1、地理信息 系統(tǒng)技術與應用,第一章 概 論 1.1基本概念 1.1.1信息和地理信息 信息（information)是用數(shù)字、文字、符號、語言等介質來表示事件、 事物、現(xiàn)象等的內容、數(shù)量或特征，以便向人們或系統(tǒng)提供關于現(xiàn)實世界 新的事實知識，作為生產、管理、經營、分析和決策的依據(jù)。 信息的特點：客觀性、適用性、可傳輸性和共享性 信息與數(shù)據(jù)的關系：數(shù)據(jù)是未加工的原始資料，是客觀對象的表示； 信息則是數(shù)據(jù)內涵的意義，是數(shù)據(jù)的內容和解釋。 地理信息（geographic information)是指與空間地理分布有關的信息，它 表示地表物體和環(huán)境固有的數(shù)據(jù)、質量、分布特征，聯(lián)系和規(guī)律的數(shù)字、 文字、圖

2、形、圖象等總稱。,地理信息屬于空間信息。它除具有一般信息的特征具有區(qū)域性、多維 性和動態(tài)性的特征。 1.1.2信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) 信息系統(tǒng)(information system)是具有采集、處理、管理和分析數(shù)據(jù)能力 的系統(tǒng)，它能為單一的或有組織的決策過程提供各種有用的信息。 從計算機的角度看，信息系統(tǒng)是由計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大 要素組成的系統(tǒng)，用戶包括一般用戶和從事系統(tǒng)建立、維護、管理和更新 的高級用戶。 信息系統(tǒng)種類：管理信息系統(tǒng)（MISmanagement information system)、 決策支持系統(tǒng)(DSSdecision support system)、智能決策

3、支持系統(tǒng)(IDSS intelligent decision support system 、空間信息系統(tǒng)(SIS spatial information system）。,地理信息系統(tǒng)（ GISgeographic information system)是一種特定而又十分 重要的空間信息系統(tǒng)。它是在計算機硬件與軟件支持下，運用系統(tǒng)工程和 信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數(shù)據(jù)，以提供 對規(guī)劃、管理、決策和研究所需信息的空間信息系統(tǒng)。是一門多技術交叉 的空間信息科學，涉及地理學、測繪學、統(tǒng)計學以及計算機、航天、遙感 技術等。 1.1.3地理信息系統(tǒng)與其它相關技術的區(qū)別 與CA

4、D的區(qū)別：CAD主要是利用計算機代替或輔助工程設計人員進行各 種設計。主要處理對象是規(guī)則的幾何圖形及其組合。因此，CAD的圖形處理功 能極強，屬性功能很弱。,GIS的處理對象是自然目標（如等高線），因此，圖形處理難度大，屬性 功能十分重要，圖形和屬性之間的聯(lián)系緊密，常具有豐富的屬性庫和符號 庫，它強調空間數(shù)據(jù)的分析功能，且數(shù)據(jù)源和輸入數(shù)據(jù)的方法很多、數(shù)據(jù)結 構復雜。 與數(shù)字地圖的區(qū)別：將圖形要素以數(shù)字的形式將地圖存儲在計算機內，也 可以在繪圖儀上打印輸出，通常對圖形數(shù)據(jù)有管理能力，但缺少對非圖形 數(shù)據(jù)也就是屬性數(shù)據(jù)的管理能力。 數(shù)字地圖及制圖是GIS的重要組成部分，是GIS的重要數(shù)據(jù)源，而GI

5、S的處 理分析功能通常將處理分析結果以數(shù)字地圖的形式來表現(xiàn)和輸出。,與事務處理系統(tǒng)的區(qū)別：事務處理系統(tǒng)只是一個屬性數(shù)據(jù)庫，GIS既有屬 性庫又有圖形庫，數(shù)據(jù)量大，對計算機硬件和軟件的要求高，處理功能復 雜，是前者所不能與之相比的。 1.2地理信息系統(tǒng)的結構與功能 1.2.1地理信息系統(tǒng)的組成 硬件、軟件、空間數(shù)據(jù)、系統(tǒng)使用管理員和維護人員 1.2.2地理信息系統(tǒng)的主要功能 空間數(shù)據(jù)輸入管理、空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)處理與分析、應用模 型、空間輸出數(shù)據(jù)管理,基本型GIS硬件系統(tǒng),GIS對現(xiàn)實世界的信息表達與分層,1.3地理信息系統(tǒng)的發(fā)展與前景 1.3.1地理信息系統(tǒng)的發(fā)展 60年代搖籃時期：196

6、3年，加拿大測量學(R.F.Tomlison) 博士提出將常規(guī)地圖變成數(shù)字形式地圖，并存入計算機的想法，建立了世界上第一個地理信息系統(tǒng)加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)，用于自然資源的管理與規(guī)劃，此乃是這個時期的標志之一。,空間數(shù)據(jù)輸入管理,應用模型,空間數(shù)據(jù)管理,空間數(shù)據(jù)處理與分析,空間數(shù)據(jù)輸出管理,另一標志：各種與地理信息系統(tǒng)的組織機構紛紛成立。如美國1966年成 立城市和區(qū)域信息系統(tǒng)協(xié)會（URISA），國際地理聯(lián)合會（IGU），1968 年設立了地理數(shù)據(jù)收集和處理委員會（CGDSP）等等。 70年代蓬勃發(fā)展期：計算機硬件和軟件的飛速發(fā)展空間數(shù)據(jù)的錄入、 存儲、檢索和輸出速度更快地理信息系統(tǒng)向

7、實用方向迅速發(fā)展。 西方國家資源與環(huán)境非常需要地理信息系統(tǒng)處理和分析大量的 地理數(shù)據(jù)地理信息系統(tǒng)在自然資源開發(fā)、環(huán)境保護、土地利用及規(guī)劃 等領域的應用，這客觀上給地理信息系統(tǒng)的發(fā)展提供了一次機遇。,美國、加拿大、聯(lián)邦德國、瑞典和日本等國相繼發(fā)展了自己的GIS。與此同時 商業(yè)開發(fā)和銷售地理信息系統(tǒng)也已開始，在一些大學（如美國紐約州立大學 布法羅分校）開始了GIS人才培養(yǎng)，創(chuàng)建GIS實驗室。 80年代普及與推廣應用階段：計算機、網絡、地理信息系統(tǒng)軟件和應用 軟件的發(fā)展。市場上出現(xiàn)了一些有代表性的軟件如ARC/INFO，MAPINFO， GENAMAP等。 90年代以來，隨著微機和數(shù)字化信息產品在全

8、世界普及，地理信息系統(tǒng) 應用已深入各行各業(yè)。 我國GIS起步于70年代，80年代進入全面試驗階段，90年代進入全面提廣應 用階段。先后開發(fā)出一批自己的GIS軟件，如MAPGIS、GEOSTAR、 CITYSTAR、VIEWGIS等。,1.3.2地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 從總的系統(tǒng)角度看：GIS將向數(shù)據(jù)標準化、系統(tǒng)集成化、平臺網絡化和應 用社會化方向發(fā)展。 從系統(tǒng)內部的角度看：數(shù)據(jù)采集自動化、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)組織一體化， 數(shù)據(jù)結構的標準化及空間分析功能的多樣化。 從應用角度看：GIS的發(fā)展還有待于各種專業(yè)應用模型的開發(fā)。,第二章 空間數(shù)據(jù)結構及編碼,2.1空間數(shù)據(jù)結構與編碼 2.1.1空間數(shù)據(jù)的

9、基本特點 地理空間數(shù)據(jù)是GIS研究、作用的對象，是以地球表面空間位置為參 照的自然、社會和人文經濟景觀數(shù)據(jù)。 空間數(shù)據(jù)的三個基本特點：數(shù)據(jù)的空間性、數(shù)據(jù)的屬性、數(shù)據(jù)的時間性,數(shù)據(jù)的空間性：反映現(xiàn)象的空間位置及空間位置的關系。通常以標準坐 標系（如大地坐標）中的坐標數(shù)據(jù)來表示空間位置；用拓撲信息來表示空 間位置的關系。 數(shù)據(jù)的屬性：描述現(xiàn)象的特征，如空間實體的類別、屬性等，屬性數(shù)據(jù) 本身屬于非空間數(shù)據(jù)，但它是空間數(shù)據(jù)的重要數(shù)據(jù)成分，它同空間數(shù)據(jù)的 結合，才能表達空間實體的全貌。 數(shù)據(jù)的時間性：空間數(shù)據(jù)的空間特征和屬性特征隨時間而變化。,2.1.2空間數(shù)據(jù)編碼 空間數(shù)據(jù)編碼是在數(shù)據(jù)結構的指導下，把

10、空間的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)經 過分類、量化和組織轉換成計算機所能接受的形式，以便進行各種處理 分析。 空間實體 數(shù)據(jù)結構 空間數(shù)據(jù)編碼,圖形數(shù)據(jù) 屬性數(shù)據(jù),編碼,數(shù)據(jù)組織結果存入計算機,分析求解問題,確定專業(yè)分類分級體系,選擇數(shù)據(jù)結構及編碼,組織數(shù)據(jù),存入計算機,分析求解問題,獲取數(shù)據(jù),圖 空間數(shù)據(jù)的編碼過程,2.2空間數(shù)據(jù)的拓撲關系 GIS具有大量的幾何信息，一類是目標本身的位置信息；另一類是地物 間的空間信息。 2.2.1拓撲的基本概念 幾何信息主要涉及幾何目標的坐標位置、方向、角度、距離和面積等信息。 而空間關系信息主要涉及幾何關系的“相連”、“相鄰”“包含”等信息， 它們通常用拓撲關系或

11、拓撲結構的方法來分析。,拓撲關系是明確定義空間關系的一種數(shù)學方法。GIS就是用其來描述并 確定空間的點、線、面之間的關系和屬性。 幾何形狀不同，它們的拓撲關系可能相同。 拓撲關系反映了空間實體之間的邏輯關系，它不需要坐標、距離信息， 不受比例尺限制，也不隨投影關系變化。 2.2.2空間數(shù)據(jù)的拓撲關系 拓撲關聯(lián)性：表示空間圖形中不同類型元素如結點、弧段及多邊形之間 的拓撲關系。 拓撲鄰接性：表示圖形中同類元素之間的拓撲關系。如多邊形、弧段、 結點之間的鄰接性。 包含性：表示空間圖形中，面狀實體所包含其他面狀實體或線段、點狀 實體的關系。,a a b e b e c d c d 結點之間拓撲關系

12、a b c d 面塊之間拓撲關系,d,a,b,c,a3 N1 a1 P3 a5 N4 P1 a4 a6 N3 P4 a7 N2 P2 a2 圖形的拓撲關聯(lián)性 多邊形鄰接矩陣 多邊形鄰接表 多邊形之間鄰接性,2.3GIS空間數(shù)據(jù)的兩種類型： 2.3.1柵格數(shù)據(jù)：它是將地面劃分成均勻的網格，每個網格作為一個像元，像元的位置由所在的行、列號確定，像元所含代碼表示其屬性類型或僅與其屬性記錄相聯(lián)系的指針。 一、柵格數(shù)據(jù)的特點： （1）用離散的量化柵格值表示空間實體 點：用一個柵格元素來表示 線：用一組相鄰的柵格元素來表示 面（區(qū)域）：用相鄰柵格元素的集合來表示,a b c 圖1 矢量結構 圖2 柵格結構

13、 柵格元素在表示的某一區(qū)域的實體時，實際上是用柵格元素的逼近表示。 這種描述方法往往是不精確的。例如在描述一區(qū)域林地時，林地的界限可能 通過某柵格元素的中間，這時柵格元素的單元值僅僅反映它的部分值。顯然， 描述實體的柵格元素單元的尺寸越小，系統(tǒng)的精度越高，但相應的數(shù)據(jù)量就 越大。這就需要合理確定柵格單元尺寸，使建立的柵格數(shù)據(jù)能有效的反映實 體的不規(guī)則輪廓。例如可根據(jù)多邊形精度來確定柵格尺寸，這時每個柵格元 素所表示的比例尺為： 柵格大小/地表單元大小,（2）描述區(qū)域位置明顯，屬性明確 柵格元素的位置一般用坐標（行列數(shù)）確定，柵格值可以用單位柵格交點 歸屬法，單元柵格面積占優(yōu)法，單位柵格長度占優(yōu)

14、法來確定。 （3）數(shù)據(jù)結構簡單，易于遙感數(shù)據(jù)結合 （4）難以建立地物間的拓撲關系 柵格數(shù)據(jù)是一種面向位置的數(shù)據(jù)結構。在平面空間上的任意一點都可以直 接同某個或某類地物相聯(lián)系，很難完整建立地物間的拓撲關系。一類地物或 一個目標可能在區(qū)域的很多處出現(xiàn)，這時只能通過遍歷整個柵格矩陣才能得 到，這導致柵格數(shù)據(jù)結構不便對于單目標操作。 （5）圖形質量低且數(shù)據(jù)量大,二、柵格數(shù)據(jù)的取值 （1）面積占優(yōu)法 將柵格單元中占有最大面積的屬性值定為本柵格元素的值。 （2）中心點法 將柵格單元中心點的值作為本柵格單元的值。 （3）長度占優(yōu)法 是將網格中心劃一橫線，然后用橫線所占最長部分的屬性值作為本柵格元素的值。 (

15、4)重要性法 為突出某些屬性，只要這種屬性在柵格中出現(xiàn)，就把該屬性定為本柵格單元的值。,三、柵格數(shù)據(jù)的獲取 （1）目讀法 將一張透明的格網紙疊置于某圖件上，根據(jù)以上單元格取值的方法，直 接用人工的方法獲取相應單元格的屬性值。這種方法適用于區(qū)域范圍較小， 柵格單元尺寸較大的情況。當區(qū)域范圍較大時，或要求柵格單元尺寸較小時 ，工作量大到使人無法忍受。例如1幅1010km2區(qū)域圖要以10m的間隔取數(shù)， 有約100萬個數(shù)據(jù)讀取。 （2）掃描儀獲取數(shù)據(jù) （3）攝象機獲取數(shù)據(jù),（4）遙感中獲取數(shù)據(jù) （5）矢量數(shù)據(jù)轉換成柵格數(shù)據(jù) 不管用什么方法獲取柵格數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量都比較大，均需考慮到數(shù)據(jù)的壓 縮和編碼。數(shù)

16、據(jù)量和解碼時間是一矛盾，通常，數(shù)據(jù)量小的編碼方案，解碼 時間就長；反之，解碼時間短的方案，數(shù)據(jù)壓縮率就低。 2.3.2矢量數(shù)據(jù) 一、矢量數(shù)據(jù)的特點 （1）用離散的線或點來描述地理現(xiàn)象或特征 點：空間的一個坐標點（x,y） 線：多個點組成的矢量弧段（x1,y2） （x2,y2）. （xn,yn） 面：曲線組成的多邊形。,(2)用拓撲關系來描述矢量數(shù)據(jù)之間的關系 矢量數(shù)據(jù)結構能以最小的存儲空間精確的表達地物的幾何位置。在實際應用中往往采用拓撲結構編碼，不在象柵格數(shù)據(jù)那樣用諸如游程編碼等方案。 在矢量數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，常用幾何信息描述空間地物的幾何位置，用拓撲信息來描述空間的“相連”、“相鄰”、“包含”關

17、系，從而清楚的表達空間地物之間的結構。,（3）面向目標的操作 對矢量數(shù)據(jù)的操作，更多的面向目標，從而使精度高，數(shù)據(jù)冗余度 小，運算量少。如對區(qū)域面積的計算和道路長度的量算，分別用計算 區(qū)域多邊形面積和道路長度而獲得。使得精度大大提高。另外，由于 矢量數(shù)據(jù)是以點坐標為基礎記錄數(shù)據(jù)，不僅便于對圖形放大、縮小， 而且還便于將數(shù)據(jù)從一個投影系統(tǒng)轉換到另一個投影系統(tǒng)。 （4）數(shù)據(jù)結構復雜且難以同遙感數(shù)據(jù)結合 矢量數(shù)據(jù)系統(tǒng)，不僅難以和DEM模型數(shù)據(jù)結合，而且也難以同遙感 數(shù)據(jù)相結合。從而限制了矢量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能和效率。在目前的矢量 數(shù)據(jù)結構的地理信息系統(tǒng)中，為了解決同遙感數(shù)據(jù)的結合，往往是將 矢量數(shù)據(jù)轉換

18、成柵格數(shù)據(jù)，再進行分析。,（5）難以處理位置關系（如求交，包含等） 在矢量數(shù)據(jù)結構中，給出的是地物的取樣點坐標，判斷地物的空間關系時，往往需要進行大量的求交運算。例如當已知某一土壤類型圖和某一積溫圖，要疊置獲取新分類圖時，需進行多邊形求交運算，組成新多邊形，建立新的拓撲關系。因此，用矢量數(shù)據(jù)結構解決這類問題是相當復雜的。 二、矢量數(shù)據(jù)的獲取 （1）數(shù)字化儀獲取 （2）全球定位系統(tǒng)（GPS）獲取 （3）柵格數(shù)據(jù)矢量化,2.3.3柵格數(shù)據(jù)結構與矢量數(shù)據(jù)結構的比較 柵格數(shù)據(jù)結構與矢量數(shù)據(jù)結構的比較 目前地理信息系統(tǒng)軟件以矢量數(shù)據(jù)結構為主流。但在涉及遙感圖象處 理和數(shù)字地形模型的應用中，以柵格數(shù)據(jù)為主

19、；在交通、公共設施、市 場等領域的地理信息系統(tǒng)中，通常矢量數(shù)據(jù)結構占優(yōu)勢；而在資源管理 和環(huán)境領域中常常同時采用矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)結構。 柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的一體化及兩類數(shù)據(jù)的相互轉化等。就技術而 言矢量數(shù)據(jù)轉換成柵格數(shù)據(jù)較易。,柵格數(shù)據(jù)編碼 為了減少柵格數(shù)據(jù)存儲空間，要對柵格數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，方法有費 爾曼鏈碼、游程編碼、塊碼、四叉樹編碼，最簡單的是游程編碼 游程終止編碼表 (0,1),(4,3),(7,8) (4,5),(7,8) (4,4),(8,6),(7,8) (0,2),(4,3),(8,6),(7,8) (0,2),(8,6),(7,7),(8,8) (0,3),(8,8) (0

20、,4),(8,8) (0,5),(8,8) 容易算出每個屬性值所占的柵格數(shù),游程長度編碼 （0，1），（4，2），（7，5） （4，5），（7，3） （4，4），（8，2），（7，2） （0，2），（4，1），（8，3），（7，2） （0，2），（8，4），（7，1），（8，1） （0，3），（8，5） （0，4），（8，4） （0，5），（8，3） 以上兩種都是一維游程編碼方案，只考慮 每一行的數(shù)據(jù)結構，沒有考慮行與行之間 的結構,矢量數(shù)據(jù)編碼 坐標序列編碼 點：空間的一個坐標點（x,y） 線：多個點組成的矢量弧段（x1,y2） （x2,y2）. （xn,yn），線 目標有形狀但沒有面積 面

21、：首尾相接的曲線組成的多邊形，面目標有形狀也有面積。 優(yōu)點：結構簡單、易于以事物為單位進行操作 缺點：沒有表示目標的拓撲關系，不便于分析處理，數(shù)據(jù)冗余量大,DIME編碼 又稱雙重獨立編碼（Dual Independent Map Encoding）是美國人口統(tǒng)計 局研制的用于人口分析制圖的數(shù)據(jù)結構。 特點： 1、以線段為主的記錄方式 線段有起始點和終止點及相臨的左右多邊形作為基本代碼形成拓撲關系。在這種記錄方式中，可以根據(jù)需要加入選擇要素；線段本身的空間位置數(shù)據(jù)，常置于另一層數(shù)據(jù)結構中。 2、它是一種具有拓撲功能的編碼方法 把研究對象看成由點、線、面組成的幾何圖形,基于上述優(yōu)點，尤其是它的拓撲

22、編碼方法和拓撲編輯功能，使它 在GIS中應用很廣。 DIME編碼結構 1、基本要素 線段名、線段的起止結點、線段的左右街區(qū)號碼 2、專題要素 地址范圍、地區(qū)碼、人口統(tǒng)計、地段碼 3、其它要素 郵政分區(qū)代碼，選擇分區(qū)代碼等 DIME的拓撲編輯 可以半自動和自動編輯，分為多邊形編輯和結點編輯，前者用來 檢驗封閉多邊形的封閉情況，后者用來形成圍繞某一結的所有多 邊形。在編輯過程中不斷檢查線段代碼的各項特性是否正確。,803,17 19,805,21 23 25 27 29,31 33 35 37 39 41 43 45,807,808,16 18,20 22 24 26 28,30 32 34 36

23、 38 40 42 44,825,821,822,823,N18 1st ST N19 2st ST N20 a ST,地塊圖,N1,P1,P2,P3,P4,a5,a1,a2,a3,a4,a6,a7,a8,多邊形編輯 1、由地塊圖中找出含有多邊形P4的全部線段，組成下表 2、逐一檢查上表中個線段，使線段走向確保其左多邊形為P4，得下表 3、調整線段序號，以確保連接的多邊形各結點順序相連，如本例中將線段a7,a8互換，得下表,結點編輯 1、從圖中找出線段紀錄中含有結點N3的全部線段，如下表： 2、逐一檢查上表中各線段走向，使終點均為N3，得下表： 3、調整線段序號，確保該接點周圍多邊形順序連接，

24、如下表：,多邊形編碼及拓撲關系生成 圖 多邊形編碼系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件結構,多邊形數(shù)據(jù)文件,圖幅目錄文件,圖形數(shù)據(jù),屬性數(shù)據(jù),多邊形文件,弧文件,結點文件,屬性文件,多邊形編碼系統(tǒng)建立如下圖 數(shù)字化輸入 數(shù)字化儀輸入數(shù)據(jù) 1、以結點為核心的輸入法 點輸入法（點方式） 2、以連續(xù)的線段為核心的輸入法（流方式） 結點擬合處理,圖形數(shù)據(jù) 獲取,數(shù)據(jù)編輯結點擬合去除多余點,自動形成 拓撲關系,建立多邊形數(shù)據(jù)文件,第三章 空間數(shù)據(jù)庫,3.1概述 數(shù)據(jù)庫是一門迅速發(fā)展的計算機數(shù)據(jù)管理技術，已廣泛應用到各 個部門，從一般事務處理到各種專門化數(shù)據(jù)的存儲管理?？臻g數(shù) 據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫的一種，具有一般數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內容、特點

25、和結構等。 內容 1、以特定結構存儲的相關聯(lián)數(shù)據(jù)的集合 2、使用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的用戶，可以采用批處理和交互式使用數(shù)據(jù) 3、數(shù)據(jù)庫管理軟件系統(tǒng)稱數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）,主要特點： 1、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享 2、減少數(shù)據(jù)冗余度 3、數(shù)據(jù)的獨立性 4、數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中控制 5、數(shù)據(jù)一致性及可維持性（安全性、完整控制，并發(fā)控制、故障發(fā)現(xiàn)和恢復） 數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)結構 1、物理數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)庫最內層，是物理存儲設備上實際存儲的數(shù)據(jù)集合，這些數(shù)據(jù)是原始數(shù)據(jù)，是用戶加工的對象，由內部模式描述的指令操作處理的位串、字符和字組成。,2、概念數(shù)據(jù)層：中間層，是數(shù)據(jù)庫整體邏輯表示。指出了每個數(shù)據(jù)的邏輯定義及數(shù)據(jù)間的邏輯關系，是存儲

26、記錄的集合。它所涉及的是數(shù)據(jù)庫所有對象的邏輯關系，而不是他們的物理結構，是數(shù)據(jù)庫管理員概念下的數(shù)據(jù)庫。 3、邏輯數(shù)據(jù)層：是用戶所看到和使用的數(shù)據(jù)庫。它表示一個或一些特定用戶使用的數(shù)據(jù)集合，即邏輯記錄的集合。 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS） 是處理數(shù)據(jù)庫存取和各種管理控制的軟件，不僅面向用戶，還面向系統(tǒng) 主要功能：定義數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫、維護數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫通訊功能 數(shù)據(jù)庫管理程序組成：系統(tǒng)運行控制程序、語言處理程序、建立和維護 程序,數(shù)據(jù)字典（data dictionary) 也稱數(shù)據(jù)目錄是數(shù)據(jù)庫應用設計的主要內容，它是描述數(shù)據(jù)庫中各數(shù)據(jù) 屬性及其組織的數(shù)據(jù)集合。 數(shù)據(jù)字典設計的內容：實體名稱、屬性

27、說明、代碼、完全性限制、關系 3.2、數(shù)據(jù)文件及其組織 地理信息系統(tǒng)的開發(fā)和應用同文件關系十分密切，盡管數(shù)據(jù)庫技術已從 文件系統(tǒng)發(fā)展到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，但文件系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎。 文件的幾種主要組織形式： 一、順序文件(sequential file)：記錄按進入文件的先后順序存放 二、直接存取文件(direct access file)：又叫隨機文件，存放、刪除、查找等方便 三、索引文件(index file)：帶有索引表的文件,四、倒排文件（inverted file) 若需要對主關鍵字段以外的其它的次關鍵字進行查詢，通常的做法是 順序存取主文件中的每一個記錄，再對該記錄中次關鍵字進行比較，

28、 這樣效率低，為此引入多關鍵字文件的概念。在多關鍵文件中，需要 建立一系列次關鍵字索引表。次關鍵字索引表中的每個索引項應包含 次關鍵字及具有同一關鍵字的多個記錄的主關鍵字或物理記錄號。這 種次關鍵字的索引表稱為倒排表。倒排表和文件一道構成倒排文件。 倒排文件優(yōu)點：對復雜的多關鍵字查詢時，可在倒排表中先完成查 詢的“交”、“并”等邏輯運算，然后將得到的結果再對主文件中記 錄進行存取。也就是把記錄的查詢轉換成地址集合的運算，從而提高 了查詢的速度。,3.3、數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型 在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)內容的描述，以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，主要是通過數(shù) 據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型來實現(xiàn)的。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型： 1、層次模型：從數(shù)據(jù)

29、結構的觀點看，層次模型采用的是樹數(shù)據(jù)結構。 具有樹數(shù)據(jù)結構的一般特點，表達的數(shù)據(jù)關系是一對多的關系。模 型的記錄都處在一定的層次上。 優(yōu)點：結構清晰、易理解；缺點：數(shù)據(jù)冗余度大，不適于表達數(shù)據(jù)的 拓撲關系。,2、網絡模型：采用圖數(shù)據(jù)結構，表達的數(shù)據(jù)關系是多對多，且數(shù)據(jù) 之間具有顯示的連接關系，但沒有明顯的層次關系。 優(yōu)點：大大的壓縮了數(shù)據(jù)量，便于表達復雜的拓撲關系；缺點：數(shù)據(jù) 之間的聯(lián)系要通過指針表示，使數(shù)據(jù)量大大增加等等。 3、關系模型：采用線性表數(shù)據(jù)結構，數(shù)據(jù)的邏輯結構為滿足一定條件 的二維表，這種表稱為二維關系。一個實體用若干個關系組成，而關系 表的集合就構成了關系模型。 優(yōu)點：數(shù)據(jù)結構

30、簡單、清晰，能夠直接處理多對多的關系，數(shù)據(jù)的獨立 性強等。缺點：涉及的目標很多時，操作時間長，效率低。,以上三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的缺點表現(xiàn)在： 1、以記錄作為數(shù)據(jù)模型的結構，不能很好的面向對象 2、數(shù)據(jù)語義貧乏：數(shù)據(jù)語義是指數(shù)據(jù)本身具有的表達數(shù)據(jù)屬性及其關系的能力。 3、數(shù)據(jù)類型少，難以滿足用戶的需要 面向對象的數(shù)據(jù)模型 與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型比較，其優(yōu)點表現(xiàn)在： 1、具有表示和構造復雜對象的能力 2、封裝性和信息隱蔽技術提供了模塊化機制 3、繼承和類層次技術提供了重用機制 4、滯后束定等技術為系統(tǒng)提供了擴充能力,面向對象的數(shù)據(jù)模型及其實現(xiàn)方法 在目前流行的關系模型中，真實世界被強制映射成表的集合。因 此

31、，復雜對象的許多語義被丟失了。面向對象模型允許定義任意 復雜的數(shù)據(jù)類型，模型化真實世界的靜態(tài)特征，并通過面向對象 模型提供與對象類型相關連的操作，記錄對象的動態(tài)特征。同關系模型相比，面向對象的模型更適合數(shù)據(jù)結構的組織，而關系模型 更適合數(shù)據(jù)本身的組織。也就是說，若數(shù)據(jù)庫中一條獨立的記錄具有獨 立意義，則適合采用關系模型；相反，若數(shù)據(jù)庫中一條記錄只有同其它 記錄組合在一起時才有意義，則適合采用面向對象的模型。,3.4、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立是為了記錄大量反映地理特征的空間數(shù)據(jù)和 屬性數(shù)據(jù) 地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的特點： （1）數(shù)據(jù)庫的復雜性，體現(xiàn)在：數(shù)據(jù)類型上（空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)

32、據(jù)、 拓撲關系等）；數(shù)據(jù)結構上（矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等）；空間數(shù)據(jù)和屬 性數(shù)據(jù)的相互獨立性及相關性。 （2）數(shù)據(jù)庫處理的多樣性，體現(xiàn)在：（屬性數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、輸 出）；空間數(shù)據(jù)的查詢、結果輸出；屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的相互查詢） （3）數(shù)據(jù)量大 海量數(shù)據(jù),地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及其管理 由于地理空間數(shù)據(jù)的以上特點，用一般商品化關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為管 理地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，管理空間和屬性信息并不理想。 但由于一些通用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)運算及 結構修改擴充方面效率較高，特別是通用性強，所以，目前很多地理 信息系統(tǒng)中仍以通用的關系模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為技術支持。 基于關系模型數(shù)

33、據(jù)庫和文件系統(tǒng)的管理方法 采用這種方法的地理信息系統(tǒng)中，分別用兩個子系統(tǒng)管理空間數(shù)據(jù)和 屬性數(shù)據(jù)。其中屬性數(shù)據(jù)存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中，空間數(shù)據(jù)則存儲在 文件系統(tǒng)中。在分析目標時分別訪問兩個子系統(tǒng)，再把他們結合起來 得出結論。,這種系統(tǒng)的缺點是數(shù)據(jù)的完整性差，由于采用了兩個子系統(tǒng)有時會出現(xiàn) 空間數(shù)據(jù)子系統(tǒng)中已刪除的目標，在屬性數(shù)據(jù)庫中卻仍然存在此目標， 或相反。通常兩個子系統(tǒng)中采用下述連接方法： 1、標識碼連接法（關鍵字段） 空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的標識碼連接,101,102,104,103,標識碼 屬性1 屬性2 101 林地 陽坡 102 農地 坦面 103 牧地 陰坡 104 農地 平地,4.1

34、 概述 數(shù)據(jù)處理和分析是很難分開的，處理是指GIS對空間數(shù)據(jù)本身所提供 的操作手段，它不涉及內容的分析；分析則是GIS為用戶提供解決問 題的方法。 數(shù)據(jù)處理的必要性：數(shù)據(jù)源的復雜性，如比例尺、投影坐標、矢量 數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等。 一個成熟的GIS軟件，應具備以下空間數(shù)據(jù)的處理功能： 編輯處理圖形和屬性數(shù)據(jù)編輯、圖形的拼接和分割等； 變換處理投影變換、坐標變換、比例尺變換、幾何校正等；,第四章 空間數(shù)據(jù)的處理與分析,編碼和壓縮處理柵格和矢量數(shù)據(jù)編碼、壓縮、消除多余點等； 數(shù)據(jù)的插值點的內插、區(qū)域內插等 數(shù)據(jù)類型轉換矢量向柵格、柵格向矢量轉換、系統(tǒng)間數(shù)據(jù)轉換等。 空間數(shù)據(jù)的分析功能是衡量一個GIS軟

35、件好壞的重要指標，空間數(shù)據(jù) 的分析功能主要有： 查詢檢索拓撲查詢、位置查詢、屬性、區(qū)域查詢等； 形態(tài)分析面積、距離量算、質心計算、周長計算等； 定性分析等值線分析、坡度、坡向分析、分水嶺分析、視域分析等； 疊置分析視角信息復合、條件疊置等； 鄰域分析緩沖分析等； 網絡分析最佳路徑分析、空間規(guī)劃等；,圖像分析圖像增強、分割、細化等； 應用模型數(shù)學模型、統(tǒng)計模型、邏輯模型等。 4.2空間數(shù)據(jù)的輸入與編輯 4.2.1空間數(shù)據(jù)源 常用數(shù)據(jù)的種類 （1）各種地圖：普通地圖、地形圖、專題圖 （2）航空航天遙感數(shù)據(jù)：模擬數(shù)據(jù)（感光膠片、黑白或真假彩色照片等）；數(shù)字數(shù)據(jù)（磁帶、磁盤、光盤等） （3）試驗數(shù)據(jù)：

36、土壤理化、水土流失等 （4）社會經濟數(shù)據(jù)：是同地學相關聯(lián)的數(shù)據(jù)，通過二者的關聯(lián)分析找出社會經濟狀況與地理分布區(qū)域的相關性，從而為政府決策提供依據(jù)，如扶貧政策等,數(shù)據(jù)的誤差與分析 （1）原始誤差 數(shù)據(jù)采集和錄入中產生的誤差 （2）處理誤差 在數(shù)據(jù)處理過程中產生的誤差，如編輯、坐標變換等 4.2.2空間數(shù)據(jù)輸入 屬性數(shù)據(jù)錄入：常采用鍵盤錄入，將來可以是語音 空間數(shù)據(jù)錄入： （1）手工輸入圖形數(shù)據(jù) 矢量數(shù)據(jù)：手工輸入點、線、面的地理坐標數(shù)據(jù) 柵格數(shù)據(jù)：手工輸入每個柵格元素的屬性值 （2）手扶跟蹤數(shù)字化儀輸入：點方式和流方式,（3）自動掃描數(shù)據(jù)化輸入 圖件掃描柵格數(shù)據(jù)、速度快、精度高、操作簡單、人為影

37、響小 缺點：數(shù)據(jù)量大，柵格轉矢量的技術難度大，信息的自動提取和字符識別難度大。 攝象機、數(shù)碼相機也某種意義上說可以代替掃描儀 （4）全球定位系統(tǒng) 直接獲取空間位置及高程數(shù)據(jù) 4.2.3空間數(shù)據(jù)的編輯 主要是對輸入的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行檢查、改錯、更新、加工，以 便得到凈化的輸入數(shù)據(jù)。 屬性數(shù)據(jù)的編輯與一般的數(shù)據(jù)庫相似 空間數(shù)據(jù)編輯包括點、線、面，他們的類型、顏色、尺寸、刪除、移 動等。,4.2.4圖幅的拼接與分割 圖幅拼接：按圖幅號、相同比例尺、統(tǒng)一坐標的地圖拼接 圖幅分割 4.3空間數(shù)據(jù)的坐標變換 4.3.1坐標系及坐標變換 窗口區(qū)：是在用戶坐標系下指定的任意的感興趣的區(qū)域輸出到設備上 屏

38、幕區(qū)：圖形設備上輸出圖形的最大區(qū)域 4.3.2圖形的幾何變換 如圖形平移、旋轉、投影等。圖形變換是對圖形的幾何數(shù)據(jù)進行變換， 變換后產生新的圖形，但不改變圖形元素的拓撲關系。 4.3.3矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)互轉換 矢量數(shù)據(jù)轉柵格數(shù)據(jù)比較容易；柵格數(shù)據(jù)轉矢量數(shù)據(jù)比較難,4.4空間數(shù)據(jù)的查詢檢索 空間目標的位置和屬性查詢 1、定位查詢 2、分層查詢 3、區(qū)域查詢 4、條件查詢 5、空間關系查詢 4.5等值線分析 地形圖、等溫線圖、等壓數(shù)據(jù)圖等 1、等值線的繪制，取自各種圖件、實地測量、觀測記錄等 2、等值線的應用，如高程分析或景觀分析,4.6空間數(shù)據(jù)的復合分析 主要是將同一空間上兩個或兩個以上的具有

39、不同含義的地理要素的 重合點進行分析處理 4.6.1復合分析的數(shù)學方法 1、邏輯關系分析 用邏輯表達式來分析處理重合點的非幾何特性之間的邏輯關系，實 現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的復合、提取、刪除等操作。 2、算術表達式 通過對重合點的非幾何特性間的算術運算，求得新的復合層。 3、統(tǒng)計關系分析 用統(tǒng)計分析法來獲取各重合點之間的非幾何特性值，從而得到新的 復合層，以表示不同屬性之間關系或按統(tǒng)計值劃分區(qū)域。,4.6.2視角信息復合 同一地區(qū)同意比例尺不同含義圖像的疊合，從而獲取更多的空間信息， 以便用戶判斷不同地理實體的空間關系。 1、點、線、面圖層復合 2、專題圖和數(shù)據(jù)高程圖復合生成立體專題圖 3、遙感數(shù)據(jù)和專題圖視角復合 4.6.3疊置分析 視角復合不改變數(shù)據(jù)結構，也不形成新的數(shù)據(jù)，只給用戶帶來視角效果； 而疊置分析的結果不僅產生視角效果，更主要的是形成一新的目標。其 中，對空間數(shù)據(jù)的區(qū)域分析進行了疊置分析，屬性數(shù)據(jù)中包含了參加疊 置的多種數(shù)據(jù)項。 條件疊置和無條件疊置,4.6.4網絡分析 交通路線、旅游路線、撲火路徑等確定 最佳路徑選擇，為規(guī)劃設計提供科學依據(jù) 4.6.5鄰域分析 鄰域分析是通過空間點周圍的鄰點、或某特定目標及方向范圍內某種 性質的鄰點，進行分析的一種方