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地理信息系统概论第1章导论第2节地理信息系统的基本构成1.系统硬件（1)数据处理设备：大型机，图形工作站，服务器，个人计算机（2)数据输入设备：图形手扶跟踪数字化仪，大幅面图形扫描仪，数字测量设备（3)数据输出设备：各种绘图仪，打印机，计算机显示器，大屏幕投影仪2.系统软件按功能分为：地理信息系统功能软件（GIS应用软件，GIS基础软件平台），基础支撑软件（数据库系统软件，系统库），操作系统软件（操作系统）3.空间数据（1)实体分为离散实体：点线面矢量数据模型连续实体：栅格数据模型4.应用人员;系统开发人员，地理信息系统的最终用户5.应用模型第3节地理信息系统的功能简介1.基本功能（1)数据采集与编辑（2)数据存储与管理（3)数据处理与变换：①数据变换：投影变换，几何纠正，比例尺缩放，误差改正和处理②数据重构：数据拼接，数据剪裁，数据压缩，结构转换③数据抽取：类型选择，窗口提取，空间内插（4)空间分析和统计：叠合分析；缓冲区分析；数字地形分析（5)产品制作与演示：地形图的输出是GIS产品表现形式（6)二次开发和编辑：山体阴影图、三维显示2.地理信息系统的应用功能（1）资源管理：将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。（2）区域规划：GIS数据库将多种数据信息归并到同一个系统中，最后进行区域中多个目标的开发和规划（3）国土监测：GIS方法和多时相的遥感数据相结合，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测等等。（4）辅助决策：GIS利用拥有的数据和互联网传输技术，通过一系列决策模型的构建和比较分析，可以为国家或企业的宏观决策提供依据。第4节地理信息系统的发展概况（表1-34）第二章地理信息系统的数据结构第一节地理空间及其表达1.大地原点:（1）1954年北京坐标系：坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台，克拉索夫斯基椭球(Krasovsky)（2）1980年国家大地坐标系：大地原点在陕西省咸阳市泾阳县永乐镇石际寺村境内采用1975年国际大地测量协会(IUGG)推荐的IUGG75参考椭球体（3）地心坐标系：坐标原点是地球的质心GIS空间数据的分类（表2-2）P41按数据来源按数据结构按数据特征按几何特征按数据发布形式邬伦，数据表示对象不同地图数据影像数据文本数据矢量数据栅格数据空间数据非空间数据点线面，曲面体数字线画图DLG数字栅格图DRG数字高程模型DEM数字正射影像图DOM类型数据区域数据网络数据样本数据曲面数据文本数据符号数据一．空间数据的基本特征1.空间特征：指地理现象和过程所在的位置，形状和大小等几何特征，以及与相邻地理现象和过程的空间关系。（方位关系，拓扑关系，相邻关系，相似关系）2.属性特征：指地理现象和过程所具有的专属性质（名称，数量，质量，性质）3.时间特征：一定区域内的地理现象和过程随着时间的变化情况。三．空间数据的拓扑关系1.拓扑关系的类型节点：线的起始点和终止点弧段：有2个端点多边形（1）拓扑邻接：指存在于空间图形的相同类型元素之间的拓扑关系。（2）拓扑关联：指存在于不同类型空间元素之间的拓扑关系。（3）拓扑包含：指存在于空间图形的相同类型但不同等级的元素之间的拓扑关系。2.空间拓扑关系的意义（1）清楚地反映实体之间的逻辑结构关系（2）有利于空间要素的查询（3）重新建立实体第3节空间数据结构的类型一．矢量数据结构矢量具有大小和方向的量弧段两端点的顺序表示矢量方向（1）实体数据结构第一种是每个点、线、面目标直接跟随着它的空间坐标，也就是说每个实体的坐标都是独立存储的。第二种是点坐标作为一个文件，线和多边形由点号组成优点：能够顺次进行数字化绘制工作缺点：数据冗余，缺乏拓扑关系带来计算代价（2）拓扑数据结构1.包括DIME（对偶独立地图编码法），POLYVRT（多边形转换器），TIGER（地理编码和参照系统的拓扑集成）2.共同特点：点是相互独立的，点连成线，线连成面。每条线始于起始节点，止于中止节点，并与左右多边形项相邻接3.弧段是数据结构的基本对象拓扑数据结构的优点是：①消除了重复线，减少数据冗余，不易产生裂隙或重叠②建立了地物之间的拓扑关系，有利于相邻、包含等空间查询操作。另外，编辑或插入线条也非常简单。拓扑数据结构的不足之处是：①拓扑表必须在一开始就创建，需要一定的时间和存储空间二．栅格数据像元阵列，每个像元由行列号确定它的位置，并且具有表示实体属性的类型或值的编码值。1.网格通常是正方形，矩形，等边三角形，正六边形。合理的网格尺寸H=1/2（min[Ai])的1/2次方2.栅格单元代码的确定（1）中心点法：常用于具有连续分布特性的地理要素（2）面积占优法：常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况（3）重要性法：常用于具有特殊意义而面积较小的地理要素，特别是点状和线状地理要素（4）百分比法3.栅格数据结构的类型（1）栅格矩阵结构－－直接栅格编码结构将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码（2）链式编码（优点:可以有效地压缩栅格数据，而且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度等运算十分方便，比较适合于存储图形数据。缺点：对边界进行合并和插入等修改编辑工作比较困难，对于局部的修改将改变整体结构，效率较低，而且以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界被重复存储而产生数据冗余。）（3）游程编码(游程编码是一种无损压缩编码，在栅格压缩时，压缩效率较高，而且易于检索、叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小，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）块式编码(块码具有可变的分辨率，随着图形复杂程度的提高而降低效率。块码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。)(5)四叉树结构生成四叉树的方法：自上而下方式（top-down）自下而上方式（bottom-up）四叉树存储方法：常规四叉树和线性四叉树常规四叉树每个节点通常存储6个量：4个子节点指针、1个父节点指针和1个节点值。线性四叉树每个节点只存储3个量：Morton码、深度（节点大小）和节点值，比常规四叉树节省存储空间矢量数据结构与栅格数据结构的比较优点缺点矢量数据结构1.能很好的表达地理实体的空间分布特征，数据精度高2.数据结构紧凑，数据量小3.能够完整描述拓扑关系，易于网络分析4.图形和属性数据的恢复、更新和综合都能有效地实现5.图形输出质量好、精度高1.数据结构与处理算法复杂2.多边形叠置分析困难；3.对软、硬件的技术要求较高4.显示与绘图成本较高5.数学模拟比较困难栅格数据结构1.数据结构与处理算法比较简单2.空间数据的叠置和组合容易3.易于进行各类空间分析4.数学模拟方便5.数据输入与技术开发费用低1.图形数据存储量大2.投影转换比较困难3.图形输出质量较低，精度不够4.图像识别的效果不如矢量方法，用大象元减少数据量时，精度和信息量受到损失5.难以建立网络连接关系第4节空间数据结构的建立一．矢量数据的输入与编辑获取：1.由外业测量获得(平板仪：纸质地图全站仪：电子数据GPS)2.由栅格数据转换获得3.地图数字化(手扶跟踪数字化,扫描矢量化,屏幕数字化)野外测量：平板仪、全野外数字测图、GPS、移动测绘系统特点：精度高、效率较低适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新编辑：1.图形编辑：(一)节点编辑:①删除与增加一个顶点②移动一个顶点（二）弧段及多边形编辑:③删除一段弧段（三）数据的检查与清理2.拓扑关系的建立：（1）点线拓扑关系的建立：①在图形采集和编辑中实时建立②在图形采集与编辑之后系统自动建立（2）多边形拓扑关系的建立①首先进行结点匹配（snap）②建立结点–弧段拓扑关系③多边形的自动生成（3）图幅拼接①统一坐标系，规范化属性②对相邻图幅进行编号③图幅间坐标数据的匹配④删除拼幅时的公共边界二．栅格数据的输入（1）遥感数据：监督分类（先学习后分类），非监督分类（先分类后学习）（2）扫描输入（3）由矢量数据转换而来第三章空间数据处理第一节空间数据的变换（一）地图投影的类型1.按变形性质：等角投影，等积投影，等距投影2.按构成方法：（1）几何投影按投影面积形状：方位投影，圆柱投影，圆锥投影按投影面与球面位置关系：正轴投影，横轴投影，斜轴投影按投影面与地球的空间逻辑关系：相切投影，相割投影（2）非几何投影伪圆柱投影，伪圆锥投影，伪方位投影，多圆锥投影（二）地理信息系统常用的地图投影（特点P74）1.高斯-克吕格投影：等角横切椭圆柱投影2.墨卡托投影：等角正切圆柱投影航向3.UTM投影:横轴墨卡托投影4.兰勃特投影：等角正轴割圆锥投影5.阿尔伯斯投影：正轴等面积割圆锥投影行政区第2节空间数据结构的转换P83一．由矢量向栅格的转换（一）点的栅格化（二）线的栅格化（三）面的栅格化1.基于弧段数据的栅格化方法(1)首先，对要进行栅格化的全部范围按行或按列做中心扫描线，求每一条扫描线与所有矢量多边形的边界弧段的交点，并用点的栅格化方法求出交点的栅格行列值。(2)然后，根据弧段的左右多边形信息判断并记录交点左右多边形的数值。(3)最后，通过对一行中所有的交点按其坐标x值的大小从小到大进行排序，并结合左右多边形的配对情况，逐段生成栅格数据，直到所有的扫描线都完成从矢量向栅格的转换。1.基于多边形数据的栅格化方法：(1)内点填充法:程序设计比较复杂，而且可能造成阻塞而造成扩散不能完成，此外若多边形不完全闭合时，会扩散出去。(2)边界代数法:不是逐点搜寻判别边界，而是根据边界的拓扑信息，通过简单的加减代数运算将拓扑信息动态地赋予各栅格点，实现矢栅转换；不需要考虑边界与搜索轨迹之间的关系，算法简单，可靠性好；仅采用加减代数运算，每条边界仅计算一次，免去了公共边界重复运算，又可不考虑边界存放的顺序，所以运算速度快；同时较少受内存容量的限制，特别适用于微机GIS。(3)包含检验法核心思想：“点在多边形内”的判定，常用的判定方法有：检验夹角之和法和检验交点个数法（铅垂线法）。二．由栅格向矢量的转换（一）基于图像数据的矢量化方法（1）二值化0和1（2）细化：是消除线画横断面栅格数的差异，使每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线位置的单个栅格的宽度。（剥皮法，骨架法，扫描算法）（3）跟踪（4）拓扑关系生成（5）去除多余点及曲线光滑（二）栅格数据的矢量化方法第3节多元空间数据的融合一．不同格式数据的融合（1）基于转换器的数据融合（2）基于数据标准的数据融合（3）基于公共接口的数据融合（4）基于直接访问的数据融合第4节空间数据的压缩与重分类一．基于矢量的压缩：道格拉斯-佩克算法大于保留小于舍去垂距法：前三个点一次光栏法：在扇形内舍去，外保留第5节空间数据的内插法P96一．空间数据的内插：通过已知点或多边形分区的数据，推求任意点或多边形分区数据的方法二．点的内插1.整体内插法：边界内插法，趋势面分析，变换函数插值法2.分块内插法（线性内插法，双线性多项式内插法，二元样条函数内插法）3.逐点内插法（移动拟合法，加权平均法，克里金法）三．区域的内插1.叠置法2.比重法第4章地理信息系统空间数据库第1节空间数据库概述1.空间数据库的设计步骤：需求分析，概念设计，逻辑设计，物理设计第2节空间数据库概念模型一．语义数据模型E-R模型4.三个步骤：设计全局E-R模型，设计全局E-R模型，全局E-R模型的优化二．面向对象的数据模型第三节空间数据库逻辑模型设计一、层次模型：“树”把数据组织成有向有序的树结构层次模型特点：基本联系是一对多的关系，反映数据之间的隶属关系优点：反映了现实世界中实体间的层次从属关系，结构比较简单清晰，较容易实现。缺点：查找比较麻烦，需要大量的索引文件；同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）；当对层次模型进行修改时，只有当新记录有上属记录时才能插入；删除一个记录其所有下属记录也同时被删除。现实世界中很多联系是非层次的，层次模型难以表达。二、网状模型：“图”基本特征：结点数据间没有明确的从属关系，一个