第二章GIS的基础

2.1地图简介2.2GIS工作的硬件配置2.3GIS工作的软件构成2.4GIS中的数据源2.5空间数据的质量及精度分析2.6地理信息的标准2.7空间元数据第二章GIS的基础2.1地图简介一、地图的分类。地图按内容分类地图按比例尺分类地图按结构分类二、地理空间坐标系1、地理空间坐标2、平面直角坐标三、地图的投影1、地图的投影由于球面的不可展示性，为了用平面坐标来表示球面上目标的空间位置，必须进行球面坐标到平面坐标的转换，这就是地图的投影变换。2、地图投影的分类1）按变形的性质可分为等角投影，等积投影，等距投影；2）按展开方式可分方位投影、圆柱投影、圆锥投影；3）按投影面积与地球相割或相切可分为割投影和切投影。投影面和球面的关系圆锥投影圆柱投影方位投影正轴斜轴横轴几种投影方式展开图：方位投影展开图圆柱投影展开图圆锥投影展开图四、地图投影的选择我国的主要用高斯--克吕格投影地图投影。五、高斯--克吕格投影xy六、地形图的分幅和编号我国，基本地形图的分幅和编号按国际规定的在1:100万地形图基础上，按径纬度进行。1）1:100万地形图的分幅和编号按纬差4度，径差6度分2）1:50万，1:20万，1:10万地形图的分幅和编号1:50万按纬差2度，径差3度分,即一幅1:100万地形图包含4幅1:50万地形图；1:20万按纬差40‘，径差1度分,分36幅图;1:10万按纬差20‘，径差30’分,分144幅图;3）1:5，1:2.5万，1:1万地形图的分幅和编号这三种图在1:10万地形图基础上，按径纬度划分。401234567891011123940’(1)(2)(3)(4)(5)(6)13243920’2536(7)AB(12)37484960(13)(18)6172387384(19)(24)859697108(25)CD(30)109120121132(31)(32)(33)(34)(35)(36)133134135136137138139140141142143144361201231261:50万，1:20万，1:10万地形图的分幅和编号2.2GIS的硬件配置一、GIS的系统的组成1）硬件主机、图形输入输出设备、存储设备、网络设备。硬件配置随工作模式（单机模式、局域网模式、广域网模式）而不同2）软件系统软件、GIS支撑软件、GIS应用分析软件。3）地理空间数据图形、图象、文字、表格和数据等。GIS硬件、软件和数据的造价比约为1：10：1004）系统的开发、管理和使用人员硬件配置图主机显示器数字化仪磁带机扫描仪绘画仪打印机硬盘机光驱动器网络二、GIS硬件工作的模式1）单机模式适用于小形应用项目2）局域网模式（LANLocalAreaNetwork)GIS应用的最普遍的模式，适用于一个单位，一个部门或一座楼内。3）广域网模式（WANWideAreaNetwork)广域网又称远程网，用于分布地域较广（如全省、全国、全世界）的用户局域网模式的硬件配置局域网输入设备输出设备GIS服务器及网管用户组1用户组2用户组n广域网模式的硬件配置主干网输入设备输出设备GIS服务器及网管用户组用户组用户组用户组图象多媒体系统广域网三、GIS输入输出设备的接口1）SP口（串行口）Serialport2）SPP口（并行口）StandardParallelPort3）EPP口（新型并行口）EnhancedParallelPort4）SCSI口(小型计算机系统接口）SmallComputerSystemInterface5）IDE口IntelligentDriveElectronics6）USB口(通用串行总线）UniversalSerialBus接口比较性能指标EPPSCSIUSB传输速度（典型值）1Mbps20Mbps10Mbps传输距离5m6m5m串联设备数17或15127（集线器）接头25针50针4针热插拔hot-plugNONOYES即插即用plug&playNOYESYES四、GIS输入设备1、数字化仪功能：原理：主要部件：指标：软件：GIS产品：如Calcomp34480A00.127mm/12800lpi15000元种类：功能：原理：主要部件：指标：软件：产品：2、扫描仪越来越重要、OCR、半自动化3、全数字摄影测量仪（工作站）处理完整的数字影像主要部件：计算机、立体显示卡、立体观察眼镜4、其它设备数码相机、摄像机、GPS接收机等五、GIS的输出设备1、图形终端（显示器）GIS的最主要输出设备CRT显示器指标：CRT显示器优点：LCD显示器指标：LCD显示器优点：体积小；耗电少；无闪烁；无辐射主机显示卡图形控制器显示存储器CRTLCD显示器种类：功能：原理：指标：软件：3）打印机噴墨：激光：点阵：2、绘图仪GIS不可缺少的输出设备六、GIS的存储设备半导体存储器硬磁盘光盘磁带微缩胶卷、纸张速度增加容量增加信息存储的金字塔七、GIS的网络设备1、局域网网络传输介质包括各种粗细电缆、绞线、双绞线。网络服务器可有多个服务器如文件服务器，通信服务器，打印服务器等，以实现资源共享网络工作站用户通过它来访问网络，共享网络资源。网卡（网络适配器）装在网络服务器和网络工作站上，以实现网络资源的共享和通信。附属设备（随传输介质而定）对双绞线为集线器,RJ-45插头，对绞线为光收发器，ST光纤插头，要实现远程通信还要MODEM。网络软件网络OS网管软件，通信软件，网络协议软件等。2、广域网的网络互连设备局域网之间的连接分LAN-LAN，LAN-WAN，LAN-WAN-LAN（1）中继器网桥路由器中继器(repeater)最简单的网络连接器，可实现传送信号的放大和转发，只能实现相同物理层协议的LAN。网桥（bridge)在数据链路层实现LAN互连和存储转发的设备。同时能实现信号的隔离提高网络性能。但随网络扩大网桥在网管，路由等问题上不能满足要求。路由器(louter)是一种具有更大功能和更强另活性的网络互连设备，其结构较复杂，功能比网桥强，速度比网桥慢。（2）网关（gatway)又称协议转换器用于连接不同体系结构的网络，常针对特定的应用。2.3GIS软件的构成1、结构图空间数据输出管理空间数据库管理空间数据输入管理（图形输入和编辑）应用模型空间数据查询和分析DTM模型应用模型矢量栅格数据的输入数据的编辑数据格式的转换图形图象文本报表的输出空间数据库位置、拓扑、属性数据地形分析网络分析缓冲分析叠置分析GIS应用的典型过程观察现象获取数据数据预处理数据组织查询与分析数据库制图输出交互2、GIS的输入子系统文本数据地图野外实测数据RS影像数据(航天、航空）空间数据库其它数据图形数据编辑数据组织结构3、GIS的输出子系统图形图象输出属性输出数据数据输出其它输出点状图、线状图、面状图；影象图；等值线图；三维图；统计图；文本、报表不同格式的数字产品语音输出等符号注记图框图例2.4GIS中的数据GIS数据的特点:空间性、时间性、专题性、分布性。GIS的数据源:地图数据遥感数据测量数据野外采集数据其它数据一、地图数据及其获取1、地图表示的地理空间空间：属性：2、地图信息的数字化描述地理空间实体的数字化描述有两种方法：1）矢量法2）栅格法3、地图数据的逻辑组织模型地图数据从逻辑上组织成层次关系其关系是：地图图层空间对象坐标对地图图层1图层2图层n图层1的空间对象及描述信息图层2的空间对象及描述信息图层的空间对象及描述信息4、地图数据的获取通常有两种方法实现地图数字化：1）直接数字化（数字化仪）输入；2）扫描（扫描仪）输入。（1）坐标的转换问题通常输图前在图板的地图上取4个点在数字化坐标上的坐标值，并给出该4个点的实际图件上坐标值。即4个同名点。按X=a0+a1x+a2y+a3xy当图的变形很小时，a3b3近于零Y=b0+b1x+b2y+b3xy其中X,Y是实际图件上坐标值;x,y是数字化坐标上的坐标值;a0a1a2a3b0b1b2b3为待定系数。这时候，就符合图形学坐标变换的公式，X=a0+m(x-y)Y=b0+n(x+y)a1a2b1b2yXY1）直接数字化仪获取地图数据xa0b0cossincossin=mcos=ncos=-msin=nsin用最小二乘法可求出待定系数在一些系统中允许用户输入4个以上的控制点，这时候可用用最小二乘法可求出最佳一组待定系数，以改善坐标转换的精度。坐标变换的地理意义：（3）数字化仪工作的软件（2）数字化仪工作过程打开通信接口及数据文件初始化数字化仪输入控制点及图幅范围读取并显示一个x,y值输入正确否保存文件结束否关闭端口及数据文件结束NYYN删除点返回上一点读下一点2）扫描仪获取地图数据二、遥感数据1、遥感数据的分类2、遥感数据质量指标1）空间分辨率2）时间分辨率3）光譜分辨率4）温度分辨率3、遥感数据的获取1）目视法获取遥感影像数据RS信息地形信息专业信息初步解释详细解释专题图满意不满意调查再解释2）将RS影像作为基础层输入到GIS中，实现栅格影象和GIS线划图的叠置，从中提取信息。3）将RS直接进入GIS系统，利用RS实现对GIS空间数据和属性数据的更新。地形图专题图航片卫片扫描仪输入数字化影象图计算机图象处理识别系统输出数字影象图影像匹配影像识别影像分类地图识别RS和GIS的结合1）如上所述，RS作为GIS的数据源；2）利用GIS作辅助信息，帮RS进行分类，或者将RS中非监督分类的结果与GIS中地物比较，校正分类结果的地物类型；3）RS和GIS结合进行联合空间分析，以大大提高GIS的空间分析能力。如将RS和GIS叠置得洪水淹没模型；对农作物进行估产等三、摄影测量数据及获取摄影测量在我国的基本比例尺测图生产中起关键作用。我国的大部分1：1万，1：5万地形图都使用摄影测量方法。1、地面摄影测量和航空摄影测量2、解析摄影测量3、数字摄影测量四、属性数据及获取属性数据内容属性数据是目标的空间特性以外的特性的详述。主要包括目标类型，具体目标特征和专题说明等详细描述。目标类型描述通常用类型编码来表示；专题说明描述用属性内容表示。属性数据源各种统计数据及各类调查数据是属性数据主要数据源。通常包含特定位置上的社会、环境、资源、经济、人口等数据。属性数据的获取对照图件直接输入，即直接在GIS中，通过其数据库管理软件对照图形直接录入；用通用数据库软件录入，录入后转入GIS系统；从其它系统（如MIS）系统转入数据。五、野外采集数据GPS作为一种新型的定位数据采集技术具有高精度，高效益，低成本，全天侯，灵活实时的优势。GPS在GIS中的应用：1）直接用于对GIS空间数据的实时更新和采集；2）将GPS的实时差分技术与GIS的电子地图结合，组成各种车载、机载电子导航系统；3）为GIS的空间数据获取提供实时定位数据。2.5空间数据的质量及精度分析一、空间数据质量数据的准确度（accuracy）指记录值和真实值之间接近的程度；数据的精密度（precision）指数据表示的精密程度，如数据有效位数；数据的分辨率（spatialresolution）指两个可测量数据之间可识别的最小差异，常用最小线宽来表示；数据的不确定性（uncertainty）包括空间位置不确定性、属性不确定性、时域不确定性、逻辑上的不一致性、及数据的不完整性；数据的误差（error）表达数据准确性的一种表达方式。精度二、空间数据质量评价空间数据质量评价就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题和时间特性进行评价，可用空间数据质量评价矩阵如下来表示：空间特性空间要素空间特性时间特性专题特性位置精度属性精度逻辑一致性数据完整性表现形式准确性三、空间数据误差的来源1）数据采集引起的误差如野外测量仪器的误差、记录的误差；RS数据纠正和提取的误差；地图印刷误差、坐标转换引起误差等。2）数据输入引起的误差如数字化误差、格式转换引起的误差等。3）数据存储引起的误差数据存储选用精度不够、存储空间数据的格网太大、比例尺太小等4）数据处理引起的误差如插值引起的误差、叠加引起的误差、算