1、 一、 绪论 1、 空间信息 （空间特征）包括位置信息、非位置信息、时间信息。 位置信息 位置信息用定位数据（或称几何 数据）来记录。用点、线、面符号描述，包括它们之间的联系。 非位置信息 属性信息，描述物体的质和量。 如水井的深度、涌水量、水质等。 时间信息 空间物体的时序变化与发展过程与规律位置信息和属性信息各自独立并随时间发生变化。 2、地理信息 是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称 。 地理信息的特点 : 空间分布性，地理信息属于空间信息，其 位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。 具有多
2、维结构的特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型、实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。（如采矿点） 3、 地理信息系统 是在计算机软硬件支持下，以采集、储存、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。 4、地理信息系统的发展的四个阶段： 1960年代 起源阶段、 1970年代 发展巩固阶段、 1980年代 大发展阶段、 1990年代至今 应用普及时代 5、系统软件：国外 美国 ERSI 公司的 Arc GIS、 Intergraph公司的 MGE、 MapInfo、加
3、拿大阿波罗科技集团公司的 Titan GIS 等。国内 中国地质大学的 MapGIS、北京超图公司的 SuperMap、北京大学的 Citytar、武汉大学的 GeoStar、北京灵图公司的 VRMap、中国林业科学研究院的 VIEWGIS等。 6、地理信息系统的类型： WebGIS、三维 GIS、时态 GIS。 7、地理信息系统组成：计算机软件系统 、计算机硬件系统 、 地理空间数据 、应用分析模型、系统开发管理和使用人员 5各部分。 8、地理信息系统功能：数据采集与输入，数据编辑与更新，数据储存与管理，空间查询与分析，空间决策支持，数据显示与输出。 9、 地理信息系统的应用 ：资源清查、城
4、乡规划 灾害监测、土地调查、环境管理 、城市管网、作战指挥、宏观决策、城市公共服务、交通、导航、电子服务。 二、 空间数据结构 1、栅格数据结构实际就是像元阵列，即像元按矩阵形式的集合，栅格中的每个像元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。由于栅格数据是按一定规律 排列的，所以表示的实体位置关系是隐含在行号、列号之中的。网格中每个元素的代码代表了实体的属性或属性的编码，根据所表示实体的表象信息差异，个像元可用不同的“灰度值”来表示。 栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。 2、四叉树编码：将图像区域按四等分分割，每个象限仅含一种属性代码或符合既定要求的
5、少数几种属性时，则停止继续分割，否则继续分割。 3、矢量数据结构：代表地图图形的各离散点平面坐标（ x,y）的有序集合，矢量数据结构是一种最常见的图形数据结构，主要用于表示地图图形元素几何数据之间及其与属 性数据之间的关相互系。通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。 4、点实体：包括由单独一对 x,y坐标定位的一切地理或制图实体。 线实体：线实体可以定义为直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对 x,y坐标定义。 面实体：多边形数据是描述地理空间信息的最重要的一
6、类数据，在区域实体中，具有名称属性和分类属性的，多用多边形表示。 5、拓扑属性 在地图图形的连续变换中，如邻接性 、包含性、相交性和空间目标的几何类型（点、线、面特征类型）等保持不变，这类在连续变形中保持不变的属性称拓扑属性。 基本拓扑关系 关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系 拓扑元素量之间的关系：欧拉公式 6、矢量数据与栅格数据结构的比较 矢量数据：数据存储量小、空间位置精度较高、用网络连接法能完整描述拓扑关系、输出简单，绘图细腻、精确、美观，可对图形及其属性进行检索，更新和综合，数据结构复杂，获取数据慢
7、，多种地图叠合分析 困难，不能直接处理数字图像信息，空间分析不容易实现，边界复杂、模糊的事物难以描述，数据输出费用较高。 栅格数据：数据存储量大、空间位置精度低、难于建立网络连接关系、输出速度快，但绘图粗糙、不美观，便于面状数据处理，数据结构简单，获取数据快，多种地图叠合分析方便，能直接处理数字图像信息，空间分析易进行，容易描述边界复杂、模糊的事物，技术开发费用低。 三、 GIS的地理数学基础 1、 凡与局部（一个或几个国家）的大地水准面符合得最好的旋转椭球称为参考椭球。 2、大地控制： 大地控制的任务 确定地面上的点在地球椭 球体上的位置和高程。地理坐标系、中国大地坐标系、高程、大地控制网
8、3、地图投影的分类 : 等角投影：角度不变； 等面积投影：面积不变； 任意投影：角度、面积、长度均变形 4、 中国 GIS中地图投影的应用 大于 1： 50万采用高斯 克吕格投影。 1： 100万时采用正轴等角割圆锥投影。 5、我国规定 1:2.5万 1:50万地形图均采用经差 6分带，大于等于 1:1万比例尺地形图采用经差3分带。 四、 地理信息系统数据输入 1、 GIS数据来源：地图数据 包括普通地图和专题地图，是 GIS的主要数据来源。遥感数据 大面积、 动态、近实时数据源，是 GIS数据更新的重要手段。 测量数据 野外使用经纬仪、水准仪、视距仪测量方位、角度、距离数据，或 GPS 数据
9、，补充缺乏的数据，需要控制点。 数据资料 必不可少的属性数据源 报告 重要参考资料，对确定专题内容的属性特征起重要作用。 2、 数据输入：（ 1）野外数据采集：平板测量， 全站仪测量， GPS测量。 （ 2）地图数字化：扫描仪简介，扫描数字化前的准备工作，栅格扫描数据到矢量数据的转化，其他类型的自动数字化仪器 （ 3）数字摄影测量 （ 4）遥感影像处理 （ 5）现有数据转换 五、 地理信息系统的 数据处理 1、地理信息系统的数据处理包括对矢量数据的压缩与光滑处理，拓扑关系的建立，栅格数据与矢量数据的互相转换，图形的线性变换和投影变换，图框的生成，地图裁剪以及图幅拼接等。 2、为什么要进行空间数
10、据的压缩与光滑？ 在空间数据输入计算机后，有时为了减少数据的存储量节省存储空间，加快后继处理速度，把大量的原始数据转换为有用的、有条理的、精炼而简单的信息的过程，称为数据简化或数据压缩。数据压缩的主要对象是线状要素中心轴线和面状要素边界数据。相反，在进行图形输出时，有需要将以前压缩的数据恢复成其本来面目，必须对 它们进行光滑，这称为曲线光滑。 六、 空间数据管理 1、数据模型：层次模型、网络模型、关系模型、面对象模型 3、地图数据是包括三个主要信息范畴：空间数据、非空间数据、时间因素。 4、空间数据：特点 它含有拓扑关系，即网结构元素中节点、弧段和面域之间的邻接、关联与包括等关系。这是地理实体
11、之间的重要空间关系，它从实质的方面或从总体方面反映了地理实体之间的结构关系。 主要内容包括：空间定位 能确定在什么事物或发生什么事情。空间量度 能计算诸如物体的长度、面积、物体之间的距离和相对方位等。空间结构 能获得物 体之间的相互关系，对于空间数据处理来说，物体本身的信息固然重要，而物体之间的关系信息都是空间数据处理中特别关心的事情，因为它涉及全面问题的解决。空间聚合 空间数据与各种专题信息相结合，实现多介质的图、数和文字信息的集成处理，为应用部门、区域规划和决策部门提供综合性的依据。 5、时间因素 称为第四位信息，超短期的：地震、台风、森林火灾等。短期的：江河洪水、作物长势等。中期的：土地
12、利用、作物估产等。长期的：水土流失、城市化等。超长期：火山爆发、地壳形变等。 6、元数据的定义 :“是关于数据的数据 ”它在地理信息中用于描述地理数据集的内容、质量、表达式、空间参考、管理方式及数据集的其他特征，它是实现地理空间信息共享的核心标准之一。 八、 空间分析 1、从宏观上划分，空间分析可以归纳为以下三个方面： （ 1）拓扑分析：包括控件图形数据的拓扑运算，即旋转变换、比例尺变换、三维及三维显示、几何元素计算等。 （ 2）属性分析：包括数据检索、逻辑与数学运算、重分类、统计分析等。 （ 3）拓扑与属性的联合分析：包括与拓扑相关的数据检索、叠置处理、区域分析、邻域分析、网络分析、形状探测
13、、瘦化处理、空间内插等。 2、数据检索 及表格分析 :属性统计分析，布尔逻辑查询，空间数据库查询语言，重分类、边界消除与合并（课本例子 P209）。 3、叠置分析：城市那块地适合选址目标？ 决策实例 1 道路拓宽改建 例 1：道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算 1）明确分析的目的和标准。 目的：计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的面积和房产价值； 道路拓宽改建的标准是： a)道路从原有的 20m拓宽至 60m； b)拓宽道路应尽量保持直线； c)部分位于拆迁区内的 10层以上的建筑不拆除。 2）准备进行分析的数据 涉及两类信息：一类是现状道路图；另一类是分析区域内建筑物分布图及相关的信息； 3）进
14、行空间操作 a) 选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。 b) 将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于缓冲区内的建筑物信息。 4）进行统计分析 a) 对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于 10层以上的建筑物，将其从选择组中去除，并对道路的拓宽边界进行局部调整。 b) 对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。 5）将分析结果以地图或表格的形式打印输出。 决策实例 2 工厂选址 1）建立分析的目的和标准 目的：确定一些具体的地块，作为一个轻度污染工厂的可能建设位置。 工厂选址的标准包括： a）地块建设用地面积不小于
15、10000平方米； b）地块的地价不超过 1万元 /平方米； c）地块周围不能有幼儿园、学校等公共设施，以免受到工厂生产的影响。 2）从数据库中提取用于选址的数据 一类为全市所有地块信息的数据层；另一类为全市公共设施（包括幼儿园、学校）的分布图。 3）进 行特征提取和空间拓扑叠加 从地块图中提取满足条件 a)， b)的地块，并与公共设施层数据进行叠加。 4）进行邻域分析 对叠加结果进行邻域分析和特征提取，去掉周围有幼儿园、学校等公共设施的地块，选择满足要求的地块。 5）将选择的地块及相关信息以地图和表格的形式打印输出。 决策实例 3 公园选址 森林公园选址 问题背景 :为了在某地建立一森林公园
16、旅游点，需参考一定的旅游条件，假设该旅游点须满足距公路、铁路 0.5km以外 10km以内，非市区，有林地，要求在行政区划图上选出该旅游点位置，并注明面积大小。 数据源：公路及铁路分布图；森林分布及权属图；城镇行政区划图； 所涉及的 GIS 功能：属性重分类；面状边界消除与合并；缓冲区生成；拓扑叠加；面积量测；绘图输出；生成报表。 具体步骤 (1)将森林分布图分成林地及非林地两类； (2)消除同一属性值为林地或非林地的相邻多边形的边界并加以合并； (3)将所有公路和铁路周围生成 0.5km宽的缓冲区； (4)将所有公路和铁路周围生成 10km宽的缓冲区； (5)拓扑叠加 (2)、 (3)、 (
17、4)三步生成的图层，生成具有下述属性的多边形，林地、非林地； 0.5km内区域； (6)将城镇行政区划图重新分类，生成市区、非市区两类； (7)拓扑叠加 (5)、 (6)生成的图层，得到 非林地； 林地且市区； 林地、非市区、距道路 0.5km内； 林地、非市区、距道路 0.5km外 10km内； 林地、非市区、距道路 10km外 (8)依约束条件，提取第类多边形，并计算其面积； (9)与行政区划图叠加，打印输出结果； 4、（分析题） 缓冲分析：在点、线、面实体（缓冲目标）周围建立一定宽度范围的多边形。换言之，任何目标所产生的缓冲区总是一些多边形，这些多边形将构成新的数据层。 （ 1） 所谓
18、缓冲区 就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。从数学的角度看，缓冲区分析的基本思想是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域半径 R决定。 （ 2）角平分线法 ：角分线法的缺点是难以最大限度保证双线的等宽性，尤其是在凸侧角点在进一步变锐时，将远离轴线顶点。 凸角圆弧法：在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按双线和缓冲区半径截出左右边线起止点；在轴线其它转折点处，首先判断该点的凸凹性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧则用前后两邻边平行线的交点生成对应顶点。这样外角以圆弧连接，内角直接连接，线段端点以半 圆封闭。 （ 3）当轴线的弯曲空间不容许双线的边线无压盖地通过时，就会产生若干个自相交多
19、边形。 自相交多边形分为两种情况：岛屿多边形和重叠多边形。岛屿多边形是缓冲区边线的有效组成部分；重叠多边形不是缓冲区边线的有效组成，不参与缓冲区边线的最终重构。 5、网络分析是空间分析的一个重要方面，是依据网络拓扑关系（线性实体之间线性实体与节点之间、节点与节点之间的连接连通关系），并通过考察网络元素的空间、数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算。 6、 常规的网络分析功能：路径分析，资源分配，连通分析，流分析 ，选址 九、 数字高程模型 1、数字高程模型概念：简称 DEM，是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形状大小和起伏的数字描述。 数字地形
20、模型（ DTM） 2、 DEM数据按其分布特征可分为两类：格网状数据和离散数据 3、 DEM的主要用途： （ 1）在国家数据库中存储地形图的高程数据。 （ 2）计算道路设计。其他民用和军用工程中挖填土石量。 （ 3）为军事目的（武器导向系统、驾驶系统）的地表景观设计与规划（土地景观构筑）等显示地形的三维图形。 （ 4） 越野通视情况分析 （ 也是为了 军事和土地景观规划等目的 ） 。 （ 5） 规划道路线路、坝址选择等。 （ 6） 不同地面的比较和统计分析。 （ 7） 计算坡度、坡向图，用于地貌晕渲的坡度剖面图。 帮助地貌分析，估计浸蚀和径流等。 （ 8）显示专题信息或将地形起伏数据与专题数据如土壤、土地利用、植被等进行组合分析。 （ 9） 提供土地景观和景观处理模型的影像模拟所需要的数据。 （ 10） 用其他连接变化的特征代替高程后， DEM还可以表示如下一些表面：通行时间和费用、人口、直观风景标志、污染状况、地下水水位等。 十、 网络地理信息系统 1、地图符号的设计要求： （ 1）符 号要简明、形状要图案化。 （ 2）符号应有概括性和表现力。 （ 3）符号应有独立性和逻辑系统性。 （ 4）符号色彩要有象征性。 （ 5）符号总体要有 艺术性。
