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# 地理信息系统原理及应用

# 地理信息系统概论

# 地理信息系统的基本概念

  1. 信息、数据、地理数据、地理信息
  • 信息：信息是数据、消息中所包含的意义，不随物理设备形式的改变而改变
  • 数据 ：数据是用以载荷信息的物理符号，对数据进行处理可以的对数据中包含的信息
  • 地理数据：地理数据是描述地理圈或地理环境中要素的数量、质量、分布特征，联系和规律的数字、文字、图形的总称
  • 地理信息：地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识
  1. 信息系统及其类型

信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为决策过程提供有用的信息。

信息系统的类型：事务处理系统、管理信息系统、决策支持系统、人工智能和专家系统

# 地理信息系统及其类型

  1. 地理信息系统

地理信息系统的定义包含两部分。一方面地理信息系统是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一面新型的交叉学科。另一方面，地理信息系统是一个技术系统，以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

  1. 地理信息系统的类型
  • 专题地理信息系统（有限目标和专业特点）
  • 区域地理信息系统（国家级、省市级、县级等不同规模）
  • 地理信息系统工具
  1. 地理信息系统的构成
  • 计算机硬件系统
  • 计算机软件系统：计算机系统软件、地理信息系统软件、应用分析程序
  • 系统开发、管理和使用人员：项目经理、信息管理的技术人员、应用工程师、用户
  • 空间数据：某个已知坐标系中的位置、实体间的空间关系、与几何位置无关的属性

# 地理信息系统的功能概述

  1. 地理信息系统的核心问题可以归纳为五个方面：

    • 位置：某个特定的位置有什么
    • 条件：什么地方有满足某些条件的东西
    • 变化趋势：综合现有数据，以识别已经发生或者正在发生变化的地理现象
    • 模式：该类问题是分析与已经发生或者正在发生事件有关的因素
    • 模型：该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案

  2. 空间信息处理和分析的 6 个组成部分：

    • 空间操作：地图的交、并、差运算、缓冲区计算、选择等
    • 空间统计操作：用于描述和分析空间数据的关系，空间自相关分析等等
    • 空间模型：注重空间现象、空间结构、空间关系和空间位置的分析，例如网络分析和水系生成
    • 空间表现、可视化：侧重于表达空间信息
    • 空间数据库管理：包含空间数据库设计、空间数据结构、空间数据管理和空间查询
    • 空间模型库管理，包括为空间决策支持系统提供的模型的管理

# 地理信息系统的研究内容

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地理信息系统相关学科 gis-related-subject

# 地理信息系统发展简史

  • 60 年代开拓发展阶段：算法粗糙、图形功能有限
  • 70 年代巩固阶段：人机图形交互技术的发展
  • 80 年代突破阶段：GIS 技术全面推向应用，开展工作的国家和地区更为广泛，GIS 进入多种学科领域，微机 GIS 蓬勃发展
  • 90 年代社会化阶段：中国 GIS 步入快速发展阶段

# GIS 发展展望

  1. GIS 理论研究中亟待解决的问题
  • GIS 设计与实现的方法学问题：缺乏严格的工程管理和好的分析设计方法支持，GIS 软件系统的可靠性和可维护性差。
  • GIS 的功能问题：以数据采集、存储、管理和查询检索为主的 GIS，不能完全满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的需求。
  • 多媒体 GIS 的管理和操作的问题：如何实现对各类数据的有效管理
  • GIS 地理信息的深加工问题：目前的 GIS 还未发挥结论性专题地图和数据集方面的作用
  • 空间信息可视化技术和 VR 技术：利用 VR 进行地形仿真等等

（由于教材较老，这里的部分问题可能已经得到解决）

  1. GIS 的发展动态

GIS 软件发展的特点：

  • GIS 中面向对象技术研究：单体化，取消分层结构
  • 时空系统：传统 GIS 只考虑空间特征，忽略了时间特征。例如环境监测、地震救援、天气预报等领域。
  • 地理信息建模系统：建立专业领域特有的空间分析模型
  • 三维 GIS 系统的研究：真三维 GIS 必须支持三维矢量和栅格数据模型以及以此为基础的三维空间数据库

GIS 发展的趋势：

  • GIS 网络化
  • GIS 的标准化
  • 数据商业化
  • 系统专门化
  • GIS 企业化
  • GIS 全球化
  • GIS 大众化

（2015 年的教材，这些到 2023 年为止基本已经实现）

# 从现实世界到比特世界

# 空间数据模型

# 空间参照系统和地图投影

# GIS 中的数据

# 空间数据获取与处理

# 地图数字化

  1. Douglas-Pecuker 算法

对曲线进行简化，在曲线上取有限个点，将其变为折线，并能够在一定程度上保留原有的形状。

算法步骤：
1. 在曲线首位两点A、B之间连接一条直线段AB，称为曲线的弦；
2. 计算曲线上距离该直线最大的点C，计算其与AB的距离d
3. 比较该距离与预先给定的阈值x，如果小于x，则将该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕
4. 如果大于阈值，则用C将曲线分为AC和BC，分别对两端曲线进行1-3步的操作；
5. 当所有曲线处理完毕，依次连接各个分割点形成的折线，可以作为该曲线的近似。

  1. 图像平滑

  2. 图像细化算法

# 空间数据录入后的处理

建立拓扑关系：

  • 多边形组成的弧段
  • 弧段左右两侧的多边形，弧段两端的节点
  • 节点相连的弧段

# 空间数据管理

# 空间数据库

标准数据库的缺陷：

  • 在 GIS 中，空间数据记录长度是变化的
  • DBMS 一般难以实现对空间数据的关联、包含、叠加等操作
  • GIS 需要复杂的图形功能
  • 单个地理实体需要多个文件、多条记录
  • GIS 数据记录需要更复杂的安全维护系统

# 栅格数据结构及其编码

决定栅格单元代码的方式：

  • 中心点法：用于连续分布特性的地理要素
  • 面积占优法：用于分类较细，第五类别斑块较小的情况
  • 重要性法：具有特殊意义而面积较小的
  • 百分比法

栅格数据编码：

  1. 弗里曼链码：由一系列方向码组成的链码
    • 边界运算方便，区域运算困难
  2. 游程长度编码：按行只记录属性发生变化的栅格，
    • 压缩数据并最大限度保留原始栅格结构（合并同类项）
  3. 块码：游程长度编码扩展到二维，采用方形区域作为记录单元
    • 较高的压缩效率，具有区域性质，适合合并、插入、计算面积等
  4. 四叉树编码：图像区域分为大小相同的四个象限，每个象限根据一定的规则判断是否继续划分
    • 压缩数据灵活，具有区域性质，大大提高栅格压缩编码之一

# 矢量数据结构及其编码

矢量数据的特点：定位明显，属性隐含。属性一般存储在文件头或者数据结构的特定位置。便于计算长度、面积、形状和图形编辑，在叠加运算、邻域搜索时比较困难。

多边形编码方式：

  1. 坐标序列法
    • 公共边界存储两次，产生冗余
    • 缺少邻域信息
    • 岛没有与外包多边形的联系
    • 不易检查拓扑错误
  2. 树状索引编码法：由点索引生成边界线，由边界线索引生成多边形
    • 可以消除相邻边界的数据冗余和不一致问题
    • 处理岛状信息，处理拓扑检查较为困难
  3. 拓扑结构编码法，包含：唯一标识、多边形标识、外包多边形指针、邻接多边形指针，边界链接、范围

双重独立坐标地图编码 DIME

# 栅格矢量的互相转换

两种数据结构比较：

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矢量转栅格：

  1. 种子点扩散算法
  2. 复数积分算法
  3. 射线算法与扫描算法
  4. 边界代数算法

栅格转矢量步骤：

  1. 多边形边界提取
  2. 边界线追踪
  3. 拓扑关系生成
  4. 去除多余点及曲线圆滑

# 空间索引机制

空间索引就是依据空间对象的位置和形状或者空间对象之间的关系按一定顺序排列的一种数据结构。

  1. BSP 树空间索引：将空间逐级一分为二

  2. KDB 树空间索引

  3. R 树：根据地物的最小外接矩形，可以直接到空间中占据一定范围的空间对象进行索引。兄弟节点空间区域可重叠。

    R+树：兄弟节点空间区域不会重叠。

  4. CELL 树：采用凸多边形作为划分的基本单位

# 空间信息查询

  • 基于属性特征查询
  • 基于空间关系和属性特征查询
  • GeoSQL 空间扩展的 SQL 查询语言

# 空间分析

# 空间分析基础

空间分析基础

# 缓冲区分析

邻近度描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，是确定空间分析的一个重要手段。

凸角圆弧法：通过向量叉积，判断折点凹凸性。

自相交多边形：岛屿多边形和重叠多边形，通过左右边线的节点方向判断。

# 叠加分析

  1. 点、线、面之间的叠加
  2. 面状区域边界之间的叠加
  3. 遥感影像与专题图的叠加
  4. 专题图与DEM的叠加，显示立体专题图

# 网络分析

网络分析的主要功能是对地理网络，城市基础设施如各种网线、电力线、电话线、供排水线进行地理分析和模型化。

Dijkstra算法：用于解决赋权图的单源最短路径问题。

具体步骤：

  1. 初始化：将起始节点到所有其他节点的距离设置为无穷大，将起始节点到自身的距离设置为0。
  2. 选择起始节点：从未访问的节点中选择当前距离起始节点最近的节点作为当前节点。
  3. 更新距离：遍历当前节点的所有相邻节点，计算通过当前节点到达这些节点的距离。如果经过当前节点到达相邻节点的距离比已知的最短路径短，更新最短路径值。
  4. 标记当前节点：将当前节点标记为已访问。
  5. 重复步骤2至步骤4，直到所有节点都被访问为止。

算法图解参考 (opens new window)

# 空间插值（补充）

  1. 整体插值方法：

    1. 边界内插方法
    2. 趋势面分析，用多项式回归对线和面进行拟合，
    3. 变换函数插值，通常是经验模型

  2. 局部插值方法：

    1. 最邻近点法-泰森多边形方法，使用最近的单个点进行区域插值，每个区域到其内部数据点的距离大于到其他任何数据点的距离，在边界内部是无变化的。

    2. 移动平均插值方法-距离倒数插值

    3. 样条函数插值方法，样条函数是一个分段函数，每次只与少数点拟合。例如使用三次多项式拟合，在连接处具有一阶和二阶的连续导数。

    4. 空间自相关性最佳插值方法-克里金插值，目的是提供确定权重系数的最优方法，并能描述误差信息。

# 空间统计分类分析

# 数字地形模型(DTM)与地形分析

# DEM的主要表示模型

  1. 规则格网模型
  2. 等高线模型
  3. 不规则三角网TIN模型
  4. 层次模型LOD

# DEM模型之间的相互转换

  1. 不规则点集生成TIN

Delaunay三角网的特性：

  • 没有任何点在三角形的外接圆内部
  • Dealunay三角网是唯一的

最大化最小角原则：每两个相邻的三角形构成的凸四边形的对角线，在相互交换之后，6个内角的最小角不再增大。

  1. 格网DEM转TIN

两个重要特征：

  • 筛选要保留或者丢弃的格网点
  • 判断停止筛选的条件

保留重要点法：通过3*3的模板计算中心点的内差值，差分超过阈值时保留。

启发丢弃法：迭代计算，每次删去一个点。

  1. 等高线转格网DEM
  2. 利用格网DEM提取等高线
  3. TIN转格网DEM

# DEMO的建立

# DEM的分析和应用

  1. 地形曲面拟合
  2. 立体透视图
  3. 通视分析
    • 火灾监测点设定
    • 无线发射塔设定
    • 低空侦查飞机躲避地方雷达
  4. 流域特征提取与地形自动分割

# 空间建模与空间决策支持

# 空间数据表现与地图制图

# 3S 集成技术

# 网络地理信息系统

# 地理信息系统应用实例

# 地理信息系统应用项目组织和管理

# 地理信息系统软件工程技术

# 地理信息系统标准

# 地理信息系统与社会

Last Updated: 12/23/2024, 4:18:13 AM

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