《地理信息系统》讲义

第一章导论

地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。（美国联邦数字地图协调委员会，FICCDC）。

1.2 地理信息系统的基本构成

GIS的基本构成一般包括5个部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。

系统硬件包括输入设备、处理设备和输出设备。

处理设备包括：个人电脑、工作站、主机系统和客户/服务器。

数据输入设备的作用是将地理数据转换成数字的形式存入计算机，以便进行处理和分析计算等工作。主要的输入设备有：图形手扶跟踪数字化仪、工程扫描仪和数字测量设备等。图形手扶跟踪数字化仪简称数字化仪，由3个部分组成：电磁感应板、游标和电子线路。工程扫描仪通常采用滚筒式或平推式的方法将大幅面地图卷入扫描仪进行扫描，生成高分辨率、真彩色的数字图像。再经过GIS 软件屏幕数字化或矢量化，得到地理空间数据。数字测量设备主要是地理数据的采集设备，通常有数字摄影测量工作站和全球定位系统（GPS）。

数据输出设备主要有：绘图仪、打印机、显示器和屏幕投影仪。它们的作用是为GIS软件提供用户操作的界面，并把GIS的最终成果展现给用户。

系统软件按照功能可以分为GIS功能软件、基础支撑软件和操作系统软件。

GIS基础软件平台的代表性产品，国外：ArcGIS、MGE、MapInfo、Idrisi 和GRASS；国内：SuperMap、MapGIS和GeoStar等等。

基础支撑软件主要包括系统库软件和数据库软件。

系统库软件提供基本的程序设计语言以及数学函数库等用户可编程功能，如C++运行库和编译系统等。数据库系统提供空间数据的存储和管理功能，如Oracle®、Microsoft® SQL Server、IBM® DB2和MySQL等。

操作系统是计算机系统中支撑应用程序运行环境以及用户操作环境的系统软件。其功能包括对硬件的直接监管、对各种计算资源（如内存、处理器时间等）的管理、以及提供诸如作业管理之类的面向应用程序的服务等等。目前常见的操作系统有：Microsoft Windows系列、UNIX/Linux系列和Apple Mac OS系列等。

第二章地理信息系统的数据结构

2.1 空间数据结构的类型

一、矢量数据结构

用欧氏空间的点、线、面等几何元素表达空间实体的几何特征。将空间实体抽象成点实体、线实体、面实体及其组合实体的几何数据表达方法。

二、栅格数据结构

指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示空间实体的一种数据组织形式。栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，每个网格对应一种属性，网格的空间位置用行和列标识。

2.2 空间数据的获取和管理

空间数据按类型分为数字线划图、数字栅格图、数字正摄影像地图和数字高程模型。

数字线划图（Digital Line Graphics）是一种矢量地图数据，是通过矢量数据采集手段，将地理各要素分层提取、编辑、输入计算机，最终以矢量数据形式将数据存储到计算机中。DLG可以用来建立不同比例尺的矢量地图数据库。

数字栅格图（DRG）以数字图像Raster的形式存储的地图数据。

数字正摄影像地图（Digital Orthophoto Quad，DOQ）是遥感影像数据，主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、和多空间分辨率的遥感影像数据，是GIS最有效的数据源之一。

数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是表示地面高程的有序的数值阵列，可将这组数值阵列以可视化的方式表示。

第三章 空间数据处理

3.1 空间数据模型的转换

矢量与栅格数据结构优缺点的比较

3.1.1 矢量向栅格的转换——栅格化

一个矢量点，转成一个其所在的栅格单元

一条矢量线，转成一串其经过的栅格单元

一个矢量面，转成一片其覆盖的栅格单元

一、点的栅格化

设：矢量坐标点（x ，y ）

转换后的单元行列值为I ，J

栅格单元大小：dx ，dy

栅格最小矢量坐标： xmin ，ymin 则有：

二、线的栅格化

线段的栅格化:

先使用点栅格化的方法，栅格化线段的两个端点，然后用扫描线方法栅格化线段中间部分。

三、面的栅格化

方法一：内点填充法 1min +⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=dy y y I 1min +⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=dx x x J

1.线栅格化边界（赋属性值）

2.边界内部任取一个栅格为起点

3.填充起点邻域8个栅格（赋属性值）

4.以新的领域栅格为起点，继续重复第3步

5.直到所有的领域栅格都填充为止

方法二：边界代数法

1.全部栅格都赋值0

2.沿着边界走，向上，则左边到边界所有栅格数值减去属性值

3.沿着边界走，向下，则左边到边界所有栅格数值加上属性值

方法三：包含检验法

对每个栅格单元，逐个判定其是否包含在某个多边形之内，并给其赋以包含该栅格单元的多边形属性值。

3.2 空间内插技术

空间内插（interpolation）又称空间插值，是建立数字高程模型(DEM)等连续分布地理现象的关键技术之一。

逐点加权平均法：对于每个待插点P，可选取其邻近的n 个已知数据点的高度值进行加权平均。

不同的已知数据点因为相对于待插点的距离不同，对待插点的高程插值影响程度是不同的。所以，在加权平均时，一般采用与距离相关的权函数，如：p i = 1 / r i k

p i是已知数据点i的权，r i是待插点到已知数据点i的平面距离，k是幂。

采用这种权重的方法又称反距离权重插值方法。