地理信息系统讲义

第一章 地理信息系统基本概念第一节 几个基本概念1.数据（Data）数据是记录信息的符号，是信息的重要载体，是未加工的原始资料。内涵：数据的表达方式有数字、文字、符号、声音、图形、图像、光、电、磁信号等。数据一般不等同于信息，人或机器只有理解数据方可获取信息。数据只有经过观察、测量、整理与加工可获取2.数据源：能提供某种所需数据的原始媒体称为数据源，目前常用的有：观测数据：从现场获取的实测数据（野外勘测、台站记录、遥测量算）分析测定数据：利用物理、化学分析方法测定的数据图形数据：各种地形图、专题地图等统计调查数据：各种统计报表、社会调查表遥感数据：由地面航空或航天遥感获得的数据3.信息（Information）有狭义与广义定义：狭义信息：信息论中将信息定为“两次不定性程度之差”，即用熵增加值度量事物的认知程度。广义信息：是宏观世界中主体与外部客体之间相互联系的一种方式，是主客体之间一切有用的消息或知识，是事物运动状态的一种普通反映形式。内涵：信息要求有载体支撑信息需靠介质传递信息量是可度量的信息量多少与人的知识经验有关信息是可相互转换的4.数据处理由人或机器对数据进行编码、排序、分类、运算、压缩、增涨、变换等过程通称为数据处理。5.系统具有特定功能的相互关联的诸多要素构成的整体称为系统。内涵：系统的基本特征：结构性、关联性。系统的要素可以是子系统、子集合。凡涉及到数据处理功能的系统，一般都离不开计算机系统的支持。系统举例：社会经济系统军事系统地球系统及十三个子系统资源环境信息系统生物系统生命循环系统6.信息系统是指具有数据信息管理、检索、分析、运算、咨询决策功能的计算机系统。内涵：组成：硬件、软件、数据、操作员自动化、可视化、智能化是基本特征7.地理信息地理数据：各种地理要素特征与现象间关系的符号化表示：A.空间位置；B.属性特征（简称属性）；C.时域特征具体定义：A.描述地物所在的大地经纬度或相对位置关系（相邻、相包）；B.属性特征又称非空间数据，描述地物特征的定性或定量指标；C.时域特征指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。地理信息与所研究的地理实体的空间地理分布有关的信息，包括数量、质量、空间分布特征、相互关系及规律等。是表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。地理信息三大要素空间位置 属性特征 时间地理信息特征A.空间分布性。首先空间定位同一信息可在多个空间位置上出现，具有分布式特点，因而其属性也具有层次性。B.海量数据。由于地理信息三大要素决定地理信息是海量的、巨大的。C.信息载体的多样性。(1) 地理实体、物质能量；(2)符号载体；(3) 物理介质。8.地理信息系统GIS (Geographical information system)是以地理空间数据库为基础，采集、储存、管理、分析地球表面与地理分布的数据。为地理研究与地理决策服务的计算机系统。内涵：A.GIS的管理对象是多种地理实体数据及关系，定位坐标、图形、遥感、属性等。B.GIS工作内容是区域地理现象与过程。C.GIS工作目标是复杂地理规划、决策及管理问题第二节 GIS的基本特征与分类地理信息系统组成结构如下：空间数据处理与分析地理信息数据库与管理系统地理信息数据录入空间数据与结果的显示和输出问 答用户界面其具体组成如图：关于GIS的基本特征：具有采集管理、分析与输出多种地理空间信息的能力，具有空间性与动态性；以地理模型方法为手段，以地理研究与地理决策为目的，具有区域空间分析，多要素与多目标综合分析及动态预测能力，产生高层次的地理信息；由计算机系统支持进行地理数据管理、地理过程与现象模拟，产生有用信息为人类社会服务。第三节 GIS的基本分类分类原则不同，则分类亦不同。1.按用途与目的划分基础信息系统（国家高级地理信息数据库）资源环境信息系统城市地理信息系统（勘察、规划、管线、环境、土地、交通）土地信息系统2.按研究内容分：综合性GIS 专题性GIS3.按研究范围大小划分全球性GIS 区域性GIS 局部性GIS4.按空间分布特点划分二维GIS，布满二维坐标系真三维GIS，布满整个三维空间（21）维GIS，三维加高程模型（DEM）（一维）结合四维GIS，三维加时间坐标动态GIS第四节 GIS的发展简史GIS是上世纪60年代发展起来的新学科与技术，现今已成为一门涉及到测绘科学、环境科学、计算机技术等跨学科研究的交叉学科。起步：1.1963年加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出GIS术语，并花三年建成世界上第一个GIS15000的加拿大地理信息系统（GIS），用于加拿大土地资源规划与管理。2.稍后美国哈佛大学拿出较完整的Symap，由于当时计算机技术水平不高，存储量小、速度慢、误差大，导致当时GIS极为简单。早期：3.GIS一经产生，显著特点是成立众多GIS机构，如：1966年美国成立城市与区域信息系统协会（URISA），1969年又成立州信息系统全国协会（NASIS）。1965年国际地理联合会IGU设立地理数据处理委员会（CGGDSP）1968年国际摄影测量与遥感学会组建了“DEM原理及应用”专门工作组，协调全世界相关研究。中期：4.上世纪7080年代，因计算机软、硬件技术的突飞猛进式发展，尤其是大容量硬盘的应用，为GIS数据录入、存储与检索提供了强有力支持。19701976年，美国地质调查局建成50个信息系统，用于地理、地质、水资源分析；加拿大、西德、瑞典、日本相继发展自己的GIS；美国成立国家地理信息和分析中心（NCGIS）80年代中后期GIS全球性应用研究。A.全球沙漠化 B.全球可居住区评价 C.厄尔尼诺现象与酸雨 D.核扩散及核废料全球监测E.全球气候变化 F.美国军方全球1100万空间数据库DCWG.前苏联全球数字调和模型与数字正射影像现今：5.19902004，由于信息高速公路的开通，GIS已经产业化、产品化及个性化。主要特点是：GIS产品投放量，每23年增长一倍；GIS国际学术会议频繁召开，内容十分广泛，涉及理论、关键技术、数据更新及应用；国际学术刊物论文日渐采用GIS为标题诸多学科将GIS作为发展方向：地理、工程、森林、城乡规划、计算机、测绘、航测与遥感、地图学等许多大学设立GIS课程，培养GIS硕士、博士。国际区域研究中心相继建立，美、加、英、澳。我国现状：19701980 起步 19801985 准备 19851995 发展1996 产业化 继成立GIS协会，出现一批产品。第五节 GIS与其它系统的联系和区别GIS与其它学科是相互补充、相互支持发展的关系，而不是相互替代关系，其定义仍属地理空间信息系统范畴。1.数据库及信息系统技术是GIS数据管理的基本理论与方法；2.系统工程方法使GIS设计实现规范化、标准化；3.决策科学，专家系统指导GIS建模及运算，解决复杂管理与规划问题；4.地图学是GIS空间数据组与空间数据操作的基本框架；5.图像处理技术与计算机图形学是GIS算法设计的基础。地理学计算机科学遥感技术遥测技术卫星技术运 筹 学决策科学专家系统GIS遥感系统系统工程图式：第六节 GIS的应用领域1.测绘与地图制图GIS与RS、GPS通称3S系统，为测绘制图带来了革命性的变化：地图数据获取与成图流程周期大大缩短；制图精度大大提高；数字地图、网络地图、电子地图形式出现。2.资源管理土地现状分析与管理 土地类型划分与治理方案 土地开发监测3.城乡规划城市总体规划城建用地适应性评价环境质量评价道路交通规划城市地下管网管理4.灾害监测与预报森林火险早期预警地震预警与决策指导农作物虫灾监测5.环境保护区域环境质量评价动植物保护河流、水质污染海洋污染、赤潮等6.国防3S系统C4I系统（海湾战争）巡航导弹地形匹配系统战场指挥7.宏观经济决策三峡筑坝区域经济宏观调控人口及资源消费第二章 GIS的数据源与地图投影第一节 数据源首先回顾上章基本问题：GIS的数据源图形数据源属性数据源地 图测 绘遥 感统计数据文字报告文 件声 音图 片1.地图（Map）地图最早起源于元古时代人类战争划分疆土的需要，如成吉思汗征服的版图横跨欧亚两洲。社会发展需要，地图不仅反映自然地理概况，而且表征区域经济、文化、资源与军事等信息，超过纯地理范畴。由于现代电子计算机发展，出现电子地图。由电子地图最终过渡到GIS。地图数字化：将地图上的图形数据转换成计算机系统能识别的矢量数据的过程称为地图数字化。方式手扶数字化仪跟踪数字化扫描数字化数字化过程注意事项：(1) 地图的制图介质一般为纸质或聚脂薄膜，存放中易变形，有可能造成误差；(2) 地图数据随时间可能不断更新；(3) 不同比例尺、不同类型的地图投影方式可能不同，在地图数字化时应正确设定投影或进行投影转换。2.测绘现代测绘由航天航空、现场综合进行，测绘数据直接成为GIS数据。3.遥感影像RS可快速、准确获得大面积综合性地学信息，这类信息具有综合性、宏观性、动态性及多源性等特点，分有：航天遥感广泛应用的是地球轨道卫星，同步轨道卫星，如气象、海洋与陆地卫星主要用于全球性、区域自然环境研究（百慕大三角洲）小比例尺。航空遥感用飞机载雷达或航空测量仪器获得的图像数据比例尺大，分辨率高，适合于小区域，如城市设计等。地面遥感地面遥感通常进行重点观测、波谱测试、实况调查、机制分析，仪器标定与近景摄影测量等。各类遥感影像都有其自身成像规律、变形规律，应用中应进行校正、纠偏、分辨率及解译方面的调整工作。4.其它数据格式转换通过数据格式，可把其它类型的图形数据转换成空间数据，标准数据格式：.dxf等。5.统计数据国民社会生活中，各种统计性数据诸如：GDP指数、人口数量、人均住房面积、人均耕地面积、日照时间、温度、平均文化水平、失学儿童比例等属性数据均为GIS的数据源。6.文字报告与立法文件在某些专题性GIS中，文字报告及政府立法文件也是重要的属性数据源，尤其在各种规划型GIS中，此类属性数据地位相当重要。7.声音与图片声音及图片作为数据在多媒体形成的GIS中广泛应用，可使GIS更加丰富多彩。第二节 地图分类地图是非常重要的GIS数据源，有必要对地图的类型作重点介绍。地图普通地图专题地图1.普通地图以同等详细程度，综合表示地面基本要素，反映地面基本状况，地面要素分布规律的地图称普通地图，按比例尺分：普通地图地形图 比例尺大于或等于1100万地理图 比例尺小于1100万地形图可精确反映地物、地貌位置形态、国家基本比例尺地形图为（7种）：11万，12.5万，15万，110万，125万，150万，1100万其具有统一内容、式样与规格国家建设部门又习惯上有三种划分方法：中大比例尺 12.5万110万地形图大比例尺 11万小比例尺 125万地理图 1:100万的地图，如：1200万，1250万，1400万，1800万，11000万高度概括地面要素。2.专题地图以普通地图作为底图，强调表示某种或几种专门内容的地图为专题地图。分有专题地图自然地图社会经济图工程技术图自然地图： 地质图反映制图地区的地质组成及构造特征的地图； 地貌图反映各种地貌的外部形态特征、数据指标、成因、年代、发展过程、发育程序以及相互关系与组合的地图； 水文图反映水文要素特征的地图； 植物图反映各种植物分布特征、生态、用途、变迁及其他现象关系的地图； 土壤图反映地表土壤的外部特征、类型及其地理分布的地图； 地势图以地貌、水系为主要要素，表示区域的地形起伏特征的地图； 地球物理图显示各种地球物理现象，如磁差、磁力异常、火山、地震等分布及其规律的地图； 气象气候图反映地表气象、气候情况，包括太阳辐射、地面热力平衡、气团、气旋、峰面、气温、降水、气压、风、云雾、日照、霜、雪、温度、蒸发以及气候区划的地图； 动物地理图反映各种动物分布情况的地图，以及其他等等。 社会经济图常见的有： 人口图反映人口分布、密度、分类、民族分布、人口变迁的地图； 经济图反映一定时期的经济现象的地图； 政区图反映国家领域范围、行政区划状况、行政中心、交通状况的地图； 历史图反映历史时期的政治、军事、文化、经济、自然状况及其联系的地图。以及其他等等。 工程技术图常见的有： 工程勘测设计图是设计人员依据实测大比例尺地形图作底图，经过现场勘测，按工程施工性质在图上设计布置的图件； 土地利用图应用大比例尺地形图，通过土地资源当前利用和生产现状调查，将各类土地的界线填绘在图上，并用面积百分比表示的土地利用结构图； 竣工图又称竣工总平面图，是工业厂区在建厂工程竣工后，移交生产前提交的大比例尺专用图，主要反映建、构筑物建设竣工的成果，作为工程验收、生产管理、维修、改建、扩建的依据。 厂区现状图工业厂区的大比例尺地形图。它反映新老建、构筑物的关系和场地地物地貌的情况，既包括了阶段性的竣工图，还包括未完成或施工中的原有现状，是工业厂区生产管理的基础资料；以及其他等等。 第三节 地图投影1.投影机理地图是在平面图纸或介质上用符号表示地球表面自然状况，由于地球是椭球体，则地表面是曲面，那么制图时要把曲面展为平面，但实际上这个球面不可展开，因为一经展开就要产生破裂或皱纹，显然不可利用，于是寻求特殊展开方法地图投影理论。基本原理：地球表面任一点的位置，地理坐标决定经纬度，将若干经纬线交点绘在平面上，再将相同经度的点连线经线，相同纬度的点连成纬线，构成经纬网，将球面上的点按经纬度画到相应的位置处，作图。因此，地图投影就是利用特定的数学方程式将经纬坐标（，）转换为平面坐标（x,y），即把地理坐标转换为平面坐标；地图投影可减少因三维坐标转为二维坐标所产生的扭曲变形。这种地球球面与平面间点与点间函数关系的数学方法，称为地图投影。2.投影有关概念坐标系统投影坐标系统随投影方式不同可有不同种类，一般GIS平台性软件都向用户事先提交多种预定义的投影系统供选择，客户也可依需要使用自定义投影系统。投影坐标系统由下列内容组成：投影方式投影参数坐标单位地理坐标系 地理坐标系地理坐标系描述地球表面地物位置 地物具体的位置由经纬度刻划经纬度（度、分、秒）的定义是，从地心到地表相应位置的角度大小球形系统中，水平方向表示东西方向纬线；垂直方向表示南北方向经线由经纬线包围地球的网格称地球经纬网地球南北两极之间的中间位置水平轴线称赤道零度纬线；竖直轴零度经线也称本初子午线，一般规定为经过英国格林威治的经线。本初子午线与赤道相交点作为起点（0，0），分地球为4个象限，东半球、西半球、南半球、北半球。关于球体与椭球体由于地球呈椭球体，而地表形状又极不规则，不少国家在不同历史时期对地球进行过无数次测量，每次测量结果均不一致，结果出现了大量的椭球体，而没有一个椭球体能准确描述地球的整体形状，所以世界各国与地区都在根据具体情况选择合适的地球椭球体，椭球是以椭圆为基础的，所以用长轴（赤道半径），短轴（极地半径）两个半轴表示地球椭球体大小，也习惯用扁率描述地球椭球体。一般情况下，当地图比例尺小于1:100万时，假设地球为球体，因为此种比例尺下，球体与椭球体几乎无法分辨，而当地图比例尺大小为1:100万时，须用椭球体逼近地球。常用的椭球体有A.克拉克1966椭球体（a=6378206.4m，b=6356583.8m）B.中国常用的有：克拉索夫斯基1940椭球体（a=6378245.0m，e=0.003352330）大地参照系地球椭球体仅仅描述了地球的大小及形状，还不能准确描述地物具体位置，为使地物测量具有参照框架，确立地表经纬网线的原点与方向，引入大地参照系概念，将地球椭球体的球心当原点，地表上地物坐标都是相对于该椭球体球心的。目前广泛应用的是WGS84，不同的大地参照系适合于不同的国家及地区。3.地图投影的类型投影目的是尽可能减少变形误差。地图投影会影响两种误差：形状（角度变化） 面积变化等角投影（Conformal Mapping）投影后保持形状不变。特点：(1) 地物形状不变(2) 图上两地物之间角度与实地测量一致 (3) 高纬度地区地物面积会放大等面积投影（Equivalent Mapping）投影后保持面积不变。特点：(1) 面积保持不变 (2) 形状发生变化任意投影依据投影面积不同圆锥投影圆柱投影方位投影依据投影位置不同正轴投影横轴投影斜轴投影4.常用投影范围等角投影：航海图、风向图、洋流图等面积投影：区域经济图、数字地图、小比例尺普通地图任意投影：常用作数字地图世界地图投影 墨卡托投影 高尔投影 摩尔威特投影 等差分纬线多圆锥投影格灵顿投影 桑森投影 乌尔马耶夫投影我国投影方案比例尺1:1万地形图 3分带的高斯-克里格投影其最大长度变形为0.0345%，最大面积变形为0.069%；1:2.5万1:50万地形图6分带的高斯-克里格投影最大长度变形为0.138%；最大面积变形为0.276%；1:100万比例尺地形图等角圆锥投影（边缘纬线与中纬变形绝对值相等）。第三章 GIS的基本功能与数据组织方法第一节 GIS的基本功能介绍GIS的五大功能模块（子系统）数据输入与转换（Input/transform）GIS的输入转换模块是将现有的外部数据转换成计算机兼容的便于GIS处理的内部格式的过程；执行此项功能的方式：单独性软件（外挂式） 主操作系统中包含的常用录入方式：数字化仪手扶跟踪数字化仪，主要用于输入有关地图的点、线、面的地理坐标；扫描矢量化，用宽幅扫描仪进行，又分扫描后人工屏幕跟踪数字化及软件自动矢量化两种方式。软件自动矢量化，一般用自动矢量化软件中调出扫描后经过误差校正的图形，再由计算机自动完成矢量化。有专门性扫描自动矢量化软件（武汉Geoscan）这类软件一般提供标准DXF矢量文件输出格式。图形及文本编辑功能（子系统）GIS的图形编辑功能是最常用的功能图形编辑文本编辑在本项功能中直接实现图形数据与数据相连接。与CAD比较，GIS的图形编辑功能一直较弱，北京的Supermap显著提高了此项功能。空间数据存储与管理功能（子系统）本项功能实际上是数据库管理子系统的操作（DBMS）：管理对象地理元素位置空间关系属性数据空间操作内容数据格式的选择与转换数据查询数据库连接空间查询与分析功能（子系统）空间查询：一定空间距离或空间范围内要素查询问题是GIS独有的功能。GIS的空间查询分析对象：地理要素属性地理要素空间关系GIS的空间查询方式对一幅或多幅图件及属性数据进行指标量测及分析运算，用一幅或多幅新生图件作为分析结果。空间查询语言SQL语言的补充与发展数据输出与表达功能（子系统）将GIS原始数据或经重新组织（转换、查询、分析）的数据以多种形式向系统外展示称输出。输出内容：地图、属性表格、统计图、文字输出形式：计算机屏幕、绘图仪、网络传输、硬盘、光盘等第二节 GIS的空间数据组织方法由于GIS的数据涉及到图形、属性方方面面，数据结构具有其他普通数据不具备的特点，必须对数据进行有效组织。1.图形数据分层(1) 图形数据分层的作用对于一张图，可按对象的属性、类型划分为不同的集合，当这些集合在空间叠置在一起时，便显示一张图影像，这就是图形数据分层；图形数据分层是进行地学图谱分析的最基本方法。图形分层的作用：使图形数据信息按某种规则进行划分，从而使数据含义明晰，易于识别；图形分层可在一定程度上减少内外存数据交换量，提高系统效率；在某些情况下，图形分层显示效果较好，尤其在图像重叠覆盖时表现明显。图形数据分层有利于明确空间关系，对于识别空间数据的信息机理有帮助。(2) 图形数据分层方法分层依据：图形具体特点，介绍4种方法：A.按逻辑特征分层以属性分层：属性往往反映数据库结构，按属性划分便于检索与管理。以图形对象类型分层，一般将点状对象、线状对象、面状对象分层存放，使图形显示易于控制。B.按存储特征分层独立存储：各层数据各自存放在独立的文件中，文件内只包含相同的属性数据，便于管理，如：Mapinfo中，一个Map可由多个Layer组成，而每个Layer存为一个文件。混合存储：一个文件存放多层数据，系统提供分层、管理的内部机制。(3) 图形数据分层的缺点分层过多，增加用户操作步骤，使用户无法一次获取全部信息；分层使一些程序处理过程变得复杂； 对于某些GIS分层可能产生操作不便。2.图形数据分幅定义：按空间位置不同，将图形对象划分为不同的集合，这一过程称图形分幅，GIS均支持一幅地图划分为多幅分幅地图的功能。(1) 图形分幅方法等间隔分幅法为适应纸质地图的特点，对地理要素，图形对象的具体特点不加考虑，仅以地理位置范围对图形进行划分。小比例尺图：按国家规定的图幅编号规则分幅大比例尺图：按相关管理部门自行确立的规则分幅区域分幅法按行政区划或用户自定义的空间区域对图形进行分幅，其图幅编号一般考虑区域特征。(2) 图形数据分幅优点当地学海量图形数据存储时，通过分幅，将数据分放于适当数量的文件中，可平衡数据文件大小，便于数据的IO与信息共享。适当的分幅可提高用户对幅内信息的识别能力，从而提高应用效率。(3) 图形数据分幅的缺点等间隔分幅法人为分割地理要素的完整性，会造成拼幅、空间拓扑关系维护与分析方面的困难；区域分幅使数据在各个文件中分布不均匀；分幅过多虽然有利于IO，但操作过程往往因文件过多而繁杂。第四章 GIS的数据结构与数据管理第一节 GIS的空间数据结构1数据结构定义由于地理信息数据包括了空间地理坐标属性描述，时间以及复杂的拓扑关系，使得地理信息数据关于计算机存储、管理与处理方面有别于其它类型非地理信息数据或非空间数据，引出空间数据结构概念。地理信息数据在计算机存储、管理和处理过程中的逻辑关系或组织形式，称为空间数据结构。2数据模型由于地理信息数据的空间结构复杂，在描述处理空间数据过程发展出一整套计算方法：有关描述空间数据特征及处理过程的算法称为空间数据模型。3数据结构类型GIS中数据结构有三种类型：基于图形表达的矢量数据结构；基于图像表达的栅格数据结构；矢量栅格混合数据结构。其中前两种是主要类型。说明：矢量与栅格是两类完全不同性质的数据结构：矢量是面向地物的结构，即对每一个具体的目标都直接赋有位置、属性信息及目标之间的拓扑关系说明。但是，矢量数据当中也存在一些离散点，在空间表达时没有直接建立位置与地物的关系。如多边形中间区域形成的“洞”或“岛”，其间任一点并没有与某地物发生联系。栅格数据是面向位置的结构，即平面空间上任何一点都与某地物相联系。但对于某一具体的目标，并不能直接表达其全部信息，只能遍历栅格点阵逐一查找，也不能建立完整的拓扑关系。两种类型的数据结构分别用于不同目的，有时为使所设计的系统不同时用于多种目的，将矢量与栅格两种结构设计成为一体化数据结构，于是出现矢量栅格混合数据结构。矢量与栅格数据表示方法如下图所示：第二节 矢量数据结构1矢量数据的相关概念矢量：数据上称具有大小和方向的量为向量（矢量）；弧段：在计算机图形学中，相邻两结点间的弧段长度表示大小，弧段两端点的顺序表示方向，因此，弧段是矢量；矢量数据结构是利用欧氏几何学（Euclid）中的点、线、面及组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式，以记录取样点的坐标为基础，通过记录点的位置、线的长度、面的面积将点、线、面按一定关系组合在一起，加上名称注记及符号修饰，即可获得地图。2矢量数据结构特点：A：优点数据结构严密，数据量小；数据精度高，数据存储冗余度低；可最好逼近地理实体空间分布特征，因而能够完整描述拓扑关系；可实现图形数据的恢复、更新与综合；图形输出美观。B：缺点数据结构复杂；多层数据的空间叠置分析较困难；数学模拟较困难；空间分析技术上较复杂。3几个地理实体定义点实体点实体要素是一对单独的（x,y）坐标；点是在空间上不可再分的地理实体，可以是具体的也可是抽象的；表示点实体除（x,y）外，还应存储有关描述点实体的类型、符号及其它相关信息。线实体线实体是由线段元素组成的各线性要素，由两对以上坐标定义（xl, yl）即：(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(xn,yn)最简单的线实体只存储起点、终点坐标、属性、显示符号等有关数据；复杂线实体由n对坐标构成，可描述连续而复杂曲线，线段元越短，则(xn,yn)坐标对越多。面实体面实体也称多边形或区域，用坐标对表示：(x1,y1)，(x2,y2)，(xn,yn)但(x1,y1)(xn,yn)面实体不仅要表达位置，而且应表达区域的拓扑关系，邻域及层次结构，较点、线实体远为复杂。4矢量数据编码有关问题数据在计算机存储单元中存放时，须按结构及位长逐一进行符号分配，这一过程称为编码。矢量数据的编码相对简单。主要通过记录坐标点的数值来实现，须注意问题如下：参照系在GIS中，由于地球是个椭球体，用二维平面直角坐标系表达地理实体，需要进行投影变换，而目前世界上有上百种投影方式，各种方式所使用的地球椭球体参数不一样，为使各种矢量数据的坐标具有可比性，必须将不同的参照系进行坐标变换。目前的做法：以经纬度坐标作为记录坐标；当比例尺大于或等于（1:100万时，采用高斯克里格投影地形图中的公里网坐标）非空间数据编码非空间属性数据一般通过关系型数据库进行管理，而空间属性数据采用文件进行管理，两者连接通过编码来实现。现代数据库理论倾向于将空间数据和非空间数据在数据库中进行一体化管理。面实体记录编码面实体的边界是封闭环形，直接记录环上点的坐标即可进行编码存储；有时，面实体上常常会有“洞”及“飞地”情形，此时编码要记录多个环。5矢量数据结构的主要类型（1）简单数据结构空间数据接基本的空间对象（点、线、多边形）为单元进行单独组织，不包含拓扑关系数据，依图：特点：数据按点、线或多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余甚至不一致。点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。岛只作为一个单独图形，没有与外界多边形的联系。（2）拓扑数据结构关于拓扑结构的定义：在地理信息数据中，凡具有网状结构特征的地理要素图形，都存在结点、弧段及多边形之间的拓扑关系，包括：拓扑邻接 指空间图形同类元素的关系。依图结点邻接：N1/N4，N1N2，；多边形邻接：P1P3，P2P3，拓扑关联拓扑关系：空间图形不同元素之间的依上图，结点与弧段的关联关系：N1C1、C3、C6；N2C1、C2、C5；N4C6、C5、C4；多边形与弧段的关联关系：P1C1、C5、C6；P2C2、C5、C4、C7；P3C3、C6、C4拓扑包含空间图形中同类，但不同级元素之间的拓扑关系。又分简单包含、多层包含及等价包含三种形式，依图所示：设ID表示当前多边形IW表示等价包含IP表示ID为岛（IP0）或非岛（IP0）现将前图中的结点、弧段和多边形之间的拓扑结构全部表达出来，形成四个关系如下：拓扑数据结构分有：对偶独立地图编码法（DIME）多边形转换器（POLYVRT）地理编码与参照系统拓扑集成（TIGER）相关概念：弧段（链段）构成多边形的线。结点：两条以上弧段相交的点，起始（FN）、终（TN）岛：由一条弧段组成的多边形简单多边形：内部不含岛的多边形单连通区域。复多边形：内部含岛的多边形复连通区域（外界、内界岛区多边形）左多边形LP，右多边形RP整个数据结构的基本元素如下图及表：（3）曲面数据结构在GIS中，曲面数据指连续分布自然表面的地理要素。由于连续曲面非常复杂，为表达和存储需要，常用不规则三角网来拟合具有连续分布的自然表面，称为TIN（Triangulated Irregular Network）数据结构，而常用狄洛尼（Delaunay）三角网。这里不作重点介绍。6矢量数据的获取方式（1）利用各种定位仪器采取空间坐标数据（GPS，平板测图仪），依此来描述点、线、面地理实体的空间位置。（2）通过栅格数据转换而来，此法是利用遥感数据动态更新GIS数据库时常用。（3）通过纸质地图数字化得到。（4）通过已有的数据进行模型运算得到。第三节 栅格数据结构1栅格数据相关概念将空间按一定规则分割成若干网格（正方形或矩形），在各个网格上给出相应的属性值表达地理实体特征，而网格的位置由网格所在的行列号定义，这种“属性明显，位置隐含”的数据组织形式称为栅格数据。依图所示：栅格单元的大小通常叫数据的分辨率（Resolution），很明显，栅格单元的边长越大，则精度越低，反之越高，关于栅格点的属性值定义由用户自行确定，一般分两种：实际测量值，如温度，数字高程等代表某种类别的编码关于栅格尺寸大小的确定：设区域最小图斑面积为A，网格边长为H，区域多边形数为i=1,2,n则：2栅数据结构的特点A优点数据结构简单空间数据的叠置和组合方便便于实现各种空间分析数学模拟方便技术开发费用低B缺点数据量大降低分辨率时，信息缺失严重地图输出不够精美难以建立网络连接关系投影变换较为费时3栅格数据结构主要类型（1）栅格矩阵结构栅格矩阵结构指全栅格阵列组织形式，如图所示说明，这是一个44阶矩阵，若矩阵中每一个元素如用一个双字节表示，则一个图层全栅格数据存储空间为m（行）n（列）2（字节），举例：一个面积为100km2的区域，网格边长为1m，每网格属性值用双字节，则全部图层要素所占空间为10000022200兆字节这是相当大的存储容量，所占空间极大，为节省存储单元，栅格数据结构要解决数据压缩问题。（2）游程编码结构游程：相邻同值网格的数量。游程编码：将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格长度，其目的是压缩数据所占空间。游程编码结构的建立方法将栅格矩阵的数据序列x1,x2,xn映射为相应的二元组序列（Ai，Pi），i=1,2,k，且kn，其中A为属性值，P为游程，k为游程序号，将上图的栅格矩阵转换为二元序列就是：游程编码压缩数据的质量，可用Re来估算数据冗余度其中：Q图层内相邻属性值变化次数的累加和；m图层网格行数；n图层网格列数。当时，压缩效果明显当压缩比值越大时，压缩效果越显著。栅格数据经过压缩处理，得到游程编码数据序列，通常用索引顺序文件方法来组织数据，这里从略。（3）四叉树数据结构原理：将空间区域按照四个象限进行递归分割（2n2n，且n1），直到子象限的数值单调为止，凡数值单调的单元，均作为最后存储单元。这里从略。4栅格数据的获取方式地图扫描：用大幅面扫描仪可快速扫描图像。遥感图像解译：遥感与GIS集成后，遥感数据动态更新GIS空间数据库，可获得大量的栅格数据进行存储。规则点采样：在测区面积不大，分辨率不高情况下，将测区等分网格，记录每个网格数值，即得该区栅格数据，如：1/20万化探扫面数据。不规则点采样插值：由于规则采样受条件限制，一般不容易实现，采样点可以不均匀分布，栅格点中的缺空值可通过已有观测值的内插计算得到，采用方法有：1.三角网插值 2. 趋势面拟合 3. 克里格插值矢量数据转换成栅格数据第四节 矢量与栅格一体化数据结构矢量与栅格一体化概念：一般情况下，人们认为矢量与栅格是两种完全不同的数据结构，各自满足不同用途，但有时为多种应用目的，要求空间数据同时满足两种特性，既保持矢量特性，又具有栅格性质，做到矢量与栅格一体化。为了建立矢量与栅格一体化数据结构，对点、线、面目标数据结构存储作如下约定：对点实体，在计算机内部只需要表示该点的一个位置数据与结点有关联的弧段信息。对线实体，在计算机内部只需用一组元子填满整个路径，表示该弧段相关拓扑信息。对面实体，在计算机内部需表示由一组边界及其组成的紧凑空间。第五节 属性数据的编码属性是对某一地理目标的物质、特征、变量数量及质量的描述指标，是空间实体的特征性数据；属性数据包括名称、等级、数量代码等多种形式；属性数据可直接记录在矢量或栅格数据文件中，有时也可单独存放在数据库中作为属性文件，通过关键码与图形数据相联系。（1）编码原则编码的系统性与科学性，在逻辑上应满足所涉及学科的科学分类方法及属性本身的自然系统性。编码的一致性，指对象的专业名词，术语定义必须严格一致，对代码所定义的同一专业名词、术词必须是唯一的。编码的标准化和通用性：代码标准化，如我国政区代码标准为GB226080；所谓标准化是指拟定统一的代码内容、码位长度、码位分配和码位格式。编码的简捷性：使每一种编码以最小的数据量来负载最大的信息量。编码的可扩展性：对未来内容更新应留有余地。（2）编码内容登记部分：用来标识属性数据的序号。 分类部分：用来标识属性的地理特性。控制部分：用来通过一定的查错算法，检查编码录入及传输中的错误。（3）编码方法一般方法：列出全部对象清单。制定对象分类、分级原则。拟定分类代码系统。设立代码及其格式：字符、数字、码位长度、码位分配等。建立代码和编码的对照表。常用编码方法：A层次分类编码法本法以分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种编码方法。依图：B多源分类编码法又称独立分类编码法，指对于一个特点的分类目标，可根据诸多分类依据分别进行编码，各数字代码间没有隶属关系。如：河流编码“111114322”共9位数字组成，自左到右前5个“1”分别代表：常年河、平原河、可通航、河床形状为树形，主流长7km，“4”表示河宽25m，“3”表河流弯曲，“2”表2.5km的弯曲平均数为40m，最后“2”表示弯曲的平均深度为50m。第五章 GIS的空间数据库第一节 空间数据库概念任何一个信息系统都离不开数据库的支持，地理信息系统的操作对像是空间数据，因此空间数据库是地理信息系统中空间数据的存储场所，在地理信息系统中发挥支柱作用。1.空间数据库的概念（1）数据库数据库是数据库系统的简称，数据库系统包含三部分l 数据库（Database）l 数据库管理系统（Database managemet system, DBMS）l 数据库应用系统（Database Analysis system）分别定义如下：数据库是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合；数据库管理系统是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统、数据库应用系统是为满足用户需求而建立的、具有数据库访问功能的应用软件，其标志是提供用户一种与数据库相联的用户界面。（2）空间数据库（Spatial Database）是空间数据库系统的简称，同样由三部分组成：l 空间数据库指GIS中在计算机上存储的地理空间数据总合；一般以特定结构文件形式存储。l 空间数据库管理系统指对存储的地理空间数据进行语义及逻辑定义，提供空间数据存储、查询、检索、维护与更新的一套软件系统。说明：A：空间数据库管理系统（SDBMS）建立在常规DBMS之上。B：两种方法：对DBMS进行扩展，加入空间数据存储与管理功能（如：oracle）；在常规DBMS上加空间数据库引擎，以获取DBMS之外的空间数据库的管理与存储能力（如：美国ESRI的Spatial Database Engine-SDE）l 空间数据库应用系统，指由GIS中的空间分析模型与应用模型组成的软件集合。（3）多元地质空间数据库（Spatial Database for Multiple geology）多元地质空间数据库远较地理空间数据库复杂，因为地质学科多样性或多元化，而各学科间又相互支撑、相互渗透，则建立地质空间数据库除按地理空间数据库方法外，尚应考虑各数据库的数据关联、机理解释及综合分析模型等。如：多元地学信息系统就远较GIS复杂，从某种程度上说，多元地学信息系统（MGIS）是一种信息融合与系统集成。第二节 GIS空间数据库设计1.SDB设计的内涵是将来自地理空间实体的数据按一定组织形式在数据库系统中加以表达的系列过程。2.SDB的设计过程我们可以这样理解GIS，GIS是向人类提供认识自然、改造自然的信息化工具，也是处理人与自然关系的现代化媒介。也就是说，人利用GIS以信息转化与相互影响的方式实现了从感知到理性的思维递进过程；GIS的开发与应用大体经历了由现实世界到概念世界，再到计算机信息世界的转化过程，引用下图表示：对上图作如下解释：首先从计算机环境角度出发，对现实世界中的地理现象，相互关系及发展过程进行系统研究，最终形成空间数据库及应用系统所需的概念化模型，然后对概念模型进行逻辑设计、模型设计，即选用对概念模型支持力最强的数据模型及合适的DBMS，将概念模型转化为计算机所能支持的数据模型；最后反映到计算机存储介质中的数据组织形式为存储模型。 关于地理现象及地理过程的复杂空间关系包括三个方面：l 空间客体的空间联系l 空间客体的时间联系l 空间客体的属性联系具体解释如下：客体之间的空间联系形式有空间位置：描述空间客体中个体的定位信息；空间分布：描述空间客体中群体的定位信息；而描述空间分布的指标有：空间概率、空间结构、空间聚类、空间延展及离散度等；空间形态：描述空间客体的形状与结构；空间关系：根据位置与形态形成的实体关系；空间相关：描述空间客体之间属性数据上的相关关系；空间统计：描述空间客体的质量、数量信息；空间趋势：描述空间分布的总体变化规律；空间对比：描述空间客体间在数量、质量及形态三方面的比较结果；空间运动：描述空间客体随时间迁移或变化。空间客体之间的时间联系反映客体变化过程，构成时间动态GIS数据全部内容。空间客体间的属性联系包括属性多级分类中的：l 从属关系：反映各客体之间上下级关系或包含关系；l 聚类关系：反映客体之间相似程度及并行关系；l 相关关系：反映客体之间的某种共存关系。3.空间数据库的数据模型设计（1）空间数据模型：对于上述讨论复杂空间客体相互联系，需要进行高度抽象，使它转化为计算机所能接受及处理的数据形式，这就需应用一定的数据方法对空间关系进行描述，刻划或表达，使其揭示空间客体的本质特性（结构特性、行为特性），这种描述空间关系的数学方法，一般称空间数据模型。（2）空间数据库设计最终归结为数据模型设计；（3）由空间数据模型组织的空间数据可使DBMS进行统一管理、查询、检索、增删及修改，保障数据的独立完整与安全；（4）空间数据模型分有如下类型：传统数据模型：l 层次模型l 网状模型l 关系模型语义数据模型 面向对象数据模型4.空间数据库设计原则、步骤及技术方法（1）原则l 应最大限度减少空间数据存储冗余量；l 空间数据结构的稳定性与适应性较强；l 空间数据应反映复杂的空间联系。（2）三个相关概念l 设计技术：数据库设计者所使作的设计工具，包括各类算法、文本化方法、图形表示法、转化规则，数据库定义方法及编程技术；数据库设计技术分有两大类：数据分析技术：用于分析用户数据语义的技术手段。数据分析技术主要基于用户需求方便而考虑，使用的技术有：消除数据冗余技术，数据库稳定技术，结构数据技术。技术设计技术：用于将数据分析结果转换为数据库的具体方法。技术设计技术旨在保证数据库有效使用数据资源，使用的技术有存储结构选择及存取方法等。l 设计内容：指数据库中的数据结构、数据操作及完整性约束等内容。分有：静态特性设计：依应用环境，设计数据库的数据模型，包括概念结构设计与逻辑结构设计两个方面。动态特性设计：设计数据库的查询、随机事物处理及报表处理等应用程序。物理设计：即设计数据库的存储模式与存取方法。设计过程：确定设计技术的使用顺序，典型步骤如下：1）需求分析分析数据库应用对象的具体要求，采用相应的数据模式。2）概念设计将用户的需求进行解释，并用概念表达过来。实际是用户与设计人员之间的交流语言，完成从现实世界到信息世界的抽象。需求分析与概念设计两个阶段需建立数据模型，采用的建模技术有三：A：面向记录的传统数据模型l 层次模型l 网状模型l 关系模型B：面向数据语义关系的语义数据模型l 实体联系模型C：面向对象的综合数据模型逻辑设计将抽象出来的概念模型，利用数据库的工具映射为计算机所支持的数据模型，用数据描述语言表达出来。物理设计将上述内容在物理存储设备上实现，包括存储结构设计与存储路径设计所存数据在硬件设备上的存储方式、管理与存取数据的软件系统，数据库存储结构以保证用户熟悉数据存取方式、分布方式等。整个设计过程可用下图表示：第三节 空间数据库的实现与维护1.空间数据库的实现过程l 建立实际的空间数据库结构；l 装入试验性的空间数据对应用程序进行测试，确认其是否满足设计要求；l 检查数据存储空间占有情况；l 装入实际的空间数据加载、运行。2.相关设计任何数据库都带有相关辅助设计，目的在于保障数据库的安全性、完整性及可恢复性等，这种辅助性设计与数据库整体运行时，必然要影响数据库运行效率，此时设计者应进行合理平衡，设计内容有：l 空间数据库的再组织设计一般情况下，由于外部环境需求的变化或性能提高的原因，需要对空间数据库的概念、逻辑及物理结构进行改变，称为再组织，其中：改变概念或逻辑结构再构造改变物理结构再格式化一般均提供数据库的再组织实用程序l 故障恢复方案设计一般情况下，数据库管理系统均提供完善的软件故障恢复及存储介质故障恢复手段，此情况下设计包括确定缓冲区个数、大小、逻辑块长度、物理设备等，特殊情况下应制定人工备份方案。l 安全性考虑数据库管理系统的安全性是一个重要问题，具体方法是根据用户的实际需要规定数据的存取权限及应用程序的使用密码，并且规定级别。l 事务控制数据库管理系统均支持事务概念，所谓事务是指数据库运行过程中多用户条件下的内部相关协议等规则，事物控制将确保数据完整与一致性，分人工控制与系统控制两种方法。3.空间数据库的运行与维护空间数据库投入运行后，应及时维护，主要任务有l 及时调整授权密码，转储及恢复数据库；l 监测并改善数据库功能，分析评估存储空间和响应时间，必要时进行数据库再组织；l 扩充新的功能；l 修改程序及数据的错误；第四节 空间数据库的传统数据模型由于空间数据的性质和特征相当复杂，其结构与表达方式也应有相应的变化形式，因此在数据库操作上应有一些形式化的方法来描述数据的逻辑结构与特征，于是产生了数据模型的概念，具体说，数据结构、操作集合和完整性约束规则集合等组成了数据库的数据模型。下边分别讲述1.传统数据模型在GIS发展初期，空间数据组织主要以文件方式存储、延续了计算机中文件系统组织的数据模型，因此称传统数据模型；但随数据库理论与技术的不断进步，计算机件孤立的文件系统逐步被淘汰，代之以较复杂的专门数据库操作和相应的数据语言，同时也促进了GIS的发展。l 层次数据模型描述各类客体及客体类间的关系，有如下限制：每一个客体（地理实体）最多只能有一个双亲客体类，而一个双亲客体可有多个子女客体类。双亲和子女客体类之间形成了所谓的层次关系，这就是层次数据模型。层次数据模型举例，依图：一个多边形（Polygons）关联若干弧段（arcs），这些弧段相当于多边形的子女节点，而多边是双亲节点。一个弧段也可以有两个端点（Nodes）作为其子女节点。由于层次模型只允许有一个双亲的限定，则多于一个双亲的客体必然在数据库中重复出现多次，如arc1同属Polygon1与Polyg