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《GIS 与 GPS 导论 》 课程讲座

《GIS 与 GPS 导论 》 课程讲座. 主讲 赵鹏祥. 2D Digital Map. 第一章　地理信息系统的基本概念. 1 ． 1 信息、数据、地理数据与地理信息. 1 ． 1 ． 1 　信息 (Information) 1) 信息的含义及其特点 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，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。信息有四个特点： 客观性 、实用性 、传输性 、共享性. 1 ． 1 ． 2 数据

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Presentation Transcript

  1. 《GIS与GPS导论》课程讲座 主讲 赵鹏祥

  2. 2D Digital Map

  3. 第一章　地理信息系统的基本概念 1．1 信息、数据、地理数据与地理信息 1．1．1　信息(Information) 1)信息的含义及其特点 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，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。信息有四个特点： 客观性 、实用性 、传输性 、共享性

  4. 1．1．2 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、图像以及它们能转换成的数据等形式。 信息与数据是不可分离的。 数据是信息的载体。 1．1．3 地理信息和地理数据 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、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。 地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性 。

  5. Z Y X

  6. 1.2 地理信息系统及其类型 1.2.1 地理信息系统 在计算机软硬件技术支持下采集、存储、管理、查询、检索和综合分析各种地理空间数据，以多种形式输出空间信息，从而为规划、管理、决策服务的计算机系统。 其具有以下特征：具有空间性、多维性、动态性。 1.2.2 GIS类型 一、以研究内容分类 1．综合性GIS ；2．专题性GIS 二、以研究对象空间分布范围分类 1．全球性GIS ；2．区域性GIS

  7. 三、以GIS应用功能分类 1．工具型GIS ；2．应用型GIS 四、以数据结构类型分类 1．矢量数据结构GIS ； 2．栅格数据结构GIS ； 3．混合数据结构GIS 五、以学科专业分类 按不同学科专业方向而进行GIS的类型划分。例如：美国地震数据分析系统 (SEDAS)、水质信息系统(STORET)、森林管理信息系统(TIMER— RAK)、海洋信息显示分析系统(MIDAS)、土地管理信息系统、水土保持信息管理系统等等。

  8. 输入设备 数字化仪、扫描仪、数码相机、测绘仪器、遥感图像处理系统等 网络 计算机 主机 存储设备 硬盘、光盘、移动存储器、磁带机等 输出设备 打印机、绘图仪、投影仪等 1.3 GIS的构成 1.3.1 计算机硬件系统

  9. 计算机

  10. 彩色打印机 END- END- END- END- END

  11. 1.3.2 GIS软件系统 按照其功能分为： （1）系统管理软件：Unix、Windows98、Windows2000、Windows NT，Windows XP等 ； （2）GIS平台软件：ARC／INFO 、ARCVIEW 、MAPINFO 、IntergraphMGS 、MAPGIS 、Geostar、Citystar、WinGIS 等； （3）数据库软件：Oracle,Sybase,Informix,DB2,SQL Sever, Ingress等 ； 1.3.3 空间数据 空间数据是GIS的重要组成部分，是GIS处理、分析和加工的对象。它一般包括三个方面的内容：即地理实体的空间位置、地理实体之间空间拓扑关系以及相应于空间位置的属性数据

  12. 1.3.4 GIS的应用人员 1.4 GIS的功能 1．数据采集与编辑 2．数据存储与管理 3．数据处理和变换：投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等 、数据拼接、数据截取、数据压缩 等； 4．空间分析和统计：拓扑叠合 、缓冲区建立 、数字地形分析 等； 5．产品制作与显示 6．二次开发和编程

  13. 地理学 GIS 地图学 测量学与遥感 测量学与遥感 计算机科学 计算机图形学 CAD，CAM 数据库技术 软件工程 专家系统 1.5 GIS和其它相关学科的关系及区别

  14. GIS与CAD和CAM的主要区别在于： (1)CAD、CAM不能建立地理坐标系和完成地理坐标变换。 (2)GIS的数据量要比CAD和CAM的数据量大得多，数据结构、数据类型亦更为复杂；数据间联系紧密，这是因为GIS涉及的区域广泛、精度要求高、变化复杂、要素众多、相互关联，单一结构难以完整描述。 (3)CAD、CAM不具备GIS具有地理意义的空间查询和分析功能。

  15. 1.6 GIS的发展趋势 自20世纪60年代以来，GIS共经历了60年代的起步阶段、70年代的发展阶段、80年代的推广应用阶段和90年代的大发展阶段，并成为信息产业的重要组成部分。 1、GIS的网络化 2、GIS产业化 3、GIS社会化 4、GIS与其它信息技术的集成化

  16. 第二章GIS空间数据结构 2.1 GIS空间数据及其特征 GIS空间数据分为以下几种类型 : 1、按数据来源分类 （1）地图数据 ; （2）影像数据 ; （3）地形数据 ; （4）属性数据 ; （5）元数据：数据的数据； 2、按数据所表达的地理实体几何形状分类 （1）点数据；（2）线数据；（3）面数据

  17. 时间特征 属性特征 空间特征 2.2 GIS空间数据的基本特征

  18. N1 a3 P1 P3 a5 a1 a4 a6 N4 P4 N3 P2 a7 N2 N5 a2 2.3 空间数据的拓扑关系 1、拓扑邻接：拓扑邻接是指空间图形的同类元素之间的拓扑关系。 多边形之间的邻接关系P1/P2，P2/P3，•••，弧段之间的邻接关系a1/a2，a2/a3，•••性以及结点之间的邻接关系N1/N2，N2/N3，•••。

  19. N1 a3 P1 P3 a5 a1 a4 a6 N4 P4 N3 P2 a7 N2 N5 a2 二、拓扑关联 ：拓扑关联是指空间图形的不同元素之间的拓扑关系 。 结点与弧段的关联关系N1/a1,a5,a3；N2/a1,a6,a2；•••；多边形与弧段的关联关系P1/a1,a6,a5；P2/a4,a6,a2，•••。

  20. （a）简单包含 （b)多层包含 （c)等价包含 三、拓扑包含：拓扑包含是指空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系。 图 (a)中多边形P1中包含多边形P2，图（b）中多边形P3包含在多边形P2中，而多边形P2，P3又都包含在多边形P1中。图 （c）多边形P2，P3都包含在多边形P1中，多边形P2，P3对P1而言是等价包含 .

  21. 结 点 弧 段 N1 N2 N3 N4 N5 a1,a3,a5 a1,a2,a6 a2,a3,a4 a4,a5,a6 a7 N1 表2-1 结点与弧段的拓扑关系 a3 P1 P3 a5 a1 a4 a6 N4 P4 N3 P2 a7 N2 N5 a2 如果将空间图形的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构表达出来，可以形成四个关系表达，如表2-1、表2-2、表2-3、和表2-4所示。

  22. 弧 段 结 点 起点 终点 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 N2 N2 N3 N3 N1 N4 N5 N1 N3 N1 N4 N4 N2 N5 表2-2 弧段与结点的拓扑关系 N1 a3 P1 P3 a5 a1 a4 a6 N4 P4 N3 P2 a7 N2 N5 a2

  23. 弧 段 多边形 左 右 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 P1 / / P3 P1 P1 P7 / P2 P3 P2 P3 P2 P2 表2-3弧段与多边形的拓扑关系 N1 a3 P1 P3 a5 a1 a4 a6 N4 P4 N3 P2 a7 N2 N5 a2

  24. 多边形 弧 段 P1 P2 P3 P4 a1,a5,a6 a2,a4,a6 a3,a4,a5 A7 表2-4 多边形与弧段的拓扑关系 N1 a3 P1 P3 a5 a1 a4 a6 N4 P4 N3 P2 a7 N2 N5 a2

  25. 数据结构 图形数据 属性数据 编码、组织数据 存入计算机 空间数据的计算机表示过程 空间实体 2.4 空间数据的计算机表示

  26. (x4,y4) (x5,y5) (x3,y3) (x6,y6) (x2,y2) (X,Y) (x1,y1) (X1,Y1) 2.5 空间数据结构及其编码 2.5.1 矢量数据结构及其编码 一、矢量数据结构 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，用点、线、面等基本要素尽可能精确地来表示各种地理实体 。

  27. 二、点和线状物的矢量编码 1．点状物的矢量编码 ． 点是空间上不能再分的地理实体，如高程点、交通网的交叉点、旅游景点等，可以是抽象的也可以是具体的点。它的矢量编码是将点状物的空间位置数据（x,y）和属性数据都完全记录下来的过程。 2．线状物的矢量编码 线状物主要用来表示线状地物，如道路、河流、地形线等符号线和多边形边界。通常由多个点组成的矢量弧段表示。线状物数据主要由定位数据（一系列坐标值）和属性数据（描述线状物的特征）组成。

  28. 三、面状物的矢量编码 对于面状物，人们常采用多边形的概念。多边形数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。如行政区、土地类型、植被分布等具有名称属性和分类属性的地理实体均可用多边形来表示。多边形矢量编码不但要表示空间位置和属性，更为重要的是要能表达区域的拓扑头关系，如邻接、关联、包含等关系。 多边形矢量编码除了为追求存贮效率要压缩数据以外，还有以下自身特点： (1)所表示的各多边形应有各自独立的形状、周长和面积等几何指标； (2)为便于进行空间分析，各多边形拓扑关系的记录方式应一致； (3)应能够明确表示区域层次，即多边形的包含关系，如“岛”在“湖”中而“湖”又在更大的“岛”上，形成岛－湖－岛的关系。

  29. 1 Ｍ 6 2 Ⅱ 9 7 10 Ⅲ Ⅰ 11 3 8 5 4 面状物（多边形）的矢量编码可分为三种，即坐标序列法、层次索引法和拓扑结构法。其表示方法简述如下： １．坐标序列法 图2-5 坐标序列法

  30. 多边形 坐标构成 Ⅰ (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x5,y5),(x6,y6),(x7,y7),(x8,y8) Ⅱ (x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),(x4,y4),(x7,y7),(x8,y8) Ⅲ (x9,y9),(x10,y10),(x11,y11) 1 Ｍ 6 2 Ⅱ 9 7 10 Ⅲ Ⅰ 11 3 8 5 4 面状物（多边形）矢量编码

  31. 点文件 线文件 多边形文件 点号 坐标(x,y) 线号 点号 多边形号 边界线号 1 x1,y1 A 1,4,5,6 Ⅰ A,B 2 x2,y2 B 1,7,8,4 Ⅱ B,C,D … …… C 1,2,3,4 Ⅲ D 11 x11,y11 D 9,10,11 2．层次索引法 1 Ｍ 空间数据的层次索引法 B 6 2 Ⅱ 9 7 D C A 10 Ⅲ Ⅰ 11 3 8 5 4

  32. 层次索引结构

  33. 3．拓扑结构法 • 拓扑结构的建立可以通过两种途径达到： • 一是由用户在数据输入进行数字化时同时输入部分信息，如多边形边界的编号、边界结点的序号、边界左右多边形编号等标识信息； • 二是可以在全部数据经过数字化后，由专用软件自动搜索建立，属性可以通过每一多边形内建立编号与之联系。 • 由图2—2所示图形，可以明确表达出“多边形一边界线一结点”的“从大到小”的拓扑关系。列出的关系表格为表2-1、表2-2、表2-3表2-4和表2-4。

  34. 2.5.2 栅格数据结构及其编码 一、栅格数据结构 1．栅格数据 栅格数据是最简单、最直观的一种空间数据结构，它是将地面划分为均匀的网格，每个网格作为一个像元，像元的位置由所在行、列号确定，像元所含有的代码表示其属性类型或仅是与其属性记录相联系的指针。

  35. 2．栅格数据的获取 (1)格网法：在输入图上均匀划分网格，逐个网格地决定其属性代码形成栅格数字地图文件 。 (2)由矢量结构数据转化为栅格数据。 (3)扫描法：经过扫描对数据重采样和再编码得到栅格数据文件。 (4)遥感影像数据。

  36. B C A 确定栅格像元的属性代码 的方法： （1）中心点法；（2）面积占优法；（3）重要性法；

  37. 二、栅格数据编码方法 1．1、栅格矩阵法 栅格结构就可以记录成：7，7，7，6，6，6，6，6； 7， 7， 7， 7， 7， 6， 6， 6； 7， 7， 7， 7， 7， 7， 6， 6； 4， 4， 4， 7， 6， 6， 6， 6； 4， 4，4， 4， 4， 6， 6， 6； 4， 4， 4， 6， 6， 6， 6， 6； 0， 0， 4， 4， 6， 6， 6， 6， 0， 0， 0， 0， 6，6，0，0。在FORTRAN或BASIC程序中，也可采用顺序文件或随机文件记录这些数据，可以将每一行作为一个记录，记录长度＝单字长×列数，在每个记录结尾还可加标识符标记。

  38. 2、链码 它用一个起点和一系列在基本方向上的单位矢量描述出线状地物或区域边界。所采用的基本方向可以事先定义。 例如，定义4个基本方向为：东=0，北＝1，西=2，南＝3，所以，上图(b)所示的属性代码为6的线状地物，其位置可以表示为；1，4；3，2，3，2，32，02，3，0，3，03。其中前二个数字1和4表示起，点为第1行第4列，从第3个数字起每个数字表示单位矢量的方向。数字的上标表示单位矢量的前进量 。

  39. 8个基本方向上的单位矢量用0～7来记录，则上面栅格图(b)又可记录为：1，4，5，5，6，7，0，7，7，0，0。其中，前2位数字仍为起点的位置。从第3位数字起，记录单位矢量的方向。

  40. 栅格数据结构 矢量数据结构 优 点 1．数据结构简单 2．便于空间分析及地理现象的模拟 3．易于遥感数据结合 1．数据结构紧奏，冗余度小 2．便于网络分析 3．图形显示质量好，精度高，且便于制图 4．便于面向对象的数字表示 缺 点 1．图形数据量大 2，图形投影转换比较难 3．图形显示质量差 4．不易表示空间的拓扑关系 1．数据结构复杂 2．缺乏同遥感数据及数字地形模型结合的能力 3．信息复合难度大 4．对硬软件技术要求高 2．6 矢量数据结构与矢量数据结构的比较

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