《地理信息系统原理》讲义
目录
第一章GIS 概述............................................................................................................................................1
1 GIS 是什么..............................................................................................................................................1
2 GIS 可以做什么......................................................................................................................................2
3 GIS 的发展历程......................................................................................................................................3
4 GIS 的发展趋势......................................................................................................................................4
5 GIS 与一般IS、CAD、CAM 的联系与区别............................................................................................. 4
第二章地理信息系统空间特性............................................................................................ 5
1 地球模型.................................................................................................................................................5
2 地理空间坐标.........................................................................................................................................5
3 坐标参考系统.........................................................................................................................................5
4 地图投影.................................................................................................................................................6
5 地图比例尺.............................................................................................................................................7
6 空间现象及其描述.................................................................................................................................7
7 地理数据...............................................................................................................................................10
8 元数据...................................................................................................................................................11
第三章空间数据结构..........................................................................................................11
1 空间数据结构.......................................................................................................................................11
2 栅格数据结构.......................................................................................................................................11
3 矢量数据结构.......................................................................................................................................15
4 矢栅一体化数据结构............................................................................................................................18
习题.......................................................................................................................................................24
第四章数据采集与输入......................................................................................................24
1 GIS 数据来源 ....................................................................................................................................24
2 数据规范化和标准化.............................................................................................................................24
3 数据输入 ...........................................................................................................................................24
4 空间数据的编辑与处理........................................................................................................................27
第五章空间数据管理：空间数据库...................................................................................27
1 数据库的基本概念...............................................................................................................................27
2 数据库系统的主要数据模型................................................................................................................29
3 地图数据模型总论...............................................................................................................................31
第六章空间分析..................................................................................................................33
1 空间分析概述.......................................................................................................................................33
2 空间分析的定义...................................................................................................................................34
4 空间查询...............................................................................................................................................36
5 空间量算...............................................................................................................................................37
6 常见的空间分析...................................................................................................................................38
第七章数字高程模型..........................................................................................................46
1 DTM 和DEM............................................................................................................................................46
2 DEM 建立................................................................................................................................................48
3 DEM 的应用...........................................................................................................................................50
1
第一章GIS 概述
1 GIS 是什么？
1.1 信息与数据
信息（information)是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量
或特征，是现实世界在人们头脑中的反映。信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。
数据（data）是指能被计算机进行处理的一切对象，包括数字、文字、符号、图形、图像等。数据
是一种未经加工的原始资料，格式依赖具体的计算机系统，随载荷它的物理设备的形式而改变。
信息与数据是不可分离的，信息来源于数据。即信息是数据的内涵，是数据的内容和解释。也就
是说数据是信息的载体，只有理解了数据的含义，才能得到数据中所包含的信息。
信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据
的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。数据是原始事实，而信息是数
据处理的结果。不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。
1.2 地理信息、地理数据与地学信息
地理信息指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示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图、文、声、像等的总称。地理信息具有地域性、多维结构和时序性等
特征。
地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时域特征三
部分。
客观性：任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。
适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同的。信息系统将地理空间的巨大数据
流收集，组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息，
这是由建立信息系统的明确目的性所决定的。
传输性：信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的传输网络，被形象地称为“信息高速
公路”。
共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息
的并发应用提供可能性。
有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然。数据是信息的表达、载体，信息是数
据的内涵，是形与质的关系。只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，
成为信息。例如“1、”“0”独立的1、0 均无意义。当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供
了“有”“无”信息，当用它来标识某种实体的类别时，它就提供了特征码信息。
地域性：是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志。地理信息属于空间信息，位置的识别与
数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。
多维结构：指在同一位置上可有多种专题的信息结构，即在二维空间的基础上实现多专题的第三
维结构。
时序特征：时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。因此，一实时的GIS 系
统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性，以免过时的信息造成决策的失误或因
为缺少可靠的动态数据，不能对变化中的地理事件或现象作出合理的预测预报和科学论证。例如1998
年龙王庙特大洪水险情正是武汉勘测设计院利用先进的遥感、GPS 技术测得实时数据为抗洪决策提供
可靠依据。显然，如果用过时数据，这将造成多大的损失，这就是地理信息的时序特征。
空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。空间位置数据是通过经纬网或公里网建
立的地理坐标来实现空间位置的识别的；属性数据是描述地物特征的定性或定量指标；时域特征是指
地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。
2
地学信息：与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。
1.3 信息系统与地理信息系统
系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体。
信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统，它
具有采集、管理、分析和表达数据的能力。
地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）在不同的应用领域、不同的专业，对它
的理解是不一样的，想用简单的几句话是不能解释地理信息系统概念的，目前国内外对GIS 有许多定
义。通常对GIS 定义有：
a. GIS 是为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。
(美国国家地理信息与分析中心)
b. GIS 是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。(英国教育部)
c. GIS 是由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分
析，生成并输出各种地理信息。
d. GIS 是在计算机软件和硬件支持下，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，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。
e. GIS 是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时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。
f. GIS 是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的
空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、
组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。
g. GIS 是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布
及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。
对其理解：
GIS 从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的
地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。GIS 是一计算机系统，既然是系统，
就要具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达，所以每个GIS 系统都是由若干具有一定功
能的模块组成。
GIS 是空间数据和属性数据的综合体，GIS 的处理对象是有关的地理分布数据，也就是空间数据，
为了能对这些空间数据进行定位，定性和定量的描述，决定了GIS 要对空间数据按统一地理坐标进行
编码，这是GIS 与其他信息系统不同的根本所在。
2 GIS 可以做什么？
2.1 数据采集与输入
数据采集与输入，即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从
从适用于不同管理层次角度出发、信息系统分为下列不同类型：
事务处理系统、管理信息系统：主要支持操作层人员的日常事务处理，图书管理，借还书。
决策支持系统：从MIS 中获取信息，进行推测，以辅助决策。
人工智能、专家系统：用计算机模仿人类思维过程进行推理，在医学上应用较成功。
为有效地对信息流进行控制，组织、管理、充分利用，就需要建立某种信息系统，那么对地理信
息进行管理、利用就需要建立地理信息系统。
地理信息与地学信息两者的信息源不同。地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈
和人类活动等；地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空
间。它是人们深入认识地球系统、适度开发资源、保护环境的前提和保证。
3
外格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。对多种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数
据输入。主要有图形数据输入、栅格数据输入、GPS 数据输入、属性数据输入。
2.2 数据编辑与更新
数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成，图形主要
包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。数据
更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录，它通过删除、修改、
插入等一系列操作来实现的。由于空间实体都处于发展的时间序列中，人们获取的数据只反映某一瞬
时或一定时间范围内的特征。随着时间的推进，数据会随之改变。数据更新可以满足动态分析的需要，
对自然现象的发生和发展作出合乎规律的预测预报。
2.3 数据存储与管理
数据存储，即将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。其存储方式与数据文件的
组织密度相关，关键在于建立记录的逻辑顺序，即确定存储的地址，以便提高数据存取的速度。属性
数据管理一般直接利用商用关系数据库软件，如ORACLE、SQLserver 等进行管理。空间数据管理是
GIS 数据管理的核心，各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据库中。
2.4 数据显示与输出
数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式，
对于图形数据根据要素信息量和密集程度，可选择放大或缩小显示。GIS 不仅可以输出全要素地图，
还可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据。
2.5 空间查询与空间分析
GIS 的面向用户的应用功能不仅仅表现在它能提供一些静态的查询、检索数据，更有意义的在于
用户可以根据需要建立一个应用分析的模式，通过动态的分析，从而为评价、管理和决策服务。
3 GIS 的发展历程
GIS 起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960 年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson 提出了把
地图变成数字形式的地图，1963 年，又提出GIS 这一本术语，并建立了第一个GIS——加拿大GIS，
随后GIS 以燎原之势在全世界迅速发展起来。
3.1 国际GIS 的发展历程
（1）60 年代，探索时期（GIS 思想和技术方法的探索）：人们关注什么是GIS、GIS 能干什么。
（2）70 年代，巩固时期（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进GIS
迅速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法、数据结构和数据库管理这三个方面。
（3）80 年代，实破阶段，也是GIS 普遍发展和推广应用阶段：人们把GIS 与RS 结合解决全球性
问题，如全球沙漠化、全球可居住地评价、核扩散问题等。
（4）90 年代以来，全面应用、产业化阶段：对GIS 进一步研究，研究的内容集中在空间信息分析
的新模式和新方法、空间关系和数据模型、人工智能引入等。
3.2 我国GIS 发展历程
我国GIS 起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：
（1）70 年代，准备阶段：一些知名人士GIS 先驱看到GIS 的广阔前景和GIS 的重要性，进行极积
呼吁，为GIS 在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。
（2）80 年代，试验起步阶段：这期间，我国在GIS 理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等
方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。
（3）90 年代，我国GIS 发展阶段：我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿
使用和外资的引进，急需GIS 为之服务，这也推动GIS 在我国的全面发展。
（4）96 年以来，是我国GIS 产业化阶段：近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程
已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GIS 相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进
入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中
发挥效益，一批高等院校开设了与GIS 相关的新专业，培养了一大批从事GIS 研究与开发的高层次人
4
才，具有我国自主版权的GIS 基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国GIS 产业
已进入新的发展阶段。
4 GIS 的发展趋势
• 向非GIS 用户发送空间数据
• 方便地在你更大的信息系统中集成空间信息
• 维护准确的、无缝连接的实时数据
• 提供快速的数据接入
• GIS 走向网络化
• GIS、GPS、RS 一体化
• GIS 工程化
• OpenGIS——其目标是

1.下载地址 3.22 MB (需下载币0个)