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地理信息系统概论第一章导论数据：是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用于定性或定量地描述事物的特征和状况。不仅包括数字，也包括文字、符号、图像和声音等。数据本身没有意义，其格式随存储它的物理设备的形式而改变。信息：狭义信息论指两次不定性之差，即人们获得信息后对事物认识的差别；广义信息论认为信息是指主体和外部客体之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间的一切有用的消息或知识，是表示事物特征的一种普遍形式。地理信息系统中的信息即是广义的信息概念，它不随数据格式的改变而改变。数据与信息的关系：数据是信息的表达方式，是信息的载体；信息则是数据中蕴含的事物的含义，是数据的内容；数据只有通过解释才成为信息。数据处理的目的：把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式；把数据加工成对正确管理和决策有用的数据；把数据编辑后存储起来，以供后续使用。信息的特点：客观性、适用性、传输性、共享性。地理信息：是地理数据所蕴含和表达的地理含义。地理数据：是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形的总称。地理信息的特征：空间特征、属性特征、时序特征。地理信息系统的基本构成：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员、应用模型。地理信息系统的应用功能：资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策。第二章地理信息系统的数据结构大地水准面：是假设静止的平均海水面穿过大陆、岛屿形成包围整个地球的一个闭合曲面。旋转椭球体：是一个可以用数学公式描述的规则的几何表面，可以作为平面坐标的基准。大地坐标系：1954北京坐标系、1980国家大地坐标系、地心坐标系。GIS空间数据的分类：按照数据来源分类：地图数据，影像数据，文本数据；按照数据结构分类：矢量数据，栅格数据；按照数据特征分类：空间定位数据，非空间属性数据；按照数据几何特征分类：点、线、面、曲面、体；按照数据发布形式分类：数字线画图数据，数字栅格图数据，数字高程模型数据，数字正射影像数据。空间数据的基本特征：空间特征、属性特征、时间特征。空间数据的拓扑关系：是满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系，即用结点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联和包含等关系。拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。空间拓扑关系的意义：根据拓扑关系，不需要利用坐标或者计算距离，就可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系；利用拓扑数据有利于空间要素的查询；可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。空间数据的计算机表示：是指对具有空间特征、属性特征和时态特征的空间数据，组织和建立起它们之间的联系，以便计算机存储和操作。空间数据结构的类型：矢量数据结构：是基于矢量模型的数据结构。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。矢量数据结构分为两种主要类型。实体数据结构特点是：数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据结构直观简单；每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，容易造成数据冗余和产生不一致性；点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，彼此不关联；岛或洞只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。拓扑数据结构特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面；每条线始于起始节点，止于终止节点，并与左右多边形相邻接；构成多边形的线又称为弧段，两条以上的弧段相交的点称为节点，由一条弧段组成的多边形称为岛或洞，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形；含岛的多边形称为复合多边形。在复合多边形中包括有外边界和内边界，岛被看做是复合多边形的内边界。栅格数据结构：是基于栅格模型的数据结构，是将空间分割成有规则的网络，在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织方式。栅格数据结构的特点：在栅格数据结构中，点由一个单元网格表示。线由一串有序的相互连接的单元网格表示，各个网格的值相同。多边形由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部的网格值相同，但与外部网格的值不同；栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，每个网格对应一种属性。其空间位置用行和列标识。网格通常是正方形；网格边长决定了栅格数据的精度，一般可以通过保证最小多边形的精度标准来确定网格尺寸，使形成的栅格数据既有效地逼近地理实体，又能最大限度地减少数据量。栅格数据结构的存储类型：栅格矩阵结构：是一种用矩阵来存储栅格数据单元的存储结构，由点、线和多边形组成的矢量数据都可以转化为对应的栅格数据。游程编码结构：游程是指栅格矩阵一行内相邻同值栅格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的栅格合并，记录合并后栅格的值及合并栅格的数量。四叉树结构：原理是将空间区域按照四个象限进行递归分割n次，每次分割形成2^n*2^n个象限，直到子象限中的属性数值都相同为止，该子象限就不再分割。凡属性都相同的子象限，不论大小，均作为最后的存储单元。生成四叉树有自上而下方式和自下而上方式。金字塔结构第三章空间数据处理空间数据变换：即空间数据坐标系的变换，其实质是建立两个坐标系坐标点之间的一一对应关系，包括几何纠正和投影转换。几何纠正：是为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的纠正。仿射变换：仿射变换可以对坐标数据在x和y方向进行不同比例的缩放，同时进行扭曲、旋转和平移。仿射变换具有直线变换后仍为直线，平行线变换后仍为平行线，不同方向上的长度比发生变化的特性。地图投影的基本原理：地图投影就是依据一定的数学法则，将不可展开的地表曲面映射到平面上或可展开成平面的曲面上，最终在地表面点和平面点之间建立一一对应的关系。地图投影的类型：按变形的性质分为等角投影、等面积投影和任意投影；按投影面与地球的相对位置关系分为正轴投影、斜轴投影和横轴投影；按投影面的形状分为圆锥投影、圆柱投影和方位投影；按投影面和地球的空间逻辑关系分为相切和相割投影。高斯克吕格投影是等角横切椭圆柱投影高斯克吕格投影的条件：中央经线和赤道投影后为互相垂直的直线，且为投影的对称轴；投影具有等角性质；中央经线投影后保持长度不变。高斯克吕格投影的特点：中央经线上没有任何变形，中央经线投影后保持长度不变；除中央经线上的长度比为1外，其他任何点上长度比均大于1；在同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大，最大值位于投影带的边缘；在同一条经线上，纬度越低，变形越大，变形最大值位于赤道上；投影属于等角性质，故没有角度变形，面积比为长度比的平方；长度比的等变形线平行于中央子午线。分带方法：将地球按一定间隔间隔的经差（6°或3°）划分为若干相互不重叠的投影带，各带分别投影，从格林尼治零度经线起算。墨卡托投影：等角正切圆柱投影墨卡托投影的特点：没有角度变形，由每一点向各方向的长度比相等；经纬线都是平行直线，且相交成直角，经线间隔相等，纬线间隔从标准纬线向两极逐渐增大；长度和面积变形明显，标准纬线无变形，从标准纬线向两极变形逐渐增大；在地图上保持方向和角度的正确，因为它具有各个方向均等扩大的特性，保持了方向和相互位置关系的正确。UTM投影：横轴等角割圆柱投影，圆柱割地球于两条等高圈上，两条割线没有变形，中央经线上长度比0.9996在两条割线以内长度变形为负值，在两条割线以外长度变形为正值，离开割线越远变形越大。兰勃特投影阿尔伯斯投影矢量与栅格数据结构比较：矢量优点：便于面向实体的数据表达；数据结构紧凑、冗余度低；拓扑结构有利于网格分析、空间查询等缺点：数据结构较复杂；软件实现的技术要求比较高；多边形叠合等分析相对困难栅格优点：数据结构相对简单；空间分析较容易实现；有利于遥感数据的匹配应用和分析缺点：数据量较大，冗余度高，需要压缩处理；定位精度比矢量低；拓扑关系难以表达由矢量向栅格的转换：点的栅格化；线的栅格化，扫描线算法；面的栅格化，基于弧段的栅格化（扫描线算法）、基于多边形的栅格化（内点填充法，边界代数法，包含检验法（检验夹角之和法，铅垂线法（交点个数法）））由栅格向矢量的转换：基于图像数据的矢量化方法（二值化、细化、跟踪）栅格数据的矢量化方法：在栅格数据中搜索多边形边界弧段相交处的节点位置，这些节点通常是相邻栅格单元不相同的属性值个数大于等于3的栅格处；从搜索出的节点中任选一个作为起始跟踪节点，顺着栅格单元属性值不同的两个栅格单元之间进行多边形边界弧段的跟踪，记录每一步跟踪的坐标，直到另一个节点为止；重复上述过程，做到所有的边界弧段都被生成；将跟踪得到的弧段数据连接组织成多边形，即完成多边形栅格数据的矢量化。空间数据压缩：即从空间坐标数据集合中抽取一个子集，使这个子集在规定的精度内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比，压缩比a=m/n（≤1），m为压缩后的点数。基于矢量的压缩，道格拉斯佩克算法：拟定一个阈值，然后生成一条连接折线首尾节点的直线段，并计算原始折线上的点到直线段的垂直距离；假如所有折线上的点到直线段的距离都小于预先设定的阈值，这条直线段就被用来代替原来的那条折线；假如有些点的距离大于阈值，距离最远的那一点保留，并将原折线分成两段，对两段折线重复上述过程，最后保留下来的点就是经过数据压缩的折线。空间数据的内插方法：点的内插：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）；逐点内插法（移动拟合法、加权平均法、克里金法）；整体内插法（N次多项式拟合法）线性内插法：将已知数据点连成三角网的形式，利用三个已知数据点确定三角形形成的空间平面，进而求出内插点在平面中的高程值。双线性多项式内插法：是在已知数据点规律分布时，使用最靠近内插点的四个已知数据点组成一个四边形，确定内插点的高程值。二元样条函数内插法：是在分块插值区用双三次多项式模拟第表面，测定高程。移动拟合法：是指对每一个待插值点用一个多项式曲面拟合改点附近的表面，进而计算出该点的高程。取待插值点P为圆心，R为半径的圆（称搜索圆）内各数据点来计算多项式的待定系数，需要考虑采用多大面积范围内的数据点来计算待插值点的数值及选择多少数据点来计算参加计算两个问题，为此采用动态搜索圆的方法。加权平均法：是移动拟合法的特例，它在计算数据点的高程时，使用加权平均值代替误差方程求解出的曲面函数，定权时，由于考虑到不同的数据点相对于待插值点的距离不同，对待插值点的高程影响程度不同，一般采用反比例加权（IDW）。克里金法：是基于被插值的某要素可以被当作一个区域化的变量来看待的假设，所谓区域化的变量就是介于完全随机的变量和完全确定的变量之间的一种变量，彼此离得近的点之间有某种程度上空间相关性，而相隔比较远的点之间在统计上看是相互独立无关的，克里金法即建立在一个预先定义的协方差模型的基础上通过线性回归方法把估计值的方差最小化的一种插值方法。第四章地理信息系统空间数据库空间数据库：是为GIS提供空间数据的存储和管理方法。数据库是数据库系统的简称，完整的空间数据库系统包括空间数据库存储系统、空间数据库管理系统、空间数据库应用系统。数据管理实现的发展阶段：初级式的管理模式，混合式的管理模式，扩展式的管理模式（代表性的SDE，是在常规数据库管理系统之上添加一层空间数据库引擎，以获得常规数据库管理系统功能之外的空间数据存储和管理能力），集成式的管理模式。空间数据库设计的步骤：需求分析：即用系统的观念分析与某一特定的空间数据库应用有关的数据集合。概念设计：把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。逻辑设计：是把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统所支持的数据模型，并用数据描述语言表达出来。物理设计：是指数据库存储结构和存储路径的设计，将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现。空间数据库设计原则：尽量减少空间数据的冗余量；提供稳定的空间数据结构，随用户需要的改变迅速作出相应的回应；满足用户对空间数据的需求，并能高效地提供用户所需的空间数据查询结果；在数据元素间维持复杂联系，以反映空间数据库的复杂性；支持多种多样的决策需要，具有较强的应用适用性。空间数据库概念模型设计：语义数据模型：实体—联系模型（E—R模型）面向对