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2 GIS的操作对象:
空间数据
3 GIS的技术优势:
空间分析能力
4 GIS与地理学、测绘学联系紧密
13、地理信息系统与计算应用系统的异同点
第二节
1、GIS的基本构成
1)系统硬件:
按设备功能分:
计算机主机、网络设备、数据输入设备、数据存储设备、数据输出设备
按系统性质分:
专用设备:
数字化仪、扫描仪、绘图仪
标准设备:
硬盘、软盘、磁带机、打印机、CD—ROM
2)系统软件:
GIS功能软件:
GIS应用软件
基础支撑软件:
标准软件(图形、数据库等)
操作系统软件:
操作系统(系统调用、设备运行、网络等)
3)空间数据:
4)应用人员:
5)应用模型:
2、空间数据
地理信息系统的操作对象是地理数据,它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。
空间特征:
是指地理实体的空间位置及相互关系→空间数据
属性特征:
表示地理实体的名称、类型和数量等→属性数据
时间特征:
指实体随时间而发生的相关变化→时态数据
根据地理实体的空间图形表示形式,可将空间数据抽象为点、线和面三类元素,它们的数据表达可以采用矢量或者栅格两种组织形式,分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。
3、地理数据的种类(表格)P19
4、应用人员在GIS组成中体现关键作用的要求?
(1)应用人员是系统工程与应用的关键。
(2)GIS的开发是一项以人为本的系统工程,开发人员要特别重视对用户机构的状况和要求进行具体分析,切忌只注重技术的细节。
(3)系统开发过程中,必须根据GIS工程建设的特点和要求,并在深入调查研究的基础上,使确定的开发策略能适应GIS用户随时变化的需求,使获得较高的效益及质量保证。
(4)在使用GIS时,应用人员不仅需要对GIS技术和功能有足够的了解,而且需要具备有效、全面和可行的组织管理能力。
5、GIS应用模型与GIS基本分析功能的关系?
✓GIS基本分析功能为应用模型构建提供基础。
✓GIS提供基本分析功能,能为解决各种现实问题提供了有效的基本工具,但对于某一专门应用目的的解决,必须通过构建专门的应用模型。
✓应用模型具有很强的预测分析和空间模拟能力,提高了GIS基本分析功能的准确性。
6、构建GIS应用模型的步骤?
✓必须明确用GIS求解问题的基本流程
✓根据模型的研究对象和应用目的,确定模型的类别、相关的变量、参数和算法,构建模型逻辑结构框图
✓确定GIS空间操作项目和空间分析方法
✓模型运行结果验证、修改和输出。
第三节GIS的功能
1、GIS的基本功能:
1)数据采集与编辑:
数据采集与编辑功能就是把各层地理要素转化为空间坐标及属性对应的代码输入到计算机中。
P22用于获取数据,保证数据在内容上、空间上的完整性、数据逻辑一致性与正确性。
1.数据采集:
是把现有资料转换为计算机可处理的形式,按照统一的参考坐标、统一编码、统一的标准和结构组织到数据库中的数据处理过程。
2.数据编辑:
是指对地理信息系统中的空间数据和属性数据进行数据组织、修改等。
针对数据的不同,可分为空间数据编辑和属性数据编辑。
2)数据存储与管理:
指空间数据与属性数据的组织,包括空间数据结构的选择、属性数据与图形数据的连接。
3)数据处理与变换:
(1)数据变换:
指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态,包括投影变换、比例尺缩放、误差改正和处理等;
(同位置的能够叠在一起)
(2)数据重构:
指对数据从一种几何状态转换为另一种几何状态,包括数据拼接、数据截取、数据压缩、结构转换等;
(主要是要求多源与异构数据的联接和融合)
(3)数据抽取:
指对数据从全集到子集的条件提取,包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。
(针对某种条件进行抽取)
4)空间分析与统计:
是GIS的核心和灵魂,基于模型与数据进行深加工。
(1)叠加分析:
通过将同一地区的两个不同图层的特征相叠合,不仅建立新的空间特征,而且能将输入的特征属性予以合并,易于进行多条件的查询检索、地图裁剪、地图更新和应用模型分析等。
(2)缓冲区分析:
根据数据库的点、线、面实体,自动建立各种要素的缓冲多边形,用以确定不同地理要素的空间接近度或邻近性。
(3)数字地形分析:
GIS提供了构造数字高程模型及有关地形分析的功能模块,包括坡度、坡向、地表粗糙度、立体图和透视分析等,为地学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础属性数据。
(4)网络分析等:
对地理网络(交通网络)、城市基础设施网络(电力线、电话线)进行地理分析和模型化。
5)产品制作与显示
数据交换,统计表格,制图:
专题地图、影象地图、统计地图、地形图
6)二次开发与编程:
GIS的空间分析技术与手段是有限的,而实际应用模型是无可枚举的,任何GIS都应提供二次开发工具
2、GIS应用功能
1)、资源管理
资源清查与管理是地理信息系统最基本的职能.这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起,并通过系统的统计和覆盖分析功能,按多种边界和属性条件,提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。
2)、区域规划
进行城市与区域多目标的开发和规划,包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、道路交通规划、公共设施配置,以及城市环境的动态监测等。
这些规划功能的实现,是以地理信息系统的空间搜索、多种信息的叠加处理和一系列分析模型加以保证的。
3)、国土监测
借助遥感技术获取数据,利用地理信息系统空间分析功能,可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算,为救灾抢险及防洪决策提供及时准确的信息;
也可进行土地利用动态变化分析等,为土地资源的可持续利用提供科学依据。
4)、辅助决策
利用GIS可以迅速有效管理空间数据,进行空间可视化分析,通过一系列决策模型的构建和比较分析,为国家宏观决策提供依据。
第4节GIS的发展概况
1、GIS的国际发展状况
分为四个阶段
1)、60年代为开拓期
(1)机助制图与空间数据分析的结合产生了GIS的雏形;
(2)提出了“地理信息系统”的术语;
(3)研制了第一个GIS运行系统。
2)、70年代为巩固期
(1)充分利用计算机发展的优势;
(已发展到第三代)
(2)GIS系统的数据分析能力仍没有突破
(3)应用与开发仅局限于某些机构
3)、80年代为突破期
(1)由70年代的开发推向全面应用
(2)地理信息系统进入多领域、广范围
(3)软件成熟,商业化,微机化
4)、90年代为应用普及期
(1)从总的系统上看,数据标准化、系统集成化、平台网络化、应用社会化
(2)从系统内部看,数据采集自动化、数据结构标准化、空间分析功能多样化、空间与属性数据组织一体化
2、我国GIS的发展状况
1)准备阶段(70年-80年)为GIS研制和应用作技术准备。
2)试验阶段(80年-85年)标志:
80年中科院遥感应用研究所成立全国第一个GIS研究室
3)发展阶段(85年-95年):
有了使用的需求
4)产业化阶段(95年代后)重点突破:
技术研究、成果应用、人才培养、软件开发,由第三时期(研究实验、局部应用)推向实用化、集成化、工程化
第2章地理信息系统的数据结构
第一节地理空间及其表达
1、地理空间:
指上至大气电离层,下至地幔莫霍面之间的空间区域。
GIS中的概念常用“地理空间”(geo-spatial)来表述,一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象。
2、定位框架:
即大地测量控制,由平面控制网和高程控制网组成。
3、空间实体的表达类型:
点状类型:
点是有特定的位置,维数为零的物体
线状类型:
线对象是GIS中非常常用的维度为1的空间组分,表示对象和它们边界的空间属性
面状类型:
面状实体也称为多边形,是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。
通常在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。
第2节地理空间数据及其特征
1、空间数据类型
按数据来源分:
(1)地图数据
(2)影像数据(3)文本数据
按数据结构分:
(1)栅格数据
(2)矢量数据
按数据特征分:
(1)空间定位数据
(2)非空间属性数据
按数据几何特征分:
(1)点
(2)线(3)面(4)曲面(5)体
按数据发布形式分:
(1)数字线划图(DLG)数据
(2)数字栅格图(DRG)数据
(3)数字高程模型(DEM)数据(4)数字正射影像(DOM)数据
2、空间对象的三大基本特征
表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。
空间特征又称定位特征或几何特征,一般用坐标数据表示。
是指空间对象的专题属性,如名称、分类、质量特征和数量特征等。
是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。
其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。
3、空间数据表达的基本信息
空间:
定位信息,拓扑信息
属性:
属性信息
4、空间数据的拓扑关系
拓扑关系:
空间实体保持连续状态下变形但相互关系仍不变的性质。
拓朴关联性(不同类元素的拓扑关系)多边形与弧段的拓扑关联表;
弧段与结点的拓扑关联表;
结点与弧段的拓扑关联表;
弧段与多边形的拓扑关联表
拓朴邻接性(同类元素的拓扑关系)
拓朴包含性(相同类型但不同等级的元素之间的拓扑关系)
5、对GIS空间数据处理和空间分析的意义
(1)确定位置:
根据拓扑关系,不需要利用坐标或距离,可以确定一种地理实体相对于另一地理实体的空间位置关系
(2)查询:
利用拓扑数据有利于空间要素的查询。
(3)检验可以利用拓扑关系作为工具,重建地理实体
6、空间数据的计算机表示的基本方法:
空间分幅:
属性分层:
时间分段:
第3节空间数据结构的类型
1、空间数据结构:
是指空间数据适合于计算机系统存储、管理和处理的地学图形的逻辑结构。
即空间数据以什么形式在计算机中存储和处理。
GIS数据结构基本上可分为两大类:
矢量数据结构和栅格数据结构。
2、矢量数据结构:
通过记录坐标方式精确表达点、线、面的空间实体特征的一种数据组织方法。
分类:
(1)简单数据结构
(2)拓扑数据结构
特点:
用离散的坐标点描述空间地理对象及特征
用拓扑关系描述矢量数据之间的关系
定位明显,属性隐含
面向目标的操作
3、栅格数据结构:
是指以规则的像元阵列来表示空间实体分布的数据结构。
像元:
将地图某区域的平面表像一定的分解力作行和列的规则划分,形成一个栅格阵列。
灰度:
它用来表示各个像元所具有的表象信息。
二值图像:
如果一个图像的灰度值只有“0”和“1”两种(通常1表示前景元素,用0表示背景元素),则这个图像称为二值图像,或称为二元图像。
(a)用离散的量化栅格表示空间实体
(b)描述的区域位置隐含,属性明显
(c)一般无实体间的拓朴关系
(d)面向空间的操作
4、决定栅格单元代码的方式
中心点法:
指用栅格中心点的属性值作为该栅格元素的值
面积占优法:
在栅格中占有的面积最大的属性值为该栅格的元素的值
重要性法:
只要在该栅格中的属性值最重要,是主要的属性,就以该属性值作为该栅格元素的值
长度占优法:
在栅格中心划一条横线,用横线所占最长部分的属性值作为该栅格元素的值
5、栅格数据结构编码方法
✧直接栅格编码(完全栅格结构)直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵,逐行(或逐列)或采用其他特殊的顺序逐个记录代码。
✧链码:
由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。
主要是记录线状地物和面状地物的边界。
它把线状地物和面状地物的边界表示为:
基本方向可定义为:
东=0,东南=l,南=2,西南=
3,西=4,西北=5,北=6,东北=7等八个基本方向。
链式编码的前两个数字表示起点的行、列数,从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向,八个方向以0–7的整数代表。
编码方法(a)设定某一点行列号为(i,j),其相邻的栅格点必将相邻于八个方向,将八个方向定义为0、1、
2、3、4、5、6、7八个方向值。
(b)确定起点的行列号,再用方向值表示后续点,即可形成由基本方向值确定的单位矢量链
编码内容包括:
系统码、属性值、起始行、起始列、链码
✧游程编码:
游程编码是栅格数据压缩的重要编码方法。
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,我们把它称为一个游程。
因而可按游程编码以压缩那些重复的记录内容。
✧块码:
块码是游程编码的一种变异,是游程编码扩展到二维的情况。
它所考虑的是栅格阵列中的一个方块区域。
采用方形区域作为记录单元,每个记录单元包括相邻的若干栅格,数据结构由初始位置(行、列号)和半径,再加上记录单位的代码组成。
✧四叉树:
将图像区域划分为四个大小相同的象限,而每个象限又可根据每个象限内的值是否唯一再继续等分为次一层的四个象限,直至每个子象限的值唯一。
采用四叉树编码时,为了保证四叉树分解能不断地进行下去,要求图像必须为2n×
2n
的栅格阵列,n为极限分割数,不足者用0补足。
四叉树优点
1.容易而有效地计算多边形的数量特征;
2.阵列各部分的分辨率是可变的,边界复杂部分四叉树较高,即分级多,分辨率也高,而不需要表示许
多细节的部分则分级少,分辨率低,因而既可精确表示图形结构又可减少存储量;
3.栅格到四叉树及到四叉树到简单栅格结构的转换比其他压缩方法容易;
4.多边形中嵌套异类多边形的表示较方便。
6、曲面:
是指连续分布现象的覆盖表面,具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度、磁场等。
曲面数据结构类型:
TIN数据结构(不规则三角网),GRID数据结构(规则格网)
7、TIN数据结构:
不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面。
既减少规则格网方法带来的数据冗余,同时在计算效率(如坡度)方面又优于纯粹基于等高线的方法。
第4节空间数据结构的建立
1、数据与功能之间具有密切的联系(系统功能与数据间的关系)
(1)功能操作对应的数据。
数据是GIS系统所处理的对象,一定的功能总是操作其相关的数据;
(道路网络分析、道路数据)
(2)反过来:
需要的数据由功能决定。
系统需要一定的数据是由系统的功能决定的。
(3)功能由用户需求决定。
对开发的GIS系统的功能,是通过用户需求调查来确定的,因此,在开发GIS系统之前,首先要进行系统分析。
2、分类与编码的目的:
在于合理地组织数据,并有利于分析。
编码:
是指确定属性数据的代码的方法和过程。
代码:
是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号,是计算机鉴别和查找信息的主要依据
和手段。
编码的直接产物就是代码,而分类分级则是编码的基础。
3、空间数据的分类:
按照国家规范和标准,将具有不同属性和特征的要素区分开来的过程。
分类是将具有共同的属性或特征的事物或现象归并在一起,而把不同属性或特征的事物或现象分开的过程。
分类原则:
(1)几何图形原则。
分为点线面三类
(2)对象原则。
同类形但属于不同对象(如:
线中有河流、道路)
4、空间数据的编码:
是指将数据分类的结果,用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程,编码的结果是形成代码。
编码原则:
1、系统性与科学性:
反映同一类型不同级别的特点
2、一致性:
代码所定义的必须是唯一的
3、标准化与通用性:
符合国家或待业标准
4、简捷性:
在满足标准的前提下承载最大的信息量
5、可扩充性:
编码设置留有余地
5、矢量数据的输入与编辑
矢量数据的输入:
是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标,然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去
方式:
地图跟踪数字化(数字化仪输入、屏幕矢量化)——传统的数据采集方法。
地图扫描矢量化(自动或半自动矢量化):
较为先进的地图数字化方式
6、手扶数字化仪的数据输入过程
(1)原图准备;
(2)连接数字化仪;
(3)输入变换数据;
(4)输入空间实体坐标数据;
(5)检查和修改数字化错误;
(6)输入属性数据;
(7)检查和修改属性错误。
7、扫描矢量化处理流程:
纸质地图,扫描转换,拼接子图块,裁剪地图,屏幕矢量化,矢量图合成、接边,矢量图编辑,空间数据库。
8、屏幕数字化的过程
(1)打开栅格图像文件;
(2)图像配准;
(3)输入空间数据;
(4)输入属性数据。
9、栅格数据的输入
栅格数据的输入方法包括:
扫描输入
遥感影像解译
数据结构转换
第三章空间数据处理
第1节空间数据的变换
1、空间数据变换类型
几何纠正:
为了实现对数字化数据的坐标系转换和图纸变形误差的纠正。
纠正原因:
地图变形(均匀变形、非均匀变形);
数字化中的位置移动,分幅扫描
几何纠正常用的有:
仿射变换(适用变形后比例尺在X、Y方向不相等);
相似变换(适用变形后比例尺在X、Y方向一致);
二次变换(适用有非线性变形)
相似变化:
通过平移、旋转和比例变换对空间实体的平面直角坐标进行变换,它保持实间实体的几何形状不变,并保持x和y方向上的比例变化相等,但它可以改变实间实体的大小和方向。
二次变化:
利用二次变换方程进行坐标变换,称为二次变换。
二次变换适用于原图有非线性变形的情况,至少需要5对控制点的坐标及其理论值,才能求出待定系数。
仿射变换是空间直角坐标变换的一种,它是一种二维坐标到二维坐标之间的线性变换,保持二维图形的“平直线”和“平行性”,其可以通过一系列的原子变换的复合来实现,包括平移、缩放、翻转、旋转等。
投影变换:
主要解决地理坐标到平面坐标之间的转换问题。
2、地图投影的类型
根据投影面的性质,投影可分为:
圆柱投影;
圆锥投影;
方位投影
3、地图投影的转换方法;
解析变换法
(1)正解变换;
(2)反解变换
数值变换法:
插值法;
待定系数法;
有限差分法;
数值解析变换法
第二节空间数据结构的转换
1、矢栅数据结构的比较
结构转换意义:
矢量数据结构与栅格数据结构各有优缺点,
为了有效的利用不同数据结构的优点,有必要进行数据结构之间的转换。
转换种类:
矢量向栅格的转换
栅格向矢量的转换
2、矢量向栅格的转换
主要解决两个方面的问题:
(1)确定栅格元素大小
(2)矢量坐标(直角坐标)向栅格坐标(行列坐标)的转换
第一步:
确定栅格元素大小。
栅格元素大小主要由栅格图的分辨率来决定。
分辨率越大,行列数越小,栅格元素越大。
第二步:
点、线、面基本要素坐标的转换。
由于矢量数据的基本要素是点、线、面,因此,矢量数据向栅格数据的转换实质上是解决点、线和面数据的转换。
3、多边形数据的栅格化方法:
就是在矢量表示的多边形边界内部的所有栅格上赋予相应的多边形编号,从而形成栅格数据阵列。
转换方法
1)基于弧段数据的栅格化方法(边界线与内填充同时栅格化)带扫描算法
2)基于多边形数据的栅格化方法(先将边界作为线进行栅格化,再进行多边形填充)
内部点扩散法(种子点法)
①对矢量图按一定栅格单元大小网格化;
②对每个面域选择一个内部点(种子点);
③从种子点开始,向其8个相邻栅格扩散,分别判定是否在该面域的边界上,是则该栅格不作种子点,若不是,则作为新的种子点
④新种子点与原种子点一起进行新的扩散运算;
⑤重复上述过程,直到所有种子点填满该多边形并遇到边界为止。
缺点:
程序设计复杂,需要在栅格阵列中搜索,占用内存很大,在内存受限时很难采用。
边界代数算法:
边界代数法基于积分求多边形的思想,通过简单的代数运算,实现多边形的矢栅转换。
该算
法简单可靠,被大量使用。
包含检验法:
对每个栅格单元,逐个判定其是否包含在某个实体多边形之内,若在内,就将多边形属性赋给
它.关键:
判定“点在多边形内”
4、检验夹角之和:
即对全部栅格阵列,逐个栅格单元判断栅格归属的多边形及编码。
判别方法:
由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分。
如果积分值为2π,则该待判点属于此多边形,赋予多边形编号(纪录属性);
如果积分值为0,则该待判点在此多
边形外部。
转换步骤:
①建立最小矩形窗口;
②确立栅格大小(精度);
③计算各个栅格中心点与矩形窗中各节点夹角之和:
(各个夹角:
顺时针为负,逆时针为正)
5、栅格向矢量的转换
矢量化的目的
(1)将自动扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库;
(2)将栅格数据分析的结果,通过矢量绘图装置输出;
(3)数据压缩的需要,将大量的面状栅格数据转换为由少量数表示的多边形边界;
6、点的矢量化(计算题)
对任意栅格点数据P,假设其坐标数据为(I,J),按下图所示坐标,将其转换为矢量数据,其中心点坐标(x,y)计算公式为:
x=xmin+△x(J-1/2),y=ymax-△y(I-1/2)
y=ymax、x=xmin表示矢量数据的Y最大值和X最小值;
△x、△y为每个栅格单元对应的边长。
7、线的矢量化(计算题):
实质:
将具有相同属性值的连续的单元格搜索出来,最后得到细化的一条线。
具体实施时可以先将具有一定粗细的栅格数
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