地理信息系统(上课笔记草稿)

地理信息系统
一.信息与数据
1.信息：是对现实世界的一种映射，是现实世界在人们头脑中的反应，它以文字、数据、符号、声音等形式记录下来。

2信息的特征
①客观性：任何信息都是与客观事实相联系的
②适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类不同
③传输性：信息可在用户之间进行传输
④共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失
3.数据：指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图像等符号
数据是对客观现象的表达，数据本身并没有意义。

数据是信息的表达载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。

二.地理信息及其特征
1 .地理信息：指与研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地理系统诸要素的数量、质量分布特征，相互联系和变化规律等。

2. 地理信息的特征：
①地域性：地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系
②多维结构：指在同一位置上可有多种专题的信息结构
③时序特征：时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化，因此，实时的GIS系统要求及时更新地理信息，使得地理信息具有现势性
三.信息系统和地理信息系统
1 .信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用于一系列问题的系统，具有采集、管理、分析和表达数据的能力
2 .对GIS的理解：GIS是计算机系统，具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达
3.GIS与其它IS的区别：
共同点：GIS离不开数据库技术，数据库中的一些基本技术。

如数据模型，数据存储，数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。

差异：GIS对空间数据和属性数据共同管理，分析和应用；而一般MIS侧重于非图形数据。

4 .GIS构成：软件、硬件、数据和用户
5.地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同方法组成的，具有支持空间数据的获取、管理、分析、建模和显示功能，并可解决复杂的规划和管理问题的信息系统。

二、一.数据结构
1、空间实体(空间对象，地理实体)
定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体概括性、复杂性、相对意义的概念。

实体抽象的程度会因为研究区域的大小，规模不同而有所不同。

2、基本空间实体类型
①点状实体（零维）有特定位置，无长度，宽度和高度
②线状实体（一维）具有相同属性的点的轨迹，有长度、无宽、高度，具有如下特性：弯曲度，方向性
③面状实体（二维）在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，特征：面积，周长，独立性
④体状实体（三维）
实体类型组合区域包含线：计算区域内线的密度
二、空间实体的描述
1、空间实体的描述形式：空间数据
2、空间数据是指用来描述空间实体的位置、形体、大小及其分布特征诸多方面信息的数据
3、空间数据的基本类型①几何数据：描述空间对象的空间特征的数据（一般用经纬度坐标表达）
②关系数据：描述空间对象的空间关系的数据（一般通过拓扑关系表达）
③属性数据：描述空间对象的属性特征的数据（一般通过代码给予表达）
4、空间数据的基本特征属性：空间、时间
5. 空间实体的描述：编码、位置、类型、行为、属性、关系、说明
编码：分类码和识别码
编码过程：分类分级编码
空间对象关系表达：
空间关系是GIS数据和表达的重要内容
6、空间关系类型
①顺序空间关系
②质量空间关系
③拓扑空间关系
拓扑空间关系：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质
拓扑关系种类：①关联性：（不同类要素之间）结点与弧段，多边形和弧段
②邻接性：（同类要素之间）
③连通性：指对弧段连接的判别④包含性⑤方向性
7、GIS中引入拓扑关系的意义
a、拓扑关系能清楚滴反映实体之间逻辑结构关系
b、有助于空间要素的查询，可以解决许多实际问题
c、根据拓扑关系可重建地理实体
三、地理空间的表达和空间数据结构
1、空间数据结构：指计算机系统中存储和管理的空间数据的逻辑结构，用来抽象描述地理实体数据在空间的排列及关系；强调数据的表达实现，是数据模型的具体实现。

数据模型：强调数据的表达概念，是数据结构的基础
两种数据结构：矢量数据结构（面向对象）和栅格数据结构（面向位置）
2、地图表达形式
矢量数据结构：通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置点：坐标对（X，Y）
线：坐标对系列（X1，Y2），……(Xn，Yn)
面：首尾坐标相同的坐标串（X1，Y2），……(X1，Y1)
拓扑数据结构
面——弧弧——点点——弧弧——面
栅格数据结构点：有单个栅格表达
线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达
面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达
栅格概念：是以规则像元阵列表示空间对象的数据结构
栅格数据组织：针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件
组织方法：方法①以象元为记录序列
②每层每个象元的位置，属性一一记录
③以层位基础，每层内以多边形位序列记录多边形的属性值和多边形内各象元的坐标。

3、四叉树编码
四叉树的树形表示——用一倒立数表示这种分割和分割结果
树叉：还需分割的块，每个树叉有4各分叉
矢量与栅格数据结构比较
三、数据库采集
1、GIS的数据源
①地图数据：包括地形数据和人文景观数据，有图形结构和拓扑结构两种形式
②遥感数据：能快速获取大范围地区的遥感影像，更新速度快，无坐标系统
③实测数据：通过野外测量获取，如GPS数据，调查统计数据，已有系统的数据，文本数据，多媒体数据
2、空间数据采集的内涵和任务
GIS中的数据采集主要是指将不同来源和不同类型的数据转换成GIS可以接受和处理的数据，并进行标准化和规范化的处理，这一过程通常包括数据化，规范化和数据编码几个方面数字化：指将不同信息经过扫描数字化或跟踪数字化器，进行模数转换，坐标转换等，形成各种数据文件，存入数据库系统
3、空间数据的地理基础
物理空间：指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续，包括：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈相互作用的区域4、GIS的地理基础——控制基础
地理基础是地理信息数据表达格式与规范的重要组成部分即：①统一的地图投影系统定位坐标系统——高程系统②统一的地理格网坐标系统
③统一的地理编码系统
5、地图投影：是建立起地球椭球表面的点与投影平面的点之间的一一对应的数学关系，即：
X=f1（λ，φ）Y=f2（λ，φ）
（1）地图投影变形：长度，面积，角度变形
（2）地图投影方式：平面投影、圆锥面投影、圆柱面投影
(3) GIS中地图投影设计与配置的一般原则
①所配置的投影系统应与比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图，基本省区图或国家大地图集）投影系统一致
②系统一般只考虑之多采用两种投影系统，一种应用于大比例尺的数据处理与输出，输入，另一种服务于小比例尺
③所用投影以等角投影为宜
④所有投影应能与网络坐标系统相适应，即所采用的网络系统（特别是一级网格）在投影带中应保持完整
6、GIS的数据质量
GIS的数据质量是指：GIS中空间数据（几何数据和属性数据）的可靠性，通常用空间数据的误差来度量
基本内容：
①位置（几何）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误差
②属性精度：如要素的正确性，属性编码的正确性，注记的正确性等，用以反映属性的质量
③逻辑一致性
④完备性：数据分类、实体类型、属性数据完备性
⑤现势性：数据采集时间、更新时间
误差产生主要原因：①空间现象自身存在的不稳定性
②空间现象的表达
③空间数据处理中的误差
④空间数据使用中的误差
7、空间元数据
（1）概念：地理的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、条件和其它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
（2）作用：①组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源
②帮忙数据使用者查询所需空间信息
③组织和维护一个机构对数据的投资
④用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心
⑤提供数据转换方面的信息
四、一空间数据库的概念
数据库管理就是指对数据的组织、存储、检索和维护
分几个阶段：①人工管理阶段，②文件管理阶段，③数据库管理阶段
二.数据库基本知识
1.数据库：是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织，存储，管理和应用的相关联的数据集合
2.数据库中数据组织方式
①数据项：是可以定以数据的最小单元，也叫元素，基本项，字段等
②记录：由若干的相关联的数据项组成
③文件
④数据库
三.数据库方法相对于文件管理方法的特点
（1）数据集中控制（2）数据冗余度小（3）数据独立
（4）复杂的数据模型（5）数据保护
四.空间数据库相对于一般数据库特点：①数据特别大，②种类多、复杂，③范围面广
空间数据模型包含①概念数据模型、②逻辑数据模型、③物理数据模型
数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑模型。

传统数据模型
㈠层次数据模型
概念：以记录类型为结点的有向树或者森林，它把数据按自然的层次关系组织起，以反映数据之间的隶属关系，并采用关键字来访问其中的每一层次的每一部分。

优点：①存取方便且速度快②结构清晰，容易理解
③数据修改和扩展容易④检索关键属性十分方便
缺点：①不能表示多对多的关系②南移顾及数据共享和实体间的拓扑关系
③结构呆板，缺乏灵活性。

当对层次模型的结点记录进行修改时，只有当新记录上有上层记录时才能插入，删除一个记录，其所有的下层记录也同时被删除。

㈡网络数据模型
概念：将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线表示不同结点之间的关系，结点之间没有明确的从属关系，一个结点，可与其它多个结点建立联系，是具有多对多类型的数据组织方式。

优点：①能明确而方便地表示数据间的复杂关系
②数据冗余小
缺点：①网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难
②需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大
③数据的修改不方便（指针必须修改）。

㈢关系数据类型
概念：以记录组成数据表的形式组织数据，以方便利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和交换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。

传统模型存储空间数据的局限：
层次模型用于GIS地理数据库的局限性
层次模型反映了实体之间的层次关系，简单、直观、易于理解，并在一定程度上支持数据的重构
问题：（1）很难描述复杂的，简单、直观，易于理解，查询，低层次对象，效率低，难进行反向查询；独立性差，更新涉及许多指针；层次命令具有过程式性质
（2）.网状模型：本身复杂，具过程式性质
(3) 关系：无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构；空间数据通常是变长的；难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加；一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能；一般RDBMS难以支持复杂的数据信息
第五章空间查询与空间分析
1、叠置分析概念：是将同一地区的两组或两组以上的要素进行叠置，产生新的特征的分析方法
空间叠置分析：是指在统一空间参考系统下，
叠置分析的基本类型：①、视觉信息的叠加
②、点与多边形的叠加
③、线与多边形的叠加
④、多边形与多边形的叠加
缓冲区：地理空间目标的一种影响范围或服务范围，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形。

缓冲区类型：①点缓冲区②线缓冲区③面缓冲区
用途
网络分析的基础是图论和运筹学
GIS解决空间问题的步骤（基本）：①明确目的、要求；②收集（准备）数据并建库；
③确定GIS的分析步骤；④输出结果。

第六章空间信息可视化
1 .可视化：将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种转换，目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地把握住地理信息系统的空间特征
2 .空间信息可视化：运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示，并进行交互处理的理论、方法和技术
3.可视化意义：①大大扩展人类的视觉功能
②海量的数据只有通过可视化变成形象，才能激发人的形象思维
③大大加速数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到有效利用
④可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据中隐含的现象，位发现和理解科学规律提供有力工具
⑤实现对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响
特点：①可视性②多维性③交互性
4、空间信息可视化的形式：
①地图
②多媒体地学信息
③三维仿真地图
④虚拟现实
⑤电子地图：是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上并能在屏幕上显示。

⑥动态地图：是能集中形象的表示空间信息的时空化状态和过程的电子地图。

⑦虚拟现实技术
4. 多媒体地学信息
主要动态视觉变量：①时刻是事件出现的时间点
②持续时间是各个静态场景之间的时间长度，决定动画的步调
③频率是现象出现的频繁程度。