地理信息系统原理科学

地理信息系统原理
	曾用价	69.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2016年11月
	开本	16
	作者	徐敬海
	装帧	平装
	页数	372
	字数	300
	ISBN编码	9787030500557

地理信息系统是一门交叉学科，涉及测绘科学与技术、地理学、计算机科学与技术等。随着其发展和应用的深入，地理信息系统已成为信息产业的重要组成部分。本书编排以空间信息为主线，内容包括空间信息表达基础、建模、采集、处理、管理、分析、可视化、应用型地理信息系统开发和GIS 应用等。本书内容难度适中，除了包括GIS 原理的基本理论与内容，还强调操作性与实用性；内容体系以GIS 经典理论为主，兼顾学科前沿发展和新成果。此外，本书还同时推出配套的PPT 等文件信息下载( 请访问网址*，选择“网上书店”，检索图书书名，在图书详情页面“资源下载”栏目中获取)，以供读者教学参考。


目录
前言第1章GIS概论1
1.1地理信息系统概念1
1.1.1数据和信息1
1.1.2地理数据和地理信息2
1.1.3地理信息的特征3
1.1.4信息系统3
1.1.5地理信息系统定义4
1.2地理信息系统的构成6
1.2.1GIS硬件系统7
1.2.2GIS软件系统11
1.2.3空间数据13
1.2.4GIS管理、操作和应用人员13
1.2.5应用模型14
1.3地理信息系统的功能与类型15
1.3.1地理信息系统的基本功能15
1.3.2地理信息系统的类型17
1.4地理信息系统与相关学科的关系19
1.5地理信息系统的发展22
1.5.1GIS发展简史22
1.5.2GIS中“S”的发展25
1.5.3GIS期刊30
1.6主流GIS软件介绍.31
1.6.1国外主要商业化GIS软件31
1.6.2国内主要商业化GIS软件36
1.6.3开源GIS39
思考题42
第2章GIS空间数据表达基础43
2.1地理空间与地理坐标系43
2.1.1地球椭球体44
2.1.2地理坐标系的分类45
2.1.3我国GIS常用坐标系49
2.1.4高程系统51
2.2地图投影52
2.2.1地图投影的实质52
2.2.2变形椭圆与地图投影变形53
2.2.3地图投影参数56
2.2.4地图投影类型57
2.3常用地图投影62
2.3.1高斯-克吕格投影62
2.3.2通用横轴墨卡托投影(UTM)65
2.3.3墨卡托投影65
2.3.4Web墨卡托67
2.3.5兰勃特投影68
2.3.6阿伯斯投影69
2.4GIS中坐标系与投影的应用71
2.4.1GIS中地图投影标识71
2.4.2ArcGIS中地图投影与坐标系73
思考题75
第3章空间数据模型76
3.1现实世界的抽象76
3.2空间实体78
3.2.1空间实体的概念78
3.2.2空间实体的特征79
3.2.3空间关系80
3.3空间数据83
3.4空间数据结构87
3.4.1空间数据结构与空间数据模型87
3.4.2矢量数据结构89
3.4.3栅格数据结构92
3.4.4表面模型101
3.4.5矢量数据结构与栅格数据结构的比较106
3.5面向对象的空间数据模型107
3.5.1类与对象108
3.5.2Geodatabase模型109
3.6时空数据模型113
思考题117
第4章空间数据的获取118
4.1空间数据的内容与来源118
4.1.14D数据118
4.1.2空间元数据119
4.1.3空间数据来源124
4.2全野外数据采集125
4.2.1全野外数据采集特点125
4.2.2作业过程126
4.2.3GPS测量127
4.3数字化设备采集129
4.3.1手扶跟踪数字化129
4.3.2扫描数字化131
4.3.3摄影测量方法.135
4.3.4遥感方法136
4.4空间数据格式转换与互操作138
4.4.1空间数据格式转换的内容及要求138
4.4.2空间数据格式转换的方式139
4.4.3空间数据互操作140
4.5空间数据获取技术发展142
4.5.1三维激光扫描142
4.5.2合成孔径雷达(SAR)146
4.5.3从GPS到GNSS151
思考题154
第5章空间数据处理与质量评价156
5.1几何变换156
5.1.1几何纠正156
5.1.2均方根误差157
5.2投影变换158
5.3空间数据的编辑160
5.3.1空间数据的错误检查方法160
5.3.2几何数据的编辑161
5.3.3空间数据拼接162
5.3.4拓扑关系的建立与编辑164
5.3.5栅格数据的重采样165
5.3.6属性数据编辑166
5.4空间数据结构转换166
5.4.1矢量-栅格转换166
5.4.2栅格-矢量转换171
5.5空间数据压缩与综合175
5.5.1矢量数据压缩175
5.5.2栅格数据压缩178
5.6空间数据质量181
5.6.1空间数据质量的概念181
5.6.2空间数据误差来源182
5.6.3数据质量评价183
5.6.4空间数据质量控制184
5.6.5空间数据生产过程中的质量控制184
5.7空间数据标准186
5.7.1ISO/TC211标准体系186
5.7.2OGC标准体系188
5.7.3我国国家地理信息标准体系190
思考题191
第6章空间数据存储与管理192
6.1空间数据管理192
6.1.1矢量数据管理.192
6.1.2栅格数据管理.196
6.1.3地图切片与影像金字塔管理197
6.2空间数据引擎199
6.2.1空间数据引擎的概念199
6.2.2空间数据引擎工作原理200
6.2.3ArcSDE空间数据引擎202
6.3空间数据索引203
6.3.1实体范围索引204
6.3.2格网索引205
6.3.3四叉树索引207
6.3.4其他索引210
6.4空间数据库查询语言213
6.4.1标准查询语言SQL213
6.4.2SQL的扩展214
6.5基础地理空间数据库建立216
6.5.1基础地理空间数据库类型216
6.5.2基础地理空间数据库建库流程217
6.5.3基础地理空间数据库更新225
6.6长事务与版本管理229
6.6.1事务处理229
6.6.2版本控制230
6.7NoSQL数据库231
6.7.1NoSQL定义和介绍231
6.7.2常见NoSQL数据库233
思考题235
第7章空间分析237
7.1数字地形模型分析237
7.1.1DTM与DEM237
7.1.2DEM的类型239
7.1.3DEM的特点241
7.1.4DEM应用242
7.2空间插值249
7.2.1全局插值法249
7.2.2局部插值法250
7.2.3逐点插值法253
7.3空间叠加分析254
7.3.1叠加分析概述254
7.3.2基于矢量的叠加分析255
7.3.3基于栅格的叠加分析259
7.4空间查询261
7.5空间缓冲区分析263
7.5.1缓冲区分析263
7.5.2基于矢量的缓冲区分析264
7.5.3基于栅格的缓冲区分析267
7.6网络分析267
7.6.1网络组成和属性268
7.6.2网络的建立270
7.6.3网络的应用270
7.7探索性空间分析方法272
7.7.1基本分析工具272
7.7.2检验数据分布277
7.7.3寻找数据离群值277
7.7.4全局趋势分析279
7.7.5空间自相关及方向变异279
思考题282
第8章空间信息可视化283
8.1空间信息可视化概述283
8.1.1可视化的概念283
8.1.2空间信息可视化的表现形式284
8.2地图符号286
8.2.1地图符号的分类286
8.2.2地图符号视觉变量290
8.2.3地图符号设计294
8.2.4地图注记296
8.3专题图的表达298
8.3.1点状要素的表示方法298
8.3.2线状要素的表示方法302
8.3.3面状要素的表示方法303
8.3.4表示方法的分类与选择309
8.4地图设计与编制311
8.4.1地图制作过程及方法311
8.4.2地图设计的过程与内容313
8.5虚拟现实315
8.5.1虚拟现实的概念315
8.5.2虚拟现实技术316
8.5.3虚拟现实的应用318
思考题319
第9章应用型GIS设计与开发320
9.1GIS系统分析320
9.1.1系统需求分析320
9.1.2系统可行性研究322
9.1.3系统分析报告322
9.2GIS系统设计323
9.2.1应用型GIS设计的原则323
9.2.2应用型GIS的总体设计324
9.2.3应用型GIS的详细设计329
9.3GIS系统实施332
9.3.1程序编制333
9.3.2数据库建立333
9.3.3用户培训333
9.3.4系统测试334
9.4GIS软件测试336
9.4.1GIS软件的特点336
9.4.2GIS软件测试步骤336
9.4.3GIS软件测试误区337
9.4.4GIS软件测试的策略及经验338
9.5GIS系统维护338
9.5.1系统评价339
9.5.2系统维护340
思考题341
第10章GIS应用342
10.1GIS在公众服务中的应用342
10.2GIS在城市建设中的应用345
10.3GIS在国土资源管理中的应用348
10.4GIS在其他行业中的应用352
思考题356
参考文献357


第1章 GIS概论
地理信息系统（geographic information system, GIS ）是20 世纪后期以来迅速发展起来的一门介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，它既是地理学、地图学、测绘学与计算机科学的结合，也是管理和研究地理空间数据的技术系统。随着科学与技术的发展，人类社会已全面进入信息时代，表现为信息技术突飞猛进，信息产业空前发展，信息资源爆炸式扩展。融入信息技术的地理信息系统技术日益受到科技界、企业界和政府部门的广泛关注，并成为21 世纪的支柱产业。本章介绍地理信息系统的概念、系统构成、系统功能与类型、与相关学科的关系、GIS 发展历程及主流GIS 软件等内容。
1.1 地理信息系统概念
1.1.1 数据和信息
数据和信息是理解地理信息系统的基础，在地理信息系统的研究和应用中是两个重要的术语。一般认为数据是对客观世界的表示，是指定性或定量描述某一目标的原始材料，包括文字、数字、符号、语言、图像、影像以及它们能转换成的数据等形式，是一种未经加工的原始材料，例如，数字“18”在计算机中二进制表示为“10010” 等。数据具有可识别性、可存储性、可扩充性、可压缩性、可传递性及可转换性等特点。
信息来源于数据，但与数据不同。信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，是生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。人们通过获得、识别自然界和社会的不同信息来区别不同事物，并得以认识和改造世界。可以认为信息是通过某些介质向人们(或系统)提供关于现实世界新的事实和知识的表达与描述。例如，一个人的存在，可以从姓名、性别、年龄、籍贯、政治面貌、社会关系、职称、工资等方面信息来描述；而当一个人的情况发生变化时，如年龄变化、工资改变、政治进步等，均应及时地对反映其信息进行更新。因此也可以说，信息是客观事物的存在及演变情况的反映。
信息具有四方面特点。
(1) 客观性。信息是客观存在的，任何信息都是与客观事物紧密联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。
(2) 适用性。信息对决策是十分重要的，它可作为生产、管理、经营、分析和决策的依据，因而它具有广泛适用性，但同一信息对不同部门的重要性程度不尽相同。
(3) 传输性。信息可以在信息发送者和接收者之间传输，既包括系统把有用信息传送至终端设备(包括远程终端)或以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。信息在传输、使用、交换时其原始意义不被改变。
(4) 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，共享使信息被多用户使用成为可能。
数据与信息既有区别，又有联系。信息与数据是不可分离的，信息来源于数据，数据是信息的载体。数据是客观对象的表示，而信息则是数据中包含的意义，是数据的内容和解释。数据本身并没有意义，如十进制数字“18” ，二进制数字“10010”，其本身不表达特别的意义；而为了得到数据中包含的信息，就要对数据进行处理(运算、排序、编码、分类、增强等)，如用数字“18” 表达一个人的年龄时，“18” 便转换为一种信息，对一个人的年龄进行了描述。数据包含原始事实，信息是数据处理的结果，是把数据处理成有意义和有用的形式。总体上数据经过加工处理之后，可以成为信息；而信息需要经过数字化转变成数据才能存储和传输。在不引起歧义的情况下，有时两者可以相互代替对方。
1.1.2 地理数据和地理信息
地理信息作为一种特殊的信息来源于地理数据。地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理数据主要包括空间位置数据、属性特征数据及时域特征数据三个部分。
空间位置数据描述地物所在位置，这种位置既包括地理要素的绝对位置(如城市的地理经纬度)，也包括地理要素间的相对位置关系，如空间上的相邻、包含等。属性特征数据有时又称非空间数据，是描述特定地理要素特征的定性或定量指标，如公路的等级、宽度、起点、终点等。图1-1 是城市道路网地理数据的一个示例。时域特征数据用来记录地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段，如某次森林火灾发生的时间点或持续时间。时域特征数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界越来越多的重视。空间位置、属性及时域特征构成了地理空间分析的三大基本要素。
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，是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、性质、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息作为一种特殊的信息，它同样来源于地理数据，是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等是*大的地理信息源。
图1-1 地理空间数据实例(基于平面坐标系的城市道路网)
1.1.3 地理信息的特征
地理信息除了具有信息的一般特性外，还具有一些独特特征：
(1) 空间分布性。地理信息具有空间定位的特点。先定位后定性，并在区域上表现出分布式的特点，不可重叠，其属性表现为多层次，也称为区域性、多维性。区域性是指地理信息的定位特征，且这类定位特征是通过公共的地理基础来体现的。多维性是指在一个坐标位置下具有多个专题和属性信息。
(2) 数据量大。地理信息既有空间特征，又有属性特征，此外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此数据量很大。例如，随着全球对地观测不断发展，人们每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。
(3) 多维结构。同一个空间位置上，具有多个专题和属性的信息结构，可取得高度、噪声、污染、交通等多种信息。
(4) 时序特征。地理信息随时间变化的序列特征，也称动态变化特征，可由超短期(台风、地震)、短期(江河洪水、季节低温)、中期(土地利用、作物估产)、长期(城市化、水土流失)和超长期(地壳运动、气候变化)时序来划分。
1.1.4 信息系统
信息系统是对信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。信息系统具有四大基本功能，即数据采集、存储管理、分析数据的能力和表达数据的能力。信息系统是基于数据库的问答系统，在辅助决策过程中，信息系统可提供有用的信息。从计算机科学角度看，信息系统是由硬件、软件、数据和用户四个主要部分组成的。在计算机时代，大部分重要的信息系统都是部分或全部由计算机系统支持的。
从适用于不同管理层次的角度出发，根据信息系统所执行的任务可将其分为事物处理系统(transaction process system ，TPS) 、管理信息系统(management information system，MIS) 、决策支持系统(decision support system，DSS) 以及人工智能和专家系统(expert system，ES) ，如图1-2 所示。
事务处理系统强调对数据的记录和操作，主要支持操作层人员的日常事务处理，如图书情报信息系统、各种订票系统等。
管理信息系统是应用*广泛的一种信息系统，它不但支持各种日常事务处理，同时适用于各种企事业单位的经营管理，如企业管理信息系统、财务管理信息系统、人事档案信息系统、医院管理信息系统等都属于这一类。
决策支持系统则是用以获得辅助决策方案的交互式计算机系统，它从管理信息系统中获得信息，经处理数据和分析推测，支持高层管理者制定决策。它由分析决策模型，管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到*佳的决策效果。
人工智能和专家系统是模仿人工决策处理过程的计算机信息系统。它扩大了计算机的应用范围，将其由单纯的资料处理发展到智能推理上来。
此外，还有一种空间信息系统(spatial information system，SIS) ，它是一种十分重要而又与其他类型信息系统有显著区别的信息系统。因为它所要采集、管理、处理和更新的是空间信息，因此，这类信息系统在结构上也比其他一般信息系统复杂得多，功能上也较其他信息系统强得多。地理信息系统就是一种十分重要的空间信息系统。
1.1.5 地理信息系统定义
地理信息系统(geographic information system，GIS)国内外有许多定义，不同的应用领域、不同的专业，对它的理解不完全一样，目前还没有一个完全统一的被普遍接受的定义。有人认为GIS 是管理和分析空间数据的计算机系统，在计算机软硬件支持下对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理，实现数据输入、存储、处理、管理、分析、输出等功能。通过对数据实行有效管理，研究各种空间实体及其相互关系，通过对多因素信息的综合分析可以快速地获取满足应用需要的信息，并能以图形、数据、文字等形式表示处理结果。有人认为GIS 是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球(包括大气层在内)空间与地理分布有关数据的空间信息系统。有人认为GIS 就是数字制图技术和数据库技术的结合。有人则按研究专业领域不同给予不同的名称，如地籍信息系统、土地信息系统、环保信息系统、管网信息系统和资源信息系统等。这些定义，有的侧重于GIS 的技术内涵，有的则强调GIS 的应用功能，都比较科学地阐明了GIS 的对象、功能和特点。
整体上可认为地理信息系统是对地理空间实体和地理现象的特征要素进行获取、处理、表达、管理、分析、显示和应用的计算机系统。该定义基本涵盖了目前主流的GIS 定义的表述，如1987 年英国***对GIS 下的定义为：“地理信息系统是一种获取、存储、检查、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。”1988 年美国国家地理信息与分析中心(NCGIA)给GIS 下的定义是：“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。”美国联邦数字地图协调委员会(FICCDC)关于GIS 的定义是：“地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。”
地理信息系统的基本概念可以看出，地理信息系统具有一些基本特征。
(1) 地理信息系统是以计算机系统为支撑的。地理信息系统是建立在计算机系统架构之上的信息系统，是以信息应用为目的的。地理信息系统由若干相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统等。这些子系统功能的强弱，直接影响其在实际应用中对地理信息系统软件和开发方法的选型。
(2) 地理信息系统操作的对象是地理空间数据。地理空间数据是地理信息系统的主要数据来源和操作对象。空间数据*根本的特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量描述。只有在地理信息系统中，地理空间数据才能实现空间数据的空间位置、属性和时态三种基本特征的统一。
(3) 地理信息系统具有对地理空间数据进行空间分析、评价、可视化和模拟的综合利用的优势。地理信息系统采用的数据管理模式和方法具备多源、多类型、多格式等空间数据进行整合、融合和标准化管理能力，为数据的综合分析利用提供了技术基础。可以通过综合数据分析，获得常规方法或普通信息系统难以得到的重要空间信息，实现对地理空间对象和过程的演化、预测、决策和管理。
从实际应用的角度看，地理信息系统表现为以下方面。
(1) 地理信息系统是一个工具箱。有些GIS 的定义将其描述为“一种存储、检索、变换和显示空间数据的工具集”。事实上，GIS 的确提供了一套分析地理空间数据的工具集，是一个包含各种处理地理空间数据的软件包。GIS 的处理过程包含从空间数据的获取到空间数据的管理，再到空间数据的分析、解释、显示和应用。
(2) 地理信息系统是一个信息系统。有些定义认为GIS 是“用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”；或“一种用于处理地理空间或地理坐标相关数据的信息系统，是一个管理地理空间数据的具有特定功能的数据库系统”；或“一种特殊的信息系统，数据库由空间分布的特征、活动或事件的观测数据组成，空间上表现为点、线、面，并为特定的查询和分析提供点、线、面数据的检索能力”等。所以，可以认为地理信息系统是一种特殊的信息系统，继承了信息系统的基本特征。GIS 的数据库由一系列地理数据构成，这些数据发生在不同的时间，也可以是同一时间发生在不同的地点。地理信息系统作为信息系统，其处理的对象是具有空间特征的地理数据，因此地理信息系统的技术优势在于它的空间分析能力。GIS 独特的地理空间分析能力包括快速的空间定位搜索、复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空间模拟以及空间决策等。
(3) 地理信息系统是一门科学。有些GIS 定义认为，“地理信息系统是研究地理信息生成、处理、存储和应用过程中出现的基本问题的一门信息科学”。地理信息系统引发了很多的技术变革，同时促进了测绘、遥感、航空摄影测量、全球定位系统、移动计算与通信等技术的发展。如今，地理信息系统技术变得更加简单、分布更加广泛、使用成本更加低廉。同时，地理信息系统技术也突破了制约，深入到了诸如人类学、流行病学、设备管理学、林学、地理学以及商务等领域。这种转变导致了组成地理学的知识自身的优胜劣汰。因此，许多学者称GIS 为“地理信息科学”，认为它是一个具有理论和技术的科学体系。
1.2 地理信息系统的构成
一个实用的GIS 系统，需要一定的环境支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能。GIS 主要由5个部分构成，即硬件系统、软件系统、空间数据、应用人员及地理数据库，如图1-3所示。其核心是软、硬件系统，空间数据反映GIS 的地理内容，应用人员则贯穿系统始终，通过应用模型将GIS 技术应用于国民经济生产各领域产生社会和经济效益。
图1-3 地理信息系统构成