【正文】 GIS 原理與方法 中國地質(zhì)大學(xué) (武漢 )信息工程學(xué)院 GIS 原理與方法 1 緒論 2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3 地理信息系統(tǒng)的地理數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 4 地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入 5 地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理 6 空間數(shù)據(jù)管理 9 空間分析 10 數(shù)字高程模型 14 地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1 緒論 地理信息系統(tǒng)的基本概念 地理信息系統(tǒng)發(fā)展過程 地理信息系統(tǒng)與其它相關(guān)學(xué)科系統(tǒng)間的關(guān)系 地理信息系統(tǒng)組成 地理信息系統(tǒng)功能和應(yīng)用 地理信息系統(tǒng)與數(shù)字地球 地理信息系統(tǒng)的基本概念 地理信息系統(tǒng)（ GIS）是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，以采集、存貯、管理、檢索、分析和描述空間物體的地理分布數(shù)據(jù)及與之相關(guān)的屬性，并回答用戶問題等為主要任務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)。 地理信息系統(tǒng)發(fā)展過程 （ １ ） 起始發(fā)展階段 (60年代 ) （ ２ ） 發(fā)展鞏固階段 (70年代 ) （ ３ ） 推廣應(yīng)用階段 (80年代 ) （ ４ ） 蓬勃發(fā)展階段 (90年代以后 ) 地理信息系統(tǒng)與其它相關(guān) 學(xué)科系統(tǒng)間的關(guān)系 GIS與地圖學(xué) GIS是以地圖數(shù)據(jù)庫（主要來自地圖）為基礎(chǔ) 最終產(chǎn)品之一也是地圖 GIS是地圖學(xué)理論、方法與功能的延伸 ?地圖學(xué)強(qiáng)調(diào)圖形信息傳輸 ?GIS則強(qiáng)調(diào)空間數(shù)據(jù)處理與分析 GIS與一般事務(wù)數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫技術(shù)具有很好的管理 ,分析和處理數(shù)據(jù)的功能 數(shù)據(jù)庫技術(shù)是 GIS的主要支撐技術(shù)之一 GIS屬性數(shù)據(jù)庫部分相當(dāng)于一般數(shù)據(jù)庫 GIS數(shù)據(jù)庫比一般數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多 GIS與計(jì)算機(jī)地圖制圖 計(jì)算機(jī)地圖制圖系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是圖形表示 GIS既注重實(shí)體的空間分布又強(qiáng)調(diào)它們的顯示方法 ,可綜合圖形和屬性的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的空間分析 數(shù)字地圖是 GIS的數(shù)據(jù)源，也是 GIS表達(dá)形式 GIS與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 共同點(diǎn) : ? 都有空間坐標(biāo) ? 都能把目標(biāo)和參考系統(tǒng)聯(lián)系起來 ? 都能描述圖形數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系 ? 都能處理非圖形屬性數(shù)據(jù) 區(qū)別 : ? CAD處理的多為規(guī)則幾何圖形及其組合 。它的圖形功能尤其是三維圖形功能極強(qiáng) 。屬性庫功能相對要弱 。采用的一般是幾何坐標(biāo)系 ? GIS處理的多為自然目標(biāo)，因而圖形處理的難度大 。GIS的屬性庫內(nèi)容結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大 。圖形屬性的相互作用十分頻繁，且多具有專業(yè)化特征 。GIS采用的多是大地坐標(biāo)，必須有較強(qiáng)的多層次空間疊置分析功能 。GIS的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)輸入方式多樣化 。所用的數(shù)據(jù)分析方法具有專業(yè)化特征 目前 ,GIS與 CAD仍有不同的側(cè)重和特長 ,但它們主流技術(shù)之間的融合仍在不斷擴(kuò)展之中 地理信息系統(tǒng)組成 （１）數(shù)據(jù)輸入和檢驗(yàn) （２）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理 （３）數(shù)據(jù)變換 （４）數(shù)據(jù)輸出和表示 （５）用戶接口 數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)輸出用戶接口數(shù)據(jù)變換 地理信息系統(tǒng)功能和應(yīng)用 （ １ ） （ ２ ） （ ３ ） （ ４ ） 空間查詢與分析 （ ５ ） 數(shù)據(jù)顯示與輸出 地理信息系統(tǒng)與數(shù)字地球 數(shù)字地球的概念和提出的背景 數(shù)字地球是對真實(shí)地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一性的數(shù)字化重現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，其核心思想是用數(shù)字化手段統(tǒng)一地處理地球問題和最大限度地利用信息資源 數(shù)字地球的特點(diǎn) 多源、多比例尺、多分辨率數(shù)據(jù)無縫集成的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng) 面向全社會(huì)公眾開放的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下多維網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng) 數(shù)字地球需要的支撐技術(shù)與數(shù)字地球框架 計(jì)算科學(xué) 海量存儲(chǔ) 衛(wèi)星圖像 寬帶網(wǎng)絡(luò) 互操作 元數(shù)據(jù) 數(shù)字地球的應(yīng)用和意義 2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 地理數(shù)據(jù)的顯式和隱式表示 矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 柵格數(shù)據(jù)基本概念 柵格數(shù)據(jù)層的概念 柵格數(shù)據(jù)取值方法 柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編碼 柵格數(shù)據(jù)基本概念 將工作區(qū)域的平面表象按一定分解力作行和列的規(guī)則劃分 ， 形成許多格網(wǎng) ， 每個(gè)網(wǎng)格單元稱為象素 。 根據(jù)所表示實(shí)體的表象信息差異 ， 各象元可用不同的 “ 灰度值 ”來表示 。 若每個(gè)象元規(guī)定 N比特 ， 則其灰度值范圍可在 0到 2N—1之間；把白～灰色～黑的連續(xù)變化量化成 8比特 （ bit） ，其灰度值范圍就允許在 0～ 255之間 ， 共 256級(jí)；若每個(gè)象元只規(guī)定 1比特 ， 則灰度值僅為 0和 1， 這就是所謂二值圖像 ， 0代表背景 。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是象元陣列 ， 即象元按矩陣形式的集合 ， 柵格中的每個(gè)象元是柵格數(shù)據(jù)中最基本的信息存儲(chǔ)單元 ， 其坐標(biāo)位置可以用行號(hào)和列號(hào)確定 。 柵格數(shù)據(jù)層的概念 在柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，物體的空間位置就用其在笛卡爾平面網(wǎng)格中的行號(hào)和列號(hào)坐標(biāo)表示，物體的屬性用象元的取值表示，每個(gè)象元在一個(gè)網(wǎng)格中只能取值一次，同一象元要表示多重屬性的事物就要用多個(gè)笛卡爾平面網(wǎng)格，每個(gè)笛卡爾平面網(wǎng)格表示一種屬性或同一屬性的不同特征，這種平面稱為層。 柵格數(shù)據(jù)取值方法 中心歸屬法：每個(gè)柵格單元的值以網(wǎng)格中心點(diǎn)對應(yīng)的面域?qū)傩灾祦泶_定。 長度占優(yōu)法：每個(gè)柵格單元的值以網(wǎng)格中線（水平或垂直）的大部分長度所對應(yīng)的面域的屬性值來確定。 面積占優(yōu)法：每個(gè)柵格單元的值以在該網(wǎng)格單元中占據(jù)最大面積的屬性值 重要性法：根據(jù)柵格內(nèi)不同地物的重要性程度，選取特別重要的空間實(shí)體決定對應(yīng)的柵格單元值，如稀有金屬礦產(chǎn)區(qū)，其所在區(qū)域盡管面積很小或不位于中心，也應(yīng)采取保留的原則 柵格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)編碼 (1) 直接編碼 (2) 鏈?zhǔn)骄幋a (3) 行程編碼 (4) 塊式編碼 (5) 四叉樹編碼 直接?xùn)鸥窬幋a 是最簡單最直觀而又非常重要的一種柵格結(jié)構(gòu)編碼方法，通常稱這種編碼為圖像文件或柵格文件。直接編碼就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個(gè)記錄代碼，可以每行都從左到右逐象元記錄，也可奇數(shù)行從左到右，而偶數(shù)行由右向左記錄，為了特定目的還可采用其它特殊的順序 3 3 3 4 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 4 4 1 3 3 3 4 4 4 2 1 1 3 3 3 2 2 2 1 1 1 1 3 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 1 3 3 3 4 4 4 4 4 2 3 3 3 3 4 4 4 4 3 1 3 3 3 4 4 4 2 4 1 1 3 3 3 2 2 2 5 1 1 1 1 3 2 2 2 6 1 1 1 1 2 2 2 2 7 1 1 1 1 1 2 2 2 8 1 1 1 1 1 2 2 2 (2)行程編碼 按行 （ 或列 ） 記錄相同代碼的始末象元的列號(hào) （ 或行號(hào) ） 和相應(yīng)的代碼 ， 左圖可沿行方向進(jìn)行程編碼： 1行：（ 1， 3， 3），（ 4， 8， 4）； 2行：（ 3， 4， 3），（ 5， 8， 4）； 3行：（ 1， 1， 1），（ 2， 4， 3）， （ 5， 7， 4），（ 8， 8， 2）； 4行：（ 1， 2， 1），（ 3， 5， 3）， （ 6， 8， 2）； 5行：（ 1， 4， 1），（ 5， 5， 3）， （ 6， 8， 2）； 6行：（ 1， 4， 1），（ 5， 8， 2）； 7行：（ 1， 5， 1），（ 6， 8， 2）； 8行：（ 1， 5， 1），（ 6， 8， 2） 。 1 3 3 3 4 4 4 4 4 2 3 3 3 3 4 4 4 4 3 1 3 3 3 4 4 4 2 4 1 1 3 3 3 2 2 2 5 1 1 1 1 3 2 2 2 6 1 1 1 1 2 2 2 2 7 1 1 1 1 1 2 2 2 8 1 1 1 1 1 2 2 2 (3) 塊式編碼 把多邊形范圍劃分成由象元組成的正方形 ， 然后對各個(gè)正方形進(jìn)行編碼 。 塊式編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包括 3個(gè)數(shù)字：塊的初始位置 （ 行 、 列號(hào) ） 和塊的大小 （ 塊包括的象元數(shù) ） ， 再加上記錄單元的代碼組成 。 （ 1， 1， 2， 3），（ 1， 3， 1， 3）， （ 1， 4， 1， 4），（ 1， 5， 3， 4） ,（ 1， 8， 1， 4），（ 2， 3， 1， 3），（ 2， 4， 1， 3），（ 2， 8， 1， 4），（ 3， 1， 1， 1），（ 3， 2， 1， 3），（ 3， 3， 2， 3），（ 3， 8， 1， 2），（ 4， 1， 1， 1），（ 4， 2， 1， 1），（ 4， 5， 1， 3），（ 4， 6， 1， 2），（ 4， 7， 2， 2），（ 5， 1， 4， 1），（ 5， 5， 1， 3），（ 5， 6， 1， 2），（ 6， 5， 1， 2），（ 6， 6， 3， 2），（ 7， 5， 1， 1），（ 8， 5， 1， 1）。 1 3 3 3 4 4 4 4 4 2 3 3 3 3 4 4 4 4 3 1 3 3 3 4 4 4 2 4 1 1 3 3 3 2 2 2 5 1 1 1 1 3 2 2 2 6 1 1 1 1 2 2 2 2 7 1 1 1 1 1 2 2 2 8 1 1 1 1 1 2 2 2 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 矢量數(shù)據(jù)概念 拓?fù)潢P(guān)系 多邊形矢量編碼 ＤＩＭＥ結(jié)構(gòu) 矢量數(shù)據(jù)概念 矢量數(shù)據(jù)就是代表地圖圖形的各離散點(diǎn)平面坐標(biāo) （ x， y） 的有序集合 。 拓?fù)潢P(guān)系 拓?fù)潢P(guān)系是指網(wǎng)結(jié)構(gòu)元素結(jié)點(diǎn) 、 弧段 、 面域之間的空間關(guān)系 ， 主要表現(xiàn)為下列三種關(guān)系：拓?fù)溧徑雨P(guān)