土地信息系统教案.docx

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土地信息系统教案

土地信息系统教案

旅游与地理信息学院

2011年7月2日

目录

第一章绪论2

第二章土地信息系统的空间数据结构6

第三章土地空间数据获取与土地信息编码8

第三章土地空间数据获取与土地信息编码10

第四章土地利用数据库14

第五章数据库管理17

第六章空间分析原理与方法34

第一章绪论

1.1数据和信息

a.数据——通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，包括数字、文字、符号和图像等。

数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。

b.土地信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。

c.信息——用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实知识，作为生产、管理、经营、分析和决策的依据。

d.信息特征：

客观性适用性共享性可传输性

1.2土地信息

a.土地信息有时也称为“地理信息”，或者可看成是地理信息在土地管理方面的运用。

地理信息系统脱胎于地图。

它们都是地理信息的载体，有存储、分析与显示地理信息的功能。

b.地理信息：

指与空间地理分布有关的信息，它表示地表物体和环境固有的数据、质量、分布特征，联系和规律的数字、文字、图形、图像等总称。

c.地理信息的特征：

区域性（指地理信息的定位特征，且这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的）多维性（指在一个坐标位置上具有多个专题和属性信息）动态性（是指地理信息的动态变化特征，即时序特性，从而使地理信息常以时间尺度划分成不同时间段信息）

e.土地信息：

指一切有关土地的自然、社会、经济属性和土地管理内容的数字、文字、符号、

语言、图形及图像的总称。

f.土地信息构成：

地理空间信息（土地信息中最基本的信息首先是描述地块的地理空间位置、形状及其面积大小的信息。

这些信息就是地理空间信息，它们常用于描述各宗地或各地块的多边形边的走向、特征及其长度、转折点的三维坐标的多边形面积等。

）自然属性信息（它是反映某一特定地理空间区域内地块的自然属性状况，包括地形、岩石、基础地质、水文、气候等自然属性的特点。

）社会经济属性信息（这是反映某地理空间区域内的社会经济状况，包括交通运输能力、公共设施状况、人口总数、人口密度、商业与服务业网点的分布、工农业产值、国民经济总产值、人文特征、土地利用的状况及其特点等）国家有关土地管理政策、法律等方面的信息（它是指国家已出台的土地管理政策、机构设置、管理的方法及实施的技术规程、规范、土地法律与法规和每宗地的权性状况等土地管理法、房地产管理法、基本农田保护条例、森林/草原保护法、矿产资源管理法）

g.土地信息除具有一般信息的基本特征外，还有其自身的特点：

信息数量巨大互相联系动态性和时效性准确性

h.信息系统：

具有采集、处理、管理和分析数据能力的系统，它能为单一的或有组织的决策

过程提供各种有用信息。

i.信息系统分类（从计算机的角度看，信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成的系统，且种类繁多，但从系统结构及处理方法看，主要分为下列几种:

）管理信息系统

（是一种基于数据库的回答系统，它往往停留在数据级上支持管理者，如人事管理信息系统、财务管理信息系统、产品销售信息系统等）决策支持系统（是在MIS基础上发展起来的一种信息系统，它不仅为管理者提供数据支持，还提供方法和模型的可能支持，并对问题进行仿真和模拟，从而辅助决策者进行决策）智能决策支持系统（是在决策支持系统中进一步引入人工智能（AI，ArtificialIntelligent）技术。

如专家系统（ES－ExpertSystem）解决非结构化问题，提高系统决策自动化程度.附：

是以知识为基础，在特定问题领域内能象人类专家那样解决复杂现实问题的计算机系统.）空间信息系统（是对空间数据进行采集、处理、管理和分析的信息系统.）

j.地理信息系统（是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统.）

k.地理信息系统的特征:

具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力空间分析、多要素分析和动态预测的能力；并能产生高层的地理信息算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务

l.理信息系统是在计算机硬件与软件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、决策和研究所需要的空间信息系统.

m.地理信息系统按其内容可以分为三大类：

专题地理信息系统（是具有有限目标和专业特点的地理信息系统）区域地理信息系统（主要以区域综合研究和全面信息服务为目标）地理信息系统工具（它是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。

是地理信息系统支撑软件）

1.3信息系统和土地信息系统

a.土地信息系统:

各种土地信息及其载体（包括文字、数据及各种土地专题图表）输入、存储、修改、量测、统计运算、分析和输出的技术系统。

b.组成p4:

计算机硬件系统（数据处理与管理设备:

LIS的数据处理、分析和管理设备是计算机系统。

可以是单独一套计算机，也可以是多台机联网使用.前运行LIS的计算机，包括大型、中型、小型机,工作站和微型计算机,中以工作站和微型机为主流.数据采集与输入设备:

目前使用较多的数据采集与输入设备是数字化仪、扫描仪、解析和数字摄影测量设备以及电子速测仪、GPS接收机等测量仪器.输出设备:

LIS是一种交互式图形图像分析处理系统，图形的显示和输出是重要的组成部分。

图形显示终端用于图形的交互式输入、编辑、分析、处理和输出。

各种绘图仪和打印机用于图形、文字和表格的输出.）计算机软件系统（计算机系统软件由计算机厂家提供的为用户开发和使用计算提供方便的程序系统。

通常包括操作系统、编程语言、各种库文件及各种维护使用手册.）土地空间数据（是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据.地信息系统的数据模型包括三个互相联系方面：

某个已知坐标系中的位置;实体间的空间相关性;与几何位置无关的属性）系统开发、管理和使用人员（人是土地信息系统中重要构成因素，LIS不同于一幅地形图，而是一个动态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还构不成完整的土地信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序等工作.）

c.土地信息系统功能与分类：

土地信息系统的功能（为地籍管理、土地定级估价、土地利用动态监测、土地利用规划管理、建设用地管理、土地评价、耕地保护、土地监察、土地整理、土地档案资料管理和统计分析等业务的提供技术支持.）按照作用分类（空间分析信息系统

;自然资源清查系统;城市信息系统;规划和评价信息系统.）按照系统功能分类（地形信息系统

;专题信息系统;土地资源管理信息系统;地籍管理信息系统;城镇土地定级估价信息系统.）按照功能的复杂程度分类（专题性土地信息系统;区域性土地信息系统;综合性土地信息系统.）

d.土地信息系统研究的内容:

地籍管理;土地定级估价;土地利用动态监测;耕地保护;建设用地管理;土地利用规划.

e.土地信息系统研究法归纳:

信息技术研究法;空间分析法;地理比较法;模型模拟法.

1.4土地信息系统的发展与应用

a.土地信息系统的发展概况:

国外发展历程（战后1950年代后期数字地图概念的产生;1960年代中期世界上第一个地理信息系统CGIS;1970年代存储设备技术、遥感技术的应用;1980年代初期微型计算机的应用;1990年代微型计算机、机网络技术、卫生遥感技术的发展，“数字地球”概念的提出.）我国土地信息系统的发展历程：

准备（1970年代）试验阶段（1980年代）应用普及阶段（1990年代）

b.土地信息系统的发展趋势：

遥感技术、全球定位技术与土地管理信息系统技术更加融合；

土地管理信息系统高度集成化；网络化要成为土地管理信息系统一种发展趋势；土地信息面向人民大众.

c.土地信息系统的应用：

资源清查；城乡规划；地籍管理

d.我国土地信息系统发展存在问题：

土地信息的标准化；土地信息管理技术规程的制订；土地信息管理的人员培训.

e.土地管理信息系统学科前沿问题：

时空数据表达与分析问题;网络化空间数据管理问题;异构、多精度数据复合问题;元数据问题;海量数据管理问题;从数据库中发现知识问题.

f.建立土地信息管理系统的目的:

1实现土地资源信息的科学管理，提供信息服务.实现土地资源资料信息的现代化管理.增加数据资料的使用频率.为全社会提供土地资源信息服务2.实现土地资源信息的动态监测.采用最新的信息源，对土地资源的状况进行动态监测，并对土地资源数据库实施快速变更，从而为管理部门提供动态实时信息.3实现土地资源的综合评价和分析研究.LRIS要为土地利用规划研究提供土地资源的数量、质量、分布、特征和开发利用条件，以及土地承载力，治理保护的可能与策略等信息及土地资源综合评价和分析的手段.4提供土地利用规划研究和开发治理的方案引入系统分析的理论与方法，在土地资源数据库的支持下，开展土地资源开发利用优化模型开发，提供土地利用整治、规划方案选择，为领导部门提供辅助决策依据.5为经济信息系统提供土地资源的背景数据和空间定位信息.6存储和处理多种形式的土地资源信息的功能.野外观测资源;遥感遥测资料;实地考察资料;各类专题图件;统计数据.7土地资源信息的查询检索和更新功能.存贮在土地资源数据库中的各类信息，可以多种形式向用户提供服务，而数据的现势性又成为土地资源信息系统存在的关键，因而系统中的数据库必须能随时更新，同时能将过时的有用数据资料复制归档保存.8土地资源数据的数据统计分析功能.能按多种方式对各类土地资源数据进行统计分析，系统要能按不同要求提供服务。

同时这些数据信息能为多目的用户所调用，从而实现土地资源信息全社会共享.9土地资源综合分析评价功能.系统能实现对各种土地资源要素进行综合评价分析，并要保证分析研究结果全面、可靠；还应能采用多种评价方法快速地产生评价结果，从中选择最佳者.10辅助土地资源利用、开发治理规划决策功能.发挥数据库的优势，采用数学和系统工程的方法，实现土地资源定性分析和定量化研究相结合的规划研究方法.11具有多种输出功能.各类图形;图表;数字;文本.

第二章土地信息系统的空间数据结构

2.1数据模型与数据结构

a.为了便于研究问题，人们通常把数据结构问题抽象成四个层次：

现实世界（客观存在的事物，其中某些特征可用数据来表达）数据模型（根据未来使用上的要求和事物的特征用概念化的语言和示意图来描述现实世界）数据结构（用逻辑关系图、列表、矩阵来表达数据模型，并用某些数据项来反映现实世界以及数据之间的逻辑关系.是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构）文件结构（用数据项表示数据在计算机硬件中的储存方式，通过用计算机语言编制的程序可以实现这种方式，并可以读、写数据）

2.2空间数据

a.表达土地空间实体的数据:

空间数据属性数据时间数据

b.空间数据:

描述地球表面及近地空间实体的位置、形状、属性和时序特征的数据.

c.空间数据结构:

是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构.

d.空间数据结构分类：

矢量结构栅格结构矢量结构与栅格结构的对比矢量栅格一体化数据结构三维数据结构

e.矢量数据结构：

是通过坐标值来精确表示点、线、面等地理实体的.简单矢量数据表示法:

地图矢量数据表示法的最基本要素是坐标点，最常用的是二维笛卡儿平面直角坐标系，这和平面解析几何对物体的描述十分相似.

f.拓扑型的数据结构:

在地理信息系统中，对于凡具有网状结构特征的地理要素，都存在结点、弧段和多边形之间的拓扑结构.拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法。

在地理信息系统中，它不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义.空间数据的拓扑关系:

拓扑邻接拓扑关联拓扑包含空间数据采用拓扑数据结构的意义:

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种地理实体的空间位置关系;利用拓扑数据有利于空间要素的查询;可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体.拓扑结构的优点:

描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体坐标位置;

用拓扑表所表达的空间关系信息丰富、简洁;便于作多边形和多边形的叠合;便于检查数据输入过程中的错误.拓扑结构的缺点：

.拓扑关系的建立比较复杂；数据结构本身比较复杂.

g.栅格（Raster）/网格数据结构：

是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构.其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征.栅格数据的优点:

这种数据结构很适合计算机处理.因为行列像元阵列非常容易存储、维护和显示.栅格数据的缺点:

用栅格数据表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据，是地表一定面积内（像元地面分辨率范围内）地理数据的近似性，如平均值、主成分值或按某种规则在像元内提取的值等;栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。

像元大小相对于所表示的面积较大时，对长度、面积等的度量有较大影响，这种影响还与计算长度、面积的方法有关.

栅格模型和矢量模型的比较与转换

矢量模型

栅格模型

优点

优点

1．数据存储量小

1．数据结构简单

2．空间位置精度高

2．多种地图叠合分析方便

3．空间关系描述方便

3．容易描述边界复杂的事物

4．查询与更新方便

4．能直接处理数字图像信息

5．普通地图可直接手工数字化

5．能直接用攒格状设备输出图形

缺点

缺点

1．数据结构复杂

1．数据储存量大

2．多种地图叠合分析较困难

2．空间位置精度低

3．边界复杂的事物难以描述

3．难以表达线状、网络状的事物

4．不能直接处理数字图像信息

4．输出地图不美观

第三章土地空间数据获取与土地信息编码

3.1土地空间数据的特征及表示方法

a.土地空间数据的特征:

属性特征（非定位数据.属性特征表示实际现象或特征，例如变量、级别、数量特征和名称等.）空间特征（定位数据.空间特征表示土地的空间位置,例如笛卡尔坐标等）时间特征（时间尺度.时间特征指土地数据随时间的变化，其变化的周期有短期的、中期的、长期的等）

b.土地空间数据的表示方法:

土地空间数据类型（类型数据:

例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等;面域数据：

例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等;网络数据：

例如道路交点、街道和街区等;样本数据:

气象站、航线和野外点;曲面数据:

高程点、等高线和等值区域;文本数据:

地名、河流名称和区域名称;符号数据:

点状符号、线状符号和面状符号）测量尺度（测量的尺度大致可以分成四个层次，由粗略至详细依次为命名或类型次序

间隔以及比例命名量:

对数据定性而非定量的描述，不能进行任何算术运算。

例如，可以用不同数值表示不同的土地利用类型、植被类型或岩石类型，但是这些数值之间无数量关系.次序量:

线性坐标上不按值的大小，而是按顺序排列的数，例如，事故发生危险程度的级别由大到小被标为1，2，3，…..间隔量:

不参照某个固定点，而是按间隔表示相对位置的数。

按间隔量测的值相互之间可以比较大小，并且它们之间的差值大小是有意义的。

例如，温度大小的表示.比率量:

比例测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据，比例测量尺度与使用的测量单位无关.）

c.数据质量的基本概念:

数据质量则是空间数据在表达这三个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性以及它们三者之间统一性的程度.准确性精度空间分辨率比例尺

误差不确定性

d.土地空间数据的误差来源:

空间现象自身存在的不稳定性空间现象的表达空间数据处理中的误差空间数据使用中的误差

e.常见空间数据的误差分析:

几何误差（由于地图是以二维平面坐标表达位置，在二维平面上的几何误差主要反映在点和线上.）、属性误差、时间误差和逻辑误差（逻辑误差:

数据的不完整性是通过上述四类误差反映出来的。

事实上检查逻辑误差，有助于发现不完整的数据和其他三类误差.对数据进行质量控制或质量保证或质量评价，一般先从数据的逻辑性检查入手.）

f.土地空间数据质量控制数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差。

空间数据质量控制常见的方法有:

传统的手工方法元数据方法地理相关法

第三章土地空间数据获取与土地信息编码

3.1土地空间数据的特征及表示方法

3.1.1土地空间数据的特征

属性特征（非定位数据）属性特征（非定位数据）：

表示实际现象或特征，例如变量、级别、数量特征和名称等。

;空间特征（定位数据）;空间特征（定位数据）：

表示土地的空间位置，例如笛卡尔坐标等。

时间特征（时间尺度）:

.指土地数据随时间的变化，其变化的周期有短期的、中期的、长期的等。

3.1.2　土地空间数据的表示方法

（1）土地空间数据类型

类型数据：

例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；

面域数据：

例如随机多边形的中心点、行政区域界线和行政单元等；

网络数据：

例如道路交点、街道和街区等；

样本数据：

气象站、航线和野外点；

曲面数据：

高程点、等高线和等值区域；

文本数据：

地名、河流名称和区域名称；

符号数据：

点状符号、线状符号和面状符号

（2）测量尺度

测量的尺度大致可以分成四个层次，由粗略至详细依次为：

a命名或类型b次序c间隔以及比例。

命名（Nominal）量:

对数据定性而非定量的描述，不能进行任何算术运算。

例如，可以用不同数值表示不同的土地利用类型、植被类型或岩石类型，但是这些数值之间无数量关系。

土地利用现状分类（1984）:

８个一级类、４６个二级类。

7.水域

71、河流水面

72、湖泊水面

73、水库水面

74、坑塘水面

75、苇地

76、滩涂

77、沟渠

78、水工建筑物

79、冰川及永久积雪

8.未利用土地

81、荒草地

82、盐碱地

83、沼泽地

84、沙地

85、裸土地

86、裸岩、石砾地

87、田坎

88、其它

4.牧草地

41、天然草地

42、改良草地

43、人工草地

5.居民点及工矿用地

51、城镇

52、农村居民点

53、独立工矿用地

54、盐田

55、特殊用地

6.交通用地

61、铁路

62、公路

63、农村道路

64、民用机场

65、港口、码头

次序（Ordinal）量

线性坐标上不按值的大小，而是按顺序排列的数，例如，事故发生危险程度的级别由大到小被标为1，2，3，…..。

间隔（Interval）量

不参照某个固定点，而是按间隔表示相对位置的数。

按间隔量测的值相互之间可以比较大小，并且它们之间的差值大小是有意义的。

例如，温度大小的表示。

比率（Ratio）量

比例测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据，比例测量尺度与使用的测量单位无关。

如年降雨量、海拔高度、人口密度、发病率等。

命名数据或次序数据便于使用，易于理解，但有时不够精确，不能用于较高级的算术运算。

而比例数据或间隔数据比较精确，便于计算机处理。

3.1.3土地空间数据质量

1）数据质量的基本概念

数据质量则是空间数据在表达这三个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性以及它们三者之间统一性的程度。

准确性（Accuracy）精度（Precision）空间分辨率（SpatialResolution）比例尺（Scale）

误差（Error）不确定性（Uncertainty）

（2）土地空间数据的误差来源：

空间现象自身存在的不稳定性）空间现象的表达）空间数据处理中的误差

数据的主要误差来源

地图数据：

地图固有误差）材料变形产生的误差）图象数字化误差

遥感数据：

遥感仪器的观测过程）遥感图象处理和解译

测量数据：

系统误差）操作误差）偶然误差

（3）常见空间数据的误差分析

归纳起来，数据的误差主要有四大类，即几何误差、属性误差、时间误差和逻辑误差。

也可能有：

属性误差和时间误差

逻辑误差：

数据的不完整性是通过上述四类误差反映出来的。

事实上检查逻辑误差，有助于发现不完整的数据和其他三类误差。

对数据进行质量控制或质量保证或质量评价，一般先从数据的逻辑性检查入手。

几何误差：

由于地图是以二维平面坐标表达位置，在二维平面上的几何误差主要反映在点和线上

点误差：

某点的点误差即为测量位置（x，y）与其真实位置（x0，y0）的差异。

点误差可通过计算坐标误差和距离的方法得到。

坐标误差定义为：

Δx=x-x0Δy=y-y0

线误差：

线在LIS中既可表示线性现象，又可以通过连成的多边形表示面状现象。

线性特征的误差主要产生于测量和对数据的后处理以及在确定线的界限时的误差。

3.1.4土地空间数据质量控制

数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差。

空间数据质量控制常见的方法有：

传统的手工方法）元数据方法）地理相关法

元数据：

是关于数据的描述性数据信息。

元数据的类型：

按内容分：

科研型元数据）评估型元数据）模型元数据。

按描述对象分：

数据元数据）属性元数据）实体元数据

元数据的应用：

帮助用户获取数据）空间数据质量控制）在数据集成中的应用

使用元数据的原因：

性能上的原因：

完整性扩展性特殊性安全性；功能上的原因：

查错功能浏览功能程序生成

空间数据元数据的获取：

空间数据元数据的获取是个较复杂的过程，可以概括为三个阶段，五种方法

第一阶段：

根据要建设的数据库的内容而设计的元数据。

包括：

普通元数据、专指性元数据；第二阶段：

随数据的形成同步产生第三阶段：

在上述数据收集到以后，根据需要产生的。

包括数据处理过程描述、数据利用情况、数据质量评估、拓扑关系等。

获取方法

键盘输入关联表测量法计算法推理法

3.1.5　土地空间数据获取

地图的数字化录入是主要方式地图数字化：

当纸地图经过计算机图形图像系统光——电转换量化为点阵数字图像，经图像处理和曲线矢量化，或者直接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸地图相对应的计算机数据文件称为矢量化电子地图。

3.1.6土地空间数据录入后的处理

1）图形修改

2）2）建立拓扑关系：

在图形数字化完成后，对于大多数地图需要建立拓扑，以正确判别地物之间的拓扑关系。

在图形修改完毕之后，就意味着可以建立正确的拓扑关系，拓扑关系可以由计算机自动生成，目前大多数GIS软件也都提供了完善的拓扑功能。

3）（3）接边：

地图一般是分幅输入的，把相邻两幅图拼起来时，在交接处会有错位，利用专门的接边程序（edgematching，也称边缘匹配）可消除这一问题。

接边程序的计算方法应考虑常见的误差不因接边而明显扩大；接边处理一般有两种用途：

一种是把分幅数字化的地图合并为一幅。

另一种是在连续空间数据库环境里，分幅数字化的地图应先和相邻的数字化地图作接边处理后才能入库。

4）（4）核对：

如果数据是分层多次输入到数据库中，