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地理信息系统原理

地理信息系统原理

  • 课程分类:大学理工
  • 主讲:
  • 更新时间:2017-04-29 09:00
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    地理信息系统原理介绍
    地理信息系统原理,全面系统地阐述了地理信息系统的理论和技术体系,重点突出对地理信息系统的基本慨念和理论的理解、技术方法的应用。内容涉及地理信息系统的科学和技术基础;地理空间数据组织与管理;地理空问数据获取与处理;空问分析基本原理和方法;地理信息系统产品输出及可视化;地理信息系统工程设计与标准化;地理信息系统的高级技术。
    第一章绪论 
    地理信息系统是对地理空间实体和地理现象的特征要素进行获取处理表达管理分析显示和应用的计算机空间或时间系统 
    地理空间实体是指具有地理空间参考位置的地理实体特征要素,具有相对固定的空间位置和空间相关关系相对不变的属性变化离散属性取值或连续属性取值的特性 
    地理现象是指发生在地理空间中的地理事件特征要素,具有空间位置空间关系和属性随时间变化的特性 
    地理信息系统具有以下五个基本特点: 1地理信息系统是以计算机系统作为支撑的 2地理信息系统操作的对象是地理空间数据 
    3地理信息系统具有对地理空间数据进行空间分析评价可视化和模拟的综合利用优势 4地理信息系统具有分布特性 
    5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 
    地理信息系统的组成: 
    硬件分为基本设备和拓展设备两大部分,基本设备包括计算机主机(含鼠标键盘硬盘图形显示器等),存储设备(光盘刻录机磁带机光盘塔磁盘阵列等),数据输入设备(数字化仪扫描仪手写笔等),以及数据输出部分(打印机绘图仪等);拓展部分包括数字测图系统图像处理系统多媒体系统虚拟现实与仿真系统各类测绘仪器等 
    软件按层次结构组成和运行的软件体系 低水平„„„„„„„„„„„„→高水平 操作系统网络管理软件,工具软件;标准软件(图像图形处理数据库系统系统库程序设计等);GIS基本功能软件(商业化的GIS工具或平台)GIS应用软件(二次开发)GIS与用户的接口、通讯软件(用户界面、通讯软件)  4D产品:数字线划数据(digital line graph,DLG)数字栅格数据(digitalrastergraph,DRC)数字高程模型(digitalelevationmodel,DEM)数字正射影像(digitalorthomap,DOM) 基于“3s”技术的对地观测系统 P26 图1.25  地理信息系统的技术基础:地理信息系统是一项多种技术集成的技术系统。数据采集技术(包括遥感技术,全球定位系统,三维激光扫描技术,数字测图技术等)、现代通信技术、计算机网络技术、软件工程技术、虚拟现实与仿真技术、信息安全技术、网络空间信息传输技术等构成了GIS技术体系的主要技术。 第二章地理信息系统基础理论  地理学是研究地球表面地理环境的结构分部、发展变化的规律性以及人地关系的学科,已经经历了近代地理学和现代地理学两个发展阶段。地理学是研究地理环境的科学。地理环境可以划分为自然环境、经济环境和社会文化环境  地理学的三个发展阶段,第一阶段一地理学定量分析为特点;第二阶段以图形学为特点,注重数量的空间关系,进一步由大地测量、遥感、摄影测量、GPS的融入,发展到geomatics;第三阶段开始引入GIS,借助GIS来研究地理问题。  地理信息系统与地理学的关系: 
    1 地理学是我们理解世界的基础科学,GIS使得地理科学活生生的应用到现实世界中,包括科学中的基础部分 
    2 地理学与GIS密不可分,两者完美结合。地理学的进一步研究,需要gis的支持。GIS的开发需要对地理问题深入认识。两者结合,互相促进了二者的发展。地理信息科学的理论体系、研究方法、学科地位的建立和完善,有利于地理学家对瞬时信息进行定性分析、空间信息的定位分析、时间信息的趋势分析、环境信息的综合分析 3 地理信息的虚拟分析与严爵得以发展 4 数值模拟和定量化研究不断加强  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,他是对表达地理特征要素和地理现象之间关系的地理数据的解释  地理数据是各种地理特征和现象之间关系的符号化表示,包括位置特征、属性特征和时态特征三个基本特征部分 第三章地理空间数据表达基础  方里网是由平行于投影坐标轴的两组评选线索构成的方格网,因为是每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线,所以称为方里网,又称直角方里网  经纬网地理坐标网  地图对地理信息实体要素的描述方法分为线划地图和影像地图两种,地图图层是对地理信息的专题表达 
    1 线划地图是按照一定的比例、一定的投影规则,有选择地将复杂的三维地理实体的某些内容投影绘制在二维平面媒体上,并用符号将这些内容要素表现出来,在地图学上把地理空间分为点线面三种要素 
    点状要素是指那些占据面积较小,不能按比例尺表示,又要定位的实体 线状要素是指那些在地面上呈线状或带状的地理实体,如河流道路等 面状要素指在空间占有一定面积的地理实体,一般用面状填充符号表达 2 遥感影像地图有正射影像图(DOM)和真正射影像图(TDOM),前者由数字高程模型纠正获得(DEM),后者由数字地形表面模型纠正获得 
    3 在GIS中,地理实体要素是以数字化的数据形式存在的  GIS数据表达的基本要求和原则 1 定义表达空间数据的表达类型 
    2 对不同的数据表达类型进行空间建模的原则 3 同一空间参考系原则 
    4 数据分层组织和无缝图层原则 5 数据分类编码原则 6 数据库存储和管理原则 7 数据集组织原则 8 空间索引要求 
    9 建立空间拓扑关系原则 
    10 建立空间元数据库要求;为了对空间数据库进行维护更新和共享服务,需要对空间数据的定义内容格式参考系统质量标准状态日期等信息进行描述,这类信息称为元数据 
    11 为了到达上述的数据表达要求,需要对空间数据进行输入整合和编辑,这一系列的工作称为空间数据库的建库  在GIS中,地理空间对象的基本表达类型有5种:矢量数据栅格数据连续数据属性数据元数据;矢量数据用于描述和表达离散地理空间实体要素;地图描述信息的属性是通过地图符号颜色和地图注记;栅格由一系列的栅格坐标或像元所处栅格矩阵的行列号(I,J)定义其位置,每个像元独立编码,并载有属性;栅格单元的大小代表空间分辨率,表示表达的精度;连续表面数据书描述地球表面上的每一个位置都具有一个值的一类数据,替代方法:1等值线方法 2等值域方法 3栅格数据集方法 4不规则三角网表达方法 元数据就是“关于描述数据信息的数据”,主要作用: 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,对数据的使用做出正确判断 5 提供空间数据互操作的基础  元数据的内容主要是包括对数据库的描述,对数据库中的各数据项数据来源数据所有者和数据生产历史等的说明;对数据质量的描述,如精度数据的逻辑一致性数据的完整性分辨率数据的比例尺等;对数据处理信息的说明,如纲量的转换等;对数据转换方法的说明;对数据库的更新集成方法风的说明  空间关系是指地理空间特征或对象之间存在的与空间特征有关的关系  拓扑空间关系是GIS中重点描述的地理特征或对象之间的一种空间逻辑关系,根据拓扑关系绘制的图称为拓扑图;在拓扑关系在GIS中,是以数据表数据文件的形式进行存储的,主要用于描述点和多边形图形元素之间的逻辑关系,有关联关系、邻接关系、连通关系和包含关系;计算机就是通过在弧段序列中找到弧段之间的共同节点来判断与弧段之间是否存在连接性 
    第四章地理空间数据模型建模  数据模型是对数据特征的抽象描述,它不是描述个别数据特性,而是描述数据的共性,一个地理空间数据模型应能描述地理空间数据以下特征: 
    1 静态特性。包括实体和实体应有的特性、实体间的联系等,通过构造基本数据结构类型来实现 
    2 动态特性。即现实世界中的实体及实体间的不断发展变化,通过对数据文件的索、插入、删除和修改等操作来实现 
    3数据间的相互制约与依存关系。通过一组完整性约束规则来实现  地理空间数据模型可分为矢量数据模型、栅格数据模型、连续表面数据模型和属性数据模型(图4.2 P111)  空间数据模型是以逻辑方式对客观世界进行抽象,是一组由相关关系联系在一起的空间对象定义和空间关系表达的规则集,是几何数据模型和语义数据模型的混合体,也称为地理空间数据的逻辑模型  地理空间数据结构是基于地理空间数据模型构建的物理数据文件格式,与数据在计算机中的编码、存储和表达方式有关。地理空间数据结构提供了为地理空间数据模型而定义的操作,并将操作映射到数据结构特定的代码上  模型和对象的区别,矢量数据模型往往被拆成几个简单元素表示,但他们共享一个属性描述,特征元素表示的意义和实际的情况有很大区别,特征一般不具有独立实体意义;一个对象对应现实世界中的一个具有完整意义的地理是提要素,并对其一系列固有属性和可能的操作方式进行了封装,一般具有很强的独立性  对象的特性 1 抽象性 2 封装性 3 多态性 4 继承性  面对对象数据建模的四种核心数据技术是:分类、概括、聚集和联合  地理数据模型的进展 1 CAD数据模型2 coverage数据模型是arcgis 8软件以前版本使用的地理空间数据模型,也称为地理关系数据模型,是面向特征建模的数据模型,coverage数据模型存储和管理数据的基本单元是数据层 
    3 geodatabase数据模型是面向对象的数据模型  矢量数据是以点、线和多边形为基本表达特征元素,并用以表达具有形状和边界的离散对象;矢量数据模型是以特征数据集合特征类存储特征元素的  线段、链和环视特征形状的组合几何元素  Arcgis的几何对象模型(图4.21 P127)  Coverage数据模型是空间数据、属性数据和与特征有联系的拓扑关系的结合体  Coverage的主要特征类型有点、弧段、多边形和节点  Shapefile主要由包含空间和属性数据的3个主要文件构成,也可能包括任选具有索引信息的其他文件,这些文件有点线面特征组成的一个特征类,可以是点、点集、折线或多边形组成的同类特征的集合  Coverage模型与shapefile模型的主要区别是,前者具有拓扑关系,后者没有拓扑关系;前者有过个类,后者只有一个类  栅格数据来源栅格数据表达影响或连续数据。栅格数据最常用的数据源是卫星影像、航空影像、某个特征的照片、扫描的地图文件、矢量转化成的栅格数据等  栅格数据的基本类型栅格数据有两个基本类型,专题数据和影像数据。专题数据可能用于土地利用的专题分析,影像数据可能用于其他地理数据的地图和导出专题数据  连续表面数据模型连续表面用于表达有限点数的具有Z值的连续场,常用模型有两种,栅格数据模型和不规则三角网模型,最常见的应用是对地形变化这类连续值的建模表达 第五章地理空间数据库  GIS与SDBMS(空间数据库管理系统)的关系 gis提供了便于分析地理数据和将地理数据可视化的机制,提供了丰富的分析功能,可对地理数据进行相应的变换,利用gis可对某些对象和图层进行多种操作;利用SDBMS可对更多的对象集合图层集进行更为简单的操作,回答集合查询比GIS更为优越 
    GIS 图形界面空间和统计分析工具数据转换、导入和导出几何和拓扑关系支持 
    SDBMS 数据自主独立完全集成的空间数据事物处理,并发、备份、恢复统一的查询语言  空间数据库定义为具有内部联系的空间数据的集合,可以管理和维护海量数据,并为不同的GIS应用所共享,应满足一下要求 1 空间数据库是数据库系统 
    2 空间数据库系统在它的数据模型中,提供空间数据类型及其空间查询语言 3 数据库应当具备两个最核心的特征,一个是持久性,一个是事务  空间数据索引数据库的索引可以用来快速访问一条快速查询所请求的数据,而无需遍历整个数据库。索引是为提高查询效率而设计的辅助文件,它只记录两个域,主键和数据文件中的页面地址  空间索引技术的核心是根据查询条件,迅速找到与该条件相交的所有空间数据的集合。在这个缩小的集合上再处理各种复杂的搜索,效率大大提高  空间索引是对存储在介质上的数据位置信息的描述,用来提高系统对数据获取方式的效率  四叉树索引方法四叉树是有根树,每个内节点有4个子节点,四叉树每个节点对应空间的一个方形区域,如果节点v有子节点,则它对应的方形区域书属于v的四个方形区域,因此得名四叉树;根节点的4个子节点被标识为NE、NW、SW、SE  
    空间数据的分层地理信息固有的层次性为GIS分层进行数据组织提供了依据,通常按以下方