地理信息系统PPT基础教程(上).ppt

,资源与环境科学学院,地理信息系统基础,GIS,Geographical Information System,地理信息系统,第一章 地理信息系统导论 第二章 地理数据结构及其文件组织 第三章 地理数据库 第四章 地理数据采集 第五章 空间数据处理 第六章 地理数据计量地理分析 第七章 空间分析 第八章 地理信息产品输出 第九章 地理信息系统设计与评价 第十章 地理信息系统应用实例,地理信息系统导论,学习目标：理解GIS的相关概念，说明GIS和相关学科的关系 掌握GIS的特点、类型与组成 了解GIS的基本功能和用途 了解GIS的发展概况 重点：GIS的基本概念、组成及功用,地理信息系统导论,信息革命的影响，要求地理学要顺应时代的要求，跟上时代的步伐，地理学要高度现代化。计算机技术、自动化技术等的发展为GIS的形成奠定了坚实的基础；地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存贮、分析和显示地理信息的功能。计算机制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用；海量资源信息，客观上需要GIS为之服务；由于社会的进步，人类开始觉悟到对于自然资源的利用，不能是简单的掠夺，而应当合理的管理利用，并且把开发和保护相结合。对自然资源应采取科学的管理，进行定量分析和预测，从而为宏观科学决策提供依据，这些为GIS的产生提供了应用基础。基于以上社会经济与技术发展的历史背景和原因，地理信息系统于60年代中期开始形成并逐渐发展起来。,第一节 地理信息系统的产生,基本概念,信息的特点,数据与信息的区别,第二节 地理信息系统的基本概念,数据是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，随载荷它的物理设备的形式而改变。信息是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。它不随载体的物理形式的改变而改变。,(1)信息的客观性(2)信息的适用性(3)信息的传输性(4)信息的共享性,信息的特点：,信息与数据是不可分离的，数据是信息的表达，信息是数据的内涵。数据本身并没有意义数据只有对实体行为产生影响时才成为信息,数据与信息的关系,基本概念,地理信息的特征,地图与地理信息的关系,地理信息是指表示地理环境诸要素的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律的数字、文字、图象和图形等的总称。地图是将地理环境诸要素按照一定的数学法则，运用符号系统并经过制图综合缩绘于平面上的图形，以传递各种自然和社会现象的数量与质量的空间分布和联系以及随时间的发展变化。,基本概念,(1)属于空间信息(2)具有多维结构的特征(3)时序特征十分明显,地理信息的特征,1.地图是地理信息载体2.地图是地理信息的传统数据源3.地图是GIS的查询与分析 结果的表示方法,地图与地理信息的关系,地理系统是一个多层次的巨系统，它具有多层次的结构和泛目标的功能，需要多学科的知识结构和多种形式技术体系的支持。地理系统是认识地理圈的事物、现象和发生发展过程，理解物质迁移与能量转换内外循环的规律，认识地理规律、掌握地理信息，以调控资源与环境为目的的逻辑思维过程。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。地理系统是地理信息系统的科学依据；地理信息系统是研究地理系统的科学技术保证。,地理信息系统的分类,地理信息系统的功能,地理信息系统的应用,第三节 地理信息系统的特点和功能,地理信息系统的特点,公共的地理定位基础；2.具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力3.系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息；4.以地理研究和地理决策为目的，是一个人机交互式的空间决策支持系统。,一、地理信息系统的特点,二、地理信息系统的分类,数据输入、存贮和编辑操作运算数据查询和检索应用分析图形显示和结果输出数据更新,三、地理信息系统的功能,四、地理信息系统的应用,1.统计与量算；2.规划与管理；3.预测与监测；4.辅助决策。,第四节 地理信息系统的组成,数据输入,数据存储,信息输入,系统操作,系统支持,地理分析,硬件系统,地理数据,软件系统,地理数据库,用户,一、GIS 的 硬 件 系统,计算机主机,二、GIS的软件系统,应用分析软件,三、地理数据,四、用 户,系统组织、管理、维护和数据更新、应用程序开发、信息提取、地理决策,一、研究内容,第五节 地理信息系统的研究内容,概念、定义、内涵构成、特点、功能和任务理论体系发展历史及发展趋势,一、研究内容,第五节 地理信息系统的研究内容,硬件配置数据结构与表示输入输出系统地理数据管理用户界面GIS工具软件研制,一、研究内容,第五节 地理信息系统的研究内容,应用系统设计数据采集与校验专题分析模型3S结合地学专家系统,二 相关学科树,1.起步阶段（60年代），注重空间数据的地学处理。1963年，加拿大测量学家R.T.Tomlinson首先提出GIS 这一术语，建立加拿大地理信息系统（CGIS）；1969年，ESRI（环境系统研究所）建立；1969年，Integraph公司建立。2.发展阶段（70年代），注重空间地理信息的管理，受到 政府部门、商业公司和大学的普遍重视。1978年，ERDAS成立。,一、地理信息系统的发展概况,第六节 GIS发展趋势,3.推广应用阶段（80年代），注重空间决策支持分析。1981年，ESRI ARC/INFO GIS发布；1985年，GPS成为可运行系统；1986年，MapInfo建立；1986年，SPOT卫星首次发射；1987年，地理信息系统的国际杂志出版；1988年，美国人口调查局第一次公开发布TIGER；1988年，GIS World 首次发行；1989年，Ingegraph 发布MGE；,4.用户时代（90年代后）,注重GIS社会应用与服务，GIS技术迅猛发展。控件式GIS成为GISTools的发展方向;WebGIS蓬勃发展;三维GIS崭露头角。5.国外主流GIS软件 ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）GENAMAP MGE（Modular GIS Environment）（GeoMedia）MapInfo（Mapinfo Proserver、MapX、MapXtreme、SpatialWare）ERDAS,二、我国GIS的发展 1.准备阶段（70年代）2.试验阶段（80年代）3.全面发展阶段（90年代）4.国产主流GIS软件 GeoStar MapGIS SuperMap CityStar,(1)GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学 日趋完善的技术体系；(2)空间数据结构与数据管理的研究更加深入；(3)GIS应用模型开发日趋加强；(4)GIS智能化；(5)GIS网络化；(6)三维GIS的研究不断深入；(7)宏观与微观应用进一步加强，并形成新的产业。,三、地理信息系统的发展趋势,地理数据结构及其文件组织,学习目标 理解地理空间信息的概念 掌握地理空间信息的描述方法 理解地理数据分类描述的方法 理解和掌握地理空间数据的拓扑关系 掌握栅格和矢量数据结构及其编码方法 了解栅格与矢量数据之间的转化方法重点：地理空间数据的拓扑关系、两种空间数据结构的特点及其编码方法。难 点：拓扑结构、栅格数据编码,地理数据结构及其文件组织,地理空间信息及其描述 地理空间数据类型 地理信息的空间关系 地理信息空间数据结构 地理信息数据的编码方法 矢量结构与栅格结构的相互转换,一、地理空间信息,1地理空间（Geographic Space）是指物质、能量、信息的形式与形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。2地理信息 地理信息是一个时空过程，它存在于一定物质、能量载体，并能从一种载体向另一种载体进行转移，从而形成所谓的信息流。按照认知关系可将地理信息载体化分为地理主体和地理对象两种。,二、地理空间信息的描述,是建立在地理空间坐标系基础上的地理坐标（经度、纬度）是描述地理空间信息最直接的方法。平面直角坐标系(X,Y)建立了对地理空间良好的视觉感，并易于进行距离、方向、面积等空间参数的量算，以及进一步的空间数据处理和分析。地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。,三、地理数据的分类描述,定名（Nominol）量顺序（Ordinal）量间隔（Interval）量比率（Ratio）量,定性而非定量地对众多地理事物进行区分和标识。如北京、天津、石家庄等；长江、黄河、鸭绿江等；白洋淀、洪泽湖和太湖等,通过排序来区分和标识地理现象的量称为顺序量。它是按照地理数据的等级序列，由低到高（或由高到低）进一步细分的,利用某种标准单位（可以是任意的）作为间隔量来表示不同的量，是一种较精确区分和标识地理现象的测量方法。,比率量是间隔量的精确化。它提供的定量值是具有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据,第二节 地理空间数据类型,地理数据的基本特征地理数据的来源 地理空间数据类型,一、地理数据的基本特征,空间特征 表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。属性特征 表示实体的特征。如名称、分类、质量特征和数量特征等。时间特征 描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。,二、地理数据的来源,地图数据 地图是地理信息的主要载体，同时也是地理信息系统最重要得信息源 遥感数据 各种遥感数据及其制成的图像资料（航片、卫片）包含着及其丰富的地理内容，尤其是先进的卫星遥感技术的广泛应用，能为地理信息系统提供源源不断的、现势性很强的数据 统计数据、实测数据及各种文字报告 各种地理要素的统计数据、实验和各种观测数据、研究报告等,三、地理空间数据的类型,1.类型数据：居民点、交通线、土地类型分布等。2.面域数据：多边形中心点、行政区域界限和行政单元3.网络数据：道路交叉点、街道和街区等。4.样本数据：气象站、航线和野外样方的分布区等。5.曲面数据：高程点、等高线和等值区域。6.文本数据：如地名、河流名和区域名称。7.符号数据：点状符号、线状符号和面状符号等。,第三节 地理信息的空间关系,地理空间数据的拓扑关系地理空间信息的方向关系地理空间信息的度量关系,一、地理空间数据的拓扑关系,拓扑结构 是明确定义空间结构关系的一种数学方法。在GIS中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。,1.地理空间数据的拓扑关系2.地理空间数据拓扑关系应用价值3.地理空间数据拓扑关系的表示,拓扑邻接：元素之间的拓扑关系。拓扑关联：元素之间的拓扑关系。拓扑包含：元素之间的拓扑关系。,1、地理空间数据的拓扑关系,不 同 类,同 类,同类不同级,拓扑邻接：N1/N2,N1/N3,N1/N4;P1/P3;P2/P3拓扑关联：N1/1、3、6；P1/1、5、6 拓扑包含：P3与P4,2.地理空间数据拓扑关系应用价值,（1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离（2）利于空间要素查询（3）重建地理实体,3.地理空间数据 拓扑关系的表示,结点集合,3.地理空间数据 拓扑关系的表示,多边形集合,3.地理空间数据 拓扑关系的表示,弧段集合,二、地理空间信息的方向关系,方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。描述空间实体的方向关系，对于点状空间实体只要计算两点之间的连线与某一基准方向的夹角即可，该夹角称为连线的方位角。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种。同样计算点状和线状空间实体、点状和面状空间实体时，只需将线状和面状空间实体视为由它们的中心所形成的点状实体，然后按点状实体来求解方向关系即可。,三、地理空间信息的度量关系,度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。这种距离关系可以定量地描述为特定空间中的某种距离，如A实体距离B实体100m。也可以应用与距离概念相关的术语，如远近等进行定性的描述。,第四节 地理信息空间数据结构,空间数据结构矢量数据结构栅格数据结构栅格结构与矢量结构的比较,常用的空间数据结构,X,Y,i,j,x1 y1,x2 y2,xi yi,xn yn,矢量数据结构 矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。特点：定位明显，属性隐含。获取方法：(1)手工数字化法；(2)手扶跟踪数字化法；(3)数据结构转换法。,栅格数据结构 栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。特点：属性明显，定位隐含。获取方法：(1)手工网格法；(2)扫描数字化法；(3)分类影像输入法；(4)数据结构转换法。,栅格结构数据中混合像元的处理,方案一,方案二：缩小栅格单元的面积,矢量结构与栅格结构的比较,第五节 地理数据的编码方法,编码的概念和意义栅格结构编码方法矢量结构编码方法属性数据编码方法,第三节 地理数据的编码方法,地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。,一、编码的概念和意义,栅格结构编码方法,1、直接栅格编码,直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。,0，2，2，5，5，5，5，5；2，2，2，2，2，5，5，5；2，2，2，2，3，3，5，5；0，0，2，3，3，3，5，5；0，0，3，3，3，3，5，3；0，0，0，3，3，3，3，3；0，0，0，0，3，3，3，3；0，0，0，0，0，3，3，3。,由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。8个基本方向自0开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。,2、链码,0,0,1,0,7,6,7,0,1,1,0,0,链码编码：2，2，6，7，6，0，6，5,链码编码示例,3、游程长度编码,(1)只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录 该代码以及相同代码重复的个数；,沿行方向进行编码：(0，1），（2，2），（5，5）；（2，5），（5，3）；（2，4），（3，2），（5，2）；（0，2），（2，1），（3，3），（5，2）；（0，2），（3，4），（5，1），（3，1）；（0，3），（3，5）；（0，4），（3，4）；（0，5），（3，3）。,3、游程长度编码,逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。,沿列方向进行编码：(1，0），（2，2），（4，0）；（1，2），（4，0）；（1，2），（5，3），（6，0）；（1，5），（2，2），（4，3），（7，0）；（1，5），（2，2），（3，3），（8，0）；（1，5），（3，3）；（1，5），（6，3）；（1，5），（5，3）。,4、块码,采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。,（1，1，1，0），（1，2，2，2），（1，4，1，5），（1，5，1，5），（1，6，2，5），（1，8，1，5）；（2，1，1，2），（2，4，1，2），（2，5，1，2），（2，8，1，5）；（3，3，1，2），（3，4，1，2），（3，5，2，3），（3，7，2，5）；（4，1，2，0），（4，3，1，2），（4，4，1，3）；（5，3，1，3），（5，4，2，3），（5，6，1，3），（5，7，1，5），（5，8，1，3）；（6，1，3，0），（6，6，3，3）；（7，4，1，0），（7，5，1，3）；（8，4，1，0），（8，5，1，0）。,5、四叉树编码,是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n2 n的栅格阵列。n 为极限分割次数，n1是四叉树最大层数或最大高度,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,36,37,38,39,34,35,40,0 0 0,0 3 3 3 0 3 3 3,3 3 5 3 0 0 2 2,2 3 2 2 2 2 0 2,2 2 2 5 2 5 5 5,3 3,3 5 5,西南,东南,西北,东北,直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度编码：在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。,矢量结构编码方法,1、点实体矢量编码方法2、线实体矢量编码方法3、多边形矢量编码方法,点实体编码,线实体编码,多边形矢量编码,由多边形边界的x,y坐标队集合及说明信息组成,对所有边界点数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系,形成完整的拓扑结构,多边形环路法,P1 x1，y1；x2，y2；x3，y3；x4，y4；x5，y5；x6，y6；,P2 x7，y7；x8，y8；x9，y9；x10，y10；x11，y11；x5，y5；x6，y6,P3 x12，y12；x13，y13；x14，y14；x15，y15,树状索引法,树状索引法,线号 起点 终点 点号 6 5 6,1,2,3,4,5 5 6 5,6 6 5 6,7,8,9,10,11,5 12 13 12,15,14,13,树状索引法,多边形文件多边形号 边界线号 1，2，3,树状索引法,拓扑结构编码法,唯一标示多边形标示外包多边形指针邻接多边形指针边界链接范围,较好的解决了空间关系查询等问题，但增加了算法的复杂度,四、属性数据编码方法,1.编码内容（1）登录部分（2）分类部分（3）控制部分2.编码原则（1）管理效率高（2）适用性好（3）接口方便,第六节 矢量结构与栅格结构的相互转换,矢量数据结构向栅格数据结构的转换栅格数据结构向矢量数据结构的转换,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,矢量数据转换成栅格数据后，图形的几何精度必然要降低，所以选择栅格尺寸的大小要尽量满足精度要求，使之不过多地损失地理信息。为了提高精度，栅格需要细化，但栅格细化，数据量将以平方指数递增，因此，精度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素。栅格尺寸确定 计算若干个小图斑的面积S（i1，2，n）；求小图斑面积平均值；求栅格尺寸L（）1/2。,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,点的栅格化,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,直线栅格化 直线插补法 扫描线法,一、矢量数据结构向栅格数据结构的转换,面域的栅格化 直线插补法 扫描线法,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,多边形边界提取边界线追踪拓扑关系生成去除多余点及曲线圆滑,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,多边形边界提取 二值化 细化,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,多边形边界提取 二值化 细化,二、栅格数据结构向矢量数据结构的转换,边界线追踪：边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。,第三章 GIS数据管理,学习目标：掌握数据的层次单位了解数据间的逻辑关系了解常用的数据文件了解数据库的基本概念了解数据库的特点和结构理解数据库管理系统、数据安全和数据更新理解传统数据库模型 重点：数据库模型的分类和特点 难点：面向对象的数据库模型,第三章 GIS数据管理,数据层次与文件组织空间数据库传统数据库模型面向对象数据库系统数据管理设计,第一节 数据层次与文件组织,数据层次（数据项、记录、文件、数据库）数据间的逻辑联系（一对一、一对多、多对多）用数据文件（顺序、直接、索引、到排文件）,数据项组,逻辑数据单位之间的关系,物理单位:位(比特)、字节、字、块(物理记录)、桶和卷逻辑单位:数据项、数据项组、记录、文件和数据库,一、数据的层次单位,数据项数据项组记录文件数据库,最基本的不可分割的数据单位,具有独立的逻辑意义,逻辑上具有某种共同标志的若干数据项组成的,数据项或数据项组集合,对文件进行存取操作的基本单位,给定类型逻辑记录的全部具体值的集合,文件的集合，文件之间存在某种联系，不能孤立存在,二、常用数据文件,它是物理顺序与逻辑顺序一致的文件,文件中的贮存是根据记录关键字的值，通过某种转换方法得到一个物理存贮位置，然后把记录存贮在该位置上。,二、常用数据文件,即带有索引的文件，它只能建立在随机存取介质上。,二、常用数据文件,按照一些辅关键字来组织索引称为辅索引，带有这种辅索引的文件称为倒排文件。,二、常用数据文件,第二节 空间数据库,数据存储,数据库,数据管理,程序库(数据库软件),原始信息数据库,。,二、数据库分类,概念/内部映射,数据库的系统结构,（1）用户级 用户使用的数据库对应于外部模式，它是用户与数据库的接口，也就是用户能够看到的那部分数据库，它是数据库的一个子集。（2）概念级 概念数据库对应于概念模式，简称模式，是对整个数据库的逻辑描述，也就是数据库管理员看到的数据库。（3）物理级 物理数据库对应于内模式，又称为存贮模式，内模式描述的是数据在存贮介质上的物理配置与组织，是存放数据的实体，也是系统程序员才能看到的数据库。,数据库管理系统是处理数据库存取和各种管理控制的软件，应用程序对数据库的操作全部通过DBMS进行。,数据库管理系统,提供书写各种模式的语言及其支撑软件，并把各种定义信息也存贮于系统之中。它勾画出数据库的框架。,应用数据装入数据库 a)键盘输入；b)接受另一个系 统 的数据文件,运行控制数据存取、更新数据完整性、有效性数据公享,重新定义数据重新组织性能监督与分析数据库整理故障恢复,操作系统接口处理各种语言接口远程操做接口处理,DBMS组成,语言处理程序,运行控制程序,建立与维护程序,数据描述语言（DDL）数据操作语言（DML）终端命令解译,系统控制数据存取数据更新并发控制数据完整性,数据装入性能监控工作日志重新组织数据转储系统恢复,SQL语言：数据查询 Data Query数据定义 Data Definition数据操纵 Data Manipulation数据控制 Data Control,应用程序对数据库的访问,数据库管理员,决定数据库的信息内容数据库系统的联络员决定存储结构和访问策略决定系统的保护策略监督系统工作,第二节 传统数据库模型,1.关系模型2.层次模型3.网状模型,关系模型是一种数学化的模型，它是将数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表。实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表，在数学上把这种二维表叫做“关系”。这些关系表的集合就构成了关系模型。关系模型主要优点是：数据结构灵活、清晰，可以通过数学运算进行各种查询、计算和修改；数据描述具有较强的一致性和独立性。缺点时当关系很复杂时，计算机需要执行一系列的数据操作，比较费时。,关系模型,层次模型结构,层次层次模型所表达的基本联系是一对多的关系，它把数据按其自然的层次关系组织起来，以反应数据之间的隶属关系。层次模型的优点是模型层次分明、结构清晰，较容易实现。尽管每个记录只有一个双亲，当从子女查找双亲，只有唯一的结果，但查找比较麻烦，需要大量的索引文件，而且某种属性值可能要重复多次，导致数据冗余度增加，当对层次模型进行修改时，只有当新记录有上属记录时才能插入。删除一个记录其所有下属记录也同时被删除。,层 次 模 型,网状模型结构,网状模型基本特征是在记录之间没有明确的主从关系，任何一个记录可与任意其他多个记录建立联系，与层次模型相比较，大大压缩了数据的存贮量。可以表示实体的多种，关系更为灵活，对确定的数据表示效率高，冗余小，表示关系复杂的地理数据和具有网络特征的地理实体效果较好。但网状结构数据指针比较复杂，数据更新较为繁琐。,网状模型,1.地理空间数据2.地理空间数据库的数据结构3.地理空间数据库的内容4.地理数据库的设计过程,第三节 地理空间数据库,第四节 面向对象数据库系统,传统数据库管理地理空间数据的局限性向对象方法中的基本概念向对象方法的数据抽象技术和数据抽象工具面向对象的集合抽象类型面向对象的属性数据模型面向对象数据库系统的实现,传统数据库管理地理空间数据的局限性,传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空 间关系传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录的原子数据传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息,面向对象方法中的基本概念,(1)对象与封装性(2)分类(3)概括(4)联合(5)聚集,面向对象方法的集合抽象类型,1空间地物的几何数据模型,面向对象方法的集合抽象类型,2拓扑关系与面向对象模型 这一模型既解决了数据共享问题，又建立了弧段与节点的拓扑关系。同样，面状地物对弧段的聚集方式与数据共享和几何拓扑关系的建立也达到一致。,数据管理设计,文件管理系数据库管理文件结合关系数据库管理面向对象数据库管理,附加：地理空间数据,与空间位置有关的各种地理信息，或者是可以用地图来描述的各种地理信息。,1.位置信息2.资源与环境信息3.社会经济信息,地理空间数据库的内容,地理数据库的设计过程,了解用户需求,定义：描述数据库中各种数据属性与组成的数据集合，它是数据库设计与管理的有力工具。简言之：关于数据的数据数据字典的主要内容：数据项（数据项名、含义、类型、长度、取值等）数据结构（数据结构名、组成成分、等）数据流（数据流名、流入流出过程名、组成等）数据存储（存储名、数据量、存取方式、操作方式）加工过程（加工过程名、加工的简要说明）,数据字典(数据目录、元数据)（MetaData）,第四章地理数据输入与处理,学习目标了解GIS的数据采集方式掌握地图数字化的方法、步骤掌握地图数据的各种处理方法理解属性数据编码的深刻含义了解空间数据的压缩处理的方法及优缺点重点：数据采集方式和数字化方法，空间数据处理的概念、意义和方法。难点：扫描数据的处理，空间数据类型的转换。,四、空间数据的压缩处理,一、数据采集方式,二、地图数字化,三、地图数据处理,五、属性数据输入,1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式,通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘输入。主要用于属性数据的输入。,第一节 数字采集方式,1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式,手扶跟踪数字化仪是一种图形数字化设备，是目前常用的地图数字化方式生成矢量数据。,第一节 数字采集方式,数字化仪,第一节 数字采集方式,1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式,扫描仪是一种图形、图象输入设备，可以快速地将图形、图象输入计算机系统，是目前发展最快的数字化设备生成栅格数据。,第一节 数字采集方式,小型扫描仪,工程扫描仪,第一节 数字采集方式,1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式,从遥感影像上直接提取专题信息。,第一节 数字采集方式,1.手工方式2.手扶跟踪化数字方式3.扫描方式4.影像处理和信息提取方式5.数据通讯方式,联网方式下，信息系统内部各子系统之间以及与其它信息系统之间实现信息交流和信息共享的主要方式。,第一节 数字采集方式,1.图形数字化2.数据的编辑3.拓扑关系生成4.基本量算5.数据结构转换6.地理数据库建立,数据采集系统功能,驱动数字化仪、扫描仪等数字化设备。对影像、图形、数字等多种形式、多方来源的信息实现自动、半自动或人工的数字化，建立空间数据库。,1.图形数字化2.数据的编辑3.拓扑关系生成4.基本量算5.数据结构转换6.地理数据库建立,数据查询修改更新图形分割与拼接图形缩放比例尺转换,数据采集系统功能,1.图形数字化2.数据的编辑3.拓扑关系生成4.基本量算5.数据结构转换6.地理数据库建立,大多数GIS系统都采用基于拓扑结构模型的GIS数据库，一些系统具有拓扑关系的自动生成功能，由矢量数据自动生成多边形，并根据相应的多边形内部点文件，生成多边形边界的左右多边形信息并识别岛状多边形，大大减少了编辑工作量。,数据采集系统功能,1.图形数字化2.数据的编辑3.拓扑关系生成4.基本量算5.数据结构转换6.地理数据库建立,1质心量算 对地理分布变化的跟踪；计算目标物对周围地区的经济辐射范围。例如，应用质心量测分析人口变迁、经济增长级等。2几何量算 自动快速的计算三维目标的表面积、体积，各类多边形的的周长、面积，各类线段的曲率、方向，以及点状物体的坐标等。如公路、铁路线的长度，各种土地类型的面积量算，道路设计中的土石方量算等。,数据采集系统功能,1.图形数字化2.数据的编辑3.拓扑关系生成4.基本量算5.数据结构转换6.地理数据库建立,矢量数据-栅格数据栅格数据-矢量数据二值化细化填充空隙矢量追踪矢量数据,数据采集系统功能,1.图形数字化2.数据的编辑3.拓扑关系生成4.基本量算5.数据结构转换6.地理数据库建立,地理数据库四种方式:1.全部采用文件管理 2.文件结合关系数据库管理 3.全部采用关系数据库管理 4.重新设计具有空间数据和属性数据管理和分析功能的数据库系统（OODBMS）,数据采集系统功能,第三节 地图数字化,一、手扶跟踪数字化 数字化仪组成、数字化方式、操作步骤二、扫描矢量化 扫描仪原理、处理流程、操作方式,数字化仪示意图,底座,感应板,定标器,手扶跟踪数字化方法,有效区域,手扶跟踪数字化方法,数字化仪板面组成示意图,1点方式 每次定标器的键被按下，感应板发送一对坐标数据到计算机。2开关流方式 在定标器上，每按下一次键，即将一组坐标数据发送到计算机。当用数字化来输入一条连续曲线是很有效。3连续流方式 不论定标器的键是否按下，数字化仪每个一定的时间就向计算机发送坐标数据，即是不可控的。4增量方式 当定标器在感应板上移动某个距离，数字化仪就发送一对绝对坐标数据。,数字化仪的工作方式操作方式,手扶跟踪数字化方法,1ASC格式 2二进制输出格式,数字化仪的工作方式输出格式,手扶跟踪数字化方法,地图数字化的操作步骤,准备,设置,数字化,固定地图,设置投影方式,设置控制点,处理误差,设置定标器按键,地图分幅,手扶跟踪数字化方法,扫描仪数字化方法,一、扫描仪的工作原理,二、扫描仪的使用方法,三、扫描数字化,四、地图扫描数据处理,二值化,细化,矢量化,冗余去除,断线修复,要素提取,符号识别,属性赋值,扫描仪数字化方法,地图扫描数据处理,GIS与遥感的结合,一、结合的必要性二、结合的途径发展标准的空间数据交换格式建立能综合处理矢量数据与栅格数据的GISGIS软件与遥感图像处理系统之间建立接口,数据处理的概念,空间数据处理的方法,空间数据的编辑处理,地图数据处理,数据处理的概念,一、数据处理的概念二、数据处理的内容三、数据处理的意义,对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数踞进行编辑运算，清除数据沉余，弥补数据缺失，形成符合用户要求的数据文件格式,数据处理的概念,一、数据处理的概念二、数据处理的内容三、数据处理的意义,数踞编辑数据压缩数据变换数据格式转换空间数据内插边沿匹配数据提取,数据处理的概念,一、数据处理的概念二、数据处理的内容三、数据处理的意义,空间数据有序化检验数据质量实现数据共享提高资源利用效果,1.平面坐标变换2.空间数据的压缩处理3.空间数据类型的转换4.空间数据插值5.数据提取,空间数据处理的方法,平移变换,x=x+xy=y+y,空间数据处理的方法-平面坐标变换,旋转变换,x=xcos-y sin y=xsin+y cos,x=x0+(x-x0)cos-(y-y0)siny=y0+(x-x0)sin+(y-y0)cos,空间数据处理的方法-平面坐标变换,比例变换（图形缩放）,点可以通过对其P（x，y）坐标分别乘以各自的比例因子Sx和Sy来改变它们到坐标原点的距离。,x=xSxy=ySy,x=x0+(x-x0)Sx y=y0+(y-y0)Sy,空间数据处理的方法-平面坐标变换,地图投影变换,当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据,通过建立两个投影的解析关系式，直接把一种投影坐标(x,y)变换成另一种投影的坐标(X,Y),空间数据处理的方法-平面坐标变换,地图投影变换,当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据,由一种投影的坐标(x,y)反解出地理坐标（,)，然后再将地理坐标代入另一种投影公式中，求出该投影下的直角坐标（X,Y),空间数据处理的方法-平面坐标变换,地图投影变换,当系统使用的数据来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据,根据两种投影在变换区内若干同名的坐标点，采用插值法、有限差分法、待定系数法等，实现不同投影之间的转换,空间数据处理的方法-平面坐标变换,空间数据处理的方法-压缩处理,数据压缩途径,压缩软件:原数据信息基本不丢失而且可以大大节省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解压缩后才能使用数据消冗处理:原数据信息不会丢失，得到的文件可以直接使用，缺点是技术要求高，工作量大，对冗余度不大的数据集合效用小用数据子集代替数据全集:在规定的精度范围内,从原数据集合中抽取一个子集，缺点以信息损失为代价，换取空间数据容量的缩小,空间数据处理的方法-压缩处理,常见空间数据的压缩方法,曲线数据的压缩,面域栅格数据的压缩,面域邻接线段的删除,特征点筛选法：筛选抽取曲线特征点，并删除全部多余点以达到节省存贮空间的目的。,空间数据处理的方法-压缩处理,常见空间数据的压缩方法,曲线数据的压缩,面域栅格数据的压缩,面域邻接线段的删除,通过压缩编码技术来消除冗余数据：链码游程长度编码块码四叉树编码,空间数据处理的方法-压缩处理,常见空间数据的压缩方法,曲线数据的压缩,面域栅格数据的压缩,面域邻接线段的删除,数据属性的重新分类和空间图形的化简需要对数据进行压缩相邻界线的删除共同属性的合并,空间数据处理的方法-压缩处理,面域邻接线段的删除,空间数据处理的方法-压缩处理,空间数据处理的方法-类型转换,空间数据处理的方法-空间数据插值,1.离散空间：空间具有跳跃特征（土地利用类型），重要变化发生在边界上，边界内的变化则是均匀的，同质的，即在各个方面都是相同的。邻近元法：以最相邻近图元的特征值表征未知图元的特征值。2.连续空间：空间具有渐变特征（地形表面），内插技术必须采用连