武汉大学地理信息系统重点.docx

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武汉大学地理信息系统重点

第一章

GIS：

对地理实体和地理现象的特征要素进行获取、处理、分析、应用等的计算机空间或时空信息系统。

地理空间实体：

具有地理空间参考位置的地理实体要素，具有相对固定的空间位置和关系，具有特定的属性（静态、动态空间对象，离散、连续特征要素）

地理现象：

发生在地理空间中的地理事件特征要素，具有空间位置、关系和属性随时间变化的特性。

空间对象：

地理空间实体和地理现象在空间或时空信息系统中的数字化表达形式，具有随表达尺度而变化的特性。

（离散、连续对象）

联系：

空间对象是数字化表达，地理空间实体和地理现象在现实中客观存在。

GIS的五个基本特点：

1、GIS以计算机系统为支撑

2、GIS操作对象是空间数据

3、GIS有对地理空间数据进行空间分析、评价、可视化和模拟的综合利用优势

4、GIS具有分布特性

5、GIS的成功应用更强调组织体系和人的因素

GIS以应用需求为驱动，以技术为引导。

为什么需要GIS：

1、地理数据维护管理不善，修订更新搜索不易

2、制图和统计方法落后，分析不易

3、空间数据和信息不准确

4、缺乏空间数据恢复和共享服务

5、可提高人员生产力和决策管理水平，节省时间资金

6、可得到更多地理信息附加产品

信息系统：

四大要素：

硬件、软件（计算机程序）、数据、用户

分类：

事务处理系统（处理日常事务，民航订票系统）、管理信息系统、决策支持系统（用以获得辅助决策方案），人工智能和专家系统（智能推理）

地理信息系统：

组成：

硬件、软件系统，数据，空间分析（重要功能，为解决各类空间问题提供分析应用工具），人员

硬件：

包括计算机主机、存储设备、数据输入输出设备等

包括

单机系统结构模式（一台计算机为核心，单用户使用，单层：

一台计算机）、

GIS企业内部网系统结构模式（C/S模式，企业或组织内部使用，两层：

服务器、客户机）、

GIS因特网系统模式（B/S模式，因特网多用户使用，三层：

GIS服务器、WEB服务器、客户端浏览器）

软件：

下两层系统软件与硬件相关（操作系统，管理、工具软件），上三层实现GIS功能（GIS基本功能软件、应用软件、用户接口或通信软件），中间为标准软件（数据库系统等）

GIS基本软件功能由六大子系统组成：

1、空间数据输入与格式转换子系统

2、图形与属性编辑子系统：

符合数据结构，统一参照系，严格编码和分层

3、数据存储与管理子系统：

由特定数据模式或结构来描述，由数据库管理，数据模型经历了：

层次模型→网络模型→关系模型→地理相关模型（Coverage）→地理关系模型（Geodatabase）→面向对象的模型→对象-关系模型（地理关系模型）

4、空间数据处理与分析子系统

5、空间数据输出与表示子系统：

地图、表格、决策方案、模拟显示结果等形式

6、用户接口：

用户和系统交互的工具

数据：

空间数据，属性数据

地理数据：

数字线划数据，数字栅格数据，数字高程模型，数字正射影像

空间数据质量评定：

准确度，精度，不确定性，相容性，一致性，完整性，可得性，现势性

地理空间数据库：

地理数据的直接组织结果，提供数据库管理系统进行管理。

（基础、专题数据库）

空间分析：

地理信息系统应用的重要因素，为计算和回答各种空间问题提供有效基本的工具集。

GIS的空间分析能回答五类问题：

1、位置问题：

绝对（地理坐标确定）、相对（空间关系确定）位置，某地是什么

2、条件问题：

寻址，面积大约1000平米且位于水边

3、变化趋势问题：

城市扩张，土地沙化

4、模式问题：

分析事件原因，某交通路口常发事故，某地犯罪率高的因果关系

5、模拟问题：

某地会发生什么，洪水地震等

五类问题分为

科学解释：

科学解释发生在地理空间中的现象、规律等

空间管理决策：

对人类干预或科学开发利用地理进行宏观和微观决策

人员：

系统管理人员，数据处理及分析人员，终端用户，GIS专业人员，组织管理人员，应用领域专家

GIS与相关学科关系：

1、信息科学是方法论的源泉

2、3S，VR，网络传输，模式识别：

产生和发展的动力

3、资源、环境、生态科学是核心

4、计算机科学、图形图像学，测绘制图学是表达描述的工具

5、经典地理学是理论基础

6、数字地球理论是发展的推动力

GIS发展：

三大因素：

1、计算机技术发展

2、空间技术（遥感）发展

3、对海量空间数据处理管理利用的应用牵引

阶段：

1、1950-60GIS开拓期：

注重空间数据的地学处理。

加拿大GIS

2、1970巩固发展期：

注重空间地理信息的管理。

一是资源开发、环境保护成为政府的难题，二是计算机技术发展，数据处理加快，三是专业人才不断增加

3、1980大发展时期：

注重空间决策支持分析。

许多公家启动大型科研项目，应用从解决基础设施的管理规划转向区域开发，与遥感一起开始解决全球性问题

4、1990用户时代：

GIS成为许多机构必备工作系统，社会对GIS的认识提高，因特网技术发展，大范围共享地理信息成为趋势，被列入国民经济发展规划

5、21世纪初空间信息网格和云计算时代

空间信息网格（SIG）：

一种汇聚和共享地理分布海量空间信息资源，对其进行一体化组织与处理，从而具有按需服务能力的空间信息基础设施。

云计算：

基于互联网的超级计算模式，把储存于个人终端的大量信息和处理器资源集中，协同工作，可扩展信息技术能力向外部客户作为服务来提供的一种计算。

云计算：

一切皆服务。

软件、平台、基础设施既服务。

GIS和云计算：

GIS大规模缓存、数据，高强度分析，云计算弹性存储、计算、平行，GIS云存储，云分析与服务，云应用

GIS应用：

自然科学：

城市规划、管理、排水，房产管理

社会经济：

宗教分析、警用GIS

地球系统科学：

研究地球系统各个圈层之间的相互关系、作用机制，地球系统变化规律和控制变化的机理，为预测全球变化，解决人类面临的问题建立科学基础，并为地球系统科学管理提供依据。

地球系统：

大气、水、岩石、生物圈

人类面临的四大问题：

人口、资源、环境、灾害

地球系统科学的科学思维方法：

1、系统方法：

将地球作为整体系统研究

2、分析与综合法：

从分析到综合，从综合到分析的思维方法

3、模型方法：

建立正确的数学模型，描述过程推演、预测变化

地球信息科学：

地球系统科学的组成部分，研究地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流，或以信息流作为纽带的物质、能量流，包括人流、物流、资金流的科学

信息流程：

信息获取→存储检索→分析加工→最终视觉产品（→信息服务）

地球空间信息科学：

以3S为主要内容。

并以计算机和通信技术为主要技术支撑，用于采集、分析、管理、显示、应用与地球和空间分布有关的数据的综合集成信息和科学的学科，地球科学的前沿领域，地球信息科学的重要组成部分，以3S技术为代表，包括通信技术、计算机技术的信息学科。

概念比地理信息科学广，包含了很多交叉学科的内容，融汇了很多计算机技术，更侧重技术集成和应用，更强调空间

地理信息科学：

信息时代的地理学，新的技术平台、观察视点和认识模式下的地理学的新范式，关于地理信息的本质特征和运动规律的科学，地球信息科学的重要组成部分，理论、技术、应用构成地理信息科学的内容体系，利用计算机技术对地理信息进行处理

地理信息科学的提出来自：

1、技术与应用的驱动

2、学科融合与地理综合思潮的逻辑扩散

经典地理学（人力测绘）→计量地理学（数学语言）→地理信息科学（信息技术）

GIS技术基础：

1、地理空间数据采集技术：

信息获取更新是关键、瓶颈，3S激光扫描数字测图

2、计算机网络工程技术/传感网/物联网：

基础

传感网：

集成有传感器的微小节点组成的无线网络

物联网：

物与物相连的物联网，任何物体都可通过传感器与互联网连接，可在网络间进行信息交换和通信

物联网工作步骤：

对物体属性进行表示，静态属性直接存储在电子标签中，动态属性高实施探测，通过射频识别设备完成属性读取，将信息转换为适合网络传输的数据格式，将信息通过网络传输到处理中心，计算后进行交换通信

射频识别（RFID）：

物联网关键技术，利用射频信号实现无接触信息传递，达到物体识别的目的。

3、现代通信技术

通信技术：

传递信息的技术，通过传输系统和交换系统将大量用户终端连接起来的数据传递网络。

包括光纤、卫星、数字微波通信。

4、软件工程技术

软件工程：

指导计算机软件开发和维护的工程学科，把经过时间考验，证明正确的管理技术和当前最好的开发技术结合起来的工程

软件开发方法：

生命周期方法（瀑布模型，冻结需求）、快速原型方法（螺旋模式，迭代，加入风险分析）、面对对象方法（面对对象分析、设计、编程）、组件对象方法（组件对象模型，基于程序开发部件集成）

演化模型：

先给出核心需求，需求实现后用户提出反馈喷泉模型：

多次重复

5、信息安全技术：

应满足信息（数据）的保密性、认证、不可否认性、完整性，信息安全技术：

公钥基础设施、防火墙技术、信息伪装技术

6、网络空间信息传输技术

7、虚拟现实技术（VR）与仿真技术：

VR通过系统生成虚拟环境，用户通过计算机进入虚拟的三维环境，身临其境地与虚拟世界交互，来完成用户需要的各种虚拟过程，VR可用于数字工程，其发展必须有大容量的数据存储，快速地数据处理和宽带信息通道的技术支撑

第二章

地理学：

研究地表地理环境的结构分布、发展变化的规律性以及人地关系的学科

自然地理学：

研究自然环境及其变化规律

人文地理学：

研究人地关系

系统地理学：

研究地理环境的整体或某一地理要素的规律性

区域地理学：

以一区域为研究对象

应用地理学：

研究某一特殊问题的地理因素

现代地理学的发展阶段：

1、地理学定量分析为特点

2、以图形学为特点，注重数量的空间关系，3S融入发展到地球空间信息学

3、引入GIS，产生地理信息科学

提出地理信息科学的三种观点：

1、信息社会：

地理信息科学是信息社会的地理学思想

2、信息科学：

地理信息科学是面向地理空间数据处理的信息科学

3、地理信息认知：

地理信息是人类对地理空间的认知

GIS和地理学的关系：

1、地理学是理解世界的基础科学，GIS使地理学得到应用

2、地理学进一步研究需要GIS支持，GIS开发需要对地理问题的深入认识

3、GIS的发展可使地理学家通过所建立的虚拟世界，亲自感受认知地理学知识

4、数值模拟和定量化研究的加强加深了人们对地理系统的认识

地理信息科学受到以下因素影响：

1、客观实践的需求促进发展

2、科学思想：

线性到非线性，对地球的认识需要新的指导理论

3、科技推动力

4、现代技术成就

信息和数据：

数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。

信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。

信息具有客观性（与客观事实紧密相关），适用性（为特定对象服务），可传输性，共享性。

联系和区别：

1、信息由的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。

2、数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义。

3、数据是记录下来可以识别的符号，不随载体的物理设备形式的改变而改变。

4、信息可以离开信息系统存在，数据的格式往往与计算机系统和物理设备有关。

5、数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。

6、不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。

地理信息：

有关地理实体和地理现象的性质、特征、运动状态的表征的知识，对表达地理特征额地理现象之间关系的地理数据的解释。

独特特性：

空间分布性（空间定位特点，在区域上分布）、多维结构（同一位置获得多个专题和属性信息）、时序特征（动态变化）、数据量大（空间，时间）。

地理数据：

各种地理特征和现象之间关系的符号化表达。

包括空间位置特征、属性特征（非空间特征，地理实体定性定量指标）、时态特征

物质信息：

地理实体的物质成分、结构、空间分布等性质和状态的表征或一切只是，物质的流动形成物质流

能量信息：

有关地理实体的能量特征，如重力、磁力等的性质、特征的一切知识，能量的流动产生能量流

信息过程：

采集，传递，加工处理

地理系统：

特定时间空间的，由两个以上相互区别又联系、制约的地理要素或过程组成，并具有特定的功能和行为，与外界环境相互作用，能自动调节的具有自组织功能的整体

地理要素：

资源、环境、经济、社会、地质、气候、土壤、植被、水文

地理系统的自组织：

系统在无外界的强迫条件下，自发的形成的有序行为，能调节自身功能，其结果表现为系统的平衡状态

认识地理系统，有助于：

1、明确地理实体、地理现象或地理过程的客观特征

2、获取和利用地理系统中的物质、能量信息，揭示地理信息的客观规律，为地理过程的建模提供依据

耦合：

一定时空尺度上，自然、社会、人文和经济等要素之间的关系，对耦合关系的研究是进一步探索物质能量信息流的重要途径（资源与环境的耦合等）

地球信息科学的内容：

1、阐明系统内各要素及其过程的发展及规律

2、探索地理信息形成、传递的机理和模式

3、探索系统地稳定性及其安全问题

4、挖掘新技术在其方面的新应用

5、开拓信息服务产业

地理信息科学基本框架：

基础理论体系：

地理信息的研究

方法体系：

空间数据分类、编码、坐标转换等

应用体系：

区域可持续发展、全球变化等

地理信息科学的重要理论：

与地理系统有关的理论

1、混沌理论：

研究从紊乱中寻找规律，研究如何自组织

自相似理论（局部与整体相似的理论）、分形分维理论（从分形几何学中发展，是自相似理论的一种）

分形：

任意小尺度有复杂细节；自相似性；不规则形（难用几何语言描述）；分形维数大于拓扑维数；可由迭代生成

2、地理系统协同论：

地理系统各要素既有协同性又有制约性，各要素相加具有非线性特征，结果可能大于和也可能小于和，由系统地结果或有序程序决定，序参量（气候地形是农林牧系统地序参量）与系统配合得好效果就好

3、人地系统理论：

可持续发展，资源环境社会经济协调发展，地球容量有限，不影响后人的需求，不宜破坏为代价发展经济

4、地理系统的整体性和分异理论：

整体性（资源环境经济社会综合体）与分异性（地表物质能量分布不均造成，存在地带性规律）统一

5、地理空间结构与空间区位理论：

地理空间结构与功能具有区位特征

地理空间结构：

一定区域内，资源环境经济社会的耦合及配套关系

地理空间结构功能：

区域所具有的发展潜力大小，或可持续发展潜力大小

地理空间区位：

一定区域内对社会经济发展的有利部位

地理信息理论：

地理科学理论与信息科学理论相结合，主要研究地理信息熵、地理信息流、地理空间场、地理实体电磁波、地理信息关联等理论

1、地理信息熵：

信噪比，信息噪声之比，度量信息载体的信息能量

2、地理信息流：

物质能量分布不均产生，依附物质能量流存在，地理信息系统就是研究物质能量信息流的特征机理和可预见性

3、地理空间场：

不同地理实体物质成分不同可形成不同的空间场

4、地理实体电磁波：

不同的电磁波辐射特征

5、地理信息关联理论：

研究地理信息的联系，把握变化的信息之间的关系

地理空间认知理论：

地球空间信息科学和地理信息系统地公认基础理论

认知：

人认知和感知生活中经历的过程的总称，包括感受、想象、记忆、学习等

地理空间认知：

研究人怎样认识赖以生存的环境，包括位置，分布，变化规律等

地图空间认知：

通过描述地理环境的地图来进行，认知制图、心象地图

认知制图：

利用计算机模拟

心象地图：

不呈现在眼前的对环境的心理表征，在对环境多次感知的基础上形成，通过实地考查，阅读文献，使用地图等方式建立

认知过程：

感知→表象→记忆→思维

感知：

作用于人的视觉器官产生感觉

表象：

在知觉基础上产生表象，通过回忆联想印象再现

思维：

概括性，间接性，对世界的认识，从现象到本质的转化

GIS两大类特殊概念：

1、地理实体和地理现象

2、时空特征和空间关联特征（研究比较弱，何时何地）

时空集成问题、时空的表达：

GIS动态变化的表达需求，如何更好表达时间空间

应用角度：

要求更好的时空集成方法、心得地理实体和地理现象的表达方法

时空GIS（TGIS）：

采集分析显示与地理实体随时间变化信息的计算机系统

发展：

1、以研究空间和属性为主的传统GIS

2、以研究属性和时间为主的时态数据库

3、以研究空间和时间为主的图形动画

4、以三者（空间、时间、属性）并重的时空GIS（相对前三者起步晚，新领域）

GIS空间社会分析与调查（空间观表达）：

1、社会调查应用需求：

空间化、可视化、定量化

2、应用于人文社会科学的新方法

3、GIS支持下的空间抽样（调查前，抽样结果空间化、可视化，内容：

地址编码，概率抽样，结果可视化），GIS和GPS支下的调查辅助（路径规划，轨迹记录，问卷结果录入等）和行为轨迹分析（调查员行为规律，基于被访者位置和调查路线的工作分配）（调查中），空间数据统计分析（调查后，非空间数据空间化）

行为轨迹分析的研究内容：

1、行为轨迹与人文社会交互及关联理论：

分析关联机制

2、GPS轨迹与人类活动设施和社会因素的关联分析

地理信息科学方法概论

1、地理信息本体论：

继承科学哲学中的思路，反映地理信息的特征等，在认识论和方法论的指导下阐述地理信息的本质

知识表达工具，知识表达关联的方法

阻碍地理信息共享的原因之一是不同系统间的语义冲突，该问题本体论发挥作用

本体：

某一领域的共享概念化模式的形式化和显示的说明规范

地理本体：

把有关地理的知识信息数据抽象成具有共识的试题，按照一定关系进行概念化处理和明确的定义，最后以形式化表达的方法，比如对草地，给予一个定义，每平方米的植被树木在a和b之间，电磁波谱范围在c和d之间

2、地理信息科学方法：

以信息对象研究总结出的整体思维方法

3、地理信息技术方法

地理信息科学方法：

1、图形-图像思维方法

2、数学模型方法

3、地学信息图谱方法

4、智能分析与计算方法

5、模拟和仿真方法

6、综合集成方法：

定性定量基础，归纳演绎集成等

地理信息技术方法：

1、地理信息采集和监测技术方法：

GPS,GIS

2、地理信息管理技术方法：

数据库

3、地理信息处理、分析和模拟技术方法：

基于位置的空间地位服务（LBS）

4、地理信息表达技术方法：

地图

5、地理信息服务技术方法：

地图服务，辅助决策服务

6、地理信息网格技术：

地理信息网格计算、分析、共享、服务

7、地理信息5S集成技术方法：

GIS-RS-GPS-DSS-MIS

第三章

建立地理空间数据库的空间参考系统是为了描述绝对空间中的几何属性和相对空间中的空间关系。

绝对空间：

描述地理空间对象空间位置几何元素，由坐标值和几何特征元素组成

相对空间：

表现为不同空间对象之间的非图像化逻辑关系

GIS中使用的空间参考系统：

地理坐标系统，地图坐标系统，线性参考系统

地理坐标系统：

球面坐标系，确定地理空间实体在地球表面上位置的参考系统，由椭球体和大地基准面组成

参考椭球体：

假象平静海水面形成的大地体

大地基准面：

假设海水面处于完全静止的平衡状态时的海面，且地球重力方向处处政教的连续闭合水准面

地理空间参照系（地理坐标系、投影坐标系）不同则不同同层无法再空间上配准

地理坐标系：

经纬度坐标系（表时差）

投影将球面的地理坐标系变为平面坐标系

投影坐标系统：

极坐标，直角坐标（确定二维平面位置）

高程系：

地面点至平均海水面的垂直高度

经纬网：

经线纬线构成，地理坐标网

方里网：

平行于投影坐标系的坐标轴的两组平行线构成的方格网，每隔整公里绘出，直角坐标网

地图投影：

三维球面转换到二维平面，透视投影

投影变形：

长度、角度、面积变形

投影类型：

等角投影（正形，正射）：

局部形状相似，面积不一定相等，面积大形状也会变

等面积：

面积不变，角度形状等变

等距离：

都变，但面积变形小于等角，形状变形小于等面积

选择投影以减少图上变形为目的，最好使等变形线与制图区域轮廓形状基本一致

地图投影在GIS中的重要性：

1、空间数据必须通过投影转换为地理坐标才能装入GIS中

2、当需要显示或输出图像时须将地理数据库中的地理坐标投影变换成投影坐标

GIS地理空间：

投影变换后在笛卡尔坐标系中的地球表层特征空间

我国投影使用情况：

1、基本比例尺，高斯克吕格投影

2、小于1:

50，正轴等割圆锥投影，兰勃特投影，其大圆航线为直线，有利于GIS空间分析度量正确进行

3、省区图，正轴等面积割圆锥投影

4、海上地图：

墨卡托投影

地图：

一个页面上对地图要素布局和组织的集合，线划地图，影像地图

地图框架是地图的主要元素，提供地信息的主要显示内容。

地图图层转换为地理信息通过以下表达实现：

1、按照点、线、多边形的离散特征

2、使用地图符号注记等描述

3、使用航空影像覆盖

4、等高线、高程点或地貌晕染

线划地图：

将复杂的三维地理实体投影绘制在二维平面上，用符号表示，点，线，多边形

影像：

记录了地理实体分布的写照模型，受空间分辨率影响

遥感影像：

记录地物光谱的辐射

连续地理空间数据场：

获取连续实体信息

离散地理空间数据场：

离散

连续实体要素：

表达时离散化，采用栅格数据形式

离散实体：

可单独识别，矢量数据

GIS数据表达的基本要求：

1、定义数据的表达类型

2、对不同数据进行空间建模

3、统一空间参考

4、数据分层组织和无缝图层原则

5、数据分类编码：

分类编码、标识编码（身份识别）

6、数据库存储和管理原则

7、数据集组织原则：

建立数据库或子数据集

8、空间索引要求：

数据查询检索

9、建立空间拓扑关系：

提高数据质量，计算效率，检查对象逻辑

10、建立元数据库：

数据字典

11、建立空间数据库：

对空间数据整合

元数据：

对空间数据的定义、内容、格式、参考系统、状态、日期等信息描述

GIS数据表达：

矢量、栅格、表面连续、属性、元

矢量数据：

坐标表示离散实体

实体店，标记点，面点，节点（表示图形形状），结点（起点终点）

简单线，有连接关系的线，无连接关系的线

弦列，拓扑连线，护短，线段

拓扑连线是两个结点或节点的连线，其方向可由结点或节点的顺序确定

全链，面链，网链

链是一个非相交线段和（或）弧的无分支而有方向的序列

弧不能相交

面

面状要素：

内面、G-多边形、GT-多边形、广义多边形、虚多边形等

内面，G多边形，GT多边形，广义多边形

矢量数据：

几何特征，属性特征

属性特征：

类别特征，说明信息或统计信息

属性字段：

名义值（电话，无排序），序数值（排序），区间值，比率值，循环值（0-360度）

栅格单元大小代表空间分辨率，可分层或分波段组织，取值可为栅格中心的值或整个单元的值

栅格数据四个用途：

1、底图：

扫描地图

2、表面数据：

浓度

3、专题地图：

土地利用分类

4、属性数据：

相片

连续数据表面：

等值线，等值域，栅格数据集成，不规则三角网表达

不规则三角网（TIN）：

连接的三角网络，每个三角形节点都具有坐标

元数据：

数据的数据，地图的元数据为比例尺，图名，图例等

元数据作用：

1、有助于建立数据文档，管理和维护数据

2、有助于用户查询利用

3、有助于数据交换传输

4、有助于了解数据质量，对数据使用做判断

5、提供数据互操作的基础

元数据内容：

1、对数据库描述

2、对数据质量描述

3、对数据处理信息说明

4、对数据转换方法说明

5、对数据库更新，集成说明

元数据描述对象：

图层，数据库系统，服务站点

元数据获取：

收集前（根据数据库内容设计），收集中（元数据随数据产生），收集后（描述管理）

五种方法：

键盘输入，关联法（从已存在数据中关联），测量法（测量估算比例尺），计算法，推理法

管理