第一章 导 论 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； ▪ 信息是存在事物的形状、相互关系、相互作用、发展变化的的表征。  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。  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 第三节 GIS的功能简介  基本功能： ▪ 数据采集与编辑： 1、图形数字化：驱动数字化仪、扫描仪等数字化设备。对影像、图形、数字等多种形式、多方来源的信息实现自动、半自动或人工的数字化，建立空间数据库。 2.数据的编辑：数据查询、修改、更新、图形分割与拼接、图形缩放、比例尺转换 3.拓扑关系生成： 4.基本量算：质心量算（对地理分布变化的跟踪；计算目标物对周围地区的经济辐射范围）几何量算（自动快速的计算三维目标的表面积、体积，各类多边形的的周长、面积，各类线段的曲率、方向，以及点状物体的坐标等。） 5.数据结构转换 6.地理数据库建立：地理数据库四种方式（全部采用文件管理；文件结合关系数据库管理；全部采用关系数据库管理；重新设计具有空间数据和属性数据管理和分析功能的数据库系统） ▪ 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。

硬件系统 软件系统

应用模型

用户 GUI

空间数据 DBMS

GIS  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  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。

第二节 地理空间数据及其特征  GIS的空间数据 ▪ 空间数据可以按数据项、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：  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；

湖泊 河

道

居民地 ▪ 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。 ▪ 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。 ▪ 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。 ▪ 方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。 ▪ 度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。 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。  栅格数据结构 ▪ 栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式； ▪ 栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。  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。地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。  栅格数据编码： ▪ 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。 ▪ 链码：由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0°开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。 ▪ 四叉树编码：是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n×2 n，且n>1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。 ▪ 游程长度编码：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；逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。 ▪ 块码：采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。  矢量与栅格数据结构 ▪ 矢量与栅格一体化的基本概念； ▪ 矢量与栅格一体化数据结构的设计。  矢量与栅格数据结构的比较 优 点 缺 点

矢量数据结构

1.便于面向现象(土壤类、土地利用单元等)； 2.数据结构紧凑、冗余度低； 3.有利于网络分析； 4.图形显示质量好、精度高。 1.数据结构复杂； 2.软件与硬件的技术要求比较高； 3.多边形叠合等分析比较困难； 4.显示与绘图成本比较高。

栅格数据结构 1.数据结构简单； 2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易； 3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析； 4.输出方法快速，成本比较低廉。 1.图形数据量大； 2.投影转换比较困难； 3.栅格地图的图形质量相对较低； 4.现象识别的效果不如矢量方法。

第四节 空间数据结构的建立  系统统功能与数据间的关系 ▪ 现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能； ▪ 对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。  空间数据的分类和编码 ▪ 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； ▪ 空间数据的编码：是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。例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示： ▪ × × ×× × × ▪ 大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别位 ▪ 大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。  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。 第五节 空间数据质量和元数据  空间数据质量：是指空间数据在表达实体空间位置、特征和时间所能达到的准确性、