地理信息系统基本概念文档格式.docx
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数字栅格图
数字高程模型
数字正射影像图
空间数据关系:
描述空间对象之间的空间相互作用关系
拓扑空间关系:
描述空间对象的相邻、包含、连通和关联等关系。
顺序空间关系:
描述空间对象在空间上的排列次序,如前后、左右、东、西、南、北等。
度量空间关系:
描述空间对象之间的距离等。
地图上的拓扑关系的性质是指图形在保持连续状态下的变形(缩放、旋转、拉伸等)但图形关系不变的性质。
基本拓扑关系
关联:
不同拓扑元素之间的关系
邻接:
相同拓扑元素之间的关系
包含:
面与其他元素之间的关系
连通:
空间图形中弧段之间的关系
拓扑关系的意义
(1)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。
拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系,它比几何数据有更大的稳定性,不随地图投影而变化。
(2)利用拓扑关系有利于空间要素的查询。
例如某条铁路通过哪些地区,某县与哪些县邻接(面面相邻问题)。
又如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源。
又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门,就需要查询该线(管道)与哪些点(阀门)关联。
(3)可以根据拓扑关系重建地理实体。
例如根据弧段构建多边形,实现道路的选取,进行最佳路径的选择等。
矢量数据:
矢量数据是用欧氏空间的点、线、面等几何元素来表达空间实体的几何特征的数据。
矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体。
或者说矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。
矢量数据结构分为
1、实体数据结构[实体式]
2、拓扑数据结构[树状索引式结构、双重独立式编码结构(又称双重独立地图编码DIME)、链状双重独立式编码结构]
树状索引式结构:
对所有点的坐标按顺序建坐标文件,再建点与边(线)、线与多边形的索引文件,形成树状索引结构
双重独立式编码结构:
又称双重独立地图编码DIME是美国人口调查系统所采用的编码方法。
它通过有向编码建立了多边形、边界、节点之间的拓扑关系,DIME是一种拓扑编码结构,是其它拓扑编码结构的基础。
对于一条线段,用顺序的两点以及相邻多边形予以定义。
矢量结构的特点:
定位明显、属性隐含
矢量数据的获取
(1)由外业测量获得可利用测量仪器自动记录测量成果,然后转到地理数据库中。
(2)由栅格数据转换获得利用栅格数据矢量化技术,把栅格数据转换为矢量数据。
(3)跟踪数字化用跟踪数字化的方法,把地图变成离散的矢量数据。
栅格数据结构将空间分割成有规则的网格,称为栅格单元,在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式
栅格数据:
栅格数据是将空间分割成有规则的网格,在各个网格上给出相应的属性值来表示空间实体的一种数据组织形式。
(用空间单元或像元来表达)
栅格数据结构的特点:
位置隐含,属性明显;
几何和属性偏差;
难以建立空间对象之间的关系
栅格单元的确定原则:
应能有效地逼近空间对象的分布特征,又减少数据的冗余度。
栅格数据的建立途径:
(1)手工获取
(2)扫描仪扫描(3)由矢量数据转换而来(4)遥感影像数据(5)插值得到(当属性值为地面高程,则为格网DEM,通过DEM内插得到。
)
栅格属性值的确定:
1、中心点法取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。
2、面积占优法栅格单元属性值为面积最大者,常用于分类较细,地理类别图斑较小时。
3、重要性法定义属性类型的重要级别,取重要的属性值为栅格属性值,常用于有重要意义而面积较小的要素,特别是点、线地理要素。
4、长度占优法每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。
栅格数据的编码方法:
直接栅格编码(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,可以每行从左到右逐像元记录,也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录,为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。
);
特点:
最直观、最基本的网格存贮结构,没有进行任何压缩数据处理,栅格数据量大,格网数多。
链码;
它是从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界。
8个基本方向自0°
开始按逆时针方向代码分别为0,1,2,3,4,5,6,7。
单位矢量的长度默认为一个栅格单元。
优点:
对线状地物和多边形的表示具有很强的数据压缩能力;
具有一定的运算功能,如面积和周长的计算;
探测编辑急弯和凹进部分比较容易;
类似矢量数据结构,比较适于存储图形数据
缺点:
对于叠置运算(如:
组合、相交等)很难实施;
对局部修改将改变整体结构,效率较低
游程长度编码基本思路:
对于一幅栅格图像,常常有行(或列)方向上相邻的若干点具有相同的属性代码,因而可以采取某种方法压缩那些重复记录的内容。
编码方案:
只在各行(或列)数据的代码发生变化时依次记录该代码值以及相同代码重复的个数。
或者:
只在各行(或列)数据的代码发生变化时依次记录该代码位置以及相应的代码。
数据压缩效率较高,特别是对图形要素比较单一的栅格文件;
栅格加密时,数据量不会明显增加,压缩效率高;
最大限度的保留了原始栅格结构,编码解码运算简单,且易于检索,叠加,合并等操作
适宜性;
区域越大,数据的相关性越强,则压缩越大,适用于类型区域面积较大的专题图,而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图(压缩比与图的复杂程度成反比);
块码是游程编码扩展到二维的情况,采用方形区域作为记录单元,每个单元包括相邻的若干珊格,数据编码由初始位置(行列号)加上半径,再加上记录单元的代码组成。
即数据对组成:
(初始行、列,半径,属性值)
一个多边形包含的正方形越大,多边形的边界越简单,块状编码的效率越好,即块状编码对大而简单的多边形更为有效,对碎部较多的复杂多边形效果不好;
具有可变分辨率,即当属性变化小时图块大,对于大块图斑记录单元大,分辨率低,压缩比高。
四叉树编码是根据栅格数据二维空间分布的特点,将空间区域按照4个象限进行递归分割(2n×
2n,且n>
1),直到子象限的数值单调为止,最后得到一棵四分叉的倒向树。
其中最上面的一个结点叫做根结点,它对应于整个图形。
不能再分的结点称为叶子结点,可能落在不同的层上。
为了保证四叉树分解能不断的进行下去,要求图形必须为2n×
2n的栅格阵列。
n为极限分割次数,n+1是四叉树最大层数或最大高度
基本思想:
将2n×
2n象元组成的图像(不足的用背景补上)按四个象限进行递归分割,并判断属性是否单一。
单一:
不分。
不单一:
递归分割。
最后得到一颗四分叉的倒向树。
容易而有效地计算多边形的数量特征;
阵列个部分的分辨率是可变的,因而既可以精确表示图形结构又可以减少存储量;
多边形中嵌套异类小多边形的表示比较方便
转换的不定性,用同一形状和大小的多变形可能得到多种不同的四叉树结构,因此,不利于形状分析和模式识别。
除了直接栅格编码,其他4种都是压缩编码。
矢量与栅格数据结构的比较:
优点
缺点
1.数据结构紧凑、冗余度低
2.有利于网络和检索分析
3.图形显示质量好、精度高
1.数据结构复杂
2.多边形叠加分析比较困难
1.数据结构简单
2.便于空间分析和地表模拟
3.现势性较强
1.数据量大
2.投影转换比较复杂
拓扑关系的表达:
空间数据的内插:
通过已知点或分区的数据,建立一种函数关系,据此推求任意点或分区数据,这种方法称为空间数据的内插。
应用:
等值线自动制图、DTM建立、区域现象的相关分析与比较研究。
空间数据内插的方法:
点的内插、区域的内插
点的空间内插法分类
点的空间内插
分块内插法
线性内插法
双线性多项式内插法
二元样条函数内插法
逐点内插法
移动拟合法
加权平均法
克里金法
整体内插法
N次多项式拟合法
数据采集的基本内容和流程:
数据源的选择-采集方法的确定-数据的编辑与处理-数据质量控制与评价-数据入库
数据源的选择:
①是否能够满足系统功能的要求。
②所选数据源是否已有使用经验。
如果传统的数据源可用的话,就应避免使用其他它的陌生数据源。
一般情况下,当两种数据源的数据精度差别不大时,宜采用有使用经验的传统数据源;
③系统成本。
因为数据成本占GIS工程成本的70%甚至更多,所以数据源的选择对于系统整体的成本控制来说至关重要。
数据管理是指对数据的组织、存贮、检索和维护。
数据库主要特征:
(1)数据集中控制。
数据库可以集中控制、维护和管理有关数据。
(2)数据独立。
数据库中的数据独立于应用程序,包括数据的物理独立性和逻辑独立性,给数据库的使用、调整、优化和进一步扩充提供了方便,提高了数据库应用系统的稳定性。
(3)数据共享。
数据库中的数据可以供多个用户使用,每个用户只与库中的一部分数据发生联系;
用户数据可以重叠,用户可以同时存取数据而互不影响,大大提高了数据库的使用效率。
(4)减少数据冗余。
数据库中的数据不是面向应用,而是面向系统。
数据统一定义、组织和存储,集中管理,避免了不必要的数据冗余,也提高了数据的一致性。
(5)数据结构化。
整个数据库按一定的结构形式构成,数据在记录内部和记录类型之间相互关联,用户可通过不同的路径存取数据。
(6)统一的数据保护功能。
在多用户共享数据资源的情况下,对用户使用数据有严格的检查,对数据库规定密码或存取权限,拒绝非法用户进入数据库,以确保数据的安全性、一致性和并发控制。
空间数据库是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总合。
空间数据库特点:
数据量特别大;
不仅要存储属性数据,还要存储图形数据;
数据应用面相当广
空间数据库管理系统是指能够对介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义,提供必需的空间数据查询检索和存取功能,以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。
空间数据库管理系统的实现是建立在常规的数据库管理系统之上的。
空间索引也叫空间访问方法,指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种关系按一定的顺序排列的一种数据结构。
其中包含实体的概略信息,如标志码、最小外接矩形以及存储地址。
一般都认为元数据就是“关于数据的数据”。
空间元数据是指在空间数据库中用于描述空间数据的内容、质量、表示方式、空间参考和管理方式等特征的数据,是实现地理空间信息共享的核心标准之一。
空间分析的方法:
叠置分析、缓冲区分析、网络分析、数字地形分析、地统计分析
叠置分析:
是指在统一空间参照系统条件下,将同一地区两个或两个以上图层进行叠合,以建立地理对象之间的空间对应关系,或产生空间区域的多重属性特征
矢量数据的叠置分析算法复杂,但数据量小、精度较高。
栅格数据的叠置分析算法简单,但数据量大。
TIN---矢量坡度;
格网DEM—栅格坡度(先将栅格转为矢量,再叠合)
DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,
在地理信息系统中,DEM的主要表示模型有三种:
等高线模型(矢量)、规则格网模型(栅格)、不规则三角网模型(既不栅格又不矢量)。
数字地形分析包含内容:
1)基本因子提取2)地形特征分析3)通视分析
缓冲区分析(概念)是地理信息系统中常用的一种空间分析方法,是对空间特征进行度量的一种重要手段,是研究根据数据库的点线面实体,自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体,从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法
地形分析是地形环境认知的一种重要手段,通过使用DEM数据,使得从地形中提取各类地形参数和特征因子更加简便和准确。
网络分析:
是通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况,对网络结构及其资源等的优化问题进行研究的一种空间分析方法。
只分析矢量数据。
作用:
最短路径分析;
覆盖范围分析;
事故应急处理;
资源分配
相交
激活数据框,打开“湖泊”和“县域”的属性表,查看其属性。
在“分析工具箱”-“叠加分析”下,双击“相交”工具打开“相交”工具,分别输入要素“湖泊”和“县域”,为【输出要素类】指定输出路径和名称,单击确定后将产生新的面图层,位置和“湖泊”的位置是一样的,
联合
在“分析工具箱”-“叠加分析”下,双击“联合”工具打开“联合”工具,分别输入要素“湖泊”和“县域”,为【输出要素类】指定输出路径和名称,
单击确定后将产生新的面图层,位置和“县域”的位置是一样的,湖泊被分成了很片,打开“面面_联合”属性表发现发生了变化,可以看到每一处湖泊所属的县域。
擦除
在“分析工具箱”-“叠加分析”下,双击“擦除”工具打开“擦除”工具,在输入要素中输入县域,在擦除要素中输入湖泊,为【输出要素类】指定输出路径和名称,单击确定后将产生新的面图层,湖泊区域被擦去,打开“面面_擦除”属性表未发生了变化
裁剪
在“分析工具箱”-“提取”下,双击“裁剪”工具打开“裁剪”工具,在输入要素中输入县域,在擦除要素中输入湖泊,为【输出要素类】指定输出路径和名称,单击确定后将产生新的面图层,如图21所示:
湖泊区域范围内的县区域被裁剪出来,打开“面面_裁剪”属性表未发生变化。
案例分析答题方法:
08汶川地震
一、所需的数据及类型
地震分布图(矢量线数据)
河流分布图(矢量线数据)
人口分布图(矢量点数据)
二、进行的空间分析操作
1、缓冲区分析
对地震分布图求缓冲区,半径设成10km得到数据1
2、叠置分析
将数据1与河流分布图叠置,求相交得到数据2
将数据1与人口分布图叠置,求相交的到数据3
对-以内求相交,对-以外求擦除
GIS要进行网络分析,首先要解决表达(边、点)和存储(邻接矩阵)问题。
缓冲区
应用意义
核电站的5公里缓冲区
紧急疏散区
我国30公里内缓冲区
沿边地区
海岛国家的n公里外缓冲区
领海
高速公路的50米缓冲区
噪音的严重污染区
按属性选择,选中所选图层后右键单击选择数据|导出至geodatabase
实验:
影响配准:
(1)在工具栏上单击,打开地图文档ex02_1.mxd,
(2)在主菜单中单击【视图】→数据框属性】,打开【数据框属性】对话框,选择【坐标系】选项卡,选择坐标系统“Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_120E”。
(3)单击【自定义】菜单下的【工具条】选项,勾选【地理配准】,打开【地理配准】工具条,
(4)在【地理配准】工具条上,单击【地理配准】,在下拉选项中取消勾选“自动校正”选项。
(5)在【内容列表】中右键单击image.img,单击【缩放至图层】,全图显示图像文件。
(6)在【地理配准】工具条上,单击【添加控制点】,在影像上选取坐标已知的点,在点上单击鼠标左键,然后单击右键,选择“输入x和y”选项,打开“输入坐标”对话框,在对话框中输入正确的坐标
(7)在”影像配准|更新地理参考”,对影像进行配准。
(8)在”影像配准|矫正”,对配准的影像根据设定的变换公式重新采样,另存为一个新的影像文件。
矢量化
新建要素类:
(1)启动ArcCatalog.在指定目录下,鼠标右击,在“新建”中,选择“shapefile”。
(2)单击后弹出“创建新shapefile”对话框,在【名称】后输入要素类的名称为“道路”,在【要素类型】后面选择“折线(PolyLine)”,坐标系选择“Beijing_1954_3_Degree_GK_CM_120E”。
(3)定以后坐标系后,单击【确定】按钮即创建了一个“道路”图层。
(4)右键单击“道路”,选择“属性”,打开“shapefile属性”对话框,
(5)选择“字段”标签,在“字段名”中输入Length,在“数据类型”下拉表中选择浮点型
(1)启动ArcMap,单击“工具栏”上的添加数据按钮,加载影像expeizhun1.tif,
(2)再次单击“工具栏”上的添加数据按钮,加载矢量数据道路.shp,
(3)在【内容列表】中,右键单击“道路”,选择“打开属性表”,可发现属性表是空的,
(4)在【自定义】菜单下,勾选【工具条】后的“编辑器”,打开“编辑器”工具条,
(5)单击【编辑器】下的“开始编辑”选项,“编辑器”工具条上的工具可用,并且打开了【创建要素】窗口
(6)在【创建要素】窗口中单击“道路”,【构造工具】会出现一系列的构造工具,
7)在【构造】窗口中单击线,并在主视图窗口中单击鼠标绘制线,单击后在主视图中弹出“要素构造”工具条
(8)本次绘制线取道路的中心线为目标进行绘制,按Ctrl+Z可取消一步操作,按F2可结束绘制,
(9)如果对绘制的线不满意,可以用“选择要素”工具或者“编辑器”工具条上的按钮选择已创建的线,按Delete键将其删除。
(10)在“编辑器”下也提供了一系列的工具,下面以“平行复制”工具为例说明一下其具体的使用情况,如果需要矢量化的道路有平行的情况,在绘制完一条道路后,将其选择,如图21所示:
(11)单击“编辑器”下的“平行复制”选项,打开“平行复制”对话框,
12)单击“确定”按钮,平行复制出一条道路,如果复制出的道路不在指定位置上,可以单击“选择要素”工具或者“编辑器”工具条上的按钮
将其拖动到正确的位置
(13)单击“编辑器”工具条上的“编辑折点”按钮
,可以对要素的折点进行编辑(选择某条线后双击,折点即会出现),
14)单击“编辑器”工具条上的“整形要素”按钮
,可以对要素进行整形,
(15)当所有的道路矢量化完成以后,可以单击“编辑器”下的“保存编辑内容”来保存我们的工作;
然后单击“编辑器”下的“停止编辑”,停止对要素的编辑。
(17)在Length字段上右键单击选择“计算几何”,打开“计算几何”对话框
拓扑分析:
单击
按钮显示【目录】窗口。
在【目录】窗口中右键单击StudyArea,单击【新建】→【
拓扑】,打开【新建拓扑】对话框,
【输入拓扑名称】、【输入拓扑容差】按照默认即可,单击【下一步】
选择LotLines要素类,单击【下一步】,
【输入等级数】中按照默认设置5即可以,单击【下一步】,
单击【添加规则】,打开“添加规则”对话框,在【规则】下拉框中选择“不能有悬挂点”,
查看参数、规则摘要信息,单击【完成】按钮。
最后弹出“新建拓扑”对话框,
单击【添加数据按钮
】,定位到EX3文件夹下的
文件,单击【添加】,弹出“正在添加拓扑图层”对话框,如图3.12所示,单击“否”,
加载“编辑器”工具条,
单击【编辑器】下的【开始编辑】启动编辑数据,单击【编辑器】——【更多编辑工具】——【拓扑】,如图3.15所示,打开“拓扑”工具条,
将视图扩大到某个范围之内
在“拓扑”工具条上单击【
错误检查器】按钮,打开【错误检查器】窗口。
设置查找参数:
选中【错误】和【仅搜索可见范围】复选框,单击【立即搜索】按钮。
在某一个错误上右键单击,选择【缩放至】或【平移至】如图3.19所示。
单击【缩放至】后,视图缩放到错误点位置,再次扩大视图,找出错误的具体原因,
选中多余的线,按delete键将其删除
缩放到第二个拓扑错误处,放大视图,如图3.22所示,可以看到此处的错误是线没有相交,因此这里做延伸处理
在“错误检查器”中,右键单击此条线拓扑错误,右键单击选择【延伸】,
在“最大距离”对话框中,输入3,如图3.24所示,按Enter键完成操作
再次单击【缩放至】线拓扑错误处,如图3.26所示,由图可知错误为线过伸了
在“错误检查器”中,右键单击此条线拓扑错误,右键单击选择【修剪】,
在弹出的“最大距离”中输入值5,如图3.28所示,结果如图3.29所示。
在内容列表中右键单击StudyArea_Topology,打开【拓扑属性】对话框,切换到【符号系统】选项卡。
选中【脏区域】复选按钮,如图3.30所示,单击【确定】按钮,在地图窗口显示脏区域
在【拓扑】工具条中,单击【验证指定区域中的拓扑】
按钮。
在脏区域周围拖出一个选框。
如图3.31所示,脏区域被移除,且未在验证区域发现任何其它错误
在做数据的过程中,记得时刻保存自己修改过的数据,当所有的拓扑错误修改完成后,单击【编辑器】下的【停止编辑】,保存修改内容
在【拓扑】工具条中,单击【
验证当前范围中的拓扑】按钮,当前范围的拓扑得到验证,脏区域被移除,无错误产生。
(27)
【基础工具】工具条中,单击【
全图】按钮,显示剩余的全部错误。
在【拓扑】工具条中,单击【
修复拓扑错误】按钮,选中错误后右键单击,在弹出菜单中,单击【延伸】。
直接按Enter键。
3m范围内的未及线错误均被修复。
验证当前范围中的拓扑】按钮,将当前操作产生的脏区域全部删除
基本:
第2步检查要素图层
执行菜单命令“文件”>
>
“打开”
浏览到包含有你载的练习数据的文件夹(比如:
:
\实验1\Ex1)然后点击Redlands.mxd.
点击“打开”按钮。
打开地图文档Redlands后,你会看到加州Redlands市的地图。
地图显示以图层表示的几种地理要素。
一个图层表示某种专题信息。
在ArcMap窗口的左边区域称为图层控制面板(TOC),它显示的是图层列表。
窗口的右边区域显示的是图层控制面板中各图层的图形内容。
例如,所有油炸圈饼店是点要素(以房屋符号表示)且被组合成名为DonutShops图层。
名为Landuse的图层表示Redlands市土地利用现状,在这个图层中,根据多边形的地类将其组合成不同类型的土地利用多边形。
第3步显示其它图层
在地图中显示其它图层,铁路、街道、及ESRI的位置。
选中Railroads图层旁边的检查框.Redlands市的铁路就会显示在图中。
.
现在,选中Streets旁边的检查框就可以显示Redlands市的街道。
注意:
图层ESRI没有被显示。
稍后,你将学习如何显示它。
第4步查询地理要素
在ArcMap
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