《地理信息系统概论》电子教案

研制黄杏元马劲松高等教育出版社高等教育电子音像出版社面向21世纪课程教材使用说明本电子教案，是为了方便教师与学生使用面向二十一世纪课程教材《地理信息系统概论（修订版）》(黄杏元、马劲松、汤勤编著，高等教育出版社，2001)而制作的。电子教案按照教材的章节体系设计，并辅以图表的形式，力图以形象生动简洁的方式传达各章的教学重点、教学难点以及可供选择的教学活动。第六章是在前面各章教学基础上的总结，要求教师通过1~2个应用模型融入前述各章所介绍的内容、方法和相关的操作，使学生了解应用GIS技术解决实际应用问题的原理、方法和过程。第六章的第一节和第二节包含基本概念和应用范例，为必修内容。其余各节可根据实际情况，由教师选择作为课堂讨论、上机实习或课程论文的内容。电子教案仅提供了一个基本的思路和框架。教师在授课时可以根据实际情况进行调整与修改。电子教案由黄杏元、马劲松等设计制作。在编制过程中，还得到高等教育出版社徐丽萍副编审的鼓励与支持。在电子教案出版之际，谨对所有关心和支持这项工作的单位和个人表示衷心的感谢！不当之处敬请广大师生批评指正。联络信箱:[e-mail]@nju.edu.cn教学大纲简介课程特点和基本要求教学内容和学时分配考核方式与参考书目课程特点与基本要求课程特点GIS是一门典型的交叉性学科因此，学生要学好GIS，首先必须要做好“GIS”(Gentlemanlike,Intelligence,Smile。即博大(共建共享)、智能(开发创新)、微笑(微笑服务))。GIS是一门实践性很强的学科因此，要重视技能训练，重点掌握ArcInfo等基础GIS软件的操作和使用。GIS是一门迅速发展中的学科因此，要经常阅读有关的文献资料，掌握GIS学科的发展趋势，努力更新自己的知识，不断提高自己的能力。基本要求本课程旨在使学生掌握地理信息系统的基本原理、技术方法和实际应用，了解其主要应用领域和发展方向，并为从事GIS的地理学应用和应用型地理信息系统的开发奠定基础。具体要求如下：了解地理信息系统的基本原理，包括空间数据的语义学基础、GIS的科学定义、空间关系和空间对象的表达、空间数据结构和类型、空间分析原理和地学模型方法等；掌握地理信息系统的基本技术和方法，具有应用MapInfo或ArcInfo软件从事空间数据的采集、存储与管理、处理、分析和图形创造的基本技能；初步具有应用GIS技术开展地学研究的能力，包括地学应用模型的构建，应用型GIS的设计，主要GIS软件系统的使用和评价等。教学内容与学时分配内容分八章，由课堂讲授和上机实习两大教学环节组成，总学时为80学时，具体安排如下：课堂教学(52学时)上机实习(28学时)课堂教学（52学时）第1章导论(2学时)§1.1地理信息系统的基本概念§1.2地理信息系统的基本构成§1.3地理信息系统的功能简介§1.4地理信息系统的发展透视第2章地理信息系统的数据结构(6学时)§2.1地理空间及其表达§2.2地理空间数据及其特征§2.3空间数据结构的类型§2.4空间数据结构的建立第3章空间数据的处理(6学时)§3.1空间数据的坐标变换§3.2空间数据结构的转换§3.3多源空间数据的融合§3.4空间数据的压缩与综合§3.5空间数据的内插方法§3.6图幅数据边沿匹配处理第4章地理信息系统空间数据库(8学时)§4.1空间数据库概述§4.2空间数据库概念模型设计：传统的数据模型§4.3空间数据库概念模型设计：语义数据模型和面向对象数据模型§4.4空间数据库逻辑模型设计和物理设计§4.5GIS空间时态数据库第5章空间分析的原理与方法(10学时)§5.1数字地面模型分析§5.2空间叠合分析§5.3空间缓冲区分析§5.4空间网络分析§5.5空间统计分析§5.6空间数据的集合分析和查询第6章地理信息系统的应用模型(8学时)§6.1GIS应用模型概述§6.2适宜性分析模型§6.3发展预测模型§6.4位址选择模型§6.5交通规划模型§6.6地学模拟模型§6.7专家系统概述第7章地理信息系统的设计与评价(6学时)§7.1GIS设计概述§7.2地理信息系统的设计§7.3地理信息的标准化§7.4地理信息系统的评价第8章地理信息系统产品的输出设计(6学时)§8.1地理信息系统产品的输出形式§8.2地理信息系统图形输出系统设计§8.3地理信息系统的可视化与虚拟现实上机实习（28学时）实习1初识MapInfo2学时实习2屏幕数字化2学时实习3数字化图形的编辑2学时实习4MapInfo与数据库:空间库与属性库的建立2学时实习5无缝图层的建立2学时实习6地理编码2学时实习7地理分析功能2学时实习8数据库应用:空间数据与属性数据的双向查询2学时实习9数据信息统计2学时实习10专题地图的绘制2学时实习11用户界面设计2学时实习12模块设计2学时实习13MapBasic文件操作2学时实习14MapInfo与其他程序的集成方法(OLE)2学时考核方式与参考书目考核方式本课程的教学应坚持理论与实践相统一的原则，考核方式包括平时提问、期中检查、期末考试和上机实习成果考评等；本课程采用的结构化考核和评分方法为：学生的总成绩（100分）=平时提问和课堂讨论成绩（20分）+上机实习和课程设计成绩（40分）+期末考试成绩（40分）。参考书目龚健雅.地理信息系统基础.北京：科学出版社，2001郭达志等.地理信息系统基础与应用.北京：煤炭工业出版社，1997张超等.地理信息系统实习教程.北京：高等教育出版社，2000吴信才等.地理信息系统原理与方法.北京：电子工业出版社，2002考核方式与参考书目第一章导论第一节地理信息系统基本概念第二节地理信息系统的基本构成第三节地理信息系统的功能简介第四节地理信息系统的发展透视第一节地理信息系统基本概念数据与信息两者在词义上的差别：数据是信息的表达，信息则是数据的内容；数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；信息是当代社会发展的一项重要任务。地理信息地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称；地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。第一节地理信息系统基本概念地理信息系统(简称GIS)GIS是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科，它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列基本问题，如空间对象表达与建模、空间关系及推理机制、空间信息的控制基准、空间信息的认知与分析、GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化、空间信息的政策与标准等；GIS的操作对象是空间数据,空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码，并实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等；GIS是管理和分析空间数据的应用工程技术，该工程技术系统由六个子系统组成；GIS为地理学解决复杂的规划与管理问题提供了有效的手段，而地理学则为GIS提供了重要的基础理论依托；GIS的科学定义：地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。第二节GIS的基本构成系统硬件由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。系统软件由系统管理软件、数据库软件和基础GIS软件组成，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。空间数据库由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。应用模型由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。用户界面由菜单式、命令式或表格式的图形用户界面所组成，是用以实现人机对话的工具。GIS基本构成的结构图硬件系统软件系统应用模型GIS用户GUI第三节GIS的功能简介基本功能数据采集与编辑；数据存储与管理；数据处理和变换；空间分析和统计；产品制作与显示；二次开发和编程。应用功能资源管理；区域规划；国土监测；辅助决策；定位服务。第三节GIS的功能简介第四节GIS的发展透视发展概况发展简史；发展态势：GIS已成为一门综合性技术；GIS产业化的发展势头强劲；GIS网络化已构成当今社会的热点；地理信息科学(geoinformatics)的产生和发展。基础理论地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科，因此它明显的体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系；各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究，如美国国家自然科学基金委员会（NSF）支持成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA）等，研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机理和地理信息不确定性等；李德仁院士在《空间信息系统的集成与实现》一书中，扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题：地球空间信息学的基准；地球空间信息标准；地球空间信息的时空变化理论；地球空间信息的认知；地球空间信息的不确定性；地球空间信息的解译与反馈；地球空间信息的表达与可视化。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第二节地理空间数据及其特征第三节空间数据结构的类型第四节空间数据结构的建立第一节地理空间及其表达地理空间的概念GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成；GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。空间实体的表达在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的；对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格表示法（栅格数据模型）,如下图。湖泊河道居民地流路GIS的空间数据空间数据可以按照数据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型；空间、属性和时间特征——空间对象的三大基本特征：第二节地理空间数据及其特征空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；属性特征是指空间对象的专题属性；时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。第二节地理空间数据及其特征空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。第二节地理空间数据及其特征空间数据的计算机表示指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。第二节地理空间数据及其特征第三节空间数据结构的类型矢量数据结构矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式；矢量数据结构分为简单数据结构（也称面条数据结构）、拓扑数据结构和曲面数据结构；拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。第三节空间数据结构的类型C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑数据举例第三节空间数据结构的类型弧段号起结点终结点左多边形右多边形C1N1N2P2P1C2N3N2P1P4C3N1N3P1ØC4N1N4ØP2C5N2N5P2P4C6N4N5P3P2C7N5N6P3P4C8N4N6ØP3C9N7N7P4P5C10N3N6P4Ø栅格数据结构