绪论第一章0、地理信息系统基本概念0.1、地理（空间）数据：地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。

0.2、地理（空间）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。

0.3地理信息系统：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。

说明：1.是计算机系统2.操作对象：空间数据3.基本功能：采集、管理、处理、分析、建模、显示4.其技术优势在于其数据综合、模拟和分析评价能力，实现地理空间过程演化的模拟和预测5.与地理学和测绘学关系密切GIS的定义框架GIS在信息系统中的地位和分类0.4GIS的基本构成❖GIS主机：大型、中型、小型机，工作站/服务器、微型计算机❖GIS外部设备：1．输入设备：数字化仪、扫描仪、解析和数字摄影测量设备、全站仪等2．输出设备：绘图仪、打印机、图形显示终端等3．数据存贮与传送设备：磁带机、光盘机、活动硬盘、U盘、MP3等❖GIS网络设备：布线系统、网桥、路由器、交换机等0.5GIS组成—软件—空间数据—人员0.6GIS的功能1．数据采集: 数据是GIS的血液，贯穿于GIS的各个过程2．数据编辑与处理:原始数据不可避免的存在误差，需要对其编辑和格式转换等处理，因此GIS应提供强大的、交互式的编辑功能，包括图形编辑、数据变换、数据重构、拓扑建立、数据压缩、图形数据和属性数据的关联。

3．数据存储、组织和管理:GIS的数据结构：矢量数据结构、栅格数据结构GIS数据的组织和管理：文件-关系数据库混合管理、全关系型数据管理、面向对象数据管理4．空间查询和空间分析限的；❖应用分析：应用分析是无限的，不同的应用目的可能构建不同的应用模型，GIS空间分析为建立和解决复杂的应用模型提供了基本工具。

❖GIS空间分析和应用分析是“零件”和“机器”的关系。

应用GIS解决实际问题的关键就是如何将这些零件搭配成能够用来解决问题的“机器”。

5．数据输出:GIS脱胎于计算机制图，因而GIS的一个主要功能就是计算机地图制图；属性数据也要报表输出等。

0.7GIS的主要应用领域通过对世界进行建模和制图，GIS为行业决策提供更好的支持，包括：交通运输、自然资源管理、城市管理、电力、电信、国土资源管理第二章地理空间与空间数据（GIS的地学基础）1、地理空间：在空间信息系统中，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。

绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，是由不同实体之间的空间关系构成。

1.1绝对空间1.1.1地球模型①地球的物理表面❖水准面：当海洋静止时，自由水面与该面上各点的重力方向（铅垂线）成正交的面❖大地水准面：在众多的水准面中，有一个与静止的平均海水面相重合，并假想其穿过大陆、岛屿形成一个闭合曲面。

它实际是一个起伏不平的重力等位面——地球物理表面。

它所包围的形体称为大地体❖❖❖❖❖❖❖大地水准面的意义：➢一级逼近1）. 地球形体的一级逼近：对地球形状的很好近似，其面上高出与面下缺少的相当。

2）. 起伏波动在制图学中可忽略：对大地测量和地球物理学有研究价值，但在制图业务中，均把地球当作正球体。

3）. 重力等位面：可使用仪器测得海拔高程（某点到大地水准面的高度）。

②地球的数学表面在测量和制图中就用旋转椭球体来代替大地球体，这个旋转椭球体通常称为地球椭球体，简称椭球体。

➢二级逼近它是一个规则的数学表面，所以人们视其为地球体的数学表面，也是对地球形体的二级逼近，用于测量计算的基准面。

➢三级逼近确定与局部地区大地水准面符合最好的一个地球椭球体——参考椭球体，这项工作就是参考椭球体定位通过数学方法将地球椭球体摆到与大地水准面最贴近的位置上，并求出两者各点间的偏差，从数学上给出对地球形状的三级逼近。

③我国采用的参考椭球自1980年开始采用GRS 1975（国际大地测量与地球物理学联合会IUGG 1975 推荐）新参考椭球体系，并确1.1.2常见投影方法❖地图投影：在地球椭球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学方法，称为地图投影❖地图投影的实质：是将地球椭球面上的经纬线网按照一定的数学法则转移到平面上。

❖常见投影方法1）高斯-克吕格投影（等角横切椭圆柱投影）此投影无角度变形，中央经线无长度变形。

为保证精度，采用分带投影方法：经差6°或3°分带，长度变形< 0.14%中国国家基本比例尺地形图采用高斯-克吕格6°分带投影：1∶1万（3°分带）1∶2.5万、1∶5万、1∶10万、1∶25万、1∶50万。

2）墨卡托投影（正轴等角圆柱投影）特点: 不仅保持了方向和相对位置的正确，而且使等角航线在图上表现为直线。

这一特性对航海具有重要的实用价值。

3）通用横轴墨卡托投影——UTM 投影4）LABERT投影：由于我国位于中纬度地区，我国小比例尺基本地形图（1：100万地形图）采用兰勃投影Lamberts （正轴等角割圆锥投影），中国地图和分省地图经常采用Alberts（正轴等积割圆锥投影）1.1.3投影配置原则地理信息系统中地图投影配置的一般原则为：（1）配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图，基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；（2）一般最多只采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出；（3）用投影以等角投影为宜；（4）用投影应能与网格坐标系统相适应，即所用的网格系统在投影带中应保持完整。

（总结：地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。

）2、空间信息空间信息是有关地理空间中的物质的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。

2.1地理空间信息描述法①常规描述方法2.2空间现象及其表达2.3空间对象类型空间对象一般按地形维数进行归类划分点：零维有位置，无宽度和长度；抽象的点线：一维有长度，但无宽度和高度。

用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多度量实体距离面：二维具有长和宽的目标。

通常用来表示自然或人工的封闭多边形。

一般分为连续面和不连续面体：三维有长、宽、高的目标。

通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。

空间对象的维数与比例尺是相关2.42.5空间数据的基本特征属性特征：描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。

空间特征：描述空间对象的地理位置以及相互关系，又称几何特征和拓扑特征，前者用经纬度、坐标表示，后者如交通学院与电力学院相邻等。

时间特征：描述空间对象随时间的变化2.6空间数据的拓扑关系2.6.1拓扑概念拓扑一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。

拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性——拓扑属性根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。

利用拓扑关系有利于空间要素的查询。

可以根据拓扑关系重建地理实体。

2.7元数据2.7.1元数据的内容❖对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明❖对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等❖对数据处理信息的说明，如量纲的转换等数据转换方法的描述❖对数据库的更新、集成方法等的说明2.7.2元数据的主要作用◆帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档◆提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据◆提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息第三章GIS空间数据结构3.1数据结构❖数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。

❖空间数据结构是指空间数据适合于计算机存贮、管理、处理的逻辑结构。

❖在GIS中，数据结构是系统完善的一个关键，它不仅决定了数据操作的效率，同时也影响了系统的灵活性和通用性。

3.2数据、数据元素1、数据：数据是客观事物的符号表示。

2、数据元素、数据项：数据元素是数据的基本单位，它也可以再由不可分割的数据项组成。

数据结构的形式定义：数据结构名称=（D，S）其中D为数据元素的有限集，S是D上关系的有限集3.3数据模型在数据库中用数据模型来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。

通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。

3.3.1数据模型应满足三方面要求❖能比较真实地模拟现实世界❖容易为人所理解❖便于在计算机上实现3.3.2数据模型的三要素:1.数据结构2.数据操作3.数据的约束条件数据结构是对系统静态特性的描述; 数据操作是对系统动态特性的描述3.4栅格数据结构❖栅格结构是将地理空间划分成若干行、若干列，称为一个象元阵列，其最小单元称为象元或象素。

❖每个象元的位置由行列号确定，其属性则以代码表示。

❖每个栅格单元只能存在一个值。

❖以栅格数据结构表示的地理空间关系称为图象(image)或格网(grid)。

3.4.2压缩编码3.4.3栅格数据结构：特点❖离散的量化栅格值表示空间对象❖位置隐含,属性明显❖几何和属性偏差❖数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大❖面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系（矢量数据和栅格数据优缺点比较）3.5矢量数据结构3.5.1概述❖矢量数据结构是另一种常见的图形数据结构，它是用一系列有序的x、y坐标对表示点、线、面（多边形）等地理实体的空间位置。

❖矢量结构的特点：属性隐含，定位明显❖矢量型数据结构按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为实体型和拓扑型两大类。

3.5.2编码方案3.5.2.1实体式◆实体式数据结构：是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。

◆实体式数据结构中，边界坐标数据和多边形单元一一对应，各个多边形边界都单独编码和数字化。

◆优点：编码容易、数字化操作简单、数据编排直观◆缺点：相邻多边形的公共边界数字化两次；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系；岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。