1、第一章導論1、數據：通過數字化并記錄下來的可以被識別的符號，用于定性或定量的描述事物的特征和狀況。包括數字、文字、符號、圖形、圖像、聲音。2、信息：向人們提供關于現實世界各種新的事實的知識。信息的基本特征：客觀性、適用性、傳輸性、 共享性3、數據和信息的關系：兩者在詞義上的差別：數據是信息的表達，信息則是數據的內容； 數據是客觀對象的表示，只有當數據對實體行為產生影響時才成為信息；信息是當代社會發展的一項重要任務。4、地理信息：是指表征地理圈或地理環境固有要素或物質的數量、質量、分布特征、聯系和規律等的數 字、文字、圖像和圖形等的總稱；地理信息特征：屬于空間信息，它具有空間定位特征、屬性特征和

2、時序特征。5、地理信息系統：既是管理和分析空間數據的應用工程技術，又是跨越地球科學，信息，科學，空間科學的應用基礎學科，其技術系統由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統，用以支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題。6、地理信息系統與其他系統的區別：GIS技術優勢：在于空間數據結構和有效的數據集成、獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復雜的空間查詢功能、強大的圖形生成和可視化表達手段，以及地 理過程的演化模擬和空間決策支持能力等。7、Gis分類：按研究內容分：專題 GIS綜合GIS按研究范圍分：（1）全球性GIS; （2）區域性GIS按使用的數據

3、模型分：（1）矢量；（2）柵格；（3）混合型8、地理信息系統的基本構成：系統硬件，系統軟件，空間數據，應用人員和應用模型 一：系統硬件（1）數據輸入設備：數字化儀、掃描儀和數字測量設備等。（2）數據處理設備：包括從服務器到圖形工作站、微機等各種形式的計算機，可用作數據的處理、管理 與計算。（3）數據輸出設備：繪圖儀、打印機和高分辨率顯示裝置等。二：系統軟件按照功能可以分為：地理信息系統功能軟件、基礎支撐軟件和操作系統軟件等。常用的 GIS 軟件：ArcGIS、MapInfo、GeoStar、SurperMap、MapGIS 等。基礎支撐軟件： Oracle、SQL Server、Sybase、

4、Informix、IBM DB2、MySQL 等。三：空間數據由數據庫實體和數據庫管理系統組成，用于空間數據的存儲、管理、查詢、檢索和更新等。 地理數據：空間數據、屬性數據、時態數據。四：應用人員包括系統開發人員和地理信息系統的最終用戶。五：應用模型由數學模型、經驗模型和混合模型組成，用于解決某項實際應用問題，獲取經濟效益和社會效 益。例如：土地利用適宜性評價模型、選址模型、洪水預測模型、人口擴散模型、森林增長模型、水土流 失模型等。9 .CAD、GIS區別：數據對象不同；功能不同10 .GIS基本構成：五個組成部分基本功能（1）數據采集與編輯：地理要素轉化坐標及屬性代碼輸入計算機。（2）數據

5、存儲與管理：圖屬一體化存儲與管理。（3）數據處理和變換：數據變換、重構、抽取。（4）空間分析和統計：空間查詢分析、疊合分析、緩沖區分析、數字地形分析、空間統計分析。（5）產品制作與顯示：專題圖、統計表、圖像。 （6）二次開發和編程：組件式開發11、地理信息系統的應用功能：（了解）1.資源管理2.區域規劃3.國土監測4.輔助決策5.定位服務6.城市 管理。12、我國國產主流 GIS 軟件：GeoStar、MapGiS、SuperMap、CityStar13.GIS應用領域介紹：地質災害領域，天氣預報，交通領域，旅 游，公共事業，建筑領域，三維仿真 地圖，虛擬城市，Google earth三維城市

6、模型，虛擬戰場，專用 GIS （公眾查詢），車載3s集成系統，空間 信息管理，虛 擬規劃第二章：地理信息系統的數據結構1、地理空間：上至大氣電離層，下至地殼與地幔交界的莫霍面之間的空間區域。一般包括地理空間定位 框架及其所連接的空間對象；2、地理空間定位框架一一即大地測量控制系統，用以建立地球的幾何模型來精確地測量地球上任意一點 的坐標，包括平面位置和高度值。大地測量控制系統由平面控制網和高程控制網組成。大地測量控制信息 的主要要素就是大地測量控制點。3、目前，我國采用的大地坐標系為1980年中國國家大地坐標系，現在規定的高程起算基準面為1985國家高程基準地理空間的實體包括點、線、面、曲面和

7、體等多種類型。在計算機中，現實世界是以各種數字和字符形式 來表達和記錄的。對現實世界的各類空間對象的表達有兩種方法，分別稱為矢量表示法（矢量數據模型）和柵格表示法（柵格數據*II型），地理空間及其表達大地測量控制系統：平面與高程控制系統 空間實體的表達：矢量表示和柵格表示4、GIS空間數據的分類：1按數據來源：地圖數據，影像數據，文本數據2按數據結構：矢量數據，柵格數據3按數據特征：空間數據，非空間屬性數據4按幾何特征：點，線，面，曲面，體。 5按數據發布形式：數字線劃圖 DLG,數字柵格圖 DRG,數字高程模型 DEM,數字正射影像圖 DOM。（4D產品）5、GIS空間數據的基本特征：（1）

8、空間特征：地理現象和過程所在的位置、形狀和大小等幾何特征，以及 與相鄰地理現象和過程的空間關系，包括方位關系、拓撲關系、相鄰關系、相似關系等。空間位置可以通 過坐標數據來描述，稱為定位特征或定位數據；空間關系稱為拓撲特征或拓撲數據。（2）屬性特征：指地理現象和過程所具有的專屬性質，通常包括名稱、數量、質量、性質等，稱為屬性數據。（3）時間特征：指一定區域內的地理現象和過程隨著時間的變化情況，稱為時態數據。6、拓撲關系：拓撲關系是指網結構元素（結點、弧段、面域）間的鄰接、包含、關聯等關系即要素（圖 元）之間的連通性或相鄰的關系。7、拓撲關系的類型：（1）拓撲鄰接：指存在于空間圖形的相同類型元素之

9、間的拓撲關系。（2）拓撲關聯：指存在于不同類型空間元素之間的拓撲關系。（3）拓撲包含：指存在于空間圖形的相同類型但不同等級的元素之間的拓撲關系。8、空間拓撲關系的意義拓撲關系在GIS的數據處理、空間分析以及數據庫的查詢與檢索中，具有重要的意義。（1）確定地理實體間的空間位置關系。（2）利于空間要素的查詢：某一湖泊鄰接的土地類型都有哪些。（3）重建地理實體：建立封閉多邊形，實現道路的選取，進行最佳路徑的計算等。9 .空間數據的計算機表示指通過利用確定的數據結構和數據模型來表達空間對象的空間位置、拓撲關系和屬性信息。即空間數據結構：矢量和柵格數據結構空間數據表示的基本方法：（1）空間分幅（2）屬性

10、分層（3）時間分段10 .數據結構：計算機中數據的組織形式11、空間數據結構是一種用來表達空間數據的數據結構。12、空間數據結構類型：1.矢量數據結構2.柵格數據結構3.曲面數據結構矢量數據結構：是利用歐幾里得幾何學中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數據組織方式。矢量數據獲取方法：1.外業數字化測圖獲得：如全立儀GPS、三維激光掃描儀等；2.掃描數字化方法獲取；3.由數字攝影測量或遙感獲得；4.柵格數據轉成矢量數據。矢量數據結構類型：實體數據結構（也稱面條數據結構）拓撲數據結構實體數據結構（面條結構）：空間數據按照基本的空間對象（點、線或多邊形）為單元進行單獨組織，其中 不含

11、有拓撲關系的信息。實體數據結構編碼 優點：結構簡單、直觀、易實現以實體為單位的運算和顯示。缺點：1、相鄰多邊形的公共邊界被數字化并存儲兩次，造成數據冗余和碎屑多邊形一數據不一致，浪費空間，導致雙重邊界不能精確匹配。2、自成體系，缺少多邊形的鄰接信息，無拓撲關系，難以進行鄰域處理，如消除多邊形公共邊界，合并多邊形。3、島作為一個單個圖形，沒有與外界多邊形聯系。不易檢查拓撲錯誤。所以，這種結構只用于簡單的制圖系統中，顯示圖形。拓撲數據結構：由節點、弧段、多邊形來表示地理要素之間的空間分布及其關系的一種數據組織方式。拓撲數據結構編碼方法：DIME （對偶獨立地圖編碼法）、POLYVRT （多邊形轉換

12、器）、TIGER （參照系統的拓撲集成）等第三節 空間數據結構的類型1 .拓撲數據結構特點：點是相對獨立的，點連成線，線構成面。每條線始于節點，止于終止節點，并與左右多邊形相鄰接。構成多邊形的線又稱為弧段，兩條以上的弧段相交的點稱為節點，由一條弧段組成的多邊形稱為島或洞，多邊形圖中不含島的多邊形稱為簡單多邊形；含島的多邊形稱為復合多邊形。在復合多邊形中包括有外邊 界和內邊界，島看做是復合多邊形的內邊界。2 .拓撲數據結構編碼文件：弧段文件，弧段坐標文件，結點文件，多邊形文件3 .弧段是數據結構的基本對象。弧段文件由弧段記錄組成，每個弧段記錄包括弧段標識碼、起始節點、終 止節點、左多邊形和右多邊

13、形。4 .弧段坐標文件由弧段代碼、弧段坐標序列串組成。節點文件由節點記錄組成，包括每個節點的節點標識碼、節點坐標及與該節點連接的弧段標識碼等。多邊形文件由多邊形記錄組成，包括多邊形標識碼、組成該多邊形的弧段標識碼以及相關屬性等。5 .柵格數據結構：指將空間分割成各個規則的網格單元（象元），然后在各個格網單元內賦以空間對象相應的屬性值的一種數據組織方式。6 .柵格數據結構特點：1、柵格數據結構中：空間位置用行和列標識。網格通常是正方形，有時也采用矩形等邊三角形和正六邊形；2、數據精度取決于網格的邊長（分辨率）。柵格空間分辨率指一個象元在地面所代表的實際面積大小（一個正方形的面積）；3、網格邊長縮

14、小，分辨率越高，網格單元的數量將呈幾何級數遞增，存儲空間也隨之增大；4、與矢量數據結構相比，柵格數據結構表達地理要素比較直觀，容易實現多層數據的疊合操作；5、網絡分析比較困難，不適合比例尺變換，投影變換等。7 .柵格數據結構獲取方法：（1）手工網格法（2）掃描數字化法（3）分類影像輸入法（4）數據結構轉換法8 .柵格結構數據中混合像元的處理方案一 面積占優法：以占矩形區域面積最大的地物類型或現象特性決定柵格單元的代碼百分比法：根據矩形區域內各地理要素所占面積的百分比數確定柵格單元的代碼中心點法：用處于柵格中心處的地物類型或現象特性決定柵格代碼重要性法：根據柵格內不同地物的重要性，選取最重要的地

15、物類型決定相應的柵格單元代碼方案二：縮小柵格單元的面積9 .柵格數據結構類型：（1）柵格矩陣結構。柵格矩陣結構是一種用矩陣來存儲柵格數據單元的存儲結構。（2）游程（行程）編碼結構。游程指相鄰同值網格的數量，游程編碼結構是逐行將相鄰同值的網格合并，并記錄合并后網格的值及合并網格的長度。建立方法：將柵格矢I陣的數據序列X1 X2 Xn,映射為相應的二元組序列（ Ai,Pi）, i = 1,K,且Kw n。A為屬性值，P為游程，i為游程序號。（3）鏈碼。鏈碼：由起點位置和一系列在基本方向的單位矢量給出每個后續點相對其前繼點的可能的8個基本方向之一表示。8個基本方向自0°開始按逆時針方向代碼

16、分別為0,1, 2,3,4, 5,6,1。單位矢量的長度默認為一個柵格單元。（4）塊碼。塊碼：采用方形區域作為記錄單元，數據編碼由始位置行列號加上半徑，再加上記錄單元的代 碼組成。（5）四叉樹編碼結構。四叉樹編碼法：將空間區域按照四個象限進行遞歸分割n次，每次分割形成 2nx 2n個子象限，直到子象限中的屬性數值都相同為止，該子象限就不再分割。建立四叉樹的兩種方法自上而下（逐層細分）：先檢測全區域，值不相同時即四叉分割，直到最小柵格或數值都相同為止。自下而上（逐層集化）：先檢測0、1、2、3單元，若4個單元值相同，則合并；反之，作為4個葉節點記錄。然后是4、5、6、1單元，依此逐層向上，直到最

17、后生成根節點。四叉樹存儲方法常規四叉樹：每個節點存儲6個量，即4個子節點指針、1個父節點指針和1個節點值。見書 P51線性四叉樹：每個節點存儲3個量，即莫頓碼、深度和節點值。見書 P51四叉樹編碼法有如下優點：容易而有效地計算多邊形的數量特征。陣列各部分的分辯率隨區域的復雜程度而改變，邊界復雜部分四叉樹較高即分級多，分辯率也高，而不需表示許多細節的部分則分級少，分辯率低，因而既可精確表示圖形結構又可減少存貯量。和柵格數據結構轉換容易。多邊形中嵌套異類小多邊形的表示方便。（6）八叉樹編碼結構。八叉樹結構是從四叉樹結構直接發展而來的，其原理是將空間區域不斷地分解為八個同樣大小的子區域（即將一個六面

18、的立方體分解為八個同樣大小的小立方體），分解的次數越多，子區域就越小，一直到同一區域的屬性單一為止。10 .編碼結構比較直接柵格編碼：簡單直觀，是壓縮編碼方法的邏輯原型（柵格文件）；鏈碼：壓縮效率較高，以接近矢量結構，對邊界的運算比較方便，但不具有區域性質，區域運算較難；游程長度編碼：在很大程度上壓縮數據，又最大限度的保留了原始柵格結構，編碼解碼十分容易，十分適合于微機地理信息系統采用；塊碼和四叉樹編碼：具有區域性質，又具有可變的分辨率，有較高的壓縮效率，四叉樹編碼可以直接進行 大量圖形圖象運算，效率較高，是很有前途的編碼方法。11 .矢量與柵格數據結構的比較矢量數 據結構1 .他于面向現象（

19、土壤類、土地利用 單元等）;2 .數據結構緊湊、冗余度低；3 .有利于網絡分析；4 .圖形顯示質量好、精度局。1 .數據結構復雜；2 .軟件與硬件的技術要求比 較局；3 .多邊形疊合等分析比較困 難；4 .顯示與繪圖成本比較圖。冊格數 據結構1 .數據結構簡單；2 .空間分析和地理現象的模擬均比 較容易；3 .有利于與遙感數據的匹配應用和 分析；4 .輸出方法快速，成本比較低廉。1 .圖形數據量大；2 .投影轉換比較困難；3 .柵格地圖的圖形質量相對 較低；4 .現象識別的效果不如矢量 方法。第三節 空間數據結構的類型（一）TIN的曲面數據結構思想：將離散分布的實測數據點連接成三角網，網中的每

20、個三角形要求盡量接近等邊形狀，并保證由最 近鄰的點構成三角形，即三角形的邊長之和最小。狄洛尼三角網的表達：三角形標識碼、相鄰三角形標識 碼、三角形頂點標識碼、頂點空間坐標。（二）規則格網的曲面數據結構（ Grid）思想：將區域空間切分為規則的格網單元，每個格網單元對應于一個數值，該屬性值為地面的高程或 其他連續分布現象的數值。空間數據結構的建立1 .空間數據結構的建立過程：數據源的確定數據分類和編碼 確定數據模罌和數據結構類型* I數據輸入和編輯操作/ 、矢量數據輸小與編輯I方方矢量數據|柵格數1 |2 .系統功能與數據間的關系現代地理信息系統數據模式的一個重要特征是數據與功能之間具有密切的聯

21、系（見下表），因此，在確定數據內容時，首先必須明確系統的功能；對開發的GIS系統的功能，是通過用戶需求調查來確定的，因此，在開發 GIS系統之前，首先要進行系統 分析。3 .空間數據的分類和編碼空間數據的分類：是指根據系統功能及國家規范和標準，將具有不同屬性或特征的要素區別開來的過程， 以便從邏輯上將空間數據組織為不同的信息層。分類原則：幾何圖形原則，對象原則。我國基礎地理信息數據分類標準：（八大類）測量控制點，水系，居民地交通 ，管線與垣柵，境界，地形與土質，植被。4 .空間數據的編碼：是指將數據分類的結果，用一種易于被計算機和人識別的符號系統表示出來的過程， 編碼的結果是形成代碼。代碼由數

22、字或字符組成。5 .矢量數據的輸入與編輯矢量數據的輸入：是指將分類和編碼的空間對象圖形轉換為一系列x、y坐標，然后按照確定的數據結構加入到線段或標示點的計算機數據文件中去；這一過程常常稱為數字化。數字化的方法：手扶跟蹤數字化儀數字化、屏幕數字化、掃描矢量化等。6 .屏幕數字化過程：1、打開柵格圖像文件 2、圖像配準3、輸入空間數據 4、輸入屬性數據7 .空間數據編輯目的是為了消除數字化過程中引入的各類錯誤和對數據進行拓撲關系檢查等而進行的操作。8 .柵格數據的輸入與編輯柵格數據的輸入方法包括透明格網采集輸入、掃描數字化輸入及其它數據傳輸或轉換輸入、遙感影像解譯等；柵格數據編輯的目的同樣是為了消

23、除數字化過程中引入的各類錯誤，根據柵格數據結構的特點，其編輯的內容還包括數據壓縮和數據組織方式的變換等。9 .曲面數據的輸入曲面數據主要指數字地形模型數據，通常采用對已知高程的離散數據點進行空間插值的方法來生成。10 .空間數據處理的內容：數據變換：數據從一種數學狀態到另一種數學狀態的變換，包括幾何糾正和地圖投影轉換等。數據重構：數據從一種格式到另一種格式的轉換，包括空間數據結構轉換、多元空間數據的融合、空間數 據的壓縮與重分類數據提取：對數據進行某種條件的取舍，包括空間數據的內插。第三章空間數據的處理第一節空間數據的變換1 .實質：空間數據坐標系的變換 建立兩個坐標系坐標點之間的一一對應關系

24、，包括幾何糾正和投影轉 換。2 .幾何糾正幾何糾正是指對數字化原圖數據進行的坐標系轉換和圖紙變形誤差的改正，以實現與理論值的一一對應關幾何糾正的方法包括仿射變換、相似變換、二次變換和高次變換等。 仿射變換公式推導設右圖中，x, y為數字化儀坐標，X、Y為理論坐標，ml、m2為地圖橫向和縱向的長度變化比例， 兩坐標系夾角為，數字化儀坐標原點相對于理論坐標系原點平移了a0、b0,則根據圖形變換原理,得到坐標變化公式為： 仿射變換幾何含義：對二維坐標數據進行平移、旋轉和不同比例（ x與y方向）的縮放。特性： 平直線 平行性 不同方向上長度比變化。表現為：球變為橢球，正方形變為平行四邊形。X= a 0

25、( m 1 cos=)x- ( m 2sin:) yY= b0( m 1 sin： ) x( m 2 cos二)yX= a 0( m 1 cos：) x ( m 2sin：) yY= b0- ( m 1 sin二)x( m 2 cos二)ya1 :m1 cosaa2= -m2 sina 4 'm1sina b2'm2cosaX = a0+a1x + a2y、Y =b0+b1x+b2y但在實際應用時，通常利用 4個以上的點進行仿射糾正，利用最小二乘法處理來求解待定參數，以提高變 換的精度。二次變換”.2.2,X = a0 + a1x + a2y +a11x + a12 xy +

26、a22 y1.2.2、丫 = b0 + b1x + b2 y + b11 x + b12 xy + b22 y二次變換適用于原圖有非線性變形的情況，二次變換至少需要6對控制點坐標及其理論值求出待定系數。3.地圖投影及其轉換常用地圖投影：高斯-克呂格投影、墨卡托投影、UTM投影、蘭勃特投影、阿爾伯斯投影等。投影轉換是指當系統使用來自不同地圖投影的圖形數據時，需要將該投影的數據轉換為所需要投影的坐標數據；實質：建立兩平面之間點的對應關系。投影轉換的方法包括正解變換、反解變換和數值變換等。投影轉換的方法：解析變換（正解變換：反解變換 ，數值變換，解析一數值變換一.由矢量向柵格的轉換當數據采集采用矢量

27、數據，而空間分析采用柵格數據時，需要將矢量數據轉換為柵格數據；矢量向柵格轉換處理的根本任務就是把點、線、面的矢量數據，轉換成對應的柵格數據。這一過程稱為柵格化。點的柵格化（2）線的柵格化（3）面的柵格化基于弧段數據的柵格化方法 一一拓撲結構 基于多邊形數據的柵格化方法一一實體結構（內點填充法 邊界代數法 包含檢驗法）1.基于弧段數據的柵格化方法對整個要進行柵格化的范圍按行或列作中心掃描線，對其中的任一掃描線，求與所有矢量多邊形的邊界弧段的交點，記錄其坐標，并用點的柵格化方法求出交點的柵格坐標行列值，再根據弧段的左右多邊形 信息判斷并記錄交點左右多邊形的數值2.1. 于多邊形數據的柵格化方法將一

28、個多邊形的內部柵格單元賦予多邊形的屬性值。內點填充法：首先按線的柵格化方法把多邊形的邊界柵格化，然后在多邊形的內部找一點作為內點，從該點出發，向外填充多邊形區域，直到邊界為邊界代數法邊界代數法是一種基于求積分思維的轉換方法。它根據多邊形的各邊界弧段的拓撲信息，通過簡單的數學運算將拓撲信息動態地賦給各個柵格單元，從而完成矢量到柵格的轉換。具體方法為：對初始化的柵格陣列各象元賦初值0,給多邊形賦編號（即把多邊形內的初值。用編號取代）；以柵格行列為參考坐標系，從多邊形邊界上某點開始順時針搜索邊界線。當邊界上行時，位于該邊界線段左側的具有相同行號的所有柵格象元被減去編號值；當邊界下行時，位于該邊界線段

29、左側的具有相 同行號的所有柵格象元被加上編號值，當沿邊界搜索一周重新回到起點后，所有多邊形內部象元點都已被 賦值，從而完成了多邊形填充，實現了矢量向柵格轉換。包含檢驗法：對每個柵格單元，逐個判定其是否包含在某個實體多邊形內，若包含在內，則將多邊形屬性值賦給該柵格單元。點在多邊形內的判定方法：檢驗夾角之和、鉛垂線法。二、由柵格向矢量的轉換當由柵格數據分析的結果通過矢量繪圖機輸出，或者將柵格數據加入矢量數據庫時，都需要將柵格數據轉換為矢量數據；由柵格數據向矢量數據的轉換：一是將掃描儀獲取的圖像柵格數據存入矢量形式的空間數據庫；二是將柵格數據進行數據壓縮，將面狀柵格數據轉換為由矢量數據表示的多邊形邊

30、界。（1）基于圖像數據的矢量化方法二值化：細化：跟蹤（2）柵格數據的矢量化方法搜索多邊形邊界弧段相交處的節點位置，從搜索出的節點里任選一個作為起始跟蹤節點，順著柵格單元屬性值不同的兩個柵格單元之間進行多邊形邊界弧段的跟蹤，記錄每一步 跟蹤的坐標，直到另一個節點為止，則完成一條邊界弧段的跟蹤矢量化。重復上述過程，直到所有邊界弧 段都被生成。最后，將跟蹤得到的弧段數據連接組織成多邊形。第三節多源空間數據的融合1 .地理數據特征：多語義性 多時空性多尺度性獲取手段的多樣性存儲格式的不同數據模型與數據結 構的差異2 .（一）遙感與GIS數據的融合1.遙感影像與數字線劃圖（DLG ）的融合 2.遙感影像

31、與數字高程模型 （DEM ） 的融合 3.遙感影像與數字柵格圖（DRG）的融合不同格式數據的融合不同GIS軟件具有不同的數據存儲格式和結構；目前主要數據格式由：ESRI公司的 Coverage、Shapefile、E00格式；Autodesk公司的DXF和DWG格式;MapInfo公司的TAB和MIF格式；Intergraph公司的 DGN格式等。3 .不同格式數據的融合方法（1）基于轉換器的數據融合。數據轉換一般通過交換格式進行。特點：轉換過程復雜；轉換次數頻繁；系統內部的數據格式需要公開，但轉換采用的技術不公開（2）基于數據標準的數據融合。采用一種空間數據的轉換標準來實現多源GIS數據的融

32、合。特點：能處理多個數據集；轉換次數少；系統內部的數據格式不需公開，但公共轉換采用的技術需要公開（3）基于公共接口的數據融合。數據互操作模式，各個系統通過公共接口相互聯系。特點：獨立于具體平臺；轉換技術高度抽象；數據格式不需公開。（4）在一個GIS軟件中實現對其他軟件數據格式的直接訪問轉換過程簡單；不要求用戶擁有該數據格式的宿主軟件；系統內部的數據格式需要公開。4 .空間數據的壓縮1 .數據壓縮的目的：節省存貯空間節省處理時間2 .壓縮的大小判斷：壓縮比：二.=m M1n3 .壓縮比大小影像因子數據的復雜程度，縮小倍數，精度要求，數字化取點密度，壓縮方法。4 .壓縮分類：基于矢量的壓縮基于柵格

33、的壓縮第四節 空間數據的壓縮與重分類（一）基于矢量的壓縮線狀實體上點數量的壓縮空間數據壓縮方法：1.間隔取點法2.垂距法3.光欄法4.道格拉斯佩克算法（二）基于柵格的壓縮空間數據壓縮方法：1.游程編碼2.四叉樹編碼第五節 空間數據的內插方法空間數據的內插：通過已知點或多邊形分區的數據，推求任意點或多邊形分區數據的方法。空間數據內插形式：1.點的內插 自然地理數據。點的內插：是研究具有連續變化特征現象（例如地面高程等）的數值內插方法。理論基礎：空間內地理連續分布現象具有相關性。解決思路：根據未知點附近的已知數據點的數據，建立相關數學模型（逼近擬合法），推測出未知點處的數據。點的空間內插法分類點的

34、空間內插分塊內插法線性內插法雙線性多項式內插 法二元樣條函數內插 法逐點內插法移動擬合法加權平均法克里金法整體內插法N次多項式擬合法點數據內插應用以建立數字高程模型為例（Grid ）（1）數據取樣（數據點的選取）現有地形圖的等高線上進行數據取樣。取樣原則：沿地性線（山脊線、山谷線、坡度變換線）沿等高線，沿斷面線格網取樣方案：按照一定間隔的格網取樣，地形變化顯著地方，輔以地形特征點。關鍵是確定合適的格網 間距。格網間距判定方法：高程差異數值是否在數字高程模型精度要求之內。（2）數據內插（求解加密數據點）由于取樣數據呈離散點分布形式，或者數據點雖然按照格網排列，但格網的密度不能滿足使用的要求，這

35、樣就需要以數據點為基礎進行插值運算。常用數據內插方法：分塊內插法：線性內插法，雙線性內插法，二元樣條函數內插法逐點內插法：移動擬合法，加權平均法，克里金法。（3）數據精度分析（內插精度判定）在研究區內選取n個數據點，求實際高程值與插值的差值，其允許誤差應小于原始數據比例尺等高距的1/3。區域的內插 解決方法：（1）疊置法（2）比重法 根據平滑密度函數的原理，將源區的統計數據從同性 質改變為非同性質，而非同性質代表著一般社會經濟現象的普遍特點。（1）在源區上疊置一張網格，網格大小要滿足內插精度。（2）將源區各個分區的平均人口數賦予相應分區的各個格網點。（3）計算相鄰四個格網點的平均值。（4）將各

36、個分區格網點值相加，設為，計算其系數，并將各個格網點值乘以，得到調整后的各個分區各網點值。（5）此過程繼續下去，直到 與 值很相近，或者相應分區的各網點值比較一致時，便可計算目標 區的內插值區域的內插：研究根據一組多邊形分區的已知數據來推求同一地區另一組多邊形分區未知數據的內插方 法。第四章 GIS空間數據庫第一節空間數據庫概述1 .空間數據庫的概念：數據庫就是為了一定的目的，在計算機系統中以特定的結構組織、存儲、管理和應 用的相關聯的數據集合。作用：數據存儲與管理，輔助用戶的空間分析與決策。要求：高效。關鍵：數據 模型2 .GIS空間數據庫用來存儲空間和屬性數據3 .空間數據的存儲和管理方式

37、：空間數據文件存儲管理（Shp文件）空間數據庫存儲和管理（Geodatabase數據庫）4 .數據庫系統：數據庫存儲系統：按照一定的結構組織在一起的相關數據的集合，通常是一系列相互關聯 的數據文件；數據庫管理系統（DBMS）：提供數據庫建立、使用和管理工具的軟件系統。數據庫應用系統：具有數據庫訪問功能的應用軟件。5 .空間數據庫的設計：實質是將地理空間實體以一定的組織形式在數據庫系統中加以表達的過程，也就是 GIS中的空間實體建立數據模型的過程。數據庫設計的過程和步驟：1.需求分析。即用系統的觀點分析與某一特定的空間數據庫應用有關的數據集合2.概念設計。把用戶的需求加以解釋，并用概念模型表達出

38、來。3.邏輯設計。空間數據庫邏輯設計的任務是，把信息世界中的概念模型利用數據庫管理系統所提供的工具映射為計算機世界中為數據庫管理系統 所支持的數據模型，并用數據描述語言表達出來。4.物理設計。數據庫的物理設計指數據庫存儲結構和存儲路徑的設計，即將數據庫的邏輯模型在實際的物理存儲設備上加以實現，從而建立一個具有較好性能的 物理數據庫。6 .空間數據庫的設計原則和技術方法：(1)盡量減少空間數據存儲的冗余量；(2)提供穩定的空間數據結構；(3)滿足用戶對空間數據及時訪問的需求，并能高效地提供用戶所需的空間數據查詢結果；(4)在數據元素間維持復雜的聯系，以反映空間數據庫的復雜性；(5)支持多種多樣的

39、決策需要，具有較強的應用適應性。7 .空間數據庫的實現和維護空間數據庫的實現：(1)建立實際的空間數據庫結構；(2)裝入實驗性的空間數據對應用程序進行調試，以確認其功能和性能是否滿足設計要求，并檢查對數據庫存儲空間的占用情況；(3)裝入實際的空間數據，即數據庫的加載，建立起實際運行的空間數據庫。空間數據庫的運行與維護：(1)維護空間數據庫的安全性和完整性，需要及時調整授權和密碼，轉儲及恢復數據庫；(2)監測并改善數據庫性能，分析評估存儲空間和響應時間，必要時進行數據庫的再組織；(3)增加新的功能，對現有功能按用戶需要進行擴充；(4)修改錯誤，包括程序和數據。第二節空間數據庫概念模型設計1 .數

40、據模型：在數據庫系統中，現實世界中的事物及聯系是用數據模型來描述的，數據庫中各種操作功能的實現是基于 不同的數據模型的，因而數據庫的核心問題是模型問題。數據模型是數據庫中對數據的邏輯組織形式的描 述。空間數據庫的設計可以歸結為空間數據模型的設計2 .概念模型完成從現實世界到信息世界的抽象以需求分析階段所提出的數據要求為基礎，對用戶需求描述的現實世界通過對其中信息的分類、聚集和概 括，建立的抽象數據模型，是數據庫的全局邏輯數據視圖，是數據庫管理員所看到的實體、實體屬性和實 體間的聯系。3 .語義數據模型(實體一聯系模型)：語義模型的模型結構是由若干種抽象所組成，用這些抽象來描述客體的基本語義特征

41、，再根據語義模型結構規則把這些抽象有機地組織起來。最常用的語義模型之一：實體 -聯系模型(E-R模型)4 .E-R模型三種語義概念：(1)實體：客觀事物的抽象，并且可以被唯一表示，具有自己的屬性。E-R模型圖中用矩形符號表示，實體的命名標注于矩形符號之內。(2)屬性：實體的特征。E-R模型圖中用一個橢圓形表示，屬性的名稱標注在橢圓內，屬性同實體和聯系之間用線段連接。(3)聯系：實體間的關系或聯系。 關系的種類有擁有/屬于關系、集/子集、父/子關系、實體的組成關系等, 這些關系又可分為：一對一 (1: 1), 一對多(1: N),多對多(M: N)。E-R模型圖中聯系用菱形符號表示，聯系的名稱標

42、注在菱形符號之內，實體和聯系之間用線段連接，并在線上注明連接的類型。5 .E-R模型進行數據庫概念設計的三個步驟：1、設計局部E-R模型；2、設計全局E-R模型；3、全局E-R模型的優化。6 .面向對象的數據模型：面向對象的數據模型：以接近人類通常思維方式的思想，將客觀世界的一切實體 模型化為對象。并將數據和操作(方法)封裝在一起。整個系統只由對象組成，對象之間通過“消息”進 行聯系。使系統很容易重組和擴充。面向對象數據模型基本概念：對象：含有數據和操作方法的獨立模塊，可以認為是數據和行為的統一體。空間數據庫中，任何空間實體都可以用對象的形式加以表達，比如表示一個行政區域的多邊形對象、表示一條

43、河流的弧段對象等。（2）類：共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構成類（3）消息：對對象進行操作的請求，是連接對象與外部世界的唯一通道。（4）方法：對對象的所有操作，如對對象的數據進行操作的函數、指令、例程等7.面向對象的特性：（1）抽象（2）封裝（3）多（4）重載（5）繼承（6）概括（7）聚集8.ORM 圖即對象角色建模（Object Role Modeling ）,是運用面向對象的原理進行數據庫概念建模的軟件工程方法。實體對象類型：由實際事物組成的對象類型。用實線橢圓表示。值對象類型：由數字或字符串組成的數字類型，用來說明實體對象類型，用虛線橢圓表示。謂詞：描述由對象類型扮演的角色的事實的

44、一部分。表示為一個或多個角色框的序列。唯一性約束，用雙 向箭頭表示，強制性約束用圓點表示。9.面向對象數據模型優點：1）可充分利用現有數據模型的優點，面向對象的數據模型是一種基于抽象的模型，允許設計者在基本功能 上選擇最為適用的技術。如可以把矢量和柵格數據結構統一為一種高層次的實體結構，這種結構可以具有 矢量結構和柵格結構的特點，但實際的操作仍然是矢量數據用矢量運算，柵格數據用柵格算法。2）具有可擴充性。由于對象是相對獨立的，因此可以很自然和容易地增加新的對象，并且對不同類型的對 象具有統一的管理機制。3）可以模擬和操縱復雜對象。傳統的數據模型是面向簡單對象的，無法直接模擬和操縱復雜實體，而面

45、向 對象的數據模型具備對復雜對象進行模擬和操縱的能力。第三節空間數據庫邏輯模型設計1 .邏輯設計目的是從概念模型導出特定的數據庫管理系統可以處理的數據庫的邏輯結構。2 .空間數據庫邏輯設計的思想：把E-R圖表示的實體一聯系類型，轉換成選定的數據庫管理系統所支持的記錄類型，包括層次、網狀、關系、面向對象系統等。3 .層次數據模型。它的特點是將數據組織成一對多關系的結構。層次結構采用關鍵字來訪問其中每一層次 的每一部分。層次數據庫結構特別適用于文獻目錄、土壤分類、部門機構等分級數據的組織。優點：存取 方便且速度快；結構清晰，容易理解；數據修改和數據庫擴展容易實現；檢索關鍵屬性十分方便。缺陷： 結構

46、呆板，缺乏靈活性；同一屬性數據要存儲多次，數據冗余大（如公共邊）；不適合于拓撲空間數據的組織。4 .網絡數據庫模型：網絡模型用連接指令或指針來確定數據間的顯式連接關系，是具有多對多類型的數據 組織方式。優點：能明確而方便地表示數據間的復雜關系；數據冗余小缺陷：網狀結構的復雜，增加了用戶查詢和定位的困難。需要存儲數據間聯系的指針，使得數據量增大；數據的修改不方便（指針必須修改）5 .關系數據庫模型：是以記錄組或數據表的形式組織數據，以便于利用各種地理實體與屬性之間的關系進 行存儲和變換，不分層也無指針，是建立空間數據和屬性數據之間關系的一種非常有效的數據組織方法。 優點：結構特別靈活，滿足所有布

47、爾邏輯運算和數學運算規則形成的查詢要求；能搜索、組合和比較不同 類型的數據；增加和刪除數據非常方便缺陷：數據庫大時，查找滿足特定關系的數據費時6 .E-R模型向關系數據模型的轉換E-R模型可以向現有的各種數據庫模型轉換，對不同的數據庫模型有不同的轉換規則。例如，需要實現一 個全關系型的空間數據庫，則向關系模型轉換的規則是：一個實體類型轉換成一個關系模式，實體的屬性就是關系的屬性，實體的關鍵字就是關系的關鍵字。一個聯系類型轉換成一個關系模式，參與該聯系類型的各實體的關鍵字以及聯系的屬性轉換成關系的屬 性。第四節 空間數據庫的物理設計空間數據庫的物理設計概念；數據庫存儲結構和存儲路徑的設計空間數據

48、庫的物理設計步驟：結構設計；約束；應用設計第五節空間數據查詢1 .空間數據查詢（根據空間位置，根據屬性記錄）2 .空間數據查詢功能大致分為三類：針對空間關系的查詢；針對非空間屬性的查詢；結合空間關系和非空 間屬性的查詢3 .空間關系查詢類型：實體間拓撲、順序、距離、方位等關系的查詢簡單的點、線、面實體相互關系的查詢包括：（1）點一點查詢（2）線一點查詢（3）面一點查詢（4）點一線查詢（5）線一線查詢（6）面一線查詢（7）點一面查詢（8）線一面查詢（9）面一面查詢4 .屬性數據查詢：結構化查詢語言（SQL）5 .空間屬性聯合查詢：查詢條件既包括空間位置關系，又包括屬性信息的查詢6 .空間查詢語言

49、：是指從空間數據庫中查找出所有滿足空間約束條件和屬性約束條件的地理實體的算法語 言。第六節空間數據庫索引1 .索引目的：快速地在空間數據庫中找到所需要的空間信息。數據庫一維索引組成：關鍵字和存儲地址2 .空間索引：依據空間實體的位置和形狀或空間實體之間的某種空間關系按一定的順序排列的一種數據結 構，其中包含空間實體的概略信息，如標識碼、最小外接矩形以及存儲地址。3 .常見的空間索引方法：一、范圍索引：在記錄每個空間實體的坐標時，同時記錄每個空間實體的最大和 最小坐標。二、格網空間索引 ：將區域劃分成大小相等的網格，記錄每個網格內所包含的空間實體在數 據庫中的地址。三、四叉樹空間索引：將區域若干

50、層次的劃分，每個層次的劃分是將上一層次劃分得到的 每個區域分成四個相等的子區域，用包含實體的子區域編碼記錄空間實體。第七節空間元數據1.空間元數據：在空間數據庫中用于描述空間數據的內容、質量、表示方式、空間參考和管理方式等特征 的數據。第八節 空間數據庫引擎第九節 空間時態數據庫1 .空間實體的時態特征信息：實體從產生到消亡的時間信息，即有效時間或生命周期。時空GIS （四維）核心：時空數據庫2 .時空數據庫系統：空間時態數據的表達空間時態數據的更新 空間時態數據的查詢3 .時空一體化數據模型時間片快照模型底圖疊加模型時空合成模型第五章空間分析的原理與方法1 .空間分析是 GIS區別于其他類型

51、系統的一個最主要的功能特征。空間分析概念：基于空間數據的分析技 術，它以地球科學原理為依托，通過分析算法，從空間數據中獲取有關地理對象的空間位置、空間分布、 空間形態、空間構成、空間演變等信息。2 .空間分析目的：（1）描述與認知空間數據分布特征，如點線面的空間分異狀況；（2）解釋空間現象與空間模式的形成機理，如城市土地利用變化研究；（3）調控在地理空間上發生的事件，如水資源的合理配置；（4）預測預報，如洪水的預測預報。3 .空間分析的主要方法 ：1）基于地圖的空間圖形分析（2）空間動力學分析（3）空間信息分析4 .空間分析的分類按照空間數據的形式分類：矢量數據空間分析：矢量疊合分析、矢量臨近

52、性分析、網絡分析。柵格數據空間分析：數字地形模型分析、柵格疊合分析、柵格臨近性分析、柵格統計分析等。按照空間分析框架分類：產生式分析：數字地形模型分析、疊合分析、空間臨近性分析、網絡分析和空間統計分析等。查詢式分析：空間集合分析和空間數據查詢等5 .空間分析模型及方法：疊置分析模型：疊置分析緩沖區分析模型：緩沖區分析統計分析模型：主成分分析、聚類分析、關鍵變量分析、相關分析、層次分析 網絡分析模型：最短、最佳路徑分析、資源分配、流分析三維地形分析模型：地形因子分析、剖面分析、可視化分析。小波分析應用模型：小波壓縮、放大第一節數字地形模型分析1 .數字地形分析（Digital Terrain A

53、nalysis, DTA ）,是指在數字高程模型上進行地形屬性計算和特征提取的數 字信息處理技術。2 .數字地形分析的主要內容：（1）提取描述地形屬性和特征的因子，并利用各種相關技術分析解釋地貌形態、劃分地貌形態等。（2） DTM的可視化分析。3 .數字地形分析的方法：1.提取坡面地形因子 2.提取特征地形要素（1）流域分析（2）可視域分析（3）谷 脊特征分析（4）地形剖面分析（5）等值線分析（6）日照分析4 .DTM （ Digital Terrain Model ）數字地形模型是地形表面形態屬性信息的數字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數字描述。數字地形模型中地形屬性為高程時稱為數

54、字高程模型（Digital ElevationModel ,簡稱 DEM ）。DEM （ Digital Elevation Model ）是地表單元上高程的集合，是地貌形態的離散表示。DEM通常用地表規則網格單元構成的高程矩陣表示，廣義的DEM還包括等高線、三角網等所有表達地面高程的數字表示。DEM是建立DTM的基礎數據，其它的地形要素可由DEM直接或間接導出，稱為“派生數據”，如坡度、坡向、曲面面積。顯然，DEM的質量好壞直接決定著 DTM的精確性。5 .DEM表示方法：1.等高線法：等高線是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。需要用插值方法來計算落在等高線以外的其他點的高程。2.

55、規則格網法（Grid）規則格網法是把 DEM表示成高程矩陣，DEM來源于直接規則矩形格網采樣點或由不規則離散數據點內插產生。結構簡單，計算機對矩陣的處理比較方便，成為DEM最通用的形式。3.不規則三角網法（TIN） TIN利用所有采樣點取得的離散數據，按照優化組合的原則， 把這些離散點連接成相互連續的三角面。4.航片立體像對法：通過航空或航天遙感立體像對，根據視差模型，自動選配左右影像的同名點，建立數字高程模型。6 .DEM建立方法與過程數據采集（地形圖數字化采集；航空相片采集；地面測量采集；機載測高儀采集）數據處理（格式轉換、坐標系變換、數據編輯、數據分快、數據內插）DEM生成（人工網格法；

56、三角網法；格網插值法；等值線插值法；立體像對法）7 .應用：地球科學分析中，自動提取各種地形因子，制作地形剖面圖和劃分地表形態類型等；線路選線（鐵路、公路、輸電線）的設計、水庫堤壩選址；工程土方、庫容和淹沒損失的自動估算；任意兩點間的通視 判斷及任意斷面圖繪制；遙感影像地形畸變的自動糾正。8 .地形因子計算：地形因子包括：坡度、坡向、曲面面積、地表粗糙度、高程變異，以及谷脊特征等。9 .坡度：是一個既有大小又有方向的矢量，從數學上來講，坡度矢量的模等于地表曲面函數在該點的切平 面與水平面夾角的正切，其方向等于在該切平面上沿最大傾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向也即 坡向。實際應用中：坡度定義為地表單元的切平面與水平面的夾角。等同于地表單元的法向與 Z軸的夾角。坡度的計算方法：空間矢量法（ Grid）、擬合曲面法（Grid）:10 .DEM