山东网站备案号,四川省建筑信息网,国内做设计的网站,WordPress SEO中文插件P1 地理信息系统概论 信息#xff1a;用文本、数字、符号、语言、图像来传播#xff1b; 地理信息#xff1a;是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称#xff1b;
山川河流、城市楼栋、公路桥梁都是地理信息用文本、数字、符号、语言、图像来传播 地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称
山川河流、城市楼栋、公路桥梁都是地理信息 需要对特征就行抽象用点、线、面来表示 通过属性表来表示路宽等 时域特征会根据时间变化
地理信息的特点 数据量大地理信息具有空间特征、属性特征以及不同时间的版本因此数据量很大超过TB级的数据量 数据分布不均匀建筑物在城区密级在乡村稀疏 拓扑关系复杂建筑物紧贴着道路立交桥两条道路交互等复杂关系表达 多重属性结构同一现象具有多方面的属性特征。地理现象在空间分布上的重叠和部分重叠比如建筑物可以记录高度、层数、产权等 多尺度特征河流在不同比例尺现实不一样 数据来源多源化纸质地图、实测数据、试验数据、遥感与GIS数据 地图的表现形象化形状、方向、颜色表示差异
地理信息系统Geographic Infomation System,以空间数据库为基础采用地理模型分析实现地理信息的采集、存储、检索、分析、显示、预测和更新。 地理信息系统的基本特征 横跨多学科的边缘体系计算机科学、测绘学、摄影测量与遥感、地理学、地图学、人工智能 数据类型多样二维、三维、图形、图像 数据机构复杂 以引用为主类型多样应用领域多 以空间分析为主
GIS的发展历程 1963年加拿大地理信息系统建成世界上第一个地理信息系统。GIS之父R.F.Tomlinson 70年代在陈述彭院士GIS技术进入了中国 1986年我过第一个GIS系统建成。黄土高原信息系统 90年代在沿海城市规划中应用成功
GIS三大浪潮 城市化、信息化、市场化 挑战观念、基础、技术、法规、经济
P2 GIS的组成和类型 硬件系统服务器、工作站、扫描仪、GPS接收器、打印机 软件系统源代码、用户界面国外ArcGIS,MapInfo;国内SuperMap,GEO STAR,Map GIS 数据矢量数据、栅格数据、三维数据、属性数据; 人员设计人员、开发人员、维护人员、用户 基础设施标准、法律法规等 GIS可以把空间数据和其他数据集成在一起进行综合应用。图形数据、图像数据、属性数据、统计数据、视频数据、音频数据
GIS的类型 按内容来分 专题GIS 区域GIS GIS工具 基础GIS 专业应用GIS
p3 GIS与其他信息系统的联系与区别
信息系统的定义如教务管理系统等 输入、输出、管理、控制
信息系统分类 非空间信息系统如财务系统 空间信息系统又分为非GIS如CAD软件、计算机辅助制图、遥感图像处理系统GIS系统分为专题GIS、综合GIS
P4 GIS的基本功能 数据的采集功能 数据处理与变换功能 数据存储与管理功能 查询与空间分析功能 数据可视化功能
数据采集把资料转为计算机可以处理的形式地理现象进行抽象 数据变换坐标变换、格式转换 数据存储结构二维表等 空间数据库管理 GIS数据查询 空间分析道路上有多少房子道路上有多少人 空间缓冲区分析变化趋势 空间叠加分析数据叠加分析 网络分析获得最短路径最优方案实时路况规划线路 数据统计分析 可视化以地图、图形来现实最终结果三维景观全景数据等
P5 GIS的应用与发展前景
土地管理 城市规划 交通管理 环境管理 人文科学与公众应用
GIS的未来发展前景 技术发展趋势云GIS
物联网GIS 大数据GIS
p6地球空间参考 空间参考系统是指确定地理目标的平面位置、高程的平面坐标系和高程系的统称。 平面坐标系统描述空间位置坐标的参照系。 高程系统采用不同的基准面标识地面点高低。 都和地球椭球体选择有关系。
地球自然表面起伏不平不规则无法用数学表达进行描述。 又想用数学模型来描述就把地球曲面就行简化。 地球自然表面、大地水准面、地球椭球面
参考椭球体一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球体。 选择合适的椭球参数确定大地原点起始数据椭球的定位与定向得到更符号本国或本地区的自然地球表面。 常用的参考椭球体 海福特椭球美国1909年 克拉索夫斯基椭球苏联1940年 1975年国际椭球体1978 WGS-84地心椭球美国1984
大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准建立的坐标系。 参考椭球一旦确定则标志这大地坐标系已经建立。 空间上任何一点的大地坐标用大地经度L、大地纬度B和大地高度H表示。 椭球体横向的中间面叫赤道纵向中间面叫本初子午线。
大地经度L从本初子午面起算向东为正向西为负。横向的距离。 大地纬度B从赤道面起算向北为正向南为负。纵向的距离。 大地高度H从椭球面起算向外为正向内为负。
我国常用的大地坐标系 1954年北京坐标系 1980年西安坐标系 WGS-84坐标系 2000国家大地坐标系
1954年北京坐标系 简称北京54坐标系 是我国50年代为满足测绘工作需要从前苏联1942年普尔科沃坐标系换算而成。 特征 属于参心大地坐标系。 采用克拉索夫斯基椭球参数。 利用多点定位法就行椭球体定位。 大地原点是前苏联的普尔科沃。 大地点成果是局部平差的结果。
1980西安坐标系 我国测绘科学家们用近10年的时间完成了大地控制点的整体平差采用了当时国际推荐的地球椭球体参数采用局部椭球定位 重新严格定义了中国国家坐标系统即1980西安大地坐标系。 特征 属性参心大地坐标系。 采用关于几何与物理层面的四个椭球基本参数。 利用多点定位法就行椭球定位。 定向明确。 大地原点坐标计算起始点在西安市境内简称西安原点。
2000国家大地坐标系 为适应更精确的定位应用需要2008年7月起中国已全面启用2000国家大地坐标系国家测绘局授权组织实施。 特征 属于地心坐标系原点位于整个地球的质量中心。地心坐标系效率高维护方便 长半轴a6378137m 扁率 地心引力参数
WGS-84坐标系 是美国国防部研制的坐标系统GPS定位结果都属于WGS-84地心坐标系。 特征 原点在地球的质心属于地心坐标系统。 Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CTP方向。 X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道交点。 Y轴和Z轴、X轴构成右手坐标系。
我国的高程系统 1956黄海高程系 1985国家高程基准
大地水准面空间高程是以大地水准面为基准建立的。 1985国家高程基准与1956黄海高程系差0.029M H85H56-0.029m
地理格网 按一定的数学规则对地球表面进行划分形成地球格网可以用于表示呈点、线、面状分布、以网格作为统计单元的地理细腻系。 我国常用的坐标格网系统 4度X6度格网系统 直角坐标格网系统 自行设计格网系统 3种格网之间可以相互转换。
4度X6度格网系统 以经度6度纬度4度进行划分而构成的多级地理格网系统。 主要适用于表示陆地与近海地区的全国或省范围内各种地理信息等。 P7 空间数据投影地图投影 新的问题 地球椭球面是曲面地图是平面。因此只有运用一定的数学法则把大地坐标系转换成某投影平面上的平面直角坐标系才能满足测绘工程的需求。
地球是曲面的为了方便制图需要把曲面坐标转为平面坐标。 为什么需要进行地图投影 地球坐标为球面坐标不方便就行距离、方位、面积等参数的量算 地图为平面符合视觉心理并易于进行距离、方位、面积等量算和空间分析 地球椭球体为不可展曲面。
投影方法 在地球仪外面套一个圆柱体 在地球仪里面放一个灯泡 地球仪上的经纬网就投影到了圆柱体我们把它描绘下来 从圆柱体的母线裁开然后把它展平就得到了平面
地图投影的实质 建立地球椭球面上的点的地理坐标与平面上对应点的平面坐标x,y之间的函数关系。 xf1(L,B) yf2(L,B) 各种不同的投影是按照一定条件来确定表达式中的函数形式f1,f2。
地图投影的分类 地图投影已经有2000年历史投影形式有250多种。 按构成方式分几何投影借助几何图形投影方法、非几何投影借助数学方法 几何投影又分为圆锥投影地球外面套圆锥、圆柱投影地球外面套圆柱、方位投影投影到平面适合南北半球、东西半球区域地图 非几何投影又分为伪圆锥投影、伪圆柱投影、伪方位投影、多圆锥投影
按变形规律分面积、角度等是否变形等角投影角度不变面积变形适合精确定位方位的地图、等积投影面积不变形状变化适合面积精度高的地图、任意投影不等角不等面积的投影同时存在距离、角度、面积的变化的投影。如等距投影 等距投影沿某一特定方向的长度不变形。在其他方向上距离、角度、面积都会发生变化。适合特殊要求的教学地图。 越远离切线和割线变形就越大。科学家采用多次投影合并。
高斯-克吕格投影 每隔3度到6度划分为一个投影带 1952我国主投影 中央经线是直线没有任何变形 离中央越远变形越大
P8 空间坐标转换 大地坐标系的相互转换 转换方法先找到两套系统中的同名坐标和各自的坐标值建立误差方程通过多个点计算误差参数建立转换公式。通过误差参数转换坐标。 大地微分公示 7个参数值X0,Y0,Z0表示椭球空间偏移量坐标偏移量X,Y,Z表示欧拉角变化m表示长度的变化率。 参数法解算坐标转换 7参数 5参数 3参数 七参数微分公示模型最为严谨、误差小。参数为X0,Y0,Z0表示椭球空间偏移量X,Y,Z表示欧拉角变化m表示长度的变化率。 五参数微分公示 三参数微分公式忽略欧拉角、长度变化率、椭球变化率等因素参数只有空间偏移量X,YZ 国家坐标系与地方坐标系的转换 系统中常使用国家坐标系为了快速使用GPS成果需要把WGS-84坐标系转为国家坐标系。 WGS-84转国家坐标系方法 1、获取转换参数转换 2、获取GPS基线向量网约束的平差
国家坐标系与地方坐标系的转换 国家坐标系的建立是以高斯-克吕格投影分带为基础的各分带分别建立直角坐标系简称高斯直角坐标系。 转换方法 计算地方坐标系对国家坐标系的旋转角 计算平移量 得到转换公式 用公式进行转换
可以坐标转换工具来多文件转换。
P9 空间数据结构概述
地理空间数据的组成与特征 地理空间数据的基本结构 空间对象可以抽象成点、线、面、体具有长宽高属性 地理实体的表达具有尺度效应
地理数据分为地理空间数据位置、形状、大小、范围、非地理空间数据 地理空间数据的特征 空间特征几何特征及拓扑关系 属性特征 时间特征 地理空间数据的分类 根据数据来源分为四类图形数据空间数据、图像数据空间数据、实体属性数据空间实体的专题数据非空间数据、统计数据描述性数据非空间数据
图形数据、图像数据的特征 图形数据把地图要素的点线面以点坐标的形式记录下来点单个坐标线多个点坐标面一组点坐标 图形数据的比例尺地图上某线段的长度与实际长度之比为地图比例尺 1cm1公里即地图比例尺为1100000 同一地物在不同比例尺下的详细程度不一样 图形数据的拓扑结构基本要素点、线、面和体之间的邻接、关联、包含的拓扑关系与长度面积无关 拓扑属性在拓扑变换下能保持不变的集合属性 拓扑属性一个店在一个弧段的端点等 非拓扑属性距离、长度、周长、面积 三种常见的拓扑关系 拓扑邻接如节点邻接、多边形邻接 拓扑关联 拓扑包含同类但不同级的要素的关联关系
图像数据 图像数据的最小单元为像元或像素 像元的数值可以描述客观世界中存在的现象
图像数据的实质 像元的阵列每个像元由行列号确定其位置且具有实体属性的编码值 图像栅格数据是地表一定面积内数据的近似、离散化的表示 空间分辨率像素所代表的地面范围大小即扫描仪的瞬时视场或地面物体能分辨的最小单元。 高空间分辨率 低空间分辨率 两个地物的距离分辨率不可分辨2个地物 连个地物的距离分辨率可以分辨出两个地物 图像数据的表达 点表示为单个像元 线在一定方向上连接成串的相邻像元的集合 面聚集在一起的相邻像元的集合 层表示一种地理属性或同一属性的不同特征如一层表示认可密度一层表示高程
图像数据的组织方式 1、面向栅格单元的组织方式不同层中对应同一像元位置的各个属性值表示为一个数组行列号不同层的值 2、面向地理实体的组织方式以多边形为单位记录属性值及组成多边形的各个像元坐标 3、以层方式存储以层为基础每层以像元为序记录坐标和属性值
图像数据的方向表达 四领域 八领域
p10 矢量数据结构特征
图像数据又可以称为矢量数据。 矢量数据通过记录地理实体坐标的方式精确地表示点、线、面等实体的空间位置和形状。 多边形等与属性表关联起来。
数据编码把信息按一定的数据结构和目标特征用特定的代码或编码字符表示以便计算机识别和管理。。 矢量数据的编码方法分类 坐标序列法任何点、线、面都可以用某一坐标系中的坐标来表示文件结构简单、方便多边形的运算和显示 树状索引编码法采用树状索引以减少数据冗余并间接表示领域信息点、线、面有层次关系点坐标只存储一次树形结构 拓扑结构编码法记录数据的同时记录拓扑连接关系拓扑结构方便查询邻域和嵌套
双重独立地图编码系统数据的基本元素是弧段主流空间数据库都是采用这种编码思想
矢量数据的压缩 从矢量数据集合中抽出一个子集逼近精度又大压缩比 压缩方法 间隔取点法 垂距法 偏角法 光栏法 道格拉斯-普克法保留了弯曲角度大的点
二维几何图形的变换 平移变换 比例变换 旋转变换 错移变换
p11 栅格数据的结构特征:
栅格数据把空间分割成统一尺寸与形状的一种空间填充数据结构。整个区域由栅格单元组成像元或像素。 栅格数据的分层每个层只描述一种信息 栅格数据的获取 中心归属法 面积归属法 长度归属法
需要满足需求又合理的数据量 栅格单元位置和属性值 位置由行列号坐标x,y表示 属性数据值
创建栅格数据 数据来源可以是表格数据、矩阵 批量导入、扫描 数据编码房屋、植被、水体 数据存储栅格数目*存储空间
数据压缩方法 长度编码法; 记录属性相同的栅格数量 改变扫描顺序法第一行扫描从左到右第二行从右到左 链式编码法原点和方向压缩能力强具有一定的运算力 游程长度编码法按行的顺序存储多边形像元的列号压缩率高方便检索、叠加 块式编码法把多边形划分成正方形然后对各个正方形就行编码 四叉树编码法分解为方形区域
栅格数据的运算 在二值图像中应用较多 二值图像每个像素值有两个可能值01灰度值没有中间过渡的数字图像只存储01占用空间少只能描述图像轮廓
栅格数据的运算包含基本运算、宏运算 基本运算 算术组合运算将两个栅格图像叠加使他们对应的像元的灰度值相加、相减、相乘、相除、开方和、平方和等。 布尔逻辑运算与运算AB都是1的像元或运算AB其中一个是1的非运算A为1B为空的异或运算AB有差异的
宏运算把基本运算结合起来 扩张运算需要制定扩张方向 侵蚀运算 加粗运算先平移再或运算 减细运算 填充带有边界条件的逐步加粗法 栅格数据重采样分辨率不一致需要使用此技术转为同一尺寸的栅格数据一般小尺寸转大尺寸
P12 矢量和栅格数据的格式转换
矢量数据图像输出美观 栅格数据数据量大图像输出不美观有锯齿
矢量数据转栅格数据格式 确定栅格大小分辨率决定了转换后的经度 点的转换点坐标转换为行列值 线的转换求出直线经过的每一个栅格点的行列值 多边形的转换 扫描算法 边界代数填充算法
栅格数据转矢量数据格式 1、图像的二值化255值压缩成0和1 2、细化或提取边界点和节点 3、边界线跟踪和生成拓扑关系 4、去除冗余节点 边界的检索双边界直接搜索法 线的细化剥皮法 p13 地理空间数据质量问题及特点
质量问题地理空间数据与真实数据有误差误差可控制坐标的误差 质量问题表现 位置误差 时间误差 属性误差数据未更新
导致数据质量问题原因 多重数据源精度不一样 录入过程中输入限制松散 数据过多 用户对数据的需求不同数据加工处理 不同的编码方式数据压缩 可访问权限限制 地理空间数据质量地理空间数据在表达空间位置、时间信息、专题特征时的准确性、一致性、完整性程度。 以及三者之间的同一性程度。 空间数据质量特点 基本特点 精确度、精度、不确定性、相容性2个数据在一个引用中的使用的难易程度比如二维三维叠加 完整性、可得性获取和使用数据的容易程度、一致性、现势性
地理空间数据质量标准 生产、使用、评价地理空间数据的依据。 公路桥梁命名和编码规则 国土基础信息数据分类与代码 行政区划代码 15001100012000地形要素分类与代码
P14 数据误差来源和分类
地理空间的数据源误差数据采集过程中的各种误差 常用数据源观测数据、分析测定数据、图像数据、统计调查数据、遥感数据 误差来源空间上的不确定性、时间上的不确定性、属性的不确定性 测量仪器、表达方式、物理介质变化
数据源误差表现 时域误差 逻辑不一致误差 数据不完整误差
质量控制 选择满足系统和应用要求的数据源 减少和取消不必要的数据处理中间环节 属性误差的检测与表达抽样计算机数据与人工数据对比
数据处理和转换误差 数字化中的误差 操作人员的经验 仪器的误差 数字化方法
转换中质量控制 数据预处理工作 数字化设备的选用 数字化对点精度 数字化限差 数据的精度检查输出图与原始图的点位误差
数据转换的误差 数据结构转换 数据格式的转换
数据使用中的误差 对数据的解释过程比例尺理解不对 缺少文档坐标系、编码、精度说明 应用分析的误差来源 数据层叠加时的冗余多边形 由应用模型引进的误差
应用分析的误差控制 地图符合的解释添加图例和说明文档 删除叠加后的冗余多边形 采用多种模型对比验证
P15 数据的质量评价 评价的主要指标 微观部分位置精度平面精度、属性精度、逻辑一致性 宏观部分完整性、时间精度、表达形式合理性
质量评价方法 人工评价 元数据方法 地理相关法
P16数据的检查与规整 检查位置精度、属性检查、数学基础投影基础、数据范围、逻辑一致性重叠性检查
数据规整地物编码问题、地形图分层、要素分层及地物描述问题
地理空间数据的检查方法
P17 数据库基本知识
数据模型 层级模型 网络模型 关系模型二维表不适合非结构数据
P18 关系数据库模型 一个二维表就是一个关系 一行是一个记录
关系运算 并 差 交 笛卡尔积
专门的关系运算 选择 投影选择若干列 等值连接 数据库查找程序 二分法查找程序排序后查找提高效率
结构化查询语言 SQL语言
P19 空间数据库管理系统 空间数据库某一区域内地物数据集合 特点 数据量特别大 属性数据和空间数据联合管理 数据应用范围广泛
空间数据库管理模式 文件、关系数据库混合管理模式 空间数据和属性数据统一用RDBMS管理 对象、关系数据库管理模式SRCSDE, Oracle Spitial
面向对象技术
符号分类 点状符号如医院 线装符号如铁路 面状符号绿色表示耕地 体状符号
GIS符号库
GIS可视化技术 1图文一体化技术图像和结构数据结合 图文互查空间查询、逻辑查询、空间过滤 2自动标注技术地图注记各种事物专有名词如海洋、森林 注记排列与配置水平、垂直、雁字、曲字 GIS软件都有自动添加注记方法 3模板技术;制图模板
P25 GIS可视化的表示方法与应用发展
GIS可视化的概念 可视化自然景观及抽象概念图形化 GIS可视化以计算机科学、地图学、认知科学与地理信息系统为基础以屏幕 地图形式、直观、形象与多维、动态地显示空间信息的方法与技术。
GIS可视化主要特征 直观性可以形象的反映地理要素的特征 交互性支持用户进行多样化的浏览操作 动态性可表达地理现象的时空变化过程 集成性支持多类型、多专题信息的集成
地理空间信息的表示方法分类 点状要素表示法定位符号法学校、寺庙符号大小来表示数量差别符号扩张、符号分隔 线状要素表示法河流、交通线、地址构造有宽度运行线法不同宽度、颜色、符号表示方向 面状要素表示法 范围法内部用颜色、网纹、符号、注记来区分质量特征 质底法连续分布、满布 等值线法值相同的点连成线地形起伏、气温、降水、高度 点数法分散、复杂分布的现象如人口、动物可以用一定大小和形状的点群来反映不同颜色的点来表示不同的类别 定位图表法(用图表的形式反映定位与制图区域的现如图上的图表 分级统计图法等差分级按值划分区间、等比分级 分区统计图表法图表放于各区域内
GIS可视化应用发展 虚拟现实建筑三维模型、日照分析底线管线仿真
P26 互联网GIS概述
互联网GIS 以网络为中心的GIS包括webgis 移动gis 云gis
WEBGIS: WebGIS的体系结构: 集中式结构 两层结构 多层体系结构
WebGIS的实现技术 客户端 服务器端
ArcGIS Server
GML地理标记语言是一种用于存储和传输地理及相关信息的XML编码语言。 GML支持点线面 shapefile等数据 超地图媒体与地图之间的连接
P28 移动GIS,移动终端、无线通信、移动数据库
P29 云GIS 云计算基于互联网相关服务器的增加、使用和交付模式。 通过互联网提供动态、易扩展且经常是虚拟化的资源。 网络节点上的、动态的计算机群就是云。 计算能力也可以作为一种商品在互联网上流通。
公用云 私有云 混合云
P30 空间分析的概述 空间信息查询与量算的方法
如何为一个公园选择合理的位置环境优雅、交通便捷、区位宁静地形、水系、道路、植被数据分析 空间分析可以解决的问题 空间数据分布特征 空间数据变化分析 调控地理空间事件 预测预报
空间分析的方法 基于地图的空间图形分析缓冲区分析、叠加分析、三维地形分析 空间动力学分析城市扩展模型、区位优势分析、中心地分析等 空间信息分析根据数据或统计方法建立的模型如空间聚类、空间自相关、回归模型等 注意同一种空间分析模型可以归为多个方法类型。
p31 空间信息查询与量算空间分析的基础。 空间信息查询利用空间索引机制从数据库中找出符合该条件的空间数据。如找出中山大学附近的书店。 空间信息量算通过长度、周长、面积等量测指标对地理分布或现象就行描述。如土地利用面积总和。 空间信息查询的方法 属性查图形按属性信息的要求进行空间对象的查询和定位。 图形查属性根据对象的空间位置查询有关的属性信息。 基于空间关系查询空间实体存在多种空间关系拓扑、距离、方位查询满足指定空间关系的要素。 基于空间关系和属性特征查询对SQL进行扩展主要包括空间数据与属性数据的匹配等。
空间索引用于提高空间信息查询效率。 空间索引依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构。 空间索引类型 四叉树索引 规则网格索引 接图标索引
空间信息量算的方法 几何量算长度、弯曲度、面积 重心量算面状目标的重心、面状分布离散目标的重心 形状量算形状比、延伸率、紧凑度、放射状指数、标准面积指数
P32 叠置分析是将两层或多层地图要素进行叠置产生一个新要素层的操作其结果将原来要素分隔成新的要素新的要素综合了原来 两层或多层要素所具有的属性。
叠置分析两种分类方法 输入数据类型分类多边形叠加分析点与多边形叠加分析线与多边形叠加分析 输出结果分类合成叠置分析统计叠置分析
P33 缓冲区地理空间目标的一种影响范围或服务范围。 缓冲区分析给定一个空间对象或集合确定它们的领域领域的大小根据领域半径R值确定。 缓冲区类型点缓冲区、先缓冲区、面缓冲区 栅格数据缓冲区建立 矢量数据缓冲区建立 p34 网络分析 网络数据模型是指现实世界中的网状系统的抽象表示它可以通过模拟交通网、通讯网、自来水网、煤气管网等网络系统。 网络模型的基本组成链、节点 节点特殊类型障碍、拐点、中心、站点 网络分析主要功能 路径分析求解最佳路径。Dijkstra算法 资源分配 中心选址确定机构设施最佳位置。求网络图的中心点。
