目前GIS還沒有充分利用人工智能的各項技術(shù)，但它提供了智能化技術(shù)系統(tǒng)形成的設(shè)計技術(shù)與方法。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展則為GIS的構(gòu)件化技術(shù)的形成提供了新的機(jī)遇，為使GIS發(fā)展成為社會信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分奠定了基礎(chǔ)。4.地理信息系統(tǒng)與遙感遙感作為空間數(shù)據(jù)采集手段，已成為GIS的主要信息源與數(shù)據(jù)更新途徑。遙感圖像處理系統(tǒng)有許多方法用于信息的增強(qiáng)與分類，大地測量為GIS提供了精確定位的控制信息，尤其是GPS可快速，廉價地獲取地表特征的數(shù)字位置信息。航空像片及其精確測量方法的應(yīng)用使得攝影測量成為GIS主要的地形數(shù)據(jù)來源?？傊?，遙感是GIS的主要數(shù)據(jù)源與更新手段，同時，地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用又進(jìn)一步支持遙感信息的綜合開發(fā)與利用。第七節(jié)地理信息系統(tǒng)發(fā)展概況一、國際發(fā)展?fàn)顩r縱觀GIS的發(fā)展，可將地理信息系統(tǒng)發(fā)展分為以下幾個階段：1.開拓階段（20世紀(jì)60年代）2.鞏固發(fā)展階段（20世紀(jì)70年代）3.大發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代）4.應(yīng)用普及階段（20世紀(jì)90年代）二、國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國GIS起步稍晚，大體上可分為以下三個階段：1.準(zhǔn)備階段（20世紀(jì)70年代）2.試驗階段（20世紀(jì)80年代）3.快速發(fā)展階段（20世紀(jì)90年代）習(xí)題1.什么是地理信息系統(tǒng)？它與一般的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有哪些異同點？2.何謂數(shù)據(jù)？何謂信息？二者之間有何區(qū)別與聯(lián)系？3.什么是地理信息？地理信息有何主要特征？4.什么是信息系統(tǒng)？分哪幾類？5.GIS有哪些主要特征？6.GIS按內(nèi)容分哪幾類？7.GIS由哪幾個主要部分組成？它的基本功能有哪些？8.何謂地理數(shù)據(jù)？地理數(shù)據(jù)包括相互聯(lián)系的哪幾個方面？9.GIS可應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？試結(jié)合你的專業(yè)論述GIS的應(yīng)用和發(fā)展前景。10.簡述國際、國內(nèi)GIS的發(fā)展歷程？

第二章空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與編碼學(xué)習(xí)目標(biāo)·掌握地理空間數(shù)據(jù)的特征，了解GIS的數(shù)據(jù)源·理解GIS數(shù)據(jù)的測量尺度·理解拓?fù)涞母拍詈鸵饬x·掌握地理空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系與表示·掌握柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點及其編碼方法·掌握矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點及其編碼方法·了解柵格與矢量數(shù)據(jù)之間得轉(zhuǎn)化方法第一節(jié)地理空間數(shù)據(jù)及其特征一、GIS的空間數(shù)據(jù)地理空間是指物質(zhì)、能量、信息的形式與形態(tài)、結(jié)構(gòu)過程、功能關(guān)系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)。地球表層構(gòu)成了地理空間，表征地理空間內(nèi)事物的數(shù)量、質(zhì)量、分布、內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律的圖形、圖像、符號、文字和數(shù)據(jù)等統(tǒng)稱為地理（空間）數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)是GIS的核心，也有人稱它是GIS的血液，因為GIS操作對象是地理數(shù)據(jù)，因此設(shè)計和使用GIS的第一步工作就是根據(jù)系統(tǒng)的功能，獲取所需要的地理數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建地理空間數(shù)據(jù)庫。GIS中的數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)類型繁多，概括起來主要有以下幾種類型：1.地圖數(shù)據(jù)各種類型的地圖（包括電子的與非電子的地圖）都是對空間事物和現(xiàn)象的一種相似或抽象模擬，它有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，并經(jīng)過制圖綜合，利用符號系統(tǒng)所表示出來的豐富地理內(nèi)容，明晰的再現(xiàn)了客觀實體的空間關(guān)系和要素之間的內(nèi)在聯(lián)系，所以地圖是地理信息的主要載體，同時也是地理信息系統(tǒng)最重要的信息源。2.遙感數(shù)據(jù)各種遙感數(shù)據(jù)及其制成的圖像資料（航片、衛(wèi)片）包含著及其豐富的地理內(nèi)容，尤其是先進(jìn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，能為地理信息系統(tǒng)提供源源不斷的、現(xiàn)勢性很強(qiáng)的數(shù)據(jù)。所以遙感數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)另一個重要的信息源。3.統(tǒng)計數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)及各種文字報告各種地理要素的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、實驗和各種觀測數(shù)據(jù)、研究報告等，是地理信息系統(tǒng)不可缺少的重要或補(bǔ)充數(shù)據(jù)源。二、地理數(shù)據(jù)的基本特征地理數(shù)據(jù)一般具有三個基本特征:1.空間特征空間特征又稱定位特征或幾何特征。數(shù)據(jù)的空間性是指這些數(shù)據(jù)反映現(xiàn)象的空間位置及空間位置關(guān)系。通常以坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式來表示空間位置，以拓?fù)潢P(guān)系來表示空間位置關(guān)系。2.屬性特征數(shù)據(jù)的屬性是指描述實體的特征，如實體的名稱、類別、質(zhì)量特征和數(shù)量特征等。屬性數(shù)據(jù)本身屬于非空間數(shù)據(jù)，但它是空間數(shù)據(jù)中的重要數(shù)據(jù)成分.3.時間特征空間數(shù)據(jù)的時間性是指空間數(shù)據(jù)的空間特征和屬性特征隨時間而變化。它們可以同時隨時間變化，也可以分別獨立隨時間變化。實體隨時間的變化具有周期性，其變化的周期有超短周期的、短期的、中期的和長期的。必須指出，隨時間流逝留下的過時數(shù)據(jù)是重要的歷史資料?？臻g特征是地理信息區(qū)別于其他信息的最重要的特征之一，地理信息的定位特征與時間過程相結(jié)合，大大提高了地理信息的應(yīng)用價值。三、地理空間數(shù)據(jù)類型空間數(shù)據(jù)記錄的是空間實體的位置、拓?fù)潢P(guān)系和形態(tài)、大小等幾何特征。表示地理要素的空間數(shù)據(jù)可分為如下七種不同類型：1.類型數(shù)據(jù)如居民點、交通線、土地類型分布等。2.面域數(shù)據(jù)多邊形中心點、行政區(qū)域界限和行政單元等。3.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)如道路交叉點、街道和街區(qū)等。4.樣本數(shù)據(jù)如氣象站、航線和野外樣方的分布區(qū)等。5.曲面數(shù)據(jù)如高程點、等高線和等值區(qū)域。6.文本數(shù)據(jù)如地名、河流名和區(qū)域名稱。7.符號數(shù)據(jù)如點狀符號、線狀符號和面狀符號等。上述各種類型的空間數(shù)據(jù)都可以用點、線、面三種不同的圖形來表示，并可分別采用平面坐標(biāo)、地理坐標(biāo)或網(wǎng)格法表示。圖2－2顯示的就是空間數(shù)據(jù)類型及其表示方法。四、數(shù)據(jù)的測量尺度測量就是根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)給特定現(xiàn)象賦值或打分。為了描述地理世界，對任何事物都要鑒別、分類和命名。他們所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)或尺度是不同的。測量的尺度大致可以分成四個層次,由粗略到詳細(xì)依次為：定名量或類型、次序量、間隔量和比率量。1.定名量定性而非定量地對眾多地理事物進(jìn)行區(qū)分和標(biāo)識，不能進(jìn)行任何算術(shù)運算。定名量是對地理現(xiàn)象屬性特征的分類描述，它是現(xiàn)象類型的測量尺度。2.次序量通過排序來區(qū)分和標(biāo)識地理現(xiàn)象的量稱為次序量。它是按照地理數(shù)據(jù)的等級序列，由低到高（或由高到低）進(jìn)一步細(xì)分的。序數(shù)值相互之間可以比較大小，但不能進(jìn)行算術(shù)運算。它們能定性地說出它們的大與小，重要與次要等，但不能指出差別的具體數(shù)量。3.間隔量不參照某個固定點，而是按間隔表示相對位置的數(shù)。利用某種標(biāo)準(zhǔn)單位（可以是任意的）作為間隔量來表示不同的量，是一種較精確區(qū)分和標(biāo)識地理現(xiàn)象的測量方法。間隔量比定名量和順序量能提供更多、更準(zhǔn)確的信息，但應(yīng)用時要正確理解標(biāo)準(zhǔn)單位的特性和含義。譬如，不能說40℃比20℃暖一倍。4.比率量比率量是間隔量的精確化。它提供的定量值是具有真零值而且測量單位的間隔是相等的數(shù)據(jù)，比率測量尺度與使用的測量單位無關(guān)。比率數(shù)據(jù)或間隔數(shù)據(jù)可以比較容易地轉(zhuǎn)變成順序或命名數(shù)據(jù)。而命名數(shù)據(jù)則很難轉(zhuǎn)換成順序、間隔數(shù)據(jù)或比率數(shù)據(jù)。由此可見，盡管命名數(shù)據(jù)或次序數(shù)據(jù)便于使用，便于理解，但有時不夠精確，不能用于較高級的算術(shù)運算。而比率數(shù)據(jù)或間隔數(shù)據(jù)比較精確，便于計算機(jī)處理，但是在比較復(fù)雜的GIS應(yīng)用中，往往上述幾種測量尺度的數(shù)據(jù)均須用到。第二節(jié)空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系一、拓?fù)涞母拍詈鸵饬x1.拓?fù)涞母拍钔負(fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個分支，它研究圖形在連續(xù)變形下（拓?fù)渥儞Q）的那些不變的幾何屬性。組成一個圖形的各元素（結(jié)點、弧段、面域）之間都存在著二元關(guān)系，即鄰接關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系。在地圖上這種關(guān)系可以借助圖形來識別，而在計算機(jī)中這種關(guān)系需用拓?fù)潢P(guān)系加以定義。拓?fù)潢P(guān)系是明確定義空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法。2.拓?fù)潢P(guān)系的重要意義在地理信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，對地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和空間分析具有重要的意義，主要表現(xiàn)在如下三個方面：（1）根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系可以確定地理實體間的相對空間位置，而無需利用坐標(biāo)和距離（2）利用拓?fù)潢P(guān)系有利于空間要素的查詢。（3）可以利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)重建地理事體。如建立封閉多邊形，實現(xiàn)道路的選取，進(jìn)行最佳路徑的計算等。二、空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系在地理信息系統(tǒng)中對于具用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征（如多邊形）的地理要素，不僅要表示出要素的形狀、大小、位置和屬性信息，而且還要反映出要素之間的相互關(guān)系，即要表示出構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)地理要素的結(jié)點、弧段和多邊形之間的拓?fù)潢P(guān)系?？臻g數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系包括拓?fù)溧徑?、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)和拓?fù)浒齻€方面。圖2-3空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系1.拓?fù)溧徑油負(fù)溧徑邮侵复嬖谟诳臻g圖形的同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系，如多邊形之間的鄰接性，弧段之間的鄰接性以及結(jié)點之間的鄰接關(guān)系（連通性）。2.拓?fù)潢P(guān)聯(lián)拓?fù)潢P(guān)聯(lián)是指存在于空間圖形的不同類元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。3.拓?fù)浒負(fù)浒侵复嬖谟诳臻g圖形的同類但不同級的元素之間的拓?fù)潢P(guān)系。包含關(guān)系分簡單包含、多層包含和等價包含三種形式。三、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表達(dá)各種類型的空間數(shù)據(jù)，都可以用點、線、面三種圖形來表示。因此，結(jié)點、弧段和多邊形之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用四個關(guān)系表達(dá)出來。以圖2-3為例，如表2-1、表2-2、表2-3和表2-4所示。表2-2弧段與結(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系弧段表2-2弧段與結(jié)點的拓?fù)潢P(guān)系弧段結(jié)點始結(jié)點終結(jié)點e1e2e3┇N2N3N1┇N1N2N3┇表2-1結(jié)點與弧段的拓?fù)潢P(guān)系結(jié)點弧段N1N2N3┇e1,e3,e6e1,e2,e5e2,e3,e4┇表2-3弧段與多邊形的拓?fù)潢P(guān)系弧段表2-3弧段與多邊形的拓?fù)潢P(guān)系弧段多邊形左多邊形右多邊形e1e2e3┇P0P0P0┇P1P2P1┇表2-4多邊形與弧段的拓?fù)潢P(guān)系多邊形弧段P1P2P3┇e1,e6,e5e2,e4,-e5e3,-e4,-e6┇第三節(jié)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念和類型空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也稱為圖形數(shù)據(jù)格式，是指適用于計算機(jī)系統(tǒng)存貯、管理和處理的地理圖形數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，是地理實體的空間排列方式和相互關(guān)系的抽象描述。在地理信息系統(tǒng)中，常用的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有兩種，即柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在矢量表示中，曲線是由一系列帶有x，y坐標(biāo)的特征點所組成的一條近似折線來表示。而在柵格形式中則借助于把該線通過的按行和列(矩陣形式)作為規(guī)則劃分的柵格中的每個小格(像元)標(biāo)以數(shù)字或代碼來表示。這兩種不同形式的數(shù)據(jù)被稱為計算機(jī)的兩種兼容數(shù)據(jù)。這是因為計算機(jī)不僅能存貯、識別和處理它們，而且可以對它們進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換。圖2－5同一條曲線的矢量與柵格表示法二、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.定義矢量結(jié)構(gòu)是通過記錄坐標(biāo)的形式來表示點、線、面(多邊形)等地理實體。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能最好的逼近地理實體的空間分布特征，數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)存儲的冗余度低，便于進(jìn)行地理實體的網(wǎng)絡(luò)分析，但對多層空間數(shù)據(jù)的疊合分析比較困難。對于點實體，在矢量結(jié)構(gòu)中只記錄點位的坐標(biāo)和屬性代碼。對于線實體，可以用一系列足夠短的直線段首位相連來表示一條曲線。在矢量結(jié)構(gòu)中只記錄小線段的端點坐標(biāo)。因此，一條曲線實際上是有一個坐標(biāo)系列來表示的。對于多邊形，在地理信息系統(tǒng)中是指一個任意形狀、邊界完全閉合的空間區(qū)域。之所以把這樣的閉合區(qū)域稱為多邊形是由于區(qū)域的邊界線同線實體一樣，可以被看作是有一系列微小直線段組成，每個小線段作為這個區(qū)域的一條邊，因此，這種區(qū)域就可以看作是有這些邊組成的多邊形了。所以多邊形的矢量數(shù)據(jù)可以由組成這個多邊形的小線段的坐標(biāo)系列來表示。2.特點矢量結(jié)構(gòu)的特點是：定位明顯、屬性隱含。這種特點使得其圖形運算的算法總體上比柵格數(shù)據(jù)復(fù)雜得多，但在計算長度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，矢量結(jié)構(gòu)有很高的效率和精度，而在疊加運算、鄰域搜索等操作時，則比較困難。3.矢量數(shù)據(jù)的獲取手工數(shù)字化法:（2）手扶跟蹤數(shù)字化法：（3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換法：三、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.定義柵格結(jié)構(gòu)是一種簡單直觀的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又稱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或像元結(jié)構(gòu)，是將地球表面劃分為大小相等的網(wǎng)格陣列，每個網(wǎng)格作為一個像元或像素由行、列定義，并包含一個代碼表示該像素的屬性類型或量值，或僅僅包含指向其屬性記錄的指針。因此，柵格數(shù)據(jù)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地理要素的非幾何屬性特征如圖2-6所示。圖2－6物體的柵格表示（1）點狀物體在柵格數(shù)據(jù)中，借助于在其中心點處的單獨像元來表示。（2）面狀物體借助于為其所覆蓋的像元的集合來表示（如森林）。（3）線狀物體借助于其中心軸線上的像元來表示。2.特點柵格結(jié)構(gòu)的顯著特點是：屬性明顯，定位隱含，即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或?qū)傩员旧?，而所在位置則根據(jù)行列號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的坐標(biāo)給出，由于柵格行列陣列容易為計算機(jī)存貯、操作和顯示、因此，這種結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)，算法簡單，且易于擴(kuò)充、修改，也很直觀，特別是易于同遙感影像的結(jié)合處理，給地理空間數(shù)據(jù)處理帶來了極大的方便。柵格數(shù)據(jù)的比例尺就是柵格大小與地表相應(yīng)單元格大小之比。其表示地物的精度取決于柵格尺寸的大小。3．柵格數(shù)據(jù)的獲取柵格數(shù)據(jù)的獲取，主要通過以下四種方法得到:（1）手工網(wǎng)格法：（2）掃描數(shù)字化法：（3）分類影像輸入法：（4）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換法：4.提高柵格數(shù)據(jù)精度的方法在柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取過程中，應(yīng)盡可能保持原圖或原始數(shù)據(jù)的精度，為減少信息損失提高精度，通常采取兩種方法：（1）決定柵格代碼的方式：在決定柵格代碼時，盡量保持地表的真實性，保證最大的信息量。對于一個柵格單元中含有兩個或兩個以上地物類型時，可根據(jù)需要，選用如下方案之一決定該柵格單元的代碼：①.中心點法：②面積占優(yōu)法：在圖2－7中，B類地物所占面積最大，故應(yīng)取柵格代碼為B。圖2－7柵格單元代碼的確定③長度占優(yōu)法：④重要性法：（2）縮小柵格單元的面積：即增加?xùn)鸥駟卧目倲?shù)，行列數(shù)也相應(yīng)的增加。第四節(jié)矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)的比較及轉(zhuǎn)換一、柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)的比較柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)是GIS中常用的兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，柵格結(jié)構(gòu)“屬性明顯，位置隱含”。而矢量結(jié)構(gòu)“位置明顯，屬性隱含”，矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)各有不同的優(yōu)點和缺點，兩者的比較如表2－5所示。表2－5矢量結(jié)構(gòu)與柵格結(jié)構(gòu)的比較數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)點缺點矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.便于面向?qū)ο蟮臄?shù)字表示2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊、冗余度低3.有利于網(wǎng)絡(luò)與檢索分析4.圖形顯示質(zhì)量好、精度高1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜2.多邊形疊加分析比較困難3.缺乏同遙感數(shù)據(jù)及數(shù)字地形模型結(jié)合的能力柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單2.便于空間分析和地理現(xiàn)象的模擬3.易于遙感數(shù)據(jù)結(jié)合1.圖形.數(shù)據(jù)量大2.投影轉(zhuǎn)換比較困難3.圖形顯示質(zhì)量差4.不易表示空間的拓?fù)潢P(guān)系二、矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換1.矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（1）確定柵格單元的大小柵格單元的大小就是它的分辨率，應(yīng)根據(jù)原圖的精度，變換后的用途及存儲空間等因素予以決定。柵格單元的邊長在X，Y坐標(biāo)系中的大小用ΔX和ΔY表示。設(shè)Xmax、Xmin和Ymax、Ymin分別表示全圖X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的最大值與最小值，I，J表示全圖格網(wǎng)的行數(shù)和列數(shù)如圖2-8圖所示。圖2-8兩種坐標(biāo)關(guān)系圖2-8兩種坐標(biāo)關(guān)系它們之間的關(guān)系為：ΔX=（Xmax-Xmin）/JΔY=（Ymax-Ymin）/I這里I和J可以由原地圖比例尺根據(jù)地圖對應(yīng)的地面長寬和網(wǎng)格分辨率相除求得，并取整數(shù)。（2）點的柵格化點的變換只要這個點落在某一個柵格中，就屬于那個柵格單元，其行、列號I、J可由下式求出：I=1+INT[（Ymax-Y）/ΔY]J=1+INT[（X-Xmin）/ΔX]式中INT表示取整函數(shù)。柵格點的值用點的屬性表示。（3）線的柵格化圖2-9線的轉(zhuǎn)換如圖2-9所示，設(shè)兩個端點的行、列號已經(jīng)求出，其行號為3和7，則中間網(wǎng)格的行號必為4、5、6。其網(wǎng)格中心線的Y坐標(biāo)應(yīng)為：Yi=Ymax-ΔY·(I-1/2)而與直線段交點的X坐標(biāo)為：Xi=[(X2-X1)/(Y2-Y1)](Yi-Y1)+X1（4）多邊形（面域）柵格化①.左碼記錄法：要完成面域的柵格化，其首要前提是實現(xiàn)以多邊形線段反映其周圍面域的屬性特征。目前一般采用的是左碼記錄法。其原理是：如圖2－10所示，有一閉合多邊形，它將整個矩形面域分割成屬性為1和0的兩部分。如果在矢量數(shù)字化取數(shù)時，沒有在數(shù)字化點的屬性碼中反映面域?qū)傩圆町悹顩r，轉(zhuǎn)換的第一步工作即是要實現(xiàn)這個目標(biāo)。圖2-10閉合多邊形第一步，從數(shù)字化數(shù)據(jù)的第一點開始依次記錄每一點左邊面域的屬性值（面域外為0，面域內(nèi)為1）。記錄方法可由計算機(jī)自動完成，這樣，每一個多邊形數(shù)字化點便實現(xiàn)了“三值化”，即坐標(biāo)值、線段自身屬性值及左側(cè)面域?qū)傩灾?。第二步，對多邊形每一條邊，按以上所述的線段柵格化的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到如圖2－11所示的數(shù)據(jù)組成。圖2－11多邊形矢量結(jié)構(gòu)向柵格結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換第三步，節(jié)點處理，使節(jié)點的柵格值惟一而準(zhǔn)確。第四步，排序，從第一行起逐行按列的先后順序排序，這時，所得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全等同于柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。最后，展開為全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成由矢量數(shù)據(jù)系統(tǒng)向柵格數(shù)據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換如圖2－12所示。圖2-12全柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)②.部點擴(kuò)散算法：③.射線算法：由待判點向圖外某點引射線，判斷該射線與某多邊形所有邊界相交的總次數(shù)，如果相交偶數(shù)次，則待判點在該多邊形外部，如為奇數(shù)次，則待判點在該多邊形內(nèi)部如圖2-13所示。圖2-13射線算法④掃描算法：2.柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)向矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通常包括以下四個基本步驟：⑴多邊形邊界提取采用高通濾波將柵格圖像二值化，并經(jīng)過細(xì)化標(biāo)識邊界點，如圖2－14所示①二值化。線劃圖形掃描后產(chǎn)生柵格數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是按從0～255的灰度值量度的，設(shè)以G（i，j）表示，為了將這種256或128級不同的灰階壓縮到2兩個灰階，即0和1兩級，首先要在最大和最小灰階之間定義一個闕值，設(shè)闕值為T，則如果G（i，j）大于等于T，則記此柵格的值為1。如果G（i，j）小于T則記此柵格的值為0，得到一幅二值圖，如圖2－14（a）。（a）(b)(c)(d)圖2－14柵格－矢量轉(zhuǎn)換過程②細(xì)化。細(xì)化是消除線劃橫斷面柵格數(shù)的差異，使得每一條線只保留代表其軸線或周圍輪廓線（對面狀符號而言）位置的單個柵格的寬度，對于柵格線劃的“細(xì)化”方法，可分為“剝皮法”和“骨架法”兩大類。剝皮法的實質(zhì)是從曲線的邊緣開始，每次剝掉等于一個柵格寬的一層，直到最后留下彼此連通的由柵格點組成的圖形。因為一條線在不同位置可能有不同的寬度，故在剝皮過程中必須注意一個條件，即不允許剝?nèi)?dǎo)致曲線不連通的柵格。這是這一方法的關(guān)鍵所在。其解決方法是，借助一個在計算機(jī)中存儲的，由待剝柵格為中心的3×3柵格組合圖（圖2－15）來決定。圖2－15柵格組合圖如圖2－15所示，一個3×3的柵格窗口，其中心柵格有八鄰域，因此組合圖共有28種不同的排列方式，若將相對位置關(guān)系的差異只是轉(zhuǎn)置900，1800，2700?；蚧殓R象發(fā)射的方法進(jìn)行歸并，則共有51種排列格式。顯然，其中只有格式2，3，4，5，10，11，12，16，21，24，28，33，34，35，38，42，43，46和50，可以將中心點剝?nèi)?。這樣，通過最多核查256×8個柵格，便可確定中間柵格點保留或刪除，直到最后得到經(jīng)細(xì)化處理后應(yīng)予保留的柵格系列（圖2－14（c）），并寫入數(shù)據(jù)文件。⑵邊界線追蹤邊界線跟蹤的目的就是將寫入數(shù)據(jù)文件的細(xì)化處理后的柵格數(shù)據(jù)，整理為從結(jié)點出發(fā)的線段或閉合的線條，并以矢量形式存儲于特征柵格點中心的坐標(biāo)〔圖2－14（d）〕。跟蹤時，從圖幅西北角開始，按順時針或逆時針方向，從起始點開始，根據(jù)八個鄰域進(jìn)行搜索，依次跟蹤相鄰點。并記錄結(jié)點坐標(biāo)，然后搜索閉曲線，直到完成全部柵格數(shù)據(jù)的矢量化，寫入矢量數(shù)據(jù)庫。⑶拓?fù)潢P(guān)系生成對于矢量表示的邊界弧段，判斷其與原圖上各多邊形空間關(guān)系，形成完整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并建立與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系。⑷去除多余點及曲線圓滑由于搜索是逐個柵格進(jìn)行的，必須去除由此造成的多余點記錄，以減少冗余。搜索結(jié)果曲線由于柵格精度的限制，可能不夠圓滑，需要采用一定的插補(bǔ)算法進(jìn)行光滑處理。常用的算法有線性疊代法、分段三次多項式插值法、正軸拋物線平均加權(quán)法、斜軸拋物線平均加權(quán)法、樣條函數(shù)插值法等。值得注意的是，無論采用哪種轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換的結(jié)果都會程度不同的引起原始信息的損失。三、矢量與柵格一體化矢量柵格一體化，對于提高GIS的空間分辨率、數(shù)據(jù)壓縮和增強(qiáng)系統(tǒng)分析、輸入輸出的靈活性十分重要。1.傳統(tǒng)的矢量與柵格一體化方案柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)在表示空間數(shù)據(jù)上是同樣有效的，柵格結(jié)構(gòu)與矢量結(jié)構(gòu)相結(jié)合是較為理想的方案，用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)的高效轉(zhuǎn)換。由程序自動根據(jù)操作需要選取合適的結(jié)構(gòu)，以獲取最強(qiáng)的分析能力和時間效率，用戶不必介入結(jié)構(gòu)類型的選擇。2.矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)新一代的集成化地理信息系統(tǒng)，要求能夠統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，稱為四庫合一。圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，近年來已取得突破性的進(jìn)展，通過空間數(shù)據(jù)庫引擎（SDE），初步解決了圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的一體化管理。而矢量與柵格數(shù)據(jù)按傳統(tǒng)的觀念，認(rèn)為是兩類完全不同性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)利用它們來表達(dá)空間目標(biāo)時，對于線狀實體，習(xí)慣使用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對于面狀實體，在基于矢量的GIS中，主要使用邊界表達(dá)法，而在基于柵格的GIS中，一般用元子空間填充表達(dá)法。由此，人們聯(lián)想到對于用矢量方法表示的線狀實體，是不是也可以采用元子空間填充法來表示，即在數(shù)字化一個線狀實體時，除記錄原始采樣點外，還記錄所通過的柵格。同樣，每個面狀地物除記錄它的多邊形邊界外，還記錄中間包含的柵格。這樣，既保持了矢量特性，又具有柵格的性質(zhì)，就能將矢量與柵格統(tǒng)一起來，這就是矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)涵。為了建立矢量與柵格一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，要對點、線、面目標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲作如下統(tǒng)一約定：（1）對點狀目標(biāo)，因為沒有形狀和面積，在計算機(jī)內(nèi)部只需要表示該點的一個位置數(shù)據(jù)及與結(jié)點關(guān)聯(lián)的弧段信息。（2）對線狀目標(biāo)，它有形狀但沒有面積，在計算機(jī)內(nèi)部需用一組元子來填滿整個路徑，并表示該弧段相關(guān)的拓?fù)湫畔ⅰ＃?）對面狀目標(biāo)，它既有形狀，又有面積，在計算機(jī)內(nèi)部需表示由元子填滿路徑的一組邊界和由邊界組成的緊湊空間。由于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的精度較低，需利用細(xì)分格網(wǎng)的方法，來提高點、線和面狀目標(biāo)邊界線的數(shù)據(jù)表達(dá)精度。如在有點、線目標(biāo)通過的基本格網(wǎng)內(nèi)，在細(xì)分成256×256個細(xì)格網(wǎng)。當(dāng)精度要求較低時，也可以細(xì)分成16×16個細(xì)格網(wǎng)。第五節(jié)空間數(shù)據(jù)的編碼方法一、編碼的概念和意義空間數(shù)據(jù)編碼，是根據(jù)GIS的目的和任務(wù)，把地圖、圖像等資料按一定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為適于計算機(jī)存貯和處理的數(shù)據(jù)過程?？臻g數(shù)據(jù)的編碼是地理信息系統(tǒng)設(shè)計中最重要的技術(shù)步驟，它表現(xiàn)由現(xiàn)實世界到數(shù)據(jù)世界之間的接口，是聯(lián)接從現(xiàn)實世界到數(shù)據(jù)世界的紐帶。如圖2－16所示。圖2-16現(xiàn)實世界與數(shù)據(jù)世界之間的聯(lián)點二、柵格數(shù)據(jù)編碼方法1．直接?xùn)鸥窬幋a直接?xùn)鸥窬幋a是最簡單直觀而又非常重要的一種柵格結(jié)構(gòu)編碼方法，直接編碼就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼，可以每行從左到右逐像元記錄，也可奇數(shù)行從左到右而偶數(shù)行由右向左記錄，為了特定的目的還可采用其他特殊的順序。圖2-17多邊形的網(wǎng)格2．鏈碼鏈碼又稱弗里曼鏈碼（Freeman）或邊界鏈碼，它將線狀地物或區(qū)域邊界，由起點和一系列在基本方向上的單位矢量給出每個后續(xù)點相對應(yīng)其前繼點的可能的8個基本方向之一表示，單位矢量的長度默認(rèn)為一個柵格像元。如圖2－18所示，(a)(b)圖2－18鏈碼的表示方法鏈碼可以有效地壓縮柵格數(shù)據(jù)，而且對于估算面積、長度、轉(zhuǎn)折方向的凹凸度等運算十分方便，比較適宜存貯圖形數(shù)據(jù)。缺點是對邊界合并、插入等修改編輯工作比較困難，對局部的修改將改變整體結(jié)構(gòu)，效率低下，而且由于鏈碼以每個區(qū)域為單位存貯邊界，相鄰區(qū)域的邊界將被重復(fù)存貯而產(chǎn)生冗余。圖2-19線的網(wǎng)格3．游程編碼游程編碼的基本思路是：對于一幅柵格圖像，常常有行（或列）方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復(fù)的記錄內(nèi)容，其方法有兩種方案。一種編碼方案是，只在各行（或列）數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同代碼重復(fù)的個數(shù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。如圖2－17所示柵格數(shù)據(jù)，可沿行方向進(jìn)行游程長度編碼：（0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。另一種游程長度編碼方案是，逐個記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應(yīng)代碼，如圖2－14所示，沿列方向游程長度編碼如下：（1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。游程長度編碼是柵格數(shù)據(jù)壓縮的重要編碼方法。在柵格加密時，這種編碼數(shù)量沒有明顯增加，壓縮效率較高，且易于檢索、疊加合并等操作，運算簡單，適用于計算機(jī)存貯。4.塊碼塊碼是游程長度編碼擴(kuò)展到二維的情況，采用方形區(qū)域作為紀(jì)錄單元每個記錄單元包括相鄰的若干柵格，數(shù)據(jù)編碼由初始位置行列號加上半徑，再加上記錄單元的代碼組成。如圖2－20是圖2－17的塊碼分解圖，其塊碼表示如下：（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5），（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5），（3，1，1，2），（3，2，1，2），（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3），（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3），（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。 圖2-20塊碼的單元分解5．四叉樹編碼四叉樹又稱四元樹或四分樹，是根據(jù)柵格數(shù)據(jù)二維空間分布的特點，將空間區(qū)域按照4個象限進(jìn)行遞歸分割（2n×2n，且n>1）,直到子象限的數(shù)值單調(diào)為止，最后得到一棵四分叉的倒向樹。也就是說將柵格區(qū)域劃分為4個象限，其終止的依據(jù)是，不管是哪一層的象限，只要劃分到僅代表一種地物或符合既定要求的少數(shù)幾種地物時，則不在繼續(xù)劃分，否則一直劃分到單個柵格單元為止。四叉樹中象限的大小不一，位于高層次的象限較大，深度小，即分解次數(shù)少，而低層次上的象限較小，但深度大即分解的次數(shù)多。正是由于四叉樹編碼能夠自動依照圖形變化而調(diào)整象限尺寸，因此，它具有極高的壓縮效率，是最有效的柵格壓縮編碼方法之一。圖2-18四叉樹分解為了保證四叉樹分解能不斷地進(jìn)行下去，要求圖像必須為2n×2n的柵格陣列。n為極限分割次數(shù)，n＋1是四叉樹最大層數(shù)或最大高度，圖2－22為23×23的柵格，所以最多劃分三次，最大層次為4，對于不標(biāo)準(zhǔn)尺寸的圖像，需通過增加背景的方法將圖像擴(kuò)充為2n×2n的標(biāo)準(zhǔn)柵格圖像。為了使計算機(jī)能以最小的冗余存貯圖像對應(yīng)的四叉樹，又能方便地完成各種圖形圖像操作，下面介紹美國馬里蘭大學(xué)地理信息系統(tǒng)中采用的編碼方式。該方法記錄每個葉子結(jié)點的地址和值，值就是子區(qū)的代碼，其中地址包括兩部分共32位（二進(jìn)制，最右邊4位記錄該葉子結(jié)點的深度，即處于四叉樹的第幾層上，有了深度可以推知子區(qū)的大?。坏刂酚蓮母Y(jié)點到該葉子結(jié)點的路徑表示；SW、SE、NW、NE分別用0，1，2，3表示，從右邊第5位開始用2n位記錄這些方向路徑。如圖2－13所示的第5個結(jié)點深度為3。第一層處于SW象限，記為0；第二層處于NE象限，記為3；第三層處于SE象限，記為1。每層象限位置由兩位二進(jìn)制數(shù)表示，共6位。這樣，記錄了各個葉子的地址，再記上相應(yīng)的代碼值，就記錄了整個圖像，并可在此編碼基礎(chǔ)上進(jìn)行多種圖像操作。事實上葉子結(jié)點的地址可以直接由子區(qū)左下角的行列坐標(biāo)，按二進(jìn)制按位交錯得到。如對于5號葉子結(jié)點，在以圖像左下角為原點的行列坐標(biāo)中，其左下角行、列坐標(biāo)為（2，3），表示為二進(jìn)制分別為010和011，按位交錯就是001101，正是5號方塊。圖2-22四叉樹表示四叉樹編碼具有可變的分辨率，并且有區(qū)域性質(zhì)，壓縮數(shù)據(jù)靈活，許多運算可以在編碼數(shù)據(jù)上直接實現(xiàn)，大大提高了運算效率，是優(yōu)秀的柵格壓縮編碼之一。四叉樹編碼最大的問題就是樹狀表示具有可變性，相同形狀、大小的兩個區(qū)域可能表示為截然不同的結(jié)構(gòu)，故形態(tài)分析和模式識別比較困難，難以設(shè)計統(tǒng)一的算法。以上介紹了五種編碼方法，直接?xùn)鸥窬幋a簡單直觀，是壓縮編碼方法的邏輯原型（柵格文件）；鏈碼的壓縮效率較高，已接近矢量結(jié)構(gòu)，對邊界的運算比較方便，但不具有區(qū)域性質(zhì)，區(qū)域運算較難；游程長度編碼在很大程度上壓縮數(shù)據(jù)，又最大限度地保留了原始柵格結(jié)構(gòu)，編碼解碼十分容易，十分適合于微機(jī)地理信息系統(tǒng)采用；塊碼和四叉數(shù)編碼具有區(qū)域性質(zhì)，又具有可變的分辨率，有較高的壓縮效率，四叉數(shù)編碼可以直接進(jìn)行大量圖形圖像運算，效率較高，是很有前途的編碼方法?？傊?，各種柵格數(shù)據(jù)編碼方法各有其優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)具體圖件情況及要求，選擇適當(dāng)?shù)木幋a方法。三、矢量數(shù)據(jù)編碼方法1.點實體矢量編碼方法點實體矢量編碼比較簡單，只是將空間信息和屬性信息記錄完全就可以了。圖2-23表示了點的矢量編碼的基本內(nèi)容：圖2-23點實體的編碼2.線實體矢量編碼方法線實體主要用來表示線狀地物其矢量內(nèi)容為：惟一標(biāo)識碼；線標(biāo)識碼；起始點；終止點；坐標(biāo)對序列；顯示信息；非幾何屬性。惟一標(biāo)識碼是指系統(tǒng)排列的序號；線標(biāo)識是指標(biāo)識線的類型；起始點和終止點可以用點號或直接用坐標(biāo)表示；坐標(biāo)對序列是指坐標(biāo)對的排列順序；顯示信息是指顯示符號或文本等；非幾何屬性是指與線相聯(lián)系的屬性數(shù)據(jù)，可以直接存貯于線文件中，也可以單獨存貯，由標(biāo)識碼聯(lián)接查找。3.多邊形矢量編碼方法（1）多邊形環(huán)路法多邊形環(huán)路法又叫坐標(biāo)序列法（Spaghetti方式）或獨立實體法，即每個多邊形的編碼與存貯毫不顧及相鄰的多邊形，由多邊形邊界的x，y坐標(biāo)對集合及說明信息組成，是最簡單的一種多邊形矢量編碼。如圖2－24所示圖2-24矢量編碼示例五個多邊形P1、P2、P3、P4、P5可記錄為以下坐標(biāo)文件：P1x1，y1；x2，y2；x3，y3；x4，y4；x5，y5；x6，y6；x7，y7；x8，y8；x9，y9；P2x1，y1；x10，y10；x11，y11；x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15；x16，y16；x17，y17；x18，y18；x19，y19；x20，y20；x8，y8；x9，y9；P3x29，y29；x30，y30；x31，y31；x32，y32；x33，y33；x34，y34；x35，y35；P4x17，y17；x18，y18；x19，y19；x23，y23；x24，y24；x25，y25；x26，y26；x27，y27；x28，y28；P5x19，y19；x20，y20；x8，y8；x7，y7；x6，y6；x21，y21；x22，y22；x23，y23。多邊形環(huán)路法文件結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)多邊形為單位的運算和顯示。這種方法的缺點主要是：多邊形之間公共邊界被數(shù)字化和存貯兩次，由此產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余和圖形裂隙或重疊；（2）樹狀索引編碼法本法采用樹狀索引以減少數(shù)據(jù)冗余并間接增加鄰域信息，方法是對所有邊界點進(jìn)行數(shù)字化，將坐標(biāo)對以順序方式存貯，由點索引與邊界線號相聯(lián)系，以線索引與各多邊形相聯(lián)系，形成樹狀索引結(jié)構(gòu)。圖2－25和圖2－26分別為圖2－24的多邊形線和點樹狀索引示意圖。圖2-25線與多邊形之間樹狀索引圖2-26點與邊界之間的樹狀索引以上樹狀索引示意圖的文件結(jié)構(gòu)如下：①點文件點號坐標(biāo)…1…x1，y1……2x2，y235x35，y35②線文件線號起點終點點號……Ⅰ1…6…1，2，3，4，5，6；…………Ⅱ686，7，8； ⅹ293529，30，31，32，33，34，35。③多邊形文件多邊形號邊界線號1Ⅰ，Ⅱ，Ⅸ；2Ⅲ，Ⅶ，Ⅷ，Ⅸ，Ⅹ；3Ⅹ；4Ⅳ，Ⅵ，Ⅶ；5Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ；樹狀索引編碼消除了相鄰多邊形邊界的數(shù)據(jù)冗余和不一致的問題，可以簡化過于復(fù)雜的邊界線或合并相鄰多邊形，鄰域信息和島狀信息可以通過對多邊形文件的線索引處理得到，但比較繁瑣，因而給鄰域函數(shù)運算、消除無用邊、處理島狀信息以及檢查拓?fù)潢P(guān)系帶來一定困難，而且兩個編碼表都需要人工方式建立，工作量大且容易出錯。（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般應(yīng)包括如下內(nèi)容：惟一標(biāo)識，外包多邊形指針，鄰接多邊形指針，邊界鏈表，范圍（最大和最小x，y坐標(biāo)值）。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在用戶將多邊形邊界數(shù)字化后由程序自動搜索建立，與非幾何屬性的聯(lián)系通過數(shù)字化每個多邊形一個內(nèi)部點建立，也可以由用戶在數(shù)字化的同時輸入部分信息，如輸入多邊形組成的編號，邊界鏈交點的序號，邊界鏈的左右多邊形編號等標(biāo)識信息。采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)編碼可以較好地解決空間關(guān)系查詢等問題。但增加了算法的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)庫的大小。矢量編碼最重要的是信息的完整性和運算的靈活性，這是由矢量結(jié)構(gòu)自身特點決定的，目前矢量編碼尚無統(tǒng)一的最佳編碼方法，在具體工作中應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的特點和任務(wù)的要求靈活設(shè)計。

第三章空間數(shù)據(jù)的輸入與處理學(xué)習(xí)目標(biāo)·了解GIS的數(shù)據(jù)采集方式·掌握地圖數(shù)字化的方法、步驟·掌握地圖數(shù)據(jù)的各種處理方法·理解屬性數(shù)據(jù)編碼的深刻含義·了解空間數(shù)據(jù)壓縮處理方法及優(yōu)缺點數(shù)據(jù)輸入方式一、手工方式手工方式是通過手工在計算機(jī)終端上輸入數(shù)據(jù)，主要是鍵盤輸入。二、手扶跟蹤數(shù)字化方式手扶跟蹤數(shù)字化儀是一種圖形數(shù)字化設(shè)備，是常用的地圖數(shù)字化方式。三、掃描方式掃描儀是一種圖形、圖像輸入設(shè)備，可以快速地將圖形、圖像輸入計算機(jī)系統(tǒng)，是目前發(fā)展很快的數(shù)字化設(shè)備，已經(jīng)成為圖文通信、圖像處理、模擬識別、出版系統(tǒng)等方面的重要輸入設(shè)備。四、影像處理和信息提取方式影像處理和信息提取是從遙感影像上直接提取專題信息，影像處理技術(shù)包括幾何糾正、光譜糾正、影像增強(qiáng)、圖像變換、結(jié)構(gòu)信息提取、影像分類等。是目前技術(shù)水平下，一種十分有效的快速信息采集方式。五、數(shù)據(jù)通訊方式數(shù)據(jù)通訊是指在連網(wǎng)方式下，信息系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間以及與其他信息系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息交流和信息共享的主要方式。Internet是目前世界上最大的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息源，Internet上也有大量的有關(guān)地圖制圖學(xué)和地理信息系統(tǒng)的信息，能夠搜尋、檢索、顯示、保存有關(guān)地圖、地圖制圖學(xué)、數(shù)字制圖的信息以及綜合的地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的發(fā)展對地理信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能提高，將起到極大的推動作用。第二節(jié)地圖數(shù)字化一、手扶跟蹤數(shù)字化1.數(shù)字化儀的組成數(shù)字化儀一般由感應(yīng)板（又叫數(shù)字化板）和定標(biāo)器（又叫游標(biāo)）兩部分組成，如圖3-1所示。手扶跟蹤數(shù)字化儀一般采用點方式、流方式和增量方式等。（1）點方式：是一種手控圖形數(shù)字化方式。每按下定標(biāo)器的鍵，感應(yīng)板發(fā)送一對坐標(biāo)數(shù)據(jù)到計算機(jī)。（2）流方式：是一種時控圖形數(shù)字化方式。數(shù)字化儀每隔一定的時間就向計算機(jī)發(fā)送坐標(biāo)數(shù)據(jù)。（3）增量方式：是一種距控圖形數(shù)字化方式。當(dāng)定標(biāo)器在感應(yīng)板上移動某個距離（步長），計算機(jī)自動記錄經(jīng)過點的坐標(biāo)。圖3-1手扶跟蹤數(shù)字化儀示意圖3.地圖數(shù)字化的操作步驟地圖數(shù)字化是地理數(shù)據(jù)采集的重要組成部分，一般包括以下幾個步驟：（1）讀圖和分層圖形數(shù)字化以前，首先對地圖上的圖形要素進(jìn)行分類。每一類作為一個圖層，每一個圖層賦一個圖層名。（2）固定地圖在感應(yīng)板的有效區(qū)域內(nèi)平整地固定地圖，地圖在感應(yīng)板上的擺放方向不受限制，一般開始數(shù)字化后不再移動地圖。（3）輸入初始化參數(shù)包括數(shù)字化的閾值（數(shù)字化兩點間的最短距離）、圖幅四角點的理論坐標(biāo)、圖幅長度和寬度、比例尺、地圖投影等。（4）設(shè)置與輸入控制點一旦設(shè)置好投影方式后，就需要設(shè)置與輸入控制點，它主要完成對輸入數(shù)據(jù)偏差的糾正。找到地圖上一些已知坐標(biāo)的點，按下定標(biāo)器的按鍵。一般應(yīng)用程序提示輸入數(shù)據(jù)，將圖上已知點的真實坐標(biāo)輸入。應(yīng)該至少設(shè)置4個點，輸入的點越多，對圖幅數(shù)據(jù)糾正的越精確。（5）設(shè)置數(shù)字化參數(shù)數(shù)字化參數(shù)包括：①.自動封閉線模式。②.允許游標(biāo)鎖定。③.數(shù)字化時光滑線。每數(shù)字化一條圖元時，系統(tǒng)會自動光滑這條線。④.設(shè)置數(shù)字化方式，如點方式、流方式等。（6）數(shù)字化參照預(yù)先設(shè)定的圖層及內(nèi)容，手持游標(biāo)分別跟蹤點、線、多邊形等圖形，完成圖形矢量化。當(dāng)數(shù)字化的圖形過大，超過感應(yīng)板上的有效范圍，需將地圖分幅數(shù)字化。一般將圖形按矩形分為上下兩幅或左右兩幅圖形，或者分為左上、右上、左下、右下四幅矩形圖形等。數(shù)字化時，首先對各個分幅矩形的范圍進(jìn)行數(shù)字化，即對左下角、左上角，右上角、右下角進(jìn)行數(shù)字化。經(jīng)過這樣處理后，就為圖形的拼接提供了參數(shù)和依據(jù)。（7）檢查和修改數(shù)字化錯誤通過屏幕或繪圖顯示，檢查線段缺失或多余、線段過長或過短、結(jié)點不匹配、懸掛節(jié)點等各種錯誤，并予以改正。二、掃描矢量化方法1.掃描儀工作原理掃描儀能夠捕捉各種地圖、照片、航空像片以及較薄物體的圖像信息。它是一種高精度的光電一體化產(chǎn)品，能通過光電器件將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中處理。2.掃描數(shù)字化流程（1）工作方式掃描矢量化是利用掃描儀直接掃描原圖，以柵格形式存儲于圖像文件中（如*.TIF等），然后經(jīng)過矢量化轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)，存入到線文件或點文件中，再進(jìn)行編輯、輸出。（2）矢量化流程掃描矢量化工作流程如圖3-3所示。將柵格圖像轉(zhuǎn)換為矢量地圖一般需要以下幾個步驟：①圖像二值化圖像二值化用于從原始掃描圖像到黑白二值圖像，通常將圖像上白色區(qū)域的柵格點賦值為0；而黑色區(qū)域為1，黑色區(qū)域?qū)?yīng)了要矢量化提取的地物，又稱為前景。②平滑圖像平滑用于去除圖像中的隨機(jī)噪聲，通常表現(xiàn)為斑點。③細(xì)化將一條線細(xì)化為只有一個像素寬，細(xì)化是矢量化過程中的重要步驟，也是矢量化的基礎(chǔ)。④鏈?zhǔn)骄幋a將細(xì)化后的圖像轉(zhuǎn)換成為點鏈的集合，其中每個點鏈對應(yīng)于一條弧段。⑤矢量線提取將每個點鏈轉(zhuǎn)化成為一條矢量線。每條線由一系列點組成，點的數(shù)目取決于線的彎曲程度和要求的精度。3.掃描矢量化操作步驟（1）掃描準(zhǔn)備準(zhǔn)備要數(shù)字化的原圖，最好為不易變形的聚酯薄膜圖，并把它正確裝入掃描儀。（2）掃描參數(shù)設(shè)置掃描參數(shù)的設(shè)置包括：?掃描模式的設(shè)置：掃描模式分二值、灰度和百萬種彩色等，對單色地圖一般采用二值或灰度掃描；對黑白航空像片或衛(wèi)星像片采用灰度掃描；對彩色地圖可采用灰度掃描或百萬種彩色掃描；對彩色航空像片或衛(wèi)星像片采用百萬種彩色掃描。?掃描分辨率的設(shè)置：根據(jù)掃描要求設(shè)定分辨率，一般采用300dpi，特殊需要可采用更高的分辨率。?針對一些特殊的需要，還可以調(diào)整亮度、對比度、色調(diào)等值。（3）圖形掃描掃描參數(shù)設(shè)置完畢后，進(jìn)行圖形預(yù)覽，并設(shè)定掃描范圍，然后進(jìn)行掃描。（4）圖像裝入進(jìn)入輸入子系統(tǒng)，系統(tǒng)讀入該圖像的數(shù)據(jù)，并顯示在圖像數(shù)據(jù)的窗口內(nèi)。（5）采集控制點選擇系統(tǒng)的這一功能項時，系統(tǒng)會彈出一對話框，在此對話框中可設(shè)置投影、坐標(biāo)單位。用鼠標(biāo)采集控制點，控制點采集完成后，系統(tǒng)會提示輸入點的坐標(biāo)，并計算誤差值。（6）分層矢量化分析掃描地圖，進(jìn)行分層。選擇矢量化方式，在矢量化工具箱中點取相應(yīng)按鈕開始矢量化工作。（7）檢查和修改數(shù)字化錯誤將數(shù)字化后的矢量圖與原掃描圖像疊置，檢查數(shù)字化過程中出現(xiàn)的錯誤或誤差，并逐個予以改正。第三節(jié)地圖數(shù)據(jù)處理一、數(shù)據(jù)處理的概念和意義在地圖數(shù)字化過程中，不可避免地存在某些錯誤或與應(yīng)用目標(biāo)的不一致性。例如數(shù)字化數(shù)據(jù)與使用格式不一致，各種數(shù)據(jù)來源的比例尺和投影不統(tǒng)一，各圖幅數(shù)據(jù)之間的不匹配等。必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，才能獲得凈化的數(shù)據(jù)文件，使存貯的數(shù)據(jù)符合規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)形式便于進(jìn)一步使用和分析的需要。所謂數(shù)據(jù)處理，就是對采集的各種數(shù)據(jù)，按照不同的方式方法對數(shù)據(jù)形式進(jìn)行編輯運算，清除數(shù)據(jù)冗余，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺失，形成符合用戶要求的數(shù)據(jù)文件格式。數(shù)據(jù)處理主要是針對數(shù)據(jù)本身完成的內(nèi)容，不涉及內(nèi)容的分析。因此，數(shù)據(jù)處理又稱數(shù)據(jù)形式的操作。數(shù)據(jù)處理是實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)組織管理的重要環(huán)節(jié)。簡而言之，數(shù)據(jù)處理的意義體現(xiàn)在以下幾方面：（1）數(shù)據(jù)處理是實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)有序化的必要過程。采集來的空間數(shù)據(jù)往往雜亂無章，只有經(jīng)過數(shù)據(jù)處理變得有序排列組合，才能在地理信息系統(tǒng)中使用。（2）數(shù)據(jù)處理是檢驗數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地理數(shù)據(jù)的特點是量大和相互關(guān)系復(fù)雜。GIS對數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求很高，某些數(shù)據(jù)的虛假可能帶來巨大的錯誤和利益損失。因此在數(shù)據(jù)處理過程中通過精度測試和邏輯一致性檢驗，避免因錯誤的決策造成財產(chǎn)損失或人員傷亡。顯然，數(shù)據(jù)處理可以防患于未然，將很大一部分可能的錯誤預(yù)先避免。（3）數(shù)據(jù)處理是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的關(guān)鍵步驟。建立數(shù)據(jù)庫費用較大，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，減少投入成本，避免資源浪費成為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要課題。數(shù)據(jù)處理正是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的關(guān)鍵步驟，通過格式轉(zhuǎn)換，運用軟件系統(tǒng)以達(dá)到數(shù)據(jù)交互使用的目的。二、圖形坐標(biāo)變換在GIS中，往往要對圖形進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮小、放大等操作，其實質(zhì)是圖形的坐標(biāo)變換。圖形坐標(biāo)變換在數(shù)據(jù)處理中是重要內(nèi)容之一，下面介紹幾種常見的坐標(biāo)變換方法。1.平移變換在一個直角坐標(biāo)系上的點，可以通過原坐標(biāo)值分別加上x,y的偏移量來得到點的平移。如圖3-4所示，設(shè)原來點P的坐標(biāo)為(x,y)，新點P′相對的偏移量為(△x,△y)，那么平移后P′(x′,y′)由下式?jīng)Q定：可以用矢量方式來定義這一變換，令=(x,y)，′=(x′,y′),=(△x,△y),這樣便可寫成(x′,y′)=(x,y)+(△x,△y)或更簡練地寫成.圖3-4點的平移圖3-5旋轉(zhuǎn)變換2.旋轉(zhuǎn)變換使點P(ｘ，ｙ)環(huán)繞坐標(biāo)原點轉(zhuǎn)動某個角度θ，從而獲得一個新點P′(x′,y′)的變換稱為旋轉(zhuǎn)變換，如圖3-5所示，其變換公式為：若將上式寫成矩陣形式則是：(x′,y’)=(x,y)〔〕其中，T=〔〕稱為旋轉(zhuǎn)變換矩陣。式中的θ角為轉(zhuǎn)角，無旋轉(zhuǎn)時，θ=0;逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，θ取正值；順時針方向旋轉(zhuǎn)時，θ取負(fù)值。若以任一點(x0,y0)為基準(zhǔn)點逆時針旋轉(zhuǎn)角度θ，旋轉(zhuǎn)公式為：3.比例變換（圖形縮放）點可以通過對其P(x,y)坐標(biāo)分別乘以各自的比例因子Sx和Sy來改變他們到坐標(biāo)原點的距離，稱為比例變換。即比例變換也常稱為變比。定義S=〔〕，則用矩陣形式來重寫上式：(x’,y’)=(x,y)〔〕或P′=P·S若以任意一點（x0,y0）為中心點，則比例變換公式為：這里對圖形而言，當(dāng)Sx=Sy=1時，則圖形沒有發(fā)生變化；當(dāng)Sx=Sy>1時，圖形被放大；當(dāng)Sx=Sy<1時，則圖形按比例縮小；當(dāng)Sx≠Sy時，圖形發(fā)生變形。三、地圖投影變換當(dāng)系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)取自不同投影的圖幅時，需要將一種投影的數(shù)字化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所需要投影的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。地圖投影轉(zhuǎn)換的方法有：（1）正解變換通過建立資料地圖的投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)到目標(biāo)地圖投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)的嚴(yán)密或近似的解析關(guān)系式，直接由資料地圖投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)x,y轉(zhuǎn)換為目標(biāo)投影的直角坐標(biāo)X，Y。兩個不同投影平面場上的點可對應(yīng)寫成：X=f1(x,y)Y=f2（x,y）式中f1，f2為定域內(nèi)單值、連續(xù)的函數(shù)。（2）反解變換將資料地圖的投影坐標(biāo)數(shù)據(jù)x,y反解出地理坐標(biāo)φ，λ，然后再將地理坐標(biāo)代入到目標(biāo)地圖的投影坐標(biāo)公式中，從而實現(xiàn)投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。對前后兩種地圖投影，可分別有如下表達(dá)形式：x=f1(φ，λ)y=f2(φ，λ)X=f3(φ，λ)Y=f4(φ，λ)根據(jù)資料地圖的投影公式求反解，對前一投影則有：φ=φ(x,y)λ=λ(x,y)代入目標(biāo)地圖的投影方程即有：X=f3[φ(x,y),λ(x,y)]Y=f4[φ(x,y),λ(x,y)]這就是地圖投影反解變換的數(shù)學(xué)模型。（3）數(shù)值變換如果不能確切判定資料地圖的投影公式和常數(shù)，可根據(jù)兩種投影在變換區(qū)內(nèi)的若干同名數(shù)據(jù)點，采用插值法、待定系數(shù)法等，實現(xiàn)由資料地圖投影到目標(biāo)地圖投影的轉(zhuǎn)換。如下是利用兩平面直角坐標(biāo)的高階多項式實施變換：X=a00+a10x+a20x2+a01y+a11xy+a02y2+a30x3+a21x2y+a12xy2+a03y3+…Y=b00+b10x+b20x2+b01y+b11xy+b02y2+b30x3+b21x2y+b12xy2+b03y3+…式中待定系數(shù)aij，bij可由若干已知點坐標(biāo)求出。由于用多項式直接將資料地圖的直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)地圖的直角坐標(biāo)均會含有誤差，且無法檢定，所以在具體實施變換時應(yīng)從計算方法上加以改進(jìn)。四、圖幅拼接圖幅的拼接是在相鄰兩圖幅之間進(jìn)行的，要將相鄰兩圖幅之間的數(shù)據(jù)集中起來，就要求相同實體的線段或弧段的坐標(biāo)數(shù)據(jù)相互銜接，也要求