GIS 原理与方法 中国地质大学(武汉)信息工程学院

GIS 原理与方法 1 绪论 2 空间数据结构 3 地理信息系统的地理数学基础 4 地理信息系统数据输入 5 地理信息系统的数据处理 6 空间数据管理 9 空间分析 10 数字高程模型 14 地理信息系统的发展趋势

1 绪论 1.1 地理信息系统的基本概念 1.2 地理信息系统发展过程 1.3 地理信息系统与其它相关学科系统间的关系 1.1 地理信息系统的基本概念 1.2 地理信息系统发展过程 1.3 地理信息系统与其它相关学科系统间的关系 1.4 地理信息系统组成 1.5 地理信息系统功能和应用 1.6 地理信息系统与数字地球

1.1 地理信息系统的基本概念 地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。

1.2 地理信息系统发展过程 （１）起始发展阶段(60年代) （２）发展巩固阶段(70年代) （３）推广应用阶段(80年代) （４）蓬勃发展阶段(90年代以后)

1.3 地理信息系统与其它相关 学科系统间的关系 GIS与地图学 GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础 最终产品之一也是地图 地图学强调图形信息传输 GIS则强调空间数据处理与分析

GIS与一般事务数据库 GIS与计算机地图制图 数据库技术具有很好的管理,分析和处理数据的功能 数据库技术是GIS的主要支撑技术之一 计算机地图制图系统强调的是图形表示 GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法,可综合图形和属性的数据进行深层次的空间分析 数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式

GIS与计算机辅助设计(CAD) 共同点: 区别: 目前,GIS与CAD仍有不同的侧重和特长,但它们主流技术之间的融合仍在不断扩展之中 都有空间坐标 都能把目标和参考系统联系起来 都能描述图形数据的拓扑关系 都能处理非图形属性数据 区别: CAD处理的多为规则几何图形及其组合;它的图形功能尤其是三维图形功能极强;属性库功能相对要弱;采用的一般是几何坐标系 GIS处理的多为自然目标，因而图形处理的难度大;GIS的属性库内容结构复杂，功能强大;图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征;GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能;GIS的数据量大，数据输入方式多样化;所用的数据分析方法具有专业化特征 目前,GIS与CAD仍有不同的侧重和特长,但它们主流技术之间的融合仍在不断扩展之中

1.4 地理信息系统组成 （１）数据输入和检验 （２）数据存储和管理 （３）数据变换 （４）数据输出和表示 （５）用户接口 数据变换

1.5 地理信息系统功能和应用 （１）数据采集与输入 （２）数据编缉与更新 （３）数据存贮与管理 （４）空间查询与分析 （５）数据显示与输出

1.6 地理信息系统与数字地球 数字地球的概念和提出的背景 数字地球的特点 数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源 数字地球的特点 多源、多比例尺、多分辨率数据无缝集成的网络信息系统 面向全社会公众开放的网络信息系统 虚拟现实技术支持下多维网络信息系统

数字地球需要的支撑技术与数字地球框架 计算科学 海量存储 卫星图像 宽带网络 互操作 元数据 数字地球的应用和意义

2 空间数据结构 2.1 栅格数据结构 2.2 矢量数据结构 2.3 地理数据的显式和隐式表示 2.4 矢量与栅格数据结构的比较

2.1 栅格数据结构 2.1.1 栅格数据基本概念 2.1.2 栅格数据层的概念 2.1.3 栅格数据取值方法 2.1.4 栅格数据存储编码

2.1.1 栅格数据基本概念 将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为象素。根据所表示实体的表象信息差异，各象元可用不同的“灰度值”来表示 。 若每个象元规定N比特，则其灰度值范围可在0到2N—1之间；把白～灰色～黑的连续变化量化成8比特（bit），其灰度值范围就允许在0～255之间，共256级；若每个象元只规定1比特，则灰度值仅为0和1，这就是所谓二值图像，0代表背景。 栅格数据结构实际上就是象元阵列，即象元按矩阵形式的集合，栅格中的每个象元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。

2.1.2 栅格数据层的概念 在栅格数据结构中，物体的空间位置就用其在笛卡尔平面网格中的行号和列号坐标表示，物体的属性用象元的取值表示，每个象元在一个网格中只能取值一次，同一象元要表示多重属性的事物就要用多个笛卡尔平面网格，每个笛卡尔平面网格表示一种属性或同一属性的不同特征，这种平面称为层。

2.1.3 栅格数据取值方法 中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值来确定。 长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。 面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值 重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留的原则

2.1.4 栅格数据存储编码 (1) 直接编码 (2) 链式编码 (3) 行程编码 (4) 块式编码 (5) 四叉树编码

直接栅格编码是最简单最直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法，通常称这种编码为图像文件或栅格文件。直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐象元记录，也可奇数行从左到右，而偶数行由右向左记录，为了特定目的还可采用其它特殊的顺序 3 3 3 4 4 4 4 4 3 3 3 3 4 4 4 4 1 3 3 3 4 4 4 2 1 1 3 3 3 2 2 2 1 1 1 1 3 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 1 3 4 2 5 6 7 8

(2)行程编码 按行（或列）记录相同代码的始末象元的列号（或行号）和相应的代码，左图可沿行方向进行程编码：   (2)行程编码 按行（或列）记录相同代码的始末象元的列号（或行号）和相应的代码，左图可沿行方向进行程编码： 1行：（1，3，3），（4，8，4）； 2行：（3，4，3），（5，8，4）； 3行：（1，1，1），（2，4，3）， （5，7，4），（8，8，2）； 4行：（1，2，1），（3，5，3）， （6，8，2）； 5行：（1，4，1），（5，5，3）， 6行：（1，4，1），（5，8，2）； 7行：（1，5，1），（6，8，2）； 8行：（1，5，1），（6，8，2）。 1 3 4 2 5 6 7 8  

(3) 块式编码 把多边形范围划分成由象元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码数据结构中包括3个数字：块的初始位置（行、列号）和块的大小（块包括的象元数），再加上记录单元的代码组成。 （1，1，2，3），（1，3，1，3）， （1，4，1，4），（1，5，3，4）,（1，8，1，4），（2，3，1，3），（2，4，1，3），（2，8，1，4），（3，1，1，1），（3，2，1，3），（3，3，2，3），（3，8，1，2），（4，1，1，1），（4，2，1，1），（4，5，1，3），（4，6，1，2），（4，7，2，2），（5，1，4，1），（5，5，1，3），（5，6，1，2），（6，5，1，2），（6，6，3，2），（7，5，1，1），（8，5，1，1）。 1 3 4 2 5 6 7 8

2.2 矢量数据结构 2.2.1 矢量数据概念 2.2.2 拓扑关系 2.2.3 多边形矢量编码 2.2.4 ＤＩＭＥ结构

2.2.1 矢量数据概念 矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合。

2.2.2 拓扑关系 拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包含关系。

（1）拓扑邻接 拓扑邻接指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。结点邻接关系有N1/N4，N1/N2···等；多边形邻接关系有P1/P3，P2/P3 ···等。

（2）拓扑关联 拓扑关联指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。结点与弧段关联关系有N1/C1、C3、C6，N2/C1、C2、C5 ···等。多边形与线段的关联关系有P1/C1、C5、C6，P2/C2、C4、C5、C7等。

（3）拓扑包含 拓扑包含指存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系， P1包含P2和P3。

2.2.3 多边形矢量编码 一个区域或一幅地图可以划分成许多多边形，每个多边形由一条或若干条弧段组成，每条弧段由一串有序的x，y坐标对组成，每条弧段的两端点为结点，每个结点连接两条以上的弧段，多边形矢量编码主要用于表示空间图形为多边形的面状要素，每个多边形在数据库中是相互独立、分开存储的。如特征值为4的多边形由条4弧段组成，其文件编码坐标为: x18,y18; x19,y19; x9,y9; x8,y8 ; x7,y7; x20,y20; x21,y21; x22,y22; x23,y23; x24,y24; x18,y18

x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x1,y1   特征值 坐标位置 1 x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;x7,y7;x8,y8;x9,y9;x10,y10;x1,y1 2 x28,y28; x29,y29; x30,y30; x31,y31; x32,y32; x33,y33; x28,y28 3 x1,y1; x11,y11; x12,y12; x13,y13; x14,y14; x15,y15; x16,y16; x17,y17; x18,y18; x19,y19; x9,y9 x10,y10; x1,y1 4 x18,y18; x19,y19; x9,y9; x8,y8 ; x7,y7; x20,y20; x21,y21; x22,y22; x23,y23; x24,y24; x18,y18 5 x16,y16; x17,y17; x18,y18; x24,y24; x23,y23; x27,y27; x26,y26; x25,y25; x16,y16

2.2.4 DIME结构 双重独立地图编码，简称DIME结构（Dual Independent Map Encoding）。它是由美国人口调查 局建立起来的为人口调查目的而设计的一种拓扑编码方法， 是一种把几何量度信息（直角坐标）与拓扑逻辑信息结 合起来的系统。 DIME文件的基本元素是连接两个端点（结点）的一条线段 （街段）、线段始结点和终结点标识符、伴有这两个结点 的坐标及线段两侧的区域代码（左区号和右区号）。根据 结点标识符和结点坐标建立结点坐标文件。根据结点、线段、 多边形间的拓扑关系建立拓扑结构文件。在这种结构中， 线段通常被认为是直线型的，复杂的曲线由一系列逼近曲线 的直线段来表示。结点与结点或者面域与面域之间为邻接关 系，而结点与线段或面域与线段之间为关联关系,。

2.3 地理数据的显式和隐式表示

2.4 矢量与栅格数据结构的比较 矢量数据 数据存储量小 空间位置精度高 用网络连接法能完整描述拓扑关系 输出简单容易，绘图细腻、精确、美观 可对图形及其属性进行检索、更新和综合 数据结构复杂 获取数据慢 数学模拟困难 多种地图叠合分析困难 不能直接处理数字图像信息 空间分析不容易实现 边界复杂、模糊的事物难以描述 数据输出的费用较高 栅格数据 数据存储量大 空间位置精度低 难于建立网络连接关系 输出速度快，但绘图粗糙、不美观 便于面状数据处理 数据结构简单 快速获取大量数据 数学模拟方便 多种地图叠合分析方便 能直接处理数字图像信息 空间分析易于进行 容易描述边界复杂、模糊的事物 技术开发费用低

3. 地理信息系统中的地理基础 3.1 地图投影概念 3.2 地图投影基本要素 3.3 地图投影变形 3.4 地图投影分类 3.5 几种主要投影类型 3.6 地理信息系统中地 图投影设计与配置 3.7 我国GIS中地图投影的应用

3.1 地图投影概念 建立平面上的点和地球表面上的点之间的函数关系，用数字式表达这种关系就是： 为平面坐标，为球面地理坐标

3.2.地图投影基本要素 3.2.1 地球形状、大小 3.2.2 大地坐标系 3.2.3 投影坐标系 3.2.4 子午圈曲率半径、卯酉圈曲率半径，纬圈半径

3.2.1 地球形状、大小 （1）大地水准面 海水处于静止状态，把海水面延伸到大陆之下形成包围整个地球的连续表面： （2）椭球体元素 扁率： 第一偏心率： 第二偏心率： 不同资料，a、b不同 52年以前用海福特，53年起用克拉索夫斯基。

3.2.2 大地坐标系 （1）54年北京坐标系 在东北黑龙江边境上同苏联大地网联测，通过大地坐标计算，推算出北京点的坐标，北京坐标系是苏联42年坐标系的延伸，其原点在苏联普尔科沃。 （2）80年西安坐标系 78年4月召开“全国天文大地网平差会议”建立80年西安坐标系，其原点在西安西北的永乐镇，简称西安原点。椭球体参数为75年国际大地测量与地球物理联合会第16界大会的推荐值。 （3）新54年北京坐标系 将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭球体上，形成一个新的坐标系，称为新54年北京坐标系，它与80年国家大地坐标系的轴定向基准相同，网的点位精度相同。 （4）WGS84坐标系 在GPS定位中，定位结果属于WGS84坐标系，坐标系原点位于质心，Z轴指向BIH1984.0协议地极（CTP）。

3.2.3 投影坐标系 (1)用户坐标系 由用户指定的相对于二维坐标系,一般与实际地物定位无关。 (2)地理坐标系 经度起点为英国格林威治,向东为正,纬度自赤道起向北为正的。 (3)投影平面直角坐标系 是将地球球面投影到平面后所设定的坐标系,如 高斯投影坐标系。 (4)地心坐标系 三维球心空间坐标系，原点位于球心，常用直角坐标（x，y，z）或角度和高程表示（B，L，H）其中B，L分别为纬度和经度。

3.2.4 子午圈曲率半径、卯酉 圈曲率半径，纬圈半径 3.2.4 子午圈曲率半径、卯酉 圈曲率半径，纬圈半径

3.3 地图投影变形 3.3.1 长度变形 3.3.2 面积变形 3.3.3 角度变形

3.3.1 长度变形 按微分几何的概念、微分梯形在平面上表象为平等四边形

沿经线长度比 沿纬线长度比 在一定点上的长度比存在有是大、最小值，称为极值长度经。 极值长度比所代表方向为点方向，相当于变形椭元的a、b轴 经纬线正交投影中，经纬线方向的长度比即为极值长度比

3.3.2 面积变形 面积比=

3.3.3 角度变形 方位角的变形随不同的方向的变化，一定点上的角度变形的大小是用其最大值来衡量，称最大角度变形，用W表示

3.4 地图投影分类 3.4.1 按变形分类 3.4.2 按投影面与地球表面相关位置分类 3.4.3 按投影经纬网线的形状分类

3.4.1 按变形分类 （1）等角投影 微分图形投影后保持相似 （2）等面积投影 某一微分面积投影前后保持相等 （3）等距离投影 沿某一方向上投影长度比等于1 沿线线上等距离投影： 沿纬线上等距离投影：

3.4.2 按投影面与地球表面相关位置分类

3.4.3 按投影经纬网线的形状分类 相应于图中类别 投影名称 经纬线形状 限定特征 经线 纬线 C（右） 圆锥 直线来 同心圆弧     3.4.3 按投影经纬网线的形状分类 相应于图中类别 投影名称 经纬线形状 限定特征 经线 纬线 C（右） 圆锥 直线来 同心圆弧 经线间隔相等，交于纬线元心 方位 直线束 同上，且经线夹角等于经差 C（左） 圆柱 平行直线 平等直线 经纬线正交 B2（右） 伪元锥 对称曲线   伪方位 同心圆 B2（左） 伪圆柱 A（右） 多元锥 同轴圆弧    

3.5 几种主要投影类型 3.5.1 圆锥投影 3.5.2 圆柱投影 3.5.3 高斯——克吕格投影（Gauss-kruger）

3.5.1 圆锥投影 ①等角圆锥投影 （兰勃脱Lambert） ②等面积圆锥投影 ③等距离圆锥投影

①等角圆锥投影（兰勃脱Lambert） (1)单标准纬线（一纬线无长度变形） （2）双标准纬线（等角割圆维投影）（两条纬线无长度变形）

②等面积圆锥投影 （经差1弧度，纬差为0°到纬度的梯形 面积) （1）单标准纬线（正轴等面积切圆锥投影） （2）双标准纬线（正轴等面积割圆锥投影，亚尔勃斯（A/bers）投影）

③等距离圆锥投影 （1）单标准纬线（正轴等距离切圆锥投影） （2）双标准纬线（等距离割圆锥投影）

3.5.2 圆柱投影 ①等角圆柱投影（墨卡托Mercator） ②等距离圆柱投影（方格投影） ③等面积圆柱投影

①等角圆柱投影（墨卡托Mercator投影） Mod=0.4342945 为割纬线的半径 在切圆柱中

②等距离圆柱投影（方格投影） 为赤道到的子午线长度 当横坐标轴与赤道重合时，x=0故C=0

③等面积圆柱投影 S为经差一弧度，纬差由赤道到 梯形面积

3.5.3 高斯——克吕格投影 (等角横切椭圆柱投影) 3.5.3 高斯——克吕格投影 (等角横切椭圆柱投影) (1)高斯投影的三个条件 (2)高斯投影直角坐标公式 (3)高斯投影变形分析 (4)高斯投影带划分 (5)坐标图

①高斯投影的三个条件 （1）中央经线和赤道投影后互相垂直， 且为对称轴 （2）等角投影 （3）中央经线无长度变形

②高斯投影直角坐标公式

③高斯投影变形分析 （1）中央经线上无长度变形 （2）除中央经线长度比为1，任何在长 度比均大于1 （3）同一纬线距中央经线越远变形愈大 变形最大位于投影带边 （4）同一经线上，纬度越低，变形越大。

④高斯投影带划分 （1）6°带 1∶2.5万~1∶50万址形图采用经差6°分带 东半球：中央经经位置 西半球：中央经线位置 （2）3°带 大于等于1∶1万地形图采用经差3°分带 从东径1°30′算起。

⑤ 坐标图 1）经纬网 由经线和纬线我织构成的坐标网 又称地理坐标网。 2）方里网 由经线和纬线我织构成的坐标网 又称地理坐标网。 2）方里网 方里网等于投影坐标轴的两组平行线构成的方格网，每隔整公里绘出坐标纵线和坐标横线，方厘网同时平行于直角坐标轴的坐标网线，故又称直角坐标网。直角坐标网以中央经线投影后的直线为x轴，以赤道投影后的直线为y轴，它们交点为坐标原点，我国位于北半球，为了避免y坐标出现负值，规定纵坐标轴向西平移500km。每个带的坐标完全相同，为了指出投影带是哪一带，规定要在横坐标之前加上带号。

原横坐标 y=245863.7m 西移500km后，横坐标 y′=745863.7m 加上带号20 横坐标 y″=20745863.7m

3.6 地理信息系统中 地图投影设计与配置 3.6.1 GIS与地图投影关系 地图投影 （地理基础） 数据获取 数据源地 图投影 数据存储 3.6 地理信息系统中 地图投影设计与配置 3.6.1 GIS与地图投影关系 地图投影 （地理基础） 数据获取 数据源地 图投影 数据存储 统一的坐 标基础 数据处理投影转换 数据应用 空间分析 依据数据 库投影 数据输出 有相应投 影的地图

3.6.2 GIS中地图投影设计与配置 （1）各国家GIS所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致

GIS中地图投影配置一般原则： （1）所配置的投影系统应与相应比例尺 的国家基本图投影系统一致。 （2）系统一般最多只采用两种投影系统，一种服务于大比例尺，一种服务于小比例尺。 （3）所用投影以等角投影为宜。 （4）所用投影应能与网格坐标系统相适应。

3.7 我国GIS中地图投影的应用 (1)我国基本比例尺地形图中≥1:50万的图均采用高斯——克长格投影。 (2)我国1：100万地形图采用正轴等角割圆锥投影 (3)我国大部分省区图多采用正轴等角割圆锥投影和属于同一投影系统的正轴等面积割圆锥投影。 (4)正轴等角圆锥投影中，地球表面上两点间的最短距离（即大圆航线）表现为近于直线，这有 利于GIS中空间分析和信息量度的正确实施。

4 地理信息系统数据输入 4.1 空间数据的输入 4.2 属性数据的输入 4.3 空间与属性数据的连接

4.１ 空间数据输入 4.1.1 手工键盘输入 4.1.2 跟踪数字化输入 4.1.3 扫描数字化输入 4.1.4 现有数据转换

4.1.1 手工键盘输入 键盘输入就是通过手工在计算机终端上输入数据。实际上就是将图形元素点、线、面实体的地理位置数据（各种坐标系中的坐标）通过键盘输入数据文件或程序中去。实体坐标可以用地图上的坐标网或将其他格网复盖在材料上量取，这是最简单又不用任何特殊设备的图形数据输入法。

4.1.2 跟踪数字化输入 (1) 数字化仪简介 (2) 数字化过程 (3) 数字化方式 (4) 数字化精度

(1) 数字化仪简介 数字化仪由电磁感应板（操作平台）、坐标输入控制器（标示器）和接口装置组成。目前，市场上数字化仪的规格按其可处理的图幅面积来划分，有A0、A1、A3等幅面。典型的用于制图的数字化仪是A0规格，其幅面为1.0m×1.5m。较小的数字化设备称为数字化板。

(2) 数字化过程 根据GIS软件所提供的数字化仪设备驱动程序和数字化仪的类型，作好数字化仪安装工作，给数字化仪加电，将准备好的数字化原图固定于数字化桌上，输入原图的比例尺，定义用户坐标系（原点和坐标轴），确定地图投影方式，选择数字化方式，确定数字化范围，即用标示器将X、Y最小值的点和X、Y最大值的点数字化。数字化时必须按照不同的专题内容分文件、分图层有顺序地数字化，幅面较大的图件，可分块数字化。

(3) 数字化方式 点方式数字化时，只要将标示器十字丝交点对准数字化原图上要数字化的点，按下标示器上相应的按键，记录该点x、y坐标。每记录一次坐标，操作员需要按键一次。点方式主要用于采集单个点和控制曲线形态的特征点（端点、极值点、拐点），如控制点、三角点、水准点、独立地物中心点等，折线的始点、终点、转折点，居民地街区拐角点等。 流方式数字化时，将标示器十字丝交点沿曲线从起点移动到终点，让它以等时间间隔或等距离间隔方式记录曲线上一系列密集的离散点坐标，操作员无需对每个点都按键一次，仅在曲线的始点和终点各按一次相应的按键即可，对于不规则的曲线图形，如河流、等高线、海岸线等，常使用流方式数字化。

(4) 数字化精度 数字化仪设备使用时间过长导致精度降低或不符合标准的设备均会影响输入数据的精度。数字化仪的分辨率对数字化误差有决定性的影响。最大偏差不应超过3至6个分辨单位，即标定分辨率为0.025mm的数字化仪，测试时的最大偏差应在±0.07mm至0.15mm范围内，否则数字化仪的质量就太差。 数字化方式对数字化精度也有影响，流方式比简单的点方式的位置误差要大，流方式等间隔记录点则不能正确地数字化尖锐的弯曲顶点，常常切割这类弯曲部分，误差较大。 操作员人为误差主要指操作员的经验技能、生理因素和工作态度等。 人工制作编稿原图过程中必然会有误差产生,这些误差随着图数转换而进入计算机的数据中。

4.1.3 扫描数字化输入 (1) 扫描仪简介 (2) 扫描前准备 (3) 矢量化处理

(1) 扫描仪简介 绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理。扫描仪可分为滚筒式、平板式、CCD直接摄像式三种，其中大幅面的地图以滚筒（卷纸）式用得最多。目前市场上常见的A0幅面的滚筒式单色分灰度扫描仪的分辨率为400～800dpi，操作的精度要高。普通的扫描仪大都按灰度分类扫描，高级的可按颜色分类扫描。

(2) 扫描前准备 ① 原图准备 ② 记录格式 ③ 光孔孔径 ④ 计算坐标差

① 原图准备 由于扫描数字化是采样头对原图进行扫描，凡扫到需要色（对黑白地图来说，黑色为需要色，对彩色地图来说，对哪种颜色扫描，那种颜色就叫需要色）就记录一个数（例如“1”），扫到不需要色就记录另一个数（例如“0”）。为提供扫描数字化，首先要选择色调分明，线划实在而不膨胀的地图作为原图；其次要在图上精确划定数字化的范围，标出坐标原点；最后要清理图面，如修净污点，连好线划上的断头。

② 记录格式 选择数据扫描数字化仪的数据记录格式有两种，一种是数字格式，也就是每个网格记录一个二进制数“0”或“1”，它适用于对黑白或彩色线划地图数字化；一种是连续格式，每个网格记录一个灰度值（0～255个灰阶），这适用于对像片数字化。

③ 光孔孔径 扫描仪采样头中透光孔的孔径有好多规格， 12.5μ×12.5 25μ×12.5μ 50μ×25μ 50μ×40μ 100μ×100μ （μ(微米)=1/1000毫米），它用来控制网格的大小，也就是用以控制分辨率，孔径越小，网格就越小，分辨率就越高，数据量也就越大。根据地图的精度要求，应选择具有一定的分辨率，数据量又不致过大的孔径。通常选择100μ×100μ（或50μ×40μ）的孔径，即地图上0.1毫米粗的线划一般只占1至2个网格。

④ 计算坐标差 当原图经过定向，固定的在滚筒（或平台）上之后，要算出扫描仪原点和原图原点之差，以便控制记录装置。

(3) 矢量化处理   原始地图 GIS数据库 扫 描 栅格文件 自动矢量化 矢量文件 文件转换 栅格编缉 矢量编缉 扫描并自动矢量化的过程

4.1.4 现有数据转换 任何信息系统总要利用已有数据，以减轻信息收集、编码、输入的工作量。除了利用本单位、本部门的现成资料外，常用的、通用的数据供社会共享已成为一种趋势。特别在发达国家，有很多政府机构或私人公司已经开始向社会公开提供数据服务，这种服务大致有五类信息：基本数字化地图、自然资源数据、地面数字高程、遥感数据、与人口统计相结合的空间、属性、地址数据。这些数据服务可以减少在数据收集与数据输入方面多付出的劳动，对GIS普及将起到了有力的促进作用。

4.2 属性数据输入 (1)与空间数据同时输入 (2)属性数据单独输入到文本文件中 键码法- 根据数字化仪标示器上的键盘,将数字化要素的 特征码输入数字化程序 直接输入法-利用计算机的数字键盘将数字化要素特征码 输入给数字化程序 特征码清单法-在数字化仪右上方设置一块菜单区域,每个 矩形方格为一种要素的菜单选项,当数字化图形时,先在 菜单选项中取点,程序将坐标换算成菜单编号,再编码得 到相应特征码 (2)属性数据单独输入到文本文件中

4.3 空间与属性 数据的连接 数据编辑 属性数据 关键字连接 空间数据 扫描 在数据编辑的基础上,确定空间数据和非空间属性数据连接的关键字,然后将非空间属性输入到文本文件中,空间数据通过手扶跟数字化或扫描矢量化后,再经检查、线和连接点、细化处理、变形纠正过程建立起多边形，最后将唯一的识别符加入到图形实体中，实现空间与非空间的连接，建立起多边形矢量数据库。 手工数字化 输入文本文件 矢量化 检查 线和连接点 空间属性连接 细化处理 多边形矢量数据库 建立多边形 加入识别符

5 地理信息系统的数据处理 5.1 误差校正 5.2 图形变换 5.3 数据匹配

5.1 误差校正 因图纸变形和数字化过程的随机误差所产生的影响，必须经过几何校正。从理论上讲，几何校正是根据图形的变形情况，计算出其校正系数，然后根据校正系数，校正变形图形 控制点选择： 经纬网交点、方里网交点、三角点、水准点、图廓点 误差校正方法： 一次变换（同素变换、仿射变换）、二次变换、高次变换 分块校正： 三角网校正、四边形校正

5.1.1 同素变换 同素变换是一种较复杂的一次变换形式，其函数式为 其主要性质有：直线变换后仍为直线，但同一线段上长度比不是常数；平行线变换后为直线束；同一线束中经一割线的交叉比在变换前后保持不变；通过同一割线上相应各点的线束的交叉比在变换前后也保持不变。

5.1.2 仿射变换 仿射变换的特点是：直线变换后仍为直线；平行线变换后的仍为平行线，并保持简单的长度比；不同方向上上的长度比发生变化 仿射变换是一种比较简单的一次变换，其表达式为： 式中3对待定系数，只要知道不在同一直线上的3个对应点坐标都可求得。实际应用时，往往利用4个以上对应点坐标和最小二乘方法求解变换系数，以提高变换精度。 仿射变换的特点是：直线变换后仍为直线；平行线变换后的仍为平行线，并保持简单的长度比；不同方向上上的长度比发生变化

5.1.3 二次和高次变换 这两种变换是实施地图内容转换的多项式拟合方法，它由下列多项式表达： A和B代表三次以上高次项之和。上式是高次曲线方程，符合此方程的变换称为高次变换。若不考虑A和B，则上式为二次曲线方程。 4~7个控制点：用双线性变换 8~19个控制点：二次变换 20~49个控制点：三次变换 50个控制点以上：用四次变换 控制点增加，位置精度增加，但计算量加大

5.３ 数据匹配 （1）顶点匹配 本是同一结点，由于数字化误差，几条弧段在结点处没有吻合，为此在数据处理时，需要将它们的重心重新安放。 （2）数字接边 分幅数字化，在拼幅时须对分幅数字化地图在公共边上进行相同要素的匹配，这就是数字接边。

6 空间数据管理 6.1 多样性空间数据库 6.2 空间数据的无缝组织 6.3 图形数据与属性数据的连接方式 6.4 主要GIS软件的比较

6.１ 多样性空间数据库 空间数据主要包括矢量和栅格数据。现有GIS系统是基于矢量的，具有比较成熟的管理和建立矢量数据库的能力。同时，目前多数据GIS软件都可以将数字正射影像数据、遥感数据作为背景与矢量数据、DEM数据进行套合显示。由于遥感影像数据不断增长，现有GIS软件难以组织、调度、存储与管理这样的海量数据，因此开发能对多数据源、多比例尺、多时相影像数据进行统一管理和集成的大型空间数据库管理系统是研究的主要方向。

6.２ 空间数据无缝组织 6.2.1 以图幅为单元建库 6.2.2 逻辑上无缝组织 6.2.3 逻辑和物理上无缝组织

6.2.1 以图幅为建库单元的缺陷 查询往往涉及到多幅图或在不同专题间进行 地理实体的完整性和一致性难以维护 分幅管理对于数据共享和地理实体一级的安全管理增加了难度。

6.2.2 逻辑上的无缝组织 Intergraph的MGE，ESRI的ARC/INFO等都能建立无缝GIS地理数据库。能够完成地理数据的几何接边和逻辑接边，但物理上仍然按照图幅的概念进行存储管理，对同一地理实体的多个几何标识进行后台关联处理，对用户来说是不可见的。

6.2.3 物理和逻辑上无缝组织 (1) 工程和工作区 (2) 数据无缝组织 基于客户/服务器结构，突破传统图幅分块，保持地物完整性存放。 从逻辑上和物理上的无缝组织出发，一个完整的无缝空间数据库可以被看成是一个工程，在工程中地物要保持存储、表达的完整性和一致性，在工程中具有唯一的几何标识和地物标识。 工作区是为了方便使用空间数据库，可以说是在应用时的工程的临时子集，可以按规则大小划分，也可以相互嵌套，最大可以为整个工程。工作区可以包括任何区域、任意一层或多层地物。 (2) 数据无缝组织 基于客户/服务器结构，突破传统图幅分块，保持地物完整性存放。 空间地物的属性数据在工程中统一管理，用关系数据库管理系统进行管理。 为了在工程中有效地组织和表达空间实体，可以按照地物大小对其进行分级抽取，然后对不同大小地物的几何对象标识进行整理、分层，建立空间索引。

6.３ 图形数据与属性数据连接 6.3.1 专题属性作为图形数据悬挂体 6.3.2 属性数据与图形数据完全独立（完全分开） 6.3.3 属性数据与图形数据自成体系（混合处理） 6.3.4 属性数据与图形数据结构统一（完全结合）

6.3.1 专题属性作为图形数据悬挂体 属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存贮的。这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才是有用的。大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长。当然，主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行。 用户界面 空间数据 管理系统 图形 属性

6.3.2 属性数据与图形数据完全独立 可以利用现有的CAD技术和DBS技术，维护难度大，相互操作难度大，CAD中删除一个，必须去找DBS，DBS也必须删除。 用户界面 用户界面 图形数据 管理系统 属性数据 管理系统 图形数据库 属性数据库

6.3.3 属性数据与图形数据自成体系 图形数据和属性数据自成体系，属性数据有其专用的数据库系统，很多情况下是用于事务管理的商业数据库，并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能，图形和属性间连接是通过关键字和标识码来连接。相互操作难度较大。例如ARC/INFO中ARC实现用拓扑关系定义了空间数据，INFO实现了用关系数据模型定义属性数据，两者通过内部代码和用户标识码（USER—ID）作为公共数据项。0 用户界面 图形数据 管理系统 属性数据 管理系统 图形数据库 属性数据库

6.3.4 属性数据与图形数据结构统一 此结构中有双向指针参照，且由一个数据库管理系统来控制，使灵活性和应用范围均大为提高。这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求。CAD中删除一个图元， ＤＢＳ自动删除。ＭＡＰＧＩＳ属于这种类型。 用户界面 空间数据 管理系统 图形 属性

6.４．主要GIS软件的比较 ＡＲＣ／ＩＮＦＯ：美国，ＥＳＲＩ ＧＥＮＡＭＰ：澳大利亚，ＧＥＮＡＳＹＳ ＩＤＲＩＳＩ：美国，克拉克大学制图部 ＥＲＤＡＳ：美国，ＥＲＤＡＳ ＩＬＷＩＳ：荷兰，ＩＴＣ Ｓｙｓｔｅｍ９：瑞士／美国，ＰＲＩＭＥ／Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｏｎ ＭＧＥ：美国，ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈ ＳＰＡＮＳ：加拿大，Ｔｙｄａｌ　ｔｅｃｈｏｌｏｇｉｅｓ　　ｃｏｐＴＩＧＲＩＳ：美国，Ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈ　ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　

9 空间分析 绪言 地理信息系统（GIS）与计算机辅助绘图系统(CAD)的主要区别：GIS具有空间数据的利用和分析功能。 9 空间分析 绪言 地理信息系统（GIS）与计算机辅助绘图系统(CAD)的主要区别：GIS具有空间数据的利用和分析功能。 通过开发和应用适当的数据模型，用户可以使用GIS的空间分析功能来研究现实世界。 用户可以将各种空间分析组合成一个操作序列，从已有模型来求得一个新模型，而这个新模型就可能展现出数据集内部或数据集之间新的或未曾明确的关系，从而深化我们对现实世界的理解。

9 空间分析 9.1 空间分析的内容与步骤 9.2 数据的检索 9.3 数据的统计分析 9.4 数据的分类与合并 9.5 叠加分析 9.6 缓冲区分析 9.7 网络分析

9.1 空间分析的内容与步骤 9.1.1 空间分析的内容 (1)属性分析： (2)拓扑与属性的联合分析： 数据检索、逻辑与数学运算、重分类、统计分析等。 (2)拓扑与属性的联合分析： 与拓扑相关的数据检索、叠置处理、区域分析、邻域分析、网络分析等。

9.1.2 空间分析的步骤 (1)建立分析目的和评价标准 (2)收集、输入空间和属性数据 (3)做空间位置的处理和分析   例：建一公园进行选址（目的）标准：   交通便利、环境优雅   设计成环绕一个天然小河   可利用面积大、少沼泽地 (2)收集、输入空间和属性数据 包括地理底图数据、地籍数据、土壤数据等。 (3)做空间位置的处理和分析 作空间位置的处理和分析（包括检索、提取，缓冲区分析、叠置分析等）； 作属性数据的处理和分析（加所需的属性项、好地价）。

(6)以专题地图，文字报表形式作为正式结果，供决策用。 (4)获得简要的分析结果 包括地图和表格 (5)解释和评价结果 解释和评价结果，若不满意，返回(1)、(2)、(3)任一处重做。 (6)以专题地图，文字报表形式作为正式结果，供决策用。

9.2 数据的检索 检索对象： 9.2.1 属性数据的条件检索 9.2.2 空间定位检索 9.2.3 图元间关系检索 （1）属性数据 （2）依据空间拓朴关系 （3）联合空间数据与属性数据 9.2.1 属性数据的条件检索 9.2.2 空间定位检索 9.2.3 图元间关系检索

9.2.1 属性数据的条件检索 用逻辑运算组合条件 例：在地下管网信息系统中，设A为埋深小于3米的煤气管；B为长度小于300米的煤气管。   

A AND B：检索出埋深小于3米且长度小于300米的所有煤气管；

 A OR NOT B： 检索出埋深小于3米及长度大于或等于300米的所有煤气管；

A XOR B：检索出埋深小于3米而长度大于或等于300米的煤气管道和长度小于300米而埋深大于或等于3米的煤气管道；

9.2.2空间定位检索 用光标选择一个图元或多个图元，则系统检索出这些图元的属性数据。

9.2.3 图元间关系检索 面-面检索 例如，与某个多边形相邻的多边形是哪些？ 面-线检索 例如，某个多边形的边界是哪些线（弧段）？ 线-面检索 例如，某弧段的左右区域分别是什么？ 线-线检索 例如，与某条河流相连的支流有哪些？ 线-点检索 例如，某条道路上有哪些桥梁？ 点-线检索 例如，某个结点由哪些线（弧段）相交而成？

面-面检索例：与某个多边形相邻的多边形是哪些？ 请点击“河南省”

9.3 数据的统计分析 （1） 单个图元：线长度、两点间距离、区域面积、区域重心等。 （2）字段在某范围内的记录数，图元某属性项的总和、最大值、最小值及平均值，四则运算，函数运算等。 （3）空间量算：填、挖土方体积等。

9.4 数据的分类与合并 9.4.1 分类： 属性按区间分类统计 间接分类 地理区域分类 例：城市人口密度分为高、中、低三类。 例：按房屋建造年代分类，作为是否保留这些建筑的参考依据。 地理区域分类 例：北京分为三个区域，二环内、二环至三环、三环以外。

9.4.2 合并 按照重分类、边界消除、合并这三个步骤实现依据属性聚合区域的目的。 例：希望从一个数据层中得到土壤类型分布图，原始数据层中的多边形是根据更细的类别划分的（从图（a）可见，大写字母表示土壤类型的分类，小写字母表示植被类型的分类，每个多边形中土壤类型和植被类型完全一致。) (1)按照土壤类型这个属性项对原始数据层重分类。 (2)如果两相邻多边形具有相同土壤类型，则删除它们间的分界弧段，这就是边界消除。 (3)重建拓扑，将没有分界弧段的相邻多边形合成一个。

9.5 叠加分析 地图叠置 9.5.1 栅格系统的叠加分析 9.5.2 矢量系统的叠加分析 就是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新数据层和新数据层上的属性（即提取感兴趣的数据）。 9.5.1 栅格系统的叠加分析 9.5.2 矢量系统的叠加分析

9.5.1 栅格系统的叠加分析 在栅格系统中，层间叠加可通过像元之间的各种运算来实现。 运算： 优点：容易实现 缺点：图元间拓朴关系信息丢失 （1）各层属性数据的平均值（算术平均或加权平均） （2）各层属性数据的最大值或最小值 （3）算术运算 （4）逻辑条件组合 优点：容易实现 缺点：图元间拓朴关系信息丢失

9.5.2 矢量系统的叠加分析 拓朴叠加之前，假设每一层都是平面增强的（已建立了完整的拓朴关系），当两层数据叠加时，结果也必然是平面增强的。 拓朴叠加能够把输入的特征属性合并到一起，实现特征属性在空间上的连接；拓朴叠加时，新的组合图关系将被更新。

矢量系统叠置分析的步骤 （1）对原始数据（多边形）形成拓朴关系 （2）多层多边形数据的空间叠置，形成新的层 （3）对新层中的多边形重新进行拓朴组建 （4）剔除多余的多边形，提取出感兴趣的部分

叠置分析的主要内容： （1）多边形与多边形分析：合并、相交、相减、判别 （2）多边形与线分析: 相交、判别 （3）线对多边形分析：相交、判别 （4）点对多边形分析：相交、判别 （5）多边形对点分析：相减、相交 （6）点对线分析：点与线的距离

区对区叠加(合并)分析:

区对线叠加(相交)分析:

线对区叠加(判别)分析

点对区叠加(判别)分析:

区对点叠置(相交)分析:

点对线分析：点与线的距离

9.6 缓冲区分析 缓冲分析就是在点、线、面实体（缓冲目标）周围建立一定宽度范围的多边形。换言之，任何目标所产生的缓冲区总是一些多边形，这些多边形将构成新的数据层。

10 数字高程模型 10.1 数字高程模型概念 10.2 DEM数据分布特征 10.3 DEM数据网格化 10.4 网格化插值方法

10.１ 数字高模型概念 数字高模型（Digital Elevation Model），简称DEM，是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的数字模型，也是地形形状大小和起伏的数字描述。DEM的核心是地形表面特征点的三维坐标数据和一套对地表提供连续描述的算法，最基本的DEM是由一系列地面点x，y位置及其相联系的高程Z所组成，用数学函数式的表达是：Z=f(x，y)，(x，y)∈DEM所在的区域。尽管DEM是为了模拟地面起伏而发展起来的，但也可以用来模拟其他二维表面上连续变化的特征，比如说还可以表示地面景观的属性，地面温度、降水、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其它地面特性信息，此时的DEM也称为数字地形模型(Digital Terrain Models)，简称DTM。关于DTM和DEM的含义，无论在国外或国内文献中都存在着不同的理解，DTM包含着地面起伏和属性两个含义，所以DEM和DTM是有区别的。

10.２ DEM数据分布特征 10.2.1 格网数据 10.2.2 离散数据

10.2.1 格网数据 把DEM覆盖区划分成为规则格网，每个网格大小和形状都相同，用相应矩阵元素的行列号来实现网格点的二维地理空间定位，第三维为特性值，可以是高程和属性。对于规则网来说，仅用z的矩阵数据来描述地理场，其对应的平面坐标位置数据蕴含在向量序列关系之中，n个数据观测点的数据记录个数也为n，用公式表示如下： DEM={zij}

10.2.2 离散数据 离散数据DEM的平面二维地理空间定位由不规则分布的离散样点平面坐标实现，第三维仍为高程和属性特性值。每个离散数据的记录必须使用三项数据，分别记录其坐标值x，y和特性值z，这样，n个离散数据点的数据记录个数为3n个。例如人工地震勘探则通常布设多条测线读取有关地层结构的数据（图9-2-1b）；航磁一般沿测线观测，沿测线的测点密度远大于测线间隔的密度，并且测线也并不是等间距的直线（图9-2-1c）；分散流数据常按一定的采样密度沿水系随机采样（图9-2-1d）；更多的数据，如气象、水文以及其它地理抽样调查等呈不规则分布（图9-2-1e）。

10.３ DEM数据网格化 将离散DEM数据经插值计算转换为格网DEM数据的过程称为DEM数据网格化，也就是说，需要用离散的观测点值去估算未知的格网点的值

10.4 网格化插值方法 (1)移动平均插值法 (2)距离平方倒数加权法 (3)趋势面拟合技术 (4)样条函数插值法 (5)克立金法插值法

10.5 DEM的表示方法 10.5.1 高程矩阵 10.5.2 不规则三角网

10.5.1 高程矩阵 DEM最普通的形式是高程矩阵或规则矩形格网，其生成可有三种方法： 高程数据直接由解析立体测图仪从立体航片上定量测量（Kelly等1977）。 高程矩阵也可由规则或不规则离散数据点内插产生。 等高线内插生成高程矩阵（格拉茨地面模型）

10.5.2 不规则三角网 不规则三角网（TIN）是由Peuker和他的同事（1978）设计的一个系统，它是由不规则分布的数据点连成的三角网组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点或称结点的密度和位置。 首先在所有可能的线段中寻找最短的一条，用它作为第一个三角形的基线。选出到这条基线两端的距离之和为最小的那一点作为三角形的顶点。接着，搜索次最短线段作为下一个三角形的基线。这样可使作为先前生成的三角形的一部分而被存贮起来的诸边不再被选取为基线。再寻找一个顶点，把新发现的各边存贮起来，这个过程反复进行，直到所有的数据点被三角形的各边都连接起来为止。

14 地理信息系统的发展趋势 14.1 空间数据结构与数据管理 14.2 数据自动输入技术 14.3 3S技术结合 14.4 时态GIS研究

14.１空间数据结构与数据管理 (1) 高效的栅格与矢量互换算法 (2) 图形空间数据压缩技术 (3) 逻辑结构设计、物理存贮结构的研究从理论走向实用

14.２数据自动输入技术 (1) 属性表格的扫描和识别 (2) 图形扫描和跟踪 (3) 拓拓关系自动生成 (4) 图例符号的自动标识

14.４ 时态GIS研究 (1)空间三维、时间维 (2)三维地理矩阵：位置、属性、时间作为行、列、高 (3)十六叉树表示：GIS空间——时间 (4)基态修正法：不存储研究区域中每个状态的全部信息，只存贮某个时间的数据状态（称为基态）以及相对于基态的变化量

14.５ 三维GIS的研究 (1) 三维数据结构研究，包括数效存储、数据状态表示、数据可视化（八叉树、三维边界表示法）。 (2) 三维数据生成和管理 (3) 三维数据显示

14.６ GIS软件模式的发展 经历功能模块 包式模块 核心式软件 COMGIS WEBGIS 开放式GIS （OPENGIS）

14.6.1 COMGIS COMGIS的基本思想：把GIS功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能，各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS空件之间可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。实现的技术主要是面向对象技术、组件式对象模型（COM）及相关技术（OLE、ActiveX），C++用于实现COM比较容易，但C++对象不支持多个接口，JAVA更适合用实现COM对象，支持多接口。

14.6.2 WEBGIS实现技术 通用门栅接口技术（Common Gate way Interface ，CGI） 服务器应用程序接口方法（Server API） 插入法（Plugins） Java语言

14.6.3 OPENGIS 开放式GIS是研究分布式环境下实现地理空间信息和操作交互的方法。特点： 从系统的信息表达，到系统的功能都易于修改和扩充。 支持现有和未来的地理数据共享标准。 提供地理信息应用互操作标准接口。 支持实时访问远程空间数据库和空间信息处理资源的能力。 OPENGIS实现技术：面向对象分布式技术、INTERNET技术、WWW技术。

７．当代GIS发展的若干技术 面向对象技术（Object Oriented） 客户/服务器技术（client/server） 部件对象模型（Component Object Model ，COM） 对象链接与嵌入技术（Object Linking　and Enbeding ，OLE） ActiveX技术 超媒体技术 互联网技术 通用门栅接口技术（Common Gate way Interface ，CGI） 服务器应用程序接口方法（Server API） 插入法（Plugins） Java语言

谢谢！