地理信息系统 工程设计

1. 地理信息系统工程设计 主讲人：郭 庆 胜

2. 空间数据集成与应用

3. 地理信息系统的数据采集 • 地图数字化 • 地图扫描 • 数据转换

4. Digital map data “…map detail held in the form of national grid coordinate values and codes which can be stored and manipulated on computer” Source: www.ordsvy.gov.uk

5. 地图手扶跟踪数字化 • 纸质地图模型和数字地图模型的关系 • 纸质地图的地图要素分为点状要素、线状要素、面状要素、注记和注释。数字地图的数据分：地理空间数据（几何数据）和属性数据。纸质地图的不同地图要素在转换过程中还需要进一步细分。

6. Analogue paper maps printed aerial photographs tables of statistics Fixed scale Need to be converted to digital format Digital digital data files remotely sensed images GPS output files Scale ‘free’ File format predetermined Download or copy Spatial data - analogue vs. digital

7. Getting spatial data into the computer • Analogue to digital conversion • keyboard entry • scanning • manual digitising • automatic digitising • Attributes may have to be coded separately

8. 纸质地图模型和数字地图模型的转换关系

9. 地图手扶跟踪数字化 • 地图几何要素的离散化策略 • 地图几何要素在地理空间数据库中用点的坐标或者以有序的点集描述。点的位置描述非常简单，只需要一个坐标对（X，Y）。但是，线的离散化描述方法有多种，很明显，不管用哪一种方法，这些离散的坐标串必须有效地表达该地理要素的地理空间特征。

10. 地图几何要素与地理空间数据的对应关系

11. 地图手扶跟踪数字化 • 地图要素语义信息的编码 • 地图要素语义数据又称为地图的非几何数据，或称地理目标的属性数据，包括目标的定性描述数据和定量描述数据。定性描述数据表达地图要素的分类或地图要素的名称。定量描述数据说明地图要素的强度、等级、大小等。例如距离、面积、土地等级、高程等．

12. 地图要素语义信息的编码方法

13. Digital map data Aerial photographs Field data Remotely sensed images Paper maps and plans Socio-economic data DIGIMAP Local authorities/Cities Revealed GPS readings/field surveying NRSC (Landsat) Field sketches, historical maps, plans Census of population, questionnaires Spatial data - examples

14. Maps as Numbers • GIS requires that both data and maps be represented as numbers. • The GIS places data into the computer’s memory in a physical data structure (i.e. files and directories). • Files can be written in binary or as ASCII text. • Binary is faster to read and smaller, ASCII can be read by humans and edited but uses more space.

15. Map as an Abstraction of Space • Spatial features can be represented as point, lines, areas, or surfaces • Some phenomena or objects are selected for inclusion, others are not spatial features and there attributes are simplified, aggregated, and classified • When we want to enter this data into a GIS, certain decisions need to be made based upon how the data can be entered into a computer (geocoding vs. drawing) • How do you get simple spatial concepts into the computer (e.g., a map which identifies a lake within an island, surrounded by ocean, covered by forest on north side, and a cleared beach on the other side)

16. Slivers Sliver

17. Unsnapped node

18. 地图扫描 • 栅格数据本身是地理信息系统的一种重要的数据类型，地图扫描后，可以直接获取地图的图像，该图像本身可以直接用于地图信息的浏览，也可以利用栅格到矢量的数据转换软件获取地理目标的矢量数据。扫描后的地图图像数据必须经过一系列的数据处理才能在不同方面得到应用。地图图像数据处理的主要方法如下： • 地图图像的精度纠正和拼接。 • 地图图像的要素分类或色彩分层。 • 地图图像的地理目标的矢量化处理。 • 地图图像的地理目标的识别。 • 地图图像和矢量数据的融合。

19. 地理数据转换 • 地理信息系统的地理空间数据和属性数据来源很多，这些数据的数据格式不同，必须进行转换。转换方法很多，在不同数据格式的地理空间数据之间转换数据时，为了尽量不丢失信息，应当采用标准的地理空间数据转换格式。几乎所有的地理信息系统软件都提供了地理空间数据转换的功能，只是能被转换的地理空间数据的数据格式有限。属性数据一般用关系式数据库关联，只要定义的属性项一致，很容易转换。

20. 地图 遥感图像和航空像片 GPS数据 野外测量 专题数据： 统计数据 地质调查数据 地理野外调查数据 …… 其它系统的数据： 数字地图 统计数据库 专业性数据库 专业性数据采集器 …… 数据融合软件： 地图投影的转换、坐标变换 数据分辨率的统一与处理 数据的一致性分析 数据格式的转换 不同来源数据的对应关系的建立 …… 地理信息系统的数据库

21. The mixed pixel problem

22. 地理信息系统中数据的精度分析 • 地理信息系统的数据的可靠性是进一步应用的基础，在数据采集和处理阶段，数据的主要误差来源如下： • 地图数字化误差 • 遥感数据误差 • 测量数据误差 • 数据转换误差 • 数据存储误差

23. Preparing data for use • Sources of error • Data collection • Data encoding • Data exchange • Checking for errors • Visual inspection • Impossible values • Extreme data values

24. Preparing data for use • A sample of techniques • reprojection • transformation • generalisation • edge matching • rubber sheeting

25. 地理信息系统中数据的精度分析 • 地理信息系统的数据误差的主要纠正方法如下： • 1、传统的手工纠正方法：必须把相关的地图或图象和数据打印输出，由专业人员检查，并标识出错的地方和纠正措施。 • 2、利用地理信息系统的空间数据误差自动纠正功能：用户可以设置各种误差的阈值，系统在误差范围内自动纠正相关的误差。例如：当节点间的距离小于一定阈值时，系统就自动删除该伪节点；当节点与弧段间的距离小于一定阈值时，系统就自动在合适的地方把弧段分割，并且把三个节点位于同一个点。 • 3、利用数学模型计算数据的精度，利用软件识别数据的不一致性等。

26. 地理信息系统的数据整理 • 地理空间数据和属性数据必须经过处理才能方便地用于地理信息的管理和查询，常用的数据整理方法如下： • 地理空间数据的地图投影分析和转换 • 地理目标空间关系的一致性分析和检查 • 地理空间目标拓扑关系的建立 • 地理空间数据的综合，建立统一尺度的数据 • 地理空间数据的拼接，包含数据的变换和地理空间目标的衔接 • 地理空间数据的聚合，包括地理区域和复合目标等的建立 • 地理目标属性数据和空间数据的关联

27. 地理空间数据的管理方法

28. 地理信息系统的数据维护功能

29. Functions of GIS • Functions of GIS • data input • data storage • data transformation • data analysis • data output • GIS adds value to spatial data by turning them into information

30. 地理信息系统的空间查询 • 一个地理信息系统应当具备的基本空间查询能力如下： • 与标识点最近的目标 • 包含标识点的多边形或区域 • 满足一个（或多个）属性值限制条件的空间目标 • 在一目标周围的所有目标 • 与一目标关联的其它目标 • 在一个多边形或区域内的目标 • 满足多个条件的空间目标

31. 地理信息系统的数据分析 • 地理信息系统的数据分析能力，特别是空间分析能力，是地理信息系统区别于其它信息系统的一个重要标志。地理信息系统的数据分析分为两类：属性数据分析和空间分析。对应特定的应用而言，这两种分析方法有时必须结合在一起使用。 • 属性数据的分析很多种。比如，统计分析方法，例如：主成份分析、回归分析、聚类分析，还有模糊数学分析方法等不同专业的分析模型。

32. 地理信息系统的数据分析 • 空间分析方法虽然有很多，但是有些空间分析方法是常用的，在大部分地理信息系统软件中都会出现。一些常用的空间分析方法如下： • 点的在一个指定地图投影和坐标系上的位置 • 点与点之间的距离和方向 • 线的长度、主方向等 • 点与线的距离，点在线的左边或右边 • 面的面积、形状、质心、中心等 • 地理空间目标的坐标变换（如：仿射变换） • 栅格数据的单点变换、邻域变换和区域变换 • 空间数据的再分类与目标聚合 • 基于简单空间目标的缓冲区分析；基于区域子类的缓冲区分析 • 矢量叠置分析 • 栅格叠置分析 • 网络分析（路径分析、资源分配） • 空间插值 • 趋势面分析 • 泰森多边形的建立 • 地形TIN和规则格网DEM的建立 • 地形分析

33. GIS Analysis • Includes functions for: • storage and retrieval including presentation of data • constrained queries that allow the user to look at patterns in the data • modelling procedures or functions for the prediction of what data might be at a different time and place (Aronoff, 1989)

34. Measurement distance, area, perimeter Query spatial, attribute Buffering inside, outside Neighbourhood operations reclassification Interpolation prediction Surface analysis slope, aspect, viewsheds Network analysis routes supply and demand Overlay GIS Analysis

35. Interpolation X 20m X 18m Creating isolines Creating DTMs X 15m X 35m X 5m Source: www.mapmaker.com

36. Surface analysis Slope Aspect Viewsheds (line of sight) Watersheds Source: www.mapmaker.com

37. Network analysis A Shortest routes Supply and demand B

38. 地理信息可视化的主要途径 • 地理信息系统的功能非常强大，但信息的查询和分析结果通常要通过人的视觉来感知，因此地理信息必须可视化。地理信息可视化的主要途径如下： • 利用地图进行地理信息可视化 • 地理现象可视化模拟 • 地理过程的动态可视化模拟

39. 地理信息的地图表示方法 地图学是一门经典学科、可以用很多种地图表示方法描述区域地理环境。还有多种其它表示地形和地理现象的方法，如：晕渲、透视图等等。

40. 地理信息系统的网络化与标准化 • 分布式地理信息系统的主要特点如下： • 地理空间数据存放在空间上分离的计算机上 • 不同的系统管理和维护人员，以及用户在网络上就可以利用不同的GIS功能服务对数据进行处理，解决该问题 • 许多GIS外设较为昂贵，通过分布式系统，可以实现这些设备的共享 • 可以实现并行计算，缩短计算时间，因为许多模型具有较高的时间复杂性

41. 地理信息系统的网络化 • WebGIS(万维网地理信息系统)，简言之，就是利用Web技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术。HTTP协议采用基于C/S的请求/应答机制，具有较强的用户交互能力，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据。人们完全可以利用Web来寻找他们所需要的空间数据，并且进行各种操作。WebGIS的主要特点如下： • WebGIS使用户更容易找到需要的地理空间数据和属性数据 • 利用Web不仅可以发布地理空间数据，还可以发布地理分析模型服务 • 必须是基于网络的客户机/服务器系统 • 客户端和服务器之间的信息交换是全球性的 • 用户和服务器可以分布在不同地点和不同的计算机平台上

42. 地理信息系统的网络化 • WEBGIS的实现技术 • 目前已经有多种不同的技术方法被应用于研制实现WebGIS，例如：CGI方法、插件法、Java Applet方法以及ActiveX方法等。

43. GIS的标准化 • 在地理信息系统中引入一系列标准，有利于保障地理信息系统技术及其应用的规范化发展，指导地理信息系统相关的实践活动，拓展地理信息系统的应用领域，从而实现地理信息系统的社会价值和经济价值。 • GIS标准化是指在GIS工程建设中都要遵循的一系列规范和标准，包括数据的分类、解释、定义、数据编码、数据的采集、数据交换、工程建设的技术流程、GIS的成果等等。应用地理信息系统标准，可以建立一套较为规范的数据录入处理流程，提高工作效率和质量，同时采用一致的数据格式以及空间数据可视化方式，指导数据的使用。

44. GIS的标准化 • 信息技术的标准和规范主要分为以下四个方面： • 硬件设备的标准，在网络技术中，存在着大量这种标准。 • 软件方面的标准，包括操作系统，查询语言，程序设计语言，图形用户界面等。 • 数据和数据格式的标准，包括数据模型、数据库、数据质量和可靠性、地理要素的分类系统、数据格式转换、数据存放的文件格式标准等，在地理信息应用中，空间数据编码规范、元数据标准等就属于该范畴。 • 过程标准，如ISO9000系列和CMM等，主要是针对系统开发过程的指导。

45. GIS的标准化 • 地理信息系统标准化的主要内容如下： • 软件工程的工具标准：如文档、设计、验收、评测标准以及软件的接口规范等。 • 数据标准：包括数据模型，数据质量，数据产品，数据交换，数据显示方法，地图投影等。 • 系统开发标准：系统设计过程，数据工艺流程，标准建库流程等。 • 名词术语和管理方法等。

46. GIS的标准化 • 目前，在国际上，有很多个组织和政府部门召集或主持制定了地理信息系统标准，其内容主要包括空间数据模型和空间服务模型，以及在此基础上的空间数据共享（Data Sharing）和互操作（Data Interoperation）。其中，主要是地理信息/地球信息科学(Geographic information/Geomatics)专业委员会制定的ISO/TC211地理信息标准，以及OGC(Open GIS Consortium)制定的Open GIS。 • 地理信息/地球信息科学标准（ISO/TC 211）是与地球上位置直接或间接有关的物体或现象的信息结构化的标准。该标准主要包括地理信息的内容和相关的方法，各种数据管理的工具和服务以及有关的请求、处理、分析、获取、表达，在不同的用户、系统平台上的数据转换。

47. GIS的标准化 • OpenGIS(Open Geodata Interoperation Specification,OGIS-开放式地理数据互操作规范)主要定义了以下三个模型： • 开放式地理数据(Open Geodata)模型 • OpenGIS服务 • 信息团体模型 • OpenGIS规范包括抽象（Abstract）规范，实现（Implementation）规范以及具体领域（Specific Domain）的互操作性问题，其中抽象规范是OpenGIS的基础，也是主体。目前，抽象规范的主题包括：综述(Overview)、要素几何体(Feature Geometry)、空间参考系统(Spatial Reference Systems)、定位几何体结构(Locational Geometry Structures)、存储功能和插值(Stored Functions and Interpolation)、要素 (Features)、覆盖类型及其子类型(The Coverage Type and its Subtype)、地球影象(Earth Imagery Case)、要素之间的关系(Relations Between Features)、质量(Quality)、要素集合(Feature Collections)、元数据(Metadata)、OpenGIS服务体系结构(OpenGIS Service Architecture)、目录服务(Catalogs Service)、语义和信息团体(Semantics and Information Communities)、图像使用服务(Image Exploitation Service)、图像坐标转换服务(Image Coordinate Transformation Service)。这些主题之间同样具有相互的依赖性，不是单独的作用的。

48. GIS的标准化 • 与Open GIS相比，ISO/TC211更为全面，更注重于标准本身的定义，可以指导地理信息系统开发和使用的各个方面，而OpenGIS更加注重软件的实现，因为有许多著名的GIS软件开发商参加。 • 地理信息系统标准还有很多，例如：美国联邦地理数据委员会(FGDC)制定的美国空间数据元数据标准和空间数据转换标准(SDTS-Spatial Data Transfer Standard)；加拿大Mercator GIS标准等，这些标准已经为世界各国采纳和借鉴。 • 目前在我国，GB系列中与GIS有关的标准主要是一些地理编码标准，包括：GB2260-80《中华人民共和国行政区划代码》，GB/T13923-92《国土基础信息数据分类与代码》，GB14804-93《1：500、1：1000、1：2000地形图要素分类与代码》，GB/T5660-1995《1：5000、1：10000、1：25000、1：100000地形图要素分类与代码》等。我国的地理信息系统标准化工作正在和国际接轨，已取得一定的成绩，但还应该加强统一的管理，建立适合我国的GIS标准体系，规范我国的GIS生产，提高GIS质量，推进GIS社会化和数字地球的建设步伐。

49. 地理信息系统的社会化 • 随着计算机软硬件技术的发展和应用，特别是网络技术和数据库技术的成熟，GIS开始应用于地理空间信息的管理，并在此基础上进行空间决策支持，以提高工作效率，减少企业的运行成本，这一阶段称为企业化GIS或者行业GIS，主要研究空间数据的共享和互操作、基于分布式计算平台上的GIS的实现、GIS的项目管理等，应用GIS的行业已不再只限于地学部门，其它的行业包括农业、工业、交通、邮电、气象、城市规划、人口、商业等部门，为他们的管理和决策服务。

50. 地理信息系统的社会化 • 利用GIS可以为公众提供地理信息服务的主要途径如下： • 提供GIS产品（包括数据和软件）。近几年，电子地图将地理信息的丰富内容以较多样的形式表达，如交通旅游光盘等。将地理信息系统和其它技术结合起来，可以进行空间相关数据的查询、检索和分析，进行空间管理和决策支持，如：定位定向导航、船载航海导航、车载监测管理导航等。 • 通过互联网为公众提供GIS服务。人们可以很方便地在网络上浏览地图，进行信息的管理，实现最优决策设计分析，咨询经营保险分析，设计旅游路线等等。 • 在公共场所以一定的方式提供GIS服务，如利用触摸屏提供服务，方便人们了解周围的环境，或者作出最佳选择，方便日常的生活。