地理信息系統(tǒng)原理課件

地理信息系統(tǒng)：(geographicInformationSystem)

具有對地理信息進行采集、存儲、管理、分析和再現(xiàn)功能，并能回答用戶一系列問題的系統(tǒng)。（智能性，專家系統(tǒng)）簡單理解：GIS=CAD+Database+SpatialAnalysis初識地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)概述CAD下全國地圖數(shù)字地圖空間與屬性數(shù)據(jù)顯示

專題圖制作②---結(jié)果圖–中國4個年份糧食產(chǎn)量比較GIS應用—虛擬規(guī)劃

普通地圖制圖---1:2000國家標準地形圖整飾GIS應用—道路三維設(shè)計瀏覽GIS應用－空間查詢GIS應用－剖面分析

因此，GIS是在計算機硬件支持下采集、存儲、管理、檢索、和綜合分析各種地理信息，以多種形式輸出數(shù)據(jù)和圖形產(chǎn)品的計算機系統(tǒng)。其外觀表現(xiàn)是計算機硬件系統(tǒng)，內(nèi)涵卻是一些計算機程序和各種地理數(shù)據(jù)組織而成的現(xiàn)實空間信息模型。

GIS就是要以地理信息世界模擬表達地理現(xiàn)實世界，通過信息聯(lián)系反映出客觀實體間的聯(lián)系，對客觀世界的事物、關(guān)系和過程進行描述、分析和仿真。3.GIS的特點

a.多方式采集、管理、輸出地理數(shù)據(jù)；

b.空間分析能力，支持決策服務；

c.地理空間數(shù)據(jù)的實驗場，無損失模擬。

§1.1地理信息系統(tǒng)基本概念一、數(shù)據(jù)與信息數(shù)據(jù)是信息的表達，信息則是數(shù)據(jù)的內(nèi)容。數(shù)據(jù)：是用以記錄信息的原始材料?？梢允菙?shù)字、文字、符號、圖象等形式。信息：是數(shù)據(jù)的涵義，對數(shù)據(jù)的解譯。數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理

信息數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)進行收集、篩選、排序、歸并、轉(zhuǎn)換、檢索、計算、分析、模擬、預測等操作。目的：（1）轉(zhuǎn)換成便于觀察、分析、傳輸和進一步處理的形式；（2）加工成對管理、決策有用的數(shù)據(jù)；（3）編輯后存儲起來，供不斷使用。1.2地理信息與地理信息系統(tǒng)1.地理信息（GeographicInformation）:

是表征地理環(huán)境中固有要素或?qū)嶓w的數(shù)量、質(zhì)量、分布、聯(lián)系和規(guī)律等的數(shù)字、文字、圖形和圖象等的總稱。

特性：

1）地理信息屬于空間信息，是與其空間位置（空間坐標）相聯(lián)系的。

2）地理信息具有多維特征：第三維（屬性連接碼）、第四維（時間）另有定義：～是以地球表面空間位置為參照的自然、社會和人文經(jīng)濟景觀數(shù)據(jù)。2.地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）多種定義概念框架用戶界面系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)輸入（建庫）空間數(shù)據(jù)處理分析產(chǎn)品生產(chǎn)和輸出（1）GIS的表現(xiàn)：外在表現(xiàn)為計算機系統(tǒng)，內(nèi)部由數(shù)據(jù)及若干子系統(tǒng)構(gòu)成；（2）操作對象：空間數(shù)據(jù)。每一地理目標都要按統(tǒng)一的地理坐標進行編碼，實現(xiàn)對其定位、定性、定量和拓撲關(guān)系描述。（根本區(qū)別，難點所在）（3）GIS的優(yōu)勢：獨特的空間查詢、空間分析能力，可視化表達，地理過程的演化模擬和決策支持。3.GIS分類(ClassesofGIS)：按研究內(nèi)容分：（1）專題GIS(ThematicGIS)：具有有限目標和行業(yè)特點的GIS系統(tǒng)。

如礦產(chǎn)資源、森林動態(tài)監(jiān)測、作物估產(chǎn)、水土流失等信息系統(tǒng)。（2）綜合GIS(GeneralGIS)：以全球、區(qū)域綜合研究和全面信息服務為目標的GIS。

如城市、流域GIS。特點：數(shù)據(jù)項目多，信息齊全。按研究范圍分：（1）全球性GIS；（2）區(qū)域性GIS按使用的數(shù)據(jù)模型分：（1）矢量；（2）柵格；（3）混合型§1.2GIS的基本構(gòu)成(硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)，應用人員，應用模型)1.2.1GIS硬件系統(tǒng)(HardwareSystem)1.桌面GIS(DesktopGIS)：

高檔微機+必要數(shù)據(jù)輸入/輸出設(shè)備

輸入：數(shù)字化儀，掃描儀，解析或數(shù)字攝影測量儀

輸出：顯示器，繪圖儀，打印機2.網(wǎng)絡(luò)GIS(WebGIS)：

服務器+客戶機+網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1.2.2GIS軟件系統(tǒng)(GISSoftware)系統(tǒng)軟件（Windows/unix)，數(shù)據(jù)庫軟件(Access,Oracle),GIS專業(yè)軟件（用于各種應用系統(tǒng)建設(shè)）圖1-8

數(shù)據(jù)輸入與編輯模塊（ModelofDataInput&Editing)：將地圖、文本、遙感、航片、GPS等數(shù)據(jù)錄入地理數(shù)據(jù)庫，進行必要編輯。

地理數(shù)據(jù)庫管理模塊(ModelofGeographicDatabaseManagement)：管理點、線、面實體及其空間關(guān)系；必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理?？臻g查詢與分析模塊(ModelofSpatialQuery&Analysis)：圖、屬查詢；空間指標量算；支持各種空間分析。用戶接口(UserInterface)：接受和運行用戶指令（菜單）數(shù)據(jù)輸出與表達模塊(ModelofDataI/O)：根據(jù)用戶要求將GIS內(nèi)數(shù)據(jù)分析處理，以各種方式提交用戶（地圖，表格，數(shù)字，文字，影像）。二次開發(fā)環(huán)境：可編寫復雜的GIS應用系統(tǒng)。1.2.3空間數(shù)據(jù)一、空間數(shù)據(jù)的三個特征空間特征：位置，相互關(guān)系屬性特征：名稱，類型，數(shù)量等時間特征：變化二、空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)化存儲的空間數(shù)據(jù)集。（數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）三、空間與屬性數(shù)據(jù)的連接、查詢、管理1.混合式：分別存儲，表示碼（ID）連接；2.擴展式：通過GeoSQL訪問RDBMS；3.開放式：用專門DBMS統(tǒng)一管理空間和屬性數(shù)據(jù)；四、GIS從業(yè)人員（1）GIS開發(fā)人員：基礎(chǔ)平臺開發(fā)；二次開發(fā)。（2）GIS應用人員：數(shù)據(jù)--->結(jié)果五、應用模型為專一應用目的，而建立的數(shù)學模型。專業(yè)性極強?！?.3GIS的功能簡介一、基本功能（數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析和輸出）1.數(shù)據(jù)采集與編輯

將各專題層的實體轉(zhuǎn)化為x、y坐標及相應的代碼存入計算機。2.數(shù)據(jù)存儲與管理屬性數(shù)據(jù)管理空間數(shù)據(jù)管理3.數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)變換；數(shù)據(jù)重構(gòu)；數(shù)據(jù)抽取。4.空間分析與統(tǒng)計疊置:同一地區(qū)兩個不同數(shù)據(jù)層相疊合，產(chǎn)生新的空間特征和屬性合并；緩沖區(qū)建立：對點、線、面自動建立緩沖多變形，分析臨近性；數(shù)字地形分析：構(gòu)造DEM，分析坡度、斷面、面積、容積，通視等；空間集合分析：布爾邏輯運算5.產(chǎn)品制作與顯示GIS產(chǎn)品：處理、分析獲得的圖、表、文字等；6.二次開發(fā)環(huán)境編程中調(diào)用GIS的命令、函數(shù)；提供專門的功能控件，供可視化開發(fā)語言調(diào)用。二、應用功能資源管理區(qū)域規(guī)劃國土監(jiān)測輔助決策§1.4GIS的發(fā)展一、發(fā)展史:60年代(開拓期):第一個GIS建立;70年代(鞏固期)：相關(guān)理論、技術(shù)發(fā)展；

80年代(發(fā)展期):我國85年成立資環(huán)信息系統(tǒng)國家重點實驗室;90年代后(用戶時代):各地區(qū)紛紛建立GIS系統(tǒng).二、目前:

向集成化、產(chǎn)業(yè)化、和社會化發(fā)展：1.GIS已成為一門綜合性技術(shù)：3S；其他技術(shù)2.GIS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢頭強勁3.GIS網(wǎng)絡(luò)化成為社會熱點4.地理信息科學的產(chǎn)生GeomaticsGeoinfomatics3.將來:GIS的大眾化：隨著GIS日益融入人們生活,“GIS的發(fā)展將來就是沒有GIS”.§1.5GIS與其他學科的關(guān)系

除軟硬件和數(shù)據(jù)外，需要人進行系統(tǒng)管理、維護、數(shù)據(jù)更新、擴充完善、應用開發(fā)，提取多種信息為決策服務。他們應該具備良好的測繪、遙感、地理、計算機技術(shù)和應用科學的基礎(chǔ)知識，處理各類復雜技術(shù)為題的經(jīng)驗，較強的決策指揮能力。（1）地理學及其分支（測量學、地圖學等）為GIS提供理論依托;

（2）計算機制圖為GIS的圖形處理和輸出提供理論支持;地圖強調(diào)圖形顯示與符號化;GIS強調(diào)空間分析.

（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用于存儲、管理和查詢非圖形的屬性數(shù)據(jù)；（4）遙感與攝影測量是GIS的主要信息源之一和數(shù)據(jù)更新途徑;

（5）大地測量為GIS提供精確的控制信息,特別是GPS可快速、廉價地獲取地面點的數(shù)字位置信息；（6）計算機科學的發(fā)展使GIS的實現(xiàn)成為可能。計算機圖形學、人工智能的支持。（7）數(shù)學：幾何學、邏輯代數(shù)、圖論、空間統(tǒng)計學。遙感影像與地形圖疊加GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

（DataStructureofGIS)§2.1地理空間及其表達§2.1空間實體的表達

地理實體（抽象表達）點、線、面、曲面、體

根據(jù)對點（實體的最基本元素），可以有矢量表示法與柵格表示法：點（Point,0維）：一對坐標（x,y)和至少一個屬性，邏輯上不能再分（幾何點或抽象點）。

如：道路交叉點，小比例尺地圖上的城市，LANDSAT影象上一個點（像元）為實地79*79m的區(qū)域。線（Line,1維）：一個（x,y)坐標對序列，表示具有相同屬性（至少一個）的點的軌跡。面（Surface,2維）：由坐標對序列或邊集表示的具有相同屬性的點的集合。面內(nèi)每個點至少具有一個相同的屬性。如土壤、植被、行政區(qū)等。§2.2地理（空間）數(shù)據(jù)的及其特征一.GIS的空間數(shù)據(jù)(SpatialData)：是有關(guān)地理實體在幾何空間中的位置和空間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)。

（GIS的操作對象，建立GIS的第一步）類型：（1）地圖數(shù)據(jù)：普通，專題。精度高；（2）影像數(shù)據(jù)：衛(wèi)片，航片。多時相，多光譜，多分辨率；（3）地形數(shù)據(jù)：DEM等；（4）屬性數(shù)據(jù)：來源于調(diào)查、實測、資料、解譯等；（5）元數(shù)據(jù)：有關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的有用的描述；二.空間數(shù)據(jù)的基本特征包括三個相互聯(lián)系的方面：定位數(shù)據(jù)，拓撲關(guān)系，屬性特征。（統(tǒng)稱為地理空間數(shù)據(jù)/地理數(shù)據(jù)）1、定位數(shù)據(jù)（PositioningData,某坐標系下）：

點(Point)：（x，y）；線(Line)：（x1，y1）,(x2,y2)…,(xn，yn）

面(Surface)：坐標對序列或邊集表示的閉合多邊形。2、實體間的拓撲關(guān)系

(TopoRelationshipbetweenSpatialEntitIes)拓撲關(guān)系：描述具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空間實體之間的相關(guān)性，用于網(wǎng)絡(luò)分析。包括：（1）拓撲鄰接：

同類元素間；點、線、面的各自鄰接關(guān)系（圖2－6）（2）拓撲關(guān)聯(lián)：不同元素之間的關(guān)聯(lián)。如：點與弧段的關(guān)聯(lián)；多邊形與弧段的關(guān)聯(lián)（3）拓撲包含：同類但不同級元素之間的包含。簡單包含；多層包含；等價包含（圖2－7）結(jié)點、弧段、多邊形之間拓撲關(guān)系表達

結(jié)點

弧段N1N2N3…C1,C3,C6C1,C2,C5C2,C3,C4…弧段起結(jié)點終結(jié)點左多邊形右多邊形C1C2C3…N2N3N1…N1N2N3…???…P1P2P3…

多邊形

弧段P1P2P3…C1,C6,-C5C2,C5,C4,C7C3,-C4,-C6…N2N1N3N5N4C1C3C6C4C5C7C2P1P2P3P4區(qū)域定義(AreaDefiniting)：由一組線來定義多邊形。（比用坐標對序列好）

多邊形鄰接性(Adjacency)判斷1）判斷兩多邊形是否鄰接，及其公共邊界；2）判斷組成某多邊形的所有邊界。

弧段連通性(Connectivity)判斷

對弧段連通性的判斷，有助于路徑搜尋和網(wǎng)絡(luò)分析。1）與某弧段連通的兩結(jié)點的判斷；2）與某結(jié)點連接的所有弧段的判斷；3）回路構(gòu)成判斷3、實體的非幾何屬性(Non-geometricAttributeofEntities)

對地理實體的有意義信息的描述。通常是給每個實體及其屬性數(shù)據(jù)賦予一個公共識別符使之聯(lián)系起來。屬性分為定性描述與定量描述兩種。

1）屬性數(shù)據(jù)的重要性：屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)是GIS中緊密聯(lián)系的兩部分內(nèi)容。在屬性數(shù)據(jù)的支持下，空間數(shù)據(jù)就不再是僅具有幾何意義的圖形或像元，而是有地理意義的地理實體。地理分析、地理統(tǒng)計等空間操作都是通過屬性數(shù)據(jù)（與圖形數(shù)據(jù)的結(jié)合與聯(lián)系）而得以實現(xiàn)的。2）屬性數(shù)據(jù)的獲得：統(tǒng)計，觀測，分類編碼，遙感影像分類提取等.。3）屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的聯(lián)接：通過相應圖素（點，弧段，多邊形）的編號與圖形建立聯(lián)系。屬性數(shù)據(jù)的內(nèi)容要么直接記錄在圖形數(shù)據(jù)中，要么單獨以某種結(jié)構(gòu)存儲，通過指針或關(guān)鍵碼與圖形數(shù)據(jù)連接。4）屬性數(shù)據(jù)的編碼：為便于存儲和管理，可以對屬性數(shù)據(jù)進行必要的編碼。使之管理效率高，盡量專業(yè)化、標準化，便于共享和擴展。三、空間數(shù)據(jù)的計算機表示§2.3空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念：

是指計算機存儲、管理和處理地學圖形的邏輯結(jié)構(gòu)?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本類型：

矢量結(jié)構(gòu)：面向地物。每個目標都直接賦有位置、屬性和拓撲。

柵格結(jié)構(gòu)：離散點，沒有直接建立位置與地物的關(guān)系。要建立地物，需遍歷柵格矩陣查找。不能建立拓撲關(guān)系。

（混合結(jié)構(gòu)）正研制：柵格-矢量一體化結(jié)構(gòu)

一、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過記錄坐標，用點、線、面等基本要素精確地表示各種地理實體。

（由于線段由具有起、終點坐標的線段組成，具有方向性，故稱為矢量結(jié)構(gòu)）。1.簡單結(jié)構(gòu)(坐標序列法)（1）以點、線、面為單元組織數(shù)據(jù)。直觀，數(shù)字化簡單（面條結(jié)構(gòu)）；（2）公共邊界數(shù)字化和存儲兩次，冗余和不一致；（3）點、線、面有各自的各自的數(shù)據(jù)，無拓撲關(guān)系。2、拓撲結(jié)構(gòu)特點：點相互獨立，點連成線，線連成面。定義：

弧段：構(gòu)成多邊形的線。是數(shù)據(jù)組織的基本對象。

結(jié)點：兩條以上弧段相交的點。

島：一條弧段構(gòu)成的多邊形。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

弧段：弧段標識碼，F(xiàn)N，TN，LP，RP

結(jié)點：結(jié)點號，坐標，與該結(jié)點連接的弧段標識碼

多邊形：多邊形標識碼，組成該多邊形的弧段標識碼拓撲編輯（多邊形連接，結(jié)點連接）（1）多邊形編輯（以P1為例）算法：在弧段文件中，檢索出與P1相關(guān)的所有記錄；調(diào)整弧段方向（起、終點），使之能順時針連接；以任一結(jié)點開始，順序連接各結(jié)點，使能閉合。（2）結(jié)點編輯（以N2為例）算法：在弧段文件中，檢出與N2相關(guān)的所有記錄；將相關(guān)弧段調(diào)整為以N2為終點；（方向變化的弧段同時調(diào)整左右多邊形位置）；以任一多邊形開始，順序排列各多邊形，并能回到起始多邊形。3.曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)曲面：連續(xù)分布的地理現(xiàn)象的覆蓋表面。存儲要求：便于在任一點的內(nèi)插計算。常用結(jié)構(gòu)：TIN（TriangulatedIrregularNetwork）（圖2－14）原理：每個三角形可視為一平面，其方程由三個頂點的空間坐標（xi,yi,zi)決定。用Z軸表示現(xiàn)象的屬性（如地形高程）。在三角形任一邊上可進行內(nèi)插，以便自動繪制等高線，分析坡度，計算填挖方，進行通視分析，建立DEM等。二、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.柵格結(jié)構(gòu)：將空間分割成正方形網(wǎng)格,每網(wǎng)格為一像元，其空間位置用行、列表示，像元值為其屬性代碼。（簡單直觀）（如：遙感數(shù)據(jù)，掃描數(shù)據(jù)，DEM）2.柵格結(jié)構(gòu)中點、線、面的表示

點：一個像元。其值與臨近網(wǎng)格值明顯不同；

線：用一串有序的相互連接的像元表示。這些像元值相同或差異較小，與臨域網(wǎng)格值差異較大。

面：具有相同屬性的相鄰像元的集合。內(nèi)部像元值相同或差異較小，與臨域網(wǎng)格值差異較大。3.柵格邊長的確定：網(wǎng)格邊長決定柵格數(shù)據(jù)的精度。過大丟失信息，過小數(shù)據(jù)量太大。一般以保證最小多邊形的精度為標準。設(shè)研究區(qū)最小圖斑面積A，對于邊長為H的網(wǎng)格，該圖斑肯可能丟失；而當取H/2時，能很好表示。故取H為A的平方根的一半。照此，生成的柵格數(shù)據(jù)圖與原圖的比較4.柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的幾種類型（1）柵格矩陣（無壓縮）（2）鏈碼：用起點和一系列在基本方向上的走步來描述線或邊界。（3）游程編碼：將相鄰等值的像元合并，記錄屬性和游程。（通過解碼，可以恢復為原始的柵格矩陣格式）索引文件有助于屬性的快速查找（屬性+游程長度）（屬性+終止列號）（4）四叉樹：將圖象按四個象限遞歸劃分，直到屬性單一。建立四叉樹的兩種方法自上而下（top－down，逐層細分）要點：先檢測全區(qū)域，值不單調(diào)時四分，直到單調(diào)為止。對于一個n×n的方陣區(qū)域，四個子象限為：（檢測、運算量大，速度慢）自下而上（bottom－up，逐層集化）要點：按下圖所示順序檢測各個網(wǎng)格，如4個網(wǎng)格值相同，則合并；反之，作為四個葉結(jié)點記錄。依次逐層向上，直到根結(jié)點。四叉樹存儲方法常規(guī)四叉樹存儲6個量：4個子結(jié)點指針，1個父結(jié)點指針，1個結(jié)點值。線性四叉樹存儲3個量：地址，深度，結(jié)點值。Addres(I,j)=2*I(B)+j(B)（5）八叉樹和十六叉樹用于表示三維數(shù)據(jù)或四維數(shù)據(jù)。八叉樹結(jié)構(gòu)將空間區(qū)域不斷分為八個同樣大小的區(qū)域，直到同一區(qū)域的屬性單一為止。（圖）常規(guī)八叉樹存儲10個量：8個子結(jié)點指針，1個父結(jié)點指針，1個屬性值。線性八叉樹存儲2個量：地址，屬性值。b.十六叉樹結(jié)構(gòu)三、矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、概念：在數(shù)字化線狀實體時，除記錄原始取樣點外，還記錄所通過的柵格；面狀地物除記錄邊界外，還記錄中間包圍的柵格。既保證了矢量的特性，還具有柵格的性質(zhì)。辦法：將有點、線通過的基本柵格，再細分為256×256的細格網(wǎng)，用于確定點、線的精確位置。（圖）編碼表示：基本格網(wǎng)和細分格網(wǎng)都采用線性四叉樹的編碼方式，將點和線性目標與網(wǎng)格的交點用兩個Morton碼表示。M1表示點與所在基本網(wǎng)格的地址碼；M2表示點對應的細分網(wǎng)格的Morton碼。即，將x、y坐標轉(zhuǎn)換為兩個Morton碼。2、矢柵一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）點狀目標與結(jié)點：只有位置。（2）線狀目標與弧段將其通過的柵格地址全部記錄下來。（3）面狀目標的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過關(guān)聯(lián)弧段與弧段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的連接，可建立多邊形與弧段間的拓撲；中間包圍的柵格采用四叉樹和二維行程編碼表示。四、矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較1）矢量結(jié)構(gòu)精度高；存儲量小；易建拓撲關(guān)系，擅長管理線狀地物和拓撲關(guān)系搜索，易于網(wǎng)絡(luò)分析；空間位置表達明顯，屬性隱含；圖形顯示質(zhì)量好。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜，疊加操作困難，空間分析能力較差。（2）柵格結(jié)構(gòu)精度稍低；圖形數(shù)據(jù)量；難于建拓撲；屬性表達明顯，位置隱含；圖形顯示的可視性不如矢量。但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易于與遙感、攝影數(shù)據(jù)結(jié)合，空間操作與分析容易，有發(fā)展?jié)摿?。?.4空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的建立根據(jù)確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，輸入數(shù)據(jù)，形成空間數(shù)據(jù)庫。一、系統(tǒng)功能與數(shù)據(jù)的關(guān)系一定的系統(tǒng)功能需要一定的相關(guān)數(shù)據(jù)（層）。（表2－8）二、空間數(shù)據(jù)的分類與編碼分類：將不同屬性或特征的要素，從邏輯上分為不同的信息層進行管理。分類原則：圖形原則：分為點、線、面對象原則：區(qū)別不同的地理對象我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分類：八大類，再細分小類、一級類、二級類。2.空間數(shù)據(jù)的編碼將數(shù)據(jù)分類的結(jié)果，用代碼表示。利于計算機存儲和利用。如：我國基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)分類代碼：3.矢量數(shù)據(jù)的輸入與編輯矢量數(shù)據(jù)輸入的過程實際上矢產(chǎn)生和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相適應的GIS空間數(shù)據(jù)的過程，即將經(jīng)分類和編碼的地理要素的圖形，轉(zhuǎn)換為一系列x，y坐標，按照確定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式，加入到線段或點的計算機文件中去。輸入方法有：手扶跟蹤數(shù)字化掃面矢量化解析測圖儀其他數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換輸入。矢量數(shù)據(jù)的編輯：修正數(shù)字化過程中的錯誤，將數(shù)字化數(shù)據(jù)重新組織以便利用。多工序編輯檢查：目視檢查：明顯錯誤機器檢查：拓撲檢查圖形檢查：蒙在原圖上檢查4.柵格數(shù)據(jù)的輸入與編輯柵格數(shù)據(jù)輸入過程是產(chǎn)生和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相適應的GIS空間數(shù)據(jù)的過程。方法有：

透明網(wǎng)格采集輸入；掃描數(shù)字化輸入；其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸入（如：矢－>柵）。透明網(wǎng)格采集輸入簡介

空間數(shù)據(jù)的處理空間數(shù)據(jù)處理：是GIS的重要功能之一；取決于原始數(shù)據(jù)的特點和用戶要求；一般包括：數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)重構(gòu)、數(shù)據(jù)提取等。數(shù)據(jù)變換：數(shù)據(jù)從一種數(shù)學狀態(tài)到另一種數(shù)學狀態(tài)的變換。如幾何糾正；投影變換；輻射糾正等。數(shù)據(jù)重構(gòu)：從一種格式到另一種格式的轉(zhuǎn)換。如格式轉(zhuǎn)化，類型轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)提?。簩?shù)據(jù)進行有條件的提取。如窗口提取，空間內(nèi)插等。§3.1空間數(shù)據(jù)的坐標變換實質(zhì)：建立兩個平面點之間的一一對應關(guān)系。轉(zhuǎn)換的誘因一、幾何糾正目的：數(shù)字化數(shù)據(jù)的坐標系轉(zhuǎn)換和圖紙變形誤差的糾正。仿射變換：假設(shè)地圖在x、y方向的變形都不相同，而進行的變換。具有圖紙變形的糾正功能。坐標變換公式：簡化公式待定系數(shù)的確定原理：通過4個（至少3個）控制點，用最小二乘原理確定。二、投影變換地圖來源于不同的投影時。方法有：（1）正解變換：直接建立（x，y）到（X，Y）的解析關(guān)系式；（2）反解變換：（x，y）到（B，L）再到另一投影的（X，Y）；（3）數(shù)值變換：通過若干同名點，用待定系數(shù)等方法；§3.2空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換一、矢量向柵格的轉(zhuǎn)換基于弧段文件的柵格化方法（1）數(shù)據(jù)管理（矢量數(shù)據(jù)的柵格條帶分割）（2）轉(zhuǎn)換計算（x，y－>I，J）2.基于多邊形數(shù)據(jù)的柵格化方法（1）檢驗夾角之和（2）檢驗交點數(shù)二、柵格向矢量的轉(zhuǎn)換基于圖象數(shù)據(jù)的矢量化方法（1）二值化在最大與最小灰度間定義一個閾值，大于閾值賦1，否則0（2）細化使每條線只保留代表其軸線的單個柵格寬度，稱為“剝皮”。從邊緣向內(nèi)剝皮時，注意不要剝?nèi)е戮€段不連通的柵格。（3）跟蹤：將細化后的柵格整理成線段，并以矢量形式存儲特征柵格中心點的坐標。2.基于再生柵格數(shù)據(jù)的矢量化方法（1）識別外邊界（2）追蹤外邊界§3.3多源空間數(shù)據(jù)的融合多源數(shù)據(jù)：地理數(shù)據(jù)的多語義性，多時空性，多尺度性，獲取手段、存儲格式的多樣性，數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)的差異。一、遙感與GIS數(shù)據(jù)的結(jié)合用遙感影響輔助GIS獲取和更新數(shù)據(jù)。（1）遙感圖象與圖形的融合生成影像地圖：有數(shù)學基礎(chǔ)，既有豐富得光譜信息和幾何信息，又有行政界線和屬性信息，可視化效果較好。（2）遙感數(shù)據(jù)與DEM的融合有助于提高遙感圖像的校正精度與分類精度。（3）遙感圖象與DRG融合快速發(fā)現(xiàn)已變換的區(qū)域，更新GIS庫。二、不同格式數(shù)據(jù)的融合不同的GIS軟件使用不同的空間數(shù)據(jù)格式：ESRI公司：ARC/INFOCoverage,ArcShapefiles,E00格式；Autodesk公司：DXF、DWG格式；MapInfo公司：tab、MIF格式……（1）基于轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)融合（圖3－18）通過交換格式。（數(shù)據(jù)格式需要公開）（2）基于數(shù)據(jù)標準的融合（圖3－19）制訂統(tǒng)一的、標準的數(shù)據(jù)交換格式。（3）基于公共接口的數(shù)據(jù)融合圖3－20（4）基于直接訪問的數(shù)據(jù)融合（圖3－21）在一個軟件中實現(xiàn)對其它軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問?！?.4空間數(shù)據(jù)的壓縮與綜合一、空間數(shù)據(jù)的壓縮1.數(shù)據(jù)壓縮為了提高存儲與處理的效率。從空間數(shù)據(jù)集中抽出一個子集作為新的數(shù)據(jù)源，使在規(guī)定的精度內(nèi)最好的逼近原集合，又保證較大的壓縮比，a=原數(shù)據(jù)量/壓縮后數(shù)據(jù)量。2.曲線上點的壓縮（1）對于自動的抽取兩特征點，建立直線方程：Ax＋By＋C＝0；（2）計算中間任一點的偏差；如大于，記錄并分段進一步處理；（3）循環(huán)進行，直到多余點全部被刪除。3.柵格數(shù)據(jù)的壓縮已介紹二、空間數(shù)據(jù)的綜合當進行專門的數(shù)據(jù)分析時，有時用到,包括圖形的化簡和屬性的歸類。否則輸出結(jié)果將如圖3－24。面域之間界線的刪除算法，如圖3－25?！?.5空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插：通過已知點或分區(qū)的數(shù)據(jù)，推求任一點或分區(qū)的數(shù)據(jù)。一、點的內(nèi)插1.數(shù)據(jù)取樣用數(shù)字化儀在地圖上采集具有特征意義的數(shù)據(jù)點的x、y、z，并入庫（P95）。（地性線）2.數(shù)據(jù)內(nèi)插（1）移動擬合法（P96）DEM（2）雙線性多項式內(nèi)插認為格網(wǎng)構(gòu)成一個雙線性曲面，即插值區(qū)內(nèi)待定點的高程在軸向上與坐標成比例：

Zp＝a0＋a1X＋a2y＋a3xy用4個格網(wǎng)點可求定參數(shù)。再根據(jù)任一點xy求Zp。也可：先根據(jù)網(wǎng)格4個角點內(nèi)插出M、N點的高程，再內(nèi)插出P點高程。（3）雙三次多項式（樣條函數(shù)）內(nèi)插用三次多項式模擬地表面：每個網(wǎng)格點確定4個方程，共16個3.數(shù)據(jù)記錄將內(nèi)插結(jié)果（格網(wǎng)或三角網(wǎng)數(shù)據(jù)）按一定結(jié)構(gòu)存儲。二、區(qū)域的內(nèi)插根據(jù)一組分區(qū)（源區(qū)）的已知數(shù)據(jù)來推求同一地區(qū)另一組分區(qū)（目標區(qū)）未知數(shù)據(jù)的內(nèi)插方法。疊置法將源區(qū)與目標區(qū)疊合，確定交集，計算目標區(qū)各個分區(qū)的內(nèi)插值：2.比重法（1）設(shè)置格網(wǎng)，將源區(qū)屬性細化到各個網(wǎng)格；（2）計算相鄰4個網(wǎng)格的平均值作為新的網(wǎng)格值；（3）調(diào)整各區(qū)網(wǎng)格值，使其和與原來各區(qū)值相等或接近；（4）按目標區(qū)統(tǒng)計內(nèi)插值。如:（3）A區(qū)：Us＝35，Us’＝33.2P＝1.054（4）1區(qū)：V1=5.5+5.3+5.5+5.2+4.5=26§3.6圖幅數(shù)據(jù)邊沿匹配處理目的：將分幅數(shù)字地圖拼接，以便加入大型數(shù)據(jù)庫，或輸出較大范圍的圖形。由于數(shù)字化誤差等原因，邊沿需要處理。

過程：（next）一、識別和檢索相鄰圖幅的數(shù)據(jù)在相鄰兩圖幅間進行。用圖幅編號來控制。為減小調(diào)入的數(shù)據(jù)量，一般只提取邊界2cm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)作為匹配的目標。二、相鄰圖幅邊界點坐標數(shù)據(jù)的匹配1、可以匹配銜接的弧段：邊界兩條弧段的左右碼相同或相反；同名邊界點坐標在一定范圍內(nèi)。2、匹配方法以一條弧段（鏈）為單元處理。當邊界點位于兩結(jié)點之間時，分別取出兩相關(guān)結(jié)點，按結(jié)點間線段鏈方向的一致性進行數(shù)據(jù)的記錄與存儲。三、相同屬性多邊形公共邊界線的刪除方法§3.4中已介紹。

地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫§4.1空間數(shù)據(jù)庫概述一、空間數(shù)據(jù)庫概念是GIS中存儲的與應用相關(guān)的地理空間數(shù)據(jù)的總和。（是GIS基本且重要的組成部分）數(shù)據(jù)庫＝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)（1）常規(guī)DBMS進行擴展，使有空間數(shù)據(jù)存儲、管理功能；（Oracle）（2）常規(guī)DBMS基礎(chǔ)上加一層空間數(shù)據(jù)庫引擎。（ESRI的SDE（SpatialDatabaseEngine））二、空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計實質(zhì)：如何將地理實體以一定組織形式在數(shù)據(jù)庫中表達。即空間實體數(shù)據(jù)的模型化問題?？臻g數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程客觀世界－（認識、抽象）－>概念模型概念模型－（選定數(shù)據(jù)模型、DBMS）－>邏輯模型邏輯模型－（確定數(shù)據(jù)組織方式）－>存儲模型2.概念模型（空間特征，關(guān)系描述）（1）空間特征：點、線、面、體四種基本類型；（2）實體在空間、時間、屬性三方面存在聯(lián)系：空間聯(lián)系：空間位置、分布、關(guān)系、運動等；時間聯(lián)系：客體隨時間變化，可構(gòu)成時態(tài)數(shù)據(jù)庫；屬性關(guān)系：屬性多級分類中的從屬關(guān)系、聚類關(guān)系、相關(guān)關(guān)系。3.空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型設(shè)計空間數(shù)據(jù)模型：對空間客體進行描述和表達的數(shù)學手段，使之能反應客觀實體及其關(guān)系。常用數(shù)據(jù)模型：層次模型；網(wǎng)狀模型；關(guān)系模型；語義模型；面向?qū)ο竽Ｐ汀?.空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計的原則、步驟*原則盡量減小存儲冗余可變的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)及時訪問,高效查詢能維持空間數(shù)據(jù)的復雜聯(lián)系支持多種決策的需要，適應性強**步驟（1）需求分析（2）概念設(shè)計建立數(shù)據(jù)庫的概念模型；（3）邏輯設(shè)計

把概念模型映射為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型。（4）物理設(shè)計將數(shù)據(jù)庫的邏輯模型在存儲設(shè)備上實現(xiàn)。三、空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)與維護1.空間數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)（1）建立實際的空間數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)；（2）裝入試驗性數(shù)據(jù)測試應用程序；（3）裝入實際空間數(shù)據(jù)，運行。2.空間數(shù)據(jù)庫的運行與維護（1）維護安全性與完整性；（2）監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能；（3）增加新的功能；（4）修改錯誤?！?.2空間數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計

－傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是表達現(xiàn)實世界的規(guī)格化說明，在數(shù)據(jù)庫中用形式化的方法描述數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和操作。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型有：層次、網(wǎng)狀、關(guān)系模型。文件系統(tǒng)的繼承和延伸。正逐漸被復雜的數(shù)據(jù)庫所取代。一、層次模型用樹狀結(jié)構(gòu)描述實體之間聯(lián)系的模型。二、網(wǎng)狀模型用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來表示實體間的聯(lián)系。三、關(guān)系模型用二維表來表達實體和實體之間的聯(lián)系。使得設(shè)計、操縱較為容易。四、三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的比較§4.3空間數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計

—語義模型和面向?qū)ο竽Ｐ蛡鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)模型的弱點：（1）以記錄為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)不能很好面向用戶傳統(tǒng)模型－記錄；現(xiàn)實世界－事務、實體。有時不對應。（2）不能以自然的方式表示實體間的聯(lián)系層次、網(wǎng)狀顯式地描述關(guān)系，但不自然；關(guān)系模型聯(lián)系隱含，必須檢索全部記錄才能確定。（3）語義貧乏用單一結(jié)構(gòu)描述描述“交互”、“從屬”、“構(gòu)成”等眾多聯(lián)系，語義上無法區(qū)別。（4）數(shù)據(jù)類型太少只提供常用的簡單數(shù)據(jù)類型，不能自定義新的數(shù)據(jù)類型。一、語義數(shù)據(jù)模型

－實體聯(lián)系模型（E–R模型）提供三種語義概念：（1）實體：客觀存在的起獨立作用的客體。（2）聯(lián)系：實體間的相互作用或?qū)P(guān)系:1:1,1:N,M:N,（3）屬性：對實體和聯(lián)系特征的描述。用E-R模型進行概念設(shè)計：（1）局部E-R模型（2）全局E-R模型（3）優(yōu)化E－R模型的特點及作用（1）接近人的思維，易于理解，與計算機的具體實現(xiàn)無關(guān)；（2）現(xiàn)有DBMS不能直接支持E－R模型（3）只用于概念模型設(shè)計。在邏輯設(shè)計時再轉(zhuǎn)化為計算機能接受的數(shù)據(jù)模型。二、面向?qū)ο竽Ｐ?、基本思想

按人們通常的思維方式，將各種實體抽象為各類“對象”，并將數(shù)據(jù)和操作（方法）封裝在一起。整個系統(tǒng)只由對象組成，對象之間通過“消息”進行聯(lián)系。使系統(tǒng)很容易重組和擴充。2、相關(guān)概念對象（Object)：實體的抽象（基本元素），封裝了數(shù)據(jù)和操作集的實體。消息（Message）：請求對象執(zhí)行某一操作或回答某些信息的要求。類：描述一組對象的共同特征。類和實體是抽象與具體的關(guān)系。3.對象的性質(zhì)封裝：繼承：某類對象可以自然地擁有另一類對象的某些特征和功能。不必重復實現(xiàn)，減少代碼?！?.4空間數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計與物理設(shè)計一、邏輯設(shè)計從概念模型導出特定的DBMS所支持的數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。二、物理設(shè)計從邏輯模型出發(fā)，研制出一個有效的可實現(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)。步驟：（1）存儲記錄的格式設(shè)計（2）存儲方法設(shè)計（3）訪問方法設(shè)計（4）完整性、安全性考慮（5）應用設(shè)計（6）形成物理設(shè)計說明書§4.5GIS空間時態(tài)數(shù)據(jù)庫一、概述時間、空間的不可分割性：環(huán)境監(jiān)測、地籍管理….辦法：加入時間維－>四維數(shù)據(jù)（時空一體）二、時空一體化數(shù)據(jù)模型1.時間片快照模型用一系列瞬時的地理數(shù)據(jù)來反應地理現(xiàn)象的時空演化過程（矢量快照，柵格快照）。如遙感圖像。缺點：數(shù)據(jù)完全存儲，冗余度大。2.底圖疊加模型類似于地圖修訂方式。思路：先確定空間數(shù)據(jù)初始狀態(tài)（底圖），再按適當?shù)臅r間間隔記錄數(shù)據(jù)變化；通過疊加操作，以變化數(shù)據(jù)恢復各個時間片的狀態(tài)數(shù)據(jù)。每次疊加表示狀態(tài)的一次變化。3.時空合成模型思路：將每次獨立的疊加操作轉(zhuǎn)換為一次性的合成疊加。變化的累積形成最小變化單元，記錄其圖形和屬性。4.全信息對象模型全信息對象：包含空間、時態(tài)和屬性信息的地理對象。全信息對象模型：運用面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)，將對象的空間、屬性隨時間變化的信息封裝。每個全信息對象有多個時態(tài)版本。

空間分析的原理與方法GIS的特點在于－－空間分析GIS不但實現(xiàn)自動制圖，更主要的目的是分析空間數(shù)據(jù)，提供空間決策信息。－－區(qū)別于其他系統(tǒng)的最主要特征?？臻g分析目的：

通過對空間數(shù)據(jù)的深加工，獲取新的信息?？臻g分析：根據(jù)地學原理，通過分析算法，從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對象的空間位置、空間分布、空間形態(tài)、空間演變等信息。常用空間分析方法數(shù)字地面模型分析；空間疊置分析；緩沖區(qū)分析；空間網(wǎng)絡(luò)分析；空間統(tǒng)計分析；空間幾何分析；空間數(shù)據(jù)查詢?！?.1數(shù)字地面模型分析數(shù)字地面模型（DigitalTerrainModel，DTM）以二維平面上有限的離散點來模擬地表某屬性的連續(xù)分布?；跂鸥竦腄TM按等間距規(guī)則采樣（或內(nèi)插）建立的DTM。

DTM＝{Zi,j}Zi,j為柵格結(jié)點（i，j）上的地面屬性。當屬性為高程時，稱為數(shù)字高程模型（DEM）。一、地形因子的自動提取先計算每一地表單元（由相鄰四個網(wǎng)格點確定）的法矢量：（1）標準矢量P的計算（2）基本矢量a、b的計算（3）法矢量n的計算具體應用：1、坡度計算即計算地表單元的法矢量與Z軸的夾角

。2、坡向分析坡向即法矢量在XOY平面上與南（X軸）的夾角

。求出的坡向有與X軸正向與負向之分，要看坡向變量A(j)與B(j)的符號。實用中還可將坡向綜合為平緩坡、陽坡、半陽坡、陰坡，分別以1、2、3、4、表示。3、曲面面積計算單元曲面的面積可用該單元邊的中點所建立的矢量a’、b’即它們所確定的法矢量n’的模來確定：整個曲面的面積為各單元表面積之和。4.地表粗糙度計算用對頂點連線L1與L2中點的高差D來衡量。D越大，說明4個頂點的起伏變化越大。5.高程即變異分析該單元的平均高程：該單元的相對高程：標準差及高程變異：6..谷脊特征分析7..日照強度分析根據(jù)坡度、坡向、太陽變化，計算某點在某時刻的日照強度：8..淹沒邊界計算設(shè)網(wǎng)格邊長x，洪水實際淹沒高程為H，該處平均坡度為

，則相鄰網(wǎng)格的高程一定在H1和H2之間，故小于H2的網(wǎng)格均可作為淹沒區(qū)。以H2為臨界值，對地形進行二值分類：再與土地利用數(shù)據(jù)疊合，即可確定各類土地的淹沒面積。二、地表形態(tài)的自動分類（1）擬定地形分類決策表；（2）根據(jù)DEM數(shù)據(jù)文件，按以下過程自動進行地形分類；（3）輸出地形類型圖三、地學剖面的繪制與分析對于DEM＝{Zij},只要給定剖面線的起點（i1，j1）和終點（i2，j2），即可求得剖面線與網(wǎng)格交點的平面位置和高程，進而作出剖面圖。因剖面線的角度不同，分別求的是剖面線與橫線的交點（斜率<1時）和與縱線的交點（斜率>1時）?，F(xiàn)以求與縱線的交點為例說明：其中：ISG1和ISG2的值由x和y的符號決定：注：x和y為起、終點間的坐標差。剖面線相鄰交點間距離計算：有了高程ZZk、SS，再設(shè)定水平、豎直比例尺，即可繪圖§5.2空間疊和分析一、空間疊和分析（spatialoverlayanalysis）：將同一地區(qū)的兩層對象疊和，以產(chǎn)生空間區(qū)域的多重屬性特征：用于搜索同時具有幾種屬性的分布區(qū)域－－空間合成疊和或建立對象間的空間對應關(guān)系：用于提取區(qū)域內(nèi)某些專題內(nèi)容的數(shù)量特征－－空間統(tǒng)計疊和空間疊和分析可分三種：點與多邊形；線與多邊形；多邊形與多邊形：點與多邊形的疊和(point-in-polygonoverlay)確定某圖層上的點落入到另一圖層的哪些多邊形內(nèi)，以建立每個點的新的屬性。如查詢某市所有水井（郵局）的分布。實質(zhì)是點與面的包含分析。2.線與多邊形的疊和（line-in-polygonoverlay)確定某圖層上的弧段落入到另一圖層的哪些多邊形內(nèi)，以建立每個弧段的新的屬性。如道路層與縣界層疊加，可得各縣內(nèi)各種道路的總長度。（需計算交點，截斷弧段并重新編號，建立歸屬關(guān)系）3.多邊形與多邊形的疊和（polygon-on-polygonoverlay)將兩個不同圖層的多邊形疊和，產(chǎn)生輸出層的新多邊形和新多邊形的多重屬性。形成各種應用功能。如ARC/INFO的6種多邊形疊和命令：（1）Union：輸出層保留輸入圖層的所有多邊形要素。（2）Intersect：輸出層保留輸入圖層共同的多邊形要素。（3）Identity：保留以一多邊形為控制邊界內(nèi)的所有多邊形要素。（4）Erase：保留以一多邊形為控制邊界外的所有多邊形要素(5)Update:刪除重疊的部分（6）Clip：一圖層的邊界對另一圖層內(nèi)容的截取二、基于矢量數(shù)據(jù)的疊和分析參與分析的兩個圖層的要素均為矢量數(shù)據(jù)；雖然數(shù)據(jù)量小，但運算復雜；疊和后產(chǎn)生具有多重屬性的新多邊形；算法見圖5－23。三、基于柵格數(shù)據(jù)的疊和分析參與分析的兩個圖層的要素均為柵格數(shù)據(jù)；雖然數(shù)據(jù)量大，但運算過程簡單，易于控制；例：對應于某行（箭頭所指）的游程編碼數(shù)據(jù)（表5－4）：算法：疊和后建立的數(shù)據(jù)文件：根據(jù)屬性轉(zhuǎn)換矩陣，對數(shù)據(jù)文件進行屬性的重新分類，得到最終分析結(jié)果。§5.3空間緩沖區(qū)分析一、空間緩沖區(qū)分析的模型空間緩沖區(qū)分析（spatialbufferanalysis):對點、線、面對象實體，自動建立其周圍一定范圍的環(huán)狀區(qū)，用以識別這些實體對周圍對象的輻射范圍或影響度。可用的分析模型：（1）線性模型：當實體的影響度（Fi）隨距離（ri）的增大而線性衰減時：（2）二次模型：當實體的影響度（Fi）隨距離（ri）的增大而呈二次衰減時：(3)指數(shù)模型：當實體的影響度（Fi）隨距離（ri）的增大而呈指數(shù)衰減時：二、空間緩沖區(qū)分析的方法例1：研究區(qū)10km2內(nèi)由三條道路。進行道路通達度的緩沖區(qū)分析。1.計算各道路的綜合規(guī)模標準化指數(shù)f02.計算各道路的最大影響距離得A、B、C的d0分別為500、350、100m。3.

實施緩沖區(qū)操作設(shè)定di值－>求取Fi值－>輸出緩沖區(qū)圖形例2：城市道路拓寬工程，確定搬遷房屋。1.道路圖2.建立道路緩沖區(qū)3.疊置分析4.分析結(jié)果三、建立緩沖區(qū)時應注意：(1)緩沖區(qū)發(fā)生重疊時的處理多個特征緩沖區(qū)重疊時的處理同一特征緩沖區(qū)重疊時的處理（2）對特征規(guī)定不同緩沖寬度時的處理（3）復雜圖形下緩沖區(qū)與非緩沖區(qū)的標識§5.4空間網(wǎng)絡(luò)分析

（spatialnetworkanalysis)網(wǎng)絡(luò)：由點、線的二元關(guān)系構(gòu)成的系統(tǒng)，通常用來描述某種資源或物質(zhì)在空間上的運動。如：城市道路系統(tǒng)，地下管線系統(tǒng)，流域的水網(wǎng)等。網(wǎng)絡(luò)分析的用途:（1）最佳路徑選擇：公交運營線路選擇；緊急救助線路選擇；（2）網(wǎng)絡(luò)流量分析、負荷估計：供電網(wǎng)，供熱網(wǎng)（3）資源配置：消防站分布，醫(yī)療機構(gòu)配置網(wǎng)絡(luò)圖論是網(wǎng)絡(luò)分析的重要理論基礎(chǔ)。一、網(wǎng)絡(luò)圖論的基本概念1、圖：抽象表達事務及其特定關(guān)系的數(shù)學形式。

G＝（V(G),E(G)）其中：V＝{Vi}={V1,V2,…Vn},稱為頂點；

G＝{ei}={(Vi，Vj)}，稱為邊。有時要對每個邊賦一權(quán)值W(ei),即G＝（V，E，W）稱為賦權(quán)圖。2、圖的計算機表示－鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣（1）鄰接矩陣：對于一個具有V個頂點、e條邊的無向圖，可由頂點集V中每兩點間鄰接關(guān)系唯一確定。對應矩陣D(G)={dij}是V×V方陣，稱為鄰接矩陣。其中dij=1Vi與Vj鄰接；

dij=0Vi與Vj不鄰接或i＝j(luò)。（2）關(guān)聯(lián)矩陣對于一個具有V個頂點、e條邊的無向圖，關(guān)聯(lián)矩陣是V×e階矩陣，每個結(jié)點對應一行，每條邊對應一列：

A(G)={aij}V×e其中aij=1Vi與ej關(guān)聯(lián)；

aij=0Vi與ej不關(guān)聯(lián)。二、空間網(wǎng)絡(luò)的類型和構(gòu)成1、類型最主要的類型：道路型：交通網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)樹型：河流交錯型：城市地下管網(wǎng)（具有復雜的縱橫斷面）2.構(gòu)成要素（1）結(jié)點：兩條路徑的交點。（屬性：方向數(shù)，資源數(shù)量）（2）鏈（弧段）：連接兩結(jié)點的路徑（長度，速度，流量）（3）障礙：資源不能通過的點（無屬性）（4）拐角：資源運動方向變化處（表5－12）（5）中心：接受或發(fā)送資源的結(jié)點（服務半徑，最大容量）（6）站點：裝卸資源的結(jié)點（裝卸量）三、網(wǎng)絡(luò)分析方法1.路徑分析（PathAnalysis）網(wǎng)絡(luò)權(quán)陣：任意兩點間的距離

W＝{Wij}Wij>0，當i，j有邊連接時；Wij＝無窮，當i，j有邊連接時；Wij＝0，當i＝j(luò)時；Dijkstra（迪杰斯特）算法思路：對結(jié)點不斷進行標號。每次標號一個結(jié)點，標號值為從給定起點到該點的最短路徑長；標號一個結(jié)點時，同時對所有未標號結(jié)點給出暫時標號——當時能夠確定的最小值。算法步驟：（1）令起點標號為0，其它為無窮；（2）對所有未標定結(jié)點給出暫時標號——min（j的舊標號，i的舊標號＋Wij）；（i是前一步剛被標定的結(jié)點）（3）找出所有暫時標號最小值，最為相應結(jié)點的固定標號；（4）重復進行以上兩步，直到指定終點被標定為止。（）內(nèi)為暫時標號。離起點越近，越早得到標號。回溯既可得到最短路徑：V1－V3－V8－V7。2、定位配置－分析（location－allocationAnalysis）通過供給系統(tǒng)和需求系統(tǒng)間空間行為的相互作用分析，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施布局的最優(yōu)化。如：城市規(guī)劃中從一批候選位置中選定若干地點來建設(shè)某種公共設(shè)施。分析時，要建立：邊界函數(shù)－必須滿足的規(guī)劃條件（約束）；目標函數(shù)－給出極大、極小條件（使有解）。定位－配置分析算法有：P－中心問題；中心服務范圍確定；中心資源分配范圍。（1）P－中心問題從m個候選點中，選P個供應點，為n個需求點服務，并使得從服務中心到需求點間的總距離（費用）為最小。問題可描述為：Xij需求點有中心j服務時為1；否則為0；Yj任一候選點被選中時為1，否則為0。Teitz-Bart算法：（2）中心服務范圍的確定確定一個服務設(shè)施在給定時間或距離內(nèi)，能夠到達的區(qū)域范圍?！?.5空間統(tǒng)計分析一、變量篩選分析GIS中存有大量原始數(shù)據(jù)，一般在分析之前，要用具體的分類算法，對數(shù)據(jù)進行簡化。關(guān)鍵變量分析法：利用變量間的相關(guān)矩陣，由用戶確定閾值，從變量全集中選擇一定數(shù)量的關(guān)鍵獨立變量，以消除其它冗余的變量。二、變量聚類分析將一組數(shù)據(jù)點或變量，按其性質(zhì)上親疏遠近程度進行分類。兩個數(shù)據(jù)點在m維空間的相似性可用其在變量空間中的距離來衡量：§5.6空間數(shù)據(jù)的幾何分析與查詢一、空間集合分析（布爾運算）：邏輯交（AND），邏輯并（OR），邏輯差（NOT），異或（XOR）；四種基本運算：1.邏輯交運算（AANDB）例如：查詢在黏土地上種植的小麥地C，可從土地利用圖中得到小麥地子集A，從土壤圖上得到黏性圖壤子集B，然后對兩個子集做邏輯交運算，得其交集C＝A∩B。2.邏輯并運算（AORB）

例如：要知道全部黏性土壤和全部小麥地地情況，就可對黏性土壤子集A和小麥地子集B做邏輯并運算。3.邏輯差運算（ANOTB）例如：用戶要求查詢黏性土壤上沒有種植小麥地地土地，就可對黏性土壤子集A和小麥地子集B做邏輯并運算，求其補集C＝A－B。4.邏輯異或運算（AXORB）例如：用戶要查詢除了黏性土壤上種植小麥以外的土地，就可對黏性土壤子集A和小麥地子集B做邏輯抑或運算。二、空間數(shù)據(jù)的查詢基本查詢：（1）由圖形查屬性(2)由屬性查圖形(3)SQL查詢SQL查詢結(jié)果高級查詢：（1）基于關(guān)系查詢語言擴充的空間查詢方法在關(guān)系型SQL上發(fā)展一套空間結(jié)構(gòu)化查詢語言（SpatialSQL）。如：查詢所有高速公路并用紅線表示：

SetColorRedPattenDashedForRoadsWhereType=“Highway”（2）可視化空間查詢方法某些空間操作用圖形直觀表示。知識查詢的直觀形象化描述，仍然要翻譯成形式化的SQL語言。（有限）（3）基于自然語言的查詢在查詢語言中引入自然語言，簡單方便。如：查詢高氣溫的城市：SelectnameFromcitiesWheretemperatureishigh需要人工智能的支持，只適用于某專業(yè)領(lǐng)域，不宜作為GIS的通用查詢語言。（4）超文本（Hypertext）查詢方法按用戶要求預先設(shè)計，用戶不能實時構(gòu)建自己新的查詢。

地理信息系統(tǒng)的應用模型

§6.1GIS應用模型概述目前，GIS的應用，已經(jīng)從數(shù)據(jù)存儲和檢索查詢，推進到以時空分析為主，正走向支持區(qū)域空間演化預測、動態(tài)模擬及其空間布局的優(yōu)化發(fā)展。

應用模型：對具體的應用問題，借助GIS技術(shù)，把概念模型具體化為信息世界可操作的機理和過程。作用：用一定程度的演化和抽象，通過邏輯演繹，把握各地理要素間的本質(zhì)特征、相互關(guān)系及可視化顯示。一、GIS應用模型分類按表達方法：按發(fā)展過程：數(shù)學模型靜態(tài)經(jīng)驗模型半靜態(tài)混合模型動態(tài)二、應用模型的構(gòu)建GIS環(huán)境內(nèi)的模型構(gòu)建用GIS軟件提供的宏語言（ARC/INFO的AML）建造自己的分析模型。（利用GIS開發(fā)部件，開發(fā)效率高）GIS外部的模型構(gòu)建利用其它領(lǐng)域的軟件。（效率受影響，無需重編分析軟件）混合型的模型構(gòu)建兩種方法的結(jié)合?！?.3發(fā)展預測模型是運用已有數(shù)據(jù)和系統(tǒng)提供的手段，對事務進行科學分析，他不縮其今后的發(fā)展趨勢，作出評估（人口，資源，糧食，經(jīng)濟發(fā)展）。一般定量，以一個和幾個變量的值，預測另一個變量的取值。以人口預測為例：§6.4位址選擇模型要考慮：環(huán)境、工程、經(jīng)濟三方面；首先考慮環(huán)境，才能識別出一般適合的位址，然后進一步研究工程和經(jīng)濟因素。過程：數(shù)據(jù)準備階段；綜合影響評價階段；選址分析階段。（下頁圖）（1）數(shù)據(jù)準備階段明確選址要求，選擇影響因子，進行數(shù)據(jù)準備。（2）綜合影響評價階段建立選址條件、綜合評價的標準和算法。如：開發(fā)成本的計算：根據(jù)影響因子（表6－7）和選址路線的距離進行。如CA到CB的成本為：成本＝DA×A區(qū)因子＋DB×B區(qū)因子(3)位置選擇分析階段實施位置的選擇，并對結(jié)構(gòu)進行分析。根據(jù)綜合影響的評價數(shù)據(jù)－》相鄰單元關(guān)系圖－》頂點連接圖，計算各邊權(quán)值。最后，用Dijkstra算法設(shè)計最短路徑，并做拉直處理?！?.6地學模擬模型地學模擬模型是應用計算機、數(shù)字模擬技術(shù)及綜合分析的方法來模擬地理過程或現(xiàn)象（如沙漠化過程、河道沖淤、沙嘴發(fā)育、土壤侵蝕等），使得受幾個因素共同影響，要經(jīng)過若干年才能完成的地理過程，采用計算機模擬模型，只需幾分鐘就能得出類似結(jié)果，為資源開發(fā)、水土保持、工程論證等提供依據(jù)。以土壤侵蝕的模擬模型為例：1）確定影響土壤侵蝕的因子。這些因子要反應不同土壤性質(zhì)、坡面形態(tài)、植被條件等；2）選定格網(wǎng)尺寸，建立各個影響因子的柵格數(shù)據(jù)文件；3）多種信息復合，確定土壤侵蝕量的不同等級。一、確定土壤侵蝕的數(shù)值分析模型隨具體區(qū)域而不同。美國：二、設(shè)計土壤侵蝕數(shù)據(jù)處理模型三、土壤侵蝕圖的輸出§6.7專家系統(tǒng)概述專家系統(tǒng)：是模擬專家的推理思維過程，將領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，以知識庫的形式存入計算機，系統(tǒng)可根據(jù)這些知識，對輸入的原始事實進行復雜的推理，并作出判斷和決策，從而起到專門領(lǐng)域?qū)＜业淖饔?。具有這種功能的系統(tǒng)稱為專家系統(tǒng)。目前全世界已開發(fā)各類專家系統(tǒng)2——3千種，廣泛應用于疾病診斷、地質(zhì)勘探、地學分析和軍事領(lǐng)域。專家系統(tǒng)的基本構(gòu)成實例：南京大學基于“新構(gòu)造控水理論與找水方法”的找水專家系統(tǒng)（NCGW）。一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)運行時，根據(jù)用戶輸入的該地區(qū)水文地址條件和可信度，推理機制利用輸入的數(shù)據(jù)和知識庫中的知識，推斷出該地區(qū)是否有可開采的地下水。二、知識庫格式知識庫存儲著特定領(lǐng)域的大量事實和規(guī)律，是專家實踐經(jīng)驗和全面體現(xiàn)。知識庫中知識的表示與組織是關(guān)鍵，關(guān)系到系統(tǒng)的推理能否模擬出專家的思維過程。知識的表示：一般采用產(chǎn)生式規(guī)則的表達方式“情況－行為：即

IF<前提條件>THEN<結(jié)論>NCGW系統(tǒng)知識庫中存有400多條產(chǎn)生式規(guī)則，可添加和修改。知識庫中規(guī)則的內(nèi)部格式為：謂詞名（[父結(jié)點，子結(jié)點，菜單編號],可信度）推理后得出的總可信度，如果超過一定值，認為結(jié)論成立。三、推理機制知識是專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)，推理控制策略是系統(tǒng)的靈魂。它模擬人類利用事實和知識進行推理的過程。NCGW的推理策略：從代表目標的謂詞公式出發(fā)，通過搜索一組規(guī)則證明謂詞公式成立。在規(guī)則調(diào)用過程中，動態(tài)地生成上下文的與或樹。

地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與評價

§7.1GIS設(shè)計概述一、系統(tǒng)設(shè)計的目的地理信息系統(tǒng)工具型應用型應用型GIS：在工具型或基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，經(jīng)過二次開發(fā)，建成滿足專門用戶的、解決實際問題的地理信息系統(tǒng)。特點：具有特定的用戶和應用目的；具有為專門需要而開發(fā)的空間數(shù)據(jù)庫和應用模型；繼承工具型GIS開發(fā)平臺提供的；

二、結(jié)構(gòu)化設(shè)計模式

采用結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計原理，自上而下，劃分模塊，逐步求精。模塊劃分：主功能模塊子模塊1子模塊2子模塊n………………結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)設(shè)計模式：結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)評價模式：三、系統(tǒng)設(shè)計流程（大致分為四個階段）生命周期設(shè)計法以上四個階段構(gòu)成系統(tǒng)的生命周期。照此順序分階段開發(fā)的方法稱為生命周期設(shè)計法。雖然便于開發(fā)的組織管理，但缺點：（1）開發(fā)周期長；（2）效果的可見性差；（3）來自用戶的反饋遲緩；（4）不便于把握用戶需求的變化。原型化設(shè)計法1）設(shè)計思想：系統(tǒng)建設(shè)初期，生成一個實實在在的系統(tǒng)原型；然后交用戶使用，聽取意見；根據(jù)反饋信息修正原型，再提交用戶……直至形成用戶滿意的應用系統(tǒng)。2）特點：直接創(chuàng)建用戶看得見的樣板系統(tǒng)，便于試用和提出意見；對于復雜和具有不確定性的系統(tǒng)有較強的適應性§7.2地理信息系統(tǒng)的設(shè)計一、系統(tǒng)分析（systemanalysis）對用戶進行需求調(diào)查與可行性分析，最后提出系統(tǒng)的目標和結(jié)構(gòu)方案。1、用戶需求調(diào)查：用戶對系統(tǒng)功能的要求和信息需求。Who，誰使用該系統(tǒng)，組織機構(gòu)，人員分工，業(yè)務流程…What，做什么用，需要什么功能，要解決哪些問題，需要哪些設(shè)備和數(shù)據(jù)Why，為什么要具有這些功能，功能、效率、效益怎樣？Where,資源從哪獲取，能否得到保證…Quality，數(shù)據(jù)精度，運行速度，安全機制…2.用戶調(diào)查方式：訪問、座談等。事先擬定提綱：功能，數(shù)據(jù)，應用范圍，業(yè)務范圍，工作流程，部門聯(lián)系…事后撰寫調(diào)查報告：并從技術(shù)、社會、經(jīng)濟方面進行可行性分析。二、系統(tǒng)設(shè)計1.總體設(shè)計（邏輯設(shè)計）根據(jù)系統(tǒng)目標規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)模系各個組成部分，最后撰寫總體設(shè)計方案供論證審批。（1）用戶需求：闡述用戶構(gòu)成及其對