《地理信息系統概論》筆記

coverjo · 發表于 2008-9-30 11:47

黃杏元自己看吧
第一章導論
第一節地理信息系統基本概念
1 學科特點
GIS是一門典型的交叉性學科
     因此，學生要學好GIS，首先必須要做好“GIS” Gentlemanlike, Intelligence, Smile。
GIS是一門實踐性很強的學科
     因此，要重視技能訓練，重點掌握ArcInfo等基礎GIS軟件的操作和使用。
GIS是一門迅速發展中的學科
     因此，要經常閱讀有關的文獻資料，掌握GIS學科的發展趨勢，努力更新自己的知識，不斷提高自己的能力。
2 數據是客觀事物的屬性、數量、位置及其相互關系等的抽象表示，隨載荷它的物理設備的形式而改變。信息是向人們或機器提供關于現實世界各種事實的知識，是數據、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。數據是客觀對象的表示，只有當數據對實體行為產生影響時才成為信息；數據是信息的表達，信息則是數據的內容。
3 地理信息是指表示地理環境諸要素的數量、質量、分布特征及其相互聯系和變化規律的數字、文字、圖象和圖形等的總稱。地理信息屬于空間信息，它具有空間定位特征、多維結構特征和動態變化特征。
4 地理信息系統是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據，以提供管理、決策等所需信息的技術系統。簡單的說，地理信息系統就是綜合處理和分析地理空間數據的一種技術系統。

第二節  GIS的基本構成及功能
1系統硬件    由主機、外設和網絡組成，用于存儲、處理、傳輸和顯示空間數據。
2系統軟件    由系統管理軟件、數據庫軟件和基礎GIS軟件組成，用于執行GIS功能的數據采集、存儲、管理、處理、分析、建模和輸出等操作。
3空間數據庫    由數據庫實體和數據庫管理系統組成，用于空間數據的存儲、管理、查詢、檢索和更新等。
4應用模型    由數學模型、經驗模型和混合模型組成，用于解決某項實際應用問題，獲取經濟效益和社會效益。
基本功能：
 數據采集與編輯；
 數據存儲與管理；
 數據處理和變換；
 空間分析和統計；
 產品制作與顯示；
 二次開發和編程。

第三節  GIS的發展透視
發展趨勢：
GIS已成為一門綜合性技術；
GIS產業化的發展勢頭強勁；
GIS網絡化已構成當今社會的熱點；

第二章地理信息系統的數據結構
第一節地理空間的表達
地理空間的概念
 GIS中的概念常用“地理空間”(geo-spatial)來表述，一般包括地理空間定位框架及其所連接的空間對象；
 地理空間定位框架即大地測量控制，由平面控制網和高程控制網組成；
 GIS的任何空間數據都必須納入一個統一的空間參照系中，以實現不同來源數據的融合、連接與統一；
 目前，我國采用的大地坐標系為1980年中國國家大地坐標系，現在規定的高程起算基準面為1985國家高程基準。
空間實體的表達
 在計算機中，現實世界是以各種數字和字符形式來表達和記錄的；
 對現實世界的各類空間對象的表達有兩種方法，分別稱為矢量表示法（矢量數據模型）和柵格表示法（柵格數據模型）,如下圖。

第二節空間數據
GIS的空間數據特征
 空間特征是指空間對象的位置及與相鄰對象的空間關系或拓撲關系；
 屬性特征是指空間對象的專題屬性；
 時間特征是指空間對象隨著時間演變而引起的空間和屬性特征的變化。
地理空間數據的來源
 地圖數據
地圖是地理信息的主要載體，同時也是地理信息系統最重要得信息源
 遙感數據
各種遙感數據及其制成的圖像資料（航片、衛片）包含著及其豐富的地理內容，尤其是先進的衛星遙感技術的廣泛應用，能為地理信息系統提供源源不斷的、現勢性很強的數據
 統計數據、實測數據及各種文字報告
各種地理要素的統計數據、實驗和各種觀測數據、研究報告等

地理空間數據的類型:
1. 類型數據：居民點、交通線、土地類型分布等。
2. 面域數據：多邊形中心點、行政區域界限和行政單元
3. 網絡數據：道路交叉點、街道和街區等。
4. 樣本數據：氣象站、航線和野外樣方的分布區等。
5. 曲面數據：高程點、等高線和等值區域。
6. 文本數據：如地名、河流名和區域名稱。
7. 符號數據：點狀符號、線狀符號和面狀符號等。

地理空間數據的拓撲關系:
拓撲鄰接：同類元素之間的拓撲關系。
拓撲關聯：不同類元素之間的拓撲關系。
拓撲包含：同類不同級元素之間的拓撲關系。

圖：拓撲鄰接：N1/N2 ,N1/N3 ,N1/N4 ;P1/P3 ;P2/P3
拓撲關聯：N1/е1、е3 、е6 ；P1/е1、е5 、е6
拓撲包含：P3與P4
地理空間數據的拓撲關系的表示:
弧段號起結點終結點左多邊形右多邊形
C1 N1 N2 P2 P1
C2 N3 N2 P1 P4
C3 N1 N3 P1 Ø
C4 N1 N4 Ø P2
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
地理空間數據的拓撲關系的表示:
（1）確定地理實體間的相對空間位置，無需坐標和距離
（2）利于空間要素查詢
（3）重建地理實體

第三節空間數據結構
1矢量數據結構
矢量結構是通過記錄坐標的方式來表示點、線、面等地理實體。
特點：定位明顯，屬性隱含。
矢量數據的輸入，是指將分類和編碼的空間對象圖形轉換為一系列x、y坐標，然后按照確定的數據結構加入到線段或標示點的計算機數據文件中去；
(1) 手工數字化法；
(2) 數據結構轉換法。
2柵格數據結構
柵格結構是以規則的陣列來表示空間地物或現象分布的數據組織，組織中的每個數據表示地理要素的非幾何屬性特征。
特點：屬性明顯，定位隱含。
   柵格數據的輸入方法包括透明格網采集輸入、掃描數字化輸入及其它數據傳輸或轉換輸入等；

柵格結構編碼
   直接柵格編碼是將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼，可以每行從左到右逐像元記錄，也可奇數行從左到右而偶數行由右向左記錄，為了特定的目的還可采用其他特殊的順序。
1 1 1 0
1 1 0 0
0 0 1 1
1 0 0 1
游程長度編碼只在各行（或列）數據的代碼發生變化時依次記錄該代碼以及相同代碼重復的個數。

（1，3），（0，1），（1，2），（0，4），（1，3），（0，2），（1，1）
四叉樹編碼是根據柵格數據二維空間分布的特點，將空間區域按照4個象限進行遞歸分割（2n×2 n，且n>1），直到子象限的數值單調為止。

1
2 3
4 5
6 7 10 11
8 9 12 13
3矢量與柵格數據結構的比較
優　　點缺　　點
矢量數據結構 1.便于面向現象(土壤類、土地利用單元等)；2.數據結構緊湊、冗余度低；3.有利于網絡分析；4.圖形顯示質量好、精度高。 1.數據結構復雜；2.軟件與硬件的技術要求比較高；3.多邊形疊合等分析比較困難；4.顯示與繪圖成本比較高。
柵格數據結構 1.數據結構簡單；2.空間分析和地理現象的模擬均比較容易；3.有利于與遙感數據的匹配應用和分析；4.輸出方法快速，成本比較低廉。 1.圖形數據量大；2.投影轉換比較困難；3.柵格地圖的圖形質量相對較低；4.現象識別的效果不如矢量方法。

第四節空間數據結構的建立
需求分析
圖層疊加

空間數據的編碼：是指將數據分類的結果，用一種易于被計算機和人識別的符號系統表示出來的過程，編碼的結果是形成代碼。代碼由數字或字符組成。例如，我國基礎地理信息數據的分類代碼由六位數字組成，其代碼結構如下所示：

大類碼小類碼一級代碼二級代碼識別位
大類碼、小類碼、一級代碼和二級代碼分別用數字順序排列。識別位由用戶自行定義，以便于擴充。

矢量化
錯誤檢驗
拓撲生成

第三章空間數據的處理
第一節空間數據的坐標變換
幾何糾正:
幾何糾正是指對數字化原圖數據進行的坐標系轉換和圖紙變形誤差的改正，以實現與理論值的一一對應關系；
投影轉換:
投影轉換是指當系統使用來自不同地圖投影的圖形數據時，需要將該投影的數據轉換為所需要投影的坐標數據；
第二節空間數據結構的轉換★
1. 由矢量向柵格的轉換
2. 由柵格向矢量的轉換

第三節多源空間數據的融合★
1. 遙感與GIS數據的融合
遙感圖像與數字地圖數據的融合；
遙感圖像與DEM數據的融合；
遙感圖像與地圖掃描數據的融合。

2. 不同格式數據的融合
基于轉換器的數據融合；
基于數據標準的數據融合；
基于公共接口的數據融合；
基于直接訪問的數據融合。

第四節空間數據的壓縮與綜合 ★
1 空間數據的壓縮，即從所取得的數據集合S中抽出一個子集A，這個子集作為一個新的信息源，在規定的程度范圍內最好地逼近原集合。
數據壓縮的目的:節省存貯空間,節省處理時間
2 常見空間數據的壓縮方法
曲線數據的壓縮
特征點篩選法：篩選抽取曲線特征點，并刪除全部多余點以達到節省存貯空間的目的。
面域柵格數據的壓縮
通過壓縮編碼技術來消除冗余數據：鏈碼、游程長度編碼、塊碼、四叉樹編碼
面域鄰接線段的刪除
數據屬性的重新分類和空間圖形的化簡需要對數據進行壓縮，如相鄰界線的刪除、共同屬性的合并。

第五節空間數據的內插方法★
點的內插
點的內插是研究具有連續變化特征現象（如地形、氣溫、氣壓等）的數值內插方法；
點的內插方法可以采用：
移動擬合法；
局部函數法；
克里格（Kriging）內插法。
區域的內插
區域的內插是研究根據一組分區的已知數據來推求同一地區另一組分區未知數據的內插方法；
區域的內插方法可以采用：
疊置法；
比重法。

第六節圖幅數據邊沿匹配處理
圖幅數據邊沿匹配的概念
圖幅數據邊沿匹配的任務★
識別和檢索相鄰圖幅的數據；
相鄰圖幅邊界點坐標數據的匹配；
相同屬性多邊形公共界線的刪除；
連續圖幅數據文件的建立。

第四章地理信息系統空間數據庫
第一節空間數據庫概述★★
空間數據庫的概念
GIS存儲空間和屬性數據的數據庫。
空間數據庫的設計
設計過程；
數據模型設計；
原則、步驟和技術方法。
空間數據庫的實現和維護

第二節空間數據庫概念模型設計
1 關系模型
將數據的邏輯結構歸結為滿足一定條件的二維表。實體本身的信息以及實體之間的聯系均表現為二維表，在數學上把這種二維表叫做“關系”。這些關系表的集合就構成了關系模型。
關系模型主要優點是：數據結構靈活、清晰，可以通過數學運算進行各種查詢、計算和修改；數據描述具有較強的一致性和獨立性。缺點時當關系很復雜時，計算機需要執行一系列的數據操作，比較費時。

2 層次模型
層次層次模型所表達的基本聯系是一對關系，它把數據按其自然的層次關系組織起來，以反應數據之間的隸屬關系。
層次模型的優點是模型層次分明、結構清晰，較容易實現。盡管每個記錄只有一個雙親，當從子女查找雙親，只有唯一的結果，但查找比較麻煩，需要大量的索引文件，而且某種屬性值可能要重復多次，導致數據冗余度增加，當對層次模型進行修改時，只有當新記錄有上屬記錄時才能插入。刪除一個記錄其所有下屬記錄也同時被刪除。
3 網狀模型
基本特征是在記錄之間沒有明確的主從關系，任何一個記錄可與任意其他多個記錄建立聯系，與層次模型相比較，大大壓縮了數據的存貯量。可以表示實體的多種，關系更為靈活，對確定的數據表示效率高，冗余小，表示關系復雜的地理數據和具有網絡特征的地理實體效果較好。但網狀結構數據指針比較復雜，數據更新較為繁瑣。

第三節空間數據庫概念模型設計:語義模型與對象模型
語義數據模型
E-R模型。
面向對象的數據模型
面向對象的基本概念：
對象、類；
繼承；
重載；
概括與聚集。

第四節空間數據庫邏輯模型設計和物理設計
邏輯設計
步驟和內容；
E-R模型向關系數據模型轉換。
物理設計

第五節 GIS空間時態數據庫
空間時態數據庫概述
空間時態數據的表達；
空間時態數據的更新；
空間時態數據的查詢；
時空一體化數據模型
時間片快照模型；
底圖疊加模型；
時空合成模型；
全信息對象模型。

第五章空間分析的原理和方法
空間分析是基于空間數據的分析技術，它以地學原理為依托，通過分析算法，從空間數據中獲取有關地理對象的空間位置、空間分布、空間形態、空間形成和空間演變等信息。

第一節數字地面模型分析
DTM（Digital Terrain Model）是通過地表點集的空間直角坐標（x，y，z）并使需要進一步伴隨若干專題特征來表示地形表面的,它是構成地形、地理分析的基礎。

DEM（ Digital Elevation Model）是地表單元上高程的集合，是地貌形態的離散表示。DEM是構成DTM的基礎，DTM的其他元素均有DEM導出，顯然，DEM的質量好壞直接決定著DTM的精確性。

1. 地形因子的自動提取
坡度計算；
坡向分析；
曲面面積計算；
地表粗糙度計算；
高程及變異分析；
谷脊特征分析；
日照強度的分析；
淹沒邊界的計算。
2. 地表形態的自動分類
擬定地形分類決策表；
建立地形類型分類系統；
輸出地形類型圖。
3. 地學剖面的繪制和分析
建立數字高程模型；
確定地形剖面線的位置；
剖面線交點的內插計算；
地形剖面線及相關地理信息（地質、土壤、土地利用等）的疊加表示和輸出。

第二節空間疊合分析★★★
1. 空間疊合分析的概念
空間疊合分析是指在統一空間參照系統條件下，每次將同一地區兩個地理對象的圖層進行疊合，以產生空間區域的多重屬性特征，或建立地理對象之間的空間對應關系；
空間疊合分析根據疊合對象圖形特征的不同，分為點與多邊形的疊合、線與多邊形的疊合和多邊形與多邊形的疊合三種類型。

2. 基于矢量數據的疊合分析
3. 基于柵格數據的疊合分析

第三節空間緩沖區分析
緩沖區是根據點、線、面地理實體，建立起周圍一定寬度范圍內的擴展距離圖，緩沖區的作用是用來限定所需處理的專題數據的空間范圍，一般認為緩沖區以內的信息均是與構成緩沖區的核心實體相關的，及鄰接或關聯關系，而緩沖區以外的數據與分析無關。
空間緩沖區分析的模型
線性模型；
二次模型；
指數模型。
空間緩沖區分析的方法★★

第四節空間網絡分析
網絡圖論的基本概念
圖及其構成元素；
有向圖和無向圖；
鄰接矩陣和關聯矩陣。
空間網絡的類型和構成
空間網絡的拓撲分類；
空間網絡的構成元素。
空間網絡分析方法
路徑分析；
定位-配置分析。

第五節空間統計分析

變量篩選分析
變量篩選分析的概念；
變量篩選分析的方法。
變量聚類分析
變量聚類分析的概念；
變量聚類分析的方法。

第六節空間數據的集合分析和查詢
空間數據的集合分析
空間集合分析的概念；
空間集合分析的方法。
空間數據的查詢
基于關系查詢語言擴充的空間查詢方法；
可視化空間查詢方法；
基于自然語言的查詢方法；
超文本查詢方法。

（6、7章為選學內容）
第六章地理信息系統的應用模型
第一節 GIS應用模型概述
1. GIS應用模型的分類
理論模型；
經驗模型；
混合模型。
2. GIS應用模型的構建
GIS環境內的模型構建；
GIS外部的模型構建；
混合型的模型構建。

第二節適宜性分析模型
1. 一般形式
2. 應用實例
選擇評價對象；
確定評價方法；
評價過程和操作；
輸出評價結果。
第三節發展預測模型
1. 一般介紹
2. 應用實例
第四節位址選擇模型
1. 數據準備階段
2. 綜合影響評價階段
3. 位址選擇分析階段
第五節交通規劃模型
1. 交通發生量預測模型
2. 出行分布預測模型
3. 交通量最優分配規劃
第六節地學模擬模型
1. 確定土壤侵蝕的數值分析模型
2. 設計土壤侵蝕數據處理流程

第七章地理信息系統的設計與評價
第一節 GIS設計概述
系統設計的目的
這里的系統設計是指應用型或業務型地理信息系統的設計；
應用型地理信息系統設計的目的是為了建立業務化的運行系統，以實現業務操作的手工模式向信息化模式的根本轉變，實現管理和決策的高效率和科學化。
系統設計的模式
結構化的系統設計模式；
軟件工程理論的應用。
系統設計的流程
系統分析；
系統設計；
系統實施；
系統運行與維護。
第二節地理信息系統的設計
系統分析
系統分析的任務是對系統用戶進行需求調查和可行性分析，最后提出新系統的目標和結構方案；
系統分析的內容包括：
who——誰使用該系統；
what——新系統需要具有哪些功能和條件；
why——為什么需要這些功能和條件；
where——新系統需要的資源和條件從哪里獲得；
quality——系統需要具有的技術指標、性能和可靠性要求等。
最后將系統分析的結果寫成可行性分析報告，為系統立項提供依據。
系統設計
總體設計：系統立項后便轉入總體設計；總體設計完成后，撰寫系統總體設計方案，提供專家論證和評審。
詳細設計：專家論證通過后，才能轉入詳細設計。詳細設計的任務是根據總體設計的方案確定的目標和階段開發計劃，緊密結合特定的硬件、基礎軟件和規范標準，進行子系統和數據庫等的詳細設計，用于指導系統的開發。
系統實施
系統實施是按照詳細設計方案確定的目標、內容和方法，分階段完成系統開發的過程；
系統實施的內容包括：
系統硬件和軟件的引進和調試；
系統數據庫的建立和數據質量控制；
應用模塊開發和建立用戶應用界面；
應用系統聯調、測試和編寫系統測試報告；
按照計劃任務書進行系統的驗收及技術鑒定。
系統運行和維護
系統運行；
系統維護。

第三節地理信息的標準化
地理信息標準化的內容
統一的名詞術語內涵；
統一的數據采集原則；
統一的空間定位框架；
統一的數據分類標準；
統一的數據編碼系統；
統一的數據組織結構；
統一的數據記錄格式；
統一的數據質量含義。
地理信息標準化的制定
國際標準化組織的任務；
中國標準化組織的任務。

第四節  地理信息系統的評價
系統評價:
就是指從技術和經濟兩個大的方面,對所設計的地理信息系統進行評定。基本做法是將運行著的系統與預測目標進行比較,考察是否達到了系統設計時所預定的效果。

第八章地理信息系統產品的輸出設計
地理信息系統產品的輸出形式
常規地圖
全要素地形圖；
各類專題地圖；
遙感影像地圖；
統計圖表與數據報表。
數字地圖
屏幕地圖；
電子地圖；
動態地圖。

地理信息系統圖形輸出系統設計
基本理論
圖形坐標系統；★★
顏色模型與顏色空間；★★
地理信息系統圖形數據結構與數據庫。
輸出的幾何變換
二維圖形變換；
三維圖形變換；
地圖投影變換。
地形圖與專題圖的輸出組織形式
透明圖層與影像圖層；
專題圖的符號系統。

地理信息系統的可視化與虛擬現實
三維空間圖形模型
線框模型與面模型；
實體模型。
數字地面模型的構造
網格表面構造；
隱藏線與隱藏面的消除。
虛擬現實的設計與實現
真實感圖形與紋理貼圖；
光照模型和光線跟蹤；
視差原理與體視圖的生成；
VRML結構與虛擬現實的實現方法。

主要參考書：
1 陳述彭，魯學軍，周成虎，地理信息系統導論，科學出版社，1999
2 黃杏元，湯勤，地理信息系統概論，高等教育出版社，1989
3 邊馥苓，地理信息系統原理和方法，測繪出版社，1996
4 陳俊，宮鵬，實用地理信息系統，科學出版社，1998
5 龔建雅，當代GIS的若干理論與技術，武漢測繪科技大學出版社，1999
6 嚴蔚敏，吳偉民，數據結構，清化大學出版社
7 張超，楊秉庚，計量地理學，高等教育出版社
8 黃杏元等，地理信息系統導論，高等教育出版社，2001
9 張超等，地理信息系統實驗教程，高等教育出版社，2000

附：武測2001年考研考題
一名詞解釋1.拓撲關系2.緩沖區分析3.不規則三角網模型4.空間內插5.數據壓縮
二簡答
1 點、線、面三者空間關系表現形式主要有哪些？
2 地圖投影與地理信息系統的關系
3 數據處理在地理信息系統中的作用及數據處理的主要內容
4 DEM的優、缺點及主要用途
5 地理信息系統的組成部分及各部分的主要作用
6 判斷點在多邊形內的基本方法
三簡述
1 地理信息系統中圖形數據結構的主要類型及他們的各自特點
2 地理信息系統工程的三維體系結構
3 敘述四種柵格數據存儲的壓縮編碼方法
4 空間實體可抽象為哪幾種基本類型？它們在矢量數據結構和柵格結構中分別是如何表示的？
5舉例說明拓撲數據結構
四綜合
地理信息系統數據源的類型有哪些？在地理信息系統中有哪些主要的數據輸入方法？數據輸入過程中可能產生的誤差有哪些形式？引起這些誤差的主要因素有哪些？

不會插附件啊 ··但是圖都是書上的

[ 本帖最后由 coverjo 于 2008-9-30 11:49 編輯 ]

養魚DE貓85 · 發表于 2008-10-2 00:20

第一次坐沙發激動中~~~ 謝謝分享~~

wujingsuper · 發表于 2008-10-2 09:55

第一次坐沙發

一臉褶子 · 發表于 2008-10-6 08:56

頂

鼓勵

天之翼84 · 發表于 2008-10-8 21:24

沒圖,有圖做成WORD的也好哇.
不過還是謝謝樓主了

[qq:13]

fancheng0538 · 發表于 2008-10-10 18:38

非常感謝。。。。。。

297176842 · 發表于 2008-10-25 13:09

頂頂，謝謝

liyingying0310 · 發表于 2008-10-25 14:02

太感謝了！我最喜歡第一句話“GIS：Gentlemanlike, Intelligence, Smile
加油！！！

caoxiuly · 發表于 2008-11-5 12:55

thank you!

長木丹今 · 發表于 2009-8-4 19:29

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