《地理信息系统概论》笔记

黄杏元 自己看吧 第一章 导论

第一节 地理信息系统基本概念 1 学科特点

GIS是一门典型的交叉性学科

因此，学生要学好GIS，首先必须要做好“GIS” Gentlemanlike, Intelligence, Smile。 GIS是一门实践性很强的学科

因此，要重视技能训练，重点掌握ArcInfo等基础GIS软件的操作和使用。 GIS是一门迅速发展中的学科

因此，要经常阅读有关的文献资料，掌握GIS学科的发展趋势，努力更新自己的知识，不断提高自己的能力。

2 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，随载荷它的物理设备的形式而改变。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改变而改变。数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；数据是信息的表达，信息则是数据的内容。

3 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。地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。

4 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，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、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。

第二节 GIS的基本构成及功能

1系统硬件 由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。

2系统软件 由系统管理软件、数据库软件和基础GIS软件组成，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。

3空间数据库 由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。

4应用模型 由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。 基本功能：

 数据采集与编辑；

数据存储与管理； 数据处理和变换； 空间分析和统计； 产品制作与显示；  二次开发和编程。

第三节 GIS的发展透视 发展趋势：

GIS已成为一门综合性技术； GIS产业化的发展势头强劲； GIS网络化已构成当今社会的热点；

第二章 地理信息系统的数据结构 第一节 地理空间的表达 地理空间的概念

 GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；

 地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成；  GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；

 目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。 空间实体的表达

在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的；  对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格表示法（栅格数据模型）,如下图。

第二节 空间数据

GIS的空间数据特征

 空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系； 属性特征是指空间对象的专题属性；

时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。 地理空间数据的来源

 地图数据

地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源 遥感数据

各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据 统计数据、实测数据及各种文字报告

各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等

地理空间数据的类型:

1. 类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。 2. 面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元 3. 网络数据：道路交叉点、街道和街区等。

4. 样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。 5. 曲面数据 ：高程点、等高线和等值区域。 6. 文本数据：如地名、河流名和区域名称。 7. 符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。

地理空间数据的拓扑关系: 拓扑邻接：同类元素之间的拓扑关系。 拓扑关联：不同类元素之间的拓扑关系。 拓扑包含：同类不同级元素之间的拓扑关系。

图：拓扑邻接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3

拓扑关联：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6 拓扑包含：P3与P4

地理空间数据的拓扑关系的表示:

弧段号 起结点 终结点 左多边形 C1 N1 N2 P2 P1 C2 N3 N2 P1 P4 C3 N1 N3 P1 Ø C4 N1 N4 Ø P2

右多边形 C5 N2 N5 P2 P4 C6 N4 N5 P3 P2 C7 N5 N6 P3 P4 C8 N4 N6 Ø P3 C9 N7 N7 P4 P5 C10 N3 N6 P4 Ø 地理空间数据的拓扑关系的表示:

（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离 （2）利于空间要素查询 （3）重建地理实体

第三节 空间数据结构 1矢量数据结构

矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。 特点：定位明显，属性隐含。

矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去； (1) 手工数字化法； (2) 数据结构转换法。 2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理要素的非几何属性特征。 特点：属性明显，定位隐含。

栅格数据的输入方法包括透明格网采集输入、扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；

栅格结构编码

直接栅格编码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，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。

1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1

游程长度编码只在各行（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。

（1，3），（0，1），（1，2），（0，4），（1，3），（0，2），（1，1） 四叉树编码是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n×2 n，且n>1），直到子象限的数值单调为止。 1

2 3 4 5

6 7 10 11 8 9 12 13 3矢量与栅格数据结构的比较

优 点 缺 点

矢量数据结构 1.便于面向现象(土壤类、土地利用单元等)；2.数据结构紧凑、冗余度低；3.有利于网络分析；4.图形显示质量好、精度高。 1.数据结构复杂；2.软件与硬件的技术要求比较高；3.多边形叠合等分析比较困难；4.显示与绘图成本比较高。

栅格数据结构 1.数据结构简单；2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；4.输出方法快速，成本比较低廉。 1.图形数据量大；2.投影转换比较困难；3.栅格地图的图形质量相对较低；4.现象识别的效果不如矢量方法。

第四节 空间数据结构的建立 需求分析 图层叠加

空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示：

大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别位

大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。 矢量化 错误检验

拓扑生成

第三章 空间数据的处理 第一节 空间数据的坐标变换 几何纠正:

几何纠正是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系； 投影转换:

投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；

第二节 空间数据结构的转换★ 1. 由矢量向栅格的转换 2. 由栅格向矢量的转换

第三节 多源空间数据的融合★ 1. 遥感与GIS数据的融合 遥感图像与数字地图数据的融合； 遥感图像与DEM数据的融合； 遥感图像与地图扫描数据的融合。

2. 不同格式数据的融合 基于转换器的数据融合； 基于数据标准的数据融合； 基于公共接口的数据融合； 基于直接访问的数据融合。

第四节 空间数据的压缩与综合 ★

1 空间数据的压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的程度范围内最好地逼近原集合。 数据压缩的目的:节省存贮空间,节省处理时间 2 常见空间数据的压缩方法 曲线数据的压缩

特征点筛选法：筛选抽取曲线特征点，并删除全部多余点以达到节省存贮空间的目的。

面域栅格数据的压缩

通过压缩编码技术来消除冗余数据：链码、游程长度编码、块码、四叉树

编码

面域邻接线段的删除

数据属性的重新分类和空间图形的化简需要对数据进行压缩，如相邻界线的删除、共同属性的合并。

第五节 空间数据的内插方法★ 点的内插

点的内插是研究具有连续变化特征现象（如地形、气温、气压等）的数值内插方法； 点的内插方法可以采用： 移动拟合法； 局部函数法；

克里格（Kriging）内插法。 区域的内插

区域的内插是研究根据一组分区的已知数据来推求同一地区另一组分区未知数据的内插方法；

区域的内插方法可以采用： 叠置法； 比重法。

第六节 图幅数据边沿匹配处理 图幅数据边沿匹配的概念 图幅数据边沿匹配的任务★ 识别和检索相邻图幅的数据； 相邻图幅边界点坐标数据的匹配； 相同属性多边形公共界线的删除； 连续图幅数据文件的建立。

第四章 地理信息系统空间数据库 第一节 空间数据库概述★★ 空间数据库的概念

GIS存储空间和属性数据的数据库。

空间数据库的设计 设计过程； 数据模型设计；

原则、步骤和技术方法。 空间数据库的实现和维护

第二节空间数据库概念模型设计 1 关系模型

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，在数学上把这种二维表叫做“关系”。这些关系表的集合就构成了关系模型。

关系模型主要优点是：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。缺点时当关系很复杂时，计算机需要执行一系列的数据操作，比较费时。

2 层次模型

层次层次模型所表达的基本联系是一对关系，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。

层次模型的优点是模型层次分明、结构清晰，较容易实现。尽管每个记录只有一个双亲，当从子女查找双亲，只有唯一的结果，但查找比较麻烦，需要大量的索引文件，而且某种属性值可能要重复多次，导致数据冗余度增加，当对层次模型进行修改时，只有当新记录有上属记录时才能插入。删除一个记录其所有下属记录也同时被删除。 3 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，与层次模型相比较，大大压缩了数据的存贮量。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。但网状结构数据指针比较复杂，数据更新较为繁琐。

第三节 空间数据库概念模型设计:语义模型与对象模型 语义数据模型 E-R模型。

面向对象的数据模型 面向对象的基本概念： 对象、类； 继承；

重载； 概括与聚集。

第四节 空间数据库逻辑模型设计和物理设计 逻辑设计 步骤和内容；

E-R模型向关系数据模型转换。 物理设计

第五节 GIS空间时态数据库 空间时态数据库概述 空间时态数据的表达； 空间时态数据的更新； 空间时态数据的查询； 时空一体化数据模型 时间片快照模型； 底图叠加模型； 时空合成模型； 全信息对象模型。

第五章 空间分析的原理和方法

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

第一节 数字地面模型分析

DTM（Digital Terrain Model）是通过地表点集的空间直角坐标（x，y，z）并使需要进一步伴随若干专题特征来表示地形表面的,它是构成地形、地理分析的基础。

DEM（ Digital Elevation Model）是地表单元上高程的集合，是地貌形态的离散表示。DEM是构成DTM的基础，DTM的其他元素均有DEM导出，显然，DEM的质量好坏直接决定着DTM的精确性。

1. 地形因子的自动提取 坡度计算； 坡向分析；

曲面面积计算； 地表粗糙度计算； 高程及变异分析； 谷脊特征分析； 日照强度的分析； 淹没边界的计算。

2. 地表形态的自动分类 拟定地形分类决策表； 建立地形类型分类系统； 输出地形类型图。

3. 地学剖面的绘制和分析 建立数字高程模型； 确定地形剖面线的位置； 剖面线交点的内插计算；

地形剖面线及相关地理信息（地质、土壤、土地利用等）的叠加表示和输出。

第二节 空间叠合分析★★★ 1. 空间叠合分析的概念

空间叠合分析是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系； 空间叠合分析根据叠合对象图形特征的不同，分为点与多边形的叠合、线与多边形的叠合和多边形与多边形的叠合三种类型。

2. 基于矢量数据的叠合分析 3. 基于栅格数据的叠合分析

第三节 空间缓冲区分析

缓冲区是根据点、线、面地理实体，建立起周围一定宽度范围内的扩展距离图，缓冲区的作用是用来限定所需处理的专题数据的空间范围，一般认为缓冲区以内的信息均是与构成缓冲区的核心实体相关的，及邻接或关联关系，而缓冲区以外的数据与分析无关。 空间缓冲区分析的模型 线性模型； 二次模型； 指数模型。

空间缓冲区分析的方法★★

第四节 空间网络分析 网络图论的基本概念 图及其构成元素； 有向图和无向图； 邻接矩阵和关联矩阵。 空间网络的类型和构成 空间网络的拓扑分类； 空间网络的构成元素。 空间网络分析方法 路径分析； 定位-配置分析。

第五节 空间统计分析 变量筛选分析

变量筛选分析的概念； 变量筛选分析的方法。 变量聚类分析

变量聚类分析的概念； 变量聚类分析的方法。

第六节 空间数据的集合分析和查询 空间数据的集合分析 空间集合分析的概念； 空间集合分析的方法。 空间数据的查询

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

（6、7章为选学内容）

第六章 地理信息系统的应用模型 第一节 GIS应用模型概述

1. GIS应用模型的分类 理论模型； 经验模型； 混合模型。

2. GIS应用模型的构建 GIS环境内的模型构建； GIS外部的模型构建； 混合型的模型构建。

第二节 适宜性分析模型 1. 一般形式 2. 应用实例 选择评价对象； 确定评价方法； 评价过程和操作； 输出评价结果。 第三节 发展预测模型 1. 一般介绍 2. 应用实例

第四节 位址选择模型 1. 数据准备阶段 2. 综合影响评价阶段 3. 位址选择分析阶段 第五节 交通规划模型 1. 交通发生量预测模型 2. 出行分布预测模型 3. 交通量最优分配规划 第六节 地学模拟模型

1. 确定土壤侵蚀的数值分析模型 2. 设计土壤侵蚀数据处理流程

第七章 地理信息系统的设计与评价 第一节 GIS设计概述 系统设计的目的

这里的系统设计是指应用型或业务型地理信息系统的设计；

应用型地理信息系统设计的目的是为了建立业务化的运行系统，以实现业务操作的手工模式

向信息化模式的根本转变，实现管理和决策的高效率和科学化。 系统设计的模式

结构化的系统设计模式； 软件工程理论的应用。 系统设计的流程 系统分析； 系统设计； 系统实施； 系统运行与维护。

第二节 地理信息系统的设计 系统分析

系统分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案；

系统分析的内容包括： who——谁使用该系统；

what——新系统需要具有哪些功能和条件； why——为什么需要这些功能和条件；

where——新系统需要的资源和条件从哪里获得；

quality——系统需要具有的技术指标、性能和可靠性要求等。 最后将系统分析的结果写成可行性分析报告，为系统立项提供依据。 系统设计

总体设计：系统立项后便转入总体设计；总体设计完成后，撰写系统总体设计方案，提供专家论证和评审。

详细设计：专家论证通过后，才能转入详细设计。详细设计的任务是根据总体设计的方案确定的目标和阶段开发计划，紧密结合特定的硬件、基础软件和规范标准，进行子系统和数据库等的详细设计，用于指导系统的开发。 系统实施

系统实施是按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段完成系统开发的过程； 系统实施的内容包括：

系统硬件和软件的引进和调试； 系统数据库的建立和数据质量控制； 应用模块开发和建立用户应用界面； 应用系统联调、测试和编写系统测试报告； 按照计划任务书进行系统的验收及技术鉴定。 系统运行和维护 系统运行；

系统维护。

第三节 地理信息的标准化 地理信息标准化的内容 统一的名词术语内涵； 统一的数据采集原则； 统一的空间定位框架； 统一的数据分类标准； 统一的数据编码系统； 统一的数据组织结构； 统一的数据记录格式； 统一的数据质量含义。 地理信息标准化的制定 国际标准化组织的任务； 中国标准化组织的任务。

第四节 地理信息系统的评价 系统评价:

就是指从技术和经济两个大的方面,对所设计的地理信息系统进行评定。基本做法是将运行着的系统与预测目标进行比较,考察是否达到了系统设计时所预定的效果。

第八章 地理信息系统产品的输出设计 地理信息系统产品的输出形式 常规地图 全要素地形图； 各类专题地图； 遥感影像地图； 统计图表与数据报表。 数字地图 屏幕地图； 电子地图； 动态地图。

地理信息系统图形输出系统设计 基本理论

图形坐标系统；★★

颜色模型与颜色空间；★★

地理信息系统图形数据结构与数据库。 输出的几何变换 二维图形变换； 三维图形变换； 地图投影变换。

地形图与专题图的输出组织形式 透明图层与影像图层； 专题图的符号系统。

地理信息系统的可视化与虚拟现实 三维空间图形模型 线框模型与面模型； 实体模型。

数字地面模型的构造 网格表面构造；

隐藏线与隐藏面的消除。 虚拟现实的设计与实现 真实感图形与纹理贴图； 光照模型和光线跟踪； 视差原理与体视图的生成； VRML结构与虚拟现实的实现方法。

主要参考书：

1 陈述彭，鲁学军，周成虎，地理信息系统导论，科学出版社，1999 2 黄杏元，汤勤，地理信息系统概论，高等教育出版社，1989 3 边馥苓，地理信息系统原理和方法，测绘出版社，1996 4 陈俊，宫鹏，实用地理信息系统，科学出版社，1998

5 龚建雅，当代GIS的若干理论与技术，武汉测绘科技大学出版社，1999 6 严蔚敏，吴伟民，数据结构，清化大学出版社 7 张超，杨秉庚，计量地理学，高等教育出版社

8 黄杏元等，地理信息系统导论，高等教育出版社，2001 9 张超等，地理信息系统实验教程，高等教育出版社，2000

附：武测2001年考研考题

一 名词解释1.拓扑关系2.缓冲区分析3.不规则三角网模型4.空间内插5.数据压缩 二 简答

1 点、线、面三者空间关系表现形式主要有哪些？ 2 地图投影与地理信息系统的关系

3 数据处理在地理信息系统中的作用及数据处理的主要内容 4 DEM的优、缺点及主要用途

5 地理信息系统的组成部分及各部分的主要作用 6 判断点在多边形内的基本方法 三 简述

1 地理信息系统中图形数据结构的主要类型及他们的各自特点 2 地理信息系统工程的三维体系结构 3 叙述四种栅格数据存储的压缩编码方法

4 空间实体可抽象为哪几种基本类型？它们在矢量数据结构和栅格结构中分别是如何表示的？

5举例说明拓扑数据结构 四 综合

地理信息系统数据源的类型有哪些？在地理信息系统中有哪些主要的数据输入方法？数据输入过程中可能产生的误差有哪些形式？引起这些误差的主要因素有哪些？