地理信息系统原理与算法

地理信息系统理论与应用丛书地理信息系统原理与算法吴立新　史文中　编著教育部第三届“高校青年教师奖”支持计划香港政府研究资助局项目（３ZB４０）中国矿业大学研究生教材出版基金香港理工大学基金（１畅３４畅９７０９）　联合资助北　京内　容　简　介本书系统总结、详细整理了国内外GIS理论与核心算法的成果，并进行归纳分类、比较分析和提炼演绎。全书以GIS原理和GIS算法为纲，形成“GIS原理”和“GIS算法”上、下两篇。上篇基于学科融合与交叉提出了广义地理系统和广义地理目标的概念，进而系统讲解了２DGIS空间数据模型、数据结构、空间关系、地学信息分类与空间编码、地图投影与图形变换等基本原理，并介绍了近年GIS理论的最新进展，如３DGIS空间数据模型、时态GIS及时态关系和地理元数据。下篇基于空间数据处理、空间图形处理、空间度量与分析、可视化与数据挖掘共４大方面，系统阐述和演绎了空间数据压缩、空间数据内插、空间数据转换、空间数据误差分析算法，多边形自动生成与裁剪、TIN的构建、Voronoi图的构建和空间变换算法，空间度量、数字地形分析、空间统计和空间分析算法，以及GIS可视化操作和空间数据挖掘与知识发现等核心算法。本书可作为GIS相关专业的硕士生、博士生教材，也可作为GIS高级研究人员、GIS系统研发人员和GIS高级程序员的参考用书和技术指南。　图书在版编目（CIP）数据　地理信息系统原理与算法／吴立新，史文中编著．—北京：科学出版社，２００３　（地理信息系统理论与应用丛书）　ISBN７唱０３唱０１２１９０唱２　Ⅰ畅地…　Ⅱ畅①吴…②史…　Ⅲ畅地理信息系统　Ⅳ畅P２０８　中国版本图书馆CIP数据核字（２００３）第０８５８１５号责任编辑：彭胜潮　姚岁寒　韩　鹏／责任校对：宋玲玲责任印制：钱玉芬／封面设计：王　浩　　　　　　出版北京东黄城根北街１６号邮政编码：１００７１７http：／／．sciencep．com　　　　　　印刷科学出版社发行　各地新华书店经销倡２００３年１０月第　一　版２００５年１月第二次印刷印数：３５０１—５５００　　开本：７８７×１０９２　１／１６印张：２９１／２字数：６５４０００定价：60畅00元（如有印装质量问题，我社负责调换枙路通枛）序　　言一部有关GIS算法的著作的出版，是我期盼已久的事情。自２０世纪９０年代以来，我国GIS理论、方法、技术与应用研究蓬勃发展，GIS教育更是蒸蒸日上，尤其是GIS方向的硕士、博士研究生的培养规模日益扩大。GIS原理与算法已成为GIS高级研究的焦点和GIS基础软件开发的关键。长期以来，国内一直缺乏一部系统阐述GIS核心算法的著作或研究生教材；国外也只是在１９９７年才由荷兰学者出版了一部名为枟GIS算法基础枠（AlgorithmicFoundationsofGIS）的书（１６开，２８７页）。该书重点阐述了GIS中的Voronoi方法、DEM和TIN算法、空间数据综合算法、内存扩展算法等有限内容。吴立新、史文中两位教授系统总结、详细整理了国内外GIS理论与核心算法的成果，并进行归纳分类、分析比较和提炼演绎，同时结合中国内地和香港地区GIS研究生教育的经验和实际，并融合双方近年在GIS理论与算法方面的研究成果，完成了这部著作。纵观全书，以GIS原理和GIS算法为纲形成上、下两篇，结构清晰，体系完整。上篇“GIS原理”部分不仅系统讲解了２DGIS空间数据模型、数据结构、空间关系、地学分类与空间编码、地图投影与图形变换等GIS原理的基本问题，而且纳入了近年GIS理论的最新发展，如３DGIS空间数据模型、时态GIS及时态关系和地理元数据。尤其，从地理认知理论出发，扩充了地理系统的概念和GIS的学科范畴，基于学科融合与交叉把涉及地球内部、表面及外部的地理系统称为广义地理系统，进而提出了广义地理目标的新概念，并以此形成本书的基础与前提。下篇“GIS算法”部分从空间数据处理、空间图形处理、空间度量与分析、可视化与数据挖掘共４个板块出发，系统阐述和演绎了空间数据压缩、空间数据内插、空间数据转换、空间数据误差分析算法，多边形自动生成与裁剪、TIN的构建、Voronoi图的构建和空间变换算法，空间度量、数字地形分析、空间统计和空间分析算法，以及GIS可视化操纵和空间数据挖掘与知识发现算法。可以说，该书的成果是国内外GIS理论与算法研究成果的集大成，是对我国GIS学术界和教育界的一大贡献。该书不仅可作为我国GIS研究生教育的公共教材，也可作为我国GIS高级开发人员的技术指南。相信，该书的出版，必将促进我国GIS研究、教育与技术的发展。同时，希望作者继续关　·i·　注本领域国内外研究动态和最新成果，随时对新理论、新算法进行总结、归纳和提炼，以便在本书后续再版中不断纳入进去，使本书的体系和内容不断丰富和完善。中国科学院院士中国工程院院士　２００３年６月２７日于武汉　·ii·　前　　言英国Edinburgh大学地理学教授TerryCoppock自２０世纪５０年代后期开始，就使用早期的计算机进行与土地利用变化及国土资源相关信息的收集、管理和操作工作，并于２０世纪８０年代中叶创刊了InternationalJournalofGeographicalInformationSystems（简称IJGIS，现改名为InternationalJournalofGeographicalInformationScience）这一最具国际影响的GIS刊物，并担任首任编辑。前加拿大地理师协会主席、皇家地理学会Murchison奖获得者、测量学家RogerTomlinson，则在２０世纪６０年代认识到数字计算机可以用于加拿大土地调查署的海量地图信息的分析工作，并通过应用实践证明计算机是地理信息处理与分析的最佳选择，率先提出了GeographicalInformationSystem（GIS）的术语，进而成为GIS之父。美国加州大学地理系MichaelF．Goodchild教授自７０年代以来为推动国际GIS理论与技术发展作出了积极贡献；我国的陈述彭院士、李德仁院士等老一代科学家均为推动和发展中国的GIS理论、技术与产业做出了卓越贡献。地理信息技术经过４０年的发展，已经形成国际GIS理论研究、技术开发、社会应用与产业化四项并举的欣欣向荣局面。我国自２０世纪８０年代开始大力赶超以来，目前已基本达到与国际先进水平齐平，在某些方面甚至还有所超越。在理论研究方面，国内许多高校的大地测量学与测量工程（０８１６０１）、摄影测量与遥感（０８１６０２）、地图制图学与地理信息工程专业（０８１６０３）、矿山空间信息学与沉陷工程（０８１６２０）、自然地理学（０７０５０１）、人文地理学（０７０５０２）、地图学与地理信息系统（０７０５０３）、地球探测与信息技术（０８１８０２）、城市规划与设计（０８１３０３）、土地资源管理（１２０４０５）等二级学科均已经有了相应的博士点或硕士点，并进行与GIS相关的研究生培养和理论探索；中国科学院系统的地理科学与资源研究所、遥感应用研究所以及中国测绘科学研究院、国家基础地理信息中心等单位也在GIS理论研究方面取得显著成绩。技术开发方面，除中国高校和科学院系统之外，许多公司（包括外资公司、合资公司和独资公司等），均在GIS的基础开发与应用开发方面取得突出成绩。社会应用方面，GIS的应用领域已经深入社会经济的各个层面、各个领域，如城市、乡村、气象、农业、林业、矿山、地质、水文、人口、保险、公安、交通、海关等；从地理专业应用，到行业应用、综合应用和公众应用，几乎“无所不包，无所不在，无所不能”。产业化方面，从９０年代初期开始，我国GIS的产业化初见端倪；１９９４年中国GIS协会（CAGIS）的成立和１９９７年中国科学技术协会第２５次青年科学论坛（以“地理信息科学与产业化”为主题）的召开，有效地规范、引导和促进了我国GIS产业化发展。目前中国内地GIS的产业收入（包括软件销售、数据服务、技术开发、技术服务）已超过３０亿元。国际上自GIS经典之作PrinciplesofGISforLandResourcesAssessment（P．A．Burrouch，１９８６）出版以来，GIS方面的教材、著作、论文集等层出不穷。代表作有：ThreeDimensionalApplicationsinGISs（J．Raper，１９８９），GISandCartographicMo唱　·iii·　delling（C．D．Tomlin，１９９０），GIS：PrinciplesandApplications（D．J．Maguire，M．F．GoodchildandD．W．Rhind，１９９１），TimeinGIS（G．Langran，１９９２），GISs：Spa唱tialModellingandPolicyEvaluation（M．M．FischerandP．Nijkamp，１９９２），GIS：AComputingPerspective（M．F．Worboys，１９９５），FundamentalsofGISs（M．N．DeMers，１９９６），IntegratedModellingfor3DGIS（MPilouk，１９９６），GeographicObjectswithIn唱determinateBoundaries（P．A．BurroughandA．U．Frank，１９９６），AlgorithmicFounda唱tionsofGIS（M．V．Kreveldetal．，１９９７），GettingStartedWithGISs（K．C．Clarke，１９９７），PrinciplesofGISs（P．A．BurroughandR．A．McDonnell，１９９８），AIntroduc唱tiontoTheTheoryofSpatialObjectModelling（M．Molenaar，１９９８），GeographicalIn唱formationSystems（P．A．Longley，M．F．Goodchild，D．J．MaguireandD．W．Rhind，１９９９），FundamentalsofGISs（M．N．DeMers，２０００），SpatialDataQuality（W．Z．Shi，P．F．FisherandM．F．Goodchild，２００２），TemporalGIS：AdvancedFunctionsforField唱BasedApplications（G．Christakosetal．，２００２）等。国内在第一本GIS教材枟地理信息系统导论枠（黄杏元等，１９８９）出版使用以来，迄今已有数十本GIS教材或著作出版，其中不乏优秀之作，已经而且继续在教学、研究、开发与应用方面发挥积极作用。多年来，作者在从事GIS方向研究生培养与GIS核心教学过程中，在MGIS、Geo唱Mo３D和CyberHongKong等技术系统的研究开发过程中，以及在与有关公司、企业的GIS研发人员的合作交流过程中，深深感受到一个问题，即研究生不同于本科生，GIS高级研发人员不同于一般程序员，他们在GIS、数学、计算机技术、软件开发等方面已经具备了一定的知识和经验。他们在研究生学习或产品研发（尤其是GIS底层开发）阶段所缺的主要是GIS的基本原理和核心算法方面的知识。而事实上，国内一直缺乏一本适合GIS研究生和GIS研发人员这一特定群体的教材或著作，国际上也没有特别针对这一高层次需求的专门书籍。往往为了解某一个算法、编制某一个程序，而不得不查找大量的有关资料，结果还可能一无所获。因此，作者深感撰写出版一部关于GIS基本原理和核心算法的书籍的必要性和紧迫性。但由于时间关系，以及知识积累与资料准备等原因，多年来一直未能如愿。终于，最近我们在教育部“高校青年教师奖”专项基金和香港特别行政区政府有关课题的支持下，能专心在香港理工大学和中国矿业大学（北京校区）之间开展合作，将国内外有关GIS基本原理和算法两方面的成果进行了系统的整理、梳理、分类和总结，进而进行剖析、比较、提炼、扩展