GIS 城市地理信息系统.pdf

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1、 1 地理信息系统课程 参考书目（2011 年秋）理论课主要参考书目：1 地理信息系统，邬伦，张晶，赵伟，电子工业出版社，2002 年。2 地理信息系统导论(第三版)，(美国)Kang-tsungChang 译者:陈健飞 清华大学出版社社 2009 年。3 地理空间分析原理、技术与软件工具，(英国)Michael J.de Smith(美国)Michael F.Goodchild(英国)Paul A.Longley 译者:杜培军 张海荣 冷海龙，电子工业出版社，2009 年。上机实习主要参考书目：1 地理信息系统实习教程（ArcGIS 9.x），宋小冬、钮心毅，科学出版社，2007。2 Arc

2、GIS 地理信息系统详解 石伟 编著 科学出版社，2009。3 ArcGIS 地理信息系统教程（第 4 版）(美)普赖斯 译者:李玉龙 闫卫东 王杨刚，电子工业出版社，2009 年。网络资源：verycd；华军软件园、百度文库、新浪爱问等网络学习资源。2 城市地理信息系统概论 课程概要 第一章 绪 论 第一节 GIS 的基本概念 一、信息、地理信息 1、信息和数据 信息（Information）是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息具有客观性、适用性

3、、可传输性和共享性等特征。信息来源于数据（Data）。2、地理信息 地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。而地理数据则是各种地理特征和现 象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。3、地理信息的特征 地理信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：（1）空间分布性。（2）数据量大。（3）信息载体的多样性。二、信息系统 1、信息系统的基本组成 信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。在计算机时代信息系统都部分或全部由计算机系统支持，并由计算机硬件、软件、数据和用户四

4、大要素组成、另外，智能化的信息系统还包括知识。计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备；软件是支持数据信息的采集、存贮加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统；数据则是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；用户是信息系统所服务的对象。2、信息系统的类型 根据系统所执行的任务，信息系统可分为事务处理系统（Transaction process system）和决策支持系统（Decision support system）。事务处理系统强调的是数据的记录和操作，民航定票系统是其典型示例之一。决策支持系统是用以获得辅助决策方案的交互式计算机系统，一般是由语言系统、知识系统和问题处理系统共同构成。三

5、、地理信息系统 地理信息系统（Geographic Information System 或 GeoInformation system，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。3 第二节 GIS

6、的发展概况 一、国际发展状况 二、国内发展状况 第三节 地理信息系统的构成 完整的 GIS 主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员，其核心部分是计算机软硬系统，空间数据库反映了 GIS 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。一一一一、计算机硬件系统 计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是 GIS 的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约GIS 由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持GIS

7、 硬件配置一般包括四个部分：1、计算机主机；2、数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；3、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；4、数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。二、计算机软件系统 1、计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是 GIS 日常工作所必需的。2、地理信息系统软件和其他支撑软件 可以是通用的 GIS 软件也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。G

8、IS 软件按功能可分为以下几类：（1）数据输入：（2）数据存贮与管理：（3）数据分析与处理：（4）数据输出与表示模块：（5）用户接口模块：3、应用分析程序 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。三、地理空间数据 地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入 GIS，是系统程序作用的对象，是 GIS 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。四、系统开发、管理和使用人员 人是 GIS 中的重要构成因素。地

9、理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。第四节 GIS 与相关学科与技术的关系 4 GIS 是现代科学技术发展和社会需求的产物。人口、资源、环境、灾害是影响人类生存与发展的四大基本问题。为了解决这些问题必须要自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合攻关。于是，许多不同的学科，包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学

10、科，参在寻找一种能采集、存储、检索、变换、处理和显示输出从自然界和人类社会获取的各式各样数据、信息的强有力工具，其归宿就是地理信息系统，或称空间信息系统，资源与环境信息系统。因此，GIS 明显地具有多学科交叉的特征，它既要吸取诸多相关学科的精华和营养，并逐步形成独立的边缘学科，又将被多个相关学科所运用，并推动它们的发展。GIS 的相关学科技术见图 1-4。地理学和测绘学是以地域单元研究人类居住的地球及其部分区域，研究人类环境的结构、功能、演化以及人地关系。空间分析是 GIS 的核心，地理学作为 GIS 的分析理论基础，可为 GIS 提供引导空间分析的方法和观点。测绘学和遥感技术不但为 GIS

11、提供快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，而且它们中的许多理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理。第五节 地理信息系统的应用 地理信息系统的博才取胜和运筹帷幄的优势，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具。也成为与空间信息有关各行各业的基本工具，以下简要介绍地理信息系统的一些主要应用方面：（1）测绘与地图制图（2）资源管理（3）城乡规划（4）灾害监测（5）环境保护（6）国防（7）宏观决策支持 第二章 空间信息基础 第一节 常规的地理空间信息描述法 一、地球空间模型描述 为了深入研究地理空间，有必要建立地球表面的几何模型。根据大地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类，分述

12、如下：第一类是地球的自然表面，它是一个起伏不平，十分不规则的表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。第二类是相对抽象的面，即大地水准面。第三类是模型，就是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。第四类是数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面(Tel1uriod)、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。二、地球空间要素描述 在地图学上，把地理空间的实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。具体分述如下：1、点状要素 地面上真正的点状事物很少，一般都占有一定的面积，只是大小不同。2、线状要素 对于地面上呈线状或带状的事物如交通线、河流、境界线、构

13、造线等，在地图上，均用线状符号来表示。3、面状要素 面状分布的地理事物很多，其分布状况并不一样，有连续分布的。5 第二节 地理信息数字化描述方法 计算机软硬件技术的发展，使得利用计算机把地理信息数字化，并进一步对其进行管理、处理和利用成为可能。对地理信息进行数字化描述，就是要使计算机能够识别地理事物的形状，为此，必须精确地指出空间模式如何处理，如何显示等。在计算机内描述空间实体有两种形式：显式描述和隐式描述。栅格法：由一系列 x,y 坐标定位的像元，每个像元独立编码，并载有属性。矢量法：三种主要地理实体的点、线、面中，点类似于像元，但不占有面积，其余两种均由一系列内部相关联的坐标形成，一定的面

14、或线则与一定的属性连接。第三节 空间数据的类型和关系 一、空间数据的基本特征 要完整地描述空间实体或现象的状态，一般需要同时有空间数据和属性数据。如果要描述空间实体或的变化，则还需记录空间实体或现象在某一个时间的状态。所以，一般认为空间数据具有三个基本特征（图2-13）：1、空间特征 表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。2、属性特征 表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等等。3、时间特征 指现象或物体随时间的变化。位置数据和属性数据相对于时间来说，常常呈相互独立的变化，即在不同的时间，空间位置不变，但是属性类型可能已经发生变化

15、，或者相反。因此，空间数据的管理是十分复杂的。二、空间数据的类型 由前面的内容我们知道，表示地理现象的空间数据从几何上可以抽象为点、线、面三类，对点、线、面数据，按其表示内容又可以分为七种不同的类型(如图 2-14)，它们表示的内容如下：1、类型数据 例如考古地点、道路线和土壤类型的分布等；2、面域数据 例如随机多边形的中心点，行政区域界线和行政单元等；3、网络数量 例如道路交点、街道和街区等；4、样本数量 例如气象站、航线和野外样方的分布区等；5、曲面数据 例如高程点、等高线和等值区域；6、文本数据 例如地名、河流名称和区域名称；7、符号数据 例如点状符号、线状符号和面状符号等。第三章 空间

16、数据结构 数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。地理信息系统的空间数据结构主要有栅格结构和矢量结构。第一节 栅格数据结构 一、简单栅格数据结构 栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素,由行、列号定义，并包含一个代码,表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。然而增加栅格个数、提高数据精度的同时也带来了一个严重的问题，那就是数据量的大幅度增加，数 6 据冗余严重。为了解决这个难题，已发展了一系列栅格数据压缩编码方

17、法，如游程长度编码、块码和四叉树码等。二、栅格数据的压缩编码方式 1、链式编码(Chain Codes)2、游程长度编码（run-length code）3、块状编码(block code)4、四叉树编码(quad-tree code)5、八叉树 第二节 矢量数据结构 地理信息系统中另一种最常见的图形数据结构为矢量结构，即通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。一、矢量数据结构编码的基本内容 1、点实体 2、线实体 3、面实体 二、矢量数据结构编码的方法 矢量数据结构的编码形式，按照其功能和方法可分为：实体式、索引式、双

18、重独立式和链状双重独立式。1、实体式 2 索引式 3 双重独立式 4 链状双重独立式 第三节 两种数据结构的比较与转化 一、两种数据结构的比较 栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两种不同的方法。另外，因为栅格数据格式的简单性（不经过压缩编码），其数据格式容易为大多数程序设计人员和用户所理解，基于栅格数据基础之上的信息共享也较矢量数据容易。矢量数据结构类型具有“位置明显、属性隐含”的特点，它操作起来比较复杂，许多分析操作(如叠置分析等)用矢量数据结构难于实现；但它的数据表达精度较高，数据存储量小，输出图形美观且工作效率较高。二、矢量数据结构向栅格数据结构的转换 在地理信息系统中栅格数据与矢量数据

19、各具特点与适用性，为了在一个系统中可以兼容这两种数据，以便有利于进一步的分析处理，常常需要实现两种结构的转换。三、栅格数据结构向矢量数据结构的转换 栅格向矢量转换处理的目的，是为了将栅格数据分析的结果，通过矢量绘图装置输出，或者为了数据压缩的需要，将大量的面状栅格数据转换为由少量数据表示的多边形边界，但是主要目的是为了能将自动扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库。第四章 空间数据采集与处理 第一节 数据源种类 地理信息系统的数据源是指建立地理信息系统数据库所需要的各种类型数据的来源。地理信息系统的数据源是多种多样的，并随系统功能的不同而不同，主要包括以下各种：一、地图 各种类型的地图是 G

20、IS 最主要的数据源，对其应用时须加以注意。1、地图存储介质的缺陷 由于地图多为纸质，由于存放条件的不同，都存在不同程度的变形，具体应用时，须对其进行纠正。2、地图现势性较差 由于传统地图更新需要的周期较长，造成现存地图的现势性不能完全满足实际 7 的需要。3、地图投影的转换 由于地图投影的存在，使得对不同地图投影的地图数据进行交流前，须先进行地图投影的转换。二、遥感影象数据 遥感影象是 GIS 中一个极其重要的信息源。三、统计数据 国民经济的各种统计数据常常也是 GIS 的数据源。如人口数量、人口构成、国民生产总值等等。四、实测数据 各种实测数据特别是一些 GPS 点位数据、地籍测量数据常常

21、是 GIS 的一个很准确和很现势的资料。五、数字数据 目前，随着各种专题图件的制作和各种 GIS 系统的建立，直接获取数字图形数据和属性数据的可能性越来越大。数字数据也成为 GIS 信息源不可缺少的一部分。但对数字数据的采用需注意数据格式的转换和数据精度、可信度的问题。六、各种文字报告和立法文件 各种文字报告和立法文件在一些管理类的 GIS 系统中，有很大的应用，如在城市规划管理信息系统中，各种城市管理法规及规划报告在规划管理工作中起着很大的作用。第二节 空间数据采集 一、属性数据的采集 属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式，属性数据的内容有时直接记录在栅格或

22、矢量数据文件中，有时则单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码与图形数据相联系。对于要输入属性库的属性数据，通过键盘则可直接键入。二、图形数据的采集 图形数据的输入实际上就是图形的数字化过程。一般有两种方法：1、手扶跟踪数字化仪输入 （1）手扶跟踪数字化仪 （2）数字化过程 2、扫描仪输入 第三节 空间数据的编辑与处理 一、误差或错误的检查与编辑 通过矢量数字化或扫描数字化所获取的原始空间数据，都不可避免的存在着错误或误差，属性数据在建库输入时，也难免会存在错误，所以，对图形数据和属性数据进行一定的检查、编辑是很有必要的。图形数据和属性数据的误差主要包括以下几个方面：1、空间数据的不完整或重复

23、：主要包括空间点、线、面数据的丢失或重复、区域中心点的遗漏、栅格数据矢量化时引起的断线等；2、空间数据位置的不准确：主要包括空间点位的不准确、线段过长或过短、线段的断裂、相邻多边形结点的不重合等；8 3、空间数据的比例尺不准确；4、空间数据的变形；5、空间属性和数据连接有误；6、属性数据不完整；二、图象纠正 此处的图象主要指通过扫描得到的地形图和遥感影象。由于如下原因，使扫描得到的地形图数据和遥感数据存在变形，必须加以纠正。1、由于受地形图介质及存放条件等因素的影响，使地形图的实际尺寸发生变形；2、在扫描过程中，工作人员的操作会产生一定的误差，如扫描时地形图或遥感影象没被压紧、产生斜置或扫描参

24、数的设置等因素都会使被扫入的地形图或遥感影象产生变形，直接影响扫描质量和精度；3、由于遥感影象本身就存在着几何变形；4、由于所需地图图幅的投影与资料的投影不同，或需将遥感影象的中心投影或多中心投影转换为正射投影等。5、由于扫描时，受扫描仪幅面大小的影响，有时需将一幅地形图或遥感影象分成几块扫描，这样会使地形图或遥感影象在拼接时难以保证精度。第五章 GIS 空间分析原理与方法 第一节 GIS 空间分析模型 一、地学模型概述 地理信息系统以数字世界表示自然世界，具有完备的空间特性，可以存储和处理不同地理发展时期的大量地理数据、并具有极强的空间系统综合分析能力，是地理分析的有力工具。地学分析模型主要

25、包含以下几种形式：1、逻辑模型：由地理名词和逻辑运算符组成的逻辑表达式表示；2、物理模型：由物理模拟过程表达；3、数学模型：由常数、参数、变量和函数关系等组成的数学表达式表示；4、图像模型：由某种图像或图像运算的集合表达，如各种专题地图。1、地理信息系统的应用 目前地理信息系统技术的推广应用遇到了三个方面的困难：硬件环境特殊，不易配备；地理信息系统知识没有为许多用户掌握；缺乏足够的专题分析模型。2、利于信息交流 模型是表达思维对自然界认识的工具，因此地理信息系统的各种分析模型则有利于完整准确地表达使用者对问题的认识和处理方法，既利于使用者与系统设计者之间的交流以发展系统功能，又利于使用者之间交流以增强系统的共享性。二、地理信息系统模型化的一般方法 分析模型按建立的方法主要有以下三种类型：1、概念模型：2、数学模型：3、统计模型：作为一般规则，首先应在实践中不断观察总结，形成愈来愈丰富的概念模型，在积累经验的基础上采用数理统计方法摸索统计规律；最后上升到理论模型；再采用综合方法建立实用的分析模型。第三节 矢量数据分析的基本方法 与栅格数据分析处理方法相比，矢量数据一般不存在模式化的分析处理方法，而表现为处理方法的多样性与复杂性。本节选择几种最为常见的几何分析法，并以其为例，说明矢量数据分析处理的基本原理与方法。