北大地理信息系統(tǒng)概論教學大綱

1、地理信息系統(tǒng)概論教學大綱目的要求：使學生掌握正確的專業(yè)基本概念和基礎認識，掌握地理信息系統(tǒng)的基本框架結構，了解地理信息系統(tǒng)的應用及發(fā)展狀況，從而為其后續(xù)專業(yè)及相關的學習和研究指引正確方向、打好堅實基礎。學時分配 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top授課內容授課學時第一章 地理信息系統(tǒng)概論2第二章 從現實世界到比特世界1第三章 空間數據模型3第四章 空間參照系統(tǒng)和地圖投影自學第五章 GIS中的數據3第六章 空間數據獲取與處理3第七章 空間數據管理3第八章 空間分析3第九章 數字地形模型與地形分析2第十章 空間建模與空間決策支持3第十一章 空間

2、數據表現與地圖制圖2第十二章 3S集成技術2第十三章 網絡地理信息系統(tǒng)3第十四章 地理信息系統(tǒng)應用實例2第十五章 地理信息系統(tǒng)應用項目組織和管理2第十六章 地理信息系統(tǒng)軟件工程技術2第十七章 地理信息系統(tǒng)標準2第十八章 地理信息系統(tǒng)和社會2第十九章 地球信息科學和數字地球1現場參觀2專題講座2共計45學時教學內容 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top本課程教學的主要內容包括四個主要模塊：基本概念和理論；地理信息系統(tǒng)的框架與功能；地理信息系統(tǒng)應用；地理信息系統(tǒng)的前沿問題與發(fā)展趨勢?；靖拍詈屠碚摰谝徽?地理信息系統(tǒng)概論 介紹了地理信息系統(tǒng)的一

3、些最基本的、但又非常重要的概念，包括信息、數據、信息系統(tǒng)、空間數據、空間信息和地理信息系統(tǒng)。有些概念，如空間信息和空間數據，還將得到進一步的闡述，實際上，空間數據也是本書中描述GIS功能的核心。 GIS既是一項技術，也是一門學科，本章也介紹了它的主要研究內容以及與其它學科，如地理學、地圖學、遙感等的關系。 同時介紹了GIS的組成、分類、功能、發(fā)展歷史和展望，這些將在后面的章節(jié)中更為詳盡地被描述。 第二章 從現實世界到比特世界 從空間認知的角度講述了對現實世界進行抽象的過程。空間認知屬于行為地理學的范疇，它研究個體如何對現實世界進行認知，并在意識中編碼的過程。在認識的基礎上進行逐步抽象，最后得到

4、數字化的空間數據，這正是OpenGIS九層抽象模型前五層所描述的內容。最后是空間數據庫模型，進一步強調了該抽象過程。 第三章 空間數據模型 本章描述的是整個GIS理論中最為核心的內容。為了能夠利用信息系統(tǒng)工具來描述現實世界，并解決其中的問題，必須對現實世界進行建模。對于地理信息系統(tǒng)而言，其結果就是空間數據模型?？臻g數據模型可以分為三種： 1、場模型：用于描述空間中連續(xù)分布的現象； 2、要素模型：用于描述各種空間地物； 3、網絡模型：可以模擬現實世界中的各種網絡。 在各種模型中，又介紹了相關的概念，如空間劃分，空間關系，以及拓撲關系的形式化描述9交模型等。 最后講述了普通的二維數據模型在空間上和

5、時間上的擴展，時間數據模型和三維數據模型。值得注意的是，本章談到的場模型和要素模型類同于后面提及的柵格數據和矢量數據，但是前者是概念模型；后者是指其在信息系統(tǒng)中的實現。 第四章 空間參照系統(tǒng)和地圖投影 一個要素要進行定位，必須嵌入到一個空間參照系中，因為GIS所描述的是位于地球表面的信息，所以根據地球橢球體建立的地理坐標（經緯網）可以作為所有要素的參照系統(tǒng)。因為地球是一個不規(guī)則的球體，為了能夠將其表面的內容顯示在平面的顯示器或紙面上，必須進行坐標變換。 本章講述了地球橢球體參數、常見的投影類型。考慮到目前使用的1：100萬以上地形圖都是采用高斯克呂格投影，本章最后又對該種投影類型和相關的地形圖

6、分幅標準做了簡單介紹。 第五章 GIS中的數據 對空間數據的處理是GIS的核心功能，GIS中的數據通常描述三部分信息：空間信息（位置，空間關系等等），非空間的屬性信息，時間信息。數據按照其測量尺度，可以分為定名、定比、間隔、比率量四種類型。由于各方面的原因，GIS數據存在著質量問題，了解數據質量有利于數據的正確使用，避免出現“Garbage In, Garbage Out”的情形。數據質量可以通過元數據進行描述，簡單的說，元數據是對數據的描述，在GIS應用不斷發(fā)展、空間數據不斷增長的情況下，元數據有助于數據的共享和有效使用。地理信息系統(tǒng)的框架與功能 第六章 空間數據獲取與處理 空間數據獲取是地

7、理信息系統(tǒng)建設首先要進行的任務，它可以有多種實現方式包括數據轉換、遙感數據處理以及數字測量等等，其中已有地圖的數字化錄入，是目前被廣泛采用的手段，也是最耗費人力資源的工作。在GIS中，錄入的內容包括空間信息和非空間信息，前者是錄入的主體。目前，空間信息的錄入主要有兩種方式，即手扶跟蹤數字化和掃描矢量化，本章具體介紹了這兩種方式，以及相關的算法，如曲線近似擬合，柵格圖形細化跟蹤等。 在圖形數據錄入完畢后，需要進行各種處理，包括坐標變換、拼接等等，其中最重要的是建立拓撲關系。在拓撲建立過程中，需要先對各種錯誤修改，本章描述了各種具體的錯誤情形，最后則介紹了多邊形自動拓撲生成算法。 第七章 空間數據

8、管理 本章首先介紹空間數據庫、與一般數據庫的比較，以及空間數據庫的存儲方式。 然后介紹了GIS中兩種重要的數據結構：柵格結構和矢量結構，以及其具體的存儲方式，然后比較了兩種結構的特點，并給出了其相互轉換算法。 最后介紹了空間檢索中常用的技術空間索引，介紹了一些常用的空間索引方式，如BSP樹、R樹、CELL樹等；以及空間數據的查詢功能。 第八章 空間分析 空間分析源于60年代地理和區(qū)域科學的計量革命，在開始階段，主要是應用定量（主要是統(tǒng)計）分析手段用于分析點、線、面的空間分布模式。后來更多的是強調地理空間本身的特征、空間決策過程和復雜空間系統(tǒng)的時空演化過程分析。實際上自有地圖以來，人們就始終在自

9、覺或不自覺地進行著各種類型的空間分析。如在地圖上量測地理要素之間的距離、方位、面積，乃至利用地圖進行戰(zhàn)術研究和戰(zhàn)略決策等，都是人們利用地圖進行空間分析的實例，而后者實質上已屬較高層次上的空間分析。 地理信息系統(tǒng)集成了多學科的最新技術，如關系數據庫管理，高效圖形算法，插值，區(qū)劃和網絡分析，為空間分析提供了強大的工具，使得過去復雜困難的高級空間分析任務變得簡單易行。目前絕大多數地理信息系統(tǒng)軟件都有空間分析功能。空間分析早已成為地理信息系統(tǒng)的核心功能之一，它特有的對地理信息（特別是隱含信息）的提取、表現和傳輸功能，是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于一般信息系統(tǒng)的主要功能特征。 空間分析是對分析空間數據有關技術的統(tǒng)

10、稱。根據作用的數據性質不同，可以分為：（1）基于空間圖形數據的分析運算；（2）基于非空間屬性的數據運算；（3）空間和非空間數據的聯合運算。空間分析賴以進行的基礎是地理空間數據庫，其運用的手段包括各種幾何的邏輯運算、數理統(tǒng)計分析，代數運算等數學手段，最終的目的是解決人們所涉及到地理空間的實際問題，提取和傳輸地理空間信息，特別是隱含信息，以輔助決策。 本章介紹GIS中實現空間分析的基本功能，包括空間查詢與量算，緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值、統(tǒng)計分類分析等，并描述了相關的算法，以及其中的計算公式。 第九章 數字地形模型與地形分析 DEM和DTM主要用于描述地面起伏狀況，可以用于提取各種地

11、形參數，如坡度、坡向、粗糙度等，并進行通視分析、流域結構生成等應用分析。因此，DEM在各個領域中被廣泛使用。 DEM可以有多種表達方法，包括網格、等高線、三角網等，本章同時介紹了這些表達方法之間的相互轉換算法，如由三角網生成等高線，網格DEM生成三角網等等。 第十章 空間建模與空間決策支持 本章介紹了“更高層次”的GIS分析功能，第一節(jié)講述了如何利用基本的分析，如緩沖區(qū)、疊加分析，進行組合，以完成特定的功能。 后面幾節(jié)分別介紹了空間決策支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、數據倉庫、元胞自動機和空間定位和配置方面的知識，這些內容，或者在其它的領域已經成熟，或者屬于新興的領域。在GIS的支持下，實現相關功能，并將

12、其應用于空間分析，可以解決更為復雜的空間問題。 第十一章 空間數據表現與地圖制圖 空間數據的表現功能貫穿于GIS空間數據處理的始終，功能的許多方面，包括符號、專題信息表達、圖幅配置、制圖綜合等，都來源于地圖制圖，這也表明了地理信息系統(tǒng)和制圖學的淵源關系。從某種角度上來講，地理信息系統(tǒng)可以稱為“動態(tài)的地圖”，它提供了比普通地圖更為豐富和靈活的空間數據表現方式，如動態(tài)信息表達、虛擬現實等等。但是，從另外的角度來看，制圖學又是一門藝術，單純依靠計算機系統(tǒng)是難以制作完美的地圖的，它需要人工的交互干預，如制圖綜合，目前還沒有任何GIS軟件能夠很好地解決這些問題。 本章最后介紹了可視化的內容，可視化與信息

13、的感知和傳輸有著密切的關系，地學可視化的研究、以及在GIS中應用可視化技術，對于空間數據的廣泛應用有著重要的意義。地理信息系統(tǒng)應用 第十二章 3S集成技術 本章簡介了遙感和全球定位系統(tǒng)技術的基本概念以及它們與GIS的集成應用。作為實時、客觀獲取空間信息的新興技術手段，遙感和全球定位系統(tǒng)成為地理信息系統(tǒng)的重要數據來源，而通過GIS對其獲得的數據進行處理和分析，可以提取各種有用信息，以進行決策支持。 本章主要介紹了一些3S集成的具體應用，并簡要描述了其技術實現方案。 第十三章 網絡地理信息系統(tǒng) 本章首先介紹了計算機網絡的基本知識，包括定義、拓撲結構、分類、網絡協(xié)議等，然后介紹了因特網以及目前流行的

14、WWW和HTML語言。 第二節(jié)講述了基于網絡的分布計算以及地理信息系統(tǒng)在分布計算環(huán)境下的具體實現方案。 第三節(jié)主要介紹了在Web上發(fā)布空間數據，即實現WebGIS的幾種技術方案，并進行了比較。 第十四章 地理信息系統(tǒng)應用實例 本章介紹了地理信息系統(tǒng)在一些具體領域的應用。 由于GIS是用來管理、分析空間數據的信息系統(tǒng)，所以幾乎所有的使用空間數據和空間信息的部門都可以應用GIS。由于各個部門的不同，GIS在具體業(yè)務系統(tǒng)中所占的比重、應用方式也各異，結合比較緊密的如城市規(guī)劃、環(huán)境領域等，相對松散的有商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生領域。 本章簡單介紹了一些GIS應用實例，針對不同實例，介紹方法也不同，有的概述一個具體

15、區(qū)域的應用，有的敘述工作流程，有的介紹了工作原理和分析方法，可以對相關領域的GIS建設提供借鑒，也可以作為其它領域建設GIS的參考。 本章也引入了一些新的概念，如AM/FM、GIS/T以及一些具體的分析方法，如動態(tài)分段模型，它們處于GIS與具體領域的交叉部分，同時也是GIS理論和技術的有益補充。 第十五章 地理信息系統(tǒng)應用項目組織和管理 本章首先簡單概括了GIS應用項目，提出了GIS應用的三元劃分，然后介紹了幾種GIS應用的建立途徑以及項目周期。在項目開始之前，需要進行策略性規(guī)劃和實施規(guī)劃，如果要進行項目承包，則要簽訂合同;在GIS項目進行過程中，要進行人員管理，數據管理以及質量控制，本章根據

16、GIS具體技術特點，提出了相應的建議。在最后，介紹了軟件研制和開發(fā)的質量控制的兩個標準，ISO9000系列標準和CMM模型，作為項目開發(fā)機構的指導。 本章和地理信息系統(tǒng)軟件工程技術一章講述的內容是互相依賴的，后者重點在于技術，而本章則側重于組織和管理，往往組織管理對項目成敗的影響比所采用的技術更大。 第十六章 地理信息系統(tǒng)軟件工程技術 本章介紹了軟件工程的基本概念，軟件開發(fā)活動，過程模型以及兩種重要的開發(fā)方法：結構化方法和面向對象的方法。在GIS開發(fā)過程中應用軟件工程技術，可以提高軟件開發(fā)效率和質量。本章講述了軟件工程技術在GIS系統(tǒng)開發(fā)中的幾個應用方面： 1、GIS軟件構件和構架 2、需求分

17、析 3、數據管理設計 4、用戶界面設計 5、設計模式在GIS軟件開發(fā)中的應用 6、應用配置管理來實現空間過程支持 這些方面涉及了GIS開發(fā)過程中不同的階段以及不同的層次，有些方法之間是互斥的，如UML和Code方法，但是軟件工程技術最重要的是實用，開發(fā)者可以根據具體的情況選用不同的技術。 第十七章 地理信息系統(tǒng)標準 信息技術的標準對于產業(yè)的發(fā)展有著重要的意義，GIS也不例外，目前GIS標準主要集中于空間數據模型和空間服務模型以及相關領域，此外還包括流程、認證等等。本章介紹了兩個主要的GIS標準：ISO/TC 211和OpenGIS。地理信息系統(tǒng)的前沿問題與發(fā)展趨勢 第十八章 地理信息系統(tǒng)和社會

18、 地理信息系統(tǒng)應用的社會化是其發(fā)展的必然趨勢，在社會化的GIS應用階段，GIS技術在公眾生活中被廣泛使用，形成了GIS產業(yè)，這需要有相應的政策法規(guī)來規(guī)范產業(yè)運行，并且需要教育為GIS應用提供專業(yè)人才。在GIS技術影響社會的同時，一些社會因素也影響著GIS的發(fā)展。 第十九章 地球信息科學和數字地球 本章介紹了GIS發(fā)展的一些最新的概念，包括地球信息科學，數字地球等等，這些概念的具體含義至今仍在變化。 數字地球與其說是一門技術，不如說是一個政策，它是GIS應用發(fā)展的頂點。最后介紹了國家空間數據基礎設施，它是一個國家推廣GIS應用重要的第一步。教學參考書 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top 本課程主要以自編教材地理信息系統(tǒng)-原理、方法與應用作為教學使用教材，同時還參考國內外其它優(yōu)秀教材,使用的教材及教學參考書包括：鄔倫等，地理信息系統(tǒng)-原理、方法與應用，科學出版社，2001鄔倫等，地理信息系統(tǒng)教程，北京大學出版社，1994張超、陳丙咸、鄔倫編著，地理信息系統(tǒng)，高等教育出版社，2000鄔倫等，地理信息系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社，2002Paul A.Longley, M.F.Goodchild，David J.Maguire&D.W.Rhind, Geographical Information Systems: Pri