地理信息系统

GIS功能：①数据输入：对数据进行必要的编码和写入数据库的操作过程，由于GIS有多种数据源，因此对不同的数据格式进行转换，保证格式的规范化。三方面操作：地理基础的统一；空间数据的输入；属性数据的输入②图形与文本的编辑，在输入数据中为纠正误差，要求对空间和属性数据都应具备图形和文本的编辑功能③数据存储和管理：由于GIS数据量大，空间和属性数据密不可分的联系及应用面广，要做到数据集中管理、数据冗余度小、数据与应用程序相互。数据模型适当，具备数据保护功能。④空间查询和空间分布⑤数据的输入和表达

发展过程：①起步阶段，20世纪60年代。1987年，加拿大车测量学家R.F.Tomlinson首先提出GIS，并建立世界上第一个GIS（加拿大地理信息系统，用于土地资源的管理和规划）②巩固阶段，20世纪70年代以后③突破阶段，20世纪80年代，商业化软件④20世纪90年代，前美国总统戈尔提出“数字地球”。我国GIS的发展自20世纪80年代初开始，经历了准备（1980-85）、发展（1985-95）、产业化（1996年以后）3阶段

当代GIS的发展动态：①日趋于计算机信息技术融合②动态、多源、化③Internet与GIS结合④与专家系统、神经网络的结合⑤与虚拟现实技术的结合⑥地理信息标准化（硬件，软件，数据标准化） 数据作用（理解）：地理空间是数据时GIS的血液 第二节 空间数据类型

地图数据（GIS脱胎于地图）地图是GIS的主要数据源，因为地图包含着丰富内容，含有实体的类别和属性，而且含有实体间的空间关系。地图数据通常用点、线、面、注记来表示地理实体及实体间关系。分为：（1）普通地图：①地形图：主要指按国家制定的统一规范细则编制的国家基本比例尺地形图②地理图：内容比较详细（2）专题地图：突出表示某一种或几种主题要素或现象的地图

遥感（RS）数据：（1）遥感技术（理解原理过程）：接受、传输、处理、分析判读和应用遥感信息的全过程。利用传感器接受地面物体反射或发射的电磁波信号（2）RS的特点①探测范围大②空间详细程度高（分辨率可高达厘米级甚至毫米级）③获取资料的速度快，周期短④受地面条件少⑤获取的信息量大（可根据不同目的和任务，选用不同波段和不同遥感仪器，取得所需信息）（3）组成：传感器，收集目标物所反射或者发射的电磁波信息的装置；载体，平台，负载传感器的工具；指挥系统：指挥和控制传感器与平台并接受其信息的指挥部，一般为计算机系统（4）常用的卫星遥感数据：分为航天遥感（主要的，即卫星遥感）、航空遥感、地面遥感3类。①美国陆地卫星（LANDSAT）遥感数据,以探测地球资源为目的而设计，采用近极地，近圆形的太阳同步轨道，主要搭载MSS（4个波段的遥感数据）,TM（7个波段）,ETM3种遥感数据②美气象卫星遥感数据：搭载改进型高分辨率辐射仪（AVHRR）③法SPOT卫星遥感数据：是高性即地球观测卫星，搭载两台HRV④中国“风云一号”卫星遥感数据：为太阳同步气象卫星⑤中国“风云二号”卫星遥感数据：地球同步气象卫星，搭载可见R外旋转辐射计，有可见光、R外、水汽三光谱通道⑥中巴“资源一号”陆地遥感数据

全球定位系统GPS：（1）Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System（2）GPS组成：①卫星：24颗卫星分布在20183km高度的6轨道上，每个轨道上4颗，周期11h58min，一般在地球上观察到4个②控制系统：5个监控站，功能是监测卫星运行状况③用户设备（3）工作原理：利用测距交会确定点距，误差纠正（4）GPS应用：两种情况，一是直接用GPS技术对GIS的空间数据作实例更新和采集，二是把GPS接收机的实时差分定位技术与GIS的电子地图结合，组成各种电子导航系统。其他，如农业方面，机械化。

其他数据：文本资料；统计资料：是GIS的数据源，尤其是GIS属性数据；实测资料；多媒体资料；已有系统的数据。 第三节 空间数据采集

将空间实体的几何数据和属性数据输入到地理数据库中——数据采集三方面：几何数据采集，属性数据采集，二者的连接

几何数据采集：GIS中矢量数据的采集①地图手诀跟踪数字化②地图扫描数字化，扫描 属性数据采集：它的录入主要采用键盘输入法，有时也可以辅助于字符识别软件

几何属性数据的连接：为了将空间实体的几何、属性数据联系起来，须在二者之间有一公共标识符 第四节 数据质量控制

1概述（1）数据质量：GIS中空间数据（几何属性数据）的可靠性，通常用空间数据的误差来度量，误差指数与真值的偏离。（2）内容①位置精度，如平面精度，高程精良，描述几何数据的质量②属性精良，如要素分类的正确性，属

性编码的正确性，注识的正确性，反映属性数据的质量③逻辑一致性④完备性⑤现势性：数据的采集时间和更新时间（GIS是动态的）（3）意义。。。。。。。。

2．空间数据的误差来源①源误差：数据采集和录入中产生的误差，包括内容：。。。。。。。②处理误差：指GIS对空间数据进行处理时产生的误差

3．空间数据的质量控制，在过程，后果两个环节 第三章 空间数据结构

第一节 概述

空间数据特征：①空间特征数据：抽象成点、线、面；拓扑关系②属性特征数据③时间特征：动态课题④空间数据描述的是现实世界各种现象的三大基本特征：空间、时间和专题属性。 第二节 矢量数据结构（有大小，方向）

矢量数据结构：通过记录坐标的方式，用点、线、面等基本要素尽可能精确的表示地理实体。

矢量数据的表示法：①点：当地图比例尺缩小到一定程度时，某些地物可看作地图上的一点用一对坐标（Xm，Ym）表示②线：指地图上各种地段或成线要素的地物，用一串X,Y坐标来表示③面：地图上各种面状分布的要素，一串有序的但首尾坐标相同的X,Y坐标（X1,Y1）……。有实体型，拓扑型，曲面型数据结构。

1．

点实体数据结构：本质上是点的矢量数据结构，表示为标识码，X,Y坐标。标识码通常按一定的原则编码，简单情况下可顺序编码，标识码都有唯一性，也包含属性码，表示为标识码、属性码、X,Y坐标

2．

线实体数据结构：（1）表示：表示码，坐标对数N,X,Y坐标（也可含有属性码）（2）包括内容：①唯一标识码：用来建立系统的排列序号②线标识码：确定该线的类型③起终点：可用点号或坐标表示④坐标对序列：确定线的形状⑤显示信息：显示时采用的文体或符号，如线的粗细，虚实⑥其他非几何属性

3．

面实体数据结构（多边形的数据结构）只是坐标串的首尾坐标相同，是描述地理空间信息最重要的一类数据。①坐标序列法②层次索引法 4．

拓扑型数据结构。

DIME,TIGER共同特点是：点是相互的，总连成线，线连成面，每条线始于起点（FN），止于终止等点（TN），并与左右多边形（LP和RP）相邻接，由一条弧短组成的多边形称为岛。多边形中不分离的多边形称简单多边形，表单连通区域多边形总含分离的多边形称复杂多边形，表复连通区域具拓扑编辑功能左右多边形据弧段箭头方向判断 5．

曲面数据结构：指对连续分布现象的覆盖要素，如地形、降水量、温度、磁场等连续现象在任一点的内插计算，经常采用三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，称TIN，可方便地进行地形分析。 第四节 栅格数据结构

像元：将地图某区域放平面表象，以一定的分解力作行和列的规则划分，形成一个栅格即一个像元 灰度：表示各像元所具有的表象信息

二值图像：若一图像的灰度值只有“0”和“1”两种（通常1表示前导元素，0表示背景元素），则此图像为二值图像（二元图像）

栅格数据：由平面表像对应位置上像元灰度值所组成的矩阵形式的数据

栅格数据结构：将空间分割为有规则的网格，在各个网格上给出相应的数据。

二．栅格数据结构编码。是对栅格数据的管理，可分为直接栅格数据结构管理（链式编码即霍夫曼编码，边叉树编码），游程压缩栅格数据结构管理（游程指相邻同值网格的数量）。 第五节 矢量与栅格的转换 矢量与栅格数据结构的比较：（1）矢量数据结构①优点：便于面向现象的数据表示；数据结构紧凑，冗余度低；有利于网络分析；图形显示质量好，质量高②缺点：数据结构复杂；软件与硬件的技术要求较高；多边形叠合分析比较困难；显示与绘图成本较高。（2）栅格数据结构①优点：数据结构简单；空间分析和地理现象的模拟均较容易；有利于与遥感数据的匹配应用分析；输出法快速，成本较低②缺点：图形数据量大；投影转换较困难；栅格地图的图形质量较低；现象识别的效果不如矢量法。

1．点的栅格化：点的坐标用所在栅格的格，列号I,J来表示。将点P（xp,yp）换算为栅格行、列号为I、J的合成为I=H[(y1-yp)Dy],J=H[(xp-x0)/Dy],其中Dx,Dy表示一个栅格的宽和高了，[ ]表示取整 2．线段的栅格化：假定1和2为一条直线段两个端点，其坐标为（X1,Y1）（X2,Y2）

3.面域栅格化：①用线段栅格化的方法组成面城的每条也进行栅格化②对各个像元加标注（x1-x2）（y1-y2）栅格和矢量可互补充

第四章 空间数据库及其管理

1．空间数据库的需求分析与概念设计：需求分析是整个空间数据库设计与建立的基础，要进行用户需求调查，需求数据的收集和分析，编制用户需求说明书等一系列技术性很强的工作。 1..数据库：为一定目的服务，具有有效组织结构和特定联系的数据集合

2.数据库数据模型与数据库系统

层次模型：将数据（记录）组织成有向有序的树结构，代点表示数据记录，连线描述位与不同代点数据间的从属关系 网络模型：用于设计网络数据库，一对一，一对多，多对多

关系模型：数字化的模型，将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表，亦称关系 DBMS（数据库管理系统）：处理数据库存取和各种管理控制的软件，是数据库系统的中心枢纽

一完整的DBS（数据库）：包括数据库DBMS，数据库应用系统 3．

空间数据管理。空间数据特征，数据量大，非结构化，涉及空间拓扑关系。为了实现海量数据的管理，对地理空间数据采取在地表平面上分块和分片，在垂直方向上分层进行组织的方法。

1．

空间数据库的设计。将现实世界中一定范围内存在的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。工作要点：①需求分析与概念设计，抽象为信息代码，即概念模型，确定实体对象，简化空间实体间关系，模型选择②逻辑设计（基础）：目的是给出整个数据库的框架，数据划分：按性质分类，选取合适的DBMS或GIS管理系统③物理设计，设定合理数据分级体系，确定总体布局和实现方式，确定物理结构 第六节 地理信息系统数据库

1．

地理信息数据库的基本组成。以房地产为例，构建两层分布式空间地理数据库

2．

地理信息的组织与管理方法：通过对图形数据和属性数据分别存储，借助关键字实现连续①属性数据库：包括房屋、道路、植被、房屋住户档案、房产信息文档等。各种数据分别作单独的一个或若干dbf数据表②图形数据库：用以存取具有拓扑结构的图形数据，包括点、线、面文件，以文件形式存储包括专题数据库和基础数据库③符号库：点状符号，线状符号，面状符号，在图形输出时，实现分层或整体标准，以文件形式存储的目录下④图形库与属性数据库的联系：通过ID号⑤数据的分块与分层组织：a市矢量电子地图b房屋展开图c等高线图和高程数据库d大地控制点和地方数据库层

第五章 空间数据处理与分析

空间数据处理包含两方面的意义：①将原始采集的数据或者说不符合GIS质量要求的数据进行处理，以符合要求②对于已存储于GIS中的数据经过处理以派生出其他信息。

空间数据分析是GIS的核心内容，也是GIS区别于普通管理信息系统的关键标准与CAD的主要区别，按作用对象的不同，地理信息模型分为空间数据分析模型与属性数据分析模型

第一节 空间数据的坐标变换

包括数字化仪坐标和扫面影像的坐标与大地坐标的交换，以及两个不同大地坐标系的坐标变换 1．

几何纠正

在图形编辑中，只能消除数字化产生的明显误差，而图形变化以及其他原因产生的误差难以纠正。

常用的高级变换：x=a0+a1x+a2y+a11x+a12xy+a22y+A

y1=b0+b1x+b2y+b11x2+b12xy+b22y2+B

（A,B代表二次以上高论项之和，进行变换时，需b对以上控制点的值可求待定它多数寻求变化的点与没变化的点的区别关系）

2 投影变换

当使用的数据来自不同地图投影的图幅与需要将一种投影的几何数据转换成所需投影的几何数据。实质是建立两平面场之间点的一一对应关系。 第二节 空间数据的接边处理

1．

裁剪与合并。逐边裁剪法：。。。。。P129。。。。合并时需去掉公共边界，实际处理过程。。。。。。。P131。。。

1

2

2

2．

图幅接边包括几何接边，逻辑接受。两个相邻图幅的地图的空间数据在结合处可能出现逻辑裂隙与几何裂解。逻辑裂解：当一地物在一幅图的数据文件中具有地物编码A，而在另一幅的数据文件中都是地物编码B，或者同一物体在这两个数据文件中具有不同的属性信息。几何裂解：由数据文件边界分开的一地物的两部分不能精确衔接 3． 图幅接边问题。几何接边，逻辑接边 第三节 空间分析

1． 叠置分析：

叠置分析的直观概念是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新数据层和新数据层上的属性。新数据层或新空间位置上。 2． 缓冲区分析

是GIS基本空间操作功能之一。缓冲区分析涉及两步操作，第一步是建立缓冲区图层，第二步是进行叠置分析。 3． 路径分析。

核心是对最佳路径的求解，从网路模型的角度看，最佳路径的求解就是指在指定网路的最短路径算法。连通分析：从某一结点或边发出能够到达的全部结点或边，称为连通流量分析。流分析：所谓流，就是资源在结点间的传输。 4．空间数据的内插。通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法称为空间数据的内插。 第四节 属性数据分析

1．

主成分分析：通过数理统计分析，求的各要素间线性关系的实质上有意义的表达式，将众多要素的信息压缩代表为若干具有代表性的合成变量。

2．

层次分析（AHP）是一种定性和定量分析相结合的方法，AHP方法把相互关联的要素按隶属关系分为若干层次，请有经验的专家对各层次各因素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法综合专家意见给出各层次各要素的相对重要性权值，作为综合分析的基础。

3． 聚类分析，把相似的归为一类，把差异大的区分开来。 第六章 地信系统产品输出，

地信系统产品是指经由系统处理和分析，可直接供专业规划人员或决策人员使用的各种地图、图表、图像、数据报表、文字说明。

一．空间信息输出系统

二．地理信息系统输出产品类型，一般图像都是栅格格式：地图、图像、统计图表、三维虚拟现实图。 三．计算机地图制图与GIS。是GIS采集，贮存，处理空间数据的有力工具和手段。

四．电子地图系统。电子地图的主要特点：①数据类型与数据量的可扩展性强②检索方便③信息存贮，更新以及通讯方式较为简单，便于携带与交流④可进行动态模拟，便于定性定量分析，有较强灵活性，为地图及其相关信息，深层次的应用打下了坚实基础⑤可缩短大型系列地图集的生产周期和更新日期，降低生产成本⑥与输出硬设备相连，可将电子地图上的多种信息制成硬拷贝。

第七章 GIS工程

涉及到系统的最优设计，控制运行，管理，以及人、财、物资源的管理

一．GIS工程设计

四阶段：系统分析，系统设计，系统实施，系统评价与维护。

基本原则（1）计划管理原则，用分阶段的生命周期计划严格管理，执行六计划：项目概要、里程碑、项目控制、方向控制、验证和运行维护计划（2）坚持进行阶段评审的原则①大多错误在编码前造成，设计错误中软件错误63%，编码错误37%②错误发现与改正越晚，代价也越高（3）严格的产生控制原则，为了保持系统各位置成分的一致性，主要是实行基准位置管理（4）采用现代程序设计技术原则（5）结果应能够清楚地审查原则（6）开发小组人员少而精原则（7）承认不断改造工程实践的必要性原则。积极主动的采纳新软件技术，不断总结经验 二．GIS工程的生命周期方法学

从时间角度对软件开发和维护的复杂问题，。。。。。。。。。。 瀑布模型特点：（1）阶段间具有顺序性和依赖性（2）推迟实现的观点：清楚区分逻辑设计和物理设计，尽可能推迟程序的物理实现（3）保证质量的观点：①每阶段都必须完成规定的文档②完成之前进行审查

三．技术审查和管理复审。

必要性：降低软件成分；标准和方法：由技术专家组成的审查小组（四人：组长，作者，2译审员）。包括：准备，简要介绍情况，阅读被审查的文档，开审查会，返工和复查。复查会的目的是发现错误非改正错误。 四．生命周期各阶段的基本任务

1．

问题定义。要解决的问题是什么？系统分析员应提出关于问题性质，工程目标和规模的书面报告，此阶段是生命周期中最简短的阶段

2．

可行性研究。“对上一阶段确定的问题有无可行解决办法及是否值得做？”比较简短，它的任务不是具体解决问题，而是研究问题的范围，探索是否值得去解，是否有可行的解决办法。应该推出系统的高层逻辑模型（通常用数据流图表示），在此基础准确具体的确定工程规模和目标，分析员更准确估计成本和效益，对其进行成本/效益分析。这一阶段的结果是是否进行这一工程的重要依据。工作包括：用户需求调差，确定GIS的可行性，系统目的和任务，数据源调查和评估，评估GIS的年处理工作了，数据库结构和大小，系统的支持情况（人力财力）

3．

需求分析“为了解决这个问题，目标系统必须做什么？”主要确定目标系统必需具备什么功能，可能碰到三方面用户：①明确提出要求②不十分明确提要求，或要求不合理，要求与投入矛盾大；不能提出具体要求，只是跟风操作。 4．

总体设计“概括地说，应该如何解决这个问题？”考虑几种可能的解决方案①低成本的解决方案②中等成本解决方案③高成本的“十全十美”的系统。结构设计的基本原理即程序应该模块化（通常用层次图或结构图描述） 5．

详细设计“应该怎样具体地实现这个系统”设计出程序的详细规格说明 6．

编码和单元测试，通过这种类型的测试时系统达到预定的要求 7．

综合测试：通过各种类型的测试使系统达到预定的要求

8．

软件维护“通过必要的系统维护活动使其永久满足用户的需要”四种：改正性维护，适应性维护，完善性维护，预防性维护。经过提出维护要求（或报告问题）、分析维护要求、提出维护方案、审批方案、确定维护计划、修改、测试、复查验收等。经历了一次压缩和简化了的补充定义和开发的全过程。 9． 硬件位置（计算机、输入、输出设备等） 10． 人员位置 五．GIS评价

系统效率：各职能指标，技术指标和经济指标是它的反映。例如能否及时提供信息，精度如何，操作是否方便，出错如何，资源使用效率如何

系统可靠性：系统在运行时的稳定性，还包括系统有关数据文件中和程序是否安全保存，是否有后备体系等。 可扩展性：不影响大局，增加功能模块

可移植性：国家规范标准设计，保证软件和数据的区别，交换和共享 系统的效益：经济和社会效益 六．GIS标准化

1． 地理信息的内容和层次。地理知识，地理信息，地理数据。地理信息的构成和信息结构 2． 地理信息的分类和编码

3． 记录格式和转换（元数据）

4． 地理信息规范和标准制定。控件工具，数据，系统开发，其他（名词术语，管理办法等）①制定地理信息、技术

标准的一般要求：法律，法规，与国际接轨，编写格式规范化②编制标准表（标准的集成） 第八章 GIS与作物生产

1． 作物长势监测与估计。作物长势监测室一动态过程，利用RS时相的影响信息，就能将反映出宏观植物生长发育的

节律特征，在实践中，结合相关资料，判断解释RS影像信息，在GIS中对各种数据信息进行空间分析，识别作物类型，统计两算出其播种面积，分析作物生长过程中自身的态势和环境的变化P235 2． 农业灾害预警及应急反应。借助于RS的动态监测利用GIS系统，对洪涝灾害、旱灾、水上污染和作物病虫害等

的预测预报，演变趋势模拟和灾情变化动态，损失估计等 3． 农业区划。RS/GIS获得的诸如资源分布，为农业区划提供了更直观地进行不同区划方案，空间过程的动态模拟与

评价，编绘出综合评价图，区划图，直观地，定量地再现不能区划方案的行为结果和时空效果，为决定者提供可靠的信息，大大提高了区划的效率和精度。 第二节 GIS与土地管理

1． 地籍管理（地籍管理系统CIS）

根据记载土地的位置、？址、数量、质量、权属和用途等基本情况的量测，包括土地调差，登记，统计，分等定级，估计等。

2． 土地利用p260

切实保护耕地，保护和改善生态环境的前提下保持耕地总量的动态平衡。土地利用分类，分等定级，耕地保护，土地利用变更，利用评价，利用规划等①规划辅助设计模块②规划成果管理模块③规划实施管理模块④专题分析模块⑤查询与统计模块⑥报表管理模块 第三节 GIS与林业

1．

森林资源管理（1）基础数据库的建立（2）森林资源的分析和评价：林业土地变化监测，林业土地利用变化监测，地理空间分布，森林资源动态管理，林权管理（3）森林结构调整：据资源分布状况和自然，社会经济分布特点及社会需求进行空间属性分析。龄组结构调整（4）深林经营：采伐，抚育间伐，造林规则，速生丰产林，基地培育，封山育林 2．

森林防火管理（1）林火的扑救指挥和实时监测。与遥感结合，随时监测林火的发生和动态变化；与GPS结合，位置和路线及时传输，准备定位，从而对行动的方向、位置、到达的目标，及时予以纠正和调整。（2）林火的预测预报。GPS，定位；RS，客观提供动态情况；GIS，分析。

3．

山西省作物生态区划及种植结构调整研究，自然资源数据库，作物种植结构数据库的基础上建立生产管理信息系统。（1）材料，方法①数据源：气象数据，行政区划，历年农作物面前，产量，单产等数据②实验仪器：计算机……………….(2)结果分析：自然资源分区，区划（积温，大于等于零摄氏度，作物生长发育）山西降水量 400-600mm（3）结论：山西杂粮，满足口粮问题，发展杂粮生产；实行区域化种植；规模化；现代化科技生产运用杂粮生产；加工企业劳动杂粮生产；流通渠道，扩宽杂粮市场；协调种植业与其他业关系。 基于3G技术的冬小麦估产研究

1． 宏观形势要求及时掌握粮食面积及产量信息，为粮食生产的宏观决策和管理提供科学依据

2． 材料，方法。数据源：RS图像数据，NOAAAVHRR数据（山西RS减灾中心提供），Landsat TM 数据（中国卫星

地面站提供）；GIS背景资料；GPS资料；气象资料；冬小麦生育状况资料。数据处理方法。 3． 结果与分析，模型的建立与分析

4． 结果及讨论，基于3S技术小麦动态监测（长势），谷子研究。