地理信息系统导论
地理信息系统导论-第一章 绪论
2012年1月９日， 我国在太原卫星发 射中心成功将“资源 三号”卫星送入轨道 。
“资源三号”卫星高 度约５００公里、 倾角约９７．５度 的太阳同步轨道。
资源三号卫星配置4台相机：
优于2.5米的高分辨率正视全色TDI CCD相 机
两台优于4.0米分辨率的前视、后视全色 TDI CCD相机
神威太湖之光，Sunway MPP，SW26010， 国家超级计算中心，中国无锡，1060万个核心， 93.01pf（每秒千万亿次运算）。世界第一 天河二号， 国防科技大学，TH-IVB-FEP Cluster，国家超级计算机中心，中国广州， 312万个核心，33.86pf。世界第二
方法 2. 会使用一种以上的软件绘制地图、分析
和查询数据
3. 对应用和开发的途径有初步的了解 4. 环境遥感技术初步
第一章 绪论
日本2011年3月11日地震引发海啸，应急期间，地理 信息系统在协助应急管理人员进行救援行动、定位严重 受损区域和基础设施、确定医疗救助优先级，以及安置 临时避难所等方面发挥了重要作用
地理信息系统导论
—构建基于地理信息系统（GIS）的环境科学应用
有一类信息，总是与位置有关，描述何地有何物、何事 称地理空间信息——包括空间位置、属性（除位置外的全部）
当局限于 地球表面 的目标时， 存在一种 信息，总 是与坐标 信息关联
空间数据 地理关联 数据
我们再来看现代的地图（卫星影像）
2015年10月，资源三号卫星应用系统全 面建成，标志着我国卫星测绘应用技术研 究取得新的突破，填补了我国自主民用卫 星测绘技术空白
过去，我国90%以上的卫星遥感数据依 赖国外卫星数据进口。资源三号卫星测绘 遥感卫星体系有助于改变此局面 2017年1月，资源三号卫星影像云服务平 台英国节点正式开通
《地理信息系统导论》教学大纲
地理信息系统导论一、课程说明课程编号：010514Z10课程名称：地理信息系统导论/Introduction to Geographical Information Systems课程类别：专业核心课程学时/学分：48/3先修课程：自然地理学、地图学概论、数据结构与算法、计算机基础适用专业：地理信息科学教材、教学参考书：1.地理信息系统教程，汤国安等，高等教育出版社，2007.42.地理信息系统原理、方法和应用，邬伦等，高等教育出版社，20003.地理信息系统导论（第五版），Kang-tsung Chang著，陈健飞等译，科学出版社，2010.74.地理信息系统与科学，Paul A. Longley, Michael F.Goodchild等著，张晶、刘瑜等译，机械工业出版社，2007.7二、课程设置的目的意义地理信息系统（GIS）导论是地理信息科学专业的必修核心课程。
通过本课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本概念，了解地理信息系统的基本原理和方法，初步掌握GIS软件操作的基本技能和应用，特别是构建基于GIS的地学思维与地学语言表达新模式。
初步搭建起地理信息系统专业的知识结构体系和框架，为后续的专业学习奠定坚实的基础。
三、课程的基本要求知识：掌握地理信息系统的基本概念、基本原理和基本方法；掌握空间数据模型、空间数据结构、空间数据采集与处理、空间数据库、空间分析原理与方法、数字高程模型、地理信息可视化等知识；了解学科发展前沿及应用前景，熟练掌握1-2种地理信息系统平台的使用；能力：熟悉行业内主要GIS软件的特征与功能，具备应用地理信息系统平台软件解决行业问题的能力；具有运用GIS软件解决一般的GIS工作中涉及的一般性数据编辑、处理的能力；具有初步的利用GIS平台软件进行GIS空间分析与应用的能力；利用帮助文档及网上资料进行自学GIS软件的能力；素质：既能独立工作，又具有团队合作精神，适应竞争学会合作；具有良好的心理承受能力及科学的工作心态；四、教学内容、重点难点及教学设计五、实践教学内容和基本要求本课程安排有16学时的实验，要求学生通过实验加深对课堂讲授知识的理解和基本方法的掌握。
地理信息系统导论
地理信息系统导论
地理信息在各个门类信息中居于重要地位，因为任何信息都需要 地理位置信息的支撑，在时空框架中有其一定的位置，地理信息回 答事物、事件、现象的存在与发生的的时间与地点。
当代是大数据（big data）的时代。所谓“大数据”是在“云计 算”（cloud computing）技术支持下，全方位、全程表达各种事 物、事件、现象的过程、特征、以及相关的信息，大数据具有以下 “4V”的特点：
——弧段与面的拓扑关系，即弧段的左与右分别是哪两个面，此 关系的信息用于面的邻域分析、图形编辑等。
——面与弧段的拓扑关系，即给出面由哪些弧段组成，此关系的 信息用于由某一指定面的信息数据组建面，由此进行有关此面的各 种空间分析。
拓扑关系数据在不同 GIS 软件数据库中有不同的表达方式，表 现为不同的数据结构，也有软件不直接给出这些拓扑关系，在需要 使用拓扑关系信息数据时，进行临时分析计算。数据结构不同，决 定系统的算法，影响到系统的功能，特别是空间分析的功能。对于 诸多系统，不能简单地断定哪种数据结构的优劣，因为往往优点中 隐含着某些缺点，而缺点中又隐含着某些优点。
——弧段、多边形的包络矩形（Range）
Xmin=MIN(x1,x2,……xn)； Ymin=MIN(y1,y2,……yn) Xmax=MAX(x1,x2,……xn)； Ymax=MAX(y1,y2,……yn) ( x1, y1)、( x2, y2)……( xn, yn)是弧段、多边形边界 上各点坐标。
包络矩形表示出一个弧段、一个多边形（面、图斑）、或某一区 域大致的位置，这对于点位判别，即根据指定任一点坐标判别该点 在哪一多边形内或距离哪一线弧段最近，加速检索速度十分方便。
2．矢量格式数据组织
地理信息系统导论 陈述彭 科学出版社
地理信息系统导论陈述彭科学出版社第一章绪论第一节地理信息系统地理信息系统：一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术二、地理信息的特征地理信息：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三大要素：空间位置、属性特征、时域特征特征：信息的一般特性+区域分布性、数据量大、信息载体的多样性三、信息系统的主要类型信息系统：具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统基本组成：计算机硬件、软件、数据和用户类型：事务处理系统、决策支持系统第二节地理信息系统组成及其功能一、地理信息系统的组成数据输入子系统、数据存储与检索子系统、数据输入与分析子系统、输出子系统二、地理信息系统的功能1.地理信息系统的基本功能：数据采集、检验与编辑（获取数据，保证库中数据内容上与空间上的完整性、数据值逻辑一致无错等）；数据格式化、转换、概化（数据操作）；数据的存储与组织（数据集成的过程）；查询、检索、统计、计算功能；空间分析（核心）和显示2.空间分析与模型分析功能三个层次：空间检索（“空间索引”是关键）、空间拓扑叠加分析、空间模拟分析（GIS系统外部的空间模型分析、内部的空间模型分析、混合型）第二章地理空间与空间数据基础第一节地理空间二、地理空间的数学建构4类几何模型：自然面、相对抽象-大地水准面、椭球体模型（以大地水准面为基准）、数学模型三、地理空间坐标系的建立：二维欧几里得空间（笛卡尔平面直角坐标系）四、地理空间的距离度量2种度量方法：沿真实的地球表面进行；沿地球旋转椭球体的距离量算（欧几里得、曼哈顿、时间）；五、地理空间的表达1、矢量：0-3维矢量2、栅格3、三角形不规则网（TIN）---地理连续面六、地理空间的拓扑三个重要的拓扑概念：连接性（弧段在结点处的相互联接关系）、多边形区域定义（多个弧段首尾相连构成了多边形的内部域）、邻接性（通过定义弧段的左右边及其方向性来判断弧段左右多边形的邻接性）2、空间关系：拓扑（相邻、包含、相交等）、顺序（前后左右等）、度量（实体之间距离等）第二节空间数据模型与结构一、概述数据建模：选择数据模型对现实世界数据进行组织》》》选择数据结构进行表达该数据模型》》》选择适合记录该数据结构的文件格式二、空间数据模型3、空间数据模型：矢量、栅格、三角网三、空间数据结构栅格（完全栅格结构、游程编码、Morton顺序和Morton坐标、区域四叉树）矢量（Spaghetti结构、Roessel拓扑数据结构、表面格网数据结构）四、空间数据组织与编码第三节空间数据质量一、概念数据质量相关：误差（数据与真值）、准确度（计算或估算值与真值）、精密度、不确定性三、质量问题的来源自身存在的不稳定性、表达、处理中的误差、使用中的误差第四节空间数据的元数据三、空间数据元数据的获取与管理第一阶段：根据要建的数据库内容而设计的元数据（普通+专指性）第二阶段：元数据随数据的形成同步产生第三阶段：上述数据收集到以后根据需要产生的四、应用（帮助用户获取数据、数据质量控制、数据集成中的应用、数据存贮和功能的实现）原因：完整性、可扩展性、特殊化、安全性、差错功能、浏览功能、程序生成第一节空间数据输入四、空间坐标的转换1、矢量转换：表格坐标-投影坐标-地理坐标-工作投影坐标2、栅格转换：重采样三种方法：最邻近方法、线性内插、三次卷积五、空间数据类型转换：2、栅格向矢量转换：多边形边界提取》》》边界线追踪》》》去除多余点及曲线圆滑》》》拓扑关系生成第二节空间数据压缩编码一、影像压缩编码多灰度采用保真度编码，允许极小误差；二值影像和少灰度信息保持编码，不允许误差存在变换编码、熵编码、行程编码、跳白块编码、线性四叉树编码二、自适应二维行程编码基于线性四叉树的二维Morton行程编码、n-Morton行程编码、自适应二维行程编码三、数字高程模型数据和多灰度影像的压缩信息保持压缩、保真度压缩第三节地理空间数据库一、传统的数据库模型1、层次模型与树结构2、网状模型与图结构3、关系模式与二维表结构三、面向对象的数据库系统第四节可视化与空间查询二、影像地图的构成与空间对象关联的图形要素（点、线、不规则多边形、像元点）+地图注记四、空间信息查询1、空间索引：依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系，按一定的顺序排列的一种数据结构（包含空间对象的概要信息）格网型、BSP树、KDB树、R/R+树、CELL树2、查询方式：基于空间特征、基于属性特征、基于空间关系和属性特征第四章空间信息模型分析第一节空间信息模型基本概念空间信息模型：通过针对存在于空间实体之间的信息及其变化机制的模拟和分析来研究人类生存环境的发展规律的模型一、模型和域模型：把一个（源）域的组成部分表现在另一个（目标）域种的一种结构建模的目的：把源域简单化、抽象化模型的有用性判断：模拟源域的效果和在两个域间转换的难易程度二、模型质量准确性（Accuracy）：经模型转换后源域和目标域的匹配精确性（Precision）：目标域中量测的精细程度三、是域还是对象基于域的模型：把空间存在信息作为连续的空间分布信息的集合来处理基于对象的模型：把空间存在信息作为不连续的可被识别的、具有地理参照的实体来处理第二节基于域的空间信息模型一、域的特征：域：一系列等值面组成1、空间结构特征和属性域：属性域包含以下测量值：名称、序数、间隔、比率2、连续的、可微分的、离散的域：3、各项同性域与各项异性域：空间域内部各种性质是否随方向变化方向而变化4、空间自相关及其他空间模式描述参数：空间自相关：空间域中的值聚集程度的一种度量很强的正空间自相关一个空间域中的类似的数值有集聚的倾向空间自相关为零属性值和空间相邻程度没有明显联系负的空间自相关类似的属性值在空间上有相互排斥的倾向第三节基于对象的空间信息模型一个实体必须符合三个条件：可被识别、重要（与问题相关）、可被描述（静态属性、行为特征、结构特征）一、空间对象：对象存在于空间中（“嵌入空间”：欧氏空间、度量空间、拓扑空间、面向集合的空间）二、空间操作：静态的（不会使运算对象发证本质变化）和动态的（改变一个或多个运算对象）第四节数字地面模型一、定义数字地面模型（DTM）：描述地面特性的空间分布的有序数值阵列数字高程模型（DEM）：一种地面特性（由X、Y水平坐标系统来描述）的DTM二、DTM的实现DTM按空间结构分类：规则格点（格网）、散点、等值线、曲面、线路、平面多边形、空间格网的生成方法：反距离权插值（IDW）、双线性插值（不规则采样点、规则采样点）、趋势面插值、样条插值、克吕格插值第五节空间信息分析的基本方法1、空间信息量算：空间信息分析的定量化基础质心量算、几何量算、形状量算2、空间信息分类：主成分分析法：通过数理统计分析，将众多要素的信息压缩表达为若干具有代表性的合成变量，选择信息最丰富的少数因子进行各种聚类分析、层次分析法（AHP）：把相互关联的要素按隶属关系划分为若干层次，请有经验的专家们对各层次各因素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法，综合各人给出的权值、系统聚类分析：根据实体间的相似程度，逐步合并为若干类别，其相似程度由距离或相似系数定义判别分析：根据理论与实践预先确定出等级序列的因子标准，再将分析的地理实体安排到序列的合理位置上3、叠加分析：两层或多层地图要素进行叠加产生一个新要素层的操作，其结果将原来要素分割生成新的要素分类：多边形叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加4、网络分析：对地理网络（交通网络）、城市基础设施建设（各种网线、电力线、电话线、供排水线）进行地理分析和模型化基本组成部分和属性：链、障碍、拐角点、中心、站点路径分析（静态求最佳路径、动态分段技术、N条求最佳路径分析、最短路径、动态最佳路径分析）、地址匹配、资源分配5、缓冲区分析：针对点线面实体自动建立周围一定宽度范围以内的缓冲区多边形6、空间统计分析：常规统计分析、空间自相关分析（认识空间分布特征，选择适宜的空间尺度来完成空间分析——Moran I指数）、回归分析（两组或多组变量之间的相关关系）、趋势分析（模拟地理特征的空间分布与时间过程）、专家打分模型第六节地学模型分析基于理化原理的理论模型、基于原理和经验的混合模型、基于变量之间统计关系或启发式的经验模型。
地理信息系统导论
2．空间决策支持模型
• 表10-2：决策损益表
• 4）目标函数（决策准则）：记为F。损益函数 只给出了系统的实际收益情决策者、问题、方法都是不同 的，它最终决定了方案的形成。
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2．空间决策支持模型
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1．空间分析过程及其模型
• 例1 道路拓宽改建过程中拆迁指标计算
• 这里将举例说明如何利用建立缓冲区、拓扑叠 加和特征提取,计算一条道路拓宽改建过程中的 拆迁指标。
• 1）明确分析的目的和标准 • 2）准备进行分析的数据 • 3）进行空间操作 • 4）进行统计分析 • 5）将分析结果以地图和表格的形式打印输出。
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1．空间分析过程及其模型
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2．空间决策支持模型
• 区域规划、土地利用规划、设施位置选择、环 境管理等都是有关空间行为的决策问题，这些 问题的解决方案是由决策者或领域专家在专业 领域知识和经验的启发下，在分析大量的空间 和非空间信息的基础上得到的。空间决策问题 大大超过了地理信息系统通常的空间分析功能 的要求。
木材毁坏量回归预测模型 第8页/共108页
1．空间分析过程及其模型
• 1．2．3 地图模型实现
• 大多数GIS软件提供了宏命令或脚本描述语言，可以 将上述建立的各种地图模型表示成GIS的操作命令序 列，自动批处理完成整个模型过程。
• 还有一些GIS软件提供了高级的可视化的地图建模辅 助工具，用户只需使用其提供的工具在窗口中绘出 模型的流程图，指定流程图的意义、所用的参数， 矩阵等即可完成地图模型的设计，而无需书写复杂 的命令程序。
• 2）状态集合：任何一个决策问题都面临一定 的外界环境，称之为状态。系统各种可能的状 态，称为状态集合，记为Q。
第一章 导论(地理信息系统概论)
信息的特点
客观性：
任何信息都是与客观事物紧密相关的
适用性：
传输性：
地理信息系统的建立的明确的目的性
信息可以在发送者和接收者之间传输
共享性： 信息可以传输给多个用户、为多个用户共享
数据与信息的关系
两者在词义上的差别：数据是信息的 表达，信息则是数据的内容； 数据是客观对象的表示，只有当数据 对实体行为产生影响时才成为信息；
地理信息系统的任务是采集、存储、管理、 分析和显示地球空间信息。
GIS与其它IS之间的关系（信息系统分类）
信息系统（IS)
非空间信息系统 如厂矿企业管理、 财务等MIS
空间信息系统（SIS） 非地理信息系统 CAD/CAM
地理信息系统（GIS）
专题GIS 综合信息系统
地籍信息系统
城市管线信息系统
信息是当代社会发展的一项重要任务。
二、地理数据与地理信息
地理数据（geo-data）: 是指表征地 理圈或地理环境固有要素或物质的数量、 质量、分布特征、联系和规律的数字、 文字、图像和图形等的总称。
地理数据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、 属性特征及时态特征三部分。
§7.3 地理信息的标准化
§7.4 地理信息系统的评价
第8章 地理信息系统产品的输出设计(2学时)
§8.1 地理信息系统产品的输出形式 §8.2 地理信息系统图形输出系统设计 §8.3 地理信息系统的可视化与虚拟现实
各章节联系
第一章：GIS概 念,与相关学科 关系,GIS组 成,GIS的功能 与应用等
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第一章 绪论
本章主要内容
GIS基本概念 GIS的形成和发展 GIS的基本组成和功能 GIS的应用领域
第一章 地理信息系统概论
3.2.4
辅助决策
GIS利用拥有的数据和互联网传输技术，通过一系列决策模型的构建和比较分析，可 以为国家或企业的宏观决策提供依据。
土地利用类型
区域规划
国土监测
§4 GIS的发展透视 ——GIS发展概况
§4 GIS的发展透视——GIS发展概况
§4 GIS的发展透视——GIS发展概况
§4 GIS的发展透视——GIS发展概况
等 的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世 界 新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。它不随载体
的 物理设备形式的改变而改变。
数据：是通过数字化或记录下来的可以被鉴别的符号，不仅数字是数
据，文字、符号、图形、图像也是数据。数据本身并没有意义。
数据的形式可以改变；信息不随载体的改变而改变
定位 拓扑关系 属性
§2 地理信息系统及其构成
2.2 地理信息系统的构成
应用人员：包括系统开发人员和GIS技术的最终用户。
§3 GIS的功能简介
观察的现象、 文件与地图
3.1
基本功能.
数据采集 原始数据
数据库
数据存储 与管理
数据预处理
结构化数据
产品制作 与显示
制图
空间查询与分析
图示 GIS功能概述（椭圆） 以及它们的表现（矩形）
掌握地理信息系统的基本技术和方法，具有应用主流 GIS
软件从事空间数据的采集、存储与管理、处理、分析和图 形创造的基本技能；
初步具有应用 GIS 技术开展地学研究的能力，包括地学应
用模型的构建，应用型GIS的设计，主要GIS软件系统的使
用和评价等。
地理信息系统原理
遥感学院 地理信息系统系
地理信息系统导论
2．栅格数据结构及其编码
• 2．2．2面积占优法 • 以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性
决定栅格单元的代码，在图7-5所示的例子中， 显见B类地物所占面积最大，故相应栅格代码 定为B。面积占优法常用于分类较细，地物类 别斑块较小的情况。
2．栅格数据结构及其编码
• 2．2．3重要性法 • 根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要
1．空间数据库
图7-3：矢量结构和栅格结构
1．空间数据库
• 1．4．1矢量模型 • 在矢量模型中，现实世界的要素位置和范
围可以采用点、线或面表达，与它们在地 图上表示相似，每一个实体的位置是用它 们在坐标参考系统中的空间位置（坐标） 定义。点、线和多边形用于表达不规则的 地理实体在现实世界的状态。 • 矢量模型中的空间实体与要表达的现实世 界中的空间实体具有一定的对应关系。
1．空间数据库
• 1．4．2栅格模型 • 在栅格模型中，地理实体的位置和状态是用它
们占据的栅格的行、列来定义的。每个栅格的 大小代表了定义的空间分辨率。由于位置是由 栅格行列号定义的，所以特定的位置由距它最 近的栅格记录决定。栅格的值表达了这个位置 上物体的类型或状态。采用栅格方法，空间被 划分成大量规则格网，而且每个栅格取值可能 不一样。空间单元是栅格，每一个栅格对应于 一个特定的空间位置，如地表的一个区域，栅 格的值表达了这个位置的状态。
1．空间数据库
• 1．1．2 两者共同之处 • 两者都是以计算机为核心的信息处理系统，都具
有数据量大和数据之间关系复杂的特点，也都随 着数据库技术的发展在不断的改进和完善。
1．空间数据库
• 1．2 空间数据库 • 1．2．1 数据库的概念 • 数据库就是为一定目的服务，以特定的数据存储