《地理信息系统》讲义

第一章 导论 地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。（美国联邦数字地图协调委员会，FICCDC）。 1.2 地理信息系统的基本构成 GIS的基本构成一般包括5个部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。 系统硬件包括输入设备、处理设备和输出设备。 处理设备包括：个人电脑、工作站、主机系统和客户/服务器。 数据输入设备的作用是将地理数据转换成数字的形式存入计算机，以便进行处理和分析计算等工作。主要的输入设备有：图形手扶跟踪数字化仪、工程扫描仪和数字测量设备等。图形手扶跟踪数字化仪简称数字化仪，由3个部分组成：电磁感应板、游标和电子线路。工程扫描仪通常采用滚筒式或平推式的方法将大幅面地图卷入扫描仪进行扫描，生成高分辨率、真彩色的数字图像。再经过GIS软件屏幕数字化或矢量化，得到地理空间数据。 数字测量设备主要是地理数据的采集设备，通常有数字摄影测量工作站和全球定位系统（GPS）。 数据输出设备主要有：绘图仪、打印机、显示器和屏幕投影仪。它们的作用是为GIS软件提供用户操作的界面，并把GIS的最终成果展现给用户。 系统软件按照功能可以分为GIS功能软件、基础支撑软件和操作系统软件。 GIS基础软件平台的代表性产品，国外：ArcGIS、MGE、MapInfo、Idrisi和GRASS； 国内：SuperMap、MapGIS和GeoStar等等。 基础支撑软件主要包括系统库软件和数据库软件。 系统库软件提供基本的程序设计语言以及数学函数库等用户可编程功能，如C++运行库和编译系统等。数据库系统提供空间数据的存储和管理功能，如Oracle®、Microsoft® SQL Server、IBM® DB2和MySQL等。 操作系统是计算机系统中支撑应用程序运行环境以及用户操作环境的系统软件。其功能包括对硬件的直接监管、对各种计算资源（如内存、处理器时间等）的管理、以及提供诸如作业管理之类的面向应用程序的服务等等。目前常见的操作系统有：Microsoft Windows系列、UNIX/Linux系列和Apple Mac OS系列等。 第二章 地理信息系统的数据结构 2.1 空间数据结构的类型 一、矢量数据结构 用欧氏空间的点、线、面等几何元素表达空间实体的几何特征。将空间实体抽象成点实体、线实体、面实体及其组合实体的几何数据表达方法。 二、栅格数据结构 指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示空间实体的一种数据组织形式。栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，每个网格对应一种属性，网格的空间位置用行和列标识。 2.2 空间数据的获取和管理 空间数据按类型分为数字线划图、数字栅格图、数字正摄影像地图和数字高程模型。 数字线划图（Digital Line Graphics）是一种矢量地图数据，是通过矢量数据采集手段，将地理各要素分层提取、编辑、输入计算机，最终以矢量数据形式将数据存储到计算机中。DLG可以用来建立不同比例尺的矢量地图数据库。 数字栅格图（DRG）以数字图像Raster的形式存储的地图数据。 数字正摄影像地图（Digital Orthophoto Quad，DOQ）是遥感影像数据，主要来源于卫星遥感和航空遥感，包括多平台、多层面、多种传感器、多时相、多光谱、和多空间分辨率的遥感影像数据，是GIS最有效的数据源之一。 数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是表示地面高程的有序的数值阵列，可将这组数值阵列以可视化的方式表示。 第三章 空间数据处理 3.1 空间数据模型的转换 矢量与栅格数据结构优缺点的比较   优　　点 缺　　点 矢量数据结构 1.便于面向现象(土壤类、土地利用单元等)；2.数据结构紧凑、冗余度低；3.有利于网络分析；4.图形显示质量好、精度高。 1.数据结构复杂；2.软件与硬件的技术要求比较高；3.多边形叠合等分析比较困难；4.显示与绘图成本比较高。 栅格数据结构 1.数据结构简单；2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；4.输出方法快速，成本比较低廉。 1.图形数据量大；2.投影转换比较困难；3.栅格地图的图形质量相对较低；4.现象识别的效果不如矢量方法。 3.1.1 矢量向栅格的转换——栅格化 一个矢量点，转成一个其所在的栅格单元 一条矢量线，转成一串其经过的栅格单元 一个矢量面，转成一片其覆盖的栅格单元 一、点的栅格化 设：矢量坐标点（x，y） 转换后的单元行列值为I，J 栅格单元大小：dx，dy 栅格最小矢量坐标： xmin，ymin 则有： 二、线的栅格化 线段的栅格化: 先使用点栅格化的方法，栅格化线段的两个端点，然后用扫描线方法栅格化线段中间部分。 三、面的栅格化 方法一：内点填充法 1.线栅格化边界（赋属性值） 2.边界内部任取一个栅格为起点 3.填充起点邻域8个栅格（赋属性值） 4.以新的领域栅格为起点，继续重复第3步 5.直到所有的领域栅格都填充为止 方法二：边界代数法 1.全部栅格都赋值 0 2.沿着边界走，向上，则左边到边界所有栅格数值减去属性值 3.沿着边界走，向下，则左边到边界所有栅格数值加上属性值 方法三：包含检验法 对每个栅格单元，逐个判定其是否包含在某个多边形之内，并给其赋以包含该栅格单元的多边形属性值。 3.2 空间内插技术 空间内插（interpolation）又称空间插值，是建立数字高程模型(DEM)等连续分布地理现象的关键技术之一。 逐点加权平均法：对于每个待插点P，可选取其邻近的 n 个已知数据点的高度值进行加权平均。 不同的已知数据点因为相对于待插点的距离不同，对待插点的高程插值影响程度是不同的。所以，在加权平均时，一般采用与距离相关的权函数，如： pi = 1 / rik pi 是已知数据点i的权，ri是待插点到已知数据点i的平面距离，k是幂。 采用这种权重的方法又称反距离权重插值方法。 第四章 地理信息系统空间数据库 4.1 空间数据的存储与管理形式 GIS两种主要数据存储管理形式：空间数据文件存储和管理、空间数据库存储和管理。 空间数据文件存储和管理的特点：用数据文件形式存储和管理数据，空间数据以文件形式保存在计算机中。 数据库存储和管理的特点：数据库是数据库系统的简称。数据库系统的组成包括数据库存储系统、数据库管理系统和数据库应用系统。 数据库存储系统是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合；数据库管理系统是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统；数据库应用系统则是为了满足特定的用户数据处理需求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。 4.2 空间数据库系统 空间数据库系统也是由上述三个部分所组成：空间数据库存储系统指地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与空间应用相联系的地理空间数据的总和。一般以一系列特定结构的文件形式组织在存储介质（硬盘、磁带等）之上。空间数据库管理系统指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。空间数据库应用系统是由地理信息系统的空间分析模型和应用模型所组成的软件，通过它不但可以全面地管理空间数据，还可以运用空间数据进行分析与决策。 空间数据库查询语言是从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的空间要素的算法语言。包括针对空间关系的查询（例如，查询一条公路途径的所有城镇）；针对非空间属性的查询（例如，查询人口超过100万的城市）；结合空间关系和非空间属性的查询（例如，查询距某条河流≥500m、种植玉米且面积大于800亩的土地利用单元）。 第五章 空间分析的原理与方法 5.1 空间分析概述 GIS的空间分析是指以地理要素的空间位置和形态特征为基础，以空间数据和属性数据的运算为特征，提取与产生新的空间信息的技术和过程。空间分析是GIS和一般计算机制图系统（数字制图）的主要区别所在。 按分析的内容分为数字地形分析、空间叠合分析、空间邻近分析、空间网络分析和空间统计分析等。 5.2 数字地形分析 数字地形分析：基于数字高程模型（DEM）的地形空间要素的分析。 DEM在模型结构上包括规则格网、不规则三角网、数字等高线、等深线和地形特征点、线（如山峰、山脊线、谷底线）等。 规则格网的优缺点：规则格网的DEM容易存储和处理；容易计算出等高线、坡度、坡向、地形阴影等数据；数据量过大，要进行压缩存储； 不规则三角网（TIN）根据区域内有限个不规则离散高程点将区域划分为相连的三角面网络。 等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条等高线对应一个已知的高程值。等高线集合和地形特征点、线一起就构成一种高程模型。 坡度分析是输入规则格网高程，生成格网坡度的过程。计算格网单元与它的周围的格网单元之间最大的高程变化率。在规则格网的情况下，周围的格网单元一般有8个。坡度分析的输出是一个栅格形式数据。 坡向分析是输入规则格网高程，生成格网坡向的过程。坡向为最大坡度朝向的方向（角度、方位角）。坡向分析：计算各个格网点的坡向；坡向角度从正北顺时针计算，0到360度。输出结果是栅格数据，-1表示平地。 地形阴影是按照光照的条件，计算地形上每一个格网点的明暗程度，用以加强地形显示效果。明暗程度的计算取决于：格网点的坡向、坡度；光源（太阳）的方位角和高度角；输出结果是0-255级灰度等级。 通视分析就是利用DEM判断地形上任意点之间是否可以相互可见的技术方法。通视分析分为视线分析和视域分析。通视分析的结果是一个二值图，0值代表不可见，1代表可见。 栅格重分类是把栅格形式的数据（如连续地形的DEM）按照数值区间（如高度区间）人为地划分成若干类型，每一个新类型用一个数字表示，从而形成新的分类栅格数据的过程。 5.3 空间叠合分析 空间叠合分析也叫叠加分析、叠置分析，是相同地区、不同数据层之间空间和属性的对比计算，包括栅格叠合分析和矢量叠合分析。 栅格叠合分析条件：多个相同地区的栅格数据，有相同大小的栅格单元；不同栅格数据层间的栅格数据运算；运算结果生成新的栅格数据层；目的是产生新的空间信息；又称为“地图代数”。地图代数主要有三种类型：数学运算、函数运算和统计运算。 矢量叠合分析包括点与多边形的叠合、线与多边形的叠合和多边形与多边形的叠合。 点与多边形的叠合：一个包含点的数据层；一个相同地区包含多边形的数据层；判断各点包含在哪一个多边形里面，从而为点设置新的多边形属性。 线与多边形的叠合：一个包含线的数据层；一个相同地区包含多边形的数据层；判断各线包含在哪一个多边形里面，从而为线设置新的多边形属性，需要的时候可以将线在多边形边界处截断。 多边形与多边形的叠合：两个多边形数据层的比较分析（图形和属性）；分为合并（Union）、相交（Intersect）、相减（Erase）、认同（Identity）和更新（Update）。 5.4 空间邻近分析 缓冲区（buffer）就是围绕地理空间要素周围的一种影响范围或服务范围。 缓冲区分析是围绕点、线、面要素，自动建立其周围一定宽度