《GIS原理与方法》【中国地质大学(武汉)信息工程学院】

GIS原理与方法中国地质大学(武汉)信息工程学院GIS原理与方法1绪论2空间数据结构3地理信息系统的地理数学基础4地理信息系统数据输入5地理信息系统的数据处理6空间数据管理9空间分析10数字高程模型14地理信息系统的发展趋势1绪论1.1地理信息系统的基本概念1.2地理信息系统发展过程1.3地理信息系统与其它相关学科系统间的关系1.4地理信息系统组成1.5地理信息系统功能和应用1.6地理信息系统与数字地球1.1地理信息系统的基本概念地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。1.2地理信息系统发展过程（１）起始发展阶段(60年代)（２）发展巩固阶段(70年代)（３）推广应用阶段(80年代)（４）蓬勃发展阶段(90年代以后)1.3地理信息系统与其它相关学科系统间的关系GIS与地图学GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础最终产品之一也是地图GIS是地图学理论、方法与功能的延伸•地图学强调图形信息传输•GIS则强调空间数据处理与分析GIS与一般事务数据库数据库技术具有很好的管理,分析和处理数据的功能数据库技术是GIS的主要支撑技术之一GIS属性数据库部分相当于一般数据库GIS数据库比一般数据库结构要复杂得多GIS与计算机地图制图计算机地图制图系统强调的是图形表示GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法,可综合图形和属性的数据进行深层次的空间分析数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式GIS与计算机辅助设计(CAD)共同点:•都有空间坐标•都能把目标和参考系统联系起来•都能描述图形数据的拓扑关系•都能处理非图形属性数据区别:•CAD处理的多为规则几何图形及其组合;它的图形功能尤其是三维图形功能极强;属性库功能相对要弱;采用的一般是几何坐标系•GIS处理的多为自然目标，因而图形处理的难度大;GIS的属性库内容结构复杂，功能强大;图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征;GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能;GIS的数据量大，数据输入方式多样化;所用的数据分析方法具有专业化特征目前,GIS与CAD仍有不同的侧重和特长,但它们主流技术之间的融合仍在不断扩展之中1.4地理信息系统组成（１）数据输入和检验（２）数据存储和管理（３）数据变换（４）数据输出和表示（５）用户接口数据输入数据存储数据输出用户接口数据变换1.5地理信息系统功能和应用（１）（２）（３）（４）空间查询与分析（５）数据显示与输出1.6地理信息系统与数字地球数字地球的概念和提出的背景数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源数字地球的特点多源、多比例尺、多分辨率数据无缝集成的网络信息系统面向全社会公众开放的网络信息系统虚拟现实技术支持下多维网络信息系统数字地球需要的支撑技术与数字地球框架计算科学海量存储卫星图像宽带网络互操作元数据数字地球的应用和意义2空间数据结构2.1栅格数据结构2.2矢量数据结构2.3地理数据的显式和隐式表示2.4矢量与栅格数据结构的比较2.1栅格数据结构2.1.1栅格数据基本概念2.1.2栅格数据层的概念2.1.3栅格数据取值方法2.1.4栅格数据存储编码2.1.1栅格数据基本概念将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为象素。根据所表示实体的表象信息差异，各象元可用不同的“灰度值”来表示。若每个象元规定N比特，则其灰度值范围可在0到2N—1之间；把白～灰色～黑的连续变化量化成8比特（bit），其灰度值范围就允许在0～255之间，共256级；若每个象元只规定1比特，则灰度值仅为0和1，这就是所谓二值图像，0代表背景。栅格数据结构实际上就是象元阵列，即象元按矩阵形式的集合，栅格中的每个象元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。2.1.2栅格数据层的概念在栅格数据结构中，物体的空间位置就用其在笛卡尔平面网格中的行号和列号坐标表示，物体的属性用象元的取值表示，每个象元在一个网格中只能取值一次，同一象元要表示多重属性的事物就要用多个笛卡尔平面网格，每个笛卡尔平面网格表示一种属性或同一属性的不同特征，这种平面称为层。2.1.3栅格数据取值方法中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值来确定。长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留的原则2.1.4栅格数据存储编码(1)直接编码(2)链式编码(3)行程编码(4)块式编码(5)四叉树编码直接栅格编码是最简单最直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法，通常称这种编码为图像文件或栅格文件。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，可以每行都从左到右逐象元记录，也可奇数行从左到右，而偶数行由右向左记录，为了特定目的还可采用其它特殊的顺序3334444433334444133344421133322211113222111122221111122211111222133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222(2)行程编码按行（或列）记录相同代码的始末象元的列号（或行号）和相应的代码，左图可沿行方向进行程编码：1行：（1，3，3），（4，8，4）；2行：（3，4，3），（5，8，4）；3行：（1，1，1），（2，4，3），（5，7，4），（8，8，2）；4行：（1，2，1），（3，5，3），（6，8，2）；5行：（1，4，1），（5，5，3），（6，8，2）；6行：（1，4，1），（5，8，2）；7行：（1，5，1），（6，8，2）；8行：（1，5，1），（6，8，2）。133344444233334444313334442411333222511113222611112222711111222811111222(3)块式编码把多边形范围划分成由象元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码数据结构中包括3个数字：块的初始位置（行、列号）和块的大小（块包括的象元数），再加上记录单元的代码组成。（1，1，2，3），（1，3，1，3），（1，4，1，4），（1，5，3，4）,（1，8，1，4），（2，3，1，3），（2，4，1，3），（2，8，1，4），（3，1，1，1），（3，2，1，3），（3，3，2，3），（3，8，1，2），（4，1，1，1），（4，2，1，1），（4，5，1，3），（4，6，1，2），（4，7，2，2），（5，1，4，1），（5，5，1，3），（5，6，1，2），（6，5，1，2），（6，6，3，2），（7，5，1，1），（8，5，1，1）。1333444442333344443133344424113332225111132226111122227111112228111112222.2矢量数据结构2.2.1矢量数据概念2.2.2拓扑关系2.2.3多边形矢量编码2.2.4ＤＩＭＥ结构2.2.1矢量数据概念矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合。2.2.2拓扑关系拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包含关系。（1）拓扑邻接拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4，N1/N2···等；多边形邻接关系有P1/P3，P2/P3···等。（2）拓扑关联拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5···等。多边形与线段的关联关系有P1/C1、C5、C6，P2/C2、C4、C5、C7等。（3）拓扑包含拓扑包含指存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系，P1包含P2和P3。2.2.3多边形矢量编码一个区域或一幅地图可以划分成许多多边形，每个多边形由一条或若干条弧段组成，每条弧段由一串有序的x，y坐标对组成，每条弧段的两端点为结点，每个结点连接两条以上的弧段，多边形矢量编码主要用于表示空间图形为多边形的面状要素，每个多边形在数据库中是相互独立、分开存储的。如特征值为4的多边形由条4弧段组成，其文件编码坐标为:x18,y18;x19,y19;x9,y9;x8,y8;x7,y7;x20,y20;x21,y21;x22,y22;x23,y23;x24,y24;x18,y18特征值坐标位置1x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x1,y12x28,y28;x29,y29;x30,y30;x31,y31;x32,y32;x33,y33;x28,y283x1,y1;x11,y11;x12,y12;x13,y13;x14,y14;x15,y15;x16,y16;x17,y17;x18,y18;x19,y19;x9,y9x10,y10;x1,y14x18,y18;x19,y19;x9,y9;x8,y8;x7,y7;x20,y20;x21,y21;x22,y22;x23,y23;x24,y24;x18,y185x16,y16;x17,y17;x18,y18;x24,y24;x23,y23;x27,y27;x26,y26;x25,y25;x16,y162.2.4DIME结构双重独立地图编码，简称DIME结构（DualIndependentMapEncoding）。它是由美国人口调查局建立起来的为人口调查目的而设计的一种拓扑编码方法，是一种把几何量度信息（直角坐标）与拓扑逻辑信息结合起来的系统。DIME文件的基本元素是连接两个端点（结点）的一条线段（街段）、线段始结点和终结点标识符、伴有这两个结点的坐标及线段两侧的区域代码（左区号和右区号）。根据结点标识符和结点坐标建立结点坐标文件。根据结点、线段、多边形间的拓扑关系建立拓扑结构文件。在这种结构中，线段通常被认为是直线型的，复杂的曲线由一系列逼近曲线的直线段来表示。结点与结点或者面域与面域之间为邻接关系，而结点与线段或面域与线段之间为关联关系,。2.3地理数据的显式和隐式表示2.4矢量与栅格数据结构的比较矢量数据数据存储量小空间位置精度高用网络连接法能完整描述拓扑关系输出简单容易，绘图细腻、精确、美观可对图形及其属性进行检索、更新和综合数据结构复杂获取数据慢数学模拟困难多种地图叠合分析困难不能直接处理数字图像信息空间分析不容易实现边界复杂、模糊的事物难以描述数据输出的费用较高栅格数据数据存储量大空间位置精度低难于建立网络连接关系输出速度快，但绘图粗糙、不美观便于面状数据处理数据结构简单快速获取大量数据数学模拟方便多种地图叠合分析方便能直接处理数字图像信息空间分析易于进行容易描述边界复杂、模糊的事物技术开发费用低3.地理信息系统中的地理基础3.1地图投影概念3.2地图投影基本要素3.3地图投影变形3.4地图投影分类3.5几种主要投影类型3.6地理信息系统中地图投影设计与配置3.7我国GIS中地图投影的应用3.1地图投影概念建立平面上的点和地球表面上的点之间的函数关系，用数字式表达这种关系就是：为平面坐标，为球面地理坐标),(),(21fyfx3.2.地图投影基本要素3.2.1地球形状、大小3.2.2大地坐标系3.2.3投影坐标系3.2.4子午圈曲率半径、卯酉圈曲率半径，纬圈半径3.2.1地球形状、大小（1）大地水准面海水处于静止状态，把海水面延伸到大陆之下形成包围整