GIS原理与应用教案——第四章 空间数据的处理
地理信息系统导论第4章 空间数据的采集和空间数据的处理
程注记等。
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（2）遥感数据 遥感数据是GIS的重要数据源。遥感数据含有 丰富的资源与环境信息，在GIS支持下，可以与地 质、地球物理、地球化学、地球生物、军事应用等 方面的信息进行信息复合和综合分析。遥感数据是 一种大面积的、动态的、近实时的数据源，遥感技 术是GIS数据更新的重要手段。
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（3）文本资料 文本资料是指各行业和各部门的有关法律文档 、行业规范、技术标准、条文条例（如边界条约） 等，这些也属于GIS的数据
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表4.1 用于数据采集目的的GIS数据分类
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4.2 空间数据采集的主要方法
4.2.1 GIS数据采集在GIS 为了便于管理和应用，在复杂的计算机世界里 的数据必须按照一定的方式进行组织和存储。地理 信息系统的应用的一项重要工作是采集不同来源和 不同类型的数据，并创建空间数据库。在采集地理 实体几何数据的同时，还要调查其属性信息。另外 ，为了保证采集数据的可靠性和完整性，采集的 GIS数据必须经过检验和进一步的编辑、处理才能 进入GIS。在空间数据库中，所有的地图、影像和 空间数据表格都根据不同的空间表达和记录方式进 行地学编码 14
第4章 空间数据的采集和空间数 据的处理
学习指南 本章论述了GIS数据来源、数据采置、形状、 大小及其分布特征诸多方面信息的数据，它具有 GIS的数据源有很多，如地图数据、遥感数据
1
空间数据采集的任务是将现有的地图、外业观 测成果、航空照片、遥感图像、文本资料等转换成 GIS可以处理与接收的数字形式，通常要经过验证 、修改、编辑等处理
4.2.2 GIS数据采集的工作流程 所有GIS项目的数据采集都包括一系列连续的 过程，通常其工作流程包括编制计划、准备、数字 化或数据转换、编辑完善、评估五个阶段（图4.3 ）
地理信息系统第四章数据采集与处理
疏林地 733
未成林林地 734
迹地 735
针叶树疏林地 7331
阔叶树疏林地 7332
标志编号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
分类
1
属性数据的编码——编码方法 2
平原河
3
过渡河
山地河
• 多源分类编码法： 1
2 3
常年河
对于一个特定的分类时目令河标，根据诸多不同的
消失河
分类依据分别进行12 编码，各位数字代码之间并没有隶属通不航通关河 航河系。
地理数据库四种方式: 1.全部采用文件管理 2.文件结合关系数据库管理 3.全部采用关系数据库管理 4.重新设计具有空间数据和属 性数据管理和分析功能的数 据库系统（OO－DBMS）
6.地理数据库建立
第三节 地图数字化
一、手扶跟踪数字化 数字化仪组成、数字化方式、操作步骤
二、扫描矢量化 扫描仪原理、处理流程、操作方式
地图投影变换
正解变换 反解变换 数值变换
根据两种投影在变 换区内若干同名的 坐标点，采用插值 法、有限差分法、 待定系数法等，实 现不同投影之间的 转换
空间数据处理的方法-压缩处理
数据压缩的目的
节省存贮空间 节省处理时间
空间数据处理的方法-压缩处理
数据压缩途径
压缩软件:原数据信息基本不丢失而且可以大大 节省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解 压缩后才能使用
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5 6 7 8
1 2 3 4 5 6
树状河 平行河 筛状河 辐射河 扇形河 迷宫河
主〔要河〕流∶一级 支 流∶二级
GIS数据处理与空间分析教程
GIS数据处理与空间分析教程引言：地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种将地理空间数据与属性数据进行捆绑组织、存储、查询、分析、可视化并生成可输出图形报告的系统。
在各个领域，如城市规划、环境管理、资源分配、农业发展等都有广泛的应用。
本教程将就GIS数据处理与空间分析的相关内容进行深入的介绍和讲解。
第一章：GIS数据处理的基础知识GIS数据由地理空间数据和属性数据组成，地理空间数据包括点、线、面等地理要素。
在这一章节，我们将学习地图投影的基本知识，了解常见的地理坐标系和地图投影方式，并介绍GIS数据的各种数据格式，如Shapefile、GeoJSON等。
第二章：GIS数据获取与预处理本章节将介绍如何获取地理空间数据，包括地理信息系统数据和其他来源的数据。
我们将探讨如何使用GPS设备采集地理数据，并学习如何使用影像处理软件提取图像中的地理信息。
另外，还将涉及数据预处理的工作，如数据清洗、数据转换和数据拓扑校正等。
第三章：GIS数据管理与存储GIS数据管理与存储是GIS应用中关键的一环，本章节将重点介绍如何进行数据管理和数据存储。
我们将学习如何使用数据库管理系统（DBMS）对GIS数据进行组织和存储，并了解属性数据表的设计和建立。
此外，还将介绍如何维护和更新数据，以及数据备份和恢复的相关策略。
第四章：GIS空间分析基础在进行GIS空间分析之前，我们需要了解一些基础概念和方法。
本章节将介绍GIS空间分析的基本概念，如空间关系、空间查询和空间操作等。
我们还将学习常见的空间分析方法，如缓冲区分析、叠加分析和网格分析等，并通过具体案例来加深理解。
第五章：GIS空间分析进阶本章节将介绍一些进阶的GIS空间分析方法和技术，如网络分析、三维分析和时空分析等。
我们将详细讲解这些方法的原理和应用场景，并通过实际案例来展示如何使用这些方法进行空间分析。
第六章：GIS可视化和报告生成通过可视化和报告生成，我们可以有效地展示和传达GIS数据和分析结果。
地理信息系统原理及其应用教案
地理信息系统原理及其应用教案一、教学目的和重点地理信息系统是一种采集、存储、处理、分析和展示地理数据的技术平台。
本课程的教学目标是让学生了解地理信息系统的原理和应用，并能够掌握地理信息系统的基本操作。
本课程的重点是介绍地理信息系统的原理、数据模型和空间数据分析方法。
通过实践操作，让学生掌握地理信息数据的获取、处理、分析和可视化展示的方法和技术。
二、教学内容和方法1、教学内容本课程包括以下内容：(1)地理信息系统的基本概念和原理。
(2)地理信息系统的数据模型和空间数据结构。
(3)现代地理信息技术的发展和应用。
(4)地理信息系统在资源管理、环境保护、城市规划和决策支持等领域中的应用。
2、教学方法本课程采用理论授课、案例分析和实践操作相结合的教学方法。
(1)理论授课：介绍地理信息系统的基本概念和原理，让学生了解地理信息系统的背景和发展历程，掌握地理信息系统的基本概念和组成部分。
(2)案例分析：通过分析实际应用案例，让学生了解地理信息系统在不同领域的应用。
通过案例分析，让学生了解地理信息系统的工作流程和数据处理过程。
(3)实践操作：让学生进行地理信息数据的获取、处理、分析和可视化展示的实践操作。
通过实践操作，让学生掌握地理信息系统的基本操作技能，熟练掌握地理信息数据处理和空间分析方法。
三、教学时长和课程安排本课程的教学时长为40学时，按照以下课程安排进行：第一周：地理信息系统的基本概念和原理（6学时）第二周：地理信息系统的数据模型和空间数据结构（8学时）第三周：现代地理信息技术的发展和应用（10学时）第四周：地理信息系统在资源管理、环境保护、城市规划和决策支持等领域中的应用（10学时）第五周：实践操作（6学时）四、教学评价和资料准备本课程采用考试和实践操作评价相结合的教学评价方式。
教师将根据学生学科考试成绩、实验报告和综合评价等多方面考虑，并以期末成绩作为学生绩点的评价依据。
为了保证课程顺利进行，教师需要准备以下资料：(1)教材：选用较好的地理信息系统原理和应用的教材，以提高学生的知识水平和实践操作能力。
《GIS软件应用》课程标准
《GIS软件应用》课程标准一、课程定位通过本课程的学习，使学生更好地认识GIS，并熟练掌握GIS软件的使用，加深对地理信息的认识和空间数据的可视化表达方法，并了解各种软件的空间数据转换关系，了解空间数据的采集、编辑和空间数据的分层处理方法、空间数据的分析功能等。
二、课程目标通过《GIS软件应用》课程的学习，使学生具备地理信息数据采集、储存、处理、分析、地图制作所必需的专业知识和技能，培养勤于思考的工作习惯、严谨的工作作风以及团队协作精神等基本素质，并在教学中通过专题交流和知识拓展训练，逐步培养可持续发展能力。
具体的课程教学目标分解如下：1.知识目标（1）掌握GIS的基本原理；（2）了解ArcGis产品体系及结构；（3）掌握空间数据的管理与编辑方法（4）掌握对空间数据可视化处理的方法（5）掌握空间数据的编辑方法（6）掌握空间数据的转换方法（7）掌握空间数据的基本处理（8）掌握软件的空间分析方法；2.能力目标（1）会安装GIS软件；（2）具备GIS数据库建立与维护能力（3）利用GIS空间分析工具解决实际问题的能力（4）能够自主收集、查阅专业技术资料（5）会进行CAD和GIS软件之间数据格式的转换；（6）会对矢量地图和栅格地图进行几何纠正和投影变换；（7）会对空间数据进行插值处理；（8）利用GIS软件制作地图符号库的能力；3.素质目标（1）具备实践动手能力；（2）具备利用网络、文献等获取信息（行业规范）能力；（3）具备良好的人际沟通和团队协作能力；（4）具备勤于思考、做事认真的良好作风；（5）具备良好的职业素养（职业道德、习惯、素质）和质量服务意识；（6）具有能够吃苦耐劳精神并服从管理；（7）具有主动学习能力，分析问题解决问题能力。
三、课程设计1.设计思想高职学生应当具有扎实的实践操作能力。
因而本课程在教学设计时，注重动手能力的培养，因此要求课程可操作性和实践性强。
当今市场上GIS软件体系中，以ArcGis软件最为成熟和流行。
GIS空间数据处理与分析
GIS空间数据处理与分析GIS（地理信息系统）是一种用于收集、存储、处理和分析地理空间数据的技术。
它通过将地理空间数据与属性数据相结合，可以帮助我们更好地理解地理现象，并做出科学决策。
在本文中，我将介绍GIS空间数据处理与分析的基本原理和一些常见的应用。
其次，GIS空间数据分析是通过使用GIS工具和分析方法对地理空间数据进行探索和解释。
常见的GIS空间数据分析方法包括空间查询、空间统计、空间插值、空间模型和空间决策支持等。
空间查询是指根据地理位置的特征进行数据提取和查询，常用的空间查询包括邻近查询、包含查询和相交查询等。
空间统计是利用统计方法对地理空间数据进行分析，常用的空间统计方法包括聚类分析、热点分析和空间自相关分析等。
空间插值是通过已知的数据点推断未知的地理空间数据，常用的空间插值方法包括反距离加权和克里金插值等。
空间模型是通过建立地理空间数据之间的关系模型来进行分析，常用的空间模型包括回归模型和地理加权回归模型等。
空间决策支持是利用GIS技术对地理空间数据进行可视化和模拟，以支持决策制定和规划设计等工作。
最后，GIS空间数据处理与分析在许多领域有广泛的应用。
例如，在城市规划中，可以使用GIS技术对城市的用地、交通、环境等进行分析，以支持城市规划决策。
在环境监测中，可以利用GIS技术对大气污染、水污染和土壤污染等进行监测和分析，以支持环境保护工作。
在资源管理中，可以利用GIS技术对土地利用、林业、农业和水资源等进行评估和管理，以支持可持续发展。
在灾害管理中，可以利用GIS技术对自然灾害的风险评估、应急响应和恢复规划进行分析，以提高灾害管理的效能。
综上所述，GIS空间数据处理与分析是一种强大的工具，可以帮助我们更好地理解地理现象，指导决策制定，并提高工作效率。
随着GIS技术的不断发展和应用，相信在未来，GIS空间数据处理与分析将在各个领域发挥更重要的作用。
地理信息系统应用：第四讲 GIS应用方法-空间分析
3）从侧重发展方向（决策支持）的角度看，空间分析对象 是以与决策支持有关的地理目标的空间信息及其形成机理， 主要强调相关数学建模及模型的管理与应用。空间分析可 理解为在对地理目标进行形态结构定义与分类的基础上， 对目标的空间关系和空间行为进行描述，为目标的空间查 询和空间相关分析提供参考，进一步为空间决策提供服务 的功能体系。该体系主要包括：空间数据挖掘、空间回归 分析、空间统计-机理模型、空间运筹模型等。
5）趋势面分析：运用适当的数学方法计算出一个空间曲面，并以 此空间曲面去拟合地理要素分布的空间形态，展示其空间分布规 律，常用回归分析方法等；
6）空间相互作用分析：主要是定量分析各种“地理流”在不同区 域之间“流动”的方向和强度。譬如，运用线性规划方法研究区 域内的人口流动问题、产业布局及其优化问题等；
GIS应用从早期的空间数据结构和计算机制图，逐步发展空间分 析功能。从基本的分析(“Where”,”What”,”How to”)，发展到高级的 分析（所处位置与周围环境关系及其动态模拟，如设施区位选址、 自然灾害预测等）。
空间分析正成为GIS应用关注的焦点，起到越来越重要的作用， 应用日益广泛。如环境污染监测模拟、城市规划与管理、洪水灾 害分析、智能交通指挥系统等。
第四讲 GIS应用方法-析的概念，从不同的角度理解有不同的定义方式。 1）从侧重于空间实体的图形与属性交互查询角度看，空间分析是 以地理目标的空间关系为分析对象，从中获取派生的信息和新的 知识。包括以下内容：拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、 空间集合分析和地学分析。 2）从侧重于空间信息的提取及其传输角度看，空间分析是以地理 目标的位置和形态特征为分析对象，目的在于提取和传输空间信 息的空间数据分析技术。空间信息包括位置、分布、统计、关系、 关联、趋势和运动，对应的空间分析内容包括空间位置分析、分 布分析、形态分析、关系分析和相关分析等。
第四章 GIS空间数据库gis
②以实验性数据进行系统测试；
③加载实际数据，实现空间数据库的建立。
2、空间数据库的运行与维护
第二节 空间数据库概念模型设计: 语义模型与对象模型
• 语义数据模型
E-R模型。实体、联系、属性等概念
面向对象的基本概念：
• 面向对象的数据模型
对象、类； 继承； 重载； 概括与聚集。
2) 概 括：
概括是把几个类中某些具有部分 公共特征的属性和操作方法抽象出 来，形成一个更高层次、更具一般 性的超类的过程。 子类和超类用来表示概括的特 征，表明它们之间的关系是“即 是”(is-a)关系，子类是超类的一 个特例。如多边形对象类和弧段对象
类概括形成空间对象类
3） 聚 集：
聚集是将几个不同类的对象组合 成一个更高级的复合对象的过程。 “复合对象”用来描述更高层 次的对象，“部分”或“成分” 是复合对象的组成部分。“成分” 与“复合对象”的关系是“部 分”(parts—of)的关系。如多边
② 设计全局的E-R模型：
③ 全局E-R模型的优化：实体类型尽可能少，所 含属性尽可能少，实体类型之间联系无冗余。 优化的方式： 把有联系的实体类型合并； 冗余属性的消除； 冗余联系的消除。
二、面向对象的数据模型
1、基本思想：我们通过对问题领域进行 自然分割，用更接近人类通常思维的方式建 立问题领域的模型，从而将客观世界的一切 实体模型化为对象。 每一种对象都有各自的内部状态（结构 模拟）和运动规律（行为模拟）；不同对象 之间的相互联系和相互作用就构成了各种不 同的系统，并使系统尽可能地直接表现出问 题的求解过程。
空间数据库的分类：
从应用性质上空间数据库可分为基础 地理空间数据库和专题数据库。
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第四章空间数据的处理
学习要求：掌握数据处理的基本内容、途径和算法。
§4.1 矢量数据拓扑关系的自动建立
矢量数据拓扑关系在空间数据的查询与分析中非常重要，矢量数据拓扑关系自动建立的算法是GIS中的关键算法之一，这里介绍其实现的基本步骤和要点：
一、链的组织
找出在链的中间相交，而不是在端点相交的情况，自动切成新链；把链按一定顺序存储，然后把链按顺序编号。
二、结点匹配
结点匹配是指把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取多个端点的平均值。
三、检查多边形是否闭合
检查多边形是否闭合可以通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行。
四、建立多边形
建立多边形是矢量数据自动拓扑中最关键的部分，由于其算法比较复杂。
先介绍了几个基本概念：顺时针方向构多边形、最靠右边的链、多边形面积的计算，然后介绍其实现的过程。
五、岛的判断
论述多边形之间的一种关系。
岛的判断即指找出多边形互相包含的情况，也即寻找多边形的连通边界。
六、确定多边形的属性
多边形以内点标识。
内点的属性常赋于多边形。
§4.2 矢量数据的图形编辑
图形编辑是纠正数据采集错误的重要手段，其基本的功能要求是：具有友好的人机界面；具有对几何数据和属性编码的修改功能；具有分层显示和窗口功能。
图形编辑的关键是点、线、面的捕捉。
一、点的捕捉
图形编辑是纠正数据采集错误的重要手段。
点的捕捉就是计算机屏幕上进行图形编辑时如何根据光标的位置找到需要编辑的要素点。
1、点的捕捉
图4-2-1 图4-2-2
但是由于在计算d时需进行乘方运算，所以影响了搜索的速度，因此，把距离d的计算改为：
二、线的捕捉
线的捕捉就是计算机屏幕上进行图形编辑时如何根据光标的位置找到需要编辑的线。
方法是计算点到直线的距离。
图4-2-3 图
4-2-4
图4-2-5
如图4-2-5所示，点S(x,y)到直线段(x
1,y
1
),(x
2
,y
2
)的距离d的计算公
式为：
三、面的捕捉
面的捕捉实际上就是判断光标点S(x,y)是否在多边形内，若在多边形内则说明捕捉到。
判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法或转角法。
图
4-2-6
图4-2-7
垂线法的基本思想是从光标点引垂线(实际上可以是任意方向的射线)，计算与多边形的交点个数。
若交点个数为奇数则说明该点在多边形内；若交点个数为偶数，则该点在多边形外(图4-2-6)。
在计算垂线与多边形的交点个数时，并不需要每次都对每一线段进行交点坐标的具体计算。
对不可能有交点的线段应通过简单的坐标比较迅速去除。
图4-2-9
四、图形编辑的数据组织
GIS中的空间数据通常是分层存取的，通常可分为控制点、独立地物、居民地、境界、水系、地貌、植被等。
在进行图形编辑时，需确定在什么数据层(或哪几个数据层)进行操作，以便对选定数据层的数据进行编辑。
§4.3 空间数据的坐标变换
图形编辑只能消除数字化产生的明显误差，而图纸变形产生的误差难以改正，因此要进行几何纠正。
几何纠正常用的有高次变换、二次变换和仿射变换。
§4.4 空间数据的压缩处理
一、矢量数据的压缩
图4-4-1 道格拉斯——普克法示意图
1、道格拉斯——普克法(Douglas—Peucker)
基本思路是(图4-4-1)：对每一条曲线的首末点虚连一条直线，求所有点与直线的距离，并找出最大距离值dmax，用dmax与限差D相比：
若dmax＜D，这条曲线上的中间点全部舍去；
若dmax≥D，保留dmax对应的坐标点，并以该点为界，把曲线分为两部分，对这两部分重复使用该方法。
2、垂距法
垂距法的基本思路是(图4-4-2)：每次顺序取曲线上的三个点，计算中间点与其它两点连线的垂线距离d，并与限差D比较。
若d＜D，则中间点去掉；若d≥D，则中间点保留。
然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。
(1)
(2)
(3)
(4)
图4-4-2 垂距法示意图
图4-4-3 光栏法原理图示
3、光栏法
光栏法的基本思想是(图4-4-3)：定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。
二、栅格数据的压缩
1、接栅格编码
2、长度(行程)编码
§4.5 空间数据的结构变换
一、矢量─栅格转换
线的栅格化方法包括DDA法(数字微分分析法)和Bresenham算法。
面(多边形)的栅格化方法有内部点扩散法、扫描法、边填充算法。
图4-5-1矢量数据向栅格转换图
二、栅格—矢量转换
栅格数据到矢量数据转换的一般过程二值化、二值图像的预处理、细化、追踪、拓扑化。
图4-5-2 栅格数据向矢量转换图
§4.6 空间数据的插值方法
在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程称为内插；在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程称为外推。
常用的内插方法有：边界内插、趋势面分析、局部内插、移动平均法。
一、空间数据的插值
在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程称为内插；在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程称为外推。
二、数字高程模型(DEM)的生成
数字高程模型(DEM)，也称数字地形模型(DTM)，是一种对空间起伏变化的连续表示方法。
由于DTM隐含有地形景观的意思，所以，常用DEM，以单纯表示高程。
DEM有许多用途。
DEM的表示方法有拟合法、等值线、格网DEM和不规则三角网DEM(TIN)。
§4.7 图像数据的处理方法
一、图像增强
包括灰度级的修整、空域处理、频域处理和伪彩色增强。
灰度级的修整的内容有灰度级校正、灰度变换、直方图变换。
空域处理包括平滑、尖锐化。
频域处理的内容包括：频域中的平滑、频域中的锐化、同态滤波。
伪彩色增强内容有灰度级到彩色的处理和滤波方法。
二、二值图像处理
介绍图像的二值化（状态法、微分直方图法、可变阈值法）二值图像的平滑去噪方法介绍了去毛刺、线划平滑与孔洞填补、去除独立污点。
最后阐述二值图像的边缘特征提取和二值图像的细化。
三、图像的特征提取和分析
一幅数字遥感影像所蕴涵的信息是十分庞杂的，利用这些信息中前，往往需要进行图像的特征提取和分析。
由于景物的物理与几何特性差异，在影像中表现为局部区域的灰度产生明显变化，形成影像特征。
图像特征提取就是提取构成目标影像的特征，主要有点特征提取和线特征提取。
而图像分析是在特征提取得基础上，通过对目标特征的分析和匹配来识别目标。
图像分析的主要手段有纹理分析、多维信息分析、匹配和分类、和区域分割等。
§4.8 空间数据的更新处理
一、利用遥感（RS）更新空间数据
RS与GIS的结合具有重要意义。
GIS的生命力将最终取决于其空间数据库的现势性，遥感数据是GIS的重要信息源和数据更新的手段。
同时，RS与GIS 的结合可以有效地改善遥感分析。
利用GIS的空间数据可以提高遥感数据的分类精度。
由于分类可信度的提高，又推动了GIS中数据快速更新的实现。
GIS中的高程、坡度、坡向、土壤、植被、地质、土地利用等信息是遥感分类经常要用到的数据。
另外，RS与GIS的结合可以进一步加强GIS的空间分析功能。
二、利用全球定位系统（GPS）更新空间数据
全球卫星定位系统(GPS)作为一种新型的定位数据的采集和更新手段，具有高精度、高效益、全天候、低成本、高灵活性、实时性等特有的优势，因而在GIS中具有重要的应用价值。
先介绍全球定位系统（GPS）的基本原理与技术然后介绍了GPS的测距方法，接着阐述了GPS用于GIS空间数据的更新的方法，最后介绍了GPS与GIS的结合方式。