第一讲GIS概述
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空间数据库原理
湖北工业大学计算机学院 靳华中 2009年9月
教学参考用书
1、《地图数据库系统》 毋河海 测绘出版社 2、《地理信息系统－原理、方法与应用》邬伦 北京大 学出版社 3、《Oracle DBA基础教程》 科学出版社
《空间数据库原理》主要内容
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 地理信息系统（GIS） 空间数据库原理 Oracle 数据库系统 ArcSDE中间件及Geodatabase
2）实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之 间的距离远近；延伸关系（或方位关系），定义了两个 地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻 接等关系，是GIS分析中最基本的关系，其中包括了网络 结点与网络线之间的枢纽关系（图1-2-a），边界线与面 实体间的构成关系（图1-2-b），面实体与岛或内部点的 包含关系（图1-2-c）等。
3．地理信息系统的功能概述
地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条 件、变化趋势、模式和模型。 1）位置（Locations）即在某个特定的位置有什么 2）条件（Conditions）即什么地方有满足某些条件的东西。 3）变化趋势（Trends）该类问题需要综合现有数据，以识别 已经发生了或正在发生变化的地理现象。 4）模式（Patterns）该类问题是分析与已经发生或正在发生 事件有关的因素。地理信息系统将现有数据组合在一起，能更 好地说明正在发生什么，找出发生事件与哪些数据有关。
3．4空间查询与分析
空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系 统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是地理信息系统的 核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别， 模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与 空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。地 理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次：
2．地理信息系统及其类型
2．1 地理信息系统 地理信息系统（Geographical Information System，GIS） 是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地 理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处 理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关 的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息 系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现 象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信 息两个组成部分。 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地 理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空 间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面， 地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库 （Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方 法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研 究和地理决策服务的计算机技术系统。
遥 感 技 术
计 算 机 科 学
软 件 工 程
数 据 库 技 术
计 算 机 图 形 学
CAD
专 家 系 统
图1-4：地理信息系统相关学科
地理学是一门研究人类赖以生存的空间的科学。在地理学 研究中，空间分析的理论和方法具有悠久的历史，它为地理信 息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为地理信息 系统的基础理论依托。 地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的 角度来看，地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地 理信息系统的发展有着重要的影响。GIS是地图信息的又一种 新的载体形式，它具有存储、分析、显示和传输空间信息的功 能，尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提 供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出设计提供了技术 支持；同时，地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一。
文件与地图
数据获取
原始数据
数据预处理 数据库 存储与 检索 结构化数据 展示与 交互 制图
查询与分析
交互展示
图1-3：GIS功能概述（椭圆）以及它们的表现（矩形）
3．1数据采集、监测与编辑
主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据 在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。 一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设 投资的70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显 的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成为地理信 息系统研究的重要内容。目前可用于地理信息系统数据 采集的方法与技术很多，有些仅用于地理信息系统，如 手扶跟踪数字化仪；目前，自动化扫描输入与遥感数据 集成最为人们所关注。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
空间检索 空间拓扑叠加分析 空间模型分析
3.5 图形与交互显示
地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工 具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报 告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信 息系统的地图输出功能。
4 GIS与其他相关科学关系
地 理 学
制 图 技 术
GIS
2.2 地理信息系统的类型
1、按照范围大小分为全球的、区域的和局部的三种；
2、按照表达空间的维数，分为2维、2.5维和真三维的GIS； 3、按照内容来分，可以分为专题GIS、综合GIS和GIS工具。
2.3 地理信息系统的构成
一个完整的GIS主要由四 个部分构成，即计算机 硬件系统、计算机软件 系统、地理数据（或空 间数据）和系统管理操 作人员。
地理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的 数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图 像和图形等的总称。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，它是对地理 数据的解释。 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示， 包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。空间位置 数据描述地物所在位置，这种位置既可以根据大地参照 系定义，如大地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相 对位置关系，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等； 属性数据又称为非空间数据，是属于一定地物、描述其 特征的定性或定量指标，即描述了信息的非空间组成部 分，包括语义与统计数据等；时态特征是指地理数据采 集或地理现象发生的时刻或时段，时态数据对环境模拟 分析非常重要。
观察的的现象、
商用GIS软件的功能
数据的获取（Data Acquisition）、数据的初 步处理（Preliminary data Processing）、数据的存 储及检索（Storage and Retrieval）、数据的查 询与分析（Search and Analysis）、图形的显示 与交互（Display and Interaction）。
第一章 地理信息系统（GIS ）概述
1．地理信息系统的基本概念
信息、数据、地理数据与地理信息
信息的定义：信息是向人们或机器提供关于现实世界 新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不 随载体物理设备形式的改变而改变。 信息的特点：客观性、实用性、传输性和共享性
数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、 文字、符号、图形、图像以及它们能转换成的数据等形式。 数据是用以载荷信息的物理符号，数据本身并没有意义。
教学目的和要求
1、熟悉地理信息系统的基本理论和方法
2、掌握空间数据的处理和分析方法
3、理解空间数据库技术的基本理论和方法4、 掌握建立空间数据库的方法和技术
成绩评定
考试成绩 40％ 实验成绩 30％ 平时成绩 30%
第一部分 地理信息系统原理
第一章 第二章 第三章 第四章 地理信息系统（GIS ）概述 空间数据模型 空间参照系统、地图投影 GIS中的数据
地理信息系统具有以下三个方面的特征： 第一、具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能 力，具有空间性和动态性； 第二、由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由 计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于 空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务； 第三、计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征， 因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂 的地理系统进行空间定位和过程动态分析。
3．2数据处理
初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。数 据的格式化是指不同数据结构的数据间变换，是一种耗 时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能避免；数 据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等。在数 据格式的转换方式上，矢量到栅格的转换要比其逆运算 快速、简单。数据比例尺的变换涉及到数据比例尺缩放、 平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换；制图 综合（Generalization）包括数据平滑、特征集结等。
地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性： 1）区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置 的标识； 2）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； 3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理 信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江 河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估 产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如 地壳变动、气候变化）等。
图1-1：GIS的构成
2.4 空间数据－－GIS的血液
它是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济 景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它是 由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其 他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达 的现实世界经过模型抽象的实质性内容。在GIS中，空间数 据主要包括： 1）某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，标识地理实 体在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，如经纬度、 平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入时通常采用数 字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。
例如，机动车辆事故常常符合特定模式，该模式（即事 故）发生在何处？发生地点与时间有关吗？是不是在某 种特定的交叉处？在这些交叉处又具有什么条件？ 5）模型（Models） 该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。 首先，建立模型，如选择标准、检验方法等。 其次，建立了一个或多个模型后，能产生满足特定的所有特征 的列表，并着重显示被选择特征的地图，而且提供一个有关所 选择的特征详细描述的报表。 例如要兴建一个儿童书店，用来选址的评价指标可能包括10、 15、20分钟可到达的空间区域。附近居住的10岁或10岁以下 的儿童的人数、附近家庭的收入情况、周围潜在竞争的情况
3．3数据存储与组织
这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间 数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢 量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构 的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析 的功能；在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何 将空间数据与属性数据融合为一体。目前大多数系统都 是将二者分开存储，通过公共项（一般定义为地物标识 码）来连接。这种组织方式的缺点是数据的定义与数据 操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。
图1-2：几种典型的拓扑关系
3）与几何位置无关的属性 即通常所说的非几何属性或简称属性，是与地理实体相 联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量的两 种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等 级；定性描述的属性如土壤种类、行政区划等，定量的 属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几何属 性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统 计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系 统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现 的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有 较大的影响。
信息与数据关系
信息与数据是不可分离的。数据是信息的载体，但并不就 是信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能 提取数据中所包含的信息。对数据进行处理（运算、排序、 编码、分类、增强等）就是为了得到数据中包含的信息。 数据包含原始事实，信息是把数据处理成有意义的和有用 的形式。数据是原始事实，信息是数据处理的结果；对一 个人是信息对其他人可能是数据；信息必须是有意义或有 用的；使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的。
湖北工业大学计算机学院 靳华中 2009年9月
教学参考用书
1、《地图数据库系统》 毋河海 测绘出版社 2、《地理信息系统－原理、方法与应用》邬伦 北京大 学出版社 3、《Oracle DBA基础教程》 科学出版社
《空间数据库原理》主要内容
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 地理信息系统（GIS） 空间数据库原理 Oracle 数据库系统 ArcSDE中间件及Geodatabase
2）实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之 间的距离远近；延伸关系（或方位关系），定义了两个 地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻 接等关系，是GIS分析中最基本的关系，其中包括了网络 结点与网络线之间的枢纽关系（图1-2-a），边界线与面 实体间的构成关系（图1-2-b），面实体与岛或内部点的 包含关系（图1-2-c）等。
3．地理信息系统的功能概述
地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条 件、变化趋势、模式和模型。 1）位置（Locations）即在某个特定的位置有什么 2）条件（Conditions）即什么地方有满足某些条件的东西。 3）变化趋势（Trends）该类问题需要综合现有数据，以识别 已经发生了或正在发生变化的地理现象。 4）模式（Patterns）该类问题是分析与已经发生或正在发生 事件有关的因素。地理信息系统将现有数据组合在一起，能更 好地说明正在发生什么，找出发生事件与哪些数据有关。
3．4空间查询与分析
空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系 统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是地理信息系统的 核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别， 模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与 空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。地 理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次：
2．地理信息系统及其类型
2．1 地理信息系统 地理信息系统（Geographical Information System，GIS） 是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地 理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处 理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关 的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息 系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现 象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信 息两个组成部分。 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地 理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空 间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面， 地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库 （Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方 法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研 究和地理决策服务的计算机技术系统。
遥 感 技 术
计 算 机 科 学
软 件 工 程
数 据 库 技 术
计 算 机 图 形 学
CAD
专 家 系 统
图1-4：地理信息系统相关学科
地理学是一门研究人类赖以生存的空间的科学。在地理学 研究中，空间分析的理论和方法具有悠久的历史，它为地理信 息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为地理信息 系统的基础理论依托。 地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的 角度来看，地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地 理信息系统的发展有着重要的影响。GIS是地图信息的又一种 新的载体形式，它具有存储、分析、显示和传输空间信息的功 能，尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提 供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出设计提供了技术 支持；同时，地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一。
文件与地图
数据获取
原始数据
数据预处理 数据库 存储与 检索 结构化数据 展示与 交互 制图
查询与分析
交互展示
图1-3：GIS功能概述（椭圆）以及它们的表现（矩形）
3．1数据采集、监测与编辑
主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据 在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。 一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设 投资的70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显 的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成为地理信 息系统研究的重要内容。目前可用于地理信息系统数据 采集的方法与技术很多，有些仅用于地理信息系统，如 手扶跟踪数字化仪；目前，自动化扫描输入与遥感数据 集成最为人们所关注。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
空间检索 空间拓扑叠加分析 空间模型分析
3.5 图形与交互显示
地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工 具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报 告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信 息系统的地图输出功能。
4 GIS与其他相关科学关系
地 理 学
制 图 技 术
GIS
2.2 地理信息系统的类型
1、按照范围大小分为全球的、区域的和局部的三种；
2、按照表达空间的维数，分为2维、2.5维和真三维的GIS； 3、按照内容来分，可以分为专题GIS、综合GIS和GIS工具。
2.3 地理信息系统的构成
一个完整的GIS主要由四 个部分构成，即计算机 硬件系统、计算机软件 系统、地理数据（或空 间数据）和系统管理操 作人员。
地理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的 数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图 像和图形等的总称。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，它是对地理 数据的解释。 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示， 包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。空间位置 数据描述地物所在位置，这种位置既可以根据大地参照 系定义，如大地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相 对位置关系，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等； 属性数据又称为非空间数据，是属于一定地物、描述其 特征的定性或定量指标，即描述了信息的非空间组成部 分，包括语义与统计数据等；时态特征是指地理数据采 集或地理现象发生的时刻或时段，时态数据对环境模拟 分析非常重要。
观察的的现象、
商用GIS软件的功能
数据的获取（Data Acquisition）、数据的初 步处理（Preliminary data Processing）、数据的存 储及检索（Storage and Retrieval）、数据的查 询与分析（Search and Analysis）、图形的显示 与交互（Display and Interaction）。
第一章 地理信息系统（GIS ）概述
1．地理信息系统的基本概念
信息、数据、地理数据与地理信息
信息的定义：信息是向人们或机器提供关于现实世界 新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不 随载体物理设备形式的改变而改变。 信息的特点：客观性、实用性、传输性和共享性
数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、 文字、符号、图形、图像以及它们能转换成的数据等形式。 数据是用以载荷信息的物理符号，数据本身并没有意义。
教学目的和要求
1、熟悉地理信息系统的基本理论和方法
2、掌握空间数据的处理和分析方法
3、理解空间数据库技术的基本理论和方法4、 掌握建立空间数据库的方法和技术
成绩评定
考试成绩 40％ 实验成绩 30％ 平时成绩 30%
第一部分 地理信息系统原理
第一章 第二章 第三章 第四章 地理信息系统（GIS ）概述 空间数据模型 空间参照系统、地图投影 GIS中的数据
地理信息系统具有以下三个方面的特征： 第一、具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能 力，具有空间性和动态性； 第二、由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由 计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于 空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务； 第三、计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征， 因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂 的地理系统进行空间定位和过程动态分析。
3．2数据处理
初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。数 据的格式化是指不同数据结构的数据间变换，是一种耗 时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能避免；数 据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等。在数 据格式的转换方式上，矢量到栅格的转换要比其逆运算 快速、简单。数据比例尺的变换涉及到数据比例尺缩放、 平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换；制图 综合（Generalization）包括数据平滑、特征集结等。
地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性： 1）区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置 的标识； 2）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； 3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理 信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江 河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估 产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如 地壳变动、气候变化）等。
图1-1：GIS的构成
2.4 空间数据－－GIS的血液
它是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济 景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它是 由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其 他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达 的现实世界经过模型抽象的实质性内容。在GIS中，空间数 据主要包括： 1）某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，标识地理实 体在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，如经纬度、 平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入时通常采用数 字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。
例如，机动车辆事故常常符合特定模式，该模式（即事 故）发生在何处？发生地点与时间有关吗？是不是在某 种特定的交叉处？在这些交叉处又具有什么条件？ 5）模型（Models） 该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。 首先，建立模型，如选择标准、检验方法等。 其次，建立了一个或多个模型后，能产生满足特定的所有特征 的列表，并着重显示被选择特征的地图，而且提供一个有关所 选择的特征详细描述的报表。 例如要兴建一个儿童书店，用来选址的评价指标可能包括10、 15、20分钟可到达的空间区域。附近居住的10岁或10岁以下 的儿童的人数、附近家庭的收入情况、周围潜在竞争的情况
3．3数据存储与组织
这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间 数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢 量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构 的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析 的功能；在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何 将空间数据与属性数据融合为一体。目前大多数系统都 是将二者分开存储，通过公共项（一般定义为地物标识 码）来连接。这种组织方式的缺点是数据的定义与数据 操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。
图1-2：几种典型的拓扑关系
3）与几何位置无关的属性 即通常所说的非几何属性或简称属性，是与地理实体相 联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量的两 种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等 级；定性描述的属性如土壤种类、行政区划等，定量的 属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几何属 性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统 计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系 统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现 的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有 较大的影响。
信息与数据关系
信息与数据是不可分离的。数据是信息的载体，但并不就 是信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能 提取数据中所包含的信息。对数据进行处理（运算、排序、 编码、分类、增强等）就是为了得到数据中包含的信息。 数据包含原始事实，信息是把数据处理成有意义的和有用 的形式。数据是原始事实，信息是数据处理的结果；对一 个人是信息对其他人可能是数据；信息必须是有意义或有 用的；使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的。