地理信息系統(tǒng)原理與方法.ppt

1、GIS原理和方法，中國地質(zhì)高等院校(武漢)信息工程學(xué)院，GIS原理和方法，1引言2空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3地理信息系統(tǒng)地理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)4地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)錄入5地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理6空間數(shù)據(jù)管理9空間分析10數(shù)字高程模型14地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢， 1引言1.1地理信息系統(tǒng)基本概念1.2地理信息系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3地理信息系統(tǒng)與其他有關(guān)學(xué)科系統(tǒng)的關(guān)系1.4地理信息系統(tǒng)構(gòu)成1.5地理信息系統(tǒng)功能和應(yīng)用1.6地理信息系統(tǒng)和數(shù)字地球，1.1地理信息系統(tǒng)的基本概念，地理信息系統(tǒng)(GIS )在修訂機硬件和軟件的支持下，收集、存儲、管理、搜索、1.2地理信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程、()發(fā)展壯大階段(70年代) ()普及應(yīng)用階段(

2、80年代) ()繁榮階段(90年代以后)、1.3地理信息系統(tǒng)與其他相關(guān)學(xué)科系統(tǒng)之間GIS和地圖學(xué)GIS是以地理圖數(shù)據(jù)庫(主要來自地理圖)為基礎(chǔ)的最終產(chǎn)品之一， 地理圖GIS強調(diào)地圖學(xué)理論、方法和功能的擴展地圖學(xué)強調(diào)圖形信息傳輸GIS強調(diào)空間數(shù)據(jù)處理和分析，GIS和一般事務(wù)數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理得很好。 分析和處理數(shù)據(jù)的功能數(shù)據(jù)庫技術(shù)是GIS的主要支撐技術(shù)之一GIS屬性數(shù)據(jù)庫部分是一般數(shù)據(jù)庫GIS數(shù)據(jù)庫比一般數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)復(fù)雜得多的GIS和計算機地理圖制圖計算機地理圖制圖系統(tǒng)強調(diào)的是圖形表示GIS是實體的空間分布及其圖形和所屬可以將性能數(shù)據(jù)聚合以進行深層次的空間分析的數(shù)字化地圖是GIS數(shù)據(jù)源，并且GIS和計

3、算機鼎力相助設(shè)置修訂(CAD )的共同點：都是空間坐標， 可以連接目標和參考系統(tǒng)來描述圖形數(shù)據(jù)的拓撲分析關(guān)系的非圖形屬性數(shù)據(jù)的區(qū)別： CAD處理大多是規(guī)則幾何圖形及其組合即格拉夫功能， 特別是3d格拉夫功能非常強大屬性庫的功能由于相對較弱的幾何坐標系GIS處理大多采用自然的目標，因此格拉夫快速處理難度大的GIS屬性庫的內(nèi)容結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強大，格拉夫快速屬性的相互作用非常頻繁， 大多數(shù)具有專業(yè)化特征的GIS往往采用大地坐標，需要較強的多層次空間棧內(nèi)存分析功能的GIS數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)錄入方式多樣化使用的數(shù)據(jù)分析方法具有專業(yè)化特征，目前GIS和CAD仍有不同的重點和特點，但它們的主流技術(shù)1.4地理信息系統(tǒng)

4、構(gòu)成，()數(shù)據(jù)輸入和驗證()數(shù)據(jù)存儲和管理()數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換()數(shù)據(jù)輸出和顯示()交互界面，數(shù)據(jù)1.5地理信息系統(tǒng)的功能和應(yīng)用，()數(shù)據(jù)收集和輸入()數(shù)據(jù)編輯和更新()數(shù)據(jù)存儲和管理()空間查詢和分析()數(shù)據(jù)顯示和輸出， 1.6地理信息系統(tǒng)和數(shù)字地球、數(shù)字地球的概念和提出的背景數(shù)字地球是真實地球及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一性的數(shù)字再現(xiàn)和認識其核心思想是用數(shù)字化手段統(tǒng)一處理地球問題，最大限度利用信息資源的數(shù)字地球特征多源、多比例尺， 多分辨率數(shù)據(jù)無縫集成的網(wǎng)絡(luò)情報系統(tǒng)面向全社會公眾開放的網(wǎng)絡(luò)情報系統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)，是多維網(wǎng)絡(luò)情報系統(tǒng)數(shù)字地球所需的支撐技術(shù)和數(shù)字地球信息幀網(wǎng)絡(luò)修正科學(xué)大容量記憶衛(wèi)星照片寬帶網(wǎng)絡(luò)互操作

5、元數(shù)據(jù)數(shù)字地球的應(yīng)用和意義、2空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、2.1網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.3地理數(shù)據(jù)的明示與隱式表現(xiàn)2.4矢量與網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較， 2.1網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.1.1網(wǎng)格數(shù)據(jù)基本概念2.1.2網(wǎng)格數(shù)據(jù)層的概念2.1.3網(wǎng)格數(shù)據(jù)取值方法2.1.4網(wǎng)格數(shù)據(jù)存儲查詢密碼2.1.1網(wǎng)格數(shù)據(jù)基本概念是將工作區(qū)域的平面表示按一定的分解行和列規(guī)則區(qū)分，形成多個網(wǎng)格如果像素規(guī)定了n個二進制位，則將灰度值的范圍可為0到2N1之間的黑白連續(xù)變化量化為8個二進制位，并且如果灰度值范圍在0到255之間僅規(guī)定了對256個灰度可允許的每個像素的一個二進制位，則灰度值僅為0和1，這是所謂的二值圖像網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實際上是

6、像素排列，即像素集合成矩陣狀，網(wǎng)格中的各像素是網(wǎng)格數(shù)據(jù)中最基本的信息存儲單元，其坐標位置能通過行號和列數(shù)字來決定。2.1.2網(wǎng)格數(shù)據(jù)層的概念、網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，物體的空間位置用笛卡爾平面網(wǎng)格的行號和列數(shù)字坐標表示，物體的屬性用像素的可能值表示，每個像素在一個網(wǎng)格中只能取一次，相同的像素表示多個笛卡爾平面網(wǎng)格， 各笛卡爾平面網(wǎng)格表示一個屬性，2.1.3取網(wǎng)格數(shù)據(jù)的值的方法、中心歸屬法：各網(wǎng)格單元的值由與網(wǎng)格中心點對應(yīng)的區(qū)域?qū)傩灾禌Q定。 長度優(yōu)先：每個網(wǎng)格單元格的值由與網(wǎng)格中心線(水平或垂直)的大部分長度相對應(yīng)的區(qū)域?qū)傩灾禌Q定。 面積占優(yōu)法：各網(wǎng)格尤針織面料的值在該網(wǎng)格尤針織面料中占最大面積的屬性值

7、重要法：根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)不同掩蔽物的重要性水平，選擇特別重要的空間實體來決定對應(yīng)的網(wǎng)格尤針織面料的值，例如稀有金屬礦物區(qū)，盡管該區(qū)域面積小或不在中心， 應(yīng)采取保留原則(1)直接查詢密碼(2)鏈查詢密碼(3)運行長度查詢密碼(4)子搖滾樂查詢密碼(5)四叉樹查詢密碼、直接網(wǎng)格查詢密碼是最簡單直觀且非常重要的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)查詢密碼方法，通常該編碼器直接編碼是指將柵格結(jié)構(gòu)看作一個數(shù)據(jù)矩陣并逐行(或逐列)記錄查詢密碼，為了可對每一行從左向右對每個像素記錄，或可對奇數(shù)行從左向右對雙位數(shù)行從右向左記錄的特定目的， 其他特殊程序3344444444444444444441342321121212121212121211

8、111111111111111112121212122122212222222 (2)拉對每一行(或列)記錄與同一查詢密碼的起始元素的列數(shù)字(或行號)對應(yīng)的查詢密碼，其中左圖可在行方向進行行程長度查詢密碼： 1行： (1，3，3 )、(4，8，4 )；2行： (3，4，3 )、(5，8，4 )； 三行： (一，一，一)、(二，四，三)、(五，七，四)、(八，八，二)； 四行： (一，二，一)，(三，五，三)，(六，八，二)； 五行： (一，四，一)，(五，五，三)，(六，八，二)； 六行： (一，四，一)，(五，八，二)； 七行： (一，五，一)，(六，八，二)； 八行： (一，五，一)，(六

9、，八，二)。 (3)方塊編碼將多邊形的范圍分割為由像素構(gòu)成的正方形，對各個正方形進行編碼。 在方塊編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，包含由塊搖滾樂的初始位置(行，列數(shù)字)、塊搖滾樂的大小(塊搖滾樂中包含的像素數(shù))和記錄單位的符號構(gòu)成的3個數(shù)字。 是(1，1，2，3 )、(1，3，1，3 )、(1，4，1，4 )、(1)、(4，6，1，2 )、(4，7，2，2 )、(5，1，4，1 )、(5，5，1，3 )。2.2矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、2.2.1矢量數(shù)據(jù)概念2.2.2拓撲分析關(guān)系2.2.3多邊形矢量編碼2.2.4結(jié)構(gòu)、2.2.1矢量數(shù)據(jù)概念、矢量數(shù)據(jù)是代表地理圖圖案的各離散點平面坐標(x，2.2.2拓撲分析關(guān)系、拓撲分析

10、關(guān)系圓弧段、區(qū)域間的空間關(guān)系，主要表現(xiàn)為拓撲分析相鄰關(guān)系、拓撲分析關(guān)聯(lián)關(guān)系、拓撲分析包含關(guān)系三個關(guān)系。 (1)拓撲鄰接、拓撲鄰接是指存在于空間圖形的同種要素間的拓撲關(guān)系。 結(jié)點的相鄰關(guān)系有N1/N4、N1/N2等。 多邊形的相鄰關(guān)系有P1/P3、P2/P3等。 (2)表示存在于空間圖形不同類要素間的拓撲分析關(guān)系的拓撲分析關(guān)聯(lián)。 結(jié)點與圓弧段的關(guān)系有N1/C1、C3、C6、N2/C1、C2、C5等。 多邊形和線段的關(guān)聯(lián)關(guān)系有P1/C1、C5、C6、P2/C2、C4、C5、C7等。(3)布局包括存在于相同類型的空間圖形和不同級別上的元件之間的布局關(guān)系，其中P1包括P2和P3。 另外，2.2.3多邊

11、形向量編碼、一個區(qū)域或地理圖可以劃分成許多多邊形，其中每個多邊形由一個或多個弧段組成，每個弧段由一系列規(guī)律的x、y坐標對構(gòu)成，其中每個弧段的兩端都是節(jié)點，并且每個節(jié)點都是節(jié)點多邊形向量編碼主要由空間圖形為多邊形、特征值為4的多邊形為條4圓弧段構(gòu)成，其文件查詢密碼坐標為： x18、y18；x19、y19； x9、y9； x8、y8； x7、y7； x20、y20； x21、y21； x22、y22； x23、y23； x24、y24； 簡稱為x18、y18、2.2.4 DIME構(gòu)造、雙重獨立地理圖查詢密碼、DIME構(gòu)造(雙從屬映射編碼)。 這是美國人口調(diào)查局為了人口調(diào)查目的而制定的拓撲分析編碼方

12、法，將幾何測量信息(垂直角坐標)和拓撲分析邏輯信息結(jié)合在一起。 DIME文件的基本元素是連接兩個端點(節(jié)點)的直線(街段)、直線的起點和終點的標識符、這些個帶有兩個節(jié)點的坐標、直線兩側(cè)的區(qū)域查詢密碼(左電話區(qū)號和右電話區(qū)號)。 從節(jié)點標識符和節(jié)點坐標創(chuàng)建節(jié)點坐標文件。 基于節(jié)點、線段和多邊形之間的拓撲分析關(guān)系創(chuàng)建拓撲分析文件。 在這樣的結(jié)構(gòu)中，線通常被視為直線型，復(fù)雜曲線由接近曲線的一系列直線段表示。 節(jié)點與節(jié)點之間或區(qū)域與區(qū)域之間位于相鄰關(guān)系，節(jié)點與區(qū)段之間或區(qū)域與區(qū)段之間位于關(guān)聯(lián)關(guān)系。2.3地理數(shù)據(jù)的顯式和隱式表示、2.4矢量與網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較、矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲量小、空間位置精度高的網(wǎng)

13、絡(luò)連接法可完全描述拓撲分析關(guān)系的輸出，細節(jié)、精確、美觀可檢索圖形及其屬性， 更新和綜合數(shù)據(jù)構(gòu)造復(fù)雜，取得數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模擬困難，多種地理圖的重合分析困難，不能直接處理數(shù)字成像信息的空間分析，邊界復(fù)雜，曖昧的難以記述數(shù)據(jù)輸出，費用高， 網(wǎng)格數(shù)據(jù)存儲量大空間位置精度低網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系的輸出速度快，但圖紙粗糙，不美觀的面狀數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，快速取得大量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模擬方便，多種地理圖的重合分析方便，能夠直接處理數(shù)字成像信息的空間分析容易， 邊界復(fù)雜模糊的事物技術(shù)開發(fā)費用低，3 .地理信息系統(tǒng)的地理基礎(chǔ)3.1地圖投影概念3.2地圖投影基本要素3.3地圖投影變形3.4地圖投影分類3.5一些主要心理投射類型3.

14、6地理信息系統(tǒng)的地圖投影修訂和配置3.7地圖投影在中國GIS的應(yīng)用，3.1地圖投影概念， 確立平面上的點和地球表面上的點的函數(shù)關(guān)系用數(shù)碼方式來表現(xiàn)這個關(guān)系的是平面坐標、球面地理座標、3.2 .地圖投影基本要素、3.2.1地球形狀、大小3.2.2大地坐標系3.2.3心理投射坐標系3.2.4子午環(huán)曲率半徑， 將海平面延伸至大陸下方，形成了包圍整個地球的連續(xù)表面： (2)橢球體元素體扁平率：第一偏心率：第二偏心率：不同資料，a，b不同52年前使用了福特，53年前使用了克拉索夫斯牛鼻子。3.2.2大地坐標系，(1)54年北京牌坐標系在東北黑龍江國境與蘇聯(lián)的大地網(wǎng)絡(luò)連測，通過大地坐標補正算推定北京牌點的

15、坐標，北京牌坐標系是蘇聯(lián)42年坐標系的延長，其原點在蘇聯(lián)的普爾科沃。 (2)80年西安坐標系78年4月召開“全國天文大地網(wǎng)平差會議”，80年建立西安坐標系，其原點位于西安西北永樂鎮(zhèn)，簡稱西安原點。 橢球體殘奧計是75年國際大地測量和地球物理聯(lián)合會第16界大會的推薦值。(3)新的54年北京牌坐標系將全國大地網(wǎng)絡(luò)整體平均化的結(jié)果整體換算成克拉科夫牛鼻子橢球體，形成新的坐標系，稱為新的54年北京牌坐標系，其與80年國家大地坐標系的軸向基準相同，網(wǎng)絡(luò)點精度相同。 (4)在WGS84坐標系GPS定位中，定位結(jié)果屬于WGS84坐標系，坐標系原點位于重心，z軸指BIH1984.0協(xié)議地極(CTP )。 3.2.3心理投射坐標系、(1)相對于用戶坐標系用戶指定的二維坐標系，與實際的地上物的對位無關(guān)。 (2)地理坐標系的經(jīng)度起點是英吉利的格林尼治，以東為正，緯度是赤道以北為正。 (3)心理投射平面正交坐標系是將地球球面與平面心理投射而設(shè)定的坐標系，例如高斯心理投射坐標系。 (4)地心坐標系三次元球心空間坐標系，原點位于球心，在垂直角坐標(x，y，z )或用角度和標高表示的(b，l，h )中，b，l分別是緯度和經(jīng)度。3.2.4子午圈曲率半徑、酉圈曲率半徑、緯圈半徑、