地理信息系统与科学 整理

第一部分概述

一、系统、科学和研究

地理信息

地理信息系统

地理信息科学

GIS基本组成：1网络2硬件3软件4数据库5人员

二、GIS应用概览

GIS应用：5M 1制图2测量3检测4建模5管理

第二部分原理

三、地理表达

地理信息科学基本规律：1GIS中表达的位置具有唯一性2对现实世界的表达具有选择性3把世界看作是由连续变化的场或由离散对象组成4临近性是理解空间变化的关键5地理尺度与层次细节是恰当表达现实世界的关键6对世界变化的量测以及对其变化性质的理解有助于预测7对世界的表达几乎都是不完整的

Tobler地理学第一定律：事物之间普遍存在联系，越是临时的事物关联性越强。

地理表达：对地球表层及近表层的描述。

地理属性：命名属性、顺序属性、间隔属性、比率属性、周期属性。

地理表达方法：离散对象、连续场。

离散对象：将世界表达为在空间上具有明确边界的一组对象，特点是对象的可数性；

连续场：将世界描述为有限变量，每个变量定义在任何可能的位置上。

计算机地理数据表达方法：矢量、栅格。栅格表示场对象，矢量表示离散对象。

栅格数据：将世界划分为许多像元并把属性值赋给各个像元；

矢量数据：所有线都是由一系列的点连接而成。

栅格数据量更大，矢量更加准确。

GIS中场的5不规则三角网6折线

制图综合方法：1简化2平滑3聚合4融合5合并6收缩7精化8夸大9增强10位移分类符号化削减顶点

四、地理数据的特性

空间自相关：既取决于位置上的相似，又取决于属性上的相似。如果对象在位置和属性上同时相似，那么整体模式呈现出正的空间自相关。如果空间中邻近地点的属性特征差异比远处的还要大，那么整体模式就呈现负的空间自相关。当属性与位置无关时，空间自相关为0。

五、地理参照

投影和坐标：等角投影、等积投影圆柱投影、圆锥投影、方位投影。

UTM：通用横轴墨卡托投影，横轴等角割椭圆柱面投影。60个投影带，每带6度。

六、不确定性

地理现象概念不确定性：1分析单元。大多数情况下不存在地理分析的自然单元2模糊与二

义性。地理单元分类模糊，不确定性既存在于区域边界也存在于属性信息；不同国家群体对各种对象属性划分不同，对象名词及拓扑关系是二义性的3模糊方法。模糊方法和模糊隶属度的使用，摒弃了事物必须属于某类或不属于某类的观念4地理个体尺度。识别影响相同的区域，既是传统区域地理的核心，也是现代数据分析的核心

地理现象测量与表达不确定性：

地理现象分析中产生的验证:

内部验证：误差传播、误差的聚合与分解

外部验证：数据结合与共享关系

内部与外部误差验证：归纳与演绎

第三部分技术

七、GIS软件

GIS软件开发商：ESRI——ArcGIS/ ArcGIS Server Intergraph——GeoMedia/GeoMedia Web Map Autodesk——Map 3D/MapGuide GE Energy——Smallworld GIS/Spatial Application Server GIS软件核心：用户界面工具数据管理系统

三层结构：表现层、业务逻辑层、数据服务器层。表现层主要用于绘制以及与图形对象进行交互。业务逻辑层负责完成以计算为目的的操作，GIS数据模型逻辑化。数据服务器层用于输入和输出数据。

GIS软件：胖客户端、瘦客户端桌面型、服务器型、开发型、手持型。

GIS软件系统：控制访问数据的数据管理系统，显示以及与地图和其他地理可视化进行交互的制图系统，采用算子进行地理数据转换的空间分析和建模系统。

八、地理数据建模

现实世界——概念化模型——逻辑模型——物理模型

现实世界：由各种食物组成；概念模型：面向人类认知的模型；逻辑模型：能够实现关于现实世界的表达；物理模型：描绘GIS中实际使用的模型。

1定义需要在GIS中表达的事物的主要类型2创建表格以描述各个对象的名称、行为以及对象之间的交互类型3创建能够描述研究对象在GIS中实现的数据模型

GIS数据模型：1CAD模型2图形化非拓扑模型3图像模型4栅格/格网模型5矢量/地理关系拓扑模型6网络模型7不规则三角网模型TIN 8对象模型ODM

拓扑模型：数据确认1网络连通性2线相交3叠加4线的副本

编辑能力1管理共同共享多边线和结点的能力2橡皮镶边3咬合4自动闭合5追踪

最优化查询1网络追踪2多边形邻近3包含4交叠

TIN：不规则三角网，用相互毗邻互不交叠的三角形表示一种表面对象，负责管理组成每个三角形的节点信息以及与这个三角形相邻接的其他三角形信息。

九、GIS数据采集

数据采集过程：数据获取、数据自动化、数据转换、数据传输、数据解译和数字化

直接数据获取：

1栅格数据获取：遥感，不与目标地物直接接触而获取其物理、化学和生物特征信息的技术。空间分辨率：可分辨目标物的大小、光谱分辨率：可测量的电磁光谱范围、时间分辨率：获取相同地域数据的频率。

2矢量数据获取：地面测量——全站仪、GPS

间接数据获取：栅格数据——扫描仪矢量数据——手动数字化、屏幕数字化、三维摄影测量、坐标几何

摄影测量：航向60%，横向30%

数字化摄影测量：数据输入、数据加工、产品生成

坐标几何COGO：使用测量方法的方向和距离来定义对象的各个部分。

常见数据格式：AutoCAD-DWG/DXF MS-DGN/ShapefileVPF

十、地理数据库创建与维护

DBMS:数据模型、数据库加载能力、索引、查询语言、安全、可控制的更新、备份与恢复、数据库管理工具、应用、API

关系型RDBMS、对象型ODBMS、对象-关系型ORDBMS

SQL:结构化查询语言DDL数据定义语言DML数据管理语言DCL数据控制语言

地理数据库设计：

概念模型1根据用户观点建模2定义对象及其关系3选择地理表达

逻辑模型4地理数据库类型匹配5组织地理数据库结构

物理模型6定义数据库方案

数据库索引：格网索引、四叉树索引、R树索引

格网索引——把一个规则格网覆盖在一个地理对象图层上

四叉树索引——递归地把空间分成四份

R树索引——采用包含对象位置的最小外包矩形MBR

十一、分布式GIS

分布式GIS：用户位置U 访问数据位置D 存储数据位置P GIS项目关注区域或目标位置S。传统GIS中UDP同一位置，分布式U与DP不需要相同，US可以相同

基于位置服务LBS

第四部分分析

十二、制图学与地图生产

制图GIS处理：制图数据库1数据采集、2编辑维护、3数据管理、4数据分析、5地图输出纸质地图：1比例尺固定2范围固定3静态世界4关于世界的基本视图5以制图者为中心的视图

地图组成要素：1地图本身2插图/总图3标题4图例5比例尺6方向7地图元数据

地图符号化：

十三、地理可视化

地理可视化：探索、合成、表达、分析

PPGIS

十四、查询、度量和转换

空间分析：GIS的关键部分，是为地理数据增值，并将数据转化为有用信息的方法。

空间分析方法：1查询和推理——基本分析操作2量测——地理数据属性量化表达3空间变换——修改合并数据集，互相对比获得新数据集4描述总结——用一两个数字描述数据集的基本特征5最优化分析——根据定义好的标准为研究对象选择理想位置6假设验证——通过分析有限样本得出总体规律7建模——将独立分析过程合并为复杂序列

查询：地图视图通过可视化方法现实数据内容，表格视图以二维数组形式显示，行为对象，列为属性。

度量：距离和长度形状坡度坡向DEM

空间变换：缓冲区分析、点在多边形内、多边形叠加、空间插值

空间插值：泰森多边形法、距离权重倒数插值法IDW、克里金插值法

密度估计

十五、描述性概括、设计和推论方法

十六、利用GIS进行空间建模