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页1第一章绪论1、数据与信息数据：是事实的反映，是人们用来反映客观世界而记录下来的可以被鉴别的符号。除数值数据外，文字、声音、语言、图形、图像等也是数据。信息：是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。它不随载体的物理形式的改变而改变。（1）信息与数据的关系:信息与数据是不可分离的，数据是信息的表达，信息是数据的内涵。数据本身并没有意义,数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。2、地理信息：是指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。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性。3、信息系统：是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。信息系统具有的功能：⑴数据收集和输入；⑵数据传输⑶；数据存储；⑷数据加工处理；⑸数据输出4、地理信息系统:是以地理空间数据为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、模拟、分析和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。简单地说：地理信息系统是空间数据的管理系统。5、地理信息系统的特点具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息；以地理研究和地理决策为目的，是一个人机交互式的空间决策支持系统。6、地理信息系统的分类按功能分类：专题地理信息系统(ThematicGIS)；区域地理信息系统(RegionalGIS)；地理信息系统工具(GISTools)7、地理信息系统的组成地理信息系统其基本构成一般包括五个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。8、地理信息系统的功能基本功能是空间数据的采集、管理、处理、分析和输出。(1)数据采集与编辑(2)数据存储与管理(3)数据处理与变换(4)空间查询与分析(5)数据显示与输出GIS的应用功能：资源管理；区域规划；国土监测；辅助决策；定位服务GIS能解决的问题可归纳为五类：位置、条件、趋势、模式、模型。9、地理信息系统的发展及其发展趋势。(一)地理信息系统的发展概况（1）起步阶段（60年代），注重空间数据的地学处理。（2）发展阶段（70年代），注重空间地理信息的管理，受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视。页2（3）推广应用阶段（80年代），注重空间决策支持分析（4）用户时代（90年代后）,注重GIS社会应用与服务（5）国外主流GIS软件：ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）、GENAMAP、MGE（ModularGISEnvironment）（GeoMedia）、MapInfo（MapinfoProserver、MapX、MapXtreme）、ERDAS等(二)我国地理信息系统的发展（1）准备阶段（70年代）（2）试验阶段（80年代）（3）全面发展阶段（90年代）（4）国产主流GIS软件：GeoStar；MapGIS；SuperMap；CityStar(三)地理信息系统的发展趋势（1）GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学日趋完善的技术体系；(2)空间数据结构与数据管理的研究更加深入；(3)GIS应用模型开发日趋加强；(4)GIS智能化；(5)GIS网络化；(6)三维GIS的研究不断深入；(7)宏观与微观应用进一步加强，并形成新的产业。第二章空间数据结构1、空间实体有两种形式：显式描述和隐式描述。计算机对地理实体的显式描述也称栅格数据结构，计算机对地理实体的隐式描述也称矢量数据结构。栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。栅格表达法同样可以表达0维、一维、二维等地理实体。此时、0维矢量就是表现为具有一定数值的栅格单元，一维矢量就表现为按线性特征相连接的一组相邻单元，二维矢量则表现为按二维形状特征连续分布的一组单元。2、空间数据的基本特征（1）空间特征：表示实体的空间位置或现在所处的地理位置以及拓扑关系等。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。（2）属性特征：这里主要指的是专题属性，也是非定位数据。专题属性是指实体所具有的各种性质，如名称、分类、质量特征和数量特征等。专题属性通常以数字、符号、文本和图象等方式表达。（3）时间特征：描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。空间特征数据和属性特征数据常常呈相互独立的变化，即在不同的时间，空间位置不变，但属性数据可能发生变化，或者相反。对于现有的大量GIS系统，由于它们并非是时态（temporal）GIS系统，所以，把专题属性和时间特征数据统称为属性数据。3、空间数据的来源：地图数据、遥感数据、统计数据、实测数据及各种文字报告。5、空间关系是指地理空间实体对象之间的空间相互作用关系。通常将空间关系分为三大类：拓扑空间关系；顺序空间关系；度量空间关系。拓扑空间关系：描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系。页3欧氏平面上空间对象所具有的拓扑和非拓扑属性6、空间数据的拓扑关系拓扑空间关系：描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系。空间数据的拓扑关系包括：拓扑邻接；拓扑关联；拓扑包含。（1）拓扑邻接：同类元素之间的拓扑关系，如结点间的邻接关系和多边形间的邻接关系。（2）拓扑关联：不同类元素之间的拓扑关系，如弧段在结点处的联结关系和多边形与弧段的关联关系。（3）拓扑包含：同类不同级元素之间的拓扑关系。7、空间数据拓扑关系的意义(1)根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何数据有更大的稳定性，不随地图投影而变化。(2)利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如某条铁路通过哪些地区，某县与哪些县邻接,又如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源等。(3)可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形等。8、地理信息空间数据结构数据结构：描述空间实体的数据本身的组织方法，称为数据结构。常用的空间数据结构1）、矢量数据结构空间数据拓扑关系的表示页4矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。特点：定位明显，属性隐含。获取方法：（1）手工数字化法（2）手扶跟踪数字化法（3）数据结构转化法2）、栅格数据结构栅格结构：是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。特点：属性明显，定位隐含。获取方法（1）手工网格法（2）扫描数字化法（3）分类影像输入法（4）数据结构转换法栅格数据组织方法以像元为记录的序列，可节省存贮空间；以层为基础，每层以像元为记录序列，形式简单；以层为主，每层以多边形为序列，可节省用于存贮属性的空间。10、矢量数据与栅格数据的比较栅格结构优点:数据结构简单；叠加操作易实现，更有效；便于做图象的增强处理；缺点:数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决；难以表达拓扑关系；图形输出不美观，线条有锯齿；矢量结构优点:提供更严密的数据结构；提供更有效的拓扑编码，拓扑与网格分析容易实现；图形输出美观，接近于手绘；数据量小缺点:比栅格数据结构复杂；叠加操作没有栅格有效；11、不能像数字图象那样做增强处理扩展：TIN数据结构利用Delauney三角剖分准则就可完成对TIN的自动生成。单个三角形的顶点就是原始数据点或其它空间信息的控制点TIN的空间几何特征为：三角形顶点（Vertex）、三角形边（Edge）、三角面（Triangularfacet）TIN的表达方法主要有以下特点：1.能够表达不连续的空间变量。栅格方法很难处理逆断层、悬崖峭壁等特殊空间对象，而TIN的处理则相当容易。2.由于三角形顶点(Vertex)就是实际的控制点，所以，它对空间对象的表达精度较高。3.能够精确表达河流、山脊、山谷等线性地形特征。12、地理数据编码：是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。栅格结构编码方法（1）直接栅格编码直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而页5偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。（2）链码链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界。它把线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按某些基本方向确的单位矢量链定的单位矢量链。方法：链式编码的前两个数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以0—7的整数代表。链式编码特点链式编码对线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，类似矢量数据结构，比较适于存储图形数据。缺点是对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。（3）游程长度编码把具有相同属性值的邻近栅格单元合并在一起，合并一次称为一个游程。游程用一对数字表达，其中，一个值表示游程属性值（即代码），另一个值表示游程长度。只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；游程长度编码特点①可见游程长度编码压缩数据是十分有效又简便的。事实上，压缩比的大小是与图的复杂程度成反比的，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分游程数就少，图件越简单，压缩效率就越高。②游程长度编码在栅格加密时，数据量没有明显增加，压缩效率较高，且易于检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存贮容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。（4）块码块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置(行、列号)和半径，再加上记录单元的代码组成。块状编码特点一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块状编码的效率就越好。块状编码对大而简单的多边形更为有效，而对那些碎部较多的复杂多边形效果并页6不好。块状编码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。（5）四叉树编码四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。美国马里兰大学四叉树编码方法：二进制（共32位），属性编码22位+路径2n位6位+深度4位区域分割原则：将欲分解区域等分为四个象限，再根据各个象限的象元值是否单一决定要不要再分。如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性值相同为止。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n×2n的栅格阵列。n为极限分割次数，也是四叉树最大层数或最大高度。四叉树编码特点：①容易有效计算多边形的数量特征②阵列各部分的分辨率是可变的③与其它压缩方法比，与栅格数据简单结构转换容易④多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。各种编码的优缺点直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。13、矢量结构编码方法（1）点实体矢量编码方法（2）矢量编码方法（3）多边形矢量编码方法（包括：多边形环路法、树状索引编码法、拓扑结构编码法）14、矢量数据结构向栅格数据结构的转换矢量向删格的转换的根本任务就是把点、线或面的矢量数据转化成对应的栅格数据（1）栅格尺寸确定;(2)点的栅格化;(3)直线栅格化;(4)面域的栅格化:1）内部点扩散算法;2）射线算法页715、栅格数据结构向矢量数据结构的转换多边形栅格格式