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第一章空间分析概念
一、空间分析的概念
1基本概念：空间分析根本目的：通过对空间数据的深加工和分析，获取新的信息。

2空间分析方法的分类：
(1)产生式分析：地形分析：空间叠合分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析
(2)咨询式分析：空间集合分析、空间数据查询
二、空间位置
三、空间分布
描述参数和方法有：分布中心、标准距离、分布密度、分布轴线、空间聚类、趋势面等。

四、空间形态：是空间物体的几何特征，如连通性等，面积、周长、坡度等。

五、空间距离：反映的是空间物体之间几何上的接近程度。

基于距离的分析一缓冲区分析邻近
度：描述了地理空间中两个地物距离相近的程度。

缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。

六、空间关系一空间方位、拓扑、相关场、叠加等
第二章地理信息系统的基础
§2.1地图简介
一、基本概念：地图是遵循一定的数学法则，将客体(一般指地球)上的地理信息，通过科学的
概括，并运用符号系统表示在一定载体上的图形，以传递它们的数量和质量在时间与空间上的分布规律和发展变化。

二、地图的分类
1.按内容分类：普通地图、专题地图(自然地图、社会经济地图、工程地图如：)
2.按比例尺分类：大比例尺地图指比例尺大于等于1 ：100万的地图；
中比例尺地图指比例尺在I : 10万到1 : 100万的地图；
小比例尺地图指比例尺在小于等于1 ： 10万的地图。

3.按制图区域分类
4.按地图的结构分类
5.按地图的用途分类
6.按出版和使用方式
三、地理空间坐标系的建立
建立地理空间坐标系，主要的目的是确定地面点的位置。

确定地面点的位置，最直截了当的方法就是用地理坐标(纬度、经度)来表示。

地理坐标系统，是以经纬度来定义球面或者椭球面上点的位置的参照系统，是一种球面坐标。

§2.2地图投影
一、按地图投影的变形性质分类：⑴等角投影(2)等积投影⑶任意投影
二、按地图投影的构成方法分类：方位投影、圆柱投影、圆锥投影
三、高斯一克吕格投影：横轴等角切椭圆柱投影，。

它是将一椭圆柱横切于地球椭球体上，该椭圆柱面与椭球体表面的切线为一经线，投影中将其称为中央经线。

§2.3我国地理信息系统中常用的地图投影配置与计算
§ 2.4地理信息数字化描述方法
一、地图对地理空间的描述：地理空间的实体分别用点状、线状、面状符号来表示。

二、遥感影像对地理空间的描述：主要是通过不同的颜色和灰度来表示的。

栅格和矢量结构是
计算机描述空间实体的两种最基本的方式。

§2.5地理信息系统的运行环境：
数据获取一GIS接口一数据模型一操作、管理、分析一地理数据库
第三章空间问题建模
3.1空间问题建模
模型可分为两类：用来描述事物的表征模型和用来描述事物过程的过程模型
3.1.1表征模型
表征模型的出发点是描述事物的所有对象。

表征模型用以描述事物的内部空间关系（如一个建筑物的外形）和事物与其他事物之间的空间关系（如建筑物的分布情况）。

通过GIS 同时可以建立事物的属性，因此表征模型也被称为数学模型。

3.1.2过程模型及其类型
过程模型用于描述不同物体之间的相互作用，这里的物体与表征模型中所指的对象相一致，这些关系都通过空间分析工具来确定。

过程模型又被称为是地图模型。

过程模型可以用来描述过程但往往只能对某些事情的发生进行预测。

一个最基本的空间分析操作是将两个栅格数据相加。

过程模型的类型有以下几种：
1）适宜性建模：查找最优位置，如学校最佳地点选择2）距离建模：从数据来计算距离
3）水文建模：预测地面降水径流的流向。

4）表面建模：描述某个城镇各个地方污染程度。

3.2用于解决空间问题的概念模型
第一步：描述问题
为了解决空间问题为了解决空间问题，首先要做的事情是清晰地描述你要解决的问题，即你的最终目标是什么?按照下面的步骤一步一步地往下做将会帮助你实现目标第二步：分解问题
你必须将该问题分解为一组具体目标，找出完成各具找出完成各具体目标所必需的要素及各要素之间的相互作用，并建立必要的输入数据集以创建表征模
如果最终目标是寻找驼鹿的最佳分布位置，你的任务包括找出最近驼鹿分散区域和驼鹿觅食的主要植物类型是什么等等。

输入敎据集包括驼鹿曾在哪里出现、植物类型以及人类居住点和道路的分布。

第三步:分析输入数据集
了解景观里单个物体的空间和属性关系,以及这些物体（表征模型）之间的关系。

第四步：执行分析
找到用于建立整体模型的工具。

在驼鹿分布示例中，需要找到用来对某一特定植物类型进行选择和赋权重的工具，以及对房屋道路建立缓冲区并适当赋以权重的工具。

第五步：检验模型结果
检查模型所得结果。

你是否需要调整某些参数？如果你同时建立了几个模型，确定一下你应该选用哪个模型。

你需要分析出哪个模型是最好的，是否某个特定模型比其它模型更清楚地满足了你最初的目标？
第六步：实施分析结果
一旦你已经解决了空间问题，确保这个特定模型所得的结果满足你在第一步中概述的最初期望,然后你可以应用分析结果。

3.3用概念模型创建适宜性地图
Best Site for a new school
第一步描述问题
要解决一个空间问题，首先应该把你要解决的问题描述出来。

最终目标是什么?最终目标：是要查找一个最适合的地址来建立一所新学校。

为了帮助你建立空间问题模型,按照以上步骤画一个流程图
第二步分解空间问题一旦问题描述了，将它分解为更小的部分，直到你知道解决这个问题需要
哪些步骤这些步骤就是你要实现的具体目标。

当定义具体目标时，考虑一下如何来衡量它们。

你如何衡量什么是最适宜建新学校的地区？
A.新学校还必须建在一个相对平坦的适宜地面上。

（这里的过程模型为计算土地坡度图需要的输入数据集：高程）
B.新学校的建立应结合现有土地利用类型综合考虑，选择成本不高的区域（这里的过程模型为：需要的输入数据集：土地利用）
C.新学校的选择应靠近娱乐设施的地方会更好些（这里的过程模型为：计算到娱乐场地的距离，需要的输入数据集：娱乐设施的位置。

）
D.新学校与现有的学校保持适当距离也是很重要的，以便使学校在城镇上合理分布（这里的过程模型为：计算到现有学校的距离，需要的输入数据集：现有学校的分布。

）
第三步.分析已知数据
对输入数据集进行分析，以了解数据集的内容，同时，还要探求数据中存在的趋势。

通过分析数据，通常能够加深对所要建造学校的地区的了解，判定输入属性数据的权重，决定如何对建模过程进行修改。

可以看一看现有的学校和娱乐场地的位置，还可以从高程数据集上了解到哪些区域的高程较大。

而土地利用数据集则可以告诉用户本地区内的土地利用类型是什么样的，并且各土地利用类区内的土地利用类型相对于其它数据集的分布如何
第四步执行空间分析
确定了具体目标、各要素以及它们之间的相互关系和作用、过程模型，并且知道需要输入的数据集，下面就可以进行空间分析了。

为一所新学校寻最佳位置时，有两种分析的途径。

一种是可以创建一幅适宜性地图，另外一种是可以简单地查询创建的数据集来获取真或假运算的布尔结果。

当然必须先根据分析的需要将所有图层重新分类，使所有的图层数据标准化。

例如，这里可以按照建立新学校的适宜程度对每一图层进行分级，为每个图层中的每个类别赋一个1到10范围内的值，10表示适宜性最高。

这通常被称作适宜性等级。

第五步验证模型结果
任何空间分析获得结果都应该验证结果是否正确。

如果可能，应该去实地调查一些潜在的因素。

第六步实施分析结果
空间模型的最后一步是要将最终修改确定完善的结果实施，应用
于实例，就是在所选的地址上建造新学校。

第四章坐标系统
一、地球形状与地球椭球体
地球椭球体：假想一个扁率极小的椭圆，绕大地球体短轴旋转所形成的规则的椭球体称之为地球椭球体。

地球表面几何模型可以分为四类：
第一类是地球的自然表面，它是一个起伏不平，十分不规则的表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。

第二类是相对抽象的面，即大地水准面。

可以假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面。

水准面是一个重力等位面。

第三类是地球椭球面。

总体上讲，大地体非常接近旋转椭球，
而后者的表面是一个规则的数学曲面。

地球椭球有时也常被称为参考椭球。

第四类是数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。

大地水准面（Geodetic datum）,设计用为最密合部份或全部大地水准面的数学模式。

它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。

此关系能以6个量来定义，通常（但非必然）是大地纬度、大地经度、原点高度、原点垂线偏差之两
分量及原点至某点的大地方位角。

我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。

我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基Krassovsky）椭球体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球椭球体（IAG73）建立了我国新的大地坐标系-西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，WGS1984基准面采用WGS8 4椭球体，它是一地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS测量数据多以WGS1984为基准。

椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系
二地理坐标系统
地理坐标系统（Geographic coordinate system）,
是以经纬度来定义球面或者椭球面上点的位置的参照系统，是一种球面坐标。

投影坐标系统地球椭球体表面也是个曲面，而我们日常生活中的地图及量测空间通常是二维平面，因此在地图制图和线性量测时首先要考虑把曲面转化成平面。

由于球面上任何一点的位置是用地理坐标（儿6表示的，而平面上的点的位置是用直角坐标仪，y）或极坐标表示的，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。

这种在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学。

三投影和投影所需要的必要条件：将球面坐标转牝为平面坐标的过程便是投影过程；投影所需要的必要条件是：第一、任何一种投影都必须基于一个椭球（地球椭球体），第二、将球面坐标转换为平面坐标的过程（投影算法）。

简单的说投影坐标系是地理坐标系+投影过程。

做真正的投影变换。

在Arc Tool Box->Data Management Tools->Projections and Transformations 中提供了如下工具：
1、D efine Projection
2、F eature->Project
3、R aster->Project Raster
4、C reate Custom Geographic Transformation
当数据在没有任何空间参考信息时，在Arc Catalog的坐标系统描述（XY Coordinate System）选项卡中会显示为Unknown!这时如果要对数据进行投影变换就要先利用DefineProjection 工具来给数据定义一个Coordinate System,然后再利用Feature->Project或Raster・>Project Raster工具来对数据进行投影变换。

第五章GIS空间数据处理
一、概述
1•地形图的纠正：采用四点纠正法或逐网格纠正法。

2.遥感影像的纠正：用和遥感影像比例尺相近的地形图或正射影像图作为变换标准，选用合适的变换函数，分别在要纠正的遥感影像和标准地形图或正射影像图上采集同名地物点。

二、常用坐标变换方法
1、投影变换：
2、仿射变换：是在不同的方向上进行不同的压缩和扩张，可以将球变为椭球。

3、相似变换：在二维坐标变换过程中，经常遇到的是平移、旋转和缩放
4、橡皮拉伸：通过坐标几何纠正来修正缺陷。

主要针对几何变形，通常发生在原图上。

三、栅格数据重采样
重采样方法：1.最邻近像元2.双线性插值法3.双三次卷积法
三、地理配准：建立地理实体的大地坐标系统
统一比例尺
消除地图的变形
投影变换
实现图幅或图层的叠加
目的：完成坐标变换的同时，消除图形的变形误差。

其基本步骤为：(1 )选择变换公式
(2 )根据公式选择起控制作用的控制点(GCP )
(3) 求解变换公式的参数
(4 )变换
(5)检验变换的误差
§ 5.2.空间数据处理的方法-类型转换
一、 矢量数据转栅格数据
例：已知某一地区x 方向为15公里，y 方向为30km,现要把该地区的地块图转成栅格数 据，要求栅格分辨率为3() X 3(),则由行数I=3()km/3()m=l()()()
列数=15km/30m=500
(一) 点的转换：实质是将点的矢量坐标转换成栅格数据行列值，得到点所在栅格中位置。

(二) 线的转换：实质是完成相邻两点之间直线的转换，从而得到点所在栅格元素的位置。

(三) 面域填充：方法也有多种(1 )内点扩散法 (2 )射线算法
(3 )扫描算法 (4 )边界算术算法
二、 栅・矢转换 栅转矢的基本思路是：(1 )提取构成点、线、面的栅格点或集合
(2)对这些集合进行矢量化并生成拓朴结构。

)
对图像进行分类(面域或多边形)
)
)
(4 )
(5 )
1、线的细化：(1
2、双边界直接搜索法：基本思路是用跨边界两侧的四个像元组成的窗口，沿边界行进，确 定行
进方向，而所跟踪的边界则是边界栅格的外界。

其步骤是：(1 )用上述2X2的窗口由上到下由左到右检查图像。

(2 )选相邻的一组4栅格窗口，如其所包含的类型与起始窗口一致，则进入此窗口, 并按进
入方向选择下一搜索窗口，在搜索中要始终围绕所提取的多边形。

(3)记录所经过的栅格路径及栅格结点位置。

(4 )矢量化和建立拓朴结构。

§ 5.3空间数据查询与空间度量
一、空间数据查询概述
两大类：“属性查图形”和“图形查属性”
空间数据查询的内容：空间对象的属性、空间位置、空间分布、几何特征，以及和其他 空
间对象的空间关系。

二、 属性查询：分为简单的属性查询和基于SQL 语言的属性查询。

基本步骤是：(1 (2 (3 二值化处理，即将对象和背景用黑白二值区分开
提取对象(对于面状对象提取面域的边缘) 对象的细化(对于线对象) 矢量化 )剥皮法(2 ).骨骼化
(一)简单的属性查询：最简单的属性查询是查找。

(二)SQL查询：基本语法为：Sclcct＜属性清单列表＞From＜关系＞
Where ＜条件〉
扩展的SQL查询
三、图形查询：是另一种常用的空间数据查询。

1.点查询
2.矩形或圆查询
3.多边形查询
四、空间关系查询：拓扑关系查询和缓冲区查询。

（一）拓扑关系查询：1、邻接关系查询2、包含关系查询3、关联关系查询
（二）缓冲区查询：缓冲区是根据数据库中的点、线、面地理实体，自动建立其周围一定
宽度范围的多边形，来表征特定地理实体对邻域的影响范围。

五、距离量算与方位量算
一、距离量算：距离描述了两个实体或事物之间的远近或亲疏程度。

距离的量算
与度量空间的介质有关，要区分匀质空间和非匀质空间
二、方位量算：方位是猎述两个物体之间位置关系的另一种度量。

空间方位的描述
可分为定量描述和定性描述。

六、线状物体的量算：长度、分数维数、曲率与弯曲度（弯曲度是描述曲线弯曲程度的参数, 定
义为曲线长度与曲线两端点定义的线段长度之比S二L/1）
七、面状物体的量算：面积、周长、形状、质心
§ 5.4.空间数据处理的方法-压缩处理
数据压缩的目的：节省存贮空间、节省处理时间
数据压缩途径：
1、压缩软件：原数据信息基本不丢失而且可以大大节省存贮空间，缺点是压缩后的文
件必须在解压缩后才能使用
2、数据消冗处理：原数据信息不会丢失，得到的文件可以直接使用，缺点是技术要求高,
工作量大，对冗余度不大的数据集合效用小
3、用数据子集代替数据全集：在规定的精度范围内，从原数据集合中抽取一个子集，缺
点以信息损失为代价，换取空间数据容量的缩小
一、数据压缩：矢量数据压缩、栅格数据压缩
方法：Douglas —Pcuckcr＞垂距法、偏角法、间隔取点法
二、曲线光滑（拟合）：假象曲线为一组离散点，寻找形式较简单、性能良好的曲线解析式。

方式：插值方式、逼近方式
常见空间数据的压缩方法：1、曲线数据的压缩
2、面域栅格数据的压缩
3、面域邻接线段的删除
§ 5-5空间插值
内插：在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程；外推：在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程-预测。

一、边界内插
首先假定边界内的变化则是均匀的、同质的。

边界内插的方法之一是泰森多边形法。

泰森多边形法的基本原理是：未知点的最佳值由最邻近的观测值产生。

二、趋势面分析（多项式回归分析技术）
基本思想是用多项式表示线面，按最小二乘法原理对数据点进行拟合。

三、局部内插：利用局部范围内的已知采样点的数据内插出未知点的数据。

1、线性内插
2、双线性多项式内插
3、双三次多项式（样条函数）内插
四、移动平均法：在局部范围（或称窗口）内计算门个数据点的平均值.（加权移动平均法）空间数据插值：
1. 离散空间：空间具有跳跃特征（土地利用类型），重要变化发生在边界上，边界内的变化
则是均匀的，同质的，即在各个方面都是相同的。

邻近元法：以最相邻近图元的特征值表征未知图元的特征值。

2. 连续空间：空间具有渐变特征，内插技术必须采用连续的空间渐变模型实现这些连续变
化，可用一种平滑的数学表面加以描述。

（整体拟合、技术局部拟合技术） 基本
提取：按照属性或窗口，找出所需要的数据
查询检索：相邻分析检索、相关分析检索、叠置分析检索、边沿匹配检索
布尔处理：指根据用户规定的布尔标准所进行的限定性的多重属性的查询和数理统计。

内插主要有：点的内插算法、区域的内插算法
§ 5.6空间数据的编辑处理
目的：消除地图数字化过程中所产生的错误，以及将数字化数据重新组织以便得到进一步处 理
和使用的格式。

一、 图幅拼接处理
二、 地图输入出错处理
三、 图形要素重叠处理
G1S 具备的图形编辑功能的要求是：
1 ）具有友好的人机界面，即操作灵活、易于理解、响应迅速等；
2 ）具有对几何数据和属性编码的修改功能，如点、线、面的增加、删除、修改等；
3 ）具有分层显示和窗口操作功能，便于用户的使用。

图形编辑：又叫数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工,
其主要的目的是在改正数据差错的同时，相应地改正数字化资料的图形。

一、编
辑操作
1 ）结点吻合（Snap ）:或称结点匹配、结点咬合，结点附和。

B 、鼠标拉框
C 、求交点
D 、自动匹配
B 、使用线段求交
C 、自动编辑
B 、不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关
二、图形编辑：用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。

1 ）删除和增加一个顶点：删除顶点，拓扑关系不变。

增加顶点，调整空间拓扑关系。

2 ）移动一个顶点：移动顶点只涉及某个点的坐标，不涉及拓扑关系的维护，较简单。

3 ）删除一段弧段：先要把原来的弧段打断，原来的弧段被删除，拓扑关系需要调整和变化。

三、 数据检查与清理
数据检查：拓扑关系的检查，结点是否匹配，是否存在悬挂弧段，多边形是否封闭， 是否
有假结点。

数据清理：是用自动的方法清除空间数据的错误。

四、 撤消与恢复编辑
五、 关键算法：点的捕捉、线的捕捉、面的捕捉、图形编辑的数据组织一空间索引（格网索
弓I 、四叉树索引）
方法：A 、结点移动
2）结点与线的吻合 方法：A 、结点移动
3 ）需要考虑两种情况：A 、 要求坐标一致，而不建立拓扑关系；
清除假结点（伪结点）: 由仅有两个线目标相关联的结点成为假结点。

§ 5-7拓扑关系的自动建立
一、点线拓扑关系的自动建立：在图形采集和编辑中实时建立
二、多边形拓扑关系自动建立：
1、链的组织1 ）找出在链的中间相交的情况，自动切成新链；
2）把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号。

2、结点匹配1 ）把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取多个端点的平均值。

2 ）对结点顺序编号。

3、检查多边形是否闭合：通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行。

多边形不闭合的原因：1 ）由于结点匹配限差的问题，造成应匹配的端点未匹配；
2）由于数字化误差较大，或数字化错误
3）还可能这条链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑
4、建立多边形：
1）顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链。

2）取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作为下一条链。

3）是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转4）;否，转2）o
4）取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转2）;若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转Do
5、岛的判断
6、确定多边形的属性
§ 5-8图形的裁剪、合并和图幅接边
一、图形的裁剪-开窗处理
1、方式：正窗：提取窗口内的数据。

开负窗：提取窗口外的数据子集。

矩形窗和多边形窗。

2、算法：点线面窗口裁剪■-计算机图形学（矢量、编码、中点分割裁剪法）。

不规则多边形开窗相当于多边形叠置处理。

二、图形合并…数据文件合并
一幅图内的多层数据合并在一起或将相邻的多幅图的同一层数据合并。

涉及到空间拓扑关系的重建。

对于多边形，实际处理过程是先删除两个多边形，解除空间关系后，删除公共边，再重建拓扑。

三、图幅接边一形成无缝数据库
几何裂缝：指由数据文件边界分开的一个地物的两部分不能精确地衔接…几何接边逻辑裂缝：同一地物地物编码不同或具有不同的属性信息■-逻辑接边
1、识别或提取相邻图幅
2、几何接边
3、逻辑接边
第六章GIS空间数据模型与空间数据库
空间信息技术包括空间数据获取、空间数据处理和空间数据应用技术三个部分，而空间数据管理必将成为上述三种技术的基础和核心。

在数据获取过程中，空间数据库用于存贮和管理空间信息及非空间信息；在数据处理系统中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。

然而，空间数据以其惊人的数据量及其空间上的复杂性，使得空间数据的组织与管理给传统数据库系统带来巨大挑战。

本章主要介绍空间数据库在数据管理组织方式、空间索引、空间查询语言等方面的技术和特点。

§6.1.数据库概述
计算机对数据的管理经过了三个阶段：序管理阶段、文件管理阶段、据库管理阶段。