GIS初步 北京合众思壮科技有限责任公司 行业应用部 二OO六年八月

主要内容 GIS的基础知识 常用GIS软件 GIS空间分析功能 GIS数据库的构建 移动GIS

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何谓地理信息系统 地理信息：一切与空间位置有关的信息 地理信息系统：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。

3S之间的关系 Geographic Information System 地理信息系統 Remote Sensing 遥感 Global Positioning System 全球卫星定位系统

遥感数据是GIS的重要信息来源，提供准确的、实时的数据；

数据结构 矢量数据(Vector) 栅格数据(Raster) 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 栅格结构 矢量结构 矢量数据(Vector) 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 栅格数据(Raster) 是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素

拓扑(Topology) 瑞士数学家(Leonhard Euler)提出(1736)的一个数学的分支。 1960年代末期，美国人口普查局(US Census)首先将拓扑的观念应用在大量人口资料的错误检核上。 时至今日，在GIS上所谈的拓扑已成为描述资料彼此间的空间关系。

不规则三角网的拓扑结构 2 1 A 4 B D C E 5 3 F G 8 6 H 7 三角形 节点 邻近多边形 A 1,2,3 -,B,D 2,4,3 -,C,A C 4,8,3 -,G,B D 1,3,5 A,F,E E 1,5,6 D,H,- F 3,7,5 G,H,D G 3,8,7 C,-,F H 5,7,6 F,-,E 1 A 4 B D C E 5 3 F G 8 6 H 7

GIS的地学基础 地球模型 坐标参考系统 地图投影 地图比例尺

地理空间坐标系 地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。 通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。 法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度B。 过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度L。 A点至椭球面间的铅垂距离为大地高，又称椭球高H。

直接建立在球体上的地理坐标，用经度和纬度表达地理对象位置 投影 建立在平面上的直角坐标系统，用（x，y）表达地理对象位置

地图投影 为什么要进行投影？ 地图投影实质 投影变形 我国常用的投影方法

地图投影：为什么要进行投影 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影 地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算 地球椭球体为不可展曲面 地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析

地图投影：投影实质 建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（λ，φ）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系： 当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。

地图投影产生的变形 把球面展开为平面，必然发生裂缝或重叠(图a)。 为了消除裂缝或重叠，需要在裂缝的地方予以伸展，在重叠的地方予以压缩(图b)，这样，便使图形产生了变形(误差)。

地图投影产生的变形 了解变形的简易方法，就是利用地球仪上的 经纬网与地图上经纬网进行对比。 长度变形：指长度比与1之差，而长度比是投影面上一微小线段和椭球体面上相应微小线段长度之比(椭球体已按规定比例缩小)； 面积变形：是指面积比ρ与1之差，而面积比是投影面上一微小面积与椭球面上相应的微小面积之比； 角度变形：指投影面上任意两方向线所夹之角与椭球面上相应的两方向线夹角之差； 形状变形：指地图上轮廓形状与相应地面轮廓形状的不相类似。 了解变形的简易方法，就是利用地球仪上的 经纬网与地图上经纬网进行对比。

地图投影：GIS中地图投影 GIS以地图方式显示地理信息，而地图是平面，地理信息则在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。

地图比例尺 地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系 纸质地图：内容、概括程度、数据精度等 GIS：数据精度 比例尺的含义：图上长度与相应地面长度的比例 我国地图比例尺分级系统： 大比例尺：1：500—1：10万 中比例尺：1：10万—1：100万 小比例尺：〈1：100万

地图投影：我国常用地图投影 1：100万：兰勃特投影（正轴等积割圆锥投影） 大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃特投影 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯—克吕格投影

分 带 高斯－克吕格投影特点 横轴等角切椭圆柱投影 其原理是： 分 带 高斯－克吕格投影特点 横轴等角切椭圆柱投影 其原理是： 假设用一空心椭圆柱横套在地球椭球体上，使椭圆柱轴通过地心，椭圆柱面与椭圆体面某一经线相切； 用解析法使地球椭球体面上经纬网保持角度相等的关系，并投影到椭圆柱面上； 将椭圆柱面切开展成平面，就得到投影后的图形。 此投影因系德国数学家高斯(Gauss)首创，后经克吕格(Kruger)补充，故名高斯-克吕格投影(Gauss- Kruger Projection)或简称高斯投影。

高斯-克吕格投影原理图

分带投影 为了控制变形，采用分带投影的办法，规定1∶2.5万－1∶50万地形图采用6°分带；1∶1万及更大比例尺地形图采用3°分带，以保证必要的精度。 6分带法：从格林威治0经线起，自西向东按经差每6为一投影带，全球共分为60个投影带，我国位于东经72～136之间，共包括11个投影带，即13～23带，各带的中央经线分别为75，81，……，135。 3分带法：从东经130算起，自西向东按经差每3为一投影带，全球共分为120个投影带，我国位于24～46带，各带的中央经线分别为72，75，78，……，135。

中央经线求法 6带：6×n－3 3带：3×n 其中，n为带数 带数求解： 6带：将当地经度的整数除以6，再取商的整数部分加上1 N39.5000，E113.0000 ? 3度带：E114 6度带：E111 带数求解： 6带：将当地经度的整数除以6，再取商的整数部分加上1 3带：将当地经度的整数除以3，四舍五入

水准原点1985国家高程基准， 72.2604米 黄海海面 1952-1979年平均海水面为0米

坐标系及其转换 不同大地坐标系转换参数： 两坐标系原点不重合，平移参数△X, △Y, △Z; WGS84 北京54 西安80 参考椭球 1979年IUGG推荐的参数 克拉索夫斯基 1975年国际大地测量协会推荐的参数 大地原点 地球质心 苏联普尔科沃 陕西省泾阳县永乐镇 不同大地坐标系转换参数： 两坐标系原点不重合，平移参数△X, △Y, △Z; 坐标轴不平行，对应的坐标轴之间存在3个微小的旋转角； 尺度不一致，对应尺度参数 即通过这7个参数进行转换

手持机中坐标转换 北京54与WGS84之间的转换 地方坐标系与WGS84之间的转换 找同一点在两个坐标系间的坐标，以及此点中央经线即可求得转换参数dx，dy，dz 地方坐标系与WGS84之间的转换 找相同的两点在两个坐标系间的坐标，以及此地中央经线即可求得转换参数

GIS中坐标转换 GIS中的坐标系定义由基准面和地图投影两组参数确定，而基准面的定义则由特定椭球体及其对应的转换参数确定。 欲正确定义GIS系统坐标系，首先必须弄清地球椭球体(Ellipsoid)、大地基准面(Datum)及地图投影(Projection)三者的基本概念及它们之间的关系。 我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。

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美国环境系统研究所ESRI：ArcGIS

ArcGIS数据格式 数据格式 包含文件 特点 兼容性 shape 空间数据文件：*.shp 索引文件：*.shx 属性文件：*.dbf 不包括拓扑 好，几乎所有软件都支持 coverage *.cov 其拓扑信息是所有数据格式中组织最好的一种 很差，只有ESRI产品可访问 E00 是一交换格式 好，几乎其他软件格式都可以转换为该格式 Geodatabase Personal Geodatabase ArcSDE Geodatabase 基于RDBMS存储 差

ArcGIS可支持数据格式 Coverage Geodatabase Shapefile Internet Map Service CAD Raster Tables ArcGIS

厂家 数据格式 特点 兼容性 MapInfo *.tab 好 *.mif 一数据交换格式 中地公司MapGIS 点：*.wt 线：*.wl 面：*.wp 图形编辑功能强大 较好，国内大部分GIS软件都支持 超图公司 SuperMap sdb文件:存放地图位置坐标数据 sdd文件:存放属性数据 其它国产GIS软件还有武汉测绘科技大学研发的吉奥之星GeoStar，吉威数据源Geoway，泰坦公司的Titan Image，北京灵图软件技术有限公司三维可视化地理信息系统VRMap3.0等等。

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空间分析 空间分析是GIS系统的重要功能之一，是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括空间坐标和专业属性两部分。其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，专业属性则是实体某一方面的性质。

空间查询（query） 由空间查询 由空间和属性查询 某个点落在哪个多边形内 与某条河流相连的支流有哪些 某城市人口总数 某一土地所有权人、地价、面积

量算（measure） 线的长度计算 面状地物面积、周长计算 距离量算

缓冲区分析（buffer） 地理空间目标的一种影响范围或服务范围 点 线 面 公共设施（商场，邮局，银行，医院学校等）的服务半径 在河流两旁划定某个范围的保护区 面 大型水库建设的搬迁界定野生

叠加分析(overlay) 现实世界的各项地理特征在GIS中是分层显示的，将他们进行叠加分析可以再现地理景观。 点、线、面状图的叠加 矢量与栅格图层的叠加 专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体图

影像 叠加分析示例： 3D飞行模拟制作 影像与地形套合 地形模型 飞行模拟

网络分析(network) 目的是研究、筹划一项网络（交通网络、电线、地下管线等）工程如何安排，并使其运行效果最好 最佳路径分析 最短路径 最低耗费路径 动态最佳路径分析 资源分配 消防站点分布 求援区划分 地址匹配 根据地址查询地理位置 城市两点间最佳路径的选择示意图

适宜性分析（ suitability analysis ） 将不同专题的空间资料予以组合、运算，以分析特定的空间议题，如位置选址、适宜性分析 城市规划与开发 城市发展程度 评估

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GIS数据的内容 属性数据 是什么，判读和考察 详细描述信息

GIS数据的内容 数字栅格地图（DRG）:纸质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内容几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格文件。 数字线划地图（DLG）:现有地形图上基础地理要素的矢量数据集，且保存要素间空间关系和相关的属性信息。 数字高程模型（DEM）:在高斯投影平面上规则格网点平面坐标（x,y）及其高程（z）的数据集。Dem的水平间隔可随地貌类型不同而改变。根据不同的高程精度，可分为不同等级产品。 数字正射影像图（DOM）:利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空相片 / 遥感相片（单色 / 彩色），经逐象元进行纠正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。一般带有公里格网、图廓内 / 外整饰和注记的平面图。

数据采集任务 将现有的数据源转换成GIS可以接受的数字形式。 数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性。 不同的数据来源要用到不同的设备和方法。 数据的转换装载。 数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等。

数据源种类 图形图像数据： 文字数据： 第一手数据 第二手数据 非电子数据 电子数据 地图 专题地图 统计图表 地图 工程图 规划图 照片 航空与遥感影像等 文字数据： 调查报告 文件 统计数据 实验数据 野外调查的原始记录等 第一手数据 第二手数据 非电子数据 电子数据 全站仪、GPS数据 地球物理、地球化学 遥感数据 地图 专题地图 统计图表 平板测量数据 工程测量数据 笔记 航空、遥感相片 人口普查 社会经济调查 各种统计资料 已建各种数据库 GIS数据

数据源与相应设备 地图 坐标几何 地面测量数据 扫描仪 航空、遥感 数字化仪 空间 数据库 编辑处理 统计资料 摄影测量系统 数据交换 文字数据 键盘 多媒体

空间数据采集——属性数据的采集 各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野外调查的原始记录等，如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据。 对于要输入属性库的属性数据，通过键盘直接键入或文件、表格、数据库导入。 对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据，则必须进行编码输入。 规范

空间数据采集——图形数据的采集 选择采集方法的依据是如何应用图形数据，图形数据类型，现有设备状况，现有人力，物力，财力状况等。 手扶跟踪数字化仪采集 摄影测量数字化采集 扫描跟踪数字化采集 外业实地数字化采集 选择采集方法的依据是如何应用图形数据，图形数据类型，现有设备状况，现有人力，物力，财力状况等。

空间数据采集——图形数据的采集 数字化设备：数字化仪、扫描仪、摄影测量设备 特 点：范围大，速度快 特 点：范围大，速度快 使 用 范 围：大面积GIS数据采集、资源普查等 数字化仪 扫描仪 数字摄影测量工作站 野外测量：大平板、全站仪、GPS、移动测绘系统 特 点：精度高、效率较低 适合范围：小范围GIS数据采集或局部数据更新

空间数据的编辑与处理 空间数据编辑的必要性 空间数据一般性错误 错误检查主要方法 通过GIS软件的图形编辑功能进行处理 修正数据输入错误 维护数据的完整性和一致性 更新地理信息 空间数据一般性错误 数据不完整、重复 空间数据位置不正确 空间数据比例尺不准确 空间数据变形 几何和属性连接有误 属性数据不完整 错误检查主要方法 叠合比较法 目视检查法 逻辑检查法 通过GIS软件的图形编辑功能进行处理

空间数据的编辑与处理

图像校正

空间数据的编辑与处理 投影的设置： 椭球体(Ellipsoid) 大地基准（Datum） 地图投影(Projection) 中央子午线经度、比例系数、 东西偏差、南北偏差

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移动GIS 移 动 通 信 网 络 技 术 + 移动GIS 传统上，野外编辑的数据需回到室内经过解码手工输入到GIS数据库中，从而GIS数据更新和精度都很困难，导致GIS分析决策的滞后。 移动GIS可以将数据以数字地图的形式存储在小巧且功能强大的移动电脑里面，可获取批量地理信息。因此一些团体可以在其数据库中添加实时信息，通过应用最新的更为精确的空间数据，提高分析、显示和决策速度。

移动通信 GIS 移动定位 移动终端

操作系统 嵌入式操作系统 以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统

移动GIS操作系统 操作系统 厂商 特点 Windows CE 微软公司 较Windows系统更好的兼容性，支持硬件实时处理功能 Palm OS 华为3com 被授予第三方生产的兼容PDA和其它产品上，因而逐渐成为主流的操作系统之一；提供串行通信接口和红外线传输接口，可方便地与其它外部设备通信、传输数据； 缺点：图形和多媒体应用不足 嵌入式Linux 源代码公开，任何人可以修改并在GNU通用许可正下发行；提供强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器 EPOC 金士顿公司 具有企业通信标准传输协议，因此它的优势在于它的通信功能；支持Java；小巧灵活；开放的操作平台，允许用户自行定制界面以及设计不同风格的操作系统 J2ME SUN 以Java为基础，跨平台性较好

移动GIS软件 ESRI：ArcPad MapInfo:MapX Mobile 超图：eSuperMap 慧图：TopMap CEGenius 英瑞得信息公司：WalkMap

ESRI：ArcPad特点 支持行业化标准矢量和栅格影像的显示。它可作为 ArcIMS的客户端、ESRI的网络制图和GIS软件使用， 或应用到地理网络中。 在野外对数据进行编辑实现GIS中心数据库的更新 图形编辑 矢量栅格叠加图 使用桌面版ArcGIS中数据

ESRI：ArcPad 提供包括GPS导航定位在内的GPS集成 利用GPS航迹记录行程 运行方向

MapInfo： MapX Mobile特点

地理信息未来发展 Internet GIS 网络化 信息整合 系统构建 Virtual GIS 可视化 3D GIS 立体化 资料维护 空间技术核心 3D GIS 立体化 GPS RS 资料维护 应用推广 Mobile GIS 移动化

谢谢！