地信教案1

《地理信息系统概论》教案课程名称:地理信息系统概论学分:4总学时:64实验学时:32适用专业:地理信息系统、资源环境与城乡规划、地理科学所用教材：《地理信息系统概论（第三版）》.黄杏元等.高教出版社2008《地理信息系统概论实验讲义》参考书目：地理信息系统.汤国安等.科学出版社2005地理信息系统原理与算法.吴立新等.科学出版社2003地理信息系统实习教程.张超.高等教育出版社2008教学目的：通过学习使学生掌握地理信息系统基本概念、基本理论和技术方法，了解地理信息系统技术的进展和趋势及其在经济建设和生态环境领域的应用，初步具备运用地理信息系统技术进行地理分析和研究的能力。教案具体内容：第一章导论1、为什么需要研究地理信息系统？1.1信息的作用、地理信息的作用1.2传统的地理信息发布与使用方法：由模拟地图与读图人员构成的简单系统2、数据与信息概念和关系2.1数据：将现实世界中的实体或事件记录下来，成为可以被鉴别的符号。2.2信息：对数据的解释、运用和解算。2.3数据与信息的关系：数据是信息的表达，信息是数据的内容。数据是客观对象的表示，数据只有对实体行为产生影响才能成为信息。2.4数据处理：概念：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。目的：①把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式；②把数据加工成对管理和决策有用的数据；③把数据编辑存储起来，供不断使用。2.5数据解释：运用智慧、学识、经验对数据进行分析，获取认识的过程。对同一数据，由于解释者的背景、目的和应用不同，解释也不同。2.6信息的特点：①客观性（概念及其意义）②适用性（用途）③可传输性（意义）④可共享性（无损共享）3、地理数据与地理信息3.1地理数据：地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的符号表达。3.2实体——数据——信息反映了人类不断上升的认识过程：出于生活的需要，人类必须关注周围环境。这种关注首先从关注地理实体开始，然后关注关于实体的特性，最后关注特性代表的内涵。因此地理实体—地理数据—地理信息的认识过程是人类认识的飞跃。3.3地理信息：对地理数据的解释。其特点：①空间特征：内容（包含空间形态、位置、关系等信息），意义（位置的识别需要公共的基础地理参考）②多维结构特征：二维空间上叠加三维（立体）或者四维（时间）或者五维（件）③时序特征：内容（地理信息的时间特征明显）、意义（及时更新、重视地理事件的过程性）。4、信息系统与地理信息系统4.1信息系统：提供信息的计算机系统。包括管理信息系统和地理信息系统。4.2管理信息系统：不含空间数据的信息系统。4.3地理信息系统：简称GIS，定义很多。但是可以认为，地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，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。4.4特点：①GIS是一个计算机系统②是一个操作地理数据的计算机系统③是一个具有强大空间分析能力的计算机系统④是一个多学科集成的技术系统5、GIS基本构成5.1硬件：(1)GIS主机（作用：数据处理、管理、计算。类型：规模划分（大中小微），功能划分（客户机、服务器），操作系统划分（微软、Unix等））(2)外部设备：输入设备（数字化仪（原理、组成、特点、结果），扫描仪（类型、特点、结果））、输出设备（绘图仪（类型、特点（宽幅，多彩））、显示终端（人机交互界面、型号多）、打印机（非图形数据输出工具、类型多样））(3)网络设备（类型：布线系统、网桥、路由器、交换机，作用：数据共享、信息共享、软件资源与硬件资源共享）5.2软件：（1）专业软件：类型，作用（数据输入与编辑、空间数据管理、处理和分析、数据输出、易用的用户界面、二次开发能力）（2）数据库软件：作用（存储、管理空间数据），类型：Oracle（甲骨文）、SQLserver（微软）、DB2（IBM）、Sybase、Informix等。（3）系统管理软件：主要指操作系统。5.3数据：（1）地理信息系统操作的是空间数据，空间数据类型多样（2）空间数据以结构化形式存储在计算机中，这种结构化的数据存储方式称为数据库，数据库包括数据库实体、数据库管理系统和用户系统三部分。（3）数据库中的空间数据和属性数据之间存在密切的联系，如何实现两者之间的连接、查询、管理是空间数据库设计的主要内容。目前有三种方式：混合式、扩展式和开放式。5.4人员：包括开发人员、使用人员。是系统必不可少的组成部分。5.5应用模型（1）模型及其举例：现实世界物体、过程、事件等的抽象表达。比如；实物模型、分析模型等。（2）分类：数理模型、经验模型、混合模型。（3）应用模型概念：运用一系列分析方法和数据构建的、用于解决专门问题的规律的表达。（4）构建过程：①明确运用GIS解决问题的基本流程②根据模型研究对象和目的，确定模型的类别和变量、参数、算法③确定空间操作项目和分析方法④运行模型，验证模型⑤修改模型、输出结果（5）特点：①是现实存在的系统经过观念世界到信息世界的映射。②是GIS与相关专业连接的纽带，除了具备GIS知识，相关专业知识和经验也很重要。③是GIS产生社会经济效益的关键。6、GIS基本功能和应用功能6.1GIS基本功能（1）数据采集与编辑：不同类型的数据采集（空间数据采集、属性数据采集），不同来源数据采集。（2）数据存储与管理：空间数据库定义、特点（数据量大、空间数据与属性数据有不可分割的联系、空间数据之间有用拓扑描述的空间关系）。（3）数据处理与变换：数据变换（投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理）、数据重构（数据拼接、数据截取、数据压缩、数据转换）、数据抽取（类型选择、窗口选择、布尔提取和空间内插）（4）空间分析与统计：是GIS区别于其他系统的主要特点，是GIS灵活解决各类问题的工具。拓扑叠合：同一地区、同一空间参考、多个图层之间的空间数据运算或属性数据运算。用于进行多条件的查询、检索、地图裁切等操作。举例：道路拆迁分析。缓冲区分析：在点线面周围建立一定范围的多边形。用于进行空间临近度分析。举例：污染范围分析。数字地形分析：构建一个能够利用计算机自动计算地面的形态参数的模型。空间集合分析：布尔逻辑分析原理。举例：农业用地类型分析。（5）产品制作与显示：GIS产品的概念（经由系统处理和分析，产生的具有新的概念和内容，可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明。地图输出是主要形式。）、表现的内容（显示环境、定义制图环境、显示地图要素、定义字型符号、设置字符大小和颜色、标注图名、图例等）。（6）二次开发与编程：概念（基于已有的GIS平台进行的编程工作）意义（满足各种不同的应用需要）方法（开发环境+二进制接口、开发平台+库文件）6.2GIS应用功能（1）资源管理：管理什么资源（森林资源、矿产资源、野生动物资源、土地资源、水资源等）、怎样管理资源（收集各种来源的数据、集成到GIS中，运用GIS保存数据、分析数据、发布信息，为管理决策服务）、管理效果和效率怎样（自动化程度提高，提高管理效果和效率）（2）区域规划：提供规划分析工具、提供规划成果管理手段、提供表现手段（3）国土检测：检测内容（森林火灾预报、洪水灾情检测和淹没损失估计、土地利用动态变化检测、环境质量评估等）、检测方法举例——洪水淹没损失估计（建立数字地形模型、获取空间数据和属性数据、利用GIS分析能力进行分析、损失计算、决策）、检测效果（快速高效、降低损失）7、GIS发展过程与趋势7.1发展过程：（1）60年代起步：（2）70年代巩固：（3）80年代突破：（4）90年代应用：7.2主要趋势：（1）GIS已成为一门综合性技术（2）GIS产业化势头强劲（3）GIS网络化趋势（4）地理信息科学产生8、地理信息科学：Geomatics的产生和学科基础。（自学）基本要求：（1）识记地理信息系统的概念、类型和基本构成（2）理解地理信息系统的基本功能（3）了解地理信息系统产生的背景和发展过程第二章地理信息系统的数据结构1、地理空间及其表达1.1地理空间（1）地理空间的定义：地理信息系统中的空间称为“地理空间”。地理空间的范围上至大气电离层、下至地幔莫霍面，这个范围是生命过程活跃的场所。图2-1地理空间的范围（2）地理空间的表达：就像我们为了了解一棵树而去描述一棵树一样，我们为了了解地理空间也需要对地理空间进行描述。与描述一般物体不同，地理空间的描述必须说明空间位置，然后描述该位置的状况。比如：哪里怎么样，或者哪里有什么。然而地理位置的确定需要建立空间定位框架，空间定位框架包括平面控制网和高程控制网，分别作为平面定位参考和高程定位参考。建立空间定位框架最简单的办法莫过于以地心为坐标原点、以地心指向春分点的直线为x轴，以地心指向北天极的直线为Z轴，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。但是由于地球的不规则性，我们几乎必须对地球上的每一点进行测量，才能获取地球的完整形状。然而，尽管地球很不规则，但是我们还是可以用规则椭球对地球进行大致的逼近，这样就可以大大减少测量工作。图2-2能够逼近大地水准面的椭球面既然如此，寻找逼近地球的椭球就成了很重要的工作，几百年来，人类一直在寻找，到目前为止，已经找到很多这样的椭球。但是为了使找到的椭球能够真正代表地球，还必须对这个椭球进行定位定向，也就是要将这个能够代表地球的假象的椭球放到太空中地球所呆的位置上，这个工作包括三步：确定大小，确定位置，确定方向。图2-3参考椭球体的建立但是不同国家由于处在地球的不同部位，能够较好逼近各国地面的椭球也不一定一样，因此不同国家只能够采用最适合自己国家地貌的椭球，由此建立的大地坐标系称为国家大地坐标系。我国早期使用的国家大地坐标系是1954年建立的以克拉索夫斯基椭球为参考椭球建立的，该坐标系是原苏联普尔科沃坐标系在我国的延伸，大地原点在北京，因此称为北京1954坐标系。由于北京1954坐标系存在很多问题，1978年，我国又采用国际大地测量协会推荐的国际椭球建立了西安1980坐标系，坐标原点在我国中部陕西省泾阳县永乐镇，该点的坐标经过准确测量，因此将该点作为我国坐标起算点，由于该点位于我国中部位置，因此有效降低坐标传递误差。图2-4我国1980国家大地坐标系的大地原点从大地原点出发，高精度测量出一系列设标点，并用这些设标点确定其它点的坐标，这些具有准确坐标的设标点就构成了大地测量控制网。它为地理空间定位提供了通用参考系，成为地理空间定位框架。大地坐标系是球面坐标系，为了将球面坐标转换为平面坐标，必须使用投影，投影是建立球面坐标和平面坐标之间的对应关系。根据对应关系将投影划分成各种不同的投影。只有经过投影，才能进行面积、长度等的量算。图2-5投影的类型高程控制网，它与平面控制网一起构成完整的空间定位框架。我国高程控制网是以1952-1959年七年的平均海水面为水准基准面建立起来的，称为1985国家高程基准。图2-61985国家高程基准1.2、地理空间表达（1）地理空间表达除了考虑实体的位置外，还需要考虑实体的特征。这是完整表述地理空间必须的两个方面。位置说明在哪里，特征说明怎么样，或者有什么。（2）地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的理论基础。（3）特征实体：实体的形状、属性和时序特征。（4）地理空间的表达：尽管地理空间中的空间对象复杂多变，但通过抽象和归类，其表达方法主要有如下几种类型。矢量表达法：主要表现了空间实体的形状特征；栅格表达法：主要描述空间实体的级别分布特征及其位置图2-9栅格表达法示意图栅格类似于矩阵。在栅格表达中，对空间实体的最小表达单位为一个单元或象素(Cell或Pixel)，依行列构成的单元矩阵叫栅格(Grid)，每个单元通过一定的数值表达方式（如颜色、灰度级）表达诸如环境污染程度、植被覆盖类型等空间地理现象。除了航空、航天技术获取的影象资料可以直接通过栅格加以表达外，通过矢量到栅格的转换算法，栅格表达法同样可以表