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地理信息系统简明教程
地理信息系统(GIS)简明教程
潘剑君
南京农业大学资源与环境科学学院
1996年9月编写
1998年7月修改
内容简介
本书简要而系统地介绍了地理信息系统的全部内容,包括数据特点、数据输入、数据转化、数据分析、数据输出以及应用等等。
本书的内容安排以地理信息系统的运行顺序,一环套一环地循序渐进,逻辑性强。
本书以简洁为特点,内容深入浅出,配合众多插图,形象生动,非常适合于非地理信息系统专业的选修课教材之用,也很适合作为各专业地理信息系统短训班的讲义。
此外,对于农、林、水、生物、地理、地质、土地、土壤、自然资源、生态、环境、规划设计等各级科技人员、管理人员、大专院校师生,也不失为一本在地理信息系统方面的易学易懂的自学入门读物。
前言
科学技术的发展,使我们研究的问题越来越复杂,不仅具有属性因子,还涉及到空间分布问题。
不仅如此,我们还必须同时考虑具有空间分布特点的多个因子。
空间技术的迅速发展,给我们提供了数据量极其庞大的遥感信息源。
如何才能有效地利用它们来为我们管理、规划、决策服务呢?
计算机技术的发展开创了一个崭新的信息时代。
在计算机基础上发展起来的地理信息系统是一门新兴的技术学科,它具有强大的空间数据分析能力,能同时分析多个空间因子。
利用地理信息系统,可进行多因子的叠合处理,创造新的有用信息;可进行多种数理统计分析,进行信息提取;可利用来自多个不同时间的数据进行分析,以获得动态变化信息;还可利用地理信息系统,建立数字地面模型(DTM),进行三维立体显示。
由于地理信息系统具有强大的空间综合分析能力,加之最终的产品是各种图表,所以,它在地理、地貌、地质、测量、农、林、水、生物、土地、土壤、资源、环境、生态、工程设计等领域都有广泛的用途。
地理信息系统是一个新兴领域,且发展又极为迅速。
由于我们水平有限,在本书中一定会存在不少缺点和错误,敬请读者批评指正。
编者
一九九六年九月
目录
章节内容页码
第一章 地理信息系统简讲介---------------------5
第1节 引言----------------------------5
第2节 概念----------------------------5
第3节 GIS所需的计算机系统--------------------6
第4节 GIS和规划-------------------------7
第二章 地理数据--------------------------9
第1节 引言----------------------------9
第2节 空间数据---------------------------10
第3节 属性数据---------------------------11
第三章 数据结构--------------------------12
第1节 引言---------------------------12
第2节 空间数据的结构----------------------12
第3节 属性数据的结构------------------------15
第四章 数据输入--------------------------16
第1节 引言---------------------------16
第2节 数字化输入------------------------16
第3节 扫描输入-------------------------16
第4节 键盘输入-------------------------17
第5节 文件拷贝输入-----------------------17
第五章 数据转化--------------------------18
第1节 矢量到栅格的转化---------------------18
第2节 栅格到矢量的转化---------------------18
第六章 数据分析--------------------------19
第1节 引言---------------------------19
第2节 分析功能-------------------------19
第1组 分类操作------------------------19
第2组 上覆操作------------------------20
第3组 邻域操作------------------------20
第4组 连接操作------------------------21
第七章 数据输出--------------------------24
第1节 引言---------------------------24
第2节 输出类型-------------------------24
第3节 输出要求-------------------------24
第八章地理信息系统的应用---------------------26
附:
可供选择的实验内容------------------------27
第一章 地理信息系统简介
第1节 引言
近年来,由于地理学、资源、环境等研究的深度和广度即复杂性的不断加大,其数据的存贮、分析、显示的要求促进了计算机对数据管理的应用,进而创立了一些复杂的信息系统。
大规模的空间数据的有效使用,需要具有把这些数据转化为可用数据的有效信息系统。
下面所介绍的地理信息系统,即简称的GIS,即是能把现实世界经分析转化成可用信息的必要工具。
第2节 概念
1.数据与信息
在地理信息系统中,常常要涉及到数据(Data)和信息(Information)这两个术语。
它们既有联系又有区别。
数据是客观对象的表示,是未经加工的原始材料,地理信息系统需要收集数据、处理数据;信息则是数据内涵的意义,当数据对实体行为产生影响时才成为信息,运用地理信息系统的目的是从数据中获得信息。
2.地理信息与地理信息系统
地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图象和图形等的总称。
其特点是:
第一、地理信息属于空间信息,有明确的区域分布,其位置的识别是与数据联系在一起的,这是地理信息区别于其它类型信息的一个最显著的标志;第二、地理信息的结构具多层次性即多维特征,即在空间位置的二维基础上,增加了多专题的第三维信息结构;第三、地理信息的时序特征非常明显,为此,一方面要求信息获取及时而且更新迅速,同时还要求重视自然历史过程的积累和对未来的预测、预报,以免用过时的信息造成决策的失误,或者缺乏可靠的动态数据,不能对事变中的地理事件或现象作出合乎机理的预测预报和科学论断。
从不同的角度,地理信息系统的定义可有所不同:
(1)地理信息系统是在计算机软件和硬件的支持下,运用系统工程和信息科学的理论,科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据,以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。
简言之,地理信息系统是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。
(2)地理信息系统是一套能对现实世界的空间数据具有收集、存贮、按要求回放、转化和显示能力的工具。
(3)地理信息系统是任何一套手动的或计算机助的用于存贮和操作具有地理参照数据的程序。
(4)地理信息系统是对地理参照数据具有输入、管理、操作和分析、输出能力的计算机助系统。
第3节 地理信息系统所需的计算机系统
在地理信息系统中,计算机及其外围设备对于管理空间数据是必不可少的。
它们被统称为硬件。
然而,一个计算机系统,如无若干能控制硬件工作和能执行为用户所需的特殊任务的程序,那是不完整的。
这些程序被称之为软件。
通常,起控制不同硬件设备作用的软件与那些起解决某一特定问题作用的应用软件是有明显区别的。
1.硬件:
使用地理信息系统需要下列基本硬件:
(1)计算机
(2)高分辨率的彩色监视器(为了显示地图和影象)
(3)数字化仪(为了输入模拟地图数据)
(4)打印机(为了打印地图、影象和文字信息)
(5)绘图仪(为了绘制地图)
它们之间的联系见图1。
图1 微机地理信息系统的基本硬件结构
此外,还可用辅助设备的办法来完善地理信息系统的结构,这些设备有单色或彩色扫描仪(Scanner)(扫描地图、影象和航片)、磁带机(Tapedrive)(存贮和回放大量数据如卫星影象)和光盘刻录机。
其实,可供选择的计算机硬件很多,这表现在大小、容量和能力等方面:
(1)计算机可从高速的大型机到很小的微机;
(2)可供选择的数字化仪有多种幅面,小到20×30cm,大到120×180cm;
(3)可供选择的打印机有非常便宜的点阵打印机(Dotmatrixprinters),也有较贵的喷墨打印机(Inkjetprinters)、激光打印机(Laserprinters)和热打印机(Thermalprinters),还有极为昂贵的静电打印机(Electrostaticprinters)和光膜记录仪(Opticalfilmwriters)。
通常,绘图仪是笔式的(Penplotters),大小从30×40cm(A3)到120cm×180cm(A0)不等。
专业方面有时也采用激光即光束绘图仪。
2.软件
当前,已经流行了一些非常好的地理信息分析软件。
这些地理信息系统软件有些可用于微机,有些可用于小型机,有些可用于大型机。
表1列举了一些主要的商业性微机版地理信息系统软件。
应该说明,此表并非包罗万象。
表1 一些微机版地理信息系统的特点
系统名称
几何存贮方式
ARC/INFO
矢量(Vector)
ERDAS
栅格(Raster)
IDRISI
栅格
PAMAP
栅格
ILWIS
栅格/矢量
事实上,目前全世界已有数百种GIS软件。
国产的GIS软件也有多种,它们是:
武汉测绘科技大学开发的Geostar(吉奥之星);中国科学院地理研究所国家重点实验室的APSIS(山海通用空间信息系统);北京大学遥感所开发的SPACEMAN和CITYSTAR(城市之星);北京大学遥感所开发的Cityinfo;中国林业科学研究院开发的ViewGIS(地信之窗);中国地质大学的MapGIS;深圳雅都的Grow;北京图原公司的NapEngine;中国科学院地理所地图室的专题电子地图软件系统EA-City和EA-Worid。
第4节 地理信息系统应用
计算机制图和空间分析是多个有关联的学科领域共同发展的结果。
如果没有这些学科领域的紧密配合,计算机制图和空间分析的现状是难以想象的。
这些学科领域主要有:
(1)通用网络和地籍制图
(2)地形制图和专题制图
(3)测量和航测
(4)遥感和图象处理
(5)计算机科学
(6)城乡规划
(7)土壤科学
(8)地理学
地理信息系统在自然资源规划方面应用的典型例子有:
(1)土地评价和土地利用规划和管理
(2)资源开发
(3)环境研究
(4)自然灾害研究
(5)水资源管理
(6)森林、草场及野生动物研究
(7)生物多样性研究
(8)自然保护区研究
(9)土壤退化研究
(10)城镇发展与规划研究
当今,地理信息系统正迅速地成长为一种标准的自然资源管理的工具。
大量空间数据的充分利用必需依靠有高效地理管理、处理系统的支撑,这些地理管理、处理系统能把空间数据(Data)转化为有用的信息(Information)。
管理决策人员利用地理信息系统在开发和保护规划方面能说明各种各样的选择对象并对一系列方案的潜力(可能)的结果进行建模。
所用地理信息系统的过程如图2所示。
可以肯定,所有的任务都是源自于现实世界和归宿于现实世界。
从现实世界收集得来的数据,通常极其零乱琐碎,需要经过加工、抽象、分析、提取,才能成为有用的信息,提供给决策者进行决策、规划。
之后,把决策规划在现实世界里付之实施,创造出良好的经济效益、生态效益和社会效益。
图2 地理信息系统应用过程
第二章 地理数据
第一节 引言
从现实世界获得的地理数据通常被组织在地理数据库(Geographicdatabase)中。
这个数据库可被认作是一个空间参照数据的集合。
它是一个现实世界客观存在(Reality)的模型。
一般而言,地理数据有三个重要组分:
其一是它的地理位置(Geographicposition),其二是它的属性(Attributes),其三是它的时间(Time)。
换句话说,地理数据是由在哪里、是什么、什么时侯这三个要素组成。
1.地理位置
地理位置指的是每个事物都有其特定的区域定位。
它可借坐标系统(coordinatesystem)以绝对的办法(Absoluteway)来使位置具有特定性。
就小范围而言,最简易的坐标系统可以是规则的方格网,就较大范围而言,通常采用某些规范的制图投影(Approvedcartographicprojections)。
当今世界,有着许多种不同的坐标系统在使用,其中最为重要的两个全球性坐标系统是:
(1)地理坐标(Geographiccoordinates)系统即经度(Longitude)与纬度(Latitude)系统。
地理坐标系统是球面坐标系统(Sphericalcoordinatesystem),有经度子午线和平行的纬度线组成,见图3。
纬度系统把地球分成南北两部分,各占90个纬度,度下续分分和秒。
分界线是纬度0度线,被称之为赤道。
北极为北纬90度,南极为南纬90度。
经度系统把地球的圆周分成360度,然后,也是再续分成分和秒。
与纬度系统中的赤道不同,经度系统中没有自然的0度子午线。
1884年,通过英国格林尼治(Greenwich)的皇家天文台的那条子午线终于被同意定作为起始子午线即0度经线。
图3 地理坐标系统
(2)通用横切麦卡托坐标,即UTM坐标(UniversalTransverseMercatorcoordinates--X,Y)。
UTM坐标系统是一种国际化的矩形坐标系统(Rectangularcoordinatesystem),它能覆盖地球从北纬80度到南纬80度。
该系统把地球分为60个带,每个带覆盖6个经度。
从每带自身的中央子午线出发,向东延伸3度,向西延伸3度。
因此,每个带都有各自的坐标原点(0,0)。
带的编号为:
自180度子午线始,由西向东编号。
由于每个带所覆盖的范围较小,故该系统能够达到很高的精度。
如若一幅图跨越两个UTM带,则必须把整幅图都投影到这两个带的其中一个上去。
UTM坐标系统的突出优点是其的米制性(Metricnature),可直接进行常规的计算。
而地理坐标系统的分、秒制,在计算前必须先转化成小数才行。
有些国家有着覆盖其本身整个疆域的坐标系统,但它并不适用于其它国家,甚至邻近国家。
然而,如果知道了不同的坐标系统的大纲细节,那么,把一种坐标系统转变为另一种坐标系统通常是可行的。
对于平板图(Flatmap),以任何一种方式表现地球表面状况时,都会存在这样那样的问题。
准确地表现整个地球表面的最佳办法是制成球状。
然而,一幅图或是它其中的某一部分,确有可能准确地说明方向、距离、面积、形状这四项中的某一项或某几项。
不过,绝无可能是这所有的四项。
若是一幅图所覆盖的实地面积不是很大,则它所反映的方向、距离和面积都是能够达到相当精度的。
2.属性
属性指的是空间实体(Spatialentities)的各种性质。
这些性质常常为非空间数据,如温度、坡度、酸度等等。
它们本身不具备位置方面的信息,但对说明空间实体却是必需的。
3.时间
时间指的是事物发生的具体时间。
事物的发生都是在时间尺度上进行的,所以,注重事物发生的时间先后,对于研究事物的发展、演变规律极为重要。
第二节 空间数据
大多数地理信息系统处理的是下列四种地理数据:
点(Points)、线(Lines)、面(Areas)和连续表面(Continuoussurfaces)。
1.点数据
点是空间数据中最为简单的类型。
它表达的是空间中的0维物体,仅具位置,而无长度。
2.线数据
线,也称弧,是1维空间物体。
在空间中,线既具位置,也具长度。
3.面数据
面,也称多边形,是2维空间物体,不仅具有空间位置,也有长度,还有宽度。
因此,面具有面积。
4.连续表面
连续表面是3维空间物件,不仅有空间位置,有长度,有宽度,还有深度或高度。
也就是说,连续表面具有容积或体积。
第三节 属性数据
地物,即实体,除需进行空间位置表示外,通常还需说明它的一些重要属性。
这些属性可以是名称型的(如红壤、石灰岩、长江、小麦,等等)、可以是顺序型的(如第一级、第二级、第三级,等等)、也可以是数值型的(如土壤厚度2米、水深1.2米、pH5.5、地价500元/平方米,等等)。
这里区间型数据(如人口密度<100人/平方公里、人均收入500-1000元/年,等等)属于数值型属性。
第三章 数据结构
第1节 引言
地理信息系统的地理数据被有结构地存贮在数字数据库(Digitaldatabase)中。
可以用不同的数据模型存贮以某种按存贮空间、操作难易和精确度方式组织的数据,以达到能高效地进行输入、回放、更新、分析和输出之目的。
第2节 空间数据
用数字形式表达空间数据,其空间数据模型有以下两种基本形式:
矢量模型(Vectormodel)和栅格模型(Rastermodel)。
1.矢量模型
矢量模型用一系列X、Y坐标作为位置标识符,它能精确地表现点、线、面的位置。
每个物体的位置都可由一对X、Y坐标或若干对X、Y坐标来确定。
此外,这种模型表示空间物体的相互关系,利用的是拓扑(Topology)结构。
(1)点
一个点是用一对(X,Y)坐标及点的名称表示,见图4。
图4 矢量模型中的点数据
(2)线
一条线是用若干对(X,Y)坐标及线的名称表示。
理论上,一条线是由无数多个点组成的,但在实践中,用存贮无数多个点的办法来表示一条线是根本行不通的。
解决的办法是把一条线切割成若干条直线片段进行存贮,见图5。
图5 矢量模型中的线数据
数字化过程中,期望精度(Desiredaccuracy)与需求的存贮容量(Requiredstoragecapacity)之间存在着一个兼顾权衡问题。
通常,利用去除不必要数据(Superfluousdata)的办法,达到压缩数据量的目的。
这个过程称为开凿隧道(Tunnelling),见图6。
图6 开凿隧道法压缩数据
(3)面
一个面,与一条线相类似,也需要用若干对(X,Y)坐标及其面的名称表示。
所不同的是:
面的起始点坐标对与终止点坐标对完全相同,即面的起始点和终止点是同一个点,见图7;而线的起始点坐标对与终止点坐标对却不相同。
Y
轴
X轴
图7 矢量模型中的面数据
(4)拓扑关系
在地理信息系统中,为了真实地反映物体,不仅要包括物体的大小、形状及属性,而且要反映出物体之间的相互关系。
对于具有网状结构特征的地理要素,都存在着结点(Node)、弧段(Arc或Segment)和多边形(Polygon)之间的拓扑关系。
结点的表示内容为结点名、第1个离开边、第1个到达边、X、Y坐标;弧段的表示内容为弧段名、起点(前结点)、终点(后结点)、左边多边形、右边多边形;多边形的表示内容为多边形名、顺时针方向第1边、逆时针方向第1边、属性。
2.栅格模型
栅格模型是存贮空间数据最简单的办法,任何以面状分布的对象(如地形起伏、土壤类型、环境污染等等)都可以用栅格数据逼近。
逼近的精度取决于单元栅格的尺寸大小。
单元栅格也称为象元(Pixel或Cell),它以行和列作为位置标识符,空间数据就是以它来组织。
象元是记录信息的基本单元,每个象元只能赋给一个值(Value)。
一个点仅表示为一个象元的位置。
通常,象元的位置用行号(Rownumber)和列号(Columnnumber)确定,见图8。
一个象元仅可赋给一个数值(Numericalvalue)。
点的名称并不在象元内明确记录。
因而,需要用图例指定哪个名称对应于哪种数值。
图8 栅格模型中的点数据
一条线和一个面都是用若干个象元表示的。
这些象元具有相同的数值,见图9和图10。
图9 栅格模型中的线数据 图10 栅格模型中的面数据
存贮多少个点、多少条线、多少个面,对于栅格模型,就存贮的数据量而言,不存在什么本质的差异。
3.数据结构比较
矢量模型和栅格模型两者均有各自的优点和缺点。
只要条件合适,这两种方法都可能达到最佳工作状态。
在此,合适的条件意指:
待处理的空间数据是处于与数据模型极为相似的状态。
一般说来,栅格模型很适合于待研究处理的地理信息是某种多变的空间现象;存贮在矢量模型中的数据较适宜于进行网络分析(Networkanalysis)。
栅格模型和矢量模型的一些主要优缺点列于表2。
表2 栅格数据模型、矢量数据模型的优点和缺点
栅格模型
矢量模型
优点:
优点:
1简单的数据结构
1 压缩的数据结构
2 容易叠加且效率很高
2有效地进行网络分析
3与遥感图象兼容
3投影变换效率高
4 能有效地表现空间多变数据
4出图精度高
5易于自我编程
6 多种属性共用相同网格
缺点:
缺点:
1 所需计算机存贮空间大
1 复杂的数据结构
2周长、面积和形状有误差
2难于做图象叠加操作
3难于网络分析
3难以表达空间多变数据
4投影变换效率低
4与遥感图象不兼容
5象元大,信息丢失
6出图精度较差,欠美观
第3节 属性数据
在地学研究中,属性数据多以表格的形式存贮,如表3所示。
表格形式的数据模型的外部结构非常简洁,特别适合于建造由关系模型支撑的数据库。
表3 属性数据
土壤类型
温度带
湿度带
植被
红壤
亚热带
湿润
常绿阔叶林
黄棕壤
暖温带
湿润
混交林
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