地理信息系统概论

第一章导论

数据与信息的关系：
数据是通过数字化或记录下来可以可以被鉴别的符号，不仅数字是数据，而且文字、符号、图象也是数据，数据本身没有意义；
信息是对数据的解释、运用与解算，数据即使是经过处理以后的数据，只有经过解释才有意义，才成为信息。
数据（data）是信息(information)的表达，而信息是数据的内容。数据是未经加工的原始材料，地理信息系统的设计和建立，首先是收集数据和处理数据。就本质而言数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，只有数据对实体行为产生影响时才成为信息。信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。
数据处理是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算，以及分析、模拟和预测等操作。
信息的特点客观性、适用性、传输性、共享性。
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、图象和图形的总称。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。
地理信息系统（GeographicalInformationSystem）：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。其技术系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计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。
GIS的基本构成：
GIS一般包括以下5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。
1、系统硬件：
（1）GIS主机：包括大型、中型、小型机，工作站∕服务器和微型计算机，其中各种类型的工作站∕服务器成为GIS的主流。
（2）GIS外部设备：包括各种输入（如图形数字化仪、图形扫描仪、解析和数字摄影测量设备等）和输出设备（如各种绘图仪、图形显示终端和打印机）。
（3）GIS网络设备：包括布线系统、网桥、路由器和交换机等。
2、系统软件：按功能分为GIS专业软件、数据库软件和系统管理软件。
3、空间数据：在地理信息系统中，空间数据是以结构化的形式存储在计算机中的，称为数据库。
4、应用人员：包括系统开发人员和GIS技术的最终用户。
5、应用模型
GIS的功能：
基本功能是数据的采集、管理、处理、分析和输出。
1、基本功能：包括数据采集与编辑、数据存储与管理、数据处理与变换、空间分析和统计、产品制作与显示、二次开发和编程。
2、应用功能：包括资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策、定位服务。
**数据库：**在地理信息系统中，空间数据是以结构化的形式存储在计算机中的，称为数据库。
**GIS数据库：**是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。
GIS的发展概况：
当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展方向迈进，呈现以下主要发展态势：
1、GIS已成为一门综合性技术
2、GIS产业化的发展势头强劲
3、GIS网络化已构成当今社会的热点
4、地理信息科学的产生和发展

第二章地理信息系统的数据结构

地理空间地理空间一般包括地理空间定位框架及其联结的特征实体。地理空间定位框架即大地测量控制，有平面控制网和高程控制网组成。
空间实体的表达的方法：
1、矢量表示法：如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点元素时，称为矢量表示法；
2、栅格表示法：如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点元素时，称为栅格表示法。
GIS的数据来源：
地图数据；影像数据；地形数据；属性数据；元数据。
**空间数据类型：**类型数据；面域数据；网络数据；样本数据；曲面数据；文本数据；符号数据。
空间数据的基本特征：
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。
**空间数据的拓扑关系包括：**拓扑邻接；拓扑关联；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。
空间数据结构的类型：
（一）矢量数据结构：基于矢量模型的数据结构简称为矢量数据结构。矢量数据结构上利用欧几里得（Euclid）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。
矢量数据结构的主要类型：1、简单数据结构2、拓扑数据结构3、曲面数据结构。
（二）栅格数据结构：基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。
栅格数据结构与矢量数据结构相比较，用栅格数据结构表达地理要素比较直观，容易实现多元数据的叠合操作，便于与遥感图象及扫描输入数据相匹配建库和使用等。
栅格数据结构的类型：1、栅格矩阵结构2、游程编码结构3、四叉树数据结构4、八叉树和十六叉树结构。
（三）失量与栅格一体化数据结构
1、适量与栅格一体化的基本概念：
矢量结构和栅格数据结构，二者都各有优缺点，因此，这种能够具有矢量和栅格两种结构特征性的结构就是一体化数据结构。
2、适量与栅格一体化数据结构设计：点状目标和结点只有位置，没有形状和面积；线状目标只要将其通过的栅格地址全部记录下来即可；面状目标应包含边界和边界所保卫的整个区域。
矢量与栅格数据结构的比较：

空间数据结构的建立：是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应的GIS空间数据，为空间数据库的建立提供物质基础。
空间数据的分类：空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层。首先根据图形原则，将空间数据分为点、线、面三种类型；其次是对象原则。
空间数据的编码：指将数据分类的结果用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程。编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。
矢量数据的输入与编辑：
矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去；
空间数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。
栅格数据的输入与编辑：
栅格数据的输入方法包括透明格网采集输入、扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；
栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误，根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压缩和数据组织方式的变换等。

第三章空间数据的处理

数据处理一般包括数据变换、数据重构、数据提取等内容。
数据变换：指数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，包括几何纠正、投影转换和辐射纠正等，以解决空间数据的几何配准。
数据重构：指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换、格式变换、类型替换等，以解决空间数据在结构、格式和类型上的统一，实现多源和异构数据的联接与融合。
数据提取：指对数据进行某种有条件的提取，包括类型提取、窗口提取、空间内插等，以解决不同用户对数据的特定需求。
空间数据坐标变换的实质是建立两个平面点之间的一一对应关系，包括集合纠正和投影转换，它是空间数据处理的基本内容之一。
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改正。几何纠正是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系。几何纠正的方法包括仿射变换、相似变换、二次变换和高次变换等。
投影转换：是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据。投影转换的方法包括：正解变换、反解变换、数值变换等。
数据压缩：即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。

第四章地理信息系统空间数据库

数据库：是数据库系统的简称，一个完整的据库系统包括数据库、数据库管理系统和数据库应用系统等三个部分组成。
数据库：是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合。
数据库管理系统：是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统
数据库应用系统：是为了满足特定的用户数据处理需求而建立起来的、具有数据库访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。
空间数据库的概念：一个完整的空间数据库系统包括空间数据库、空间数据库管理系统和空间数据库应用系统等三个部分组成。
空间数据库：是指地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质上。
空间数据库管理系统：是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供必要的空间数据查询检索和存储功能，以及能够对空间数据进行有效地维护和更新的一套软件系统。
空间数据库设计的原则、步骤和技术方法：
（1）原则
数据压缩，减少冗余。
数据结构稳定。
方便用户访问、查询。
尽量反映空间数据的复杂性。
支持多种数据类型。
（2）数据库设计技术
数据分析技术。
技术设计技术。
（3）数据库设计内容
包括数据模型的三个方面即：数据结构、数据操作、完整性约束。
静态特性设计
动态特性设计
物理设计
（4）步骤
需求分析
概念设计
逻辑设计
物理设计
空间数据库的实现和维护：
（1）空间数据库的实现
建立实际的空间数据库结构。
装入试验性的空间数据对应用程序调试。
装入实际空间数据。
（2）相关的其他设计
空间数据库的再组织设计。
故障恢复方案设计。
安全性考虑。
事务控制。
（3）空间数据库的运行与维护
维护空间数据的安全性和完整性。
监测并改善数据库性能。
增加新的功能。
修改错误。
关系数据模型：是一种数学化的模型，它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表中的元素，这种表就称为关系。关系的集合就构成为关系模型。

第五章空间分析的原理与方法

空间分析：是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。
空间叠合分析：是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。
空间缓冲区分析：是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响读，以便为某项分析或决策提供依据。
空间集合分析：是按照两个逻辑子集给定的条件进行逻辑运算，其基本原理是布尔代数，他的运算符号或算子包括AND、OR、XOR、NOT及其组合等，逻辑运算的结果为“真”或“假”。
空间数据查询：是指从数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。
空间数据的查询方法：基于关系查询语言扩充的空间查询方法、可视化空间查询方法、基于自然语言的查询方法、超文本查询方法。
变量筛选分析：在研究空间对象时，在同一个取样点上可能收集到几十种原始变量。根据统计学原理，这些复杂的多变量之间有许多是相互关联的，可以通过寻找一组相互独立的变量，使多变量数据得到简化，这就叫变量筛选分析。
变量聚类分析：是指将一组数据点或变量按照其在性质上亲疏远近的程度进行分类。
空间数据的查询：一般定义为从数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。
空间数据的查询方法：
1、基于关系查询语言扩充的空间查询方法；
2、可视化空间查询方法；
3、基于自然语言的查询方法；
4、超文本查询方法。

第六章地理信息系统的应用模型

GIS应用模型的分类：理论模型；经验模型；混合模型。
适宜性分析：是指土地针对某种特定开发活动的分析，这些开发活动包括农业应用、城市化选址、作物类型布局、道路选线、选择重新造林的最适宜的土地等。
发展预测：是运用已有的存储数据和系统提供的手段，对事物进行科学的数量分析，探索某一事物在今后的可能发展趋势，并作出评价和估计，以调节、控制计划或行动。
预测方法常分为：定性、定量、定时和概率预测。

第七章地理信息系统的设计与评价

系统设计：是指应用型地理信息系统的设计
系统设计的流程：系统分析；系统设计；系统实施；系统运行与维护。
系统分析：
系统分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案；
系统分析的内容包括：
who——谁使用该系统；
what——新系统需要具有哪些功能和条件；
why——为什么需要这些功能和条件；
where——新系统需要的资源和条件从哪里获得；
quality——系统需要具有的技术指标、性能和可靠性要求等。
最后将系统分析的结果写成可行性分析报告，为系统立项提供依据。
系统实施：是按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段完成系统开发的过程；
系统实施的内容包括：
系统硬件和软件的引进和调试；
系统数据库的建立和数据质量控制；
应用模块开发和建立用户应用界面；
应用系统联调、测试和编写系统测试报告；
按照计划任务书进行系统的验收及技术鉴定。
地理信息标准化的内容：
统一的名词术语内涵；统一的数据采集原则；
统一的空间定位框架；统一的数据分类标准；
统一的数据编码系统；统一的数据组织结构；
统一的数据记录格式；统一的数据质量含义。
系统评价：就是指从技术和经济两个大的方面,对所设计的地理信息系统进行评定。基本做法是将运行着的系统与预测目标进行比较,考察是否达到了系统设计时所预定的效果。

第八章地理信息系统产品的输出与设计

地理信息系统产品的输出形式：
1、常规地图：全要素地形图；各类专题地图；遥感影像地图；统计图表与数据报表。
2、数字地图：屏幕地图；电子地图；动态地图。
数字地图的优点：与常规地图相比，数字地图具有以下几个优点：
（1）数字地图的存储介质是计算机磁盘、磁带等，与纸张相比，其信息存储量大、体积小，易携带。
（2）数字地图是计算机可以识别的数字代码系统反应各类地理特征，可以在计算机软件的支持下借助高分辨率的显示器实现地图的显示。
（3）数字地图便于与遥感信息和地理信息系统相结合，实现地图的快速更新，同时也便于多层次信息的复合分析。
虚拟现实技术：是指采用各种技术，来营造一个使人感觉置身于真正的现实世界中的环境。虚拟现实技术具有以下几个特征：①立体感的视觉效果②存在感③多感知性④闭环交互方式⑤动态显示。