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GIS 原理与方法

GIS 原理与方法. 中国地质大学 ( 武汉 ) 信息工程学院. GIS 原理与方法. 1 绪论 2 空间数据结构 3 地理信息系统的地理数学基础 4 地理信息系统数据输入 5 地理信息系统的数据处理 6 空间数据管理 9 空间分析 10 数字高程模型 14 地理信息系统的发展趋势. 1 绪论. 1.1 地理信息系统的基本概念 1.2 地理信息系统发展过程 1.3 地理信息系统与其它相关学科系统间的关系 1.4 地理信息系统组成 1.5 地理信息系统功能和应用 1.6 地理信息系统与数字地球.

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  1. GIS 原理与方法 中国地质大学(武汉)信息工程学院

  2. GIS 原理与方法 • 1 绪论 • 2 空间数据结构 • 3地理信息系统的地理数学基础 • 4 地理信息系统数据输入 • 5 地理信息系统的数据处理 • 6 空间数据管理 • 9 空间分析 • 10 数字高程模型 • 14 地理信息系统的发展趋势

  3. 1 绪论 • 1.1 地理信息系统的基本概念 • 1.2 地理信息系统发展过程 • 1.3 地理信息系统与其它相关学科系统间的关系 • 1.4 地理信息系统组成 • 1.5 地理信息系统功能和应用 • 1.6 地理信息系统与数字地球

  4. 1.1 地理信息系统的基本概念 • 地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。

  5. 1.2 地理信息系统发展过程 • （１）起始发展阶段(60年代) • （２）发展巩固阶段(70年代) • （３）推广应用阶段(80年代) • （４）蓬勃发展阶段(90年代以后)

  6. 1.3 地理信息系统与其它相关学科系统间的关系 • GIS与地图学 • GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础 • 最终产品之一也是地图 • GIS是地图学理论、方法与功能的延伸 • 地图学强调图形信息传输 • GIS则强调空间数据处理与分析

  7. GIS与一般事务数据库 • 数据库技术具有很好的管理,分析和处理数据的功能 • 数据库技术是GIS的主要支撑技术之一 • GIS属性数据库部分相当于一般数据库 • GIS数据库比一般数据库结构要复杂得多 • GIS与计算机地图制图 • 计算机地图制图系统强调的是图形表示 • GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法,可综合图形和属性的数据进行深层次的空间分析 • 数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式

  8. GIS与计算机辅助设计(CAD) • 共同点: • 都有空间坐标 • 都能把目标和参考系统联系起来 • 都能描述图形数据的拓扑关系 • 都能处理非图形属性数据 • 区别: • CAD处理的多为规则几何图形及其组合;它的图形功能尤其是三维图形功能极强;属性库功能相对要弱;采用的一般是几何坐标系 • GIS处理的多为自然目标，因而图形处理的难度大;GIS的属性库内容结构复杂，功能强大;图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征;GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能;GIS的数据量大，数据输入方式多样化;所用的数据分析方法具有专业化特征 • 目前,GIS与CAD仍有不同的侧重和特长,但它们主流技术之间的融合仍在不断扩展之中

  9. 1.4 地理信息系统组成 • （１）数据输入和检验 • （２）数据存储和管理 • （３）数据变换 • （４）数据输出和表示 • （５）用户接口 数据变换

  10. 1.5 地理信息系统功能和应用 • （１）数据采集与输入 • （２）数据编缉与更新 • （３）数据存贮与管理 • （４）空间查询与分析 • （５）数据显示与输出

  11. 1.6 地理信息系统与数字地球 • 数字地球的概念和提出的背景 • 数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源 • 数字地球的特点 • 多源、多比例尺、多分辨率数据无缝集成的网络信息系统 • 面向全社会公众开放的网络信息系统 • 虚拟现实技术支持下多维网络信息系统

  12. 数字地球需要的支撑技术与数字地球框架 • 计算科学 • 海量存储 • 卫星图像 • 宽带网络 • 互操作 • 元数据 • 数字地球的应用和意义

  13. 2 空间数据结构 • 2.1 栅格数据结构 • 2.2 矢量数据结构 • 2.3 地理数据的显式和隐式表示 • 2.4 矢量与栅格数据结构的比较

  14. 2.1 栅格数据结构 • 2.1.1 栅格数据基本概念 • 2.1.2 栅格数据层的概念 • 2.1.3 栅格数据取值方法 • 2.1.4 栅格数据存储编码

  15. 2.1.1 栅格数据基本概念 • 将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为象素。根据所表示实体的表象信息差异，各象元可用不同的“灰度值”来表示 。 • 若每个象元规定N比特，则其灰度值范围可在0到2N—1之间；把白～灰色～黑的连续变化量化成8比特（bit），其灰度值范围就允许在0～255之间，共256级；若每个象元只规定1比特，则灰度值仅为0和1，这就是所谓二值图像，0代表背景。 • 栅格数据结构实际上就是象元阵列，即象元按矩阵形式的集合，栅格中的每个象元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。

  16. 2.1.2 栅格数据层的概念 在栅格数据结构中，物体的空间位置就用其在笛卡尔平面网格中的行号和列号坐标表示，物体的属性用象元的取值表示，每个象元在一个网格中只能取值一次，同一象元要表示多重属性的事物就要用多个笛卡尔平面网格，每个笛卡尔平面网格表示一种属性或同一属性的不同特征，这种平面称为层。

  17. 2.1.3 栅格数据取值方法 • 中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值来确定。 • 长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。 • 面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值 • 重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留的原则

  18. 2.1.4 栅格数据存储编码 • (1) 直接编码 • (2) 链式编码 • (3) 行程编码 • (4) 块式编码 • (5) 四叉树编码

  19. 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 1 8 1 1 1 1 2 2 2 • 直接栅格编码是最简单最直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法，通常称这种编码为图像文件或栅格文件。直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐象元记录，也可奇数行从左到右，而偶数行由右向左记录，为了特定目的还可采用其它特殊的顺序 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

  20. 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 1 8 1 1 1 1 2 2 2 (2)行程编码 按行（或列）记录相同代码的始末象元的列号（或行号）和相应的代码，左图可沿行方向进行程编码： 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）。

  21. 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 1 8 1 1 1 1 2 2 2 (3) 块式编码 把多边形范围划分成由象元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码数据结构中包括3个数字：块的初始位置（行、列号）和块的大小（块包括的象元数），再加上记录单元的代码组成。 （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）。

  22. 2.2 矢量数据结构 • 2.2.1 矢量数据概念 • 2.2.2 拓扑关系 • 2.2.3 多边形矢量编码 • 2.2.4 ＤＩＭＥ结构

  23. 2.2.1 矢量数据概念 • 矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合。

  24. 2.2.2 拓扑关系 • 拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包含关系。

  25. （1）拓扑邻接 • 拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4，N1/N2···等；多边形邻接关系有P1/P3，P2/P3 ···等。

  26. （2）拓扑关联 • 拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5 ···等。多边形与线段的关联关系有P1/C1、C5、C6，P2/C2、C4、C5、C7等。

  27. （3）拓扑包含 • 拓扑包含指存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系， P1包含P2和P3。

  28. 2.2.3 多边形矢量编码 • 一个区域或一幅地图可以划分成许多多边形，每个多边形由一条或若干条弧段组成，每条弧段由一串有序的x，y坐标对组成，每条弧段的两端点为结点，每个结点连接两条以上的弧段，多边形矢量编码主要用于表示空间图形为多边形的面状要素，每个多边形在数据库中是相互独立、分开存储的。如特征值为4的多边形由条4弧段组成，其文件编码坐标为: x18,y18; x19,y19; x9,y9; x8,y8 ; x7,y7; x20,y20; x21,y21; x22,y22; x23,y23; x24,y24; x18,y18

  29. 特征值 坐标位置 1 x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x1,y1 2 x28,y28; x29,y29; x30,y30; x31,y31; x32,y32; x33,y33; x28,y28 3 x1,y1; x11,y11; x12,y12; x13,y13; x14,y14; x15,y15; x16,y16; x17,y17; x18,y18; x19,y19; x9,y9 x10,y10; x1,y1 4 x18,y18; x19,y19; x9,y9; x8,y8 ; x7,y7;x20,y20; x21,y21; x22,y22; x23,y23; x24,y24; x18,y18 5 x16,y16; x17,y17; x18,y18; x24,y24; x23,y23; x27,y27; x26,y26; x25,y25; x16,y16

  30. 2.2.4 DIME结构 • 双重独立地图编码，简称DIME结构（Dual • Independent Map Encoding）。它是由美国人口调查 • 局建立起来的为人口调查目的而设计的一种拓扑编码方法， • 是一种把几何量度信息（直角坐标）与拓扑逻辑信息结 • 合起来的系统。 • DIME文件的基本元素是连接两个端点（结点）的一条线段 • （街段）、线段始结点和终结点标识符、伴有这两个结点 • 的坐标及线段两侧的区域代码（左区号和右区号）。根据 • 结点标识符和结点坐标建立结点坐标文件。根据结点、线段、 • 多边形间的拓扑关系建立拓扑结构文件。在这种结构中， • 线段通常被认为是直线型的，复杂的曲线由一系列逼近曲线 • 的直线段来表示。结点与结点或者面域与面域之间为邻接关 • 系，而结点与线段或面域与线段之间为关联关系,。

  31. 2.3 地理数据的显式和隐式表示

  32. 2.4 矢量与栅格数据结构的比较 栅格数据 数据存储量大 空间位置精度低 难于建立网络连接关系 输出速度快，但绘图粗糙、不美观 便于面状数据处理 数据结构简单 快速获取大量数据 数学模拟方便 多种地图叠合分析方便 能直接处理数字图像信息 空间分析易于进行 容易描述边界复杂、模糊的事物 技术开发费用低 矢量数据 数据存储量小 空间位置精度高 用网络连接法能完整描述拓扑关系 输出简单容易，绘图细腻、精确、美观 可对图形及其属性进行检索、更新和综合 数据结构复杂 获取数据慢 数学模拟困难 多种地图叠合分析困难 不能直接处理数字图像信息 空间分析不容易实现 边界复杂、模糊的事物难以描述 数据输出的费用较高

  33. 3. 地理信息系统中的地理基础 • 3.1 地图投影概念 • 3.2 地图投影基本要素 • 3.3 地图投影变形 • 3.4 地图投影分类 • 3.5 几种主要投影类型 • 3.6 地理信息系统中地 图投影设计与配置 • 3.7 我国GIS中地图投影的应用

  34. 3.1 地图投影概念 建立平面上的点和地球表面上的点之间的函数关系，用数字式表达这种关系就是： 为平面坐标，为球面地理坐标

  35. 3.2.地图投影基本要素 • 3.2.1 地球形状、大小 • 3.2.2 大地坐标系 • 3.2.3 投影坐标系 • 3.2.4 子午圈曲率半径、卯酉圈曲率半径，纬圈半径

  36. 3.2.1 地球形状、大小 • （1）大地水准面 海水处于静止状态，把海水面延伸到大陆之下形成包围整个地球的连续表面： • （2）椭球体元素 扁率： 第一偏心率： 第二偏心率： 不同资料，a、b不同 52年以前用海福特，53年起用克拉索夫斯基。

  37. 3.2.2 大地坐标系 • （1）54年北京坐标系 在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测，通过大地坐标计算，推算出北京点的坐标，北京坐标系是苏联42年坐标系的延伸，其原点在苏联普尔科沃。 • （2）80年西安坐标系 78年4月召开“全国天文大地网平差会议”建立80年西安坐标系，其原点在西安西北的永乐镇，简称西安原点。椭球体参数为75年国际大地测量与地球物理联合会第16界大会的推荐值。 • （3）新54年北京坐标系 将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系，称为新54年北京坐标系，它与80年国家大地坐标系的轴定向基准相同，网的点位精度相同。 • （4）WGS84坐标系 在GPS定位中，定位结果属于WGS84坐标系，坐标系原点位于质心，Z轴指向BIH1984.0协议地极（CTP）。

  38. 3.2.3 投影坐标系 • (1)用户坐标系 由用户指定的相对于二维坐标系,一般与实际地物定位无关。 • (2)地理坐标系 经度起点为英国格林威治,向东为正,纬度自赤道起向北为正的。 • (3)投影平面直角坐标系 是将地球球面投影到平面后所设定的坐标系,如 高斯投影坐标系。 • (4)地心坐标系 三维球心空间坐标系，原点位于球心，常用直角坐标（x，y，z）或角度和高程表示（B，L，H）其中B，L分别为纬度和经度。

  39. 3.2.4 子午圈曲率半径、卯酉 圈曲率半径，纬圈半径

  40. 3.3 地图投影变形 • 3.3.1 长度变形 • 3.3.2 面积变形 • 3.3.3 角度变形

  41. 3.3.1 长度变形 • 按微分几何的概念、微分梯形在平面上表象为平等四边形

  42. 沿经线长度比 • 沿纬线长度比 • 在一定点上的长度比存在有是大、最小值，称为极值长度经。 • 极值长度比所代表方向为点方向，相当于变形椭元的a、b轴 • 经纬线正交投影中，经纬线方向的长度比即为极值长度比

  43. 3.3.2 面积变形 面积比=

  44. 3.3.3 角度变形 方位角的变形随不同的方向的变化，一定点上的角度变形的大小是用其最大值来衡量，称最大角度变形，用W表示

  45. 3.4 地图投影分类 • 3.4.1 按变形分类 • 3.4.2 按投影面与地球表面相关位置分类 • 3.4.3 按投影经纬网线的形状分类

  46. 3.4.1 按变形分类 • （1）等角投影 微分图形投影后保持相似 • （2）等面积投影 某一微分面积投影前后保持相等 • （3）等距离投影 沿某一方向上投影长度比等于1 沿线线上等距离投影： 沿纬线上等距离投影：

  47. 3.4.2 按投影面与地球表面相关位置分类

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