地理信息系统概论

第一章：导论1、地理信息系统地理信息系统的定义在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、计算、分析、显示和描述的技术系统。

其目的是为土地利用、自然资源管理、环境、交通、城市市政设施以及其它管理内容的规划和管理等领域提供决策支持。

地理信息系统（Geographic Information System GIS）的定义（1）工具角度(Tools)：GIS是在计算机硬件、软件及网络技术支持下，对有关空间数据进行输入、处理、存贮、查询、检索、分析、显示、更新和提供应用的技术系统。

（2）学科角度(Science) ： GIS是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。

（3）服务角度 (Service ) ： GIS是服务于GIS可用于土地管理、房地产经营、污染治理、环境保护、交通规划、上下管线管理、市政工程服务和城市规划、自然资源调查、环境研究、土地详查与利用、森林管理、农作物估产、各种灾害预测与防治、国民经济．调查和宏观决策分析等。

地理信息系统具有以下4个的特征：1、地理信息系统的外壳是计算机化的技术系统，它又有若干相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图象处理子系统、数据产品输出子系统等。

这些子系统功能的强弱，直接影响在实际应用中对地理信息系统软件和开发方法的选型。

2、地理信息系统操作的对象是地理空间数据，即由点、线、面这三类基本要素组成的地理实体。

地理空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码（地理编码），实现对其定位、定性和定量描述。

只有在地理信息系统中，才实现了空间数据的空间位置、空间属性和时态三种基本要素的统一。

3、地理信息系统的技术优势在于它的数据综合、模拟和空间分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程的演化和预测。

4、地理信息系统的成功应用更强调组织体系和人的因素的作用。

这是由地理信息系统的复杂性和多学科交叉性所要求的。

分类1、地理信息系统按照范围大小可分为全球的、区域的和局部的三种，分别适用于所研究对象的特征、内容以及所要解决的问题的性质。

2、按照表达空间数据维数，可分为2维、2.5维和布满整个三维空间的真三维地理信息系统，以及考虑时间维的时态地理信息系统，或4维地理信息系统。

3、按照地理空间数据模型或数据结构，可分为地理相关模型、地理关系模型、面向对象的模型的地理信息系统。

4、按照内容来分，可以分为专题地理信息系统、综合地理信息系统和地理信息系统工具。

1.1信息和数据信息（Information）是用文字、数字、符号、语言、图形、图象等介质或载体，表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。

信息的特点：客观性适用性可传输性共享性数据（Data）是指对某一事件、事务、现象进行定性、定量描述的原始资料，包括文字、数字、符号、语言、图形、图象以及它们能转换成的形式。

1.2地理信息和地理数据1.地理信息地理信息是指所研究对象的空间地理分布有关的信息。

它是表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、属性、规律和相互联系的数字、文字、音像和图形等的总称。

人们从认识地理实体到掌握地理信息，并利用信息作为决策依据，是人类认识自然和改造自然的一个飞跃。

2.信息的特点客观性：任何信息都是与客观事实紧密相关的，这是信息正确性和精确度的保证；实用性：信息对决策是十分重要的，信息系统将地理空间的巨大数据流收集、组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息；传输性：信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备（包括远程终端）和以一定的形式或格式提供给有关用户，也包括信息在系统内各个子系统之间的流转和交换，如网络传输技术；共享性：信息与实物不同，信息可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。

信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。

3.地理信息特征地理信息除了具有信息的一般特性外，其独特特性有；①区域分布性，通过地理坐标来实现空间位置的标识；②数据量大，例如，中国1:400万土地利用数据在 Arc／Info中的Coverage格式数据量为 8.2MB；③信息载体和传播媒介的多样性，如描述地理实体的文字，数字、地图和影像等符号信息载体和传播媒介，还有纸质、磁带、光盘等物质介质载体；④多维结构特性，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构。

4、地理信息与地理数据的区别地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。

地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，它包括空间位置、属性特征及其时域特征三部分。

信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力，并能回答用户一系列问题的系统。

在计算机信息时代，信息系统部分或全部由计算机系统支持，并由硬件、软件、数据和用户四大要素组成。

2、地理信息系统主要有五个部分组成，（GIS的基本构成）3、GIS的功能1）数据采集功能2）数据编辑功能3）数据存贮与管理功能4）制图输出功能5）空间查询与空间分析功能6）数据表达与发布功能4、GIS的发展其发展共经历的几个阶段：1、1950~60年代为GIS的开拓期，注重于空间数据的地学处理。

资源普查、人口统计、地理管理、土地规划等的应用。

2、1970年代为GIS的巩固发展时期，注重空间地理信息的管理。

三个主要原因:（1）资源开发利用和环境保护问题，是这个时期政府的首要解决难题，需要一种分析处理地理信息的技术、方法和系统；(2）计算机技术发展，软件、硬件技术发展；（3）专业人才增加。

3、1980年代为GIS大发展时期，注重于空间决策支持分析。

涉及的学科和应用领域迅速扩大。

土地利用、土地规划，与遥感的结合，GIS开始解决全球性问题，如沙漠化、可居住区域评价、气候变化、核扩散、环境检测等。

4、1990年代为GIS的用户时代。

一方面，GIS已成为许多机构必备的工作系统，一些部门一定程度上受GIS的影响，改变了现行的运行方式、机构设置和工作计划。

另一方面，社会对GIS的认识普遍提高，需求大幅增加，从而导致GIS应用的扩大和深化。

5、21世纪初期为GIS的空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）时代。

随着GIS技术更加广泛和深入的应用，网络环境下的地理空间信息分布式存取、共享与交换、互操作、系统集成等成为新的发展亮点。

地理信息系统在技术发展导引和应用驱动两大动力因素作用下，得到了快速的发展。

这主要归因于三个因素，1、是计算机技术的发展，2、是空间技术（特别是遥感技术）的发展，牵引着GIS的发展，3、是对海量空间数据处理、管理和综合空间决策分析应用的推动，驱使着GIS向前发展。

第二章：地理信息系统的数据结构1、地理空间（Geographic Space）是指物质、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、格局及其在时间上的延续。

地理空间上至大气电离层，下至地幔莫霍面。

绝对空间是具有属性描述的实体的空间位置的集合，它由一系列不同位置上的实体的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，它由不同实体之间的空间关系构成。

地理空间的特征实体包括点、线、面、曲面、和体等多种类型。

2、空间数据的几种类型：1.地图数据 2.影像数据3.地形数据 4.属性数据 5.元数据元数据的作用：(1)帮助数据生产者有效管理和维护空间数据，建立数据文档；(2)提供数据生产者对数据产品的说明信息，便于用户查询利用空间数据；(3)提供通过计算机网络查询数据的方法和途径，便于数据交换和传输；(4)帮助用户了解数据的质量信息，对数据的使用作出正确判断；(5)提供空间数据互操作的基础。

空间数据的拓扑关系包括：1.拓扑邻接2.拓扑关联3.拓扑包含空间数据结构的类型：1.矢量数据结构（1.简单数据结构2.拓扑数据结构3.曲面数据结构）2.栅格数据结构（1.栅格矩形结构2.游程编码结构3.四叉树数据结构4.八叉树和十六叉树结构）3.矢量与栅格一体化数据结构空间数据库管理系统的管理模式文件-关系型管理模式（混合管理模式）这种模式也称为数据管理的地理相关模型；扩展模式：分为全关系型和对象-关系型两种模式。

；统一管理模式3、空间数据编码空间数据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。

GIS代码可分类为分类码和标识码，分类码用于识别不同类别的数据；标识码是在分类码的基础上，对每类数据中的实体或全部实体进行唯一标识。

代码的功能主要有：（1）鉴别，（2）分类，（3）排序，编码应遵循一定的原则。

主要包括：（1）唯一性，一个代码只唯一地表示一类对象。

（2）合理性，代码结构要与分类体系相适应。

（3）可扩性，必须留有足够的备用代码，以适应扩充的需要。

（4）简单性，结构应尽量简单，长度应尽量短。

（5）适用性，代码应尽可能反映对象的特点，以助记忆。

（6）规范性，代码的结构、类型、编写格式必须统一。

代码的类型是指代码符号的表示形式，有数字型、字母型、数字和字母混合型三类。

第三章：空间数据的处理1.1几何纠正为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的改正。

主要方法：相似变换：假设地图的实际比例尺在x、y方向是一致的仿射变换：假设地图的实际比例尺在x、y方向上变形不一致1.2投影转换当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需投影的坐标数据。

投影转换的方法可以采用：1.正解变换2.反解变换3.数值变换利用若干同名数字化点（对同一点在两种投影中均已知其坐标的点），采用插值法、有限差分法或多项式逼近的方法，即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式空间数据结构的转换一、矢量向栅格转换矢量向栅格转换又称为边界填充，就是在矢量表示的多边形界内部的所有栅格上赋予相应的多边形编号。

主要的算法有：内部点扩散法、复数积分法、射线算法、扫描算法和边界代数算法。

二、栅格向矢量转换遥感与GIS数据的融合，目前最常用的方法具体表现为：1.遥感图像与图形的融合2.遥感数据与DEM的融合3.遥感图像与地图扫描图像的融合数据压缩：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，在规定的经典范围内最好的逼近原集合，而有取得尽可能大的压缩比。

无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息---信息保持编码。