GIS原理与应用(专升本) 第四讲

主要内容 第14章 空间查询与统计方法 第15章 空间分析方法 第16章 GIS产品输出 第17章 空间信息可视化技术方法 第18章 地理信息系统工程设计 第19章 GIS的标准化 地理信息系统高级技术

第14章 空间查询与统计方法 空间查询与统计分析，一般是基于空间图形的属性进行的，查询统计的结果以图形或报表的形式显示和输出。查询统计一般是根据一些数学模型进行的。图形查询还涉及一些图形操作的计算。图形查询统计分析是 GIS的重要分析内容之一。

14.1 GIS 常用的空间统计分析模型 一、相关分析模型 二、趋势面分析模型 趋势面分析，是用一个多项式对地理现象的空间分布特征进行分析，用该多项式所代表的曲面来逼近（或拟合）现象分布特征的趋势变化，也就是用数学方法把观测值分解为两个部分：趋势部分和偏差部分。趋势部分反映区域性的总的变化，受大范围的系统性因素的控制；偏差部分反映局部范围的变化特点，受局部因素和随机因素的控制。

14.1 GIS 常用的空间统计分析模型 三、预测模型 四、聚类模型 回归模型方法，就是从一组地理要素的数据出发，确定这些要素数据之间的定量表述形式。通过回归模型，根据一个或几个地理要素数据来预测另一个要素的值。 四、聚类模型 聚类分析的步骤一般是根据实体间的相似程度，逐步合并若干类别，其相似程度由距离或相似系数定义。进行类别合并的准则是使得类间差异最大，而类内差异最小。

14.2 空间数据的查询 一、空间数据查询的概念 查询属于数据库的范畴，一般定义为作用在库体上的函数，它返回满足条件的内容。查询是用户与数据库交流的途径。 查询是 GIS 用户最经常使用的功能，GIS 用户提出的很大一部分问题都可以以查询的方式解决，查询的方法和查询的范围在很大程度上决定了 GIS 的应用程度和应用水平。 目前 GIS的空间查询主要有下列 4 种方式： （1）扩展关系数据库的查询语言（SQL）。 （2）可视化空间查询。 （3）超文本查询。 （4）自然语言空间查询。

14.2 空间数据的查询 二、扩展关系数据库的查询语言（SQL） 如，“显示与价值超过 60000 的地块相交的土壤图”，表示为： SELECT SOIL.MAP FROM SOIL，PARCELS WHERE VALUATION > 60000 AND OVERLAY（SOILS，PARCELS） 局限性： SQL 结构很难描述复杂的空间关系查询；简单的表格形式不能作为空间数据的表现形式。

14.2 空间数据的查询 三、可视化空间查询 可视化查询是指将查询语言的元素，特别是空间关系，用直观的图形或符号表示。因为对于某些空间概念用二维图形表示比用一维文字语言描述更清晰、更本质和更易理解。可视化查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念，具有简单、直观、易于使用的特点。 主要优点是：自然、直观、易操作，用不同的图符可以组成比较复杂的查询。但也存在一些缺点，如：当空间约束条件复杂时，很难用图符描述；用二维图符表示图形之间的关系时会出现歧义；难以表示“非”关系；不易进行范围约束；无法进行屏幕定位查询等。 为方便用户输入查询条件而设计的，在 GIS 中仍然要翻译成形式化的 SQL 语言。

14.2 空间数据的查询 四、超文本查询 五、自然语言空间查询 超文本查询把图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些“热点”；“热点”可以是文本、键等。用鼠标点击“热点”后，可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等。但超文本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。 五、自然语言空间查询 在空间数据查询中引入自然语言可以使查询更轻松自如。在 GIS 中很多地理方面的概念是模糊的。而空间数据查询语言中使用的概念往往都是精确的。 为了在空间查询中使用自然语言，必须将自然语言中的模糊概念量化为确定的数据值或数据范围。在对自然语言中的模糊概念量化时，必须考虑当时的语义环境。只能适用于某个专业领域的地理信息系统，而不能作为地理信息系统中的通用数据库查询语言。

14.2 空间数据的查询 六、查询结果显示 GIS空间数据查询应以最有效的方式将空间数据显示给用户。 空间数据查询的结果最好以专题地图的形式表示出来。但目前把查询的结果制作成专题地图还需要一个比较复杂的过程。为了方便查询结果的显示，Max（1991，1994）在基于扩展 SQL 的查询语言中增加了图形表示语言，作为对查询结果显示的表示。具有 6种显示环境的参数可选定：显示方式（刷新、覆盖、清除、相交和强调）、图形表示（选定符号、图案、色彩等）、绘图比例尺、显示窗口、相关的空间要素、查询内容的检查。通过选择这些环境参数可以把查询结果以用户选择的不同的形式显示出来，但离把查询结果以丰富多彩的专题地图显示出来的目标还相差很远。

14.3 属性数据的查询统计 一、属性数据的集中特征数 二、属性数据的离散特征数 通过属性查询统计可挖掘蕴藏在属性数据里的大量潜信息。 属性数据集中特性：频数和频率、平均数、数学期望、中数及众数。 二、属性数据的离散特征数 在分析 GIS 的属性数据时，要查明数据的集中位置、数据的离散程度和变化范围。对于两组数据，可能它们的平均数是一样的，但它们分布在平均数附近的疏密程度却可能不同，即它们的离散程度可能不一样。从统计规律的角度讲，离散程度较小的区域，其平均数的代表性较好；反之则较差。很明显，前述的平均数、数学期望、中数和众数是不可能反映数据的离散程度的，因此需要引入刻划离散程度差异的统计特征数，即极差、离差、方差、标准差、变差系数。

第15章 空间分析方法 15.1 栅格数据分析的基本模式 一、聚类分析 栅格数据分析常见的模式主要有聚类分析、聚合分析、复合分析、追踪分析和窗口分析等。 一、聚类分析 根据设定的聚类条件，对原有数据系统进行有选择的信息提取而建立新的栅格数据系统的方法。

15.1 栅格数据分析的基本模式 二、聚合分析 根据空间分辨率和分类表，进行数据类型的合并或转换，以实现空间地域的兼并。这类分析主要用于对数据进行重新归类，将面积较小的地块划归到临近较大地块的类别中，具有数据综合的作用。

15.1 栅格数据分析的基本模式 三、栅格数据的信息复合分析 1、 概念 分为视觉信息复合、叠加分类。视觉信息复合，将不同专题内容进行叠加显示。叠加分类，叠加产生新的数据图层（空间地域重新划分，属性重新赋值）。 叠置分析是指将不同图幅或不同数据层的栅格数据叠置在一起，在叠置地图的相应位置上产生新的属性的分析方法。 2、栅格叠置的作用 （1）类型叠置：获取新的类型 （2）数量统计：计算某一区域内的类型和面积 （3）动态分析：分析由时间引起的变化 （4）益本分析：分析，计算成本、价值 （5）几何提取： 快速地进行范围内信息的提取

15.1 栅格数据分析的基本模式 四、栅格数据的追踪分析 对于特定的栅格数据系统，由一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行追踪目标的空间分析方法。例，图象矢量化中使用。 五、栅格数据的窗口分析 在一个固定分析窗口，对数据进行的极值、均值等计算。

15.2 矢量数据分析的基本方法 与栅格数据分析相比，矢量数据处理方法的多样化且复杂。 1、拓扑叠加：通过将同一地区两个不同图层的特征相叠加，不仅建立新的空间特征，而且能将输入的特征属性予以合并，易于进行多条件的查询检索、地图裁剪、地图更新和应用模型分析等。 2、缓冲区建立：它是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立各种类型要素的缓冲多边形，用以确定不同地理要素的空间接近度或邻近性。它是 GIS 重要的和基本的空间分析功能之一。 3、数字地形分析：GIS 提供了构造数字高程模型及有关地形分析的功能模块，包括坡度、坡向、地表粗糙度、山谷线、山脊线、日照强度、库容量、表面积、立体图、剖面图和通视分析等，为地学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础性数据。 4、空间集合分析：按照两个逻辑子集给定的条件进行布尔逻辑运算。

15.2 矢量数据分析的基本方法 一、包含分析 二、矢量数据的缓冲区分析 判断某个地理元素、实体是否位于另一地理实体范围之内。 1、缓冲区：指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形。 2、缓冲区的建立：点的缓冲区建立时，只需要给定半径绘圆即可。面的缓冲区只朝一个方向，而线的缓冲区需在线的左右配置。

15.2 矢量数据分析的基本方法 三、多边形叠置分析 1、矢量数据叠置的内容 将同一地区的两组或两组以上的要素进行叠置，产生新的特征。叠置的直观概念就是将两幅或多幅地图重迭在一起，产生新多边形和新多边形范围内的属性。 1、矢量数据叠置的内容 （1）点与多边形的叠置 点与多边形的叠置是确定一幅图上的点落在另一幅图的哪个多边形中，这样就可给相应点增加新属性内容。点与多边形叠置的算法就是判断点是否在多边形内。 （2） 线与多边形的叠置 线与多边形的叠置是把一幅图中的多边形的特征加到另一幅图的线上。线与多边形叠置的算法就是线的多边形裁剪。

15.2 矢量数据分析的基本方法 （3）多边形与多边形的叠置 多边形与多边形的叠置是指不同图幅或不同图层多边形要素之间的叠置，通常分为合成叠置（图 a）和统计叠置（图 b）。 合成叠置，指通过叠置形成新的多边形，使新多边形具有多重属性，即需进行不同多边形的属性合并。属性合并方法可是简单的加、减、乘、除，也可取平均值、最大最小值，或取逻辑运算的结果等。 统计叠置，统计叠置是指确定一个多边形中含有其它多边形的属性类型的面积等，即把其它图上的多边形的属性信息提取到本多边形中来。

15.2 矢量数据分析的基本方法 多边形叠置分析过程中，叠置还有几种模式。

15.2 矢量数据分析的基本方法 2、多边形与多边形叠置算法 多边形与多边形叠置算法的核心是多边形对多边形的裁剪。多边形裁剪比较复杂，因为多边形裁剪后仍然是多边形，而且可能是多个多边形。多边形裁剪的基本思想是一条边一条边地裁剪 。

15.3 网络分析应用 网络分析是 GIS 的另一重要分析类型。在地理空间中，许多自然、人工的线状地物相互之间构成网络。如道路网、地下管线网、电网、河流网等。在这些网络上，人们需要进行路径选择、资源分配、运输路线规划、故障诊断等分析。复杂的网络分析需要专业的应用模型支持，这里只介绍基本的网络分析方法。 一、 路径分析 在最短路径选择中，两点之间的距离可以定义为实际的距离，也可定义为两点间的时间、运费、流量等，换句话说，可定义为使用这条边所需付出的代价。因此，可以对不同的专题内容进行最短路径分析。

15.3 网络分析应用 二、 其它网络分析方法 1、最小生成树 生成树是图的极小连通子图。一个连通的赋权图 G 可能有很多的生成树。设 T 为图 G 的一个生成树，若把 T中各边的权数相加，则这个和数称为生成树 T的权数。在 G 的所有生成树中，权数最小的生成树称为G 的最小生成树。

15.3 网络分析应用 2、最小费用最大流量 3、P—中心的定位分配问题 网络流的基本问题为：设一个有向赋权图 G(V，E)，V={s, a, b, c, …, s’ }，其中有两个特殊的节点 s 和 s’。s称为发点，s’称为收点。图中各边的方向和权数表示允许的流向和最大可能的流量（容量）。最大流问题讨论的是，在一个地理网络中怎样安排网上的流，使从发点到收点的流量最大。在实际应用中，不仅要考虑使网络上的流量最大，而且要使运送流的费用或代价最小。这就是最小费用最大流量问题。 3、P—中心的定位分配问题 这一问题是要在 m 个候选点中选择 P个供应点为 n 个需求点服务，使得为这几个需求点服务的总距离(或时间或费用)为最少。

15.4 基于地形的空间分析 一、DEM分析的内容 二、地形分析的方法 比例尺分析：选择比例尺和栅格分辨率 15.4 基于地形的空间分析 一、DEM分析的内容 比例尺分析：选择比例尺和栅格分辨率 地形参数分析：对能够在DEM的每一个点上直接计算的地面形态的描述，如斜率和曲率等。 地形特征分析：根据地面形态和河网结构对所定义的二级地形结构结合起来，用来支持地形本身的分析。 二、地形分析的方法 坡度和坡向、表面曲率、视域分析、垂直剖面计算、土方计算

第16章 GIS产品输出 16.1 GIS产品的输出系统 一、输出系统的组成

16.2 GIS产品的类型 一、普通地图 二、专题地图 普通地图包括静态显示和动态显示的普通地图和晕宣地图。可提供布局合理、比例适当、负载平衡、符号化明确、图例正确、易于出版印刷等地图产品。 二、专题地图 提供按专题属性显示或某种专题应用的多种类型专题类别地图。专题地图可根据专题属性进行显示和制图。主要方法有：按分类码显示制图，根据地物的分类码查询检索显示制图；按计算量测值显示制图；按整数属性值分色显示制图；按数值分类显示制图，某些数值可按一定的区间进行分组、分类显示制图 ;分类统计显示，先进行统计，然后将统计结果进行显示制图。

16.2 GIS产品的类型 三、影像地图 1、正射影像图：遥感影像经几何纠正处理后，得到正射影像图。 影象地图包括正射影像图、栅格地图、分类渐进色彩显示的地图和多光谱影像图等。 1、正射影像图：遥感影像经几何纠正处理后，得到正射影像图。 2、栅格地图： 空间数据分类的栅格化显示、扫描地图、网格观测数据等可通过栅格地图显示制图。 3、分类渐进色彩显示的地图：一些观测结果可通过分类渐进色彩显示进行制图。 4、按光谱显示制图： 遥感影像或观测的多属性值可按光谱或分层显示制图。

16.2 GIS产品的类型 四、统计报表输出 五、三维模型和虚拟环境 六、决策方案

第17章 空间信息可视化技术方法 17.1 可视化的概念 一、科学计算可视化 可视化本意即是变成可被视觉所感知。在人脑中形成对某物（人）的图象，是一个心理过程，目的是促使对事物的观察力及建立概念等。 一、科学计算可视化 指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及结果转换为图形和图像显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。包括科学计算数据的可视化、工程计算数据的可视化，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解存入计算机的图像数据。涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。主要是基于计算机科学的应用目的提出的，它侧重于复杂数据的计算机图形。

17.1 可视化的概念 二、空间信息的可视化 空间信息可视化是科学计算可视化在地学领域的特定发展。 空间信息可视化主要形式有： 空间信息可视化是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示并进行交互处理的理论、方法和技术。 空间信息可视化是科学计算可视化在地学领域的特定发展。 空间信息可视化主要形式有： 1、数字地图：包括虚拟地图（在计算机屏幕上产生的地图）、动态地图（地学数据存储于计算机内存，可动态显示地学数据的不同角度的观察，不同方法的表示结果，或随时间的变化结果）、交互交融地图（指人可与地图进行相互作用和信息交流）。

17.1 可视化的概念 2、多媒体地图（超地图）：综合、形象地表现空间信息的使用文本、表格、声音、图像、图形、动画、音频、视频各种形式逻辑地联接并集成为一个整体概念，是空间信息可视化的重要形式。 全面地表示空间信息的不可缺少的手段。 3、三维仿真地图： 三维仿真地图是基于三维仿真和计算机三维真实图形技术而产生的三维地图，经具有仿真的形状、光照、纹理……，也可以进行各种三维的量测和分析。 4、虚拟现实： 虚拟现实是空间信息可视化进一步研究和发展的新方式。它是由计算机和其它设备如头盔、数据手套等组成的高级人--机交互系统，以视觉为主，也结合听、触、嗅甚至味觉来感知的环境，使人们有如进入真实的地理空间环境之中并与之交互作用。

17.2 可视化的技术方法 一、地图可视化的概念化模型 根据1991年 Taylor的地图视觉化的概念化模型描述，将地图学理论原则放在三角形的底边，认知和传输为等边三角形的另两边，连接处在三角形中心的可视化，并认为认知和传输为目的的地图可视化构成了现代地图学的主要内容。计算机技术，尤其是计算机图形图像显示技术，提供了可视化的技术支撑。

17.2 可视化的技术方法 二、可视化的技术方法 多媒体技术和虚拟现实技术是实现地图可视化的主要技术方法。在网络 GIS 时代，因特网技术被认为是功能比多媒体技术更强大的技术。 多媒体技术：是多媒体技术与地图的结合，产生了超地图。超地图不仅提供地图的可视化形式，也包括听觉等其它感官形式。 因特网技术不仅提供多媒体的集成，而且将这种集成扩大到更大的范围，使多媒体系统不再局限于局部和单个计算机，而是扩大到分布式计算机系统，为网络 GIS 环境实现可视化提供了基础。 虚拟现实技术提供了地理空间分析的虚拟显示环境。其提供的沉浸感、交互性和实时反应等技术特点，为人们进行综合会商、过程模拟、协同决策等提供了技术基础。 动画技术和FLASH技术也常被用来显示复杂的地理过程。

17.3 三维虚拟GIS（VR-GIS）的应用 GIS与三维虚拟现实与仿真技术的结合使用，构成虚拟现实GIS，也称VR-GIS。 三维数字小区 三维虚拟城市 三维库区管理信息系统 ……

第18章 地理信息系统工程设计 18.1 GIS工程的设计模式与程序评价模式 一、GIS 工程的设计模式 早在 1972 年 Calkins 就提出了信息系统的设计模式，后来经过了多次修改。这个模式是基于结构化的设计模式 。由 4部分组成： （1）通过访问，调查用户需求和数据源，确定系统的目的、要求和规定。 （2）描述和评价与系统设计过程有关的资源和限定因素。 （3）说明和评价所拟订的不同系统，系统能够满足所规定的要求。 （4）对拟订的系统作最后的评价，从中选择一个运行系统。该模式的重点是强调对用户的调查和系统功能分析。 假定系统的大部分组成，除硬件外，软件和数据库都由系统设计人员来完成，有时还包括处理空间数据的某个专门硬件。

18.1 GIS工程的设计模式与程序评价模式 二、GIS 工程的程序评价模式 目前大多数处理空间数据的软件系统、数据库系统已经存在，设计需要基于现有的资源基础进行。因此 Calkins 对设计模式进行了重要修改。其主要思想是强调对已存在的建设成果的利用，强调了对它们的评价的作用。并采用了 GIS 和软件工程的一些设计理论。

18.2 GIS工程设计的内容与过程 一、GIS工程设计的内容 1、系统分析 GIS 工程是一项系统工程，工程因素和工程内容涉及多种知识理论和技术方法的综合应用。一个成功的 GIS 工程建设需要 GIS 专家和应用领域专家密切配合，协调完成。主要内容包括以下几个方面： 1、系统分析 系统分析主要包括需求分析和可行性研究。在用户提供所需的信息、提出所要解决的问题的基础上，调查和收集相关资料，吸取用户需求，分析相关资料和技术。并在对成本、效益、技术等可行性分析评价的基础上，提出最佳解决方案，回答用户问题。

18.2 GIS工程设计的内容与过程 2、系统设计 系统设计包括总体设计和详细设计。总体设计包括系统的目标和任务设计、模块子系统设计、计算机硬件系统设计、软件系统设计等。通过总体设计，解决子系统之间联系与集成问题，解决软件、硬件的选型问题，确定系统的总体框架结构、进行相关技术选择、制定或选择技术标准、安排系统实施计划和策略、组织开发队伍、预算系统开发费用等。详细设计包括数据库设计和系统功能的设计。通过详细设计，明确数据采集、处理、存储、管理的具体内容和技术，特别是系统的坐标系统选择、数据的类型和内容、数据的组织方法、数据的存储和管理模式等。系统功能设计包括软件模块的功能、模块的集成方法、模块的软件开发方法、系统的用户界面设计等。

18.2 GIS工程设计的内容与过程 3、系统的实施 4、系统的运行维护 系统的运行和维护主要是将系统交付用户试运行，并对系统进行积极稳妥维护的过程。需提出系统维护的方案。上述的设计内容均应建立档案，作为系统开发和维护持续运行的技术文档依据。

18.2 GIS工程设计的内容与过程 二、GIS 工程设计的过程

18.3 GIS工程的系统分析 一、地理信息系统工程的需求分析 地理信息系统工程的需求分析的主要任务是确定系统的目标和总体功能。是进一步描述系统的第一步。应考虑的分析内容包括输入功能、地理空间数据管理、地理数据查询、地理信息的输出和系统的性能等。

18.3 GIS工程的系统分析 二、地理信息工程的可行性分析 一个成功的 GIS 工程主要取决于经济条件和技术条件。设计者必须在经济和技术允许的前提下，分析现行 GIS 工具软件系统的的特点，所开发系统的使用对象的要求，选择所需要开发的全部模块，并分析已有算法的实用性，选择数据管理的模式，估计开发成本、效益、时间等。

18.4 GIS工程的系统设计

18.5 GIS工程的实施设计 系统的实施设计是对系统实施过程的相关问题的处理方法进行详细说明。包括硬件系统的安装调试、软件系统的安装和集成、数据数字化的具体方法、程序设计的要求、数据库建库过程和方法的要求等。

18.6 GIS工程的运行维护设计 GIS工程开发完成交付使用后，还有一个运行维护期。应当对这个阶段的相关工作给予适当安排。对系统的运行管理方式，如数据库的更新计划、软件的修改要求、审批权限和程序等作出规定。对程序运行中发现的问题进行更正，建立修改记录档案和运行日志，对系统运行状况进行技术评价和经验总结等。这些内容均需要进行设计和说明。

第19章 GIS的标准化 19.1 GIS标准化的作用 一、促进空间数据的交换 二、促进空间数据共享 三、促进软件产品共享 数据标准化可以避免数据质量、数据库设计、数据档案、数据格式、数据的可视化、数据产品测评等产生影响。 二、促进空间数据共享 共享和交换永远是 GIS技术追求的最高目标。共享目标的实现同样需要一系列的技术标准约束。 三、促进软件产品共享 软件工程规范和标准是提高软件开发效率，共享软件开发成果的保证。制定软件设计和开发规范标准，不仅可以有效克服软件危机带来的影响，同时也是数据共享和交换的实现基础。

19.2 GIS标准化的内容 一、标准化的基本内容和层次 在信息技术领域，标准和规范按其使用的状态可分为实际应用的标准和法律意义上的标准。前者是由有关机构、团体和组织自发达成的被广泛接受的标准，如 TCP/IP 协议、OpenGIS 规范等，后者通常是为了政策或管理的目的，通过法律制定的标准，如 FGDC 制定的元数据标准。 通常信息技术的标准和规范包括 5 个方面。一是硬件设备标准，如IEEE 802 等网络技术标准；软件方面的标准，如 SQL、DCOM、CORBA 等；数据和格式的标准，如数据分类与编码标准，政区代码等；数据集标准，数据存放的文件格式标准，如 DXF、TIGER 等，以及我国的 4D 产品格式等；过程标准，如 ISO 900 系列标准等。

19.2 GIS标准化的内容 二、ISO/TC211 地理信息标准 三、开放的地理数据互操作规范（OpenGIS） 开放的地理数据互操作规范（Open Geodata Interoperability Specification-OpenGIS）是由美国 OGC（OpenGIS Consortium-OGC）制定的系列关于数据互操作规范。

19.2 GIS标准化的内容 1、开放的地理空间数据模型(Open Geodata Model，OGM) 一个以数学和概念化方法来 表示地球及地球现象的通用数字化方法。它定义了一系列通用的基本地理空间信息类型，基 于这些基本空间信息类型，可以使用基于对象的程序设计方法或常用的程序设计方法，为不 同应用领域的地理空间数据建模。 2、OpenGIS 服务模型(OpenGIS Services Model，OSM) 一个在不同的信息团体之间实现地理 空间数据获取、管理、操纵、表达以及共享服务的通用规范模型。它定义了一系列服务，这 些服务可以获取和处理开放式地理空间数据模型中定义的地理空间信息类型,为使用同一种 地理特征定义的用户团体内提供地理空间数据共享能力,以及为使用不同地理特征定义的用 户团体之间提供地理空间数据转换能力。

19.2 GIS标准化的内容 3、信息团体模型(Information Communities Model，ICM) 一个使用开放式地理空间数据模型和 OGIS 服务模型来解决技术性的非互操作能力问题以及公共团体的非互操作能力问 题的框架。该模型为使用开放式地理空间数据模型和OpenGIS 服务模型拟订了一个方案。该方案不仅可以为使用同一种地理特征定义的地理空间数据生产者和用户团体提供一种方法以便他们有效地管理其地理特征定义以及将适用这种定义的数据集进行编目和共享管理；而且还可以为使用不同地理特征定义不同地理空间数据生产者和用户团体提供一种有效、精确的地理 空间信息共享方法。 与传统的 GIS 处理技术相比，OpenGIS 建立起通用的技术基础以进行开放式的地理信息处理。具互操作性、对信息团体的支持作用、普遍存在性、可靠性、易用性、便携性、合作 性、可伸缩性、可扩展性、兼容性和可执行性。

19.2 GIS标准化的内容

地理信息系统的高级技术 第20章 分布式地理信息系统 第21章 数字工程与空间信息基础设施 第22章 空间信息网格 第23章 空间数据的互操作 第24章 地理信息系统的集成

第20章 分布式地理信息系统 一、分布式地理信息系统的概念 分布式地理信息(DGI，Distributed Geographic Information)指在互联网上以多种形式分布式发布地理信息，如地图、图像、数据集合、分析操作和报告等。 分布式GIS是指在计算机网络环境下，以分布式计算的理论技术和计算机网络技术为应用指导，用来设计地理信息系统中的时空数据采集、存储、管理、分析、表现等运算的理论计算模型。 目的是要解决网络上地理信息系统中存在的数据异构、数据共享、复杂运算等问题，也是实现网络地理信息系统的途径和重要的计算模式.它可采取局域网环境的客户机／服务器模式，也可采取别因特网环境的浏览器/服务器模式，如 Web 模式。

20.1 分布式GIS的概念 二、分布式的主要表现 1、数据的分布特点。空间数据是 GIS 的主要操作对象，由于数据的分布性、数据的专业性，并因此产生的数据的权威性、数据的资源性，都决定了数据的采集、更新、管理和维护等是以分布式的方式存在于分离的计算机上。数据的共享性又要求数据需通过计算机网络来实现其目的。 2、应用功能的分布。GIS的功能组成了由空间数据输入到输出的一个工作流程，不同的人员由于其关注的信息不同，需要不同的 GIS 功能服务对数据进行处理，将应用分布在网络上，可以解决这个问题。 3、外设的共享。外设的分布是服务分布的一种，由于许多 GIS 外设较为昂贵，通过分布式系统可以实现设备的资源共享。 4、并行计算。并行计算可将计算任务分摊在不同的计算机上。

20.1 分布式GIS的概念 三、分布式系统与集中式系统的比较

20.2 分布式GIS的体系结构 一、分布式地理信息系统的的体系结构 二、分布式地理信息系统的网络结构 分布式 GIS 的硬件支撑系统是计算机网络。由于 GIS 的特点，对网络的性能和技术指标均高于普通计算机网络的要求。在实用中可构建分布式结构，也可构建分布式与集中式的混合结构。

20.3 分布式GIS的计算模式 一、客户/服务器计算模式 二、浏览器/服务器计算模式 客户/服务器计算模式的结构是分层的，根据服务器和客户机之间的联系方式，可分为两层结构、三层结构和三层混合结构。客户/服务器计算模式在资源的分配上也存在多种配置模式。它们提供了在客户机、服务器之间的不同负载平衡程度。 二、浏览器/服务器计算模式 浏览器/（Web）服务器计算模式的结构同样是分层结构，根据服务器和浏览器之间的联系方式，可分为两层结构、三层结构、四层结构和它们的混合结构 。 C/S、B/S 计算模式在应用中，可以构建复杂的网络计算模式，提供强大的计算与数据管理能力

20.4 分布式GIS的计算技术 当前实现分布式 GIS 的计算技术主要包括： 分布式组件对象模型（Distribute Component Object Model , DCOM）及其程序设计技术、 公用对象请求代理结构（Common Object Request Broker Architecture , CORBA）及其程序设计技术、 EJB(Enterprise JavaBeans ,EJB) 及其程序设计技术等。

第21章 数字工程与空间信息基础设施 一、空间数据基础设施的概念 指为描述地球上地理要素或现象的分布及其属性的所有地理信息组合，以及对这些地理信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及互操作等目的，建立一个共享的空间信息框架的建设计划，包括所需的设备、技术、政策、标准、体系结构和人力资源等内容。 按照 SDI 所支持的空间信息共享范围，SDI 可分为全球空间数据基础设施、区域空间数据基础设施（RSDI）、国家空间数据基础设施（NSDI）和地方空间数据基础设施（LSDI）四个层次

21.1 空间数据基础设施 SDI 的信息传输基础是信息基础设施，所服务的对象是数字地球、数字城市等数字工程。它们共同组成了空间信息网络化共享与交换体系的完整内容。信息基础设施是以建设通信网络为主要目的，以光纤、卫星、微波、程控电话、无线移动等为通信传输方式的信息化基础设施建设计划。其中空间数据集是这个共享与交换体系建设主题对象。 NSDI 的数据集包括核心基础框架数据、设施系统数据、环境数据、社会及经济统计数据、地学数据等。而 GSDI的数据集则是通过对它们的概括和集成而获得。

21.1 空间数据基础设施 二、空间数据基础设施的框架结构 SDI 是通过分布在全球范围各地的空间数据的交换站点，以门户网站或地图服务目录的形式实现空间数据的共享和交换的。其中交换站点的类型和内容可能因专业领域或机构提供服务的目的不同有所差别。提供服务的站点需向上级站点进行注册。

21.1 空间数据基础设施 SDI 的框架结构被公认为是一个三层结构。即由数据资源层构成基础层，各种类型的网络服务构成中间服务层，各种用户构成最高层。

21.1 空间数据基础设施 资源层是由数据的专业生产者通过多种数据采集方式采集的，并以数据库的方式提供给网络用户使用的各类数据集。 服务层主要是由软件中间件以及相关服务机制共同组成的面向网络用户提供数据服务、数据处理与分析服务的服务系统。 用户层则主要由对空间数据有共享和交换需求的各类群体组成的数据消费阶层。 一般来讲，SDI的建设重点是资源层和服务层，它们构成提供各类信息服务的基础部分。而用户层的建设是与具体的应用相联系的，它的建设一般不作为 SDI 建设计划的核心内容。但它是建设数字地球、数字城市等的必要内容。

21.1 空间数据基础设施 三、空间数据基础设施的建设内容 一般来讲，SDI 的建设重点是资源层和服务层，它们构成提供各类信息服务的基础部分。而用户层的建设是与具体的应用相联系的，它的建设一般不作为 SDI 建设计划的核心内容。但它是建设数字地球、数字城市等的必要内容。 SDI的技术核心内容包括标准、框架、数据集、元数据、站点目录以及合作建设机制等。它们的关系可由图说明。

21.2 数字地球的概念与框架 一、“数字地球”的涵义 二、“数字地球”的技术框架和结构 “数字地球”是集多种现代信息技术为一体的计算机信息系统。“数字地球”概念的描述有技术层面的，也有印象层面的。 “数字地球”是一个多分辨率、多空间尺度的、虚拟表达的三维星球；具有海量的地理空间编码数据；可以使用无级放大率进行放大；在空间内的活动是不受限制的，而且在时间空间也是如此。 二、“数字地球”的技术框架和结构 从GIS技术角度讲，“数字地球”就是对地球的在时间尺度基础上的各大地球系统模型的虚拟表达和操作。这些地球系统模型包括实体地球、海洋、大气、电离层、生物圈、低温层等。

第22章 空间信息网格 22.1空间信息网格的概念 一、空间信息网格（SIG）的含义 网格是信息社会的网络基础设施，它把整个因特网整合成一台巨大的超级虚拟计算机，实现互联网上所有资源的互联互通，完成计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等智能共享的一种新兴的技术。

22.1 空间信息网格的概念 二、网格的体系结构 网格的体系结构由三层构成：网格结构层、网格服务层和格络应用层。

22.1 空间信息网格的概念 三、网格的关键技术 1、网格结点：网格计算资源的提供者，它包括高端服务器、集群系统、MPP系统大型存储设备、数据库等。这些资源在地理位置上是分布的，系统具有异构特性。 2、宽带网络系统 ：在网格计算环境中，提供高性能通信的必要手段。 3、资源管理和任务调度工具：解决资源描述、组织和管理等问题。 4、监测工具：如何帮助使用人员充分利用网格计算中的资源，这就要靠性能分析和监测工具。 5、应用层的可视化工具 ：把计算结果转换成直观的图形信息，就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难，这就要研究能在网格计算中传输和读取的可视化工具。并提供友好的用户界面。

22.2 空间信息网格的计算 一、网格的计算分类 二、网格计算的基本功能 根据马森大学的研究，网格计算可分为：集中式任务管理系统、分布式任务管理系统、分布式操作系统、参量分析、资源监测/预测以及分布式计算接口。现有的网格计算技术方案主要集中在第一、二类。 二、网格计算的基本功能 1、任务管理：用户通过该功能向网格提交任务、为任务指定所需资源、删除任务并监测任务的运行状态。 2、任务调度：用户提交的任务由该功能按照任务的类型、所需资源、可用资源等情况安排运行日程和策略。 3、资源管理 ：确定并监测网格资源状况，收集任务运行时的资源占用数据。

22.2 空间信息网格的计算 三、网格计算的形式 1、企业计算 ：以实现大型组织内部和组织之间的信息共享和协同工作为主要需求而形成的网络计算技术，其核心是 Client/Server 计算模型和相关的中间件技术。 2、网格计算： 是网络计算的另一个具有重要创新思想和巨大发展潜力的分支。建立大规模计算和数据处理的通用基础支撑结构，将网络上的各种硬件、软件集成在一起，为各种应用开发提供底层技术支撑。 3、对等计算：简称 P2P，是在 Internet 上实施网络计算的新模式。在这种模式下，网络上的所有节点都可以“平等”共享其他节点的计算资源。 4、普及计算 ：使计算机和网络更有效地融入人们的生活，让人们在任何时间、任何地点都能方便快捷地获得网络计算提供的各种服务。

第23章 空间数据的互操作 23.1空间数据互操作的概念 一、空间数据互操作的含义 数据转换方法仅仅是从数据角度考虑互操作，是数据的集成，而没有考虑数据处理方面的因素。因此还不能达到真正的互操作。GIS 互操作是在异构数据库和分布计算的情况下出现的。 GIS 互操作中需解决的两个重要问题是，如何互操作异构的空间信息，如何互操作空间信息服务软件。因此，互操作可解释为以在线的方式分析和显示来自分布式数据源的数据。 由于系统构建和信息构建的原因，来自分布式数据源的数据出现了结构方面的信息异构和系统异构。这种异构直接导致了空间信息相互操作的障碍。

23.1 空间数据互操作的概念

23.1 空间数据互操作的概念 二、互操作技术的发展 23.1 空间数据互操作的概念 二、互操作技术的发展 互操作技术根据关注的领域和关注类型，已经发展到了第三代。其领域包括系统、数据、信息、知识等，在类型上是语义的异构问题。其各个阶段的情况见表：

23.1 空间数据互操作的概念 三、互操作的层次结构 互操作根据内容和水平可构成由低到高的层次结构。其中以获取信息级别的企业级互操作水平最高层次，实现网络环境下的分布式计算为最低层次。

23.2 互操作的实现技术 一、互操作问题的研究思路 二、实现互操作的技术 因特网环境中空间信息异构问题可以从句法和语义两个不同的层次研究。句法上的差异，不同的空间信息资源可以采用不同存储格式，而同一类存储格式也可能有版本的差异。语义上的差异，不同的空间信息资源可以采用不同的概念体系表示，而同一个概念体系中的概念也可能有同型异义或同义异型的现象。 二、实现互操作的技术 当前实现互操作的主要技术有，使用 GML（Geography Markup Language ，GML）编码和传输地理空间数据；使用WFS（Web Feature Server ，WFS）在特征元素水平提取和处理数据；使用 SVG（Scalable Vector Graphics ，SVG）在 Web 上以矢量形式显示由 GML 传输的数据。

第24章 地理信息系统的集成 地理信息系统集成是 GIS 向纵深和外延发展的必然结果，是由 GIS 技术特点和在信息化中的地位决定的，也是GIS 发展的最高水平。地理信息系统的集成主要有两大方向，一是系统间的集成，属横向集成；二是系统内的集成，属纵向集成。前者扩大了 GIS 的外延作用，后者强调了 GIS 的内部优化和功能。 集成是将基于信息技术的资源及应用（计算机硬件、软件、接口及机器）聚集成一个协同工作的整体，它包含功能交互、信息共享及数据通信。集成不是把现有的要素简单地组合起来，而是具有明确的主观性和目的性，是要素间的有机集成。 一般来讲，集成后的协同效益要大于集成前各个系统效益的总和。

24.1 地理信息系统的集成 GIS与RS、GPS、专家系统、计算机网络技术、现代通信技术、多媒体技术、虚拟现实技术的集成。

24.2 “3S”技术集成 一、GIS 与 GPS 集成 在技术层面主要由以下几种模式：GPS（单机定位）+栅格电子地图、GPS（单机定位）+矢量电子地图、GPS（差分定位）+栅格/矢量电子地图、GPS（差分定位）+动态图层。

24.2 “3S”技术集成 二、RS 与GIS 的集成 三、GPS 与 RS 的集成 四、RS、GPS 和 GIS的集成 构成各种平台的观测系统。 四、RS、GPS 和 GIS的集成 这是集三项技术为一体的高水平技术集成，可构成高度自动化、实时化和智能化的地理信息系统。

24.2 “3S”技术集成 五、关键理论问题和关键技术 1、“3S”集成系统的实时空间定位 2、“3S”集成系统的一体化数据管理 3、语义和非语义信息的自动提取理论方法 4、基于遥感影象的 GIS 数据库的快速更新方法 5、“3S”集成系统的数据通讯与交换 6、“3S”集成系统的可视化理论与方法 7 、“3S”集成系统的设计方法和计算机辅助软件工程（CASE）工具研究 8、“3S”集成系统中基于 C/S 的分布式网络集成环境

24.3 多源数据的集成 一、多源数据的特点 1、多语义性 2、多时间尺度 3、多分辨率 4、多比例尺 5、多数据格式 6、多空间维数 24.3 多源数据的集成 一、多源数据的特点 1、多语义性 2、多时间尺度 3、多分辨率 4、多比例尺 5、多数据格式 6、多空间维数 7、多精度水平 8、多参考系统 9、多表达形式

24.3 多源数据的集成 二、多源数据的集成模式 三、多源数据的融合 四、地图的自动综合 数据格式转换模式、数据互操作模式 、直接数据访问模式 三、多源数据的融合 融合所需要解决的问题是目标编码体系的统一、几何位置、形状的统一、数据模型或结构的统一。融合的算法包括检测层融合、时空层融合、属性层融合和符号层融合等。 四、地图的自动综合 大多数具有制图功能的数据库都对应于一定的比例尺，称之为主导比例尺，其它比例尺（从属比例尺）都小于主导比例尺。理论上，从属比例尺的数据可以从主导比例尺数据经过抽取、整合、重组等产生。这个过程称为地图综合。

24.4 GIS 与专家系统的集成 GIS 与专家系统的结合是建立智能化空间决策支持系统（Spatial Decision Support Systems，SDSS）的重要途径。它为决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。 一、标准的 GIS 与 SDSS 的比较：知识处理、结构等 二、智能化空间决策支持系统模型 三、集成模式：强调空间数据空间分析，DSS 作为 GIS 的发生器；强调空间决策前提下的空间分析，GIS 仅作为决策支持分析的发生器。 四、SDSS 的应用例子：设施选址问题 、交通路线问题 、区域划分问题 、运输问题

24.5 GIS 与应用分析模型的集成 一、集成需要解决的问题： GIS 与数据模型之间的数据交换的通道问题、未能充分利用GIS的空间分析能力对模型进行重新构造、应用分析模型结构固化、模型参数的自动获取程度低、模型的基本假定与求解方法。 二、集成的关键技术：以数据为通道，以 GIS为核心的系统开发过程。应用分析模型与 GIS 通过数据交换联系在一起，并以空间上的联系为基础。GIS 功能的实现和模型的数值求解都涉及对地理空间的离散，空间离散的基本技术是网格的剖分，即构造相互连接的网络。 三、集成方式 源代码集成方式 、函数库集成模式 、可执行程序集成方式 、DDE 和 OLE 集成 、基于组件的集成方式 。