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2技术发展趋势
3应用发展趋势
主要技术发展方向(P20)
1面向对象的组件式GIS发展
2WebGIS的应用
3高分辨率遥感影像与GIS结合
4三维GIS和虚拟现实
5移动GIS(无线通讯)
第二讲:
GIS的地理空间定位系统
GIS研究的对象是具有城市与区域内涵的地理数据,地理数据与其位置的识别联系在一起,它是通过公共的地理基础(空间参考系统)来实现的。
GIS的研究对象是具有空间内涵的地理数据。
地理数据与其位置的识别联系在一起,它是通过公共的地理基础——统一的空间参考系统来实现。
空间参照系统是指确定空间目标平面位置和高程的平面坐标和高程系,这两个系统均与地球椭球面有关。
大地经度L、大地纬度B和大地高度H
地面上的点P地的大地子午面NPS与起始大地子午面所构成的二面角L,叫点P地的大地经度,由起始子午面起算,向东为正,向西为负。
点P地对于椭球的法线P地Kp与赤道面的夹角B,叫做点P地的大地纬度,由赤道面起算,向北为正,向南为负。
点P地沿法线到椭球面的距离H叫做大地高,从椭球面起算,向外为正,向内为负。
我国的大地坐标系
1我国采用了两种不同的大地坐标系,即1954年北京坐标系和80国家大地坐标系,它们均属参心大地坐标系(p40)。
2不同的参考椭球确定不同的参心坐标系。
3相同的地球椭球元素,但定位和定向不同,也将构成不同的参心坐标系。
4把地面大地网归算到地球椭球面上,确定它同大地的相关关系位置,这就是所谓椭球的定位和定向问题。
1954年北京坐标系
1属参心大地坐标系;
2采用克拉索夫斯基椭球参数(a=6878245m,扁率=1:
298.3);
3多点定位;
4εx=εy=εz;
;
5大地原点是原苏联的普尔科沃;
6大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准;
高程异常是以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为水准起算值,按我国天文水准路线推算出来的;
71954年北京坐标系建立后,30多年来用它提供的大地点成果是局部平差结果(制作了国家系列比例尺地形图)。
地理空间数据统一坐标体系转换的关键技术
我国地图坐标体系分类:
北京1954坐标系
西安1980坐标系
地方独立坐标系
国家2000大地坐标系
1980国家大地坐标系
v属参心大地坐标系;
采用既含几何参数又含物理参数的四个椭球基本参数。
数值采用1975年国际大地测量学联合会(IUG)第16届大会上的推荐值,其结果是:
v地球长半轴=6378140m
v地心引力常数×
质量GM=3.986005×
1014m3/s2
v地球重力场二阶带谐数J2=1.08263×
10–3
v地球自转角速度ω=7.292115×
10–5rad/s。
v多点定位。
在我国按10×
10间隔,均匀选取922个点组成弧度测量方程,按最小解算大地原点起始数据(p41);
定向明确。
地球椭球的短轴平行于地球质心指向1968.0地极原点(JYD)的方向,起始大地子午面平行于我国起始天文子午面,ωx=ωy=ωz=0;
54和80坐标系的相互转换
用参数法实现坐标转换。
根据大地微分公式,用已知控制点数据建立误差方程解算出转换参数。
然后,用解算的参数进行坐标转换计算。
地方独立坐标系与国家坐标系的转换
直接变换法
间接变换法
α表示椭球扁率,R表示椭球半径,m表示长度变化率,
常用的解算转换参数有三种方法:
三参数法微分公式
五参数法微分公式
七参数法微分公式
国家坐标系与地方坐标系
直接转换法
⑴计算地方系对国家系的旋转角
⑵计算平移量
⑶进行坐标变换
根据地方坐标系与国家坐标系之间的关系,推出其转换公式如下:
X国家=X0+x地方cosα+y地方sinα
Y国家=Y0-x地方sinα+y地方cosα
间接变换方法
地图投影
将椭球面上各点的大地坐标按照一定的数学法则,变换为平面上相应点的平面直角坐标,通常称为地图投影。
根据投影变形性质的分类
1等角投影:
保证投影后的由任意两条微分线段构成的角度不产生变形,使得投影前后的形状保持不变。
2等面积投影:
保证投影前后的面积保持不变。
3任意投影:
它既不保持角度不变,又不保持面积不变,同时存在长度、角度、面积的变形。
根据投影探求方法的分类
1透视几何投影:
完全依据透视的原理,根据视点、物点、像点之间的几何关系来建立投影方程(3D)。
2几何解析投影:
根据经纬线形状确定投影方程的基本形式,如圆锥投影、圆柱投影等。
3解析投影:
它事先并不人为确定经纬线的形状,其投影后的经纬线形状与投影方程的形式完全依据人们给出的条件逐步推求得到,如高斯-克吕格投影。
高斯-克吕格投影
它是一种横轴等角切圆柱投影。
高斯投影的条件:
1中央经线和地球赤道投影成为直线且为投影的对称轴;
2等角投影;
3中央经线上没有投影变形;
高斯投影变形具有以下的特点:
Ø
中央经线上没有变形
同一条纬线上,离中央经线越远,变形越大
同一条经线上,纬度越低,变形越大
等变形线为平行于中央经线的直线
地理格网(P43)
按一定的数学规则对地球表面进行划分形成地理格网,可以用于表示呈面状分布、以格网作为统计单元的地理信息。
通过对地理格网划分及编码规则的深入分析研究,规定我国地理信息系统采用三种地理格网系统:
140×
60格网系统
2直角坐标格网系统
3自行设计
高程系统
空间点的高程是以大地水准面为基准来建立的。
我国曾规定采用青岛验潮站求得的1956年黄海平均海水面,作为我国统一的高程基准。
从1985年起,我国开始改用“1985年国家高程基准”,凡由该基准起算的高程在工程和地形测量中均属于1985年黄海高程系统。
1985年国家高程基准与1956年国家高程基准之水准点间的转换关系为:
H85=H56–0.029m
式中H85,H56分别表示新旧高程基准水准原点的正常高。
凡不按1956年黄海平均海水面或1985年国家高程基准作为高程起算数据的高程系统均称为局部高程系统。
独立坐标系的转化
联合平差转换法
最小二乘变换法
简易相似变换法
坐标函数拟合法
地图投影与GIS的关系(ppt上有图不方便复制就把点打出来可以自己再看下课件)
地理基础(地图投影)——核心
数据获取(数据源地图的投影)
数据标准化预处理(按照某一参照系数字化)
数据存储(统一的坐标存储)
数据输出(具有相应投影的地图)
数据应用(检索查询、覆盖分析等)
数据处理(投影转换)
第三讲:
GIS数据组成及特点
GIS数据分类(P57)
1图形数据:
数字化的数据
2图像数据:
航空和航天数据
3实体属性数据:
空间定位型关系和属性数据
4统计数据:
描述型数据
空间数据(几何数据)
——矢量和栅格模式
所谓栅格数据是:
将制图区域的平面表象按一定的分解力作行和列的规则划分,就形成了一个阵列,其中每个栅格也称”像元”或”像素”.根据所表示的表像信息,各个像元可用不同的”灰度值”来表示,但每个像元被认为是内部一致的基本单元.换句话说:
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就是栅格数据.
栅格数据的点线面
点:
表示为单个像元。
线:
在一定方向上连接成串的相邻像元的集合。
面:
由聚集在一起的相邻像元的集合。
四方向相邻和八方向相邻
栅格数据的获取
1.遥感方法获取(航天与航空);
2.图片扫描获取(纸介质的地图等扫描);
3.矢量数据转换而来;
4.由平面上行距,列距固定的点抽样而来
主要包括:
(1)中心归属法;
(2)面积占优法;
(3)长度占优法.
栅格数据的基本运算
1.栅格图像的平移(向左一格,再向上一格)
2.两个栅格图像的算数组合
3.两个栅格图像的布尔逻辑组合
4.其它栅格图像的基本运算
(1)栅格灰度值乘上或加上一个常数;
(2)栅格灰度值求其正弦,余弦等,方根,对数,指数等;
(3)将某些栅格灰度值置成常数等;
(4)求一个栅格图像中元素灰度值之和;
(5)找出一个栅格图像中元素灰度值最大和最小等;
(6)求出两个栅格图像对应灰度值的数量积;
(7)将两层栅格图像对应灰度值比较,并把一个较大的元素记录到结果栅格图像中;
(8)进行”二值图像”处理等等.
栅格数据的宏运算
1.扩张2.侵蚀3.加粗4.减细5.填充(带有边界条件的逐步加粗法)
计算机的具体实现方法:
(1)开辟一个数组IA存放原始图像;
(2)为存放中间结果及最后结果,另开辟一个数组IB;
(3)将IA中的原图拷贝到IB中;
(4)对IA中的每一个灰度值为“1”的像元,在IB中相应位置右侧一列及二列处分别置“1”。
栅格数据运算的具体应用
(1)两要素之间有粘连现象
(2)三线公路的绘制(两次加粗,异或运算,或运算)
(3)各种面积量算
(4)指定范围内填充规定的图案
(5)栅格图像的叠置分析
矢量模式与栅格模式比较
栅格模式
优点:
1、数据结构简单
2、叠加操作更易实现、更有效
3、能有效表达空间可变性
4、便于做图像的有效增强
缺点:
1、数据量大,需要压缩。
2、难以表达拓扑关系。
3、图形输出不美观,有锯齿。
矢量模式
1、数据结构更严密。
2、提供有效的拓扑编码,便于拓扑操作。
3、图形输出美观。
1、数据结构复杂。
2、叠加操作不方便。
3、表达空间变化性能力差。
4、不能做增强处理。
栅格数据的压缩技术(p67)
1长度(变长)编码法(LengthCodes)
2改变扫描顺序法(ExchangeOrders)
3链式编码(ChainCodes)
4游程长度编码(Run-LengthCodes)
5块式编码(BlockCodes)
6四叉树编码(QuadtreeEncoding)
矢量数据拓扑结构组织
矢量数据拓扑结构,即基本要素点线面和实体之间具有邻接、关联和包含的拓扑关系,与长度面积无关。
什么叫拓扑?
Topology一词来自希腊文,它的原意是“空间关系的研究—或为形状的研究”。
拓扑学是几何学的一个分支,它研究在拓扑变换下能保持不变的几何属性——拓扑属性。
基本拓扑要素概念(P57):
线段(ARC,弧段),在线段的中间与其他任何线段不存在任何相关关系,在线段的端点才与其他的线段有关系。
线段是有向线段,它的方向有首尾端点确定。
结点(NODE),即线段的两端点,可以分为首结点和尾结点。
多边形(POLYGON),由数条线段有序的首尾连接而成。
层(LAYER),具有相同属性的拓扑要素的组合。
基本拓扑关系:
拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含
算子(重点)不方便打希望大家再看看课件注意平移变换时原点点是不变量这个特殊情况下的算子
栅格与矢量模式的选择与转换
栅格和矢量均有各自的特点。
从点、线、面实体转化为规则单元,这是矢量数据栅格化(p71)。
从栅格单元转换到几何图形的过程,称为栅格数据矢量化(p72)。
第四讲:
GIS数字化技术(P77)
数字化的步骤
确定数字化技术路线
地图预处理
数字化地图
采取的方式
精度要求
选择数字化底图
数字化的要素
如何分幅分层
DEM数据获取和处理的技术方案
第五讲GIS专题制图(P88)
专题地图的概念
专题地图又称专门地图,它是突出而完善的表示一种或几种自然和社会现象,是内容专题化的地图。
专题地图的基本特征
n图上的主要内容,大部分是普通地图上所没有的专门要素(经济指标);
n图上所显示的现象往往是地面上所看不到或无法直接进行量测的(人口分布);
n编图的资料往往是科学研究成果、文献记载、论文报告、统计和勘测等文字资料(地质报告);
n具有独特的图式和特殊的表示方法;
n不仅能够单独地或综合地说明各种自然和社会经济现象的产生、发展、分布以及相互制约的特征,同时还能显示出社会经济体制和政治体制等方面的特征(台湾问题)。
专题图的表示方法
1点数法
2、符号法
3、等值线法
4、运动线法
5、线状符号法
6、区域法
7、质底法
8、定位图表法
9、分级统计法
10、分区统计图表法
专题地图的地理基础底图
普通地图是编制专题地图的地理基础。
地理基础底图的主要作用是:
1.在编绘专题要素时,作为转绘专题要素的基础;
2.底图上的各地理要素,用来作为使用专题内容时的定位、定向以及说明现象的分布特点与分布规律等。
并指出专题要素与周围地理环境的相互制约关系。
专题地图的应用
专题制图的特色之一是大部分图形的制作是采用统计数据制作的,通过对统计数据的分析、加工、处理,进行符号化后表示在专题地图上。
GIS提供了多种常用的专题制图的表示方法;
提供了专题符号的设计功能;
专题地图的图面配置和整饰功能。
用户可根据专题地图所属数据库的内容进行多种专题分析,诸如彩色晕喧、多种柱状图等,实现了用户选择各种地图符号进行符号化的可视化目的。
第六讲:
空间数据库技术(P100)
数据库的概念
为了一定的目的,以特定的结构组织、存储、应用的相关联的数据的集合。
数据库的组成
数据集:
结构化的相关数据的集合体,包括数据本身和数据间的联系。
物理存储介质:
指计算机的外存储器和内存储器。
数据库软件:
其核心是数据库管理系统(DBMS)。
主要任务是对数据库进行管理和维护。
数据库的主要特征
数据集中控制:
数据集中控制和管理,保证了不同用户和应用可以共享数据;
数据独立:
数据独立于应用程序,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;
数据冗余度小:
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,提高了数据的一致性;
数据结构化:
采用复杂的数据模型组织和管理数据;
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,对数据库规定密码和存取权限,拒绝非法用户进入数据库,以确保数据的的安全性、一致性和并发控制。
数据组织方式
数据项,记录,文件,数据库
传统数据库与空间数据库的比较
传统数据库
空间数据库
数据连续性/相关性
不连续
相关性小
连续
较强空间相关性
实体类型/空间关系
少
简单固定
多
复杂且不固定
记录长度
结构化
等长
非结构化
不等长
查询与操作
文字、数字
文字数字
空间图形
面向对象的技术
面向对象方法:
Object-OrientedParadigm,简称OO。
对问题领域进行自然的分割,以更接近人类通常思维的方式建立问题领域模型,以便对客观的信息实体进行结构模拟和行为模拟,从而使设计出的系统尽可能直接的表现问题求解的过程。
面向对象的数据库系统:
采用面向对象方法建立的数据库系统。
基本概念
对象:
含有数据和操作方法的独立模块,可以认为是数据和行为的统一体。
对象的特征:
具有一个唯一的标识,以表明其存在的独立性
具有一组描述特征的属性,以表明其在某一时刻的状态
具有一组表示行为的操作方法,用以改变对象的状态
2.面向对象数据库系统的特性
基本特性(与常规数据库相同)
面向对象的特性
基本特性
数据模型,永久性,并发性,事物管理,恢复功能,查询语言,辅存管理,安全管理,抽象性,封装性,多态性
数据库设计的原理与方法(P106)
以数据库为基础的信息系统通常称为数据库应用系统。
它一般具有信息的采集、组织加工和传播等功能。
仿照软件生存期的定义,一般将数据库系统生存期划分为七个阶段:
规划、需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计、实现和运行维护。
其中前五个阶段称为“分析和设计阶段”,后两个阶段称为“实现和运行阶段”。
本节主要介绍数据库设计的前四个阶段中的主要内容和方法。
1.规划
进行建立数据库的必要性和可行性分析,确定数据库系统在组织和管理信息中的地位,以及各个数据库之间的关系。
2.需求分析
这是整个数据库设计过程中比较费时、复杂同时也是很重要的一步。
主要收集数据库所有用户的信息内容和处理要求,并加以规范化和分析。
在分析用户需求时,要确保用户目标的一致性。
3.概念设计
概念设计的目标是产生反映企业组织信息需求的数据库概念结构,即概念模式。
概念模式不依赖于计算机系统和具体DBMS,概念模式的设计过程称为概念设计。
概念设计的主要内容包括数据抽象(局部概念模式设计)和全局概念模式设计。
4.逻辑设计
逻辑设计又称为“实现设计”,逻辑设计的目的是从概念结构中(如ER图)导出特定DBMS可处理的数据库的逻辑结构(数据库模式和外模式),这些模式在功能、性能、完整性和一致性约束以及数据库的可扩充性等方面均应满足用户的各种要求。
ER模型
ER模型即实体联系模型,它是概念设计的主要方法和最常用的表达形式。
ER模型的基本语义单位是实体与联系。
ER模型可以形象地用图表表示,称为ER图。
在ER图中,以矩形框表示实体类型,用椭圆表示实体类型和联系类型的属性,所有类型和属性都以相应的名称记入框内。
联系类型和相关实体类型间以直线相连,并在直线的两端标明联系的种类(1:
M,M:
N或1:
1)。
建立ER模型的基本步骤:
1)
确定实体类型:
如客户和销售商。
2)
确定联系类型:
销售活动或订货活动。
3)
确定实体类型和联系类型画出ER图。
4)确定实体类型与联系类型的属性:
对于客户,其属性有客户的编号、姓名、地址等;
对于联系类型,其属性有客户编号、销售编号、商品名称、销售量等。
ER模型的基本成分是实体、联系和属性。
在准确模拟现实时,还应对基本的ER模型进行扩展。
对ER模型的扩展主要包括以下几方面内容:
1)弱实体的划分与依赖联系:
有些实体对另外一些实体有很强的依赖关系,如职工子女和职工之间。
称前者为弱实体,二者之间的联系称为依赖联系。
2)子类和超类:
有时某个实体类型中所有实体同时也是另一实体类型中的实体,如中间销售商和销售商。
称前一实体类型是后一实体类型的子类,后一实体类型称为超类。
3)ER模型的操作:
在利用ER模型进行数据设计时,常常要对ER图进行各种变换,即ER模型的操作。
实体类型的分裂,实体类型的合并
利用ER模型进行概念设计大致分为三个步骤:
1)设计局部ER模式
2)全局ER模式的优化
3)ER模型向数据模型的转换
ER模型的优点
一是接近人的思维,容易理解;
二是与计算机无关,用户容易接受。
因此,ER模型已成为软件工程的一个重要设计方法。
尽管如此,但现有的数据库不能直接接受ER模型,主要是ER模型只能说明实体间语义联系,还不能进一步说明详细数据结构。
一般遇到一个实际问题,总是先设计一个ER模型,然后再转换成计算机已实现的数据模型。
数据字典(P110)
数据字典是数据库中各类数据描述的集合,或者说是元数据及相关数据操作的集合。
它的主要功能是存储和检索元数据(P194,P195)。
数据字典的主要内容包括:
1)数据项:
数据的最小单位。
包括数据项名、含义、别名、类型、长度、取值范围、与其它数据项的逻辑联系等内容。
2)数据结构:
是若干数据项地有序集合。
包括数据结构名、组成成分等内容。
3)数据流(P193):
可以是数据项,也可以是数据结构,表示某一加工过程的输入或输出。
包括数据流名、说明、流入流出的过程名、组成成分等内容。
4)数据存储:
加工过程中存储的数据,如手工文档或计算机文件。
包括数据存储名、说明、输入输出数据流、组成成分的数据量、存取方式、操作方式等内容。
5)加工过程:
包括加工过程名、说明、输入输出数据流、加工的简要说明。
数据字典在需求分析阶段建立,在数据库设计过程中不断修改充实和完善。
第八讲:
WEBGIS原理与方法
●WebGIS是Internet和www技术应用于GIS开发的产物,是实现GIS互操作的一条最佳解决途径。
从Internet的任意节点,用户都可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图、进行各种空
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